NO334581B1 - Innretning og fremgangsmåte for samtidig avkjøling og fjerning av væske fra en gass fra en kompressor. - Google Patents

Abstract

Innretning for samtidig kjøling og fjeming av væske fra komprimert gass av et kompressorelement (1) eller av flere kompressorelementer (1) som er forbundet enten i parallell eller i serie, idet innretningen omfatter et trykkar (2) som er forsynt med en væskedrenering (8) i bunnen, et innløp (6) for komprimert gass i en avstand over sistnevnte og et utløp (18) for komprimert gass øverst i sistnevnte og et utløp (18) for komprimert gass øverst, karakterisert ved at fordelingsinnretningen (4) er tilveiebrakt i trykkaret (2) mellom innløpet (6) og utløpet (18) for den komprimerte gass, for spredning av et kjølefluid i direkte kontakt med den komprimerte gass og at varmeveksleren (5) er tilveiebrakt i trykkaret (2) for varming av den komprimerte gass som har blitt kjølt av kjølefluidet.

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for samtidig kjøling og fjerning av væske fra komprimert gass av et kompressorelement eller av flere kompressorelementer som er forbundet sammen enten i parallell og/eller i serie, idet innretningen omfatter et trykkar i ledningen for komprimert luft og som er forsynt med en væskedrenering i bunnen, et innløp for komprimert gass i en avstand over sistnevnte og et gassutløp øverst.

I et væskeinjisert kompressorelement, blir vann, olje eller annen væske injisert i luftinnløpet eller i rotorkammeret for smøring, kjøling og tetning. Væsken blir tømt sammen med komprimert gass og deretter separert i et trykkar og kjølt i en varmeveksler hvoretter væsken blir injisert igjen i kompressorelementet.

Når en gass omfattende damp, f.eks. vanndamp, blir komprimert og deretter avkjølt, kan den inneholde mindre av disse dampene etter hvert som det relative bidrag av damptrykket av disse dampene til det totale trykket avta. I mange tilfeller fører dette resultatet til at den komprimerte gass blir mettet med disse dampene og en del av dampene blir kondensert under avkjølingen av den komprimerte gass.

I mange anvendelser er nærværet av kondensat i den komprimerte gass svært uheldig og risikoen for skade er stor når gassen blir mettet med damp. Dette er hvorfor en kondensatseparator er tilveiebrakt i kompressorer etter gasskjøleren samt som en ekstra gasstørker i mange tilfeller, dvs. en innretning for å minske det delvise trykk av damp i den komprimerte gass. Denne gasstørker består i mange tilfeller av en gasskjøler som kjøler gassen til det nødvendige duggpunkt av dampene og en ekstra kondensatseparator, hvoretter gassen blir varmet igjen.

Fra det europeiske patent 0 120 547, er en slik gasstørker kjent, hvor komprimert luft blir tørket i dette tilfellet ved hjelp av en direkte kontakt med isvann som bobler opp.

Ulempen med denne gasstørker er at varmeoverføringen ikke er svært effektiv og videre at is kan dannes og fører til oppbygning av en stor termisk motstand som gjør at energien blir brukt enda mindre effektivt.

En annen ulempe med gasstørkeren fra EP 0 120 547, er at det brukes en luftvarmeveksler som karakteriseres av et høyt trykkfall i forhold til den resirkulerte energi.

I dokumentet US 5048200 beskrives avfukting av komprimert luft, der kjølefluidet strømmer motstrøms den komprimerte gassen og bringes i direkte kontakt med gassen. Vanndamp i den komprimerte gassen kondenseres og væske samles opp og tas ut i bunnen av beholderen.

En ulempe med gasskjølere generelt er at de må motstå det høye trykk av komprimert gass, at de er relativt kostbare og forårsaker et relativt stort trykktap i den komprimerte gass.

Kondensatseparatorer er enten en relativt viktig kilde for trykktapet i den komprimerte gass, eller de er ikke særlig effektive. Dette er især tilfellet når strømmen av komprimert gass varierer, noe som f.eks. er tilfellet med kompressorer med en variabel rotasj onshastighet.

