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Vakuumpumpe, insbesondere für Anlagen zur Erzeugung von Kunsteis Es
sind bereits Anlagen zur Erzeugung von Kunsteis bekannt, die unter Verwendung von
Dampfstrahlverdichtern ein Hochvakuum erzeugen, in dem das auf Transportbändern
in dünnen Strahlen aufgespritzte Wasser gefriert. Diese Anlagen haben vor den bekannten
Ammoniakzelleneisverfahren eine Reihe erheblicher Vorteile hinsichtlich der Anlagekosten,
der Bedienung und der Kürze der Anlaufzeit. Nachteilig ist aber die Abhängigkeit
der Anlagen vom Vorhandensein des Dampfes für die Dampfstrahlverdichter, so daß
Vakuumeisanlagen bisher nur dort zur Ausführung gekommen sind, wo Abdampf von genügend
großer Menge und Spannung zur Verfügung stand. Zur Kondensation des Treibdampfes
sind besondere Anlagen erforderlich, und der zusätzliche Wasserbedarf zur Treibdampferzeugung
ist für viele Verwendungszwecke ein weiterer Nachteil der bekannten Anlagen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daB die Verwendung eines
mit größtmöglicher Umfangsgeschwindigkeit laufenden, axial durchströmten Verdichters
für den Wasserdampf den Aufwand an Baukosten und Energie für die Vakuumeiserzeugung
erheblich verringern kann, vorausgesetzt, daß die in der Vakuumkammer unterkühlten
Dämpfe bei dem Eintritt in den Verdichter nicht mehr ausfrieren und die Verdichterschaufeln
vereisen können.
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Es ist bereits bekannt, zum Absaugen des Wasserdampfes aus einem Turm
zur Erzeugung von künstlichem Eis einen mehrstufigen Turbokompressor zu verwenden,
wie auch die Verwendung eines mehrstufigen Axialverdichters mit
einem
einzigen Verdichterläufer als Vakuumpumpe zur Erzeugung von Kunsteis an sich bekannt
ist. Jedoch machen die große abzusaugende Menge von unterkühltem Wasserdampf, die
auf etwa 50000 ms je Stunde und Tonne erzeugtes Eis zu veranschlagen ist,
und der niedrige Druck von etwa 3 m Hg die Verwendung mechanisch angetriebener Verdichter
üblicher Bauart unmöglich, da ein Drucksprung von i : 8 im Minimum erreicht werden
muß, um im Kondensator entsprechend dem Dampfdruck von etwa 25 mm Hg mit
Kühlwasser von ao bis 2.l° C arbeiten zu können. Bei höheren Kühlwassertemperaturen
ist ein noch höheres Druckverhältnis notwendig.
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Es ist auch bereits bekannt, zur Steigerung der Förderhöhe einer Stufe
eines Axialverdichters dem Medium einen entsprechenden Vordrall vor dem Laufrad
zu geben. Jedoch trat hierbei die oben angeführte Gefahr einer Vereisung der Verdichterschaufeln
durch die unterkühlten Dämpfe auf.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß ein als Vakuumpumpe dienender
mehrstufiger Axialverdichter, insbesondere für Anlagen zur Erzeugung von Kunsteis,
mit einem Mantelgehäuse versehen ist, in dem der zu fördernde Dampf entgegengesetzt
zur Förderrichtung des Gebläses strömt und dabei insbesondere den letzten Stufen
Wärme zur Rufheizung entzieht. Ohne Kühlung wird am Austritt des Verdichters eine
Temperatur von etwa 23o° C erreicht, die erfindungsgemäß teilweise zum Vorheizen
des Wasserdampfes bis zur Überhitzung vor Berührung mit der ersten Schaufel des
Verdichters nutzbar gemacht wird.
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Die Grenze der Umfangsgeschwindigkeit des Läufers ist gegenwärtig
durch die Festigkeit des Scheibenmaterials, bzw. durch die Scheibenbelastung gegeben.
Die hohe Beanspruchung des Verdichterläufers bei dem Zweck gemäß der Erfindung macht
eine neuartige Schaufelbefestigung notwendig, bei der die bisher übliche Schwächung
des Scheibenkörpers durch Nuten, in die die Schaufeln eingehängt werden, entfällt.
Erfindungsgemäß ist der Läufer aus Scheiben zusammengesetzt und sind die Schaufelfüße
zwischen je zwei benachbarten Scheiben eingehängt. An die Stelle von festigkeitsverringernden
Nuten im Scheibenkörper können hierbei Stege in der Nähe des Scheibenumfangs treten,
die in Nuten des Schaufelfußes eingreifen; angesichts der höheren Ausnutzung der
Festigkeit des Scheibenwerkstoffes kann so die kritische Grenze der Läufergeschwindigkeit
weit über die bisher gebräuchlichen Werte erhöht werden.
