КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ КОМПРЕССОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ВПРЫСКОМ ВОДЫ
COMPRESSOR UNIT COMPRISING COMPRESSOR ELEMENT WITH WATER INJECTION

Настоящее изобретение относится к компрессорной установке, содержащей компрессорный элемент с впрыском воды.
В частности, настоящее изобретение относится к компрессорной установке, содержащей компрессорный элемент с впрыском воды, к которому присоединены входная линия и выходная линия, входной воздушный фильтр, к которому присоединена упомянутая входная линия, водоотделитель, в который подает воздух упомянутая выходная линия, и обратную линию между упомянутым водоотделителем и компрессорным элементом.
В компрессорных элементах с впрыском воды вращающиеся детали и, в частности, винты в винтовых компрессорных элементах смазываются водой, а не маслом. Эта вода также служит в качестве уплотнителя между этими вращающимися деталями, и она обеспечивает охлаждение, фактически обеспечивая изотермическое сжатие.
Влажность газа и, в частности, воздуха зависит от его температуры и давления. Внутри компрессорного элемента газ смешивается с водой, и уровень насыщенности газа на выходе компрессорного элемента всегда составляет 100%.
В зависимости от абсолютной влажности газа на входе и его давления на выходе компрессорного элемента компрессорный элемент с впрыском воды таким образом либо потребляет, либо производит воду. Чем выше абсолютная влажность газа на входе и чем выше давление на выходе, чем меньше количество потребляемой воды. С другой стороны, компрессорный элемент будет потреблять большее количество воды, если абсолютная влажность на входе падает и/или давление на выходе имеет меньшее значение.
По этой причине известные компрессорные установки, содержащие компрессорный элемент с впрыском воды, также имеют устройство подачи воды, чтобы добавлять воду при необходимости.
Обычно воду, которую требуется добавить, впрыскивают через обратную линию непосредственно между вращающимися элементами или на входе компрессорного элемента.
Однако это вода должна удовлетворять определенным жестким требованиям.
Потребляемая вода представляет собой химически чистую воду, так что если будет добавлена обычная вода, то потребление воды приведет к повышению концентрации солей и других подобных субстанций в остающейся воде. Это может привести к повреждению компрессорного элемента и, в частности, уплотнений и подшипников.
Добавление воды или потребление чистой воды также может изменить величину показателя pH воды в контуре, что в свою очередь может способствовать возникновению коррозии.
Известно, что по этой причине добавляют воду через обратный осмос, из-за чего устройство подачи воды имеют относительно высокую стоимость.
Согласно документу WO-A-96/21109 вода, которая была выделена в водоотделителе после компрессорного элемента, возвращается в этот компрессорный элемент через ионизатор, в котором растворенные в воде природные минералы, такие как кремний, кальций, магнезий и железо, преобразуются в форму гидроокиси, после чего они приобретают электрический заряд.
Поскольку частицы гидроокиси имеют одинаковую полярность, предотвращается их скопление и, следовательно, осаждение. Тем не менее, поскольку эти части сохраняют свой заряд только временно, процесс ионизации должен повторяться непрерывно, и циркулирующая вода должна прокачиваться через ионизатор несколько раз в минуту. Более того, выпадение осадков полностью не исключается, и впрыскиваемая вода также должна фильтроваться, чтобы предотвратить попадание иных загрязнений.
Целью настоящего изобретения является разрешение одного или более упомянутых и определенных других недостатков.
Так, настоящее изобретение относится к компрессорной установке, содержащей компрессорный элемент с впрыском воды, к которому присоединены входная линия и выходная линия, входной воздушный фильтр, к которому присоединена упомянутая входная линия, водоотделитель, в который подает воздух упомянутая выходная линия, и обратную линию между этим водоотделителем и компрессорным элементом, причем упомянутый входной воздушный фильтр представляет собой корпус, содержащий отверстие для впуска воздуха, отверстие для выпуска воздуха, к которому присоединена упомянутая входная линия, подложку, которая вставляется в этот корпус и через которую проходит всасываемый воздух, причем упомянутый входной воздушный фильтр представляет собой влажный фильтр, к которому присоединено устройство подачи воды, причем упомянутая подложка состоит из материала с открытой ячеистой структурой, причем упомянутое устройство подачи воды содержит, по меньшей мере, одно из: линию, которая соединена с упомянутым водоотделителем, и устройство подачи для дополнительной воды.
