JP6159339B2 - 熱音響共鳴器付き湿性ガス圧縮システム - Google Patents

Description

本願およびその結果得られた特許は、概して、湿性ガス圧縮システムに関し、さらに詳細には、圧縮機に到達する前にガス流内で水滴を粉砕する、熱音響共鳴器を用いた湿性ガス圧縮システムに関する。

天然ガスおよび他の種類の燃料は、その中に液状成分を含むこともある。このような「湿性」ガスは、かなり大きな液体体積を有することもある。従来の圧縮機において、このような湿性ガスにおける液滴は、羽根車または他の構成要素の腐食または脆化を引き起こす場合がある。さらに、回転子の不平衡がこのような腐食によって生じることもある。具体的には、液滴と、羽根車、端壁、シールなどの圧縮機表面との間の望ましくない相互作用が重要となる場合もある。腐食は、基本的に、衝突時の滴の相対速度、滴の塊の大きさ、および衝突角度の組み合わせに依存するものとして知られている。腐食は、性能の低下、圧縮機および構成要素の寿命の低下、ならびに保守要求の全体的な増大につながる。

現行の湿性ガス圧縮機は、上流液体ガス分離器を用いてガス流から液滴を分離することにより、液滴によって生じる腐食の影響および他の損害を制限するか、または少なくとも局在化させている場合がある。しかしながら、分離に必要な設備は、概して付加的な消費電力を必要とする。他の提案としては、ガス流を超音速にまで加速するために、ドラバルノズルなどの中細ノズルの使用がある。その結果得られる超音速衝撃波は、液滴を粉砕することもある。しかしながら、超音速衝撃波も、圧縮機の上流の圧力降下をもたらすため、全体的な圧縮機負荷を増加させることもある。

このように、改善された湿性ガス圧縮システムおよび腐食を避ける方法が望まれている。このようなシステムおよび方法は、好適に、腐食の衝撃および湿性ガス流中の大きな液滴によって生じる他の損害を最小限にする一方、液体ガス分離器や超音速衝撃波などの必要性をなくす、または少なくとも減少させることが可能である。

国際公開第２０１１／０８１５２８号

本願およびその結果得られた特許は、このように、中にいくつかの液滴を有する湿性ガス流のための湿性ガス圧縮システムを提供する。湿性ガス圧縮システムは、パイプと、パイプと連通する圧縮機と、湿性ガス流内の前記液滴を粉砕するためにパイプと連通する熱音響共鳴器とを含んでもよい。

本願およびその結果得られた特許はさらに、いくつかの大きな液滴を圧縮機の上流の湿性ガス流内で粉砕する方法を提供する。この方法は、パイプを介して湿性ガス流を流すステップと、熱音響共鳴器によりいくつかの音響波を湿性ガス流の周辺に生成するステップと、湿性ガス流の液相に対する気相の相対速度を減少するステップと、大きな液滴をいくつかの小さな液滴に粉砕するためにいくつかの大きな液滴の表面張力を超えるステップとを含んでもよい。他の方法も、本明細書に記載されてよい。

本願およびその結果得られた特許はさらに、中にいくつかの液滴を有する湿性ガス流のための湿性ガス圧縮システムを提供する。湿性ガス圧縮システムは、パイプと、パイプと連通する圧縮機と、パイプと連通し圧縮機の上流に位置付けられた熱音響共鳴器とを含んでもよい。熱音響共鳴器は、いくつかの音響波を湿性ガス流内で生成するために、温熱交換器と、冷熱交換器と、その間にある蓄熱器とを含んでもよい。他のシステムも、本明細書に記載されてよい。

本願およびその結果得られた特許におけるこれらの特徴および改良、ならびに他の特徴および改良は、いくつかの図面および添付の請求項と併用して以下の詳細な説明を検討することにより、当業者にとって自明となるであろう。

