DE4431887A1

DE4431887A1 - Wärmepumpenanlage

Info

Publication number: DE4431887A1
Application number: DE4431887A
Authority: DE
Inventors: Avraham Ophir; David Olomutzki; Abraham Koren; Arie Kanevski
Original assignee: IDE Technologies Ltd
Current assignee: IDE Technologies Ltd
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1994-09-07
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2014-09-08
Also published as: DE4431887C2; IL106945A; US5520008A; IL106945A0

Description

Sachgebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine großdimensionierte Hochleistungs-Wärme pumpenanlage, die auf dem Prinzip einer mechanischen Wasserdampfkompri mierung arbeitet. Die Erfindung umfaßt auch, zur Verwendung in der vor stehend angegebenen Wärmepumpenanlage, einen neuen, großvolumigen Zentri fugalkompressor, der sich von herkömmlichen Kompressoren aufgrund seiner neuen strukturellen Merkmale und seiner Kapazität unterscheidet und aus zeichnet, um bisher unerreichbare Kompressionsverhältnisse und Dampf strömungsraten zu erhalten.

Hintergrund der Erfindung

Die meisten herkömmlichen Wärmepumpen, ob sie nun zu Heiz- oder Kühl zwecken verwendet werden, setzen ein Kältemittel ein, das geeignete ther modynamische Eigenschaften besitzt, wie beispielsweise Ammoniak oder be stimmte organische fluide, hauptsächlich Freon. Grundsätzlich bestehen solche Wärmepumpen aus einem geschlossenen System, das einen Verdampfer, einen Kompressor und einen Kondensor, falls notwendig ein Expansionsventil und verschiedene Steuereinrichtungen aufweist. Das Arbeitsfluid (Kälte mittel) verdampft in dem Verdampfer unter einer niedrigen Temperatur und niedrigem Druck, die aus der Umgebung eine Wärmemenge gleich ihrer Ver dampfungswärme entzieht. Die Kältemitteldämpfe werden durch den Kompressor auf einen Druck und eine Temperatur komprimiert, die ausreichend hoch sind, um dem Kältemittel zu ermöglichen, in dem Kondensor seine Wärme ab zugeben oder seinen Dampf an einen Kühlwasserstrom oder an die Atmosphäre zu kondensieren.

Wärmepumpen, die Wasser als Kältemittel verwenden, sind auch vorgeschlagen worden (siehe z. B. US-Patent 4,003,213 und Israel-Patent 64871), und solche Systeme umfassen Ejektoren, Absorptionssysteme und mechanische Dampfkompressions- (Mechanical Vapour Compression - MVC) Systeme. Die Ver wendung von Wasser als Kältemittel ist thermodynamisch erwünscht, und zwar aufgrund seiner guten thermophysikalischen Eigenschaften und den Vorteilen des Einsatzes einer direkten Kontaktwärme-Übertragung, was das Erfordernis für kostenintensive und thermodynamisch ineffektive Wärmetauscher ver meidet. Weiterin ist Wasser das am meisten "umweltfreundliche" Arbeits fluid, das verfügbar ist, im Gegensatz zu konkurrierend verwendeten or ganischen Arbeitsfluiden (CFC′s), die umweltschädigend sind und leicht beschränkt oder alle in den kommenden Jahrzehnten verbannt werden können.

Bekannte Wärmepumpen, die Wasser als ein Arbeitsfluid einsetzen, für Ejektor- und Absorptionssystemtypen, sind durch einen geringen Wirkungs grad gekennzeichnet, wogegen MVC-Systeme eine viel höhere Effektivität besitzen, typischerweise etwa 2 bis 3 Male größer. Allerdings ist eine Hauptschwierigkeit, die mit der Verwendung von Wasser als Kältemittel in MVC-Systemen verbunden ist, das sehr hohe spezifische Volumen von Wasser dampf, das die Verwendung von sehr großdimensionierten Kompressoren er fordert. Demzufolge würde in Kältemittelwärmepumpen einer großen Baugröße, die eine Kühlkapazität von ungefähr 3 bis 10 MW besitzen, die erforder liche Strömungsrate von Wasserdampf ungefähr 300-400 m³/sec sein, was als eine relativ hohe volumenmäßige Strömungsrate angesehen wird. Zusätz lich würde für eine Temperaturdifferenz von 20-30°C (zwischen dem Raum, der gekühlt werden soll, und der Umgebungstemperatur der Luft oder des Kühlwassers) ein Kompressionsverhältnis (Compression Ratio - CR) der Größenordnung von 1 : 9 erforderlich werden.

Für diesen Bereich von Strömungsraten und Kompressionsverhältnissen sind zwei Grundkompressortypen geeignet, nämlich der axiale und der zentrifu gale Typ. Der axiale Typ, wie er hauptsächlich an Flugzeugmotoren ver wendet wird, ist gut entwickelt und besitzt eine hohe Effektivität, aller dings ist er teuer herzustellen, wodurch der zentrifugale Typ der am meisten versprechende für diese Anwendung ist. Allerdings sind bis heute keine Zentrifugalkompressoren entwickelt worden, die nur annähernd dahin gelangen, die Zielspezifikation (d. h. 300-400 m³/sec, 1 : 9 CR) zu er füllen, wie dies vorstehend erwähnt ist. Ein Kompressionsverhältnis ist eine Funktion einer (Schaufel-) Spitzengeschwindigkeit. Typische Spitzen geschwindigkeiten, die bei kleinen Aluminiumkompressoren vorgefunden werden, liegen in der Größenordnung von 500 m/sec, was ein CR von ungefähr 1 : 3 ergibt.