Путем впрыска воды во входной воздушный фильтр воздух одновременно увлажняется и очищается, поскольку загрязнения захватываются впрыскиваемыми водяными каплями и удаляются. Часть впрыскиваемой воды испаряется и переносится в воздушном потоке в компрессорный элемент.
Поскольку часть воды, которая была впрыснута во входной воздушный фильтр, попадает в компрессорный элемент вместе с всасываемым газом в форме водяного пара, эта вода представляет собой химически чистую воду и не оказывает никакого влияния ни на уровень минералов и солей, ни на величину pH воды для впрыска.
Компрессорная установка этого типа имеет преимущество, заключающееся в том, что всасываемый воздух компрессорного элемента увлажняется до такого уровня, что в течение периодов, когда окружающий воздух сухой, больше не требуется дополнительной подачи деминерализованной воды или воды, которая была очищена посредством обратного осмоса.
Еще одно преимущество компрессорной установки согласно настоящему изобретению заключается в том, что стоимость ее изготовления относительно низка, и что она демонстрирует значительно более высокую эффективность фильтрации, чем обычные воздушные фильтры без впрыска воды.
Дополнительное преимущество заключается в том, что входной воздушный фильтр компрессорной установки согласно настоящему изобретению вызывает меньшее падение давления, чем обычные сухие воздушные фильтры, что повышает производительность компрессора.
Еще одно дополнительное преимущество компрессорной установки согласно настоящему изобретению заключается в том, что она предоставляет возможность добавления воды относительно простым и недорогим способом, без снижения качества присутствующей в контуре воды и без какого-либо риска повреждения компрессорного элемента из-за увеличения оседания минералов или схожих веществ.
Дополнительное преимущество заключается в том, что в компрессорах с регулируемой скоростью между входным воздушным фильтром и входом в компрессорный элемент больше не требуется наличия впускного клапана или "разгрузочного клапана" для поглощения гидравлического удара при остановке компрессора, поскольку гидравлический удар может пройти через входную линию, которая проходит между входным воздушным фильтром и компрессорным элементом, и в соответствующих случаях в дренажную линию, отходящую от этого влажного входного воздушного фильтра.
Поскольку упомянутый входной воздушный фильтр представляет собой корпус, в который вставляется подложка, через которую проходит всасываемый воздух, и эта подложка представляет собой материал с открытой ячеистой структурой, такой как полиуретановая пена, полиэтилен или схожий материал, контактная поверхность между водой и всасываемым воздухом увеличивается, из чего следует, что воздух оптимальным образом увлажняется и очищается.
Предпочтительный отличительный признак компрессорной установки согласно настоящему изобретению заключается в том, что упомянутый входной воздушный фильтр снабжен элементом для остановки водяных капель в потоке газа, чтобы предотвратить попадание водяных капель с всасываемым воздухом внутрь.
В предпочтительном варианте осуществления компрессорной установки согласно настоящему изобретению упомянутое устройство подачи воды образуется из линии, присоединенной к упомянутому водоотделителю.
Это дает преимущество, заключающееся в том, что вода, выделяемая из водоотделителя, может быть использована путем впрыска в упомянутый входной воздушный фильтр, тем самым предоставляя возможность ограничения подачи дополнительной воды.
Еще одно преимущество заключается в том, что входной воздушный фильтр в подобной компрессорной установке действует по принципу самоочищения в силу того, что он периодически обрызгивается чистой водой, выделенной из водоотделителя.
В еще одном предпочтительном отличительном признаке настоящего изобретения упомянутое устройство подачи воды во входной воздушный фильтр представляет собой устройство подачи дополнительной воды.
Этот вариант осуществления имеет те же преимущества, что и вариант осуществления, в котором добавляемая вода извлекается из водоотделителя, и, сверх того, предоставляет возможность подачи дополнительной воды в компрессорную установку.
