Совершенствование конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха для кабельных линий связи Калугина Ольга Геннадьевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Технологические процессы подготовки воздуха в конденсационно-адсорбционных установках для кабельных линий связи 13

1.1. Анализ методов подготовки сжатого воздуха в конденсационно адсорбционных установках 13

1.1.1. Основные методы очистки и осушки сжатого воздуха 13

1.1.2. Адсорбционные методы очистки и осушки сжатого воздуха 18

1.1.3. Особенности применения конденсационно-адсорбционного метода очистки и осушки сжатого воздуха 22

1.2. Конденсационно-адсорбционные установки подготовки воздуха для кабельных линий связи 29

1.2.1. Система содержания кабельных линий связи городских телефонных сетей под избыточным воздушным давлением 29

1.2.2. Использование конденсационно-адсорбционного метода подготовки воздуха в составе КСУ 37

1.2.3. Функциональные особенности КСУ на основе процессов КБА... 45

1.3. Математические модели сорбционных процессов подготовки воздуха со стационарным слоем адсорбента 56

1.3.1. Феноменологические модели сорбционных процессов 56

1.3.2. Вероятностно-статистические модели сорбционных процессов... 66

1.3.3. Методики расчета сорбционных процессов подготовки сжатого воздуха в конденсационно-адсорбционных установках 72

1.3.4. Определяющие характеристики процессов КБА в составе конденсационно-адсорбционных установок подготовки сжатого воздуха 77 Стр.

Выводы по главе 1, постановка целей и задач исследований 91

Глава 2. Теоретическое исследование процесса комплексной подготовки воздуха в конденсационно-адсорбционных установках на основе процессов КБА для кабельных линий связи 95

2.1. Технологический процесс подготовки воздуха в усовершенствованной конденсационно-адсорбционной установке 95

2.2. Вероятностно-статистическая модель процесса осушки воздуха силикагелем в конденсационно-адсорбционных установках 98

2.3. Исследование асимптотических свойств модели процесса осушки воздуха силикагелем в конденсационно-адсорбционных установках 116

2.4. Нахождение основных определяющих параметров процессов КБА с регулируемым объемом осушенного воздуха 123

Выводы по главе 2 133

Глава 3. Экспериментальные исследования определяющих параметров процессов подготовки воздуха в конденсационно адсорбционных установках 135

3.1. Методика экспериментального исследования процессов подготовки воздуха в конденсационно-адсорбционных установках 135

3.1.1. Экспериментальный стенд для комплексного исследования определяющих процессов подготовки воздуха 135

3.1.2. Способ обеспечения постоянной влажности сжатого воздуха и весовой метод определения влагоемкости силикагеля 149

3.1.3. Методика экспериментального исследования равновесной адсорбционной способности силикагеля в статических условиях 154

3.1.4. Методика экспериментального исследования динамики адсорбции паров воды на мелкопористом силикагеле 158

3.1.5. Методика нахождения основных определяющих параметров разработанной модели 163 Стр.

3.1.6. Методика определения изменения адсорбционной способности силикагеля в процессах КБА 166

3.2. Результаты экспериментального исследования определяющих параметров конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха 167

3.2.1. Результаты экспериментального исследования статической влагоемкости силикагеля 167

3.2.2. Результаты экспериментального исследования влияния температуры и давления на статическую влагоемкость силикагеля 171

3.2.3. Результаты экспериментального исследования взаимосвязи статической влагоемкости силикагеля с его насыпной плотностью 173

3.3. Результаты экспериментального исследования параметров сорбционных процессов в динамических условиях 175

3.3.1. Результаты экспериментального исследования кинетической стадии эволюции сорбционных фронтов паров воды на силикагеле 175

3.3.2. Результаты экспериментального исследования интенсивности случайных составляющих сорбционных процессов 184

3.3.3. Результаты экспериментальной проверки адекватности предложенной модели и определения границ ее применимости 185

3.3.4. Результаты экспериментального исследования влияния негативных факторов на протекание технологических процессов подготовки воздуха

3.3.5. Результаты экспериментального исследования изменения динамической активности силикагеля в процессах КБА 191

3.3.6. Результаты экспериментального исследования изменения адсорбционной способности силикагеля в эксплуатационных условиях конденсационно-адсорбционных установок на основе процессов КБА 193 Стр.

