BE1022138B1 - Compressorinrichting en een daarbij toepasbare koeler - Google Patents

Abstract

Compressorinrichting met minstens twee in serie geschakelde compressorelementen (2) en minstens twee koelers (12) waarvan er minstens twee gesplitste koelers zijn die in afzonderlijke opeenvolgende trappen (16', 16") zijn gesplitst, respectievelijk een warme trap (16') en een koude trap (16"), die zodanig in één of meer gescheiden koelcircuits (20) met elkaar zijn verbonden dat met een minimum aan koeldebiet het gecomprimeerde gas tussen de compressorelementen (2) voldoende wordt gekoeld om de temperatuur van het gekoelde gas aan de uitlaat (15) van elke koeler (12) onder een maximum toegelaten waarde te houden en daarbij een gewenste temperatuursstijging te realiseren van het koelmedium in minstens één van de voornoemde koelcircuits (20).

Description

Compressorinrichting en een daarbij toepasbare koeler.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een compressorinrichting.

Meer speciaal heeft de uitvinding betrekking op een compressorinrichting voor het comprimeren van gas in twee of meer trappen, welke compressorinrichting minstens twee in serie geschakelde compressorelementen bevat en minstens twee koelers voor het koelen van het gecomprimeerde gas, namelijk een interkoeler tussen elk van twee opeenvolgende compressorelementen en desgevallend, al naargelang de configuratie, een nakoeler stroomafwaarts van het laatste compressorelement, waarbij elke koeler voorzien is van een primair deel waar het te koelen gecomprimeerde gas wordt doorheen geleid en van een secundair deel dat in warmtewisselend contact staat met het primair deel en waar koelmedium wordt doorheen geleid.

Het is bekend dat een gas dat wordt gecomprimeerd in een compressorelement een aanzienlijke temperatuursverhoging ondergaat.

Bij compressorinrichtingen met meerdere trappen, zoals hier bedoeld, wordt het gecomprimeerde gas van een compressorelement aan een volgend compressorelement gevoed.

Het is bekend dat het compressierendement van een meertraps-compressor sterk afhankelijk is van de temperatuur aan de inlaat van elk compressorelement van deze meertraps-compressor en dat hoe lager de inlaattemperatuur van de compressorelementen is, hoe beter het compressierendement van de compressor zal zijn.

Daarom is het bekend om interkoelers toe te passen tussen twee opeenvolgende compressorelementen om een maximale koeling te verzekeren en een zo hoog mogelijk compressierendement te halen.

Het is ook bekend om het gecomprimeerd gas na het laatste compressorelement te koelen alvorens het gas aan het verbruikersnet wordt geleverd omdat anders schade zou kunnen optreden aan de verbruikers in het net wegens te hoge temperaturen.

Bij de bekende compressorinrichtingen met meerdere trappen wordt de koeling en meer de speciaal de koelers doorgaans afgestemd op een maximale koeling met het oog op een maximaal compressierendement, waarbij een beschikbaar koelmedium, meestal water, vanuit een koude bron in parallel doorheen de koelers wordt gestuurd zodat elke koeler koelmedium ontvangt bij eenzelfde koude temperatuur voor een maximale koeling.

Zulke parallel voeding van de koelers is zeer geschikt voor een optimaal compressierendement maar vereist een relatief groot koeldebiet voor een voldoende aanvoer van koelmedium naar elke koeler, wat als nadeel heeft dat zulke parallel voeding niet optimaal is op gebied van benodigd pompvermogen en omvang van het benodigd koelcircuit en koelers.

Een ander nadeel is dat het debiet van het koelmedium dat doorheen de koelers stroomt relatief hoog gehouden moet worden om een maximale koeling te verwezenlijken, waardoor de temperatuur van het koelmedium bij het verlaten van de compressorinrichting relatief laag is en daardoor slecht geschikt om er warmte uit te recupereren, bijvoorbeeld in de vorm van het ter beschikking zijn van warm water of dergelij ke.

Bovendien resulteert een hoog debiet van het koelmedium ook in hoge investeringkosten, hoge werkingskosten en hoge onderhoudskosten van de koelinstallatie. Inderdaad, het opgewarmde koelmedium moet op zijn beurt opnieuw afgekoeld worden in bijvoorbeeld een lucht-water warmtewisselaar waarvan de dimensionering sterk afhankelijk is van het debiet van het koelmedium en er worden bij het koelwater ook additieven toegevoegd om kalkaanslag te voorkomen, corrosie tegen te gaan en bacteriegroei af te remmen.

Met het oog op een betere warmterecuperatie zou men kunnen opteren om het debiet dat in parallel doorheen de koelers wordt gestuurd, te verlagen en daardoor de temperatuur van het koelmedium aan de uitgang te verhogen, maar dit zou ten koste gaan van de koeling en daardoor van het compressierendement.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden door minder de nadruk te leggen op het compressierendement en de koeling eerder te beschouwen vanuit het perspectief van het vinden van een optimale combinatie van hoog compressierendement, goede mogelijkheid tot warmterecuperatie en minimaliseren van de kosten van de koelinstallatie; of vanuit het perspectief van een optimale combinatie van twee van de drie hierboven vermelde objectieven, al naar gelang de toepassing.

Hiertoe betreft de uitvinding een compressorinrichting voor het comprimeren van gas in twee of meer trappen, welke compressorinrichting minstens twee in serie geschakelde compressorelementen bevat en minstens twee koelers voor het koelen van het gecomprimeerde gas, namelijk een interkoeler tussen elk van twee opeenvolgende compressorelementen en desgevallend, al naargelang de configuratie, een nakoeler stroomafwaarts van het laatste compressorelement, waarbij elke koeler voorzien is van een primair deel waar het te koelen gecomprimeerde gas wordt doorheen geleid en van een secundair deel dat in warmtewisselend contact staat met het primair deel en waar koelmedium wordt doorheen geleid, met als kenmerk dat minstens twee van de voornoemde koelers zogenaamde gesplitste koelers zijn waarvan het secundair deel gesplitst is in minstens twee afzonderlijke trappen om het gas dat doorheen het primair deel wordt geleid in opeenvolgende trappen te koelen, respectievelijk minstens een warme trap voor een eerste koeling van het warme gas dat het primair deel van de koeler binnenstroomt en een koude trap voor een verdere koeling van dit gas, waarbij de trappen van de secundaire delen van de koelers zodanig in één of meer gescheiden koelcircuits met elkaar zijn verbonden dat met een minimum aan koeldebiet doorheen de koelcircuits het gecomprimeerde gas tussen de compressorelementen voldoende wordt gekoeld om de temperatuur van het gekoelde gas aan de uitlaat van elke koeler onder een maximum toegelaten waarde te houden en daarbij een gewenste temperatuursstijging te realiseren van het koelmedium in minstens één van de voornoemde koelcircuits.

