用於氣體分離裝置的雙鼓風機的製作方法
2023-08-09 21:41:46 4
專利名稱：用於氣體分離裝置的雙鼓風機的製作方法
技術領域：
本發明涉及消除在氣體分離系統中所用類型的鼓風機運 轉中的壓力脈動以及因此所產生的噪音。
背景技術：
非低溫氣體分離方法，特別是吸附方法，被用來從氣態混 合物中分離不同的成分，例如從空氣中分離氧氣。變壓吸附(PSA)方 法，包括超大氣壓吸附/解吸方法、低大氣壓真空變壓吸附(VSA)和橫 跨大氣壓真空變壓吸附(VPSA)方法幾十年來已經被用於空氣分離，並 且是本領域公知的。常規的PSA、 VSA和VPSA方法使用容積式鼓風機 (positive displacement blowers)來將流體供給到吸附容器中，或者從吸 附容器中排出。大噸位氣體分離裝置，包括VPSA裝置，需要高流動 的氣體流入和流出吸附床。市售的非定製的(off-the-shelf)鼓風機不能 將所需流量的空氣供給到所述的裝置中，而在這種尺寸範圍中所定製 的鼓風機變得令人無法接受的昂貴。此外，更大的鼓風機在所述的裝 置中產生了更高的壓力脈沖，其會損壞所述的設備，並導致更高的噪 音量。在VPSA裝置中，鼓風機將大量的氣體以相對恆定的體 積，經由在每個鼓風機的葉片和機殼之間的袋狀結構從吸入側的入口 轉移到排出側的出口。氣體流入和流出鼓風機是不穩定的，更確切的， 它是一種不連續的動作。由於在氣袋與管道系統之間的壓差，每次當 轉子頭(rotor tips)轉過(clear)機殼時，其產生壓力波動。這樣的波動產 生壓力脈動。這些脈動是鼓風機尺寸和速度的函數。在管道系統和裝 置裝備中，這些脈動本身表現為振動，其使得管道系統和裝置裝備發 生搖動，並且會導致嚴重的損壞。在環境空氣中，這些脈動表現為噪 音，其可能是極其喧鬧的。由於需要將這些裝置的生產能力提得更高， 因此提高了該裝置的尺寸和該裝置中的鼓風機的尺寸。但是，更大的鼓風機尺寸和更高的轉速產生了更高的脈動，其會危及裝置裝備例如 二次冷卻器、床和管道，並且還可能產生更大的噪音量。通常，在低 頻產生最大的損壞脈動。鼓風機所產生的脈動的主頻率是該頻譜中最 低的頻率，這使得消除這些脈動非常具有挑戰性。為了使所述的脈動的影響最小，氣體分離裝置可以使用鼓
風機入口和/或排出消音器。但是，對於更大的裝置，這樣的消音器變 得令人無法接受的昂貴，並且它們通過在流動中產生壓力下降而降低 了裝置效率。即使這些消音器能夠減少脈動和噪音，但是，該脈動問 題仍然存在，並且需要通過其它的一些手段來消除。以前已經進行了一些嘗試來解決脈動和噪音問題，包括安 裝赫爾姆霍茨(Helmholtz)型脈動阻尼器(也稱作赫爾姆霍茨共振器，美 國專利No. 5,957,664)、柱形金屬殼排出消音器(美國專利No. 5，957，664 和5，658，371)和地下型混凝土消音器(美國專利No. 6,451,097)。特別 的，柱形金屬殼型消音器在工業中得以廣泛使用，但是對於高振幅和 低頻率脈動的使用來說，它們不是非常有效的。為了提高它們的效率， 已經提出將柱形金屬殼型消音器與赫爾姆霍茨共振器結合使用(美國 專利No. 5,957,664)。但是，這些共振器僅僅在消除某些頻率的脈動是 有效的。這些消音方法基於反作用(reactive)和吸收性聲音消除原理。 在設計大的氣體分離裝置中最大的障礙是它需要非常高的流速，這隻 能通過使用單個的比市售鼓風機更大的鼓風機或者同時使用兩個較 小的非定製的鼓風機來實現。美國專利No. 5,656,068公開了一種四床 VPSA方法(以兩對2-床系統來運轉，稱作2x2循環/系統)來從空氣中 製造氧氣。每對床是180。異相運轉的，並且兩對床是通過半周期的二 分之一 來異相運轉的。使用兩個壓縮機(一個是羅茨(Roots)或者容積式 的(positive displacement), 一個是離心的)和兩個真空泵(一個是羅茨或 者容積式的， 一個是離心的)，並且兩個壓縮機中的一個是周期性的處 於空閒模式或者排氣模式的。雖然在美國專利No. 5，656，068中已經公 開了使用了兩個相對小的鼓風機來代替一個大型鼓風機，但是其沒有 教導或者使用主動(active)噪音消除的概念。美國專利申請No. 1 1/395，140(代理人案號No. D-21491)公 開了另外一種方案，其使用消音器來將大噸位的氧氣VPSA裝置中的 真空鼓風機排出處的噪音量降低到大約90dB程度。該消音器包含了
5反作用腔來削弱低頻脈動和吸收腔來削弱中到高頻噪音。該消音器的 外壁和內部是由混凝土製成。不像鋼殼的消音器，該混凝土消音器將 不振動或者充當噪音源。低頻噪音是通過在 一 系列反作用腔中擴張和 收縮流而消除的，所述的反作用腔在分開的壁中具有多個開孔。吸收 腔迫使進行一種曲折的流動，並且它們的整個內壁上覆蓋有吸音材料 來有效地消除高頻噪音。但是，這種方案仍然需要使用大的定製的鼓 風機或者使用多個鼓風機來提供足夠的進料氣供給。因此，這裡一直需要一種低成本的和可靠的解決方案來防
