СИСТЕМА РЕГЕНЕРАЦИИ ОТХОДЯЩЕГО ТЕПЛА ДЛЯ НАСОСНОЙ СИСТЕМЫ
WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM FOR PUMP SYSTEM

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится, в общем, к насосным системам для перекачки жидкостей, в частности к нагревательным системам для двухкомпонентных дозаторов.
Дозаторы жидкостей содержат раздаточные системы, получающие отдельные инертные компоненты жидкости, смешивающие компоненты в предопределенном соотношении и затем раздающие компоненты в виде активированного соединения. Например, дозаторы жидкостей используют для раздачи полиуретанов или полимочевин, затвердевающих после смешивания смоляного компонента и активирующего материала, которые по отдельности являются инертными. Тем не менее, после смешивания начинается мгновенная реакция, в результате которой образуется пористая твердая или не твердая пластиковая пена или эластичное отвержденное термопластичное полимочевинное покрытие смеси. Следовательно, два компонента подают в дозатор по отдельности, так что они могут оставаться разделенными как можно дольше. Манифольд получает каждый компонент после того, как они были перекачаны по отдельности, и подает компоненты к распылителю, содержащему смесительную головку, которая может быть приведена в действие оператором. Таким образом, компоненты остаются разделенными до тех пор, пока они не попадут в распылитель, где происходит их одновременное смешивание и раздача, тем самым уменьшая риск загрязнения компонентов.
Обычный дозатор жидкости содержит пару насосов объемного типа для перекачивания компонентов, по отдельности всасывающих жидкий компонент из отдельных контейнеров для жидкостей, иногда с помощью подающих насосов, и перекачивающих жидкие компоненты, находящиеся под давлением, к манифольду. Насосы для перекачивания компонентов обычно приводятся в действие синхронно с помощью общего гидравлического двигателя или электродвигателя. Подающие насосы обычно приводятся в действие источником сжатого воздуха. Подающие насосы и насосы для перекачивания компонентов подают компоненты к манифольду в состоянии, готовом для смешивания и раздачи из распылителя. В частности, для правильного инициирования химической реакции, отверждающей смешанные компоненты, компоненты часто нагревают до повышенной температуры для уменьшения и уравновешивания вязкостей жидкостей для обеспечения правильного перекрестного сшивания. Как правило, компоненты нагревают электрическими нагревателями, нагревающими материал где-то между насосами для перекачивания компонентов и манифольдом. Подобные нагреватели требуют подачи внешней энергии и, следовательно, уменьшают энергетический КПД системы.
Двухкомпонентные дозаторы иногда размещают в портативных конфигурациях, таких как грузовой салон грузового автомобиля, для завершения крупномасштабных работ в удаленных местах проведения работ. Подобным образом, эти двухкомпонентные дозаторы могут быть установлены в прицепе, прикрепленном позади транспортного средства. В подобных конфигурациях дозирующая система может быть настроена для использования ресурсов двигателя грузового автомобиля. Например, охлаждающая жидкость, поступающая от двигателя, может быть использована для нагревания компонентов вместо электрического нагревателя. Подобным образом, электрическая система двигателя грузового автомобиля может быть использована для подачи энергии компонентам дозатора. В качестве альтернативы, отбор мощности от двигателя грузового автомобиля может быть использован для предоставления механической энергии различным компонентам. Тем не менее, подобные варианты осуществления требуют постоянной работы двигателя грузового автомобиля во время проведения работ по разбрызгиванию. Тем не менее, двигатель грузового автомобиля генерирует больше мощности, чем необходимо для дозирующей системы, как в отношении потока охлаждающей жидкости, предоставляемого двигателем, так и в отношении механической энергии, генерируемой для перекачивания охлаждающей жидкости или генерирования электричества. Таким образом, эти системы менее эффективны, чем электрические нагреватели. Следовательно, существует потребность в более эффективной нагревательной системе для нагрева компонентов, в частности, для использования с портативными дозирующими системами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение относится к насосным системам, таким как двухкомпонентные дозирующие системы. Насосная система содержит двигатель внутреннего сгорания, генератор, насосный агрегат и систему регенерации тепла. Двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор. Генератор питает насосный агрегат. Система регенерации тепла обеспечивает тепловую связь двигателя внутреннего сгорания с насосным агрегатом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показана портативная двухкомпонентная дозирующая система, содержащая насосный агрегат, генератор и систему регенерации тепла согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показано схематическое изображение первого варианта осуществления портативной двухкомпонентной дозирующей системы по фиг. 1, содержащей систему регенерации тепла с непрямым вторичным контуром.