Met een compressorinrichting volgens de uitvinding wordt de koeling in de koelers als het ware gesplitst in twee trappen, waarbij door een geschikte keuze van de volgorde waarin het koelmedium of de koelmedia doorheen de trappen wordt gestuurd een minimale koelcapaciteit nodig is die ervoor zorgt dat elke koeler voldoende koeling geeft om geen problemen te veroorzaken in het daarop volgend compressorelement zonder dat daarom noodzakelijkerwijze het beste compressierendement wordt nagestreefd, wat er tevens toe leidt dat hogere temperaturen van het koelmedium kunnen gerealiseerd worden die een betere energierecuperatie toelaten. De warme trap zorgt daarbij vooral voor een hoge toename van de temperatuur van het koelmedium, terwijl de koude trap vooral instaat voor een zo laag mogelijke uitlaattemperatuur van het te koelen gas.

Op deze manier kan men een gewenste temperatuurstijging nastreven die minstens van de grootteorde van 30°C is of, indien nog hogere warmterecuperatie is vereist, minstens van de grootteorde van 40°C is of zelfs nog hoger, bijvoorbeeld van de grootteorde van 50°C is.

Bijvoorbeeld worden in een eerste instantie bij het ontwerp van de compressorinrichting met een bepaalde configuratie van compressorelementen en koelers, minstens twee of meer van de koude trappen van de secundaire delen van de koelers in serie met elkaar verbonden in een koelcircuit waar een koelmedium wordt doorheen geleid.

Door de serieschakeling van minstens twee van de koude trappen kan met een relatief beperkt koeldebiet toch een voldoende koeling in de opeenvolgende koelers worden gerealiseerd.

Het vereiste koeldebiet kan bijvoorbeeld zijn afgestemd op een zo hoog mogelijke temperatuur van het gecomprimeerde gas aan de inlaat van een compressorelement, rekening houdend bijvoorbeeld met de maximum toegelaten temperatuur voor een goede werking van het compressorelement, bijvoorbeeld de temperatuur waarbij de werking van een turbocompressor onstabiel wordt wegens het optreden van het zogenaamde fenomeen van surge of de max uitlaattemperatuur van een schroefcompressor ter voorkoming van schade aan de coating van de schroeven.

Hierbij wordt het koelmedium bij voorkeur eerst doorheen de koude trap geleid van die koeler waarvan in ontwerp de temperatuur van het gecomprimeerde gas aan de uitlaat van de betreffende koeler het dichtst is gelegen bij de maximaal toegelaten temperatuur aan de inlaat van de onmiddellijk daarop volgende compressortrap.

Bij voorkeur worden in de eerste ontwerpfase minstens twee, bij voorkeur minstens drie, van de warme trappen van de secundaire delen van de koelers in serie met elkaar verbonden in een koelcircuit waar een koelmedium wordt doorheen geleid, waarbij in het bijzonder het koelmedium als laatste doorheen de warme trap wordt geleid van de koeler onmiddellijk volgend op de compressortrap die in ontwerp de hoogste uitlaattemperatuur heeft.

In de meest voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een compressorinrichting volgens de uitvinding worden minstens twee, bij voorkeur alle koude trappen van de secundaire delen van de koelers en minstens twee, bij voorkeur alle warme trappen van de secundaire delen van de koelers in serie met elkaar verbonden in een koelcircuit waar een koelmedium wordt doorheen geleid, waarbij het koelmedium in dit koelcircuit eerst doorheen de koude trappen en vervolgens doorheen de warme trappen wordt geleid.

Afhankelijk van de beoogde configuratie van compressorinrichting kan geopteerd worden voor twee of meer gescheiden koelcircuits om de trappen van de koelers onderling te verbinden, waarbij één koelcircuit kan dienen om een zo hoog mogelijke uitlaattemperatuur te bekomen van het koelmedium met het oog op maximale warmterecuperatie, terwijl het andere koelcircuit kan dienen om voornamelijk te zorgen voor een voldoende lage uitlaattemperatuur van het te koelen gas in de interkoelers.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een koeler voor gebruik in een compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, welke koeler modulair is samengesteld op zodanige manier dat hij configureerbaar is als een gesplitste of als een niet gesplitste koeler.

Bij voorkeur betreft het een koeler in de vorm van een buizenkoeler met een buizenbundel om een koelmedium doorheen te leiden, welke buizenbundel is aangebracht in een behuizing met een omhulsel dat aan de uiteinden van de buizen de buizenbundel afsluit door eindplaten waar de buizen doorheen steken, welke behuizing een kanalisatie vormt om een te koelen gas over en rond de buizen te leiden, waarbij de buizenbundel aan zijn uiteinden is afgedekt door een deksel met schotten die het deksel verdelen in compartimenten die één of meer uiteinden van buizen overkappen voor het kanaliseren van het koelmedium doorheen deze buizen, welke schotten zijn voorzien van een afdichting tussen het schot en een voornoemde eindplaat ter afscheiding van de stroming in de compartimenten onderling, waarbij er minstens twee scheidingsschotten kunnen zijn voorzien van een dergelijke afdichting die wegneembaar is en die bij aanwezigheid de buizenbundel in twee gescheiden kanalisaties voor een koelmedium opsplitst ter vorming van een gesplitste koeler en bij afwezigheid een doorverbinding vormt tussen deze twee kanalisaties ter vorming van één doorlopende kanalisatie ter vorming van een enkele niet gesplitste koeler.

