Способ работы привода компрессора и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности, используется при создании компрессоров, применяемых при строгих ограничениях к подводимой мощности. Способ работы привода компрессора заключается в периодическом размыкании муфты сцепления, соединяющей постоянно вращающийся приводной двигатель с механизмом привода рабочего органа при достижении в ресивере наперед заданного давления. Приводному двигателю совместно с маховиком при замкнутой муфте сцепления придают вращение с замедлением до минимально возможных устойчивых оборотов, после чего муфту сцепления размыкают и приводной двигатель разгоняют до оборотов холостого хода. Компрессор для осуществления способа содержит рабочий орган, ресивер, соединенный патрубком с реле давления, электрически связанного с исполнительным органом муфты сцепления, механизм привода, механически соединенный через муфту сцепления с приводным двигателем с валом и маховиком. На валу приводного двигателя установлен датчик скорости, а приведенная масса непрерывно вращающихся частей определяется из соотношений: где m - приведенная к радиусу суммарная масса вращающихся частей; ω_min,ω_max - соответственно частота вращения приводного двигателя под максимальной нагрузкой и на холостом ходу; N_эдв- номинальная мощность двигателя; τ - отрезок времени, в течение которого двигатель вращается в присоединенном к механизму привода состоянии; η - полый изотермический КПД компрессора; l_уд - удельная (на 1 кг газа) изотермическая работа теоретического компрессора, затраченная на получение сжатого газа за один рабочий цикл; V_h - рабочий объем камеры сжатия компрессора; ρ - плотность всасываемого газа; M - секундная массовая производительность компрессора. Между реле давления и исполнительным органом муфты сцепления может быть установлен коммутатор, подключенный к датчику скорости, а маховик может быть установлен либо между приводным двигателем и муфтой сцепления или являться частью последней либо по другую сторону двигателя позволяет без изменения конструкции непосредственно использовать компрессоры параметрического ряда. 2 с. и 3 з. п.ф-лы, 1 ил.

Известен способ работы привода компрессора, заключающийся в периодическом отключении двигателя при достижении в ресивере компрессора заранее установленного давления, после чего двигатель вновь подключают к источнику энергии [1].

Недостатком известного способа является постоянно повторяющаяся перегрузка электродвигателя при его пуске, т.к. в этот момент в обмотках возникают большие токи. В связи с этим приходится использовать электродвигатели с заранее большей номинальной мощностью, чем необходимая для осуществления рабочего процесса компрессора, что снижает эффективность их использования и ведет к увеличению габаритов и стоимости компрессора. Использование двигателей внутреннего сгорания для привода автономного компрессора с таким способом работы привода вообще невозможно, т.к. его постоянно нужно перезапускать, чего не вынесет ни одно из известных аккумуляторных устройств, и, кроме того, в процессе запуска двигатель внутреннего сгорания потребляет значительно большее количество топлива, чем при номинальном режиме.

Известен также способ работы привода компрессора, заключающийся в периодическом размыкании муфты сцепления, соединяющей постоянно вращающийся приводной двигатель с механизмом привода рабочего органа, при достижении в ресивере наперед заданного давления [2].

Существенным недостатком данного способа является невозможность его применения в приводах компрессоров, работающих на автономных транспортных установках при строго лимитированной мощности привода.

Так, например, если необходима производительность компрессора в 1 м³ газа в минуту при давлении всасывания 1 бар и давлении нагнетания 6 бар, и на это вполне обоснованно выделена подводимая мощность в электрической сети 5 кВт, то невозможно использовать компрессор производительностью, например, 1,2 м³ в минуту с известным вышеописанным способом работы привода, т.к. при вращении приводного вала он будет требовать не менее 6 кВт электрической мощности. Это особенно важно при создании компрессоров с газостатическим подвесом поршня и других рабочих органов и элементов, экономичность которых существенно зависит от производительности - чем выше производительность, тем выше экономичность, т.к. последняя обратно пропорциональна удельному расходу сжатого газа на организацию бесконтактной работы взаимноперемещающихся элементов.

