КОМПРЕССОРНО-ДЕТАНДЕРНЫЙ АГРЕГАТ

Заявленная полезная модель относится к компрессорно-детандерным агрегатам холодильных установок, а точнее к способу выполнения силовой схемы компрессорно-детандерных агрегатов.
Компрессорно-детандерный агрегат холодильной установки - это компрессор и детандер, установленные на одном валу электродвигателя. Такой агрегат может применяться в воздушных холодильных установках, а также в смежных областях.
Воздушная холодильная установка (ВХУ) - это разновидность холодильных установок, в которых в качестве рабочего тела используется воздух. Такие установки относятся к установкам замкнутого цикла. Воздух поступает в компрессор и адиабатно сжимается с повышением температуры. После этого, при помощи охладителей (чаще всего теплообменники с внешней средой или с обратным холодным потоком), сжатый воздух охлаждается и поступает в детандер, где адиабатно расширяется с понижением температуры. Охлажденный воздух поступает к охлаждаемому объекту, взаимодействует с ним и направляется обратно к компрессору.
Отличительные особенности ВХУ:
1) снижение энергопотребления. Часть энергии сжатого воздуха идет на вращение детандера. Если детандер и компрессор расположены на одном валу, то часть энергии, затрачиваемой на вращение компрессора, компенсируется;
2) экологичность, простота обслуживания. В отличие от применяемых токсичных хладагентов (например распространенные насыщенные алифатические фторсодержащие углеводороды), применяемый в качестве хладагента воздух не токсичен. Это делает ВХУ экологически чистыми холодильными установками;
3) безопасность. Применяемый хладагент не взрыво-, пожароопасен, в отличие от применяемых хладагентов (например аммиак, пропан, бутаны и другие углеводороды). Рабочее давление не превышает 1 бар (изб), это делает ВХУ безопасными для эксплуатации холодильными установками.
Подобные ВХУ хорошо описаны в уровне техники (патентная заявка JP 2010025438 А, МПК F28D 9/02, F25B 9/00, опубл. 04.02.2010).
Выполнение детандера и компрессора на одном валу двигателя, при необходимости достижения герметичности, вызывает определенные сложности. Необходимо, при обеспечении высокой герметичности, достичь приемлемого снижения шумов и вибраций и обеспечить высокую прочность конструкции при работе с большой разницей давлений на разных концах агрегата. Таким образом, крайне важным является выполнение силовой схемы корпуса компрессорно-детандерного агрегата.
В настоящее время для изготовления корпусов применяются следующие способы и решения.
1. Фрезерование из цельной заготовки. Данный способ имеет следующие недостатки:
большой расход материала - коэффициент использования материала до 25%,
значительные трудозатраты,
дорогая оснастка,
изготовление цельного корпуса представляет собой достаточно сложную технологическую задачу,
и как результат - высокая сложность производства изделия, трудность изготовления нескольких изделий разных размеров.
2. Литье. Данный способ имеет хорошие показатели только при достаточно массовом производстве изделий:
длительное время на разработку (перепроектирование изделия под данный способ производства), требование проведения этих работ для каждого типоразмера изделия,
дополнительное значительное время на проектирование и производство моделей и оснастки,
дополнительное время на согласование моделей и технологии литья с литейным производством,
значительная стоимость оснастки,
как итог: для малых партий и мелкосерийного производства способ очень трудозатратный, что приводит к ограничению возможности мелкосерийного производства.
Из уровня техники известен высокоэффективный способ выполнения силовой схемы корпуса станков в виде стянутых направляющими колонками плит (патент РФ RU № 2200071 С2, МПК В21Н 1/22, В21Н 7/14, опубл. 10.03.2003). Такое выполнение обеспечивает высокую надежность схемы при одновременной простоте и трудозатратах изготовления. Это решение не относится к компрессорно-детандерным агрегатам холодильных машин, однако имеет много общего с заявленной полезной моделью. Также подобные схемы успешно применяются в иных областях техники: патент РФ RU № 2108647 С1 - корпус блока генерации лазерного излучения; патент РФ RU № 2206851 С1 - корпус кожухопластинчатого теплообменника и т.д. Все эти схемы, как уже указывалось, не относятся к схемам корпусов компрессорно-детандерных агрегатов.
При этом заявителю неизвестен опыт применения подобных схем при конструировании корпусов компрессорно-детандерных агрегатов ВХУ.
В качестве формального прототипа заявленной полезной модели (можно выбрать, например, высокоскоростную турбомашину (патент РФ RU № 2206755 С1, МПК F01D 15/00, опубл. 20.06.2003). Описанная турбомашина включает корпус, который выполнен частично из блока подшипников и статорной части турбомашины (такой блок невозможно выполнить иначе, чем описанными методами литья/фрезировки со всеми вытекающими недостатками), а также тонкостенной оболочки.