На фиг. 3 показано схематическое изображение второго варианта осуществления портативной двухкомпонентной дозирующей системы по фиг. 1, содержащей систему регенерации тепла с прямым контуром двигателя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 показана двухкомпонентная дозирующая система 10, содержащая насосный агрегат 12, контейнеры 14A и 14B для компонентов, раздаточный кран 16 и генераторный агрегат 18. Насосный агрегат 12 содержит модуль 20 управления/отображения, жидкостный манифольд 22, насос 24A для перекачивания первого компонента, насос 24B для перекачивания второго компонента и электродвигатель 26. Генераторный агрегат 18 содержит двигатель 28 внутреннего сгорания и электрический генератор 29. Генераторный агрегат 18 и насосный агрегат 12 взаимно соединены с системой 30 регенерации тепла согласно настоящему изобретению. Раздаточный кран 16 содержит раздаточную головку 32 и соединен с насосом 24A для перекачивания первого компонента и насосом 24B для перекачивания второго компонента с помощью шлангов 34A и 34B, соответственно. Шланги 38A и 38B соединяют подающие насосы 36A и 36B с насосами 24A и 24B, соответственно, для перекачивания компонентов. Сжатый воздух от компрессора (не изображен на фиг. 1) подают к подающим насосам 36A и 36B и раздаточному крану 16 по воздушным шлангам 40A и 40B, соответственно. Рециркуляционные шланги 41A и 41B соединяют жидкостный манифольд 22 с подающими насосами 36A и 36B, соответственно.
Контейнеры 14A и 14B для компонентов содержат барабаны с первым и вторым вязким материалом, которые при смешивании образуют отвержденную структуру. Например, первый компонент, содержащий смоляной материал, такой как смесь смолы полиола, хранится в контейнере 14A для компонента, а второй компонент, содержащий материал-катализатор, вызывающий затвердение смоляного материала, такой как полимерный МДИ (метилендифенилдиизоцианат), хранится в контейнере 14B для компонента.
В описанном варианте осуществления двухкомпонентная насосная система 10 сконфигурирована для установки в компактном транспортируемом корпусе. В одном варианте применения насосную систему 10 используют для распыления изоляции из полиуретановой пены внутрь стенных конструкций и на крыши строений. Двухкомпонентная насосная система 10 содержит поддон 42, на котором могут быть установлены или могут храниться все компоненты системы 10, за исключением контейнеров 14A и 14B, расположенных отдельно от поддона 42. Подающие насосы 36A и 36B расположены вдали от поддона 42 и насосной системы 10 и соединены с ними посредством шлангов 40A-41B. Поддон 42 и контейнеры 14A и 14B могут быть установлены или могут храниться в грузовом пространстве или на платформе грузового автомобиля для транспортировки к разным местам выполнения работ. Поддон 42 содержит щели 43, в которые могут быть вставлены вилы вилочного погрузчика для перемещения насосной системы 10. За исключением контейнеров 14A и 14B, которые необходимо периодически извлекать из грузового автомобиля для замены, двухкомпонентная насосная система 10 установлена на поддоне 42 таким образом, чтобы предоставлять полностью независимую действующую систему. С добавлением воздушного компрессора двигатель 28 внутреннего сгорания подает всю механическую и электрическую энергию, необходимую системе 10, независимо от работы грузового автомобиля, в котором установлена система 10. Точнее, двигатель 28 внутреннего сгорания подает электроэнергию электродвигателю 26 и подает тепло компонентам из контейнеров 14A и 14B по пути к манифольду 22.