Aldus kan een dergelijke koeler volgens de uitvinding door het eenvoudig plaatsen of wegnemen van dichtingen worden getransformeerd van een klassieke enkele koeler naar een gesplitste dubbele koeler volgens de uitvinding.

Volgens een praktische uitvoeringsvorm zijn de scheidingsschotten rechte schotten die het voordeel bieden makkelijk te realiseren zijn.

Bij voorkeur worden twee identieke deksels toegepast, waarbij elk deksel is voorzien van een ingang en een uitgang die beide aan eenzelfde zijde zijn gelegen van een voornoemd scheidingsschot, of van twee ingangen of van twee uitgangen voor een koelmiddel die aan weerszijden zijn gelegen van het voornoemd scheidingsschot.

Aldus is slechts één type van deksel nodig dat kan dienen, zowel voor de uitvoering als gesplitste koeler voor twee koelmedia als voor de uitvoering van niet gesplitste koeler voor slechts één koelmedium waarbij in dat geval één ingang en één uitgang worden afgestopt.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van een compressorinrichting volgens de uitvinding en een daarbij toepasbare koeler, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch een compressorinrichting weergeeft volgens de stand van de techniek; de figuren 2 en 3 een schema weergeven van twee varianten van gesplitste koelers volgens de uitvinding; figuur 4 een schema weergeeft zoals deze van figuur 1 maar voor een compressorinrichting volgens de uitvinding met koelers zoals deze van figuur 2; figuur 5 een variante toont van figuur 4; figuur 6 een typische karakteristieke curve toont van een compressorelement zoals toegepast in figuur 4; de figuren 7 tot 9 verschillende varianten toont van een compressorinrichting volgens de uitvinding; figuur 10 een doorsnede toont van een praktische uitvoeringvorm van een koeler volgens de uitvinding zoals deze van figuur 2; figuur 11 een doorsnede weergeeft volgens lijn XI-XI in figuur 10; figuur 12 een perspectief weergeeft van een deksel dat in figuur 10 door F12 is aangeduid; figuur 13 een zicht weergeeft volgens pijl F13 in figuur 12; figuur 14 een variante configuratie toont van de koeler van figuur 10; figuur 15 een praktische uitvoeringsvorm toont van een koelerblok met drie aan elkaar gekoppelde koelers volgens figuur 10 en figuur 14.

In figuur 1 is een klassieke compressorinrichting 1 weergegeven volgens de stand van de techniek met drie compressorelementen 2, respectievelijk 2a, 2b en 2c die door middel van leidingen 3 tussen een inlaat 4 en een uitlaat 5 in serie met elkaar zijn verbonden.

Stroomafwaarts van elk compressorelement 2 is een koeler 6 voorzien voor het koelen van het gecomprimeerde gas, respectievelijk een zogenaamde interkoeler 6a tussen de compressorelementen 2a en 2b, een interkoeler 6b tussen de compressorelementen 2b en 2c en een zogenaamde nakoeler 6c na het laatste compressorelement 2c.

De interkoelers 6a en 6b zijn daarbij bedoeld om de temperatuur van het gecomprimeerde gas van een vorig compressorelement 2 maximaal te koelen alvorens het door een volgend compressorelement 2 wordt aangezogen, dit om ervoor te zorgen dat het rendement van de compressie in de compressor optimaal is.

De nakoeler 6c zorgt voor een koeling van het gecomprimeerde gas alvorens het de compressorinrichting 1 volgens de uitvinding verlaat via de uitlaat 5, dit om schade te voorkomen aan de aangesloten verbruikers.

Elke koeler 6 is voorzien van een primair deel 7 waar het te koelen gecomprimeerde gas wordt doorheen geleid zoals weergegeven met de pijlen A en van een secundair deel 8 dat in warmtewisselend contact staat met het primair deel 7 en waar het koelmedium in tegenstroom wordt doorheen geleid zoals weergegeven met de pijlen B.

De compressorinrichting 1 is voorzien van één enkel koelcircuit 9 met een ingang 10 en een uitgang 11.

Bij de klassieke compressorinrichting van figuur 1 wordt het koelmedium in het koelcircuit 9 in parallel doorheen de secundaire delen 8 van de koelers 6 geleid, waarbij het aangevoerd koelmedium aldus wordt verdeeld over de drie koelers 6 en waarbij elke koeler 6 dus koelmiddel ontvangt met eenzelfde ingangstemperatuur.

Het koelcircuit 9 is erop berekend om een maximaal compressierendement te realiseren met een maximale koeling in elke interkoeler 6a en 6b. Bij een klassieke compressorinrichting zijn typisch nog een of meerdere warmtewisselende componenten aangesloten op het koelcircuit, zoals een oliekoeler of een aansluiting op een koelcircuit van een motor. Meestal is hun aandeel in het totaal warmtewisselend vermogen van het koelcircuit relatief klein.

Een nadeel van zulke inrichting is dat de maximale koeling ook een groot beschikbaar debiet van het koelmiddel vereist en dus ook daarmee samenhangende hoge investeringskosten, werkingskosten en onderhoudskosten van het koelcircuit 9.

Een ander kenmerk is dat de temperatuur van het koelmedium aan de uitgang 11 relatief laag is en bijgevolg moeilijk bruikbaar voor andere toepassingen of om er energie uit te kunnen recupereren.

Een koelcircuit volgens de uitvinding wijkt af van de hiervoor beschreven parallelschakeling en maakt gebruik van zogenaamd gesplitste koelers 12, zoals weergegeven in de figuren 2 en 3.

De gesplitste koeler 12 volgens figuur 2 bevat een primair deel 13 zoals bij de klassieke koeler 6 met een ingang 14 en uitgang 15 voor samengeperst gas, en een secundair deel 16 dat in dit geval, in afwijking van een klassieke koeler 6, is gesplist in twee afzonderlijke trappen 16' en 16", elk met een afzonderlijke ingang 17 en uitgang 18 om er een koelmedium in tegenstroom ten opzichte van het gecomprimeerde gas doorheen te sturen in de richting van de pijlen C' en C".