3.4. Результаты экспериментального исследования влияния объемных, расходных и термодинамических параметров на эффективность технологических процессов подготовки воздуха 198

3.4.1. Результаты экспериментального исследования влияния объемных характеристик на устойчивость процессов КБА 198

3.4.2. Результаты экспериментального исследования влияния расхода воздуха при регенерации силикагеля на эффективность и устойчивость процессов КБА 204

3.4.3. Результаты экспериментального исследования влияния термодинамических параметров на эффективность процессов КБА 206

Выводы по главе 3 210

Глава 4. Основные направления совершенствования конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха для кабельных линий связи 213

4.1. Рекомендации по усовершенствованию функциональных схем конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха 213

4.2. Поливариантный технологический цикл работы конденсационно адсорбционных установок подготовки воздуха на основе процессов КБА 217

4.3. Отличительные особенности инженерной методика расчета конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха на основе процессов КБА 221

4.4. Практическая реализации результатов работы 230

Выводы по главе 4 232

Общие выводы и заключение 233

Основные обозначения 234

Список литературы

• Особенности применения конденсационно-адсорбционного метода очистки и осушки сжатого воздуха
• Вероятностно-статистическая модель процесса осушки воздуха силикагелем в конденсационно-адсорбционных установках
• Экспериментальный стенд для комплексного исследования определяющих процессов подготовки воздуха
• Поливариантный технологический цикл работы конденсационно адсорбционных установок подготовки воздуха на основе процессов КБА

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В технологических процессах систем холодильной и криогенной техники, кондиционирования и жизнеобеспечения сжатый воздух находит широкое применение. В них он может выступать как в качестве источника энергии и/или исходного сырья, так и в качестве рабочей среды, агента и/или защитного газа. В системах подобного рода при решении ряда актуальных задач в области повышения экономичности, надежности и ресурса применяемого оборудования определяющее значение имеет промышленная чистота сжатого воздуха, особенно в части его влагосодержания. При этом устойчивое обеспечение требуемых параметров промышленной чистоты сжатого воздуха во многом зависит от эффективной работы оборудования по его подготовке.

Это в полной мере относится к системам содержания кабельных линий связи под избыточным воздушным давлением, где даже кратковременная подача воздуха в оболочки кабелей с повышенным влагосодержанием может не только ухудшать качество связи, но и способна приводить к полному выходу кабельных линий из строя. Основу данных систем составляют конденсационно-адсорбционные установки подготовки воздуха, в том числе с применением процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА).

Существующая концепция научных основ разработки таких установок,
как правило, базируется на принципах построения, характерных для
единичных общепромышленных осушителей воздуха, что в

эксплуатационных условиях указанных систем, характеризующихся сильной неопределенностью, не исключает возможности подачи воздуха с повышенным влагосодержанием в оболочки кабельных линий связи.

В результате, изучение общих свойств и принципов функционирования конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха, включая совершенствования методов натурного и вычислительного моделирования протекающих в них процессов, с целью развития и реализации энергосберегающих технологий, а также поиска оптимальных решений по эффективности, надежности и ресурсу используемого оборудования в различных условиях его применения можно отнести к актуальным и практически значимым задачам.

Целью настоящей работы является создание эффективных

конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха для

кабельных линий связи.

Методы исследования. В работе использовались теоретические и
экспериментальные методы исследования. Теоретические и модельные
исследования проведены на кафедре экологии и промышленной
безопасности МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспериментальные исследования
проведены на базе ООО «Пневматические системы», г. Москва. Обработка
экспериментальных данных проводилась прямым и косвенным способами
анализа с применением методов математической статистики,

дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов.

Научная новизна:

1. Впервые обоснована возможность описания сорбционных процессов, протекающих в конденсационно-адсорбционных установках подготовки воздуха, на основе многомодальной функции плотности распределения адсорбтива по слою адсорбента.

2. Установлено, что в конденсационно-адсорбционных установках подготовки воздуха распространение сорбционных фронтов по слою адсорбента может быть удовлетворительно описано на основе стационарных решений кинетического уравнения Фоккера–Планка– Колмогорова с относительной погрешностью не более 20%.

3. Разработана вероятностно-статистическая модель описания сорбционных процессов в конденсационно-адсорбционных установках подготовки воздуха, способная учитывать влияние случайных составляющих протекающих процессов.

4. Найден явный вид функций распределения адсорбтива по слою адсорбента и показана возможность описания адсорбционных фронтов в конденсационно-адсорбционных установках с помощью двух независимых множеств адсорбтива, соответствующих выпуклым участкам изотермы адсорбции паров воды на силикагеле, на основе комбинированных комплексов m_I и m_II, характеризующих интенсивность случайных составляющих протекающих процессов B_I и B_II, по отношению к интенсивности их детерминированных составляющих k_I и k_II.

