ES2300607T3 - Compresor de anillo liquido. - Google Patents

Abstract

Compresor de anillo líquido, caracterizado por un rotor interior excéntrico (6) soportado en ejes (8, 9) a un corrotor exterior (3) para el anillo líquido, estando el cojinete de los corrotores (11) fuera de los mismos ejes y estando encerrado a cada lado en una cubierta, donde sobre cada lado del cojinete (11) se dispone un sello de borde rotativo (82) donde el borde (83) de dicho sello de borde (82) topa con los ejes (8, 9) a baja velocidad, y dicho borde (83) a alta velocidad se proyecta fuera debido a las fuerzas centrífugas y se eleva a sí mismo de los ejes, donde están previstos unos orificios pasantes (81) a través de las paredes laterales del corrotor y de la cubierta del cojinete, cuyo volumen en el interior del anillo líquido se ventila a la cubierta circundante (1), de forma que no se crea una presión diferencial a través de los cojinetes y los sellos de los cojinetes.

Description

Compresor de anillo líquido.

La presente invención se refiere a un compresor, en particular un compresor de anillo líquido.

La mayoría de los compresores trabajan con un proceso adiabático aproximado, es decir, sin intercambiar calor durante la fase de compresión. En la práctica, por ejemplo un compresor alternativo, emite bastante calor, pero sólo una pequeña parte de este calor se emite durante la compresión, la mayoría después, o en la fase final. Un turbocompresor con frecuencia tiene un proceso muy próximo al adiabá-
tico.

Algunos compresores un poco más especiales pueden trabajar muy próximos al isotérmico, es decir, el calor que se genera es continuamente alejado y la temperatura se mantiene inalterada. Ejemplos de estos son los eyectores conducidos por agua y los compresores de anillo líquido, en donde ambos son frecuentemente utilizados con vacío. Un compresor de tornillo con inyección de aceite trabaja politrópico, es decir, en alguna parte entre adiabático e isotérmico.

El proceso isotérmico requiere menos energía suministrada que el adiabático. La diferencia se incrementa rápidamente con el incremento de la diferencia de presión, tal como se muestra en el diagrama de la figura 1. Éste muestra valores teóricos, calculados para base de aire bajo la fórmula para gas ideal. El aire y los gases en un estado que no está en la proximidad del punto crítico, se comportan muy cercanos al ideal.

Para la mayoría de los objetivos, no es deseable con gas caliente después la compresión, y partir de esto y del consumo de energía, en teoría se prefiere el proceso isotérmico.

Cuando esto, a pesar de lo anterior, no se emplea hoy en día, la razón puede encontrarse en que los compresores existentes e isotérmicos o casi isotérmicos tienen pérdidas hidráulicas y dinámicas demasiado grandes. Es una excepción para las bombas de vacío que en realidad son compresores de anillo líquido con alta diferencia de presión, p2/p1, pero con baja altura de presión, p2-p1. Estos pueden operar con bajas velocidades periféricas sobre el anillo líquido. Otro problema es el desafío técnico de ser capaces de extraer continuamente calor durante la compresión.

Tanto el eyector como los compresores de anillo líquido con frecuencia son utilizados en vacío. Un eyector se aprovecha de la velocidad de, masa en un chorro de agua, en el cual la sección transversal se expande y puede así empujar otro medio con el mismo. El eyector transforma presión dinámica en presión estática. Sin embargo, un sistema de eyector tiene pérdidas relativamente altas en la bomba, en la boquilla, por impacto y fricción. Los eyectores son raramente utilizados en algo más que el campo de vacío. Dentro de la técnica anterior, el compresor de anillo líquido está más próximo al compresor según la presente invención.

Un compresor de anillo líquido consiste principalmente en un impulsor que rota excéntrico en una cubierta exterior junto con un anillo de agua, cuya fuerza centrifuga mantiene en su lugar contra la periferia. La entrada normalmente se posiciona como una abertura en una o las dos paredes de extremo de la cubierta donde el gas es conducido dentro de los espacios del impulsor. Por lo tanto, se disponen aberturas en las paredes de extremo en el lado de presión, donde el gas comprimido es empujado al exterior. Todos los tipos pueden tener conmutadores estacionarios dispuestos de manera centrada en el interior del rotor, donde la entrada y la descarga se producen radialmente.

El compresor de anillo líquido no transforma la energía en el agua de la misma forma que el eyector. La presión estática en el anillo de agua permanece constante. El anillo de agua actúa como un pistón en cada celda del rotor. El principio para un compresor ordinario de anillo líquido se muestra en la figura 2, donde un anillo líquido 23 rota excéntrico en una cubierta estacionaria 22, conducido por un rotor 21 donde el espacio entre el impulsor atraerá gas en un lado de la revolución y comprimirá el gas en el otro.