止脈動損壞和降低噪音量，同時以成本有效的方式來提供流入和流出 所述裝置的氣體的高流量。 發明概述本發明涉及 一 種減少或者消除由氣體分離裝置中的鼓風 機所產生的壓力脈動和所形成的噪音的方法。更明確的，本發明涉及 一種消除源自氣體分離裝置中的鼓風機運轉的壓力脈動的方法，其包 括(a)安裝兩個同樣的鼓風機，每個具有吸入側和排出側；(b)將第 一鼓風機連接到第一管道，將第二鼓風機連接到第二管道；(c)對稱 地布置第一管道和第二管道；(d)將第一管道與第二管道合併成單個 的合併管道；和(e)使得第一鼓風機與第二鼓風機同步，其中第一鼓 風機在目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目 標頻率所產生的壓力脈動是180。異相的。所述方法使用兩個同樣的同步鼓風機來產生180°異相壓 力脈動。以這種方式，該鼓風機提供了大流量的空氣和主動的壓力脈 動消除二者。這兩個鼓風機連接到一個共同的具有相位移的軸杆(shaft) 上，以這種方式， 一個鼓風機所產生的壓力脈沖將被另一個鼓風機所 產生的脈沖主動消除。同時，兩個鼓風機將一起工作來推動大量的氣 體流入或流出所述的裝置。這兩個一組的(twin set of)鼓風機可以用於 所述裝置中的進料或真空應用。這樣大噸位氣體分離裝置的資本成本 可以通過取消對於昂貴的消音器和單個的大的定製的鼓風機的需要 而降低。已知的消音方法僅僅在某些頻率範圍內有效。在本發明 中，雙鼓風機在其源頭消除了在每個鼓風機主頻率的壓力脈動。在主 頻率的更高諧波的脈動可以持續，並且需要使用常規的消音器來消除。但是，在鼓風機主頻率的壓力脈動具有最大的損壞能量，並且相 比於該頻率的更高諧波來說，更難以削弱。從這點來說，與在低頻脈 衝已經在管道系統中形成之後試圖使用消音器來消除它們相比，使用 本文中所述的雙鼓風機的概念，在裝置中低頻脈沖產生之後立即將它 們進行消除是更有效和經濟的。本發明還涉及一種氣體分離系統，其包括(a)兩個同樣 的鼓風機，每個具有吸入側和排出側；(b)連接到第一鼓風機的第一 管道，和連接到第二鼓風機的第二管道；這裡第一管道和第二管道是 對稱布置的；(c)合併管道，在此第一管道和第二管道一起併入其中； 和(d)使得第一鼓風機與第二鼓風機同步的機構，其中第一鼓風機在 目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率 所產生的壓力脈動是180。異相的。本發明進一步涉及一種用來消除在氣體分離過程中所產 生的壓力脈動的設備，其中這樣的設備同時提供進料氣或者放出產物 氣體，所述的設備包括(a)兩個同樣的鼓風機，每個具有吸入側和 排出側；(b)連接到第一鼓風機的第一管道，和連接到第二鼓風機的 第二管道，這裡第一管道和第二管道是對稱布置的；(c)合併管道， 在此第一管道和第二管道一起併入其中；和(d)使得第一鼓風機與第 二鼓風機同步的機構，其中第一鼓風機在目標頻率產生壓力脈動，該 壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率所產生的壓力脈動是180°
異相的。
為了更徹底的理解本發明及其優點，應當參考下面的更詳
細的說明以及附圖，其中圖1是VPSA裝置的設計示意圖。圖2是雙鼓風機系統和壓力脈動消除的示意圖。圖3是表示在鼓風機管道系統中的壓力場的圖。圖4是表示作為模擬結果所示的壓力脈動消除的圖，這裡
管道系統的幾何形狀是對稱的，並且所產生的壓力脈動是180。異相。
在鼓風機管道合併之後，管道中沒有脈動存在。圖5是表示當脈動不是完全異相和管道系統的幾何形狀
是對稱的時，壓力脈動沒有消除的圖。在鼓風機管道合併之後，管道中有脈動存在。圖6是表示當管道系統不對稱時，異相脈動沒有被消除的 圖。在鼓風機出口管道合併之後，在出口管道中存在著脈動。圖7是表示計算流體動力學(CFD)模擬結果的圖，證實了 來自每個鼓風機的流動成功地合併到合併管道中，對於給定的體積流
量來說o圖8是表示一種不同的管道構造(Y形)的圖，其在消除脈 動方面同樣是成功的，並且表明了在鼓風機管道合併之後，管道中沒 有脈動存在。圖9是表示典型的鼓風機和鼓風機管道的圖。
圖IO是雙鼓風機系統的示意圖。 發明詳述本發明涉及一種減少或者消除由氣體分離裝置中的鼓風 機所產生的壓力脈動和所形成的噪音的方法。術語"壓力脈動"可以與 術語"壓力脈沖"、"氣體脈動"、"氣體脈衝"、"脈動"或者"脈衝"可互 換地使用。術語"管道"可以與"管道"或者"管道系統"可互換地使用。 所述方法使用兩個同樣或者同步的雙鼓風機來產生180。異相脈動。該 雙鼓風機提供了大流量的空氣和在鼓風機主頻率的主動的壓力脈動 消除二者。在一種實施方案中，兩個鼓風機連接到一個共同的具有相
