液压空气压缩机：由旧变新

在加拿大北部的劳伦斯大学，一个由迪安·米勒教授（Bharti工程学院的全职教授）领导的受过良好教育的个人团队正在努力让旧的和新的结合起来。他们致力于开发商业上可行的液压空气压缩机（HAC）供全世界使用，特别是因为这些设备可以更有效地产生等温压缩空气，而不是像典型的机械空气压缩机那样通过多方压缩。

在追求这一目标的过程中，该团队基于100多年前在加拿大魁北克省马戈市多明尼恩棉纺厂（Dominion Cotton Mills）开发第一台液压空气压缩机时使用的工程概念。随后，HAC的基本原理被用于在全球17个地点生产压缩空气，包括100多年前在加拿大安大略省Cobalt附近不规则斜槽的最后一个地点。本文讨论了HAC在这十年中的发展，以及安大略省劳伦斯大学为实现这一概念的现代化而继续开展的工作。

这个演示HAC是在加拿大萨德伯里的动态地球建造的，并向游客开放，让游客看到这项技术。图片由Electrale创新有限公司提供。

泰勒液压空压机

米勒教授说，他对HAC技术的兴趣是从一点偶然发现开始的。

米勒说:“我当时在萨德伯里当地的淡水河谷(Vale)冶炼厂研究直接接触式热交换器的设计，然后有人告诉我去看看一个工业遗产网站，在那里我发现了一幅泰勒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年历史的直接接触式热交换器，但后来意识到，这个设备既是一个空气压缩机，也是一个热交换器，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，早年在英国从事海浪发电的工作，也是崭露头角。这是一个非常有趣的项目的开始，对查尔斯·哈夫洛克·泰勒的设计进行改进，使其更适用于工业。泰勒是新不伦瑞克的一位商人兼工程师。

据说，1895年，在魁北克的一个水坝的建造阶段，泰勒注意到冬天的情况有些奇怪。具体来说，通过大坝泄洪道的水流带着气泡在河面冰层下，然后这些气泡被推高，形成冰穹。在探索圆顶时，泰勒注意到冰下的空气由于水的重量而被压缩。

泰勒立即意识到这一现象有商业用途，并开始在蒙特利尔的仓库里试验液压空气压缩机模型；他很快就有足够的信心说服投资者成立泰勒空气压缩机公司，为Dominion Textile制造第一台商用液压空气压缩机。Dominion Textile是一个155马力（hp）的总成，效率为60%，输出52 psi。直到1953年，织布机技术发生变化，压力不得不增加，该装置才得以成功运行。

另外两台空压机是在19世纪后期建造的，其中一台带有1354英尺长的木制烟柱，另一台位于加拿大的Peterborough Lift Lock，引起了世界各地公司的兴趣。在20世纪早期，另外两个工厂在华盛顿州和密歇根州建造，压力达到117 psi。其他工厂则在德国和秘鲁建造。

足够的空气来驱动多个水雷

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，在这个当时孤立的地区发现了银、钴和镍矿藏，该地区位于加拿大多伦多直接以北300英里，安大略省萨德伯里东北约100英里。

传输的电力不可用，煤电被认为过于昂贵，因此煤矿开发商必须想出一种经济的方法来为煤矿电动工具和钻机供电，这些工具和钻机是气动操作的，就像今天的一些一样。泰勒访问了该地区，发现条件适合安装液压空气压缩机，因此制定了计划，利用附近的蒙特利尔河提供水力。

这台HAC于1910年建成并投入使用，绝不是一台小型设备。空气压缩机的容量为40000立方英尺/分，压力为120磅/平方英寸，通过双下降管压缩，直径为8.5英尺，深度为341英尺，刻在加拿大地盾岩石上。一个用来分隔空气和水的地下洞穴长927英尺，宽20×26英尺。空气压缩机使用40公里长的24英寸钢管连接到该地区约30个矿井。在空气压缩机关闭的情况下，系统中有足够的压缩空气量为各个矿井提供一周的动力。

在破烂的滑道上利用河水

参差不齐的斜槽处的HAC利用河水流经参差不齐的斜槽急流中的高程变化，向洞穴网络提供水流。河流没有提供压缩至120 psi所需的全部341英尺水头，它只需要先将水推过进水轴，然后推过分离室，然后再通过将水返回河流的排水轴向上。

当水流入进气轴时，会夹带气泡。当空气越来越深入水柱时，就会发生压缩。与普通空气压缩机不同，压缩空气温度不会明显升高，这使得压缩过程如图1所示是等温的，这是压缩气体的最有效方法。压力调节由排放系统提供。随着空气压力的增加，地下室的水位降低，露出排污管的末端。这是旧的不规则滑槽空气压缩机最令人印象深刻的部分。压缩空气和水的喷出在空气中形成了220英尺高的羽流。