パイプ部の一部を有する公知の湿性ガス圧縮機の概略図である。 本明細書に記載されるような熱音響共鳴器付き湿性ガス圧縮システムの実施例の概略図である。 図２の湿性ガス圧縮システムの熱音響共鳴器の概略図である。 図２の湿性ガス圧縮システムの熱音響共鳴器の周辺の湿性ガス流の液相および気相の相対速度を示す表である。 本明細書に記載されるような熱音響共鳴器付き湿性ガス圧縮システムの代替的な実施形態の実施例の部分側面図である。 本明細書に記載されるような熱音響共鳴器付き湿性ガス圧縮システムの代替的な実施形態の実施例の部分側面図である。 本明細書に記載されるような熱音響共鳴器付き湿性ガス圧縮システムの代替的な実施形態の実施例の部分側面図である。

次に、図面（複数の図面にわたって同様の参照数字が同様の要素を示す）を参照すると、図１は、公知の湿性ガス圧縮機１０の実施例を示す。湿性ガス圧縮機１０は従来の設計から形成されてもよく、いくつかの固定子の中に、軸３０上に位置し、この軸とともに回転するいくつかの羽根車２０を有するいくつかの段を含んでもよい。湿性ガス圧縮機１０はまた、吸気部４０を含んでよい。吸気部４０は、羽根車２０周辺に位置付けられた吸気スクロール５０などであってもよい。他の種類および構成の湿性ガス圧縮機１０は公知であってもよい。パイプ部６０は、湿性ガス圧縮機１０の吸気部４０に連通していてもよい。パイプ部６０は、任意の所望の大きさ、形状、または長さで形成されていてもよい。ここでは任意の数のパイプ部６０が用いられてもよく、従来の様式で付加されてもよい。

図２は、本明細書に記載されるような湿性ガス圧縮システム１００の実施例を示す。湿性ガス圧縮システム１００は、パイプ１２０周辺に位置付けられた圧縮機１１０を含んでもよい。圧縮機１１０は、上述の圧縮機１０に類似していてもよい。ここで任意の種類のまたは任意の数の圧縮機１１０が用いられてもよい。同様に、パイプ１２０は、任意の大きさ、形状、長さ、または任意の数の部分を有してもよい。パイプ１２０は坑口装置１３０に連通していてもよい。湿性ガス流１４０は坑口装置１３０から出て圧縮機１１０中を流れ、その後、さらに下流に流れる。湿性ガス流１４０は、液相１５５におけるいくつかの大きな液滴１５０だけでなく気相１４５も含んでよい。湿性ガス流１４０は、天然ガス、他の種類の燃料などであってもよい。ここでは、他の構成要素および構成も用いられてよい。

湿性ガス圧縮システム１００はまた、熱音響共鳴器１６０を含んでもよい。一般的に記載されるように、熱音響共鳴器１６０は、内部温度差を用いて、効果的に高振幅音響波を誘導する。熱音響共鳴器１６０は、坑口装置１３０の下流および圧縮機１１０の上流でパイプ１２０に連結されてもよい。ここで任意の数の熱音響共鳴器１６０が用いられてもよい。

熱音響共鳴器１６０は、音響室１７０を含んでもよい。音響室１７０は、湿性ガス流１４０が音響室１７０を満たすように、パイプ１２０と直接、連通してもよい。音響室１７０の構成が、その中で生成された音響波の性質および波長に対して影響を有することもあるという事実に依存して、音響室１７０は任意の大きさ、形状、または構成を有してもよい。

熱音響共鳴器１６０は、温熱交換器１８０、冷熱交換器１９０、およびその間に位置付けられた受動蓄熱器２００を含んでもよい。温熱交換器１８０において、熱源２１０は、それの周辺の湿性ガス流１４０に対する熱を拒絶する。熱源２１０は、任意の種類の熱および任意の種類の熱源を含んでもよい。例えば、圧縮機１１０または他の場所からの排熱が用いられてもよい。冷熱交換器１９０において、熱は湿性ガス流１４０から受け取られ、冷却流へ送られてよく、または処分するためもしくは他の場所で用いるためにヒートシンク２２０に送られてもよい。受動蓄熱器２００は、積み重ねた板材２３０などを含んでもよい。ここでは優れた熱効率を有する任意の種類の蓄熱器が用いられてもよい。