Для более ясного представления отличительных признаков настоящего изобретения, ниже, в качестве примера и без ограничений, предпочтительный вариант осуществления компрессорной установки согласно настоящему изобретению описан со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематическая иллюстрация компрессорной установки согласно настоящему изобретению;
фиг.2 и 3 - иллюстрации процесса работы компрессорной установки с фиг.1;
фиг.4 - регулирующая кривая, которой следуют в течение работы компрессорной установки с фиг.1 в нормальном режиме с достаточным количеством водяного пара во всасываемом воздухе; и
фиг.5 - регулирующая кривая, которой следуют в течение работы компрессорной установки с фиг.1 в режиме с очень малым количеством водяного пара во всасываемом воздухе, например, во время экстремальной зимней погоды.
Фиг.1 иллюстрирует компрессорную установку 1 согласно настоящему изобретению, которая снабжена компрессорным элементом 2, например, в форме винтового компрессорного элемента, который приводится в движение двигателем 3 и к которому присоединена входная линия 4. К выходу компрессорного элемента 2 присоединена выходная линия 5, которая подает в водоотделитель 6.
Обратная линия 7 соединяет нижнюю часть водоотделителя 6 с компрессорным элементом 2. В этой обратной линии 7 установлено охлаждающее устройство 8, которое в данном примере, хотя это необязательно, охлаждается посредством вентилятора 9, который приводится в действие двигателем 10.
Тем не менее, упомянутое охлаждающее устройство 8 может также принять множество других форм, как например жидкостно-жидкостный теплообменник.
На верхней части водоотделителя 6 установлен клапан 11 минимального давления для сжатого воздуха, который открывается при предустановленном давлении открытия в водоотделителе и к которому присоединена линия 12 сжатого воздуха для подачи сжатого воздуха в главную сеть.
В упомянутую входную линию 4 вставлен входной воздушный фильтр 13, который в данном случае состоит из корпуса 14 с отверстием 15 для впуска воздуха и отверстием 16 для выпуска воздуха, к которому присоединена упомянутая входная линия 4. В упомянутый корпус 14 вставлена подложка 17, через которую проходит всасываемый воздух.
Упомянутый входной воздушный фильтр 13, предпочтительно, также должен быть снабжен элементом 18 или "каплеотбойником", чтобы предотвратить попадание водяных капель в поток газа, а также дренажной линией 19 для загрязненной воды.
Упомянутая подложка 17 и элемент 18, предпочтительно, должны представлять собой материал с открытой ячеистой структурой, такой как полиуретановая пена, полиэтилен или схожий материал. Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено использованием какого-либо одного из упомянутых материалов для изготовления подложки 17 и элемента 18, и могут также использоваться множество других материалов.
В предпочтительном варианте осуществления компрессорной установки 1 согласно настоящему изобретению подложка 17 и/или элемент 18 состоит из материала, в который добавлено одно или более бактериостатических веществ, таких как нано-серебро. Тем не менее следует отметить, что это не является обязательным согласно настоящему изобретению.
В настоящем изобретении упомянутая подложка 17 расположена у дна корпуса 14, тогда как элемент 18 вставлен в верхнюю часть корпуса 14. Упомянутое отверстие 15 для впуска воздуха расположено у дна корпуса 14, напротив подложки 17, тогда как отверстие 16 для выпуска воздуха расположено у верхней части корпуса 14 входного воздушного фильтра 13, напротив элемента 18.
Упомянутый входной воздушный фильтр 13 согласно настоящему изобретению представляет собой влажный фильтр, к которому присоединено устройство подачи воды, которое в данном случае представляет собой линию 0, один конец которой присоединен к упомянутому водоотделителю 6, а ее другой конец присоединен к упомянутому воздушному фильтру 13 через спринклер 21, который впрыскивает воду в упомянутый входной воздушный фильтр 13, а более конкретно - между подложкой 17 и элементом 18.
В упомянутую линию 20 между водоотделителем 6 и входным воздушным фильтром 13 введен управляемый клапан 22.
Компрессорная установка 1 также снабжена устройством 23 подачи для дополнительной воды, которое в данном случае также образует часть упомянутого устройства подачи воды во входной воздушный фильтр 13 и которое в этом примере присоединено к упомянутому входному воздушному фильтру 13 через спринклер 24.
