在壓縮機入口處引入過量制冷劑的氣體壓縮方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于壓縮氣態流體的方法，該方法包括一個注入制冷劑的步驟(a)，在此步驟過程中將一種制冷劑物質(3)噴灑到待壓縮的氣態流體(1)中，還以及一個壓縮步驟(b)，在此步驟過程中強制載有該制冷劑物質(3)的所述氣態流體(1)穿過所述壓縮機(2)以便壓縮所述氣態流體，被注入該氣態流體(1)中的該制冷劑物質(3)的質量流速(Q3)占待壓縮的該氣態流體(1)的質量流速的1％與5％之間，并且該制冷劑物質(3)是以具有的最大尺寸為小于或等于25pm、并且優選地小于或等于10pm的顆粒的形式噴灑的。
【專利說明】在壓縮機入口處引入過量制冷劑的氣體壓縮方法
[0001]本發明總體上涉及用于壓縮氣態流體的方法的領域，并且更具體地涉及用于壓縮空氣的方法。
[0002]已知的慣例是將旨在限制在壓縮過程中空氣/水混合物的加熱的水滴注入在壓縮機上游的待壓縮的空氣流中，這使得有可能使所述壓縮更等溫并且由此增加其效率。
[0003]盡管如此，本發明的目標目的是針對進一步改進氣態流體的壓縮效率，并且為了這個目的提出一種新穎的壓縮方法，該壓縮方法提供了相對于已知方法的顯著的產率增加，而同時保留實現方式的相對簡單性。
[0004]本發明的目標目的是通過一種用于壓縮氣態流體的方法實現的，該方法包括一個注入制冷劑的步驟(a)，在此步驟過程中將一種制冷劑物質噴灑到待壓縮的該氣態流體中，還以及一個壓縮步驟(b)，在此步驟過程中強制載有該制冷劑物質的所述氣態流體穿過壓縮機以便壓縮所述氣態流體，所述方法的特征在于被注入該氣態流體中的該制冷劑物質的質量遞送速率占待壓縮的該氣態流體的質量遞送速率的1%與5%之間，并且在于該制冷劑物質是以具有的最大尺寸為小于或等于25μπι的顆粒的形式噴灑的。
[0005]有利地，通過將本發明固有的用于注入制冷劑的特定條件，并且更特別地通過將適當量的制冷劑物質與所述制冷劑物質的特別精細的噴灑組合，壓縮性能可以優化。
[0006]諸位發明人事實上已經發現這些注入參數的組合優化使得有可能獲得真正的協同作用，同時提供對該壓縮機的效率的兩種值得注意地有益效應。
[0007]首先，以微顆粒、或微液滴的形式以相對大的量噴灑該制冷劑物質產生特別均勻的兩相介質，該兩相介質的平均密度、并且更具體地其“均勻密度”大于單獨的氣態流體的密度，這使得有可能產生因此載有制冷劑物質并且通過壓縮機高動能夾帶的氣態流體，并且因此促進在其通過該壓縮機夾帶的過程中所述氣態流體的動壓力的增加。
[0008]壓縮比，即在該壓縮機出口處的壓力與在所述壓縮機的入口處的壓力之間的比率，因此通過第一效應得以改進，該第一效應在本質上是機械的。
[0009]其次，制冷劑物質、以及尤其水的過量注入，使得有可能獲得在本質上是熱的第二效應:因為僅所述制冷劑物質的一部分在壓縮過程中蒸發(或升華)，該過程使得有可能不僅利用所述制冷劑物質的潛熱，在制冷劑物質的蒸發(或升華)的一部分的物態變化過程中，而且還利用所述制冷劑物質的比熱，在該制冷劑物質的保持處于凝聚態的一部分的加熱過程中。
[0010]這有利地使得有可能獲得準等溫壓縮。
[0011]顆粒(或液滴)的細度有利地在這方面有助于改進熱交換的品質和均勻性。
[0012]在實踐中，上述熱和機械效應的累積，按照根據本發明的方法，使得有可能通過得到顯著優于通常觀察到的那些的級壓縮比，顯著地增加該壓縮機的效率。
