СПОСОБ ОСУШКИ ГАЗА ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК B01D53/26 

Настоящее изобретение относится к способу осушки газа охлаждением.

В частности, изобретение предназначено для осушки газа охлаждением, при которой водяной пар в газе конденсируется при направлении газа через вспомогательную секцию теплообменника, основная секция которого образует испаритель замкнутого контура охлаждения, в котором хладагент может циркулировать с помощью компрессора, который установлен в контуре охлаждения после испарителя, и за которым следует конденсатор и расширительный клапан, через который хладагент может циркулировать, и перепускной трубопровод с перепускным клапаном горячего газа, который соединяет выход компрессора с точкой ввода выше по потоку от компрессора.

Осушка охлаждением, как известно, основана на принципе, в соответствии с которым при понижении температуры газа влага в газе конденсируется, после чего конденсат отделяют в жидкостном сепараторе, после чего газ снова нагревают, благодаря чему данный газ больше не является насыщенным.

Известно, что в большинстве случаев сжатый воздух, подаваемый, например, компрессором, насыщен водяным паром, или, иными словами, он имеет относительную влажность, равную 100%. Это означает, что в случае падения температуры ниже «точки росы» происходит конденсация. Из-за водяного конденсата происходит коррозия в трубах и инструментах, которые отводят сжатый воздух из компрессора, и оборудование может подвергаться преждевременному износу.

Следовательно, необходимо осушать этот сжатый воздух, что можно осуществлять указанным выше способом с помощью осушки охлаждением. Таким же путем может быть осушен также воздух, отличающийся от сжатого воздуха, или другие газы.

В известном способе контур охлаждения регулируют с помощью двух отдельных управляющих устройств: управляющего устройства расширительного клапана - с одной стороны, и управляющего устройства перепускного клапана горячего газа - с другой.

Расширительный клапан используется для достаточного расширения хладагента, благодаря чему хладагент всегда является перегретым при входе в компрессор.

В результате данного перегрева имеющийся жидкий хладагент может быть испарен перед тем, как он будет направлен в компрессор, чтобы обеспечить оптимальную защиту компрессора от жидкого хладагента.

Перегрев хладагента может быть определен на основе измерений давления испарителя и температуры испарителя, и можно определить, следует ли расширительный клапан открыть в большей или в меньшей степени, чтобы таким путем регулировать перегрев хладагента.

Перепускной клапан горячего газа используют, чтобы гарантировать, что давление испарителя не является слишком низким, так что воздух в теплообменнике не охлаждается слишком сильно; в противном случае конденсат будет замерзать.

С помощью отведения некоторого количества хладагента в виде горячего газа из контура охлаждения и направления его через перепускной трубопровод за компрессором давление испарителя и, вместе с этим, температуру хладагента держат под контролем. Это может быть необходимо, например, при переменной нагрузке контура охлаждения.

Таким путем охлаждающую способность устройства можно уменьшить и предотвратить замерзание конденсата в теплообменнике или слишком большое падение температуры хладагента.

При этом перепускной клапан горячего газа регулируется с помощью управляющего устройства, которое соединено известным способом с одним или несколькими датчиками.

Эти датчики установлены, например, для определения давления испарителя. Когда эти датчики регистрируют давление испарителя, которое является слишком низким, управляющее устройство посылает сигнал в перепускной клапан горячего газа для его открытия. Таким путем определенное количество хладагента направляют через перепускной трубопровод за компрессором, благодаря чему охлаждающая способность контура охлаждения уменьшается.

Недостатком этого является необходимость обеспечения двух отдельных управляющих устройств, что приводит к усложнению способа.

Более того, управляющее устройство расширительного клапана влияет на управляющее устройство перепускного клапана горячего газа, и наоборот.

