CN113819037A - 一种混合压缩腔、可控温的气体增压装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混合压缩腔、可控温的气体增压装置及其运行方法，混合压缩腔包括多根竖管以及三根横管，三根横管从上到下依次是控温给水管、集气管和给水总管；三根横向布置的管道相互平行并且与水平面之间存在夹角，集气管和给水总管与所有的竖管相连通，集气管的一端开设进排气连接口，给水总管的一端开设给水总管连接口，控温给水管则与除最靠近进排气连接口的竖管之外的其他的竖管相连通，控温给水管开设控温给水管连接口；管排式设计的混合压缩腔，增大压缩气体的换热面积；设置控温给水管、集气管和给水总管，有助于在压缩气体过程中实现精细化工作，便于管理气体增压过程的气压和温度，能及时向竖管内注入冷水或常温水，对气体进行降温。

Description

一种混合压缩腔、可控温的气体增压装置及其运行方法
技术领域
本发明为通用设备制造领域以及物理储能领域，具体为一种混合压缩腔、可控温的气体增压装置及其运行方法。
背景技术
传统机械制造领域的压缩机大致可以分为容积式压缩机，轴流式压缩机和离心式的压缩机，这些压缩机依据自身的特点都各自适用于不同领域。但是在确定压比的情况下，效率都比较低，主要问题在于为了减小压缩耗功，大量的热量被耗散，但是传统的压缩机压缩过程快，散热量有限，导致最终排出的气体温度明显升高，而热量并非系统所需的能量，最终仍需要对高压气体再次冷却达到系统的设计工况。这之中，高压气体的热量耗费了系统的大量能量，最终却仍需要设计冷却器对其进行降温。可见，如果能够控制系统压缩过程的温度变化情况就能够极大程度的提高系统的效率，减少由于温度变化带来的能量损耗。
为了解决气体加压过程伴随的温度变化问题，前人设计出液体活塞式的气体加压装置。这种装置利用液体与被压缩气体之间的换热，达到降低压缩过程温度升高的目的。但是系统受限于气体换热表面积有限以及大体积高压罐的制造成本高的问题，所提及的液体活塞压缩装置，难以应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有温控功能的气体增压装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种混合压缩腔，包括多根竖管以及三根横管，三根横管从上到下依次是控温给水管、集气管和给水总管；三根横向布置的管道相互平行并且与水平面之间存在夹角，集气管和给水总管与所有的竖管相连通，集气管的一端开设进排气连接口，给水总管的一端开设给水总管连接口，控温给水管则与除最靠近进排气连接口的竖管之外的其他的竖管相连通，控温给水管开设控温给水管连接口。
竖管为平面型排列或围成筒状。
所述夹角的角度介于3°到15°之间；混合压缩腔竖管的内部装有螺旋片，螺旋片的外径dl与混合压缩腔竖管的内径dh的配合关系为dh-1cm<dl<dh；螺旋片的内径dn与混合压缩腔竖管的内径dh的关系为0.3dh<dn<0.8dh。
螺旋片上有交错分布的孔洞，相邻的三个孔洞中心构成一个等边三角形；混合压缩腔的竖管的上下两端有固定点，用于固定螺旋片。
控温给水管与集气管的连接点位置正对每一根竖管的中心，控温给水管在连接到集气管的内部设置有螺旋喷头。
气体进出口处设置气体温度传感器，液体进出口处设置液体温度传感器。
一种可控温气体增压装置，包括高压气腔、低压气腔、加压泵、第一混合压缩腔、第二混合压缩腔、流动切换装置、蓄水池以及控制中心；第一混合压缩腔和第二混合压缩腔均采用本发明所述混合压缩腔；第一混合压缩腔的控温给水管连接口连通给水总管连接口，给水总管连接口连通流动切换装置；流动切换装置连通加压泵的进出口；进排气连接口分为两路分别连通高压气腔和低压气腔；第二混合压缩腔的进排气连接口、控温给水管连接口以及给水总管连接口与第一混合压缩腔连接形式相同；第二混合压缩腔的给水总管连接口至流动切换装置的管路上设置蓄水池，蓄水池的进出口均连通所述管路；加压泵的控制信号输入端连接控制中心的输出端。
