DE2714505A1

DE2714505A1 - Zentrifugalkompressor

Info

Publication number: DE2714505A1
Application number: DE19772714505
Authority: DE
Inventors: Carl M Anderson
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1976-04-16
Filing date: 1977-04-01
Publication date: 1977-10-27
Also published as: DE2714505B2; FR2348379A1; DK165777A; NL182585B; AR211061A1; AU510867B2; CH606945A5; SE7703322L; MX144773A; BR7701867A; AU2228477A; FR2348379B1; NL182585C; US4032312A; IT1074388B; NL7703317A; SE433525B; SU772495A3

Description

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Zentrifugalkompressor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reduzierung der in einem Kühlsystem, das einen Zentrifugalkompressor verwendet, benötigten Energie.

In vielen Zentrifugalkompressoren sind sowohl der Radabschnitt als auch der Transmissionsabschnitt des Kompressors in einem einzigen, hermetisch abgeschlossaien Gehäuseuntergebracht, inddie beiden Abschnitte stehen durch eine Radantriebswelle in Beziehung, die durch eine Y/and verläuft, die die beiden Abschnitte voneinander trennt. Eine zuverlässige und vollständige Abdichtung der V/ellenöffnung in der Wand ist in der Praxis nicht erreicht worden. In Erkenntnis, daß ein Lecken eintritt, ist es allgemeine Praxis, die Richtung des Durchsickerns derart zu steuern, daß sichergestellt wird, daß das Kühlmittel in den Transmissionsabschnitt fließt anstatt daß das Öl in den Radabschnitt (Impeller Section) fließt.

Um dieses Ergebnis zu erhalten, wird die Transmissionskarnmer typischerweise direkt zum Verdampfer oder Evaporator des Kühlsystems entlüftet,-wodurch die Transmission in etwa einen Druck erhält, der dem dos Kompressoreinlaßdrucks ähnlich ist. Der höhere Druck, der in dem Radabschnitt erzeugt wird, neigt dazu, das Kühlmittel durch die Radwellenöffnung in,den Transmissionsabschnitt zu bewegen,

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wodurch das Öl daran gehindert wird, sich in entgegengesetzter Richtung zu bewegen. Die Zahnräder der Transmission müssen somit in einer relativ dichten Atmosphäre von Kühlmitteldampf arbeiten. Obwohl Zahnradaufbauten derart optimiert werden können, daß systematische Verluste minimiert werden, kann wenig im mechanischen Sinne getan werden, tun Luftreibungs- oder Puinpverluste zu reduzieren, die durch den Betrieb in einer schweren oder dichten Atmosphäre erzeugt werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz von Kühlsystemen, die Zentrifugalkor-ipressoren verwenden, zu verbessern.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, Luftwiderstands- und Pumpverluste im Kompressortransmissionsabschnitt eines Zentrifugalkompressors zu vermeiden.

Dieses und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in einem Dampfkompressionssystem zur Verarbeitung von Kühlmitteln erreicht, das einen hermetisch abgeschlossenen Zentrifugalkompressor besitzt, der aus einem Radabschnitt (Impeller Section) und einem Transmissiansabschnitt besteht, außerdem Mittel zur Isolierung von Kühlmitteldämpfen aus den im Iransmissionsabschnitt enthaltenen Öl aufweist sowie eine Möglichkeit, das isolierte Kühlmittel durch Pumpen aus dem Transmissionsabschnitt abzuziehen und dadurch die Dichte der Atmosphäre zu vermindern, in der der Transmissionsgetriebemechanismus arbeitet.

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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und weiterer Merkmale von ihr wird Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen, in denen:

Fig. 1 ein Querschnitt eines Zentrifugalkompressors ist, der eine Radwelle zeigt, die sich von dem Kompressorradöbschnitt in den Kompressortransini ssionsabschnitt erstreckt, und weiter eine Vorrichtung zur Reduzierung von Luftreibung und Pumpverlusten in dem Transmissionsabschnitt in Übereinstimmung mit der Lehre nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine Teilansicht eines Zentrifugalkompressors ähnlich dem in Fig. 1 ist, wobei eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung illustriert wird.