[0013]在實踐中，實驗結果使得有可能觀察到壓縮比的5%增加。
[0014]本發明的其他主題、特征和優點將在閱讀下面的說明時、以及還有借助于僅出于說明目的并且沒有限制地給出的附圖更詳細地顯現，并且使得:
[0015]圖1表示用于進行根據本發明的方法的設備的示意圖。
[0016]本發明涉及一種用于壓縮氣態流體I的方法。
[0017]所述氣態流體I可以由單一氣體、或可替代地由幾種氣體的混合物形成。
[0018]優選地，所述待壓縮的氣態流體將由空氣形成，如僅出于說明目的在圖1中提及的。
[0019]毫無疑問，該方法適用于其他氣體，如雙氮。
[0020]根據本發明，設想了如權利要求1所述的方法。
[0021]根據權利要求1的前序部分所述的方法是從EP-A-2610465和JP-A-2008190335已知的。
[0022]根據本發明，該方法包括一個注入制冷劑的步驟(a)，在此步驟過程中將一種制冷劑物質3噴灑到待壓縮的氣態流體I中，接著一個壓縮步驟(b)，在此步驟過程中強制載有制冷劑物質3的所述氣態流體I穿過所述壓縮機2以便壓縮所述氣態流體。
[0023]制冷劑物質3將優選地在壓縮機2的上游被注入，如在圖1中所示的。
[0024]盡管如此，并不排除，作為一種變體，將所述制冷劑物質3注入到位于壓縮機2的入口下游、但然而壓縮機2的出口上游的壓縮回路的區段中，前提是當所述氣態流體1(仍然)經受壓縮機2的有效作用的所有或一部分時，所述制冷劑物質3存在于氣態流體I中。
[0025]通過舉例，該制冷劑物質因此可以在離心式壓縮機的情況下被注入到壓縮機2的葉輪中。
[0026]根據本發明，被注入該氣態流體中的制冷劑物質3的質量遞送速率Q3占待壓縮的氣態流體I的質量遞送速率QI的1%與5%之間，S卩:0.01XQl[kg/s]彡Q3[kg/s]彡0.05XQ1[kg/s]ο
[0027]優選地，制冷劑物質3的質量遞送速率Q3將因此小于或等于、或甚至嚴格地小于待壓縮的氣態流體I的質量遞送速率Ql的5%，并且優先地大于或等于、或甚至嚴格地大于待壓縮的氣態流體I的質量遞送速率Ql的I %。
[0028]通過舉例，所述制冷劑物質的質量遞送速率Q3可以等于、或介于2%與3%、或甚至4%，取決于將使得有可能獲得最好性能的調整值。
[0029]此外，仍根據本發明，制冷劑物質3是以最大尺寸小于或等于25μπι的顆粒的形式噴灑的。
[0030]優選地，制冷劑物質3的顆粒將具有小于或等于ΙΟμπι并且，作為一個優先實例，5μπι
數量級的最大尺寸。
[0031]更具體地，如果將制冷劑物質的顆粒比作球體或球形液滴，則它們的直徑將小于或等于上述值。
[0032]毫無疑問，可以使用適合用于產生所述合適尺寸的顆粒并且用于將它們以所希望的量注入待壓縮的氣態流體I中的任何霧化器7或噴霧器。
[0033]毫無疑問，仍然可設想的是以甚至更細的形式，例如以尺寸為小于5μπι、或甚至2μπι的顆粒的形式注入制冷劑物質3。
[0034]有利地，如以上已經指出的，優選在該壓縮機的上游產生載有制冷劑物質3的氣態流體I，形成一種兩相介質，該兩相介質比單獨的氣態流體既均勻又更致密，這不僅對于通過制冷劑物質3捕獲和疏散由該壓縮產生的熱量，并且因此對于獲得準等溫壓縮，而且還對于該載入的流體的動態壓縮是特別有利的。
