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Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung zur Abdichtung von kalten Medien, insbesondere flüssigem Erdgas oder anderen kyrogenen Anwendungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Gleitringdichtung zur Abdichtung eines Produktmediums mit einer Temperatur unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser sowie einen Kompressor mit einer derartigen Gleitringdichtungsanordnung.
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Gleitringdichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei einer sogenannten Tandem-Anordnung sind zwei Gleitringdichtungen in Reihe nacheinander geschaltet, wobei ein Fluidraum zwischen den beiden Gleitringdichtungen vorgesehen ist. Die erste Gleitringdichtung dichtet gegenüber dem abzudichtenden Produktmedium ab, wobei über den Dichtspalt der ersten Gleitringdichtung eine gewisse Leckage des Produkts in den Fluidraum vorkommen kann. Die zweite Gleitringdichtung wird mit einem Sperrfluid versorgt, wobei eine Leckage des Sperrfluids in den Fluidraum zwischen den beiden Gleitringdichtungsanordnungen auftreten kann. Die Leckagen in dem Fluidraum werden dann aus diesem abgeführt. Bei einer Anwendung der Tandemdichtung zur Abdichtung von kalten Medien, die eine Temperatur unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser aufweisen, wird die erste Gleitringdichtung durch das kalte abzudichtende Medium gekühlt, sodass die erste Gleitringdichtung eine tiefe Temperatur aufweisen kann. Das Sperrfluid weist üblicherweise Wasserbestandteile auf, wobei das Sperrfluid flüssig oder gasförmig sein kann. Hierbei besteht dann die Gefahr, dass das im Sperrfluid enthaltene Wasser an der ersten Gleitringdichtung, welche zum kalten Produktmedium abdichtet, gefriert. Hierdurch kann eine Beeinträchtigung einer Funktion der ersten Gleitringdichtung auftreten, falls Eis im oder am Dichtspalt gebildet wird. Von daher müssten die Sperrfluide bei kalten Anwendungen ausreichend trocken sein, d. h. keinen oder nur einen minimalen Wasseranteil aufweisen. Um dies mit ausreichender Prozesssicherheit zu gewährleisten, z. B. bei einem gasförmigen Sperrfluid, muss eine Gastrocknungsanlage vorgesehen werden. Derartige Gastrocknungsanlagen sind jedoch mit hohen Anschaffungskosten verbunden und sehr wartungsintensiv. Bei nicht sachgemäßer Handhabung der Gastrocknungsanlage oder einem Ausfall der Gastrocknungsanlage besteht dann auch die Gefahr, dass sich an der zum Produktmedium abdichtenden Gleitringdichtung unmittelbar Eis bildet, was zu einer Zerstörung der Gleitringdichtung und somit zu einem Versagen der Gleitringdichtung führen kann.
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Ferner ist aus der
DE 10 2014 208 738 B3 eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer verbesserten Gasabscheidung bekannt, welche in Tandembauweise vorgesehen ist, wobei eine Drosseleinrichtung zwischen den beiden Gleitringdichtungen der Gleitringdichtungsanordnung angeordnet ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine sichere Abdichtung von Produktmedien mit einer Temperatur unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen eines Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht eine sichere Abdichtung von kalten Produktmedien, wobei ein Sperrfluid nicht mehr getrocknet werden muss, um eventuell im Sperrfluid enthaltenes Wasser und/oder Wasserdampf zu entfernen. Mit anderen Worten kann auf eine Trocknungsanlage für das Sperrfluid, welches vorzugsweise ein gasförmiges Sperrfluid ist, verzichtet werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Gleitringdichtungsanordnung eine erste und eine zweite Gleitringdichtung sowie eine erste und eine zweite Labyrinthdichtung aufweist. Die Gleitringdichtungsanordnung dichtet das Produktmedium gegenüber der Atmosphäre ab, wobei die beiden Labyrinthdichtungen in Axialrichtung der Gleitringdichtungsanordnung zwischen den beiden Gleitringdichtungen angeordnet sind. Die beiden Labyrinthdichtungen sind dabei derart angeordnet, dass ein Raum zwischen den beiden Gleitringdichtungen in drei Unterräume, nämlich einen Sperrfluidraum, einen Leckageraum und einen Mischraum unterteilt wird. Der Leckageraum liegt zwischen der ersten