Так, например, в компрессоре с газостатическим подвесом поршня при одинаковых соотношениях хода поршня и его диаметра, при одном и том же квалитете точности изготовления цилиндропоршневой пары увеличение производительности в 2 раза приводит к увеличению КПД компрессора на 10 - 20%, причем данное обстоятельство особенно сильно сказывается при малой производительности, когда компрессор работает в составе холодильных и микрокриогенных систем (1 м³/4 и менее). А известные способы работы привода не могут быть использованы для применения более экономичного высокопроизводительного компрессора данного типа при строго ограниченной подводимой мощности.

Основной задачей изобретения является расширение области применения и повышение эффективности при использовании компрессоров в системах с ограниченной подводимой мощностью.

Поставленная задача может быть решена за счет того, что при осуществлении известного способа приводному двигателю компрессора совместно с маховиком при замкнутой муфте сцепления придают вращение с замедлением до минимально возможных устойчивых оборотов, после чего муфту сцепления размыкают и приводной двигатель разгоняют до оборотов холостого хода.

Компрессор для осуществления данного способа, содержащий рабочий орган, ресивер, соединенный патрубком с реле давления, электрически связанного с исполнительным органом муфты сцепления, механизм привода, механически соединенный через муфту сцепления с приводным двигателем с валом и маховиком, дополнительно содержит датчик скорости, установленный на валу приводного двигателя, а приведенная масса непрерывно вращающихся частей определяется из соотношений: где m - приведенная к радиусу r суммарная масса вращающихся частей; ω_min,ω_max - соответственно минимальная частота вращения приводного двигателя под максимальной нагрузкой и на холостом ходу; N_эдв - номинальная мощность двигателя;
τ - - отрезок времени, в течение которого двигатель вращается в присоединенном к механизму привода состояния (муфта сцепления замкнута);
η - - полный изотермический КПД компрессора;
l_уд - удельная (на 1 кг газа) изотермическая работа теоретического компрессора, затраченная на получение сжатого газа за один рабочий цикл;
V_h - рабочий объем камеры сжатия компрессора;
ρ - плотность всасываемого газа;
M - секундная массовая производительность компрессора.

Маховик может быть установлен между приводным двигателем и муфтой сцепления или являться частью последней, приводной двигатель может быть установлен между маховиком и муфтой сцепления, между реле давления и исполнительным органом муфты сцепления может быть установлен коммутатор, соединенный с датчиком оборотов двигателя.

Вышеуказанные соотношения определены из тех соображений, что суммарной энергии вращающихся масс должно хватить при падении оборотов приводного двигателя от оборотов холостого хода до минимальных устойчивых оборотов под нагрузкой, которые для разных исполнений электродвигателей составляют от 90 до 50% от оборотов холостого хода, для совершения работы, необходимой для обеспечения заданной производительности компрессора
dE_прив= L_из/η_полн, (1)
где
dE_прив - полное изменение энергии вращающихся масс;
L_из - полная изотермическая индикаторная работа компрессора за время τ вращения двигателя:

где
ω_{cp ср} - средняя скорость вращения привода;
G_ц - масса газа, вытесняемая компрессором за один рабочий цикл.

С другой стороны
dE_прив=dE_мах + dE_эдв,
где
dE_мах - изменение энергии вращающихся масс;
dE_эдв - изменение энергии привода за счет энергии, подводимой от электродвигателя за время τ.

dE_эдв= N_эдв·τ. (5)
Общую массовую секундную производительность компрессора определим как
M = V_h·ρ·0,5·(ω_max+ω_min)·τ/(τ_p+τ), (6)
где
τ_{p р} - время разгона вращающихся масс при отключенном механизме привода, для определения которого запишем очевидное равенство
dE_мах=dE_{эдв.разг}.

