BR112016024517B1

BR112016024517B1 - Compressor de múltiplos estágios e método para controlar a velocidade do ventilador de um ventilador de arrefecimento de um compressor

Info

Publication number: BR112016024517B1
Application number: BR112016024517-2A
Authority: BR
Inventors: Jeffrey Hritz
Original assignee: Westinghouse Air Brake Technologies Corporation
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2022-09-20
Also published as: JP6445589B2; WO2015171868A1; CA2948340A1; BR112016024517A2; CA2948340C; MX2016013334A; US20150322934A1; JP2017516013A; US9951763B2

Abstract

COMPRESSOR DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS E MÉTODO PARA CONTROLAR VELOCIDADE DO VENTILADOR DE UM VENTILA-DOR DE ARREFECIMENTO DE UM COMPRESSOR Um primeiro elemento de arrefecimento é conectado entre o primeiro estágio de compressão e o segundo estágio de compressão. Um segundo elemento de arrefecimento é conectado a uma descarga do segundo estágio de compressão. O compressor de múltiplos estágios adicionalmente inclui a unidade de arrefecimento para proporcionar fluxo de ar de arrefecimento ao primeiro e segundo elementos de arrefecimento. A unidade de arrefecimento inclui um ventilador e um primeiro sensor de temperatura que determina a temperatura de gás descarregado a partir do primeiro elemento de arrefecimento. A unidade de arrefecimento é configurada para aumentar ou diminuir a velocidade do ventilador com base na temperatura determinada pelo primeiro sensor de temperatura. Um método de controlar a velocidade do ventilador de um ventilador de arrefecimento de um compressor é também proporcionado.

Description

Referência cruzada a pedido relacionado

[001] O presente pedido reivindica prioridade ao pedido de patente provisória norte-americana No. 61/991,193, depositado em 9 de maio de 2014, e pedido de patente norte-americana No. 14/704,586, depositado em 5 de maio de 2015, as descrições dos quais se encontram aqui incorporadas por referência em suas totalidades.

Antecedentes da Invenção Campo da Invenção

[002] A presente descrição se refere a um compressor de múltiplos estágios e, mais particularmente, a um compressor de múltiplos estágios com uma unidade de arrefecimento que inclui um ventilador de arrefecimento controlado por sensores de temperatura localizados entre estágios de compressão do compressor de múltiplos estágios.

Descrição da técnica relacionada

[003] Compressores de ar mecânicos de estágio único são bem conhecidos na técnica. Os referidos compressores de estágio único incluem um mecanismo de acionamento para o ar comprimido contido no interior de uma câmara de compressão, tal como um mecanismo do tipo de pistão e cilindro, centrifugo, de fluxo axial, ou de turbina. Os mecanismos mais simples e mais comuns em uso são o arranjo de pistão e cilindro. No referido tipo, um gás, tal como ar, é admitido por meio de uma válvula no interior do cilindro onde um pistão recíproco no cilindro comprime o gás e desloca o gás comprimido a um conduto ou reservatório a partir do qual o mesmo pode ser obtido para uso como pode ser necessário. Por exemplo, o gás comprimido pode ser usado para operar os freios de um veículo ferroviário.

[004] Compressores de ar de múltiplos estágios são também conhecidos. Os referidos compressores de múltiplos estágios são utilizados para comprimir gases a pressões que são mais altas do que normalmente podem ser alcançadas com um compressor de um único estágio. Os referidos compressores de múltiplos estágios normalmente incluem uma pluralidade de compressores mecânicos de estágio único conectado um ao outro em série, de modo que o gás comprimido é passado a partir de um estágio para o próximo. A pressão do gás aumenta em cada estágio sucessivo. Em um pistão e cilindro tipo compressor, ar ou gás, em pressão e temperatura ambiente, é admitido no interior do cilindro do primeiro compressor estágio onde um primeiro pistão recíproco comprime o gás e desloca o mesmo para o segundo estágio, e assim por diante através de todos os estágios no sistema. Cada estágio adicionalmente comprime o gás anteriormente comprimido até a pressão final desejada ser alcançada.

[005] Compressores de múltiplos estágios em geral incluem etapas de arrefecimento do gás comprimido entre pelo menos alguns dos vários estágios do compressor. O arrefecimento o gás comprimido entre estágios garante que a compressão geral seja mais isotérmica do que adiabática. Mais especificamente, em virtude da lei de gás ideal, (PV = nRT), cada estágio de compressão do gás fará um aumento em pressão, P, como pretendido, e também causará um aumento diretamente proporcional na temperatura do fluido.

[006] Embora o referido aumento em temperatura do gás não seja normalmente um problema em um típico compressor de um único estágio onde um definido volume de ar é comprimido apenas uma vez, as pressões de ar relativamente altas obtidas na maioria dos compressores de múltiplos estágios pode resultar no ar comprimido tendo temperaturas excessivas e problemáticas. Assim sendo, é necessário se realizar a etapa de arrefecimento intermediária do gás comprimido entre os vários estágios de compressão. A etapa de arrefecimento intermediária pode ser realizada por um elemento de arrefecimento, referido como um permutador de calor interno, tal como um radiador ou trocador de calor.

[007] A água sai como vapor em praticamente qualquer ar ambiente a ser comprimido em um compressor convencional. O teor de água é quantificado como a umidade relativa do ar. A umidade relativa do ar, expressa como um valor percentual, é a relação de (a) o vapor de água atualmente presente no ar, em comparação a (b) a pressão de saturação de vapor na temperatura em questão. Uma vez que a pressão de saturação de vapor é uma função da temperatura do ar, na medida em que a temperatura aumenta por qualquer determinada amostra de ar, a pressão de saturação de vapor aumenta, e, desse modo, a umidade relativa diminui. Quando o ar é comprimido por um compressor de ar com pouca ou nenhuma mudança causada externamente em temperatura, a temperatura do ar comprimido é aumentada em proporção ao aumento em pressão. Em virtude da pressão de saturação de vapor de água ser dependente da temperatura do ar, segue que quando a temperatura é aumentada a pressão de saturação de vapor é também aumentada.

