Компрессорная установка
COMPRESSOR UNIT

Изобретение относится к управлению компрессорными установками, эксплуатируемыми в различных отраслях народного хозяйства, находящихся в климатических условиях с длительным воздействием отрицательных температур, и особенно для шахтных предприятий горной промышленности.
Известна компрессорная установка, (см. патент РФ №2396469, МПК F04D 29/28, опубл. 10.08.2010, бюл. №22) содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническое днище, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, при этом всасывающий трубопровод соединен с крышкой корпуса фильтра, причем корпус фильтра дополнительно снабжен рубашкой, образующей полость для наполнения горячим сжатым воздухом, при этом в нижней части конического днища полость соединена посредством клапана и дополнительно трубопровода с линией нагнетания, а в верхней части корпуса – с суживающимся соплом.
Недостатком является перерасход энергии на производство сжатого воздуха при отрицательных температурах наружного воздуха – из-за увеличения массового количества сжатого воздуха по сравнению  с нормированно необходимым для потребителей вследствие возрастания плотности всасываемого компрессором атмосферного воздуха, что также приводит к более тяжелым условиям работы пневмооборудования.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ № 2535895, МПК F04D 29/28, опубл. 20.12.2014), содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническое днище, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, при этом всасывающий трубопровод соединен с крышкой корпуса фильтра, причем корпус фильтра дополнительно снабжен рубашкой, образующей полость для наполнения горячим сжатым воздухом, при этом в нижней части конического днища полость соединена посредством клапана и дополнительно трубопровода с линией нагнетания, а в верхней части корпуса – с суживающимся соплом, кроме того блок управления включает регулятор температуры атмосферного воздуха, соединенный с датчиком температуры, расположенным у входного отверстия суживающегося сопла воздушного фильтра, и регулятор давления с датчиком давления, установленным на пневмосети, причем регулятор температуры и регулятор давления содержат блоки задания и сравнения, электронный и магнитный усилители, а также блоки нелинейной обратной связи, при этом компрессор соединен с приводом через регулятор скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Недостатком является возрастающие энергозатраты при длительной эксплуатации компрессорной установки, обусловленные спецификой работы на шахтных предприятиях горной промышленности, когда  во всасываемом атмосферном воздухе «витает» значительное количество твердых мелко дисперсных частиц, как технологической, так и атмосферной пыли, наличие которой увеличивает аэродинамическое сопротивление воздушного фильтра и как следствие требуется повышение мощности привода компресса для последующего производства нормированного количество сжатого воздуха.
Технической задачей изобретения является поддержание заданных энергозатрат на производство нормированного количества сжатого воздуха, определяемого условиями работы шахтных предприятий горной промышленности при длительной эксплуатации компрессорной установки, путем обеспечения постоянства аэродинамического сопротивления воздушного фильтра компрессора, за счет устранения витания во внутреннем объеме суживающегося сопла мелкодисперсных твердых частиц технической и атмосферной пыли, при выполнении на ее внутренней поверхности криволинейных канавок с кривизной по линии циклоида как брахистохрона и профилем в виде «ласточкина хвоста».
Технический результат по поддержанию постоянства заданных энергозатрат  при производстве сжатого воздуха в процессе длительной эксплуатации на шахтных предприятиях горной промышленности достигается тем, что компрессорная установка содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническое днище, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, при этом всасывающий трубопровод соединен с крышкой корпуса фильтра, причем корпус фильтра дополнительно снабжен рубашкой, образующей полость для наполнения горячим сжатым воздухом, при этом в нижней части конического днища полость соединена посредством клапана и дополнительно трубопровода с линией нагнетания, а в верхней части корпуса – с суживающимся соплом, причем блок управления включает регулятор температуры атмосферного воздуха, соединенный с датчиком температуры, расположенным у входного отверстия суживающегося сопла воздушного фильтра, и регулятор давления с датчиком давления, установленным на пневмосети, причем регулятор температуры и регулятор давления содержат блоки задания и сравнения, электронный и магнитный усилители, а также блоки нелинейной обратной связи, при этом компрессор соединен с приводом через регулятор скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, при этом на внутренней поверхности суживающегося сопла выполнены криволинейные канавки, кривизна которых соответствует кривой циклоида как брахистохрона, а профиль имеет вид «ласточкина хвоста», причем криволинейные канавки продольно вытянуты от входного отверстия суживающегося сопла к его выходному отверстию, а у входного отверстия суживающегося сопла расположена круговая канавка, которая соединена с устройством удаления загрязнений и с криволинейными канавками.
