способ регулируемого охлаждения масла и аппарат воздушного охлаждения для осуществления этого способа (варианты)

Формула изобретения

1. Способ регулируемого охлаждения масла путем подачи воздушного потока посредством вентиляторов с электроприводом переменного тока в аппарат воздушного охлаждения с раздающим и собирающим коллекторами для масла для поддержания температуры охлаждаемого масла на заданном уровне, отличающийся тем, что поддержание температуры охлаждаемого масла на заданном уровне осуществляют посредством совместного регулирования расхода охлаждающего воздуха и площади поверхности теплообмена, при этом измеряют температуру охлаждаемого масла и с помощью электрической связи передают ее значение на преобразователь частоты, которым при отклонении этого значения от заданного изменяют количество участвующих в рабочем процессе теплообменных секций и вентиляторов через управляющие механизмы регулирующих запорных органов теплообменных секций и заслонок вентиляторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при низких отрицательных температурах окружающей среды включают систему рециркуляции.

3. Аппарат воздушного охлаждения масла, содержащий охладитель с двумя теплообменными секциями, состоящими из поверхностей теплообмена и примыкающих к ним раздающего и собирающего коллекторов для масла, четыре вентилятора для подачи на теплообменные поверхности охлаждающей среды, имеющих электропривод переменного тока, и микропроцессорный регулятор, настроенный на требуемую температуру охлаждаемого масла, связанный с помощью электрической связи с преобразователем частоты, питающим двигатели вентиляторов, отличающийся тем, что теплообменные секции соединены последовательно, а на байпасных линиях теплообменных секций установлены регулирующие запорные органы с возможностью отключения одной из теплообменных секций, на вводах вентиляторов установлены заслонки, на входе канала рециркуляции установлены заслонки, причем управляющие механизмы регулирующих запорных органов теплообменных секций, заслонок вентиляторов и заслонок канала рециркуляции связаны при помощи электрической связи с преобразователем частоты, управляемым термопреобразователем сопротивления, установленным на выходе из теплообменной секции охладителя, либо связаны при помощи электрической связи с термодатчиками, установленными в масляных каналах теплообменной поверхности теплообменных секций охладителя и настроенными на допустимую температуру охлаждаемого масла в секции, причем на корпусе охладителя установлен датчик температуры окружающей среды.

4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что регулирующие запорные органы выполнены в виде магнитных клапанов с автоматическим регулированием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охлаждающим устройствам, в которых хладагентом является воздух, и может быть использовано в аппаратах воздушного охлаждения масла.

Известен способ регулируемого охлаждения масла, «Техническое описание и инструкция по монтажу, эксплуатации и уходу за группой маслоохладителей зимнего исполнения типа 06-10», Будапешт, 1979, с.4-9, чертеж 3421-Lk-l, путем подачи воздушного потока посредством вентиляторов с электроприводом переменного тока на теплообменную поверхность аппарата воздушного охлаждения. В данном способе регулирование температуры масла осуществляют путем изменения расхода воздуха включением-выключением вентиляторов.

Недостатком этого способа является то, что периодическое включение-выключение вентиляторов приводит к резким изменениям температуры охлаждаемого масла, т.е. не обеспечивается плавность регулирования, наблюдается возникновение больших пусковых токов, что экономически нецелесообразно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ регулируемого охлаждения масла и аппарат воздушного охлаждения для осуществления этого способа», патент РФ №2128802. Бюл. №10. 1999, при котором изменение расхода охлаждающего воздуха ведут посредством изменения числа оборотов вентилятора, при этом измеряют температуру охлаждаемого масла и с помощью электрической связи передают ее значение на модулятор, которым при отклонении этого значения от заданного интервала изменяют частоту переменного тока, подаваемого на электропривод.

Недостатком данного способа является то, что при низких температурах окружающей среды (от -30°С до -60°С) регулирование температуры охлаждаемого масла лишь путем изменения расхода охлаждающего воздуха является недостаточным, что приводит к застыванию охлаждаемого масла, и технический результат, достигаемый изобретением, в описываемом способе получен быть не может.

