Способ управления газовым приводом газостата и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области порошковой металлургии, непосредственно к оборудованию для обработки дискретных или сплошных 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. Способ управления газовым приводом газостата включает подачу газа в регулятор давления, установленный на всасывающем трубопроводе газового привода газостата, соединяющем компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, оснащение компрессора высокого давления запорной арматурой с газовым цилиндром разгрузки, оснащение компрессора низкого давления запорной арматурой с газовым цилиндром разгрузки. В качестве регулятора давления используют ресивер, оснащенный датчиком давления и запорным вентилем, во время подъема давления в контейнере газостата во всасывающем трубопроводе компрессора высокого давления поддерживают давление, равное или близкое к величине максимального давления всасывания компрессора высокого давления, при этом при падении давления на величину 5 МПа во всасывающем трубопроводе компрессора высокого давления по сигналу датчика давления ресивера включают компрессор низкого давления, подающий газ одновременно на всасывание компрессора высокого давления и в ресивер, а при подъеме давления в ресивере и всасывающем трубопроводе компрессора высокого давления до величины максимального давления его всасывания компрессор низкого давления останавливают по сигналу датчика давления ресивера. Устройство для управления газовым приводом газостата содержит регулятор давления, установленный на всасывающем трубопроводе, соединяющем компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, взаимодействующие между собой. Регулятор давления выполнен в виде газового ресивера, оснащенного датчиком давления и запорным вентилем. Технический результат - уменьшение времени создания заданного давления и выполнения операций рабочего цикла, связанных с перемещением рабочей среды (газа) между компонентами газовой системы с помощью компрессоров низкого и высокого давлений, работающих с максимальной производительностью, и сокращение общего времени цикла. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

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.

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 Рн₁₀=350 бар, давлением всасывания Рвс₁₀=150 бар и производительностью Q₁₀=520 нм³/ч, а также компрессором высокого давления (КВД) марки 6,3МК 200/350-1500 ("Уралкомпрессор", Россия) с номинальными давлением нагнетания Рн₁₁=1500 бар, давлением всасывания Рвс₁₁=350 бар и производительностью Q₁₁=200 нм³/ч. В расчете использованы номинальные значения производительностей, давлений всасывания и нагнетания КНД и КВД, являющиеся паспортными характеристиками агрегатов.

Для обеспечения работы КВД-11 с максимальной производительностью, что возможно при давлении его всасывания, равном Рвс₁₁=350 бар или близком к нему, принимаем расчетное падение давления в ресивере равным 50 бар (от 350 до 300 бар) в течение времени τ₁₁=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

где ρ_н-11=1,12 кг/м³ - 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

где P_15-1=350 бар и P_15-2=300 бap давления газа в ресивере в моменты начала и окончания отбора из него газа;

V₁₅ - объем ресивера, м³;

Z₁=1,1954 и Z₂=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.

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 нм³/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.

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 м³) и рабочим давлением 40 МПа (400 бар).

1. Способ управления газовым приводом газостата, включающий подачу газа в регулятор давления, установленный на всасывающем трубопроводе газового привода газостата, соединяющем компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, оснащение компрессора высокого давления запорной арматурой с газовым цилиндром разгрузки, оснащение компрессора низкого давления запорной арматурой с газовым цилиндром разгрузки, отличающийся тем, что в качестве регулятора давления используют ресивер, оснащенный датчиком давления и запорным вентилем, во время подъема давления в контейнере газостата во всасывающем трубопроводе компрессора высокого давления поддерживают давление, равное или близкое к величине максимального давления всасывания компрессора высокого давления, при этом при падении давления на величину 5 МПа во всасывающем трубопроводе компрессора высокого давления по сигналу датчика давления ресивера включают компрессор низкого давления, подающий газ одновременно на всасывание компрессора высокого давления и в ресивер, а при подъеме давления в ресивере и всасывающем трубопроводе компрессора высокого давления до величины максимального давления его всасывания, компрессор низкого давления останавливают по сигналу датчика давления ресивера.

2. Устройство для управления газовым приводом газостата, содержащее регулятор давления, установленный на всасывающем трубопроводе, соединяющем компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, взаимодействующие между собой, отличающееся тем, что регулятор давления выполнен в виде газового ресивера, оснащенного датчиком давления и запорным вентилем.