КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к управлению компрессорными установками, эксплуатируемыми в разных отраслях народного хозяйства, находящимися в климатических условиях с длительным воздействием минусовых температур и особенно для шахтных предприятий горной промышленности.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ №2169294, МПК F04D 29/58 2001 г. бюл. №17), содержащая компрессор с воздушным фильтром, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухозборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоками управления и датчиками температуры и давления.
Недостатком являются значительные энергозатраты, обусловленные завышенным по сравнению с необходимым для потребителя количеством вырабатываемого сжатого воздуха при отрицательных температурах окружающей среды, определяемые несоответствием объема сжатого воздуха, производимого как при положительных температурах, так и при отрицательных температурах окружающей среды, когда плотность всасываемого воздуха выше и, соответственно, массовая производительность копрессорной установки будет больше при нормированной скорости привода компрессора, задаваемой положительной температурой всасываемого воздуха.
Известна компрессорная установка (см. патент РФ №2281418 МПК F04D 25/00 2006 г. бюл. №22) содержащая компрессор с воздушным фильтром, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухозбоник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления и датчиками температуры и давления, пневмосеть, при этом компрессор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, а датчик температуры и датчик давления подсоединены соответственно к регулятору давления и регулятор давления.
Недостатком являются энергозатраты связанные с расходом сжатого и воздуха в пневмосети перед поступлением к пневмопотребителям для продувки сконденсировавшейся влаги в воздухопроводах шахт предприятий горной промышленности, что также и ухудшает экологическую промзону выбрасываемыми загрязнениями в виде ржавчины, окалины и каплеобразной влаги.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является снижение дополнительных энергозатрат за счет устранения необходимости удаления загрязнений сжатого воздуха перед потреблением путем более эффективного процесса охлаждения и, соответственно, выделения конденсирущейся массы из потока сжатого воздуха в концевом холодильнике перед поступлением в пневмосети шахтных предприятий.
Технический результат по поддержанию нормированных энергозатрат на производство сжатого воздуха необходимого для эффективной работы пневмопотребителей достигается тем, что компрессорная установка содержит компрессор с воздушным фильтром, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухозбоник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления и датчиками температуры и давления, пневмосеть и регулятор давления при этом компрессор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, а датчик температуры и датчик давления подсоединены соответственно к регулятору температуры и регулятору давления, причем концевой холодильник выполнен в виде трубчатого секционного теплообменника с жестко укрепленными к гладкостенным трубам пластин, причем на поверхностях пластин расположены по парно криволинейные канавки, кроме того касательная первой криволинейной канавки каждой пары имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а касательная второй криволинейной канавки имеет направление против хода движения часовой стрелки
На фиг.1 представлена принципиальная схема компрессорной установки; на фиг.2 - концевой холодильник в виде трубчатой гладкостенной секции с жестко укрепленными пластинами.
Компрессорная установка состоит из компрессора 1, 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 дополнительны трубопроводом 14 и клапаном 15 соединен с воздухосборником 6, а дополнительным трубопроводом 16 и клапаном 17 соединен с пневмосетью 8. Блок управления 18 электрически соединен с датчиком температуры 19, установленным на всасывающем трубопроводе 20 воздушного фильтра 21 и датчиком давления 22, установленным на пневмосети 8. Привод 23 соединен с компрессором 1 посредством регулятора скорости вращения, например, в виде блока порошковых электромагнитных муфт 24. Датчик температуры 19 всасываемого воздуха связан с регулятором температуры 25, а датчик давления 22 сжатого воздуха в пневмосети 8 связан с регулятором давления 26. Регуляторы 25 и 26 соответственно температуры и давления имеют одинаковое схемо-конструктивное решение и содержат блоки 27 и 28 сравнения, к которым подключены соответственно датчики 19 и 22 температуры и давления, а также блоки 29 и 30 задания. Выходы блоков 27 и 28 сравнения соединены с входами электронных усилителей 31 и 32, оборудованных блоками 33 и 34 нелинейной обратной связи. Выходы усилителей 31 и 32 соединяются с входами магнитных усилителей 35 и 36 с выпрямителями на выходах, которые подключены к электромагнитной муфте 24 привода 23 компрессора 1. Концевой холодильник 5 выполнен в виде трубчатого секционного теплообменника с жестко укрепленными к гладкостенным трубам 37 пластинами 38. На поверхностях 39 пластин 38 расположены по парно 40 криволинейные канавки 41. Касательная первой 42 криволинейной канавки каждой пары 40 имеет направление по ходу движения часовой стенки, а касательная второй 43 криволинейной канавки имеет направление против хода движения часовой стрелки(см., например, стр.509 М.Я. Выгодский Справочник по высшей математике. М.:1965 - 832 с, ил.)
