专利名称：用于多级压缩机的控制恒温中间冷却系统及其方法
技术领域：
本发明一般性涉及多级压缩机，并特别涉及用于多级压缩机的控制恒温的中间冷却系统，其作用在于控制第二和/或其后压缩级的压缩气体的进气温度，以有效防止在压缩机中水的凝结。通过容许受控的、预选的未冷却压缩气体量由一级压缩机旁路通过在线中间冷却器，可将由中间冷却器和旁路共同排出的压缩气体的复合温度控制在一预定值，对该值进行选择以保证在进一步压缩与变热过程中，压缩气体温度不致使其中水蒸汽的分压超出此温度下水的临界饱和度。
机械式单级空气压缩机的技术是公知的，它有多种不同型式，例如活塞气缸式，离心式，轴流式，涡轮式及其他型式。最简单常用型为活塞气缸式。在此型式中压缩空气或任何气体通过一阀进入气缸，其中一往复活塞将此空气或气体在气缸中进行压缩，并将压缩输送至管道或容器中，以便在需要时从其中取出使用。
多级空气压缩机在己有技术中也是公知的。利用此种多级压缩机可使空气和/或其他气体压缩至比单级压缩机通常所获得的更高的气压。这些多级压缩机通常包括多个任一型式或其他型式的机械式单级压缩机，它们互相连接成组，其中压缩空气由一级通往下一级，其气压在每一后继级中得到提高。在活塞气缸式的典型多级压缩机中，具有环境压强和温度的空气或气体，进入第一压缩级的气缸，其中一往复活塞对其进行压缩并将其输送第二级，如此下去，通过系统的所有各级，每一级都对其前的压缩气体进一步压缩，直至获得最后的需要压强。
同样众所周知，大多数多级压缩机在其不同压缩级的至少某几个之间通常包含一个压缩的冷却步骤，以使每个压缩过程比绝热过程更加等温。这就是说，根据理想气体定律，(PV＝nRT)，对空气的每一压缩阶段都当然会引起P所代表的压强的增加，并同时导致气温T的直接成比例增加。
虽然在典型的单级压缩机中，其中确定容积的空气只被压缩一次，通常不存在下述问题，但在大多数多级压缩机中，所获得的相当高的气压会使压缩空气具有过高的成问题的温度，除非在各压缩级之间对其进行即时冷却。
例如，500°F的压缩空气温度不仅对其周围人员是个危险，也会导致多种不同形式的操作困难，如阀及其他压缩部件的误操作。因此，实际上所有商业上可行的多级压缩机都包含一个某种形式的中间冷却系统，设置在一些压缩级之间，以防止被压缩至如此高压水平的压缩空气过热。
众所周知，在传统压缩机中压缩的任何实际环境空气中都存在蒸汽形式的水，其数量以空气的相对湿度表示。空气的相对湿度，以百分值表示，为空气中实际存在的水蒸汽(a)与所考虑温度处的和蒸汽压(b)相比之比率。饱和汽压为空气温度的函数，所以对任何给定空气采样，随着其温度的增加，其和汽压也套增加，相应地其相对湿度减小。
在压缩机中，上述自然条件会产生问题。显然，在空气被压缩时，若很少或没有外因所致温度变化，则如上所述，压缩空气的温度其压强成正比增加。由于水的饱和蒸汽压依赖于空气温度，所以在温度增加时其饱和汽压也随着增加。
因此，如果此压缩空气以任何方式，例如中间冷却器进行冷却，并接着再次压缩，则常常使此二次压缩空气中的水蒸汽压强实际超过了其饱和汽压，即使在新的更高温度处也是如此，即具体到在二次压缩空气允许进行进一步冷却的情况下。因此，在此系统中引起大量的水凝结为液体的现象并不罕见。
然而，压缩机中的游离水已知会产生很多问题，例如压缩机部件的氧化(生锈)，而且更重要地，会导致凝结的水混入压缩机油槽的润滑油当中。水对压缩机中润滑油的这种稀释会妨碍压缩机的正常操作，也会降低其整体使用寿命。因此，迫切需要消除，或者至少实质性最大限度降低在任何压缩机中这种水的凝结，尤其是有可能进入润滑油的那些水份。
