КОМПРЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СЖИМАЕМОЙ СРЕДЫ
COMPRESSOR DEVICE AND METHOD OF COMPRESSED MEDIUM COOLING

Изобретение относится к компрессорному устройству в соответствии с ограничительной частью п.1 и к способу охлаждения сжатой или сжимаемой посредством компрессора сжимаемой среды в соответствии с ограничительной частью п.11 формулы.
2
Компрессорные устройства и соответствующие способы, которых касается изобретение в одном варианте своего осуществления, применяются, например, при подаче или аккумулировании иного, нежели воздух, газа, например технологического газа или газа в качестве первичного энергоносителя для отопительных целей. При этом газ сжимается посредством компрессора, приводимого в действие приводным устройством, и либо аккумулируется, либо подается дальше. Изобретение в одном варианте своего осуществления может применяться также при аккумулировании отходящего газа, в частности содержащего СО, который сжимается посредством компрессора и аккумулируется в резервуаре, в частности подземном.
Для таких случаев применения известно, что газообразная сжимаемая среда после своего сжатия может иметь высокую температуру, которая требует ее охлаждения. Это охлаждение важно, в частности, при сжатии воспламеняющихся газов.
В частности, в мобильных установках, в которых компрессор приводится в действие дизельным двигателем, в одном особенно простом решении предусмотрено, что посредством дизельного двигателя приводится в действие также крыльчатка вентилятора, поток охлаждающего воздуха которой используется для охлаждения сжимаемой среды. При этом проблема заключается в том, что крыльчатка вращается всегда пропорционально частоте вращения дизельного двигателя и тем самым созданный поток охлаждающего воздуха неоптимально соответствует фактической охлаждающей способности, поскольку она зависит от различных краевых условий. С одной стороны, это приводит к ненужно высокому расходу топлива дизельным двигателем, если крыльчатка создает ненужно большой поток охлаждающего воздуха, а, с другой стороны, вызывает опасность недостаточного охлаждения при эксплуатации со сравнительно низкой частотой вращения дизельного двигателя или, например, при высоких окружающих температурах.
В отношении уровня техники следует сослаться на следующие документы:
- DE 102005004524 B3,
- DE 10315402 A1,
- DE 10046828 A1,
- WO 2006/061252 A1.
В основе изобретения лежит задача создания компрессорного устройства и способа охлаждения сжатой или сжимаемой посредством компрессора сжимаемой среды, при котором созданная охлаждающая способность отвечала бы потребности. Предложенное устройство должно легко встраиваться в уже существующие установки, должно иметь простую и надежную конструкцию и в значительной степени позволить отказаться от новых внешних систем управления и источников энергии.
Эта задача решается посредством компрессорного устройства с признаками п.1 и посредством способа с признаками п.11 формулы. В зависимых пунктах описаны предпочтительные и особенно целесообразные варианты осуществления изобретения.
Предложенное компрессорное устройство, выполненное, в частности, в виде мобильного устройства, содержит приводное устройство и приводимый им в действие компрессор, который сжимает газообразную сжимаемую среду. Приводное устройство выполнено, например, в виде двигателя внутреннего сгорания, в частности дизельного двигателя. Газообразная сжимаемая среда представляет собой, в частности, иной, нежели воздух, газ, например технологический газ или горючий газ, в частности метан, метановую смесь, природный газ или природную газовую смесь.
Компрессорное устройство содержит охлаждающее устройство, включающее в себя, по меньшей мере, одну крыльчатку вентилятора, которая охлаждает сжимаемую среду. Как правило, охлаждение сжимаемой среды происходит после ее сжатия, т.е. на напорной стороне компрессора.
Крыльчатка приводится во вращение посредством кинематической цепи приводного устройства, приводящего в действие также компрессор, или дополнительного второго приводного устройства, в результате чего она создает поток охлаждающего воздуха. Тот охлаждает сжимаемую среду непосредственно или через находящийся в теплопередающем соединении со сжимаемой средой конструктивный элемент, например теплообменник, через который протекает сжимаемая среда и к которому подается поток охлаждающего воздуха.
Согласно изобретению в кинематической цепи между приводным устройством или вторым приводным устройством и крыльчаткой расположена гидродинамическая муфта, посредством которой крыльчатка гидродинамически приводится во вращение. Такая гидродинамическая муфта включает в себя, как это известно специалисту, насосное и турбинное колеса, образующие между собой тороидальную рабочую камеру, в которую подается рабочая среда для передачи приводной мощности гидродинамически с насосного колеса на турбинное колесо. Предпочтительно гидродинамическая муфта свободна от направляющего колеса и содержит исключительно насосное и турбинное колеса.