Компрессорная установка работает следующим образом. При отсутствии атмосферных воздействий (ветер, снегопад, метель) теплоотдача от поверхности гладкостенных труб (преимущественно используемых в настоящее время на стационарных компрессорных установках в том числе и в качестве концевого холодильника 5) осуществляется через ламинарно движущийся пограничный пристенный слой, что не обеспечивает эффективного охлаждения сжатого воздуха и не сконденсировавшаяся влага поступает в пневмосеть 7, что резко снижает эффективность работы пневмооборудования.
3
Особенностью эксплуатации компрессорных установок шахтных предприятий горной промышленности является высокая производительность, достигающая 2500 м/мин и более, это приводит к образованию в зоне расположения всасывающего фильтра компрессорной установки вихревой воронки, турбулизующей потоки атмосферного воздуха. Известно, что интенсификация теплоотдачи и, соответственно, более глубокое охлаждение сжатого воздуха концевого холодильника 5 достигается созданием вихревых микро зон в пограничном слое (см., например, стр.158 Коваленко Л.Н. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М: Энегоатомиздат. 1986 - 240 с., ил.). Поэтому жесткое соединение гладкостенных труб 37 с пластинами 38 приводит к тому, что атмосферный воздух под действием подъемных сил вихревой воронки, а так же в результате теплоты передаваемой теплопроводностью по толщине гладкостенных труб 37 в пограничном пристенном слое пластин 38 поднимается в вверх по поверхности 39, перемещаясь в криволинейных канавках 41. На каждой пре 40 криволинейных канавок 41 атмосферный воздух разделяется на два потока, по криволинейной первой 42 канавке поток атмосферного воздуха закручивается по ходу движения часовой стрелки, а по криволинейной второй 43 канавке поток атмосферного воздуха закручивается против хода движения часовой стрелки. В результате встречно движущихся завихренных потоков (по ходу и против хода часовой стрелки) образуются микровзрывы резко турбулизирующие пограничный пристенный слой, что увеличивает теплоотдачу от поверхностей 39 пластин 38 и, соответственно, приводит к более глубокому охлаждению сжатого воздуха и увеличению конденсирующейся массы, которая накапливается и удаляется из концевого холодильника в ручную или автоматически (на фиг. не показано). Следовательно, предложенное конструктивное решение с эффективным конвективным охлаждением сжатого воздуха в концевом холодильнике 5, устраняет необходимость последующей перед потреблением продувки пневмосетей, снижает энергоемкость использования пневматической энергии на шахтных предприятиях горной промышленности.
При положительных температурах, когда всасываемый атмосферный воздух имеет значение температуры, близкое к нормированному, датчик температуры 19, установленный на всасывающем патрубке 20, подает соответствующий сигнал на регулятор температуры 25, который через выход магнитного усилителя 35 подключен к электромагнитной муфте 24 привода 23 компрессора 1. В результате при нормированных условиях эксплуатации компрессорной установки (нормированная производительность компрессора и, соответственно, нормированная скорость вращения привода, определяемая положительной нормированной температурой всасываемого воздуха, (см., например, Поршневые компрессоры. Теория, конструкция и основы проектирования Френкель М.И. - М.: Машиностроение, 1996 - 774 с.) сигнал от магнитного усилителя 35 поступает на обмотку электромагнитной муфты 24 со значением по величине, обеспечивающим скорость вращения привода 23, гарантирующего нормированную производительность компрессора. В этом случае атмосферный воздух поступает в воздушный фильтр 21, где обрабатывается до заданных параметров по очистке от загрязнений в виде твердых частиц капле- и парообразной влаги и по всасывающему патрубку 20 поступает в компрессор 1, где осуществляется его сжатие. Во время процесса сжатия воздуха блок управления 18 закрывает клапаны 11, 13, 15 и 17, а клапвны 4 и 7 открывает. После сжатия воздух с температурой свыше 120 градусов направляется по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 и через клапан 4 поступает в концевой холодильник 5, где охлаждается до температуры около 100 градусов. Далее процесс охлаждения сжатого воздуха продолжается в воздухосборнике 6, где 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 градусов, поступает в трубопровод 8 пневмосети. Вследствие чего по длине пневмосети 8 не наступает теплового равновесия, т.е. равенства температуры сжатого воздуха и окружающей среды. В результате практически не возникает конденсации оставшихся паров влаги и сжатый воздух с заданным давлением, фиксируемым датчиком давления 22, поступает в пневмосеть потребителя.