Aldus wordt de koeling van het gecomprimeerde gas door het koelmedium opgesplitst in twee opeenvolgende trappen 16' en 16", namelijk een zogeheten warme trap 16' voor een eerste koeling van het warme gas dat via de ingang 14 het primair gedeelte 13 binnenstroomt en een zogeheten koude trap 16" voor een verdere koeling van het gas alvorens dit verder afgekoeld gas het primair gedeelte 13 verlaat via de uitgang 15.

Een alternatief van een gesplitste koeler 12 is weergegeven in figuur 3, waarbij in dit geval de koeler 12 is opgesplitst in twee deelkoelers 12' en 12", waarbij in dit geval ook het primair deel 13 is gesplitst in twee trappen 13' en 13" die in serie met elkaar zijn verbonden om als het ware één doorlopend primair deel te vormen.

De in figuur 4 weergegeven compressorinrichting 19 volgens de uitvinding wijkt af van de klassieke inrichting 1 van figuur 1 doordat de enkelvoudige koelers 6 zijn vervangen door gesplitste koelers 12 zoals deze van figuur 2 waarbij de secundaire delen 16' en 16" zijn opgenomen in één enkel koelcircuit 20 met een ingang 21 en uitgang 22 voor koelmiddel.

Het koelcircuit 20 is zo ontworpen dat het koelmiddel achtereenvolgens in serie door alle trappen 16' en 16" van de secundaire delen 16 van de koelers 12 wordt geleid in een bepaalde volgorde die functie is van de configuratie van de compressorinrichting 19 en van het beoogde doel.

In het geval van figuur 4 wordt het koelmiddel eerst doorheen de koude trappen 16" geleid van de koelers 12 in dezelfde volgorde ten opzichte van de stroming van het gas, waarbij met andere woorden het koelmiddel eerst doorheen de interkoeler 12a wordt gestuurd en dan in volgorde doorheen de tweede interkoeler 12b en de nakoeler 12c.

Vervolgens wordt het koelmiddel achtereenvolgens doorheen de warme trappen 16' geleid, ditmaal in omgekeerde volgorde als de volgorde waarin het gas doorheen de koelers 12 stroomt, dus eerst door de nakoeler 12c, dan doorheen de tweede interkoeler 12b en vervolgens doorheen de eerste interkoeler 12a.

Op deze manier wordt ervoor gezorgd dat alle koelers 12 voldoende koelen om de temperatuur van het gekoelde gas aan de uitgang 15 van elke koeler 12 beneden een opgelegde maximumwaarde te houden die rekening houdt met een minimale regelmarge en met het optreden van bijvoorbeeld mogelijk schadelijke gevolgen voor het stroomafwaarts gedeelte van de compressorinrichting 19 indien deze maximumtemperatuur zou worden overschreden, zonder daarom noodzakelijkerwijze bekommerd te zijn om het rendement van de compressorinrichting 19 te gaan optimaliseren.

Men laat met andere woorden hogere temperaturen toe van het gas dat door de compressorelementen 2b en 2c wordt aangezogen dan deze die vereist zouden zijn voor een optimaal rendement van deze compressorelementen 2b en 2c.

Dit laat toe om lagere koeldebieten te voorzien dan in het geval van een klassieke compressorinrichting 1 zoals deze van figuur 1, wat ten goede komt aan de kostprijs en de complexiteit van het koelcircuit 20.

Bovendien kan op deze manier ook een hogere temperatuurstijging worden gerealiseerd van het koelmiddel tussen de ingang 21 en de uitgang 22 van het koelcircuit 20. Hierdoor kan warmte efficiënter worden gerecupereerd dan in het geval van een klassieke compressorinrichting 1.

Het koelcircuit kan bij ontwerp bijvoorbeeld zodanig zijn gedimensioneerd dat een gewenste temperatuursstijging van het koelmedium wordt bekomen die van de grootteorde van 30°C is, beter nog minstens van de grootteorde van 40°C is of liever nog groter dan 50°C is naargelang de wens van de gebruiker om bijvoorbeeld warm koelwater te kunnen benutten.

Bij voorkeur wordt hierbij het koelmedium eerst doorheen de koude trap 16" geleid van de koeler 12 onmiddellijk voorafgaand op het compressorelement 2 dat in ontwerp de laagste inlaattemperatuur nodig heeft. In het voorbeeld van figuur 4 is dit het tweede compressorelement 2b en de onmiddellijk voorafgaande interkoeler 12a.

Dit criterium voor het bepalen van de volgorde waarin het koelmedium doorheen de koelers 12 wordt gestuurd, is ook geldig voor elke combinatie van twee trappen. Dit maakt dat in het geval van figuur 4 het koelmiddel vervolgens doorheen de trap 16" wordt geleid van de koeler 12b onmiddellijk voorafgaand aan het compressorelement 2c met de tweede laagste gewenste inlaattemperatuur, enzovoort.

Na het doorlopen van de koude trappen 16" wordt vervolgens bij voorkeur het koelmedium als laatste doorheen de warme trap 16' geleid van de koeler 12 onmiddellijk volgend op het compressorelement 2 dat in ontwerp de hoogste uitlaattemperatuur heeft. In het geval van het voorbeeld van figuur 4 zijn dit de koeler 12a en het compressorelement 2a.

Door deze keuze bekomt men de hoogste temperatuur aan de uitgang 22 van het koelcircuit 20.

In figuur 5 is een andere configuratie van een compressorinrichting 19 volgens de uitvinding weergegeven waarbij nu in dit geval het compressorelement 2c in ontwerp de laagste inlaattemperatuur nodig heeft, en waarbij nu het tweede compressorelement 2b in ontwerp een hogere uitlaattemperatuur heeft dan het eerste compressorelement 2a, dus de omgekeerde situatie van figuur 4.

Gebruikmakend van dezelfde criteria als voor figuur 4 om de volgorde te bepalen waarin het koelmedium in serie doorheen de trappen 16' en 16" wordt geleid, wordt in het geval van figuur 5 de gekozen volgorde omgekeerd voor wat betreft de koelers 12a en 12b.