本发明基于我们这样的一种共同构思及其开发，即一种与多级压缩机连用的控制恒温的中间冷却系统，它可实质性地防止或至少显著降低在系统中压缩空气里水的凝结。在本发明的控制恒温的中间冷却系统中，在第一级之后的至少一些压缩级中其压缩空气的进气温度被控制在一定数值，使得此压缩空气中水蒸气的分压不会超过在下一后继压缩级获得的压强和温度下的饱和气压，以基本阻止或至少大幅度降低在压缩机中水的凝结。这种温度控制以下述方式实现通过容许受控、预选的未经冷却的压缩空气量由前一压缩级旁路通过下一在线中间冷却器，并与由中间冷却器排出的冷却压缩空气相混合。冷却和未冷却空气的这种混合使得对进入下一后继压缩级的压缩空气的温度控制成为可能。并且考虑到这种温度控制就有可能将压缩空气的温度选择和控制在一定值，该温度值不会在下一压缩过程中增加到使其中水蒸汽的分压超过此温度下水蒸汽含量饱和界限的水平。
相应地，本发明的一个基本目的在于提供一种新的改进的多级气体压缩机，它对于其中水的凝结具有显著的减低趋向。
本发明的另一目的在于提供一种新的改进的控制恒温中间冷却系统，它与一多级压缩机连用，显著降低多级压缩机中水的凝结趋向。
本发明的进一步目的在于提供一种新的改进的控制恒温中间冷却系统，它与一多级压缩机连用，控制第二和/或其后压缩级的压缩空气之进气温度，以基本性消除在压缩机中水的凝结。
本发明的再一个目的在于提供一种新的改进的控制恒温中间冷却系统，它与多级压缩机连用，通过允许受控数量的未冷却压缩空气旁路通过此中间冷却器，进而提高进入下一压缩级的压缩进气温度，从而使其温度控制在如此水平，即使得其中水蒸汽分压不致提高到饱和值以上的程度，进而防止或最大限度降低压缩机中水的凝结。
本发明的这些及其他目的在全面阅读了下述详细说明之后，对熟悉压缩机技术的人员将变得更加清楚，尤其在结合下述附图理解此说明时。
图1为根据本发明的一个当前优选实施例的装有控制恒温中间冷却系统的二级气体压缩机之简化示意图。
图2为根据本发明的另一当前优选实施例的装有控制恒温中间冷却系统的三级气体压缩机之简化示意图。
在对本发明进行描述之前，需要指出，为清楚起见，在附图的各视图之中具有相同功能的相同部件都以相同的标记数码进行了标记。
参照图1和2以简化形式显示了本发明的两个优选实施例，也即，图1为具有两个压缩级和其间具有一个中间冷却器的多级压缩机，而图2所示的多级压缩机具有多个压缩级，只画出了系统的前三级，并且至少在第二和第三压缩级之间及第三和任意后继压缩级之间都有一个中间冷却器。
在每个图中，皆以10标记的多级压缩机包含一第一压缩级10a，以活塞气缸式压缩机作简化图示，它具有一活塞12，设置在气缸14中作往复运动。
虽然这种活塞气缸式压缩机可能最为普通，但应理解本发明也可应用于基于其他形式机械压缩机的多级压缩机上，如离心式，轴流式，涡轮式及其他，特别为任何如下结构的多级压缩机，其中在其任意两个压缩级之间设有一中间冷却器以防止压缩气体过热。
如所周知，活塞气缸式机械压缩机具有一适当的阀结构(未画出)，在压缩过程中关闭，以使其中的气体得到适当压缩，和一排气阀(未画出)，它随后打开，以使压缩气体由气缸14排至排气管道18。然后，排气阀关闭，进气阀(未画出)打开，以便往复活塞12吸入具有环境气压的新鲜气体来重复此压缩过程。这种阀结构对熟悉本技术人员是公知的，这是不再螯述。
如某些两级压缩机中，设置有中间冷却器16以对在一压缩级，如第一压缩级10a之后的压缩气体，在其由下一后继压缩级，即压缩级10b进一步压缩和加热之前进行冷却。相应地，设有排气管道18以将在压缩级10a得到压缩的气体传送至中间冷却器16，以便在压缩级10a由于其压缩而加热的气体，在其经压缩级10b进一步压缩之前得到冷却，至少达到一定程度。
