CN102893115B - 用于压缩和干燥气体的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于压缩和干燥气体的设备，该设备（25）包括具有低压段（30）、高压段（36）和压力管道（3，9）以及带有干燥区和再生区的吸收干燥器的多级压缩机，其中在所述低压段（30）和高压段（36）之间设有中间冷却器（34），并且所述设备（25）还设有具有主腔室（7）的热交换器（1），并且主腔室具有用于第一主流体的入口部（9）和出口部（10），并且热交换器（1）的管子（13）的端部与用于每个管组（11，12）的单独的入口腔室（14，16）和出口腔室（15，17）连接，第一上述管组（11）形成上述中间冷却器（34）的冷却回路，用来加热来自高压段（36）的气体以便使得吸收干燥器（27）再生。

Description

用于压缩和干燥气体的设备
技术领域
本发明涉及用于压缩和干燥气体的设备。
背景技术
管式热交换器是已知的，其由其中一根或多根管子沿着纵向方向在第一流体的第一入口部和出口部之间以及在第二流体的第二入口部和出口部之间延伸的外壳构成，其中第一流体流动穿过这些管子并且第二流体围绕着管子流动，由此热量在这两种流体之间传递。
在已知的热交换器中，在外壳中在第二入口部和出口部之间的控件可以具有折流板，这些折流板引导第二流体流例如按照之字形图案流动。
这样，第二流体不能直接从第二入口部流向第二出口部，改善了热传递。
另外，已知的是，气体的压缩导致产生大量的热量。
目前还存在这样的热交换器，其中一部分压缩气体引导穿过热交换器的主回路，因此将其热量散发给流经热交换器的第二回路的另一种气体或流体，由此将该第二流体加热。
用于压缩和干燥气体的设备早就是已知的，这些设备由压缩设备和干燥设备构成，并且干燥设备由具有干燥剂的干燥区和再生区形成。
还存在这样的设备，其中将通过气体压缩产生出的热量回收利用。
因此，该热量例如能够用于加热引导穿过再生区的气流，从而能够降低压缩设备的总能耗。
这样的设备缺点在于整个布置比较复杂。而且，由于必须形成许多连接部，因此泄漏的危险相当大。安装成本也很高。
US2003/0188542描述了这样一种设备，其中在压缩机的中压段之后一部分压缩气体流出，然后送到吸收干燥器的再生区，之后通过冷却去除在这部分压缩气体中吸收的水分，并且在主流体流动穿过吸收干燥器的干燥区之前剩余空气在此与压缩空气的主流体一起压缩并且作为干燥的压缩空气离开该设备。
这种设备的缺点在于，在中压段之后的压缩气体其温度比在低压段之后的压缩气体低得多，从而气体的流出部分会从吸收介质吸收更少的水分，并且吸收介质不能迅速干燥。
为了回收在气体压缩时产生出的热量，需要热交换器，为此经常使用管式热交换器。
管式热交换器是已知的，其由其中一根或多根管子沿着纵向方向在第一流体的第一入口部和出口部之间以及在第二流体的第二入口部和出口部之间延伸的外壳构成，第一流体围绕着这些管子流动并且第二流体通过管子流动，由此热量在这两种流体之间传递。
在已知的热交换器中，在外壳中在第二入口部和出口部之间的空间可以具有折流板，这些折流板引导主流体流例如按照之字形图案流动。
这样，主流体不能直接从第二入口部流向第二出口部，并且改善了热传递。
发明内容
本发明的目的在于通过提供用于压缩和干燥气体的设备来针对上述一个或多个缺点和/或其它缺点提供解决方案，并且该设备包括具有低压段、高压段、压力管道和带有干燥区和再生区的吸收干燥器的多级压缩机，由此将中间冷却器设置在该低压段和高压段之间，并且该设备还设有通过上述压力管道与入口部连接的热交换器，而且上述热交换器包括具有多个腔室的外壳，这些腔室包括具有用于第一主流体的上述入口部和出口部的主腔室，第一主流体在该主腔室中在延伸穿过主腔室的管道上方或周围引导，设有穿过上述主腔室的至少两组管子，并且这些管子每根都用于引导第二或第三流体穿过主腔室以与主流体交换热量，上述第一组管子形成上述中间冷却器的冷却回路以便加热来自高压段的气体以便使得吸收干燥器再生。
本发明的优点在于该设备制造简单。
在该设备的热交换器的最简单实施方案中，主腔室由端板沿着一侧关闭，沿着主腔室的上述侧面还设有盖子以形成在盖子和端板之间的侧腔室，该侧腔室包括用于第二和第三流体的入口和出口腔室，并且将U形管固定在端板上。
在另一个更优选的实施方案中，主腔室在两侧由端板界定，并且在主腔室的两侧设有盖子以在每个相应的端板和与之相对的盖子之间形成两个侧腔室。
