阅读说明：本技术 利用交替制冷和机械压缩的气态流体压缩 (Gaseous fluid compression with alternating refrigeration and mechanical compression ) 是由 M·J·梅纳德 于 2019-01-17 设计创作，主要内容包括：一种气体压缩系统(10),该气体压缩系统(10)利用第一鼓风机压缩组(20)和第二机械压缩组(30)将气体从初始压力压缩到出口压力。各个压缩组具有气体压缩的多个级,所述多个级具有气态流体压缩机(12、22、28、34、42、46)和热泵中冷器(16、24、30、36、44、48)。该热泵中冷器(16、24、30、36、44、48)包括具有高温段(56)、中温段(58)和低温段(60)的级联式热泵中冷器(16、24、30、36、44、48),各个温度段具有中冷器芯(66)。鼓风机压缩组(20)的各个级具有高压鼓风机(12、22、28、34),而机械压缩机组(30)的各个级具有机械压缩机(42、46)。(A gas compression system (10) compresses a gas from an initial pressure to an exit pressure using a first blower compression bank (20) and a second mechanical compression bank (30). Each compression bank has a plurality of stages of gas compression having a gaseous fluid compressor (12, 22, 28, 34, 42, 46) and a heat pump intercooler (16, 24, 30, 36, 44, 48). The heat pump intercooler (16, 24, 30, 36, 44, 48) includes a cascaded heat pump intercooler (16, 24, 30, 36, 44, 48) having a high temperature section (56), a medium temperature section (58), and a low temperature section (60), each temperature section having an intercooler core (66). Each stage of the blower compression set (20) has a high pressure blower (12, 22, 28, 34), while each stage of the mechanical compressor set (30) has a mechanical compressor (42, 46).)

利用交替制冷和机械压缩的气态流体压缩

专利合作条约

国际申请

利用交替制冷和机械压缩的气态流体压缩

Mark J.Maynard

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月18日提交的美国临时专利申请No.62/618720的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于气体压缩的系统和方法。更具体地，本文公开了用于空气和其他气态流体的压缩系统和方法，其中，通过机械压缩机的操作进行的压缩与通过制冷剂热泵操作进行的热量去除和背压降低交替进行。

背景技术

几十年来，对于实现提高气态流体压缩效率的需求已被广泛认知。在提供用于压缩气态流体的系统和方法方面，已经进行了许多尝试来实现改进的热力学性能和简洁的结构。知识渊博的科学家和技术娴熟的发明人已努力利用热力学原理，以提供具有改进效率的气体(诸如空气)压缩，从而实现能源节约和技术的全面进步。

例如，1938年，H.F.Parker关于Air Compressor System申请了美国专利No.2,280,845。在该专利中，Parker寻求比以前实施的更接近理想的等温循环，这样做是为了降低给定输出所需的功耗。Parker提出将一种不可压缩、吸热、载热的介质(即水雾状的水)与压缩气体混合以降低压缩气体的温度，从而接近理想的等温循环。在压缩之后，Parker教导要分离和去除载热水，以及随之而来的从压缩气体的压缩中产生的大部分热量。

最近，美国专利No.8,572,959(Ingersoll等人)描述了Systems,Methods andDevices for the Management of Heat Removal within a Compression and/orExpansion Device or System。在Ingersoll等人的系统中，液体被移入压力容器，以压缩压力容器内的气体。在压缩和/或膨胀过程中，热量被传递到用于压缩空气的液体中，并且液体净化系统去除热能已经传递到的液体中的至少一部分。液体可以被冷却，然后在系统内循环使用。

这些和其他用于气态流体压缩的系统和方法模拟了热力学原理。热泵和制冷系统依赖于热泵和制冷的热力循环。在热泵中，利用机械功或热源将热量从源位置移动到另一个位置，即散热器。在加热器中，散热器被加热。在制冷中，目标是对热源进行冷却。

Sadi Carnot于1824年用数学方法阐述了制冷循环的原理。热泵或热机以与制冷循环相反的方式操作。热泵和制冷循环通常分为蒸气吸收、蒸气压缩、气体循环或Stirling循环。

在理想的蒸气压缩循环中，制冷剂工作流体以蒸气形式进入压缩机，并在过热离开压缩机之前以恒定熵进行压缩。冷凝器接收过热的蒸气，通过在恒定的压力和温度下去除额外的热量来冷却蒸气并将其冷凝成液体。然后，液体制冷剂在通过膨胀阀时压力会降低，从而导致制冷，并在较低的温度和压力下形成液体和蒸气的混合物。当混合物被风扇吹过蒸发器盘管或管时，通过冷却来自制冷空间的热空气，使得该混合物通过蒸发器的盘管或管蒸发。当产生的制冷剂蒸气返回压缩机入口时，热力循环完成。蒸气吸收循环类似于蒸气压缩循环。但是，压缩机被吸收器所取代，该吸收器将制冷剂溶解在适当的液体中。液体泵提升压力，并且发电机驱动高压液体中的制冷剂蒸气。在理想的Stirling循环热机中，机械功以相反的方向驱动热传递。在逆Carnot循环中，由两个等温步骤和两个等熵步骤形成的四个可逆过程是反向进行的。最后，在气体循环中，气态工作流体被压缩和膨胀，但不改变相。

