CN113661325B - 用于对至少两级的压缩空气发生器进行冷却的冷却装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于至少两级的压缩空气发生器(01)的冷却装置。所述冷却装置包括布置在第一压缩机级与第二压缩机级(02、03)之间的中间冷却器(04)、布置在所述第二压缩机级(03)之后的后冷却器(05)以及从所述压缩空气发生器(01)的其他部件处吸收热量的部件冷却器(08)。冷却剂回路包括主冷却器(07)，该主冷却器的冷侧向所述中间冷却器(04)、后冷却器(05)和部件冷却器(08)的各自的冷却剂入口并行地输送经过冷却的、具有低温的冷却剂，并且该主冷却器的热侧接收在所述中间冷却器(04和后冷却器(05)的各自的冷却剂出口处并行地流出的经过加热的、具有高温的冷却剂。所述部件冷却器(08)的冷却剂出口被连接到所述中间冷却器(04)和/或后冷却器(05)的供给入口(12)上。所述供给入口(12)在所述冷却剂入口与所述冷却剂出口之间布置在以下位置处，在所述位置处所述中间冷却器(04)中或者所述后冷却器(05)中的冷却剂的中间温度相当于在所述部件冷却器(08)处的冷却剂的流出温度±20％。此外，本发明涉及一种用于对至少两级的压缩空气发生器进行冷却的方法。

Description

用于对至少两级的压缩空气发生器进行冷却的冷却装置和 方法
技术领域
本发明涉及一种用于至少两级的压缩空气发生器的冷却装置。这种压缩空气发生器也被称为压缩机，其包括：用液体冷却的中间冷却器，该中间冷却器布置在第一压缩机级与第二压缩机级之间，以便在由第一压缩机级排出的经过预压缩的空气流入到第二压缩机级中之前对其进行冷却；以及用液体冷却的后冷却器，该后冷却器布置在所述第二压缩机级之后，以便对由该第二压缩机级压缩的空气进行冷却。此外，设有一种用液体冷却的部件冷却器，该部件冷却器从所述压缩空气发生器的其他部件处吸收热量，以便比如对所述压缩机级的功率电子器件或者驱动机构和传动机构进行冷却。冷却剂回路伸延经过主冷却器，该主冷却器的冷侧向所述中间冷却器、后冷却器和部件冷却器的各自的冷却剂入口输送冷却剂，并且该主冷却器的热侧接收在所述中间冷却器和后冷却器的冷却剂出口处流出的、经过加热的冷却剂。
此外，本发明还涉及一种用于对至少两级的压缩空气发生器进行冷却的方法。
背景技术
为了对气态的介质进行压缩、尤其为了产生压缩空气，已知压缩机的极为不同的结构形式。比如，文献DE 601 17 821 T2描述了一种具有两个或者更多个压缩机级的多级螺杆压缩机，其中每个压缩机级包括一对用于对气体进行压缩的转子。此外，设有两个或者更多个具有能改变的速度的驱动器件，其中每个驱动器件驱动着各自的压缩机级。
文献EP 2 886 862 A1描述了一种压缩机，该压缩机具有马达、驱动轴、与所述驱动轴相连接的曲轴传动机构、至少一个压缩空气发生机构、曲轴壳体和压缩空气储罐。对于所有组件的冷却借助于由风机叶轮产生的冷却空气流来进行。
由文献DE 10 2017 107 602 B3已知一种具有设备壳体的压缩机设备，在所述设备壳体中布置有多个产生热的设备组件。所述设备组件包括具有两个压缩机级的复式螺杆压缩机，所述两个压缩机级用于压缩气态的介质、尤其用于产生压缩空气。所述设备壳体此外包括空气-水-冷却器、产生冷却空气流的鼓风机以及空气引导元件，所述空气引导元件将由设备组件加热的空气输送给所述空气-水-冷却器。
文献EP 2 529 116 B1描述了一种用于在通过具有两个或者更多个压缩级的压缩机压缩空气时回收能量的方法。在所述压缩机的下游，设有具有初级件和次级件的换热器。通过所述初级件来引导来自压力级的经过压缩的气体；通过所述次级件来引导冷却剂。
文献WO 2015/172206 A9描述了一种压缩机，该压缩机具有至少两个串联的压缩级以及至少两个冷却器、也就是处于所述压缩级之间的中间冷却器以及处于最后一个压缩级之后的下游的后冷却器。所述冷却器中的至少两个冷却器被设计为分开式冷却器，使得由冷却剂贯穿流过的次级侧被划分为两个级，以便在热级和冷级中对在初级侧上贯穿流过的气体进行冷却。所述次级侧的两个级在不同的冷却回路中被联接。比如，所述多个冷却器的第一级分别串联连接并且所述第二级分别串联连接。