第二混合压缩腔的给水总管连接口至流动切换装置的管道上设置第二进水阀，在第二进水阀靠近第二混合压缩腔的一侧通过三通引出管道，经换水排水阀后连通蓄水池；在第二进水阀靠近流动切换装置的一侧通过三通引出管道，经换水进水阀后连接到蓄水池的下方接口。
第一混合压缩腔的控温给水管连接口与其给水总管连接口之间的管道上设置第一调节泵，第二混合压缩腔的控温给水管连接口与其给水总管连接口之间的管道上设置第二调节泵，第一调节泵和第二调节泵的控制信号输入端连接控制中心的输出端；
高压气腔中设置压力传感器，气体温度传感器、液体温度传感器以及所述压力传感器连接控制中心的输入端；第一调节泵和第二调节泵为流量可调节的水泵。
本发明所述可控温气体增压装置的运行方法，增压阶段包括以下步骤：
启动准备准备阶段，初始时刻，第一混合压缩腔内充满空气，第二混合压缩腔内充满水；水流从第二混合压缩腔进入加压泵，加压泵出口与第一混合压缩腔连通；使第一混合压缩腔内气体处于密封状态，第二混合压缩腔与低压气腔连通；
第一次增压及排气，启动加压泵，水流从第二混合压缩腔流向第一混合压缩腔，随着第一混合压缩腔内气体体积的减小，压力也逐渐增大；当第一混合压缩腔内的气体压力达到设定值时，第一混合压缩腔内的气体排向高压气腔；当第一混合压缩腔内的气体将要排尽时，第一次排气结束；
循环进行：之后调整第一混合压缩腔和第二混合压缩腔的关系，对第二混合压缩腔内的气体进行增压和排气，依次往复进行持续的增压过程；
控温阶段包括以下步骤：
持续气体温度和水温测量阶段，通过安装在混合压缩腔左上的气体温度传感器和右下的液体温度传感器，持续对混合压缩腔内的气体温度和水温进行测量；
气温较高时，喷水降温，在气体不断被压缩的过程中，当气体温度达到设定值时，启动调节泵，水流经控温给水管从螺旋喷头喷出，对气体进行冷却；
水温较高时，更换压缩用水，随着增压过程的不断循环进行，当水温上升至设定温度后，在水流从第二压缩罐流向第一混合压缩腔的过程中，第二混合压缩腔内的水排到蓄水池，进行自然冷却，从蓄水池底端重新抽取常温水进行压缩过程；当第一混合压缩腔完成压缩和排气过程后，换水过程也结束，进入正常的循环压缩过程。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：本发明的管排式设计的混合压缩腔，增大压缩气体的换热面积；而且设置控温给水管、集气管和给水总管，有助于在压缩气体过程中实现精细化工作，便于管理气体增压过程的气压和温度，若干混合压缩腔的竖管，尤其是设置控温给水管，能及时向竖管内注入冷水或常温水，对气体进行降温；而且主要部件为管道，容易生产，便于改变容积和形状，相较于大体积的高压罐制造成本更低，便于规模化生产。
本发明的一种带有温控功能的气体增压装置的使用方法，通过改变原有集中式的压缩腔的设计，采用管排式设计的混合压缩腔，增大压缩气体的换热面积；混合压缩腔的竖管由无缝钢管组成，相较于大体积的高压罐制造成本更低，便于规模化生产。
进一步的，本发明在给水管接入集气管时设有喷头，通过混合压缩腔上端的温度传感器对压缩气体的温度实时测量，由控制模块对调节泵的转速进行控制，通过喷雾对压缩气体的温度进行控制。在喷雾的作用下显著降低由温度升高带来的能量损失，提高增压过程的系统效率。
进一步的，本发明在混合压缩腔内部设有带孔的螺旋片，通过螺旋片内径和外径的设计，增大喷雾和压缩用水与被压缩气体的接触面积；同时利用螺旋片的螺旋，打破气水界面，避免在喷水量过大时可能出现的“气堵”现象。
进一步的，本发明在给水总管，集气管和控温给水管设计有夹角，避免了在增压过程中可能出现的气泡堆积的现象。
附图说明
图1为本发明实例中所述一种带有温控功能的气体增压装置的示意图。
图2为本发明实例中所述的管排式混合压缩腔的示意图。
图3为本发明实例中所述的螺旋片的示意图。
图4为本发明实例中所述的螺旋片上的孔洞的分布示意图。
