CN111212981A - 压缩装置和方法以及制冷机 - Google Patents

Abstract

一种用于工作气体的离心压缩的装置，该装置包括形成多个压缩级的多个离心压缩机(1，3)以及用于驱动这些压缩机(1，3)的多个驱动马达(5，6)；该装置包括气体回路，该气体回路包括用于将待压缩气体供应到该第一压缩机(1)中的第一管道(16)；该回路包括用于排出在其中压缩的气体的第二管道(14)，该第二管道(14)连接到第二压缩机(3)的入口以便进行第二次压缩；该回路包括第三冷却管道(10)，该第三冷却管道用于将在所述压缩机(1)中压缩的一部分气体输送到所述至少一个第一马达(6)中以便限制该至少一个第一马达变热；该回路包括第四管道(12)和下游端，该第四管道用于回收已经在该第一马达(6)中循环的气体，该下游端连接到第二马达(5)的入口以用于将该气体转移到该第二马达(5)以便限制该第二马达变热。

Description

压缩装置和方法以及制冷机

本发明涉及一种压缩装置和方法以及一种制冷机。

更具体地，本发明涉及一种用于工作气体、尤其用于制冷机的离心压缩装置，该离心压缩装置包括形成多个相继和/或并行的压缩级的多个离心压缩机以及用于这些压缩机的多个驱动马达；该装置具有气体回路，该气体回路包括用于待压缩气体的第一入口管线，该第一入口管线连结到该第一压缩机的入口以将待压缩气体输送到该第一压缩机中；该回路具有第二管线，该第二管线连结到所述第一压缩机的出口以排出在此第一压缩机中压缩的气体，该第二管线连结到第二压缩机的入口以将在该第一压缩机中已经压缩的气体输送到该第二压缩机中以便进行第二压缩，该回路具有一个第三冷却管线，该第三冷却管线的一个上游端连接到这些压缩机中的至少一个压缩机的出口，并且一个下游端连接到至少一个马达的入口，以用于将在所述压缩机中压缩的一部分气体转移到所述至少一个第一马达中以便限制该至少一个第一马达变热。

在(电动)马达与一个或多个压缩轮之间使用直接驱动(即没有增速齿轮)的离心压缩机需要气流，以排出马达中所产生的热量。此热量主要是由来自马达的损失和由转子与围绕该转子的气体之间的摩擦产生的。

通常，此冷却流在马达的一侧(在入口处)注入，并且在较高温度下从另一侧(在出口处)排出。冷却流还可以被注入到马达的中部，并且从马达的两侧排出。

通常，还通过传热流体(水或空气或用于冷却定子的任何其他传热流体)在围绕马达的定子部分的回路中流动来排出更多或更少部分的热量。

为了防止压缩气体的损失或污染，流过马达以冷却马达的气体通常具有与压缩气体相同的成分。

为了限制所需装备的量，使气体流过一个或多个马达所需的动力是由一个或多个压缩级(即由一个或多个压缩机)产生的。

有多个使用这种冷却技术的已知示例。

文献US 6,64,469描述了使用离开第一压缩级的一部分气体来冷却马达。然后，将此气体返回压缩机的入口。

文献US 5,980,218描述了使用离开位于第一压缩级下游的冷却交换器的一部分气体来冷却马达。然后，将此气体返回压缩机的入口。

文献US 8,899,945描述了具有多个马达的架构。

然而，这些解决方案不适用于具有多个马达的架构、和/或性能水平是不令人满意的。

本发明的一个目的是减轻如上阐述的现有技术的一些或全部缺点。

为此目的，根据本发明的装置，虽然对应于以上前序部分中给出的一般定义，但其实质性特征在于，该回路包括第四管线，该第四管线具有上游端和下游端，该上游端连结到该第一马达的出口以回收已经流过该第一马达的气体，该下游端连结到第二马达的入口以将气体转移到该第二马达的入口以限制该第二马达变热。

此外，本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个：

-该第四管线包括气体冷却构件，以对在该第一马达的出口与该第二马达的入口之间的气体进行冷却，

-该回路包括第五管线，该第五管线具有上游端和下游端，该上游端连结到该第二马达的出口以回收已经流过该第二马达的气体，该下游端连结到该第一压缩机的入口以便对该气体进行压缩，