На фиг.1 представлена принципиальная схема компрессорной установки, на фиг.2 – общий вид воздушного фильтра, на фиг.3 – внутренняя поверхность суживающегося сопла с криволинейными канавками, круговой канавкой и устройством удаления загрязнений; на фиг.4 – криволинейная канавка, кривизна которой выполнена по линии циклоида как брахистохрона; на фиг.5 – профиль криволинейной канавки в виде «ласточкина хвоста».
Компрессорная установка состоит из компрессора 1, установленных на нагнетательной линии 2 посредством основного трубопровода 3 и клапана 4 концевого холодильника 5 и воздухосборника 6, причем последний через клапан 7 соединен с пневмосетью 8.
Теплообменник-утилизатор 9 дополнительным трубопроводом 10 и клапаном 11 соединен с нагнетательной линией 2, а дополнительным трубопроводом 12 и клапаном 13 соединен с концевым холодильником 5, кроме того, теплообменник-утилизатор 9 дополнительным трубопроводом 14 и клапаном 15 соединен с воздухосборником 6, а дополнительным трубопроводом 16 и клапаном 17 соединен с пневмосетью 8.
Блок управления 18 электрически соединен с клапанами 4, 7, 11, 13, 15, 17, и сдатчиком температуры 19, установленным на входе в суживающее сопло воздушного фильтра 22, установленного на всасывающем трубопроводе 20, а также датчиком давления 21, установленным на пневмосети 8.
Воздушный фильтр 22 состоит из корпуса с крышкой 23 и конического днища 24, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор 25, а в верхней части корпуса расположено устройство в виде суживающегося сопла 26, к входному отверстию 27 которого прикреплена сетка 28.
После выходного отверстия 29 суживающегося сопла 26 установлена отражательная перегородка 30, кроме того, всасывающий трубопровод 20 соединен с крышкой 23 воздушного фильтра 22. Корпус с крышкой 23 дополнительно снабжен рубашкой 31, образующей полость 32 для наполнения горячим сжатым воздухом, а в нижней части конического днища 24 полость 32 соединена посредством клапана 33 и дополнительного трубопровода 34 с линией нагнетания 2 компрессора, а в верхней части корпуса с крышкой 23 полость 32 рубашки 31 соединена с суживающимся соплом 26.
Блок управления 18 включает регулятор температуры 35 атмосферного воздуха, соединенный с датчиком температуры 19, расположенным у входного отверстия 27 суживающегося сопла воздушного фильтра 22, а также регулятор давления 36 с датчиком давления 21.
Регулятор температуры 35 и регулятор давления 36 содержат соответственно блоки задания 37 и 38, блоки сравнения 39 и 40, электронные усилители 41 и 42, магнитные усилители 43 и 44, а также блоки нелинейной обратной связи 45 и 46. При этом компрессор 1 соединен с приводом 47, через регулятор скорости вращения 48, выполненный в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
На внутренней поверхности 49 суживающегося сопла 26 выполнены криволинейные канавки 50, кривизна которых соответствует кривой циклоида как брахистохрона 51, а профиль 52 криволинейной канавки 50 имеет вид «ласточкина хвоста». При этом криволинейные канавки 50 продольно вытянуты от входного отверстия 27 суживающегося сопла 26 к его выходному отверстию 53. У входного отверстия 27 после сетки 28 расположена круговая канавка 54, которая соединена, как с устройством удаления загрязнений 55, так и с криволинейными канавками 50.
Компрессорная установка работает следующим образом.
Наличие повышенного количества твердых, особенно мелкодисперсных частиц технологической пыли, обусловленной спецификой работы шахтных предприятий горной промышленности и дополнительной атмосферной пыли, которые постоянно находятся во всасываемом компрессорной установкой атмосферном воздухе, приводит к поступлению данной смеси после прохождения сетки 28 в суживающееся сопло 26 воздушного фильтра 22. В процессе воронкообразного перемещения твердые мелкодисперсные частицы «витают» во внутреннем объеме суживающегося сопла 26 увеличивается тем самым его аэродинамическое сопротивление.
