Kompressionskühlanlage Die Erfindung bezieht. sich auf eine Kom pressionskühlanlage mit. einem Kompressor und einer Entspannungsturbine für Kälte mittel.
Bei den bisherigen Kühlanlagen dieser Art ist die 'Turbinenwelle in durch Flüssig keit geschmierten Lagern gelagert, zum Bei spiel in Wälz- oder Gleitlagern, in die Schmier mittel gebracht, gegebenenfalls hineingespritzt wird.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, dass die Welle der Turbine auf Druekgas- lagern gelagert ist, wobei das Druckgas dem die Turbine beaufschlagenden Kältemittelgas entnommen wird. Lager und Turbinenwelle bleiben dann kalt; es wird nahezu keine Rei bungswärme erzeugt, die in das Kältemittel übergehen und den Wirkungsgrad der An lage verschlechtern könnte.
Weiter wirkt das Druckgas wärmeisolierend in den Lagern, so dass auch nicht. an anderer Stelle der Tur binenwelle, etwa in einem auf ihr angeord neten, zum Vorkühlen des Druckgases benutz ten Turbokompressor entstehendeWärme über die Lager in das Kältemittel gelangen kann.
Ferner kann bei der erfindungsgemässen Anlage nicht mehr flüssiges Schmiermittel aus dem Lager in das Kältemittel gelangen, das dort unerwünscht ist und das bisher die Verwendung solcher Anlagen in verschiedenen Fällen nicht zulässt, weil man häufig in den Kühlräumen möglichst reines Kältemittel, zum Beispiel frische, saubere Luft., braucht. Es kann bei der vorliegenden Anlage nicht mehr vorkommen, dass Schmieröl in den mit unter sehr tiefen Temperaturen unterwor fenen Lagern der 'Turbinenwelle dickflüssig wird. Die Lagerteile werden also auch nicht durch auf dickflüssig gewordenes Öl zurück zuführende, bisher besonders beim Anfahren entstandene Reibung erwärmt.
Man kann völlig reibungslos anfahren, weil die Welle der Turbine dabei durch das Druckgas sofort von den ortsfesten Lagerelementen abgehoben wird. Die schädliche Anlaufzeit, die bei be-. kannten Anlagen verstreicht, bis ein Schmier film um den Umfang der Welle herum ge bildet ist, fällt fort. Schliesslich wird bei der Anlage nach der Erfindung eine speziell für die Lager allein Druckgas liefernde Einrich tung entbehrlich, weil das erforderliche Druckgas dem die Turbine beaufschlagenden Kältemittelgas entnommen wird.
Neben der vorliegenden Verwendung von Druckgaslagern als kaltbleibende, wärmeiso lierende, schmierflüssigkeitsfreie und mit Kältemittelgas betriebene Lager bei Kühlanla gen kann - je nach den Erfordernissen im Einzelfall - auch der den Druckgaslagern an haftende, an sich bekannte Vorteil, sehr hohe Drehzahlen ohne Beschädigung der Lager zu gestatten, ausgenützt werden.
Bei einer Ausführungsform der Anlage wird das Druckgas auch zur Aufnahme von Axialschüben der Turbinenwelle benutzt.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbei spiel des Erfindungsgegenstandes, Fig. 1 ist ein Schema. einer erfindungsge mäss ausgebildeten Kompressionskühlanlage.
Fig.2 zeigt. einen Teil einer zugehörigen Entspannungsturbine mit. Turbokompressor in zum Teil schematisiertem Schnitt.
Fig. 3 ist ein ebenfalls vereinfacht darge stellter Schnitt nach Linie 4-r1 in Fig. ?, und Fig. 4 ein wiederum schematisierter Teil schnitt nach Linie B-B in Fig. 3.
Ein von einem Motor 1 angetriebener Kol benkompressor \? fördert Druckluft über eine Leitung 3 in Richtung des Pfeils 4 durch einen Wasserkühler 5 und einen Wärmeaus tauseher 6 in eine Entspannungsturbine 7. Die Luft v erlässt die Turbine mit - im Ver gleich zur Eintrittstemperatur - tieferer Temperatur und gelangt über Leitung 8 (Pfeil 9) in einen Kühlraum 10, der zum Beispiel eine Schrumpfkammer, ein Versuchs- raum für Wissensehaftliehe Zwecke usw. sein kann.