-该装置包括管线和阀系统，该管线和阀系统被设计为在该第一马达与该第二马达之间分配一定量的冷却气体，

-该第五管线包括气体冷却构件，

-该第四管线具有连结到该第五管线的第二下游端，该装置包括阀系统，该阀系统被设计为在该第二马达与该第五管线之间分配来自该第一马达的气流，

-该第二管线包括气体冷却构件，

-该第二管线的气体冷却构件包括通过传热流体冷却的热交换器，

-该回路包括在该第二压缩机的出口处的气体冷却构件，

-该第三管线包括阀，该阀被设计为控制转移到该第一马达的气体的流量，

-该装置包括驱动一个或多个压缩机的至少一个马达以及联接至一个或多个膨胀涡轮机的至少一个马达，

-该装置在该一个或多个马达与该一个或多个压缩机或一个或多个膨胀级之间包括一个或多个旋转接头，使得该一个或多个马达的腔体中的压力接近于该压缩机中的最低压力，即该压缩机的入口压力，

-这些压缩机直接由相对应的马达旋转驱动，

-该装置包括被相同的马达驱动的多个压缩机，

-该装置包括由一个或多个膨胀涡轮机形成的一个或多个膨胀级、优选地为直接联接至该马达的向心膨胀涡轮机。

本发明还涉及一种用于在-100℃与-273℃之间的低温的制冷机，该制冷机包括工作回路，该工作回路包含工作流体，该工作回路包括离心压缩装置以及用于冷却和膨胀在该压缩装置中压缩的气体的装置，该压缩装置具有以上或以下所述特征中的任何一个。

本发明还涉及一种用于工作气体、尤其用于制冷机的离心压缩方法，该离心压缩方法利用形成多个相继和/或并行的压缩级的多个离心压缩机以及用于这些压缩机的多个驱动马达，这些压缩机直接由这些马达旋转驱动，该方法包括：

-在第一压缩机中、然后在串联或并联地布置的第二压缩机中压缩工作气体的步骤，

-用于抽出离开这些压缩机中的至少一个压缩机的一部分压缩气体并且使此抽出的气体流过第一马达以便对该第一马达进行冷却的步骤，该方法包括对已经用于冷却该第一马达的气体进行冷却的步骤，随后是使此已冷却的气体流过第二马达以便对该第二马达进行冷却的步骤。

本发明还可以涉及包括以上或以下阐述的特征的任何组合的任何替代性装置或方法。

其他特征和优点在以下参考附图提供的描述中阐述，在附图中：

-图1是局部示意图，示出了根据本发明的压缩装置的结构和操作的示例，

-图2是局部示意图，示出了包括这种压缩装置的冷却机的结构和操作的示例。

图1中示意性所示的压缩装置18包括形成两个相继压缩级的两个离心压缩机1、3(即两个压缩轮)。

两个压缩机1、3中的每个压缩机由相应的驱动马达5、6驱动。

优选地，压缩机1、3直接由相对应的马达5、6旋转驱动。

装置18具有气体回路，该气体回路包括用于待压缩气体的第一入口管线16，该第一入口管线连结到第一压缩机1的入口以将待压缩气体输送到第一压缩机1中。

该回路具有第二管线14，该第二管线的上游端连结到所述第一压缩机1的出口以排出在此第一压缩机中压缩的气体。第二管线14所具有的下游端连结到第二压缩机3的入口以将在第一压缩机1中压缩的气体输送到第二压缩机3中，以便进行第二压缩(第二压缩级)。

第二管线14优选地包括气体冷却构件2，例如通过传热流体冷却的热交换器。这样允许在压缩气体进入第二压缩机3之前将所述气体冷却。

如图所示，该回路优选地包括在第二压缩机3的出口处的气体冷却构件4(例如，与传热流体进行交换的交换器)。

该回路包括第三管线10，该第三管线具有上游端和下游端，该上游端连接到压缩机1的出口，该下游端连接到两个马达中的第一马达6。

如图所示，第三管线10的上游端可以经由第二管线14连结到第一压缩机1的出口。换句话说，第三管线10在第一压缩机1与第二压缩机3之间作为旁路连接到第二管线14。

换句话说，第三管线10抽出旨在供应第二压缩机3的压缩气体的一部分，以扫掠(冷却)第一马达。这部分可以是从第一压缩机1出来的气流的1％与40％之间。

优选地，第三管线10可以包括阀8(或任何其他合适的构件、尤其是压差构件，比如孔板、涡轮机、兰克-赫尔胥(Ranque-Hilsch)涡流管、孔板、毛细管等)，该阀用于控制转移到第一马达6的气体的流量。

