CN1713950A - 对压缩机的气体同时进行冷却和从中去除液体的设备 - Google Patents

Abstract

一种对一个压缩机元件(1)或者几个以并联或串联或不以并联或串联形式连接的压缩机元件(1)的压缩空气同时进行冷却和去除其中液体的设备，该设备包括一个压力容器(2)，该压力容器(2)在底部设置一液体排放装置(8)，在排放装置(8)上方一定距离处有一用于压缩气体的入口(6)，在顶部有一用于压缩气体的出口(18)，其特征在于，在压力容器(2)上用于压缩气体的入口(6)和出口(18)之间设置一分配器(4)，用来扩展与压缩气体直接接触的冷却流体，在压力容器(2)上设置一热交换器(5)，用于加热被冷却流体冷却的压缩气体。

Description

对压缩机的气体同时进行冷却和从中去除液体的设备

技术领域

本发明涉及一种从一个压缩机元件或者几个以并联和/或串联连接或不以并联和/或串联形式相互连接的压缩机元件的压缩空气同时进行冷却和去除其中液体的设备，该设备包括一个在压缩空气管路上安装的压力容器，该压力容器在底部设置一液体排放装置，在排放装置上方一定距离处设置一用于压缩气体的入口，在顶部设置一出口。

背景技术

在注入液体的压缩机元件中，在入口空气中或者在转子室(rotorchamber)中用于润滑、冷却和密封的水、油或者其它液体被注入。液体与压缩气体一起排出，随后在压力容器中分开并在热交换器中冷却，此后被再次注入压缩机元件中。

当包括蒸汽例如水蒸气的气体被压缩并随后被冷却后，当这些蒸汽的蒸汽压力对总的压力的相对贡献下降时，气体中可以包含较少的这些蒸汽。在许多情况下，这导致压缩气体中的这些蒸汽达到饱和，蒸汽的一部分在压缩气体冷却的过程中发生冷凝。

对许多应用，压缩气体中冷凝物的存在是非常有害的，并且当气体中的蒸汽饱和时，损坏的危险很大。这就是许多情况下在压缩机上的气体冷却器之后设置冷凝物分离器以及一个额外的气体干燥机，亦即，用于降低压缩气体中蒸汽的部分压力的设备的原因。在许多情况下该气体干燥机包括将气体冷却到需要的蒸汽露点的气体冷却器和一个额外的冷凝物分离器，在该冷凝物分离器后气体被再次加热。

从欧洲专利0120547中已经知道这种气体干燥机，在该气体干燥机中压缩气体在这种情况下通过与冒泡的冰水直接接触而被干燥。

这种气体干燥机的缺点是热传递效率低，再者可以形成冰，导致建立起大的热阻，该热阻使得能量利用效率更低。

欧洲专利0120547的气体干燥机的另一个缺点是使用空气热交换器，空气热交换器的固有特征在于与回收的能量有关的高的压降。

通常气体冷却器的缺点是必须抵抗压缩气体的高压，相对较为昂贵并且导致压缩气体的相对大的压力损失。

冷凝物分离器或者是压缩气体压力损失的一个相对主要的根源，或者不是非常有效。当压缩气体的流动可以激烈变化时，这一点更加正确，例如在具有可变转速的压缩机的情况中。

气体干燥机的热交换器必须抵抗压缩气体的高压，它们体积大且相对较贵。这些热交换器以及气体干燥机的冷凝物分离器是压缩气体压力损失的一个相对主要的根源。

再者，气体冷却器、冷凝物分离器和气体干燥机的装配设备需要几个连接管道，这进一步增加了设备的成本价格，以及压缩气体的压力损失。

发明内容

本发明的目的在于一种用于冷却压缩机的压缩气体并用于同时去除压缩气体中的冷凝物并且随后加热压缩气体的设备，该设备没有这些缺点并允许非常有效和精确地冷却和去除冷凝物，造成压缩气体很小的压力损失并且还比现有设备更加紧凑和便宜。

按照本发明的目的是通过在压力容器中压缩气体的入口和出口之间提供一个分配器来达到的，冷却流体可以从此处在压缩气体中扩展，同时直接与压缩气体接触，还在压力容器中提供一个热交换器，用于加热被冷却流体冷却的压缩气体。

由于冷却流体和热的压缩气体的直接接触，压缩空气被冷却，其结果是存在于气体中的蒸汽将冷凝。因此气体同时被冷却，而蒸汽作为冷凝物被分离，该冷凝物与冷却液体一起向下流动，在压力容器的底部被收集起来。

因此冷却液体被冷却到一个优选为比设备出口处的压缩气体温度低20K或者更多的温度。通过在与这种冷却流体直接接触后以上面提到的压力容器中的热交换器再次加热压缩气体，获得了具有一露点的干燥压缩气体，该露点比冷却流体的最冷温度高大约3K。