Herkömmliche Kompressoren mit großem Durchmesser, die allgemein nicht un terhalb eines Laufraddurchmessers von 1,6-1,7 m gehen, werden hauptsäch lich aus verarbeiteten Stahlkonstruktionen erstellt (ein Aluminium-Le gierungsguß oder eine Maschinenbearbeitung aus festen Körpern, wie sie bei kleineren Maschinen verwendet werden, sind bei größeren Größen aufgrund der Schwierigkeiten der Kühlung massiver Metallabschnitte nicht prakti kabel). Vorgefertigte Teile setzen allgemein ein Verschweißen einzelner gegossener Stahlschaufeln an einem festen Kern (z. B. siehe Allis Chalmers, Catalogue, 1980, Seite 337) ein. Solche Aufbauten sind nicht zum Aufnehmen der mechanischen Belastungen geeignet, die sagen wir bei 500 m/sec Spitzengeschwindigkeiten vorgefunden werden, und zwar aufgrund der Streß grenzen an geschweißten Abschnitten. Demzufolge sind die Spitzenge schwindigkeiten, die durch solche Aufbauten erhalten werden, allgemein sehr niedrig, was zu einem Kompressionsverhältnis von nicht mehr als un gefähr 1 : 1,6 führt. Dies beschränkt stark den Bereich der Verfahrensan wendungen. Zusätzlich bringt das Schergewicht des Rotors, das aus den Konstruktionsverfahren resultiert, ein kompliziertes und teueres Rotor tragesystem mit sich.

Demzufolge liefern, um zusammenzufassen, herkömmliche große Zentrifugal kompressoren ein begrenztes CR und eine separate volumetrische Kapazität und sind teuer herzustellen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ökonomisch ausführbare Wärmepumpenanlage mit einer großen Skalierung zu schaffen, die auf dem Prinzip einer mechanischen Wasserdampfkompression arbeitet.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Zentrifugalkompressor mit großem Volumen zur Verwendung in einer Wasserdampfkompressions-Wärme pumpenanlage zu schaffen, der ein hohes Kompressionsverhältnis von unge fähr 1 : 3 bei Spitzengeschwindigkeiten von ungefähr 500 m/sec besitzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Gedanken der Erfindung wird ein mechanisches Wasserdampf kompressions-Wärmepumpensystem des Typs geschaffen, das eine Ver dampfer-Gefriereinrichtungskammer, eine Kompressorkammer, die neben der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer liegt, und eine Kondensorkammer, die unmittelbar neben der Kompressorkammer liegt;
eine Einrichtung zur Zuführung von Wasser oder einer wäßrigen Lösung in die Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer;
eine Kompressoreinrichtung in der Kompressorkammer zur Verringerung des Drucks in der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer herunter auf den Wassertripelpunktdruck, um zu bewirken, daß ein Teil des Wassers oder der wäßrigen Lösung verdampft und ein anderer Teil gefriert;
wobei die Kompressoreinrichtung weiterhin dazu geeignet ist, den Dampf, der innerhalb der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer erzeugt wird, ab ziehen, ihn in die Kompressorkammer zu transportieren, ihn darin zu kom primieren und den komprimierten Dampf zu der Kondensorkammer zu trans portieren;
eine Wassersprüheinrichtung in der Kondensorkammer zur Kühlung und Kon densierung des komprimierten Dampfs durch direkten Wärmeaustausch damit;
eine Einrichtung, um das Kondensatwasser zusammen mit dem Kühlwasser aus der Kondensorkammer zu entfernen;
eine Vakuum-Pumpeneinrichtung zur Evakuierung nicht kondensierbarer Gase aus der Kondensorkammer und Einrichtungen zur kontinuierlichen Entfernung von Eiswasserbrei aus der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer und Zirku lieren dieses durch die Wärmetauschereinrichtung in einen Raum, der ge kühlt werden soll, der außenseitig des Wärmepumpensystems angeordnet ist; aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Kompressoreinrichtung aus einem Paar Zentrifugalkompressoren gemäß der Erfindung besteht (wie dies nachfolgend definiert wird), die in Reihe ar beiten und an den gegenüberliegenden Enden der Kompressorkammer angeordnet sind, die als ein horizontaler Zylinderbehälter aufgebaut ist, wobei jeder der Kompressoren so aufgebaut ist, daß er eine vollständige Unterbaugruppe mit seinem angrenzenden Enddeckel der Kompressorkammer bildet; und
Zwischenkühlungs-Wassersprüheinrichtungen in dem Kompressorbehälter zwischen den zwei Kompressoren zur Kühlung des Dampfs, der durch den Kom pressor der ersten Stufe komprimiert wird, vorgesehen sind, bevor er wei terhin in dem Kompressor der zweiten Stufe komprimiert wird.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer als auch die Kondensorkammer ver gleichbar nahe zu der Kompressorkammer nebeneinander angeordnet und damit durch weite, vergleichbar kurze und gekrümmte Dampfeinlaß- und -auslaß rohrleitungen jeweils verbunden, die einen minimalen Widerstand hinsicht lich der Strömung des Dampfs von dem Gefriereinrichtungsverdampfer zu der Kompressorkammer und von komprimiertem Dampf von der Kompressorkammer zu der Kondensorkammer bieten. Dies vermeidet die Verwendung von komplizier ten Rohrleitungs- und Übertragungsdurchgangswegen, was demzufolge zu Ein sparungen hinsichtlich reibungsmäßiger Verluste führt, und, was sehr wichtig ist, dabei hilft, gleichförmige Geschwindigkeitsprofile an den Kompressoreinlaßabschnitten zu erhalten.

