JP4210262B2 - 圧縮機の気体を冷却すると同時に該気体から液体を除去する装置 - Google Patents

Description

本発明は、一つの圧縮機要素、または並列および/もしくは直列に連結されているかまたはそうされていないいくつかの圧縮機要素の圧縮気体を冷却すると同時に該気体に含まれる液体を除去する装置であって、
圧縮空気ラインに取りつけられた圧力容器を有し、該容器が、底部の液体排出管、該排出管からある高さにある圧縮気体入口、頂部の圧縮気体出口を有する装置、
に関する。

液体噴射圧縮機要素においては、水、油、その他の液体が、吸気またはローター室に、潤滑、冷却、または密閉のために、噴射される。この液体は、圧縮気体と一緒に排出されてから、圧力容器内で分離されて、熱交換器で冷却され、その後、再び圧縮機要素内に噴射される。

蒸気、例えば水蒸気を含む気体は、圧縮されてから冷却されると、これらの蒸気の蒸気圧の全圧への相対的寄与が小さくなるので、これらの蒸気を少ししか含みえない。したがって、多くの場合、圧縮気体がこれらの蒸気で飽和し、これらの蒸気の一部が圧縮気体の冷却時に凝縮する。

多くの用途においては、圧縮気体内に凝縮液が存在することは、非常に有害であり、したがって、気体が蒸気で飽和すると損傷の危険が大きくなる。そのため、圧縮機では気体冷却器の後に凝縮液分離器が備えてあり、また多くの場合、追加の気体乾燥機、すなわち圧縮気体の蒸気分圧を低下させるための装置も取りつけてある。この気体乾燥機は、多くの場合、気体を蒸気の必要露点まで冷却する気体冷却器と追加の凝縮液分離器とから成り、この分離器を通過したあと、気体は再加熱される。

ヨーロッパ特許第0,120,547号に記載されている気体乾燥機の場合、圧縮空気は、泡立たせた氷水と直接に接触させることによって乾燥される。

この気体乾燥機の欠点は、熱移動があまり効率的でなく、また氷が生成されうるため、大きな熱抵抗が発生し、したがってエネルギーの使用効率が非常に低い、ということである。

ヨーロッパ特許第0,120,547号に記載されている気体乾燥機のもう一つの欠点は、全空気式(all-air)熱交換器が使用されているため、リサイクルされるエネルギーに比して大きな圧力低下が必然的に伴う、ということである。

気体冷却器の一般的な欠点は、圧縮気体の高圧に耐える必要があり、割合に高価であり、また圧縮気体の割合に大きな圧力損失を生じる、ということである。

凝縮液分離器は圧縮気体の圧力損失のかなり大きな発生源であり、圧力損失がない場合、効率が低くなる。これは、例えば可変回転速度の圧縮機の場合のように、圧縮気体の流量が大きく変動しうる場合には、特にそうである。

気体乾燥機の熱交換器は圧縮気体の高圧に耐える必要があり、かさばるものであり、また割合に高価である。気体乾燥機のこれらの熱交換器および凝縮液分離器は、圧縮気体の圧力損失のかなり大きな発生源である。

また、気体冷却器、凝縮液分離器、および気体乾燥機を集成した装置は、いくつかの接続管を必要とし、そのためさらに、装置にかかる費用が増大し、また圧縮気体の圧力損失も大きくなる。

本発明の目的は、圧縮機の圧縮気体を冷却すると同時に該圧縮気体から凝縮液を除去し、その後、圧縮気体を加熱する装置であって、前記のいろいろな欠点を有さず、非常に効率的で十分な冷却と凝縮液除去とを可能とし、圧縮気体の圧力損失が小さく、さらに既存の装置よりもかなりコンパクトで安価である装置を提供することである。

前記目的は、本発明により、流体分配器を、圧力容器内の、圧縮気体入口と出口との間に備えて、該流体分配器から低温流体を圧縮気体内に散布して圧縮気体と直接接触させることにより、また、熱交換器を、圧力容器内に、低温流体によって冷却された圧縮気体を加熱するために、備えることにより、実現される。

