<Desc/Clms Page number 1>
Inrichting voor het gelijktijdig koelen en verwijderen van vocht uit een gas van een compressor.
Deze uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het gelijktijdig koelen en verwijderen van vocht uit samengeperst gas van een compressorelement of van meerdere compressorelementen die al dan niet in parallel en/of in serie met elkaar verbonden zijn, welke inrichting een drukvat bevat dat in de persleiding is opgesteld en voorzien is van vloeistofafvoer onderaan, een inlaat voor samengeperst gas op een afstand daarboven en een gasuitlaat bovenaan.
In een vloeistofgeïnjecteerd compressorelement wordt water, olie of een andere vloeistof geïnjecteerd in de inlaatlucht of in de rotorkamer om te smeren, af te koelen en af te dichten. De vloeistof wordt met het samengeperste gas mee afgevoerd en vervolgens in een drukvat afgescheiden en in een warmtewisselaar afgekoeld, waarna het opnieuw geïnjecteerd wordt in het compressorelement.
Als een gas, dat dampen zoals waterdamp bevat, samengeperst en vervolgens afgekoeld wordt, dan kan het minder van deze dampen bevatten omdat de relatieve bijdrage van de dampspanning van deze dampen tot de totale druk afneemt. In vele gevallen leidt dit ertoe dat het samengeperst gas verzadigd is met deze dampen en dat een deel van de dampen gecondenseerd wordt tijdens de koeling van het samengeperste gas.
<Desc/Clms Page number 2>
Voor veel toepassingen is de aanwezigheid van condensaat in het samengeperst gas erg schadelijk en is het risico op schade groot als het gas verzadigd is met damp.
Daarom wordt in compressoren een condensaatafscheider voorzien na de gaskoeler, evenals in vele gevallen een extra gasdroger, zijnde een inrichting om de partieeldruk van de damp in het samengeperste gas te verlagen. Deze gasdroger bestaat in vele gevallen uit een gaskoeler die het gas koelt tot het gewenste dauwpunt van de dampen en een extra condensaatafscheider waarna het gas weer wordt opgewarmd.
Uit het Europees octrooi 0. 120.547 is zulk een gasdroger gekend waarin perslucht in dit geval wordt gedroogd door direct contact met ijswater door opborrelen.
Het nadeel van deze gasdroger is dat de warmteoverdracht niet erg efficiënt verloopt en dat bovendien ijs gevormd kan worden waardoor een grote thermische weerstand wordt opgebouwd die ervoor zorgt dat de energie nog minder efficiënt wordt benut.
Nog een nadeel van de gasdroger uit EP 0. 120.547 is dat gebruik gemaakt wordt van een lucht-lucht warmtewisselaar die inherent gekenmerkt is door een hoge drukval in verhouding tot de gerecupereerde energie.
Een nadeel van gaskoelers in het algemeen is dat zij bestand moeten zijn tegen de hoge druk van het samengeperste gas, dat zij relatief duur zijn en een
<Desc/Clms Page number 3>
relatief groot drukverlies veroorzaken van het samengeperste gas.
Condensaatafscheiders zijn, ofwel een relatief belangrijke bron van drukverlies van het samengeperste gas, ofwel niet erg efficiënt. Dit is des te meer zo als het debiet van het samengeperst gas sterk kan variëren, zoals dit bijvoorbeeld het geval is bij compressoren met variabel toerental.
De warmtewisselaars van gasdrogers moeten bestand zijn tegen de hoge druk van het samengeperste gas, zijn omvangrijk en relatief duur. Deze warmtewisselaars, evenals de condensaatafscheider van gasdrogers zijn een relatief belangrijke bron van drukverlies van het samengeperste gas.
De samengebouwde inrichting van gaskoeler, condensaatafscheider en gasdroger vereist bovendien verscheidene verbindingspijpen die de kostprijs van de inrichting, evenals het drukverlies van het samengeperste gas verder verhogen.
De uitvinding heeft een inrichting als doel voor de koeling van het samengeperste gas van een compressor en gelijktijdige condensaatverwijdering uit het samengeperste gas, die deze nadelen niet bezit en een zeer efficiënte en uitstekende koeling en condensaatverwijdering toelaat en gering drukverlies van het samengeperste gas veroorzaakt en tegelijk
<Desc/Clms Page number 4>
aanzienlijk compacter en goedkoper is dan bestaande inrichtingen.
Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door in het drukvat, tussen de inlaat en de uitlaat van het samengeperste gas, een verdeelinrichting te voorzien van waaruit een koel fluïdum in het samengeperste gas wordt verspreid in direct contact ermee.
Door het rechtstreeks contact tussen het koel fluïdum en het warme, samengeperste gas, wordt dit laatste afgekoeld, waardoor dampen, die aanwezig zijn in het gas, condenseren. Gelijktijdig wordt dus het gas gekoeld en worden dampen afgescheiden als condensaat dat samen met het koel fluïdum naar beneden stroomt, waar het onderaan in het drukvat opgevangen wordt.
Bij voorkeur stromen het samengeperste gas en het koel fluïdum verticaal in tegenstroom omdat zo de beste warmteoverdracht en massaoverdracht wordt bekomen.
Het rechtstreeks contact tussen samengeperst gas en koel fluïdum kan op allerlei manieren worden verwezenlijkt, zoals, niet beperkend, door het koel fluïdum te sproeien of te vernevelen in het samengeperste gas, of door het koel fluïdum over of doorheen een contactor te laten stromen, waarbij deze contactor bij voorkeur gevormd wordt door een massa met open structuur, al dan niet poreus ; of gevormd wordt door al dan niet poreuze
<Desc/Clms Page number 5>
opgestapelde deeltjes die al dan niet volgens een regelmatig patroon gestapeld zijn ; gevormd wordt door schotels met openingen, zoals gebruikt bij destillatie, waarover het koel fluïdum stroomt en waarbij het samengeperste gas door de gaten stroomt ; gevormd wordt door een combinatie van verschillende manieren.
Het effect van het rechtstreeks contact is ook beter naarmate primo het contactoppervlak tussen koel fluïdum en samengeperst gas groter is, en secundo een goede menging van het gas verwezenlijkt wordt, bijvoorbeeld door turbulente stroming, en tertio de verhouding van het gasdebiet en het fluïdumdebiet overal hetzelfde is.
Het debiet van het koel fluïdum kan vrij worden gekozen.
Bij voorkeur wordt het zo laag mogelijk gekozen zodat de temperatuur van het koel fluïdum na het rechtstreeks contact met het samengeperste gas tussen 0 K en 5 K hoger is dan de temperatuur van het samengeperste gas voor het rechtstreeks contact.
Om samengeperst gas te bekomen dat vrij is van condensaat, is het belangrijk dat, na het rechtstreeks contact met het koel fluïdum, het gas zo weinig mogelijk druppels bevat van het koel fluïdum of van het condensaat. Bij voorkeur wordt dit gerealiseerd door te voldoen aan de volgende beperking:
EMI5.1
<Desc/Clms Page number 6>
Met vg de effectieve gassnelheid, pg de densiteit van het gas en pv de densiteit van het koel fluïdum gemengd met het condensaat. De condensaatafscheiding wordt nog verbeterd door het gas door een ontnevelaar te laten stromen die geïntegreerd is in het drukvat boven de verdeelinrichting van het koel fluïdum.
Het koel fluïdum kan vrij worden gekozen. Als echter de samenstelling ervan dezelfde is als de samenstelling van het condensaat, dan wordt de inrichting eenvoudiger en goedkoper omdat het dan niet nodig is om het koel fluïdum te scheiden van het condensaat.
De uitvinding voorziet bovendien in de mogelijkheid om op eenvoudige wijze de functie van gasdroger efficiënt te integreren. Hiertoe wordt het koel fluïdum afgekoeld tot een temperatuur die bij voorkeur 20 K of meer lager is dan de temperatuur van het samengeperste gas aan de uitlaat van de inrichting. Door na het rechtstreeks contact met dit koel fluïdum, het samengeperste gas terug op te warmen, wordt droog samengeperst gas bekomen met een dauwpunt dat ongeveer 3K hoger is dan de koudste temperatuur van het koel fluïdum.
Bij voorkeur gebeurt deze opwarming met een warmtewisselaar opgesteld bovenaan in het drukvat.
Vooral in deze uitvoeringsvorm is de inrichting zeer compact. De warmte die hiervoor nodig is, wordt bij voorkeur onttrokken aan het koel fluïdum, zodat minder externe koeling nodig is om het koel fluïdum af te koelen, alvorens het in rechtstreeks contact komt met
<Desc/Clms Page number 7>
het samengeperste gas. Vooral in de uitvoering, ingebouwd in het drukvat, en met het koel fluïdum als warmtebron, is deze warmtewisselaar veel goedkoper omdat geen extra drukbestendig omhulsel nodig is en bovendien de ontwerpdruk van deze warmtewisselaar laag kan zijn omdat deze niet bepaald wordt door de gasdruk maar enkel door de hydrodynamische drukval in het circuit van het koel fluïdum.
