КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к управлению компрессорными установками, эксплуатируемыми в различных отраслях народного хозяйства, находящимися в климатических условиях с длительным воздействием минусовых температур и, особенно на шахтных предприятиях горной промышленности.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ 2109294 МПК F04D 29/58, 20.08.2001) содержащая компрессор, установленный на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления и пневмосетью, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен через крышку с фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническим днищем, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка.
Недостатком является энергоемкость производства сжатого воздуха, обусловленная изменением массовой производительности компрессора, определяемой плотностью всасываемого атмосферного воздуха, зависящей от температуры окружающей среды, в погодно-климатических условиях которой эксплуатируется компрессорная установка промышленного предприятия.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ №2184277 МПК F04D 29/58, 27.06.2002), 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 пневмосетью, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен через крышку с фильтром, представляющим собой корпус с крышкой
и коническим днищем, в нижней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка из биметалла и состоит из двух жестко соединенных пластин, при этом первая пластина отражательной перегородки со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной.
Недостатком является энергоемкость производства сжатого воздуха, обусловленная наличием при длительной эксплуатации в условиях изменяющихся отрицательных температур окружающей среды переменной плотности всасываемого атмосферного воздуха, приводящей к пульсирующему его поступлению в полости сжатия компрессора и как следствие неравномерной работы привода компрессорной установки.
Технической задачей изобретения является снижение энергоемкости производства сжатого воздуха в условиях отрицательных температур окружающей среды путем поддержания постоянства поступления массы всасываемого атмосферного воздуха в полости сжатия компрессора за счет выполнения корпуса фильтра в виде резонатора, обеспечивающего постоянство газодинамического наддува в процессе эксплуатации компрессорной установки.
Технический результат достигается тем, что компрессорная установка содержит компрессор, установленный на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления и пневмосетью, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен через крышку с фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническим днищем, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка из биметалла и состоящая из двух жестко соединенных пластин, при этом первая пластина
отражательной перегородки со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной, отражательная перегородка выполнена подпружиненной со стороны штуцера вывода очищаемого воздуха, при этом пружины установлены на направляющих стержнях, расположенных между выходными отверстиями суживающего сопла и штуцером вывода очищаемого воздуха.
На фиг.1 представлена принципиальная схема компрессорной установки, на фиг.2 - общий вид воздушного фильтра компрессора.
Компрессорная установка состоит из компрессора 1 и 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 воздухопроводом 6, а дополнительным трубопроводом 16 и клапаном 17 соединен с пневмосетью 8. Блок управления 18 электрически соединен с датчиком давления и температуры 19, установленным на всасывающем трубопроводе 20, и датчиком давления и температуры 21, установленным на пневмосети 8. На всасывающем трубопроводе 20 укреплен воздушный фильтр, состоящий из корпуса 22 с крышкой 23 и конического днища 24, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор 25, а в верхней части корпуса 22 выполнено устройство в виде суживающегося сопла 26, к входному отверстию 27 которого прикреплена сетка 28, при этом после выходного отверстия 29 суживающегося сопла 26 установлена отражательная перегородка из биметалла 30, кроме того, всасывающий трубопровод 20 соединен с крышкой 23 корпуса 22 воздушного фильтра. Отражательная перегородка 30 выполнена из биметалла и представляет собой две жестко соединенные пластины, первая из них, расположенная со стороны выходного
отверстия 29 суживающегося сопла 26, выполнена пористой 31, вторая - сплошной 32. Отражательная перегородка 30 выполнена подпружиненной со стороны штуцера вывода очищаемого воздуха 33, при этом пружины 34 установлены на направляющих стержнях 35, расположенных между выходным отверстием 29 суживающегося сопла 26 и штуцера вывода очищаемого воздуха 33, полость 36, образованная в корпусе 22 между выходным отверстием 29 суживающегося сопла 26 и отражательной перегородки 30, представляет собой резонатор с переменным объемом воздуха, в зависимости от температуры среды. Компрессорная установка работает следующим образом. При отрицательных температурах окружающей среды, наиболее длительно в течение года по условиям эксплуатации воздействующий на компрессорную установку всасываемый атмосферный воздух с повышенной плотностью (при положительных температурах атмосферного воздуха плотность в процессе поступления в качестве всасываемого в корпус 22 имеет меньшее значение), а так же с наличием твердых частиц атмосферной влаги в виде снега, инея и каплеобразной влаги, через сетку 28 и входное отверстие 27 поступает в суживающееся сопло 26. Воронкообразное движение всасываемого воздуха в суживающемся сопле 26 приводит к столкновению, слипанию, укрупнению и коагуляции замерзшей и каплеобразной влаги, а также технологических загрязнений и эта смесь после выходного отверстия 29, внезапно расширяясь, поступает в полость 36, где ударяется об отражательную перегородку 30.
