CN102239380B - 水分离器及系统 - Google Patents

Abstract

水分离器和系统包括：压缩空气后冷却器和具有除雾器核心的水/湿气分离器，除雾器核心包括多个偏置的散热片。在一个实施方式中，压缩空气后冷却器包括压缩空气核心，压缩空气核心具有后冷却器入口、位于压缩空气核心的底部的后冷却器出口、以及一个或多个传热通道。一方面，系统包括与后冷却器基本上一体的湿气分离器。另一方面，系统包括：大体上水平的第一区域，该第一区域位于后冷却器出口下方且与其邻近；以及扩大区域，与水平的第一区域邻近且与第一区域流体连通，扩大区域被配置以降低经过该扩大区域的压缩空气的水平速度。另一方面，除雾器核心与扩大区域流体连通。在某些方面，除雾器核心包括多个偏置的散热片，散热片产生波状/不平坦的流和/或产生空气流方向改变。另一方面包括位于除雾器核心的下游的离开区域，其中，离开区域具有压缩空气出口和凝结物排出道。

Description

水分离器及系统

优先权声明

本申请要求于2009年5月6日提交的第61/176,071号美国临时专利申请的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术

当潮湿的环境空气在空气压缩机中被压缩时，出现使空气温度和露点温度升高的热力学过程。本文所使用的露点温度使这样的温度，在该温度下，相对湿度变为100％饱和并且压缩空气中的水蒸气开始凝结为液体。

温度升高可能重要到足以使压缩空气相当热且不可用于许多应用。为了将压缩空气的温度降至可用范围，某些空气压缩机系统使用水冷或风冷式后冷却器——如此命名是由于其位于压缩机的下游。后冷却器将压缩空气冷却至低于露点的温度。离开后冷却器的压缩空气可含有大量悬浮在空气流中的凝结水滴。

图1示出了传统的风冷式后冷却器10，其带有外部湿气分离器12。外部湿气分离器12可能占据相当大的空间且增加系统的重量和成本。

发明内容

通过仅出于说明目的且非限制性地用括号引用所公开的实施方式的相应部件、部分或表面，本发明提供了具有压缩空气后冷却器(110、210)的水分离器和系统(100)，压缩空气后冷却器(110、210)带有水/湿气分离器(112、212)。

一方面，提供了包括多个偏置的散热片(154)的除雾器核心(150、250)。另一方面，本发明提供了用于对压缩空气进行冷却的后冷却器，该后冷却器包括多个大体上竖直的压缩空气路径和多个相应的后冷却器出口，后冷却器出口位于压缩空气路径的底部，其中，压缩空气路径通过冷却空气路径彼此分离，冷却空气路径被配置以运送冷却空气，其中，压缩空气路径和冷却空气路径彼此之间处于热交换关系；水分离器，与后冷却器出口邻近，该水分离器包括：(a)大体上水平的隔室，直接位于后冷却器出口下方且与后冷却器出口流体连通，该水平的隔室接纳从出口排出的压缩空气；(b)除雾器核心，位于水平的隔室的下游且与该水平的隔室流体连通，其中，除雾器核心包括多个散热片，散热片被配置以产生穿过除雾器核心的波状流从而将水从压缩空气分离；以及(c)离开隔室，位于除雾器核心的下游，该离开隔室具有压缩空气出口。另一方面，水分离器包括流速降低区域，该流速降低区域紧邻水平的隔室且与该水平的隔室流体连通，该流速降低区域具有比水平的隔室更大的横截面积，以降低经过流速降低区域的压缩空气的水平速度。另一方面，冷却和除水装置和系统包括用于向后冷却器提供压缩空气的空气压缩机。另一方面，水平的隔室或流速降低区域包括大体上竖直的穿孔板，该穿孔板从水平的隔室或流速降低区域的底部向上延伸。另一方面，后冷却器被配置以接收最低温度为约80摄氏度以及最高温度为约140摄氏度的压缩空气。又一方面，后冷却器将压缩空气的温度冷却至最低25摄氏度以及最高45摄氏度。另一方面，除雾器核心不具有传热通道和/或包括以偏置模式布置且焊接在一起的压制的铝片。