La presión estática en el anillo de agua tiene que ser la misma que la presión de compresión, de otra forma el agua será presionada fuera de la celda, es decir, el anillo de agua se deformará. De este modo, se proporciona una cierta altura de presión, p2-p1, que requiere una fuerza centrifuga mínima. Un compresor de anillo líquido usualmente tiene una altura de presión considerablemente más alta y por lo tanto requiere mayor velocidad de rotación que una bomba de vacío.

La mayor pérdida de flexión en un compresor de anillo líquido convencional se produce cuando el rotor está tocando la pared de la cubierta. El espacio debe ser aquí muy pequeño, algo que implica que el agua contra la periferia de la cubierta tenga la misma velocidad que las puntas impulsoras del rotor. Por otra parte, debe haber un espacio muy pequeño entre los lados del rotor y la cubierta. También en estos espacios habrá altas fricciones.

Generalmente las pérdidas de fricción aumentan con un cuadrado del incremento de la velocidad, y en la práctica el compresor de anillo de agua pierde nivel de energía en relación con la energía en relación con un compresor adiabático incluso en relaciones de presión relativamente bajas.

Sin estas pérdidas de fricción, el compresor de anillo líquido tiene muchas ventajas. Es muy simple y puede estar un escalón por encima en relaciones de presión relativamente altas.

Es evidente que sí la cubierta alrededor del anillo de agua rota junto a ésta, las pérdidas de fricción hidráulica serán mínimas. Por lo tanto, dicho compresor podría, para relaciones normales de presión, aprovechar las ventajas de la energía isotérmica casi al completo.

Una sugerencia anterior descrita con un cilindro exterior rotativo intentó resolver el problema de la fricción, sin llevarlo a una solución viable. Los documentos US 5 100 300 y US 5 370 502 describen un compresor de anillo líquido con un cilindro que flota sobre una película de líquido o gas entre el cilindro y la cubierta exterior estacionaria. Mediante la flotación sobre una película de líquido, es dudoso si se lograría alguna reducción en la fricción, y con gas probablemente no sería posible lograr una suficiente capacidad de soporte y estabilidad, de forma tal que el cilindro no toque la cubierta.

En una patente posterior, US 5 395 215, de la misma firma, se sugiere un cojinete de este cilindro en una cubierta exterior, donde se insertan una serie de rodillos en la pared de la cubierta donde el cilindro es soportado por los rodillos. Esto no parece realista con las velocidades reales de rotación que lograrían los rodillos. Una patente posterior, US 5 653 582, regresa a los fluidos como el cojinete periférico para el cilindro rotativo y sugerencia a la solución básica.

La patente US 5 251 593 describe, como en la solicitud anterior, que es un problema intrincado, en relación entre sí, tener cojinetes excéntricos en combinación con canales estacionarios para la entrada y la descarga del gas. Esta publicación indica un cojinete de cilindro rotativo exterior sobre un lado y el rotor sobre el lado opuesto, donde una placa estacionaria próxima al extremo abierto del rotor tiene canales de entrada y de descarga. Existen principalmente dos debilidades decisivas con este diseño. La primera es el cojinete de un lado que da esta solución, donde la carga del cojinete se vuelve desigual y demasiado alta. Al mismo tiempo, surgen grandes fuerzas axiales de empuje. La otra debilidad son los problemas para lograr un sellado hermético razonable de gas entre el cilindro rotativo exterior y la placa donde están ubicados los canales de entrada y de descarga en una placa circular, interior en el extremo abierto del rotor. Aquí pueden producirse escapes de gas hacia atrás de celda a celda, y además fuera a través del espacio circular entre la placa estacionaria y el rotor. El principio no es realista para propósitos prácticos.

A pesar de los numerosos estudios y sugerencias durante muchos años, evidentemente no ha sido posible alcanzar un diseño que satisfaga los requerimientos para un funcionamiento satisfactorio. A pesar de que en el presente existen compresores sin anillo líquido con dicho rotor corrotativo. Las publicaciones antes mencionadas indican que uno está ligado al punto inicial para un rotor y un sistema de comunicación, como en las bombas de vacío y compresores convencionales para una presión relativamente baja, con las limitaciones antes mencionadas de velocidad. Esto se refleja en rotores relativamente anchos con comunicaciones a cada lado, que conducen a una distancia de cojinetes larga y con altas cargas de soporte. En un compresor con anillo líquido en el corrotor exterior, la geometría será incorrecta, lo que conducirá a una relación de cojinetes que no es adecuada para los tipos de cojinetes existentes. Con una comunicación a cada lado, son cuatro secciones con espacios donde existen fugas a partir de las zonas sobre el lado de presión.