文献DE 31 34 844 A1描述了一种用于尤其为具有离心式及活塞式压缩机的多级压缩机构对压缩过程进行能量优化的方法。为此，热泵被集成到压缩机设备中。优选的是，所述热泵的至少一个蒸发器被整合到所述冷却级的导引经过加热的冷却水的管道中。
在文献US 2018/0258952 A1中描述了一种压缩机模块，该压缩机模块包括压缩机，所述压缩则具有一个带有所集成的压缩机冷却器的壳体。按照一种实施方式，能够将两个这种模块彼此组合起来，使得低压压缩机模块与高压压缩机模块串联连接。所述两个压缩机模块中的每个压缩机模块具有用液体冷却的冷却器，该冷却器对在模块的出口处的被压缩的空气进行冷却。此外，设有马达冷却器和结构元件冷却器，它们的冷却剂回路与压缩机冷却器的冷却剂回路相连接。
一般来说，对于这种压缩机设备来说总是产生以下需求，即：或多或少地排出大的热量，以便避免各个组件或者总设备的过热。所述总设备迄今为止要定期通过冷却空气来冷却，其中经过加热的废气通常未加利用地被排放到环境中。所述热而后要么失去要么只能无效地从废气中回收。一些设备额外地包括换热器，该换热器的次级的热传递介质吸收来自压缩机的初级的冷却回路的热并且将其运走。被排出的热而后能够由外部的负载来利用。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是：一方面在降低设备技术上的开销的情况下确保对于这种压缩空气发生器(压缩机设备)的有效的冷却，不过另一方面也相对于整个压缩空气发生器来设计更加有效的热回收。
该任务通过一种按照随附的权利要求1所述的、用于至少两级的压缩空气发生器的冷却装置来解决。所述冷却装置的优选的实施方式在从属权利要求2到7中列举出来。此外，所述任务通过一种按照随附的权利要求8所述的用于对至少两级的压缩空气发生器进行冷却的方法来解决。所述方法的有利的实施方式在从属权利要求9和10中列举出来。
按本发明的冷却装置适合于对优选压缩机设备的类型的、具有至少两个压缩机级的压缩空气发生器进行冷却。所述冷却装置包括至少一个用液体冷却的中间冷却器，所述中间冷却器布置在第一压缩机级与第二压缩机级之间，以便在由第一压缩机级排出的经过预压缩的空气流入到第二压缩机级中之前对其进行冷却。用液体冷却的后冷却器布置在所述第二或者最后一个压缩机级之后，以便对进一步经过压缩的空气进行冷却。在最简单的情况中，所产生的压缩空气在贯穿流过后冷却器之后被供应给外部的单元。在改动方案中，所述压缩空气发生器也能够具有两个以上的压缩机级并且相应地具有额外的中间冷却器。
此外，所述冷却装置包括用液体冷却的部件冷却器，该部件冷却器从压缩空气发生器的其他组件处接收热并且将其排放给冷却剂。所述部件冷却器像其他冷却器一样布置在压缩空气发生器的壳体中并且比如被构造为片状冷却器、冷却板、热导管等等。所述部件冷却器能够由多个单个的冷却器所组成并且用于尤其从压缩机级的驱动机构以及为了控制压缩空气发生器而需要的功率电子器件上进行散热。
所述冷却装置具有冷却剂回路，该冷却剂回路包括主冷却器，以便将由其他冷却器中的冷却剂所吸收的热从压缩空气发生器中排出。所述主冷却器的冷侧将经过冷却的、具有低温的冷却剂直接供应给所述中间冷却器、后冷却器及部件冷却器的各自的冷却剂入口。所述中间冷却器、后冷却器及部件冷却器的冷却剂入口并联连接，从而向其输送具有相同低温的冷却剂。所述主冷却器的热侧直接从所述中间冷却器(或者多个中间冷却器)、后冷却器及部件冷却器的各自的冷却剂入口接收经过加热的冷却剂，或者如下面所描述的那样在中间连接用于进行热回收的换热器时间接地从所述中间冷却器、后冷却器及部件冷却器的各自的冷却剂入口接收经过加热的冷却剂。所述中间冷却器及后冷却器的冷却剂出口被并联连接并且必要时经由换热器将经过加热的、具有高温的冷却剂供应给主冷却器。