Электроэнергию подают к насосному агрегату 12 посредством генераторного агрегата 18, который затем распределяет энергию к модулю 44. Модуль 44 подает энергию к электродвигателю 26, используемому для приведения в действие насосов 24A и 24B для перекачивания компонентов. Модуль 44 также подает энергию к другим компонентам системы 10, таким как вышеупомянутый воздушный компрессор, вентилятор для радиатора двигателя 28 внутреннего сгорания, клапаны для регулировки потока теплопередающей среды, проходящего сквозь систему 30 регенерации тепла, и форсированный нагреватель, все из которых описаны со ссылкой на фиг. 2. Сжатый воздух из вышеупомянутого компрессора подают к модулю 20 управления/отображения, распределяющему сжатый воздух к подающим насосам 36A и 36B по шлангам 40A и 40B для подачи потоков первого и второго компонентов к насосам 24A и 24B, соответственно, для перекачивания компонентов. Насосы 24A и 24B для перекачивания компонентов приводят в действие электродвигателем 26, управляемым оператором посредством модуля 20 управления/отображения. Тепло, генерируемое двигателем 28 внутреннего сгорания, добывают системой 30 регенерации тепла и подают в поток компонентов. В рассмотренном варианте осуществления тепло подают к компонентам между подающими насосами 36A и 36B и насосами 24A и 24B для перекачивания компонентов. Когда пользователь использует раздаточный кран 16, сжатые компоненты, подаваемые к манифольду 22 насосом 24A и насосом 24B, выталкиваются к смесительной головке 32. Смесительная головка 32 смешивает первый и второй компоненты для начала процесса затвердевания, который завершается после распыления смешанных компонентов.
Оператор может регулировать подачу компонентов в раздаточный кран 16 путем регулирования подающих насосов 36A и 36B и насосов 24A и 24B для перекачивания компонентов в модуле 20 управления/отображения. Модуль 20 управления/отображения содержит экран для отображения информации оператору системы 10. Модуль 20 управления/отображения также содержит пульт управления оператора, позволяющий регулировать производительность системы 10. Например, оператор двухкомпонентной насосной системы 10 может уточнять посредством данных, введенных в модуль 20 управления/отображения, что насосный агрегат 12 будет эксплуатироваться для обеспечения постоянного давления первому и второму компонентам, подаваемым к манифольду 22, и постоянной температуры компонентов, подаваемых к манифольду 22. Таким образом, модуль 20 управления/отображения будет регулировать электроэнергию, подаваемую к насосам 24A и 24B, сжатый воздух, подаваемый к подающим насосам 36A и 36B и распылительному крану 16, и регулировать скорость теплопередачи от системы 30 регенерации тепла к насосной системе 12. Кроме этого, в качестве альтернативы, к этим функциям управления можно получить доступ посредством пульта 46 дистанционного управления.
Хотя система 30 регенерации тепла была описана со ссылкой на двухкомпонентную дозирующую насосную систему, питаемую напрямую электродвигателем, изобретение может быть применено к другим типам насосных систем. Например, насосы 24A и 24B для перекачивания компонентов могут приводиться в действие гидравлическим способом с помощью энергии жидкости, циркуляцию которой обеспечивает электродвигатель, такой как описанный в заявке PCT №US2010/003120, выданной Graco Minnesota Inc. Кроме этого, другие типы насосных систем, использующие тепло для поддержания в определенном состоянии материала для перекачивания, нанесения или раздачи, могут использовать системы и способы согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показано схематическое изображение первого варианта осуществления двухкомпонентной дозирующей системы 10 по фиг. 1, содержащей систему 30 регенерации тепла с первичным контуром 51 двигателя и непрямым вторичным контуром 50. Насосный агрегат 12, содержащий насосы 24A и 24B для перекачивания компонентов и электродвигатель 26, соединен с раздаточным краном 16 и подающими насосами 36A и 36B. Подающие насосы 36A и 36B получают компонент из контейнеров 14A и 14B, соответственно. Генераторный агрегат 18 содержит двигатель 28 внутреннего сгорания, электрический генератор 29, радиатор 52, водяной насос 54 и вентилятор 56. Система 30 регенерации тепла содержит межконтурный теплообменник 58, циркуляционный насос 60, теплообменник 62A для первого компонента, теплообменник 62B для второго компонента, клапаны 64A, 64B и 64C и жидкостные линии 66A, 66B и 66C. Насосная система 10 также может содержать электрический форсированный нагреватель 68 и компрессор 69.
Двигатель 28 внутреннего сгорания, который в одном варианте осуществления может быть дизельным двигателем, сжигает топливо для получения энергии вращения вала, приводящей в действие электрический генератор 29. В частности, в одном варианте осуществления двигатель 28 внутреннего сгорания может быть дизельным двигателем мощностью 30 л.с. (~22,4 кВт). Система 10 может содержать топливный бак, прикрепленный к поддону 42 (фиг. 1), или двигатель 28 внутреннего сгорания может быть сконфигурирован для получения топлива из удаленного топливного бака, установленного в грузовом пространстве или на платформе грузового автомобиля, на который погружена система 10. Двигатель 28 внутреннего сгорания работает независимо от любого двигателя и топливной системы, используемых для обеспечения энергией грузового автомобиля, в котором установлена или может быть установлена система 10. Таким образом, система 10 может работать в стационарном окружении, таком как постоянная установка на промышленном предприятии или временная установка на месте строительства.