本发明的另一方面提供了具有冷却单元的冷却和除水系统，冷却单元具有多个隔室：设置在第一隔室内的后冷却器；设置在第二隔室内的水平空气流动路径；设置在第三隔室内的除雾器核心；以及位于除雾器核心的下游的离开隔室。另一方面，附加的隔室，即流速降低隔室包括在内，其紧邻第二隔室且与水平空气流动路径流体连通，其中，流速降低隔室具有比第二隔室更大的横截面积，以降低水平的空气流的水平速度。

一方面，压缩空气后冷却器包括压缩空气核心，压缩空气核心具有一个或多个后冷却器入口、后冷却器出口以及一个或多个第一传热通道。另一方面，冷却器核心包括一个或多个第二传热通道，第二传热通道穿过冷却器核心延伸并与一个或多个第一传热通道处于热交换关系，并且第二传热通道被配置以将一个或多个第一传热通道中的压缩空气冷却。又一方面，系统包括湿气分离器(112、212)，湿气分离器大体上一体地附接至后冷却器出口(124、224)。在一个实施方式中，大体上水平的第一区域或隔室与后冷却器出口邻近；设有扩大区域，其与水平的第一区域邻近且与该水平的第一区域流体连通。在该实施方式中，扩大区域被配置以降低经过该扩大区域的压缩空气的水平速度。

本发明的另一方面提供了除雾器核心，其与水平的区域和/或扩大区域流体连通。在某些方面，除雾器核心包括多个偏置的散热片，散热片产生穿过除雾器核心的波状流。此外，系统可包括位于除雾器核心的下游的离开区域，其中，离开区域具有空气出口(例如位于湿气分离器的顶部)(116、216)以及凝结物排出道(例如，位于湿气分离器的底部)(144、244)。

附图说明

图1示出现有技术的带有外部湿气分离器的风冷式后冷却器；

图2示出本发明的一个实施方式的带有一体的水分离器的风冷式后冷却器；

图3是图2所示的水分离器的剖视图；

图4示出本发明的一个实施方式的除雾器核心；

图5是除雾器核心的沿线5-5取得的放大剖视图；

图6是本发明的一个实施方式的水分离器及后冷却器的剖视图；

图7示出本发明的一个实施方式的带有一体的水分离器的风冷式后冷却器，其具有穿孔板；以及

图8是图7的穿孔板的正视图。

具体实施方式

在开始时，应明确理解，贯穿若干附图，相似的参考数字始终旨在表示相同的结构构件、部分或表面，而这些构件、部分或表面可由整个书面说明书进一步描述或解释，这种描述是说明书的组成部分。除非另有所指，附图旨在与说明书一起被阅读(例如，剖面线、零件的布置、比例、度等)，并且被考虑为本发明的整个书面说明书的一部分。在下面描述中所使用的用语“水平的”、“竖直的”、“左”、“右”、“上”和“下”以及其形容词和副词形式的衍生词(例如，“水平地”、“向右地”、“向上地”等)在具体附图面向读者时仅指所示结构的定向。类似地，视情况而定，用语“向内”和“向外”一般指表面相对于其延伸轴线或转动轴线的定向。下面对本发明的优选实施方式的描述仅为示例，而非旨在限制本发明的范围、可用以实施本发明各方面的方式、或其应用或使用。

图2示出具有后冷却器110的冷却和除水/除湿系统100的一个实施方式，后冷却器110带有基本上一体的水分离器112。本文所使用的用语“一体的”例如包括水分离器附接或附连至后冷却器；或水分离器紧邻或邻近后冷却器；或水分离器位于包含后冷却器的壳体或后冷却器中，例如位于后冷却器的壳体内的隔室中，或水分离器形成包含后冷却器的壳体或后冷却器的一部分。通过将湿气分离器112结合在流出管路114中，图2中所示的实施方式减少了在风冷式后冷却器110中进行水/湿气分离的空间、重量和/或成本需求。

