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CN103958901A - 具有热声谐振器的湿气压缩系统 - Google Patents

具有热声谐振器的湿气压缩系统 Download PDF

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CN103958901A CN201280055785.1A CN201280055785A CN103958901A CN 103958901 A CN103958901 A CN 103958901A CN 201280055785 A CN201280055785 A CN 201280055785A CN 103958901 A CN103958901 A CN 103958901A
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Abstract

本申请提供一种用于湿气流的湿气压缩系统，该湿气流在其中具有多个液滴。该湿气压缩系统可包括管道、与管道连通的压缩机、和与管道连通以便打碎湿气流中的液滴的热声谐振器。

Description

具有热声谐振器的湿气压缩系统
技术领域
本中请和所得专利大致涉及湿气压缩系统，且更具体而言，涉及如下湿气压缩系统，其使用热声谐振器在到达压缩机前打碎气流中的水滴。
背景技术
天然气和其他类型的燃料可在其中包含液体成分。此种“湿”气体可具有显著的液体体积。在常规压缩机中，此种湿气体中的液滴可导致叶轮或其他构件的腐蚀或脆化。此外，此种腐蚀可导致转子的不平衡。具体地，液体与诸如叶轮、端壁、密封件等压缩机表面之间的负相互作用可为显著的。腐蚀被认为实质上是液滴在冲击期间的相对速度、液滴质量大小和冲击角度的组合的函数。腐蚀可导致性能降级、降低的压缩机和组件寿命、和维护需求的整体增加。
当前的湿气压缩机可使用上游液体-气体分离器从气流中分离液滴，以便限制或至少局部化由液滴引起的腐蚀冲击或其他损害。然而，分离所需的设备通常需要额外的功率消耗。另一种方法是使用诸如拉伐尔喷管(de Laval nozzle)等的缩放喷管，以便将气流加速到超音速。所得的超音速震动可打碎液滴。然而，超音速震动还可导致压缩机上游的压力下降，且从而导致整体压缩机负载的增加。
因此，还期望改进的湿气压缩系统和避免腐蚀的方法。优选地，此种系统和方法可使由湿气流中的大液滴导致的腐蚀冲击和其他损害最小化，同时避免或至少减少液体气体分离器、超音速震动等的需要。
发明内容
因而，本申请和所得专利提供一种用于湿气流的湿气压缩系统，该湿气流在其中具有多个液滴。该湿气压缩系统可包括管道、与管道连通的压缩机、和热声谐振器，该热声谐振器与管道连通以便打碎湿气流中的液滴。
本申请和所得专利还提供了一种打碎压缩机上游的湿气流中的多个大液滴的方法。该方法可包括下列步骤：使湿气流过管道；利用热声谐振器在湿气流附近形成多个声波；降低湿气流的气相相对于液相的相对速度；和克服该多个大液滴的表面张力，以将大液滴打碎成多个小液滴。在本文中还描述了其他方法。
本申请和所得专利还提供了一种用于湿气流的湿气压缩系统，该湿气流在其中具有多个液滴。该湿气压缩系统可包括管道、与管道连通的压缩机、和与管道连接且定位在压缩机上游的热声谐振器。热声谐振器可以包括热的热交换器，冷的热交换器、和它们之间的回热器(regenerator)，以便将多个声波形成到湿气流中。在本文中还可描述其他系统。
在结合若干附图和所附权利要求审阅了下面的详细说明后，对本领域技术人员而言，本申请和所得专利的这些和其他特性和改进将变得显而易见。
附图说明
图1是已知的具有管道区段部分的湿气压缩机的示意图。
图2是如可在本文中描述为具有热声谐振器的湿气压缩系统的示例的示意图。
图3是图2的湿气压缩系统的热声谐振器的示意图。
图4是一个图表，示出图2的湿气压缩系统的热声谐振器附近的湿气流的液相和气相的相对速度。
图5是如可在本文中描述的具有热声谐振器的湿气压缩系统的一个备选实施例的示例的局部侧视图。
图6是如可在本文中描述的具有热声谐振器的湿气压缩系统的一个备选实施例的示例的局部侧视图。
图7是如可在本文中描述的具有热声谐振器的湿气压缩系统的一个备选实施例的示例的局部侧视图。
具体实施方式
现在参照附图，其中遍及该若干附图，相同的数字指代相同的元件，图1是已知的湿气压缩机10的示例，湿气压缩机10可为常规设计，且可包括带有多个叶轮20的多个级，多个叶轮20定位在轴30上，以用于在多个定子之间与其旋转。湿气压缩机10还可包括入口区段40。入口区段40可为定位在叶轮20附近的入口涡管50等。其他类型和构造的湿气压缩机10可为已知的。管道区段60可与湿气压缩机的入口区段40连通。管道区段60可为任何期望的尺寸、形状或长度。在本文中可使用任意数量的管道区段60，并且可以以常规方式连结。
图2示出作为如可在本文中描述的湿气压缩系统100的示例。湿气压缩系统100可包括定位在管道120附近的压缩机110。压缩机110可与上述压缩机10类似。任何类型或数量的压缩机110可用在本文中。同样，管道120可具有任何尺寸、形状、长度或任何数目的区段。管道120可与井口130连通。湿气流140从井口130出来，且流过压缩机110，并且进一步向下游。湿气流140可包括气相145以及液相155中的多个大液滴。湿气流140可为天然气、其他类型的燃料等。其他构件和其他构造也可用在本文中。