5. Получены количественные оценки основных характеристик конденсационно-адсорбционного метода подготовки воздуха на основе процессов КБА для содержания кабельных линий связи под избыточным давлением в диапазоне 0,04-0,05 МПа с обеспечением абсолютной влажности воздуха на уровне 0,1-0,3 г/м³, при расходах осушенного воздуха не более 1,310^-3 нм³/с.

6. Создана инженерная методика расчета конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха, в том числе, обеспечивающая определение исходных данных для разработки процессов регулирования, управления и контроля, и прикладное программное обеспечение ее реализации.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

7. Создан универсальный экспериментальный стенд для комплексного исследования определяющих процессов подготовки воздуха.

8. Определены условия обеспечения устойчивости сорбционных фронтов в процессах КБА с регулируемым объемом воздуха, подаваемого на регенерацию.

9. Разработан новый метод определения и контроля статической и динамической влагоемкости силикагеля, пригодный для применения непосредственно в условиях эксплуатации конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха, обеспечивающих содержание кабельных линий связи под избыточным давлением.

4. Разработана и реализована усовершенствованная функциональная схема конденсационно-адсорбционной установки подготовки воздуха для содержания кабельных линий связи под избыточным давлением.

5. Предложен усовершенствованный технологический цикл работы конденсационно-адсорбционной установки подготовки воздуха с регулируемым объемом воздуха, подаваемого на регенерацию силикагеля.

6. Результаты работы внедрены в ООО «Пневматические системы» г. Москва при усовершенствовании модельного ряда серийно выпускаемых компрессорно-сигнальных установок (КСУ) «Ультра-М» для содержания кабельных линий связи под избыточным воздушным давлением, что подтверждено актом о внедрении.

Положения, выносимые на защиту:

1. Вероятностно-статистическая модель процесса адсорбционной осушки воздуха силикагелем и результаты исследования ее асимптотических свойств (при t).

2. Набор определяющих показателей процесса осушки воздуха силикагелем в конденсационно-адсорбционных установках на основе процессов КБА с регулируемым объемом воздуха, подаваемого на регенерацию, а также количественные оценки величин k_I k_II const 0,0045 1/с, и

D_I D_II 110^-4 – 710^-4 м²/с, D_DI D_DII 110^-4 – 1,210^-3 м²/с,

характеризующих соответственно интенсивность детерминированных и случайных составляющих протекающих процессов с относительной погрешностью не превышающей 15%.

3. Метод определения и контроля статической и динамической влагоемкости силикагеля, пригодный для применения непосредственно в эксплуатационных условиях конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха, обеспечивающих содержание кабельных линий связи под избыточным давлением.

4. Результаты исследований процессов подготовки воздуха в установках для содержания кабельных линий связи под избыточным давлением 0,04-0,05 МПа, при абсолютной влажности не более 0,3 г/м³ и расходом осушенного воздуха не более 1,310^-3 нм³/с.

5. Технологический цикл работы и функциональная схема конденсационно-адсорбционной установки подготовки воздуха для содержания кабельных линий связи под избыточным давлением на основе процессов КБА с регулируемым объемом воздуха, подаваемого на регенерацию силикагеля.

6. Методика инженерного расчета конденсационно-адсорбционных установок на основе процессов КБА с регулируемым объемом воздуха, подаваемого на регенерацию силикагеля, повышающая не менее чем на 15%, по сравнению с существующими методиками расчета, точность оценки основных параметров технологических процессов подготовки воздуха.

Личный вклад автора:

1. Выполнены обзор и анализ научно-технических публикаций по процессам и установкам подготовки воздуха на основе КБА.

2. Разработана вероятностно-статистическая модель описания сорбционных процессов в конденсационно-адсорбционных установках подготовки воздуха, способная учитывать не только фактические свойства адсорбента, но и изменения в широких пределах как детерминированных, так и случайных составляющих протекающих процессов.

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования и найден набор определяющих комплексных показателей процессов, протекающих в конденсационно-адсорбционных установках подготовки воздуха.

4. Разработан новый алгоритм определения и контроля статической и динамической влагоемкости силикагеля, пригодный для применения непосредственно в эксплуатационных условиях конденсационно-адсорбционных установок для содержания кабельных линий связи под избыточным давлением.