该回路包括第四管线12，该第四管线具有上游端和下游端，该上游端连结到第一马达6的出口、被设计为回收已经流过第一马达6的气体，该第一下游端连结到第二马达5的入口、被设计为将气体转移到第二马达的入口以便限制第二个马达5变热。

换句话说，相继使用相同的冷却气体来对两个马达6、5进行冷却。

优选地，第四管线12包括气体冷却构件13，以对在第一马达6的出口与第二马达5的入口之间的气体进行冷却。例如，此冷却构件13包括与冷却传热流体进行热交换的热交换器。

已经流过第二马达5的冷却气体经由第五管线7排出，该第五管线具有上游端和下游端，该上游端连结到第二马达5的出口(以回收已经流过第二马达5的气体)，该下游端连结到第一压缩机1的入口，以便对该气体进行压缩。如图所示，第五管线7可以经由第一管线16连结到第一压缩机1的入口。

如果需要，还可以使用第五管线7(可能还有第四管线12)来从任何泄漏中回收气体(例如在靠近马达定位的接头中，例如旋转接头)。

而且，第五管线7可以包括气体冷却构件9，例如与冷却传热流体进行热交换的热交换器。

同样如图所示，第四管线12可以具有第二下游端和阀系统11，该第二下游端连结到第五管线7，该阀系统被设计为在第二马达5与第五管线7之间分配来自第一马达6的气流。换句话说，可以将从第一马达6出来的气体(冷却气体)分配在第二马达5(以便对该第二马达进行冷却)与第一压缩机1的入口之间。这是使用两个并行管线和至少一个阀11(和/或任何其他压差构件：涡轮机、孔板等)来实现的。自然地，可以将阀11(或等同物)布置在马达6(或多个马达)的终端处。阀11(或多个阀)可以是受控的控制阀。

而且，可以为第一马达6提供旁路管线(例如，在第三管线10与第四管线之间)，以关于第二马达5中的冷却气体量相对地减少第一马达6中的冷却气体量。

此外，可以在第二管线14(例如，在冷却构件2之后)与第四管线(冷却构件13的上游或下游)之间提供旁路管线。

此外，可以提供管线和阀系统以根据需要在第一马达6与第二马达5之间分配不同量的冷却气体。

例如，可以将旁通阀11有利地放置在第二马达5的冷却气体的入口与出口之间，以在穿过此第二马达5的冷却气体的流量太大时限制所述流量。

回路中使用氮气的示例操作

在图1的布置中，将例如在初始绝对压力5巴和温度288K下的1.26kg/s的氮气流压缩到绝对压力18.34巴所需的机械功率为大约188kW。可以将此压缩功率分为对于驱动第一压缩机1的马达5的88kW和对于驱动第二压缩机3的马达6的100kW。

与已知解决方案相比，这有助于降低功率(与现有技术相比，典型地降低6％)。

实际上，如果使用两个不同的气流(从压缩机的出口抽出的两个并行气流)来对两个马达5、6进行冷却，则为对两个马达5、6进行冷却而抽出的气体量是以上所述架构中所使用的量的两倍。此两倍的气体量增加了第一压缩机1的体积流量，因此增加了所需的功率。

根据一个实施例，在第一离心压缩级1中将氮气例如压缩到8.87巴(绝对)，该第一离心压缩级具有功率83kW和典型等熵效率86％。然后，在热交换器2中对此压缩气体进行冷却。

经由阀8抽出一部分气体，以对第一马达6进行冷却。然后，在第二离心压缩级3中将其余部分(主流)再次压缩到18.34巴(绝对)。此第二压缩机3例如具有功率95kW和典型等熵效率86％。然后，在第二压缩机3出口处的热交换器4中对气体进行冷却。然后气体被输送到装置18的出口15。