Очевидно, что dE_{эдв.разг}= τ_p·N_эдв, и тогда
τ_p= dE_max/N_эдв. (8)
Подставляя (4) и (8) в (6) мы получим уравнение (1.2) для определения секундного массового расхода, а подставляя (2), (3), (4) и (5) в (1) мы получим уравнение (1.1) равенства энергий.

Уравнения (1.1) и (1.2) можно решить одним из оптимизационных методов с накладыванием ограничений или методом простого перебора, задавая желаемые конструктивные и режимные параметры.

Пример конструкции компрессора для осуществления предложенного способа приведен на рис. 1, где изображена схема поршневого одноступенчатого компрессора, хотя в соответствии с предложенными способом и вариантами конструкции в качестве примера может быть использован любой компрессор объемного действия с периодическим циклом изменения объема рабочей камеры.

Компрессор состоит из картера 1, на котором установлен цилиндр 2 с рабочей полостью 3, полостью всасывания 4 со всасывающим клапаном 5, полостью нагнетания 6 с нагнетательным клапаном 7, соединенной с ресивером 8, на котором установлено реле давления 9, электрически связанное с коммутатором 10, служащим для включения электромагнитной муфты сцепления 11, исполнительная массивная часть 12 которой установлена на приводном валу 13, жестко соединенном с электродвигателем 14, а пассивная облегченная часть 15 соединена с механизмом привода, состоящем из коленчатого вала 16 и шатуна 17, соединенного с поршнем 18 через палец 19. Датчик скорости 20 установлен на валу электродвигателя 14 и электрически соединен с коммутатором 10.

Компрессор работает следующим образом. При запуске избыточное давление газа в ресивере 8 отсутствует и мощности электродвигателя 14 хватает на полную раскрутку своего ротора, вала 13 и массивной части 12 муфты 11 в присоединенном к облегченной части 15 состоянии, поскольку реле 9 разомкнуто и коммутатор 10 поддерживает муфту 11 в замкнутом состоянии. При этом происходит постоянное вращение вала 16, в результате чего поршень 18 совершает возвратно-поступательное движение, изменяя объем полости 3, что приводит к попеременному всасыванию газа через клапан 5 и его нагнетанию через клапан 7 и полость 6 в ресивер 8. При приближении давления нагнетания в ресивере 8 к некоторой заранее установленной величине (несколько большей давления потребителя) обороты двигателя 14 начинают падать в связи с его ограниченной мощностью, возросшим сопротивлением со стороны газовых сил, возникающих в процессе сжатия в полости 3, и потерей запаса энергии вращающихся масс. При достижении в ресивере 8 этого наперед заданного давления контакты реле 9 замыкаются, что приводит к размыканию силовых контактов коммутатора 10 и размыканию частей 12 и 15 муфты 11, в результате чего движение поршня 8 останавливается. При этом потребляемая компрессором мощность резко падает и двигатель 14, будучи постоянно подключенным к электрической сети, начинает раскручивать свой ротор, вал 13 и часть 12 муфты 11 до тех пор, пока его обороты не станут равны оборотам холостого хода. В этот момент или чуть позже давление в ресивере 8 падает до величины номинального давления потребителя в связи с постоянным истечением газа, контакты реле 9 размыкаются, а контакты коммутатора 10 замыкаются, подключая муфту 11 к источнику электроэнергии, в результате чего части 12 и 15 приходят в сцепленное состояние, передают вращение на вал 16, и поршень 18 начинает совершать возвратно-поступательное движение. Это движение происходит с постепенным замедлением в связи с ограниченной мощностью электродвигателя 14 и постепенным расходованием запаса энергии вращающихся масс. Запаса энергии вращающихся масс и энергии, подводимой от электрической сети через двигатель 14 хватает на совершение работы сжатия массы газа, необходимой для устойчивого питания потребителя. При падении давления газа в ресивере 8 контакты реле 9 размыкаются и цикл работы повторяется.

