CN1589235A - 生产近无油压缩氨的方法及用于实施该方法的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了利用具有从分离槽注入液体的回转式压缩机生产近无油氨的方法及系统，其中分离槽中的液体包括油和液态氨。因为温度较低且在油气态中存在较少的油偏差，所以在离开分离槽的压缩氨中油的水平面远低于在具有聚结组成部分的常规分离器中油的水平面。

Description

生产近无油压缩氨的方法及 用于实施该方法的系统

众所周知，如何通过利用通过油注入进行冷却及密封的回转式压缩机压缩氨气，以及如何将油从槽排出的气体中进行分离，其中将压缩气体从槽中输送至其终点，同时从气体中将油进行分离，将其注入压缩机中用于进一步密封及冷却。

在下文中，将氨气称为“氨”，同时将冷凝气体称为“液态氨”。

这种可捕获大部分压缩热的油，通常通过将液态氨注入压缩机进行冷却。

通常液态氨注入量通过气体的排出温度来控制，以确保气体保持过热并且没有液态氨到达油槽。

实际上，在该油槽内部，通常具有由细塑料纤维制成的聚结组成部分(coalescing elements)，其作用在于在排出气体中捕获最大量的小油滴；并且那些纤维不易于与液态氨进行接触，液态氨易于化学浸蚀并破坏纤维。由金属纤维或金属带状物制成的聚结组成部分太粗糙并且不能提供足够的接触表面以致不能完全地捕获小油滴。

该方法及相应系统的一个重要的不利方面在于，压缩氨含有大量气态油。

实际上，为了保持气体过热意味着油一般必须处于高达10-20℃的氨冷凝温度且这样会导致油蒸汽压实际的增加，能够引起气体中的油蒸汽重量的百万分之几的增加，可与作为小液滴的被带走的油的重量相比。

对于大量的聚结组成部分而言，通常达到油含量在5-10ppm(与压缩氨的重量相比的油重量的每百万分之几)的范围，并且甚至对于更大量的聚结纤维而言，由于油温和气态油的相应偏差，油含量降低到2-5ppm几乎变成不可能的。

本发明涉及一种生产近无油压缩氨的方法，包括以下步骤：利用回转式压缩机用于压缩氨，将液体注入压缩机中，排出在分离槽中与液体混合的压缩氨，从液体中分离压缩氨并将液体再注入压缩机中，冷却压缩氨以便至少部分地吸收压缩热，并且其特征在于，至少以小液滴形式，在分离槽的至少一部分中，通过冷却量来保留液态氨。

本发明还涉及一种系统为实际实施上述方法提供了可能性，即一种生产近无油压缩氨的系统，该系统包括回转式压缩机，具有至少一个与分离槽相连的排出管、将该分离槽连接到所述压缩机的至少一个注入口上的至少一个管道、用于冷却从压缩机中排出的压缩氨的装置，并且其特征在于，具有在压缩氨流中产生液态氨小液滴的装置、用于收集至少部分小液滴并将它们返回到压缩机中的装置。

在特定的实施例中，本发明涉及一种生产近无油压缩氨的系统，包括回转式压缩机，具有至少一个与分离槽相连的排出管，将该分离槽连接到该压缩机的至少一个注入口上的至少一个管道、用于冷却从压缩机中排出的压缩氨的装置、用于控制冷却量的装置、用于测量在分离器中的液体水平面的装置，并且其特征在于，用于控制冷却量的装置通过用于测量液态氨水平面的装置驱动。

本发明的方法及其相应系统的优点是，由于至少在分离槽的一部分中存在液态氨，压缩氨处于氨冷凝温度下，即，比常规系统低10-20℃；并且其对于作为蒸汽被带走的油量产生实际的降低。

但是意料不到地，聚结组成部分的全部除去或聚结组成部分被粗糙的金属组成部分替代并没有导致更多以小液滴形式存在的油的带出。

相反，以大约等比例注入液态氨和油，并在45℃的冷凝温度相应的压力下压缩氨，已经发现油量与压缩气体相偏离，低于0.5ppm并且几乎能有资格作为无油压缩氨(oil free compressed ammonia)。