对本发明来说重要的是，所述部件冷却器的冷却剂出口不是与所述中间冷却器或者后冷却器的冷却剂出口并联连接。由此避免了，在中间冷却器及后冷却器的出口处存在的、具有高温的冷却剂通过来自所述部件冷却器的混合被冷却，因为所述部件冷却器由于较少的有待排出的热量而有规律地提供冷却剂的较低的温度。换而言之，所述部件冷却器的冷却剂被输送给中间冷却器和/或后冷却器的供给入口，其中所述供给入口在冷却剂入口与冷却剂出口之间布置在以下位置处，在所述位置处所述中间冷却器或者后冷却器中的冷却剂的中间温度相当于在所述部件冷却器处的冷却剂的出口温度±20％。优选由所述部件冷却器混入的冷却剂的温度与所述中间冷却器或后冷却器中的混入点处的温度相差小于±10％、尤其是小于±3％。
同样的冷却剂(优选是水)由此用于所述中间冷却器、后冷却器和部件冷却器。由此，不仅来自经过压缩的压缩空气的热量而且来自比如电动马达、变频器、压缩机级、传动机构单元等等的部件、的热量都富集在冷却剂中并且由所述冷却剂运出。整个压缩空气发生器的废热的最大部分由此供热回收所用。
本发明的另一个优点在于，所述主冷却器能够明显地被制作得较小，这引起所述冷却回路的结构尺寸的显著的减小并且由此引起所述压缩空气发生器的总成本的显著的减小。由于所描述的有针对性地将由具有中间温度的部件冷却器提供的冷却剂供给到中间冷却器和/或后冷却器中这种处理方式，在所述中间冷却器和后冷却器的出口处存在的高温能够被保持在高的水平上、优选被保持在90℃的范围内。这引起在所述主冷却器处的大的温度差，从而能够将其冷却面保持比在所述主冷却器处的入口温度较低时小。必需的冷却面和在入口温度(高温)与所期望的出口温度(低温)之间的温度差成比例。
按照一种有利的实施方式，由所述部件冷却器提供的冷却剂经由相应的供给入口不仅被输送给所述中间冷却器而且被输送给所述后冷却器。
按照所述冷却装置的一种特别优选的实施方式，所述冷却回路中的换热器被接入在中间冷却器及后冷却器的各自的冷却剂出口与主冷却器的冷却剂入口之间。由此，全部的被输送给冷却剂的热量供所述换热器所用，以便转交给载热体介质。
优选所述主冷却器是水-空气-冷却器或者是水-水-冷却器或者是将水和空气可选地作为冷却介质的组合式冷却器。由此，任凭所述压缩空气发生器的使用者决定，他是借助于鼓风机支持的废气冷却还是通过连接到外部的液态冷却介质上的方式来实现所述主冷却。
有利的是，所述中间冷却器和/或所述后冷却器具有多个供给入口，所述冷却剂能够可选从所述部件冷却器的冷却剂出口输送给所述供给入口。尤其在所述部件冷却器的冷却剂出口与所述供给入口之间布置有分配器单元，该分配器单元在温度受控的情况下供应以下供给入口，在该供给入口处所述中间冷却器或者后冷却器中的冷却剂的中间温度最接近于在所述部件冷却器处的冷却剂的流出温度。
适宜的是，所述中间冷却器、后冷却器、部件冷却器、换热器、第一压缩机级和第二压缩机级以及电子控制单元布置在共同的设备壳体的内部。所述冷却装置由此是压缩空气发生器的集成的组成部分，使得在使用者处的安装开销被限制到最低限度。
按照本发明的用于对至少两级的压缩空气发生器进行冷却的方法包括以下步骤：
-引导冷却剂回路中的冷却介质穿过主冷却器并且穿过与所述主冷却器串联连接的用液体冷却的第一中间冷却器，该第一中间冷却器由此对由第一压缩机级预压缩的空气进行冷却；
-引导所述冷却剂回路中的冷却介质穿过同样与所述主冷却器串联地并且与所述中间冷却器并联地连接的后冷却器，该后冷却器由此对由第二压缩机级再压缩的空气进行冷却；
-将在所述主冷却器中经过冷却的冷却介质输送给用液体冷却的部件冷却器，该部件冷却器从压缩空气发生器的其他部件处吸收热量；
-将由所述部件冷却器排出的、经过加热的冷却介质通过供给入口供给到所述中间冷却器和/或所述后冷却器中，其中供给过程在所述中间冷却器或者后冷却器中的以下位置处进行，在所述位置处所述中间冷却器或者后冷却器中的冷却剂的中间温度相当于在所述部件冷却器处的冷却剂的流出温度±20％，优选这两个温度基本上相同。
附图说明