Andere serieschakelingen zijn dus mogelijk al naargelang de onderscheiden uitlaattemperaturen en gewenste inlaattemperaturen van de afzonderlijke compressorelementen 2 in ontwerpfase. Het spreekt voor zich dat de volgorde van de koelwaterstroom door twee koelers 12 vrij te kiezen is in geval de gewenste inlaattemperaturen en/of uitlaattemperaturen vergelijkbaar zijn.

Een ander criterium dat gebruikt kan worden voor het bepalen van de volgorde waarin de trappen 16' en 16" in serie aan elkaar worden geschakeld berust op het risico dat een bepaald compressorelement 2 gaat pompen, wat zich kan manifesteren bij turbocompressoren als een fenomeen dat optreedt boven een bepaalde temperatuursgrens van het gas aan de inlaat en waarbij de gasstroom kan gaan oscilleren en zelfs terugstromen, gepaard gaande met hevige trillingen en kans op schade en een verhoogde temperatuursstijging in het compressorelement 2.

Op de karakteristieke kromme van een turbocompressor waarvan een voorbeeld is weergegeven in figuur 6 uit zich dit fenomeen als een zogenaamde surgelijn 23 die de maximum toegelaten inlaattemperatuur tmax bepaalt in functie van het debiet door het compressorelement voor een gegeven inlaatdruk en drukverhouding over het compressorelement 2.

Bij een bepaald gasdebiet overeenstemmend met een bepaald debiet QA zal in ontwerp een bepaald werkingspunt A worden bekomen bij een temperatuur tA aan de uitlaat van de onmiddellijk stroomopwaarts gelegen koeler 12.

Hoe kleiner de afstand tussen het werkingspunt A en de surgelijn 23, hoe groter het risico op het zich voordoen van het nefaste pompeffect.

In dit geval kan het criterium worden gehanteerd om het koelmedium eerst doorheen de koude trap 16" te leiden van die koeler 12 waarvan in ontwerp de temperatuur van het gecomprimeerde gas aan de uitlaat 15 van de betreffende koeler 12 het dichtst is gelegen bij de maximaal toegelaten surgetemperatuur aan de inlaat van de onmiddellijk daarop volgende compressortrap 2, of met andere woorden doorheen de koude trap 16" van de koeler 12 voorafgaand aan het compressorelement 2 met het grootste risico op surge.

In het geval een serieschakeling zoals hiervoor uiteengezet ontoereikend zou blijken te zijn op gebied van een voldoende koeling tussen twee compressorelementen 2 of als nakoeling of als de drukval langs de koelwaterzijde te groot is kan desnoods ook worden geopteerd om twee of meer koude trappen 16" en twee of meer warme trappen 16' in parallel met elkaar te verbinden zoals het geval is in het voorbeeld van de figuur 7, waarin het koelmedium in één enkel koelcircuit 20 eerst in parallel door minstens 2 koude trappen 16" wordt gestuurd alvorens in serie door de overblijvende koude trappen 16" te gaan. Analoog kan ervoor gekozen worden om redenen van drukval het koelwater in parallel door minstens twee warme trappen 16' te sturen en in serie door de overblijvende warme trappen 16'.

Al naargelang het minimaliseren van de kosten van het koelcircuit minder belangrijk is, kan ook gekozen worden om bij ontwerp te kiezen voor twee gescheiden koelcircuits 20' en 20" zoals weergegeven in figuur 8, al of niet met eenzelfde koelmedium, waarbij minstens twee koude trappen 16" in het koelcircuit 20" in serie of geheel of gedeeltelijk in parallel met elkaar zijn verbonden en minstens twee warme trappen 16' in het koelcircuit 20' in serie of geheel of gedeeltelijk in parallel met elkaar zijn verbonden, waarbij de volgorde van serieschakeling kan bepaald worden gebruik makend van dezelfde criteria als in het geval van figuur 4. Ook hier kan ervoor gekozen worden om het koelwater in parallel doorheen minstens 2 van de koude trappen 16" te sturen en in serie door de overblijvende koude trappen 16". Idem voor de warme trappen 16' .

Op deze manier kan het koelcircuit 20" worden geoptimaliseerd met betrekking tot een voldoende koeling met het oog op het behalen van een zo goed mogelijk compressierendement en een zo groot mogelijk werkingsbereik van de compressor en het koelcircuit 20' kan worden toegespitst op het bekomen van een zo hoog mogelijke temperatuursstijging van het koelmedium, bijvoorbeeld met het oog op een maximale warmterecuperatie.

Aangezien de nakoeler 12c doorgaans niet bijdraagt tot het rendement van de compressorinrichting 19, kan alternatief ook worden geopteerd voor een gescheiden koelcircuit 20" waarin de koude trappen 16" van de interkoelers stroomopwaarts van de compressietrappen 2 in serie of geheel of gedeeltelijk in parallel van een eerste koelmedium worden voorzien en waarin de overige trappen 16' en 16" van de nakoeler en de warme trappen 16' van de interkoelers zodanig in serie of gedeeltelijk in parallel met elkaar zijn verbonden zodat het koelwater van koelcircuit 20" als laatste doorheen de warme trap van die koeler stroomt die stroomafwaarts is gelegen van de compressietrap met de hoogste uitlaattemperatuur, verwijzend naar figuur 9.

Het is duidelijk dat in het voorbeeld van figuur 9 de nakoeler 12c ook vervangen kan worden door een klassieke enkelvoudige koeler 6 net zoals dit het geval zou kunnen zijn voor de nakoeler 12c van de figuren 4, 5 en 7.

In figuur 10 is een praktische uitvoeringsvorm weergegeven van de koeler 24 die modulair is samengesteld op zodanige manier dat hij alternatief configureerbaar is als een gesplitste koeler 12 of als een niet gesplitste enkelvoudige koeler 6.