In het geval van geïntegreerde gasdroging wordt het drukvat bij voorkeur geïsoleerd. Dit kan inwendig aan het drukvat, maar gebeurt bij voorkeur uitwendig om samendrukking te vermijden in het geval van geslotencellige isolatie of om bevochtiging te'vermijden in het geval van opencellige isolatie.
De hoger beschreven inrichting volgens de uitvinding kan worden toegepast op compressoren met één of meerdere compressie-elementen in parallel, alsook op compressoren met meerdere elementen in serie geplaatst. In het geval van meerdere elementen in serie wordt de inrichting bij voorkeur voorzien na de hoogste druktrap omdat dan de inrichting het meest compact is.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen van een luchtcompressor voorzien van een inrichting voor de koeling en waterverwijdering en van een dergelijke inrichting volgens de uitvinding,
<Desc/Clms Page number 8>
beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:
Figuur 1 schematisch een watergeïnjecteerde luchtcompressor weergeeft, voorzien van een inrichting voor de koeling en waterverwijdering volgens de uitvinding; figuur 2 schematisch een oliegeinjecteerde luchtcompressor weergeeft, voorzien van een inrichting voor de koeling en verwijdering van water en olie volgens de uitvinding.
In figuur 1 is een compressor weergegeven met een schroefcompressorelement 1 aangedreven door een motor 1A en een daarop aangesloten inrichting voor de koeling en vloeistofverwijdering, meer bepaald waterverwijdering uit het samengeperste gas, meer in het bijzonder perslucht.
Deze inrichting bevat in hoofdzaak een drukvat 2 met isolatie 2A met daarin middelen voor het verzekeren van een rechtstreeks contact tussen de perslucht en het koel medium, bij voorkeur water, welke middelen bestaan uit een contactor 3 en een waterverdeelinrichting 4, en verder, in geval van gasdroging, ook een warmtewisselaar 5 voor het opnieuw opwarmen van het in de contactor 3 gekoelde gas.
Het drukvat 2 is een cilindrisch, rechtopstaand vat met, op een afstand boven de bodem, een inlaat 6 voor perslucht die door middel van een persleiding 7 in
<Desc/Clms Page number 9>
verbinding staat met de uitlaat. van het compressorelement 1.
Onderaan is dit drukvat van een waterafvoer 8 voorzien die, door middel van een terugvoerleiding, die uit twee delen 9A en 9B bestaat, met daartussen een warmtewisselaar 10, aansluit op het injectiesysteem van het compressorelement 1. Deze tegenstroom warmtewisselaar 10 koelt het water met koelwater. In een andere uitvoering kan de warmtewisselaar 10 een ventilator bevatten die met koele omgevingslucht het water koelt.
Tussen de waterafvoer 8 en de inlaat 6 sluit op het drukvat 2 boven een bepaald niveau een waterafscheider 11 aan, teneinde overtollig water af te voeren.
Voornoemde contactor 3 is boven de inlaat 6 gelegen, over de volledige doormeter van het drukvat 2. Hij bestaat uit een schuim met opencellige structuur, zodat een kleine drukval van het gas wordt veroorzaakt.
Dit opencellig schuim is inert voor perslucht en water en veroorzaakt bij voorkeur een turbulente stroming van het gas doorheen de contactor 3. Het is bij voorkeur absorberend, zoals een spons en bezit bij voorkeur een groot bevochtigbaar oppervlak per volume. De contactor 3 is, ofwel homogeen, zodat het ontstaan van preferentiële wegen voor het gas en het water worden vermeden, ofwel op een systematische wijze inhomogeen, zodat het water
<Desc/Clms Page number 10>
en de perslucht in alle omstandigheden langs dezelfde wegen stromen.
In plaats van uit schuim te bestaan, kan, in een variante, de contactor 3 uit een opstapeling van losse, al dan niet poreuze deeltjes bestaan die al dan niet volgens een regelmatig patroon gestapeld zijn.
In nog een andere variante kan de contactor 3 geheel of gedeeltelijk vervangen zijn door schotels, zoals gebruikt in distillatie.
