CN101244348B - 用于制冷除湿过程的能量回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种气体压缩系统，其包括压缩气体流、分离器和压缩制冷剂流，该分离器定位成接收压缩气体流以及排放出第二压缩气体流和冷凝液流。换热器定位成接收冷凝液流和压缩制冷剂流。该换热器布置成使得该冷凝液流冷却该制冷剂流。

Description

用于制冷除湿过程的能量回收系统及方法

相关申请资料

本申请要求于2006年11月15日提交的序列号为No.60/865,970的共同待审的临时专利申请的优先权，并且其涉及的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于气体压缩系统的能量回收系统及方法。更特别是，本发明涉及一种用于与包括制冷除湿过程的气体压缩系统一起使用的能量回收系统。

背景技术

压缩机系统通常包括从压缩气体中去除水汽的系统。例如，空气压缩机系统可采用制冷空气干燥器系统，该制冷空气干燥器系统冷却压缩空气流以从空气中凝结出水。如果不除去水，该水就会损坏下游部件或对使用该空气的下游部件的运转产生不利影响。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供包括压缩机的气体压缩系统，该压缩机用于产生包括水气的压缩气体流。制冷系统包括冷凝器、蒸发器、膨胀装置、以及压缩机，它们布置成冷却该压缩气体流以产生冷凝液流。该冷凝液流流过回热器，使得该回热器和冷凝器协作将制冷剂冷却到期望温度。

该回热器能定位在冷凝器的上游或下游，但优选是与冷凝器分开。该回热器包括两个流动通道，每个流动通道优选维持在大气压力以上的压力下。

在一种结构中，本发明提供一种气体压缩系统，该气体压缩系统包括压缩气体流、分离器、以及压缩制冷剂流，其中，该分离器定位成接收压缩气体流并排放出第二压缩气体流和冷凝液流。换热器被定位成接收冷凝液流和压缩制冷剂流。该换热器布置成使得该冷凝液流冷却该制冷剂流。

在另一种结构中，本发明提供了一种气体压缩系统，该气体压缩系统包括用于产生压缩气体流的气体压缩机、用于产生压缩制冷剂流的制冷剂压缩机、以及定位成接收该压缩制冷剂流和该压缩气体流并布置成冷却该压缩气体的蒸发器。水气分离器定位成从蒸发器接收该压缩气体流，并且将该压缩气体流分离成干燥压缩气体流和冷凝液流。换热器被定位成接收该压缩制冷剂流和该冷凝液流，并且布置成用该冷凝液流来冷却该制冷剂流。

在又一种结构中，本发明提供了一种气体压缩系统，该气体压缩系统包括用于产生压缩气体流的气体压缩机、用于产生压缩制冷剂流的制冷剂压缩机、以定位成接收压缩制冷剂流和压缩气体流并且布置成冷却该压缩气体的蒸发器。分离器定位成从蒸发器接收压缩气体流，并且将该压缩气体流分离成干燥的压缩气体流和冷凝液流。换热器定位成接收压缩制冷剂流和冷凝液流，并且布置成用该冷凝液流冷却该制冷剂流。冷凝器定位成接收该压缩制冷剂流，并且布置成用该空气流冷却该制冷剂流。该换热器和该冷凝器协作以冷却压缩制冷剂流到期望温度。

在另一种结构中，本发明提供了一种干燥压缩气体流的方法。该方法包括将压缩气体流分离成第二压缩气体流和和冷凝液流、将制冷剂压缩以产生压缩制冷剂流、以及引导冷凝液流与压缩制冷剂流形成热交换关系以冷却压缩制冷剂流。该方法还包括引导冷却压缩制冷剂与压缩气体流形成热交换关系，以冷却压缩气体流并分离该第二压缩气体流和冷凝液流。

附图说明

图1是包括制冷除湿系统的气体压缩系统的示意图；

图2是包括另一制冷除湿系统的另一气体压缩系统的示意图；

图3是包括另一制冷除湿系统的另一空气干燥系统的示意图；

图4是图1中换热器的剖视图；

图5是图1中换热器的另一剖视图；以及

图6是图1中换热器的另一剖视图。

具体实施方式

在本发明的任一实施例详细说明之前，需要认识到的是，本发明并不受本申请在接下来描述的内容中以及附图中图示的结构详图和部件布置的限制。本发明可以有其他的实施方式，并且能以多种方式实施或实现。此外，需要认识到的是，在此使用的措辞和专业用语是用于描述的目的，而不应认为是种限制。这里使用的“包括”、“包含”、或“具有”及其变形是指包括其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。除非规定或限定为其他方式，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变形被用于表示广义并且包含直接和间接的安装、连接、支撑和联接。进一步地，“连接”和“联接”并不限制为物理的或机械连接或联接。