本发明的另外的优点和细节从以下参照附图对一种优选的实施方式所作的描述中得出。其中：
图1示出了按本发明的冷却装置的方框图，其中停用热回收；
图2示出了所述冷却装置的方框图，其中激活热回收。
具体实施方式
图1示出了压缩空气发生器01或者压缩机设备的简化的方框图。所述方框图首先包括冷却装置的主要元件并且忽略所述压缩空气发生器的其他单元。所述压缩空气发生器包括至少一个第一压缩机级02和一个第二压缩机级03。在所述第一压缩机级01中被预压缩的空气以比如200℃的温度被输送给中间冷却器04以进行冷却并且以大约50℃的温度离开该中间冷却器，以便而后由所述第二压缩机级03进一步压缩。经过最终压缩的压缩空气以大约200℃的温度离开所述第二压缩机级03并且而后被输送给后冷却器05，以便进行重新冷却，从而使得所述压缩空气最后以大约50℃的温度被供应给外部的单元。为了进行散热，主冷却器07在其冷侧以比如45℃的温度提供冷却介质、优选是冷却水。所述冷却水以这种低温被并行地供应给中间冷却器04、后冷却器05及部件冷却器08的流入口。所述冷却水贯穿流过中间冷却器04和后冷却器05，以便吸收压缩空气的热量，并且以比如90℃的高温被重新供应给所述主冷却器07的热侧。之前所述冷却水在所示出的结构形式中还贯穿流过换热器09，不过该换热器09在图1中被停用，使得在所述换热器09的入口及出口处的冷却水温度几乎不变。在所述主冷却器07处排出热量，以便使所述冷却水重又达到低温。所述冷却比如在通过鼓风机11支持的情况下进行，该鼓风机输出经过加热的具有比如40℃的温度的废气。
所述冷却装置的特点在于，所述冷却水在贯穿流过部件冷却器08之后并非与所述中间冷却器及后冷却器的冷却水并行地直接输送给所述主冷却器07或者输送给前置的换热器09。换而言之，所述部件冷却器的冷却水排出口分别被连接到所述中间冷却器04上的以及所述后冷却器05上的供给入口12上。作为替代方案，所述供给入口12也能够仅仅被设置在所述两个冷却器04、05其中之一上并且在其位置方面如此被选择，从而在那里在所述冷却器04、05中存在比如57℃的中间温度。所述中间温度应该基本上相当于由所述部件冷却器08提供的冷却水B的出口温度。所述冷却水B由此又被混入到在所述中间冷却器04中和/或在所述后冷却器05中的冷却水A中并且在那里进一步被加热到高温。
图2示出了所述压缩空气发生器01或者压缩机设备的、在改变的运行状态中、也就是在所述换热器09处的热回收被停用的情况下的简化的方框图。由此，在所述换热器09处出现经过加热的冷却水的、从比如90℃到50℃的温度降。被取出的热量供其他应用情况所用，比如为了加热目的。
附图标记列表：
01 压缩空气发生器/压缩机设备
02 第一压缩机级
03 第二压缩机级
04 中间冷却器
05 后冷却器
06 –
07 主冷却器
08 部件冷却器
09 换热器
10 –
11 鼓风机
12 供给入口

Claims (10)

1.一种用于至少两级的压缩空气发生器(01)的冷却装置，该冷却装置包括：
-用液体冷却的中间冷却器(04)，该中间冷却器布置在第一压缩机级(02)与第二压缩机级(03)之间，以便在由所述第一压缩机级(02)排出的、经过预压缩的空气流入到所述第二压缩机级(03)中之前对其进行冷却；
-用液体冷却的后冷却器(05)，该后冷却器布置在所述第二压缩机级(03)之后，以便对由其压缩的空气进行冷却；
-用液体冷却的部件冷却器(08)，该部件冷却器从所述压缩空气发生器(01)的其他部件处吸收热量；
-具有主冷却器(07)的冷却剂回路，所述主冷却器的冷侧向所述中间冷却器(04)、后冷却器(05)和部件冷却器(08)的各自的冷却剂入口并行地输送经过冷却的、具有低温的冷却剂，并且所述主冷却器的热侧接收在所述中间冷却器(04)和后冷却器(05)的各自的冷却剂出口处并行地流出的经过加热的、具有高温的冷却剂；