In Fig. 1 wird ein Zentrifugalkompressor gezeigt, wie er typischerweise im Dampfkompressionskühlsystem verwendet wird. Der Kompressor ist von üblichem Aufbau und besitzt ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse· 11, welches in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, einen ersten Radabschnitt (Impeller Section) 12 und einen zweiten Transmissionsabschnitt 13» der durch eine übliche geteilte V/and 15 abgetrennt ist. Eine öffnung 16 ist in der Wand vorgesehen, durch die eine Radwelle 17 hindurchläuft, wobei die Welle drehbar in der Öffnung

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durch Lager 18 getragen wird. Obwohl nicht dargestellt, werden Wellondichtungen, wie sie üblicherweise verwendet werden, vorgesehen, um den Durchfluß von Fluiden oder Dämpfen durch die V/ellenöffnung in der V/and 15 zu begrenzen oder gering zu halten.

Der Kompressor besitzt zwei Kompressionsstufen, die durch ein erstes Stufenrad (Stage Impeller) 19 und ein zweites Stufenrad 20 erzeugt werden, von denen beide zur Rotation auf der Radwelle 17 in dem Radabschnitt des Gehäuses 11 befestigt sind. Das Kühlmittel tritt in den Kompressor über die Einlasse 22 ein, verläuft durch die beiden Räder und wird in eine Ausgabeschnecke 23 abgegeben, von der es in den nicht gezeigten Kondensator des Kühlsystems eintritt. Eine Reihe steuerbarer Führungsflügel 25 ist in dem Einlaß zum Kompressor angeordnet, die dazu dienen, den Fluß des Kühlmittels vom Verdampfersystem zur ersten Kompressionsstufe zu regulieren.

Im Transmissionsabschnitt 13 ist eine zweite Antriebswelle 26 drehbar zwischen den Lagern 27 und 28 angeordnet, die horizontal mit der Radwelle 17 fluchtet. Ein Ende der Antriebswelle, in Fig. 1 das rechte, erstreckt sich nach außen aus dem Kompressorgehäuse und endet in einer Kupplung 29, die geeignet ist, die Welle mit einer Antriebsvorrichtung, wie z.B. einem Elektromotor o.a. zu verbinden. Ein Paar Antriebsräder 30 und 31 ist an der Antriebswelle auf beiden Seiten des Lagerbloc.ks 33 befestigt. Die Antriebsräder sind so angeordnet, daß sie mit einem Paar nicht dargestellter

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Ritzeln, die an der Radwelle in dem Trar.smissionssbschnitt befestigt sind, übereinstimmen. Ein Ölvorrat ist in einem Reservoir enthalten, das am Boden des Transmissionsabschnittes angeordnet ist und, wie es zum Stand der Technik gehört, wird das Öl zu den Lagern und Zahnrädern gepumpt, um das System zu schmieren.

V/ie es weiter unten im einzelnen beschrieben wird, wird die Hauptkammer 35 des Kompressortransmissionsabschnittes, die dem Radabschnitt gegenüberliegt, auf einen beträchtlich niedrigeren Druck gehalten als der Radabschnitt. Deshalb wird das Kühlmittel, das sich im wesentlichen im dampfförmigen Zustand befindet, durch die Y/ellenabdichtungen von dem Radabschnitt in den Transmissionsabschnitt gedrückt. Obv.^rohl aus offensichtlichen Gründen die Leckrate auf einem Minimum gehalten wird, wird schließlich genügend Dampf ausgetauscht, so daß eine extrem dichte Atmosphäre in dem Transmissionsabschnitt entsteht, in der die Zahnräder arbeiten müssen.

