用于使用液體壓縮氣體的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于壓縮氣體的方法包含將第一腔室內(nèi)一定體積的氣體維持在第一壓力下。迫使經(jīng)加壓液體經(jīng)由具有彎曲構型的噴嘴進入所述第一腔室中。基于附壁效應，所述液體將所述體積的氣體壓縮為大于所述第一壓力的第二壓力。使所述液體與所述氣體在第二腔室中分離，同時將所述氣體維持在所述第二壓力下以提供經(jīng)壓縮干燥氣體。
【專利說明】用于使用液體壓縮氣體的方法和系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請要求2012年5月22日提交的標題為“SimpleFill，a Novel Way toCompress NG for Fast At-Home Refill”的美國臨時專利申請N0.61/650，101 的權益,該臨時專利申請的公開內(nèi)容全文以引用的方式明確地并入本文中。
[0003]發(fā)明背景
[0004]經(jīng)壓縮氣體在若干不同應用中可用。舉例來說，經(jīng)壓縮天然氣車輛包含用于儲存用于推進的經(jīng)壓縮天然氣的艙。所述艙在高壓力下儲存氣體以供由車輛的引擎使用。當前，用于將氣體從低壓力源(例如，住宅線路)壓縮到高壓力艙(例如，車輛儲存艙)的方法包含使用直接機械壓縮。這些直接機械壓縮方法使用可在氣缸內(nèi)移動的往復式活塞來壓縮氣體。在使用中，這些系統(tǒng)可能維修和/或維護起來較昂貴且困難。
發(fā)明概要
[0005]本文呈現(xiàn)的概念的一個方面包含一種壓縮氣體的方法。所述方法包含將第一腔室內(nèi)一定體積的氣體維持在第一壓力下。迫使經(jīng)加壓液體進入第一腔室中。所述經(jīng)加壓液體將所述體積的氣體壓縮為大于所述第一壓力的第二壓力。使所述液體與所述氣體在第二腔室中分離，同時將所述氣體維持在所述第二壓力下以提供經(jīng)壓縮干燥氣體。
[0006]另一方面包含一種用于壓縮氣體的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包含其中儲存液體的液艙，以及流體耦合到所述液艙且經(jīng)配置以壓縮一定體積的氣體的壓縮腔室。分離組合件流體耦合到所述壓縮腔室且經(jīng)配置以將液體與所述體積的氣體分離。泵組合件流體耦合到液艙、壓縮腔室和分離組合件。泵組合件在操作期間經(jīng)配置以將經(jīng)加壓液體從液艙提供到壓縮腔室以將所述體積的氣體從第一壓力壓縮到第二壓力。泵組合件還將第二壓力下的所述體積的氣體轉(zhuǎn)移到分離組合件且將第二壓力下的所述體積的氣體注射到分離組合件以將液體與所述體積的氣體分離從而產(chǎn)生經(jīng)壓縮干燥氣體。
[0007]用于使用液體壓縮氣體的另一實施例方法包含在低壓力腔室中維持第一體積的氣體，以及在高壓力腔室中維持第二體積的氣體。高壓力腔室可流體連接到低壓力腔室。另夕卜，低壓力和高壓力腔室的每一者可包含附壁噴嘴。附壁噴嘴可經(jīng)配置以增加壓縮期間液體中氣體的夾帶。所述方法還可包含將經(jīng)加壓液體經(jīng)由所述附壁噴嘴提供到所述低壓力腔室中，其中所述經(jīng)加壓液體將所述第一體積的氣體壓縮為第一壓力。另外，所述方法還可包含將經(jīng)加壓液體經(jīng)由所述附壁噴嘴提供到所述高壓力腔室中，其中所述經(jīng)加壓液體將所述第二體積的氣體壓縮為大于第一壓力的第二壓力。經(jīng)加壓液體可同時提供到低壓力和高壓力腔室。
[0008]任選地，所述方法還可包含提供經(jīng)配置以將經(jīng)加壓液體供應到低壓力腔室的第一泵，以及經(jīng)配置以將經(jīng)加壓液體供應到高壓力腔室的第二泵。另外，第一和第二泵可任選地串聯(lián)布置。作為替代或另外，所述方法可包含以相同馬達驅(qū)動第一和第二泵。
[0009]作為替代或另外，所述方法還可任選地包含操作布置在低壓力與高壓力腔室之間的控制閥?？刂崎y可經(jīng)配置以控制低壓力與高壓力腔室之間的經(jīng)加壓液體和氣體的至少一者的流動。舉例來說，所述高壓力腔室可相對于所述低壓力腔室定位在較高高度，使得當所述控制閥處于打開位置時所述經(jīng)加壓液體通過重力在所述高壓力與低壓力腔室之間流動。