5. Разработаны рекомендации по совершенствованию функциональной схемы и технологического цикла работы конденсационно-адсорбционной установки подготовки воздуха на основе процессов КБА с регулируемым объемом воздуха, подаваемого на регенерацию силикагеля и предложено техническое оформление их практической реализации.

6. Разработана инженерная методика расчета конденсационно-адсорбционных установок подготовки воздуха, в том числе обеспечивающая нахождение исходных данных для разработки процессов регулирования, управления и контроля, и прикладное программное обеспечение ее реализации.

Апробация работы. Основные положения и результаты

диссертационной работы обсуждались на заседаниях и научных семинарах кафедр холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения, а также экологии и промышленной безопасности МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Кроме того, результаты работы докладывались на следующих конференциях: 13-ой научно-практической конференции «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития» (Москва, 2016); Международной научно-практической конференции молодых ученых по проблемам техносферной безопасности в рамках первой всероссийской недели охраны труда (Москва, 2015); XXIV Международном научном симпозиуме «Неделя горняка – 2016» (Москва, 2016); V Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2016» (Москва, 2016).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ (3,57 п.л./2,97 п.л.), в том числе 3 в ведущих научных рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации для опубликования результатов диссертационных исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, основных обозначений, списка литературы и приложения. Работа содержит 248 страниц основного текста, 72 рисунка, 6 таблиц и 147 наименование литературных источников.

Особенности применения конденсационно-адсорбционного метода очистки и осушки сжатого воздуха

Эффективность конденсационно-адсорбционного метода очистки и осушки сжатого воздуха напрямую зависит от эффективности улавливания и удаления дисперсной фазы загрязнений механическими, физическими [53,86] и физико-химическими методами [118]. К первым из них можно отнести фильтрование, гравитационное, центробежное, электростатическое и термическое осаждение, акустическую агломерацию и ряд других [37,118]. Некоторые из этих методов по тем или иным причинам не нашли широкого применения в составе установок подготовки воздуха для кабельных линий связи [96,105].

В состав дисперсной фазы загрязнений сжатого воздуха наряду с капельной влагой обычно входят следы масел и продуктов их разложения, тяжелые углеводороды, содержащие более 6 атомов углерода, а также твердые частицы [15,23,50,129]. Основными их источниками являются атмосферный воздух, применяемый компрессор и трубопроводная система [3,23,54,79-81,97-104,123,140].

По данным [80,140] после промышленных поршневых компрессоров в сжатом воздухе обычно содержится 6-60 мг/м3 аэрозоля масла, после винтовых – 30-92 мг/м3, с максимумом до 2,8 г/м3 и более [81]. После полупромышленных поршневых компрессоров содержание масла в сжатом воздухе колеблется в более широких пределах от 0,03 г/м3 (для синтетических компрессорных масел [123]) до 1,5 г/м3 (для природных компрессорных масел [54]).

Экспериментальные исследования поведения масляных загрязнений в пневматических системах показали [3,81], что с повышением температуры наружного воздуха унос следов масла сжатым воздухом происходит на их все более отдаленные участки. Соответственно очистка и осушка воздуха должна осуществляться в зоне максимально возможного давления воздуха при минимально возможной его температуре [3,14].

В свою очередь это обуславливает необходимость применения в составе установок подготовки воздуха различных теплообменных аппаратов, обеспечивающих не только стабилизацию температурных режимов протекающих процессов, но и укрупнение частиц дисперсной фазы загрязнений, поскольку в этих условиях капельная влага и следы масла не обладают агрегативной устойчивостью [3,79].

Основные методы очистки сжатого воздуха от дисперсной фазы загрязнений, включая масла, детально проанализированы в работах [56,62, 81,118]. В рассматриваемых системах это позволило выделить в качестве основных методов удаления дисперсной фазы загрязнений гравитационное осаждение, центробежную очистку, а также фильтрование.

Для повышения эффективности протекающих процессов, применение гравитационного осаждения здесь оправдано в сочетании с коалисценцией и методом конденсации при повышенном давлении в области температур окружающей среды. В составе установок подготовки воздуха подобный подход можно использовать в качестве метода предварительного улавливания и удаления из сжатого воздуха дисперсной фазы загрязнений. Применение подобного подхода не гарантирует полного удаления высокодисперсных фракций твердых и жидких загрязнений, что требует использования других методов на последующих стадиях подготовки воздуха, в частности методов центробежного осаждения [81,86]. Однако их применение подразумевает наличие постоянных расходов очищаемого воздуха, что в рассматриваемых условиях зачастую не реализуется в полном объеме. Поэтому эффективное использование центробежных методов осаждения в составе подобного рода установок возможно лишь в сочетании с другими механическими методами, например, фильтрованием [56,86].