低温流体と高温圧縮気体との直接接触により、後者は冷却され、その結果、前記気体内に存在する蒸気が凝縮する。したがって、気体が冷却されると同時に蒸気が凝縮液として分離され、該凝縮液は低温流体とともに流れ落ち、圧力容器の底に捕集される。

この場合、低温流体は、好ましくは、装置の出口における圧縮気体の温度よりも20 K以上低い温度まで冷却される。圧縮気体を、低温流体との直接接触の後、圧力容器内の前記熱交換器によって、再加熱することにより、低温流体の最低温度よりも約3 K高い露点を有する乾燥圧縮気体が得られる。

圧縮気体と冷却流体とは、好ましくは垂直対向流として流れる。そうすれば、最善の熱交換と物質移動とが行われるからである。

圧縮気体と低温流体との直接接触は、あらゆる種類のやり方で実行できる。例えば、低温流体を圧縮気体内に散布もしくは噴霧することにより、または低温流体を接触器上を通すことによりもしくは接触器を通過させることにより、直接接触させることができるが、これらのみに限定されるものではない。このとき、この接触器は、好ましくは多孔質またはそうでない開放構造(open structure)を有する物質(mass)である。あるいは、この接触器は、積み重ねられた部品から成り、これらの部品は多孔質であるかまたはそうでなく、規則的なパターンに従うかまたは従わずに積み重ねられる。あるいは、この接触器は、蒸留で使用されるような、開口を有する皿から成り、この皿上を低温流体が流れ、また圧縮気体が孔を通って流れる。あるいは、この接触器においては、いろいろなやり方を組み合せることができる。

直接接触の効果は、また、第一に、低温流体と圧縮気体との接触面積が大きくなり、第二に、例えば乱流により気体の十分な混合が実現され、第三に気体流量と流体流量との比がどこでも同じになるために、さらに高まる。

低温流体の流量は自由に選択することができる。好ましくは、できるだけ小さい値に選択し、低温流体の温度が、圧縮気体との直接接触後、該接触前の圧縮気体の温度よりも0~5 K高くなるようにする。

凝縮液を含まない圧縮気体を得るために重要なことは、低温流体との直接接触後、気体が低温流体または凝縮液の液滴を可能な限り少ししか含まない、ということである。これは好ましくは下記の不等式を満たすようにすることによって実現される。

この式で、V_gは有効気体速度、ρ_gは気体の密度、ρ_vは凝縮液と混合される低温流体の密度である。凝縮液の分離は、気体流を、圧力容器内で低温流体の分配器の上方に取りつけられた液滴除去器を通すことにより、さらに改善される。

低温流体は自由に選ぶことができる。しかし、低温流体の組成が凝縮液の組成と同じであれば、装置がより簡単かつ安価になる。この場合、低温流体を凝縮液から分離する必要がないからである。

圧縮空気は、乾燥するために、好ましくは、圧力容器内の頂部に取りつけられた熱交換器によって加熱される。特にこの実施形態の場合、装置は非常にコンパクトになる。このとき必要な熱は好ましくは低温流体から引き出され、低温流体を圧縮気体と直接接触させる前に低温流体を冷却するための外部冷却の必要が小さくなる。特にこの実施形態の場合、圧力容器内に取りつけられ、低温流体を熱源として使用するこの熱交換器は、追加の耐圧ケーシングが不要であるため非常に安価であり、さらにまたこの熱交換器の設計圧力を低くすることができる。というのは、この設計圧力は、気体圧力によって決定されるのではなく、低温流体回路における流体力学的圧力低下によってのみ決定されるからである。

この圧力容器内(integrated)気体乾燥の場合、圧力容器は好ましくは断熱する。この断熱は圧力容器内側に実施できるが、好ましくは、この断熱は、独立気泡断熱材の場合の圧縮を避けるため、または連続気泡断熱材の場合の湿潤化を避けるために、圧力容器外側に実施する。

本発明による前記装置は、一つの圧縮機要素または並列の複数の圧縮機要素を有する圧縮機に適用することができ、同様に、直列配置された複数の圧縮機要素を有する圧縮機に適用できる。直列の複数要素の場合、好ましくは、この装置は最大圧力段の後に配置される。そのようにすれば、装置がもっともコンパクトになるからである。