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Für den Axialverdichter werden Schaufeln in großer Anzahl benötigt,
z. B. ioo Schaufeln für jede Stufe eines z. B. vierzehnstufigen Verdichters. Aus
Fertigungsgründen empfiehlt sich für ihre Herstellung möglichst Leichtmetall, das
aber nur bei Temperaturen unter 25o° C noch sicher die notwendige Schwingungsfestigkeit
aufweist, da mit Drehzahlen von z. B. 14 000 U/min zu rechnen ist. Bei falschen
Betriebszuständen des Verdichters, wenn z. B. durch frühzeitiges Abstellen der Wasserzufuhr
die zu fördernde Dampfmenge zu klein wird, leiden Axialgebläse wie alle anderen
Strömungsverdichter unter sogenannten Pumperscheinungen, die bei mehrstufigen Maschinen
zu einer beträchtlichen Überhitzung des zu fördernden Gases führen. Um das zu verhindern,
wird erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen, in diesem Falle eine von dem Druck im
Vakuumbehälter oder dem Verdichtungsverhältnis der Vakuumpumpe abhängige Wassermenge
durch Aufspritzen auf den heißen Mantel des Gebläsegehäuses zur Verdampfung zu bringen
und den entstandenen Dampf in die Ansaugleitung des Gebläses einzuführen.
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Des weiteren wird zur Herabsetzung der Schaufelbetriebstemperatur
der letzten Verdichterstufen vorgeschlagen, daß der geförderte, in einem dem Verdichter
nachgeschalteten Kondensator gekühlte und verdichtete Dampf teilweise durch eine
Dampfleitung vom Kondensator zu einer mittleren Stufe des Verdichters zurückgeführt
wird. Zu demselben Zweck kann aber auch eine für den Verdichter festgelegte Wassermenge
in der gleichen Stufe wie vorher der gekühlte Dampf zugeführt werden, auch ist es
insbesondere bei beschränkten Kühlwasserv erhältnissen vorteilhaft, die Temperatur
der in den Verdichter zurückgeführten Kühldampfmenge nicht in dem Kondensator, sondern
in einem besonderen, mit Luft gekühlten Dampfkühler herabzusetzen.
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Der Verdichter verlangt für den Zweck gemäß der Erfindung aus zwei
Gründen an der Durchtrittsstelle der Welle durch das Gehäuse eine absolute Dichtung.
Erstens darf keine Luft in den ,Verdichter eintreten, damit der Kondensator wirksam
bleibt bzw. damit es nicht nötig wird, eine unnötig große Luftpumpe dem Kondensator
nachzuschalten. Es empfiehlt sich also, den Verdichter in ein geschlossenes Gehäuse
einzukapseln. Dabei steht aber zweitens der Schmierstoff des Lagers mit dem Vakuum
in Verbindung und verliert seine Schmierfähigkeit, da nur schwere, harzende und
pechähnliche Rückstände bei diesem hohen Vakuum zurückbleiben. Außerdem verschlechtert
sich der Wärmedurchgang im Kondensator durch das mitgerissene Öl, das sich auf den
Kühlröhren niederschlägt. Als Dichtung wird daher gemäß der Erfindung eine Kombination
der an sich bekannten Wasserringsperre mit einem auf der Vakuumseite der Wasserringsperre
nachgeschalteten Labyrinth vorgeschlagen. Infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeit
steht das Wasser in dem umlaufenden U-Ring mit nur geringem Höhenunterschied auf
beiden Seiten des zum feststehenden Gehäuse gehörenden Lippenringes. Infolge des
niedrigen Druckes verdampft fortlaufend auf der Vakuumseite eine bestimmte Wassermenge,
die der Größe nach durch die Labyrinthabmessung gegeben ist. Ohne das vorgeschaltete
Labyrinth würde das gesamte Wasser sofort verdampfen, während bei vorgeschaltetem
Labyrinth nur eine kleine Dampfmenge durch den Verdichter abgesaugt wird. Es besteht
auch die Möglichkeit, den Verdichter infolge seiner gedrängten Bauart in das Gehäuse
des eigentlichen Vakuumeiserzeugers miteinzuhauen. Das bietet insofern einen erheblichen
Vorteil gegenüber
einer getrennten Bauweise, als die äußeren Dichtflächen
nur den Außendruck gegen den höheren Kondensatordruck abschließen müssen.
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Durch einen kleinen Axialverdichter, der gemäß der Erfindung gebaut
und verwendet wird, werden gegenüber den bekannten Vakuumeisanlagen nicht nur sechs
Dampfstrahlpumpen überflüssig, sondern es wird auch der Wasserbedarf zur Kondensation
des Treibdampfes erspart, der ein Mehrfaches der Wassermenge ist, die zur Kondensation
des abgepumpten Wasserdampfes benötigt wird. Stellt man sich dann noch vor, daß
man durch Nachschalten eines vierstufigen Axialgebläses den Enddruck und damit die
Kondensatortemperatur so hoch legen kann, daß man von der Wasserkühlung unter Umständen
abgehen könnte, so wird eine Eisanlage geschaffen, die außer dem tatsächlich zur
Eiserzeugung dienenden Wasser keines mehr gebraucht, da ja das Kondensat dem Kreislauf
wieder zugeführt werden kann. Damit bietet eine gemäß der Erfindung ausgerüstete
Vakuumeisanlage erhebliche Vorteile für die Verwendung in wasserarmen Gegenden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen erläutert,
und zwar zeigt Abb. i schematisch die gesamte Vakuumeisanlage, Abb. 2 den Axialverdichter
mit nachgeschaltetem Kondensator, Abb. 3 die Befestigung der Schaufelfüße im Läufer
und Abb. q. die Abdichtung des Wellendurchtrittes durch das Verdichtergehäuse.