位移的軸杆上，以這種方式， 一個鼓風機所產生的壓力脈沖將被另一 個鼓風機所產生的脈衝主動消除。同時，兩個鼓風機將一起工作來推 動大量的氣體流入或流出所述的裝置。這兩個 一 組的鼓風機可以用於 所述裝置中的進料或真空應用。以這種方式，氣體分離裝置的資本成 本可以通過消除對於一種或多種昂貴的消音器和單個的大的定製的 鼓風機的需要而降低。圖1表示了 VPSA裝置(l)的設計。在這種具體的裝置設 計中，雙鼓風機是進料鼓風機，但是同樣的概念可以等同地應用於真 空鼓風機。在進料步驟中，進料氣通過入口過濾器(2)和入口消音器(3) 而進入所述的裝置中。消過音的進料氣經由進料入口管道(4， 5)而被供 給到兩個進料鼓風機(6, 7)中。每個進料鼓風機將進料氣排放到其各自 的管道(8，9),並且在此後，在進入到吸附床(12, 13)中的一個之前，將 合併的流(10)在二次冷卻器(11)中冷卻，在吸附床(12, 13)中，所述氣體中的 一種或多種成分被吸收，剩餘的產物氣體成分被排放到緩沖罐
(14),通過該緩衝罐(14)將其傳送到用戶(15)。當一個吸附床進行進料
(吸附)步驟時，另一個床在真空(解吸)步驟中再生，在此過程中，從吸
附床經過真空鼓風機(16)排出的氣體是真空化的，並且在排放(18)到大 氣之前，在真空排出消音器(17)中消音。真空變壓吸附(VPSA)循環和 裝置的概念更詳細地描述於美國專利No. 6,010,555中。圖1表述了雙 床裝置，但是本發明在具有大於兩個床的裝置中同樣是有效的。為了減少裝置中不期望的脈動，本發明使用兩個一組的(a twin set of)鼓風機，通過另 一鼓風機所產生的脈動來主動消除由 一個 鼓風機所產生的壓力脈動。本發明可用於常規的任意尺寸的非定製的 鼓風機。圖2重點表示了 VPSA裝置中的雙進料鼓風機和它們的管道 系統。將第 一鼓風機(6)和第二鼓風機(7)的管道(8, 9)合併為單個的管 道(IO),並且兩個鼓風機一起工作來推動大量的氣體進入所述的裝置 中。在一種實施方案中，鼓風機是通過相同的電動馬達(20)來帶動的， 同時一個鼓風機直接連接到該電動馬達的軸杆(21)上，另外一個鼓風 機通過連接到該軸杆上的同步皮帶(22)來帶動。同步皮帶以這樣的方 式來確保鼓風機之間的恆定的相位移，即，從鼓風機所產生的脈沖是 完全相反的(即180°異相)。其它產生恆定的相位移的方法包括但不限 於，機構例如齒輪或鏈條。當由每個鼓風機所推動的氣體流過它們各 自的出口管道(8，9)時，壓力脈動波在這些管道中形成。當兩個鼓風機 的出口管道合併(10)時，來自每個鼓風機的脈動相互幹涉，並最終彼 此消除。這是主動脈動消除的基本概念，並且它可以應用於任何尺寸 和速度的鼓風機上。圖2表示雙鼓風機排出側的管道系統，但是本發 明還涉及鼓風機吸入側的管道系統。在鼓風機的吸入側和排出側之一 或兩者的管道可以對稱地布置來實現主動的脈動消除。在其它實施方 案中，第一鼓風機可以間接地與第二鼓風機相連接。例如，每個鼓風 機可以直接連接到單獨的馬達上，並且該馬達以適當的相位移來連接 和同步以便使鼓風機旋轉。本發明涉及一種消除源自氣體分離裝置中的鼓風機運轉 的壓力脈動的方法，其包括(a)安裝兩個同樣的鼓風機，每個具有 吸入側和排出側；(b)連接第一鼓風機到第一管道，和連接第二鼓風 機到第二管道；(c)對稱地布置第一管道和第二管道；(d)將第一管道
9與第二管道合併成單個的合併管道；和(e)使得第一鼓風機與第二鼓 風機同步，其中第一鼓風機在目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與 第二鼓風機在同樣的目標頻率所產生的壓力脈動是180。異相的。本發 明預期在特定的目標頻率來消除壓力脈動，該目標頻率可以基於第一 和第二管道的長度進行選擇。通常，該目標頻率將處於鼓風機所產生 的壓力脈動的主頻率。本發明還涉及一種氣體分離系統，其包括(a)兩個同樣 的鼓風機，每個具有吸入側和排出側；(b)連接到第一鼓風機的第一 管道，和連接到第二鼓風機的第二管道，這裡第一管道和第二管道是 對稱布置的；(c)合併管道，在此第一管道和第二管道一起併入其中； 和(d)使得第一鼓風機與第二鼓風機同步的機構，其中第一鼓風機在 目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率 所產生的壓力脈動是180。異相的。本發明進一步涉及一種用來消除在氣體分離過程中所產 生的壓力脈動的設備，其中這樣的設備同時提供進料氣或者放出產物 氣體，所述的設備包括(a)兩個同樣的鼓風機，每個具有吸入側和 排出側；(b)連接到第一鼓風機的第一管道，和連接到第二鼓風機的 第二管道，這裡第一管道和第二管道是對稱布置的；(c)合併管道， 在此第一管道和第二管道一起併入其中；和(d)使得第一鼓風機與第 二鼓風機同步的機構，其中第一鼓風機在目標頻率產生壓力脈動，該 壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率所產生的壓力脈動是180°