Varmevekslere av gasstørkere må kunne motstå det høye trykk av den komprimerte gass og de er også store og relativt kostbare. Disse varmevekslerne samt kondensatseparatoren av gasstørkere er en relativt viktig kilde til trykktapet i den komprimerte gass.

Videre krever den sammensatte innretning av gasskjøleren, kondensatseparatoren og gasstørkeren flere tilkoplingsrør som ytterligere øker kostnadene for innretningen samt trykktapet i den komprimerte gass.

Oppfinnelsen tar sikte på en innretning for å kjøle den komprimerte gass av en kompressor og samtidig fjerne kondensat fra den komprimerte gass og deretter varme den komprimerte gass, og som ikke har disse ulempene og gir samtidig en svært effektiv og fin kjøling og fjerning av kondensatet og samtidig forårsaker lite trykktap av den komprimerte gass og som også er betydelig mer kompakt og rimeligere enn eksisterende innretninger.

Dette mål nås ifølge oppfinnelsen ved en innretning som angitt i krav 1 og en fremgangsmåte som angitt i krav 16. Det er tilveiebrakt en fordelingsinnretning i trykkaret mellom innløpet og utløpet av den komprimerte gass som kjølefluidet blir spredt fra i den komprimerte gass mens den er i direkte kontakt med det og ved å tilveiebringe en varmeveksler i trykkaret for å varme den komprimerte gass som har blitt kjølt av kjølefluidet.

Takket være den direkte kontakt mellom kjølefluidet og den varme, komprimerte gass, blir sistnevnte kjølt som følge av at dampen i gassen kondenserer. Gassen blir således kjølt samtidig og dampene blir separert som kondensat som strømmer ned sammen med kjølefluidet hvor det blir oppsamlet i bunnen av trykkaret.

Kjølefluidet blir derved kjølt til en temperatur som fortrinnsvis er 2OK eller lavere enn temperaturen av den komprimerte gass ved utløpet av innretningen. Ved å varme den komprimerte gass igjen etter den direkte kontakt med dette kjølefluid ved hjelp av den ovennevnte varmeveksler i trykkaret, oppnås tørr, komprimert gass med et duggpunkt som er omtrent 3K høyere enn den kaldeste temperatur av kjølefluidet.

Den komprimerte gass og kjølefluidet strømmer fortrinnsvis vertikalt motstrøms, siden den beste varmeveksling og masseoverføring således oppnås.

Den direkte kontakt mellom den komprimerte gass og kjølefluidet kan oppnås på mange forskjellige måter, f.eks., men ikke begrenset av påsprutning eller atomisering av kjølefluidet i den komprimerte gass, eller ved å la kjølefluidet strømme over eller gjennom en kontaktor, hvorved denne kontaktor fortrinnsvis er formet av en masse med en åpen struktur, eventuelt porøs; eller er formet av stablede deler, eventuelt porøs, som eventuelt er stablet ifølge et regelmessig mønster; eller er formet av skiver med åpninger, som f.eks. brukt ved destillering over hvilke kjølefluidet strømmer og hvorved den komprimerte gass strømmer gjennom hullene; eller blir formet ved en kombinasjon av forskjellige måter.

Effekten av den direkte kontakt blir også bedre ettersom kontaktflaten mellom kjølefluidet og den komprimerte gass for det første er større, og for det andre at en god blanding av gassen blir realisert f.eks. ved hjelp av en turbulent strøm og for det tredje at en god blanding av gassen blir realisert f.eks. ved hjelp av en turbulent strøm og for det tredje at forholdet mellom gasstrømmen og flytstrømmen er identisk alle steder.

Strømmen av kjølefluid kan velges fritt. Den velges fortrinnsvis så lav som mulig, slik at temperaturen av kjølefluidet etter en direkte kontakt med komprimert gass, er mellom OK og 5K høyere enn temperaturen av den komprimerte gass før den direkte kontakt.

For å oppnå komprimert gass som er fri for kondensat, er det viktig at gassen, etter den direkte kontakt med kjølefluidet, inneholder så få dråper som mulig av kjølefluid eller av kondensatet. Dette realiseres fortrinnsvis etter oppfyllelse av den følgende begrensning:

Hvorved Vg er den effektive gasshastighet, pg er tettheten av gassen og pver tettheten av kjølefluidet blandet med kondensatet. Kondensatseparasjonen blir ytterligere forbedret ved å føre gasstrømmen gjennom en forstøvningsinnretning som er integrert i trykkaret over fordelingsinnretningen av kjølefluidet.