In nog een andere variante kan het bed 3 geheel of gedeeltelijk bestaan uit een verticaal prismatische structuur van buisjes bijvoorbeeld in de vorm van honingraat.
De verdeelinrichting 4 bestaat bijvoorbeeld uit een buis voorzien van spuitopeningen of sproeiers 13 die juist boven de contactor 3 gelegen zijn en is verbonden door middel van een leiding 12, die zich in het geval van gasdroging over een koeler 14 en de voornoemde koeler 5 uitstrekt, met de terugvoerleiding 9.
In het weergegeven voorbeeld is de koeler 14 een warmtewisselaar waarvan het primaire gedeelte wordt gevormd door de verdamper van een koelcircuit 15 en het secundaire gedeelte door een gedeelte 12A van de leiding 12. Dit koelcircuit 15 kan van een klassieke constructie zijn met benevens voornoemde verdamper ook een compressor en een condensor.
<Desc/Clms Page number 11>
In het weergegeven voorbeeld is de koeler 5 een warmtewisselaar bestaande uit een gedeelte 12B van de leiding 12 die zich heen en weer doorheen het bovenste gedeelte van het drukvat 2 uitstrekt, voorzien van uitwendige lamellen 17 om de warmtewisseling met de perslucht te verbeteren. Koeler 5 kan ook een ander type van warmtewisselaar zijn en kan zich ook buiten het drukvat 2 bevinden.
In de leiding 12 is een pomp 16 opgesteld voor de circulatie van het water doorheen koelers 5 en 14 en om het water te verdelen over de contactor 3 via de verdeelinrichting 4.
Boven de warmtewisselaar 5 is het drukvat 2 van een uitlaat 18 voorzien voor perslucht.
Boven de verdeelinrichting 4 kan een ontnevelaar 19 opgesteld zijn die kan bestaan uit een bed van deeltjes op een rooster.
De hiervoor beschreven inrichting werkt als volgt.
Met vocht beladen perslucht wordt door het compressorelement 1 via de persleiding 7 in de onderste zone van het drukvat 2 geperst. De diameter van het drukvat 2 is zodanig dat de snelheid van het gas in deze zone daalt tot een zodanig lage waarde dat de grootste hoeveelheid van de waterdruppeltjes in de perslucht door gravitatie neerslaat. Dit water wordt onderaan het
<Desc/Clms Page number 12>
drukvat 2 opgevangen. Het drukverschil tussen het drukvat 2 en de luchtinlaat van het compressorelement 1 stuwt dit water via de terugvoerleiding 9 terug naar het injectiesysteem van het compressorelement 1. In de koeler 10 wordt de compressiewarmte uit dit water verwijderd.
Een gedeelte van dit water wordt door de pomp 16 doorheen de leiding 12 afgeleid en over de warmtewisselaar 5 naar de koeler 14 gepompt, waar het door het koelcircuit 15 gekoeld wordt tot bijvoorbeeld 23 K onder de omgevingstemperatuur en vandaar naar de sproeiers 13 die het gekoelde water op de contactor 3 sproeien.
Door het toevoegen van een antivriesmiddel aan het water, kan het water tot op een temperatuur lager dan 0 C Worden gekoeld. Een semi-permeabel membraan of een andere scheidingstechniek voor de waterafscheider 11 kan beletten dat antivriesmiddel met het overlopende water verloren gaat.
Dit gekoelde water bevochtigt de contactor 3 en komt in contact met de uit voornoemde onderste zone naar boven stromende perslucht die door dit water sterk wordt gekoeld. Waterdamp in deze perslucht condenseert en het condensaat stroomt met het water mee naar beneden, waar het onderaan het drukvat 2 wordt opgevangen.
<Desc/Clms Page number 13>
Eventueel nog overblijvende nevel in de perslucht wordt verwijderd in de ontnevelaar 19.
De sterk gekoelde perslucht stroomt verder opwaarts doorheen de warmtewisselaar 5, waar hij opnieuw opgewarmd wordt, zodat aan de uitlaat 18 droge perslucht wordt bekomen met een waterdauwpunt van ongeveer 20K onder de omgevingstemperatuur.
Het water dat aan de verdeelinrichting 4 wordt toegevoerd en door deze wordt verdeeld op de contactor 3, wordt in drie stappen gekoeld : in de warmtewisselaar 10, en daarna in het geval van gasdroging in de warmtewisselaar 5 en in de koeler 14.