[008] Posteriormente, se o ar comprimido é resfriado com um permutador de calor interno, não é incomum para a pressão de vapor de água no ar comprimido exceder a pressão de saturação de vapor para o ar comprimido. Portanto, não é incomum que esse fenômeno cause significantes quantidades de água sejam condensadas como líquido no interior do sistema. A água livre no interior do compressor causa uma variedade de problemas, tal como oxidação (por exemplo, ferrugem) dos componentes do compressor, e mais significantemente, faz com que a água condensada seja misturada no interior do óleo lubrificante no interior do reservatório do compressor. A referida diluição do óleo lubrificante no compressor com água pode prejudicar gravemente a operação normal do compressor, assim como reduzir a sua vida útil de modo geral. Por exemplo, a formação de ferrugem pode causar vazamento da válvula. Adicionalmente, a água que percorre em altas velocidades através de válvulas do compressor pode causar desgaste, vazamento, e eventual falha dos componentes da válvula. Portanto, é desejável se substancialmente minimizar ou eliminar a condensação da referida água no interior de qualquer compressor.

[009] Compressores de múltiplos estágios com frequência também incluem uma etapa de arrefecimento adicional, referido como um arrefecedor final. No arrefecedor final, a descarga a partir do estágio de compressão final é resfriada a uma temperatura próxima da temperatura ambiente antes dela sair do compressor. O arrefecedor final funciona para diminuir a temperatura do ar comprimido para permitir que a quantidade máxima de vapor de água aprisionado se condense em forma de água antes de ser descarregado a partir do compressor. A água pode ser coletada e drenada a partir do compressor. Opcionalmente, o ar comprimido e resfriado pode ser passado através de um secador de ar em linha para remover vapor de água restante a partir do mesmo. O arrefecimento do ar antes de passar o mesmo através do secador de ar em linha foi observado aprimorar a operação e a eficiência do secador de ar, que também aprimora a qualidade do ar à jusante.

[010] Entretanto, em condições ambientes que estão abaixo do congelamento, a condensação da água no interior do arrefecedor final pode congelar no interior do arrefecedor final ou antes da mesma ser removida a partir do compressor através da drenagem. O congelamento da linha de ar pode bloquear o fluido a partir do compressor existente e tornar o compressor inútil. Os bloqueios no interior da linha de ar podem também causar uma superpressurização arriscada no interior de sistemas que não são adequadamente protegidos por válvulas de segurança. Portanto, é altamente desejável se manter a temperatura do ar descarregado acima da do congelamento, o que também reduz condensação da água na descarga do arrefecedor final.

[011] De modo a evitar a condensação e/ou o congelamento de fluido condensado no interior do compressor, vários arranjos ou mecanismos para controlar a temperatura de gás que passa através de um elemento de arrefecimento, tal como um permutador de calor interno ou arrefecedor final, são conhecidos. Por exemplo, patente norte-americana No. 5,885,060 para Cunkelman et al. (daqui em diante “a patente de Cunkelman”) e a patente norte-americana No. 6,283,725 para Goettel et al. (daqui em diante “a patente de Goettel”), cada uma das quais está aqui incorporada por referência em sua totalidade, descreve compressores de múltiplos estágios que usam vários arranjos de desvio para permitir que uma porção do gás comprimido se desvie do permutador de calor interno ou arrefecedor final. O gás desviado é misturado com gás resfriado pelo permutador de calor interno ou arrefecedor final na descarga do permutador de calor interno ou de arrefecedor final para aquecer o gás resfriado. O arranjo de desvio pode ser otimizado para garantir que o gás misturado é mantido no interior de uma faixa de temperatura específica que é ótima para a operação do compressor. Nesse caso, o arranjo pode incluir um controlador e uma chave ou válvula para garantir que a quantidade correta de gás entre no desvio para garantir que a temperatura desejada seja mantida na descarga do permutador de calor interno ou do arrefecedor final.

[012] Mais especificamente, a patente de Cunkelman descreve um sistema de permutador de calor interno controlado por termostato que evita a condensação de um gás no interior do compressor. O sistema inclui uma válvula de três vias controlada por uma unidade de controle. A unidade de controle opera a válvula de três vias para permitir que o ar resfriado, o ar não resfriado, ou uma combinação dos mesmos passe a um segundo ou subsequente estágio de compressão. A válvula pode incluir um controle de temperatura embutido que opera de modo que o ar na descarga do arrefecedor seja mantido no interior de uma faixa de temperatura desejada. A patente de Goettle descreve um arranjo de desvio de arrefecedor final no qual o ar não resfriado é direcionado em torno do arrefecedor final e misturado com o ar resfriado na descarga do arrefecedor. O arranjo de desvio inclui uma válvula de segurança de três vias, como descrito acima. O valor é controlado de modo que a temperatura do ar na descarga do arrefecedor final é mantida em ou acima da temperatura de congelamento para o fluido sendo comprimido.