In der vorliegenden Vorrichtung werden die Kühlmitteldämpfe physikalisch von der Haupttransmissionskammer 35 abgezogen und vorrübergehend in einer zweiten Kammer 3d daneben mit Hilfe einer Vorrichtung gespeichert, die allgemein eis Abscheider oder De"mistor bezeichnet wird. Der Demistor besteht aus zwei radähnlichen Elementen, die aus Speichen 37 und 38 bestehen, die sich nach außen von der Welle 26 in radialer Richtung erstrecken, wobei die Speichen 37 des ersten Rades in der Hauptkammer 35 der Transmission angeordnet sind und die Speichen 38 in der zweiten Kammer

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Durchlässe 39 und 40 laufen radial durch die Speichen 37» bzw· 38 in den Wellenaufbau, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Durchlässe sind in Verbindung zum Durchfluß des Fluids über eine axial ausgerichtete Öffnung 41 angeordnet, die in der Welle ausgebildet ist . Die radiale Länge der Speichen 37 und somit der Durchlässe, die dahindurch verlaufen, ist in der Hauptkammer 35 geringer als die in der zweiten oder Sekundärkainmer 36. Y/unn die Welle bei Betriebsgeschwindigkeiten gedreht wird, werden unterschiedliche Zentrifugalkräfte in jedem Rad erzeugt, die einen Druckunterschied über das Gesamtsystem erzeugen, das ausreicht, um die Dämpfe von der Hauptkammer in die Sekundärkammer abzuziehen. Schwerere 01tröpfchen, die in den in der Hauptkammer enthaltenen Dämpfen suspendiert sein können, v/erden durch das schnell rotierende Rad weggeschleudert und somit, daran gehindert, in die Sekundärkammer einzudringen. Demzufolge arbeitet der Demistor derart, daß er die Dämpfe von dem Öl in der Transmission trennt und die abgetrennten Dämpfe in einer Auffangkammer isoliert.

Ein Pumpnetzwerk, das allgemein mit dem Bezugszeichen 50 versehen ist, wird hier vorgesehen, um den Transmissionsabschnitt des Kompressors zu evakuieren. Wie bekannt, ist die Dampfdichte direkt proportional dem Druck oder Partialdruck. Durch ein Abpumpen des Transmissionsabschnitts und somit durch ein Reduzieren des Drucks der Kühlmitteldämpfe darin kann die Dichte der Atmosphäre, in der das Zahnradgetriebe arbeitet, beträchtlich vermindert werden. Als Ergebnis

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werden gleichermaßen die Pump- und Luftwiderstandsverluste in dem Transrnissionsabschnitt reduziert. In einem Test, der in einem Kompressor des hier beschriebenen Typs durchgeführt wurde, wurde der Transmissionsabschnitt von einem normalen Betriebsdruck von etv/a O,4i4 KPa (60 psia) auf etwa 0,11 MPa (16 psia) heruntergepumpt, was eine Verminderung der von dem Kompressorantrieb verbrauchten Leistung von 119 kV/ (16O Horsepower) auf 70 kW (95 Horsepower) bedeutet.

In Fig. 1 besitzt das Pumpnetzwerk eine Strahlpumpe oder einen Ejektor 51, der betriebsmäßig mit der Ausgabeschnecke 23 des Kompressors über die Einlaßleitung 52 verbunden ist. Im Betrieb passiert ein kleiner Anteil des Hochdruckkühlmittels durch die Schnecke oder Volute und wird über die Leitung 52 an eine Ausgabeöffnung 53 geliefert, die in der Ejektorpumpe angeordnet ist und dazu dient, die Geschwindigkeit des antreibenden Fluids zu erhöhen. Das antreibende Fluid, das aus der Ausgabeöffnung ausströmt, wird in eine Entnahnieleitung 54 gerichtet, wie es dargestellt ist, wodurch ein Saugdruck am Saugeinlaß 55 der Pumpe erzeugt wird.

Die Entladeleitung 54 des Ejektors ist in einer Verbindung zum Durchfluß des Fluids mit dem Einlaß des Kompressors bzw. des Verbinders 56 und der Öffnung 57 angeordnet, die in dem Kompressoreinlaßrohr direkt hinter den Führungsschaufeln ausgebildet ist.