Die hier als Kältemittel verwendete kalte Luft. kühlt den Raum 10, während sie sich dabei gleichzeitig etwas erwärmt. Über Leitung 11 (Pfeil 12) gelangt sie in den Wärmeaustauscher 6, in dem sie die aus dem Kühler 5 kommende, bereits vorgekühlte Luft des Kompressors 2 weiter abkühlt und sich dabei weiter erwärmt. Die vorgekühlte, in der Leitung 3 befindliche, aus dem Wärmeaustau- seher 6 strömende Luft. wird, wie weiter hin ten näher erläutert ist, auch den Lagern der Welle der Turbine 7 zugeführt..
Nach dem Wärmeaustauscher 6 wird die vom Kühlraum 10 kommende erwärmte Luft über eine Lei tung 13 (Pfeile 14) einem als Bremse für die Turbine 7 wirkenden Türbokompressor 15 zu geführt, dessen Laufrad auf der aus wärme isolierendem Werkstoff, zum Beispiel Kunst stoff, bestehenden Welle 27 der 'Turbine 7 sitzt. In dem Turbokompressor 15 wird die Luft für das nächste Arbeitsspiel vorverdieli- tet. Anschliessend gelangt sie. über eine Rück laufleitung 16 (Pfeil 62:) -wieder in den Kol benkompressor 2.
fron der Leitung 3 zweigt bei 221 eine Lei tung 17 (Pfeile 18) ab, die zu einem Um schaltorgan 19 führt. An das Organ 19 schliesst eine Leitung 2'0' (Pfeil 21) an, die zu einer Abzweigung 23 weiter führt.. Hier teilt- sich die Leitung 20 in zwei Druckleitun gen 24, die zu den Lagern 25, 245' der Welle 2'7 der Turbine 7 und des Turbokompressors 15 führen (Pfeile 26). Die Druckluft wird aus den Lagern 25, '?5' über sich bei 28 vereini gende Leitungen 29 und eine daran anschlie ssende Leitung 30 (Pfeile 31) in die Leitung 13 vor dein Turbokompressor 15 geführt.
Da die Druckluft für die Lager 25, 25' aus der Leitung 3 vor der Turbine 7 dem Kältemittel kreislauf entnommen und nach Durchströmen der Lager 25, 25' in den Kreislauf zurückge führt wird, wird ständig ein und dasselbe Kältemittel im Kreislauf gehalten; es tritt also beim Betrieb nicht laufend Fremdluft, zum Beispiel von einer Presslufteinriehtung in den Kreislauf und das Kältemittel ein; daher braucht auch nicht ständig Kältemittel aus dem Kreislauf<U>ab-</U> lassen zii -erden.
Folglich besteht auch keine Gefahr, dass der Druck im Kühlraum unerwünscht hoch wird. Der Wir- kungsgrad der Anlage wird also auch insofern erhöht.
An dem Umschaltorgan<B>119</B> ist ausserdem eine Pressluftleitung 32 (Pfeil 33) angeschlos sen. Bei normalem Betrieb, das heisst, wenn der Luftdruck in der Leitung 3 ausreichend gross, zum Beispiel 5 a.ta, ist, sind die Lei tungen 17, 20 über das Organ 19 verbunden, während beim Anfahren der Anlage die Lei tungen 32, 20 verbunden sind, so dass fremde Pressluft in die Lager 25, 2:5' gedrückt wird. Sobald sieh dann in der Leitung 3 ein aus reichend hoher Druck eingestellt hat, werden das Organ 19 umgestellt und die Leitungen 17 und 20 miteinander verbunden.
Die Entspannungsturbine 7 und der Turbo kompressor 15 sind zu einer baulichen, ein Gehäuse 34 aufweisenden Einheit. vereinigt (Fig.2, 3). Die Turbine weist. die oben be reits erwähnte, aus wärmeisolierendem Werk stoff bestehende Welle 27, ein darauf befestig tes Schaufelrad 35 mit Laufschaufeln 3,8 und einer Luftableitseheibe 38a, einen Eintritts kanal 36 mit einem Ringraum 37, ortsfeste Leitschaufeln 3,9 und einen Austrittskanal 40 auf.