性能系数(COP)是衡量制冷机或热泵效率的量度。性能系数是有效冷却或加热输出与功率输入之比的瞬时测量值。在制冷系统中，性能系数可以定义为去除的热量与输入到压缩机的功率的比值。加热的性能系数可以定义为所传递的热量与输入到压缩机的功率的比值。因此，较高的性能系数表示系统效率更高。

与依赖于热量与其他形式的能量之间关系的任何其他系统一样，任何气体压缩系统的性能系数本质上都受到热力学定律的约束。寻求推进气体压缩技术的每个发明人都在寻求将效率损失最小化，同时使所涉及的部件和过程的效率最大化，从而达到最佳的性能系数。

因此，尽管关于气体压缩进行了上述和许多其他有用的改进，但是对于压缩气态流体的系统和方法中的效率改进仍在持续推进。在这方面，已经认识到，制冷是促进气体压缩的有效方法。然而，进一步认识到，制冷具有制冷效率较高的相对窄的温度范围。超出该温度范围低点的额外冷却只能在效率大幅降低的情况下进行。

因此，本发明人认识到，提供一种用于气态流体压缩的系统和方法是非常有利的，该系统和方法可以将流体压缩期间的性能损失最小化并且开发利用制冷效率。

发明内容

因此，本发明基于提供一种具有改进效率的压缩气体的系统和方法的基本目标。

本发明的一个相关目的是提供一种能够以降低功耗操作的压缩气体的系统和方法。

本发明的另一个目的是提供一种以高性能系数(COP)去除热量的压缩气体的系统和方法。

本发明实施方式的附加目的是提供一种可扩展(scalable)的气态流体压缩的系统和方法。

本发明的这些和其它目的和优点不仅对于阅读本说明书和附图的人而且对于那些有机会见证本文公开的所使用的气态流体压缩系统和方法的实施方式的人而言都将变得显而易见。虽然在本发明的单个实施方式中实现前述目的中的各个目的是可能的并且的确是优选的，但是并非所有实施方式都将寻求或需要实现各个以及每一个潜在的优点和功能。尽管如此，所有这样的实施方式应该被认为在本发明的范围内。

在实现本发明的一个或更多个目标时，根据本发明的一种用于将气体从初始压力压缩到出口压力的气态流体压缩系统具有第一压缩组和第二压缩组。第一压缩组包括具有气态流体压缩机和流体地连接到该气态流体压缩机的热泵中冷器的气体压缩的级。第一压缩组能够操作，以使气体从进气压力达到第一升高表压。第二压缩组包括具有气态流体压缩机和流体地联接到该气态流体压缩机的热泵中冷器的气体压缩的级。第二压缩组能够操作，以使气体达到出口压力。出口压力大于第一升高表压。

在气体压缩系统的实践中，热泵中冷器包括具有多个中冷器段的级联式热泵中冷器。例如，级联式热泵中冷器可以具有高温段和低温段，高温段和低温段中的每一者都具有中冷器芯。级联式热泵中冷器还可以包括流体地插设在高温段与低温段之间的温度段。此外，脱水器可以流体地联接到各个热泵中冷器操作，以去除冷凝水。

如本文所述，第一压缩组可以包括鼓风机压缩组。第一压缩组的气体压缩的级中的气态流体压缩机可以包括高压鼓风机，并且第二压缩组可以包括机械压缩组，机械压缩组的气体压缩的级中的气态流体压缩机可以是机械式压缩机，例如旋转式压缩机或往复式压缩机。

进一步公开，鼓风机压缩组可由气体压缩的多个级形成，其中各个级具有高压鼓风机式气态流体压缩机和流体地联接到高压鼓风机式气态流体压缩机的热泵中冷器。以类似的方式，机械压缩组可以具有气体压缩的多个级，其中多个级中的每一者具有机械式气态流体压缩机和与流体地联接到机械式气态流体压缩机的热泵中冷器。例如，鼓风机压缩组可以具有气体压缩的至少四个级，各个级具有高压鼓风机式气态流体压缩机和流体地联接到高压鼓风机式气态流体压缩机的热泵中冷器。机械压缩组可以具有气体压缩的至少三个级，各个级具有机械式气态流体压缩机和流体地联接到机械式气态流体压缩机的热泵中冷器。