[0010]任選地，所述方法還可包含從流體連接到低壓力和高壓力腔室的液艙提供經(jīng)加壓液體。所述液艙中可儲存液體。
[0011]任選地，所述方法還可包含在流體連接到所述高壓力腔室的分離器組合件中將所述液體與所述氣體分離，同時將所述氣體維持在近似第二壓力下。
[0012]任選地，在低壓力和高壓力腔室的至少一者中壓縮氣體的過程可近似為等溫的。
[0013]作為替代或另外，經(jīng)加壓液體可為水、汽油、柴油以及水與乙二醇的混合物中的至少一者。
[0014]任選地，所述方法還可包含通過形成至少一個液體射流將經(jīng)加壓液體經(jīng)由附壁噴嘴提供到低壓力和高壓力腔室的至少一者；在彎曲表面上接收液體射流，以及沿著彎曲表面引導液體射流以在液體射流中產(chǎn)生低壓力和高紊流的區(qū)域。
[0015]用于使用液體壓縮氣體的另一系統(tǒng)可包含經(jīng)配置用于將氣體壓縮到第一壓力的低壓力腔室，和經(jīng)配置用于將氣體壓縮到大于第一壓力的第二壓力的高壓力腔室。低壓力和高壓力腔室的每一者可包含附壁噴嘴。附壁噴嘴可經(jīng)配置以增加壓縮期間液體中氣體的夾帶。所述系統(tǒng)還可包含泵組合件，其具有與低壓力腔室成流體連接的第一泵和與高壓力腔室成流體連接的第二泵。第一和第二泵可分別經(jīng)配置以經(jīng)由附壁噴嘴將液體供應到低壓力和高壓力腔室。通過將液體供應到低壓力和高壓力腔室，腔室中的氣體可分別被壓縮到第一和第二壓力。另外，第二泵可與第一泵串聯(lián)布置。
[0016]任選地，所述第一和第二泵可分別經(jīng)配置以將液體供應到所述低壓力和高壓力腔室以同時將氣體壓縮到所述第一和第二壓力。
[0017]作為替代或另外，泵組合件可包含經(jīng)配置以驅(qū)動第一和第二泵的馬達。
[0018]所述系統(tǒng)還可任選地包含布置在低壓力與高壓力腔室之間的控制閥。控制閥可經(jīng)配置以控制低壓力與高壓力腔室之間的液體和氣體的至少一者的流動。
[0019]任選地，所述高壓力腔室可相對于所述低壓力腔室定位在較高高度，使得當所述控制閥處于打開位置時所述液體通過重力在所述高壓力與低壓力腔室之間流動。
[0020]作為替代或另外，所述系統(tǒng)可任選地包含液艙，其流體連接到低壓力和高壓力腔室以及泵組合件。所述液艙中可儲存液體。
[0021]任選地，所述系統(tǒng)可包含流體連接到高壓力腔室的分離器組合件。分離器組合件可經(jīng)配置以將液體與氣體分離，同時將氣體維持在近似第二壓力下。
[0022]任選地，在低壓力和高壓力腔室的至少一者中壓縮氣體的過程可近似為等溫的。
[0023]作為替代或另外，所述液體可為水、汽油、柴油以及水與乙二醇的混合物中的至少一者O
[0024]任選地，附壁噴嘴的每一者可包含具有用于形成液體射流的至少一個槽的射流板，以及與所述射流板成流體連接的彎曲進入部分。所述彎曲進入部分可接收液體射流。所述彎曲進入部分還可經(jīng)配置以當所述液體射流沿著所述彎曲進入部分流動時在所述液體射流中產(chǎn)生低壓力和高紊流的區(qū)域。
[0025]附圖簡述
[0026]圖1是用于使用液體壓縮氣體的系統(tǒng)的不意圖。
[0027]圖2是在圖1的系統(tǒng)中使用的壓縮腔室的示意截面圖。
[0028]圖3是用于將液體遞送到圖2中說明的壓縮腔室的噴嘴的示意部分截面圖。
[0029]圖4是圖1的系統(tǒng)中使用的分離組合件的示意圖。
[0030]圖5是圖4的分離組合件的一部分的示意截面圖。
[0031]圖6是用于使用液體壓縮氣體的另一系統(tǒng)的不意圖。
[0032]詳細描述