图1示意性地地示出了气体压缩系统10的一种可能的布置，该气体压缩系统包括压缩机15和干燥器系统20，它们协作以给应用系统或应用端25提供干燥压缩气体。该应用系统或应用端25可包括一个或多个注射模制机、气动设备、气动工具、气动致动器、气动控制器等等。

压缩机15可包括单个压缩机或多个布置成并联和/或串联的压缩机，以便以期望的流速和压力输出压缩气体流17。另外，压缩机15可包括旋转压缩机，例如旋转螺旋压缩机、离心式压缩机、往复式压缩机、或不同的压缩机设计或者它们的组合。因而，本发明不应受限于压缩机15的类型、数量或布置。

图1的干燥器系统20包括以类似于标准制冷循环的方式布置的制冷剂压缩机30、冷凝器35、膨胀装置40和蒸发器45。制冷剂压缩机30可包括一个或多个压缩装置，该压缩装置适于压缩制冷剂以产生制冷剂流47。例如，一个或多个旋转螺旋压缩机和/或一个或多个涡旋压缩机能用作该制冷剂压缩机30。当然，如果需要，未在此描述的其他类型的压缩机或压缩机组合也能用作制冷剂压缩机30。

冷凝器35包括第一换热器50，该第一换热器50将制冷剂进行冷却以去除一部分压缩热。在图示的布置中，采用微通道换热器50和风扇55冷却制冷剂。该风扇55可连续地、间歇地、或以变速工作，以实现对制冷剂的期望冷却水平。在优选的结构中，制冷剂在冷凝器35内凝结，以致液体制冷剂流从冷凝器35中流出。正如本领域技术人员所意识到的，许多其他的换热器设计能用于冷凝器35。例如：翅管换热器、壳管式换热器、板翅式换热器等等，它们能用在该冷凝器35的内部。因而，本发明将不受所采用的换热器类型的限制。

膨胀装置40定位在冷凝器35的下游，以便其接收流过冷凝器35的高压液体制冷剂流。膨胀装置40引起制冷剂的迅速膨胀，这会使得该制冷剂在流出膨胀装置40之后产生相应的温度下降。

蒸发器45包括第二换热器60，该第二换热器60在流出膨胀装置40的制冷剂与流出压缩机15的压缩气体流之间传递热量。由于制冷剂和压缩气体两者都处于压力之下，应采用容纳这两种流体的换热器60。因而，通常采用壳管式、板翅式、微通道式、或其他换热器布置。随着制冷剂流过第二换热器60，其压缩气体流加热，而该压缩气体流则被冷却。在优选的结构中，制冷剂在被加热到高于其在工作压力下的沸点的温度，以产生过热蒸汽。该过热蒸汽流出蒸发器45并流向制冷剂压缩机30，以完成该制冷循环。

正如本领域技术人员所理解到的，通常在制冷系统中采用的其他部件或系统也可采用于本布置中。例如：可将容器定位在该循环中，以收集过量制冷剂并用作储罐。另外，如果需要，单向阀、传感器，和控制器能沿着该制冷系统定位在不同的点处。

除制冷系统之外，图1的干燥器20还包括回热器65、单向阀70和水汽分离器75。水汽分离器75定位在蒸发器45的内部或下游，并在压缩气体流经过第二换热器60的相当大一部分之后接收该压缩气体流。随着压缩气体经过第二换热器60并冷却，水汽凝结在该流的内部。该水汽分离器75将水汽与气体分离，以干燥该压缩气体流并生成冷凝液流80。

许多种水汽分离器75能用于图1的结构中。例如，可以采用凝聚过滤式水汽分离器，以从压缩气体中去除冷凝液体。或者，还可以根据需要采用流动感应分离器(flow induced separator)或重力感应分离器(gravity inducedseparator)，其依靠大液滴的重量或惯性分离冷凝的水汽。正如本领域技术人员所理解到的，许多不同的水汽分离器75或水汽分离器75的组合是可能的。因而，本发明不应受在此描述的少量示例的限制。

