工业效率

液压空气压缩机:一个古怪的想法

在加拿大北部大学的劳伦特大学,一支受过良好受过良好教育的个人团队,由Dean Millar教授领导,Bharti工程学院的全教授,正在努力再次制作旧的新人。他们的努力旨在开发用于世界的商业上可行的液压空气压缩机(HACS),特别是因为这些装置可以更有效地生产压缩空气等温,而不是与典型的机械空气压缩机一起产生压缩空气。

在追求这一目标方面,该团队正在建立工程概念,用于在100多年前开发Dominion Cotton Mills,Magog,Quebec,Magog,Quebec的第一家液压空气压缩机。然后,HAC的基本原理在全球17个地点生产压缩空气,其中包括100多年前加拿大安大略省钴附近的衣衫褴褛的大腿。本文讨论了这一十年的发展局域力发展,劳伦坦大学安大略省的持续工作,使概念现代化。

动态地球

这个演示HAC是在加拿大萨德伯里的动力地球建造的,并向游客开放,让他们看到这项技术。照片由Electrale Innovation Limited提供。

泰勒的液压空气压缩机

Millar教授表示,他对HAC技术的兴趣开始于一系列陈诗。

米勒说:“我当时在萨德伯里当地的淡水河谷冶炼厂研究直接接触热交换器的设计,然后有人告诉我去看一看工业遗产网站,在那里我看到了一张泰勒的液压空气压缩机的图表。”“一开始我以为我看到的是一个有100年历史的直接接触热交换器,但后来意识到这个设备既是空气压缩机又是热交换器,与目前的方法相比,这种设计可以用来提高压缩效率。”

米勒是一名采矿工程师,早年在英国从事波浪发电工作,他对此非常着迷。这是一个非常有趣的项目的开始,改进了Charles Havelock Taylor的设计,使其对工业更加有用。泰勒是一位新不伦瑞克的商人和工程师。

据说,1895年,在魁北克的一个水坝建设阶段,泰勒注意到冬天的一些奇怪情况。具体来说,流经大坝溢洪道的水流在河冰下携带了气泡,然后这些气泡向上推动形成了冰穹。当探测穹顶时,泰勒注意到冰下的空气由于水的重量而被压缩了。

泰勒立即实现了这种现象的商业用途,并开始在他的蒙特利尔仓库中进行液压空气压缩机模型;他很快有足够的信心说服投资者形成泰勒空气压缩机公司,建立一个用于统治纺织品的第一家商业液压空气压缩机,一个155马力(HP)组装,效率为52%。该单位运行成功,直到1953年织物编织机技术发生变化和压力不得不增加。

另外两台空气压缩机是在19世纪晚期建造的,其中一台有1354英尺高的木羽,另一台位于加拿大彼得伯勒升降机闸门,引起了世界各地公司的兴趣。在20世纪初,华盛顿州和密歇根州建立了另外两座工厂,压力达到了117 psi。德国和秘鲁也建造了其他工厂。

足够的空气为多个地雷供能

泰勒的最高成就是在科博尔特的蒙特利尔河上开发了粗糙的滑道HAC。1884年左右,在加拿大多伦多正北方约300英里、安大略萨德伯里东北约100英里的这个当时与世隔绝的地区,发现了银、钴和镍矿藏。

传输的电力不可用,煤炭力量被认为太贵,因此它落在矿山开发商上,以经济的方式来发电矿山电动工具和钻头,这是有些是今天的动力运行。泰勒参观了该地区,找到了适合液压空气压缩机的条件,因此建立了建立了附近的蒙特利尔河以提供水力的计划。

这款HAC于1910年建造和放置在服务中,绝不是一个小型设备。空气压缩机的容量在120 psi压缩通过双降液者的压力下为40,000 cfm,直径为8.5英尺,深度341英尺雕刻到加拿大盾岩。用于将空气与水分离的地下洞穴,宽度为927英尺,宽度为26英尺。使用40公里的24英寸钢管,空气压缩机在该地区连接到大约30米。系统中有足够的压缩空气容积,通过空气压缩机关闭各个矿井。

在粗糙的斜槽利用河水

在参差不齐的滑道的HAC使用河流的水流通过参差不齐的滑道急流的海拔变化提供流量到洞穴网络。这条河并没有提供足够的水头来将水压缩到120磅/平方英寸,它只需要将水首先通过入口竖井,然后通过分离室,然后通过排放竖井将水送回河里。

当水流入进气井时,它携带着气泡。随着空气越来越深地进入水柱,就发生了压缩。与普通空压机不同,压缩空气温度不会明显上升,使压缩过程如图1所示等温,这是压缩气体最有效的方法。压力调节由排气系统提供。随着空气压力的增加,地下室的水位下降,露出了一个吹出管的末端。这是最令人印象深刻的部分,旧破旧的滑道空气压缩机。压缩空气和水的喷射产生了高达220英尺的羽流。

