一種級間熱量一體化回收和存儲的壓縮空氣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種級間熱量一體化回收與存儲的壓縮空氣系統(tǒng)，包括：若干級空氣壓縮機、若干級級間換熱/蓄熱器，以及系統(tǒng)相關(guān)的附件、管道、閥門等?？諝鈮嚎s機和級間換熱/蓄熱器按照壓力由低到高的次序，依次相間串聯(lián)在一起，組成壓縮空氣系統(tǒng)。本實用新型在壓縮空氣的基礎(chǔ)上，可以充分回收和存儲級間熱量及其有用能，而且技術(shù)方案簡單可靠，設(shè)備投資降低，運行維護方便。
【專利說明】一種級間熱量一體化回收和存儲的壓縮空氣系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種壓縮空氣系統(tǒng)，尤其涉及一種能夠?qū)⒓夐g熱量一體化回收并存儲的壓縮空氣系統(tǒng)，特別適用于大規(guī)模壓縮空氣儲能技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的空氣壓縮機組普遍采用多級壓縮級間冷卻的技術(shù)方案。多級壓縮級間冷卻的技術(shù)方案是指:在將空氣壓縮到指定壓力的過程中，將該過程分為若干級進行壓縮，并且在級間對壓縮空氣進行冷卻，其溫度降低后進入下一級進行壓縮。與直接將空氣壓縮到目標壓力的單級壓縮方案相比較，多級壓縮級間冷卻的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點:
[0003]1.節(jié)省壓縮空氣所需要的功。在單級壓縮空氣的過程中，壓縮過程通常為一個連續(xù)的多變過程，而多級壓縮級間冷卻的過程則是多個多變過程和等壓過程的組合。兩者相t匕，單級壓縮過程需要的技術(shù)功更多，而多級壓縮級間冷卻的過程則需要的技術(shù)功較少。
[0004]2.降低排氣溫度。當壓比較高時，單級壓縮會把空氣提高到很高的溫度，從而超出壓縮機氣缸潤滑油的使用溫度，造成潤滑油粘度降低及潤滑性能惡化，甚至發(fā)生缸內(nèi)積碳的現(xiàn)象。多級壓縮級間冷卻的方案則可以避免這些問題的發(fā)生。通過控制單級壓比，壓縮機組可以將每級出口的空氣溫度保持在允許的范圍內(nèi)，并且通過級間冷卻的方法進一步將該溫度降低，保證下一級壓縮不會進一步提高空氣的溫度，從而保證了氣缸潤滑油的正常運行。
[0005]3.提高氣缸的容積系數(shù)。隨著壓力比的上升，余隙容積中氣體膨脹所占的容積也增大，這就使氣缸的充氣情況惡化。采用多級壓縮使每一級的壓力比降低，從而使容積系數(shù)增高。
[0006]4.降低活塞上的氣體力。多級壓縮能大大降低活塞上所受的氣體力，由此使運動機構(gòu)重量減輕，機械效率得以提高。
[0007]由于上述原因，目前的空氣壓縮機組普遍采用多級壓縮級間冷卻的技術(shù)方案。但是，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，通常使用很大的水流量通過級間換熱器對高溫的壓縮空氣進行冷卻。壓縮空氣雖然得到了冷卻，但是在傳熱過程中，由于水流量很大，換熱器兩側(cè)溫差很大，熱量品位大大降低，造成了可用能的大量損失。
[0008]為了提高系統(tǒng)的能量利用效率，必須對該部分能量進行回收和存儲，并保證級間冷卻熱量的品位。專利N0.201120335082.7提出了一種可以回收和存儲級間熱量的壓縮空氣的方法和系統(tǒng)，其技術(shù)方案為:使用高效的換熱器和較小冷卻水流量，保證在級間冷卻的過程中壓縮空氣與冷卻水的傳熱溫差很小，從而大大提高了冷卻水的出口溫度，并且將高溫的冷卻水保存在儲水罐內(nèi)。這樣不但保證了級間冷卻熱量的能量品位，并且實現(xiàn)了對其進行回收和存儲的目的。但是，該方案仍然延續(xù)了級間冷卻過程中常規(guī)的技術(shù)思路，系統(tǒng)中保存了完整的水路結(jié)構(gòu)，具有以下不足:
[0009]1.換熱器需要使用高效換熱器，與常用的冷卻器相比，高效換熱器的設(shè)計和生產(chǎn)難度較大，從而大大提高了生產(chǎn)成本。[0010]2.系統(tǒng)增加了冷水儲罐和熱水儲罐。由于冷卻水在該方案下一般達到140°C的高溫，水路系統(tǒng)壓力遠遠高于環(huán)境壓力，儲罐需要使用壓力容器，大大增加生產(chǎn)和運行成本。