Der Turbokompressor weist einen Ein trittskanal. 41, ein auf der Welle 27 ange brachtes Schaufelrad 42 mit Laufschaufeln 43, einen Ringraum 44 und einen Austritts kanal 45 auf. Das Schaufelrad 42 hat an sei nem Umfang Labyrinthnuten 46. Zwischen dem Schaufelrad 42 und dem Lager 25' bzw. dem Gehäuse 34 ist der Zwischenraum 42a freigelassen.
Das Gehäuse 3.1 besitzt in der für die Welle bestimmten Bohrung Ausnehmungen 68, 69, in welche die zweiteiligen, in der Zeichnung jedoch vereinfacht wiedergegebenen Lager 25, 25' eingesetzt. sind. Zwischen den Lagern 2.5, 25' einerseits -Lind dem Gehäuse 34 anderseits sind Ringräume 47, 48 freigelassen, die über schräg verlaufende Kanäle 49 mit einem Ein trittskanal 50 für die für die Lager bestimmte Druckluft. in Verbindung stehen. Die Lager 25, 25' unisehliessen Teile 51, 52 der Welle 27, zwischen denen diese einen verstärkten Ab schnitt 58 besitzt. Der Teil 51 ist. gegenüber den Teilen 35 und 58 abgesetzt. zwecks Auf nahme des Lagers 25.
Innen haben die Lager L<B>25,</B> 25' je vier achsparallele, verhältnismässig breite Ausnehmungen 53 (Feg. 3, 4), die über radial stehende Zuführungskanäle 5:4 mit den betreffenden Ringräumen 47, 48 in Verbin- duiig stehen. Weiter sind innen an jedem Lager 25, 2,5' vier achsparallele, schlitzför inige Ausnehmungen 55 angebracht.
Beien Lager 225 ist in Fig. 3 sowohl die obere als auch die untere Ausnehmung 55 über je zwei senkrechte Ausströmkanäle 56 (Feg. 2 und 3,) mit je einem achsparallelen Kanal<B>57</B> verbunden. Die beiden Kanäle 57 führen zu einem zwischen dem Abschnitt 58 der Welle 27 und einer zugehörigen, im Gehäuse 34 be- fiiidliehen Ausnehmung 6:4 freigelassenen Ringraum 59.
Die Ausnehmungen 53 sind, wie besonders Fig.4 zeigt, in beiden Lagern 25, 25' ringsherum von stehengebliebenen Lager- fläelien 65, 72 umgrenzt, wogegen die Ausneh- iniuigen nur beim La;-er 25 in Ringnuten 71 münden. Dieses besitzt. an beiden seitlichen Enden Schultern 73, die zusammen mit dem Schaufelrad 35 und dem Wellenabschnitt<B>738</B> zwei Dreckräume 74 für Axialsehübe aufneh- mende Druckluft. bilden.
Weiter besitzt das Lager 25 vier Kanäle 7:5, die die Verbindung zwischen den Druckräumen 71 und dem Ring raum 47 herstellen. Von dem Ringraum 5 9 führt ein Austrittskanal 60 aus dem Gehäuse 34. Im Gegensatz zum Lager<B>25,</B> in dem Ra dial- und Axialkräfte durch die Druckluft aufgenommen werden, werden im Lager 2'5' durch die ihm zugeführte Druckluft nur Ra dialkräfte aufgenommen, weshalb dieses Lager 25' entsprechend einfacher gebaut ist. Bei ihm sind die Kanäle :5,6, 57, 7'5 weggelassen.
Es endet zu beiden Seiten mit den Flächen 72; seine schlitzförmigen Ausnehmungen 55 mün den also einerseits in den Ringraum 59 und anderseits in den Raum 42a. des Schaufelrades 42 des Turbokompressors.
Die Druckluftlager 25, 25' geben erst die Möglichkeit, die für die Turbine 7 -Lind den Kompressor 15 gemeinsame, aus wärmeisolie rendem Werkstoff bestehende Welle 27 zu verwenden, durch die die wärmeisolierende Wirktuig der Druekluftlager 25, 25' wesentlich unterstützt wird.