Gemäß einer noch weiteren, am meisten bevorzugten Ausführungsform der Er findung wird die Kondensierkammer an der Oberseite der Verdampfer-Gefrier einrichtungskammer plaziert, die beide zusammen eine integrale Einheit bilden, wobei der Boden der Kondensierkammer als Oberseite der Ver dampfer-Kühleinrichtungskammer dient und nur sehr niedrigen Druckdif ferenzen zwischen seinen beiden Seiten unterworfen wird.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein leichtgewichtiger, großvolumiger Zentrifugalkompressor zur Verwendung in mechanischen Dampf kompressionssystemen, insbesondere Wasserdampf-Kompressionssystemen, in Wärmepumpenanlagen geschaffen, wobei der Kompressor dazu geeignet ist, eine Dampfströmungsrate von ungefähr 300-400 m³/sec zu bewältigen, was ein Kompressionsverhältnis von ungefähr 1 : 3 liefert, und der mechanischen Streßbeanspruchungen, wie sie beispielsweise unter Spitzengeschwindig keiten von ungefähr 500 m/sec auftreten, standhält; der Kompressor weist ein propellerähnliches Drehteil auf, das aus einer kegelstumpfförmigen Nabe und einer Vielzahl von gekrümmten Schaufeln besteht, die aus einem leichtgewichtigen Material hergestellt sind, wobei jede an der Nabe ent lang einer längsgekrümmten Linie befestigt ist und sich radial davon er streckt; wobei jedes Paar benachbarter Schaufeln durch ein überbrückendes Membranteil eines leichtgewichtigen Materials zwischenverbunden ist, das sich krümmungsmäßig von den Ansatzbereichen der Führungskanten (wie sie noch weiter definiert werden) der benachbarten Schaufeln zu den Spitzen der hinteren Kanten der Schaufeln (wie sie nachfolgend definiert werden) erstrecken;
wobei das Drehteil durch eine Welle angetrieben wird, die durch die Mitte einer stationären, kreisförmigen Rückplatte hindurchführt, die das Dreh teil an der Rückseite verbindet;
wobei das Drehteil innerhalb einer geschlossenen, passenden Abdeckung ein geschlossen wird, so daß gekrümmte Dampfströmungskanäle zwischen jedem Paar der Schaufeln, der zugeordneten Membranteile und der Abdeckung fest gelegt wird.

Es sollte angemerkt werden, daß tote Zwischenräume in dem Kompressor zwischen der Rückplatte, der Nabe, den benachbarten Schaufeln und den Mem branteilen festgelegt werden, wodurch wesentlich das Gewicht des Drehteils verringert wird, was zu einer Verringerung mechanischer Streßbean spruchungen in dem Drehteil führt und ermöglicht, eine höhere Spitzenge schwindigkeit und demzufolge höhere Kompressionsverhältnisse zu erreichen.

Die Nabe ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt und die Schaufeln und die Membranteile sind vorzugsweise aus einem Kompositmaterial hergestellt, wodurch demzufolge wesentlich das Gewicht des Drehteils verringert wird, was auch zu einer Verringerung mechanischer Streßbeanspruchungen in dem Drehteil führt und ermöglicht, eine höhere Spitzengeschwindigkeit und dem zufolge ein höheres Kompressionsverhältnis zu erzielen.

Verschiedene Ausdrücke müssen an dieser Stelle definiert werden, um die weitere Beschreibung des Drehteils zu vereinfachen. Das dünnere Ende der kegelstumpfförmigen Nabe wird als "vorderes Ende" bezeichnet und das größere Ende der Nabe wird als "hinteres Ende" bezeichnet. Die Kanten der Schaufeln werden wie folgt festgelegt (siehe Fig. 4): A - der Schaufel ansatz; B - die Führungskante; C - die Konturkante; D - die Schleppkante; und E - die hintere Kante.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die kegelstumpf förmige Nabe an ihrem hinteren Ende mit einer koaxialen, kegelstumpf förmigen Ausnehmung versehen und wird in einem entsprechenden kegelstumpf förmigen, stationären Träger gelagert, der frei von der stationären Rück platte hängt; wobei die Welle, die die kegelstumpfförmige Nabe antreibt, durch eine axiale Bohrung in dem stationären Träger hindurchführt und sich darin mittels eines Paßlagers dreht, die in der Bohrung benachbart zu deren zwei Enden angeordnet ist; der Schwerpunkt des Drehteils liegt zwischen der Lagerabstandsweite.