Возрастание аэродинамического сопротивления во всасывающем тракте компрессорной установки при перемещении потока атмосферного воздуха приводит, для обеспечения поддержания нормированного количества сжатого воздуха, к необходимости увеличения мощности на приводе 47 компрессора 1 на 20-25% (см., например. Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах – Л.: 1985-80 с), следовательно возрастает энергозатраты, особенно при длительной эксплуатации компрессорной установки по мере накопления мелкодисперсных частиц загрязнений во внутреннем объеме суживающегося сопла 26 воздушного фильтра 22.
При выполнении на внутренней поверхности 19 суживающегося сопла 26 криволинейных канавок 50 твердых частиц загрязнений под действием воронкообразного поступления центробежными силами отбрасываются к внутренней поверхности 19 и заполняя полость 52 перемещаются по мере накопления от выходного отверстия 50 к входному отверстию 27. Выполнение полости 52 в виде «ласточкина хвоста» с расширенной нижней частью и щелеобразной верхней частью, предотвращает выпадение твердых частиц загрязнений во внутренней объем суживающегося сопла 26, т.е. устраняется «витание» загрязнений и, как следствие поддерживается заданное аэродинамическое сопротивление воздушного фильтра 22. При этом частица загрязнений под воздействием центробежных сил по мере накопления перемещается в криволинейных канавках 50. В связи с тем, что кривизна криволинейных канавок 50 выполнили по линии циклоида как брахистохрона, скоагулированная и укрупненная частица загрязнений перемещается в полостях 52 с продолжительностью ближайшего сгустка из точки А (выходное отверстие 53) в точку В (круговая канавка 54) с центром кривизны в точке К (см., например, стр.802 Некоторые замечательные кривые. М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. М.: «Наука», 1966 – 872 с.: ил.). В результате, твердые частицы загрязнений без закупоривания полостей 52 из криволинейных канавок 50 от выходного отверстия 53 ускоренно перемещаются к круговой канавки 54 и далее поступают в устройство удаления загрязнений 55, откуда удаляются в ручную или автоматически (на фиг. не показано), а очищенный от «витающих» частиц атмосферный всасываемый воздух через выходное отверстие 53 направляется к отражательной перегородке 30.
При отрицательных температурах наружного атмосферного воздуха, используемого в качестве всасываемого в компрессор 1, сигнал от датчика температуры 19, поступающий в блок сравнения 40 регулятора температуры 35, превышает сигнал блока задания 38, и на выходе блока сравнения 40 появляется сигнал отрицательной полярности, поступающий на вход электронного усилителя 42. Сюда же поступает и сигнал от блока 46 нелинейной обратной связи, который вычитается из сигнала блока сравнения 40. За счет этого в электронном усилители 42 компенсируется нелинейность характеристики привода 47 компрессора 1.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 42 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 44, снижая момент от привода 47, передаваемый регулятором скорости вращения 48. В результате происходит уменьшение подачи компрессора 1 до тех пор, пока расход сжатого воздуха не достигнет нормировано необходимых значений.
Тогда всасываемый поток, насыщенный твердыми частицами жидкости в виде снега, инея и/или каплеобразной влаги, через сетку 28 и входное отверстие 27 поступает в суживающееся сопло 26.
Воронкообразное движение всасываемого атмосферного воздуха в суживающемся сопле 26 приводит к укрупнению и коагуляции каплеобразной влаги, которая после выходного отверстия 29, внезапно расширяясь, ударяется об отражательную перегородку 30 и скапливается в коническом днище 24. По мере накопления влаги в коническом днище 24 она воздействует на поплавок – конденсатор 25 и выбрасываются из воздушного фильтра 22.
Наличие отрицательной температуры всасываемого атмосферного воздуха приводит к образованию инея на внутренней поверхности суживающегося сопла 26 с последующим накоплением обледенений, уменьшающих в конечном итоге проходное сечение по всей длине суживающегося сопла 26. Кроме того, накапливаемый в коническом днище 24 конденсат замерзает, что приводит к невозможности его удаления через поплавок-конденсатор 25. В результате наблюдается резкое возрастание аэродинамического сопротивления воздушного фильтра 22 и, как следствие, увеличение энергозатрат на привод компрессора для обеспечения поступления на сжатие необходимого объема атмосферного воздуха.