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Der Saugeinlaß 55 zur Ejektorpumpe ist betriebsmäi3ig iiii-t der Sekundärkammer 36 der Transmission verbunden, in der abgetrennt oder ölfreie Kühlmitteldämpfe gespeichert sind, mit Hilfe der Saugleitung 58. Unter dem Einfluß des Saugens, der durch das antreibende Fluid mit hoher Geschwindigkeit, das durch die Pumpe passiert, erzeugt wird, wird der ölfreie Kühlmitteldampf von der Kammer 36 abgezogen und mit dem antreibenden Kühlmittel mitgeführt, das schließlich zum Kompressoreinlaß zurückgeführt wird. Es soll festgehalten werden, daß die Hauptkammer der Transmission betriebsmäßig ebenfalls mit der Pumpe durch das Demistörsystern verbunden ist, so daß, wenn der Druck in der Sekundärkammer reduziert wird, der Druck in der Hauptkammer gleichermaßen reduziert wird. Das Abpumpen der Hauptkammer durch den Demistor liefert, solange es keinen nachteiligen Einfluß auf den Betrieb hat, ein übliches Mittel zur Entfernung des ölfreien Kühlmittels von der Transmission.

Ein Rückschlagventil 60 ist betriebsmäßig innerhalb der Ansaugleitung angeordnet, um es dem Kühlmittel zu ermöglichen, in die Richtung der Ejektorpumpe zu fließen, jedoch den Durchfluß in entgegengesetzter Richtung zu verhindern.

Das Pumpnetzwerk, das eine Strahlpumpe in der hier beschriebenen Art offenbart, liefert eine kompakte Einheit, um kontinuierlich den Druck in dem Transmissionsabschnitt auf einem relativ niedrigen Wert aufrechtzuerhalten, d.h. der Druck ist auf einem beträchtlich niedrigeren Viert als der in den meisten üblichen Systemen. Um die Einheit des hermetisch ab-

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gedichteten Kompressorgehäuses zu bewahren, wird es bevorzugt, den Betrieb des Systems derart zu regulieren, daß der Transmissionsdruck etwas über dem Atmosphärendruck liegt. Es soll weiter festgehalten werden, daß durch die Verwendung von Kühlmitteldämpfen als antreibendes Fluid in dem vorliegenden Evakuierungssystem die Pumpenausgabe nur Kühlmittel enthält und somit in das Kühlsystem zurückgeführt werden kann und die Notwendigkeit für Spezialbearbeiluntsausrüstung o.a. entfällt. Gleichermaßen kann das vorliegende System nicht das Kühlsystem von Kühlmittel entleeren.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine konventionelle mechanische Pumpe anstatt des oben beschriebenen Ejektors verwendet. Wie dargestellt, ist die Saugseite der Pumpe 60 mit der Kammer 36 des Transmissionsabschnittes des Kompressors 10 über die Saugleitung 61 verbunden. Unter dem Einfluß der Pumpe v/ird der Transmissionsabschnitt evakuiert, um den Innendruck zu vermindern. Wie festgestellt, ist es bevorzugt, den Druck in der Transmission auf einer bestimmten Höhe etwas über dem Atmosphärendruck zu halten. Dafür ist ein Drucksensor 62 im Betrieb in der Saugleitung angeordnet und dazu ausgelegt, ein Signal zur Druckänzeige an den Regulator 63 zu liefern. Der Regulator, seinerseits, ist angeordnet zur Steuerung des Betriebs der Pumpe derart, daß der Saugdruck auf dem gewünschten vorbestimmten Niveau gehalten wird.

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In der vorliegenden Ausführung wird die Abgabe der Pumpe über die Leitung 65 an einen öltrenner 66 geliefert. D_er Öltrenner oder Ölseparator, der bekannter Bauart sein kann, isoliert den Kühlmitteldarapf von jenem öl, das eingeführt wird und gibt den Dampf durch die Leitung 57 direkt auf einen Kondensator 58, bei dem der Dampf' in den flüssigen Zustand kondensiert. Schließlich wird das flüssige Kühlmittel von dem Kondensator in einen Speichertank 69 über die Leitung geliefert, von wo es wieder zur Verwendung in dem Kühlsystem abgerufen werden kann.