Упомянутое устройство 23 подачи, по существу, состоит из подающей линии 25, например, для водопроводной воды, в которую вставлены управляющий клапан 26 и водяной фильтр 27.
Упомянутый водяной фильтр 27, предпочтительно, состоит из абсолютного фильтра с пропускной способностью 5 мкм, значение β которого составляет 1000, то есть эффективность которого составляет 99,9%. Тем не менее, при желании, согласно настоящему изобретению также может использоваться номинальный фильтр воды, хотя эффективность последнего обычно ниже эффективности абсолютного фильтра воды.
Как известно, упомянутая выше величина β представляет собой отношение между количеством частиц заданного размера, которые присутствуют в потоке воды до фильтрации, и количеством частиц того же размера, которые присутствуют в потоке воды после фильтрации.
В этом примере, хотя это необязательно, упомянутое устройство 23 подачи для дополнительной воды, сверх того, снабжено водоулучшающим средством, которое предотвращает накопление солей кальция в спринклере 24. Водоулучшающее средство состоит из двух мощных постоянных магнитов 29 и 30, которые установлены под углом 90°, причем их южные полюса направлены к соплу спринклера 24.
По меньшей мере, упомянутый спринклер 24, предпочтительно, изготовлен из не содержащего железа металла (такого как латунь или CuNi), так что вода в сопле всегда находится в магнитном поле и накопления солей кальция в спринклере 24 никогда не происходит. Предпочтительно, один или оба спринклера 21 и/или 24 имеют форму "плоскоструйного спринклера", который имеет не круглое отверстие, а щелевидное, чтобы предотвратить формирование отложений.
Предпочтительно, оба упомянутых спринклера 21 и 24 разбрызгивают воду внутрь корпуса 14 входного воздушного фильтра 13 и, более конкретно, между подложкой 17 и элементом 18, и они также изготовлены из не содержащего железо коррозионно-стойкого металла. Также предпочтительно, чтобы оба этих спринклера 21 и 24 имели внутренний фильтр, чтобы предотвратить засорение очень тонкого сопла.
В предпочтительном варианте осуществления упомянутые спринклеры 21 и 24 расходуют 0,9 литров воды в час при давлении 7 бар (7000 Па). Тем не менее, очевидно, что спринклеры 21 и 24 не ограничены в этом отношении, и может использоваться множество других типов спринклеров.
Компрессорная установка 1 согласно настоящему изобретению также снабжена регулятором уровня, который не показан на чертежах. Упомянутый регулятор уровня соединен с датчиком минимального и максимального уровня, соответственно, на уровнях А и В в водоотделителе 6, а также с упомянутыми управляемыми клапанами 22 и 26.
Процесс работы компрессорной установки согласно настоящему изобретению очень прост и он проиллюстрирован на фиг.2 и 3.
Когда компрессорный элемент 2 приводится в движение двигателем 3, воздух всасывается через входной воздушный фильтр 13 и входную линию 4. После чего он сжимается компрессорным элементом 2 и проводится через выходную линию 5 в водоотделитель 6 и далее передается через клапан 11 минимального давления в линию 12 сжатого воздуха.
Вода, которая выделяется из сжатого воздуха посредством упомянутого водоотделителя 6, передается посредством обратной линии 7 через охлаждающее устройство 8 и далее впрыскивается в компрессорный элемент 2, чтобы обеспечить смазку и охлаждение вращающихся деталей компрессорного элемента 2.
В положении, показанном на фиг.2, уровень воды в водоотделителе 6 находится на заданном максимальном уровне A. Это детектируется посредством упомянутого датчика максимального уровня и сигнализируется в регулятор уровня, который в ответ открывает клапан 22, что приводит к тому, что под действием повышенного давления в водоотделителе 21 вода продавливается через линию 20 в спринклер 21 и впрыскивается внутрь входного воздушного фильтра 13.
Водяные капли, которые разбрызгиваются вниз, увлажняют ячеистую подложку 17 и падают через эту подложку 17 в дренажную линию 19, в результате чего подложка 17 становится полностью влажной. Водяные капли, которые разбрызгиваются вверх, останавливаются элементом 18, который также имеет ячеистую структуру, в результате чего увлажняется только нижняя часть упомянутого элемента 18 и предотвращается попадание водяных капель во входную линию 4.