气体压缩系统可进一步包括出口。气体压缩的最终级可以具有机械式气态流体压缩机，而不具有流体地插设在机械式气态流体压缩机与出口之间的热泵中冷器。

进一步公开的是，气体驱动发电机可以流体地联接到出口，以允许通过注入从气体压缩系统接收的压缩气体，从工作流体的运动中产生电力。例如，气体驱动发电机可以具有一个或更多个长形重力分配导管，各个重力分配导管具有上端和下端。发电机可以具有一个或更多个长形浮力导管，各个浮力导管具有上端和下端。浮力导管的一个或多个上端与重力分配导管的一个或多个上端流体连通，并且重力分配导管的一个或多个下端与浮力导管的一个或多个下端流体连通。这样，在浮力导管与重力分配导管之间形成闭合的流体回路，其中从浮力导管的上端流出的工作流体被馈送到重力分配导管的上端，并且向下流动通过重力分配导管的工作流体从分配器导管的下端馈送到多个浮力导管的下端。流体涡轮机系统流体地插设在重力分配导管的一个或多个下端与浮力导管的一个或多个下端之间。气注入系统能够操作，以将通过气体压缩系统压缩的气体(诸如空气)从出口注入到浮力导管中的每一者中。

将理解，前述讨论概括地概述了本发明的某些更重要的目的和特征，以使得能够更好地理解随后的详细描述并且灌输对发明人对本领域的贡献的更好理解。在详细解释任何特定实施方式或其方面之前，必须明确的是，以下构造细节和发明构思的例示仅仅是本发明许多可能表现的实施例。因此，将清楚，通过阅读不受限制的实现和实施方式的详细描述并且参照附图，本发明的其它特征和益处将是显而易见的。

附图说明

在阅读了本说明书和附图之后，本文公开的气态流体压缩系统和方法的额外细节和特征对于本领域技术人员将是显而易见的，其中：

图1是根据本发明的气体压缩系统的立体图；

图2是气体压缩系统的鼓风机压缩组的立体图；

图3A是鼓风机压缩组的一个级中的高压鼓风机和级联式热泵中冷器的立体图；

图3B是鼓风机压缩组的一个级中的高压鼓风机和级联式热泵中冷器的侧视图；

图3C是鼓风机压缩组的一个级中的高压鼓风机和级联式热泵中冷器的正视图；

图4A是系统的一个级中的中冷器的立体图；

图4B是中冷器的侧视图；

图4C是中冷器的横截面图；

图5是气体压缩系统的机械压缩组的立体图；

图6A是级联式热泵中冷器的立体图；

图6B是级联式热泵中冷器的俯视图；以及

图7是根据本发明的利用气体压缩系统的空气驱动发电机的立体图；以及

图8是根据本发明的用于在气体压缩系统中实现增加效率的子系统的立体图。

具体实施方式

本文公开的气态流体压缩系统和方法具有各种实施方式。然而，为了确保本领域技术人员将能够理解并在适当的情况下实施本发明，下面描述了并在附图中示出了本文揭示的更广泛的发明的某些优选实施方式。因此，在详细解释本发明的任何特定实施方式之前，必须明确的是，以下构造细节和发明构思的例示仅仅是本发明许多可能表现的示例。

具体地参考图1，气体压缩系统10具有将系统10内的气体的表压提升到压缩第一级的第一压缩组20，以及将气体压缩系统10内的气体的表压提升到超过压缩第一级的最终出口压力的第二压缩组30。根据本发明，第一压缩组20可以包括鼓风机压缩组20，并且第二压缩组30可以包括机械压缩组30。鼓风机压缩组20在图2中被分开描绘，而机械压缩组30在图5中被分开描绘。在此，气体有时可以被称为空气，这被理解为在本发明的范围内对其它气体进行压缩是可能的。

根据气体压缩系统10的一个实践，鼓风机压缩组20可以被计算为：使吸入或输入到系统中的气体(诸如空气)从第一压力(诸如环境压力)达到升高表压(诸如20psi到24psi)。可以采用机械压缩气缸组30来实现进一步压缩，以达到出口压力。

在此说明性但非限制性示例中，在0psi表压和环境温度下，空气被吸入气体压缩系统10的第一压缩组20。在鼓风机压缩组20内的系统10的第一级中，高压鼓风机12通过进气口14吸入空气，并将空气压缩到第一升高压力，所述第一升高压力取决于压缩系统10的构造和其他因素。这种流体压缩释放出绝热，并且提升了当前压缩空气的温度。完成这一过程所需的总能量相当于空气压力加上绝热加上空气中水蒸气强制冷凝的潜热。

在气体压缩系统10的鼓风机压缩组20的第一级中，级联式热泵中冷器16被设置在高压鼓风机12的次级位置，以接收来自高压鼓风机12的加压空气。热泵中冷器16去除压缩的绝热再加上潜热，并且降低加压空气的温度，从而降低进一步压缩空气所需的能量。这种降低后的温度导致离开第一级的低压。例如，在系统10的实施方式中，温度被计算为降低到低于原始环境温度。