[0035]有利地，通過注入相對于待處理的氣態流體I的量適當地添加的制冷劑物質3的量，熱量排出被優化，特別是由于以下:由于以凝聚態(液體或固體)初始存在的制冷劑物質的過量劑量，在壓縮過程中，僅一些所述制冷劑物質3改變物態，并且更特別地蒸發或升華，這使得有可能不僅利用制冷劑物質3的潛熱，在涉及的制冷劑物質的一部分的物態變化過程中，而且還利用所述制冷劑物質的比熱，在制冷劑物質的保持處于凝聚態的一部分的加熱過程中。
[0036]任何合適的制冷劑物質3、以及更具體地在壓縮過程中能夠進行相變(在本案中部分變化)以捕獲熱量的任何物質可以適合于使用。
[0037]根據一個優先的實現方式變體，制冷劑物質3主要地、并且優選唯一地由水、并且更具體地由以液體形式注入的水滴形成。
[0038]該水在被引入到冷卻回路之前優選被脫礦物質。
[0039]水在壓縮機2入口、以液體微滴的形式的注入構成用于增加待壓縮的載入流體的密度的簡單手段，如上文已指出的，并且最大化熱量的排出。
[0040]還將可設想的是注入呈固態冰顆粒形式的水，或者另外單獨地或與水組合使用最初呈固體形式的另一種制冷劑物質。
[0041]因此，根據一個可能的實現方式變體，制冷劑物質3可以包含，在適當時主要地或甚至唯一地，以固體顆粒形式注入的水冰或干冰。
[0042]干冰可以有利地通過在所述壓縮過程中至少部分升華來捕獲通過氣態流體I的壓縮釋放的熱量。
[0043]此外，該壓縮優選地通過動態壓縮機2、并且更具體地通過離心式壓縮機2(或“徑向壓縮機”)進行。
[0044]與其中強制減小氣體的封閉容積以便增加其壓力的“容積式”壓縮機相反，術語“動態壓縮機”表示壓縮機2，該壓縮機使得有可能通過借助于轉子或壓縮級將動能添加到流體的連續射流來獲得壓力的增加，由此獲得的所述動能然后通過擴壓器抑制流動被轉化成靜壓的增加。
[0045]這樣的動態壓縮模式事實上特別適合于通過將制冷劑物質3成比例添加到氣態流體I中并且在由本發明設想的條件下產生的相對致密的兩相流體的加速和動態壓縮。
[0046]該方法包括一個再循環該制冷劑物質的步驟(C)，在此步驟過程中制冷劑物質3被一個分離器4如冷凝器或除霧器從離開壓縮機2的氣體流I中分離，以便回收至少一些、優選地大部分、或甚至所有的所述制冷劑物質3。
[0047]在注入制冷劑物質的步驟(a)過程中，如此收集的所述制冷劑物質3然后可以有利地被再注入到壓縮機2中，并且優選地到該所述壓縮機2的入口中。
[0048]如此收集的并且再循環的制冷劑物質3將優選地在被再注入至該壓縮機中之前進行冷卻。
[0049]有利地，再循環使得有可能實現制冷劑物質3的大幅節省，并且更具體地顯著降低其中進行該方法的設備的水消耗。
[0050]尤其關于該經處理流體的載入的兩相性質、以及在壓縮機2的出口處占主導的高動態壓力，將優選的是使用除霧器用于借助于板或障礙物(chicane)通過慣性來機械分離制冷劑物質3，而不是使用(這然而是可能的，或者甚至可與前述組合)熱回收冷凝器。
[0051]優選地，在再循環步驟(c)過程中，最初包含在空氣中(在氣態流體I中)并且在壓縮過程中或在所述壓縮之后冷凝的一些大氣水被回收，并且這種大氣水被用于從再循環回路5清洗(其通過圖1中的排泄閥6表示)雜質。
[0052]有利地，因為通過分離器4抽出的水的量超過在壓縮機2的上游作為制冷劑物質3初始加入的水的量，該差值，其對應于不含壓縮空氣的大氣水的體積，可以用作用于再循環回路5的沖洗液。
[0053]由于制冷劑物質3的再循環因此完成，而沒有損失，在啟動該方法之后的水消耗有利地是幾乎零。