Воздушные фильтры могут обеспечивать абсолютную очистку от твердых загрязнений с размером частиц больше максимального размера пор применяемого фильтрующего материала [4,56,72,86,92,117,118].

Вместе с тем, по отношению к каплям жидких загрязнений указанным свойством процесс фильтрования сжатого воздуха не обладает [81]. Он обеспечивает лишь частичную очистку сжатого воздуха от капель масла и влаги, позволяя части жидкой фазы примесей проходить через поры фильтрующего материала. Эффективность очистки увеличивается при своевременной регенерации фильтров, например, с помощью методов обратной продувки, что может быть использовано в составе технологического процесса установок подготовки воздуха для кабельных линий связи.

Метод фильтрования в сочетании с центробежным осаждением широко применятся в серийных влагомаслоотделителях [18,88-91]. В настоящих исследованиях он детально не рассматривается и будет использован в качестве традиционного вспомогательного метода очистки и осушки воздуха от выскодисперсной фазы загрязнений в составе применяемого оборудования.

Несмотря на значительное отделение влаги и следов масла в указанных процессах очистки сжатого воздуха, их некоторая часть, в виде паров и высокодисперсного водомасляного тумана, может находиться в трубопроводах и аппаратах установок [3,79,81], что влияет на работу блоков адсорбционной осушки воздуха [129], в том числе с применением силикагеля [50]. Силикагели относятся к пористым структурам, которые обладают переменным составом как микро-, так и мезо- и макропор, что подтверждается разнообразием количественных характеристик петель гистерезиса в их изотермах адсорбции [35,65].

Подобный состав пор также во многом обуславливает отсутствие стойкости силикагеля к капельной влаге, что порождает повышенное пылеобразование и вызывает необходимость его модификаций путем введения в состав адсорбента того или иного количества различных упрочняющих добавок [121,141,143,146]. В свою очередь все это приводит к тому, что свойства силикагеля, выпущенного одним и тем же производителем в рамках одного нормативного документа [31], оказываются различными даже в условиях производства одного типа сорбента (Рисунок 1.2). Однако указанные особенности практически не исследованы и в полном объеме не учитываются в существующих методиках расчета.

Вероятностно-статистическая модель процесса осушки воздуха силикагелем в конденсационно-адсорбционных установках

Более того, в компрессорах без смазки цилиндров графитовые кольца генерируют высокодисперсную пыль, которая не задерживается современными средствами очистки и способна влиять на электроизоляцию кабелей, проникая в поры практически любого размера.

Известны случаи применения в составе КСУ и других типов компрессоров, использование которых носит единичный характер. По этой причине данные типы компрессоров в настоящей работе не рассматриваются.

В составе КГ поршневые компрессоры со смазкой цилиндров, используют как природные, так и синтетические масла. Более предпочтительным является применение синтетических компрессорных масел, резко снижающих поступление в сжатый воздух углеводородных соединений [5,54].

Исходное охлаждение сжатого воздуха в КГ с учетом отсутствия агрегатной устойчивости разделяемой дисперсной системы загрязнений в сжатом воздухе позволяет удалить из него значительную часть сконденсированной дисперсной фазы уже в ресивере КГ, уменьшая нагрузку на последующие ступени очистки и осушки воздуха.

Известно, что эффективность удаления сконденсированной дисперсной фазы в КГ зависит от температуры сжатого воздуха, средней продолжительности пребывания частиц дисперсной фазы в ресивере и полноты удаления сконденсированной фазы из него.

Фактически она определяется не только температурой на выходе из ресивера КГ, его объемом, производительностью компрессора и суммарным расходом воздуха, подаваемым в БОА, но и набором технологических мероприятий, обеспечивающих регулярное удаление сконденсированной фазы загрязнений из объема ресивера. Подобная комбинация физических методов осушки и очистки воздуха нашла широкое применение во многих типах современных КСУ [113,114]. Грамотная организация гравитационного осаждения частиц дисперсной фазы загрязнений в сочетании с процессами коалисценции, конденсации и переконденсации в области температур окружающей среды, при повышенном давлении воздуха способно обеспечить удаление в ресивере КГ до 80 % загрязнений. Однако некоторые производители КСУ с целью экономии основных затрат умышленно стремятся к сокращению величины объема ресивера КГ и/или не используют автоматические устройства для удаления сконденсированной дисперсной фазы загрязнений, что не только повышает нагрузку на последующие адсорбционную ступень очистки и осушки воздуха, но и существенно увеличивает влияние субъективных факторов на надежную работу всей системы в целом [138].