本发明的优点在于，所要形成的连接部更少，从而由于连接不良而导致的泄漏危险保持最低。
本发明的另一个优点在于，该设备的安装成本相当低。根据本发明的热交换器在该设备中的应用导致压缩和干燥气体的方法更有效，这当然对所提供的气体的成本产生有利的影响。
总之显而易见的是，在这种用于压缩和干燥气体的设备中的应用使得两个热交换器的功能能够结合到一个单个热交换器中，这当然节约了材料成本。
在最实际的实施方案中，压缩机被构造成具有低压段和高压段的多级压缩机，在该低压段和高压段之间设有中间冷却器，热交换器的入口部与压缩机的上述压力管道连接，并且所述第一组管子形成上述中间冷却器的冷却回路，以便加热来自高压段的气体以便使得吸收干燥器再生。
本发明的优点在于实现了非常节能的设备，因为可以回收来自压缩气体的热量以加热来自高压段的部分气体，上述气体部分达到高温，这样适用于用作吸收干燥器的再生气体。
本发明的另一个优点在于，由于将两个热交换器结合到单个热交换器中，所以该复合热交换器的体积能够保持明显小于两个单独热交换器的组合体积，从而能够实现明显的空间节约。
本发明的另一个优点在于，热交换器的用途不仅局限于用于压缩和干燥气体的设备，该热交换器经过较小的变化还能够在没有吸收干燥器的情况下应用。
附图说明
为了更好地展示本发明的特征，下面将参照附图通过本身没有任何限定的实施例对根据本发明的设备的优选实施方案进行说明，其中：
图1示意性地显示出该设备的热交换器的第一实施方案的横截面；
图2显示出图1的可选实施方案；
图3显示出根据本发明用于压缩和干燥气体的设备的实施例；
图4显示出图2的可选实施方案。
具体实施方式
图1示意性地显示出用于根据本发明的设备的管式热交换器1的第一实施方案，该热交换器主要包括具有壳体3的封闭外壳2，该壳体在该情况下为圆筒形，但这不是必须的。
外壳2在两侧由盖子4封闭，由此例如通过在这些附图中未示出的螺栓将盖子4固定在圆筒形壳体3上，这些螺栓可以通过在盖子4中的通道5A拧入到在壳体3中的螺纹孔5B中。
在该实施方案中，外壳2具有形成在主腔室7和侧腔室8之间的分隔部的端板6，主腔室7由壳体3和盖子4界定，并且侧腔室8由端板6和位于该侧面上的盖子4界定。
在圆筒形壳体3中设有用于引导主流体穿过主腔室7的入口部9和出口部10。
在所示的实施方案中，上述入口部9和出口部10位于壳体3的相同侧面上，但是它们当然还可以设置在壳体3中的其它地方处。
在热交换器1中，至少两组管子11-12延伸穿过主腔室7，上述管组11-12每个用于引导第二或第三流体穿过主腔室7，以便与在位于主腔室7中的管子13上方或周围流动的主流体交换热量。
第一管组11的管子13的端部与用于第二流体的第一入口腔室14和第一出口腔室15连接。同样，第二管组12的管子13的端部与用于第三流体的第二入口腔室16和第二出口腔室17连接。根据本发明，上述入口和出口腔室14-17完全相互分开。
为此，在所示的实施方案中，侧腔室8由多个分隔件18分成四个子腔室19，分别为第一入口腔室14、第一出口腔室15、用于第二管组12的第二入口腔室16和第二出口腔室17。
在所示的实施方案中，管子13为U形，第一管组11的每根管子13的一侧通入到第一入口腔室14中，并且另一侧通入到第一出口腔室15中。类似地，第二管组12的管子13通入到第二入口和出口腔室17-18，从而第二和第三流体的回路完全相互分开。
在图1的实施方案中，主腔室7配备有折流板20（也被称为折流器），其形状和相对位置被如此地选择，使得在主流体上施加特定的流动图案，例如之字形图案，从而主流体来回流动穿过主腔室多次。
为此，折流板20从主腔室7的一侧延伸至与主腔室7的另一侧间隔一定距离的位置处，从而形成用于主流体的反向通道21，并且这样连续的反向通道21在热交换器1的一侧或另一侧上交替形成。
折流板优选由不锈钢制成，但是本发明决不限于此。
在本发明的另一个实施方案中，在折流板20中的通道其直径实际上与管子13的直径匹配或者稍大，在折流板20和管子13之间的空间有限。
折流板20在热交换器1中的存在不是必须的。
图2示意性地显示出用于根据本发明设备的管式热交换器的另一个优选实施方案，其主要包括具有主腔室7的封闭外壳2，主腔室7具有用于在延伸穿过主腔室的管子13上方或周围在主腔室7中引导的第一主流体的第一入口和出口部9-10。