鼓风机压缩组20具有气体压缩系统10的第二级，其中具有高压鼓风机22，高压鼓风机22接收在鼓风机压缩组20的第一级中压缩和冷却后的空气。作为中冷器16的结果，第二级中的高压鼓风机22需要较少的能量来执行压缩，因为鼓风机22不需要克服释放的绝热，并且接收到的压缩气体的温度低于原始环境温度。级联式热泵中冷器24被设置在气体压缩系统10的鼓风机压缩组20的第二级内的高压鼓风机22的次级位置，以接收来自高压鼓风机22的加压空气。由于气体压缩系统10的第一级中的中冷器16提供了冷却，因此第二级中的热泵中冷器24去除绝热所需的能量远小于仅由鼓风机12和22对空气进行机械压缩时所需的能量。

由于单台热泵的高效率仅适用于非常窄的温度范围，因此在气体压缩系统10的实践中采用了级联式热泵中冷器16、24，以允许在多个较窄的运行范围上运行，并且提供了热泵中冷器16、24的改进的运行效率。关于级联式热泵的背景可以通过参考以下文献来获得：例如，Lewis针对Cascading Air-Source Heat Pump的美国专利申请公开No.2010/0077788、针对Held for Heat Engines with Cascade Cycles的美国专利No.8869531、以及Stringer等人针对Cascading Closed Loop Cycle Power Generation的美国专利申请公开No.2004/0011038。前述各篇文献以及其中引用的各篇参考文献均通过引用并入本文。

根据本发明，并进一步参考示出了第一级中冷器16的图3A到图3C，所采用的各个级联式热量组中冷器可被视为具有高温段56、中温段58和低温段60。中冷器16的段56、58和60可以位于一个中冷器结构内。另选地，各个段本身可以由被视作且作为单独的中冷器操作的部分形成。如本文所用，除非本发明被权利要求明确限制，否则对中冷器和中冷器段的引用应理解为包括统一的中冷器结构和独立的中冷器结构。中冷器16、24、30和36以及中冷器段56、58和60可以进行设计，并且(附加地或另选地)针对热泵预期运行的温度范围进行校准。

对于中冷器16、24、30和36的潜在表现形式的进一步理解可以参考描绘了第一级级联式热泵中冷器16的高温段56的图4A到图4C。其中，形成独立可操作的中冷器热交换器的中冷器段56具有中冷器芯66，所述中冷器芯66具有气态流体入口68和气态流体出口70。中冷器芯66保持在壳体72内。在这种构造下，压缩流体可以从高压鼓风机12接收并进行中冷，然后前进到诸如中温中冷器段58，然后前进到低温中冷器段60，然后前进到气体压缩系统的第二级。剩余的中冷器可以类似地操作，或者可能以不同的方式构造和操作。

级联式热泵中冷器16、24、30和36避免因在高的增量(delta)温度下冷凝热量而导致的效率损失。在下面采用的级联式热泵中冷器16、24、30和36中，低温热泵使用下一个更高温度的冷却槽单元作为其各自冷凝温度的基础。通过这种方式，中冷器16、24、30和36内的热泵个体地进行协作，以在最小化个体热传递要求并且个体不会表现出较大的效率损失的情况下移动非常大量的热量。

进一步参考图8的示意图可以得到用于进一步管理、收集和开发的子系统，该示意图提供了关于在本发明的特定实践中可以实现的高效率的进一步理解。此处，通过使用热泵制冷槽(诸如，高温热泵的制冷槽)利用和限制温度变化和增量。如下文所使用的，热泵可以收集热量(包括潜热和摩擦热)，并传输该热量以供替代或后续使用。热量可以用于后续或并行的操作中，这些操作可以使用低品位热量来执行需要能量输入的另一项任务。这样，所传递的能量被有效地多次使用，例如一次用于压缩空气，而第二次用于对进一步操作进行加热。所述进一步操作例如可以是空间加热、水加热、有机兰金(Rankin)循环发电或其他一些操作或其组合。

如图8所示，能量收集、管理和利用子系统可以插设在气体压缩系统10的交替制冷和压缩级内。例如，使用系统10的第一级作为非限制性示例，低温制冷槽82可以与相应中冷器16的低温段60热力学地交互，其中槽液通过中冷器16的低温段60输送。制冷槽82可以具有高于水的冰点的槽温(诸如33°F)，以避免冷凝水冻结在制冷槽82的盘管上。低温热泵84流体地联接到制冷槽82。热泵84通常必须在环境温度高达100°F的空气中对制冷剂进行冷凝，而空气的传热能力较低，因此需要更高的增量冷凝器温度来完成热的有效传递。如此高的增量温度会大大降低热泵的COP。为了避免高增量环境空气冷却冷凝器的缺点，低温热泵84使用来自中温制冷槽86的冷凝介质。这将增量温度保持在约30°F。附加地，低温热泵84现在正在液体介质中交换热量，这需要较低的增量温度才能有效。这使得低温热泵84的COP非常高。