参照图3，后冷却器110具有在散热片例如122A、122B之间延伸的一个或多个冷却空气通道例如123A、123B。冷却空气在散热片之间经过并以从后冷却器的一个面到相反侧的热交换关系通过后冷却器。空气可由风扇(未示出)驱动并通过冷却空气通道。处理空气沿由方向箭头例如121A、121B所表示的竖直路径通过多通道例如120A、120B。

在图3所示的实施方式中，通过将载有微滴的空气流从后冷却器出口例如124A、124B、124C引导到位于后冷却器(和后冷却器出口)下方的大体上水平的隔室135中，实现湿气分离。在水平隔室中，例如，载有微滴的空气的流动一般以132A和132B指示。在一个实施方式中，如方向箭头134A和134B所示的那样，通过将水平隔室的横截面积扩大到扩大区域130，可以使载有微滴的空气的水平速度降低。其它实施方式不包括扩大区域；在这种实施方式中，在除雾器核心的表面处或表面附近实现水平速度的降低。

然后，空气被引导穿过竖直定向的真空钎焊的除雾器核心或除雾器区域150，如图3、图4及图5中所示，通过迫使穿过除雾器核心的空气流的方向改变以引起较小的空气微滴(droplet)汇合成较大的空气微滴以及通过对重力的有利使用，除雾器核心或除雾器区域150将微滴机械地分离。在一个实施方式中，在与除雾器核心的表面邻近的位置可添加穿孔板160，以改变空气流在除雾器核心的整个表面上的分布(如图7和图8所示)。然后，空气从除雾器核心150经过并进入离开区域140，在离开区域140，空气例如沿由方向箭头142A、142B示出的路径向上行进并离开空气出口116。较大的水微粒不太可能被移动较慢的空气运送，从而滴落至收集盘146并通过该实施方式中的凝结物排出道144移除。

该实施方式的一个方面在于除雾器核心150的几何构造。本文所使用的用语“除雾器核心”指这样的装置，该装置提供大的表面积对体积比率并且不与热交换器邻近，这种大的表面积对体积比率很适于提供使水微滴接触及汇合的接触表面。在第5,845,505号和第6.085,529号美国专利中公开了钎焊的除雾器核心的结构的示例，其通过引用并入本文。图4的实施方式中示出的除雾器核心150由冲压铝的分离的片例如152A、152B、152C制成，形成铝散热片例如154A、154B、154C。对多个冲压铝的分离的片进行设置，以使得铝散热片偏置，形成偏置的矩形铝散热片例如154A、154B、154C的矩阵(matrix)。然后，在将分离的片适当定向时，通过使用与用于钎焊铝杆及板式热交换器例如风冷式油冷却器和压缩空气后冷却器的方法相同的那些生产方法，以及本领域技术人员已知的其它方法，将分离的片钎焊成一体的除雾器核心150。通过铝杆及板钎焊技术可容易且经济地制造该实施方式中的除雾器核心150。在该实施方式中，散热片位于不发生任何热传递之处，即，在除雾器核心中不存在任何热传递/交替冷却液通过。钎焊的除雾器核心置于热交换后冷却器的下游，在此处，除雾器核心将微滴从已冷却的压缩空气中移除。在此方面，除雾器核心仅用作分离器。

在下文中进一步描述来自压缩机后冷却器出口例如124A、124B、124C的空气的流动。从后冷却器流动到分离器的空气流由传热通道例如120A、120B引导至位于后冷却器的底部的后冷却器出口例如124A、124B。包含凝结的湿气微滴(凝结物)的饱和的被冷却空气进入水平流入通道(或隔室)，并且以大体上水平的模式且以第一水平速度行进，如示例性方向箭头132A、132B所示的那样。当空气从水平流入通道或隔室经过并进入扩大区域130中时，空气的水平速度降低至第二水平速度。在空气和微滴的水平速度降低之后，其穿过除雾器核心150。微滴在除雾器核心上汇合并向下排出到分离器收集盘146中且通过凝结物排出道144移除。穿过除雾器核心进入离开区域140的空气并不向下排出，而是如方向箭头142A、142B所示的那样向上行进并离开空气出口116。