该结果未被证明，并且只是对于该值得注意的结果提供一种可能的解释方法，可能是液态氨的小液滴，与排出的气体一起飞散或产生于分离槽中，提供大的接触表面，相当于在聚结组成部分中纤维的表面，它能够易于捕获飞散的小油滴，并且由于油的表面张力较低因而氨的小液滴的体积比小油滴大，它们下落更快，因此，有比假如小油滴单独留下来更多的小油滴可以在离开分离槽之前进行收集。

在上述发明中，回转式压缩机可以是任意回转式压缩机，例如，叶轮式压缩机、旋转活塞式压缩机、涡杆压缩机、或螺杆压缩机。

分离槽可以是任意通用的形状例如垂直的或水平的，尽管水平的形状对于当给更多时间收集小油滴时更适用。

油可以是任意矿物油或具有润滑性能的化合物并且与氨不相混溶。

从分离槽注入到压缩机中的液体可以指油或油与液态氨的混合物。

在本发明的第一实施例中，由压缩机产生的压缩氨的冷却是通过输送气体与液体的混合物通过换热器实现的，例如，水冷换热器。由于压力及冷凝温度的增高，某些压缩热还保留在压缩气体中，但是其余的压缩热通过冷却水除去。

在该方法及系统的第二实施例中，从压缩机排出的压缩氨的冷却是通过将来自于辅助源的液态氨注入压缩机中进行的，例如冷凝器，其中，在制冷系统中，将压缩氨进行冷凝。

将液体与氨气一起进行压缩并且在排出管中闪蒸，吸收至少部分的压缩热。

但是本发明没有通过将第一实施例与第二实施例结合并且通过辅助的液态氨注入及换热器的结合来进行改进。

在本发明的第三实施例中，油及液态氨流入分离槽中，从分离槽中分别抽提，并且在再注入压缩机之前以基本上受控的百分比进行混合。

由于油与液态氨相比是更好的密封材料，但是产生更高的粘性阻力，因此本发明对于改变作为压缩机速度函数的油浓度并选择能给出最佳效率的百分比提供了可能性，即，最佳效率是指在通过增加油的百分比来增加容积效率与通过增加液体的百分比来降低摩擦能量损失之间的最佳折衷。

参照附图将更容易理解本发明，给定附图并不只限于实施例，并且其中图1及图2示出系统的两种可能的示意图，而图3及图4示出了分离槽的截面，虽然与在图1及图2中示出的分离槽不同但是仍然是依据本发明的。

在图1中，回转式压缩机1，通过未示出的电源进行驱动，通过吸入管2抽吸氨气。

将压缩氨经过管道3排出至分离槽4中，其中压缩氨通过管道5离开去向其最后的用途。

在排出管道3上，有换热器6以便至少部分冷却从压缩机排出的压缩氨。冷却通过任意适合的冷却介质例如水被提供。输送入换热器6的冷却介质的量，通过任意适合的方法例如阀7进行控制。

在分离槽4内部，当系统在运行时，有一定量的油8，并且在上面，有一定量的液态氨量9。将管道10连接到分离槽大约在液态氨与油之间的水平面上并且带有漏斗11。将管道10连接到压缩机中的注入口12上。当压缩机运转时，在分离槽4中产生的压力推动液体9和油8进入漏斗11中，并且将液体通过管道10及注入口12一起注入压缩机中。

通过管道2抽吸的氨气与来自于管道10的油及液态氨一起再注入管道3中；到达分离槽4中，液态氨和油落下同时压缩氨通过管道5离开去往其目的地例如冷凝器，如果将这种氨用于制冷系统。