[0033]圖1是能夠?qū)嵤┦褂媒?jīng)加壓液體(例如，水、汽油、柴油燃料)來壓縮氣體(例如，天然氣、氫氣、惰性氣體)的過程的系統(tǒng)10的示意圖。任選地，本發(fā)明預期經(jīng)加壓液體可為例如水與乙二醇(MEG)等液體的混合物。流體混合物可用于確保極端溫度下的操作。將了解，系統(tǒng)10可包含例如閥等組件以促進流體在系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)移。如所說明，系統(tǒng)10包含第一低壓力(LP)壓縮腔室11、第二高壓力(HP)壓縮腔室12、轉(zhuǎn)移閥13、泵組合件14、分離組合件15，和液艙16。系統(tǒng)10中這些組件的細節(jié)在下文提供。然而，一般來說，系統(tǒng)10在壓縮期間利用與用于冷卻氣體的技術結合的液體壓縮(LP腔室11內(nèi)的第一階段，和HP腔室12內(nèi)的第二階段)的兩個階段。在壓縮期間，液體活塞在相應腔室內(nèi)形成且操作以壓縮腔室內(nèi)的氣體以及提供適宜的媒介用于從經(jīng)壓縮氣體進行熱傳遞。在替代實施方案中，系統(tǒng)10可僅包含單一壓縮腔室。此實施方案中的單一壓縮腔室將以與本文論述的腔室11和12類似的方式操作。
[0034]在用于壓縮的一個實施例方法中，氣體在低壓力(例如,不大于25巴,近似0.5巴或更小)下從源18(例如，住宅天然氣線路)進入系統(tǒng)10。在第一壓縮階段中，通過使用泵組合件14從艙16提供的液體將氣體壓縮到LP腔室11中的較高中間壓力(例如，近似20-22巴)。在一個實施方案中，LP腔室11可具有固定內(nèi)部體積(例如，約20升)。隨后，在第二壓縮階段中，同樣通過使用泵組合件14從艙16提供的液體將氣體壓縮到HP腔室12中的依然較高儲存壓力(例如，至少200巴，近似400巴)。在一個實施方案中，HP腔室12也具有固定內(nèi)部體積(例如,約2升)。
[0035]一旦氣體在LP腔室11中壓縮為中間壓力，就使用轉(zhuǎn)移閥13將氣體轉(zhuǎn)移到HP腔室12。在一個實施方案中，泵組合件14包含至少兩個泵，其用于將液體引入到腔室11和12使得氣體被壓縮到所要排出氣體壓力。在一個實施例中，泵組合件14包含經(jīng)設計以實現(xiàn)系統(tǒng)10內(nèi)流體的高流動/低壓力的第一泵，以及經(jīng)設計以實現(xiàn)系統(tǒng)10內(nèi)流體的高壓力/低流動的第二泵。不管泵組合件14的配置如何，排出HP腔室12的氣體接著經(jīng)過濾以移除分離組合件15中的水或其它雜質(zhì)，隨后遞送到儲存艙(例如，位于車輛上)。
[0036]用于壓縮的液體在艙16中持續(xù)再循環(huán)和儲存。在一個實施方案中，液體以來自經(jīng)壓縮氣體源18的經(jīng)壓縮氣體加壓。在一個實施方案中，源18包含一或多個閥以控制氣體到艙16的進入。轉(zhuǎn)移閥13可控制氣體從艙16到腔室11的進入以及氣體從LP腔室11到HP腔室12的進入。泵組合件14經(jīng)配置以將液體從艙16提供到LP腔室11、HP腔室12，且從分離組合件15接收液體。視需要，艙16可包含一或多個冷卻特征(例如，外部冷卻鰭片)以耗散液體中的殘余熱。
[0037]任選地，轉(zhuǎn)移閥13可為三向閥。應理解，轉(zhuǎn)移閥13可經(jīng)電學控制(例如，通過將控制信號發(fā)送到轉(zhuǎn)移閥13而再定位)。舉例來說，轉(zhuǎn)移閥13可控制當在第一位置中時氣體從氣體源18到LP腔室11中的進入，轉(zhuǎn)移閥13可控制當在第二位置中時氣體從氣體源18到HP腔室12中的進入，且轉(zhuǎn)移閥13可控制當在第三位置中時氣體在LP腔室11與HP腔室12之間的流動。舉例來說，在第一位置中，轉(zhuǎn)移閥13控制氣體從氣體源18到LP腔室11中的流動。如上文論述，氣體可接著在LP腔室11中通過將液體引入到LP腔室11中而壓縮到中間壓力。當氣體壓縮到中間壓力時，轉(zhuǎn)移閥13可再定位到第三位置以便控制氣體在LP腔室11與HP腔室12之間的流動。任選地，當氣體從LP腔室11流動到HP腔室12時，可繼續(xù)引入液體，且在一些實現(xiàn)方式中，液體可從LP腔室11流動到HP腔室12。進入HP腔室12的液體可防止氣體從HP腔室12向后流動到LP腔室11。接著，當少量液體從LP腔室11引入到HP腔室12中時，轉(zhuǎn)移閥13可再定位到第二位置以控制氣體從氣體源18到HP腔室12中的進入。如上文論述，氣體可接著在HP腔室12中通過將液體引入到HP腔室12中而被壓縮到儲存壓力。