中温制冷槽86在槽温约为例如60°F时流体地联接到低温制冷槽82。中温热泵88流体地联接到制冷槽86。通过使槽液通过中冷器16的中温段58输送，中温制冷槽86可以与相应中冷器16的中温段58热力学地交互。通常情况下，热泵88必须在环境温度可能高达100°F的空气中对制冷剂进行冷凝，并且再次认识到，空气传热能力低，从而需要更高的增量冷凝器温度来完成热的有效传递。如此高的增量温度会大大降低热泵的COP。为了避免高增量环境空气冷却冷凝器的缺点，中温热泵88使用高温制冷槽90，高温制冷槽90与相应中冷器16的高温段56热力学地接合，其中槽液作为冷凝介质通过中冷器16的高温段56输送。这使增量温度保持在约60°F。附加地，因此，中温热泵88在液体介质中交换热量，这需要较低的增量温度才能有效。这使得中温热泵88的COP非常高。在此段之后，温度已经升高到诸如l20°F。

高温制冷槽90流体地联接到中温热泵88，并且具有与中冷器16的高温段56相对应的约l20°F的槽温。流体地联接到高温制冷槽90的高温热泵92同样将通常必须在环境温度高达100°F的空气中对制冷剂进行冷凝。尽管此冷凝器中的环境温度有助于高COP，但是不良的空气交换将需要更高的增量温度，并且需要更多能量。更高的增量温度将会使热泵92的COP略有降低。为了避免高增量环境空气冷却冷凝器的缺点，高温热泵92使用高温增压制冷槽94作为其冷凝介质。这将增量温度保持在约80°F。附加地，流体现在处于可被用于其他加热操作的可用低品位热量的温度。这使得高温热泵92的COP非常高。在此段之后，温度进一步升高到诸如200°F。

可以添加一个或更多个附加的增压热泵循环，各个增压热泵循环具有热泵96和制冷槽98，以进一步提高温度，从而改善低品位热量的质量，使得低品位热量可以用于更多种类的低品位热量用途。在各个增压循环中，温度可以进一步提升，诸如提升额外的80°F至100°F。在这种方法下，一个额外的增压循环可以将温度提升到例如290°F，而第二个额外的增压循环可以进一步将温度提升到诸如380°F。在这种更高温度的增压循环中，冷凝盘管可以位于实际的最终用户任务中，诸如在气体驱动发电机、家用热水供应、空间供暖需求或其他方面。

在任何情况下，并且回顾图1和图2，例如，在本气体压缩系统10中重复压缩和中冷步骤，从而顺序地压缩气体，其中具有通过中冷收集热量的中间步骤。在所描绘的气体压缩系统10的实践中，在鼓风机压缩组20内的多个(特别是四个)顺序的级中重复压缩和中冷，以使吸入或输入到系统中的气体达到升高的第一组出口表压。需要注意的是，在鼓风机压缩组20中，可以提供额外的或更少的级，以在若干个级的每一者中通过鼓风机压缩进行压缩，并通过中间级联式热泵中冷器进行中冷。

在本实施方式中，鼓风机压缩组20采用具有高压鼓风机28的第三级，高压鼓风机28接收在鼓风机压缩组20的第二级中压缩和冷却的空气。第三级的高压鼓风机28提供对从第二级接收的空气的进一步压缩，由于级联式热泵中冷器24的运行，使得鼓风机28接收的空气具有降低的绝热，因此执行压缩所需的能量更少。级联式热泵中冷器30设置在鼓风机压缩组20的第三级内，以接收来自高压鼓风机28的加压空气。

现有技术公开了高压鼓风机压缩系统。相关教导可以在以下各项中获得：例如，针对Compressor System的美国专利No.2,849,173、针对High Pressure Air Compressor的美国专利No.3,014,639、针对Process for Compressing a Gaseous Medium的美国专利No.5,461,861、针对Multi-Stage Gas Compressor System的美国专利No.6,695,591、针对Compressor Device的美国专利申请公开No.2009/0257902。所有这些通过引用并入本文。

通过非限制性示例，本文所述的高压鼓风机12、22、28和34可以包括高压离心鼓风机。例如，第一级高压鼓风机12可以在4500CFM到20000CFM的范围内运行，而第二级高压鼓风机22可以同样例如在4500CFM到20000CFM的范围内运行。这些速率以大气条件来表示。然而，由于压力和亚环境冷却的增加，预计在第一鼓风机12之后的鼓风机22、28和34可以在降低的流速下工作，诸如减少大约25％的体积。理论上，因为在空气加压时，必须通过的实际空气物理体积较小，所以在后面的级中可以采用较小的鼓风机22、28和34。例如，一种有效的高压鼓风机类型是可以从美国伊利诺伊州Willowbrook的纽约鼓风机公司获得的具有径向高压轮设计的HP型高压鼓风机。