[0054]根據該方法的一個實現方式變體，其可以構成一個成熟的發明，待壓縮的氣體流體I是由雙氮形成，并且制冷劑物質3是由有利地以液滴形式注入的液氮形成。
[0055]優選地，壓縮機2的級壓縮比，即在該壓縮機出口處的壓力與在該壓縮機入口處的壓力之間的比率，可以是大于2、大于2.5或甚至基本上等于或大于5。
[0056]本發明使得有可能在這方面顯著增加該壓縮機的性能，其程度為變得有可能在單個壓縮級實現迄今要求幾個連續壓縮機級的壓縮操作。
[0057]例如，根據本發明操作的壓縮機2使得有可能在I巴數量級(大氣壓)的入口壓力下，使用兩個壓縮級代替通常三個獲得大約5巴至6巴的出口壓力。
[0058]此外，由壓縮引起的溫度增加(相對于入口環境溫度)在很大程度上通過冷卻遏制，并且可以特別地保持低于+50°C。
[0059]實驗上，發現本發明使得有可能，對于恒定葉輪尺寸的壓縮機2，并且相對于沒有注入制冷劑物質的運行，對于氣態流體I的給定遞送速率Ql使壓縮比增加了2%至5%的數量級，或者，相反地，在給定的恒定壓縮比下使經處理的氣態流體I的遞送速率Ql增加了 2%至5%，這提供了生產率的增加。
[0060]通過舉例，對壓縮機進行了在1.013巴和15°C下吸取空氣類型的氣態流體的試驗，并產生1.8的壓縮比。用作制冷劑物質3的水滴的最大直徑是5μπι，并且所述制冷劑物質3的質量遞送速率Q3占待壓縮的氣態流體的質量遞送速率Ql的2%。
[0061 ] 出口溫度是70 °C左右。
[0062]這樣一種壓縮機提供了從01 = 10001113/11至(>)1 = 20001]13/11的操作范圍。
[0063]壓縮比的增加可以在所述操作范圍內最高達5%，并且總體上在2%與5%之間。
[0064]關于此最后一點，將指出的是，有利地，本發明使得有可能在其整個操作范圍內顯著增加壓縮機2的壓縮比，從最小遞送點，被稱為“栗送點”，低于該點該壓縮機不再能夠穩定地運行，至最大遞送點(當所述壓縮機以較低下游阻力運行時獲得的)。
[0065]作為指導，設想的操作范圍，S卩，通過壓縮機2處理的氣態流體I的遞送速率Ql，可以尤其范圍從50 000m3/h至100 000m3/h。
[0066]更總體上，所述操作范圍可以是在5000m3/h與500 000m3/h之間(S卩，它們可以對應于嚴格地包含在這兩個極值之間的任何間隔，無論其寬度如何)、或甚至完整地覆蓋優選連續地從5000m3/h至500 000m3/h延伸的范圍。
[0067]毫無疑問，這些單獨的壓縮級效率不排除任選地有可能實施串聯的若干個壓縮級，每個壓縮級重復根據本發明的方法的步驟的全部或部分。
[0068]毫無疑問，本發明還涉及一種用于壓縮氣態流體的設備，并且尤其是一種用于生產壓縮空氣的設備，該設備被安排成用于進行根據本發明的方法。
[0069]本發明具體地涉及以下設備，這些設備能夠處理待壓縮的氣態流體I的104m3/h至106m3/h數量級的較大遞送速率。
[0070]還將注意的是根據本發明的方法特別適合于用于分離空氣氣體的設備(空氣分離裝置)。
[0071]毫無疑問，然而，本發明決不限于所描述的變體，并且本領域技術人員尤其能夠自由分離或組合在前面提及的不同特征。
【主權項】