Двигатель 28 внутреннего сгорания предоставляет механический вход электрическому генератору 29. В одном варианте осуществления мощность электрического генератора 29 составляет 22 кВт. Электричество, вырабатываемое электрическим генератором 29, подают к насосному агрегату 12 по проводке 70 для обеспечения энергией модуля 20 управления/отображения (фиг. 1) и электродвигателя 26. Другие электрические компоненты системы 10, такие как циркуляционный насос 60, вентилятор 56, форсированный нагреватель 68 и клапаны 64A-64C, также подключены к проводке (не изображена для ясности) для получения электроэнергии от электрического генератора 29. Подающие насосы 36A и 36B используют энергию воздуха для получения компонентов из контейнеров 14A и 14B, например, путем погружения впускной трубы в компонент и для подачи компонента к насосной системе 12 по шлангам 38A и 38B, соответственно. В описанном варианте осуществления подающие насосы 36A и 36B приводятся в действие сжатым воздухом, регулируемым модулем 20 управления/отображения (фиг. 1) насосного агрегата 12. Насосный агрегат 12 получает сжатый воздух от компрессора 69, который может быть установлен в грузовом пространстве или на платформе грузового автомобиля, на который погружена система 10, или на поддоне 42 (фиг. 1). В обоих вариантах осуществления компрессор 69 получает электроэнергию от электрического генератора 29 и подает сжатый воздух к модулю 20 управления/отображения. Насосы 24A и 24B для перекачивания компонентов, получающие энергию от генератора 29 посредством электродвигателя 26, раздают компоненты из контейнеров 14A и 14B в манифольд 22, питающий раздаточный кран 16.
Двигатель 28 внутреннего сгорания вырабатывает тепло от процесса сгорания. Таким образом, двигатель 28 внутреннего сгорания оснащен охлаждающей жидкостью, находящейся в первичном контуре 51 двигателя. Насос 54 контура 51 двигателя осуществляет циркуляцию охлаждающей жидкости из радиатора 52 через нагретые компоненты внутри двигателя 28 внутреннего сгорания. В одном варианте осуществления контур 51 двигателя содержит жидкостно-жидкостный пластинчатый теплообменник. Вентилятор 56 сконфигурирован для обеспечения конвекционного охлаждения охлаждающей жидкости внутри радиатора 52 и сконфигурирован таким образом, чтобы им периодически управляли посредством модуля 20 управления/отображения. Поток охлаждающей жидкости внутри контура 51 двигателя также течет по межконтурному теплообменнику 58. Межконтурный теплообменник 58 также соединен с потоком охлаждающей жидкости внутри вторичного контура 50, предоставленного жидкостной линией 66C. Циркуляционный насос 60 и жидкостная линия 66C обеспечивают непрерывный рециркуляционный поток жидкости по межконтурному теплообменнику 58, когда клапан 64C открыт. Межконтурный теплообменник 58, который в одном варианте осуществления содержит жидкостно-жидкостный пластинчатый теплообменник, передает тепло между контуром 51 двигателя и вторичным контуром 50. При эксплуатации насосной системы 10 тепло передается от охлаждающей жидкости внутри контура 51 двигателя к жидкости в жидкостной линии 66C. Жидкость внутри жидкостной линии 66C может содержать любую подходящую теплопередающую среду, такую как вода, этиленгликоль, минеральное масло, кремнийорганическое масло или т.п.
