СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОГО УСТРОЙСТВА С ВПРЫСКОМ МАСЛА (ВАРИАНТЫ)

Настоящее изобретение относится к способу регулирования компрессорного устройства с впрыском масла.

Точнее, настоящее изобретение относится к компрессорному устройству с впрыском масла, по меньшей мере, с одним компрессорным элементом с впуском для газа, подлежащего сжатию, и выпуском для сжатого газа, при этом компрессорное устройство содержит масляный контур с маслоотделителем с впуском, который соединен с выпуском компрессорного элемента, и выпуском, с которым может соединяться потребительская сеть сжатого газа, при этом маслоотделитель содержит сосуд высокого давления, в котором содержится масло, отделяемое от сжатого газа, и из которого масло может направляться в охладитель и затем может впрыскиваться в компрессорный элемент, при этом охладитель охлаждается охлаждающей средой, которую направляют через охладитель с помощью вентилятора или насоса.

Известно, что для изменения расхода, который обеспечивает такая компрессорная установка, частоту вращения роторов компрессорного элемента можно изменять с помощью частотного преобразователя.

Посредством уменьшения частоты вращения роторов компрессорного элемента также уменьшается расход подачи.

Частоту вращения роторов компрессорного элемента нельзя уменьшать без ограничения, и ее ограничивают до конкретного нижнего предела.

Это означает, что расход также нельзя уменьшать без ограничения.

При необходимости дополнительного уменьшения расхода можно было бы выбрать использования впускного дроссельного клапана.

Известно использование такого впускного дроссельного клапана в компрессорных устройствах, где компрессорный элемент движется с постоянной частотой вращения роторов.

Для прикрытия впуска используют, например, двухстворчатый клапан, который устанавливают во впускной трубе.

Он обеспечивает, что впускная труба частично перекрывается, в результате чего поступающий поток газа и, следовательно, расход подачи уменьшаются.

В прошлом было установлено, что использование впускного дроссельного клапана в компрессорной установке с частотным преобразователем невозможно или является практически нецелесообразным для внедрения.

Из-за уменьшенного расхода подачи в результате прикрытия впуска компрессорный элемент поглощает меньше энергии.

В результате генерируется меньше тепла, что может создавать проблемы, состоящие в том, что температура компрессорной установки становится слишком низкой.

В конечном итоге необходимо поддерживать температуру в определенных пределах, поскольку при слишком низкой температуре возможно образование конденсата, что может создавать проблемы для всей установки, а при слишком высокой температуре масло, используемое для охлаждения и смазки, более быстро теряет свои свойства.

Уже известны способы, которые предусмотрены для обеспечения, чтобы температура масла в компрессорном устройстве с впрыском масла с постоянной частотой вращения роторов не становилась слишком низкой во избежание образования конденсата в масле.

Такой известный способ описан в WO 2007/047052 от имени того же заявителя, в соответствии с которым вне охладителя масла проходит перепускная труба, и предусмотрен термостатический контроллер, который обеспечивает, что если температура масла может стать лишком низкой, по меньшей мере, пропорциональная часть масла, подлежащего впрыску, не движется полностью или частично через охладитель, а движется непосредственно к компрессорному элементу без охлаждения.

В этом случае компрессорный элемент и вентилятор, который используют для охлаждения масла в охладителе, продолжают работать с постоянной частотой вращения и приводятся в движение тепловым двигателем, даже когда не требуется никакого охлаждения, если масло полностью или частично отводится по перепускной трубе, что ведет к потерям энергии.

Таким образом, известно, что регулирование для предотвращения конденсации ограничено до распределения количества масла, которое направляют через охладитель, и количества масла, которое впрыскивают непосредственно в компрессорный элемент без охлаждения.

Другой способ известен из документа GB 2.394.025, согласно которому термостатический клапан обеспечивает, что температура впрыскиваемого масла не падает ниже заданного значения, и в добавление используют термостатически регулируемый клапан, который регулирует количество впрыскиваемого масла в функции температуры впрыскиваемого масла. Оба регулирования выполняются одновременно и независимо друг от друга и других регулирований.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить решение по устранению, по меньшей мере, одного из вышеуказанных и других недостатков.