[013] Entretanto, o referido desvio de ar e os arranjos de mistura são desnecessariamente complexos, necessitando de condutos dedicados ou canais de fluido para orientar fluxo de ar em torno dos elementos de arrefecimento. Adicionalmente, uma vez que a maior parte dos compressores de múltiplos estágios inclui não só um permutador de calor interno mas também um arrefecedor final, é em geral necessário para incluir arranjos de desvio dedicados e independentes para cada elemento de arrefecimento usado no compressor. Desse modo, há uma necessidade de um sistema mais simples ou método para controlar a temperatura do ar entre estágios de compressão de um compressor de múltiplos estágios que controla a temperatura na descarga do permutador de calor interno e do arrefecedor final usando o mesmo dispositivo ou mecanismo. Adicionalmente, o arranjo ou sistema deve ser capaz de integrar com os elementos existentes de um sistema compressor. O compressor de múltiplos estágios e método descritos daqui em diante é pretendido para ir de encontro e aprimorar os referidos itens. Sumário da Invenção

[014] Em vista do que foi dito acima, um compressor de múltiplos estágios é proporcionado aqui. O compressor inclui uma unidade de arrefecimento com um ventilador de arrefecimento. A unidade de arrefecimento é configurada para resfriar o gás entre estágios de compressão do compressor de múltiplos estágios para evitar os danos causados por condensação ou temperaturas elevadas no compressor. A unidade de arrefecimento é também configurada para evitar que o gás resfriado se condense e se congele em seguida de um estágio de compressão final.

[015] Mais particularmente um compressor de múltiplos estágios inclui um primeiro estágio de compressão para comprimir um gás recebido e um segundo estágio de compressão conectado em série com o primeiro estágio de compressão que recebe e adicionalmente comprime o gás a partir do primeiro estágio. Um primeiro elemento de arrefecimento é conectado entre o primeiro estágio de compressão e o segundo estágio de compressão para o arrefecimento do gás em seguida da compressão no primeiro estágio. Um segundo elemento de arrefecimento é conectado à descarga do segundo estágio de compressão para o arrefecimento do gás em seguida da compressão no segundo estágio de compressão. O compressor de múltiplos estágios adicionalmente inclui a unidade de arrefecimento para proporcionar fluxo de ar de arrefecimento ao primeiro e segundo elementos de arrefecimento. A unidade de arrefecimento inclui um ventilador configurado para proporcionar ar de arrefecimento ao primeiro elemento de arrefecimento e o segundo elemento de arrefecimento, um primeiro sensor de temperatura que determina a temperatura do gás descarregado a partir do primeiro elemento de arrefecimento, e um segundo sensor de temperatura que determina a temperatura do gás descarregado a partir do segundo elemento de arrefecimento. A unidade de arrefecimento é configurada para aumentar ou diminuir a velocidade do ventilador com base na temperatura determinada pelo primeiro sensor de temperatura e/ou o segundo sensor de temperatura.

[016] De acordo com outro aspecto da presente descrição, um método para controlar a velocidade do ventilador de um ventilador de arrefecimento de um compressor de múltiplos estágios é proporcionado. O método inclui as etapas de proporcionar um gás a um primeiro estágio de compressão de um compressor de múltiplos estágios para produzir um gás comprimido; proporcionar o gás comprimido a um primeiro elemento de arrefecimento; e determinar a temperatura de descarga do gás após o gás passar através do primeiro elemento de arrefecimento. O método adicionalmente inclui a etapa de aumentar a velocidade do ventilador de um ventilador de arrefecimento que proporciona o ar de arrefecimento ao primeiro elemento de arrefecimento quando a temperatura de descarga excede a temperatura operacional ótima mínima.

[017] O que foi dito acima e outras características e qualidades, assim como os métodos de operação e funções dos elementos relacionados de estruturas e a combinação de partes e economias de fabricação, se tornarão mais aparentes ao se considerar a descrição a seguir e as reivindicações em anexo com referência aos desenhos em anexo, todos os quais formam uma parte da presente especificação, em que números de referência similares designam partes correspondentes nas várias Figuras. Deve ser entendido, entretanto, que os desenhos são apenas com o intuito de ilustração e de descrição e não são pretendidos como uma definição dos limites da presente invenção. Como usado na presente especificação e nas reivindicações, a forma singular de “a”, “um”, e “o” incluem os referentes plurais a não ser que o contexto indique claramente de outro modo.

Breve Descrição dos Desenhos

[018] Algumas das vantagens e das características das modalidades preferidas da presente invenção foram resumidas aqui acima. As referidas modalidades, junto com outras modalidades em potencial dos dispositivos, se tornarão aparentes para aqueles versados na técnica quando referenciando os desenhos a seguir em conjunto com as descrições detalhadas como elas se referem às Figuras.

[019] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um compressor de ar para veículos ferroviários mostrado em associação com um ventilador de arrefecimento, como é conhecido na técnica anterior;

[020] a Figura 2 é um desenho esquemático de um compressor de múltiplos estágios e uma unidade de arrefecimento de acordo com uma modalidade; e

[021] a Figura 3 é um desenho esquemático de uma porção de um compressor de múltiplos estágios que inclui um desvio de arrefecedor final, de acordo com outra modalidade.

Descrição Detalhada da Realização Preferida

[022] Para fins da descrição daqui em diante, os termos de orientação espacial, como usados, devem se referir à modalidade referenciada na medida em que a mesma é orientada nas Figuras dos desenhos em anexo ou de outro modo descritos na descrição detalhada a seguir. Entretanto, deve ser entendido que as modalidades descritas daqui em diante podem assumir muitas variações e configurações alternativas. Deve também ser entendido que os componentes, dispositivos, e características específicas ilustradas nas Figuras dos desenhos em anexo e descritos aqui são simplesmente exemplificativos e não devem ser considerados como limitantes.