Известны аппараты воздушного охлаждения, Газовая промышленность. №1, 1985, стр 22-23, содержащие рекуперативный охладитель с по крайней мере одной секцией, состоящей из поверхности теплообмена и примыкающих к ней раздающего и собирающего коллекторов для охлаждаемой среды, а также по меньшей мере один вентилятор для подачи на теплообменную поверхность охлаждающей среды, имеющий электропривод переменного тока.

О средствах регулирования температуры охлаждаемой среды в указанных аппаратах нет данных, поэтому технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, получить в этих аппаратах невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к обоим вариантам заявляемого изобретения является «Способ регулируемого охлаждения масла и аппарат воздушного охлаждения для осуществления этого способа», патент РФ №2128802. Бюл. №10. 1999, где аппарат воздушного охлаждения содержит рекуперативный охладитель с по крайней мере одной секцией, состоящей из поверхности теплообмена и примыкающих к ней раздающего и собирающего коллекторов для охлаждаемой среды, по меньшей мере один вентилятор для подачи на теплообменную поверхность охлаждающей среды, имеющий электропривод переменного тока, а также устройство для регулирования температуры охлаждающей среды, которое выполнено в виде установленного на магистрали, выходящей из собирающего коллектора, термодатчика, электрически связанного через микропроцессорный регулятор с модулятором, который, в свою очередь, электрически подключен к электроприводу переменного тока.

Недостатком данного аппарата воздушного охлаждения является невозможность эффективной работы аппарата при низких температурах окружающей среды (от -40°С до -60°С). Это связано с тем, что аппарат воздушного охлаждения спроектирован с учетом наиболее напряженного режима работы, т.е. при максимальной температуре охлаждающего воздуха, равной плюс 40°С, принимается максимальное число оборотов вентилятора равным 1500 об/мин, а минимальное количество оборотов вентилятора устанавливают равным 5-50 об/мин для низких температур окружающей среды. Минимальное количество оборотов вентиляторы достигают при минус 40°С окружающей среды, а при более низких температурах окружающей среды (до -60°С) аппарат воздушного охлаждения становится нерегулируемым, подвержен влиянию внешних погодных факторов, что отрицательно сказывается на эффективности регулирования температуры охлаждаемого масла на заданном уровне, на эксплуатационной надежности аппарата воздушного охлаждения масла.

Техническая задача заявляемого технического решения - эффективное поддержание температуры охлаждаемого масла на заданном уровне, исключение застывания охлаждаемого масла при низких температурах окружающей среды (от -30°С до -60°С).

Технический результат достигается в способе регулируемого охлаждения масла путем подачи воздушного потока посредством вентиляторов с электроприводом переменного тока в аппарат воздушного охлаждения с раздающим и собирающим коллекторами для масла для поддержания температуры охлаждаемого масла на заданном уровне, причем поддержание температуры охлаждаемого масла на заданном уровне осуществляют посредством совместного регулирования расхода охлаждающего воздуха и площади поверхности теплообмена, при этом измеряют температуру охлаждаемого масла и с помощью электрической связи передают ее значение на преобразователь частоты, которым при отклонении этого значения от заданного изменяют количество участвующих в рабочем процессе теплообменных секций и вентиляторов через управляющие механизмы регулирующих запорных органов теплообменных секций и заслонок вентиляторов. При низких отрицательных температурах окружающей среды включают систему рециркуляции, т.е. воздух, вобравший в себя тепло охлажденного масла, вновь подают по каналу рециркуляции на вход теплообменных секций, тем самым исключают застывание охлаждаемого масла при низких температурах окружающей среды (от -30°С до -60°С), поддерживают температуру охлаждаемого масла на требуемом уровне.

Количество теплообменных секций и вентиляторов, участвующих в рабочем процессе, а также частоту вращения вентиляторов устанавливают в соответствии с показаниями датчика температуры окружающей среды и термопреобразователя сопротивления, настроенного на требуемую температуру охлаждаемого масла.

