СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМ ПРИВОДОМ ГАЗОСТАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONTROLLING GASOSTATIC EXTRUDER GAS DRIVE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области создания промышленного оборудования для обработки крупногабаритных изделий из сплошных и дискретных материалов при одновременном или комбинированном воздействии на них высоких до 500 МПа давлений и температур до 2000°С, создаваемых в газовой среде рабочей камеры газостата.
Основными компонентами газостата являются:
- собственно газостат, включающий контейнер с верхней и нижней пробками, а также силовую станину;
- газовая и вакуумная системы, обеспечивающие необходимые технологические параметры газовой среды в рабочей камере машины;
- системы нагрева и охлаждения,
- а также система управления.
Эффективность работы газостата во многом зависит от производительности и надежности его главной - газовой системы. В свою очередь качественный уровень работы последней определяется производительностью газового привода машины, а именно производительностью и схемой включения газовых компрессоров, пропускной способностью их запорной аппаратуры и газового трубопровода, а также конструкцией самой газовой системы.
Аналогом изобретения является газостат, описанный в книге Кривоноса Г.А., Максимова Л.Ю., Зверева А.Д. «Процессы и оборудование для газостатической обработки». - М.: Металлургия, 1994 г., стр.110, в котором способ управления газовым приводом и устройство для его осуществления содержат следующие элементы: газовую и вакуумные системы, собственно газостат с системой нагрева и систему охлаждения, баллонную станцию, компрессор, контрольно-измерительную аппаратуру, трубопроводы и запорно-регулирующую аппаратуру высокого давления (запорные вентили с ручным управлением). Существенным недостатком привода аналога является то, что для создания давления в контейнере в качестве источника давления используется один компрессор, установленный непосредственно между баллонной станцией и рабочей камерой, максимальное давление нагнетания которого должно быть не менее технологически необходимого давления рабочего цикла, находящегося в диапазоне 200-500 МПа. Следует отметить, что создание давлений, превышающих 200 МПа, одним компрессором практически невозможно. При указанном расположении компонентов, а именно: баллоны-компрессор-рабочая камера, производительность компрессора резко снижается по мере увеличения его степени сжатия - отношения давления нагнетания к давлению всасывания, в данном случае равное отношению возрастающего давления в контейнере к давлению в баллонах. При этом увеличивается время создания необходимого давления в рабочей камере и общее время рабочего цикла, а также снижается производительность газостата.
Прототипом изобретения является газостат, описанный патентом РФ №2350429 от 09.06.2007 г., в котором способ управления газовым приводом осуществляется следующим образом при выполнении устройства управления в виде газостата, содержащего контейнер с пробками, образующими его рабочую камеру, силовую станину, газовую систему, соединенную с рабочей камерой трубопроводом высокого давления и снабженную запорно-регулирующей аппаратурой с небольшим условным проходом Ду 3-5 мм, системы нагрева и охлаждения, а также систему управления, при этом газовый привод оснащен компрессорами низкого и высокого давлений с возможностью их одновременной работы с максимальной производительностью в режимах параллельного и последовательного включения за счет установки между компрессорами регулятора давления игольчатого типа.
К недостаткам способа управления газовым приводом и устройства для его осуществления следует отнести использование игольчатого регулятора давления достаточно сложной конструкции, оснащенного тарельчатыми пружинами большой жесткости и подвижной иглой с блоком ее уплотнений. Внутренняя герметичность регулятора и его работоспособность могут быть обеспечены только при соблюдении высокой степени соосности диаметров подклапанной полости и стержня иглы, а также отсутствия биения посадочного конуса иглы относительно диаметра ее стержня. Регулятор давления установлен на трубопроводе небольшого объема, соединяющего компрессоры низкого и высокого давлений, в котором имеет место постоянная пульсация и броски давления газа, приводящие к срабатыванию регулятора. При частом срабатывании регулятора его острая кромка обминается и разрушается под действием усилия блока жестких тарельчатых пружин в процессе посадки в седло закаленной иглы, интенсивно изнашиваются элементы блока уплотнений и ослабляются соединения высокого давления трубопровода и аппаратуры. В результате требуется регулярно частое восстановление рабочих поверхностей иглы и седла регулятора, замены блока изношенных уплотнений и восстановление герметичности газовых соединений.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокопроизводительных, надежных газостатов для обработки изделий промышленного назначения из дискретных, сплошных и нанопорошковых материалов высоким (до 500 МПа) давлением газовой среды при температуре до 2000°С.
Технический результат изобретения, заключающийся в:
- создании эффективной газовой системы с повышенным рабочим давлением;
- уменьшении времени создания заданного давления в контейнере цикла;
- существенном снижении ее металлоемкости и стоимости;
- повышении производительности газостата и снижении стоимости выпускаемой продукции,
достигается тем, что газовый привод машины включает компрессоры низкого и высокого давлений, работающие с максимальной производительностью при их одновременном включении, управляемые газовым ресивером, установленным на трубопроводе, соединяющем компрессоры, при снабжении газовой системы газовым трубопроводом и компактной аппаратурой с увеличенным условным проходом, выполненной в виде запорного клапана с цилиндром разгрузки.