[0038]LP腔室11和HP腔室12原理上相同操作，且為簡潔起見，下文僅詳細論述LP腔室11。相對于LP腔室11闡釋的原理適用于HP腔室12的結構和操作。如下文更詳細論述，腔室的每一者包含液體活塞，其可操作以利用附壁噴嘴壓縮氣體，所述附壁噴嘴具有操作以將液體注射到相應腔室中的彎曲構型。一般來說，將一定體積的氣體引入到腔室中。隨后經(jīng)由噴嘴將液體注射到腔室中，且根據(jù)附壁效應，當液體沿著噴嘴流動時夾帶氣體。當液體液面在腔室中升高時，形成液體活塞。另外，附壁噴嘴和壓縮腔室經(jīng)設計以增強當氣體正在腔室內(nèi)壓縮時氣體的循環(huán)。歸因于腔室內(nèi)的液體，液體可在氣體以高熱傳遞速率和接近等溫壓縮(即，氣體壓縮期間腔室內(nèi)溫度的最小改變)被壓縮時使氣體冷卻。
[0039]圖2展示LP腔室11的橫截面，其中經(jīng)由氣體入口 30引入到腔室11中的氣體使用經(jīng)由液體入口 32引入的液體壓縮。入口 32流體耦合到噴嘴34，噴嘴34將腔室11劃分在上部部分36與下部部分38之間。一定體積的氣體39定位在上部部分36和下部部分38中以用于壓縮。噴嘴34根據(jù)附壁效應操作以歸因于液體到噴嘴34中的引入而在腔室中夾帶氣體39。特定來說，歸因于附壁效應，當液體以高速率在彎曲表面(即，噴嘴34)上方流動時，也將夾帶噴嘴34周圍的高氣體流(即，來自上部部分36的氣體39)。應理解，對于附壁應用，主要流體(例如,液體)與次要流體(例如,氣體)體積流量之間的比率顯著高于以噴射器可實現(xiàn)的比率，例如所述比率可在近似10與80之間。噴嘴34還充當轉(zhuǎn)移泵，其使用液體夾帶氣體且經(jīng)由腔室11循環(huán)液體-氣體混合物。當液體液面升高時，腔室11中的氣體被壓縮。
[0040]噴嘴34可采取許多形式。在所說明的實施方案中，噴嘴34沿著進入部分40會合到咽喉部分42。在一個實施方案中，液體使用泵組合件14以高速度(例如，至少lOm/s)從入口 32注射到噴嘴34中，且在咽喉部分42處排出以形成從噴嘴34延伸的液體錐44。引入到噴嘴34的液體以氣旋方式沿著進入部分40流動，如箭頭46指示。一旦排出咽喉部分42，液體就繼續(xù)以氣旋方式流動以形成液體錐44。在所說明的實施方案中，進入部分40圍繞噴嘴34的縱軸成軸對稱。在一個實施方案中，彎曲進入部分40可界定拋物線構型，其包含一或多個結構特征(例如，槽)以沿著進入部分40在液體流中產(chǎn)生所要紊流。作為替代或另外，如圖3所示，彎曲進入部分40可界定具有平滑表面的拋物線構型。作為替代或另夕卜，拋物線構型可包含例如階梯等一或多個結構特征(例如，隆起、凸起部分等)以沿著彎曲進入部分40在液體流中產(chǎn)生紊流。在液體流動期間，附壁效應將保持液體射流(其在下文詳細論述)，其附接到彎曲進入部分40以便在進入部分40上方產(chǎn)生低壓力和高紊流的區(qū)域48。歸因于區(qū)域48中產(chǎn)生的低壓力和高紊流，液體射流中的氣體夾帶從上部部分36最大化，將氣體帶到下部部分38。作為替代或另外，液體射流中的一或多者可界定彎曲壁射流。歸因于曲率對液體射流的外部部分中的紊流的失穩(wěn)效應，有可能增加液體射流中的氣體夾帶量。這可增加氣體與液體之間的混合的量，且因此還可增加熱傳遞的量。
[0041]噴嘴34還包含鐘形部分50，其沿著噴嘴34的縱軸相對于咽喉部分42安置在腔室內(nèi)。通過改變部分50的垂直位置，咽喉部分42的最小橫截面52可變化。原理上，較大最小橫截面52將允許從進入部分40到錐體44的較高氣流。然而，較小最小橫截面52將致使氣體速度直接增加且增強腔室11內(nèi)氣體與液體的混合物的紊流度?；趯嶒灒畲鬅醾鬟f可通過調(diào)整腔室11內(nèi)的流體的流動、速度和紊流而確定。