图1：液压压缩机接近等温状态（浅灰色虚线）。因此，生产压缩空气所需的工作量小于标准的多方压缩机（黑色实线）。图表由Electrale创新有限公司提供。

这种空压机没有运动部件，不需要外部能量输入。一旦支付了建造成本，它就能在70年的使用寿命中免费提供压缩空气。然而，空气压缩机在其实际应用的设计中，需要有良好的河水供应和在地面上挖一个很深的洞，在需要压缩空气的地方，这些条件并不总是可用的。然而，其中一些需求在现代矿场中是存在的。通过对设计进行一些修改，劳伦提安大学的团队认为，一个可行的HAC可以在没有河流水力的情况下建造。(想了解更多关于破烂滑道HAC的信息，请访问http://www.cobaltmininglegacy.ca/power.php.)

新旧交替

恢复使用液压空压机的研究始于采矿行业寻找有效驱动涡轮冷却器以降低超深矿井环境空气温度的方法。如果能够经济地做到这一点，就可以延长地雷的深度，将一些地雷的寿命延长10年或20年。

经过几年的研究，一组组织撰写了一篇论文《现代液压空气压缩机的概念设计》，并在2015年能源系统效率、成本、优化、模拟和环境影响国际会议上发表。论文提议在科学北动力地球的萨德伯里建造一个HAC演示单元。该机组于2017年夏季完工。它用于测试，以证明商用空气压缩机的预测效率和可行性。

示范装置与不规则斜槽空气压缩机的不同之处在于，用于在进气轴中提供向下水流和夹带气泡的水头现在由并联泵系统提供。此外，水流在闭合回路中运行，而不是直流设计。

现代设计的HAC装置预计可提供比标准螺杆式空气压缩机更长的使用寿命，并且由于运动部件较少，安装后易于维护。由于设计原因，该装置能够实现可变流量，因此易于将输出与需求相匹配。该产品提供凉爽、清洁、无油的空气，不含空气压缩机在高温环境中可能产生的多余水分。

出于演示和测试目的，该大学实际上有三种HAC装置模型，包括用于演示图1所示基本原理的桌面“PortaHAC”装置、实验室大小的模型以及动态地球产生约30 psi的装置。

这个PortaHAC桌面单元在小规模上演示了HAC的基本原理。工作模型的视频可在以下位置查看：https://www.youtube.com/watch?v=Sqn0nThkPh4&feature=youtu.be．

这种实验室规模的HAC大约15英尺高，用于受控环境中的基本测试。Alex Hutchison（如图）是Electrale创新有限公司的项目工程师。他在现代HAC的发展中发挥了关键作用。

使用非常精确的仪器对这些装置进行的广泛测试已经证实，现代闭环设计以大约71%的效率产生预期范围内的压缩空气。就比功率而言，示范装置在31 psi排放压力下每100 cfm达到10.9 kW，同时产生244 scfm的压缩空气。在HAC演示器上通过实验证实的最重要的理论预测是，压缩过程中空气的温升持续不断地在0.01°C左右–接近等温！

HAC机组的设计工作正在为世界各地的一些感兴趣的客户进行。Electrale Innovation Limited是一家由Millar教授创办的公司，他同时担任公司的首席执行官，致力于推动现代HAC的商业发展。该公司的估算显示，如图2所示，在140 psi的压力下，该系统可以产生5000 acfm的无油空气，预计比功率为14 kW/100 cfm。

图2：所示为采矿业大型HAC的概念图，该HAC将在140 psi、14 kW/100 cfm的比功率下产生5000 acfm。该装置预计有20多年的使用寿命。图片由Electrale创新有限公司提供。

米勒教授说：“我们正在寻求为地下和地上设施开发商用大型液压空气压缩机。”。“设想一个顶部没有转子或机舱的大型风力涡轮机。这可能是现代HAC机组的配置，在那里没有矿井可供使用。”

他说，正在继续努力开发非常大规模的HAC单元，它们看起来越大，效率和经济性就越高。

大型应用的能源效率

开发现代HAC的工作表明，一些旧想法可以再次成为新想法，并将有助于为大型工业应用提供节能解决方案。HAC装置可以通过一个简单的过程产生大量高质量的压缩空气，该过程需要最少的维护，并且可以持续几十年。有了地面HAC单位，天空就是极限！

有关HAC项目的更多信息，请联系Electrale Innovations Limited首席执行官Dean Millar，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Ron Marshall, Marshall压缩空气咨询公司，电话:204-806-2085，电子邮件:ronm@mts.net．

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