Изменение количества потребителей, одновременно использующих сжатый воздух, вырабатываемый компрессорной установкой (рабочие перерывы, часы пересмен и др. причины),и подключенных к пневмосети 8, приводит к колебаниям давления в ней, что регистрируется датчиком давления 22, связанным с регулятором давления 26 При некотором уменьшении расхода сжатого воздуха и, соответственно, увеличении давления пневмосети 8 сигнал, поступающий с датчика давления 22, превышает нормированный сигнал блока задания 30, и на выходе блока сравнения 28 появится сигнал отрицательной полярности, поступающий на вход электрического усилителя 32, одновременно с сигналом отрицательной обратной связи (блок 34). За счет этого в усилителе 32 компенсируется нелинейность характеристики привода 23 компрессора 1. Сигнал с выхода электронного усилителя 32 поступает на вход магнитного усилителя 36, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку электромагнитной муфты 24 компрессора 1, отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 32 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 36, тем самым уменьшая передаваемый муфтой 24 момент от привода 23. При этом снижается частота вращения компрессора 1 и подача воздуха на сжатие уменьшается до тех пор, пока давление пневмосети 8 не станет заданным.
При некотором увеличении расхода сжатого воздуха в пневмосети 8 и соответственно уменьшении давления в ней (одноименное включение значительного количества потребителей сжатого воздуха, подключенных к пневмосети 8) сигнал блока 30 задания станет превышать сигнал датчика давления 22 и при этом на выходе блока 28 сравнения появляется сигнал положительной полярности, который, проходя через электронный усилитель 32, увеличивает ток возбуждения на выходе магнитного усилителя 36, чем достигается увеличение подачи воздуха компрессором 1 до тех пор, пока давление в пневмосети 8 не станет равным заданному.
При минусовых температурах окружающей среды, когда плотность всасываемого воздуха увеличивается и, соответственно, требуется меньшая массовая производительность компрессора (см., например, Курчавин В.М. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. - М. 1985 - 80 с.) для поддержания нормированных параметров сжатого воздуха в пневмосети 8, необходимо перейти на более низкий температурный уровень по всасываемому воздуху. В этом случае сигнал, поступающий с датчика температуры 19, становится большим, чем сигнал блока задания 29, и на выходе блока сравнения 27 появится сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 31 одновременно с сигналом отрицательной обратной связи (блок 33). За счет этого в усилителе 31 компенсируется нелинейность характеристики привода 23 компрессора 1.
Сигнал с выхода электронного усилителя 31 поступает на вход магнитного усилителя 35, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку электромагнитной муфты 24 компрессора 1. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 31 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 35, тем самым уменьшая передаваемый муфтой 24 момент от привода 23. При этом уменьшается частота вращения компрессора 1 и подача сжатого воздуха достигает значений, нормировано заданных для потребителей пневмосети 8.
В этом случае всасываемый атмосферный воздух, насыщенный твердыми частицами жидкости в виде снега, инея и/или каплеобразной влаги, поступает в воздушный фильтр 21, где очищается, и по всасывающему трубопроводу 20 направляется в компрессор 1 для сжатия. По нагнетательному трубопроводу 3 через открытый клапан 4 поступает с температурой около 120 градусов в концевой холодильник 5 для частичного охлаждения воздухосборника 6.
В воздухосборнике 6 осуществляется процесс конденсации паров влаги, неотделенной в воздушном фильтре 21. Сжатый воздух с температурой на 10-20 градусов превышающей 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 трубопроводе 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 датчиком давления 22, от которого сигнал поступает на блок управления 18.
В результате воздействия блока управления 18 на электрически связанные с ним клапаны осуществляются следующие операции: открываются клапаны 11, 13, 15 и 17, закрываются клапаны 4 и 7. Тогда сжатый воздух из компрессора 1 с температурой около 120 град, 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 град, (отбирается тепло от потока сжатого воздуха, движущегося непосредственно от компрессора 1 и по дополнительному трубопроводу 16 через клапан 17 направляется в пневмосеть 8.
Поступление в наземную пневмость 8 подогретого воздуха с уменьшенным количеством парообразной влаги обеспечивает прохождение потока без охлаждения до температуры окружающей среды и, соответственно, без выпадения конденсата по длине пневмосети. В результате в пневмосеть 8 поступает сжатый воздух заданного нормированного давления, что фиксируется датчиком давления 22, полученный с меньшими энергозатратами, обусловленными снижениями уровня скорости вращения привода 23 компрессора 1, т.к. поступающий в него воздух имеет более высокую плотность, обусловленную минусовыми температурами окружающей среды.
Оригинальность предложенного технического решения заключается в том, что выполнение концевого холодильника в виде трубчатого секционного теплообменника с жестко укрепленными к гладкостенным трубам пластин, имеющим по парно расположенные криволинейные канавки обеспечивает снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха путем интенсификации его охлаждение за счет турбулизации пограничного слоя атмосферного воздуха в зоне контакта с внешней поверхностью концевого холодильника и как следствие этого дополнительного выделения конденсирующейся влаги из потока сжатого воздуха, поступающего в пневмосети из шахт предприятий.