Конструкция газостата со способом управления газовым приводом, предлагаемым по изобретению, представлена на фигуре 1, на фигуре 2 в качестве информационного материала показана конструкция регулятора давления игольчатого типа (прототип).
Газостат содержит силовую станину 1, скрепленную бандажом высокопрочной ленты 2, контейнер 3, закрытый по торцам верхней 4 и нижней 5 пробками, нормально-закрытые клапаны с увеличенным проходом 6, 7, 8 и 9, газовый компрессор низкого 10 (КНД) и высокого 11 (КВД) давлений, а также баллонную станцию 12. КВД, как правило, изготавливается в виде двухступенчатого агрегата.
Для управления потоками рабочей среды при выполнении технологических операций рабочего цикла клапаны 6, 7, 8 и 9 соединены между собой и с другими компонентами газовой системы трубопроводом 13, при этом газовый ввод 14 в контейнер 3 выполнен в верхней пробке. На трубопроводе, соединяющем компрессоры, установлен газовый ресивер 15, оснащенный собственным ручным запорным вентилем 16, предохранительным клапаном 17, манометром 18 и датчиком давления 19. Последние в случае их ремонта или замены отсекаются от ресивера, заполненного газом, запорными вентилями 20 и 21 соответственно.
С целью создания эффективного газового привода промышленные газостаты с большим объемом рабочей камеры комплектуются компрессорами низкого давления, производительность которых в несколько раз превышает производительность компрессоров высокого давления, работающих последовательно при подъеме давления в контейнере. Поэтому синхронизировать или использовать их максимальную производительность в условиях постоянно изменяющихся давлений всасывания и нагнетания без применения дополнительных средств невозможно. К попыткам решения этой проблемы можно отнести использование, как в прототипе, регулятора давления, установленного между КНД и КВД.
В предложенном изобретении эффективность газового привода газостата обеспечивается за счет использования газового ресивера, управляющего работой компрессоров высокого и низкого давления и установленного между компрессорами, при этом в компрессоре высокого давления поддерживается давление, равное или близкое к максимальному давлению всасывания, отсутствия динамической нагрузки на аппаратуру и соединения высокого давления вследствие плавного изменения давления в системе КНД-ресивер-КВД, а также экономии электроэнергии при периодическом отключении КНД в процессе подъема давления в рабочей камере газостата. Время отключения КНД на 40-50% меньше времени работы КВД.
Газовый привод газостата работает следующим образом. В исходном положении силовая станина 1 сдвинута с оси контейнера 3. На нижнюю пробку 5, находящуюся в нижнем положении вне контейнера, устанавливают заготовку и вводят ее в рабочее пространство камеры газостата. Затем силовая станина устанавливается на оси контейнера.
Во время проведения подготовительных к выполнению технологического цикла работ, включающих загрузку заготовки, выполняется заполнение ресивера 15 рабочим газом. Для этого открывается клапан 9, и газ самотеком из баллонов 12 перетекает в ресивер до выравнивания давления в них, при этом вентиль 16 открыт.Далее включается КНД 10 и поднимает давление в ресивере 15 до величины, равной максимальному давлению всасывания КВД 11. По сигналу датчика давления 19 КНД 10 останавливается, а клапан 9 закрывается. Визуально величину давления в ресивере можно определить по манометру 18. Предохранительный клапан 17, установленный на ресивере, настроен на давление срабатывания, на 10% превышающее давление всасывания КВД. Затем открывается клапан 8 и газ из баллонов 12 самотеком поступает в контейнер 3. После выравнивания давления в них клапан 8 закрывается. Открывается клапан 7, и включается КВД 11, перекачивающий газ из ресивера 15 в контейнер 3. При падении давления в ресивере на заданную величину (например, на 5 МПа) по сигналу датчика 19 открывается клапан 9 и включается КНД 10, одновременно подавая газ из баллонов в ресивер и на всасывание КВД, который закачивает его в контейнер. Оба компрессора работают по схеме последовательного включения. При достижении давления в ресивере 15, равного максимальному давлению всасывания КВД, по сигналу датчика давления 19 останавливается КНД, а клапан 9 закрывается. КВД 11 продолжает работать, подавая газ из ресивера 15 в контейнер. При снижении давления в ресивере на заданную величину по сигналу датчика 19 открывается клапан 9 и включается КНД 10. Далее описанная последовательность работы компрессоров и запорных клапанов повторяется до момента создания в контейнере давления газа необходимой величины, при этом КВД в течение всего периода подъема давления работает с максимальной или близкой к ней производительностью, а КНД периодически отключается. Общее время создания необходимого давления в контейнерах промышленных газостатов с большим объемом рабочей камеры достигает нескольких часов. После этого компрессоры останавливаются, закрываются клапаны 7, 9 и вентиль 16. Включается система нагрева, разогревая заготовку до необходимой температуры. При заданных давлении и температуре заготовка выдерживается в течение необходимого времени. Затем система нагрева выключается, и рабочее пространство камеры с заготовкой охлаждается. Открывается клапан 8, и газ самотеком перетекает из контейнера 3 в баллоны 12. Оставшийся газ через открытый клапан 6 выпускают из контейнера в баллонную станцию низкого давления (не показана) или в атмосферу. После снижения давления в контейнере до величины атмосферного силовая станина 1 сдвигается с оси контейнера, освобождая нижнюю пробку 5, которая вместе с обработанным изделием извлекается из него, и может быть проведен новый рабочий цикл. Время выполнения следующего рабочего цикла будет уменьшено на величину, необходимую для первичного подъема давления в ресивере 15 с помощью КНД 10, поскольку при выполнении предыдущего рабочего цикла он остался заряженным до величины, находящейся в узком интервале принятого изменения давления в ресивере.