由于在压缩过程中产生热量，因此当氨气被压缩时液态氨被蒸发，油和液态氨从压缩机中排出，并且如果没有换热器6冷却混合物，允许某些压缩氨气进行冷凝，则在分离槽4中液态氨水平面将下降。

但是为了避免液态氨的过冷，将水平面传感器13安装在分离槽4上，其中将传感器13的信号用于控制通过阀7输送的冷却介质的流量。

例如，传感器13可以由伸入分离槽中的测温元件15组成，用液态氨部分填充，并在其中浸入未示出的电热器。当液体水平面下降至低于测温元件15时，测温元件的外表面不再被分离槽中的液态氨冷却并且电热器使测温元件内部的压力增高，通过毛细管16，打开阀7，增加冷却，依次导致更多的氨冷凝直至水平面14达到并且开始冷却测温元件，使测温元件的内部压力下降并且开始关闭阀7。

应该注意到，当将压缩氨的混合物、液态氨、和油从管道3排出到分离槽中时，油及液态氨下落同时压缩氨气通过管道5离开用于其进一步使用例如在流经冷凝器之后为制冷提供液态氨。

由于油一般密度约为0.9，而液态氨密度约为0.6，因此液态氨及油落入分离槽的底部，由于其密度的较大差异其中油从液体中快速分离。但是应该注意到，如果没有本发明的变化不让油与液态氨完全分离并且将它们作为混合物通过足够快地再注入混合物并在分离槽中保持一些湍流进行再注入也是可能的。

当使油及液态氨分离时，尤其是在水平分离槽中，在油上面的液态氨膜的最小厚度是值得保留的。实际上，当在冷凝压力下存在液滴时，在该液滴之后并在液滴高于冷凝温度之前，油已经被聚积在分离槽中，并且不管仍与油混合的液体量如何油还是趋向闪蒸。相应的闪蒸气体产生气泡在油中开始上升。当气泡到达液膜时，它们继续上升通过液体；若液体的膜是薄的，则气泡能够到达液态氨表面并且生成油泡沫，漂浮在液体上面，可容易地将它们通过氨气流带走，降低了意想不到的油损失。已经发现超过4厘米的液态氨膜的厚度足以几乎消除这种起泡。当气泡进入液态氨膜时，由于这种膜处于冷凝温度，因此气泡开始冷凝，并且若膜的厚度是足够的则不能到达表面。

同样，当将压缩氨、液态氨、和油一起排出时，液态氨形成一片小液滴，并且这些小液滴捕获小油滴并使小油滴落入到分离槽的底部。

本发明的另一实施例如图2所示。

仍然具有一种带有吸入管2的回转式压缩机1、排出管道3、分离槽4、排出管5、油8、液态氨9、以及带有测温元件15及毛细管16的传感器13。

但是将换热器6用槽18中的液态氨源17替代，槽18通过管道19，经过阀7a被连接到第二注入口20进入压缩机中。

同样，作为单独的改进，通过液态氨源将换热器的替代物独立，漏斗11已经被去掉并且被两条与分离槽连接的管道21及22代替并且连接到管道10a上进入注入口12。

管道21位于分离槽的油水平面的上面同时管道22从分离槽底部离开。

尽管如此本发明没有做如下改变，如果管道19及管道10a在进入压缩机之前合并以便只使用一个注入口，或者如果，相反地，通过多个口注入。

在该实施例中，被排出的压缩氨的冷却是通过一些来自槽18的额外液态氨实现的，它本身可以来自于任意可利用的来源，例如，来自通过管道5离开的气体冷却的液态氨。

液态氨有助于冷却从压缩机离开的混合物并且保持液态氨14的水平面。将流量通过阀7a来控制，如在图1中将阀7a通过来自传感器13的毛细管16来触发。

通过两条单独的管道21及22的漏斗11的替代物，为更好地控制再注入压缩机的油及液态氨相应比例提供了可能性。

该百分比可以通过在管道21及22上的诸如阀或喷嘴(未示出)这样的任意可接受的装置进行设定。

因此，任意改变比例并且选择提供压缩机具有最佳效率的百分比是可能的。

实际上，依据压缩机的旋转速度，利用高或低的油百分比压缩机可以处于最佳运行状态。

由于油是比液态氨更好的密封材料，油百分比的增加实际上改善容积效率；但是油产生一种比液态氨高得多的粘性阻力并且增加被吸收的能量；一般对于平衡存在一种百分比是最佳的。