优选地，压缩气体和冷却流体垂直逆流流动，这是因为由此可以获得最好的热交换和质量传递。

压缩气体和冷却流体之间的直接接触可以以所有方式获得，例如但是非限制性的，通过在压缩气体中喷溅冷却流体或者使冷却流体雾化，或者通过使冷却流体在接触器上流动或者流过接触器，因此该接触器优选地由具有疏松结构(open structure)的物质形成，是多孔的或者不是多孔的；或者由是多孔的或者不是多孔的叠层零件形成，该叠层零件是或者不是按照规则的方式叠放在一起；或者由具有孔的盘形物形成，如用于蒸馏的盘形物，冷却流体可以在该盘形物上流动，由此压缩气体通过孔流动；或者由不同方式的组合形成。

直接接触的效果更好，首先，冷却流体和压缩气体之间的接触表面更大，其次，实现了气体的充分混合，例如通过湍流，第三，气体流和液体流的比例处处相同。

冷却流体的流动可以自由选择。优选地选择为尽可能低，这样在与压缩气体直接接触后冷却流体的温度比直接接触前压缩气体的温度高0K到5K之间。

为了获得没有冷凝物的压缩气体，重要的是在与冷却流体直接接触后，气体中包含尽可能少的冷却流体或者冷凝物液滴。优选地，这是通过满足以下限制来实现的：

$C_f=V_g\sqrt{\frac{P_g}{{\mathrm{\ρ}}_v-{\mathrm{\ρ}}_g}}\≤0.1\frac{m}{s}$

其中v_g是有效气体速度，ρ_g是气体的密度，ρ_v是与冷凝物混合的冷却流体的密度。通过使气体流通过一个除雾装置而进一步改进冷凝物分离，该除雾装置在冷却流体的分配器上方与压力容器形成一体。

冷却流体可以自由选择。然而如果其成分与冷凝物的成分相同，设备将更加简单和便宜，因为不需要从冷凝物中分离冷却流体。

为了干燥压缩气体，优选地通过热交换器加热压缩气体，该热交换器安装在压力容器的顶部上。特别是，在这种实施例中设备非常紧凑。优选地，需要实现这个目的的热从冷却流体中提取，这样在使冷却流体与压缩气体直接接触前，需要更少的外部降温来对冷却流体进行冷却。特别是，在这种实施例中热交换器内置在压力容器中并且具有冷却流体作为热源，所以该热交换器更加便宜，这是因为不需要额外的抗压力外壳，并且该热交换器的设计压力可以进一步降低，这是因为不是通过气体压力而只是通过在冷却流体循环中的流体力学的压力下降来确定该设计压力。

在完全的气体干燥的情况中，优选地，压力容器是绝缘的。这可以在压力容器的内部实现，但是优选地在外部实现，以避免在封闭室隔热(closed-cell insulation)的情况下压缩或者避免在开放室隔热(open-cell insulation)的情况下潮湿。

上面描述的按照本发明的设备可以应用于具有一个或者几个并联压缩元件的压缩机，以及应用于具有串联放置的几个元件的压缩机。在几个串联元件的情况下，该设备优选地设置在最高压力段之后，这样设备会更加紧凑。

附图说明

为了更好地解释本发明的特征，参照附图对以下装备有用于冷却和去除水的设备的优选实施例以及按照本发明的这种设备的优选实施例进行描述，这些优选实施例只是作为例子而不是限制性的，其中：

图1示意性地示出了一个注入水的空气压缩机，其装备有按照本发明用于冷却和去除水的设备；

图2示意性地示出了一个注入油的空气压缩机，其装备有按照本发明用于冷却和去除水和油的设备。

具体实施方式

图1示出了一个压缩机，该压缩机具有由马达1A驱动的螺旋压缩机元件1，以及一个连接于其上的用于冷却和去除液体的设备，尤其是从压缩气体，特别是压缩空气中去除水的设备。

该设备主要包括一个具有绝缘层2A的压力容器2，该压力容器2具有在内部确保压缩空气与冷却介质(优选为水)直接接触的装置，该装置包括接触器3和水分配器4，再进一步，在气体干燥的情况下，还包括一个用于再次加热在接触器3中冷却的气体的热交换器5。

压力容器2为圆柱形、直立的容器，在底部上方一定距离处具有一个用于压缩空气的入口6，该入口6通过压缩空气管路7连接在压缩机元件1的出口上。

在底部上，该压力容器上设置一个由两个部分9A和9B组成的水排放装置8，热交换器10位于部分9A和9B之间，该热交换器10通过返回管路连接压缩机元件1的注入系统上。该逆流热交换器10使用冷却水来对水进行冷却。在另一个实施里中，热交换器10包括一个使用凉的周围空气来冷却水的风扇。