其中：11为低压气腔，12为高压气腔，21为加压泵，22为第一调节泵，23为第二调节泵，31为第一低压进气阀，32为第一高压排气阀，33为第一进水阀，34为第二进水阀，35为第二低压进气阀，36为第二高压排气阀，37为换水排水阀，38为换水进水阀，4为第一管排式混合压缩腔，5为第二管排式混合压缩腔，6为流动切换装置，7为蓄水池；图2中41为进排气连接口，42为气体温度传感器，43为集气管，44为控温给水管，45为控温给水管连接口，46为竖管，47为给水总管，48为液体温度传感器，49为给水总管连接口。
具体实施方式
下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明：
参考图2，一种混合压缩腔，包括多根竖管以及三根横管，三根横管从上到下依次是控温给水管44、集气管43和给水总管47；三根横向布置的管道相互平行并且与水平面之间存在夹角，集气管43和给水总管47与所有的竖管46相连通，集气管43的一端开设进排气连接口41，给水总管47的一端开设给水总管连接口49，控温给水管44则与除最靠近进排气连接口41的竖管之外的其他的竖管相连通，控温给水管44开设控温给水管连接口45。
所述夹角的角度介于3度到15度之间。
混合压缩腔竖管的内部装有螺旋片，螺旋片的外径dl与混合压缩腔竖管的内径dh的配合关系为dh-1cm<dl<dh；螺旋片的内径dn与混合压缩腔竖管的内径dh的关系为0.3dh<dn<0.8dh；
螺旋片上有交错分布的孔洞，相邻的三个孔洞中心构成一个等边三角形；混合压缩腔的竖管的上下两端有固定点，用于固定螺旋片。
控温给水管44与集气管43的连接点位置正对每一根竖管的中心，控温给水管44在连接到集气管43的内部设置有螺旋喷头。
气体进出口处设置气体温度传感器42，液体进出口处设置液体温度传感器48。
作为本发明一个可选的实施例，所述混合压缩腔的形状整体上可以是筒状，即多个竖管围成一个筒状。
参考图1，一种带有温控功能的气体增压装置，包括高压气腔12、低压气腔11、加压泵21、第一调节泵22、第二调节泵23、第一低压进气阀31、第一高压排气阀32、第一进水阀33、第二进水阀34、第二低压进气阀35、第二高压排气阀36、换水排水阀37、换水进水阀38、第一混合压缩腔4、第二混合压缩腔5、流动切换装置6和蓄水池7；第一混合压缩腔4右上方的接口连接第一调节泵22后通过三通阀与混合压缩腔右下方接口引出的主管道相连，主管道经第一进水阀33和流动切换装置6后连接在加压泵21出口上；第一混合压缩腔4左上方的接口通过三通分出两条支路，一条支路通过第一高压排气阀32连接至高压气腔12，另一条支路通过第一低压进气阀31连接至低压气腔11。
第二混合压缩腔5右上方的接口连接第二调节泵23后通过三通与其下方接口引出的主管道相连，主管道经过第二进水阀34和流动切换装置6后连接在加压泵21的入口，第二混合压缩腔5左上方的接口通过三通分为两条支路，一条支路通过第二高压排气阀36连接高压气腔12，另一条支路通过第二低压进气阀35连接低压气腔11；第二混合压缩腔5的管道在第一混合压缩腔4的基础上，额外增加两根管道连接：一根在第二进水阀34靠近第二混合压缩腔5的一侧通过三通引出，连接换水排水阀37后引至蓄水池7的上方；另一根在第二进水阀34靠近流动切换装置6的一侧通过三通引出，连接换水进水阀38后连接到蓄水池7的下方接口。
作为一种可能，本发明所述蓄水池7还可以是换热器，将气体增压过程的热水热量经过换热器输出，能进一步提高能量利用率。
第一混合压缩腔4和第二混合压缩腔5为相同的混合压缩腔，混合压缩腔包括多根竖管以及三根横管，三根横管从上到下依次是控温给水管44、集气管43以及给水总管47；三根横向布置的管道彼此平行并且与水平面之间存在夹角，夹角的角度介于3度到15度之间。
混合压缩腔的集气管43和给水总管47与所有的竖管46相连通，控温给水管44则与除最左侧的竖管之外的其他的竖管相连通。
控温给水管44与集气管43的连接点位置正对每一根竖管的中心，控温给水管44在连接到集气管43的内部安装有螺旋喷头。