在一定条件下，例如低速，这可能是更好的，不通过管道21注入任何液态氨，而通过管道22只输送油，而且，如果速度是不变的，除去设置有冷却装置的管道21确保在分离槽中残存液态氨。

图3表示根据本发明的另一实施例的分离槽4的截面。

在该实施例中，分离槽基本上是水平的。

分离槽是通过壁30抬高大约至分离槽的中心并且将分离槽分成两个室31及32来分离的。

排出管道3进入室31中。

通过排出管道5、管道10b将油及液态氨的混合物注入到压缩机中，并且将具有测温元件15的水平面传感器13定位于室32上。

孔33设置在壁30的较低部位。

当油及液态氨通过管道3到达时，它们落入室30中，并且迅速地分离成8a所示的油及9a所示的液态氨。

油流经孔33进入室32中。将该孔的大小进行限定，以便如果达到从室31进入室32中的只有油，则室32中的水平面将下降至低于测温元件15的水平面。由于测温元件未被冷却，因此它将增加冷却，将液态氨送入分离槽中，直至液态氨从室31的壁30的上边缘35的上面溢流，进入室32中，并保持水平面14a以确保测温元件的冷却。

应该注意到通过孔33的油的流量取决于水平面14a与被边缘35限定的水平面34之间的差：水平面14a越低，流动的油越多，这是由于高度差的增加因而在孔33处对于油的液体压强增加的结果。

因此，传感器13的高度以及孔33的大小可限定油的百分比。

通过改变这些参数中的一个，来改变百分比是可能的。

这也是可以做的，例如不是如图所示水平安装而是垂直安装测温元件以致相当多的液体包围测温元件，因而冷却取决于水平面14a。

因此，通过改变供给测温元件的电热量，来改变水平面并且，因而来改变油百分比是可能的。

当使用由电动机驱动的回转式压缩机时，它本身通过反用换流器(inverter)进行驱动，设定被输送到测温元件的作为反用换流器频率函数的热量，以便当速度增加时增加热量；反过来，降低油量并因而调节油的含量以达到效率的最佳值是可能的。

更进一步的改进是提供另一壁36悬挂于分离槽的顶部并且紧靠着液体表面34，以便在壁与表面34之间提供有限的空间，迫使气体带走一些液体并且增加仍在压缩氨中的任意小油滴与小液滴之间的接触。

例如，由粗糙的钢丝或薄钢片制成的组成部分37，在其上部辅助捕获小液滴，而在其下部对于油起到粗糙的过滤器的作用。

使用约200cfm容量的回转式压缩机，并且从压力为对应于冷凝温度约为零下10℃到压力为对应于冷凝温度约为30℃压缩氨，具有正如所述的分离槽，该分离槽直径为30厘米及长度为180厘米，水平的，具有长度为120厘米的室31，具有约3gpm(加仑/分钟)的从分离槽注入的油浓度约为50％的油以及约为1.5gpm的来自于冷凝器被注入的液态氨，压缩氨中的油含量通过从冷凝器中抽提的油进行测量，已经测量出稳定在约0.3ppm。