Компоновочное и аппаратное оформление БОА существующих КСУ [96] основано на традиционных принципах построения адсорбционных осушителей пневматических систем общепромышленного назначения с использованием комбинированных методов осушки и очистки воздуха. При этом при реализации конструктивных решений, специфические особенности работы системы содержания кабелей связи под избыточным воздушным давлением практически не учитываются, что оказывает непосредственное влияние на эффективность ее работы.

БОА предназначен для охлаждения, окончательной адсорбционной очистки и осушки воздуха, а также для контроля основных технологических параметров работы установки с автоматическим формированием управляющих и аварийных сигналов, передающихся в БВС.

Компоновочное и аппаратное оформление БОА в первую очередь использует различия в технологических процессах регенерации адсорбента [5,88,96,138]. По этому признаку они обычно подразделяются на блоки с термической и с безнагревной регенерацией адсорбента [23,50,73,80].

В общем случае, по принципам нагрева слоя сорбента адсорбционные осушители с термической регенерацией обычно подразделяют на осушители с продувкой слоя сорбента горячим воздухом и с нагревом слоя сорбента при помощи встроенных нагревательных элементов [50].

При регенерации слоя сорбента горячим воздухом, во избежание снижения степени осушки в первый период после подключения адсорбера на рабочую стадию, продувку целесообразно вести противотоком – в направлении, обратном направлению воздушного потока в стадии осушки [50]. Подобный вид регенерации противотоком обеспечивает наиболее высокий уровень безотказной работы адсорбционных осушителей в пневматических системах различного назначения [39].

При регенерации слоя сорбента с помощью нагревательных элементов, в случае нагрева через стенку для полноты регенерации и отдувки паров влаги из свободного объема адсорбера также необходима продувка сорбента противотоком достаточно сухим воздухом [50].

Однако в составе БОА подобные циклы регенерации не используется по технико-экономическим причинам, поскольку либо требуют повышенного расхода осушенного воздуха, необходимого для нагрева адсорбента, либо увеличивают негативное воздействие на адсорберы установок.

Исходя из технико-экономических показателей, наиболее широкое применение в составе БОА нашли циклы с нагревом слоя сорбента при помощи встроенных нагревательных элементов, обеспечивающих его равномерный обогрев [5,105]. В них применение противотока является не только нежелательным, но и опасным, так как наиболее ответственный лобовой слой сорбента охлажден и, следовательно, регенерируется неполностью. При осушке этот слой становится концевым и воздух, проходя через него, увлажняется. При прямотоке же в этом случае недостаточно осушенный воздух будет обработан последующими слоями адсорбента, причем здесь продувку можно осуществлять холодным регенерирующим газом с достаточно высоким влагосодержанием.

Экспериментальный стенд для комплексного исследования определяющих процессов подготовки воздуха

Остановка работы компрессора 2 происходит по команде блока управления установкой при условии, когда текущее значение давления р, зарегистрированное датчиком давления 6, становится не менее давления остановки компрессора рост, т.е. при выполнении условия р рост, заданного в программе блока управления установкой.

При этом в рабочем диапазоне давлений рзап р рост оценивается средняя производительность компрессора QКср в каждом цикле его работы и происходит ее сравнение с минимально допустимой величиной средней производительности компрессора gmn исходно заданной в программе блока управления установкой. При выполнении условия QКср Qmn в блоке управления установкой происходит формирование и подача соответствующего аварийного сигнала, а также блокировка последующей работы установки.

Аналогичный аварийный сигнал подается, когда текущая контролируемая с помощью датчика 21 температура рабочего помещения Траб выходит за пределы рабочего интервала температур установки Тmin Траб Тmax, причем последующая работа установки также блокируется. Выбор технологического цикла установки с мокрым или сухим ресивером 5 осуществляется по показаниям гигрометра 20. Безопасность работы установки обеспечивается прессостатом 19.