在由马达5、6供应的功率88kW和100kW中，典型地5％被转化为热量(来自电动马达的损失和转子与氮气的摩擦而引起的损失)，即每个马达为大约5kW。

然后，将在交换器2的出口处的一部分氮气流穿过阀8和第三管线10输送，以向第一马达6供应冷却气体。

穿过第一马达6的气体的温度增加通过控制阀8来被典型地限制到30K(以限制马达变热)。这样使得质量流＝功率/Cp/ΔT＝5000/1048/30＝0.159kg/s。

其中，功率＝要由气体排出的来自马达的热损失，以W为单位。

Cp＝气体(在这个示例中为氮气)的热容量，以J/kg/K为单位。

ΔT＝在管线10与12之间(在马达6的入口与出口之间)的气体中的温度，以K为单位。

然后，氮气经由第三管线12从第一马达6排出，并返回交换器13，以冷却至优选地等于或接近第一压缩机1的入口温度的温度。

在气体进入第二马达5之前进行这样的冷却。

穿过第二马达5的气体中的温度增加优选地与穿过第一马达6的增加的数量级相同(优选地，流量与要提取的压力相似)。

已经穿过第二马达5后，将冷却气体经由第五管线7输送到下游的热交换器9，以在返回第一压缩机1的入口16之前进行冷却。

因此，与(经由从压缩机出来的两个单独的冷却气流)对两个马达5、6进行并行冷却的解决方案相比，根据本发明的解决方案使用输送的单个气流来对两个马达(串联在冷却气体回路上)进行冷却。这使得能够将必要的冷却气流分成两部分。

因此，尽管本发明结构简单且便宜，但本发明能够(在热量和能量上)有效地冷却压缩装置的多个马达。

自然地，本发明不限于以上所述的示例性实施例。

因此，除了从第一压缩级以外，还可以从另一个或多个其他压缩机的出口来抽取用于对马达进行冷却的气体。此外，该装置可以包括两个以上的压缩机和两个以上的马达。此外，膨胀涡轮机可以被包括在该装置中。

此外，多个压缩级可以由单个马达驱动。

此外，一个或多个膨胀级(涡轮机、优选地为向心涡轮机)可以安装在与一个或多个压缩机相同的驱动轴上。

此外，可以省略冷却构件9、13中的一些或全部(使用这些冷却构件有助于提高系统的效率，但是这些冷却构件不是必需的)。

有利地，可以例如根据一个或多个马达的温度和/或冷却流量和/或冷却气体的温度来调节一个或多个阀8、11。

此外，这些膨胀构件8、11可以在必要时在气体进入一个或多个马达之前对该气体进行冷却。此外，这些膨胀构件8、11可以由任何其他压差构件(例如孔板、涡轮机或毛细管)代替(或替换)。因此，阀8、11可以由一个或多个涡轮机和/或兰克-赫尔胥(Ranque-Hilsch)涡流管代替或与其相关联。此外，例如，可以将构件8替代地定位在第二管线14上。此外，例如，可以将构件11替代地定位在第一管线16上。

此外，可以在一个或多个马达5、6与一个或多个压缩级1、3或一个或多个膨胀级之间使用旋转接头，使得马达的腔体中的压力接近于压缩机中的最低压力，即压缩机的入口压力13。这减少了一个或多个转子与气体之间的摩擦而引起的损失，因为这些损失与马达的腔体中的压力成比例。将从这个接头或这些接头回收的泄漏添加到来自第三管线的冷却气流中。

如图3所示，压缩装置18可以是用于例如在-100℃与-273℃之间的低温的制冷机的一部分，该制冷机包括工作回路10，该工作回路包含工作流体，该工作回路包括离心压缩装置18以及用于冷却和膨胀在压缩装置18中压缩的气体的装置19。

工作气体可以全部或部分地由氮气、氦气、氢气、氖气、氩气、一氧化碳、甲烷、氪气、氙气、乙烷、二氧化碳、丙烷、丁烷和氧气构成。

根据其他可能的特征：

-可以提供安装有阀系统的管线，该阀系统连结第二管线14和第四管线12，

-该冷却构件2可以被设计为将气体冷却到较低的温度、例如0℃，以改善对该马达的冷却，

-如果需要，可以将冷却构件2布置在第三管线10上(代替第二管线14或除了其之外)，

-可以反转冷却气体的流动方向(首先到第二马达5，然后到第一马达6)，

-该装置可以具有以这种方式冷却的两个以上的马达，

-该装置可以包括安装在一个马达上的多个压缩机、或者在此马达或另一马达上的一个或多个膨胀级。

Claims (14)