Kjølefluidet kan velges fritt. Hvis dets sammensetning imidlertid er identisk med sammensetningen av kondensatet, vil innretningen bli enklere og billigere ettersom det ikke blir nødvendig da å separere kjølefluidet fra kondensatet.

For å tørke den komprimerte luft blir den fortrinnsvis varmet ved hjelp av en varmeveksler som er opprettet øverst i trykkaret. Spesielt i denne utførelse er innretningen svært kompakt. Varme som kreves for dette blir fortrinnsvis hentet fra kjølefluidet, slik at mindre ekstern kjøling kreves for å kjøle kjølefluidet før det får direkte kontakt med den komprimerte gassen. Spesielt i utførelsen, gjør innbygningen i trykkammeret og bruker kjølefluidet som varmekilde at varmeveksleren blir mye billigere ettersom det ikke kreves noe ekstra trykkbestandig hus og merketrykket av denne varmeveksler kan videre være lav ettersom det ikke avgjøres av gasstrykket, men bare av det hydrodynamiske trykkfall i kjølefluidets krets.

I tilfelle av integrert gasstørking, er trykkaret fortrinnsvis isolert. Dette kan utføres innvendig i trykkaret, men blir fortrinnsvis utført utvendig for å unngå kompresjon ved en lukket celleisolasjon, eller for å unngå fukt i tilfelle en åpen celleisolasjon.

Den ovennevnte innretning ifølge oppfinnelsen kan brukes i forbindelse med kompressorer med et eller flere kompresjonselementer i parallell samt kompressorer med flere elementer plassert i serie. Når flere elementer er koplet i serie, er innretningen fortrinnsvis tilveiebrakt etter trinnet med høyest trykk ettersom innretningen blir mest kompakt i det tilfellet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 viser skjematisk en vanninjisert luftkompressor forsynt med en innretning for kjøling og vannfjerning ifølge oppfinnelsen;

fig. 2 viser skjematisk en oljeinjisert luftkompressor forsynt med en innretning for kjøling og fjerning av vann og olje ifølge oppfinnelsen.

Fig. 1 viser en kompressor med et skruekompressorelement drevet av en motor IA og en innretning for kjøling og væskefjerning forbundet dertil, især vannfjerning, fra den komprimerte gass, spesielt komprimert luft.

Innretningen omfatter hovedsakelig et trykkar 2 med isolasjon 2A med en anordning som garanterer direkte kontakt mellom den komprimerte luft og kjølemediet, fortrinnsvis vann, idet anordning består av en kontaktor 3 og en vannfordelingsinnretning 4, og videre i tilfelle gasstørking, også en varmeveksler 5 for gjenoppvarming av gassen kjølt i kontaktoren 3.

Trykkaret 2 er et sylindrisk, stående kar med et innløp 6 for komprimert luft som er forbundet til utløpet av kompressorelementet 1 ved hjelp av en trykkluftledning 7, i en avstand over bunnen.

I bunnen er trykkaret forsynt med en vanndrenering 8 som består av to deler 9A og 9B med en varmeveksler 10 derimellom som er forbundet til injeksjonssystemet av kompressorelementet 1 ved hjelp av en returledning. Denne motstrøms varmeveksler 10 kjøler vannet med kjølevann. I en annen utførelse kan varmeveksleren 10 omfatte en vifte som kjøler vannet med kald omgivelsesluft.

Mellom vanndreneringen 8 og innløpet 6 er det forbundet en vannseparator 11 til trykkaret 2 over et visst nivå, for tømming av overskytende vann.

Ovennevnte kontaktor 3 er anbrakt over innløpet 6 over hele diameteren av trykkaret 2. Den består av et skum med en åpen cellestruktur som forårsaker et lite trykkfall i gassen.