Действительно, если расширительный клапан открывается или закрывается для получения фиксированного перегрева даже при переменной нагрузке, - давление испарителя будет расти или падать. В результате, перепускной клапан горячего газа также нужно будет регулировать, чтобы иметь возможность корректировать давление испарителя до желаемого заданного значения. Желаемое давление испарителя зависит от нагрузки.

Иными словами, изменение состояния перепускного клапана горячего газа делает неизбежной необходимость регулировки расширительного клапана.

Это затрудняет обеспечение хорошей работы контура охлаждения.

Целью настоящего изобретения является создание решения для устранения по меньшей мере одного из указанных выше и других недостатков.

Задачей настоящего изобретения является способ осушки газа охлаждением, в котором водяной пар в газе конденсируется при направлении газа через вспомогательную секцию теплообменника, основная секция которого образует испаритель замкнутого контура охлаждения, в котором хладагент может циркулировать с помощью компрессора, который установлен в контуре охлаждения после испарителя, и за которым следует конденсатор и расширительный клапан, через который может циркулировать хладагент, и перепускной трубопровод с перепускным клапаном горячего газа, который соединяет выход компрессора с точкой ввода, расположенной до компрессора, при этом способ позволяет использовать экспериментально определенную формулу, которая отражает связь между состоянием расширительного клапана и перепускного клапана горячего газа для регулирования фиксированного перегрева хладагента после испарителя и желаемого давления испарителя, при этом способ включает на основе данной формулы:

- или корректировку состояния расширительного клапана в зависимости от состояния перепускного клапана горячего газа; или

- корректировку состояния перепускного клапана горячего газа в зависимости от состояния расширительного клапана; или

- регулирование состояний обоих клапанов друг относительно друга.

Эксперименты показали, что для каждой нагрузки контура охлаждения существует сопряженное фиксированное состояние или степень открытия расширительного клапана, и сопряженное фиксированное состояние или степень открытия перепускного клапана горячего газа. Иными словами, существует связь между расширительным клапаном и перепускным клапаном горячего газа.

Преимущество заключается в том, что такая связь может быть выражена формулой, которая позволяет вычислять степень открытия расширительного клапана по степени открытия перепускного клапана горячего газа, и наоборот.

Преимущество способа по изобретению состоит в том, что при использовании такой формулы состояния обоих клапанов можно регулировать друг относительно друга.

Следовательно, можно гарантировать, что при раздельном регулировании состояний обоих клапанов, определенные при этом состояния соответствуют формуле, что позволяет обеспечивать хорошую работу контура охлаждения.

Другое преимущество заключается в том, что за счет использования формулы можно эксплуатировать только одно управляющее устройство, например, управляющее устройство расширительного клапана, и что состояние перепускного клапана горячего газа просто вычисляется по формуле.

Преимущество этого варианта заключается в том, что нет двух управляющих устройств, которые могут влиять друг на друга, благодаря чему достигается более стабильная работа осушителя, и осушитель является менее сложным, поскольку существует только одно управляющее устройство.

В целях лучшей демонстрации характеристик изобретения несколько предпочтительных вариантов осуществления способа осушки газа охлаждением в соответствии с изобретением приводится ниже посредством примера, не носящего ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 схематически показан контур охлаждения для осуществления способа по изобретению;

на фиг. 2 схематически показаны две кривые, которые отражают связь между состоянием расширительного клапана и перепускного клапана горячего газа для различных давлений конденсатора;

на фиг. 3 схематически представлен способ в соответствии с изобретением.

Устройство 1 для осушки охлаждением, показанное на фиг. 1, в основном состоит из теплообменника 2, основная секция которого образует испаритель 3 замкнутого контура 4 охлаждения, в котором размещены последовательно первый жидкостный сепаратор 5, компрессор 6, конденсатор 7 и расширительный клапан 8.

В данном случае компрессор 6 приводится в действие двигателем 9 и используется для обеспечения циркуляции хладагента через контур 4 охлаждения в направлении, указанном стрелкой A. Компрессор 6 может быть, например, объемным компрессором, и двигатель 9, например, является электродвигателем 9.