Задачей настоящей полезной модели является создание компрессорно-детандерного агрегата, схема которого позволяла бы производство в любых сериях без серьезных трудозатрат на переработку и с существенной экономией материала.
Задача решается адаптацией схемы корпуса, применяемой в станкостроении к компрессорно-детандерным агрегатам.
Технический результат заключается в снижении трудозатрат в производстве, при одновременно высоком коэффициенте использования материала. Обеспечивается возможность производства как крупных серий, так и организации мелкосерийного производства компрессорно-детандерных агрегатов различных размеров.
Иначе говоря, технический результат можно сформировать как повышение экономичности и снижение трудозатрат в производстве малых партий компрессорно-детандерных агрегатов.
Техническая задача решается, а результат достигается тем, что компрессорно-детандерный агрегат, содержащий корпус, к которому крепятся компрессор и детандер, расположенные на одном валу с электродвигателем, выполнен так, что силовая схема корпуса представляет собой силовую плиту компрессора и силовую плиту детандера, стянутые между собой силовыми колонками, состоящими из стяжек и распорных втулок.
Дополнительно можно отметить, что заявленная схема компрессорно-детандерного агрегата и корпуса компрессорно-детандерного агрегата обеспечивает:
значительное сокращение времени подготовки к производству по сравнению с литьем;
упрощение конструкции и сокращение времени разработки и изготовления оснастки;
сокращение сроков изготовления по сравнению с фрезерованием цельного изделия из одной заготовки;
уменьшение трудоемкости изготовления изделия в целом;
упрощение технологии изготовления;
упрощение процесса исправления брака (замена только бракованной части корпуса, по сравнению с отбраковкой всего корпуса);
повышение коэффициента использования материала (до 90%);
Как итог, предлагаемый способ выполнения силовой схемы корпуса компрессорно-детандерного агрегата сокращает и упрощает производство изделий, уменьшает себестоимость изделий в мелкосерийном производстве, при сохранении возможности организации крупносерийного производства.
Вышеописанные черты и преимущества, а также иные, очевидные для специалиста плюсы настоящей полезной модели, а также средства и методы их достижения станут более ясными и понятными на основании дальнейшего описания различных способов и форм реализации заявленной полезной модели со ссылками на фигуры чертежей.
На фиг. 1 представлена схема компрессорно-детандерного агрегата.
Заявленный компрессорно-детандерный агрегат содержит компрессор 1, детандер 2, вал 3, электродвигатель 4. Компрессор 1 и детандер 2 крепятся к корпусу и расположены на одном валу 3 с электродвигателем 4. Силовая схема корпуса компрессорно-детандерного агрегата конструктивно выполнена в виде плиты компрессора 5, плиты детандера 6, стянутых между собой при помощи 4-х силовых колонок. Колонки состоят из стяжек 8 и распорных втулок 7 для обеспечения точного размера между плитами и обеспечения их параллельности. Распорные втулки 7 по торцам обрабатываются с одной установки, что обеспечивает их высокую точность и технологическую простоту изготовления. Конструкция корпуса компрессорно-детандерного агрегата, выполненная по данной схеме, обеспечивает корпусу максимальную жесткость при минимальных затратах на его изготовление. Так для специалиста будет очевидным возможность легкого изготовления плит 5 и 6 совершенно различных размеров и форм для адаптации под конкретные, мелкосерийные модели компрессорно-детандерных агрегатов ВХУ специализированного назначения.
Из уровня техники известно большое число различных, экономичных и нетрудозатратных способов выполнения как описанных силовых плит, так и силовых колонок. Предпочтительно плиты изготавливаются токарно-фрезерной обработкой, распорные втулки - точением с последующим сверлением и совместной обработкой торцов, стяжки изготавливаются токарной обработкой. Для специалиста, на основании известных из уровня техники способов будет очевидно существенное упрощение производства заявленного корпуса компрессорно-детандерного агрегата.
Предложенная силовая схема корпуса была реализована при производстве компрессорно-детандерного агрегата, состоящего из компрессора, детандера и приводного двигателя, собранных на одном валу. Установленная мощность двигателя в рабочей точке составляла 20 кВт, подача воздуха на компрессоре и детандере 0,3 кг/с. Проведенные испытания компрессорно-детандерного агрегата показали, что все параметры соответствуют расчетным значениям. Ресурсные испытания показали нормальную работоспособность корпуса, выполненного по описанной выше схеме.