Diese Ausführungsform ermöglicht (a) eine weitere Verringerung des Gewichts des Drehteils aufgrund der Ausnehmung; (b) verkürzt den Hebelarm (Moment) an der Welle, wodurch eine Verringerung des Wellendurchmessers aufgrund der Anordnung sowohl des stationären Lagers als auch des Paars der Lager innerhalb des Drehteils ermöglicht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jede gebogene Schaufel so geformt, daß sich der Radius, der sich von der Achse der Nabe zu irgendeinem Punkt auf der zentralen Linie oder der Konturkante der Schaufel erstreckt, vollständig innerhalb der Schaufel enthalten ist. Ein solcher Aufbau vermeidet praktisch Biegekräfte an den Schaufeln, wodurch den Zentrifugalkräften ermöglicht wird, die Schaufeln nur in der radialen Richtung zu ziehen. Dies ermöglicht dem strukturellen, faserverstärkten (Komposit-) Material unter günstigen mechanischen Zuständen zu arbeiten, d. h. unter einer direkten Spannung. Dies maximiert die zulässige Spitzen geschwindigkeitsgrenze.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zusätzliche kürzere Schaufeln vorgesehen (sogenannte "Splitter" bzw. "Verteiler") die sich von dem hinteren Ende der Nabe ausgehend erstrecken und zwischen jedem Paar angrenzender, gekrümmter Schaufeln mit regulärer Länge enden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun weiterhin detaillierter unter Zuhilfenahme der bei gefügten, nicht einschränkenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer typischen Wärme pumpenanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2a eine schematische Querschnittsansicht der Wärmepumpenanlage der Fig. 1 zeigt;

Fig. 2b eine schematische Draufsicht auf die Wärmepumpenanlage der Fig. 1 zeigt;

Fig. 3a eine schematische, axiale Querschnittsansicht des Kompressorbe hälters der Wärmepumpenanlage der Fig. 1 zeigt, die entlang einer Linie A-A in Fig. 2b vorgenommen ist;

Fig. 3b eine schematische Querschnittsansicht des Verdampfers/Kühlers und der Kondensoreinheit der Wärmepumpenanlage gemäß der Fig. 1 zeigt, die entlang der Linien B-B in Fig. 2a vorgenommen ist;

Fig. 4 einen axialen Querschnitt eines Kompressors gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 5 einen radialen Querschnitt des Drehteils entlang der Linien V-V in Fig. 4 zeigt; und

Fig. 6 eine schematische, axiale Ansicht des Drehteils von dem vorderen Ende zeigt, die nur ein Paar gegenüberliegender Blätter bzw. Schaufeln darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Die Wärmepumpenanlage

Wie schematisch in den Fig. 1, 2a und 2b dargestellt ist, weist eine mechanische Wasserdampf-Kompressionswärmepumpenanlage, die allgemein mit 1 bezeichnet ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Ver dampfer-Gefriereinheit (oder Sprühkammer) 2 auf, die mittels einer Dampf einlaß-Rohrleitung 3 zu einem benachbarten, zylindrischen Kompressorbe hälter 4 hin verbunden ist, der wiederum mittels einer Rohrleitung 5 für komprimierten Dampf mit einer Kondensorkammer 6 verbunden ist, die ober halb der Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 liegt und integral dazu angeord net ist.

Das Speisewasser tritt in die Wärmepumpenanlage über die Verdampfer-Ge friereinrichtung 2 ein, die unter Vakuumbedingungen mittels eines Paars Kompressoren 7, 7′ gehalten wird, die in Reihe arbeiten und an gegenüber liegenden Enden des zylindrischen Kompressorbehälters 4 angeordnet sind. Das Wasser in der Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 wird dadurch durch Ver dampfen auf den Wassertripelpunkt auf ungefähr 0°C und 4,6 mm/Hg gekühlt. Die Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 ist mit einem Rührwerk 8 mit Schaufeln versehen, das durch einen externen Motor angetrieben wird, das so auf gebaut ist, kontinuierlich den Eiswasserbrei in der Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 zu rühren, wodurch die Oberflächenschicht davon demzufolge kon stant erneuert wird, wodurch der Aufbau einer stillstehenden Eisschicht verhindert wird und der Koeffizient einer Wärmeübertragung (durch direkte Verdampfung) maximiert wird. Zusätzlich sind die Schaufeln des Rührwerks 8 so aufgebaut, daß sie kontinuierlich die Wände der Verdampfer-Gefrierein richtungskammer benetzen, um die Bildung von "verklumptem" Eis zu ver hindern und die Bildung von diskreten Eiskristallen zu fördern. Dies ist wichtig, um eine eventuelle Blockierung des Ausgangs zu der Verdampfer-Ge friereinrichtung 2 durch Eisbildung zu vermeiden. Alternativ, oder zusätz lich, kann die Bildung von Eis in kleiner Kristallform durch Hinzufügung von Salz zu dem Speisewasser unterstützt werden.