Согласно изобретению передача приводной мощности гидродинамической муфты и тем самым частота вращения крыльчатки при работе гидродинамической муфты изменяются за счет того, что к ней под давлением подается управляющая сжатая среда. Подача под давлением управляющей сжатой среды может вызывать при этом более или менее сильное вытеснение рабочей среды в рабочую камеру или из нее или дополнительно или в качестве альтернативы более или менее сильное проникновение дросселирующего элемента в циркулирующее течение рабочей среды в рабочей камере, более или менее нарушая за счет этого циркулирующее течение, причем перемещение дросселирующего элемента вызвано подачей управляющей сжатой среды. Чем дальше дросселирующий элемент проникает в циркулирующее течение, тем сильнее нарушено циркулирующее течение в рабочей камере и тем меньше передаваемая приводная мощность.
Согласно изобретению сжимаемая среда является одновременно управляющей сжатой средой.
Подача к гидродинамической муфте управляющей сжатой среды, в качестве которой используется сжимаемая среда, происходит предпочтительно в зависимости от температуры таким образом, что рабочая камера тем больше заполняется рабочей средой или дросселирующий элемент все дальше выходит из циркулирующего течения в рабочей камере, чем выше температура сжимаемой среды, так что по мере повышения ее температуры крыльчатка вращается с возрастающей частотой вращения, создавая соответственно все больший поток охлаждающего воздуха. Для этого может быть предусмотрено, что сжимаемая среда используется только в качестве источника давления управляющей сжатой среды, а фактическая величина приложенного к гидродинамической муфте управляющего давления регулируется управляющим или регулирующим клапаном в магистрали сжатого газа от напорной стороны компрессора к гидродинамической муфте. Согласно другому возможному варианту, в магистрали сжатого газа не предусмотрен управляющий или регулирующий орган, а приложенное к гидродинамической муфте управляющее давление управляющей сжатой среды пропорционально или приблизительно равно давлению сжимаемой среды в компрессоре или на его напорной стороне.
Предпочтительно внутри гидродинамической муфты или вне нее, однако, будучи придана ей, предусмотрена накопительная камера для рабочей среды, в которой размещается не находящаяся в рабочей камере рабочая среда. Эта накопительная камера может быть рассчитана таким образом, что она над уровнем жидкости в рабочей камере, которой является, в частности, масло или вода, образует воздушную или газовую камеру. В эту газовую камеру давление сжимаемой среды может подаваться, например, через упомянутую магистраль сжатого газа с управляющим клапаном либо за счет ввода сжимаемой среды в эту газовую камеру с непосредственным касанием уровня рабочей среды, либо за счет вытеснения в накопительную камеру, в частности ее газовую камеру, посредством сжимаемой среды, которая, однако, отделена от рабочей среды или газовой камеры или ее части посредством газонепроницаемого перемещаемого и/или гибкого элемента, например поршня или мембраны.
Чем сильнее подача под давлением управляющей сжатой или сжимаемой среды в накопительную камеру, тем больше рабочей среды вытесняется из нее в рабочую камеру. Наоборот, при уменьшении подачи под давлением в накопительную камеру рабочая среда может течь из рабочей камеры обратно в накопительную камеру, все больше опорожняя рабочую камеру.
Предпочтительно, если направляющее рабочую среду соединение между накопительной и рабочей камерами выполнено не непосредственно, а предусмотрен замкнутый (внешний) контур рабочей среды от выхода рабочей камеры, в частности через охладитель, к ее входу, в котором выходящая из рабочей камеры рабочая среда, в частности через охладитель, перекачивается обратно в рабочую камеру через ее вход, и накопительная камера вне рабочей камеры, направляя рабочую среду, присоединена к ее замкнутому контуру, например впадая за охладителем. Таким образом, не происходит обмена рабочей средой непосредственно между рабочей и накопительной камерами, а рабочая среда из накопительной камеры подается в замкнутый (внешний) контур вне рабочей камеры и предпочтительно в том же месте также отводится, так что, в частности, требуется предусмотреть только одно, направляющее рабочую среду соединение между обеими камерами.