De koeler 24 is in dit geval uitgevoerd als een buizenkoeler met een buizenbundel 25 met een reeks buizen 26 om een koelmedium doorheen te leiden ter vorming van het secundair gedeelte van de koeler 24, welke buizenbundel 25 is aangebracht in een behuizing met een omhulsel 27 dat aan de uiteinden van de buizen 26 is afgesloten door eindplaten 28 waar de buizen 26 met hun uiteinden doorheen steken.

Het omhulsel 27 is voorzien van een ingang 14 en van een uitgang 15 voor een te koelen gas, waarbij de behuizing een kanalisatie vormt die het gas over en rond de buizen 26 leidt ter vorming van het primair gedeelte 13 van de koeler 24 .

De buizen 26 zijn gegroepeerd in twee reeksen van deelbundels 25' en 25" zoals te zien is in de doorsnede van figuur 11 die op een tussenafstand L van elkaar zijn gelegen.

De buizenbundel 25 is aan zijn uiteinden afgedekt door een deksel 29, respectievelijk 30, welke deksels in dit geval identiek zijn en voorzien van schotten 31 die het deksel 29 en 30 verdelen in compartimenten 32 die één of meer uiteinden van de buizen 26 overkappen voor het kanaliseren van een koelmedium doorheen deze buizen 26.

Deze schotten 31 zijn in het weergegeven voorbeeld van figuur 10 rechte evenwijdige schotten die voorzien zijn van een zitting 33 waarin een dichting 34 kan worden aangebracht tussen het betreffende schot 31 en een voornoemde eindplaat 28 ter afscheiding van de stromingen in de compartimenten 32 onderling.

In de configuratie van figuur 10 waarin in alle schotten 31 een dichting 34 is voorzien, vormen twee van de schotten 31 een scheidingsschot 31' in elk van de deksels 29 en 30, waarbij dit scheidingsschot 31' in elk deksel 29 en 30 een scheiding vormt tussen de deelbundels 25' en 25" en waarbij de dichtingen 34 in dit geval zijn aangebracht tussen een dergelijk scheidingsschot 31' en het centrale gedeelte 35 van een eindplaat 28 tussen de deelbundels 25' en 25".

De deksels 29 en 30 zijn in het weergegeven voorbeeld van figuur 10 voorzien van een ingang 17', respectievelijk 17", en een uitgang 18', respectievelijk 18", voor een koelmiddel, welke ingang en uitgang van elk deksel beide aan eenzelfde zijde zijn gelegen van een voornoemd scheidingsschot 31'.

In de configuratie van figuur 10 zijn de deksels 29 en 30 zo aangebracht dat de ingang 17' en de uitgang 18' van één deksel 29 is voorzien tegenover één deelbundel 25' voor de kanalisatie van een koelmedium doorheen één van deze deelbundels 25' zoals weergegeven met de pijlen C', terwijl de ingang 17" en uitgang 18" van het ander deksel 30 is voorzien tegenover de andere deelbundel 25" voor de kanalisatie van eenzelfde of van een ander koelmedium doorheen deze andere deelbundel 25" zoals weergegeven met de pijlen C".

Beide kanalisaties zijn door de scheidingsschotten 31' van elkaar gescheiden, zodat in de configuratie van figuur 10 de koeler 24 in feite een gesplitste koeler 12 vormt met één primair deel met een ingang 14 en uitgang 15 voor het te koelen gas en een secundair deel met twee gescheiden kanalisaties met een ingang 17', respectievelijk 17", en een uitgang 18', respectievelijk 18", voor een koelmiddel, met de bedoeling het gas in het primair deel in twee trappen te kunnen koelen.

De bovenste deelbundel 25' vormt bij voorkeur de warme trap 16' die in contact is met warm aangevoerd gas afkomstig van een compressorelement 2, terwijl de onderste deelbundel 25" de koude trap 16" vormt die in contact is met kouder gas dat reeds deels werd gekoeld in de warme trap 16'.

In figuur 14 is eenzelfde koeler weergegeven als deze van figuur 11, doch in de configuratie van enkelvoudige, niet gesplitste koeler.

Hiertoe zijn de dichtingen 34 in de scheidingsschotten 31' weggenomen en is een ingang 17' en een uitgang 18" afgesloten met een stop 36 of dergelijke, zodat er nog slechts één ingang 17" en één uitgang 18' overblijft voor de kanalisatie van één enkel koelmiddel doorheen de beide deelbundels 25' en 25", zoals weergegeven met de pijlen C.

Het is hierbij duidelijk dat ter plaatse van de scheidingsschotten 31' , door de afwezigheid van de dichtingen 34 in deze schotten 31', er een interne verbinding bestaat tussen de kanalisatie van het koelmedium in de onderste deelbundel 25" en de kanalisatie van het koelmedium in de bovenste deelbundel 25' , zodat als het ware één doorlopende kanalisatie wordt gevormd tussen de ingang 17" en de uitgang 18' zonder externe doorverbinding.

Alternatief zou het natuurlijk mogelijk zijn om, uitgaande van de gesplitste configuratie van figuur 10 de dichtingen 34 ter plaatse van de scheidingsschotten 31' te laten zitten en de uitgang 18" extern te verbinden met de ingang 17' om de koeler 24 van figuur 10 te transformeren naar een niet gesplitste koeler.

Overigens is het niet absoluut noodzakelijk om twee identieke deksels 29 en 30 te gebruiken, maar kan bijvoorbeeld één deksel 29 zijn voorzien van alle nodige ingangen en uitgangen, terwijl het andere deksel 30 volledig gesloten is.

Een andere mogelijkheid is dat een van de deksels 29 of 30 is voorzien van twee ingangen en het andere deksel is voorzien van twee uitgangen, bijvoorbeeld bij een koeler met 6 rijen buizen.

Het is ook mogelijk om zonder afzonderlijke dichtingen 34 te werken en de schotten 31,31' nauw te laten aansluiten met de eindplaten 28. Door het geheel of gedeeltelijk weg machineren van de scheidingsschotten 31' verkrijgt men dan opnieuw de configuratie van een enkelvoudige, niet gesplitste koeler.