[023] Com referência à Figura 1, um compressor de múltiplos estágios de ar 102, como é conhecido na técnica anterior, é ilustrado. O compressor 102 inclui múltiplos cilindros de compressão, ou seja, um primeiro cilindro do pistão 110, um segundo cilindro do pistão 112, e um terceiro cilindro de compressão 113. Os cilindros do pistão 110, 112, 113 são suportados por um alojamento do compressor 114 ou cárter do motor e são cada um dos quais orientados por um conjunto de cárter do motor disposto no interior do alojamento do compressor 114 e suportado em modo de rotação pelo alojamento 114. O compressor 102 pode usar vários mecanismos de lubrificação a óleo para evitar que os componentes mecânicos, tal como o conjunto de cárter do motor, sofram superaquecimento durante o uso. Em operação, um pistão (não mostrado) no primeiro cilindro do pistão 110 opera em um movimento recíproco gerado por meio do conjunto de cárter do motor. Um gás, tal como ar, no interior do alojamento do compressor 114 é sorvido para no interior do primeiro cilindro do pistão 110 como um resultado do movimento para baixo do pistão e é comprimido durante o movimento para cima do pistão. Uma válvula associada com o primeiro cilindro 110 se abre durante o movimento para cima do pistão, com o que o gás no primeiro cilindro 110 é guiado para fora do primeiro cilindro 110 e é alimentado para uma porção de entrada associada com o segundo cilindro do pistão 112. O gás sofre um segundo estágio de compressão no segundo cilindro do pistão 112.

[024] O compressor de múltiplos estágios 102 ilustrado na Figura 1 pode ser associado com a unidade de arrefecimento que inclui elementos de arrefecimento, ou seja, um permutador de calor interno 120 e um arrefecedor final 122, assim como um ventilador de arrefecimento 118 para proporcionar o ar de arrefecimento aos elementos de arrefecimento. O gás comprimido pode ser passado através do permutador de calor interno 120 ou do arrefecedor final 122 para o arrefecimento em seguida de um estágio de compressão para evitar que a temperatura do gás comprimido exceda uma temperatura operacional ótima máxima. O compressor 102 adicionalmente inclui linhas de desvio 124 para desviar o gás comprimido em torno dos elementos de arrefecimento. Como descrito acima em conexão com a patente de Goettel e a patente de Cunkelman, as linhas de desvio 124 são usadas para desviar o gás comprimido em torno dos elementos de arrefecimento e então misturar o gás desviado com gás descarregado a partir dos elementos de arrefecimento. O gás desviado mais quente aumenta a temperatura de gás na descarga dos elementos de arrefecimento para evitar a condensação e/ou para evitar que o líquido condensado se congele.

[025] Compressores de ar livres de óleo são também conhecidos na técnica anterior. Compressores de ar livres de óleo usam o ar de arrefecimento a partir do ventilador de arrefecimento 118 para resfriar as partes mecânicas do compressor 102, tal como o conjunto de cárter do motor e mecanismo de compressão. Um exemplo de um compressor de ar livre de óleo, que pode ser modificado para incluir a unidade de arrefecimento da presente descrição, é descrito no pedido de patente norte-americana publicado sob o No. 2012/0192710 de Moore et al., que é aqui incorporada por referência em sua totalidade. Outro compressor de múltiplos estágios de ar livre de óleo é descrito no pedido de patente norte-americana publicado sob o No. 2015/0075369 de Kapadia et al., que é também aqui incorporada por referência em sua totalidade.

[026] Tendo descrito um compressor de ar livre de óleo como é conhecido na técnica anterior, um compressor de múltiplos estágios tendo uma unidade de arrefecimento para ar de arrefecimento comprimido em seguida de estágios de compressão será agora descrito em detalhes. A unidade de arrefecimento descrita daqui em diante e ilustrada na Figura 2 pode incluir o mesmo ventilador de arrefecimento usado para proporcionar ar frio ao conjunto de cárter do motor na modalidade acima descrita de um compressor livre de óleo ou pode incluir mecanismos separados de arrefecimento dedicados para o arrefecimento o gás comprimido.

[027] Com referência à Figura 2, uma modalidade de um compressor de múltiplos estágios 20 é ilustrada. O compressor 20 inclui uma unidade de arrefecimento controlada por termostato 22 para evitar que a água ou outros líquidos se condensem no interior do compressor 20 entre cada estágio de compressão e para evitar que o líquido condensado se congele em seguida do estágio de arrefecimento final. Como será descrito daqui em diante, isso é realizado por controlar a temperatura do gás comprimido entre estágios de compressão a uma temperatura alvo que evita que a pressão de vapor de água do gás exceda a pressão de saturação de vapor para o gás comprimido a uma determinada temperatura. A unidade de arrefecimento 22 também evita que a temperatura do gás no compressor 20 exceda uma pressão operacional máxima ótima. Adicionalmente, a unidade de arrefecimento 22 é configurada para manter a temperatura de gás comprimido na descarga do compressor 14 acima do ponto de congelamento do líquido condensado.

[028] O compressor 20 inclui pelo menos dois estágios de compressão, ou seja, um primeiro estágio de compressão 3 e um segundo estágio de compressão 6. Os estágios de compressão 3, 6 podem incluir vários mecanismos de compressão, tal como mecanismos de tipo cilindro do pistão, tipo centrífugo, tipo de fluxo axial, ou tipo de turbina, como são conhecidos na técnica. Em determinadas modalidades, o compressor de múltiplos estágios 20 pode também incluir qualquer número de estágios de compressão adicionais posicionados antes do primeiro estágio de compressão 3 ou entre o primeiro estágio de compressão 3 e o segundo estágio de compressão 6 para proporcionar compressão adicional do gás como necessário para diferentes aplicações. O gás G, tal como o ar ambiente, é proporcionado ao primeiro estágio de compressão 3 através de uma porção de entrada do compressor 1 e elemento filtrante de entrada 2. Após o primeiro estágio de compressão 3, o gás comprimido G é proporcionado a um primeiro elemento de arrefecimento, referido daqui em diante como um permutador de calor interno 4, posicionado entre o primeiro estágio de compressão 3 e o segundo estágio de compressão 6. Um segundo elemento de arrefecimento, referido daqui em diante como um arrefecedor final 7, é conectado à descarga porção do segundo estágio de compressão 6 para o arrefecimento do gás comprimido em seguida da compressão no segundo estágio de compressão 6. O permutador de calor interno 4 e o arrefecedor final 7 podem ser radiadores ou trocadores de calor, como são conhecidos na técnica, para transferir calor a partir do gás comprimido ao alojamento do compressor ou em afastamento a partir do compressor 20.