正如本领域技术人员所理解到的，典型的水汽分离器不能将压缩气体内部的水汽全部去除。更确切地说，分离器去除一部分空气，以提供在此有时所指的“干燥空气”或“干燥气体”。然而，该压缩空气或气体并不是完全被干燥。为了进一步提高对空气的有效干燥，在一些结构中可以采用换热器，以便在压缩气体离开水汽分离器时，该换热器加热该压缩气体。该换热器将该气体温度与露点温度分离，以保证没有额外水汽凝结在系统内部。

冷凝液80流出蒸发器45，并流向定位在蒸发器45和回热器65之间的单向阀70。单向阀70被布置成防止液体流从回热器65流动到蒸发器45，同时允许冷凝液流80从蒸发器45流到回热器65。在一些结构中，单向阀70可省略。

回热器65包括第三换热器85，该第三换热器85定位成从冷凝器35中接收制冷剂并将制冷剂输送给膨胀装置40。第三换热器85包括第二流动通道，该第二流动通道从系统10中接收冷凝液流80并排放冷凝液流80。在制冷循环中的此处，冷凝液80比制冷剂更冷。因而，冷凝液80冷却制冷剂，并随着其流过该回热器65而被加热。

第三换热器85可包括两个基本上封闭且受压的流动通道，或可包括一个开敞的或暴露于大气压力下的流动通道(第二流动通道)。因而，许多不同类型的换热器能被用作第三换热器85(例如翅管式、板翅式、壳管式等等)。在优选结构中，第三换热器85中的两个流动通道都维持在大于大气压力的压力下，因而需要两个封闭通道。

图4-6示出了采用壳管式结构的第三换热器85的一个可能的布置。壳90限定了装管100的空间95。壳90接收制冷剂流47。制冷剂47经由图4所示的制冷剂进口105进入壳90的顶部附近。如图5所示，出口管110定位在壳90的顶部附近，并且引导制冷剂从第三换热器85中流出。管110包括延伸部115，该延伸部115延伸到壳90的底部附近的位置，以便使得流出壳90的制冷剂是从壳90的最低位置抽出的，因此是壳90内最冷的制冷剂。

壳90和空间95的大小设置成在需要时提供一种用于储存制冷剂的储罐。壳90内部的制冷剂高度根据制冷系统的要求而变化。另外，当定位在冷凝器35的下游时，如图1所示，壳90的下部将容纳液态制冷剂，而上面有一层制冷剂蒸气。该蒸气层在该系统内部提供了液压阻尼，这将减少由制冷系统内部的阀的运动(开启和关闭)所引起的液压效应(例如压力尖峰)。

如图6所示，冷凝液80(或水)在壳90的顶部附近的冷凝液进口120处进入管100，向下流过壳90，并从冷凝液出口125流出。图4-6所示的布置使用冷凝液80的过剩冷却能力来冷却制冷剂47，否则该冷凝液的该过剩冷却能力将被浪费掉。

在操作中，制冷剂压缩机30压缩制冷剂蒸气，并且引导该压缩制冷剂47到冷凝器35。冷凝器35冷却和凝结该制冷剂47，并且引导制冷剂47到回热器65以及从回热器65到膨胀装置40。在制冷剂47流向蒸发器45之前，膨胀装置40使制冷剂47膨胀并冷却制冷剂47。制冷剂47流过蒸发器45并在此被加热，并在流向制冷剂压缩机30前汽化，以完成该制冷循环。

同时，压缩机15吸入大气空气、压缩该空气、并且释放出压缩空气流17。压缩空气17流入蒸发器45并由流过蒸发器45的制冷剂流47冷却。压缩空气流17也加热了蒸发器45内的制冷剂流47。随着压缩空气17的冷却，水汽在压缩空气流中凝结，并且在水汽分离器75中从压缩空气17中分离。然后，引导冷凝液80从水汽分离器75流过单向阀，流到回热器65，在回热器65处，冷凝液80在制冷剂进入膨胀装置40之前进一步冷却制冷剂47。因而，冷的冷凝液80用于降低制冷剂47的温度，从而减少在冷凝器35中所需的冷却量。冷凝器35上的负荷减少，这就提高了制冷系统的效率，并进而提高了气体压缩系统10的效率。或者，与有可能不使用回热器65相比，冷凝液80将制冷剂47冷却到更低的温度，从而允许对压缩空气17进行额外冷却以及干燥后的压缩空气17的较低露点。与不使用回热器65相比，在此示出的系统也能使用较小的冷凝器35运行。该较小的冷凝器能降低成本和减少冷凝器35的空间需求。