Der Dampf, der in der Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 erzeugt wird, führt durch die Dampfeinlaß-Rohrleitung 3 in die Kompressorkammer 4 unter 0°C und wird darin durch den Kompressor 7 der ersten Stufe unter einem Kom pressionsverhältnis von ungefähr 1 : 3 komprimiert. Der komprimierte Dampf wird durch aerodynamische Strömungskanäle, die durch die Kompressorab deckung 9 gebildet sind (wie dies nachfolgend erläutert wird) zurück in die axiale Richtung der Kompressorkammer 4 zu dem Kompressor 7′ der zweiten Stufe und dessen zugeordneter Abdeckung 9′ gerichtet, worin er weiterhin um dasselbe Verhältnis von ungefähr 1 : 3 komprimiert wird, so daß das Gesamtkompressionsverhältnis des Dampfs ungefähr 1 : 9 ist. Zwischen den Kompressoren 7 und 7′ der ersten und der zweiten Stufe ist ein direkter Wasserinjektions-Heißdampfkühler (oder Zwischenkühler) 41 zwischenge fügt, der die Einlaßtemperatur des Dampfs in den Kompressor 7′ der zweiten Stufe auf ungefähr 15°C herunterbringt. Zwischen dem Heißdampfkühler 41 und dem Kompressor 7′ der zweiten Stufe ist ein herkömmlicher Tröpfchen separator 42 zwischengefügt. Der Dampf, der den Kompressor 7′ der zweiten Stufe verläßt, besitzt eine Sättigungstemperatur, die die Umgebungstempe ratur oder diejenige eines verfügbaren Kühlwassers übersteigt, wodurch eine Wärmeabfuhr ermöglicht wird.

Der komprimierte Dampf wird von dem Kompressor 7′ der zweiten Stufe in die Kondensoreinheit 6 überführt, die aus einer Schüttschicht besteht, die innerhalb der Kühlwassersprüheinrichtung 61 an der Oberseite, die durch eine Wasserzirkulationspumpe versorgt wird, vorgesehen ist. Der kompri mierte Wasserdampf steigt in dem Kondensor 6 durch die Schüttschicht an, wo sie in direktem Gegenstromkontakt mit dem nach unten strömenden Kühl wasser gelangt. Der Dampf kondensiert und die latente Wärme der Konden sation, die durch das Kühlwasser absorbiert wird, wird an die Atmosphäre über das Kondensat und das Kühlwasser ausgestoßen, die zusammen aus dem System entfernt werden. Der Kondensor 6 wird kontinuierlich mit nicht kon densierbaren Gasen mittels einer Vakuumpumpe über die Rohrleitung 62 (Fig. 3b) gespült.

Es sollte angemerkt werden, daß die Zirkulationspumpe, die das Kühl wasser 2 zu dem Kondensor 6 zuführt, nur genug Wärme zuführen muß, um die Reibungsverluste zu überwinden, da der Hauptteil der Wärme, der dazu er forderlich ist, das Kühlwasser hoch zu der Oberseite des Kondensors 6 an zuheben, durch das Vakuum in dem System zugeführt wird.

Der Wasser/Eisbrei, der in der Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 erzeugt wird, kann leicht herausgepumpt werden, konzentriert werden, falls dies gewünscht wird, und zu dem Endverbraucher, d. h. dem Raum, der durch die Wärmepumpenanlage gekühlt werden soll, zugeführt werden.

Es kann aus den vorstehend angegebenen Figuren ersehen werden, daß das gesamte Layout der Anlage sehr kompakt ist, wobei die zwei Kompressoren 7 und 7′ zueinander an jedem Ende des Kompressorbehälters 4 zueinander hin gerichtet sind. Für eine Flexibilität hinsichtlich der Betriebsweise ist jeder Kompressor 7 und 7′ unabhängig durch einen extern befestigten, über einen Frequenzwandler gesteuerten, elektrischen Motor 43, 43′ angetrieben. Die Diffusoren sind wiederum axial angeordnet, wodurch sie die Strömung des Dampfs von dem Auslaß zu der ersten Stufe über den Heißdampfkühler 41 und den Tröpfchenseparator 42 zu dem Einlaß der zweiten Stufe erleichtern. Durch Anordnung beider Kompressoren innerhalb des Kompressorbehälters 4 wird eine wesentliche Ökonomie dahingehend erhalten, daß die Kompressorab deckungen 9, 9′ aus sehr leichten Materialien aufgebaut werden können, da sie nicht der gesamten Kraft des Vakuums (ungefähr 700-750 mm/Hg) stand halten müssen, da diese Kraft durch die Druckbehälterwände aufgenommen wird. Die Abdeckungen 9, 9′ müssen demzufolge nur einer Druckdifferenz von höchstens 12 mm/Hg standhalten. Andererseits ist der Kompressorbehälter 4 selbst in der Form eines einfachen Zylinders aufgebaut, der gut dazu geeignet ist, die gesamte Kraft des Vakuums aufzunehmen. Weiterhin erspart der Einbau beider Kompressoren 7 und 7′ in einem Kompressorbehälter 4 die Kosten einer Übertragungsleitung von dem Kompressor der ersten Stufe zu dem Kompressor der zweiten Stufe, wie in den zuvor vorgeschlagenen Anlagen.