[029] Ainda com referência à Figura 2, o compressor de múltiplos estágios 20 adicionalmente inclui uma unidade de arrefecimento 22 tendo um ventilador de arrefecimento 10 para orientar o ar de arrefecimento A em direção do permutador de calor interno 4 e o arrefecedor final 7. Como descrito acima, o ventilador de arrefecimento 10 pode ser o mesmo ventilador de arrefecimento que proporciona o ar de arrefecimento ao conjunto de cárter do motor de um compressor livre de óleo, tal como o compressor livre de óleo descrito na publicação de Moore. O ventilador de arrefecimento 10 pode ser acoplado a e orientado por um compressor árvore de manivela 11. A árvore de manivela 11 pode ser o mesmo eixo que aciona os mecanismos de compressão dos estágios de compressão 3, 6. Alternativamente, o ventilador de arrefecimento 10 da unidade de arrefecimento do compressor 22 pode ser um ventilador separado configurado para orientar o ar de arrefecimento A para o permutador de calor interno 4 e o arrefecedor final 7. Em determinadas modalidades alternativas, os ventiladores de arrefecimento separados podem ser usados para proporcionar ar de arrefecimento ao permutador de calor interno 4 e ao arrefecedor final 7.

[030] A unidade de arrefecimento 22 adicionalmente inclui pelo menos um sensor de temperatura para medir temperatura de gás comprimido no compressor 20. Em uma modalidade, o sensor, referido daqui em diante como um primeiro sensor de temperatura 5, é posicionado para determinar a temperatura de gás G descarregado a partir do permutador de calor interno 4. Por exemplo, o primeiro sensor de temperatura 5 pode ser posicionado em um conduto de descarga que conecta o permutador de calor interno 4 ao segundo estágio de compressão 6. A unidade de arrefecimento 22 pode também inclui um segundo sensor de temperatura 8 que determina a temperatura de gás G descarregado a partir do arrefecedor final 7. Por exemplo, o segundo sensor de temperatura 8 pode ser posicionado na tubulação de descarga que conecta o arrefecedor final 7 à descarga do compressor 14. Embora os sensores de temperatura 5, 8 sejam descritos daqui em diante como sendo posicionados na descarga do permutador de calor interno 4 e do arrefecedor final 7, respectivamente, é entendido que os sensores 5, 8 podem ser dispostos em qualquer local que tenha a temperatura que é idêntica ou proporcional à temperatura do gás G descarregado a partir do respectivo elemento de arrefecimento. Por exemplo, o segundo sensor 8 pode ser posicionado na corrente de ar para a descarga do compressor 14 ou em ar ambiente.

[031] Os sensores de temperatura 5, 8 podem ser qualquer tipo de sensor adequado para medir as temperaturas no interior das faixas experimentadas no interior dos respectivos locais de descarga. Em uma modalidade, os sensores 5, 8 são chaves binárias que emitem um sinal quando a temperatura medida excede um valor predeterminado, no caso do primeiro sensor 5, ou cai abaixo de um valor predeterminado, no caso do segundo sensor 8. Alternativamente, os sensores 5, 8 podem ser arranjos elétricos mais sofisticados capazes de medir valores de temperatura atual. Por exemplo, termistores ou termopares, como são conhecidos na técnica, podem ser usados para esse fim.

[032] Como mostrado na Figura 2, os sensores de temperatura 5, 8 são conectados ao ventilador de arrefecimento 10 por meio de uma linha de sinal 13. Um sinal recebido a partir dos sensores 5, 8 é usado para controlar a operação do ventilador 10. Mais especificamente, a unidade de arrefecimento 22 é configurada para aumentar ou diminuir a velocidade do ventilador com base na temperatura determinada pelo primeiro sensor de temperatura 5 e/ou pelo segundo sensor de temperatura 8. Em determinadas modalidades, a unidade de arrefecimento 22 é configurada para diminuir a velocidade do ventilador quando o primeiro sensor de temperatura 5 determina que a temperatura do gás G na descarga do permutador de calor interno 4 está abaixo da temperatura operacional ótima mínima, tal como 165 °F (73,88 oC). A temperatura operacional ótima mínima deve ser suficiente para evitar que o gás comprimido e resfriado exceda a pressão de saturação de vapor na pressão e temperatura alcançadas pelo primeiro estágio de compressão 3. Assim, a condensação no compressor 20 é evitada. Adicionalmente, a unidade de arrefecimento 22 pode ser configurada para diminuir a velocidade do ventilador quando o primeiro sensor 5 determina que a temperatura do gás G na descarga do permutador de calor interno 4 é acima de uma temperatura operacional ótima máxima, tal como 400 °F (204,44 oC). A referida temperatura operacional ótima máxima é a máxima permitida para a operação segura do compressor. Em determinadas modalidades, a temperatura máxima pode também ser usada como um aviso de manutenção ou chave de interrupção de força, que se ativa quando uma temperatura elevada é medida. É adicionalmente observado que as temperaturas de operação ótimas máxima e mínima são com base em parâmetros de operação para o compressor 20 e podem ser ajustadas para compressores ou aplicações particulares.

[033] A unidade de arrefecimento 22 pode também ser configurada para diminuir a velocidade do ventilador quando o segundo sensor de temperatura 8 determina que a temperatura do gás G na descarga do arrefecedor final 7 está abaixo da temperatura, tal como entre 32 °F e 40 °F (0 oC e 4,44 oC). A temperatura mínima é suficiente para evitar que o líquido condensado seja congelado e é dependente do tipo de gás G sendo comprimido pelo compressor 20.