Для устранения указанного явления корпус с крышкой 23 помещают в рубашку 31 таким образом, чтобы образовалась полость 32, и через клапан 33 дополнительным трубопроводом 34 соединяют с линией нагнетания 2, при этом полость 32 в верхней части корпуса с крышкой 23 соединяют суживающимся соплом 26.
Очищенный от влаги всасываемый воздух по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где сжимается и по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 через открытый клапан 4 поступает с температурой около 120°С в концевой холодильник 5 для частичного охлаждения и далее в воздухосборник 6.
Одновременно частично открывается клапан 33 (в зависимости от величины отрицательной температуры атмосферного воздуха) на дополнительном трубопроводе 34 и горячий сжатый воздух с температурой около 120°С поступает от нагнетательной линии 2 через клапан 33 в полость 32 рубашки 31 корпуса с крышкой 23. Расход горячего сжатого воздуха, поступающего в полость 32 и предотвращающего как обмерзание внутренней поверхности суживающегося сопла 26, так и замерзание конденсата в коническом днище 24 с обеспечением удаления конденсата через поплавок-конденсатор 25, регулируется величиной открытия клапана 33, необходимой для поддержания температурного режима внутри корпуса с крышкой 23.
Для устранения потерь сжатого воздуха полость 32 в верхней части корпуса с крышкой 23 соединена с суживающимся соплом 26, в результате горячий сжатый воздух после отдачи тепла рубашке 31 и элементам корпуса с крышкой 23 не выбрасывается в окружающую среду, а эжектируется потоком всасываемого атмосферного воздуха, отдавая ему оставшееся количество тепла, чем также снижает вероятность обмерзания как внутренней поверхности суживающегося сопла 26, так и конденсата на отражательной перегородке 30 и в нижней части конического днища 24.
В воздухосборнике 6 осуществляется процесс конденсации паров влаги, неотделенной в воздушном фильтре 22. Сжатый воздух с температурой, на 10-20°С превышающей температуру окружающей среды, через открытый клапан 7 поступает в пневмосеть 8. В результате воздействия на пневмосеть 8 окружающей среды с отрицательными температурами происходит интенсивное охлаждение сжатого воздуха с конденсацией паров влаги, а появившаяся в трубопроводах жидкость, охлаждаясь, замерзает. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления трубопроводов пневмосети. В этом случае наряду с изменением температуры сжатого воздуха изменяется его давление, что фиксируется датчиком давления 21 и передаются на регулятор давления 37 блока управления 18.
Сигнал блока задания 37 регулятора давления 36 превышает сигнал от датчика давления 21, и на выходе блока сравнения 39 появится сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 41. Сюда поступает и сигнал с блока нелинейной обратной связи 45, который вычитается из сигнала блока сравнения 39. Сигнал с выхода электронного усилителя 41 поступает на вход магнитного усилителя 43, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости вращения 48 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 47 компрессора 1.
В результате воздействия блока управления 18 на электрически связанные с ним клапаны осуществляется следующие операции: открываются клапаны 11, 13, 15 и 17, закрываются клапаны 4 и 7. Тогда сжатый воздух из компрессора 1 с температурой около 120°С через открытый клапан 11 по дополнительному трубопроводу 12 через клапан 13 направляется в концевой холодильник 6. Совместное охлаждение в теплообменнике-утилизаторе 9 и в воздухосборнике 6 обеспечивает дополнительное снижение температуры сжатого воздуха до значений, близких к температуре окружающей среды, т.е. в воздухосборнике 6 осуществляется практически полная конденсация паров влаги. Из воздухосборника 6 сжатый воздух по дополнительному трубопроводу 14 через клапан 15 поступает в теплообменник-утилизатор 9, где нагревается на 10-20°С (отбирая тепло от потока сжатого воздуха, движущегося непосредственно от компрессора 1), и по дополнительному трубопроводу 16 через клапан 17 направляется в пневмосеть 8.