本発明の特徴をより良く説明するために、以下では、本発明による冷却と水除去とのための装置を備えた空気圧縮機の好ましい実施形態、および本発明によるそのような装置の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。これは、単なる例であり、本発明を限定するものではない。

図１は、モーター1Aによって駆動されるスクリュー圧縮機要素1と、該要素に接続された冷却と液体除去のための装置とを有する圧縮機を示す。前記装置は、特に、圧縮気体特に圧縮空気からの水除去のためのものである。

この装置は、主として、断熱材2Aを備えた圧力容器2から成る。圧力容器2内には、圧縮空気と冷却剤、好ましくは水、との直接接触を保証する手段が備えられている。該手段は、接触器3と水分配器4から成り、さらに気体乾燥のために、接触器3で冷却された気体を再加熱するための熱交換器5をも備えている。

圧力容器2は、円筒形の据付け容器であり、底からある高さに圧縮空気入口6を備え、入口6は圧縮空気ライン7によって圧縮機要素1の出口につながっている。

この圧力容器は、底部に、水排出管8を備え、該排出管は、二つの部分9Aと9Bから成り、これらの間に熱交換器10が備えてある。この熱交換器は戻りラインによって圧縮機要素1の噴射システムに接続されている。この対向流熱交換器10は冷却水によって水を冷却する。別の実施形態の場合、熱交換器10は低温の周囲空気で水を冷却するファンを有することができる。

圧力容器2には、水排出管8と入口6との間のある高さのところに、過剰な水を排出するための水分離器11が接続されている。

前記接触器3は、圧力容器2の直径全体にわたって、入口6の上方に配置されている。この接触器は、連続気泡構造の発泡体から成るため、気体の圧力低下は小さい。

この連続気泡発泡体は、圧縮空気と水とに対して不活性であり、好ましくは、容器3を通る気体に乱流を引起すものである。この発泡体は、たとえばスポンジのように吸収性のものであり、好ましくは、大きな、濡らすことのできる、体積あたり表面積を有する。接触器3は、均質であって、気体と水のための優先経路の生成が避けられるようにするか、または規則的に不均質であって、水と圧縮空気がすべての状況下で同じ経路に沿って流れるようにする。

接触器3は、変形においては、発泡体で作る代わりに、規則的パターンにしたがって積み重ねるかまたはそうでない、多孔質であるかまたはそうでない粒子のゆるい積み重ねから成るようにすることができる。

もう一つの変形においては、接触器3は、蒸留で使用されるような皿によって、一部または全部を置き換えることができる。

もう一つの変形においては、層3は、一部または全部が垂直な角柱管構造物、例えば蜂の巣状のものにより成ることができる。

流体分配器4は、例えば、接触器3のすぐ上に配置されたノズルまたはスプリンクラー13を備えた管から成り、この管は、管12によって戻りライン9に接続されている。管12は、冷却器14およびガス乾燥のための前記冷却器5を通って延びている。

ここに示す例では、冷却器14は熱交換器であり、その第一の部分が冷却回路15の蒸発器から成り、第二の部分が管12の部分12Aから成る。この冷却回路15は、前記蒸発器のほかに圧縮機と凝縮器とを含む通常の構造のものとすることができる。

ここに示す例では、冷却器5は、管12の部分12Bから成る熱交換器であり、部分12Bは、圧力容器2の頂部を何回も往復しており、圧縮空気との熱交換を促進するための外部薄板17を備えている。冷却器5は、別のタイプの熱交換器とすることもでき、また圧力容器2の外に配置することもできる。

管12には、冷却器5および14を通っての水の循環のため、および水を流体分配器4によって接触器3上に散布するためのポンプ16が取りつけてある。

圧力容器2は、熱交換器5の上方に、圧縮空気のための出口18を備えている。

流体分配器4の上方には、液滴除去器19を取りつけることができ、これは格子上の粒子層から成ることができる。

ここに示す装置は次のように動作する。

液体を含む圧縮空気が、圧縮機要素1により、圧縮空気ライン7を通じて圧力容器2の下部領域に送られる。圧力容器2の直径は、この領域内の気体の速度が、圧縮空気中の液滴の最大量が重力によって沈降するような低速となるようなものとする。この水は圧力容器2の底に捕集される。圧力容器2と圧縮機要素1の空気入口との間の圧力差により、前記水は、戻りライン9を通って圧縮機要素1の噴射システムに押しもどされる。冷却器10においては、圧縮熱が前記水から除去される。