在该实施方案中，上述入口和出口部9-10设在壳体3的相对侧面上，并且从轴向方向尽可能相互远离。
入口和出口部的这种或多或少的对角线布置使得热传递更有效。
当然用于主流体的入口和出口部9-10可以位于壳体3的相同侧面上或者位于在壳体3中的其它地方处。
与图1的实施方案相反，在图2中，主腔室7由两个端板6限定，并且在主腔室7的任一侧上设有盖子4，以在每个相应端板6和与之相对的盖子4之间形成两个侧腔室8。
在本发明的最实际实施方案中，延伸穿过主腔室7的管子13固定在两个端板6A中的一个上，该端板6A夹在外壳2和与该端板6A相对设置的盖子4A之间。
管子13由此例如通过焊接或类似方式按照气密的方式固定在端板6的通道中。
优选的是，端板6彼此不同，并且两个端板6B中的一个尺寸较小，这使得该端板6B按照漂浮的方式布置，从而适应热膨胀。
在图2的横截面中，其上固定有管子13的端板6A其尺寸大于另一个端板6B，并且最小的端板6B可动地附连在位于壳体3和盖子4B之间的环中。
在该实施方案中，侧腔室8通过平行管子13在上述端板6的任一侧上连接在一起，上述管子13穿过主腔室7并且延伸穿过在这些端板6中的通道22。
当然在该实施方案中也可以设置折流板，但是这不是必须的。
根据热交换器的优选特征，上述侧腔室8又分成两个或更多个子腔室19。
为此，在所示的横截面中，在盖子的内侧上设有一个或多个笔直的竖直壁或分隔件18，并且在这些壁18的边缘和端板6之间设有密封件23。
在根据图2的变型中，在每个侧腔室8中设有用于引导第二或第三流体的两个子腔室19。
在图2的横截面中，第一子腔室19A与在主腔室7中的第一管组11连接，并且上述管组11的所有管子13通入到在热交换器1的另一侧上的同一子腔室19B中。
子腔室19A和19B由此相互成一直线布置。
类似地，两个其它子腔室19C-19D可以通过第二管组12连接在一起。
优选的是，用于第二和第三流体的子腔室19完全相互分开，并且每种流体在其自身的用于所涉及流体的单独回路中循环流动。
虽然从所示的横截面中可以推导出两个管组11-12的管子13的数量必须相同，但是也可以采用其它布置，从而管子13的数量对于第二和第三流体而言是不同的。
当然，用于第二和第三流体的管子13的直径也可以彼此不同。
还可能的是，用于第二和第三流体的管子13也可以呈现不同的内部形式，和/或几根管子13可以设有鳍部或其它部件以便促进在主流体和第二和/或第三流体之间的热传递。
在最简单的实施方案中，用于第二流体的上述第一管组11位于热交换器1的上半部中，并且用于第三流体的第二管组12位于下半部中。
在上述壁18和密封件23的高度处，在主腔室7中在第一和第二管组11-12之间留有空间24。
当然，热交换器不限于所示的这些布置，并且可以采用可选的布置，例如同心布置，其中第一管组11围绕着热交换器1的轴线设置，并且第二管组12围绕着上述第一管组11形成管子的同心环。
另一种可能的布置是，第一管组11分布在圆的第一扇区上，并且第二管组12分布在圆的另一个扇区上。
当然，这两个扇区不必具有相同的尺寸，并且它们一起可以形成全圆盘或其它形式。
用于根据本发明设备的热交换器1的操作非常简单并且如下一样。
通过在壳体3中的入口部9将主流体引导至主腔室7，由此在流经主腔室7时，该主流体按照特定的图案由任意折流板20引导，如由在图1中的箭头P所示一样。
同时，可以是相同的或者是不同的两种流体流经主腔室7的管子13，即沿着箭头Q的方向流经第一管组11的管子13的第二流体和沿着方向R流经第二管组12的管子13的第三流体。
在所示的横截面中，第二和第三流体的方向Q和R彼此相对，但是这不是对根据本发明的设备的严格要求。
因此，在主腔室7中，热量将在一个部分上在主流体和第二流体之间传递并且在另一个部分上在主流体和第三流体之间传递。
不用说流经管子13的第二和第三流体可以为气体、气体混合物或液体，或者第二流体可以为气体并且第三流体为液体或类似流体。
热交换器1尤其是用于根据本发明用于压缩和干燥气体的设备25，其布置方式例如在图3中显示出。
该设备25由压缩设备26和吸收干燥器27构成，并且具有与压缩设备26的入口连接的入口28和将干燥的压缩气体引导至在该图未示出的用户网络的出口29。
所示的压缩设备26为多级压缩机，并且在该情况下三个压缩机元件30-32串联连接以形成低压段30、中压段31和高压段32。