在水排放装置8和入口6之间的特定水平面的上方，一个水分离器11连接在压力容器2上，用于排放多余的水。

上面提到的接触器3位于入口6的上方，在压力容器2的整个直径上。该接触器3包括具有开放室结构的泡沫材料，该泡沫材料导致气体的小的压降。

该开放室泡沫材料对压缩空气和水是惰性的，优选地，其导致通过接触器3的气体形成湍流。该开放室泡沫材料优选地像海绵一样可以吸收，优选地可以被弄湿的单位体积具有大的表面。该接触器3是均匀的，从而可以避免气体和水的优先路径的产生，或者其以有规则的方式不均匀，从而水和压缩气体在所有的情况下沿相同的路径流动。

按照一种变化形式，接触器3不是由泡沫材料制成的，而是可以由一堆松散材料组成，是多孔颗粒或者不是多孔颗粒，这些多孔颗粒是按照规则的方式堆放在一起或者不是按照规则的方式堆放在一起。

按照另一种变化形式，接触器3可以部分或者全部被如在蒸馏中所使用的盘形物取代。

按照另一种变化形式，床身3可以部分或者全部由管的垂直棱柱结构组成，例如蜂窝形状的棱柱结构。

分配器4由例如设置有刚好位于接触器3上方的喷嘴或喷洒器13的管组成，并且通过管道12连接在返回管路9上，在气体干燥的情况下，该管道12在冷却器14和上面提到的冷却器5的上方延伸。

在给定的例子中，冷却器14是一个热交换器，该热交换器的主要部分由冷却回路15的蒸发器组成，其次要部分由管道12的部分12A形成。该冷却回路15可以具有包括与所述蒸发器分开的压缩机和冷凝器的传统结构。

在给定的例子中，冷却器5是一个由通过压力容器2顶端部分来回延伸的管道12的部分12B组成的热交换器，该热交换器设置有外部薄片17，用于改善与压缩空气的热交换。冷却器5还可以是另一类型的热交换器，并且还可以位于压力容器2的外部。

管道12上安装一个泵16，用于流经冷却器5和14的水的循环，并用于通过分配器4在接触器3上分配水。

压力容器2在热交换器5的上方设置一个用于压缩空气的出口18。

在分配器4的上方可以安装一个除雾装置19，该除雾装置19可以由位于格栅上的一层颗粒组成。

上面描述的装置以如下方式工作。

带有液体的压缩空气通过压缩机元件1由压力容器2下方区域的压缩空气管路7压缩。压力容器2的直径使得在这个区域的气体的速度降低到这样一个低值，即使得含在压缩空气中的最大量的水滴由于重力而凝结。这些水在压力容器2的底部被收集起来。压力容器2和压缩机元件1的空气入口之间的压力差推动所述的水通过返回管路9回到压缩机元件1的注入系统。在冷却器10中，从所述的水中去除压缩热。

所述水的一部分通过泵16流经(diverse)管道12并被注入热交换器5后到达冷却器14，在冷却器14中通过冷却回路15被冷却到例如周围空气的23K之下，并且从这里到达喷洒器13，该喷洒器13将冷却水喷洒到接触器3上。

通过向水添加防冻剂，水可以被冷却到0℃以下的温度。一个半透性的薄膜或者用于水分离器11的其它分离技术可以阻止防冻剂与溢出的水一起溢出去。

这些冷却了的水使接触器3潮湿，并与从前述下方区域向上流动的压缩空气接触，这些压缩空气已经被水彻底冷却。在这些压缩空气中的水蒸气冷凝，冷凝物与水一起向下流动，在压力容器2的底部被收集起来。

压缩空气中可能保持的雾气的在除雾装置19中被去掉。

彻底冷却的压缩空气进一步向上流动通过热交换器5，在此处被再次加热，这样在出口18处获得了干燥的压缩空气，其露点在周围空气温度的大约20K之下。

向分配器4提供的并通过分配器4分配到接触器3上的水在以下三个步骤中被冷却：首先在热交换器10中，然后在气体干燥的情况下，在热交换器5和冷却器14中。

本设备非常紧凑，由于接触器3中的湍流以及由于低的气体速度，阻止了水滴与压缩空气一起传输出去。

接触器3中的泡沫或者颗粒可以涂生物杀灭剂，或者可以本身就是一种生物杀灭剂或者包含生物杀灭剂。因此可以避免水和压缩空气的生物污染。

还有可能在水中注入生物杀灭剂。

该生物杀灭剂可以例如从一个柔软的袋子中进行分配，该袋子通过一个可以密封的管道21连接在管道12上，位于泵16的上游，并且安装在一个封闭的储存器22中，该储存器22通过管道23连接在压力容器2的顶侧上。当没有任何水流经管道时，由于在热交换器10上没有压降，压力容器2的顶侧和管道12之间的压力差相对较小，其结果是当压缩机元件1不工作时没有生物杀灭剂的注入。