在鼓风机压缩组20的第四级中，高压鼓风机34接收在第三级中压缩和冷却的空气。第四级的高压鼓风机34提供对从第三级接收的空气的进一步压缩，由于级联式热泵中冷器24的操作，使得鼓风机34接收的空气具有降低的绝热，因此执行压缩所需的能量更少。级联式热泵中冷器36设置在鼓风机压缩组20的第四级中，以接收来自高压鼓风机34的加压空气。

本发明人已经认识到，在涉及由鼓风机进行压缩的一个或更多个级之后，压缩空气将达到一升高压力，超过该升高压力，由高压鼓风机进行压缩变得不实际和无效。根据本系统10，可以通过机械压缩来实现进一步的压缩，诸如通过使用一个或更多个往复式压缩机。可以在各个压缩步骤之后同样采用由级联式热泵中冷器进行的中冷。因此，鼓风机压缩组20的高压鼓风机12、22、28和34让位给机械压缩机组30中的往复式机械压缩机42、46和50(具有中间的中冷器44和48)的级。除了鼓风机压缩组20实现的第一级压缩外，与鼓风机相比，往复式压缩机42、46和50使气态压力提升的更高并且更高效。在这种情况下，机械的往复式压缩机可在150至300立方英尺/分钟的范围内运行。由于气体现在被压缩到比原始空气体积小得多的体积，因此可以采用较少的压缩机42、46和50来达到所需的最终高压。

在机械压缩机组30内，从鼓风机压缩机组20的最终中冷器36通过流体连接器40在鼓风机压缩机组出口压力下接收压缩和中冷后的空气，所述压缩和中冷后的空气进入形成气体压缩系统10的第五级的第一机械压缩机组42。第一机械压缩机组42可以仅包括单个机械压缩机或多个机械压缩机。例如，压缩机组42、46和50的机械压缩机可以包括旋转式压缩机或往复式压缩机。在此说明书中，三台机械压缩机在第一机械压缩机总成42中并列运行。第一机械压缩机总成42将气体提升到进一步升高的压力，并且接收到的气体温度升高。进一步加压的气体被输送到第一机械压缩机总成42的第一级的级联式热泵中冷器44，以去除压缩的热量并降低加压空气的温度，从而降低进一步压缩空气所需的能量。

本实施方式中的机械压缩组30具有第二机械压缩机组46和第三机械压缩机组50，第二机械压缩机组46和第三机械压缩机组50构成气体压缩系统10的第六级和第七级。在第六级中，由在本示例中并列运行的两个机械压缩机组成的第二机械压缩机总成46接收在机械压缩组30的第五级中压缩和冷却的空气。第六级的机械压缩机组46提供对从第五级接收的空气的进一步压缩，并且级联式热泵中冷器48设置在机械压缩组30的第六级内，以接收来自第五级压缩机组46的加压空气。在气体压缩系统10的第七级和最终级中，由本实施方式中的单个机械压缩机形成的第三机械压缩机组50接收在机械压缩组30的第六级中压缩和冷却的空气，并且在进一步压缩气体之后使加压后的气体通过出口52。

根据本发明并进一步参考图7，可有利地采用由气体压缩系统10对气体进行加压来驱动其他和更大的系统。作为示例而非限制，由系统10加压的气体可以被利用为：本发明人于2018年8月28日提交的共同待决的美国申请No.16/115,531和PCT国际申请No.PCT/US18/48413的空气驱动发电机100中***作为诱导工作流体循环运动的加压气体。这两个申请的全部披露通过引用并入本文。在气体压缩系统10的这种利用中，气体可能在最终级之后无法通过中冷进行冷却，并且额外的热量和产生的压力可能有助于将空气注入到气体驱动发电机100的浮力导管中，以使液态的工作流体移位。

如图7所示，由此创建了一种气体驱动发电机，以用于从工作流体的运动中产生电力，该工作流体具有一个或更多个长形重力分布导管，各个重力分布导管具有上端和下端；以及一个或更多个长形浮力导管，各个浮力导管具有上端和下端。浮力导管的一个或多个上端与重力分配导管的一个或多个上端流体连通，并且重力分配导管的一个或多个下端与浮力导管的一个或多个下端流体连通，由此在浮力导管和重力分配导管之间形成闭合的流体回路。从浮力导管的上端流出的工作流体被馈送到重力分配导管的上端，并且向下流动通过重力分配导管的工作流体从分配器导管的下端馈送到多个浮力导管的下端。流体涡轮机系统流体地插设在重力分配导管的一个或多个下端与浮力导管的一个或多个下端之间。空气注入系统能够操作，以将空气注入每个浮力导管，其中空气被本文公开的气体压缩系统10压缩。由气体压缩系统10供应并注入浮力导管内设置的工作流体中的空气会导致浮力导管内的工作流体向上流动，并且被馈送到重力分配导管的上端的工作流体将在重力分配导管内向下流动，以致动流体涡轮机系统。因此，本公开和通过引用并入本文中的参考文献的组合教导公开了接收使用本发明的气体压缩系统10压缩的气体的空气驱动发电机100。