Указанная задача решается также в аппарате воздушного охлаждения масла, содержащем охладитель с двумя теплообменными секциями, состоящими из поверхностей теплообмена и примыкающих к ним раздающего и собирающего коллекторов для масла, четыре вентилятора для подачи на теплообменные поверхности охлаждающей среды, имеющих электропривод переменного тока, и микропроцессорный регулятор, настроенный на требуемую температуру охлаждаемого масла, связанный с помощью электрической связи с преобразователем частоты, питающим двигатели вентиляторов, причем теплообменные секции соединены последовательно, а на байпасных линиях теплообменных секций установлены регулирующие запорные органы с возможностью отключения одной из теплообменных секций, на выходах вентиляторов установлены заслонки, на входе канала рециркуляции установлены заслонки, причем управляющие механизмы регулирующих запорных органов теплообменных секций, заслонок вентиляторов и заслонок канала рециркуляции связаны при помощи электрической связи с преобразователем частоты, управляемым термопреобразователем сопротивления, установленным на выходе из теплообменной секции охладителя, либо, как альтернатива, связаны при помощи электрической связи с термодатчиками, установленными в масляных каналах теплообменной поверхности теплообменных секций охладителя и настроенными на допустимую температуру охлаждаемого масла в секции, причем на корпусе охладителя установлен датчик температуры окружающей среды. Регулирующие запорные органы выполнены в виде магнитных клапанов с автоматическим регулированием.

Регулируя количество включенных вентиляторов и, соответственно, частоту вращения вентиляторов, а также изменяя площадь поверхности теплообмена путем изменения количества участвующих в рабочем процессе теплообменных секций с включением рециркуляции при низких температурах окружающей среды, исключают застывание масла, добиваются устойчивых требуемых значений температуры охлаждаемого масла.

На фигуре 1 показана схема регулируемого охлаждения масла в заявляемом аппарате воздушного охлаждения с четырьмя вентиляторами с включением рециркуляции.

На фигуре 2 показана схема двух теплообменных секций охладителя с регулирующими запорными органами и, как вариант, с термодатчиками в теплообменных секциях.

Реализацию заявляемого способа регулируемого охлаждения масла осуществляют в вариантах аппарата воздушного охлаждения, который имеет охладитель, включающий соединенные последовательно две теплообменные секции с раздающим и собирающим коллекторами для масла, при этом масло охлаждают воздушным потоком, подаваемым с помощью четырех вентиляторов (двух нижних и двух верхних) с регулируемым по частоте электроприводом переменного тока, при этом по показаниям датчика температуры окружающей среды выбирают режим работы аппарата воздушного охлаждения, т.е. включают режим «min» (при отрицательных температурах окружающей среды, ниже значения «норма», до -60°С), при котором работают два вентилятора, и режим «max» (при положительных температурах окружающей среды, выше значения «норма», до +40°С), при котором работают четыре вентилятора. На преобразователе частоты, питающем двигатели вентиляторов, устанавливают рабочий диапазон значений уставок частот от нижнего критического значения до верхнего критического значения. Нижнее критическое значение уставок частоты преобразователя достигают при работе охладителя с понижением температуры окружающей среды. Верхнее критическое значение уставок частоты преобразователя достигают при работе охладителя с повышением температуры окружающей среды. При низких температурах окружающей среды, по сигналу с датчика температуры окружающей среды и преобразователя частоты отключают одну теплообменную секцию и два вентилятора, тем самым уменьшают площадь поверхности теплообмена. Одновременно включают систему рециркуляции, т.е. воздух, вобравший в себя тепло охлажденного масла, вновь подают на вход теплообменных секций охладителя, тем самым исключают застывание охлаждаемого масла при низких температурах окружающей среды и эффективно поддерживают температуру охлаждаемого масла на требуемом уровне. При повышенных температурах окружающей среды по сигналу с датчика температуры окружающей среды и преобразователя частоты включают в рабочий процесс охлаждения обе теплообменные секции, все четыре вентилятора и отключают систему рециркуляции.

Как вариант, в приведенном выше аппарате воздушного охлаждения в масляных каналах теплообменной поверхности теплообменных секций устанавливают термодатчики с установленными значениями температуры охлаждаемого масла «min» и «max», связывают их электрической связью с управляющими механизмами регулирующих запорных органов теплообменных секций, заслонок вентиляторов, заслонок канала рециркуляции.