图2示出图1中系统的替代结构，其中，回热器65定位在冷凝器35的上游而非下游。另外，图2的系统10b包括用于代替冷凝器35的风扇55的冷却剂流82。其余部件大体上如图1所描述地那样布置。在该位置，当制冷剂47进入第三换热器85时，制冷剂47较热，并且在制冷剂47进入冷凝器35之前，冷凝液80预先冷却该制冷剂47。该布置还允许冷凝器35使用较少能量将制冷剂47冷却到预定温度，或者，与不使用回热器65而所能实现的温度相比，允许该系统将制冷剂47冷却到更低的温度。因而，图2的系统10a能提高气体压缩系统10a的效率，和/或能降低压缩气体17的露点温度，该温度低于不使用回热器65时所能实现的温度。

图2的布置特别适用于这样的系统，其中，冷凝液的温度不足够低至有效冷却流出冷凝器35之后的制冷剂47，但是，该冷凝液温度足够冷以在制冷剂47进入冷凝器35前对制冷剂47提供一些预冷却。

图3示出了另一空气干燥系统10c，其中，回热器65用于提高制冷空气干燥器的效率。与图1和图2所示系统不同，图3的系统用于干燥基本上为环境压力的空气流17而不是用于干燥压缩空气。这种系统能用于在制冷机中干燥空气或用于诸如家庭、办公楼或工厂的建筑中以干燥空气。图3的结构中，第一换热器50和第二换热器60定位在共同的外壳130中。在这种布置中，制冷循环以与图1所描述的大致一样的方式工作。

然而，图3的结构中并没有压缩机或应用端。更确切地说，有一风扇132将环境空气吸入到外壳130中，并流过对空气17进行冷却的第二换热器60。温度降低导致空气17内部的一些水汽冷凝出来，并且收集到外壳130的底部。当前较冷的空气17然后被引导到第一换热器50，在第一换热器50处，空气17将制冷剂冷却。然后，空气从外壳排出并且按需要使用。冷凝液80从外壳130中流出，并流过回热器65，以在制冷剂47离开第一换热器50后进一步冷却制冷剂47。当然，如果需要，换热器65能定位在第一换热器50的上游而不是下游。

图3还示出了替换使用单向阀70的替代方案。在图3的布置中，采用放泄弯管(drain trap)布置135以降低冷凝液80反向流动的可能。

图3的结构有利于流出系统10c的空气在干燥后稍微加热。该加热保证空气温度适当高于空气的空气的露点，从而降低在使用期间从空气流中凝结额外水汽的可能性。

正如本领域技术人员所理解到的，在此描述的系统和部件可以有其他的布置和方位。因而，本发明不应受在此描述的少量示例限制。

应注意的是，虽然图示的结构已描述为是用于空气压缩系统，使用图示的结构也能压缩和干燥其他的气体。因而，本发明不仅限于空气压缩系统。

因此，其中，本发明提供了一种气体压缩系统10，该气体压缩系统10包括干燥系统20，该干燥系统20使用冷凝液80来提高气体压缩系统10的效率。

Claims (22)