已经获得类似值得注意的低油偏差的结果，通过使用根据图4的分离槽离开该分离槽的油浓度甚至接近100％。

当压缩机在低速运行时，由于注入的只是油，对于效率来说的确是最佳的。

在图4中可以看到，压缩机排出管道3进入带有返回到压缩机的液体注入管线10c的分离槽4中，带有测温元件15(以虚线示出)的水平面传感器13，带有其上水平面40的油体积8b，带有其上表面14的液态氨体积，悬挂壁36以限定，带有液体表面的狭窄通道41，为了吹动表面14进入液态氨的小液滴。作为图3中示出的壁36的一种改进，现在，在图4中，壁36带有支撑铰链板43的铰链42，该铰链板能够升起或多或少地取决于排出压缩机的气体流量，因此能够增加或降低通道41并且因而能够保持通过通道41的气体速率大致不变，以便无论压缩机排出流量如何改变确保液态氨的泡沫。为了避免铰链板摆动，铰链板的一侧带有延伸部分(未示出)浸入液体中，像一个桨，并且可抑制这种摆动。

同样，分离槽的排出端部带有隔板44，稍倾斜，网状组成部分45例如由粗糙的钢丝制成的，管子将隔板44端部恰好连接到比油水平面40低一点处。

同样，有浮子47沿管子48滑动，在其内部有传感器捕获浮子47的水平面。该浮子的密度约为0.75，即，介于油与液态氨密度的一半以便处于油的顶部。例如，具有上部传感器，当被浮子的水平面触发时，打开未示出的油阀并将油排出分离槽持续很短的时间间隔进入更低的油水平面。同样，可以有下部传感器，在有意想不到的油损失的情况下可以触发警报器。

因此，控制油的水平面紧靠着边界并且，与水平面传感器13结合，确保液态氨的厚度9b保持超过4厘米是可能的。

在该实施例中，应该注意到，理论上，只有油从分离槽通过管道10c离开。事实上，已经发现某些液态氨同样代替极低百分比的油体积随油离开。液体在油中被适当挡住并且没有足够时间来分离。由于在正常操作中，水平面14是稳定的，这是指相同量的液体必须从压缩机通过管道3随气体返回。

已经发现这些极低百分比捕获大部分来自于压缩机的小油滴；但是，作为保险装置，尤其在瞬时条件下，其更适于在压缩氨流中加入液态氨的小液滴，使用如图3所示的壁36或如图4所示的带有铰链板43的壁36。

这些小液滴通过组成部分45被捕获，在隔板44的上面排出并且通过管子46进行收集。管子46应该进入油体积中，但是不要进到底部，因为否则的话，由于液体比油轻，用于液体排出，液体需要超过水平面14的足够的高度以能够推开油，即液体能够积累超过隔板44并且通过带有任意小油滴的排出管道5被取走，该液体可能已经被挡住了。

优于依赖在油中液体被挡住来确保在分离槽中液态氨的补充，作为可替代的解决方案，将一些液体除去通过例如输送到汽化器来替代体积9b也是可能的；这种解决方案能确保，甚至不含液体的油自分离槽中被排出用以注入到压缩机中，液态氨的替代物已经通过管道3被提供，经过压缩氨的冷却，以保持液态氨的水平面；并且该解决方案产生足够的液体小液滴以捕获小油滴。

作为另一可替代的解决方案，当没有任何液态氨离开分离槽时，尽管如此小油滴的捕获可以如已经示出的，通过迫使压缩氨流与液态氨的膜9b混合来实现。但是假设在分离槽中有带有油的液态氨，则该结果可能是唯一能被实现的。

但是本发明没有做如下改进，假设压缩氨通过流经位于分离槽之后的换热器进行冷却，或假设换热器位于分离槽中，在任何条件下，由压缩氨冷凝的液态氨，直接或通过分离槽返回到压缩机中。例如，可将分离槽分成两(或更多)部分，第一部分其中油从压缩氨中分离且保持过热以再注入到压缩机中，压缩氨流经冷却器在进入分离槽第二部分之前在气流中产生液态氨的小液滴，分离槽第二部分其中液态氨的小液滴挡住小油滴，通过适当的方式，例如，通过如上述的粗糙的钢网进行收集，并且直接或与油一同输送回压缩机中。因此，液态氨在分离槽的第一部分中将不存在而只存在于第二部分中，并且压缩氨将在冷凝温度下而不需要过热离开该分离器。