其特征在于，所述部件冷却器(08)的冷却剂出口连接到所述中间冷却器(04)和/或后冷却器(05)的供给入口(12)，其中所述供给入口(12)在所述冷却剂入口与所述冷却剂出口之间布置在以下位置处，在该位置处所述中间冷却器(04)中或者所述后冷却器(05)中的冷却剂的中间温度相当于在所述部件冷却器(08)处的冷却剂的流出温度±20％。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却剂回路中的换热器(09)被接入在所述中间冷却器(04)及后冷却器(05)的各自的冷却剂出口与所述主冷却器(07)的热侧之间。
3.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述主冷却器(07)是水-空气-冷却器或者水-水-冷却器或者是将水和空气作为冷却介质的组合式冷却器。
4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述主冷却器(07)包括鼓风机(11)。
5.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，所述中间冷却器(04)和/或所述后冷却器(05)具有多个供给入口(12)，所述冷却剂能够从所述部件冷却器(08)的冷却剂出口输送给所述供给入口。
6.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，在所述部件冷却器(08)的冷却剂出口与所述供给入口(12)之间布置有分配器单元，该分配器单元在温度受控的情况下供应以下供给入口(12)，在该供给入口处所述中间冷却器(04)或者后冷却器(05)中的冷却剂的中间温度最接近于所述部件冷却器(08)处的冷却剂的流出温度。
7.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，至少所述中间冷却器(04)、后冷却器(05)、部件冷却器(08)、换热器(09)、第一压缩机级(02)和第二压缩机级(03)以及电子控制单元布置在共同的设备壳体的内部。
8.一种用于对至少两级的压缩空气发生器(01)进行冷却的方法，该方法包括以下步骤：
-引导冷却剂回路中的冷却介质穿过主冷却器(07)并且穿过与所述主冷却器(07)串联连接的用液体冷却的中间冷却器(04)，该中间冷却器由此对由第一压缩机级(02)预压缩的空气进行冷却；
-引导所述冷却剂回路中的冷却介质穿过同样与所述主冷却器(07)串联地并且与所述中间冷却器(04)并联地连接的后冷却器(05)，该后冷却器由此对由第二压缩机级(03)再压缩的空气进行冷却；
-将在所述主冷却器(07)中经过冷却的冷却介质输送给用液体冷却的部件冷却器(08)，该部件冷却器从所述压缩空气发生器(01)的其他部件处吸收热量；
其特征在于，将从所述部件冷却器(08)流出的、经过加热的冷却介质经由供给入口(12)供给到所述中间冷却器(04)和/或所述后冷却器(05)中，其中供给过程在所述中间冷却器(04)或者后冷却器(05)中的以下位置处进行，在该位置处所述中间冷却器(04)或者后冷却器(05)中的冷却剂的中间温度相当于在所述部件冷却器(08)处的冷却剂的流出温度±20％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将在所述中间冷却器(04)中以及在所述后冷却器(05)中经过加热的冷却介质在其返送给所述主冷却器(07)之前输送给换热器(09)以进行热回收。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将从所述部件冷却器(08)中流出的、经过加热的冷却剂经由多个供给入口(12)其中之一供给到所述中间冷却器(04)和/或所述后冷却器(05)中，其中如此选择所述供给入口(12)，从而使得所述中间冷却器(04)或者后冷却器(05)中的冷却剂的在所述供给入口(12)处存在的中间温度相当于在所述部件冷却器(08)处的冷却剂的流出温度。
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