前記水の一部は、ポンプ16によって、管12を通して送られ、熱交換器5を通って冷却器14に達する。ここで、この水は、冷却回路15によって周囲空気よりもたとえば23 K低い温度に冷却され、ここから、冷却された水を接触器3上に散布するスプリンクラー13に送られる。

この水は、不凍剤を添加することにより、0℃よりも低い温度に冷却することができる。水分離器11に対して半透膜その他の分離技術を使用することにより、不凍剤があふれ水と一緒に流出することが防がれる。

この冷却された水は、接触器3を潤し、前記底部領域から流れ上る圧縮空気と接触し、該空気はこの水によって強く冷却される。この圧縮空気中の水蒸気は凝縮し、凝縮液は前記水と一緒に流下し、圧力容器2の底に捕集される。

圧縮空気中に残留しうる液滴は、液滴除去器19において除去される。

さらに、強く冷却された圧縮空気は熱交換器5を通って上昇して、ふたたび加熱され、出口18においては、周囲空気温度よりも約20 K低い露点を有する乾燥圧縮空気が得られる。

流体分配器4に供給され、該分配器によって接触器3に散布される水は、三段階で冷却される。すなわち、まず、熱交換器10で冷却され、次に、気体乾燥のために熱交換器5で冷却され、さらに冷却器14で冷却される。

この装置は、非常にコンパクトであり、また、接触器3内の乱流により、また小さな気体流速により、水滴が圧縮空気と一緒に運ばれるのが防がれる。

接触器3の発泡体または粒子は、殺生剤で被覆することができ、あるいは殺生剤そのものとするか、殺生剤を含むようにすることができる。そのようにすれば、水および圧縮空気の生物による汚染が避けられる。

殺生剤を水に注入することも可能である。

この殺生剤は、例えば、ポンプ16の上流で管21によって管12に接続されている軟質バッグ20から分配することができる。管21は、遮断することができ、バッグ20は、管23によって圧力容器2の頂部側に接続されている閉鎖溜め22内に取りつけられる。圧力容器2の頂部側と管12との間の圧力差は、この管を水が流れていない場合、熱交換器10における圧力低下がないので、割合に小さい。したがって、圧縮機要素1が作動していない場合、殺生剤の注入はない。

この実施形態の場合、圧縮空気と冷却剤との直接接触を保証する前記手段は接触器3から成るが、ここでは示さない変形において、接触器3を使用せず、冷却剤を流体分配器4から圧力容器2のスペースに直接噴霧し、このスペース内で圧縮空気との直接接触がなされるようにすることも排除されない。

図２に示す圧縮機の実施形態は、水の代わりに油が噴射されるという点が、図１に示す前記実施形態と異なる。

これは、二種類の液体、すなわち油と水を、圧縮気体、特に圧縮空気から除去しなければならないということである。

したがって、圧力容器2の下部が前記実施形態とは少し異なっている。

圧力容器2の油面位24のすぐ下に、小さな水滴を捕集し、くっつけて大きな水滴とするための親水性合体フィルター25が備えてある。この水は、底部で、相境界26の下まで捕集される。相境界26の下には、親油性合体フィルター27が備えてあり、油が水に混ざることを防止する。

戻りライン9A-9Bの部分9Aが、相境界26の上で圧力容器2に接続され、接続部に対向して、水滴が一緒に運び出されるのを防ぐためのしゃへい板28が備えてある。

水分離器11はまた浮き分離器でもあるが、この浮きの密度は水のそれと油のそれとの中間にある。浮き分離器11は、頂部側が、合体フィルター25と相境界26との間で、捕集された油に接続され、底部側が、合体フィルター27の下で、捕集された水に接続されている。

解乳化剤が油に添加される。

動作は図１に関して前述したものと似ているが、主要な相違点は、主として油が、圧力容器2の底部において重力分離により圧縮空気から分離されるということであり、また、冷却器14によって冷却され、流体分配器4によって層3に送られる液体も水ではなく油であるということである。