图1

图1:液压压缩机几乎是等温的(浅点灰线)。因此,生产压缩空气需要比标准的多元压缩机(黑色实心线)更少的功。图由Electrale创新有限公司提供。

这种空气压缩机没有运动部件,也不需要外部能量输入。一旦支付了建设费用,它基本上在70年的使用寿命中提供了免费的压缩空气。然而,空气压缩机的实用设计需要充足的河水和很深的地洞,而在需要压缩空气的地方,这些条件并不总是具备。然而,这些要求在现代矿场中也有一些。劳伦特大学的研究小组认为,通过对设计进行一些修改,可以在不使用河流水力的情况下建造一个可行的HAC。(更多关于衣衫褴褛的滑道HAC,访问http://www.cobaltmininglegacy.ca/power.php。)

让旧的变得新的

当采矿业为降低超深矿井的环境空气温度寻找有效动力涡轮冷却器时,重新启用液压空气压缩机的研究就开始了。如果能在经济上做到这一点,就可以延长地雷的深度,使某些地雷的寿命延长10年或20年。

经过几年的研究,一组组织写了一篇论文,“现代液压空气压缩机的概念设计”,并在2015年能源系统的效率、成本、优化、模拟和环境影响国际会议上提交。该论文提议在萨德伯里的北方科学公司的动力地球上建造一个HAC演示单元。该单元的建设于2017年夏天完成。它被用于测试,以证明预测的效率和可行性的商业规模的空气压缩机。

示范单元与缠结的滑槽空气压缩机不同,因为用于在进气轴上提供在进气中的水中的水流的水头,以及气泡的夹带,由平行泵系统提供。此外,水流在闭环中运行,而不是一次通过设计。

现代设计的HAC机组预计比标准的螺杆式空气压缩机提供更长的使用寿命,并且由于运动部件少,安装后更容易维护。由于该设计,机组能够变流量,使它很容易匹配的输出需求。该产品提供凉爽、清洁、无油的空气,不包含风冷空气压缩机在高温环境中可能产生的多余水分。

为了演示和测试目的,大学实际上有三种型号的HAC单位,包括用于展示图1中所示的基本原理,实验室大小的模型和动态地球的单位的桌面“波特哈克”单元,包括大约30psi。

PortaHAC桌面单位

这个PortaHAC桌面单元演示了一个小型HAC的基本原理。一个工作模型的视频可以在这里观看https://www.youtube.com/watch?v=Sqn0nThkPh4&feature=youtu.be

HAC

这种大约15英尺高的实验室级HAC用于受控环境中的基本测试。Alex Hutchison(图为)是一个具有Electreed Innovation Limited的项目工程师。他在现代HAC的发展中发挥了关键作用。

通过使用非常精确的仪器对这些装置进行大量测试,证实了现代闭环设计产生的压缩空气效率在预期范围内,约71%。就功率而言,该演示装置在31 psi排放压力下达到10.9 kW / 100 cfm,同时产生244 scfm压缩空气。在HAC演示台上通过实验证实的最重要的理论预测是,在压缩过程中空气的温升始终保持在0.01°C的量级——几乎是等温的!

目前正在为全球许多感兴趣的客户设计HAC装置。Electrale Innovation Limited是由Millar教授成立的公司,他同时也是该公司的首席执行官,致力于推动现代HAC的商业发展。据公司估算,如图2所示,在140 psi压力下生产5000 acfm无油空气的示例系统的比功率预计为14 kW/100 cfm。

图2.

图2:所示为采矿业的大型HAC的概念图,该HAC在140 psi下,以14 kW/100 cfm的比功率生产5000 acfm。预计该装置的使用寿命将超过20年。图片由Electrale创新有限公司提供。

“我们正在寻求为地下和地上安装开发商用大型液压空气压缩机。”Millar教授说。“想想一个没有转子或顶部的大型风力涡轮机。这可能是现代HAC单元的配置,其中没有矿井使用。“

他说,正在继续努力开发非常大规模的HAC机组,看起来它们越大,效率就越高,也越经济。

大型应用的能源效率

发展现代HAC的工作表明,一些旧的想法可以再次变成新的,并将为大型工业应用提供高效的能源解决方案。HAC机组可以通过一个简单的过程产生大量高质量的压缩空气,只需要很少的维护和持续几十年。有了地上的HAC单位,天空就是极限!

有关HAC项目的更多信息,请联系Dean Millar,CEO,Electredent Innovations Limited,电子邮件:dmillar@electrale.com;电话:705-918-1613或访问https://electrale.com/

有关本文的更多信息,请联系马歇尔压缩空气咨询公司Ron Marshall,电话:204-806-2085,电子邮件:ronm@mts.net

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