尽管在上面描述的实施例中，上面提到的用于确保压缩空气与冷却介质之间直接接触的装置包括一个接触器3，但这并不排除其它可能，按照此处未示出的一种变化形式，不是采用接触器3，而是冷却介质直接从分配器4雾化，进入压缩空气2的空间中，以便在该空间中与压缩空气直接接触。

在图2中示出的压缩机的实施例与上面描述的在图1中示出的实施例的不同之处在于该实施例注入油而不是注入水。

这意味着两种液体，亦即油和水必须被从压缩气体，特别是压缩空气中去除。

因此，压力容器2的下方部分在某种程度上与前面的实施例不同。

在压力容器2中的油面24的正下方安装一个亲水的凝聚过滤器25，用来收集小水滴并使其结合成较大的水滴。这些水在底部被收集起来，直到到达状态界限(phase limit)26的下方。在状态界限26下安装一个亲油的凝聚过滤器27，以阻止油停留在水中。

返回管路9A-9B的部分9A连接在压力容器2上状态界限26的上方，并且在与该连接相对的位置设置一个筛选板28，以阻止水滴被传输出去。

水分离器11是一个浮子分离器(float separator)，但是其浮子的密度介于水和油之间。浮子分离器11的顶端与收集的油连接，这些油在凝聚过滤器25和状态界限26之间，其底侧与收集的水相连，这些水在凝聚过滤器27的下方。

在油中添加一种乳胶分解添加剂。

其工作与已经参照图1描述的类似，主要区别在于，在压力容器2的底部通过重力分离从压缩空气中分离的主要是油，在冷却器14中冷却并通过分配器4向床身3提供的液体也是油而不是水。

被接触器3阻挡的细微油颗粒和通过在接触器3中向下流动的冷油而发生冷凝的水蒸汽向下流动。

在液面之下油和水分离。只有油通过返回管路9A-9B排放出去。

正如热交换器5一样，冷却器14可以设置在压力容器2中。

本发明并不限于上面描述的作为例子给出并在附图中示出的实施例；相反，这种用于同时对压缩机元件的气体进行冷却并去除液体的设备可以制成各种修改形式，同时还保持在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种对一个压缩机元件(1)或者几个以并联或串联或不以并联或串联形式连接的压缩机元件(1)的压缩空气同时进行冷却和去除其中液体的设备，该设备包括一个压力容器(2)，该压力容器(2)在底部设置一液体排放装置(8)，在排放装置(8)上方一定距离处有一用于压缩气体的入口(6)，在顶部有一用于压缩气体的出口(18)，其特征在于，在压力容器(2)上用于压缩气体的入口(6)和出口(18)之间设置一分配器(4)，用来扩展与压缩气体直接接触的冷却流体，在压力容器(2)上设置一热交换器(5)，用于加热被冷却流体冷却了的压缩气体。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，冷却流体在压缩气体中逆流扩展。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，接触器(3)设置在入口(6)和分配器(4)之间。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，接触器(3)主要由一堆松散材料组成，该输送材料是多孔颗粒或者不是多孔颗粒，该多孔颗粒是按照规则的方式或者不是按照规则的方式堆放在一起。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，接触器(3)主要由具有疏松结构的物质形成，该物质是多孔或者不是多孔的。

6.如权利要求3所述的设备，其特征在于，接触器(3)主要由盘形物组成。

7.如权利要求4到6中一项或者几项所述的设备，其特征在于，接触器(3)由不同类型的接触器组合而成。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，用于加热气体的热交换器(5)安装在压力容器(2)的顶部上。

9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，用于冷却流体的分配器(4)包括一个管道(12)，该管道(12)在压力容器(2)的接触器(3)上开孔并在冷却器(14)中延伸。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，冷却器(14)是一个热交换器，该热交换器的主要部分是冷却回路(15)的一部分而其次要部分是管道(12)的一部分(12A)。

11.如权利要求9或10所述的设备，其特征在于，分配器(4)的管道(12)连接在压力容器(2)的水排放装置(8)的返回管路(9)直到压缩机元件(1)的注入系统上。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，冷却器(10)安装在返回管路(9)上。

13.如权利要求9到12中任一项所述的设备，其特征在于，分配器(4)的管路(12)的一个部分(12B)是用于再次加热气体的热交换器(5)的部分。

14.如权利要求3到13中任一项所述的设备，其特征在于，该设备在压力容器(2)内接触器(3)的上方包括一个除雾装置(19)。

15.如权利要求3所述的设备，其特征在于，热交换器(5)和接触器(3)是热绝缘的，隔热层(2A)优选地设置在压力容器(2)的外侧上。

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