1.一种气体压缩系统，包括：

第一压缩气体流；

分离器，该分离器定位成在大于大气压力的压力下接收该第一压缩气体流，并且可在该压力下操作以在大于大气压力的压力下分离该压缩气体流为第二压缩气体流和冷凝液流；

压缩制冷剂流；以及

换热器，该换热器定位成接收冷凝液流和压缩制冷剂流，该换热器布置成使得该冷凝液流冷却该制冷剂流。

2.根据权利要求1所述的气体压缩系统，还包括定位成接收该压缩制冷剂流的冷凝器，该冷凝器与该换热器协作以将该制冷剂流冷却到期望温度。

3.根据权利要求2所述的气体压缩系统，其中，该换热器排放该压缩制冷剂流到该冷凝器。

4.根据权利要求2所述的气体压缩系统，还包括蒸发器，该蒸发器定位成接收该压缩制冷剂流和该第一压缩气体流，该蒸发器布置成促进对该第一压缩气体流的冷却。

5.根据权利要求2所述的气体压缩系统，其中，该冷凝器排放该压缩制冷剂流到该换热器。

6.根据权利要求1所述的气体压缩系统，还包括放泄弯管装置，该放泄弯管装置布置在该分离器和该换热器之间。

7.根据权利要求1所述的气体压缩系统，还包括设置于该分离器和该换热器之间的单向阀，以防止冷凝液流从换热器流到分离器。

8.一种气体压缩系统，包括：

气体压缩机，用于产生压缩气体流；

制冷剂压缩机，用于产生压缩制冷剂流；

蒸发器，该蒸发器定位成接收该压缩制冷剂流和该压缩气体流，并布置成冷却该压缩气体；

水汽分离器，该水汽分离器定位成从蒸发器接收该压缩气体流并在大于大气压力的压力下分离该压缩气体流为干燥的压缩气体流和冷凝液流；

换热器，该换热器定位成在大于大气压力的压力下接收该压缩制冷剂流和该冷凝液流，并布置成用该冷凝液流来冷却该制冷剂流；以及

单向阀，其定位在水汽分离器与换热器之间以防止流体从换热器流动到水汽分离器。

9.根据权利要求8所述的气体压缩系统，还包括冷凝器，该冷凝器定位成接收该压缩制冷剂流，该冷凝器与该换热器协作以将该制冷剂流冷却到期望温度。

10.根据权利要求9所述的气体压缩系统，其中，该换热器排放该压缩制冷剂流到该冷凝器。

11.根据权利要求9所述的空气压缩系统，其中，该冷凝器排放该压缩制冷剂流到该换热器。

12.根据权利要求8所述的气体压缩系统，还包括放泄弯管装置，该放泄弯管装置布置在该水汽分离器和该换热器之间。

13.根据权利要求8所述的气体压缩系统，还包括设置于该水汽分离器和该换热器之间的单向阀，以防止该冷凝液流从该换热器流到该水汽分离器。

14.一种气体压缩系统，包括：

气体压缩机，用于产生压缩气体流；

制冷剂压缩机，用于产生压缩制冷剂流；

蒸发器，该蒸发器定位成接收该压缩制冷剂流和该压缩气体流，并布置成冷却该压缩气体；

分离器，该分离器定位成从该蒸发器接收该压缩气体流，并且在大于大气压力的压力下将该压缩气体流分离为干燥的压缩气体流和冷凝液流；

换热器，该换热器定位成在大于大气压力的压力下接收该压缩制冷剂流和该冷凝液流，并布置成用该冷凝液流来冷却该制冷剂流；以及

冷凝器，该冷凝器定位成接收该压缩制冷剂流并布置成冷却该制冷剂流，该换热器与该冷凝器协作以将该压缩制冷剂流冷却到期望温度。

15.根据权利要求14所述的气体压缩系统，其中，该换热器排放该压缩制冷剂流到该冷凝器。

16.根据权利要求14所述的空气压缩系统，其中，该冷凝器排放该压缩制冷剂流到该换热器。

17.根据权利要求14所述的气体压缩系统，还包括放泄弯管装置，该放泄弯管装置布置在该分离器和该换热器之间。

18.根据权利要求14所述的气体压缩系统，还包括设置于该分离器和该换热器之间的单向阀，以防止该冷凝液流从该换热器流到该分离器。

19.一种干燥压缩气体流的方法，该方法包括：

在大于大气压力的压力下将该压缩气体流分离为干燥的压缩气体流和冷凝液流；

压缩制冷剂，以产生压缩制冷剂流；

在大于大气压力的压力下将该冷凝液流引导成与该压缩制冷剂流形成热交换关系，以将该压缩制冷剂流冷却；以及

将该冷却压缩制冷剂引导成与该压缩气体流形成热交换关系，以冷却该压缩气体流，并分离该第二压缩气体流和该冷凝液流。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括引导该压缩制冷剂流到冷凝器，以部分地冷却该压缩制冷剂流。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括将该制冷剂流从该冷凝器引导到回热器，该回热器提供该冷凝液流和该压缩制冷剂流之间的热交换关系。

22.根据权利要求19所述的方法，还包括将该制冷剂流从回热器引导到该冷凝器，该回热器提供该冷凝液流和该压缩制冷剂流之间的热交换关系。

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