Gleitringdichtung und der ersten Labyrinthdichtung. Der Sperrfluidraum liegt zwischen der zweiten Gleitringdichtung und der zweiten Labyrinthdichtung. Der Mischraum liegt zwischen den beiden Labyrinthdichtungen. Die über den ersten Dichtspalt der ersten Gleitringdichtung auftretende Leckage von Produktmedium wird über die erste Labyrinthdichtung in den Mischraum geführt. Das Sperrfluid, welches zum Betrieb der zweiten Gleitringdichtung notwendig ist, kann über den zweiten Dichtspalt der zweiten Gleitringdichtung zur Atmosphäre gelangen und über die zweite Labyrinthdichtung ebenfalls in den Mischraum gelangen. Im Mischraum mischen sich somit die Leckage und das über die zweite Labyrinthdichtung hindurchgedrungene Sperrfluid. Das Gemisch wird über eine Abteilung aus dem Mischraum abgeführt. Die erste Labyrinthdichtung verhindert dabei, dass das im Mischraum befindliche Sperrfluid in den Leckageraum gelangt. Dadurch wird verhindert, dass Wasser und/oder Wasserdampf, welcher sich im Sperrfluid befinden kann, in den Bereich der ersten Gleitringdichtung kommt und an der ersten Gleitringdichtung gefriert oder im ersten Dichtspalt gefriert, da aufgrund der tiefen Temperaturen des Produktmediums, welche unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegen, die Gefahr eines derartigen Gefrierens bestehen würde. Somit dichten die beiden Labyrinthdichtungen den Leckageraum und den Sperrfluidraum gegenüber dem Mischraum ab, sodass das Gemisch aus dem Mischraum nicht in einen der beiden Räume zurückströmen kann. Somit kann eine Beschädigung der Gleitringdichtungsanordnung aufgrund des Gefrierens von Wasseranteilen im Sperrfluid vermieden werden.
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Insbesondere bei Verwendung von gasförmigem Sperrfluid kann auf eine Gastrocknungsanlage verzichtet werden, beziehungsweise auch bei einer Falschbedienung im Sperrfluidsystem kann keine Beschädigung der Gleitringdichtungen aufgrund gefrierendem Wasser auftreten.
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Damit ist erfindungsgemäß eine kostengünstige Anwendung der Gleitringdichtungsanordnung insbesondere bei kyrogenen Anwendungen, z. B. wenn als Produktmedium Flüssigerdgas (LNG) abgedichtet werden muss, möglich. Die Temperatur des Flüssigerdgases liegt dabei üblicherweise unter –161°C, sodass falls ein feuchtes Sperrfluid in die Nähe der ersten Gleitringdichtung kommen würde, welche das Produktmedium gegenüber dem Leckageraum abdichtet, ein sofortiges Gefrieren von Wasser und/oder Wasserdampf im Sperrfluid an der ersten Gleitringdichtung auftreten würde.
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Um sicher zu vermeiden, dass Wasseranteile aus dem Sperrfluid im Mischraum in den Bereich der ersten Labyrinthdichtung gelangen können, ist vorzugsweise ein erster Durchmesser der ersten Labyrinthdichtung kleiner als ein zweiter Durchmesser der zweiten Labyrinthdichtung. Dadurch wird erreicht, dass das über die zweite Labyrinthdichtung in den Mischraum eintretende Sperrfluid in einem radial äußeren Bereich in den Mischraum zugeführt wird, sodass die Gefahr, dass das im Mischraum befindliche Sperrfluid in die Nähe der ersten Labyrinthdichtung kommt, minimiert ist.
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Weiter bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung ferner eine Kondensatleitung, um ein Kondensat abzuführen. Die Kondensatleitung ist besonders bevorzugt am Mischraum angeordnet, um gegebenenfalls Kondensat, welches im Mischraum entstehen könnte, aus dem Mischraum abzuführen. Beispielsweise bei Verwendung der Gleitringdichtungsanordnung zur Abdichtung von Flüssigerdgas kann die Leckage des Produktmediums, welche über den ersten Dichtspalt der ersten Gleitringdichtung und über die erste Labyrinthdichtung zum Mischraum gelangt, noch eine sehr tiefe Temperatur unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser aufweisen, sodass ein Kondensieren von Wasserbestandteilen, welche im Sperrfluid enthalten sind und im Mischraum befindlich sind, im Mischraum auftreten könnte. Die Kondensatleitung ist besonders bevorzugt in einem unteren Teil eines Gehäuses der Gleitringdichtungsanordnung vorgesehen. Dadurch gelangt das Kondensat durch die Schwerkraft zur Kondensatleitung.