熱音響共鳴器の受動性蓄熱器２００にわたる温熱交換器１８０および冷熱交換器１９０間の温度勾配は、いくつかの音響波２４０を引き起こすことが可能である。音響波２４０は、音響室１７０を通して伝播し、パイプ１２０に入る圧力波として作用する。ここで、音響波２４０の波長および他の特徴は変更されてもよい。他の種類の熱音響共鳴器および音響波２４０を生成する他の手段がここでも用いられてよい。他の構成要素および構成がここでも用いられてよい。

図４に示されるように、音響波２４０により生じた衝撃波面は、パイプ１２０内の湿性ガス流１４０と相互作用する。音響波２４０の相互作用は、湿性ガス流１４０の気相１４５内に急速な速度変化を起こし得る。湿性ガス流１４０が音響波２４０を通過しているときに、湿性ガス流１４０の気相１４５および液相１５５間の相対速度の変化により、このように、大きな液滴１５０がいくつかのより小さい液滴２５０に粉砕し得る。

液滴粉砕は、主として気相１４５および液相１５５間の相対速度に大きく依存するものである。液滴粉砕の可能性は、湿性ガス流１４０のウエーバー数に基づき評価できる。具体的には、ウエーバー数はここで以下のように、湿性ガス流１４０との関連において計算され得る。

Ｗｅｂｅｒ=Ρ_gＶ_R ²ｄ／σ
この等式で、Ρ_gは流体の密度（ｋｇ／ｍ³）であり、Ｖ_Rは相対速度（ｍ／ｓ）、ｄは滴径（ｍ）、σは表面張力（ｎ／ｍ）である。一般的に記載されるように、ウエーバー数は、滴の表面張力と比較して、流体の慣性の相対的重要性の無次元測度である。ウエーバー数が、気相１４５の運動エネルギーが大きな液滴１５０の表面張力を超えるかもしれないことを示している場合、大きな液滴１５０は、このように粉砕して、より小さな液滴２５０になることが可能である。他の種類の滴評価および他の種類のプロトコルがここで用いられてもよい。

音響波２４０のエネルギーは部分的に液滴粉砕に移行してもよく、また部分的に湿性ガス流１４０内の消散に移行してもよい。消散とは、熱を湿性ガス流１４０に送り込むこと（deposition）を意味する。この熱は、温度増加とは対称的に、主に液体蒸発を引き起こすため、全体的な圧縮機の性能にとって有益であり得る。音響波２４０を通過した後、湿性ガス流１４０は、圧縮機の羽根２０などに対する有害な腐食を減少させるために、その中により小さな液滴２５０を有する状態で圧縮機吸気部４０に向かって続く。

熱音響共鳴器１６０付きの湿性ガス圧縮システム１００は、このように、圧縮機１１０の全体的な寿命および効率を改善するはずである。具体的には、大きな液滴１５０を除去することにより腐食による損害が改善され得る一方、より高い圧縮機効率が蒸発により達成され得る。さらにまた、熱音響共鳴器１６０は可動部分を用いないため、熱音響共鳴器１６０は、低い保守要求とともに長い寿命を有するはずである。さらに、熱音響共鳴器１６０は圧縮機１１０または他の場所からの排熱を用いることができるため、熱音響共鳴器１６０は寄生エネルギーの損失という結果には至らないことが可能となる。熱音響共鳴器１６０はまた、主な圧縮機の負荷の増加を防ぐために、それを通る圧力降下を避けてもよい。