Всасываемый воздух, который попадает во входной воздушный фильтр 13 через отверстие 15 для впуска воздуха, движется против падающих капель в подложке 17, в результате чего воздух очищается и увлажняется водяными каплями.
Подавляющая часть этих капель вместе с частицами пыли, которые были накоплены в подложке 17, удаляется через дренажную линию 19, тогда как их малая часть испаряется и попадает в воздушный поток.
Отфильтрованный и увлажненный воздух проходит через элемент 18 к отверстию 16 для выпуска воздуха входного воздушного фильтра 13 и далее всасывается по входной линии 4 компрессорным элементом 2, где он сжимается вместе с впрыснутой водой, и смесь сжатого воздуха и воды передается через выход компрессорного элемента 2 в водоотделитель 6.
Посредством упомянутого клапана 11 минимального давления на упомянутом водоотделителе 6 сжатый газ подается в линию 12 сжатого воздуха, возможно, через сублимационную сушилку или центробежный водоотделитель, которые не показаны на чертежах и к которым присоединен выход сжатого воздуха упомянутого водоотделителя 6.
Если используется подобная сублимационная сушилка или центробежный водоотделитель, то при необходимости может быть устроена обратная линия, например, к впуску компрессорного элемента 2.
Если количество водяного пара, выходящего через линию 12 сжатого воздуха вместе со сжатым воздухом, больше, чем количество водяного пара, попадающего во входной фильтр через входную линию 4, из чего следует, что потребляется вода, то уровень воды в водоотделителе 6 будет падать.
Например, это имеет место в зимнюю погоду, когда абсолютная влажность окружающего воздуха меньше или равна 2 г/кг.
В этом случае, как показано на фиг.3, как только в водоотделителе 6 достигается заданный минимальный уровень B воды, устройство 23 подачи дополнительной воды активируется путем открытия клапана 26 регулятором уровня, тогда как клапан 22 в линии 20 между водоотделителем 6 и входным воздушным фильтром 13 закрывается.
Дополнительная вода, подаваемая через питающую линию 25, сначала проходит через водяной фильтр 27, в результате чего могут быть отфильтрованы любые загрязнения, которые могут присутствовать в дополнительной воде.
Тем не менее, в подаваемой воде могут также содержаться минералы, такие как ионы кальция. Подобные ионы могут пройти через водяной фильтр 27 и осесть в спринклере 24, что приведет к его закупорке.
Для решения этой проблемы может использоваться, например, водоулучшающее средство, которое обеспечивает отсутствие оседания солей кальция и которое, предпочтительно, является упомянутого выше типа, в котором генерируется магнитное поле, воздействующее на ионы кальция таким образом, что они теряют способность сцепления в течение определенного периода, в результате чего обеспечивается защита спринклера 24 против отложения кальция.
Дополнительная вода тогда впрыскивается через спринклер 24 во входной воздушный фильтр 13, где подложка 17 увлажняется аналогично вышеупомянутой схеме, и воздух очищается и увлажняется водяными каплями.
Загрязнения и минералы, остающиеся во впрыскиваемой воде, не могут испариться, и прилипают к подложке 17 и нижней части элемента 18. Часть частиц загрязнения растворяются водяными каплями и удаляются через дренажную линию 19.
Элемент 18 останавливает капли аналогично описанному выше образу так, что выходящий во входную линию 4 воздух не включает в себя водяных капель, и он содержит только воздух и водяной пар.
Как показано на фиг.4, путем подачи дополнительной воды через клапан 26 уровень L воды в водоотделителе будет повышаться, пока не будет достигнут максимальный уровень A воды, после чего клапан 26 в устройстве 23 подачи снова закрывается, а клапан 22 снова открывается.
В ситуации, когда количество присутствующего во всасываемом воздухе водяного пара больше, чем в выходящем сжатом воздухе, при управлении клапанами 22 и 26 повышение уровня L в водоотделителе 6 происходит быстрее, чем его падение, как схематически показано верхней кривой на фиг.4.