[0042]在液體通過咽喉部分42之后，液體在來自鐘形構型50的輔助下形成錐體44。在一個實施方案中，由進入部分40和錐體44界定的角大于90度。另外或獨立地，可在進入部分40中引入漩渦組件以在噴嘴34附近產(chǎn)生氣旋流。關于鐘形部分50，錐體44可相對于進入部分40界定比鐘形部分50與進入部分40之間的對應角大的角。在此配置中，鐘形部分50與錐體44之間的流將具有擴散器效應，在區(qū)54處鐘形部分50的末端處的氣體壓力關于腔室11內(nèi)的平均氣體壓力稍許增加。此擴散過程還可增加腔室11內(nèi)的紊流。由于此配置，氣體將趨向于通過傳遞穿過錐體44和/或穿過形成在腔室11中的液體活塞56而在錐體44的底部逃逸。隨著更多液體進入腔室11，液體活塞56的體積增加以壓縮腔室11內(nèi)的空氣。
[0043]最終，氣體從錐體44逃逸，如箭頭58描繪。一旦從錐體44排出，氣體就經(jīng)由定位在噴嘴34周圍的再循環(huán)通道64遵循箭頭60被汲取到上部部分36。在一個實施方案中，歸因于噴嘴34的配置，腔室11內(nèi)的氣體將針對每一壓縮周期循環(huán)至少二十次。針對HP腔室12，可使用小型低頭再循環(huán)泵來實現(xiàn)較大數(shù)目的再循環(huán)周期以抵抗HP腔室12的減小的熱交換表面。
[0044]圖3說明噴嘴34的部分截面圖。在一個實施方案中，進入部分40由單一整體形成。一個實施方案包含流構型40，其具有由拋物線描述(以簡化形式)的幾何形狀，其中傾斜軸近似30-45度且D/a比率為2.5到4。在一個實施方案中，進入部分40可如美國專利N0.3，337，121中所描述而形成。
[0045]液體流從入口 32經(jīng)由保持板66和覆蓋板68而提供。在替代實施方案中，板66和68可由單一板形成。液體接著提供到由第一板70和第二板72形成的遞送歧管。第一板70界定供液體流動到第二板72中提供的孔隙76的中心通道74。經(jīng)由孔隙76提供的液體提供到流體耦合到進入部分40的射流板78。射流板78界定多個槽80。任選地，提供在第二板72中的孔隙76可與射流板78中的槽80對準。在液體進入到槽80中后，液體射流(例如，圖3中的液體射流80A)即刻形成且被提供到進入部分40。另外，槽80的每一者可界定噴嘴使得液體射流的速度隨著其移動穿過噴嘴的會合部分而增加，然后提供到進入部分40。本公開案預期槽80可例如通過激光切割射流板78而形成。本公開案預期槽80的數(shù)目和之間的間隔可變化以實現(xiàn)所要效果，例如氣體和液體的所要夾帶量以及氣體與液體之間的熱傳遞。另外，槽80形成在再循環(huán)通道64附近以增強液體和氣體混合。任選地，槽80和再循環(huán)通道64可交錯。
[0046]在所說明的實施方案中，槽80定向為30度角(相對于腔室11的外圓周的切線)以便產(chǎn)生進入槽80的液體的順時針漩渦運動。本公開案預期所述槽可定向為除30度以外的角度以產(chǎn)生所述漩渦運動。作為替代或另外，槽80不沿著腔室11的半徑(例如，從腔室11的中心到圓周延伸的線)近似定向。盡管可利用不同配置，但所說明實施方案中的槽80的每一者從進入點會合，且由于流體流經(jīng)槽80而形成的液體射流在進入進入部分40后接著岔開到液體射流的每一者的一般匯流。射流板78的變化可包含槽80的漩渦角的參數(shù)變化、每一槽80的匯流距離、板厚度、槽80的排出區(qū)域，以及槽80的排出角。在一個實施方案中，射流板78可由例如6061鋁或不銹鋼等適宜的金屬合金制成。
[0047]圖4示意說明分離組合件15，其從HP腔室12接收高壓力壓縮的氣體。所述經(jīng)壓縮氣體歸因于LP腔室11和HP腔室12內(nèi)發(fā)生的壓縮而與液體/氣體混合物中的水混合。分離組合件15包含形成腔室的分離器82，以及任選地用于將氣體與液體分離且產(chǎn)生經(jīng)壓縮干燥氣體的馬達葉片84。來自HP腔室12的經(jīng)壓縮氣體由于泵組合件14的操作首先遞送到氣旋分離器82的入口 86。氣旋分離器82說明性地包含外部管道88和定位在外部管道88內(nèi)的內(nèi)部管道90。在一個實施方案中，外部管道88和內(nèi)部管道90兩者為金屬的(例如，鑄鐵、不銹鋼)。氣體經(jīng)由入口 86以稍許向下角度且與外部管道88的內(nèi)壁92相切而引入到外部管道88以便產(chǎn)生漩渦。漩渦內(nèi)的離心力操作以將液體與氣體分離。特定來說，液體被迫抵靠內(nèi)壁92且沿著壁92朝向分離器82的底部行進。在漩渦旋轉(zhuǎn)減弱之后，氣體由內(nèi)部管道90轉(zhuǎn)移到馬達葉片84。特定來說，氣體轉(zhuǎn)動180度進入內(nèi)部管道90中，因為液體歸因于其高慣性具有在外部管道88的底部處集合的傾向。