同样，根据本文公开的热力学方法和系统10，在级联式中冷器16、24、30、36、44和48的热泵运行中使用的能量的量可以被热泵收集并用于次要目的，以扩大甚至更大的液流系统的整体效率。作为示例而非限制，可以对级联式中冷器16、24、30、36、44和48的热泵所收集的热量进行收集和利用，以对本发明人在共同待决的美国专利申请No.16/115,531和PCT国际申请No.PCT/US 18/48413中的空气驱动发电机中的工作流体进行加热，从而提高其中所要保护和公开的空气驱动发电机100的效率。

还可以通过诸如使空气驱动发电机100中的流体过热到大于绝热，以及使注入到空气驱动发电机100的浮力导管中的压缩空气过度膨胀来收集和利用更多的热量。气体驱动发电机100的浮力导管中的气态流体的这种过度膨胀会使得更大体积的工作流体移位以产生更大的动力，进而产生更多的功率。

特别是在系统10的初始压缩循环中，期望级联式制冷热泵中冷器16、24、30和36的温度保持在冰点以上，这样冷凝水蒸气不会沉积在中冷器芯66的冷却盘管上。这有助于去除空气中的水蒸气，并且减少压缩所需的能量。当空气被压缩时，空气将无法再容纳像以前那样多的水蒸气，这就迫使蒸气凝结成液态水以释放潜热。系统10中潜热的释放使热泵中冷器16、24、30和36保持在较高的效率范围内运行。潜热和摩擦热的去除降低了压缩机12、22、28和34上的背压，并且降低了压缩空气所需的能量。

在随后的级中，空气被机械地压缩以释放更多的绝热，并再次提升空气温度，使空气温度足以回到热泵制冷系统44和48的更高效率范围内。这种加热后的压缩空气现在再次通过制冷热泵循环冷却回到低温，以减少压缩空气所需的能量。这种交替的机械循环/低温制冷循环重复多次，直到达到所期望的最终压力为止。

经过若干次机械压缩/制冷循环后，空气中的水蒸气含量足够低，可以将加热后的压缩空气中冷至较低的亚冰点温度，从而进一步降低了压缩所需的能量。低温制冷循环取代机械压缩循环越多，将空气压缩到最终高压所需的总功率消耗就越低。如本文所公开的，由于热泵具有非常有限的温度范围，它们以非常高的性能系数运行，热泵蒸发器单元以其中具有多个级联的中冷器的级联式冷却中冷器构造来构造，其中在中冷器的开始处对最高温度进行冷却，然后是一个或更多个更低温度的中冷器。

这种级联式中冷器构造还可以通过减少每个循环中冷凝器与蒸发器之间的增量温差来保持热泵的高性能系数。这是通过使最低温度的制冷热泵将其热量传递到下一个较高温度的制冷热泵的蒸发器段，而不是在升高的室温或更高温度下将其排出来完成的。已经认识到，每台制冷热泵的温度越高，其要处理中冷器的温度范围内的热能以及下一台较低制冷热泵中冷器的热量所必须具有的能力就越大。这样，当所有的热量达到最高温度热泵时，蒸发器的温度就可以被提升到非常高的升高温度。除了绝热外，制冷热泵还收集摩擦和水蒸气凝结潜热产生的热量。

可以提供特定的示例和计算，以传达气态流体压缩系统10的预测性能，应理解的是，其并不旨在依赖实际性能的任何表示。在一个说明性但非限制性的示例中，空气在0psi表压且环境温度假定为70°F时被吸入气体压缩系统10。高压鼓风机12通过进气口14吸进空气并压缩空气到例如约3.75至5.5psi，这取决于压缩系统10的构造和其他因素。流体压缩释放了绝热，并将现在压缩的空气的温度提升到140°F至170°F之间。级联式热泵中冷器16去除绝热，从而降低进一步压缩空气所需的能量。热泵中冷器16降低了加压空气的温度，这导致了降低了压力。例如，在系统10的实施方式中，温度可降低到比原始环境温度低约33°F。根据计算，高压鼓风机12所需的净力将减小2至3psi表压。

进一步参照图2，空气进入第一级联式中冷器16的高温段。空气从140°F至170°F冷却到约100°F至80°F。然后，空气进入中冷器16的中温段。在该处空气从100°F至80°F冷却到约60°F至50°F。然后，空气进入中冷器16的低温段。在该处空气从60°F至50°F冷却到约33°F。脱水器18能够操作以用于去除任何冷凝水，该冷凝水可用于气体驱动发电机100。

在鼓风机压缩组20的第二级中，空气在3.75至5.5psi表压和33°F下进入第二高压鼓风机22，并且空气被压缩4psi至5.5psi表压，并再次将空气加热到140°F至170°F。此时，累积压力增加为8psi至11psi表压。然后，空气进入第二级联式中冷器22的高温段，在该处空气从140°F至170°F冷却到约100°F至80°F。然后空气进入中冷器22的中温段，在该处空气从100°F至80°F冷却到约60°F至50°F。之后，空气进入中冷器22的低温段，在该处空气从60°F至50°F冷却到约33°F。脱水器26操作以去除任何冷凝水，并且可以收集该冷凝水以用于气体驱动发电机100。