Dette skummet med åpne celler er inert for komprimert luft og vann og forårsaker fortrinnsvis en turbulent strøm av gassen gjennom kontaktoren 3. Den er imidlertid absorberende som en svamp, og har fortrinnsvis en stor overflate per volum, som kan fuktes. Kontaktoren 3 er enten homogen, slik at det er unødvendig å danne foretrukne baner for gassen og vannet, eller den er ikke-homogen på en systematisk måte, slik at vannet og den komprimerte luft strømmer langs samme bane under alle forhold.

I stedet for å være av skum, kan kontaktoren 3 alternativt bestå av en haug av løse og eventuelt porøse partikler som eventuelt er stablet ifølge et regelmessig mønster.

Ifølge en annen variant kan kontaktoren 3 helt eller delvis erstattes av skiver, tilsvarende slike som brukes for destillering.

Ifølge en annen variant kan bunne 3 bestå helt eller delvis av en vertikal prismestruktur av rør f.eks. i form av en vokskake.

Fordelingsinnretningen 4 består f.eks. av et rør med dyser eller sprinkler 13 anbrakt like over kontaktoren 3 og er forbundet til returledningen 9 ved hjelp av et rør 12 som strekker seg over en kjøler 14 og ovennevnte kjøler 5 i tilfelle gasstørking.

I det gitte eksempel er kjøleren 14 en varmeveksler hvis primære del består av fordamperen av en kjølekrets 15 og hvis sekundære part dannes av en del 12A av røret 12. Denne kjølekrets 15 kan ha en vanlig konstruksjon som også består av en kompressor og en kondensator i tillegg til selve evaporatoren.

I det gitte eksempel er kjøleren 5 en varmeveksler som består av en del 12B av røret 12 som strekker seg til og fra gjennom den øvre del av trykkaret 2, forsynt med utvendige lameller 17 for å forbedre varmevekslingen med den komprimerte luft. Kjøleren 5 kan også være en annen type varmeveksler og kan også være anbrakt utenfor trykkaret 2.

I røret 12 er det opprettet en pumpe 16 for sirkulering av vannet gjennom kjølerne 5 og 14 og for å fordele vannet over kontaktoren 3 via fordelingsinnretningen 4.

Over varmeveksleren 5, er trykkaret 2 forsynt med et utløp 18 for komprimert luft.

Over fordelingsinnretningen 4 kan det opprettes en forstøvningsinnretning 19 som kan bestå av en bunn av partikler på et gitter.

Ovennevnte innretning virker som følger.

Komprimert luft lastet med væske blir presset gjennom kompressorelementet 1 via den komprimerte luftledning 7 i den nedre sone av trykkaret 2. Diameteren av trykkaret 2 er slik at gassens hastighet i denne sone faller til en slik lav verdi at den største mengde av vanndråpene i den komprimerte luft utfelles som følge av gravitasjon. Dette vannet blir oppsamlet i bunnen av trykkaret 2. Trykkforskjellen mellom trykkaret 2 og luftinnløpet av kompressorelementet 1, skyver vannet tilbake til injeksjonssystemet av kompressorelementet 1 via returledningen 9.1 kjøleren 10 blir kompresjons varmen fjernet fra vannet.

En del av vannet blir avledet gjennom røret 12 ved hjelp av pumpen 16 og pumpet over varmeveksleren 5 til kjøleren 14 hvor det blir kjølt til f.eks. 23K under omgivelsesluften av kjølekretsen 15 og derfra videre til sprinklerne 13 som sprinkler det kjølte vann på kontaktoren 3.

Ved å tilsette frysevæske til vannet, kan vannet kjøles til en temperatur under 0 °C. En halvpermeabel membran eller annen separasjonsteknikk for vannseparatoren 11 kan hindre kjølemiddelet i å bli blandet med overstrømmende vann.

Dette kjølte vann fukter kontaktoren 3 og forårsaker kontakt med den komprimerte luft som strømmer opp fra den tidligere nevnte nedre sone som er sterkere kjølt av dette vannet. Vanndampen i denne komprimerte luft kondenserer og kondensatet strømmer ned sammen med vannet hvor det blir samlet opp i bunnen av trykkaret 2.

Eventuell gjenværende tåke i den komprimerte luft blir fjernet i forstøvnings-innretningen 19.