В технологическом цикле с мокрым ресивером 5 заданного объема - Vрес (по воде), происходит не только накопление влажного насыщенного воздуха, но и его предварительная очистка от дисперсной фазы загрязнений. Этот технологический цикл является основным в работе установки. При этом частично уловленная дисперсная фаза загрязнений автоматически удаляется из ресивера 5 через линию слива конденсата 7 в каждом цикле работы компрессора 2. На выход из ресивера 5 влажный воздух поступает с частицами высокодисперсной фазы загрязнений и постоянной концентрацией паров воды - срес, большей концентрации ее насыщенных паров - cs. Дальнейшая многоступенчатая очистка насыщенного влажного воздуха от высокодисперсной фазы загрязнений происходит в последовательно установленных теплообменном аппарате 8, фильтре 9, а также фильтрах 10а и/или 10б. Поскольку все указанные фильтры оснащены устройствами автоматического слива конденсата, после прохождения управляющих клапанов 11а и/или 11б, влажный воздух поступает соответственно в цилиндрические вертикальные адсорберы с неподвижным однородным слоем адсорбента 12а и/или 12б в состоянии близком к состоянию насыщения с постоянной относительной влажностью % = 100%.

Окончательная очистка и осушка воздуха от влаги, углеводородов, следов масла и продуктов его разложения происходит в адсорберах 12а и/или 12б, имеющих одинаковый рабочий объем - Vраб, который подлежит последующему расчетному определению. При этом в процессе эксплуатации установки свойства адсорбента относительно медленно изменяются, как за счет влияния циклических механических нагрузок, так и за счет влияния загрязнений.

Далее, в каждом цикле работы установки после открытия в атмосферу управляющего клапана 11а или 11б, меньшая часть осушенного и очищенного воздуха после выхода из адсорбера 12б или 12а соответственно, через обратный клапан 14а или 14б, пройдя редукционный клапан 15, дроссельный вентиль 16 и обратный клапан 13а или 13б поступает с постоянным, но заранее неизвестным расходом Qp для регенерации сорбента в адсорбере 12а или 12б. Давление на выходе из редукционного клапана 15 регистрируется датчиком давления 17. При этом в процессе автоматического управления установкой необходимо определить минимальный объем воздуха гшп, требуемый для эффективной регенерации адсорбента в каждом цикле ее работы. После чего ограничить объем воздуха, подаваемого на регенерацию рег, путем своевременного закрытия соответствующего управляющего клапана при выполнении условия Урег Ушп. Если, выполнение этого условия не обеспечивается к моменту повторного запуска компрессора, в блоке управления установкой происходит формирование и подача соответствующего аварийного сигнала. Аналогичный аварийный сигнал подается и в случае, если время регенерации Доказывается меньше минимально допустимого времени регенерации сорбента t n tрег.

В процессе управления установкой необходимо учитывать, что основная часть подготовленного воздуха, через обратные клапаны 14а и/или 14б, непрерывно подается через редукционный клапан 18 в последующие рабочие объемы установки практически с постоянным, но заранее неизвестным расходом QП = const.

По мере расходования воздуха, давление в ресивере 5 понижается и после выполнения условия р рзап, объем воздуха, обработанный за один цикл работы установки, достигает величины - Vc, после чего происходит инверсия управляющих сигналов, и цикл работы установки повторяется. Определение величин QКср, Qp и QП, Vc, Vрег производится в каждом цикле работы установки с помощью термодинамических методов расчета по показаниям датчика давления 6 при одновременной регистрации временных характеристик протекающих процессов.

Поливариантный технологический цикл работы конденсационно адсорбционных установок подготовки воздуха на основе процессов КБА

После закрытия дроссельного вентиля 32 и открытия запорного клапана 25 воздух через рабочий участок 29 подается в БИ III с помощью соответствующего дроссельного вентиля распределительной панели 24 и дроссельного вентиля 36. Требуемая температура в термостате 34 устанавливается с помощью встроенного регулируемого температурного реле и контролируется при помощи встроенного датчика температуры. При этом температура на выходе из нижней части теплообменного аппарата 27 контролируется с помощью датчика температуры 30. Кроме того, при необходимости воздух при влажности 100% может быть направлен через обводную магистраль непосредственно в рабочий участок 29 при закрытых редукционном клапане 18, вентиле 23 и дроссельном вентиле 32 путем открытия вентилей 25 и 33.