湿气压缩系统100还可包括热声谐振器160。一般而言，热声谐振器160使用内部温度差，来以有效的方式诱导高振幅声波。热声谐振器160可联接于井口130下游和压缩机110上游的管道120。任意数量的热声谐振器160可用在本文中。
热声谐振器160可包括声腔170，声腔170可与管道120直接连通，使得湿气流140充斥声腔170。由于声腔170的结构可对在其中形成的声波的性质和波长产生影响，故声腔170可具有任何尺寸、形状或构造。
热声谐振器160可包括热的热交换器180、冷的热交换器190、和定位在其间的被动回热器200。在热的热交换器180处，热源210将热排到湿气流140附近。热源210可包括任何类型的热和任何类型的热源。例如，可使用来自压缩机110或其他地方的废热。在冷的热交换器190处，热可接受自湿气140并传递至冷却流或散热器220，以用于处置或在其他地方使用。被动回热器200可包括堆叠的板230等。具有良好热效率的任何类型的回热器可用在本文中。
热的热交换器180与冷的热交换器190之间跨越热声谐振器的被动蓄热器200的温度梯度可导致形成多个声波240。声波240作用为压力波，其通过声腔170传播并进入管道120中。在本文中，声波240的波长和其他特性可改变。在本文中还可使用用于产生声波240的其他类型的热声谐振器和其他装置，其他构件和其他构造也可在本文中使用。
如图4所示，由声波240导致的压力波前与管道120中的湿气流140相互作用。声波240的相互作用可导致湿气流140的气相145中的快速速度变化。因而，当湿气流140通过声波240时，湿气流140的气相145和液相155之间的相对速度的变化可将大液滴150打碎成多个更小的液滴250。
液滴打碎可主要为气相145与液相155之间的相对速度的函数。用于液滴打碎的势能可以基于湿气流140的韦伯数来评价。具体而言，韦伯数可在本文中的湿气流140的情况如下计算：
Weber＝PgVR 2d/σ.
在该等式中，Pg是液体的密度(kg/m3)，VR是相对速度(m/s)，d是液滴直径(m)，且σ是表面张力(n/m)。通常而言，韦伯数是同液滴表面张力相比流体惯性的相对重要的无量纲尺度。如果韦伯数表明气相145的动能可以克服液滴150的表面张力，那么大液滴150就可被打碎成较小的液滴250。其他类型的液滴评价和其他类型的方案可在本文中使用。
声波240的能量可以部分地转变成液滴破碎，且部分地转变成耗散在湿气流140中。耗散意味着热沉积到湿气流140中。这种热主要导致液体蒸发，与之对照的是温度升高，且因而对整体压缩机性能可为有益的。在通过声波240后，湿气流140在其中携带较小液滴250的情况下继续朝压缩机入口区段40，以便减小在压缩机叶片20等类似物上的有害腐蚀等。
具有热声谐振器160的湿气压缩系统100因此将改善压缩机110的整体寿命和效率。特别地，大液滴150的移除可改善腐蚀损害，同时由于蒸发而实现较高的压缩机效率。此外，由于热声谐振器160不使用运动部件，故热声谐振器160将在低保养需求下具有长的寿命。而且，由于热声谐振器160可使用来自压缩机110或其他地方的废热，故热声谐振器160可不引起寄生能量损耗。热声谐振器160还可避免穿过其的压力下降，使得主压缩机负载可不增加。
尽管上述湿气压缩系统100已经在热声谐振器160定位在管道120附近的情况下进行了说明，但热声谐振器160还可定位在其他地方。例如，图5和图6示出热声谐振器160在缩放喷管260或其他类型的变截面喷管附近的使用。如上所述，缩放喷管260(也被称为拉伐尔喷管等)可包括收缩区段270、喉区段280和扩散区段290。缩放喷管260可在震动点300处通过超音速震动减少大液滴150。
在图5的示例中，热声谐振器160可定位在管道310的上游区段上，在图6的示例中，热声谐振器160可定位在管道320的下游区段上，热声谐振器160可在缩放喷管260附近或沿着缩放喷管260定位在任何地方，以便以与上述方式类似的方式帮助和促进液滴打碎。多个热声谐振器160可用在本文中。其他类型的管道和其他类型的喷管可用在本文中。其他构件和其他构造也可用在本文中。
作为热声谐振器160与管道120内的湿气流140直接流体连通的替代，热声谐振器160还可与管道120中的湿气流140物理分离。如图7所示，热声谐振器160可通过运动活塞330等连接于管道120。声波240可驱动运动活塞330与管道120接触，使得波通过机械接触而在其中继续。活塞330的使用也允许在热声谐振器160内使用不同的工作介质。可以使用诸如氦、氮或其他气体的介质。从效率和稳定性观点来看，使用备选介质可为有益的，即，增加了热转换为声能的效率。其他类型的机械系统也可在本文中使用。
很明显，前述内容只涉及本申请和所得专利的某些实施例。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可在本文中作出许多变化和修改，本发明的精神和范围由下列权利要求和它们的等同物限定。