De inrichting is zeer compact en door de turbulente stromingen in de contactor 3 en door de lage gassnelheden, wordt het meesleuren van waterdruppels met de perslucht voorkomen.
Het schuim of de deeltjes van de contactor 3 kunnen bekleed zijn met een biocide of kunnen zelf een biocide zijn of een biocide bevatten. Hierdoor kan biologische besmetting van het water en van de perslucht worden vermeden.
Het is ook mogelijk een biocide te injecteren in het water.
Dit biocide kan bijvoorbeeld worden verdeeld uit een soepele zak 20 die, via een afsluitbare leiding 21, in verbinding staat met de leiding 12, stroomopwaarts van
<Desc/Clms Page number 14>
de pomp 16, en die in een gesloten reservoir 22 opgesteld is dat door een leiding 23 met de bovenkant van het drukvat 2 in verbinding staat. Het drukverschil tussen de bovenkant van het drukvat 2 en de leiding 12 is relatief klein, wanneer er geen water door de leiding stroomt, aangezien er dan geen drukval is over de warmtewisselaar 10, waardoor er dus geen injectie van biocide is wanneer het compressorelement 1 niet in werking is.
Alhoewel in de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm de voornoemde middelen voor het verzekeren van het rechtstreeks contact tussen de perslucht en het koel medium een contactor 3 bevatten, is het niet uitgesloten dat volgens een niet weergegeven variant geen contactor 3 wordt toegepast, maar dat het koel medium rechtstreeks vanuit de verdeelinrichting 4 in de ruimte van het drukvat 2 wordt verneveld om rechtstreeks in contact te komen met de perslucht in deze ruimte.
De uitvoeringsvorm van de compressor, weergegeven in figuur 2, verschilt van de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm weergegeven in figuur 1, doordat hij oliegeïnjecteerd is in plaats van watergeïnjecteerd.
Dit betekent dat twee vloeistoffen, namelijk olie en water, uit het samengeperste gas, in het bijzonder de perslucht, moeten worden verwijderd.
Het onderste gedeelte van het drukvat 2 wijkt daarom een weinig af van de vorige uitvoeringsvorm.
<Desc/Clms Page number 15>
Juist onder het oliepeil 24 in het drukvat 2, is een hydrofiele coalescentiefilter 25 opgesteld om kleine waterdruppels op te vangen en samen te kitten tot grotere druppels. Het water verzamelt zich onderaan tot onder de fasegrens 26. Onder de fasegrens 26 is een oleofiele coalescentiefilter 27 opgesteld om tegen te gaan dat olie in het water terecht komt.
Het gedeelte 9A van de terugvoerleiding 9A-9B sluit boven de fasegrens 26 op het drukvat 2 aan en tegenover de aansluiting is een afschermplaat 28 aangebracht om te vermijden dat waterdruppels meegesleurd worden.
De waterafscheider 11 is eveneens een vlotterafscheider, maar zijn vlotter heeft een densiteit die gelegen is tussen die van het water en die van olie. De vlotterafscheider 11 sluit met zijn bovenkant aan op de opgevangen olie, tussen de coalescentiefilter 25 en de fasegrens 26 en met zijn onderkant op het opgevangen water, onder de coalescentiefilter 27.
Aan de olie wordt een emulsiebrekend additief toegevoegd.
De werking is analoog aan wat beschreven is in verband met figuur 1, met in hoofdzaak dit verschil dat door de gravitatiescheiding onderaan het drukvat 2 voornamelijk olie afgescheiden wordt uit de perslucht en dat de vloeistof die in de koeler 14 gekoeld wordt en door de
<Desc/Clms Page number 16>
verdeelinrichting 4 op het bed 3 aangebracht wordt eveneens olie is in plaats van water.
Fijnere deeltjes van olie die door de contactor 3 worden tegengehouden en waterdamp die door de over de contactor 3 neerstromende koude olie gecondenseerd wordt, stromen omlaag.
Onder het vloeistofniveau worden de olie en het water gescheiden. Alleen olie wordt via de terugvoerleiding 9A-9B afgevoerd.
De koeler 14 kan, evenals de warmtewisselaar 5, in het drukvat 2 aangebracht zijn.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de bijgaande figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke inrichting voor het gelijktijdig afkoelen en verwijderen van vocht uit het gas van een compressorelement kan in verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.