[0048]圖5說明馬達葉片84的一部分，其經(jīng)由入口 94從內(nèi)部管道90接收經(jīng)壓縮氣體。在一個實施方案中，馬達葉片84由塑料材料形成且定位在外殼95內(nèi)。馬達葉片84可由無潤滑高化學阻力滾動軸承支撐。馬達葉片84由來自源自內(nèi)部管道90的氣體的流動的能量驅(qū)動。在通過入口 94之后，氣體使用至少一個噴嘴96 (說明其中兩個)在高速度(例如，近似50mls的速度)下加速且以低角度遞送到渦輪機98，渦輪機98包含多個沿圓周間隔的彎曲葉片。渦輪機98建置為馬達葉片84的一部分且位于馬達葉片84的底部處。噴嘴96在經(jīng)定位以接收來自入口 94的流的軸承載體100中雕刻。將了解，可利用噴嘴96的不同配置(例如，噴嘴的數(shù)目、噴嘴的進入和排出角)。
[0049]圖6是用于實施使用經(jīng)加壓液體來壓縮氣體的過程的另一系統(tǒng)60的示意圖。系統(tǒng)60包含LP腔室11、HP腔室12和液體艙16。這些系統(tǒng)組件在上文參看圖1詳細論述且因此在下文不再進一步詳細論述。應理解，系統(tǒng)60可包含例如閥、管道等組件以促進系統(tǒng)60內(nèi)的流體(例如，經(jīng)加壓液體和/或氣體)的轉(zhuǎn)移。類似于圖1，氣體可從氣體源18供應到系統(tǒng)60。止回閥或雙向閥24可沿著氣體供應線路提供以防止當壓縮過程開始時氣體返回到艙16。另外，液體可從液體源18A供應到艙16。
[0050]同樣類似于圖1，在圖6中，氣體可在第一壓縮階段期間由從艙16提供的液體在LP腔室11中壓縮到較高中間壓力。隨后，在第二壓縮階段中，氣體可由從艙16提供的液體在HP腔室12中壓縮到依然較高儲存壓力。另外，如上文參看圖1論述，在第二壓縮階段之后，氣體可流動到流體連接到HP腔室12的分離器組合件，在分離器組合件處液體可從氣體移除使得留下干燥經(jīng)壓縮氣體。在圖6中，泵組合件可包含多個泵，例如兩個泵22A-22B。泵22A-22B可用于將水供應到LP腔室11和HP腔室12。換句話說，泵22A-22B可用于為液體活塞提供動力。特定來說，泵22A可用于將液體供應到LP腔室11，且泵22B可用于將液體供應到HP腔室12。
[0051]任選地，泵22A可為高流動低壓力泵，其適于LP腔室11的流動要求。舉例來說，泵22A可為多階離心泵。作為替代或另外，泵22B可為低流動高壓力泵，其適于HP腔室12的流動要求。舉例來說，泵22B可為徑向活塞泵。另外，泵22A-22B可任選地流體串聯(lián)連接。如圖6所示，泵22A可將液體提供到LP腔室11和泵22B兩者。在此配置中，泵22A可為泵22B提供吸入頭。另外，根據(jù)此配置，當泵22A-22B串聯(lián)操作時，可在相同時間(例如，同時)在LP和HP腔室中向LP腔室11和HP腔室12供應液體(且可執(zhí)行壓縮)。舉例來說，為壓縮LP腔室11中的氣體，液體可從艙16抽吸到LP腔室11的頂部，在LP腔室11的頂部液體經(jīng)由附壁噴嘴注射，這導致氣體的夾帶和液體與氣體之間的熱傳遞。同時，液體可從艙16抽吸到HP腔室12的頂部，在HP腔室12的頂部液體經(jīng)由附壁噴嘴注射，這導致氣體的夾帶和液體與氣體之間的熱傳遞。因此批量執(zhí)行壓縮過程，其中兩個液體活塞同時操作。另外，泵22A-22B及其在系統(tǒng)60中的布置可經(jīng)選擇以使能量消耗最小化。