Полость 36 представляет собой объем в корпусе 22, заключенный между выходным сечением 29 суживающегося сопла 26 и отражательной перегородкой 30 со стороны пористой пластины 31, при этом размер выбран так, что он соответствует объему резонатора. В связи с тем, что плотность атмосферного всасываемого воздуха, поступающего в полость 36 изменяется в зависимости от погодно-климатических и технологических условий эксплуатации компрессорной установки, резонатор (полость 36) должен иметь постоянный резонирующий объем воздуха при его изменяющейся плотности, т.е. изменяющиеся
геометрические размеры. За начальное положение объема резонатора принимаются размеры полости 36 (путем фиксации перемещающейся отражательной перегородки 30 на направляющих стержнях 35), соответствующие фиксации отражательной перегородки 30 пружинами 34 в свободном (разжатом) состоянии на направляющих стержнях 33. В этом случае воздействие, оказываемое атмосферным всасываемым воздухом, определяется наименьшей плотностью, соответствующей максимальной положительной температуре окружающей среды по условиям эксплуатации компрессорной установки (известно, что чем выше температура атмосферного всасываемого воздуха, тем ниже его плотность) и минимальному количеству загрязнений как атмосферных, так и технологических, поступающих в корпус 22 воздушного фильтра компрессора. Все это определяется экспериментальным путем, согласно условиям эксплуатации компрессорной установки.
Поток атмосферного всасываемого воздуха с отрицательной температурой и загрязнениями атмосферными и технологическими, контактируя с отражательной перегородкой 30 обладая энергией удара смеси, перемещает ее по направляющим 33, сжимая пружины 34. При перемещении отражательной перегородки 30 объем воздушного столба в полости 36 увеличивается, сохраняя постоянство резонатора при изменяющихся погодно-климатических и технологических загрязнениях. Измененный объем воздуха, заключенный в полости 36 способствует поддержанию необходимого максимума гармонических колебаний воздуха на такте всасывания в компрессоре и тем самым стабилизации наддува. Известно, что снижение энергоемкости производства сжатого воздуха достигается увеличением производительности поршневых компрессоров путем резонансного наддува при использования резонансных колебаний столба воздуха во всасывающем тракте. Возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре поршневого компрессора и периодическое открывание, и закрывание клапанов, соединяющих полость цилиндра с воздушными коммуникациями, вызывает колебания столба воздуха в фильтре компрессора, т.е. полости 36.
Эти колебания являются вынужденными и при совпадении их частоты с частотой собственных колебаний столба воздуха наступает явление резонанса со значительными амплитудами колебаний давления. Если объем воздуха в полости 36 к моменту закрытия всасывающих клапанов в цилиндре имеет максимум давления, то это увеличивает массовый заряд всасываемого воздуха в цилиндре и повышает производительность компрессора до 12% (см., например, стр.69. В.Л.Курчавин, А.П.Мезенцев. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. Ленинград. 1985).