在分离槽的第一部分之前，冷却量的控制可以容易地通过测量油温并且保持一定的过热程度进行。在分离槽的第二部分之前的冷却量，为了确保一定密度的液态氨小液滴，其可以通过在美国专利第5 195 331号中示出的负过热量进行控制。在气流中的测温元件触发热膨胀阀控制冷却量；它在内部通过电阻进行加热并且，通过电阻产生的热越多，在测温元件达到平衡之前自到达测温元件的气体中被冷凝的液体小液滴的密度越高。

作为一种更简单的可替代的解决方案，通过将在分离槽的第一部分中的油的过热最小化，用于在第二部分中产生小液滴的冷却量是很小的，并且将冷却确定为在所有操作条件下都是过量的，而无需对其进行控制。

Claims (15)

1.生产近无油压缩氨的方法，包括以下步骤：利用回转式压缩机以压缩氨，将液体注入所述压缩机中，将混有所述液体的所述压缩氨排放到分离槽中，从所述液体中分离所述压缩氨并将所述液体再注入所述压缩机中，冷却所述压缩氨以便至少部分地吸收所述压缩热并且，其特征在于，至少以小液滴形式，在所述分离槽中的至少一部分中，通过所述冷却量来保留液态氨。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步特征在于，通过所述分离槽中的液体水平面来控制所述冷却量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷却所述压缩氨是至少部分地通过从液态氨的辅助源将液态氨注入所述压缩机中并通过在所述分离槽中的液体水平面控制所述二次注入量来实现。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述分离槽中，通过利用重力以及通过在所述槽中除去所述油体积之上的液态氨体积至少部分地从所述油中分离液态氨。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法迫使所述压缩氨与所述液态氨的表面混合。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用从所述油体积中被带走的油用于从所述槽注入到所述压缩机中的液体。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法利用从所述油体积中被带走的油及从所述液体中被带走的液体用于从所述槽注入到所述压缩机中的液体，将它们进行混合并保持在被再注入的所述液体中油对液态氨的比率基本恒定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述压缩机的旋转速度增加时，所述油对液态氨的比率降低。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，保持所述液态氨的厚度超过4厘米。

10.用于生产近无油压缩氨的系统，包括：回转式压缩机，具有至少一个与分离槽连接的排出管、连接所述分离槽到所述压缩机中的至少一个注入口上的至少一个管道、用于冷却从所述压缩机排出的所述压缩氨的装置、并且其特征在于，包括用于在所述压缩氨中产生液态氨的小液滴的装置、用于收集它们中至少一种并将它们返回所述压缩机的装置。

11.用于生产近无油压缩氨的系统，包括回转式压缩机，具有至少一个与分离槽连接的排出管、将所述分离槽连接到所述压缩机中的至少一个注入口上的至少一个管道、用于冷却从所述压缩机排出的所述压缩氨的装置、用于控制所述冷却量的装置、用于测量在所述分离器中的液体水平面的装置，并且其特征在于，所述用于控制冷却量的装置通过用于测定所述液体水平面的装置进行驱动。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述用于冷却所述压缩氨的装置是连接到含液态氨的源并连接到进入所述压缩机中的注入口上的管道，并且其中所述管道安装有阀用于控制所述液态氨的流量。

13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当在操作时，所述分离槽基本上是水平的，具有横穿其长度的内壁，其中上面部分基本水平并基本上定位于所述槽高度的中间，所述壁在其下面部分具有孔，所述壁将所述分离槽分成两个室，将来自所述压缩机的排出管连接到一个室，同时将另一个室连接于与所述压缩机的注入口相连的管道、用于所述压缩氨的排出的管道，并且带有用于测量所述液体水平面的装置。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述分离槽基本上是水平的，并且安装有使所述压缩氨与所述液体表面混合的装置。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述分离槽带有粗糙的网状组成部分和排放口，定位于靠近所述槽的所述排出管。

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