Предметом настоящего изобретения является способ регулирования компрессорного устройства с впрыском масла, по меньшей мере, с одним компрессорным элементом с впуском для газа, подлежащего сжатию, и выпуском для сжатого газа и с частотным преобразователем, при этом компрессорное устройство содержит масляный контур с маслоотделителем с впуском, который соединен с выпуском компрессорного элемента, и выпуском, с которым может соединяться потребительская сеть сжатого газа, при этом указанный маслоотделитель содержит сосуд высокого давления, в котором содержится масло, отделяемое от сжатого газа, и из которого масло может направляться в охладитель и затем может впрыскиваться в компрессорный элемент, при этом охладитель охлаждается охлаждающей средой, которую направляют через охладитель с помощью вентилятора или насоса, отличающийся тем, что вне охладителя проходит перепускная труба для масла, причем способ состоит из определения температуры на выпуске компрессорного элемента, и если указанная определяемая температура оказывается меньше заданного значения, последовательно выполняют следующие этапы:

- прежде всего, выключают вентилятор или насос или уменьшают частоту вращения до тех пор, пока температура на выпуске меньше заданного значения и не достигнута минимальная частота вращения вентилятора или насоса;

- далее снова определяют температуру на выпуске компрессорного элемента, и если эта температура на выпуске все еще ниже заданного значения, масло движется по перепускной трубе к компрессорному элементу или увеличивающаяся пропорциональная часть масла движется по перепускной трубе к компрессорному элементу до тех пор, пока не будет подано максимальное количество масла;

- далее, когда подано максимальное количество масла, которое движется по перепускной трубе к компрессорному элементу, снова определяют температуру на выпуске компрессорного элемента, и если эта температура на выпуске меньше заданного значения, количество масла, которое впрыскивают в компрессорный элемент, уменьшают до тех пор, пока температура на выпуске не станет, по меньшей мере, равной заданному значению или не будет подано минимальное количество масла.

Преимущество состоит в том, что способ предотвращает понижение температуры до слишком низкого значения, поскольку способ предусматривает постепенное понижение охлаждающей способности масляного контура посредством последовательного осуществления ряда последовательных регулирований.

Таким образом, к примеру, можно предотвратить образование конденсата.

Такой способ весьма полезен для использования в компрессорном элементе, который содержит регулируемый впускной дроссельный клапан.

Если такой компрессорный элемент вращается с уменьшенной или минимальной частотой вращения, в соответствии с чем впускной дроссельный клапан прикрывает впуск, так что компрессорный элемент поглощает меньше энергии, применение такого способа обеспечивает, что температура не становится слишком низкой.

Таким образом, минимальный расход, который может обеспечивать компрессорное устройство с регулируемой частотой вращения, можно уменьшить посредством применения впускного дроссельного клапана без риска образования конденсата и всех его неблагоприятных последствий.

Дополнительное преимущество состоит в том, что вентилятор или насос сначала выключают или регулируют, если необходимо уменьшить охлаждающую способность, так чтобы уменьшить расход энергии.

Другое преимущество состоит в том, что подачу масла уменьшают только на последнем этапе, в результате чего смазка компрессорного элемента маслом не уменьшается.

Аналогичным образом способ по изобретению предлагает регулирование температуры на выпуске для обеспечения, чтобы эта температура не становилась выше заданного значения, в соответствии с чем последовательно выполняют следующие этапы:

- сначала увеличивают количество масла, которое впрыскивают в компрессорный элемент до тех пор, пока не достигнуто заданное значение температуры и не подано максимальное количество впрыскиваемого масла;

- далее, когда подано максимальное количество масла, которое впрыскивают в компрессорный элемент, снова определяют температуру на выпуске, и если эта температура все еще выше заданного значения, масло движется через охладитель к компрессорному элементу;

- далее снова определяют температуру на выпуске компрессорного элемента, и если эта температура на выпуске все еще выше заданного значения, включают вентилятор или насос или увеличивают его частоту вращения.