Den sterkt kjølte komprimerte luft strømmer videre opp gjennom varmeveksleren 5 hvor den igjen blir oppvarmet, slik at tørr, komprimert luft oppnås ved utløpet 18 med et vannduggpunkt på omtrent 20K under omgivelseslufttemperaturen.

Vannet som leveres til fordelingsinnretningen 4 og som fordeles på kontaktoren 3 av sistnevnte, blir kjølt i tre trinn: først i varmeveksleren 10 og deretter, i tilfelle gasstørking, i varmeveksleren 5 og i kjøleren 14.

Innretningen er svært kompakt og takket være den turbulente strøm i kontaktoren 3 og takket være de lave gasshastighetene, hindres vanndråpene i å bli båret sammen med den komprimerte luft.

Skummet, eller partiklene av kontaktoren 3 kan være belagt med et biocid eller de selv kan være et biocid eller inneholde et biocid. Dette unngår biologisk forurensning av vannet og den komprimerte luft.

Det er også mulig å injisere et biocid i vannet.

Dette biocid kan f.eks. være fordelt fra en fleksibel pose 20 som er forbundet til røret 12 via et rør 21 som kan være tettet oppstrøms av pumpen 16 og som er opprettet i et lukket reservoar 22 som er forbundet til den øvre side av trykkaret 2 ved hjelp av et rør 23. Trykkforskjellen mellom den øvre side av trykkaret 2 og røret 12 er relativt liten når det ikke er noe vann som strømmer gjennom røret, siden det ikke er noe trykkfall over varmeveksleren 10 i det tilfellet, hvilket fører til at det ikke er noen injisering av biocid når kompressorelementet 1 ikke er i drift.

Selv om den ovennevnte anordning for å garantere den direkte kontakt mellom den komprimerte luft og kjølemediet omfatter en kontaktor 3, i den ovennevnte utførelse, er det ikke utelukket ifølge en variant som ikke er vist, ikke å bruke en kontaktor 3, men at kjølemediet atomiseres direkte fra fordelingsinnretningen 4 i trykkarets rom 2 for å bevirke direkte kontakt med den komprimerte luft i dette rommet.

Utførelsen av kompressoren vist på fig. 2 skiller seg fra den ovennevnte utførelse på fig. 1 ved at den er oljeinjisert i stedet for vanninjisert.

Dette innebærer at to væsker, nemlig olje og vann må fjernes fra den komprimerte gass, især komprimert luft.

Følgelig skiller den nedre del av trykkaret 2 seg noe fra den foregående utførelse.

Like under oljenivået 24 i trykkaret 2 er det opprettet et hydrofilisk koalisensfilter 25 for oppsamling av små vanndråper og for å binde dem til større dråper. Vannet oppsamles i bunnen opp til fasebegrenseren 26. Under fasebegrenseren 26 er det opprettet et oleofilisk koalisensfilter 27 for å hindre olje i å komme opp i vannet.

Delen 9A av returledningen 9A-9B er forbundet til trykkaret 2 og fasebegrenseren 26 og motstående koblingen er det tilveiebrakt en siktplate 28 for å hindre vanndråper i å bæres videre.

Vannseparatoren 11 er også en flytseparator, men tettheten av flytet, befinner seg mellom vann og olje. Flytseparatoren 11 er forbundet øverst til den oppsamlede olje mellom koalisensfilteret 25 og fasebegrenseren 26 og med bunnsiden til det oppsamlede vann, under koalisensfilteret 27.

Et emulsjonsbrytende tilsetningsmiddel er tilført oljen.

Virkemåten er analog med det som har blitt beskrevet under henvisning til fig. 1, med den hovedforskjell at mest olje blir separert fra den komprimerte luft ved gravitasjonsseparering i bunnen av trykkaret 2 og at væske som er kjølt i kjøleren 14 og tilveiebrakt på bunnen 3 av fordelingsinnretningen 4, også er olje i stedet for vann.

Finere oljepartikler som holdes oppe av kontaktoren 3 og vanndampen som kondenseres av kald olje som strømmer ned over kontaktoren 3, flyter ned. Under væskenivået blir oljen og vannet separert. Bare olje blir tømt via returledningen 9A-9B.