Die im Betrieb über die Leitung 20 (Feg. 1) kommende Druckluft wird durch den Eintrittskanal 50 (Feg. 2, 3), die Schrägkanäle 49, die Ringräume 47, 48 lind die Radial kanäle 5:4 den Ausnehmungen 153 zugeleitet. Dort hebt sie die Welle an den Teilen !51, 52 etwas von den zwischen den Ausnehmungen 53, 5<B>,</B>5 stehengebliebenen Lagerflächen @65 der Lager<B>25,</B> 25' ab, nimmt also Radialkräfte der Welle auf.
Darauf strömt sie über die Aus nehmungen 55 - bei Lager 2'5 auch über die Ringnuten 71 und die Kanäle 5'6, 57 -, den Ringraum 59 und den Austrittskanal 60: nach aussen in die Leitung<B>30</B> (Feg. 1).
Weiter strömt bei Lager 2 ;5 Druckluft durch die Kanäle 75 in die Druckräume 74 und von hier. durch die Spielräume zwischen dem Lager 25 und dem Schaufelrad<B>35</B> bzw. dem Wellenabschnitt 58 aus dem Lager. Die Druckluft in diesen Spielräumen nimmt Axialschübe der Welle<B>297</B> auf und hält diese in einer mittleren Stellung, in der die Spiel räume beiderseits des Lagers 25 etwa gleich gross sind. Die Anordnung ist. so getroffen, dass, wenn die Welle<B>9-1</B> ans der mittleren Stellung, zum Beispiel in Fig. 2 nach rechts geschoben wird, das Spiel zwischen dem Lager 25 und dem Wellenabschnitt 58 vergrössert und dasjenige zwischen dem Lager 25 und dem Schaufelrad 35 verkleinert wird.
Dadurch sinkt der Druck in dem in Fig. 4 rechts ge legenen Druckraum. 71 ab, während er in dem entsprechenden, links gelegenen zu nimmt, so dass die Welle 27 selbsttätig wieder in die Hittelstellung gerückt wird. Die Druckluft hält die Welle 2,7 im Betrieb :;n den Lagern 25, 25' frei schwebend.
Das beim Betrieb vorhandene Spiel zwi schen dem Lager 25 und dem Schaufelrad 3 lässt<I>sieh</I> so klein Beinessen, dass der über das Lager 25 in den Austrittskanal 40 der Ent spannungsturbine gelangende Anteil der Druckluft- aus der Leitung 3 im Vergleich zu dem durch den Eintrittskanal 3,6 in die Entspannungsturbine einströmenden Anteil gering ist.
Auf der Seite des Turbokompres sors 15 ist durch den Überdriiek in den Aus nehmungen 55 und durch die Labyrinth nuten -16 dafür gesorgt, dass die vom Turbo kompressor erwärmte, ihm über die Leitung 13 (Fig. 1) und den Eintrittskanal :#1 (Fig.2) zugeführte und über den Austritts kanal 45 und die Rüeklaufleitung 16 weiter geleitete Luft nicht in das Lager 25' und von da gegebenenfalls über den Ringraum 59 und durch das Lager 25 in die Turbine 7 gelangen kann, wo sie sich mit der entspann ten Kaltluft vermischen und auf diese Weise den Wirkungsgrad der Anlage vermindern könnte.
Die Kanäle bzw. Räume bzw. Ausnehmiin- gen 50, 49, 47, .l#8, 5.1, 53 (Fig. 2, 3) sind in Fig. 1 schematisch als Leitungen 24, die Ka näle bzw. Ringnuten bzw. Ausnehmungen 55, 71, 56, 57 als Leitungen 29 dargestellt.
Bei einer andern Bauart ist die Turbine 7 in den Kühlraum 10 selbst eingebaut, in welchem Falle der Turbokompressor 15 ausserhalb dieses liegt. Trotzdem ist. auch hier eine und dieselbe Welle für die Schaufel räder von Turbine und Turbokompressor vor gesehen. Die Leitung<B>8</B> fällt fort, so dass Kälteverluste zwischen Turbine und Kühl raum vermieden sind.
Der Einbau der Tur bine in den Kühlraum wird durch die Ver wendung von Druckluftlagern in vorteilhaf ter Weise ermöglicht, weil dann mit flüssi- gem Schmiermittel zusammenhängende Vor richtungen an den Lagern, zum Beispiel Öl- rüekführnuigsleitungen,Druckmesser, ölstands- messer usw. entbehrlich sind, die im Kühl raum selbst iinerwünseht wären.