Der Aufbau der Verdampfer-Gefriereinrichtung 2 und des Kondensors 6 als integrale Einheit, die eine gemeinsame Trennwand besitzt, die zur gleichen Zeit als Boden des Kondensors 6 und als Oberseite des Verdampfers 2 dient, spart wiederum gewisse Aufbaukosten, da die Druckdifferenz, die auf diese Trennwand einwirkt, nur ungefähr 30-40 mm/Hg anstelle von 750-755 mm/Hg beträgt, was dann vorliegen würde, wenn die Oberseite der Gefrierein richtung und der Boden des Kondensors atmosphärischem Druck ausgesetzt wären.

Der Kompressor

Fig. 4 stellt einen axialen Querschnitt eines Kompressors 10 dar, der in dieser besonderen Ausführungsform ein Drehteil 12 drehbar um einen kegel stumpfförmigen, stationären Träger 14, aufweist. Der Kompressor 10 wird durch eine gebogene, ringförmige Abdeckung 16 umgeben, die an der Rückseite mit einer stationären, hinteren Platte 18 verbunden ist, von der aus der stationäre Träger 14 integral frei aufgehängt ist. Das Drehteil 12 besteht aus einer kegelstumpfförmigen Nabe 20 und einer Vielzahl von ge bogenen Schaufeln 22, die an der Nabe befestigt sind und sich radial davon erstrecken. Der Aufbau des Drehteils 12 ist im wesentlichen leichtge wichtig, was auf dünne, kohlefaserlaminierte Aufsteck-Schaufeln 22 zurück zuführen ist, die mit einer Nabe 20 eines relativ kleinen Durchmessers, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, verbunden ist.

Im Betrieb tritt der Dampf, der komprimiert werden soll, in die Ab deckung 16 axial ein, führt durch eine Vielzahl von aerodynamischen Kanälen, von denen jeder zwischen den Schaufeln 22 und der Abdeckung 16 gebildet ist. Der Dampf wird dann radial in einem komprimierten Zustand von dem ringförmigen Ausgang, der zwischen dem hinteren Bereich der Ab deckung 16 und der stationären Rückplatte 18 gebildet ist, weggestoßen.

Die nachfolgenden, neuen Elemente des Aufbaus des Kompressors wurden durch den Anmelder entwickelt, um das Gewicht des Drehteils zu minimieren.

Jedes Paar der benachbarten Schaufeln 22 wird durch ein selbsttragendes, stromlinienförmiges Membranteil 32 überbrückt (in einem axialen Quer schnitt der Membrane 32 in Fig. 4 dargestellt; ein radlaler Querschnitt der Schaufeln 22 und der Membranteile 32 ist in Fig. 5 dargestellt). Jede Membran 32 erstreckt sich gebogen von den Ansatzbereichen A der Führungs kanten B benachbarter Schaufeln 22 zu den Spitzen der hinteren Kanten E dieser Schaufeln. Aufgrund dieser Anordnung werden Dampfströmungskanäle, die eine erwünschte, aerodynamische Form besitzen, zwischen jedem Paar benachbarter Schaufeln 22, deren zugeordnetem Membranteil 32 und der Ab deckung 16 festgelegt. Die dünne, überbrückende Membran 22, die den Dampf kanalboden bildet, legt auch einen leeren Zwischenraum zwischen ihr, der Aluminiumnabe 14 und der Rückplatte 18 fest. Dies bringt beträchtliche Einsparungen in dem Gewicht mit günstigen Folgen hinsichtlich der Leistung und der Kosten mit sich. Herkömmliche Kompressoren sind mit integralen Schaufeln und Naben aufgebaut, wo sich der hintere Durchmesser der Nabe über den gesamten Weg der Schleppkanten der Schaufeln erstreckt. In diesem Aufbau wird gemäß der Erfindung der maximale Nabendurchmesser (an seinem hinteren Ende) beträchtlich geringer als der maximale Durchmesser der Schaufeln, was die Leistung verbessert, da, je kleiner der Nabendurch messer ist, desto geringer die Streßbeanspruchungen sind, die in ihm unter einer vorgegebenen Geschwindigkeit erzeugt werden.

Das Drehteil 12 wird durch eine Welle 24 gedreht, wobei ein Ende davon keilwellenmäßig an der Nabe 20 angebracht ist, und sein anderes Ende ist mit einem (nicht dargestellten) Motor verbunden. Die Kombination von leichtgewichtigen Schaufeln und Membranen führt zu niedrigeren Streßbean spruchungen an der Aluminiumnabe, was ermöglicht, daß deren Mitte ausge höhlt werden kann. Wie in Fig. 4 gesehen werden kann, ist das hintere Ende der Nabe 20 mit einer koaxialen, kegelstumpfförmigen Ausnehmung 25 ausge bildet, die entsprechend so geformt ist, um den stationären Träger 14, unter Belassung eines engen Spalts dazwischen, aufzunehmen. Der stationäre Träger 14 wiederum ist mit einer axialen Bohrung 26 versehen, durch die die Welle 24 hindurchführt. Die Welle 24 dreht ein Paar Trägerlager 28, die innerhalb des stationären Trägers 14 positioniert und an beiden Enden der Bohrung 26 angeordnet sind. Die Nabe 22 besitzt an ihrem vorderen Ende eine zusätzliche koaxiale Ausnehmung 30, worin das Ende einer Welle 24 aufgenommen wird. Ausnehmungen 26 und 30 verringern weiterhin das Gesamt gewicht des Drehteils, was eine weitere Verringerung von mechanischen Streßbeanspruchungen an der Welle und dem Rotortragesystem bewirkt. Dieses Merkmal ermöglicht, daß eine Welle und ein Rotorträger mit einem relativ kleinen Durchmesser verwendet werden kann.