如上述压缩机的其他零部件一样，中间冷却器16对于熟悉压缩技术的人员来说也是公知的。这种中间冷却器16，一般包括一数热器型冷却器，其中热气体从一组的薄散热管道20通过，薄散热管道20由冷却叶片(未画出)间隔开。因而，此中间冷却器16这里也不必再作进一步详细描述。
如图2所示，多级压缩机10可包含多于两个压缩级，例如图2所示的三个压缩级10a，10b和10c，或更多个，在其任一对相邻压缩级10之间切实可行地设置一中间冷却器16。然而，由于压缩气体的过热问题一般在第三或更后的压缩级中才会明显，所以一些商用的多级压缩机在第三及其后任意压缩级之前只采用一个中间冷却器。
如图1实施例所示的类似方式，在图2实施例中设有中间冷却器16，以对在压缩级10a压缩的气体，在其由第二压缩级10b进一步压缩和加热之前进行冷却。同样，设置有排气管道18，以将在第一压缩级10a得到压缩的气体传送至中间冷却器16，从而使在压缩级10a由于其压缩过程而变热的气体，在经压缩级10b进一步压缩之前得到冷却，并至少达到一定程度。
与上述类似方式，设置有另一中间冷却器16b，以对在第二压缩级10b压缩的气体在其由压缩级10c进一步压缩和变热之前进行冷却。同样，设置有排气管道18，以将在压缩级10b压缩的气体传至中间冷却器16b，从而使在压缩级10b由于其压缩过程而加热的气体，在经压缩级10c进一步压缩之前得到冷却，至少达到一定程度。
以类似方式，可在任一对继后压缩级10之间普遍可行地设置更多中间冷却器16，以便使在先压缩的气体在其后压缩级中进一步压缩并相应进一步变热之前得到冷却。上述系统的工作过程在已有技术中是常规的，这里毋须赘述。
本发明的关键在于选择旁路系统，与中间冷却器16组合在一起，它使得对于第一压缩级后任一选定压缩级进入的压缩气体的的温度控制成为可能，以使此进气温度被有意图地控制和维持在一预定水平，确保在进一步压缩时其气体温度不会因进一步压缩而升高，致使其中蒸汽分压超出此温度下水含量饱和界限的水平。
相应地，参照图1，发明要素包括一个三通阀30以接收由相应中间冷却器16冷却的压缩气体，并将此压缩气体传送至继后压缩级10b以进一步压缩。另外，同样设置一旁路管道34，以使相连压缩级10a直接与三通阀30互相连接。相应地，采用旁路管道34将来自于相连压缩级10a的压缩气体直接传送至三通阀30，而不通过中间冷却管16。因此，三通阀30用以选择性传送冷却或未冷却压缩气体或它们的可控混合物，至下一继后压缩级10b。
除了三通阀30和旁路管道34以外，本发明有创造性的元件还包括一个用于控制这种三通阀30工作的控制机构36。显然，控制机构36应该适于控制选择通过冷却或未冷却压缩气体，或其两者的混合，因为必须让进入压缩级10b的压缩气体保持预选的目标温度。
预定的目标温度，当然随不同系统而有所变化，但是如上所指出的，它应是这样决定的温度，在第二压缩级10b中作为进一步压缩结果的进一步变热过程中，它不会升高使其中水蒸汽分压超出此温度下水含量的饱和界限的温度值。
虽然上述描述主要在于如图1所示的多级压缩级的第一和第二压缩级之间的控制恒温中间冷却系统，但很明显任何控制恒温的中间冷却系统实质上都是相同的，而不管其对于不同压缩级的位置。其唯一实质区别在于所寻求的目标温度。