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Vorzugsweise sind die Ableitung und die Kondensatleitung am Mischraum an einander um 180° entgegengesetzten Positionen angeordnet.
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Besonders bevorzugt weist das Sperrfluid einen vorbestimmten Anteil von Wasser oder Wasserdampf auf. Der Wasseranteil des Sperrfluids ist vorzugsweise bei einem flüssigen Sperrfluid größer als 1 Gew.% und bei einem gasförmigen Sperrfluid größer als 1 vol.%.
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Besonders bevorzugt ist das Sperrfluid ein Sperrgas, insbesondere Stickstoff. Hier sind erfindungsgemäß keinerlei Maßnahmen zur Trocknung des Stickstoffs notwendig, sodass auf eine teure und aufwendige Gastrocknungsanlage verzichtet werden kann.
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Für eine möglichst kostengünstige Herstellung der Gleitringdichtungsanordnung sind vorzugsweise die erste und zweite Gleitringdichtung gleich aufgebaut.
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Bei der bevorzugten Erfindung ist in der Ableitung aus dem Mischraum eine Drossel angeordnet. Die Drossel wird besonders bevorzugt in Abhängigkeit eines Drucks im Mischraum gesteuert. Die Steuerung ist besonders bevorzugt derart, dass ein Druck im Mischraum immer kleiner gehalten wird als ein Druck im Leckageraum und/oder ein Druck im Sperrfluidraum.
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Weiter bevorzugt sind die erste und die zweite Labyrinthdichtung an einem gemeinsamen Bauteil angeordnet. Das gemeinsame Bauteil ist vorzugsweise eine Wellenhülse. Besonders bevorzugt ist die erste Labyrinthdichtung an einem zylindrischen Basisbereich der Wellenhülse angeordnet und die zweite Labyrinthdichtung an einem radial vorstehenden Bereich der Wellenhülse angeordnet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Kompressor, insbesondere zur Verdichtung von kyrogenen Stoffen, insbesondere Erdgas, oder eine Pumpe, insbesondere zur Förderung von kyrogenen Stoffen, insbesondere flüssigem Erdgas.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine erste Gleitringdichtung 10 und eine zweite Gleitringdichtung 20.
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Die Gleitringdichtungsanordnung 1 dichtet zwischen einer Produktseite 2 und einer Atmosphärenseite 3 ab. Die Produktseite 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein kyrogenes Medium, insbesondere eine Kyroflüssigkeit, wie z. B. flüssiges Erdgas. Die Kyroflüssigkeit weist eine Temperatur unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser, d. h. insbesondere unterhalb von 0°C, auf. Die Temperatur von flüssigem Erdgas liegt beispielsweise unterhalb von –161°C.
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Die erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung dichtet hierbei insbesondere an Kompressoren und/oder Pumpen ab, welche bei derartigen kyrogenen Flüssigkeiten verwendet werden.
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Die erste Gleitringdichtung 10 umfasst einen ersten rotierenden Gleitring 11 und einen ersten stationären Gleitring 12, welche zwischen sich einen ersten Dichtspalt 13 definieren. Ein erstes Vorspannelement ist mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnet und spannt den ersten stationären Gleitring 12 in Axialrichtung X-X der Gleitringdichtungsanordnung 1 vor.
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Die zweite Gleitringdichtung 20 umfasst einen zweiten rotierenden Gleitring 21 und einen zweiten stationären Gleitring 22, welche zwischen sich einen zweiten Dichtspalt 23 definieren. Ein zweites Vorspannelement 24 spannt den zweiten stationären Gleitring 22 in Axialrichtung X-X vor.