Das Drehteil 12 ist durch die Lager 28 derart aufgebaut und frei aufge hängt, daß sein Schwerpunkt zwischen die Lager 28, im Gegensatz zur Außen seite des Stützabstands der Lager, fällt. Da dies zu einem dynamisch steifen System führt, ist eine Verringerung des Wellendurchmessers ermög licht.

Wie in Fig. 5 gesehen werden kann, werden die Schaufeln an Metallträgern bzw. Klammern 36 angeheftet und verschraubt, die wiederum an der Alumi niumnabe 20 verschraubt sind. Die Membran 32, die aus einem Kohlefaserla minatblatt hergestellt ist, das mechanisch an den Seiten der benachbarten Schaufeln 22 befestigt ist, bildet den Strömungskanal "Boden".

Fig. 6 zeigt eine schematische, axiale Ansicht des Drehteils 12 von dem vorderen Ende, die nur ein Paar gegenüberliegender Schaufeln 22 darstellt. Es kann ersichtlich werden, daß die Schaufeln 22 an der Nabe entlang längs gekrümmter Linien (siehe Ansätze A der Schaufeln 22 in Fig. 6) befestigt sind. Man kann auch sehen, daß sich die Schaufeln 22 radial von der Nabe 20 erstrecken, d. h. in einem Radius R, der sich von der Achse der Nabe zu irgendeinem Punkt der Konturkante C (genauer zu einem Punkt auf seiner zentralen Linie) zu der Schaufel 22 erstreckt, der vollständig innerhalb der Schaufeln aufgenommen wird. Dieser Aufbau führt zu den nach folgenden Vorteilen:

Die Verwendung sehr dünner, leichtgewichtiger, flexibler Schaufeln, die in einer radialen Art und Weise angeordnet sind, vermeidet praktisch Biege kräfte an den Schaufeln, wodurch den Zentrifugalkräften ermöglicht wird, die Schaufeln nur in der radialen Richtung zu ziehen, wodurch demzufolge die Gesamtbelastung, die auf das Drehteil beaufschlagt wird, minimiert wird, d. h. dies maximiert den zulässigen Spitzengeschwindigkeitsgrenzwert.

Claims

1. Leichtgewichtiger, großvolumiger Zentrifugalkompressor (10) zur Ver wendung in mechanischen Dampfkompressionssystemen, insbesondere Was serdampfkompressionssystemen in Wärmepumpenanlagen, wobei der Kom pressor (10) zur Behandlung einer Dampfströmungsrate von ungefähr 300-400 m³/sec geeignet ist, der ein Kompressionsverhältnis von etwa 1 : 3 liefert, und mechanischen Streßbeanspruchungen, wie sie unter Spitzengeschwindigkeiten von etwa 500 m/sec auftreten, stand hält; wobei der Kompressor (10) ein propellerähnliches Drehteil (12) aufweist, das durch eine Welle (24) angetrieben wird, das durch die Mitte einer stationären, kreisförmigen Rückplatte (18) hindurch führt, die das Drehteil (12) an der Rückseite anbindet; gekenn zeichnet dadurch, daß
das Drehteil (12) aus einer kegelstumpfförmigen Nabe (20) und einer Vielzahl von gekrümmten Schaufeln (22), die aus leichtgewichtigem Material hergestellt sind, besteht, von denen jede an der Nabe (20) entlang einer gekrümmten Linie befestigt ist und sich radial davon erstreckt; wobei jedes Paar benachbarter Schaufeln (22) über ein überbrückendes Membranteil (32) aus einem leichtgewichtigen Material zwischenverbunden ist, das sich gekrümmt von den Ansatzbereichen (A) der Führungskanten (B) (wie es hier definiert ist) zu der angrenzen den Schaufel (22) zu den Spitzen der hinteren Kanten (E) der Schau feln (22) (wie es hier definiert ist) erstreckt; und
daß das Drehteil (12) innerhalb einer geschlossenen Befestigungsab deckung (16) eingeschlossen ist, so daß gekrümmte Dampfströmungs kanäle zwischen jedem Paar Schaufeln (22), deren zugeordnetem Mem branteil (32) und der Abdeckung (16) festgelegt wird.

2. Kompressor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (20) aus Aluminium hergestellt ist und die Schaufeln (22) der Membranteile (32) aus einem faserverstärkten Kompositmaterial her gestellt sind.