如图5中所示，并且参照图3和图4，通过使载有夹带的水微粒例如159A、159B、159C的饱和空气以降低的水平速度移动并以由示例性方向箭头156A、156B、156C所示的波状和/或非平坦路径经过堆叠铝片的偏置散热片例如154D、154E、154F，钎焊的除雾器核心150将湿气分离。移动较慢的凝结物撞击在散热片上并使悬浮的微滴汇合成较大的水微粒例如158A、158B、158C。

现在参照图6，示出了具有后冷却器210的冷却和除水系统的替代实施方式，后冷却器210带有一体的湿气分离器212。在该实施方式中，后冷却器212包括在散热片例如222A、222B之间延伸的一个或多个冷却空气通道例如223A、223B。冷却空气在散热片之间经过并以从后冷却器的一个面到相反侧的热交换关系通过后冷却器。空气可由风扇(未示出)驱动并通过冷却空气通道。在该实施方式中，处理空气沿由方向箭头例如221A、221B、221C表示的水平路径通过多水平通道例如220A、220B。

在该实施方式中，通过以下来实现湿气分离：对来自后冷却器出口的载有微滴的空气进行导入，以通过将多水平通道220A、220B的横截面积直接扩大到隔室或扩大区域230来降低该载有微滴的空气的水平速度，如由示例性方向箭头232A、232B所示的那样。然后，将空气引导穿过竖直定向的真空钎焊的除雾器核心250，通过迫使穿过除雾器核心的气流的方向改变而使较小的空气微滴汇合成较大的空气微滴以及通过对重力的有利使用，除雾器核心250将微滴机械地分离。然后，空气流到离开区域240中，在离开区域240，空气沿由方向箭头242A、242B示出的路径向上行进并离开空气出口216。从空气移除的水在分离器的底部聚集并通过凝结排出道244移除。

图7为图3的实施方式外加穿孔板160的示意图，穿孔板160与除雾器核心150的表面邻近、齐平或位于该表面附近。图8中示出穿孔板的正视图。在该示意图中，与除雾器核心相比，穿孔板相对较薄。添加穿孔板在除雾器核心150的整个表面上产生更好/更有效的分布。

虽然已对被认为是本发明的优选实施方式进行了描述，但本领域技术人员可认识到，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可对本发明进行其它的或进一步的改变和修改。因此，本发明不限于本文示出且描述的具体细节和代表性实施方式，并且本发明可以以其它具体形式实施。因此，上述的实施方式被认为是说明性而非限制性的，本发明的范围由所附的权利要求书而非上面的描述来指示，因此处于权利要求的等同意义和范围内的所有改变、可替换方案、修改和实施方式趋于被包含在本发明的范围内。此外，本文使用的术语和用语用于描述的目的并且不应视为限制。

Claims (21)

1.冷却和除水装置，包括： 

后冷却器，用于对压缩空气进行冷却，所述后冷却器包括多个大体上竖直的压缩空气路径和多个相应的后冷却器出口，后冷却器出口位于所述压缩空气路径的底部；所述压缩空气路径通过大体水平的冷却空气路径彼此分离，所述冷却空气路径被配置以运送冷却空气；所述压缩空气路径与所述冷却空气路径彼此之间处于热交换关系；以及 

水分离器，与所述后冷却器出口邻近以将水从通过所述后冷却器出口排出的压缩空气中移除，所述水分离器包括： 

(a)大体上水平的隔室，直接位于所述后冷却器出口下方且与所述后冷却器出口流体连通，大体上水平的隔室被配置以接纳通过所述后冷却器出口排出的压缩空气； 

(b)除雾器核心，位于水平的隔室的下游并且与该水平的隔室流体连通，所述除雾器核心包括多个偏置的矩形散热片，散热片被配置以产生穿过所述除雾器核心的波状流，由此将水与所述压缩空气分离；以及 