混合压缩腔竖管的内部装有螺旋片，螺旋片的外径dl与混合压缩腔竖管的内径dh的配合关系为dh-1cm<dl<dh；螺旋片的内径dn与混合压缩腔竖管的内径dh的关系为0.3dh<dn<0.8dh；螺旋片上有交错分布的孔洞，相邻的三个孔洞中心构成一个等边三角形；混合压缩腔的竖管的上下两端有固定点，用于螺旋片的固定，参考图3和图4。
在混合压缩腔靠近左上方连接口的位置，安装有气体温度传感器42，对被压缩气体的温度进行实时测量；在混合压缩腔靠近右下方连接口的位置，安装有液体温度传感器48，对液体温度进行实时测量。
第一调节泵22和第二调节泵23为流量可调节的水泵，受控制模块控制；控制模块依据混合压缩腔气体的温度控制调节泵的流量。
进一步的，一种带有温控功能的气体增压装置的运行方法，增压阶段包括以下步骤：
步骤1.启动准备准备阶段：初始时刻，第一混合压缩腔4内充满空气，第二混合压缩腔5内充满水；打开第一进水阀33和第二进水阀34，关闭换水排水阀37和换水进水阀38，调节流动切换装置6使得水流从第二混合压缩腔5右下端的主管道连通到加压泵21的入口，加压泵21的出口经主管道与第一混合压缩腔4的右下端连通；关闭第一低压进气阀31、第一高压排气阀32和第二高压排气阀36，打开第二低压进气阀35，使得第一混合压缩腔4内气体处于密封状态，第二混合压缩腔5与低压气腔11连通。
步骤2.第一次增压及排气：启动加压泵21，水流从第二混合压缩腔5流向第一混合压缩腔4，随着第一混合压缩腔4内气体体积的减小，压力也逐渐增大；当第一混合压缩腔内的气体压力达到设定值时，打开第一高压排气阀32，使第一混合压缩腔4内的气体排向高压气腔12；当第一混合压缩腔4内的气体将要排尽时，第一次排气结束。
步骤3.循环进行：之后调整第一混合压缩腔4和第二混合压缩腔5的对应关系，对第二混合压缩腔5内的气体进行增压和排气，依次往复进行持续的增压过程。
进一步的，一种带有温控功能的气体增压装置的运行方法，控温阶段包括以下步骤：
持续气体温度和水温测量阶段：通过安装在混合压缩腔左上的气体温度传感器42和右下的液体温度传感器48，持续对混合压缩腔内的气体温度和水温进行测量。
气温较高时，降低气体温度：在气体不断被压缩的过程中，气体温度会不断升高，当气体温度达到设定值时，由控制模块启动调节泵，水流经控温给水管从螺旋喷头喷出，对气体进行冷却。
水温较高时，更换压缩用水：随着增压过程的不断循环进行，压缩热不断被水吸收，水温也会缓慢的上升；当水温上升至设定温度后，在水流从第二压缩罐流向第一混合压缩腔的过程中，关闭第二进水阀34，打开换水排水阀37和换水进水阀38，使原第二混合压缩腔5内的水依靠重力排到蓄水池7，进行自然冷却，增压泵从蓄水池7底端重新抽取常温水进行压缩过程；当第一混合压缩腔4完成压缩和排气过程后，换水过程也结束，进入正常的循环压缩过程。

Claims (10)

1.一种混合压缩腔，其特征在于，包括多根竖管以及三根横管，三根横管从上到下依次是控温给水管(44)、集气管(43)和给水总管(47)；三根横向布置的管道相互平行并且与水平面之间存在夹角，集气管(43)和给水总管(47)与所有的竖管(46)相连通，集气管(43)的一端开设进排气连接口(41)，给水总管(47)的一端开设给水总管连接口(49)，控温给水管(44)则与除最靠近进排气连接口(41)的竖管之外的其他的竖管相连通，控温给水管(44)开设控温给水管连接口(45)。
2.根据权利要求1所述的混合压缩腔，其特征在于，竖管为平面型排列或围成筒状。
3.根据权利要求1所述的混合压缩腔，其特征在于，所述夹角的角度介于3°到15°之间；混合压缩腔竖管的内部装有螺旋片，螺旋片的外径dl与混合压缩腔竖管的内径dh的配合关系为dh-1cm<dl<dh；螺旋片的内径dn与混合压缩腔竖管的内径dh的关系为0.3dh<dn<0.8dh。
4.根据权利要求3所述的混合压缩腔，其特征在于，螺旋片上有交错分布的孔洞，相邻的三个孔洞中心构成一个等边三角形；混合压缩腔的竖管的上下两端有固定点，用于固定螺旋片。