[034] Como será observado por aqueles versados na técnica, a unidade de arrefecimento 22 pode incluir vários meios mecânicos ou eletrônicos para transferir um sinal a partir do primeiro sensor de temperatura 5 e/ou o segundo sensor de temperatura 8 ao ventilador de arrefecimento 10, assim como para controlar a velocidade do ventilador com base no sinal recebido. Por exemplo, a unidade de arrefecimento 22 pode incluir um controlador eletrônico 24, tal como um microprocessador. O controlador 24 pode ser adaptado para executar várias instruções para receber um sinal por meio das linhas de sinal 13 conectando o primeiro sensor de temperatura 5 e o segundo sensor de temperatura 8, determinando se para aumentar ou diminuir a velocidade do ventilador, e seletivamente emitindo uma instrução para modificar a velocidade do ventilador com base na determinação. Por exemplo, o microcontrolador pode enviar um sinal elétrico ao ventilador para aumentar ou reduzir a velocidade do ventilador. Alternativamente, uma conexão pneumática pode ser usada a qual seletivamente engaja ou desengaja o ventilador 10 a partir de uma árvore de manivela giratório 11 para aumentar ou reduzir a velocidade de rotação do mesmo.

[035] Em uma modalidade preferida e não limitante, como descrito acima, o ventilador de arrefecimento 10 pode ser orientado pela mesma árvore de manivela do compressor 11 que aciona os mecanismos de compressão dos estágios de compressão 3, 6. Nesse caso, o ventilador 10 é acoplado ao compressor árvore de manivela 11 por meio da embreagem 9, que seletivamente engaja e desengaja o ventilador 10 a partir da árvore de manivela 11. A embreagem 9 pode ser uma embreagem mecânica ou uma embreagem de estilo viscoso dependendo do tipo do compressor 20 e da árvore de manivela 11 no compressor 20. A unidade de arrefecimento 22 pode ser configurada para mudar a velocidade do ventilador por engajar ou desengajar a embreagem 9 a partir da árvore de manivela 11. Por exemplo, um sinal elétrico ou um mecanismo de controle pneumático pode ser usado para enviar um sinal a partir do controlador 24 para a embreagem 9. Em muitos casos, a rotação do ventilador 10 não para inteiramente quando a embreagem 9 é desengajada a partir da árvore de manivela 11. Em vez disso, na posição desengajada, o ventilador de arrefecimento 10 pode girar a uma velocidade baixa ou reduzida, referido daqui em diante como uma velocidade de default, o que quer dizer que a capacidade de arrefecimento do permutador de calor interno 4 e arrefecedor final 7 é reduzida, mas não inteiramente evitada quando a embreagem 9 é desengajada. Quando a embreagem 9 é engajada o ventilador 10 opera em velocidade total, o quer dizer que o ventilador 10 gira na mesma taxa que a rotação do compressor árvore de manivela 11. Uma vez que, quando o ventilador 10 opera em velocidade total, mais ar de arrefecimento A é direcionado para o permutador de calor interno 4 e arrefecedor final 7, a capacidade de arrefecimento dos referidos elementos de arrefecimento é substancialmente aumentada.

[036] Com referência à Figura 3, quando usado em temperaturas de frio extremo, o compressor de múltiplos estágios 20 pode também incluir um arranjo de desvio com a linha de desvio 26 em torno do arrefecedor final 7. Quando um compressor 20 opera em temperaturas de frio extremo, a probabilidade de que líquido condensado se recolha na descarga do arrefecedor final 7 se congele substancialmente aumenta. O arranjo de desvio é um meio eficaz para proporcionar gás quente (por exemplo, não resfriado) para neutralizar o frio extremo do ar ambiente durante a operação em clima frio. Um desvio de arrefecedor final que inclui a linha de desvio acessível através da válvula de três vias é descrito na patente de Goettel, que é discutida aqui acima. Mais especificamente, em um arranjo de desvio, uma porção do gás G comprimido pelo segundo estágio de compressão 6 é transportada em torno do arrefecedor final 7 pela linha de desvio 26. Como descrito acima, mesmo quando o ventilador de arrefecimento 10 opera em uma velocidade de default, o arrefecedor final 7 continua a proporcionar algum efeito de arrefecimento para o gás G. Portanto, o gás G na linha de desvio 26 é tipicamente mais quente do que gás G que passa através do arrefecedor final 7. Portanto, na medida em que o gás G a partir da linha de desvio 26 se mistura com o gás G descarregado a partir do arrefecedor final 7 o gás de desvio aquece o gás a partir do arrefecedor final 7. Portanto, uma vez que a temperatura do gás G na descarga do compressor 14 é aumentada, o líquido condensado a partir do gás comprimido G é impedido de congelar.

[037] Com referência mais uma vez à Figura 2, em operação, o gás G é encaminhado para no interior do primeiro estágio de compressão 3 através da porção de entrada do compressor 1 e o elemento filtrante de entrada 2. O gás G é comprimido durante o primeiro estágio de compressão 3 e então expelido pelo meio de uma linha de fluido ou de descarga para o permutador de calor interno 4. Durante a partida ou a operação inicial, o compressor 20 é ainda relativamente frio. Portanto, o gás comprimido G expelido a partir do permutador de calor interno 4 é tipicamente abaixo da temperatura de operação mínima ótima para o compressor 20, como medido pelo primeiro sensor de temperatura 5. Nesse caso, a unidade de arrefecimento 22 faz com que o ventilador de arrefecimento 10 opere na velocidade de default ou reduzida o quer dizer que menos ar de arrefecimento A é proporcionado para o permutador de calor interno 4. Por reduzir o ar de arrefecimento A proporcionado para o permutador de calor interno 4, a temperatura do gás G aumenta para a temperatura operacional ótima mínima mais rapidamente do que se o ar de arrefecimento fosse proporcionado para o permutador de calor interno 4. Por alcançar a temperatura operacional ótima rapidamente, a probabilidade de condensação de água ou de fluido é reduzida.