Энергия удара всасываемого воздуха при контакте с отражательной перегородкой 30 переходит в тепловую, частично переводя мелкодисперсные частицы твердой фазы атмосферной влаги в капельки жидкости, которые заполняют капилляры пористой пластины 31, соприкасаясь со сплошной пластиной 32. В результате отбора теплоты от потока всасываемого воздуха на испарение атмосферной и/или технологической влаги в капиллярах пористой пластины 31 его температура снижается, что регистрируется датчиком 19 и данная охлажденная масса направляется в компрессор 1. Часть неиспарившейся капельной влаги и твердые частицы как пыли, так и частицы фазового превращения атмосферной влаги (лед, снег, иней) в результате колебаний термовибрации (разность температур «пятна» испаряющейся жидкости и потока всасываемого воздуха, контактирующего с отражательной перегородкой 30) биметаллической отражательной перегородки 30 «стряхиваются» и скапливаются в коническом днище 24.
По мере накопления влаги в коническом днище 24 она воздействует на поплавок-конденсатор 25 и выбрасывается из корпуса 22 воздушного фильтра. Очищенный от влаги всасываемый воздух через выводы очищаемого воздуха 33 по высасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где сжимается и по нагнетательному трубопроводу 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.
В воздухосборнике 6 осуществляется процесс конденсации паров влаги, неотделенной в корпусе 22 воздушного фильтра. Сжатый воздух с температурой, на 10-20°С превышающий температуру окружающей среды, через открытый клапан 7 поступает в пневмосеть 8. В результате воздействия на пневмосеть 8 окружающей среды с минусовыми температурами осуществляется интенсивное охлаждение сжатого воздуха с конденсацией паров влаги, а появившаяся в трубопроводах жидкость, охлаждаясь, замерзает. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления трубопроводов пневмосети 8. В этом случае, наряду с изменением температуры сжатого воздуха, изменяется его давление, что фиксируется датчиками 21 давления и температуры и передаются на блок управления 18.
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 вспомогательному трубопроводу 10 поступает в теплообменник-утилизатор 9, где отдает часть тепла и по вспомогательному трубопроводу 12 через открытый клапан 13 направляется в концевой холодильник 5. 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 (отбирается теплота от потока сжатого воздуха, движущегося непосредственно от компрессора 1) и по дополнительному трубопроводу 16 через клапан 17 направляется в пневмосеть 8.
Поступление в наземную пневмосеть 8 подогретого воздуха с уменьшенным количеством парообразной влаги обеспечивает надежность прохождения потока без охлаждения до температуры окружающей среды и, соответственно,
без выпадания конденсата по длине пневмосети. В результате в пневмосеть 8 поступает сжатый воздух заданного нормированного давления и несколько повышенной температуры, что фиксируется датчиками 21 и контролируется блоком управления 18.
При положительных температурах окружающей среды в осенне-зимний, весенне-летний периоды с высокой относительной влажностью и соответствующими параметрами по давлению и температуре, фиксируемой датчиками 19, установленными на всасывающем трубопроводе 20, атмосферный воздух поступает через сетку 28 во входное отверстие 27 суживающегося сопла 26, где в результате образования воронки закручивается и поступает к выходному отверстию 29.
После выходного отверстия 29 суживающего сопла 26 наблюдается поджатие струн закрученного потока атмосферного всасываемого воздуха, что приводит к дополнительной коагуляции мелкодисперсных капелек сконденсировавшихся в процессе завихрения атмосферной влаги. После поджатия перед отражательной перегородкой 30 происходит внезапное расширение с эффектом Джоуля-Томпсона. Внезапное расширение сопровождается снижением скорости обрабатываемого потока воздуха и образованием факела (определяемого углом распыла, т.е. расстоянием до отражательной перегородки), оптимальные размеры которого обеспечивают эффективное использование теплоты испарения.