Чтобы поддержать вынужденное течение в замкнутом контуре вне рабочей камеры, гидродинамическая муфта может включать в себя насос скоростного напора, который таким образом направлен в рабочую камеру или сообщенную с ней вспомогательную камеру гидродинамической муфты, в которую рабочая среда течет из рабочей камеры, что перед устьем насоса за счет работы гидродинамической муфты, в частности за счет вращения лопаточных колес, создается скоростной напор, посредством которого рабочая среда перекачивается из рабочей или вспомогательной камеры в замкнутый внешний контур.
Накопительная камера может быть расположена, например, кольцеобразно внутри гидродинамической муфты вне рабочей камеры вокруг последней. Согласно первому варианту, накопительная камера также вращается. Однако особенно предпочтительно, если накопительная камера выполнена неподвижной, а образующие рабочую камеру лопаточные колеса гидродинамической муфты (насосное и турбинное колеса) радиально вращаются внутри накопительной камеры, однако предпочтительно отделены стенкой, так что находящаяся в накопительной камере рабочая среда и, в частности, сжимаемая среда не завихряются вращающимися лопаточными колесами.
Управляющий клапан, предусмотренный предпочтительно в магистрали сжатого газа между напорной стороной компрессора и накопительной камерой, выполнен предпочтительно таким образом, что он имеет положение стравливания, в котором он герметично запирает магистраль сжатого газа в направлении компрессора, так что сжатый газ не может выходить из компрессора или подключенного к нему резервуара, и частично или полностью выпускает сжатый газ из магистрали в направлении накопительной камеры, так что давление в накопительной камере соответственно падает и рабочая среда течет из рабочей камеры обратно в нее, предпочтительно через описанный замкнутый внешний контур. Во втором положении включения управляющий клапан может прервать стравливание и пропустить сжимаемую среду в качестве управляющей сжатой среды в направлении накопительной камеры.
В принципе, рассматривается также подача в саму рабочую камеру управляющей сжатой или сжимаемой среды с помощью или без помощи перемещаемого и/или гибкого элемента описанного выше рода, чтобы вытеснить рабочую среду с возрастающим давлением из рабочей камеры.
Чтобы создать особенно компактное и, согласно одному варианту, также мобильное компрессорное устройство, приводное устройство, которое выполнено тогда, в частности, в виде дизельного двигателя, может содержать главный и вспомогательный выходные валы, причем компрессор может быть присоединен в кинематической цепи к главному выходному валу, в результате чего он приводится им в действие, а крыльчатка может быть присоединена в кинематической цепи к вспомогательному выходному валу, в результате чего она приводится им во вращение. Предпочтительно отдаваемая через главный выходной вал мощность составляет кратное отдаваемой через вспомогательный выходной вал мощности. Далее главный выходной вал может быть расположен, например, на одной стороне приводного устройства, в частности на одной торцевой стороне ДВС, а вспомогательный выходной вал - на противоположной стороне приводного устройства, в частности на другой торцевой стороне ДВС.
Между приводным устройством и гидродинамической муфтой может быть предусмотрена передача, так что насосное колесо гидродинамической муфты вращается быстрее или медленнее выходного вала приводного устройства. Дополнительно или в качестве альтернативы передача может быть предусмотрена также между турбинным колесом гидродинамической муфты и крыльчаткой, так что последняя вращается быстрее или медленнее турбинного колеса. Одна или обе передачи выполнены предпочтительно в виде чисто механических соединений, например в виде пары зубчатых колес, в частности ступени цилиндрических зубчатых колес.
Чтобы надежно исключить возникновение воспламеняемой смеси в гидродинамической муфте, в частности в ее рабочей камере, как уже сказано, сжимаемая среда может быть герметично отделена от рабочей среды, например посредством перемещаемого и/или гибкого элемента между направляющими сжимаемую и рабочую среды зонами, в частности в накопительной камере. В качестве альтернативы или дополнительно могут быть приняты также меры для уменьшения концентрации сжимаемой среды в направляющих рабочую среду зонах, в которые может поступать, в частности, воздух. Например, рабочая камера может постоянно продуваться воздухом, в частности свежим воздухом, чтобы удалить возможно проникшую сжимаемую среду. В качестве альтернативы можно также целенаправленно повысить концентрацию сжимаемой среды в гидродинамической муфте, в частности в ее рабочей камере, за счет подачи сжимаемой среды, чтобы за счет этого уменьшить содержание кислорода. Также благодаря этому можно предотвратить возникновение воспламеняемой смеси, причем следует обратить внимание на то, что при определенных условиях рабочая среда гидродинамической муфты, например масло, при соприкосновении со сжимаемой средой растворяет ее и подает ее в другую зону, где она снова высвобождается.