В том случае, если потребитель начинает расходовать больше газа, чем это предусмотрено (например, в связи с потерей герметичности), обороты двигателя 14 падают до критической величины раньше, чем давление в ресивере 8 поднимается до нормы. В этом случае срабатывает датчик скорости 20, передавая сигнал на размыкание коммутатору 10, который отключает часть 12 муфты 11 независимо от давления в ресивере 8, что предотвращает перегрузку двигателя 14 и потребление им из сети повышенного расхода энергии. При размыкании муфты 11 двигатель 14 снова раскручивает вращающиеся массы при остановленном поршне 18, и цикл работы повторяется.

Предложенные способ работы привода компрессора и устройство для его осуществления позволяют существенно расширить область применения компрессоров, особенно в транспортных автономных установках с ограниченной мощностью привода. Применение данного изобретения особенно важно в мало- и микрорасходных системах, т.к. дает возможность без изменения конструкции непосредственно использовать компрессоры из параметрического ряда. Это особенно ценно при необходимости пневмопитания микрорасходных систем с производительностью 1 м³/ч и менее.

Так, например, в микрокриогенной технике не редкость использование компрессоров с диаметром цилиндра 10-12 мм и менее. При этом не приходится говорить об экономичности, т.к., например, детали клапанной группы превращаются в ювелирные изделия и не могут быть достаточно точно выполнены, а технологические сложности не позволяют изготовить конструкцию с приемлемой величиной мертвого пространства. При таких геометрических размерах совершенно невозможно применение компрессоров с газостатическим подвесом рабочих органов, т.к. практически весь сжатый газ уходит на питание газостатических устройств. Попытка использовать известные методы регулирования к необходимости подвода большей мощности, что, как правило, невозможно.

Вышеприведенные рассуждения справедливы также и для любых типов компрессоров объемного действия (ротационных, винтовых, спиральных, мембранных).

Применение предложенного способа и устройства для его осуществления позволяют полностью решить задачу использования более высокопроизводительных и поэтому более экономичных компрессоров при кратном избытке их производительности и при одновременном выполнении жестких требования по ограничению установленной мощности.

Формула изобретения

1. Способ работы привода компрессора, заключающийся в периодическом размыкании муфты сцепления, соединяющей постоянно вращающийся приводной двигатель с механизмом привода рабочего органа по достижении в ресивере наперед заданного давления, отличающийся тем, что приводному двигателю совместно с маховиком при замкнутой муфте сцепления придают вращение с замедлением до минимально возможных устойчивых оборотов, после чего муфту сцепления размыкают и приводной двигатель разгоняют до оборотов холостого хода.

2. Компрессор для осуществления способа по п.1, содержащий рабочий орган, ресивер, соединенный патрубком с реле давления, электрически связанного с исполнительным органом муфты сцепления, механизм привода, механически соединенный через муфту сцепления с приводным двигателем с валом и маховиком, отличающийся тем, что на валу приводного двигателя установлен датчик скорости, а приведенная масса непрерывно вращающихся частей определяется из соотношений


где m - приведенная к радиусу r суммарная масса вращающихся частей;
ω_min, ω_max - соответственно частота вращения приводного двигателя под максимальной нагрузкой и на холостом ходу;
N_эдв - номинальная мощность двигателя;
τ - отрезок времени, в течение которого двигатель вращается в присоединенном к механизму привода состоянии;
η - полный изотермический КПД компрессора;
l_уд - удельная (на 1 кг газа) изотермическая работа теоретического компрессора, затраченная на получение сжатого газа за один рабочий цикл;
V_h - рабочий объем камеры сжатия компрессора;
ρ - - плотность всасываемого газа;
M - секундная массовая производительность компрессора.

3. Компрессор по п.2, отличающийся тем, что между реле давления и исполнительным органом муфты сцепления установлен коммутатор, подключенный к датчику скорости.

4. Компрессор по п. 2, отличающийся тем, что маховик установлен между приводным двигателем и муфтой сцепления или является частью последней.

5. Компрессор по п.2, отличающийся тем, что приводной двигатель установлен между маховиком и муфтой сцепления.

РИСУНКИ

Рисунок 1