異相的。圖9表示一種典型的鼓風機例如鼓風機1 (6)，其中存在 著具有排出法蘭(33)的排出側。脈衝是由於鼓風機內部的旋轉葉片的 作用而產生的，並且假定締合波(associated waves)在鼓風機的中心線 (32)開始傳播。中心線(32)將鼓風機分為相同的部分，在中心線一側是 排出側，在另一側是吸入側。這些脈衝的頻率與鼓風機驅動軸的轉速 和鼓風機中的葉片數直接相關。這些脈沖的波長只是音速與脈動頻率 的比率。為了防止在將鼓風機與所述裝置中的其它裝備相連接的管道 迴路中的聲學共振的形成，應當通過將所述管道的長度與脈動波長相 比較來仔細地選擇管道的長度。例如，對於單個的將鼓風機與消音器 相連的管道情況，由於壓力脈沖在所述管道的鼓風機一側的端部開始
10傳播，因此將這個端部進行封端處理，而由於所述管道通向大得多的 空間，因此將所述管道的消音器一側的端部以開放端的形式處理。四 分之一波長(X/4)共振在這個具有一端封閉，另 一端開放的管道中形 成。因為這個原因，為了防止所述管道中的聲學共振，需要的是從鼓 風機中心線(即，波開始傳播的地方)到連接管道的開放端的距離不等 於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之 一 波長的任何整數倍。參考圖9,從鼓風機中心線(32)到排出法蘭(33)的距離稱為 長度A。管道(34)從鼓風機排出(33)到管道(35)的端部(即，如圖10所 示，在這裡兩個管道(8, 9)在合併點(40)進行合併)的長度被稱為長度 B。因此，總長度A+B應當以這樣的方式進行選擇，即其不促進四分 之一波長共振在所述管道中形成。換句話說，A+B應當不等於目標頻 率或者它的更高的諧波的四分之 一 波長的任何整數倍。長度A根據鼓風機的尺寸而變化。作為一個例子，對於 小型試驗裝置規模的鼓風機來說，長度A大約是9-10英寸，對於最 大的市售規模的鼓風機來說，長度A到達至多35-39英寸。VPSA裝 置中的鼓風機典型的是在40-100Hz的頻率範圍中運行，並且對應於 這個頻率範圍的波長是10-30英尺。由於長度A可能是與這裡提到的 波長相當的，因此將這個長度包括到管道長度的計算中來防止聲學共 振是至關重要的。圖9表述了作為直管的排出管道(34),但是排出管 道(34)可以是L型的或者與第二鼓風機的排出管道成一定角度來形成 Y型，例如圖2、 3和10中所示的排出管道(8， 9)。圖9表示了鼓風機 和在鼓風機的排出側的管道系統，但是本發明還涉及在鼓風機的吸入 側的管道系統。在吸入側的管道系統的情況中，長度A的度量是從中 心線到吸入法蘭，長度B是吸入管道系統的長度。參考圖IO,鼓風機1 (6)與排出管道(8)相連接，鼓風機2(7) 與排出管道(9)相連接。這兩個排出管道(8， 9)在合併點(40)處連接成單 個的合併管道(IO)。每個排出管道(8， 9)從鼓風機排出延伸到合併點 (40),而合併管道(10)從合併點(40)延伸到進料鼓風機構造的二次冷卻 器或者延伸到真空泵構造的消音器。圖IO表示了作為實例的的"L"型 管道，其中，圖9的管道(34)不必是直管並且可以構造成管道(8),以 及管道(35)的端部是合併點(40)。圖10表示了在雙鼓風機的排出側的 管道系統，但是本發明還涉及在鼓風機的吸入側的管道系統。
非常重要的是對於雙鼓風機管道迴路進行分析來成功地 利用這種工藝。應當對管道系統的聲學振蕩型(acoustical mode)和自然 頻率進行鑑別，以防止在管道迴路中聲學共振的形成。在共振頻率的 附近，脈動的振幅被放大，並且脈動的消除變得不太有效。此外，根 據所述的頻率，可以在管道(8， 9)中建立不同的振蕩型(mode shapes)。這裡有兩種不同的聲學振蕩型，其可以在雙鼓風機的管道 (8, 9)中形成。這些振蕩型中的一些在兩個管道中表現出同樣的壓力 場，並且它們在本文中被稱為"對稱振蕩型(symmetrical modes)"。另一 方面，存在著另外一種振蕩型，其中一個管道中的壓力場與另一個管 道中的壓力場完全相反，它們在本文中被稱為"非對稱振蕩型 (asymmetrical modes)"。對稱振蕩型和非對稱振蕩型進一 步在下面進行 描述