При реализации заявляемого способа масло подают насосом 16 по магистрали 18 во внешний источник тепла 17. Далее масло направляют в рабочий патрубок 7 для входа среды раздающего коллектора 5 теплообменной секции 2 (фиг.2). Из раздающего коллектора 5 нагретое масло подают на теплообменную поверхность 4, в масляные каналы, где охлаждают посредством прохождения по воздушным каналам охлаждающего воздуха, прокачиваемого вентиляторами 19 (фиг.1). Охлаждаемое масло направляют в собирающий коллектор 6 и через рабочий патрубок 9 для выхода среды в магистраль 13 подают в рабочий патрубок 7 для входа среды раздающего коллектора 5 секции 3. Из раздающего коллектора 5 через теплообменную поверхность 4 охлаждаемое масло направляют в собирающий коллектор 6 секции 3 и через рабочий патрубок 9 для выхода среды в магистраль 20 возвращают во всасывающий патрубок насоса 16.

Поддержание температуры охлаждаемого масла на заданном уровне осуществляют следующим образом. На датчике 15 температуры окружающей среды устанавливают значение «норма», при отклонении от которого определяют стартовый режим работы аппарата воздушного охлаждения, т.е. нагрев с включением ТЭНов 27 с последующим включением минимального количества вентиляторов в режиме охлаждения (режим «min»), либо охлаждение с максимальным количеством включенных вентиляторов (режим «max»). Термопреобразователь 14 сопротивления устанавливают в магистрали 20 на выходе охладителя 1, настраивают на требуемую температуру охлаждаемого масла. При отклонении от заданного значения термопреобразователя 14 на выходе регулятора 21 формируют аналоговый сигнал (от 0 до 10 В), который, поступив на вход преобразователя частоты 23, изменяет частоту питающей сети вентиляторов 19 и, соответственно, изменяет частоту вращения рабочих лопаток вентиляторов. Одновременно, при достижении критических значений уставок частот преобразователя частоты, подают сигнал на управляющие механизмы (на фиг.1, 2 не показаны) регулирующих запорных органов 12, заслонок 24 и 25 вентиляторов 19 и заслонок 22 канала рециркуляции 26 для открытия или закрытия заслонок, включения или отключения теплообменных секций 2 или 3.

Как вариант, поддержание температуры охлаждаемого масла на заданном уровне в аппарате воздушного охлаждения осуществляют следующим образом. На термодатчиках 28 устанавливают допустимые значения температур охлаждаемого масла, устанавливают их в масляных каналах теплообменной поверхности 4 теплообменных секций 2 и 3 охладителя 1 и связывают с помощью электрической связи с управляющими механизмами регулирующих запорных органов 12, заслонок 24 и 25 вентиляторов 19 и заслонок 22 канала рециркуляции 26. При выходе за допустимые значения температуры охлаждаемого масла подают сигнал на открытие (закрытие) регулирующих запорных органов, открытие (закрытие) заслонок вентиляторов и заслонок канала рециркуляции.

Кроме того, при низких отрицательных температурах окружающей среды по достижении нижних критических значений уставок частот преобразователя частоты или по достижении нижних допустимых значений температур охлаждаемого масла в секции включают систему рециркуляции, т.е. теплый воздух, нагретый после охлаждения масла, направляют вновь на вход теплообменных секций, тем самым исключают застывание охлаждаемого масла при низких температурах окружающей среды (от -30°С до -60°С), осуществляют надежный и качественный запуск маслоохладителя при низких температурах окружающей среды (до -60°С).

Аппарат воздушного охлаждения, реализующий предлагаемый способ регулируемого охлаждения масла, содержит охладитель 1 с двумя теплообменными секциями 2 и 3. Каждая секция состоит из поверхности 4 теплообмена и раздающего 5 и собирающего 6 коллекторов, примыкающих к поверхности теплообмена. Теплообменные секции 2, 3 охладителя 1 имеют по два регулирующих запорных органа 12, установленных на байпасных линиях 11 и соединяющих рабочий патрубок 7 раздающего коллектора 5 с циркуляционным патрубком 10 собирающего коллектора 6 и циркуляционный патрубок 8 раздающего коллектора 5 с рабочим патрубком 9 собирающего коллектора 6. Аппарат включает также четыре осевых вентилятора 19 с заслонками 24 и 25 для прокачки через теплообменные поверхности охлаждающего воздуха, канал рециркуляции 26 с заслонками 22 и ТЭНами 27. Аппарат содержит также термопреобразователь 14, установленный в магистрали 20, микропроцессорный регулятор 21, настроенный на требуемую температуру охлаждаемого масла и электрически связанный с электроприводами вентиляторов 19, преобразователь частоты 23 с установленными критическими значениями уставок частот, связанный с помощью электрической связи с управляющими механизмами регулирующих запорных органов 12, заслонок 22, 24 и 25. Аппарат содержит датчик 15 температуры окружающей среды, установленный на корпусе охладителя 1, регулирующие запорные органы 12, установленные с двух сторон охладителя 1.