虽然可采用很多不同的控制方式，并且在本发明范围内，我们选择采用具有一内设温度控制阀结构的流行三通式阀门。特别地，我们还成功地应用了1.5英寸和2英寸的三通阀(由FLUID POWER ENEGRY公司制造)，具有内设输出温度控制器，其中所需输出温度可在阀上进行选择和设定，在有必要提供输出混合物以符合预定温度时，由此阀自动输出两种输入气体的混合物。由于这些阀商业上可以得到，可以相信无须再进一步描述和讨论。
对于熟悉本技术的人员来说，很明显，精确控制事实上是不必要的。对于传统的两级压缩机，其第一级采用两个压缩气缸，第二级采用一个压缩气缸，其第一和第二级之间设有一中间冷却器，我们可以断定，如果在第二级压缩之后压缩气体的最终温度保持在约500°F以下，则水的凝结可以显著降低，或者消除。在上面指出的系统中，我们已经知道，可以通过将进入第二级的压缩气体温度控制在普遍不高于250°F的水平来达到此目的。
因此，如果第一级释放的压缩气体温度在约250°F或其以下，则所有此压缩气体可以直接通住第二级，而无需其中任何部分转至中间冷却器。只有在由任何及释放的压缩气体温度超过约250°F时，才有必要将其一部分转换方向以通过其后的中间冷却器。通过采用上述温度控制的三通阀，可由此阀自身调整其输出的温度。
将上述具有一恒温控制中间冷却器的装置与已有技术压缩机，即除没有此创造性控制之外在所有其他方面都与之相同的压缩机，作进一步比较测试，可以发现已有技术压缩机通常会导致水在润滑油中的积累量，在进行一确定测试期间的运作之后超过1.0％，甚至2.0％。
具有本发明恒温控制的相同压缩机，能使润滑油中水的积累量持续保持在约0.1％以下，其控制的运作仅在维持进入第二压缩级压缩气体温度最好在约200°F或以下时才有必要。
在对本发明的当前优选实施例进行详细描述之后，显然，对于熟悉压缩机技术人的员来说，他们会采用其他不同的实施例并在其中作出改进，而未偏离本发明的精神或附后权利要求书的范围。
权利要求
1.一种多级气体压缩机，它能显著降低其中水的凝结，所述多级气体压缩机包括(a)至少两个压缩级，互相连接成系统以压缩气体；(b)将在第一压缩级压缩的气体输送至第二压缩级以使其进一步压缩的装置；和(c)将进入所述第二级的所述压缩气体温度控制在一目标温度的装置，此目标温度为，在所述压缩气体在所述第二级作进一步压缩后，其中水蒸汽的分压不会超过其中水含量的饱和界限。
2.根据权利要求1所述的多级气体压缩机，其特征在于，所述目标温度普遍位于约200°F至约250°F之间。
3.根据权利要求1所述的多级气体压缩机，其特征在于，所述压缩机包括两个以上压缩级，并包括将进入所述第一压缩级随后的压缩级的任何压缩气体温度控制在所述目标温度的装置。
4.根据权利要求3所述的多级气体压缩机，其特征在于，所述目标温度普遍位于约200°F与约250°F之间。
5.一种多级气体压缩机，它能显著降低其中水的凝结，所述多级气体压缩机包括(a)至少两个互连为系统以压缩气体的压缩级；(b)至少一个中间冷却器，用以将在第一压缩级压缩的气体在其由第二压缩级进一步压缩之前进行冷却；(c)一排气管道，将所述第一压缩级与所述中间冷却器互相连接，用以将在所述第一压缩级压缩的压缩气体输送至所述中间冷却器；(d)一个三通阀，用以接收由所述中间冷却器冷却的压缩气体并将其输送至所述第二压缩级；(e)一旁路管道，将所第一压缩级直接与所述三通阀相连，用以将来自所述第一压缩级的压缩气体直接输送至所述三通阀，而不经过所述中间冷却；和(f)用以控制所述三通阀的控制装置，以便当必要对所述三通阀传至所述第二压缩级的此压缩气体的预定目标温度施加影响时，使通过三通阀而传至第二压缩级的压缩气体包括，下述之一气体来自所述中间冷却器的冷却压缩气体，来自所述旁路管道的未冷却压缩气体，和所述冷却与未冷却压缩气体的混合气体。