A. 對稱振蕩型在對稱振蕩型中，在兩個鼓風機管道(8, 9)直到合併點(40) 中的壓力脈動是彼此相同的。為了確定聲學自然頻率，從鼓風機中心 線(32)到合併管道(10)的排出端的距離應當被用在計算中。這個距離應 當包括從鼓風機中心線(32)到鼓風機排出法蘭(33)的長度A，加上從鼓 風機排出法蘭(33)到合併點(40)的長度B加上合併管道(10)的長度。如 果所述的管道位於鼓風機的吸入側，則該距離應當是從鼓風機中心線 (32)到鼓風機吸入法蘭的距離，加上吸入管道的長度，加上合併吸入 管道的長度。因為管道(8，9)是彼此相同的，因此它們的任一個可以用 於計算中。由於鼓風機在管道(34)的鼓風機端產生了封端的條件，並 且合併管道(10)的出口具有開放的端部邊界條件，因此四分之一波長 (人/4)聲學共振在管道系統中形成。對稱振蕩型的自然頻率(^)通過下
面的等式給出
/w-(2"^)^ 其中 n=1, 2, 3.,.(等式 d
"是從鼓風機中心線經過鼓風機管道(8或者9)到合併管道(10)端 部的距離，c是音速。為了防止在管道(8， 9)和合併管道(10)中形成聲 學共振，從鼓風機中心線(32)到合併管道(10)端部的距離應當不等於目 標頻率或者它的更高的諧波的四分之一波長的任何整數倍。
B. 非對稱振蕩型
對於在管道系統中形成的非對稱振蕩型，在鼓風機管道(8) 之一中的壓力脈動與另外一個鼓風機管道(9)中的壓力脈動完全相反。 此外，在合併點(40)存在著零壓力條件，在合併管道(10)中從合併點(40) 到該合併管道的端部不存在壓力脈動。由於在合併管道中不存在壓力 脈沖，因此應當只分析將鼓風機1 (6)連接到鼓風機2 (7)的管道的聲學 自然頻率和振蕩型。為了確定聲學自然頻率，從鼓風機之一的中心線 通過連接的鼓風機管道到該管道端部的距離應當用於計算中。例如， 對於鼓風機1 (6)，這個距離應當是從鼓風機中心線(32)到鼓風機排出 法蘭(33)的距離加上管道(8)從排出法蘭(33)到合併點(40)的長度。如果 管道位於鼓風機的吸入側，那麼所述的距離應當是從鼓風機中心線(32) 到鼓風機吸入法蘭的距離加上吸入管道的長度。由於鼓風機產生了封端的邊界條件，並且在合併點(40)存 在著開放的端部邊界條件，因此四分之一波長(X/4)聲學共振在鼓風機 排出管道中形成。非對稱振蕩型的自然頻率仏。)通過下面的等式給出
> =(2"-1)^~其中n=l, 2, 3…，(等式 2)
丄，是從鼓風機1 (6)的中心線經過第一管道(8)到合併點(40)的距 離，c是音速。為了防止在將鼓風機彼此相連的管道中形成聲學共振， 從鼓風機1 (6)的中心線經過管道(8)到合併點(40)的距離應當不等於目 標頻率或者它的更高的諧波的四分之 一 波長的任何整數倍。
實施例1:理論分析在鼓風機出口管道(8，9)中的壓力場是如圖3所示來確定 的。該分析顯示如果出口管道系統的幾何形狀是對稱的，並且所述的 波是完全異相的，在合併的出口管道(10)中的壓力脈沖完全消失。在 該分析中，原點乂=乂=0(這裡x是水平軸，用來度量每個鼓風機出口管 道的水平分支，y是垂直軸，用來度量合併的出口管道的長度)位於兩 個出口管道(8, 9)交匯之處，並且在每一側從90。拐角至原點的距離被 設定為L。所述的分析如下在第一鼓風機(6)的出口管道(8)中的壓 力脈沖是由於第 一 鼓風機所產生的脈衝而形成的。在這個管道中的壓 力場具有兩個分量，即入射壓力屍,7和它的反射壓力屍m這些壓力分 量被定義為
13^-^ e*和C-5,-e-'"(等式 3)
這裡A和^是壓力脈動的振幅，k是波數並定義為 *-,-2 rf(等式 4)
這裡c是波速，X和f分別是所述的脈動的波長和頻率。 同樣的，在第二鼓風機(7)的出口管道(9)中的入射壓力和反射壓力 定義為
《2=力2.,和屍r2-^-e-'々 (等式 5)
這裡力2和A是壓力脈動的振幅。
在每一側的排出管道(8，9)中90。拐角之後，入射壓力波的傳輸部 分可以表示為
A-C'.e'"""和屍,2 =C2'e-""") (等式 S)
這裡d和C2是壓力脈動的振幅。
使用等式3、 4和5，在出口管道的兩個轉折點的壓力表示為 當;c--iL和 ；/ = 0時，屍,,+/^=^+《2=>4+醜'=^+C2'e2tti (等式 7)
當;c-l 和；/ = 0時，屍,2+/% =《2+屍 -A+J^-Cz+CVe2''" (等式 8)
同樣使用等式5，水平管中的壓力可以表示為
屍=《，+/>'2 =d'e汰(""+C2 .e-狄"—O (等式 .9)
在x=0和y:0(這裡兩個出口管道被合併)，等式6簡化為 屍-(C,+C2)-e'" (等式 10)
合併等式6和7，然後因式分解同類項將得到