[0052]作為替代或另外，控制閥26可提供在LP腔室11與HP腔室12之間?？刂崎y26可控制LP與HP腔室之間流體(例如，氣體和/或液體)的流動。任選地，HP腔室12可布置或定位在LP腔室11上方(例如，相對于LP腔室11處于較高高度)。在此配置中，當控制閥26在打開位置中(例如，允許流體在LP與HP腔室之間流動)時，LP腔室11中的經(jīng)壓縮氣體可轉(zhuǎn)移到HP腔室12中。另外，如圖6所示，液體從HP腔室12返回(例如，用于在先前周期期間壓縮氣體的液體)穿過LP腔室11。因此，借助重力，液體還可經(jīng)由控制閥26從HP腔室12轉(zhuǎn)移到LP腔室11。如上文論述，液體可接著最終返回到艙16，在艙16處液體可任選地例如通過對流冷卻，隨后在后續(xù)壓縮周期期間再用于注射到LP和HP腔室中。在此配置中，單一控制閥(例如，控制閥26)可用于在LP與HP腔室之間轉(zhuǎn)移氣體和液體兩者。因此，有可能減少原本將對于從HP腔室12驅(qū)逐經(jīng)壓縮氣體為必需的掃氣工作。
[0053]盡管本公開案已參考優(yōu)選實施方案描述，但本領域的技術人員將認識到，可在不脫離本公開案的精神和范圍的情況下作出形式和細節(jié)上的改變。
【權利要求】
1.一種用于使用液體壓縮氣體的方法，其包括: 維持低壓力腔室中第一體積的氣體，所述低壓力腔室包括附壁噴嘴； 維持高壓力腔室中第二體積的氣體，所述高壓力腔室流體連接到所述低壓力腔室且包括附壁噴嘴； 將經(jīng)加壓液體經(jīng)由所述附壁噴嘴提供到所述低壓力腔室中，其中所述經(jīng)加壓液體將所述第一體積的氣體壓縮為第一壓力；以及 將經(jīng)加壓液體經(jīng)由所述附壁噴嘴提供到所述高壓力腔室中，其中所述經(jīng)加壓液體將所述第二體積的氣體壓縮為大于所述第一壓力的第二壓力，其中將經(jīng)加壓液體同時提供到所述低壓力和高壓力腔室，且其中用于所述低壓力和高壓力腔室的所述附壁噴嘴經(jīng)配置以在壓縮期間增加所述經(jīng)加壓液體中氣體的夾帶。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其還包括: 提供經(jīng)配置以將經(jīng)加壓液體供應到所述低壓力腔室的第一泵；以及 提供經(jīng)配置以將經(jīng)加壓液體供應到所述高壓力腔室的第二泵，其中所述第一和第二泵串聯(lián)布置。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其還包括用相同馬達驅(qū)動所述第一和第二泵。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一權利要求所述的方法，其還包括操作布置在所述低壓力與高壓力腔室之間的控制閥，其中所述控制閥經(jīng)配置以控制所述低壓力與高壓力腔室之間的經(jīng)加壓液體和氣體的至少一者的流動。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述高壓力腔室相對于所述低壓力腔室定位在較高高度，且其中當所述控制閥處于打開位置時所述經(jīng)加壓液體通過重力在所述高壓力與低壓力腔室之間流動。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一權利要求所述的方法，其還包括從流體連接到所述低壓力和高壓力腔室的液艙將經(jīng)加壓液體提供到所述低壓力和高壓力腔室，其中所述液艙中儲存所述液體。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一權利要求所述的方法，其還包括在流體連接到所述高壓力腔室的分離器組合件中將所述經(jīng)加壓液體與所述氣體分離，同時將所述氣體維持在近似所述第二壓力下。
8.根據(jù)權利要求1-7中任一權利要求所述的方法，其中在所述低壓力和高壓力腔室的至少一者中壓縮氣體近似為等溫的。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一權利要求所述的方法，其中所述經(jīng)加壓液體是水、汽油、柴油以及水與乙二醇的混合物中的至少一者。
10.根據(jù)權利要求1-9中任一權利要求所述的方法，其中將經(jīng)加壓液體經(jīng)由所述附壁噴嘴提供到所述低壓力和高壓力腔室的至少一者還包括: 形成至少一個液體射流； 在彎曲表面上接收所述液體射流；以及 沿著所述彎曲表面引導所述液體射流以在所述液體射流中產(chǎn)生低壓力和高紊流的區(qū)域。