每个压缩机元件30-32由电机33驱动，并且在每个压缩机元件30-32下游设有相应的冷却器34-36，为两个中间冷却器34-35和后冷却器36。
上述冷却器34-36中的每个将由所涉及的压缩机元件30-32压缩的气体冷却。
优选的是，在设备25中设有液体-气体冷却器，将所要冷却的气体作为主流体引导穿过冷却器34-36，并且将冷却剂作为第二流体引导穿过管子。
在低压段30和中压段31之间设有位于中间冷却器34上游的热交换器37，这与中间冷却器34一起结合到在根据本发明的设备中的热交换器1中。
在图3中，热交换器1由围绕着热交换器37和中间冷却器34的箱子示意性地显示出。
优选的是，热交换器1具有用于来自低压段30的压缩气体的入口部9和与中压段31的入口连接的出口部10。
热交换器37具有入口腔室14，其通过支管38与高压段32的出口管39直接连接，以便使得大量压缩气体沿着箭头Q的方向流出。
另外，热交换器具有与吸收干燥器27的再生区连接的出口腔室15。
中间冷却器34具有用作外部冷却回路（例如水流沿着箭头R的方向流经该中间冷却器34的水流）的入口和出口的入口腔室16和出口腔室17。
在所示的布置中，由低压段30压缩的整个气流沿着箭头P方向流动经过热交换器37和中间冷却器34。
吸收干燥器27例如为具有转鼓的类型，其具有再生区40和填充有干燥剂的干燥区41，干燥剂通过马达交替地输送穿过该干燥区41和再生区40。
在后冷却器36中冷却之后，来自高压段32的压缩气体通过喷射器42引导穿过干燥区41，并且在干燥之后通过出口29送给用户网络。
通过出口腔室15离开热交换器37的气体回到干燥器27并且引导穿过再生区40，以便通过冷却器43并且通过上述喷射器42与输送穿过干燥区41的气体组合。
显然用于根据本发明设备的组合式热交换器承担了双重功能，并且用作采用外部冷却流体承担中间冷却器34角色的第一热交换器和第二热交换器37，其中首先通过使得该气体与来自低压段30的气体接触来对来自高压段32的流出部分或热气体进行额外加热，低压段气体在所示布置中的温度高于高压段32的压缩气体的温度。
这样，实现了吸收干燥器27更有效的操作。
显然，与其中热量随着冷却剂流动穿过第一中间冷却器34而损失的公知更简单设备相比，在所示的设备中，第一低压段30的压缩热被回收利用。
另外，这种设备是额外有利的，因为不需要外部加热元件来加热再生气体，并且因为中间冷却器34可以保持更小。
图4显示出用于根据本发明设备的热交换器的另一种可能变型，它与图2的热交换器的不同之处在于，用于第三流体的入口腔室16和出口腔室17位于相同的盖子4中。
为此，两个侧腔室8中的一个具有额外壁，从而用于第三流体的入口和出口腔室16-17完全彼此分开。
在所示的横截面中，入口腔室16的第三流体通过腔室44经由上管组12通过下管组12流到出口腔室17。
虽然在图4中在主腔室7中没有设置任何折流板20，但是可以提供具有折流板20的变型，从而主流体来回流动穿过主腔室7多次。
对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，还可以提供许多其它变型，例如盖子4包括第二流体的入口腔室14和出口腔室15，并且另一个盖子4包括第三流体的入口腔室16和出口腔室17。
也不排除在单个盖子中设置两个入口腔室14和16和两个出口腔室15和17，从而另一个盖子可以在没有入口或出口腔室的情况下构成。
对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，不同子腔室的位置和尺寸的选择存在许多可能性，并且根据实际用途某些布置例如会更优选。
本发明决不局限于作为实施例所述并且在这些附图中所示的实施方案，根据本发明的设备可以按照在不脱离本发明范围的情况下的所有变型实现。

Claims (14)

1.一种用于压缩和干燥气体的设备，所述设备(25)包括具有低压段(30)、高压段(32)、压力管道(39)以及带有干燥区(41)和再生区(40)的吸收干燥器(27)的多级压缩机，其中在所述低压段(30)和所述高压段( 32)之间设有中间冷却器(34)，并且所述设备(25)还设有通过所述压力管道(39)与入口部(9)连接的热交换器(1)， 