'2= 二J (等式 U》
由於所述的波是完全異相的，因此 爿,=一^2 和醜,=一52 (等式 12)
如果將等式12代入等式11中，d+C2簡化為零，那麼壓力等式(等 式8)在兩個管道合併之處也為零。因此在合併的出口管道(10)中的壓力屍/將處處為零。這是因為在每個分支上的管道尺寸是相同的，並且
管道(8, 9)中的壓力脈動是180。異相的。 實施例2:確認使用市售的有限元程序ANSYS 5.7對鼓風機管出口管道 進行有限元分析。如圖3所示，僅僅模擬了從兩個鼓風機到二次冷卻 器入口的出口管。對於不同的幾何形狀和10Hz-500Hz脈動頻率，研 究了該出口管中的壓力場。對於令人感興趣的溫度範圍(即70°F-300°F) 和空氣中的波速來說，這個頻率範圍對應的波長是2英尺-125英尺。 同樣重要的要指出的是在典型的VPSA裝置中，脈動頻率主要可能在 40Hz-100Hz的範圍內，但是其可以高到250Hz。從這點上來說，典型 的脈動頻率完全地(comfortably)落入了^t擬所用的頻率範圍內。在所 述的模型中，鼓風機的作用是作為壓力邊界輸入，並且該壓力曲線的 形狀被假定為正弦曲線。此外，由於管道幾何形狀的軸對稱性，因此 僅僅形成二維模型以便節約計算時間和精力。在所述的模擬中，鼓風機出口管是12英寸直徑，"L"型(即 具有90。彎角)的，並且在彼此合併之前，在"L"型的每個邊上為5英 尺的長度。在所述的模擬中，對於從鼓風機排出至兩個管道合併點的 管道連接來說，測試了不同的管道長度。觀察到管道長度對於最終的 合併管道的脈動程度沒有影響，這是因為只要管道是對稱的並且壓力 脈動是180。異相的，則所述的脈動在管道合併之後總是相互消除的。 同樣的，當滿足上述的條件時，用不同的激勵頻率(即，不同的波長) 進行的模擬在合併管道中產生了消除的波。但是，在管道合併之前， 在所述管道中的脈動程度取決於管道長度和激勵頻率。為了防止過大 的壓力脈沖在所述管道中形成，應當對管道長度進行仔細選擇，目的 是使壓力脈動的頻率不符合管道的聲學共振，並使管道進入共振。管 道的長度不應當等於主脈動頻率或者它的更高的諧波的四分之一波 長的任何整數倍，目的是在所述的波彼此幹涉之前，防止四分之一波 長共振在管道中形成。如圖4所示，當所述管道彼此合併時，第一鼓風機所產生 的脈衝與第二鼓風機所產生的脈沖相互幹涉，並且如果滿足對稱和
180。異相壓力條件，則最終所述的脈衝彼此消除。用來自另一個源頭 的壓力脈動來消除壓力脈動是減少這樣的脈動，尤其在低頻率的脈動的成功手段。重要的是保持管道系統的對稱性，目的是當來自第一鼓 風機的脈動與來自第二鼓風機的脈動相干涉時，這兩組的脈動是完全 (即180。)異相的並且它們彼此消除掉。如果如圖5所示，壓力脈衝不
是完全異相的，或者如圖6所示，管道構造不是完全對稱的，則模擬
顯示壓力脈動在合併管道中沒有消除。由於這些原因，有效消除脈動
的關鍵因素是具有全面的(all-round)對稱的裝置，其中鼓風機和管道系 統必須在尺寸、幾何形狀和材料性能方面都是相同的。 實施例3:流動特性同樣重要的是研究出口管道的流動特性，這是因為管道系 統中的流動力學完全不同于波力學。使用方向彼此相反的波可以有效 地消除它們，但是從流體力學的觀點來說，使兩個流動相互直線導向 可能導致渦流形成和管道中更高的壓力下降。為了這個原因，使用市 售的計算流體動力學軟體ANSYS/CFX來進行管道迴路的計算流體動 力學模擬。在這個模型中，使用與波模型和模擬中同樣的管長度和直 徑。假定對於12英寸直徑管道，每個鼓風機提供了 40,000 scfm的極 高的空氣流速。有意選擇流速是高的以便研究在非常高的流動下的流 場。圖7顯示在這些極端流動情況下，來自兩個管道的流體的有效和 均勻的混合，而沒有形成渦流，因此，在這些或任何更低的流速下應 當沒有流動問題。本文中所述的本發明在進料鼓風機的部分中進行了討論。 但是，雙鼓風機概念等同地可用於真空應用。實際上，在真空應用中 使用雙鼓風機是更為關鍵的，這是因為在真空步驟中置換了最大量的 氣體/單位時間。在真空步驟中對於更大的鼓風機和消除相應的更高脈