上述の湿性ガス圧縮システム１００はパイプ１２０周辺に位置付けられた熱音響共鳴器１６０との関連で説明されてはいるものの、熱音響共鳴器１６０もまた、他の場所に位置付けられてもよい。例えば、図５および図６は、中細ノズル２６０周辺における熱音響共鳴器１６０または他の種類の可変断面ノズルの使用について示している。上述のように、ドラバルノズルなどとしても知られている中細ノズル２６０は、収束部２７０、喉状部２８０、および発散部２９０を含んでもよい。中細ノズル２６０は、衝撃波点３００で超音速衝撃波を介して大きな液滴１５０を縮小させることもある。

図５の実施例において、熱音響共鳴器１６０は、パイプ３１０の上流部に位置付けられてもよい。図６の実施例において、熱音響共鳴器１６０は、パイプ３２０の下流部に位置付けられてもよい。熱音響共鳴器１６０は、上述の方法と類似した方法で液滴粉砕を支援かつ促進するために、中細ノズル２６０の周辺またはそれに沿った任意の場所に位置付けられてもよい。ここでは複数の熱音響共鳴器１６０が用いられてもよい。他の種類のパイプおよび他の種類のノズルがここでは用いられてもよい。他の構成要素および構成がここでは用いられてもよい。

パイプ１２０内の湿性ガス流１４０と直接流体連通している熱音響共鳴器１６０の代替物として、熱音響共鳴器１６０はまた、パイプ１２０内の湿性ガス流１４０から物理的に離間していてもよい。図７に示されるように、熱音響共鳴器１６０は、移動ピストン３３０などを介してパイプ１２０に接続されてもよい。音響波２４０は、波が機械的接触を介してその中に続くように、パイプ１２０と接触する移動ピストン３３０を駆動することが可能である。ピストン３３０を用いることにより、熱音響共鳴器１６０内における異なる作動媒体の使用も可能になる。ヘリウム、窒素、または他の気体などの媒体が用いられてもよい。代替媒体を用いることは、効率および安定性の観点から、すなわち、音響エネルギーへの熱変換における増加した効率の観点から有益であり得る。他の種類の機械的システムもまた、ここで用いられてもよい。

上述したものが本願およびその結果得られた特許の所定の実施形態にのみ関連することは明らかである。ここで多くの変化および修正が、以下の請求項およびその同等物によって定義されるような発明の一般的な精神および範囲から逸脱することなく、当業者によってなされることが可能である。

１００ 湿性ガス圧縮システム
１１０ 圧縮機
１２０ パイプ
１３０ 坑口装置
１４０ 湿性ガス流
１４５ 気相
１５０ 液滴
１５５ 液相
１６０ 熱音響共鳴器
１７０ 音響室
１８０ 温熱交換器
１９０ 冷熱交換器
２００ 受動蓄熱器
２１０ 熱源
２２０ ヒートシンク
２３０ 板材
２４０ 音響波
２５０ 液滴
２６０ 中細ノズル
２７０ 収束部
２８０ 喉状部
２９０ 発散部
３００ 衝撃波点
３１０ パイプ
３２０ パイプ
３３０ 移動ピストン

Claims (18)