В предложенном способе, осуществляемом, в частности, с помощью описанного компрессорного устройства, предусмотрено, что крыльчатка приводится во вращение посредством приводного устройства, приводящего в действие также компрессор, или посредством дополнительного второго приводного устройства, в результате чего она приводится во вращение и создает поток охлаждающего воздуха. К сжимаемой среде или находящемуся в теплопередающем соединении с ней конструктивному элементу, например теплообменнику, через который протекает сжимаемая среда и который обтекается потоком охлаждающего воздуха или наоборот, подается поток охлаждающего воздуха для отвода тепла из сжимаемой среды, причем за счет принудительной подачи потока охлаждающего воздуха происходит, как правило, вынужденная конвекция, например на поверхности теплообменника.
Крыльчатка приводится во вращение приводным устройством через гидродинамическую муфту, а частота вращения крыльчатки управляется или регулируется за счет подачи к гидродинамической муфте управляющей сжатой среды, которая определяет передачу мощности гидродинамической муфты, причем за счет изменения давления управляющей сжатой среды изменяются передача мощности и тем самым частота вращения крыльчатки.
Согласно изобретению, в качестве управляющей сжатой среды используется сжимаемая среда, которая для этой цели подается к гидродинамической муфте, например в описанную выше накопительную камеру.
Изобретение поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
фиг.1 - схематичный вид первого возможного варианта;
фиг.2 - вариант из фиг.1 с дополнительной постоянной продувкой гидродинамической муфты воздухом во избежание недопустимой концентрации сжимаемой среды;
фиг.3 - вариант, аналогичный варианту на фиг.2, однако с целенаправленной концентрацией сжимаемой среды в гидродинамической муфте для вытеснения из нее воздуха и тем самым кислорода.
На фиг.1 схематично изображено сжимаемое устройство с приводным устройством 1, например, в виде дизельного двигателя. Приводное устройство 1 приводит в действие через главный выходной вал 6 компрессор 2, а через вспомогательный выходной вал 7 приводит во вращение крыльчатку 3 вентилятора.
Вращательная связь между вспомогательным выходным валом 7 и крыльчаткой 3 образована кинематической цепью 4, проходящей через гидродинамическую муфту 5. В данном случае в кинематической цепи 4 в направлении потока приводной мощности перед и за гидродинамической муфтой 5 расположены передаточные ступени, образованные ременными приводами. Разумеется, рассматриваются и другие передаточные ступени или вариант без них.
За счет выбора диаметров шкивов гидродинамическая муфта 5 в данном примере вращается с частотой вращения вспомогательного выходного вала 7, а крыльчатка 3 по сравнению с гидродинамической муфтой 5 - медленно.
Гидродинамическая муфта 5 содержит насосное колесо 8 и турбинное колесо 9, которые сообща образуют заполняемую рабочей средой рабочую камеру 10. Далее в гидродинамической муфте 5 предусмотрена вращающаяся вспомогательная камера 19, состояние наполнения которой коррелирует с состоянием наполнения рабочей камеры 10. Как показано, вспомогательная камера 19 может быть расположена, например, аксиально рядом с рабочей камерой 10.
Радиально вне рабочей камеры 10 и в данном случае радиально вне вспомогательной камеры 19 расположена накопительная камера 11 кольцеобразной формы. Она не вращается с насосным 8 и турбинным 9 колесами, а удерживается неподвижно в корпусе.
Для охлаждения рабочей среды предусмотрен внешний замкнутый контур 12, в котором она охлаждается. Для этого рабочая среда вытекает через выход 13 рабочей камеры 10 из гидродинамической муфты 5, течет через охладитель 14, затем диафрагму 18 и, наконец, через вход 15 рабочей камеры 10 - обратно в нее. При этом замкнутый контур 12 рабочей среды может быть полностью выведен из гидродинамической муфты 5 или компрессорного устройства, если, например, охладитель 14 позиционирован отдельно от нее или него. Однако, разумеется, возможно также пристраивание охладителя 14 к гидродинамической муфте 5 или встраивание в нее, так что тогда соответственно некоторые названные магистрали или все магистрали прокладываются внутри нее.