1.一种用于工作气体、尤其用于制冷机的离心压缩装置，该离心压缩装置包括形成多个相继和/或并行的压缩级的多个离心压缩机(1，3)以及用于这些压缩机(1，3)的多个驱动马达(5，6)；该装置具有气体回路，该气体回路包括用于待压缩气体的第一入口管线(16)，该第一入口管线连结到第一压缩机(1)的入口以将待压缩气体输送到该第一压缩机(1)中；该回路具有第二管线(14)，该第二管线连结到所述第一压缩机(1)的出口以排出在此第一压缩机中已经压缩的气体，该第二管线(14)连结到第二压缩机(3)的入口以将在该第一压缩机(1)中压缩的气体输送到该第二压缩机(3)中以便进行第二压缩；该回路具有第三冷却管线(10)，该第三冷却管线的一个上游端连接到这些压缩机(1，3)中的至少一个压缩机的出口，并且一个下游端连接到至少一个第一马达(6)的入口，以用于将在所述压缩机(1)中压缩的一部分气体转移到所述至少一个第一马达(6)中以便限制该至少一个第一马达变热，其特征在于，该电路包括第四管线(12)，该第四管线具有上游端下游端，该上游端连接到该第一马达(6)的出口、被设计为回收已经流过该第一马达(6)的气体，该下游端连接到第二马达(5)的入口、被设计为将该气体转移到该第二马达的入口以便限制该第二马达(5)变热。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该第四管线(12)包括气体冷却构件(13)，以使该第一马达(6)的出口与该第二马达(5)的入口之间的气体冷却。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该回路包括第五管线(7)，该第五管线具有上游端和下游端，该上游端连结到该第二马达(5)的出口以回收已经流过该第二马达(5)的气体，该下游端连结到该第一压缩机(1)的入口以便对该气体进行压缩。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该第五管线(7)包括气体冷却构件(9)。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，该第四管线(12)具有连结到该第五管线(7)的第二下游端。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括管线和阀系统(11)，该管线和阀系统被设计为在该第一马达(6)与该第二马达(5)之间分配一定量的冷却气体。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，该第二管线(14)包括气体冷却构件(2)。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该第二管线(14)的冷却构件(2)包括通过传热流体被冷却的热交换器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，该回路包括在该第二压缩机(3)的出口(15)处的气体冷却构件(4)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，该第三管线(10)包括阀(8)，该阀被设计为控制转移到该第一马达(6)的气体的流速。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括驱动一个或多个压缩机的至少一个马达以及联接至一个或多个膨胀涡轮机的至少一个马达。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，该装置在该一个或多个马达(5，6)与该一个或多个压缩机(1，3)或一个或多个膨胀级之间包括一个或多个旋转接头，使得该一个或多个马达的腔体中的压力接近于该压缩机(1)中的最低压力，即该压缩机(1)的入口压力(13)。

13.一种用于在-100℃与-273℃之间的低温的制冷机，该制冷机包括工作回路，该工作回路包含工作流体，该工作回路包括离心压缩装置(18)以及用于对在该压缩装置(18)中压缩的气体进行冷却和膨胀的装置(19)，其特征在于，该压缩装置(18)如权利要求1至12中任一项所述。

14.一种用于工作气体、尤其用于制冷机的离心压缩方法，该离心压缩方法利用形成多个相继和/或并行的压缩级的多个离心压缩机(1，3)以及用于这些压缩机(1，3)的多个驱动马达(5，6)，这些压缩机(1，3)直接由这些马达(5，6)旋转驱动，该方法包括：

-在第一压缩机(1)中、然后在串联或并联布置的第二压缩机(3)中对工作气体进行压缩的步骤，

-抽出离开这些压缩机(1)中的至少一个压缩机的一部分压缩气体并且使该抽出的气体流过第一马达(6)以便对该第一马达进行冷却的步骤，其特征在于，该方法包括对已经用于冷却该第一马达(6)的气体进行冷却的步骤，随后是将此已冷却的气体输送到第二马达(5)以对该第二马达进行冷却的步骤。

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