Kjøleren 14, akkurat som varmeveksleren 5, kan være tilveiebrakt i trykkaret 2.

Oppfinnelsen er ikke på noen måte begrenset til de ovennevnte utførelser som bare er eksempler og som vist på tegningene, idet en slik anordning for samtidig kjøling og fjerning av væske fra gass av et kompressorelement, kan utføres på mange forskjellige måter og likevel falle innenfor oppfinnelsens omfang.

Claims (16)

1. Innretning for samtidig kjøling og fjerning av væske fra komprimert gass av et kompressorelement (1) eller av flere kompressorelementer (1) som er forbundet enten i parallell eller i serie, idet innretningen omfatter et trykkar (2) som er forsynt med en væskedrenering (8) i bunnen, et innløp (6) for komprimert gass i en avstand over sistnevnte og et utløp (18) for komprimert gass øverst,karakterisert vedat fordelingsinnretningen (4) er tilveiebrakt i trykkaret (2) mellom innløpet (6) og utløpet (18) for den komprimerte gass, for spredning av kaldt fluid i direkte kontakt med den komprimerte gass og ved at varmeveksleren (5) er tilveiebrakt i trykkaret (2) for oppvarming av den komprimerte gass som har blitt kjølt av kjølefluidet, idet det kalde fluidet er vann.

2. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat kjølefluidet spres motstrøms i den komprimerte gass.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat en kontaktor (3) er tilveiebrakt mellom innløpet (6) og fordelingsinnretningen (4).

4. Innretning ifølge krav 3,karakterisert vedat kontaktoren (3) hovedsakelig består av en samling løse, eventuelt porøse partikler som eventuelt er stablet ifølge et regelmessig mønster.

5. Innretning ifølge krav 3,karakterisert vedat kontaktoren (3) hovedsakelig består av en masse med en åpen struktur, eventuell porøse.

6. Innretning ifølge krav 3,karakterisert vedat kontaktoren (3) hovedsakelig består av skiver.

7. Innretning ifølge et eller flere av kravene 4-6,karakterisert vedat kontaktoren (3) består av en kombinasjon av forskjellige typer kontaktorer.

8. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat varmeveksleren (5) for varming av gassen er opprettet øverst i trykkaret (2).

9. Innretning ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat fordelingsinnretningen (4) for kjølefluid, omfatter et rør (12) som åpner til kontaktoren (3) i trykkaret (2) og strekker seg over en kjøler (14).

10. Innretning ifølge krav 9,karakterisert vedat kjøleren (14) er en varmeveksler hvis hoveddel er del av en kjølekrets (15) og hvis sekundære del er en del (12A) av røret (12).

11. Innretning ifølge krav 9 eller 10,karakterisert vedat røret (12) av fordelingsinnretningen (4) er forbundet til en returledning (9) av vanndreneringen (8) av trykkaret (2) til et injeksjonssystem av kompressorelementet (1).

12. Innretning ifølge krav 11,karakterisert vedat en kjøler (10) er opprettet i returledningen (9).

13. Innretning ifølge ett av kravene 9-12,karakterisert vedat delen (12B) av røret (12) av fordelingsinnretningen (4) er del av varmeveksleren (5) for gjenoppvarming av gassen.

14. Innretning ifølge ett av kravene 3-13,karakterisert vedat den omfatter en forstøvningsinnretning (19) i trykkaret (2) over kontaktoren (3).

15. Innretning ifølge krav 3,karakterisert vedat varmeveksleren (5) og kontaktoren (3) er termisk isolert og at isolasjonen (2A) fortrinnsvis er tilveiebrakt på utsiden av trykkaret (2).

16. Fremgangsmåte for samtidig kjøling og fjerning av væske fra komprimert gass fra et kompressorelement (1) eller fra flere kompressorelementer (1) som er forbundet enten i parallell eller i serie, ved bruk av en innretning ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat den omfatter trinnene for spredning av et kjølefluid ved bruk av fordelingsinnretningen (4) i direkte kontakt med den komprimerte gassen, og ved oppvarming av den komprimerte gassen som har blitt kjølt ved kjølefluidet ved bruk av varmeveksleren (5), idet varmeveksleren (5) benytter varmen som er trukket ut fra kjølefluidet.