Während diese Erfindung unter Bezugnahme' auf den hier offenbarten Aufbau beschrieben wurde, ist sie nicht auf die genannten Einzelheiten beschränkt und die Anmeldung soll alle Abarten oder Änderungen abdecken, die in den Rahmen der Ansprüche fallen.

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Claims

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Syracuse, New York 13201 Hamburg, 1. April 1977

U.S.A.

ANSPRÜCHE

Zentrifugalkompressor zur Verv/endung in einem Kühlsystem, mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse, in dem ein Radabschnitt (impeller section) und ein Transmissionsabschnitt enthalten sind, die durch eine Wand getrennt sind, durch die die Radachse verläuft, gekennzeichnet durch einen Separator (37, 38) zur Isolierung von Kühlmitteldampf, der in dem Transmissionsabschnitt (13) enthalten ist, und eine Pumpe (50), die betriebsmäßig mit dem Transmissionsabachnitt (13) verbunden ist und derart angeordnet ist, daß sie den isolierten Kühlmitteldampf von der Transmission abzieht, wodurch der Druck der in dem Transmissionsabschnitt enthaltenen Atmosphäre wesentlich verringert wird.

2. Zentrifugalkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Pumpe (50) eine Strahlpumpe ist, die eine Austrittsöffnung (53) hat, die betriebsmäßig .über eine Leitung (52) mit der Kühlmittelentnahme (23) des Radabschnitts (12) verbunden ist, wodurch.ein Teil des Kühlmittels, das in dem

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Kompressor verarbeitet wird, in die Pumpe gezogen wird und als Antreibfluid in der Strahlpumpe verwendet wird.

3. Zentrii.'ugalkompresEor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabeleitung (54) der Strahlpumpe (50) betriebsmäßig mit der Ansaugeinlaßleitung (56) des Kompressors verbunden ist, wodurch Kühlmittel, das durch die Pumpe läuft, in das Kühlsystem zurückgeführt wird.

4. Zentrifugalkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe dazu ausgelegt ist, den Druck in dem Transmissionsabschnitt etwas über Atmosphärendruck zu halten und im wesentlichen unter dem Kompressoransaugdruck, wenn der Kompressor im Betrieb ist.

5. Zentrifugalkompressor zur Verwendung in einem Kühlsystem, mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse, das einen Radabschnitt und einen Transmissionsabschnitt enthält, die von einer Wand voneinander getrennt sind, durch die die Radwelle verläuft, gekennzeichnet durch eine Pumpe (6o), die eine Ansaugleitung (58) besitzt, die betriebsmäßig mit dem Transmissionsabschnitt (13) zur Evakuierung der in dem Transmissionsabschnitt enthaltenen Atmosphäre verbunden ist, wodurch der Druck und somit die Dichte der Atmosphäre, in der die Transmissionsgetriebe betrieben werden, im wesentlichen unter den Ansaugdruck des Kompressors reduziert wird.

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6. Zentrifugalkompressor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Separator (66), der betriebsmäßig mit der Abgabeleitung (65) der Pumpe verbunden ist und Kühlmitteldämpfe von dem Fluid, das durch die Pumpe ausgegeben wird, abziehen kann, und einen Kondensator (68), der betriebsmäßig mit dem Separator verbunden ist, um die Kühlmitteldämpfe in einen flüssigen Zustand zurückzuführen.

7. Zentrifugalkompressor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Drucksensor (62) zur Bestimmung des Drucks im Transmissionsabschnitt und durch eine Steuervorrichtung (63), die betriebsmäßig mit dem Drucksensor verbunden ist, um den Betrieb der Pumpe zu regulieren, um den Druck in der Transmission auf einer vorbestimmten Höhe zu halten.

8. Zentrifugalkompressor nach Anspruch 7, dadurch gekenn₇ zeichnet, daß der Druck in der Transmission etwas über dem Atmosphärendruck, jedoch unter dem Kompressoransaugdruck gehalten wird.

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