Хладагент может быть, например, R404a, но изобретение, разумеется, этим не ограничено.

В данном случае расширительный клапан 8 предпочтительно является электронным расширительным клапаном 8, который является регулируемым. В данном случае расширительный клапан 8 является бесступенчато регулируемым от минимального состояния до максимального состояния.

Электронный расширительный клапан 8 имеет преимущество, заключающееся в том, что расширение жидкого хладагента в испарителе 3 может быть очень точно дозировано, например, в соответствии с нагрузкой, благодаря чему получают более стабильное устройство 1.

Вспомогательная секция 10 теплообменника 2 образует часть трубопровода 11 для осушаемого влажного воздуха, направление течения которого показано стрелкой В. Вход этого трубопровода 11 может быть, например, соединен с выходом компрессора для подачи сжатого воздуха для сушки.

Второй жидкостный сепаратор 12 установлен в трубопроводе 11 после вспомогательной секции 10 теплообменника 2, более конкретно на выходе из него.

В данном случае перед вхождением во вспомогательную секцию 10 теплообменника 2 секция 13 данного трубопровода 11 проходит через предохладитель или рекуперативный теплообменник 14. После вспомогательной секции 10 секция 15 данного трубопровода 11 также проходит через этот рекуперативный теплообменник 14, с противоположным потоком к указанной выше секции 13.

Выход из указанного выше трубопровода 11 может быть соединен, например, с сетями сжатого воздуха (не показаны), к которым присоединены потребители сжатого воздуха, как например, инструменты, которые приводятся в действие сжатым воздухом.

В данном случае компрессор 6 байпасируют одним перепускным трубопроводом 16, который соединяет выход компрессора 6 с точкой ввода P, которая в данном случае расположена перед входом 17а испарителя 3, но после расширительного клапана 8.

Перепускной трубопровод 16 снабжен перепускным клапаном 18 горячего газа для отвода хладагента из контура 4 охлаждения.

Предпочтительно перепускной клапан 18 горячего газа является электронным перепускным клапаном 18 горячего газа, который имеет то преимущество, что он может быть открыт в большей или меньшей степени, благодаря чему можно корректировать количество хладагента, вводимое через перепускной трубопровод.

Это позволит осуществлять повторное введение хладагента в контур 4 охлаждения перед входом 17a испарителя 3. Очевидно, что точка ввода P также может быть расположена после входа 17a или выхода 17b испарителя. В этом последнем случае перепускному клапану 18 горячего газа не нужно быть электронным клапаном.

В данном случае электронный перепускной клапан 18 горячего газа является бесступенчато регулируемым от минимального состояния до максимального состояния, в котором он является полностью открытым.

Электронный перепускной клапан 18 горячего газа соединен с управляющим устройством 19, к которому в данном случае также присоединен ряд средств 20, 21 и 22 для определения температуры и/или давления хладагента.

Первое средство 20 расположено возле конденсатора 7 для определения давления конденсатора p_c.

Второе средство 21 и третье средство 22 расположены после испарителя 3 для определения, соответственно, давления p_v и температуры T_v хладагента в испарителе 3. Очевидно, что эти средства могут быть реализованы различными способами.

Управляющее устройство 19 также соединено с конденсатором 7, расширительным клапаном 8 и двигателем 9.

Способ осушки охлаждением с помощью устройства 1 в соответствии с фиг. 1 очень прост и заключается в следующем.

Подлежащий осушке воздух поступает через трубопровод 11 и, соответственно, через вспомогательную секцию 10 теплообменника 2, как показано стрелкой В.

В данном теплообменнике 2 влажный воздух охлаждается под влиянием хладагента, который проходит через основную секцию теплообменника 2, или, соответственно, через испаритель 3 контура 4 охлаждения.

В результате образуется конденсат, который отделяется во втором жидкостном сепараторе 12.