Для лучшего понимания отличительных особенностей изобретения ниже приведено описание нескольких предпочтительных применений способа по изобретению для регулирования компрессорного устройства с впрыском масла в качестве неограничивающего примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг. 1 – схематичное изображение компрессорного устройства с впрыском масла для применения по способу изобретения;

фиг. 2 – схематичное изображение возможного варианта выполнения впускного дроссельного клапана.

Показанное на фиг. 1 компрессорное устройство 1 с впрыском масла, по существу, содержит компрессорный элемент 2, в рассматриваемом случае известного винтового типа, с корпусом 3, в котором два находящихся в зацеплении винтовых ротора 4 приводят в движение с помощью частотного преобразователя 5.

Понятно, что компрессорный элемент 2 также может быть элементом другого типа, например, турбокомпрессорным элементом, без отклонения от объема изобретения.

В рассматриваемом случае указанный частотный преобразователь 5 является двигателем 6 с регулируемой частотой вращения

Корпус 3 снабжен впуском 7, который соединен с впускной трубой 8 для подачи газа, подлежащего сжатию, например, воздуха или другого газа или смеси газов.

Корпус 3 снабжен выпуском 9, который соединен с выпускной трубой 10.

Выпускная труба 10 соединена с помощью сосуда 11 высокого давления маслоотделителя 12 и соединенной с ним нагнетательной трубы 13 с расположенной ниже по технологическому потоку потребительской сетью для питания различных пневматических инструментов и т.п., которые не показаны.

Компрессорное устройство 1 содержит масляный контур 14 для впрыскивания масла 15 из сосуда 11 высокого давления через подающую трубу 16 и впрыскивающую трубу 17 в компрессорный элемент 2 для охлаждения и, если требуется, смазки и/или взаимного уплотнения между роторами 4 и роторами и корпусом 3.

Таким образом, впрыскиваемое масло 15 может проходить через охладитель 18 для охлаждения масла 15 из сосуда 11 высокого давления.

В рассматриваемом случае охладитель 18 содержит вентилятор 19 для обеспечения охлаждения, хотя не исключается использование жидкой охлаждающей среды для охлаждения вместо охлаждающего воздуха, которую подают через охладитель с помощью насоса. В рассматриваемом случае, но необязательно, вентилятор 19 представляет собой регулируемый регулятор, т.е. скорость вентилятора 19 можно регулировать.

По изобретению масло 15 также можно направлять в компрессорный элемент 2 через перепускную трубу 20, т.е. в рассматриваемом случае масло 15 не проходит через охладитель 18.

В рассматриваемом случае перед охладителем 18 у ответвления 21 перепускной трубы 20 установлен трехходовой клапан 22 для регулирования количества масла 15, которое может протекать через перепускную трубу 20 и через охладитель 18.

Понятно, что регулирование количества масла можно выполнять иным способом без использования трехходового клапана 22.

Кроме того, предусмотрены средства, способные регулировать количество масла 15, которое впрыскивается в компрессорный элемент 2, например, в виде впрыскивающего клапана 23 во впрыскивающей трубе 17, или же указанное количество масла можно регулировать за счет соответствующего выбора диаметра впрыскивающей трубы из группы имеющихся труб с разными диаметрами.

В этом примере во впускной трубе 8 установлен впускной дроссельный клапан 24.

В рассматриваемом случае в качестве впускного клапана используют впускной дроссельный клапан 24, который имеет корпус, содержащий диафрагму 25 в виде ряда пластин 26, которые прикреплены в корпусе с возможностью перемещения, в результате чего пластины 26 могут перемещаться между закрытым положением, в котором пластины перекрывают впускную трубу 8, и открытым положением, в котором пластины 26 отворачиваются в сторону от впускной трубы 8. Возможный вариант выполнения такого впускного клапана с диафрагмой 25 показан на фиг. 2. Понятно, что такой впускной клапан может иметь множество разных конструкций.

Преимущество такого впускного клапана состоит в том, что пластины 28 могут полностью отворачиваться в сторону от впускной трубы 8 и, следовательно, впуска 7, так что в открытом состоянии диафрагма не образует препятствия для подачи воздуха, подлежащего сжатию.

Указанный клапан отличается, например, от двухстворчатого клапана, который даже в открытом состоянии частично блокирует проход во впускной трубе 8.