其特征在于，所述热交换器(1)包括具有多个腔室的外壳，这些腔室包括具有用于主流体的所述入口部(9)和一出口部(10)的主腔室(7)，主流体在所述主腔室中在延伸穿过所述主腔室(7)的管子(13)上方或周围被引导，设有延伸穿过所述主腔室(7)的至少两组(11，12)管子(13)，并且这些管子每根用于引导第二或第三流体穿过所述主腔室以与主流体交换热量，并且所述管子(13)的端部分别与用于每组(11，12)管子的独立的入口腔室(14，16)和出口腔室(15，17)连接；第二组(12)管子形成所述中间冷却器(34)的第一冷却回路；第一组(11)管子形成所述热交换器(1)的第二冷却回路；所述第一组(11)管子的入口腔室(14)通过支管(38)直接连接到所述高压段(32)的出口管(39)，所述第一组(11)管子的出口腔室(15)连接到所述吸收干燥器(27)的所述再生区(40)，以便加热来自所述高压段( 32)的气体用于所述吸收干燥器(27)的再生。 
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主腔室(7)包括用于多个主流体的多个入口部和出口部(9，10)。 
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主腔室(7)由两个端板(6)界定，并且在所述主腔室(7)的两侧设有盖子(4)以形成两个侧腔室(8)，所述侧腔室在每个相应的端板(6)和与所述端板相对的所述盖子(4)之间。 
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述管子(13)固定 在一个所述端板(6)中。 
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述侧腔室(8)容纳所述入口腔室和出口腔室(14-17)。 
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述侧腔室(8)分成两个或更多个子腔室(19)，并且各子腔室(19)在所述主腔室(7)的两侧通过所述至少两组(11，12)管子(13)连接，从而形成用于至少各自的所述第二流体和第三流体的至少两个独立回路。 
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主腔室(7)具有折流板(20)，所述折流板(20)位于用于所述主流体的入口部和出口部(9，10)之间。 
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述热交换器(1)配备用于两个或更多个额外流体，并且相应的侧腔室(8)在所述主腔室(7)的两侧通过分隔件(18)被分成所述入口腔室和出口腔室(14，15，16 ，17)，分别为与用于引导第二流体的第一组(11)管子(13)连接的第一入口腔室和第一出口腔室(14，15)和与用于引导第三流体的第二组(12)管子(13)连接的第二入口腔室和第二出口腔室(16，17)。 
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，在所述分隔件(18)和所述端板(6)之间设有密封件(23)。 
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，在所述第一组(11)管子和所述第二组(12)管子之间设有空间(24)。 
11.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一组和第二组(11，12)管子(13)分布在圆的扇区上。 
12.如权利要求8至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述管子(13)呈同心布置分布，其中第一组(11)管子位于一圆内，并且第二组(12)管子位于围绕着所述圆的环中。 
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热交换器(1)的所述入口部和出口部(9，10)位于所述外壳的界定所述主腔室(7)的侧面上。 
14.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一入口腔室和第一出口腔室(14，15)位于所述热交换器(1)的相对侧面，而所述第二入口腔室和第二出口腔室(16，17)位于所述热交换器(1)的同一侧面。 
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