11.一種用于使用液體壓縮氣體的系統(tǒng)，其包括: 低壓力腔室，其經(jīng)配置用于將氣體壓縮到第一壓力，所述低壓力腔室包括附壁噴嘴； 高壓力腔室，其經(jīng)配置用于將氣體壓縮到大于所述第一壓力的第二壓力，所述高壓力腔室流體連接到所述低壓力腔室且包括附壁噴嘴；以及 泵組合件，其包括: 第一泵，其與所述低壓力腔室成流體連接且經(jīng)配置以經(jīng)由所述附壁噴嘴將液體供應到所述低壓力腔室以將氣體壓縮到所述第一壓力；以及 第二泵，其與所述高壓力腔室成流體連接且經(jīng)配置以經(jīng)由所述附壁噴嘴將液體供應到所述高壓力腔室以將氣體壓縮到所述第二壓力，其中所述第二泵與所述第一泵串聯(lián)布置，且其中用于所述低壓力和高壓力腔室的所述附壁噴嘴經(jīng)配置以在壓縮期間增加所述液體中氣體的夾帶。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二泵分別經(jīng)配置以將液體供應到所述低壓力和高壓力腔室以同時將氣體壓縮到所述第一和第二壓力。
13.根據(jù)權利要求11-12中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述泵組合件包括經(jīng)配置以驅(qū)動所述第一和第二泵的馬達。
14.根據(jù)權利要求11-13中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其還包括布置在所述低壓力與高壓力腔室之間的控制閥，其中所述控制閥經(jīng)配置以控制所述低壓力與高壓力腔室之間的液體和氣體的至少一者的流動。
15.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述高壓力腔室相對于所述低壓力腔室定位在較高高度，且其中當所述控制閥處于打開位置時所述液體通過重力在所述高壓力與低壓力腔室之間流動。
16.根據(jù)權利要求11-15中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其還包括液艙，所述液艙流體連接到所述低壓力和高壓力腔室以及所述泵組合件，其中所述液艙中儲存所述液體。
17.根據(jù)權利要求11-16中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其還包括分離器組合件，所述分離器組合件流體連接到所述高壓力腔室，其中所述分離器組合件經(jīng)配置以將所述液體與所述氣體分離，同時將所述氣體維持在近似所述第二壓力下。
18.根據(jù)權利要求11-17中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中在所述低壓力和高壓力腔室的至少一者中壓縮氣體近似為等溫的。
19.根據(jù)權利要求11-18中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述液體是水、汽油、柴油以及水與乙二醇的混合物中的至少一者。
20.根據(jù)權利要求11-19中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述附壁噴嘴的每一者包括: 射流板，其具有用于形成液體射流的至少一個槽；以及 彎曲進入部分，其與所述射流板成流體連接，所述彎曲進入部分接收所述液體射流，其中所述彎曲進入部分經(jīng)配置以當所述液體射流沿著所述彎曲進入部分流動時在所述液體射流中產(chǎn)生低壓力和高紊流的區(qū)域。
【文檔編號】F17C5/06GK104379984SQ201380026927
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月22日 優(yōu)先權日:2012年5月22日
【發(fā)明者】科德林-格瑞·坎泰米爾, 法比奧·基亞拉, 馬爾賽格·卡諾瓦, 詹姆斯·杜蘭德 申請人:俄亥俄州國家創(chuàng)新基金會