Таким образом, оснащение газового привода газостата последовательно включенными компрессорами низкого и высокого давлений, между которыми установлен газовый ресивер, а также нормально-закрытыми клапанами и газовым трубопроводом с увеличенным проходом позволяет:
- создать надежный и высокопроизводительный газостат с большим объемом рабочей камеры;
- уменьшить время выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды между компонентами газовой системы с помощью компрессоров низкого и высокого давлений, работающего с максимальной производительностью;
- сократить общее время цикла, повысить производительность газостата и снизить стоимость выпускаемой продукции.
В качестве примера выполнения газового привода газостата приведен расчет параметров на следующих листах.
При расчете параметров газового привода газостата, заключающегося в определении объема ресивера, обеспечивающего эффективную работу компрессоров низкого и высокого давлений, и соотношения времени работы КНД и КВД при подъеме давления в контейнере использованы свойства газообразного азота из «Газовой Энциклопедии» (Gas Encyclopaedia), издательства "ELSEVIER", 1976 г. Свойства газов в упомянутом источнике приведены при различных давлениях, выраженных в барах, и температурах - в градусах Кельвина.
10
10
10
11
11
11
3
3
Ниже приведен расчет параметров газового привода газостата, в качестве рабочей среды которого используется газообразный азот, а привод укомплектован мембранным компрессором низкого давления (КНД) марки MKZ-19 (фирмы "Hofer", ФРГ) с номинальными давлением нагнетания Рн=350 бар, давлением всасывания Рвс=150 бар и производительностью Q=520 нм/ч, а также компрессором высокого давления (КВД) марки 6,3МК 200/350-1500 ("Уралкомпрессор", Россия) с номинальными давлением нагнетания Рн=1500 бар, давлением всасывания Рвс=350 бар и производительностью Q=200 нм/ч. В расчете использованы номинальные значения производительностей, давлений всасывания и нагнетания КНД и КВД, являющиеся паспортными характеристиками агрегатов.
11
11
Для обеспечения работы КВД-11 с максимальной производительностью, что возможно при давлении его всасывания, равном Рвс=350 бар или близком к нему, принимаем расчетное падение давления в ресивере равным 50 бар (от 350 до 300 бар) в течение времени τ=5 минут или 0,083 часа работы КВД.
За 5 минут (0,083 часа) КВД отберет из ресивера следующее количество газа, выраженное в нормальных кубических метрах
что соответствует массе азота, выраженной формулой
н-11
3
где ρ=1,12 кг/м - плотность азота в условиях окружающей среды, принятых равными: давление Р=1 бар и температура Т=300 К.
С использованием уравнение состояния реального газа та же масса газа, отобранная из ресивера, может быть рассчитана по следующему выражению
откуда объем ресивера определяется в виде
15-1
15-2
где P=350 бар и P=300 бap давления газа в ресивере в моменты начала и окончания отбора из него газа;
15
3
V - объем ресивера, м;
1
2
Z=1,1954 и Z=1,1425 коэффициенты сжимаемости азота при температуре
Т=300 К и давлении 350 и 300 бар соответственно;
Т=300 К - температура окружающей среды;
R=30,28 кГм/кг*K - газовая постоянная азота.
3
После снижения давления в ресивере до 300 бар включается КНД, подавая газ из баллонов как на всасывание КВД, так и в ресивер. При этом одна часть газа с расходом 200 нм/ч потребляется КВД, а другая с расходом, равным разности производительностей КНД и КВД, заполняет ресивер до установленного давления (350 бар).
Время заполнения ресивера определяется по формуле
Время работы КВД в течение одного описанного цикла составляет 5+3,1=8,1 минуты, а КНД - только 3,1 минуты. Это означает, что в процессе подъема давления в контейнере промышленных газостатов с большим рабочим объемом, состоящего из множества рассмотренных мини-циклов и продолжающегося несколько часов, КНД в течение 40% времени выполнения этой операции не работает, сокращая потребление электроэнергии.
3
В качестве ресиверов используются выпускаемые промышленностью баллоны с соответствующим рабочим давлением и объемом, близким к величине, рассчитанной по формуле (5). В данном случае ресивером может служить баллон для азота 400-40 ГОСТ 12247-80 с объемом 400 литров (0,4 м) и рабочим давлением 40 МПа (400 бар).