1. 中にいくつかの液滴を含む湿性ガス流のための湿性ガス圧縮システムであって、
   前記湿性ガス流が通るパイプと、
   前記パイプと連通する吸気部と複数の羽根車とを備える圧縮機と、
   前記パイプと連通する熱音響共鳴器と、
   を備え、
   前記熱音響共鳴器は、前記圧縮機からの熱を受け取り、受け取った熱を用いて前記パイプ内に音響波を誘導する、前記圧縮機の前記吸気部が前記湿性ガス流を受け取る前に前記湿性ガス流内の前記液滴を粉砕する、
   湿性ガス圧縮システム。
2. 前記熱音響共鳴器は、前記パイプ上に位置付けられて前記湿性ガス流と連通する音響室を含む、請求項１に記載の湿性ガス圧縮システム。
3. 前記熱音響共鳴器は、温熱交換器と、冷熱交換器と、その間にある蓄熱器とを含む、請求項１または２に記載の湿性ガス圧縮システム。
4. 前記温熱交換器は、熱源と連通し、
   前記熱源が、熱を前記温熱交換器に供給する前記圧縮機を含む、
   請求項３に記載の湿性ガス圧縮システム。
5. 前記冷熱交換器は、前記冷熱交換器からの熱を受け取るヒートシンクと連通する、請求項３または４に記載の湿性ガス圧縮システム。
6. 前記蓄熱器は、受動蓄熱器を含み、
   前記受動蓄熱器にわたる前記温熱交換器と前記冷熱交換器との間の温度勾配により前記音響波が誘導される、
   請求項３から５のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
7. 前記蓄熱器は、複数の板材を含む、請求項３から６のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
8. 前記複数の音響波は、いくつかの大きな液滴をいくつかの小さな液滴に粉砕する、請求項１から７のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
9. 前記パイプは、中細ノズルを含む、請求項１から８のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
10. 前記中細ノズルは、収束部と、喉状部と、発散部と、衝撃波点と、を含む、請求項９に記載の湿性ガス圧縮システム。
11. 前記熱音響共鳴器は、前記パイプに結合されたピストンを含み、
    誘導された前記音響波が、前記音響波が前記ピストンを通して前記パイプを伝播するように、前記パイプと接触する前記ピストンを駆動する、
    請求項１から１０のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
12. 前記湿性ガス流は、天然ガス流を含む、請求項１から１１のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
13. いくつかの大きな液滴を圧縮機の上流の湿性ガス流内で粉砕する方法であって、
    パイプを介して前記湿性ガス流を流すステップと、
    前記圧縮機からの熱を受け取るステップと、
    受け取った前記熱を用いて、熱音響共鳴器により前記湿性ガス流の周辺に音響波を誘導するステップと、
    前記湿性ガス流の液相に対する気相の相対速度を減少するステップと、
    前記湿性ガス流が前記圧縮機に提供される前にいくつかの大きな液滴をいくつかの小さな液滴に粉砕するために、前記いくつかの大きな液滴の表面張力に打ち勝つステップと、
    を含む、方法。
14. 中にいくつかの液滴を含む湿性ガス流のための湿性ガス圧縮システムであって、
    前記湿性ガス流が通るパイプと、
    前記パイプと連通する吸気部と複数の羽根車とを備える圧縮機と、
    前記パイプと連通し前記圧縮機の上流に位置付けられた熱音響共鳴器と、
    を備え、
    前記熱音響共鳴器は、前記圧縮機からの熱を受け取り、
    前記熱音響共鳴器は、温熱交換器と、冷熱交換器と、その間にある蓄熱器と、を含み、受け取った前記熱を用いて音響波を前記湿性ガス流内で生成し、前記圧縮機の前記吸気部が前記湿性ガス流を受け取る前に前記湿性ガス流内の前記液滴を粉砕する、
    湿性ガス圧縮システム。
15. 前記熱音響共鳴器は、前記パイプ上に位置付けられ前記湿性ガス流に連通する音響室を含む、請求項１４に記載の湿性ガス圧縮システム。
16. 前記温熱交換器は、熱源と連通し、
    前記熱源が、熱を前記温熱交換器に供給する前記圧縮機を含む、
    請求項１４または１５に記載の湿性ガス圧縮システム。
17. 前記冷熱交換器は、前記冷熱交換器からの熱を受け取るヒートシンクと連通する、請求項１４から１６のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。
18. 前記蓄熱器は、複数の板材を備えた受動蓄熱器を含み、
    前記受動蓄熱器にわたる前記温熱交換器と前記冷熱交換器との間の温度勾配により前記音響波が誘導される、
    請求項１４から１７のいずれかに記載の湿性ガス圧縮システム。