Поступление в пневмосеть 8 подогретого воздуха с уменьшенным количеством влаги обеспечивает надежность прохождения потока без охлаждения до температуры окружающей среды и, соответственно, без выпадения конденсата по длине пневмосети. В результате в пневмосеть 8 поступает сжатый воздух заданного нормированного давления и несколько повышенной температуры, что фиксируется датчиком 21 и контролируется регулятором давления блока управления 18.
При положительных температурах окружающей среды, когда температура всасываемого атмосферного воздуха ниже нормированной (20°С в соответствии ГОСТ см., например, Руководящие материалы Очистка сжатого воздуха для пневматических сетей. / НИИ информации по машиностроению, 1993, 84 с.), сигнал, фиксируемый датчиком температуры 19, превышает сигнал от блока задания 38 регулятора температуры 35, и на выходе блока сравнения 40 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 42. Сюда поступает и сигнал с блока 46 нелинейной обратной связи, обеспечивающий компенсацию нелинейности характеристики привода 47 компрессора 1.
Сигнал с выхода электронного усилителя 42 поступает на вход магнитного усилителя 44 и далее на обмотку регулятора скорости вращения 48, снижая передаваемый момент от привода 47 к компрессору 1, что и способствует энергосберегающему производству сжатого воздуха.
В этом случае атмосферный воздух поступает через сетку 28 во входное отверстие 27 суживающегося сопла 26, где в результате образования воронки закручивается и после выходного отверстия 29, внезапно расширяясь, ударяется в отражательную перегородку 30.
Закручивание в суживающемся сопле 26 атмосферного воздуха с каплеобразного частицами способствует их коагуляции и частичной конденсации соприкасающихся с укрупненными каплями паров влаги. Смесь атмосферного воздуха с каплеобразной влагой окружающей среды, скоагулированной как в суживающемся сопле 26, так и при внезапном расширении на выходе из отверстия 29, после удара об отражательную перегородку 30, огибает ее. При этом капли под воздействием силы тяжести выпадают в коническом днище 24, где накапливаются и, воздействуя на поплавок-конденсатор 25, выбрасывается из корпуса воздушного фильтра 22.
Очищенный от каплеобразной влаги атмосферный воздух по всасывающему трубопровода 20 поступает в компрессор 1, где осуществляется его сжатие с меньшим энергозатратами, чем если бы наряду с воздухом в компрессор поступила бы каплеобразного влага, требующая дополнительных затрат на сжатие пара (температура при сжатии воздуха резко возрастает и каплеобразная влага превращается в пар). Под воздействием блока управления 18 клапаны 11, 13, 15, 17 закрываются, а клапаны 4 и 7 открываются. После сжатия воздух с температурой свыше 120°С направляется по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 и через клапан 4 в концевой холодильник 5, где охлаждается до температуры около 100°С. Далее процесс охлаждения сжатого воздуха продолжается в воздухообменнике 6, где происходит конденсация паров влаги, находящихся в сжатом воздухе. Из воздухосборника 6 через открытый клапан 7 сжатый воздух с температурой, превышающей температуру окружающей среды на 20-40°С, поступает в пневмосеть 8. По длине пневмосети 8 не наступает теплового равновесия, т.е. равенства температур сжатого воздуха и окружающей среды. В результате практически не происходит конденсации оставшихся паров влаги и сжатый воздух с заданной температурой и давлением, фиксируемым датчиком 21, поступает в пневмосеть 8.
Регулирование работы компрессора 1 в данном случае не осуществляется, т.к. сигнал, поступающий от датчика давления 21, не приводит к электронным переключениям в регуляторе давления 36 и привод 47 компрессора 1 работает в режиме энергосберегающего производства сжатого воздуха, нормированного по условиям потребления.
Оригинальность технического решения по поддержанию нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации в условиях наличия повышенного содержания твердых частиц загрязнений во всасываемом атмосферном воздухе, обусловленном спецификой работы шахтных предприятий горной промышленности, заключается в том, что устраняется возрастание аэродинамического сопротивления воздушного фильтра, путем выполнения на внутренней поверхности его суживающегося сопла криволинейных канавок, соединенных с круговой канавкой у входного отверстия, связанного с устройством удаления загрязнений, при этом кривизна криволинейных канавок соответствует линии циклоида как брахистохрона, а профиль имеет вид «ласточкина хвоста».