1.一種用于壓縮氣態流體的方法，該方法包括一個注入制冷劑的步驟(a)，在此步驟過程中將一種制冷劑物質(3)噴灑到待壓縮的該氣態流體(I)中，并且還包括一個壓縮步驟(b)，在此步驟過程中強制載有制冷劑物質(3)的所述氣態流體(I)穿過一個壓縮機(2)以便壓縮所述氣態流體，被注入該氣態流體(I)中的該制冷劑物質(3)的質量遞送速率(Q3)占待壓縮的該氣態流體(I)的質量遞送速率的1%與5%之間，并且該制冷劑物質(3)是以最大尺寸為小于或等于25μπι的顆粒的形式噴灑的，其特征在于，該方法包括一個再循環該制冷劑物質的步驟(c)，在此步驟過程中該制冷劑物質(3)被一個分離器(4)如冷凝器或除霧器從離開該壓縮機(2)的氣體流中分離，以便回收至少一些、優選地大部分、或甚至所有的所述制冷劑物質(3)，并且在于，在注入物質的步驟(a)過程中，所述制冷劑物質被再注入到所述壓縮機(2)中。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該制冷劑物質(3)的顆粒具有小于或等于10μm并且優選5μηι數量級的最大尺寸。3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，該制冷劑物質主要地、并且優選唯一地由水、并且更具體地由以液體形式注入的水滴形成。4.如以上權利要求之一所述的方法，其特征在于，該制冷劑物質(3)包含以固體顆粒形式注入的水冰或干冰。5.如以上權利要求之一所述的方法，其特征在于，該方法包括一個再循環該制冷劑物質的步驟(c)，在此步驟過程中該制冷劑物質(3)被一個分離器(4)如冷凝器或除霧器從離開該壓縮機(2)的氣體流中分離，以便主要地回收所述制冷劑物質(3)，并且在于，在注入制冷劑物質的步驟(a)過程中，如此收集的所述制冷劑物質(3)被再注入到所述壓縮機(2)中。6.如權利要求5所述的方法，其中，在步驟(c)過程中，所有制冷劑物質(3)被回收。7.如以上權利要求之一所述的方法，其特征在于，待壓縮的該氣態流體(I)是由空氣形成。8.如以上權利要求之一所述的方法，其特征在于，最初包含在空氣中并且在壓縮過程中冷凝的一些大氣水在該再循環步驟(c)過程中被回收，并且這種大氣水被用于從該再循環回路(6)清洗雜質。9.如權利要求1和2中任一項所述的方法，其特征在于，待壓縮的該氣態流體(I)是由雙氮形成，并且在于，該制冷劑物質(3)是由液氮形成。10.如以上權利要求之一所述的方法，其特征在于，該壓縮是通過一種離心式壓縮機(2)進行的。11.如以上權利要求之一所述的方法，其特征在于，每個壓縮機級的壓縮比是大于2、大于2.5、或甚至基本上等于或大于5。12.如以上權利要求之一所述的方法，其中通過該壓縮機(2)處理的氣態流體(I)的遞送速率是在5000m3/h與500 000m3/h之間，優選地在50 000m3/h與100 000m3/h之間。13.如以上權利要求之一所述的方法，其中分離器(4)是一種冷凝器。14.如以上權利要求之一所述的方法，其中分離器(4)是一種除霧器。15.—種空氣分離方法，該方法包括如以上權利要求之一所述的壓縮待分離的空氣的步驟。
【文檔編號】F04D27/00GK106062339SQ201480066818
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年12月2日
【發明人】紀堯姆·卡東, 安東尼·科雷亞阿納克萊托, 伯諾瓦·達維迪安, 弗朗索瓦-澤維爾·勒蒙特, 昆廷·薩尼斯, 讓-皮埃爾·特拉尼耶
【申請人】喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司