In figuur 15 wordt geïllustreerd hoe met één type koeler op eenvoudige manier een koelerblok met bijvoorbeeld twee interkoelers 12a en 12b en een nakoeler 6c kan worden gerealiseerd, waarbij de interkoelers 12a en 12b zijn geconfigureerd als gesplitste koelers en de nakoeler 6c is geconfigureerd als een niet gesplitste koeler, waarbij het koelmedium eerst in serie doorheen de koude delen 16" wordt geleid en vervolgens in serie doorheen de warme delen 16' wordt gestuurd in een volgorde die bijvoorbeeld bepaald kan worden volgens de hierboven beschreven criteria.

Het is duidelijk dat het niet uitgesloten is koelers te voorzien met meer dan twee trappen.

Het is ook duidelijk dat meer of minder schotten 31 kunnen worden voorzien teneinde het aantal passen waarmee het koelmedium doorheen de buizen 26 wordt gestuurd groter of kleiner te maken.

De schotten 31 moeten bijkomend ook niet noodzakelijk recht zijn.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een compressorinrichting volgens de uitvinding en een daarbij toepasbare koeler kunnen volgens verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (25)

1. Conclusies .

   1.- Compressorinrichting voor het comprimeren van gas in twee of meer trappen, welke compressorinrichting (19) minstens twee in serie geschakelde compressorelementen (2) bevat en minstens twee koelers (12) voor het koelen van het gecomprimeerde gas, namelijk een interkoeler (12a, 12b) tussen elk van twee opeenvolgende compressorelementen (2) en desgevallend, al naargelang de configuratie, een nakoeler (12c) stroomafwaarts van het laatste compressorelement (2), waarbij elke koeler (12) voorzien is van een primair deel (13) waar het te koelen gecomprimeerde gas wordt doorheen geleid en van een secundair deel (16) dat in warmtewisselend contact staat met het primair deel (13) en waar koelmedium wordt doorheen geleid, daardoor gekenmerkt dat minstens twee van de voornoemde koelers (12) zogenaamde gesplitste koelers zijn waarvan het secundair deel (16) gesplitst is in minstens twee afzonderlijke trappen (16', 16") om het gas dat doorheen het primair deel (13) wordt geleid in opeenvolgende trappen te koelen, respectievelijk minstens een warme trap (16') voor een eerste koeling van het warme gas dat het primair deel (13) van de koelers (12) binnenstroomt en minstens een koude trap (16") voor een verdere koeling van dit gas, waarbij de trappen (16', 16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) zodanig in één of meer gescheiden koelcircuits (20) met elkaar zijn verbonden dat met een minimum aan koeldebiet doorheen de één of meer koelcircuits (20) het gecomprimeerde gas tussen de compressorelementen (2) voldoende wordt gekoeld om de temperatuur van het gekoelde gas aan de uitlaat (15) van elke koeler (12) onder een maximum toegelaten waarde te houden en daarbij een gewenste temperatuursstijging te realiseren van het koelmedium in minstens één van de voornoemde koelcircuits (20) .
2. 2. - Compressorinrichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de gewenste temperatuurstijging minstens van de grootteorde van 30°C is, beter nog minstens van de grootteorde van 40°C, liever nog van de grootteorde van 50°C is.
3. 3. - Compressorinrichting volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat minstens twee, bij voorkeur minstens drie, van de koude trappen (16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in serie met elkaar zijn verbonden in een koelcircuit (20) waar een koelmedium wordt doorheen geleid.
4. 4. - Compressorinrichting volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat het koelmedium eerst doorheen de koude trap (16") wordt geleid van de koeler (12) onmiddellijk voorafgaand aan het compressorelement (2) dat in ontwerp een uitlaattemperatuur heeft die het dichtst bij de maximaal toelaatbare uitlaattemperatuur ligt.
5. 5. - Compressorinrichting volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat het koelmedium eerst doorheen de koude trap (16") wordt geleid van de koeler (12) waarvan in ontwerp de temperatuur van het gecomprimeerde gas aan de uitlaat (15) van de betreffende koeler (12) het dichtst is gelegen bij de maximaal toegelaten temperatuur aan de inlaat van het onmiddellijk daaropvolgend compressorelement (2).
6. 6. - Compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat minstens twee, bij voorkeur minstens drie, van de warme trappen (16') van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in serie met elkaar zijn verbonden in een koelcircuit (20) waar een koelmedium wordt doorheen geleid.
7. 7. - Compressorinrichting volgens conclusie 6, daardoor gekenmerkt dat het koelmedium als laatste doorheen de warme trap (16') wordt geleid van de koeler (12) onmiddellijk volgend op het compressorelement (2) die in ontwerp de hoogste uitlaattemperatuur heeft.
8. 8. - Compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat minstens twee, bij voorkeur minstens drie, van de koude trappen (16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) en minstens twee, bij voorkeur minstens drie, van de warme trappen (16') van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in serie met elkaar zijn verbonden in een koelcircuit (20) waar een koelmedium wordt doorheen geleid, waarbij het koelmedium in dit koelcircuit (20) eerst doorheen de koude trappen (16") en vervolgens doorheen de warme trappen (16') wordt geleid.
9. 9. - Compressorinrichting volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat alle trappen (16', 16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in één enkel koelcircuit (20) met één enkel koelmedium in serie met elkaar zijn verbonden, waarbij het koelmedium in dit koelcircuit (20) eerst doorheen de koude trappen (16") en vervolgens doorheen de warme trappen (16') wordt geleid.
10. 10. - Compressorinrichting volgens één van conclusies 3 tot 7, daardoor gekenmerkt dat alle trappen (16', 16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in één enkel koelcircuit (20) met één enkel koelmedium met elkaar zijn verbonden, waarbij minstens twee koude trappen (16") in parallel met elkaar zijn verbonden.