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Die erste Gleitringdichtung 10 und die zweite Gleitringdichtung 20 sind gleich aufgebaut.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 neben den beiden Gleitringdichtungen 10, 20 eine erste Labyrinthdichtung 7 und eine zweite Labyrinthdichtung 8. Die beiden Labyrinthdichtungen 7, 8 sind in Axialrichtung X-X zwischen der ersten Gleitringdichtung 10 und der zweiten Gleitringdichtung 20 angeordnet. Die erste und zweite Labyrinthdichtung 7, 8 unterteilen einen Raum zwischen der ersten Gleitringdichtung 10 und der zweiten Gleitringdichtung 20 in drei Unterräume. Genauer ist axial zwischen der ersten Gleitringdichtung 10 und der ersten Labyrinthdichtung 7 ein Leckageraum 5 vorgesehen. Axial zwischen der zweiten Gleitringdichtung 20 und der zweiten Labyrinthdichtung 8 ist ein Sperrfluidraum 4 vorgesehen. Weiterhin ist axial zwischen der ersten Labyrinthdichtung 7 und der zweiten Labyrinthdichtung 8 ein Mischraum 6 vorgesehen.
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Vom Mischraum 6 führt ferner eine Ableitung 60 ab. In der Ableitung 60 ist eine steuerbare Drossel 61 vorgesehen, welche mittels einer Steuereinheit 100 ansteuerbar ist. Die Drossel 61 wird dabei in Abhängigkeit eines Drucks im Mischraum 6 gesteuert.
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Weiterhin ist eine Kondensatleitung 9 am Mischraum 6 vorgesehen, welche ein Kondensat aus dem Mischraum 6 abführt. Die Kondensatleitung 9 ist dabei in einem unteren Bereich der Gleitringdichtungsanordnung angeordnet. Die Ableitung 60 ist an einer entgegengesetzten Position am Mischraum 6 der Kondensatleitung 9 angeordnet. Somit sind die Kondensatleitung 9 und die Ableitung 60 an um 180° einander entgegengesetzten Positionen am Mischraum 6 vorgesehen.
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Wie weiterhin aus 1 ersichtlich ist, weist die erste Labyrinthdichtung 7 einen ersten Durchmesser D1 auf, welcher kleiner ist als ein zweiter Durchmesser D2 der zweiten Labyrinthdichtung 8.
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Die erste Labyrinthdichtung 7 ist an einer Wellenhülse 31 vorgesehen, welche die Welle 30 umgibt. Die Wellenhülse 31 weist einen zylindrischen Basisbereich 32 und einen radial vorstehenden Ringbereich 33 auf. Die erste Labyrinthdichtung 7 ist am zylindrischen Basisbereich 32 angeordnet. Die zweite Labyrinthdichtung 8 ist am radial vorstehenden Ringbereich 33 angeordnet.
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Das Bezugszeichen 40 bezeichnet in einem Gehäuse 70 einen Zufuhrkanal von Sperrfluid 41, welcher zum Sperrfluidraum 4 führt. Dabei wird ein Sperrfluid 41 von einer nicht gezeigten Sperrfluidanlage in den Sperrfluidraum 4 zugeführt. Das Sperrfluid 41 dient dabei im Betrieb zur Schmierung der zweiten Gleitringdichtung 20. Das Sperrfluid ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Gas, insbesondere Stickstoff. Hierbei tritt im Betrieb eine gewisse Leckage 51 über den zweiten Dichtspalt 23 vom Sperrfluidraum 4 zur Atmosphärenseite 3 auf. Weiterhin geht ein Teilstrom 42 des Sperrfluids 41 auch aus dem Sperrfluidraum 4 über die zweite Labyrinthdichtung 8 in den Mischraum 6.
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Von der Produktseite 2 her tritt im Betrieb der Gleitringdichtungsanordnung 1 eine Leckage 50 über den ersten Dichtspalt 13 in den Leckageraum 5 auf. Die Leckage 50 schmiert die erste Gleitringdichtung 10. Vom Leckageraum 5 führt die Leckage 50 weiter über die ersten Labyrinthdichtung 7 in den Mischraum 6.
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Somit ist im Betrieb im Mischraum 6 ein Gemisch 62 der Leckage 50 des Produktmediums sowie der Leckage des Teilstroms 42 des Sperrfluids 41 über die zweite Labyrinthdichtung 8 vorhanden.