(c)离开隔室，位于所述除雾器核心的下游，所述离开隔室具有压缩空气出口。 

2.如权利要求1所述的冷却和除水装置，所述水分离器还包括： 

(d)流速降低区域，紧邻水平的隔室并且与该水平的隔室流体连通，所述流速降低区域具有比水平的隔室更大的横截面积以降低经过所述流速降低区域的压缩空气的水平速度。 

3.如权利要求2所述的冷却和除水装置，其中，所述流速降低区域包括大体上竖直的穿孔板，所述大体上竖直的穿孔板从所述流速降低区域的底部向上延伸。 

4.如权利要求1所述的冷却和除水装置，还包括用于向所述后冷 却器提供压缩空气的空气压缩机。 

5.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，所述水分离器被形成为与所述后冷却器基本上一体。 

6.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，所述离开隔室包括水排出道。 

7.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，水平的隔室包括大体上竖直的穿孔板，所述大体上竖直的穿孔板从水平的隔室的底部向上延伸。 

8.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，所述后冷却器接收最低温度为80摄氏度以及最高温度为140摄氏度的压缩空气。 

9.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，所述后冷却器将所述压缩空气的温度冷却至最低25摄氏度以及最高45摄氏度。 

10.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，所述除雾器核心不具有传热通道。 

11.如权利要求1所述的冷却和除水装置，其中，所述除雾器核心包括以偏置模式布置并且钎焊在一起的压制的铝片。 

12.一种冷却和除水系统，包括： 

冷却单元，具有多个隔室，所述冷却单元包括：后冷却器，设置在第一隔室内，所述后冷却器包括压缩空气核心，所述压缩空气核心具有第一传热通道和后冷却器出口；以及冷却器核心，具有第二传热通道，所述第二传热通道与所述第一传热通道处于热交换关系，所述后冷却器被配置且被布置以对压缩空气进行冷却： 

水平空气流动路径，设置在第二隔室内，所述第二隔室与所述第一隔室邻近并且被配置以接纳从所述第一隔室排出的压缩空气； 

除雾器核心，设置在第三隔室内，所述第三隔室与所述第二隔室流体连通，所述除雾器核心包括多个偏置的矩形散热片以产生穿过所述除雾器核心的压缩空气的波状流；以及 

离开隔室，与所述第三隔室邻近且位于所述除雾器核心的下游，所述离开隔室具有压缩空气出口。 

13.如权利要求12所述的冷却和除水系统，还包括： 

流速降低隔室，紧邻所述第二隔室且与所述水平空气流动路径流体连通，所述流速降低隔室具有比所述第二隔室更大的横截面积以降低水平的空气流的水平速度。 

14.如权利要求12所述的冷却和除水系统，还包括用于向所述后冷却器提供压缩空气的空气压缩机。 

15.如权利要求12所述的冷却和除水系统，其中，所述后冷却器被配置为接收最大压强为1400KPa的压缩空气。 

16.如权利要求12所述的冷却和除水系统，其中，所述压缩空气以第一速度经过所述后冷却器出口，并且随后以较低的、约每秒1米的第二速度经过所述除雾器核心。 

17.如权利要求12所述的冷却和除水系统，其中，所述除雾器核心不具有传热通道。 

18.如权利要求12所述的冷却和除水系统，其中，所述除雾器核心包括以偏置模式布置并且钎焊在一起的压制的铝片。 

19.如权利要求12所述的冷却和除水系统,其中，所述压缩空气 的温度降低至最低25摄氏度以及最高45摄氏度。 

20.如权利要求12所述的冷却和除水系统，其中，所述离开隔室包括水排出道。 

21.如权利要求12所述的冷却和除水系统，其中，所述第二隔室包括大体上竖直的穿孔板，所述大体上竖直的穿孔板从所述第二隔室的底部向上延伸，所述大体上竖直的穿孔板改变空气流在所述除雾器核心的整个表面上的分布。 

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