5.根据权利要求1所述的混合压缩腔，其特征在于，控温给水管(44)与集气管(43)的连接点位置正对每一根竖管的中心，控温给水管(44)在连接到集气管(43)的内部设置有螺旋喷头。
6.根据权利要求1所述的混合压缩腔，其特征在于，气体进出口处设置气体温度传感器(42)，液体进出口处设置液体温度传感器(48)。
7.一种可控温气体增压装置，其特征在于，包括高压气腔(12)、低压气腔(11)、加压泵(21)、第一混合压缩腔(4)、第二混合压缩腔(5)、流动切换装置(6)、蓄水池(7)以及控制中心；第一混合压缩腔(4)和第二混合压缩腔(5)均采用权利要求1-5中任一项所述混合压缩腔；第一混合压缩腔(4)的控温给水管连接口(45)连通给水总管连接口(49)，给水总管连接口(49)连通流动切换装置(6)；流动切换装置(6)连通加压泵(21)的进出口；进排气连接口(41)分为两路分别连通高压气腔(12)和低压气腔(11)；第二混合压缩腔(5)的进排气连接口、控温给水管连接口以及给水总管连接口与第一混合压缩腔(4)连接形式相同；第二混合压缩腔(5)的给水总管连接口至流动切换装置(6)的管路上设置蓄水池，蓄水池(7)的进出口均连通所述管路；加压泵(21)的控制信号输入端连接控制中心的输出端。
8.根据权利要求7所述的可控温气体增压装置，其特征在于，第二混合压缩腔(5)的给水总管连接口至流动切换装置(6)的管道上设置第二进水阀(34)，在第二进水阀(34)靠近第二混合压缩腔(5)的一侧通过三通引出管道，经换水排水阀(37)后连通蓄水池(7)；在第二进水阀(34)靠近流动切换装置(6)的一侧通过三通引出管道，经换水进水阀(38)后连接到蓄水池(7)的下方接口。
9.根据权利要求7所述的可控温气体增压装置，其特征在于，第一混合压缩腔(4)的控温给水管连接口与其给水总管连接口之间的管道上设置第一调节泵(22)，第二混合压缩腔(5)的控温给水管连接口与其给水总管连接口之间的管道上设置第二调节泵(23)，第一调节泵(22)和第二调节泵(23)的控制信号输入端连接控制中心的输出端；
高压气腔(12)中设置压力传感器，气体温度传感器(42)、液体温度传感器(48)以及所述压力传感器连接控制中心的输入端；第一调节泵(22)和第二调节泵(23)为流量可调节的水泵。
10.权利要求7-9中任一项所述可控温气体增压装置的运行方法，其特征在于，增压阶段包括以下步骤：
启动准备准备阶段，初始时刻，第一混合压缩腔(4)内充满空气，第二混合压缩腔(5)内充满水；水流从第二混合压缩腔(5)进入加压泵(21)，加压泵(21)出口与第一混合压缩腔(4)连通；使第一混合压缩腔(4)内气体处于密封状态，第二混合压缩腔(5)与低压气腔(11)连通；
第一次增压及排气，启动加压泵(21)，水流从第二混合压缩腔(5)流向第一混合压缩腔(4)，随着第一混合压缩腔(4)内气体体积的减小，压力也逐渐增大；当第一混合压缩腔内的气体压力达到设定值时，第一混合压缩腔(4)内的气体排向高压气腔(12)；当第一混合压缩腔(4)内的气体将要排尽时，第一次排气结束；
循环进行：之后调整第一混合压缩腔(4)和第二混合压缩腔(5)的关系，对第二混合压缩腔(5)内的气体进行增压和排气，依次往复进行持续的增压过程；
控温阶段包括以下步骤：
持续气体温度和水温测量阶段，通过安装在混合压缩腔左上的气体温度传感器(42)和右下的液体温度传感器(48)，持续对混合压缩腔内的气体温度和水温进行测量；
气温较高时，喷水降温，在气体不断被压缩的过程中，当气体温度达到设定值时，启动调节泵，水流经控温给水管从螺旋喷头喷出，对气体进行冷却；
水温较高时，更换压缩用水，随着增压过程的不断循环进行，当水温上升至设定温度后，在水流从第二压缩罐流向第一混合压缩腔的过程中，第二混合压缩腔(5)内的水排到蓄水池(7)，进行自然冷却，从蓄水池(7)底端重新抽取常温水进行压缩过程；当第一混合压缩腔(4)完成压缩和排气过程后，换水过程也结束，进入正常的循环压缩过程。
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