Холодный воздух, который содержит меньшее абсолютное количество влаги после прохождения через этот второй жидкостный сепаратор 12, но имеет относительную влажность 100%, нагревается в рекуперационном теплообменнике 14 под влиянием вновь поступающего для осушения воздуха, благодаря чему относительная влажность уменьшается предпочтительно до менее 50%, при этом новый воздух, подаваемый для осушки в рекуперативный теплообменник 14, становится уже частично охлажденным перед поступлением в теплообменник 2.

Воздух на выходе из рекуперативного теплообменника 14 является, таким образом, более сухим, чем на входе теплообменника 2.

Для того чтобы иметь возможность охлаждать влажный воздух, поступающий для охлаждения во вспомогательную секцию 10 теплообменника, хладагент направляют через контур охлаждения в направлении стрелки А через испаритель 3 или основную секцию теплообменника 2.

Горячий хладагент, который поступает из испарителя 3, находится в газовой фазе, и будет доведен до более высокого давления с помощью компрессора 6, после этого охлаждается в конденсаторе 7 и конденсируется.

Жидкий холодный хладагент далее будет расширен с помощью расширительного клапана 8 и будет дополнительно охлажден перед направлением в испаритель 3 для охлаждения там воздуха, подлежащего осушке.

Хладагент будет нагреваться из-за эффекта теплопередачи в испарителе 3, испаряться и будет снова направлен в компрессор 6.

Любой жидкий хладагент, все еще присутствующий после испарителя 3, будет удерживаться с помощью первого жидкостного сепаратора 5.

Управляющее устройство 19 будет при этом регулировать расширительный клапан 8 и перепускной клапан 18 горячего газа на основе сигналов от средств 21 и 22, благодаря чему достигается желаемый уровень перегрева хладагента после испарителя 3 и желаемое давление испарителя p_v.

В случае изменения условий, например, изменения нагрузки контура 4 охлаждения, состояние клапанов 8, 18 должно быть скорректировано.

Для этого существует один контроллер в управляющем устройстве 19, в данном случае для состояния перепускного клапана 18 горячего газа. Состояние расширительного клапана определяется с помощью формулы, которая в данном случае хранится в управляющем устройстве 19.

Данная формула определяется экспериментально и может быть выведена из кривой 23, показанной на фиг. 2.

Кривая 23 на фиг. 2 состоит из ряда различных точек 24, которые определены экспериментально, где каждая точка 24 отражает состояние или степень открытия расширительного клапана 8 и сопряженное состояние или степень открытия перепускного клапана 18 горячего газа для конкретной нагрузки, где оба клапана 8, 18 корректируют для данной нагрузки к желаемому давлению испарителя p_v и фиксированному уровню перегрева хладагента, и где давление конденсатора p_c поддерживают постоянным для построения кривой 23.

Иными словами: каждая точка 24 на кривой 23 соответствует конкретной нагрузке, и вся кривая 23 достоверна для одного конкретного давления конденсатора p_c.

Состояние или степень открытия клапанов 8, 18 могут быть выражены в %, например, где 0% соответствует полностью закрытому клапану и 100% соответствует полностью открытому клапану.

Для другого давления конденсатора P_c' может быть построена аналогичная кривая 23' из различных экспериментально определенных точек 24'.

Формула может быть найдена на основе кривой 23, которая определяет форму кривой 23.

Формула имеет вид y=A·e^B·x, где:

- y является состоянием расширительного клапана 8, и x является состоянием перепускного клапана 18 горячего газа;

- A и B являются параметрами, которые определяются экспериментально.

Например, параметры А и B зависят от давления конденсатора, хладагента, желаемого перегрева и/или других параметров среды.

Такая формула может быть составлена для каждой кривой 23, 23'.

Формулы хранятся в управляющем устройстве 19. Во время работы устройства 1 управляющее устройство будет регулировать перепускной клапан 18 горячего газа на основе сигнала из средства 20 для поддержания давления конденсатора p_c на желаемом уровне.