3. Kompressor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelstumpfförmige Teil (20) an seinem hinteren Ende mit einer koa xialen, kegelstumpfförmigen Ausnehmung (25) ausgebildet ist und an einem entsprechenden kegelstumpfförmigen, stationären Träger (24), der frei von der stationären Rückplatte (18) aufgehängt ist, einge setzt ist; wobei die Welle (24), die die kegelstumpfförmige Nabe (20) antreibt, durch eine axiale Bohrung (26) in dem statio nären Träger (14) hindurchführt und sich darin mit Hilfe eines Paars Lager (28) dreht, die in der Bohrung (26) angrenzend an ihren zwei Enden angeordnet ist; wobei der Schwerpunkt des Drehteils (12) zwischen dem Aufspannabstand des Lagers (28) verläuft.

4. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede gekrümmte Schaufel (22) so geformt ist, daß sich der Radius, der sich von der Achse der Nabe (20) zu irgendeinem Punkt auf der zentralen Linie der Konturkante der Schaufeln (22) er streckt, vollständig innerhalb der Schaufeln (22) enthalten ist.

5. Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche, kürzere Schaufeln (sogenannte "Splitter" bzw. "Ver teiler"), die sich von dem hinteren Ende der Nabe erstrecken und zwischen jedem Paar benachbarter, gekrümmter Schaufeln (22) regulärer Länge enden, vorgesehen sind.

6. Mechanisches Wasserdampf-Kompressions-Wärmepumpensystem (1) des Typs, der eine Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer (2), eine Kom pressorkammer (4), die unmittelbar neben der Verdampfer-Gefrierein richtungskammer (2) liegt, und eine Kondensorkammer (6), die un mittelbar neben der Kompressorkammer (4) liegt;
Einrichtungen zur Zuführung von Wasser oder einer wäßrigen Lösung in die Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer (2);
eine Kompressoreinrichtung (7, 7′) in der Kompressorkammer (4) zur Verringerung des Drucks in der Verdampfer-Gefriereinrichtungs kammer (2) herunter auf den Wassertripelpunktdruck, um zu bewirken, daß ein Teil des Wassers oder der wäßrigen Lösung verdampft und ein anderer Teil gefriert;
wobei die Kompressoreinrichtung weiterhin dazu geeignet ist, den Dampf, der innerhalb der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer (2) erzeugt wird, abzuziehen, ihn in die Kompressorkammer (4) zu trans portieren, ihn darin zu komprimieren und den komprimierten Dampf zu der Kondensorkammer (6) zu transportieren;
eine Wassersprüheinrichtung (61) in der Kondensorkammer (6) zur Kühlung und Kondensierung des komprimierten Dampfs durch direkten Wärmeaustausch damit;
eine Einrichtung, um das Kondensatwasser zusammen mit dem Kühlwasser aus der Kondensorkammer (6) zu entfernen;
eine Vakuum-Pumpeneinrichtung zur Evakuierung nicht kondensierbarer Gase aus der Kondensorkammer (6) und Einrichtungen zur kontinuier lichen Entfernung von Eiswasserbrei aus der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer (2) und Zirkulieren dieses durch die Wärmetauscher einrichtung in einen Raum, der gekühlt werden soll, der außenseitig des Wärmepumpensystems (1) angeordnet ist; aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:
die Kompressoreinrichtung aus einem Paar Zentrifugalkompres soren (7, 7′) gemäß Anspruch 1 besteht, die in Reihe arbeiten und an den gegenüberliegenden Enden der Kompressorkammer (4) angeordnet sind, die als ein horizontaler Zylinderbehälter aufgebaut ist, wobei jeder der Kompressoren (7, 7′) so aufgebaut ist, daß er eine voll ständige Unterbaugruppe mit seinem angrenzenden Enddeckel der Kom pressorkammer (4) bildet; und
Zwischenkühlungs-Wassersprüheinrichtungen (41) in dem Kompressor behälter zwischen den zwei Kompressoren (7, 7′) zur Kühlung des Dampfs, der durch den Kompressor (7) der ersten Stufe komprimiert wird, vorhanden sind, bevor er weiterhin in dem Kompressor (7′) der zweiten Stufe komprimiert wird.

7. Wärmepumpensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer (2) als auch die Kondensorkammer (6) vergleichbar nahe zu der Kompressorkammer (4) nebeneinander gelegt sind und damit über weite, vergleichbar kurze und gekrümmte Dampfeinlaß- und -auslaßrohrleitungen (3, 5) jeweils verbunden sind, die einen minimalen Widerstand gegen die Strömung des Dampfs von der Verdampfer-Gefriereinrichtung (2) zu der Kom pressorkammer (4) und von komprimiertem Dampf von der Kompressor kammer (4) zu der Kondensorkammer (6) bieten.

8. Wärmepumpensystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kondensorkammer (6) an der Oberseite der Ver dampfer-Gefriereinrichtungskammer (2) angeordnet ist, wobei beide zusammen eine integrale Einheit bilden, wobei der Boden der Konden sorkammer (6) als Oberseite der Verdampfer-Gefriereinrichtungskammer (2) dient.

9. Zentrifugalkompressor (10) im wesentlichen der Art, wie er hier unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben ist.

10. Wärmepumpensystem (1) im wesentlichen der Art, wie es hier unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben ist.