Компрессорное устройство 1 с впрыском масла также содержит средство 27a для определения температуры T на выпуске 9 компрессорного элемента 2 и средство 27b для определения давления p в нагнетательной трубе 13. Эти средства 27a и 27b соответственно могут быть, например, датчиком температуры и датчиком давления.

Кроме того, в рассматриваемом случае также предусмотрен контроллер 28, который обеспечивает управление двигателем 6, вентилятором 19, трехстворчатым клапаном 22, впрыскивающим клапаном 23 во впрыскивающей трубе 17 и впускным дроссельным клапаном 24.

Принцип работы компрессорного устройства 1 и способ по изобретению для управления указанным устройством весьма простые и заключаются в следующем.

Во время работы компрессорного устройства 1 компрессорный элемент 2 сжимает газ, который поступает через впускную трубу 8.

Для обеспечения надлежащей работы компрессорного элемента 2 в компрессорный элемент 2 впрыскивают масло 15. Это масло 15 впрыскивают в компрессорный элемент 2 через подающую трубу 16 и впрыскивающую трубу 17 под действием давления в сосуде 11 высокого давления.

Сжатый газ направляют в сосуд 11 высокого давления маслоотделителя 12 через выпускную трубу 10.

Масло 15, которое присутствует в сжатом газе, отделяют в маслоотделителе 12 и содержат в сосуде 11 высокого давления.

Сжатый газ без примеси масла 15 поступает в потребительскую сеть через нагнетательную трубу 13.

Для обеспечения требований к сжатому газу, поступающему в потребительскую сеть, определяют давление p после выпуска маслоотделителя 29 с помощью датчика давления.

Контроллер 28 считывает сигнал от датчика давления.

Контроллер 28 регулирует компрессорное устройство 1, точнее, двигатель 6 и впускной дроссельный клапан 24, в результате чего компрессорный элемент 2 обеспечивает подачу газа с требуемым расходом для поддержания заданного значения p_set давления p после выпуска 29 маслоотделителя 12.

В рассматриваемом случае указанное регулирование двигателя 6 и впускного дроссельного клапана выполняют следующим образом.

Если давление p меньше требуемого значения p_set, другими словами, если потребление сжатого газа больше расхода, обеспечиваемого компрессорным устройством 1, контроллер 28 обеспечивает, что расход подачи увеличивается, прежде всего, посредством постепенного открывания впускного дроссельного клапана 24, если он в данный момент прикрывает впуск 9, до тех пор, пока давление p снова не станет равным требуемому значению p_set.

Если давление p все еще меньше заданного значения p_set, а впускной дроссельный клапан 24 полностью открыт, контроллер 28 постепенно увеличивает частоту вращения роторов компрессорного элемента 2, в результате чего расход подачи компрессорного элемента повышается до тех пор, пока давление p после выпуска маслоотделителя 12 не станет равным требуемому значению p_set.

Это означает, в данный момент требуемое потребление сжатого газа равно расходу подачи.

Если давление p больше требуемого значения p_set, другими словами, если потребление сжатого газа меньше расхода, обеспечиваемого компрессорным устройством 1, контроллер 28 обеспечивает, что расход подачи уменьшается, прежде всего, посредством постепенного уменьшения частоты вращения роторов компрессорного элемента 2, в результате чего расход подачи компрессорного элемента 2 падает до тех пор, пока давление p снова не станет равным требуемому значению p_set.

Если давление p все еще больше требуемого значения p_set, а минимальная частота вращения уже достигнута, контроллер 28 постепенно закрывает впускной дроссельный клапан 24 до тех пор, пока давление p после выпуска 29 маслоотделителя 12 не станет равным требуемому значению p_set.

Впускной дроссельный клапан 24 закрывают до получения минимального отверстия. Если давление p все еще остается слишком высоким, контроллер 28 останавливает компрессорный элемент. Впускной дроссельный клапан 24 также полностью закрывается во избежание течения воздуха и масла в противоположном направлении.

При повторном пуске компрессорного устройства 1 компрессорный элемент 2 работает с минимальной частотой вращения, и впускной дроссельный клапан 24 открыт минимально.

