Усовершенствование процесса охлаждения сжатого воздуха

Advancing compressed air cooling process

Maira Almagambetova

candidate of Engineering Sciences, assistant professor in West Kazakhstan agrarian-technical university named Zhangir khan, Kazakhstan, Oral

Agishev Renat

master’s Degree Student, West Kazakhstan agrarian-technical university named Zhangir khan, Kazakhstan, Oral

Аннотация. В данной статье рассмотрена проблема осушения сжатого воздуха на выходе с компрессоров. Проводится обоснование необходимости подготовки сжатого воздуха и решение проблемы путем охлаждения после компрессии с помощью компрессорно-конденсаторного блока.

Abstract. Compressed air drying issue at the exit from the compressors is considered in this article. Justification of compressed air preparation needs and a solution by cooling after a compression by means of the compression-condensing unit is carried out.

Ключевые слова: компрессор; сжатый воздух; осушение; охлаждение; компрессорно-конденсаторный блок; теплообменник.

Keywords: compressor; compressed air; drying; cooling; compression-condensing unit; heat exchanger.

Сжатый воздух на нефтегазоперерабатывающих предприятиях имеет множество назначений, в том числе питание контрольно-измерительных приборов; продувка и испытание под давлением трубопроводов и технологических аппаратов; питание привода пневматических инструментов и механизмов. Сферы применения сжатого воздуха не ограничиваются нефтегазовой промышленность, но также применяются и во многих других предприятиях. Типичная технологическая нитка сжатого воздуха включает в себя такие виды оборудования, как компрессор; концевой холодильник; ресивер влажного воздуха; фильтр; влагоотделитель; осушитель; ресивер сухого воздуха [1, с. 262; 6, с. 37; 7, с. 230].

Обязательным условием нормальной эксплуатации пневматического оборудования на многих предприятиях является влажность сжатого воздуха, так как парообразная влага, содержащаяся в сжатом воздухе, по мере его охлаждения во время эксплуатации конденсируется и пагубно влияет на состояние пневматического оборудования. Для подготовки сухого сжатого воздуха требуется его охлаждения перед осушкой, ведь чем ниже температура на входе в осушитель, тем больше влаги может быть удалено.

На сегодняшний день существуют различные способы удаления влаги из сжатого воздуха: охлаждение; чрезмерное охлаждение; абсорбция и адсорбция. Данная работа исследует только «охлаждение» [2, с. 48–50; 5, с. 121; 7, с. 37].

Охлаждение компрессоров бывает водяное или воздушное. При этом выбор вида охлаждения зависит от источников водоснабжения, наличия оборудования и экономических соображений. Средние и крупные компрессоры обычно охлаждают водой, а компрессоры малой производительности имеют воздушное охлаждение. Существуют две системы водоснабжения компрессорных установок – оборотная и прямоточная. Прямоточная система требует большого расхода и естественного источника мягкой воды. В оборотной системе вода подаётся только для покрытия потерь, и сама охлаждается в охладительных устройствах [4, с. 284].

В воздушных охладителях, как видно из названия, в качестве охладителя используется воздух окружающей среды. Что касается водяных охладителей, то в их случае тепло охлаждающей воды также зависит от температуры окружающей среды. Применяемые для охлаждения воздушные и водяные воздухоохладители не всегда способны охладить сжатый воздух после компрессоров, так как в свою очередь охлаждаются посредством окружающей среды. Такая проблема особенно очевидна в регионах с большими амплитудами температур, в коем регионе и располагается Казахстан. Особенно учитывая тот факт, что нефтегазовая промышленность в республике сконцентрирована в Прикаспийской впадине, где воздух относительно влажный. Прикаспийская впадина представляет собой один из крупнейших осадочных бассейнов земного шара, в ее пределах накопилась толща осадочных пород мощностью более 20 км [3].

Особые требования предъявляются к сжатому воздуху для КИПиА. Он должен быть освобожден от пыли и влаги и иметь точку росы не выше -40°С для предприятий, эксплуатируемых в Казахстане. Предложенной мною вариант применения теплообменников для охлаждения сжатого воздуха посредством хладагента от компрессорно-конденсаторного блока позволяет достичь относительно низких температур на выходе.

Вариант усовершенствования процесса охлаждения сжатого воздуха – это дополнение стандартной технологической нитки компримирования воздух посредством компрессорно-конденсаторного блока, который представляют собой агрегат, состоящий из охлаждающих компрессоров, конденсатора, сопутствующей трубной обвязки между ними, а также линейных КИП. Схема изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Технологическая схема приготовления сжатого воздуха

Компрессорно-конденсаторные блоки предназначены для подготовки хладагента, который в свою очередь подается в теплообменник. Для предварительных расчетов будет использоваться хлордифторметан CHClF₂ (фреон R-22). Конкретное соединение фреона будет определено позже в ходе химико-технического анализа. Но при этом, принцип работы и технологическая схема установки меняться не будут.

Принцип работы компрессорно-конденсаторных блоков включает следующие операции: фреон в парообразном состоянии при низком давлении и температуре всасывается компрессором хладагента, который повышает его давление до 1.5–2.5 МПа и температуру до +70–90°С. В воздушном конденсаторе горячий парообразный фреон охлаждается и конденсируется, то есть переходит в жидкую фазу. Затем фреон в жидкой фазе при высоком давлении и температуре проходит через трехходовой терморегулирующий клапан потока, где давление уменьшается из-за сужения прохода. Часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу.

Следует подчеркнуть, что температура кипения R-22 равняется -41 °С [8]. А так как эффективность отвода тепла в теплообменнике прямо пропорционально зависит от температуры охлаждающего флюида, то данная температура допускает возможность эффективного использования в процессе. Далее, в теплообменник «сжатый воздух – хладагент» попадает фреон в состоянии смеси пара и жидкости. Указанный теплообменник выполняет функцию испарителя для контура хладагента. Фреон кипит в теплообменнике, отбирая тепло от контура сжатого воздуха, и вновь переходит в парообразное состояние. Температура сжатого воздуха при этом понижается до заданной температуры. Фреон в фазе перегретого пара выходит из теплообменника, и цикл компрессорно-конденсаторного блока возобновляется, т.е. хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот.

Расположение теплообменника «сжатый воздух – хладагент» должно быть ниже по потоку от компрессора сжатого воздуха, а в случае многоступенчатого компрессора, то после каждой ступени сжатия. Контроль температуры сжатого воздуха регулируется вышеупомянутым терморегулирующим клапаном потока фреона. Его размеры, а также параметры компрессора фреона и размеры конденсатора позволят достичь требуемой температуры компримированного воздуха, который далее по потоку будет осушаться в осушителях. В результате проведенной работы в рамках научного исследования можно сделать следующие выводы: существующие на момент исследования технологии не позволяют полностью решить проблемы с охлаждением сжатого воздуха для получения сухого сжатого воздуха с низкой температурой точки росы. В связи с тем, что территории функционирующих на протяжении многих лет предприятий переуплотнены, монтаж дополнительных ниток оборудования является проблематичным.

Использование компрессорно-конденсаторных блоков для охлаждения компримированного воздуха позволяет достичь заданных низких температур. Низкая температура сжатого воздуха не только улучшает его способность к осушению, но и также уменьшает нагрузку на осушители ниже по потоку. В случае, если указанные компрессорно-конденсаторные блоки будут частью компрессорного оборудования сжатого воздуха, то физические размеры установленного оборудования будут уменьшены, что также немаловажно для существующих предприятий.