衝的聲音的需要變大了。容積式旋轉壓縮機可以:帔分為以下幾組(a)直葉片，包 括2葉片和3葉片；(b)螺杆(螺旋)壓縮機，包括3+4和4+6; (c)滑 動葉片式壓縮機，包括6、 8或IO葉片或者甚至可以使用更高數目的 葉片。本發明可以與任何類型的具有任何數目的鼓風機葉片的鼓風機 一起使用，只要兩個鼓風機具有相同數目的葉片。在每個雙鼓風機中 具有相同的內部幾何形狀和相同數目葉片將確保由第 一鼓風機所產 生的脈沖與由第二鼓風機所產生的脈沖將是相同的。對於雙葉片的鼓 風機的情況，就幾何形狀來說，在該鼓風機中具有四個袋狀結構。在驅動軸杆的一個完全360。的旋轉中，四個袋子通過鼓風機排出，並因 此對於驅動軸杆的一個完全旋轉來說，產生了四個壓力脈沖。因此， 對於驅動軸杆的每個90。旋轉來說，壓力脈動在全循環上完成。為了 這個原因，為產生完全的異相脈動，雙葉片鼓風機應當是45。異相的。 同樣地，在三葉鼓風機的情況中，鼓風機中具有六個袋狀結構。在驅 動軸杆的一個完全的旋轉中，六個袋子通過鼓風機排出，並因此通過 驅動軸杆的一個完全旋轉，產生了六個壓力脈沖。因此，對於驅動軸 杆的每個60。旋轉來說，壓力脈動完成一個全循環。為了這個原因， 為產生完全異相的壓力脈動，鼓風機應當是30。異相運轉來消除脈動。 作為舉例，對於VPSA裝置中典型的900 rpm的馬達轉速，驅動軸杆 旋轉的頻率是15Hz (900 rpm)。雙葉片鼓風機在四倍驅動軸杆頻率下 產生脈動，三葉鼓風機在六倍驅動軸杆頻率下產生脈動。因此，在900 rpm運轉的雙葉鼓風機將在主頻率60Hz下產生壓力脈動，而在900 rpm運轉的三葉鼓風機將在主頻率90Hz下產生壓力脈動。測試不同的管道構造來觀察管道構造對于波幹涉的影響。 如圖8所示，來自鼓風機的直管代替優選的L型管道，並在它們合併 後形成Y型，對其進行測試並產生成功的結果。觀察到只要管道系統 是對稱的，那麼任何的管道系統幾何形狀都將能夠達到波消除。壓力脈動在每個鼓風機的排出點處開始形成，並且它們僅 僅在來自兩個鼓風機的脈動相互幹涉之後消除。為此，在管道在結合 點合併之前，使用赫爾姆霍茨共振器可能是防止壓力脈動在每個鼓風 機管道處形成所必需的。當管道系統的聲學共振頻率之 一 符合鼓風機 頻率或者它的諧波時，所述的脈動被特別地放大。赫爾姆霍茨共振器 對於消除某些頻率處的壓力脈衝是非常有效的。在合併兩個管道之 前，將一個或多個這樣的共振器放在每個鼓風機的出口將消除在特定 頻率的任何脈動(在它們在這些管道中形成之前)來進一步減少壓力脈 動。這些一個或多個共振器還可以放在每個鼓風機的吸入側。非常關 鍵的是將這些共振器對稱地放置，目的是它們將不分散在由鼓風機所 產生的主頻率下壓力脈衝的主動消除。從技術的觀點上來說，消除脈動和裝置噪音最有效的方式 是從其源頭上削弱脈動。本發明利用主動的脈動消除的概念，通過在 它們產生之後，立即幹涉相同振幅180。異相波來實現。由雙鼓風機所
17提供的主動的脈動消除在鼓風機主頻率下消除了最大危害的低頻脈 動。從這點而言，主動的脈動消除相對於反作用和/或吸收性消音器總 是優選的，這是因為反作用和/或吸收性消音器對於削弱低頻脈動不是 有效的。此外，在它們從鼓風機中排出之後，立即消除脈動意味著在 裝置管道和裝備上更小的應力和更大的可靠性。在本發明的另外一種實施方案中，位於鼓風機吸入側的管 道同樣是對稱的，並且合併成一個合併管道，其可以和赫爾姆霍茨共 振器和/或消音器一起使用。更小的鼓風機產生更小振幅的脈衝，相比於由大很多的鼓 風機所產生的脈衝而言，這是因為脈沖振幅與鼓風機尺寸直接相關。 從這點而言，使用雙鼓風機產生了更小的脈動，並因此比單個大鼓風 機較少出現問題。典型的VPSA裝置裝備有進料鼓風機入口和真空鼓風機 排出消音器來消除該裝置中不期望的噪音和脈動。隨著該裝置的尺寸 變大，這樣的消音器的尺寸和成本也增加了。當消音器本身不足以削 弱很高程度的鼓風機脈動時，有時候除了該消音器之外，還使用赫爾 姆霍茨共振器。本發明消除對於昂貴的大的消音器的需要。使用一種 或多種床的氣體分離過程可以使用本發明來供給進料氣到所述的床 或者用來排空所述的床。高的氣體脈動還是氣體分離裝置中的裝備可靠性的重要 問題。過去，許多的故障是由於鼓風機所產生的氣體脈動引起的。兩 個一組的鼓風機將消除潛在危害的高氣體脈動，並且作為結果，將提 高裝置的可靠性。本發明還消除了對於昂貴的和定製的大型鼓風機的需要。 雙鼓風機的概念利用了兩個相對小的和市售的鼓風機來將大量的空 氣流提供到所述的裝置中。這種方案的令人無法接受的昂貴的備選方 案是定製一種鼓風機，其產生每個小型鼓風機二倍的流量。除了昂貴 之外，這樣大型的鼓風機產生非常高的脈動，並且消除這樣的脈動噪 音變成一種昂貴的和挑戰性的任務。雖然已經參考某些優選的實施方案對本發明進行了詳細 的描述，但是本領域技術人員將認識到這些是落入權利要求的主旨和 範圍內的其它實施方案。
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權利要求