Claims (20)

1.一种用于湿气流的湿气压缩系统，所述湿气流在其中具有多个液滴，所述湿气压缩系统包括：
管道；
压缩机，其与所述管道连通；和
热声谐振器，其与所述管道连通，以便打碎所述湿气流中的液滴。
2.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热声谐振器包括声腔，所述定位在所述管道上且与所述湿气流连通。
3.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热声谐振器包括热的热交换器、冷的热交换器、和其间的回热器。
4.根据权利要求3所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热的热交换器与热源连通，且其中，所述热源包括废热源。
5.根据权利要求3所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述冷的热交换器与散热器连通。
6.根据权利要求3所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述回热器包括被动回热器。
7.根据权利要求3所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述回热器包括多个板。
8.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热声谐振器将多个声波产生到所述湿气流中。
9.根据权利要求8所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述多个声波将多个大液滴打碎成多个小液滴。
10.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述管道包括缩放喷管。
11.根据权利要求10所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述缩放喷管包括收缩区段、喉区段、扩散区段和震动点。
12.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热声谐振器包括活塞。
13.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述压缩机在其中包括多个叶轮。
14.根据权利要求1所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述湿气流包括天然气流。
15.一种用于打碎压缩机上游的湿气流中的多个大液滴的方法，包括：
使所述湿气流流过管道；
用热声谐振器在所述湿气流附近形成多个声波；
降低所述湿气流的气相相对于液相的相对速度；
克服所述多个大液滴的表面张力，以将所述多个大液滴打碎成多个小液滴。
16.一种用于湿气流的湿气压缩系统，所述湿气流在其中具有多个液滴，所述湿气压缩系统包括：
管道；
压缩机，其与所述管道连通；和
热声谐振器，其与所述管道连通且定位在所述压缩机的上游；
所述热声谐振器包括热的热交换器、冷的热交换器、和其间的回热器，以将多个声波产生到所述湿气流中。
17.根据权利要求16所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热声谐振器包括声腔，所述声腔定位在所述管道上且与所述湿气流连通。
18.根据权利要求16所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述热的热交换器与热源连通，且其中，所述热源包括废热源。
19.根据权利要求16所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述冷的热交换器与散热器连通。
20.根据权利要求16所述的湿气压缩系统，其特征在于，所述回热器包括具有多个板的被动回热器。
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