[0011]3.由于水路系統(tǒng)在壓力環(huán)境下運行，提高了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增加了系統(tǒng)在運行維護方面的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和不足，為了對壓縮空氣級間熱量及其有用能進行一體化回收與存儲，本實用新型提供了一種能夠一體化回收與存儲級間熱量的壓縮空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)在壓縮空氣的基礎(chǔ)上，可以充分回收和存儲級間熱量及其有用能，而且技術(shù)方案簡單可靠，大大節(jié)約了設(shè)備投資和運行維護的費用。
[0013]為達到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0014]一種級間熱量一體化回收與存儲的壓縮空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:若干級空氣壓縮機，若干級級間換熱/蓄熱器，其特征在于，
[0015]所述若干級空氣壓縮機按照壓力由低到高的次序，通過氣體管路依次串聯(lián)在一起，各所述空氣壓縮機的排氣管路上均設(shè)置一級間換熱/蓄熱器，各所述空氣壓縮機產(chǎn)生的高溫壓縮空氣在級間換熱/蓄熱器的蓄熱介質(zhì)中釋放熱量后流出，各所述級間換熱/蓄熱器的壓縮空氣進氣口和/或出氣口處均設(shè)置有壓縮空氣控制閥門；各所述級間換熱/蓄熱器均設(shè)有冷流體換熱管路，且各冷流體換熱管路的進口和/或出口處均設(shè)置有冷流體控制閥門，各所述級間換熱/蓄熱器的冷流體換熱管路的進口處均與待加熱冷卻介質(zhì)供應(yīng)管路連接，各所述級間換熱/蓄熱器的冷流體換熱管路的出口處均與冷卻介質(zhì)排出管路連接。
[0016]優(yōu)選地，當各所述空氣壓縮機工作時，各所述壓縮空氣控制閥門處于打開狀態(tài)，而各所述冷流體控制閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；當各所述空氣壓縮機停止工作，各所述級間換熱/蓄熱器對外釋能時，各所述壓縮空氣控制閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，而各所述冷流體控制閥門處于打開狀態(tài)。
[0017]優(yōu)選地，各所述級間換熱/蓄熱器中，高溫壓縮空氣流入的方向和待加熱冷卻介質(zhì)流入的方向相反。
[0018]優(yōu)選地，各所述級間換熱/蓄熱器中，高溫壓縮空氣的進氣口設(shè)置于換熱/蓄熱器的頂端，出氣口設(shè)置于換熱/蓄熱器的底部。
[0019]優(yōu)選地，各所述級間換熱/蓄熱器中，冷卻介質(zhì)的進口設(shè)置于換熱/蓄熱器的底部，出氣口設(shè)置于換熱/蓄熱器的頂端。
[0020]優(yōu)選地，各所述空氣壓縮機為活塞式、離心式、軸流式、螺桿式、或轉(zhuǎn)子式，各級空氣壓縮機可以采用相同的壓縮形式，也可以是不同的壓縮形式。
[0021]優(yōu)選地，所述的級間換熱/蓄熱器采用填充床蓄熱器，也可以采用其他形式的換
熱/蓄熱器。
[0022]優(yōu)選地，所述的級間換熱/蓄熱器設(shè)有保溫部件，保證級間熱量在換熱/蓄熱器內(nèi)部有效存儲。
[0023]本實用新型的級間熱量一體化回收與存儲的壓縮空氣系統(tǒng)中，空氣壓縮機，其作用是對空氣進行逐級壓縮，使之達到需要的壓力。級間換熱/蓄熱器，其作用是:與壓縮后的高溫空氣進行換熱，保證壓縮空氣溫度降低到近似于環(huán)境溫度，吸收并存儲級間熱量及其有用能；在釋熱時，將存儲的熱量和有用能釋放給冷卻介質(zhì)。
[0024]本實用新型的能夠一體化回收和存儲級間熱量的壓縮空氣的系統(tǒng)，其具體的工作方式是:空氣首先進入第一級空氣壓縮機進行壓縮。在壓縮過程中，空氣的壓力和溫度均得到提高。壓縮結(jié)束后，空氣進入第一級級間換熱/蓄熱器。由于壓縮空氣的溫度高于級間換熱/蓄熱器，熱量由壓縮空氣傳向換熱/蓄熱器內(nèi)的蓄熱工質(zhì)，壓縮空氣的溫度逐漸下降到略高于環(huán)境溫度，而后流出級間換熱/蓄熱器，進入第二級空氣壓縮機。按照這種工作方式，壓縮空氣依次通過各級空氣壓縮機和級間換熱/蓄熱器，最終以高壓常溫狀態(tài)離開空氣壓縮系統(tǒng)。各級級間換熱/蓄熱器在初始階段溫度與環(huán)境溫度相當。在壓縮空氣系統(tǒng)整個工作過程中，級間換熱/蓄熱器內(nèi)部存在熱分層現(xiàn)象，分為高溫區(qū)、斜溫層和低溫區(qū)。