К напорной стороне компрессора 2 и к накопительной камере 11 присоединена магистраль 16 сжатого газа, по которой сжимаемая среда может подаваться под давлением в накопительную камеру 11, чтобы за счет этого вытеснить из нее больше или меньше рабочей среды во внешний замкнутый контур 12, см. соединительную магистраль, здесь единственную соединительную магистраль 20 между накопительной камерой 11 и точкой присоединения 21 к замкнутому контуру 12 между охладителем 14 и диафрагмой 18. Соединительная магистраль 20 может быть предусмотрена вне или внутри гидродинамической муфты 5, в последнем случае, в частности, в виде выполненного в ней канала.
Для смазки подшипников гидродинамической муфты 5 предусмотрена соединительная магистраль 22, которая соединяет подшипники с замкнутым контуром 12, здесь через точку присоединения 23 в зоне точки присоединения 21.
В магистрали 16 сжатого газа предусмотрен управляющий клапан 17 для регулирования передаваемого в накопительную камеру 11 управляющего давления или давления подаваемой в нее сжимаемой среды. Управляющий клапан 17 выполнен, например, в виде клапана постоянного регулирования.
В данном примере управляющий клапан 17 выполнен в виде управляемого или регулируемого распределителя с первым положением, в котором труба 24 для выпуска воздуха герметично отделена от магистрали 16 сжатого газа и создано проводящее соединение между компрессором 2 или его напорной стороной и накопительной камерой 11, и вторым положением, в котором накопительная камера 11 герметично отделена от компрессора 2 и создано направляющее течение соединения между трубой 24 для выпуска воздуха и магистралью 16 сжатого газа.
В примере на фиг.1 гидродинамическая муфта 5 содержит насос 26 скоростного напора, перед устьем которого при ее работе вследствие вращения насосного 8 и турбинного 9 колес возникает скоростной напор, посредством которого рабочая среда перекачивается из рабочей камеры 10 или здесь непосредственно из вспомогательной камеры 19 во внешний замкнутый контур 12 и через него. Наличие такого насоса скоростного напора не является обязательным. Также вместо него может быть предусмотрен другой насос.
На фиг.2, изображающей в схематичном упрощенном виде фрагмент фиг.1, показаны приточная 27 и вытяжная 25 магистрали. Обе магистрали 27, 25 обеспечивают постоянное прохождение воздуха через гидродинамическую муфту 5 или ее рабочую камеру 10, чтобы вытеснить подаваемую в нее или ее рабочую камеру 10 газообразную сжимаемую среду, например природный газ, и предотвратить образование воспламеняемой смеси. В магистралях 27, 25 могут быть предусмотрены воздушные фильтры.
На фиг.2 в отличие от примера на фиг.1 точка присоединения 21 соединительной магистрали 20 расположена между накопительной камерой 11 и внешним замкнутым контуром 12 в направлении течения рабочей среды перед охладителем 14, тогда как точка присоединения 23 соединительной магистрали 22 для смазки подшипников гидродинамической муфты 5 сохранена за охладителем 14. Разумеется, расположение точек присоединения 21, 23 может быть также обратным или иным.
В отличие от примеров на фиг.2 и 3 в примере на фиг.3 труба 24 для выпуска воздуха заканчивается не в окружающем пространстве, а в гидродинамической муфте 5, в частности в ее рабочей камере 10. За счет этого кислородсодержащий воздух в результате подачи сжимаемой среды вытесняется из гидродинамической муфты 5 или ее рабочей камеры 10, предотвращая образование воспламеняемой смеси. Разумеется, сжимаемая среда может подаваться в гидродинамическую муфту 5, в частности в ее рабочую камеру 10, для вытеснения кислородсодержащего воздуха также в другом месте.
Вытесняемый кислородсодержащий воздух и подаваемая сжимаемая среда могут выходить по вытяжной магистрали 25. Если в ней предусмотрен предохранительный клапан (не показан), в частности в виде обратного клапана, или иной дросселирующий орган для создания избыточного давления в продутой зоне гидродинамической муфты 5, то за счет этого избыточного давления можно эффективно предотвратить проникновение или диффундирование в нее кислородсодержащего воздуха через негерметичное место, например в уплотнении, или через вытяжную магистраль 25, что снижает опасность образования воспламеняемой смеси.