Нагретая жидкость внутри жидкостной линии 66C течет в жидкостные линии 66A и 66B, когда клапан 64C закрыт и клапаны 64A и 64B открыты. Клапаны 64A, 64B и 64C содержат запорные клапаны с активной регулировкой, управляемые модулем 20 управления/отображения для регулировки температуры компонента в шлангах 72A и 72B, проходящих между теплообменниками 62A и 62B и насосами 24A и 24B, соответственно. Жидкостная линия 66A проходит от стороны высокого давления жидкостной линии 66C, через клапан 64A, через теплообменник 62A для первого компонента и назад к стороне низкого давления жидкостной линии 66C. Подобным образом, жидкостная линия 66B проходит от стороны высокого давления жидкостной линии 66C, через клапан 64B, через теплообменник 62B для второго компонента и назад к стороне низкого давления жидкостной линии 66C. Теплообменники 62A и 62B включают жидкостно-жидкостные теплообменники, передающие тепло между жидкостными линиями 66A и 66B к шлангам 72A и 72B для подачи материалов, соответственно. При эксплуатации насосной системы 10 тепло передается от охлаждающей жидкости внутри линий 66A и 66B к компонентам внутри шлангов 72A и 72B. В рассмотренном варианте осуществления теплообменники 62A и 62B нагревают компонент до первой температуры, приблизительно равной 140°F (~60,0°C). Если необходимо нагреть компонент до повышенных температур, которые не могут быть обеспечены теплообменниками 62A и 62B, модуль 20 управления/отображения активирует электрический форсированный нагреватель 68. Форсированный нагреватель 68 подает дополнительное тепло в компонент между насосами 24A и 24B и манифольдом 22. В одном варианте осуществления электрические форсированные нагреватели содержат нагреватели мощностью 2000 Вт, по одному для каждого насоса 24A и 24B, нагревающие компонент приблизительно до 180°F (~82,2°C).
На фиг. 3 показано схематическое изображение второго варианта осуществления портативной двухкомпонентной дозирующей системы 10 по фиг. 1, содержащей систему 30 регенерации тепла с прямым контуром двигателя. Система 30 регенерации тепла по фиг. 3 содержит все те же компоненты, что и вариант осуществления по фиг. 2, за исключением межконтурного теплообменника 58. В подобном варианте осуществления водяной насос 54 двигателя напрямую соединен с жидкостной линией 66C и, таким образом, напрямую подает тепло двигателя в теплообменники 62A и 62B. Таким образом, устранена потребность в контуре 51 двигателя. Регенерация тепла в прямом контуре позволяет осуществлять более эффективную теплопередачу между двигателем 28 и теплообменниками 62A и 62B. Тем не менее, способ прямого контура более ограничен в регулировке температуры теплообменников 62A и 62B. Например, поток охлаждающей жидкости, проходящий по жидкостной линии 66C, ограничен водяным насосом 54 двигателя 28 внутреннего сгорания. Циркуляционный насос 60 может помогать насосу 54, но ограничен пропускной способностью насоса 54. В то же время в способе вторичного контура по фиг. 2 циркуляцию охлаждающей жидкости по жидкостной линии 66C можно свободно регулировать посредством скорости и пропускной способности одного лишь циркуляционного насоса 60. Для того чтобы позволить способу непрямого контура по фиг. 3 лучше регулировать температуру, жидкостная линия 66C оснащена резервуаром 76. Резервуар 76 позволяет хранить дополнительную теплопередающую среду в системе 30 регенерации тепла для предоставления еще одной переменной величины в регулировке температур внутри системы 30 регенерации тепла.
Система регенерации тепла согласно настоящему изобретению позволяет подавать тепло, которое иначе будет растрачено впустую, в желаемое местоположение: к компонентам, которым необходимо отвердеть при повышенных температурах или чье отвердевание необходимо предотвратить на низких температурах. Отходящее тепло, которое иначе будет выброшено в атмосферу, передают к теплопередающей среде, находящейся в тепловой связи с компонентом насосной системы посредством теплообменника. Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для применения с автономными портативными насосными системами. Например, автономная насосная система содержит двигатель внутреннего сгорания, генерирующий всю механическую энергию, необходимую для работ электрической, пневматической и механической систем насосной системы, независимо от эксплуатации любых внешних двигателей или источников энергии. Таким образом, тепло от требуемой автономной работы двигателя внутреннего сгорания, регенерируют и эффективно передают к компоненту. Система регенерации тепла согласно настоящему изобретению более эффективна, чем предыдущие системы, требующие внешней силовой установки для обеспечения тепла и электричества. Например, обычный дизельный двигатель, обеспечивающий движущую силу грузовому автомобилю, в котором установлена система 10 согласно настоящему изобретению, генерирует во много раз больше машинной мощности в лошадиных силах, электрической мощности в ваттах и тепла, чем необходимо системе 10.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области будет очевидно, что форма и детали изобретения могут быть изменены в пределах идеи и объема данного изобретения.