Как вариант, аппарат содержит термодатчики 28, установленные в масляных каналах теплообменной поверхности 4 теплообменных секций 2 и 3 охладителя 1, настроенные на допустимые значения температуры охлаждаемого масла в секциях и электрически связанные с управляющими механизмами регулирующих запорных органов 12, заслонок 22, 24 и 25.

Регулирующие запорные органы 12 выполнены в виде магнитных клапанов с автоматическим регулированием.

Аппарат воздушного охлаждения рассматривается на примере его использования для охлаждения масла.

Работа аппарата воздушного охлаждения.

Представлена работа аппарата, когда охлаждаемой средой является масло, а охлаждающей средой - воздух, при этом масло подают насосом 16 к внешнему источнику тепла 17 (подшипник газотурбинного двигателя или нагнетателя) и далее на вход охладителя.

Рабочий режим - охлаждение.

Выбор режима с максимальным включением количества вентиляторов (режим «max») производят по сигналу датчика 15 температуры окружающей среды, превышающему значение уставки «норма». Масло, нагнетаемое из маслоблока (на фиг.1 и 2 не показан), насосом 16 через магистраль 18 подают в источник 17 тепла (подшипники газотурбинного двигателя или нагнетателя). Вобрав в себя тепло трения, нагретое масло направляется в рабочий патрубок 7 для входа в раздающий коллектор 5 теплообменной секции 2, при этом регулирующие запорные органы 12, установленные на байпасных линиях 11, закрыты. Из раздающего коллектора 5 нагретое масло поступает на теплообменную поверхность 4, где охлаждается прокачиваемым воздухом, и далее в собирающий коллектор 6 и через рабочий патрубок 9 теплообменной секции 2 в магистраль 13, рабочий патрубок 7 в раздающий коллектор 5 теплообменной секции 3. Далее масло поступает на теплообменную поверхность 4 теплообменной секции 3, где окончательно охлаждается перекачиваемым воздухом, и через собирающий коллектор 6, рабочий патрубок 9 выходит в магистраль 20 на вход насоса 16. По сигналам термопреобразователя 14 микропроцессорный регулятор 21, настроенный на требуемую температуру охлаждаемого масла, плавно регулирует частоту вращения рабочих лопаток вентиляторов, а следовательно, и расход воздуха через теплообменные секции 2 и 3, что, в свою очередь, изменяет температуру охлаждаемого масла, обеспечивая ее поддержание на заданном уровне. При снижении температуры воздуха уменьшается число оборотов на четырех вентиляторах и при достижении установленного нижнего значения уставки частоты преобразователя 23 происходит выключение двух верхних вентиляторов 19 с закрытием двух заслонок 24. Дальнейший режим охлаждения происходит на двух теплообменных секциях и двух нижних вентиляторах до температуры наружного воздуха минус 40°С.

Запуск аппарата воздушного охлаждения в режиме охлаждения с минимальным количеством вентиляторов (режим «min») происходит по сигналу датчика температуры окружающей среды ниже значения «норма».