1. 一種消除源自氣體分離裝置中的鼓風機運轉的壓力脈動的方法，其包括a)安裝兩個同樣的鼓風機，每個具有吸入法蘭、吸入側、排出側、排出法蘭和處於該吸入側和排出側之間的中心線；b)將第一鼓風機在排出法蘭或者吸入法蘭處連接到第一管道，將第二鼓風機在排出法蘭或者吸入法蘭處連接到第二管道；c)對稱地布置第一管道和第二管道；d)將第一管道與第二管道在合併點處合併成單個的合併管道；和e)使得第一鼓風機與第二鼓風機同步，其中第一鼓風機在目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率所產生的壓力脈動是180°異相的。
2. 權利要求1的方法，其中目標頻率是鼓風機所產生的壓力脈 動的主頻率。
3. 權利要求1的方法，其中第一鼓風機從它的中心線到它的排 出法蘭的長度，加上第一管道從該排出法蘭到合併點的長度的總和不 等於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之一波長的任何整數倍。
4. 權利要求1的方法，其中第一鼓風機從它的中心線到它的排 出法蘭的長度，加上第一管道從該排出法蘭到合併點的長度，加上合 並管道的長度的總和不等於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之 一波長的任何整數倍。
5. —種氣體分離系統，其包括a) 兩個同樣的鼓風機，每個具有吸入法蘭、吸入側、排出側、排 出法蘭和處於該吸入側和排出側之間的中心線；b) 在排出法蘭或者吸入法蘭處連接到第一鼓風機的第一管道，和 在排出法蘭或者吸入法蘭處連接到第二鼓風機的第二管道；這裡第一 管道和第二管道是對稱布置的；c) 合併管道，在此第一管道和第二管道在合併點一起併入其中；和d) 使得第一鼓風機與第二鼓風機同步的機構，其中第一鼓風機在 目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率 所產生的壓力脈動是180。異相的。
6. 權利要求5的系統，其中目標頻率是鼓風機所產生的壓力脈 動的主頻率。
7. 權利要求5的系統，其中第一鼓風機從它的中心線到它的排出法蘭的長度，加上第 一管道從該排出法蘭到合併點的長度的總和不 等於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之 一 波長的任何整數倍。
8. 權利要求5的系統，其中第 一鼓風機從它的中心線到它的排 出法蘭的長度，加上第一管道從該排出法蘭到合併點的長度，加上合 並管道的長度的總和不等於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之 一波長的任何整數倍。
9. 一種用來消除在氣體分離過程中所產生的壓力脈動的設備， 其中這樣的設備同時提供進料氣或者放出產物氣體，所述的設備包 括a) 兩個同樣的鼓風機，每個具有吸入法蘭、吸入側、排出側、排 出法蘭和處於該吸入側和排出側之間的中心線；b) 在排出法蘭或者吸入法蘭處連接到第一鼓風機的第一管道，和 在排出法蘭或者吸入法蘭處連接到第二鼓風機的第二管道，這裡第一 管道和第二管道是對稱布置的；c) 合併管道，在此第一管道和第二管道在合併點一起併入其中；和d) 使得第一鼓風機與第二鼓風機同步的機構，其中第一鼓風機在 目標頻率產生壓力脈動，該壓力脈動與第二鼓風機在同樣的目標頻率 所產生的壓力脈動是180。異相的。
10. 權利要求9的設備，其中目標頻率是鼓風機所產生的壓力脈 動的主頻率。
11. 權利要求9的設備，其中第一鼓風機從它的中心線到它的排 出法蘭的長度，加上第一管道從該排出法蘭到合併點的長度的總和不 等於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之一波長的任何整數倍。
12. 權利要求9的設備，其中第一鼓風機從它的中心線到它的排 出法蘭的長度，加上第一管道從該排出法蘭到合併點的長度，加上合 並管道的長度的總和不等於目標頻率或者它的更高的諧波的四分之 一波長的任何整數倍。
全文摘要
本發明涉及一種減少或者消除由氣體分離裝置中的鼓風機所產生的壓力脈動和噪音的方法。該方法使用兩個同樣的和180°異相的同步鼓風機(6，7)一起來提供大的空氣流和主動噪音消除二者來消除壓力脈動。兩個鼓風機(6，7)是以這樣的方式同步的即，一個鼓風機所產生的壓力脈衝將通過另一個鼓風機所產生的脈衝而主動消除。同時，兩個鼓風機(6，7)將一起工作來推動大量的氣體流入或者流出所述的裝置。兩個一組的鼓風機可以用於所述裝置中的進料或者真空應用。這種大噸位裝置的資本成本可以通過取消對於昂貴的消音器和單個的大的定製的鼓風機的需要而降低。
文檔編號F04D25/16GK101484706SQ200780024826
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月26日 優先權日2006年6月30日
發明者C·E·塞裡克, J·斯莫拉雷克 申請人:普萊克斯技術有限公司