El compresor según la presente invención tiene el objetivo de resolver este problema, que hasta ahora ha evitado que un compresor de anillo líquido aproveche las ventajas antes mencionadas con un corrotor para el anillo líquido. Otro objetivo es lograr una comprensión casi isotérmica con una nueva inyección muy eficiente directa de líquido en el gas durante toda la etapa de compresión.

El agua como líquido de inyección tiene muy buenas propiedades térmicas, y es deseable para utilizarse con aquellos gases que lo permiten. Pero, para bombas y similares, el diseño para un compresor líquido con un corrotor requiere una división diferente entre el agua y el cojinete del corrotor. A partir del desarrollo de los compresores helicoidales con inyección de agua, se conoce y ha habido problemas con el sellado sobre el lado de presión de los tornillos. En primer lugar, el agua tiene un efecto lubricante de pequeño a bajo sobre el sellado, que puede tener una presión relativamente alta hacia el eje y, por lo tanto, un alto desgaste. Por otra parte, el agua penetra fácilmente incluso a través de los espacios más pequeños, y especialmente a alta presión. A partir de esto, es evidente que el compresor según la presente invención resuelve el problema de sellado mediante la eliminación de las razones del mismo. Los objetivos antes mencionados se satisfarán con el compresor de anillo líquido según la presente invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Se describirá ahora la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales la figura 1 muestra un diagrama con relaciones de independencia de necesidades energéticas teóricas de presión, la figura 2 muestra de forma esquemática el principio para un compresor de anillo líquido, la figura 3 un compresor de anillo líquido según la presente invención en una vista longitudinal dividida, la figura 4 es una sección transversal de la figura 4, la figura 5 muestra el compresor montado, en un diseño seccionado, la figura 6 muestra detalles del rotor, las figuras 7a y 7b muestran detalles del comunicador, y la figura 8 muestra detalles del cojinete del corrotor, los sellos y el sistema para la ventilación de las zonas en los cojinetes.

Las partes principales en la figura 3 consisten en dos cubiertas 1 y 2, dos corrotores 3 y 4, un rotor 6 y un eje de rotor 5, un comunicador 7, dos cojinetes 11 para los corrotores 3 y 4 y dos cojinetes 12 para el eje del rotor 5, así como los ejes 8 y 9 para los cojinetes exterior e interior 12. En la figura 4, un sector I-II con succión, un sector con compresión e inyección II-III y un sector III-I para la descarga de gas en dirección horaria. En el sector II-III se inserta el líquido desde el comunicador directamente en las celdas del rotor y la compresión y el enfriado del gas en las celdas.

Con la fricción en buena parte reducida en el anillo de agua debido al corrotor, es posible hacer el rotor considerablemente más estrecho, al mismo tiempo que el volumen de descarga se compensa con un considerable incremento de la velocidad. Por lo tanto, la presión interna en el anillo de agua se incrementa y el compresor puede suministrar con muy alta presión.

Un rotor corto obtiene poca fuerza de torsión a partir de la presión del gas y, por lo tanto, puede fijarse a un reborde sobre su eje sólo en una pared de extremo y, por lo tanto, es capaz de tener un conmutador simple en la totalidad de la anchura del rotor. Sólo entonces se crean dos espacios de fuga entre el conmutador y el rotor. Estos espacios son el único lugar donde la fuga desde el lado de presión tendrá lugar. Puede haber fugas realmente en ambos lados desde el espacio y a lo largo de la periferia a partir de la descarga de presión contra la entrada, especialmente en la dirección de rotación. Incluso en espacios muy pequeños, gas puro sin líquido con la presente presión será capaz de fugarse en cantidades considerables, con menores cantidades suministradas y una eficiencia inferior como resultado.

La superficie del rotor 6 en el interior hacia el conmutador es lisa en sus extremos 63, con canales entrelazados de aberturas 62 para cada celda individual. En las figuras 7a y 7b se muestra que el conmutador tiene una fila de ranuras 71 en secciones de lados opuestos. Las ranuras están bajo presión líquida desde el canal líquido 74, el cual está por lo tanto bloqueando las fugas de gas en la dirección real.