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Das Produktmedium an der Produktseite 2 weist nun eine Temperatur unterhalb eines Gefrierpunktes von Wasser auf. Die Leckage 50, welche über dem ersten Dichtspalt 13 in dem Leckageraum 5 und über die erste Labyrinthdichtung 7 in den Mischraum 6 gelangt, kann somit ebenfalls noch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser aufweisen. Wenn nun diese Leckage 50 im Mischraum 6 in Kontakt mit dem Teilstrom 42 des Sperrfluids 41 kommt, kann es dazu führen, dass Wasserbestandteile des Sperrfluids 41 kondensieren. Das derart kondensierte Wasser wird dann im Mischraum 6 durch die Schwerkraft zu einem unteren Bereich des Mischraums geführt und als Kondensat 90 über die Kondensatleitung 9 abgeführt.
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Erfindungsgemäß kann jedoch verhindert werden, dass Sperrfluid 41, welches Wasserbestandteile enthalten kann, unmittelbar in Kontakt mit der ersten Gleitringdichtung 10 kommt. Da die Temperatur bei kyrogenen Anwendungen an der ersten Gleitringdichtung 10 üblicherweise noch weit unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegt, bestünde die Gefahr, dass das Wasser, welches im Sperrfluid 41 enthalten ist, an der ersten Gleitringdichtung 10 kondensiert und gefriert. Hierbei könnte insbesondere gefrorenes Wasser im ersten Dichtspalt 13 entstehen und die Gleitflächen der Gleitringe 11, 12 der ersten Gleitringdichtung 10 beschädigen. Durch die erfindungsgemäße Idee des Vorsehens eines Mischraumes 6, welcher mittels zweier Labyrinthdichtungen 7, 8 gegen benachbarte Räume abgedichtet ist, kann dies jedoch verhindert werden. Somit muss das Sperrfluid 41 nicht wie bisher im Stand der Technik trocken sein, sondern es kann erfindungsgemäß auf eine aufwendige und teure Trocknungsanlage für das Sperrfluid verzichtet werden.
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Durch die Anordnung der beiden Labyrinthdichtungen 7, 8 auf unterschiedlichen Radien wird ferner auch eine Vereisung der ersten Labyrinthdichtung 7 sicher verhindert.
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Weiterhin ist vorzugsweise eine Strömungsgeschwindigkeit der Leckage 50 über der ersten Labyrinthdichtung 7 kleiner als eine Strömungsgeschwindigkeit des Teilstroms 42 des Sperrfluids 41 über zweite Labyrinthdichtung 8. Dadurch wird im Mischraum 6 ein höherer Anteil des Sperrfluids als der Leckage 50 erreicht, sodass eine Temperatur im Mischraum 6 relativ hoch ist.
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Somit kann eine einfache und kostengünstige und insbesondere betriebssichere Lösung zur Abdichtung von kyrogenen Flüssigkeiten und Gasen bereitgestellt werden, ohne dass es zu Problemen einer Kondensatbildung und/oder einer Eisbildung an einer Gleitringdichtung 10 an der Produktseite 2 kommt. Somit können teure und aufwendige Trocknungsanlagen für das Sperrfluid weggelassen werden beziehungsweise mögliche Fehler beim Betrieb durch Verwendung eines falschen Sperrfluids mit einem zu hohen Wasseranteil beziehungsweise einem zu hohen Wasserdampfanteil verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- Produktseite
- 3
- Atmosphärenseite
- 4
- Sperrfluidraum
- 5
- Leckageraum
- 6
- Mischraum
- 7
- Erste Labyrinthdichtung
- 8
- Zweite Labyrinthdichtung
- 9
- Kondensatleitung
- 10
- Erste Gleitringdichtung
- 11
- Erster rotierender Gleitring
- 12
- Erster stationärer Gleitring
- 13
- Erster Dichtspalt
- 14
- Erstes Vorspannelement
- 20
- Zweite Gleitringdichtung
- 21
- Zweiter rotierender Gleitring
- 22
- Zweiter stationärer Gleitring
- 23
- Zweiter Dichtspalt
- 24
- Zweites Vorspannelement
- 30
- Welle
- 31
- Wellenhülse
- 32
- Zylindrischer Basisbereich
- 33
- Radial vorstehender Ringbereich
- 40
- Zufuhrkanal für Sperrfluid
- 41
- Sperrfluid
- 42
- Teilstrom
- 50
- Leckage Produktmedium
- 51
- Leckage Sperrfluid
- 60
- Ableitung
- 61
- Drossel
- 70
- Gehäuse
- 90
- Kondensat
- 100
- Steuereinheit
- X-X
- Axialrichtung