其中，高溫區(qū)是級間換熱/蓄熱器內(nèi)部已經(jīng)完成傳熱和蓄熱的區(qū)域，溫度近似等于壓縮后空氣的溫度；斜溫層是壓縮空氣正在與蓄熱介質(zhì)進行傳熱的區(qū)域，溫度范圍從壓縮后空氣溫度變化至環(huán)境溫度；低溫區(qū)是尚未參與傳熱與蓄熱的區(qū)域，溫度近似等于環(huán)境溫度。由于壓縮空氣不斷向級間換熱/蓄熱器傳熱，高溫區(qū)區(qū)域逐漸擴大，斜溫層逐漸由高溫區(qū)向低溫區(qū)移動，低溫區(qū)范圍逐漸縮小。在空氣壓縮系統(tǒng)結(jié)束工作的時候，級間換熱/蓄熱器內(nèi)部溫度為壓縮空氣進入該級換熱/蓄熱器前的溫度。在級間換熱/蓄熱器的釋熱階段，冷卻工質(zhì)通過級間換熱/蓄熱器，其流動方向與壓縮空氣相反，將級間換熱/蓄熱器存儲的熱量和有用能帶入其他熱能利用裝置。在釋熱過程結(jié)束時，級間換熱/蓄熱器溫度下降到近似于環(huán)境溫度。
[0025]本實用新型的有益效果是:在壓縮空氣的基礎(chǔ)上，可以充分回收和存儲級間熱量及其有用能，而且技術(shù)方案簡單可靠，設(shè)備投資降低，運行維護方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型的壓縮空氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中1.一級空氣壓縮機，2.—級級間換熱/蓄熱器，3.二級空氣壓縮機，4.二級級間換熱/蓄熱器，5.三級空氣壓縮機，6.三級級間換熱/蓄熱器，7.四級空氣壓縮機，
8.四級級間換熱/蓄熱器。
【具體實施方式】
[0028]為使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明。以下所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不因此而限定本實用新型的保護范圍。
[0029]見圖1所示:該實施例為能夠?qū)夐g熱量進行一體化回收和存儲的壓縮空氣系統(tǒng)，包括各級空氣壓縮機1、3、5、7和各級級間換熱/蓄熱器2、4、6、8。各級空氣壓縮機1、3、
5、7主要用于將空氣進行壓縮，以達到提高空氣壓力的目的。各級級間換熱/蓄熱器2、4、
6、8的作用是，與壓縮后的高溫空氣進行換熱，保證壓縮空氣溫度降低到近似于環(huán)境溫度，吸收并存儲級間熱量和有用能；在釋熱時，將存儲的熱量和有用能釋放給冷卻介質(zhì)。
[0030]在該實施例中，壓縮空氣依次通過一級空氣壓縮機1、一級級間換熱/蓄熱器2、二級空氣壓縮機3、二級級間換熱/蓄熱器4、三級空氣壓縮機5、三級級間換熱/蓄熱器6、四級空氣壓縮機7、四級級間換熱/蓄熱器8，最后流出空氣壓縮系統(tǒng)，供給外界用戶。該系統(tǒng)中，空氣壓縮機均為活塞式壓縮機。壓縮空氣的流量為1000Nm3/h，壓縮空氣在進入壓縮機組前的壓力為latm，溫度為25°C。空氣壓縮機1、3、5、7的壓比均為3，壓縮空氣流出空氣壓縮機1、3、5、7的壓力分別為0.3MPa、0.9MPa、2.7MPa、8.1MPa，流出各級空氣壓縮機1、3、5、7時的溫度均為159°C。在各級級間換熱/蓄熱器2、4、6、8內(nèi)，壓縮空氣的壓降均為8.0SkPa ；在流出各級級間換熱/蓄熱器2、4、6、8時，壓縮空氣的溫度均為33°C。
[0031]各級級間換熱/蓄熱器2、4、6、8采用填充床換熱/蓄熱器，采用立式圓柱型設(shè)計。各級級間換熱/蓄熱器2、4、6、8要求能夠滿足壓縮系統(tǒng)連續(xù)運行10小時。級間換熱/蓄熱器2、4、6、8的體積均為8m3，直徑1.9米，高3米。其蓄熱工質(zhì)為石子，換熱/蓄熱器內(nèi)部孔隙率為0.4。各級級間換熱/蓄熱器2、4、6、8在運行初始狀態(tài)的溫度為28°C，在運行結(jié)束狀態(tài)的溫度均為154°C。運行時，級間換熱/蓄熱器2、4、6、8內(nèi)部的壓力分別為0.3MPa、
0.9MPa、2.7MPa、8.1MPa,壓縮空氣從換熱/蓄熱器的頂端進入，從換熱/蓄熱器底部流出。當壓縮機組工作結(jié)束時，級間換熱/蓄熱器2、4、6、8均蓄熱1064.3MJ、1070.8MJ、1089.8MJ、1144.1MJ，蓄積熱量火用 196.1MJ，197.2MJ、200.3MJ、209.2MJ。