[038] Em seguida da etapa de arrefecimento interno, o gás G é proporcionados ao segundo estágio de compressão 6. Durante o segundo estágio de compressão 6, a pressão e a temperatura do gás G são aumentadas. O gás G é descarregado a partir do segundo estágio de compressão 6 e proporcionado ao arrefecedor final 7. Quando o ventilador de arrefecimento 10 opera na velocidade de default ou reduzida, o arrefecedor final 7 não resfria substancialmente o gás comprimido G. Uma vez que, o gás comprimido G é descarregado a partir do arrefecedor final 7, a temperatura do gás descarregado G é medida pelo segundo sensor de temperatura 8. O compressor 20 continua a operar com o ventilador de arrefecimento 10 na velocidade de default ou reduzida até que o primeiro sensor de temperatura 5 determine que a temperatura de gás G descarregado a partir do permutador de calor interno 4 está no interior da faixa operacional ótima. Quando o primeiro sensor de temperatura 5 determina que a faixa operacional ótima foi alcançada, a velocidade do ventilador de arrefecimento 10 é aumentada. Por exemplo, a embreagem 9 pode ser engajada de modo que o ventilador 10 gira na velocidade de rotação da árvore de manivela 11.

[039] O compressor 20 continua a operar com o ventilador 10 em velocidade total ou aumentada até que ou o primeiro sensor de temperatura 5 determina que a temperatura de gás G na descarga do permutador de calor interno 4 está abaixo da temperatura operacional ótima mínima ou o segundo sensor de temperatura 8 (posicionado na descarga do arrefecedor final 7) determina que a temperatura do gás descarregado G é abaixo da temperatura mínima desejada. Quando a temperatura é abaixo da temperatura mínima, a velocidade do ventilador é reduzida. Por exemplo, a embreagem 9 pode ser desengajada. Reduzir a velocidade do ventilador reduz a eficácia do permutador de calor interno 4 e o arrefecedor final 7 permitindo que gás G passe através do compressor 20 para aumentar em temperatura e, especificamente, aumentar a temperatura do gás G na descarga do compressor 14 para evitar que líquido condensado a partir de congelamento. O processo de seletivamente aumentar ou reduzir a velocidade do ventilador, tal como por engajar e desengajar a embreagem 9, pode ser repetido durante a operação do compressor 20 para desse modo garantir que o gás G no interior do compressor 20 permaneça no interior da faixa de temperatura operacional ótima para o compressor 20 e evitar danos ao compressor causado pelo líquido condensado entre os estágios de compressão 3, 6 e o congelamento de líquido condensado na descarga do compressor 14.

[040] Embora modalidades específicas do compressor de múltiplos estágios e do método de controlar velocidade do ventilador tenham sido descritas em detalhes, será observado por aqueles versados na técnica que várias modificações e alternativas aos detalhes podem ser desenvolvidos na luz dos ensinamentos gerais da presente descrição. Desse modo, os arranjos particulares descritos pretendem ser apenas ilustrativos e não limitantes do âmbito da presente invenção que deve ser dado ao âmbito das reivindicações em anexo e qualquer e todas equivalentes das mesmas. Adicionalmente, embora a presente invenção tenha sido descrita em detalhes com o objetivo de ilustração com base no que é atualmente considerado serem estas as modalidades mais práticas e preferidas, deve ser entendido que os referidos detalhes são unicamente para aquele fim e que a presente invenção não é limitada às modalidades descritas, mas, ao contrário, é pretendido que as modificações e arranjos equivalentes que estejam no interior do espírito e âmbito das reivindicações em anexo sejam cobertos. Por exemplo, deve ser entendido que a presente invenção contempla que, na medida do possível, uma ou mais características de qualquer modalidade pode ser combinada com uma ou mais características de qualquer outra modalidade.

Claims

1. Compressor de múltiplos estágios, caracterizado pelo fato que compreende: um primeiro estágio de compressão (3) para comprimir um gás recebido; um segundo estágio de compressão (6) conectado em série com o primeiro estágio de compressão (3) que recebe e adicionalmente comprime o gás a partir do primeiro estágio; um primeiro elemento de arrefecimento (4) conectado entre o primeiro estágio de compressão (3) e o segundo estágio de compressão (6) para o arrefecimento do gás após a compressão no primeiro estágio; um segundo elemento de arrefecimento (7) conectado a uma descarga do segundo estágio de compressão (6) para o arrefecimento do gás após a compressão no segundo estágio de compressão (6); e uma unidade de arrefecimento (22) compreendendo: um ventilador (10) configurado para proporcionar ar de arrefecimento ao primeiro elemento de arrefecimento (4) ou ao segundo elemento de arrefecimento (7); e um primeiro sensor de temperatura (5) que determina a temperatura de gás descarregado a partir do primeiro elemento de arrefecimento (4); um segundo sensor de temperatura (8) que determina a temperatura de gás descarregado a partir do segundo elemento de arrefecimento (7); e um controlador (24) que recebe valores de temperatura a partir do primeiro sensor de temperatura (5) e a partir de um segundo sensor de temperatura (7) e controla a velocidade do ventilador (10) com base no sinal recebido, em que o controle da velocidade do ventilador (10) compreende aumentar a velocidade do ventilador (10) quando o valor de temperatura do primeiro sensor de temperatura (5) excede uma temperatura operacional ótima mínima do compressor suficiente para impedir que uma pressão de vapor de água do ar comprimido entre o primeiro estágio de compressão (3) e o segundo estágio de compressão (6) exceda a pressão de vapor de saturação para o ar comprimido a uma determinada temperatura, e diminuir a velocidade do ventilador (10) quando o valor de temperatura do segundo sensor de temperatura (8) está abaixo de uma temperatura de descarga mínima suficiente para impedir que o fluido condensado no interior do compressor (20) congele.

2. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o controle da velocidade adicionalmente compreende manter uma velocidade do ventilador (10) aumentada quando o valor de temperatura do primeiro sensor de temperatura (5) excede a temperatura operacional ótima mínima do compressor e diminuir a velocidade do ventilador (10) quando o valor de temperatura do primeiro sensor de temperatura (5) cai abaixo da temperatura operacional ótima mínima.

3. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que a temperatura operacional ótima mínima é pelo menos 165 °F (73,88 oC).

4. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que a temperatura de descarga mínima é entre 32 °F e 40 °F (0 oC e 4,44 oC).

5. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que adicionalmente compreende pelo menos uma câmara de compressão adicional conectada entre uma entrada de gás e a primeira câmara de compressão para proporcionar estágios de compressão adicionais para o gás.

6. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o controlador (24) é um microprocessador que compreende instruções para receber valores de temperatura a partir do primeiro sensor de temperatura (5) e do segundo sensor de temperatura, determinar se aumentar ou diminuir a velocidade do ventilador (10), e seletivamente emitir uma instrução para modificar a velocidade do ventilador (10) com base na determinação.

7. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que cada estágio de compressão (3, 6) compreende uma câmara de compressão tendo um mecanismo para comprimir o gás contido na mesma.

8. Compressor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato que adicionalmente compreende uma árvore de manivela (11) (11) acoplada ao mecanismo da primeira câmara de compressão e ao segundo compressor.

9. Compressor de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato que o ventilador (10) da unidade de arrefecimento (22) também é acionado pela árvore de manivela (11).

10. Compressor de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato que o ventilador (10) compreende uma embreagem (9) para acoplar o ventilador (10) à árvore de manivela (11), em que a unidade de arrefecimento (22) é configurada para engajar ou desengajar a embreagem (9) com base na temperatura determinada pelo primeiro sensor de temperatura (5).

11. Compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato que a embreagem (9) é eletricamente ou pneumaticamente controlada.

12. Compressor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato que a embreagem (9) é uma embreagem (9) viscosa.

13. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o compressor adicionalmente compreende uma linha de derivação (26) conectada a uma descarga da primeira câmara de compressão ou da segunda câmara de compressão adaptada para passar gás comprimido em torno do primeiro elemento de arrefecimento (4) ou do segundo elemento de arrefecimento (7).

14. Compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato que a linha de derivação (26) é adaptada para misturar ar desviado com ar comprimido resfriado a partir do primeiro elemento de arrefecimento (4) ou do segundo elemento de arrefecimento (7) para aumentar a temperatura do ar comprimido resfriado na descarga do primeiro elemento de arrefecimento (4) ou do segundo elemento de arrefecimento (7).

15. Compressor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que o primeiro sensor de temperatura (5) compreende uma chave binária, um termistor, ou um termopar.

16. Método para controlar a velocidade do ventilador de um ventilador de arrefecimento de um compressor, caracterizado pelo fato que compreende: alimentar ar a um primeiro estágio de compressão (3) de um compressor de múltiplos estágios para produzir um gás comprimido; alimentar o ar comprimido a um primeiro elemento de arrefecimento (4); determinar a temperatura de descarga do ar após o ar passar através do primeiro elemento de arrefecimento (4); alimentar o ar comprimido a partir do primeiro elemento de arrefecimento (4) a um segundo estágio de compressão (6) que adicionalmente comprime o ar; alimentar o ar comprimido a partir do segundo estágio de compressão (6) a um segundo elemento de arrefecimento (7); determinar a temperatura de descarga do ar após o segundo elemento de arrefecimento (7); utilizar uma unidade de arrefecimento (22) compreendendo um ventilador (10) disposto entre o primeiro estágio de compressão e o segundo estágio de compressão para alimentar ar de arrefecimento para o elemento de arrefecimento (4) ou o segundo elemento de arrefecimento (7); e controlar o ventilador de arrefecimento para controlar uma temperatura do ar comprimido entre o primeiro estágio de compressão e o segundo estágio de compressão pelo aumentar a velocidade do ventilador (10) quando o valor de temperatura do primeiro sensor de temperatura (5) excede uma temperatura operacional ótima mínima do compressor suficiente para impedir que uma pressão de vapor de água do ar comprimido entre o primeiro estágio de compressão (3) e o segundo estágio de compressão (6) exceda a pressão de vapor de saturação para o ar comprimido a uma determinada temperatura, e diminuir a velocidade do ventilador (10) quando o valor de temperatura do segundo sensor de temperatura (8) está abaixo de uma temperatura de descarga mínima suficiente para impedir que o fluido condensado no interior do compressor (20) congele.

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato que o controle da velocidade adicionalmente compreende manter uma velocidade do ventilador (10) aumentada quando o valor de temperatura do primeiro sensor de temperatura (5) excede a temperatura operacional ótima mínima do compressor e diminuir a velocidade do ventilador (10) quando o valor de temperatura do primeiro sensor de temperatura (5) cai abaixo da temperatura operacional ótima mínima.

18. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato que a temperatura operacional ótima mínima é pelo menos 165 °F (73,88 oC).

19. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato que a temperatura mínima é entre 32 °F e 40 °F (0 oC e 4,44 oC).

20. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato que a temperatura operacional ótima mínima do compressor é suficiente para impedir que uma pressão de vapor de água do ar comprimido e para impedir a condensação ou congelamento do ar comprimido descarregado a partir do segundo elemento de arrefecimento.

21. Compressor de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato que a temperatura operacional ótima mínima do compressor é suficiente para impedir que uma pressão de vapor de água do ar comprimido e para impedir a condensação ou congelamento do ar comprimido descarregado a partir do segundo elemento de arrefecimento.