Контроллер 28 постепенно открывает впускной дроссельный клапан 24 для ограничения пускового вращающего момента двигателя 6. Если впускной дроссельный клапан 24 открыт полностью, частота вращения роторов компрессорного элемента увеличивается.

Преимущество такого регулирования давления p на выпуске 29 состоит в том, что оно позволяет поддерживать впускной дроссельный клапан 24 в максимально возможном открытом состоянии. В конечном итоге, если расход необходимо уменьшить, прежде всего, уменьшают частоту вращения роторов компрессорного элемента 2 перед регулированием впускного дроссельного клапана 24, и если необходимо увеличить расход, прежде всего, открывают впускной дроссельный клапан 24, если он все еще не полностью открыт.

Благодаря использованию впускного дроссельного клапана 24 совместно с регулированием изменения частоты вращения температура T на выпуске 9 компрессорного элемента 2 может падать, если компрессорный элемент 2 приводят в движение при минимальной частоте вращения, и впуск 7 прикрыт.

До тех пор, пока требуется высокий расход сжатого газа, впускной дроссельный клапан 24 полностью открыт, и компрессорный элемент 2 работает с максимальной частотой вращения роторов. В рассматриваемом случае контроллер 28 регулирует масляный контур 14, поэтому охлаждающая способность является максимальной, т.е.:

- впрыскивающий клапан 23 полностью открыт, так что обеспечивается впрыскивание всего потока масла;

- все масло 15 протекает через охладитель 18;

- вентилятор 19 работает с максимальной частотой вращения.

Однако, если требуемый расход резко падает, частота вращения роторов компрессорного элемента снижается до минимальной частоты вращения, и дополнительно впускной дроссельный клапан 24 прикрывает впуск 7 компрессорного элемента 2 для приведения расхода подачи в соответствие требуемым расходом.

В результате уменьшается энергия, поглощаемая компрессорным элементом 2 и, соответственно, также падает температура T.

Для устранения проблем, связанных с указанным падением температуры, например, исключения образования конденсата, контроллер 28 по изобретению регулирует устройство 1 компрессора следующим образом.

Если температура T падает ниже заданного значения T_set, прежде всего, постепенно уменьшают частоту вращения вентилятора 19. Если этого недостаточно, поскольку температура T после стабилизации или по истечении заданного времени остается слишком низкой, вентилятор 19, в конечном итоге, выключают.

При использовании отключаемого вентилятора 19 вентилятор отключается немедленно.

Разумеется, вышеуказанное заданное значение T_set предпочтительно, по меньшей мере, равно температуре конденсации T_c, предпочтительно увеличенной на определенную величину, в соответствии с чем T_c может иметь фиксированное значение или может быть значением, которое рассчитывают на основе измеренной температуры окружающей среды, относительной влажности и рабочего давления, или значением, которое можно подсчитать приблизительно при условии некоторых допущений.

Это обеспечивает дополнительную безопасность во избежание конденсации. Упомянутое конкретное значение может быть равно, по меньшей, 1°C или, по меньшей мере, 5°C или, по меньшей мере, 10°C или, в крайнем случае, также 0°C, если его необходимо использовать согласно ограничению по условиям безопасности.

Указанное значение зависит от уровня дополнительной безопасности, который необходим для предотвращения образования конденсата в компрессорном устройстве 1.

Далее, если температура T на выпуске 9 после стабилизации или по истечении заданного времени все еще остается ниже заданного значения T_set, контроллер 28 регулирует трехходовой клапан 22, в результате чего, по меньшей мере, пропорциональная часть потока масла движется по перепускной трубе 20 вместо движения через охладитель 18. Масло 15, которое течет по перепускной трубе, не охлаждается, поэтому охлаждающая способность масляного контура 14 уменьшается.

Если необходимо, контроллер 28 обеспечивает увеличение пропорциональной части масла, движущейся по перепускной трубе 20, для обеспечения уменьшения охлаждающей способности и увеличения температуры T до вышеуказанного заданного значения T_set.