[0032]在需要利用級間換熱/蓄熱器2、4、6、8內(nèi)部熱量的時候，冷卻介質(zhì)從級間換熱/蓄熱器2、4、6、8底部輸入，與蓄熱工質(zhì)石子交換熱量。冷卻介質(zhì)溫度得到提高后，從級間換熱/蓄熱器2、4、6、8頂部流出，帶入熱量利用裝置進行利用。冷卻介質(zhì)使用水，系統(tǒng)能夠持續(xù)向外供給10小時。水的進口溫度為25°C，出口溫度為130°C，各級級間換熱/蓄熱器2、
4、6、8 的水流量分別為 241.3kg/h、242.7kg/h、247.0kg/h、259.3kg/h。為了保證水不發(fā)生相變，要求水的運行壓力為0.8MPa。
[0033]為了實現(xiàn)良好的保溫效果，本實施例需要對各級級間換熱/蓄熱器、高溫管道進行保溫措施。各級級間換熱/蓄熱器和高溫管道使用巖棉制品包裹，厚度10厘米。
[0034]從熱力學(xué)第一定律的角度來看，級間換熱/蓄熱器2、4、6、8的蓄熱量分別為1064.3MJ、1070.8MJ、1089.8MJ、1144.1MJ。在使用一般的空氣壓縮機組時，該部分熱量最終被散入大氣中，完全損失；而在該發(fā)明的空氣壓縮機組時，該部分熱量被儲存于級間換熱/蓄熱器中，能量回收了 4368.9MJ。從熱力學(xué)第二定律的角度來看(環(huán)境狀態(tài)為:壓力latm，溫度25°C)，級間換熱/蓄熱器2、4、6、8的蓄積熱量火用分別為196.1MJ，197.2MJ、200.3MJ、209.2MJ。在使用一般的空氣壓縮機組時，該部分熱量火用完全損失；而在使用該發(fā)明的空氣壓縮機組時，可回收熱量火用802.7MJ。
[0035]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種級間熱量一體化回收和存儲的壓縮空氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:若干級空氣壓縮機，若干級級間換熱/蓄熱器，其特征在于， 所述若干級空氣壓縮機按照壓力由低到高的次序，通過氣體管路依次串聯(lián)在一起，各所述空氣壓縮機的排氣管路上均設(shè)置一級間換熱/蓄熱器，各所述空氣壓縮機產(chǎn)生的高溫壓縮空氣在級間換熱/蓄熱器的蓄熱介質(zhì)中釋放熱量后流出，各所述級間換熱/蓄熱器的壓縮空氣進氣口和/或出氣口處均設(shè)置有壓縮空氣控制閥門；各所述級間換熱/蓄熱器均設(shè)有冷流體換熱管路，且各冷流體換熱管路的進口和/或出口處均設(shè)置有冷流體控制閥門，各所述級間換熱/蓄熱器的冷流體換熱管路的進口處均與待加熱冷卻介質(zhì)供應(yīng)管路連接，各所述級間換熱/蓄熱器的冷流體換熱管路的出口處均與冷卻介質(zhì)排出管路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:各所述級間換熱/蓄熱器中，高溫壓縮空氣流入的方向和待加熱冷卻介質(zhì)流入的方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:各所述級間換熱/蓄熱器中，高溫壓縮空氣的進氣口設(shè)置于換熱/蓄熱器的頂端，出氣口設(shè)置于換熱/蓄熱器的底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:各所述級間換熱/蓄熱器中，冷卻介質(zhì)的進口設(shè)置于換熱/蓄熱器的底部，出氣口設(shè)置于換熱/蓄熱器的頂端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:各級空氣壓縮機是活塞式、離心式、軸流式、螺桿式或轉(zhuǎn)子式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:各級空氣壓縮機采用相同的壓縮形式或不同的壓縮形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:所述的級間換熱/蓄熱器采用填充床蓄熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓縮空氣系統(tǒng)，其特征在于:所述的級間換熱/蓄熱器有保溫部件。
【文檔編號】F04B39/06GK203584737SQ201320625224
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】楊征, 陳海生, 左志濤, 王亮, 盛勇, 譚春青 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所