6.根据权利要求5所述的多级压缩机，其特征在于，所述压缩机包括至少三个压缩级，所述中间冷却器可行地设置于第二和第三压缩级之间，所述三通阀，所述旁路管道和所述控制装置与所述中间冷器相连。
7.根据权利要求5所述的多级气体压缩机，其特征在于，所述目标温度普遍位于约200°F与约250°F之间。
8.根据权利要求5所述的多级气体压缩机，其特征在于，所述三通阀型式在于具有一内设温度控制装置以实现对输出气体温度的预置。
9.根据权利要求5所述的多级气体压缩机，其特征在于，控制所述三通阀的所述装置用以防止在所述第二压缩级压缩的所述压缩气体的最终温度普遍超过约500°F。
10.一种控制恒温的中间冷却系统，用于如下多级气体压缩机，它具有至少两个相连成系统的压缩机和一个用以将由第一压缩级输出的压缩气体在其由第二压缩级压缩之前冷却的中间冷却器，所述控制恒温的中间冷却系统包括(a)一排气管道，将所述第一压缩级与所述中间冷却管互相连接，因此将在所述第一压缩级压缩的压缩气体输送至所述中间冷却器；(b)一个三通阀，用以接收由所述中间冷却器冷却的压缩气体并将其输送至所述第二压缩级；(c)一旁路管道，将所述第一压缩级直接与所述三通阀相连，用以将来自所述第一压缩级的压缩气体直接输送至所述三通阀，而不经过所述中间冷却器；和(d)用以控制所述三通阀的装置，以便在有必要对所述三通阀传至所述第二压缩级的所述压缩气体的预定目标温度施加影响时，使通过三通阀而传至第二压缩级的所述压缩气体包括下述气体之一来自所述中间冷却器的冷却压缩气体，来自所述旁路管道的未冷却压缩气体，和所述冷却与未冷却压缩气体的混合气体。
11.如权利要求10所述的控制恒温中间冷却系统，其特征在于，还具有至少三个压缩级和一个可行地设置于第二压缩级与第三压缩级之间的中间冷却器，所述三通阀，所述旁路管道和所述控制装置与所述中间冷却器相连。
12.根据权利要求10所述的控制恒温中间冷却系统，其特征在于，所述目标温度普遍位于约200°F与约250°F之间。
13.根据权利要求10所述的控制恒温中间冷却系统，其特征在于，所述三通阀型式为具有一内设的温度控制器装置以对其输出气体温度进行预置。
14.根据权利要求10所述的控制恒温中间冷却系统，其特征在于，控制所述三通阀的所述装置用以防止在第二压缩级压缩的压缩气体最终温度普遍超过约500°F。
15.一种控制多级压缩机的方法，以最大限度降低其中水的凝结，所述方法包括如下步骤将进入第一压缩级并随后任何压缩级的压缩气体温度控制在一目标温度，此目标温度为不会在所述压缩气体由所述后一压缩级进一步压缩后使其中所述水蒸汽的分压超过其中所述水含量的饱和界限。
16.根据权利要求15所述的控制多级压缩机的方法，其特征在于所述目标温度普遍位于约200°F与约250°F之间。
17.根据权利要求15所述的控制多级压缩机的方法，其特征在于所述目标温度普遍为约200°F。
全文摘要
一种与多级压缩机连用的控制恒温中间冷却系统,以防止在系统中压缩气体,如空气所含水的凝结,其中进入第一压缩级随后的第二压缩级的压缩气体温度得以控制在一目标温度,理论上直到约250°F,使得压缩气体在继后压缩级进一步压缩后,其中水蒸汽的分压不会超过其水含量的饱和界限。
文档编号F04B39/06GK1172933SQ9711551
公开日1998年2月11日 申请日期1997年6月3日 优先权日1996年6月3日
发明者布雷恩L·坎凯尔曼, 沃尔特E·格特尔, 丹尼尔G·瓦格纳, 罗杰·德拉蒙德 申请人:西屋气刹车公司