接触器3によって保持されている微細な油滴と接触器3を流下する低温油によって凝縮させられる水蒸気とが流下する。

液体面の下で、油と水とが分離される。油だけが戻りライン9A-9Bを通って流出する。

冷却器14は、熱交換器5と同様に、圧力容器2の内部に備えることができる。

本発明は、例として説明し、添付の図面に示した前記実施形態のみに限定されるものではない。逆に、圧縮機要素の気体を冷却すると同時に該気体から液体を除去する本発明の装置は、本発明の範囲を逸脱することのない、あらゆる種類の変形によって実施することができる。

本発明による冷却と水除去のための装置を備えた水噴射空気圧縮機を模式的に示す図である。 本発明による冷却と水および油の除去とのための装置を備えた油噴射空気圧縮機を模式的に示す図である。

符号の説明

1 スクリュー圧縮機要素
1A モーター
2 圧力容器
2A 断熱材
3 接触器、層
4 流体分配器、水分配器
5 熱交換器、冷却器
6 圧縮空気入口
7 圧縮空気ライン
8 水排出管、液体排出管
9 戻りライン
9A 戻りラインの部分
9B 戻りラインの部分
10 熱交換器、冷却器
11 水分離器、浮き分離器
12 管
12A 12の部分
12B 12の部分
13 スプリンクラー
14 冷却器
15 冷却回路
16 ポンプ
17 外部薄板
18 圧縮空気出口
19 液滴除去器
20 軟質バッグ
21 管
22 閉鎖溜め
23 管
24 油面位
25 親水性合体フィルター
26 相境界
27 親油性合体フィルター
28 しゃへい板

Claims (15)

1. 一つの圧縮機要素(1)、または並列もしくは直列に連結されているかまたはそうされていないいくつかの圧縮機要素(1)の圧縮気体を冷却すると同時に該気体に含まれる液体を除去する装置であって、
   圧力容器(2)を有し、該容器が、底部の液体排出管(8)、該排出管からある高さにある圧縮気体入口(6)、頂部の圧縮気体出口(18)を有する装置において、
   流体分配器(4)が、圧力容器(2)内の、圧縮気体入口(6)と出口(18)との間に、低温流体を散布して圧縮気体と直接接触させるために、備えてあり、
   熱交換器(5)が、圧力容器(2)内に、低温流体によって冷却された圧縮気体を加熱するために、備えてある、
   ことを特徴とする装置。
2. 低温流体が圧縮気体内に対向流散布されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 接触器(3)が入口(6)と流体分配器(4)との間に備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 接触器(3)が、主として、ゆるく積み重ねられた多孔質またはそうでない粒子から成り、この粒子が規則的なパターンに従うかまたは従わずに積み重ねてあることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 接触器(3)が、主として、多孔質であるかまたはそうでない開放構造を有する物質から成ることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 接触器(3)が、主として、複数の皿から成ることを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. 接触器(3)が、複数のタイプの接触器の組合せから成ることを特徴とする請求項４から６の中のいずれか１つまたはいくつかに記載の装置。
8. 気体を加熱するための熱交換器(5)が圧力容器(2)の頂部内に取りつけてあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 低温流体のための流体分配器(4)が、冷却器(14)を通って延びていて圧力容器(2)内で接触器(3)上に開口している管(12)から成ることを特徴とする請求項１から８の中のいずれか１つに記載の装置。
10. 冷却器(14)が、第一の部分が冷却回路(15)の部分であり、第二の部分が管(12)の部分(12A)である熱交換器であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 流体分配器(4)の管(12)が、圧縮機要素(1)の噴射システムに向う圧力容器(2)の水排出管(8)の戻りライン(9)に接続していることを特徴とする請求項９または１０に記載の装置。
12. 冷却器(10)が戻りライン(9)に取りつけてあることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 流体分配器(4)の管(12)の部分(12B)が、気体再加熱のための熱交換器(5)の部分であることを特徴とする請求項９から１２の中のいずれか１つに記載の装置。
14. 圧力容器(2)内の接触器(3)の上方に液滴除去器(19)を有することを特徴とする請求項３から１３の中のいずれか１つに記載の装置。
15. 熱交換器(5)および接触器(3)が断熱されており、断熱材(2A)が好ましくは圧力容器(2)の外側に備えてあることを特徴とする請求項３に記載の装置。

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