El compresor de anillo líquido según la presente invención puede diseñarse con un cojinete hidrodinámico para el corrotor. Estos pueden entonces lubricarse y enfriarse con el mismo líquido que se utilizó para la inyección. Pero con el punto inicial con el diámetro de eje y la velocidad necesarios, la investigación muestra, sin embargo, que fas pérdidas de fricción en dicho cojinete serán entonces muy altas y se pierden algunas de las ventajas con un corrotor. Con una compresión más alta se incrementa también el tamaño del soporte y las pérdidas en los mismos se vuelven aceptables.

Por otro lado, la misma relación parece ser aceptable para cojinetes de bolas o de rodillos relativamente grandes, pero al mismo tiempo esto conduce a nuevos problemas alrededor del sellado del soporte. Los soportes con sellos integrados pueden no funcionar próximos a las velocidades necesarias y no existe ningún sello estático que lo permita, o que pueda lograr una vida útil aceptable. Los sellos de laberinto, sin embargo, no necesitan tocarse y pueden operar con altas velocidades, pero no brindan ningún sellado estático. Estos sellos suponen que no hay presiones diferenciales a través del sello.

Para evitar presiones diferenciales a través del soporte, un corrotor se ventila en la cubierta del compresor a través de los orificios 81, tal como se muestra en la figura 8. Para compresores de presión de aire, la cubierta está su vez ventilada a la atmósfera o mediante compresión de otros gases para evitar la descarga, ventilada en la entrada, y por lo tanto, no habría una presión diferencial a través del soporte del corrotor. El líquido de bloqueo que se fuga desde el espacio entre el conmutador y el rotor durante el funcionamiento será proyectado fuera en el anillo líquido y no será capaz de alcanzar los cojinetes del corrotor. Por lo tanto, el diseño sólo necesita un sello de cojinete estático durante la fase de tensión, donde el peligro de salpicar agua contra los sellos es evidente cuando el anillo de agua se colapsa debido a la falta de fuerza centrífuga. En compresores convencionales de anillo de agua ya se conocía el uso de sellos de reborde, tal como se describe en el documento US 4 747 752. En ese caso, sin embargo, se trata de un eje conductor que tiene un diámetro relativamente menor y una baja velocidad periférica. Tal como se menciona con anterioridad, la relación de velocidad para el corrotor se vuelve crítica con referencia al desgaste.

Esto conduce a la necesidad de diseñar un sello de reborde completamente nuevo 82, mostrado en mayor detalle en la figura 8, que resuelve el problema de una forma relativamente simple. El sello rota junto con el anillo exterior del cojinete 11. El reborde 83 es relativamente dúctil y en detenido y en el ciclo de inicio y parada se apoyará contra el eje y se sellará estáticamente, pero cuando la velocidad y las fuerzas centrífugas se incrementen, es proyectado hacia el exterior y se obtiene un espacio sx, de forma que no toca el eje durante el funcionamiento. Esto se muestra en la sección transversal A y B de la figura 8.

Es evidente que el reborde durante el funcionamiento se ubica asimismo contra el borde de las aberturas en el corrotor y las paredes, de forma que con movimientos relativamente pequeños el reborde se dobla desde estar en contacto con el eje hasta que no lo está. Esto da un efecto de fatiga pequeño aún con frecuentes inicios y detenciones.

El sello es, en otras palabras, estático a bajas velocidades y parece dinámico a velocidades mayores, donde su propósito es sólo evitar que la grasa del cojinete sea proyectada hacia el exterior. El cojinete del corrotor tendrá con este sistema aproximadamente la misma relación de entorno y seguridad que si operaran en aire.

Es el diámetro en el cojinete del rotor y la excentricidad entre los rotores los que deciden el diámetro sobre los ejes de cojinete del corrotor porque el cojinete del corrotor, tal como se muestra, está insertado en los mismos. La carga sobre el cojinete del rotor se vuelve la misma que para el corrotor. Para soportar esta carga, al mismo tiempo que se dan las dimensiones más pequeñas posibles para el eje al corrotor, se utilizan los llamados cojinetes de aguja para el rotor. El propósito y la necesidad mediante la integración del cojinete del rotor en el eje del corrotor, es lograr una distancia de cojinete tan corta como sea posible, que brinde el diámetro de eje más pequeño. Para el cojinete de este eje, la velocidad periférica permite sellos estáticos ordinarios, y el cojinete puede lubricarse con aceite.