При подаче дополнительной воды посредством устройства 23 подачи через подающую линию 25 не происходит непрерывной потери воды из водоотделителя 6. В результате уровень L воды в водоотделителе будет подниматься.
В результате дополнительного увлажнения всасываемого воздуха посредством входного воздушного фильтра 13 максимальный уровень A воды будет быстро достигнут. Поскольку время, в течение которого дополнительная вода передается во входной воздушный фильтр 13, ограничено, потребление воды, например, из основной сети также будет ограничено.
Когда достигается максимальный уровень А воды в водоотделителе, клапан 26 на устройстве 23 подачи будет закрыт, а клапан 22 на линии 20 будет открыт.
Как показано центральной кривой D на фиг.4, в этом случае период, в течение которого клапан 22 остается открытым, будет значительно дольше, чем период, в течение которого он закрыт, и наоборот, как показано нижней кривой E на фиг.4, период, в течение которого клапан 26 остается открытым, короче периода, в течение которого он закрыт. Отрытое и закрытое положения клапанов 22 и 26 обозначены посредством символов О и С соответственно.
В отличие от этого, если абсолютная влажность всасываемого воздуха меньше, чем абсолютная влажность выходящего воздуха, что обычно имеет место в экстремальных зимних условиях, потребление воды через устройство 23 подачи будет больше.
В результате, как показано центральной кривой F на фиг.5, период, в течение которого клапан 22 отрыт, будет короче, поскольку в добавление к непрерывной утечке воды из водоотделителя 6 к спринклеру 21, вследствие низкой абсолютной влажности всасываемого воздуха непрерывное потребление воды обеспечивает более быстрое достижение минимального уровня B воды в водоотделителе 6, как проиллюстрировано верхней кривой на фиг.5.
В отличие от этого, как показано в нижней кривой G на фиг.5, период, в течение которого клапан 26 открыт, дольше, поскольку должно быть компенсировано непрерывное потребление воды из водоотделителя 6 из-за чрезвычайно низкой абсолютной влажности всасываемого воздуха. В течение этих периодов потребление дополнительной воды будет выше, чем в течение не зимних периодов.
Это будет иметь место, главным образом, в странах, где в зимний период наблюдается крайне низкая температура. Чем ближе регион к экватору, тем реже будет иметь место данная ситуация, поскольку абсолютная влажность воздуха увеличивается по мере приближения к экватору.
Компрессорная установка 1 согласно настоящему изобретению не ограничена показанным на чертежах вариантом осуществления, в котором подача воды во входной воздушный фильтр 13 обеспечивается как по линии 20, так и посредством устройства 23. Согласно настоящему изобретению также возможен вариант, в котором подача воды во входной воздушный фильтр 13 осуществляется только через один их этих механизмов.
Согласно настоящему изобретению не исключается возможность применения дополнительного датчика уровня, который установлен в водоотделителе 6 на уровне, расположенном ниже минимального уровня B воды, и который присоединен к управляющему механизму, который управляет упомянутым двигателем 3. Таким образом, в тех случаях, когда имеет место чрезвычайно высокое потребление воды и подача воды недостаточна для компенсирования этого потребления, или в случае отказа датчика минимального уровня компрессорный элемент 2 может быть выключен.
Во всех вариантах осуществления проблемы, связанные с отложением минералов и солей в винтовом компрессорном элементе 1, предотвращаются простым и недорогим способом, и достигается более высокая объемная производительность. Качество воды в контуре остается постоянным и таким образом не подвергается воздействию дополнительной подачи воды, когда потребляется вода.
Качество дополнительно подаваемой воды не имеет значения, поскольку в компрессорный элемент 1 попадает только водяной пар, то есть химически чистая вода. Это может иметь большое значение, когда компрессорная установка размещается в местах, где недоступна чистая вода.
Согласно одному отличительному признаку настоящего изобретения компрессорная установка не снабжена впускным клапаном или "разгрузочным клапаном" для поглощения гидравлического удара, который происходит, когда компрессор останавливается.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничено описанными и показанными на чертежах вариантами осуществления в следующем понимании: подобная компрессорная установка, содержащая компрессорный элемент с впрыском воды, может быть произведена во множестве различных вариантах в рамках объема настоящего изобретения.