Для того, чтобы регулировать состояние расширительного клапана, управляющее устройство будет выбирать формулу для давления конденсатора p_c, существующего в этот момент, на основе сигнала из средства 20.

На основе состояния перепускного клапана 18 горячего газа состояние расширительного клапана 8 может быть рассчитано по формуле.

Это схематически показано на фиг. 2: правильная кривая 23 и, соответственно, правильная формула определяется на основе давления конденсатора p_c. Состояние перепускного клапана 18 горячего газа считывается с кривой 23, из него следует соответствующее состояние расширительного клапана 8. Управляющее устройство 19 будет корректировать расширительный клапан 8 к данному состоянию.

Конечно, возможно, что управляющее устройство 19 содержит контроллер для расширительного клапана 8, при этом данный клапан 8 регулируется таким образом, что получают фиксированный перегрев хладагента после испарителя 3, и что сопряженное состояние перепускного клапана 18 горячего газа определяется на основе формулы, аналогично описанному выше способу.

Кроме того, также возможно, что вместо разных формул, хранящихся в управляющем устройстве 19, можно использовать одну единственную формулу для конкретного давления конденсатора p_c, определяемого экспериментально, и когда давление конденсатора p_c отклоняется от указанного выше конкретного давления конденсатора p_c, поправочный коэффициент С применяется в формуле, при этом поправочный коэффициент С зависит от давления конденсатора p_c, существующего в данный момент.

Иными словами, одна формула хранится в управляющем устройстве 19 при одном конкретном давлении конденсатора p_c. Когда давление конденсатора p_c, существующее в данный момент, отклоняется от указанного выше конкретного давления конденсатора p_c, управляющее устройство 19 будет применять поправочный коэффициент С при расчетах состояния расширительного клапана 8, при этом С будет зависеть от давления конденсатора p_c.

Эксперименты показали, что различные кривые 23, 23’ для различных давлений конденсатора p_c могут быть получены путем сдвига кривой 23 за счет применения поправочного коэффициента С.

Когда экспериментально определенная формула при конкретном давлении конденсатора p_c имеет вид: y=A·e^B·x, формула с поправочным коэффициентом будет выглядеть следующим образом:

y=(A+C)·e^B·x+C,

где y является состоянием расширительного клапана 8, и x является состоянием перепускного клапана 18 горячего газа;

- A и B являются параметрами, которые определяются экспериментально;

- C является поправочным коэффициентом, который зависит от давления конденсатора p_c.

За счет применения подходящего поправочного коэффициента С в указанной выше формуле может быть получена формула кривой 23' для другого давления конденсатора p_c.

Это схематически показано на фиг. 3 для двух поправочных коэффициентов C и C'.

Способ при использовании формулы с поправочным коэффициентом С является следующим.

Формула y=(A+C)·e^B·x+C находится в управляющем устройстве 19, при этом A и B определяются экспериментально.

Управляющее устройство 19 будет регулировать перепускной клапан 18 горячего газа на основе сигнала из средства 20 для определения давления конденсатора p_c.

На основе данного давления конденсатора p_c управляющее устройство 19 также будет определять подходящий поправочный коэффициент С для использования в формуле.

Состояние расширительного клапана 18 может быть вычислено из данной формулы с поправочным коэффициентом C и состояния перепускного клапана 18 горячего газа. Управляющее устройство 19 будет приводить расширительный клапан 8 к данному вычисленному состоянию.

Возможно также, что управляющее устройство 19 предусмотрено с двумя устройствами управления: одним - для расширительного клапана 8 и другим - для перепускного клапана 18 горячего газа, как это обычно бывает. При использовании формулы состояния обоих клапанов 8, 18 могут быть получены с корректировками, регулируемыми друг относительно друга, чтобы иметь возможность гарантировать хорошую работу контура 4 охлаждения.

Настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вариантами осуществления, описанными в качестве примеров и показанными на чертежах, при этом предложенный способ осушки газа охлаждением в соответствии с изобретением может быть реализован в различных вариантах без отклонения от объема изобретения.

Способ осушки газа охлаждением, использующий теплообменник, основная секция которого образует испаритель контура охлаждения с компрессором, расширительным клапаном и перепускным трубопроводом за компрессором с перепускным клапаном горячего газа, при этом способ использует формулу, которая отражает связь между состоянием расширительного клапана и перепускного клапана горячего газа, где на основе данной формулы: корректируется или состояние расширительного клапана в зависимости от состояния перепускного клапана горячего газа; или корректируется состояние перепускного клапана горячего газа в зависимости от состояния расширительного клапана, или наоборот; или регулируют состояния обоих клапанов относительно друг друга. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ осушки газа охлаждением, в котором водяной пар в газе конденсируют путем направления газа через вспомогательную секцию (10) теплообменника (2), основная секция которого образует испаритель (3) замкнутого контура (4) охлаждения, в котором хладагент циркулируют с помощью компрессора (6), который установлен в контуре (4) охлаждения после испарителя (3), за которым следует конденсатор (7) и расширительный клапан (8), через который циркулирует хладагент, и перепускной трубопровод (16) с перепускным клапаном (18) горячего газа, который соединяет выход компрессора (6) с точкой ввода (P) выше по потоку от компрессора (6), отличающийся тем, что для регулирования фиксированного перегрева хладагента после испарителя (3) и желаемого давления испарителя (p_v) используют экспериментально определенную формулу, которая отражает связь между состоянием расширительного клапана (8) и перепускного клапана (18) горячего газа, при этом экспериментально определенная формула определяется кривой (23), которая составлена из различных точек (24), где каждая точка (24) отражает состояние расширительного клапана (8) и связанное состояние перепускного клапана (18) горячего газа для конкретной нагрузки, при этом оба клапана (8, 18) регулируют для данной нагрузки желаемое давление испарителя (p_v) и фиксированный уровень перегрева хладагента, и где давление конденсатора (p_c) поддерживают постоянным для построения кривой (23), и при этом способ включает:

- корректировку состояния расширительного клапана (8) в зависимости от состояния перепускного клапана (18) горячего газа; или

- корректировку состояния перепускного клапана (18) горячего газа в зависимости от состояния расширительного клапана (8); или

- регулирование состояний обоих клапанов (8, 18) друг относительно друга, осуществляемое на основе вышеупомянутой формулы,

причем указанная формула имеет вид y=A·e^B·x,

где

y является состоянием расширительного клапана (8), и x является состоянием перепускного клапана (18) горячего газа, или наоборот;

- A и B являются параметрами, которые определяют экспериментально.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формулу определяют для различных давлений конденсатора (p_c), и формулу применяют в зависимости от давления конденсатора (p_c), существующего в данный момент.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формулу экспериментально определяют для конкретного давления конденсатора (p_c), и когда давление конденсатора (p_c) отклоняется от указанного выше давления конденсатора (p_c), поправочный коэффициент (С) вводят в формулу, при этом поправочный коэффициент (С) зависит от давления конденсатора (p_c), существующего в этот момент.

4. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что формула с поправочным коэффициентом (С) имеет вид y=(A+C)·e^B·x+C,

где

y является состоянием расширительного клапана (8), и x является состоянием перепускного клапана (18) горячего газа, или наоборот;

- A и B являются параметрами, которые определяются экспериментально;

- C является поправочным коэффициентом, который зависит от давления конденсатора (p_c).

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что точка ввода (P) расположена перед выходом (17b) испарителя (3) и после расширительного клапана (8).

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что расширительный клапан (8) является электронным расширительным клапаном (8), и/или что перепускной клапан (18) горячего газа является электронным перепускным клапаном (18) горячего газа.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что способ используют для осушки газа, который выходит из компрессора.