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In Abb, i bezeichnet a den Vakuumbehälter, b den Axialverdichter und
c den Kondensator. Ein Elektromotor d und ein Getriebe e dienen zum Antrieb des
Axialverdichters b. Eine Kolbelivakuumpumpe f saugt Luft aus dem Kondensator
c. Mit h ist ein umlaufendes Band bezeichnet, auf dem sich das Eis in Schichtform
bildet, mit i ein Förderband für Eisscherben und mit h eine Austragvorrichtung für
das fertige Eis.
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Das durch die Einspritzpumpe g in den Vakuumbehälter a geförderte
Wasser verdampft dort im Vakuum teilweise zu Wasserdampf und schläge sich zum anderen
Teil infolge Unterdruckes als Eis auf den Bändern h nieder. Herabfallende Eisscherben
werden von dem Förderband i. aufgefangen. Durch die Austragvorrichtung k wird das
von den Bändern h und i abgestreifte Eis aus dem Behälter entfernt.
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Zur Aufrechterhaltung des Vakuums und Absaugung des Wasserdampfes
dient der Axialverdichter b, durch den der verdichtete Dampf in den kühlwasserdurchströmten
Kondensator c gelangt. Das Kondensat wird zur Pumpe g und damit zurück in den Kreislauf
geleitet.
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In vergrößertem Maßstab ist der Axialverdichter b und Kondensator
c in Abb. 2 dargestellt. Der Läufer i des Verdichters mit den Schaufeln 2 rotiert
um die Welle 3, die bei d., 5 im Gehäuse 6 gelagert ist. Der Einlaßstutzen des Verdichters
b ist mit 7, sein Auslaßstutzen zum Kondensator c mit 8 bezeichnet. Im Gehäuse 6
sind Kühlrippen 9 vorgesehen. Eine Wasserzuführung io umgibt die Endstufen des Verdichters;
aus ihr wird Wasser auf den Mantel um die Verdichterendstufen gespritzt und der
entstehende Wasserdampf in die Ansaugleitung des Verdichters geleitet, und zwar
nur, wenn bei zu hohem Druckverhältnis des Verdichters das damit gekoppelte Regelventil
in der Leitung io sich öffnet, um das Druckverhältnis wieder zu senken. Der Kondensator
c hat einen Hauptauslaßstutzen i i und einen Zwischenauslaßstutzen 12, der mit einer
Dampfleitung 13 zu einer mittleren Stufe des Verdichters b verbunden ist.
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Der Wasserdampf aus dem Vakuumbehälter strömt durch den Stutzen 7
und trifft auf den die heißen Endstufen des Verdichters umgebenden Teil des Gehäuses
6, wo er sich vorwärmt und nach Durchströmen der Kühlrippen 9 zu den Schaufeln 2
der ersten Verdichterstufen gelangt. Der verdichtete Dampf strömt durch den Stutzen
8 zum Kondensator c. Beim Durchlaufen des Kondensators wird ein Teil des Dampfes
durch den Zwischenauslaßstutzen 12 abgezweigt und strömt durch die Leitung 13 zu
einer mittleren Stufe des Verdichters, um eine Schaufelüberlastung zu vermeiden.
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Abb. 3 zeigt in Längs- und Querschnitt im Detail Scheiben 14., aus
denen der Läufer i des Verdichters b zusammengesetzt ist, sowie die Befestigung
der Füße der Schaufeln 2. Die Scheiben 14 weisen in der Nähe des Außenumfanges Umfangsstege
15 auf, die in entsprechende Nuten im Schaufelfuß eingreifen. Sprengringe 16 um
alle Schaufelfüße einer Scheibe herum legen. den gleichen Mittelpunktabstand der
einzelnen Schaufeln fest.
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Wie aus Abb. q. ersichtlich, ist der Durchtritt der Verdichterw eile
3 durch das Gehäuse 6 an der Lagerstelle 5 durch eine Labyrinthdichtung 17 in Verbindung
mit einem Wasserring 18 abgedichtet. Durch eine Zuführungsleitung i9 wird der Wasserringdichtung
18 ständig Wasser in der benötigten 2 enge zugeführt.
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Die beschriebenen Einzelheiten eines mehrstufigen Axialverdichters
haben sich für die Verwendung zum Verdichten von Wasserdampf und Aufrechterhalten
eines Hochvakuums in Vakuumeisanlagen als besonders vorteilhaft, ja unentbehrlich
erwiesen. Denkbar und im Bereich der Erfindung liegend ist aber auch ihre Verwendung
bei Axialverdichtern für andere Zwecke, bei denen ähnliche Anforderungen auftreten.