Para evitar la creación de bolsas de gas atrapadas en las celdas del rotor 61, tal como se muestra en la figura 6, están estas aberturas de canal circulares hacia el interior. A lo largo de la periferia del conmutador en este sector, donde la compresión tiene lugar, se taladran un número de orificios 75 que están en comunicación con el canal líquido interno 74 que tiene una presión similar a la presión suministrada del compresor. A través de estos orificios, el líquido se inserta directamente en las celdas del rotor. Estos chorros golpean los bordes de la entrada y los canales de descarga de las celdas con una alta velocidad y frecuencia, y el líquido se pulveriza de forma que está formado en una bruma de líquido en el interior de la celda. La bruma se proyecta hacia el exterior hacia el anillo de agua, pero es continuamente renovada por los nuevos chorros, de forma tal de que hay un flujo hacia el exterior. La densidad de los orificios puede incrementarse hacia el extremo del sector de compresión para compensar una caída del diferencial de presión entre el líquido y el gas.

El conmutador se fija a un eje estacionario 8 del corrotor. El eje conecta los canales del conmutador con la respectiva entrada y descarga para gas e inyección de líquido.

Cuando el compresor según la presente invención se utiliza para otros gases distintos del aire, por ejemplo un sistema de refrigeración o en una planta petroquímica, puede ser útil emplear el gas real en la fase líquida para la inyección y como anillo líquido.

En una necesidad esperada razonablemente menor de energía para un turbocompresor, el compresor según la presente invención será muy adecuado como compresor en una planta de turbina de gas que opera con una relación relativamente alta de presión. El aire desde esta, en contraste con el turbocompresor, estará muy frío, pero es necesario destacar que el calor que suministra el turbocompresor es extraído del eje de la turbina y, en consecuencia, reduce el efecto de salida al mismo tiempo que el aire caliente no hace posible la recuperación de calor a partir del escape de la turbina. Mediante el uso del compresor según la invención, el aire del compresor puede calentarse por intercambio con gas de escape y alcanzar prácticamente las mismas temperaturas que en un compresor la turbina.

Claims (10)

1. Compresor de anillo líquido, caracterizado por un rotor interior excéntrico (6) soportado en ejes (8, 9) a un corrotor exterior (3) para el anillo líquido, estando el cojinete de los corrotores (11) fuera de los mismos ejes y estando encerrado a cada lado en una cubierta, donde sobre cada lado del cojinete (11) se dispone un sello de borde rotativo (82) donde el borde (83) de dicho sello de borde (82) topa con los ejes (8, 9) a baja velocidad, y dicho borde (83) a alta velocidad se proyecta fuera debido a las fuerzas centrífugas y se eleva a sí mismo de los ejes, donde están previstos unos orificios pasantes (81) a través de las paredes laterales del corrotor y de la cubierta del cojinete, cuyo volumen en el interior del anillo líquido se ventila a la cubierta circundante (1), de forma que no se crea una presión diferencial a través de los cojinetes y los sellos de los cojinetes.

2. Compresor según la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor (6) en la periferia tiene una serie de celdas (61) con una forma semicilíndrica, donde el arco está girado hacia el centro.

3. Compresor según la reivindicación 1-2, caracterizado porque las celdas (61) del rotor (6) tienen aberturas de canal radiales (62) a cada lado, rodeadas por una sección circular lisa (63) para sellar contra un conmutador estacionario (7) ubicado en el centro del rotor.

4. Compresor según la reivindicación 1-3, caracterizado porque desde el orificio (75) en el conmutador (7) en el sector de comprensión se inyecta líquido, donde haces de líquido golpean los bordes de la abertura de canal (62) en las celdas (61) del rotor.

5. Compresor según la reivindicación 1-4, caracterizado porque el conmutador (7) tiene a cada lado ranuras periféricas (71), donde el líquido de inyección sale bajo presión e inhibe las fugas de gas.

6. Compresor según la reivindicación 1-5, caracterizado porque la periferia del conmutador (7) está fuera de los sellos de los cojinetes de los corrotores, de manera que el agua que se fuga desde el espacio entre el conmutador y el rotor se proyecta fuera del anillo líquido sin pasar los sellos de los cojinetes.

7. Compresor según la reivindicación 1-6, caracterizado porque los cojinetes (11) para el corrotor son cojinetes de tipo de bola o de rodillo.

8. Compresor según la reivindicación 1-6, caracterizado porque los cojinetes (11) son cojinetes deslizantes, incluyendo tipos hidrodinámicos.

9. Uso de un compresor según la reivindicación 1-8 como un compresor de aire y de gases compatibles con el agua, donde el agua se utiliza como líquido de inyección.

10. Uso de un compresor según la reivindicación 1-9 como un compresor en una planta de turbina de gas.