11. 11. - Compressorinrichting volgens één van de conclusies 3 tot 7, daardoor gekenmerkt dat alle trappen (16', 16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in één enkel koelcircuit (20) met één enkel koelmedium met elkaar zijn verbonden, waarbij minstens twee warme trappen (16') in parallel met elkaar zijn verbonden en het koelmedium in dit koelcircuit (20) eerst doorheen de koude trappen (16") en vervolgens doorheen de andere trappen (16', 16") wordt geleid.
12. 12. - Compressorinrichting volgens één van de conclusies 3 tot 7, daardoor gekenmerkt dat minstens twee koude trappen (16") die in serie met elkaar zijn verbonden, zijn opgenomen in een eerste koelcircuit (20") en dat de overige trappen (16' en 16") die in serie of geheel of gedeeltelijk in parallel met elkaar zijn verbonden, zijn opgenomen in een tweede koelcircuit (20' ) dat gescheiden is van het eerste koelcircuit (20").
13. 13. - Compressorinrichting volgens één van de conclusies 3 tot 7, daardoor gekenmerkt dat minstens twee van de koude trappen (16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in parallel met elkaar zijn verbonden in een eerste koelcircuit (20") en de overige trappen (16', 16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in serie of geheel of gedeeltelijk in parallel met elkaar zijn verbonden in een tweede koelcircuit (20') dat gescheiden is van het eerste koelcircuit (20") .
14. 14. - Compressorinrichting volgens één van de conclusies 3 tot 7, daardoor gekenmerkt dat minstens twee van de koude trappen (16") in parallel met elkaar zijn verbonden en minstens één koude trap (16") met de voorgaande in serie is verbonden in een eerste koelcircuit (20"), en de overige trappen (16', 16") van de secundaire delen (16) van de koelers (12) in serie of geheel of gedeeltelijk in parallel met elkaar zijn verbonden in een tweede koelcircuit (20' ) dat gescheiden is van het eerste koelcircuit (20").
15. 15. - Koeler voor gebruik in een compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat hij modulair is samengesteld op zodanige manier dat hij configureerbaar is als een gesplitste koeler (12) of als een niet gesplitste koeler (6).
16. 16. - Koeler volgens conclusie 15, daardoor gekenmerkt dat het een buizenkoeler is met een buizenbundel (25) met buizen (26) om een koelmedium doorheen te leiden, welke buizenbundel (25) is aangebracht in een behuizing met een omhulsel (27) dat aan de uiteinden van de buizenbundel (25) is afgesloten door eindplaten (28) waar de buizen (26) doorheen steken, welke behuizing een kanalisatie vormt om een te koelen gas over en rond de buizen (26) te leiden, waarbij de buizenbundel (25) aan zijn uiteinden is afgedekt door een deksel (29,30) met schotten (31) die het deksel (29, 30) verdelen in compartimenten (32) die één of meer uiteinden van buizen (26) overkappen voor het kanaliseren van koelmedium doorheen deze buizen (26), welke schotten (31) zijn voorzien van een afdichting (34) tussen het schot (31) en een voornoemde eindplaat (28) ter afscheiding van de kanalisatie van de stroming in de compartimenten onderling, waarbij er minstens twee schotten (31') kunnen zijn voorzien van een dergelijke afdichting die wegneembaar is en die bij aanwezigheid de buizenbundel (25) in twee kanalisaties voor een koelmedium opsplitst ter vorming van een gesplitste koeler (12) en bij afwezigheid een doorverbinding vormt tussen deze twee kanalisaties ter vorming van één doorlopende kanalisatie ter vorming van een enkele niet gesplitste koeler (6).
17. 17, - Koeler volgens conclusie 16, daardoor gekenmerkt dat de buizen (26) van de buizenbundel (25) zijn gegroepeerd in minstens (25', 25") twee deelbundels die op een afstand (L) van elkaar zijn gelegen en dat er minstens twee scheidingsschotten (31') zijn die bij aanwezigheid van voornoemde dichtingen (34) in deze scheidingschotten (31') de twee deelbundels (25', 25") van elkaar scheiden.
18. 18. - Koeler volgens conclusie 17, daardoor gekenmerkt dat de schotten (31 en 31') voldoende nauw aansluiten met de eindplaten (28) zodat er geen fysische afdichtingen (34) nodig zijn en dat door het weglaten of wegmachineren van de schotten (31' ) een enkele niet gesplitste koeler wordt gevormd.
19. 19. - Koeler volgens één van de conclusie 16 tot 18, daardoor gekenmerkt dat de scheidingsschotten (31') rechte schotten zijn.
20. 20. - Koeler volgens één van de conclusies 16 tot 18, daardoor gekenmerkt dat de schotten (31) rechte evenwijdige schotten zijn.
21. 21. - Koeler volgens één van de conclusies 17 tot 20, daardoor gekenmerkt dat elk deksel (29,30) is voorzien van één of meer ingangen (17', 17") en één of meer uitgangen (18', 18") voor een koelmiddel, waarbij tegenover elke deelbundel (25',25") zich telkens één ingang of uitgang bevindt ofwel één ingang en één uitgang.
22. 22. - Koeler volgens één van de conclusies 17 tot 20, daardoor gekenmerkt dat elk deksel (29, respectievelijk 30) voorzien is van twee of meer ingangen, respectievelijk van twee of meer uitgangen, waarbij tegenover elke deelbundel (25',25") zich telkens één ingang of uitgang bevindt.
23. 23. - Koeler volgens één van de conclusies 17 tot 20, daardoor gekenmerkt dat alle aansluitingen voor koelmedium voorzien zijn op één van de twee deksels (29, 30).
24. 24. - Koeler volgens één van de conclusie 21 tot 23, daardoor gekenmerkt dat de ingang (17') en uitgang (18') zich tegenover één deelbundel (25') bevinden terwijl de ingang (17") en de uitgang (18") zich tegenover de andere deelbundel (25") bevinden.
25. 25.- Koeler volgens conclusie 17 tot 20, daardoor gekenmerkt dat in het geval van een gesplitste koeler (12) beide ingangen (17', 17") en uitgangen (18', 18") worden gebruikt, respectievelijk voor de gescheiden kanalisatie van twee koelmedia doorheen de deelbundels (25', 25"), terwijl in het geval van één enkele niet gesplitste koeler (6) één van de ingangen (17', 17") en één van de uitgangen (18', 18") is afgesloten en de dichtingen (34) in de scheidingsschotten (31') zijn weggelaten.