Режим запуска начинается при неработающем газотурбинном двигателе и нагнетателе, когда температура масла в баке прогрета до плюс 30-35°С, а температура аппарата (поверхности теплообмена) может достигать минус 60°С. При этом заслонки 24 и 25 закрыты, заслонки 22 канала рециркуляции открыты, регулирующие запорные органы 12 открыты. Включают ТЭНы 27, расположенные в канале рециркуляции 26, нижние вентиляторы и теплый воздух циркулирует в замкнутом объеме (вентилятор - ТЭН - теплообменная секция), прогревая теплообменные секции. После этого переходят к предварительной циркуляции масла, которую начинают одновременно с запуском газотурбинного двигателя или нагнетателя, т.е. нагретое масло из маслобака подают на вход аппарата, далее масло, минуя теплообменные поверхности, поступает через открытые регулирующие запорные органы 12, расположенные на байпасных линиях 11 теплообменных секций 2 и 3, на выход в магистраль 20 и снова к подшипникам. Циркулируя, масло постепенно разогревается и при достижении заданной температуры масла на выходе аппарат переходит в режим охлаждения масла (с минимальным количеством вентиляторов). При этом выдается сигнал на закрытие регулирующих запорных органов 12 и масло поступает на теплообменную поверхность 4, на открытие заслонок 24 и включение верхних вентиляторов, причем нижние вентиляторы отключены, заслонки 25 закрыты, а заслонки рециркуляции 22 открыты, т.е. в охлаждении участвуют две теплообменные секции 2, 3 и два верхних вентилятора. Далее аппарат работает в режиме охлаждения и автоматически поддерживает температуру охлаждаемого масла.

При увеличении температуры окружающей среды в режиме охлаждения минимальным количеством вентиляторов, по достижении верхнего критического установленного значения уставки частоты преобразователя 23, открывают заслонки 25, закрывают заслонки канала рециркуляции 22 и включают нижние вентиляторы. Далее аппарат переводят в режим охлаждения «max», т.е. в процессе охлаждения участвуют обе теплообменные секции и четыре вентилятора.

При снижении температуры окружающей среды (ниже минус 40°С), на режиме охлаждения с двумя теплообменными секциями и двумя верхними вентиляторами, по достижении нижнего критического установленного значения уставки частоты преобразователя открывают регулирующие запорные органы 12, установленные на байпасных линиях 11 теплообменной секции 3. При этом масло, поступившее в раздающий коллектор 5, через рабочий патрубок 7 теплообменной секции 2 подается на теплообменную поверхность 4, где охлаждается, и из собирающего коллектора 6 через рабочий патрубок 9 поступает в магистраль 13. Далее масло, разделяясь, через открытые регулирующие запорные органы 12 теплообменной секции 3 выходит в магистраль 20 вследствие меньшего гидравлического сопротивления, чем через теплообменную поверхность 4 следующим образом. Один поток масла проходит через рабочий патрубок 7, раздающий коллектор 5, циркуляционный патрубок 8 и через открытый регулирующий запорный орган 12 на выход в магистраль 20. Второй поток масла проходит через открытый регулирующий запорный орган 12, циркуляционный патрубок 10, собирающий коллектор 6, рабочий патрубок 9 и соединяется в магистрали 20 с первым потоком. Далее охлаждаемое масло подают на вход насоса 16. Таким образом исключают из процесса охлаждения теплообменную поверхность 4 теплообменной секции 3, т.е. уменьшают теплообменную поверхность в два раза. При этом в процессе охлаждения участвует одна теплообменная секция 2 и два верхних вентилятора.

При дальнейшем снижении температуры окружающей среды и достижении нижнего критического значения уставки частоты преобразователя выдается сигнал на включение двух нижних вентиляторов в режиме рециркуляции. При этом теплый воздух, вобравший тепло масла, после теплообменной секции 2 посредством нижних вентиляторов, через открытые заслонки 22 и канал рециркуляции 26 подают снова на вход теплообменной секции 2. Вследствие этого на входе в теплообменную секцию повышается температура прокачиваемого воздуха и, как следствие, повышается эффективность регулирования охлаждения масла.

Как вариант, таким же образом регулируют температуру охлаждения масла при установке в аппарате воздушного охлаждения термодатчиков 28, настроенных на допустимую температуру охлаждаемого масла в секциях «min» и «max» и установленных в масляных каналах теплообменной поверхности теплообменных секций, связанных электрической связью с управляющими механизмами регулирующих запорных органов, заслонок вентиляторов и заслонок канала рециркуляции.

Таким образом, регулируя количество участвующих в рабочем процессе вентиляторов и теплообменных секций, частоту вращения рабочих лопаток вентиляторов, включая рециркуляцию при крайне низких отрицательных температурах окружающей среды, производят эффективное поддержание температуры охлаждаемого масла на требуемом уровне, исключают застывание охлаждаемого масла при низких температурах окружающей среды (до -60°С) и проводят надежный запуск охладителя при отрицательных температурах окружающей среды.