在鼓风机压缩组20的第三级中，空气在8psi至11psi表压和33°F下进入第三高压鼓风机28，并且空气被压缩4psi至5.5psi表压，然后再次将空气加热到140°F至170°F。此时，累积压力增加为16psi到18psi表压。然后，空气进入第三级联式中冷器30的高温段，在该处空气从140°F至170°F冷却到约100°F至80°F。然后，空气进入中冷器30的中温段，在该处空气从100°F至80°F冷却到约60°F至50°F。之后，空气进入中冷器30的低温段，在该处空气从60°F至50°F冷却到约33°F。脱水器32操作以去除任何冷凝水，并且可以收集该冷凝水以用于气体驱动发电机100。

在鼓风机压缩组20的第四级中，空气在16psi至18psi表压和33°F下进入第四高压鼓风机34，并且空气被压缩5psi至5.5psi表压，然后再次将空气加热到140°F至170°F。此时，累积压力增加为18psi至22psi表压。然后，空气进入第四级联式中冷器36的高温段，在该处空气从140°F至170°F冷却到约100°F至80°F。然后，空气进入中冷器36的中温段，在该处空气从100°F至80°F冷却到约60°F至50°F。之后，空气进入中冷器36的低温段，在该处空气从60°F至50°F冷却到大约33°F。脱水器38操作以除去任何冷凝水，并且可以收集该冷凝水以用于气体驱动发电机100。

从鼓风机压缩组20离开的空气进入机械压缩组30，在该处高压鼓风机12、22、28和34被具有往复式压缩机的机械压缩机总成42、46和50所取代。空气在18psi至22psi表压和33°F下进入压缩的第五级中的往复式压缩机的第一总成42。空气被压缩20psi至30psi表压，然后再次将空气加热到140°F至170°F。此时，累积压力增加到40psi至65psi表压。然后，空气进入第五级联式中冷器44的高温段，在该处空气从140°F至170°F冷却到约100°F至80°F。然后，空气进入级联式中冷器44的中温段，在该处空气从100°F至80°F冷却到约60°F至50°F。然后，空气进入中冷器44的低温段，在该处空气从60°F至50°F冷却到约33°F。脱水器能够去除冷凝水并且收集该冷凝水，例如用于气体驱动发电机100。

空气在40psi至65psi表压和33°F下进入压缩的第六级中的往复式压缩机的第二总成46。空气被压缩20psi至30psi表压，然后再次将空气加热到140°F至170°F。累积压力增加到65psi至85psi表压。随后，空气进入第五级联式中冷器48的高温段，在该处空气从140°F至170°F冷却到约100°F至80°F。然后，空气进入级联式中冷器48的中温段，在该处空气从100°F至80°F冷却到约60°F至50°F。然后，空气进入中冷器48的低温段，在该处空气从60°F至50°F冷却到约33°F。脱水器能够去除冷凝水并收集冷凝水，例如用于气体驱动发电机100。

在压缩的第七级，空气在65psi至85psi表压和33°F下进入往复式压缩机的第三总成50，第三总成50可以包括单个压缩机。空气被压缩50psi至150psi表压，并再次将空气加热到140°F至170°F。累积压力增加到125psi至250psi表压。如果需要更高的压力，则可以增加额外的级，以达到期望的psi。在压缩的最后级之后，空气没有经过冷却，因此可以利用额外的热量和产生的psi将空气注入气体驱动发电机100，以使工作流体移位。

其中所公开的气体压缩系统10和方法(已参考空气进行描述，但可用于其他气体)，经计算能够将功耗降低50％以上。压缩系统10使用交替的压缩机和制冷热泵来去除绝热并降低背压，进而降低压缩空气所需的能量。这将使机械式压缩机的能量降低约60％。

利用本发明的针对所公开的气态流体压缩系统10的某些细节和实施方式，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对其做出许多改变和增加。当考虑当前优选实施方式仅示出本文所揭示的更广泛的发明时，则尤其如此。在一个非限制性的示例中，较小、较少体积的系统只能使用往复式压缩机，或者理论上只能使用高压鼓风机压缩机。因此，将清楚，考虑到本发明的主要特征的技术人员可以制定出并入那些主要特征而不是并入优选实施方式中包括的所有特征的实施方式。

因此，随附权利要求旨在限定要提供给本发明人的保护范围。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，这些权利要求应被认为包括等同的构造。还必须注意的是，随附多个权利要求可以说明某些元件作为用于执行特定功能的手段，有时无需结构或材料的叙述。如法律所要求的那样，这些权利要求将被解释为不仅涵盖在本说明书中明确描述的对应结构和材料，而且涵盖该对应结构和材料的现在可能已知或以后发现的所有等同例。