Если все масло движется по перепускной трубе 20, и температура T после стабилизации или по истечении заданного времени все еще остается слишком низкой, контроллер 28 обеспечивает уменьшение охлаждающей способности посредством регулирования впрыскивающего клапана 23 во впрыскивающей трубе, в результате чего уменьшается количество впрыскиваемого масла 15.

Количество масла 15 уменьшается до тех пор, пока температура T не станет, по меньшей мере, равной заданному значению T_set во избежание образования конденсата.

Используя регулируемый вентилятор 19 или, если требуется, используя регулируемый насос и масляный контур 14, в результате чего масло 15 может двигаться по перепускной трубе 20 и частично через охладитель 18, охлаждающую способность можно непрерывно регулировать без необходимости изменения с этой целью количества впрыскиваемого масла 15.

Кроме того, количество впрыскиваемого масла изменяют только в последнюю очередь, поэтому смазка и уплотнение маслом 15 между роторами 4 и/или роторами 4 и корпусом 3 не уменьшается.

Понятно, что вышеописанный способ можно использовать не только когда дроссельный клапан 24 прикрывает вход 7 компрессорного элемента 2, но также в любой другой момент, если температура T ниже заданного значения T_set, даже если впускной дроссельный клапан 24 не прикрывает впуск, или даже если отсутствия дроссельного клапана в случае компрессного устройства с регулируемыми параметрами.

Аналогичное регулирование также можно использовать для обеспечения, чтобы температура T на выпуске 9 не становилась выше заданного значения T_max. Это регулирование можно использовать отдельно или совместно с регулированием температуры, описанным выше в отношении T_set.

Это заданное значение T_max ограничено стандартом ISO, и его максимум равен, например, температуре деградации T_d масла 15. Ели требуется, заданное значение T_max может составлять на несколько градусов меньше по сравнению с температурой деградации T_d для обеспечения определенного уровня безопасности, например, на 1°C, 5°C или 10°C, в зависимости от желательного или требуемого уровня дополнительной безопасности.

С этой целью контроллер 28 определяет температуру T на впуске 9, и, если она выше заданного значения T_max, контроллер 28 регулирует впрыскивающий клапан 23 для увеличения количества масла 15, которое впрыскивается до тех пор, пока температура T на выпуске 9 не упадет до заданного значения T_max.

Если максимальное количество масла 15 уже впрыснуто или если температура T на выпуске 9 после стабилизации или по истечении заданного времени все еще слишком высокая, и максимальное количество масла 15 впрыснуто, контроллер 28 выполняет следующий этап для увеличения охлаждающей способности.

Упомянутый следующий этап содержит регулирование трехходового клапана 22, так чтобы, по меньшей мере, пропорциональная часть потока масла двигалась через охладитель 18.

Если это уже имело место или является недостаточным, контроллер 28 постепенно обеспечивает движение большей пропорциональной части потока масла через холодильник 18 до тех пор, пока температура T не уменьшится в достаточной степени.

Если выясняется, что необходимо обеспечить движение всего потока масла через охладитель 18, и охлаждающая способность все еще остается недостаточной для падения температуры T до заданного значения T_max после стабилизации или по истечении заданного времени, контроллер выполняет следующее управление.

Контроллер 28 включает вентилятор 19 или насос, если таковой имеется, посредством чего повышается частота вращения.

В результате масло 15 в охладителе 18 охлаждается более интенсивно.

Частота вращения вентилятора 19 увеличивается до тех пор, пока максимальная температура T на выпуске 9 не будет равна заданному значению T_max.

Благодаря комбинации обоих способов регулирования температуры T можно обеспечить, что температура T будет поддерживаться в определенный пределах для увеличения срока службы масла 15 и компрессорной установки 1.

Кроме того, способ обеспечивает, что вентилятор 19 или насос всегда выключается первым или включается последним, если охлаждающая способность масляного контура 14 должна быть уменьшена или увеличена, что обеспечивает экономию энергии.

Настоящее изобретение никоим образом не ограничено до вариантов выполнения, описанных в качестве примера и представленных на чертежах, и такой способ по изобретению для управления компрессорным устройством с впрыском масла можно внедрить по различным вариантам без отклонения от объема настоящего изобретения.