В состав секции IIб входят запорный вентиль 38, основной датчик давления 39, управляющие клапаны 40, 41 со сбросом воздуха через глушители 7 в сборники 8. На выходе из клапанов соответственно установлены фильтры влагоотделители 42, 43 с автоматическим сливом конденсата при снижении давления до уровня атмосферного. Входы и выходы исследуемых образцов 44, 45 с помощью быстроразъемных соединений 28 соединены с выходами фильтров вдагоотделителей 42, 43 и обратными клапанами 46, 47, 48, 49. Элементы 40, 42, 44, 46 и 48 образуют с элементами 41, 43, 45, 47 и 49 два симметричных канала, соединенных между собой при помощи трубопровода, подсоединенного к дроссельному вентилю 50 на входе которого установлен редукционный клапан 51, давление на его выходе контролируется с помощью датчика давления 52.

В зависимости от условий эксперимента секция IIб включала стандартные технические показывающие манометры марки «МТ» с классом точности 1,5 с пределами измерений от 0 до 1, 1,6, 2,5, 4, 6, 10 и 16 кгс/см2. 146 Температурные характеристики на входе и выходе исследуемых образцов 44, 45 регистрировались с помощью датчиков температуры 53 с основной погрешностью измерений не превышающей ±0,2оС. Отбор проб в систему измерения влажности БИ III из каждого канала осуществляется на входе и выходе из исследуемых образцов 44 и 45 с помощью соответствующих дроссельных вентилей 54. Выходы обратных клапанов 48, 49 и вход редукционного клапана 51 подсоединены с помощью гибких трубопроводов к входу редукционного клапана 55, выход которого соединен с входом редукционного клапана 56. На выходе редукционного клапана 55 установлен манометр 57, при этом, через дроссельный вентиль 58 выход клапана 55 соединен с системой измерения влажности БИ III. На выходе редукционного клапана 56 установлен датчик давления 59 и дроссельный вентиль 60, выход которого с помощью трубопровода соединен с системой измерения расходов осушенного воздуха БИ III и секций IIа с помощью редукционного клапана 37.

Секция IIб в основном автоматическом режиме работает следующим образом: предварительно очищенный и осушенный воздух из блока I через открытый вентиль 38 с влажностью 100% поступает в управляющие клапана 40, 41. При достижении минимального рабочего давления, контролируемого основным датчиком давления 39, одновременно с запуском компрессора блока I, на клапан 40 подается управляющие напряжения 24 В. Это приводит к закрытию его основного канала и весь поток воздуха при давлении, контролируемым основным датчиком давления 39, направляется в основной канал управляющего клапана 41. Избыточное давление на выходе управляющего клапана 41 закрывает встроенный клапан сброса конденсата фильтра влагоотделителя 43, после чего воздух через быстроразъемное соединение 28 направляется в адсорбент исследуемого образца 45 и закрывает обратный клапан 47.

При достижении величины максимального рабочего давления, напряжение 380 В по сигналу блока автоматики, который формируется по показаниям основного датчика давления 39, снимается с электродвигателя компрессора КГ I и он останавливается. При этом происходит автоматическое удаление конденсированной фазы загрязнений из КГ I с помощью кратковременного открытия клапана 13.

Температура воздуха на входе и выходе в исследуемый образец контролировалась с помощью соответствующих датчиков температуры 53, а влажность воздуха определялась в системе измерения влажности БИ III методом отбора проб через соответствующие дроссельные вентили 54.

Осушенный воздух, пройдя исследуемый образец 45, после его быстроразъемного соединения 28, разделяется на два потока. Основной поток через обратный клапан 49 поступает на вход редукционного клапана 55. Давление на выходе редукционного клапана 55 контролируется с помощью манометра 57, а влажность воздуха определяется в системе измерения влажности БИ III методом отбора проб через дроссельный вентиль 58. Последующее снижение давления осуществляется в редукционном клапане 56 и контролируется с помощью датчика давления 59, после чего основной поток осушенного воздуха через дроссельный вентиль 60 покидает секцию IIб и направляется в секцию IIа через дроссельный вентиль 36 и/или в систему измерения расходов осушенного воздуха БИ III.

Вспомогательный поток воздуха после выхода из быстроразъемного соединения 28 исследуемого образца 45 поступает через обратный клапан 49 в редукционный клапан 51 и, пройдя дроссельный вентиль 50, через обратный клапан 46, при закрытом обратном клапане 47, через быстроразъемное соединение 28 исследуемого образца 44, поступает противотоком в его внутренний объем, осуществляя процесс безнагревной регенерации адсорбента. При этом давление на выходе из редукционного клапана 51 контролируется с помощью датчика давления 52. Пройдя исследуемый образец 44, влажный воздух через быстроразъемное соединение 28 поступает противотоком в фильтр влагоотделитель 42 и выводится в сборник 8 как из фильтра влагоотделителя 42, так и из глушителя 7.