Термодинамически расслоенный в суживающемся дозвуковом сопле 26 атмосферный воздух представляет собой два потока: холодный, насыщенный, мелкодисперсной влагой, появившейся в процессе конденсации паров атмосферной влаги за счет более низкой температуры его по сравнению с окружающей средой и горячий, насыщенный твердыми частицами пыли и крупнодисперсной жидкостью в случае наличия в окружающей фильтр среде дождя или тумана. Холодный поток, представляющий собой ядро влажного всасываемого воздуха, насыщенный твердыми и каплеобразными частицами, ударяется
об отражательную перегородку 30 и мелкодисперсная жидкость, имеющая температуру холодного потока, заполняет капилляры пористой пластины 31, образуя «пятно» жидкости. Последующий контакт «пятна» жидкости с влажным воздухом, имеющим усредненную температуру (происходит смешивание в корпусе фильтре 22 на отражательной перегородке 30 горячего и холодного потоков), превышающую температуру жидкости в капиллярах пористой пластины 31, приводит к ее испарению. В результате отбора некоторого количества тепла от влажного воздуха на процесс испарения жидкости в капиллярах пористой пластины 31, а, как известно, чем ниже температура всасываемого атмосферного воздуха, тем выше его плотность и соответственно большее количество всасываемого воздуха при резонансном наддуве поступает в компрессор, т.е. наблюдается снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха. Поскольку всасываемый атмосферный воздух, ударяющийся об отражательную перегородку 30 наряду с каплеобразными частицами насыщен и твердыми пылеобразными атмосферными и технологическими частицами, то последние закупоривают часть капилляров пористой пластины 31 резко снижая эффект испарительного охлаждения в месте контакта воздуха и «пятна» жидкости. Выполнение отражательной перегородки 30 из биметалла приводит к образованию под действием температурного напора (разность температур между температурой «пятна» испаряющейся жидкости и температурой потока всасываемого атмосферного воздуха) колебания термовибрации пористой пластины 31 и сплошной пластины 32. В результате наблюдается «стряхивание» с отражательной перегородки 30 твердых пылеобразных частиц и капель неиспарившейся атмосферной влаги, поступающей со всасываемым воздухом в коническое днище 24, где данная масса накапливается и, воздействует по мере накопления на поплавок-конденсатор 25, выбрасывается из корпуса воздушного фильтра 22.
Поток смеси всасываемого атмосферного воздуха и загрязнений в виде каплеобразной влаги и твердых частиц пыли и технологических выбросов ударяется об отражательную перегородку 30 с усилием не обеспечивающим сжатие
пружин 34 на направляющих стержнях 35, т.е. в полости 36 сохраняется объем воздушного столба, обеспечивающий резонанс, т.е. газодинамический наддув атмосферного всасываемого воздуха на такте всасывания в компрессор.
Очищенный от каплеобразной влаги атмосферный всасываемый воздух, огибая отражательную перегородку 30 по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где осуществляется его сжатие с меньшими энергозатратами, чем, если бы наряду с воздухом в компрессор поступала каплеобразная влага, требующая дополнительных затрат на сжатие пара (температура при сжатие воздуха резко возрастает и каплеобразная влага превращается в пар). Под воздействием блока управления 18 клапаны 11, 13, 15 и 17 закрываются, а клапаны 4 и 7 открываются. После сжатия воздух с температурой свыше 120°С направляется по нагнетательной линии к основному трубопроводу 3 и через клапан 4 и концевой холодильник 5, где охлаждается до температуры около 100°С. Далее процесс охлаждения сжатого воздуха продолжается в воздухосборнике 6, здесь 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 трубопровод 8 пневмосети. По длине пневмосети 8 не наступает теплового равновесия, т.е. равенство температур сжатого воздуха и окружающей среды. В результате практически не происходит конденсации оставшихся паров влаги и сжатый воздух с заданной температурой и давлением, фиксируемыми датчиками 21, поступает в пневмосеть потребителя. Управление работой компрессора 1 осуществляется на основании известных схем блоком управления 18 по соотношению температуры и давления, фиксируемому датчиком 19 на всасывающем трубопроводе 20, и датчиком давления и температуры 21 установленным на пневмосети 8.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что снабжение компрессорной установки воздушным фильтром в виде резонатора, образованного полостью между выходным отверстием суживающегося сопла и
отражательной перегородкой, которая перемещается на направляющих стержнях под действием энергии удара потока состоящего из смеси атмосферного всасываемого воздуха и загрязнений в виде твердых частиц и жесткости пружин, обеспечивает постоянный газодинамический наддув компрессора в изменяющихся погодно-климатических и технологических условиях эксплуатации, что в конечном итоге снижает энергоемкость производства сжатого воздуха компрессорной установкой.