ES2855398T3 - Sistema de lubricación para cojinetes de contacto de un compresor de cojinetes magnéticos - Google Patents

Sistema de lubricación para cojinetes de contacto de un compresor de cojinetes magnéticos Download PDF

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Abstract

Un sistema de compresión de vapores (20) que comprende: un compresor (22) para comprimir un refrigerante a alta presión, incluyendo el compresor un cojinete magnético (46) y líneas del compresor (64, 76); un condensador (24) para enfriar el refrigerante; un dispositivo de expansión (26) para expandir el refrigerante a baja presión; y un evaporador (28) para calentar el refrigerante; una línea de suministro de refrigerante (62) que suministra constantemente el refrigerante desde el condensador (24) al compresor (22) sin pasar por el evaporador (28) para lubricar el cojinete magnético (46); y una línea de descarga de refrigerante (72) que descarga el refrigerante que lubrica el cojinete magnético (46) al evaporador (28), caracterizado porque el sistema de compresión de vapor incluye además: un cojinete de contacto radial (48) y un cojinete de contacto axial (52), y una unidad de control (92) configurada para controlar el apagado del compresor (22) y una válvula (90) situada en las líneas del compresor (64, 76), en donde la unidad de control (92) está configurada para abrir la válvula (90) para permitir que el refrigerante fluya hacia el cojinete de contacto radial (48) y el cojinete de contacto axial (52) cuando la unidad de control (92) detecta que el compresor (22) está apagado.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de lubricación para cojinetes de contacto de un compresor de cojinetes magnéticos
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere, en general, a un sistema de lubricación de cojinetes que lubrica un cojinete de contacto de un compresor equipado con cojinetes magnéticos con líquido refrigerante de un condensador.
Un sistema de compresión de vapor incluye un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión y un evaporador. El refrigerante circula a través del sistema de compresión de vapor de circuito cerrado. El refrigerante sale del compresor a través de un puerto de descarga a alta presión y alta entalpía. A continuación, el refrigerante fluye a través del condensador a alta presión y rechaza el calor a un medio fluido externo. A continuación, el refrigerante fluye a través del dispositivo de expansión, que expande el refrigerante a una presión baja. Después de la expansión, el refrigerante fluye a través del evaporador y absorbe el calor de otro medio fluido externo. A continuación, el refrigerante vuelve a entrar en el compresor a través de un puerto de succión, completando el ciclo.
El compresor incluye un impulsor, un difusor, un rotor de motor y un estator del motor alojados en una carcasa del compresor. El rotor está fijado a un eje y gira con el mismo, y el estator está fijado dentro de la carcasa del compresor. Se utilizan comúnmente cojinetes hidrodinámicos e hidrostáticos en el compresor. Los cojinetes magnéticos reducen la pérdida de energía y eliminan la necesidad de usar aceite como lubricante. Los cojinetes de contacto proporcionan una rotación suave del eje y protegen el rotor durante el corte de energía del compresor. Los cojinetes de contacto pueden ser cojinetes de bolas cerámicos o cojinetes de manguito. Si los cojinetes de contacto son cojinetes de manguito, los cojinetes de contacto están hechos de un material que tiene propiedades tribológicas que resisten el corte en ausencia de lubricante. Una desventaja de los cojinetes de bolas de cerámica y cojinetes de manguito es que son caros.
Por lo tanto, hay una necesidad en la técnica de proporcionar un sistema de lubricación de cojinetes que lubrique los cojinetes de un compresor, que utilice materiales menos caros, tal como el material Babbit, que proporcione tasas de desgaste más bajas y que supere las desventajas y deficiencias de la técnica anterior.
WO 03/095908 A1 describe un método en conexión con un aparato de refrigeración, en donde un medio circulante es circulado en una tubería por un compresor.
Un sistema de compresión de vapor que tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1 se describe en US 6 010315 A.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un sistema de compresión de vapor de acuerdo con la invención se describe en la reivindicación 1.
En la realización descrita, el compresor incluye un impulsor, un difusor, un rotor de motor principal, un estator del motor principal y el cojinete magnético se aloja en una carcasa del compresor. El estator del motor principal acciona el rotor del motor principal para girar a través de un campo magnético, accionando un eje para reducir un volumen del refrigerante recibido en las cámaras de compresión del compresor y comprimir el refrigerante a una presión alta.
Se proporcionan un cojinete de contacto radial y un cojinete de contacto axial para proteger el rotor durante el corte de energía del compresor y proteger el cojinete magnético de una falla. El cojinete de contacto radial define una cavidad que recibe una parte del eje. El eje incluye un anillo anular que se extiende alrededor de un perímetro del eje. El cojinete de contacto axial rodea el eje y define una cavidad que recibe el anillo anular.
El líquido refrigerante del condensador fluye a lo largo de una línea de suministro y se inyecta en las cavidades definidas por los cojinetes de contacto. El refrigerante proporciona lubricación a los cojinetes de contacto, reduciendo el desgaste. El refrigerante se descarga a través de una salida en la carcasa del compresor y fluye a lo largo de una línea de descarga al evaporador.
Estas y otras características de la presente invención se entenderán mejor a partir de la siguiente memoria descriptiva y dibujos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las diversas características y ventajas de la invención se harán evidentes a los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de la realización actualmente preferida mostrada en las Figuras 4 y 5. Los dibujos que acompañan a la descripción detallada se pueden describir brevemente de la siguiente manera:
La figura 1 ilustra esquemáticamente un sistema de compresión de vapor que incluye una línea de suministro que proporciona líquido refrigerante desde un condensador a los cojinetes de un compresor; la figura 2a ilustra esquemáticamente los cojinetes del compresor;
La figura 2b ilustra esquemáticamente el compresor, incluidos los cojinetes de contacto lubricados por el líquido refrigerante del condensador;
La figura 3 ilustra esquemáticamente otro sistema de compresión de vapor que incluye una válvula a prueba de fallas en la línea de suministro;
La figura 4 ilustra esquemáticamente una realización del sistema de compresión de vapor de acuerdo con la invención que incluye una válvula en la línea de suministro que sólo se abre cuando el compresor se apaga; y
La figura 5 ilustra esquemáticamente el compresor, incluyendo múltiples circuitos de refrigerante para proporcionar refrigerante a diferentes cojinetes del compresor.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA REALIZACIÓN PREFERIDA
La figura 1 ilustra un sistema de compresión de vapor 20 ejemplar que incluye un compresor 22, un condensador 24, un dispositivo de expansión 26 y un evaporador 28. El refrigerante circula a través del sistema de compresión de vapor de circuito cerrado 20. El refrigerante sale del compresor 22 a través de un puerto de descarga 30 a alta presión alta y entalpía alta. El compresor 22 puede ser un compresor de tornillo, un compresor rotativo, un compresor turbo o cualquier tipo de compresor.
A continuación, el refrigerante fluye a través del condensador 24. Un medio fluido externo 32, tal como agua o aire, fluye a través del condensador 24 e intercambia calor con el refrigerante que fluye a través del condensador 24. La presión del refrigerante en el condensador 24 suele ser de aproximadamente 689.476 kPa (100 psi (6,9 bares)). El refrigerante rechaza el calor al medio fluido externo 32 y sale del condensador 24 a una entalpía relativamente baja y a una presión alta en estado líquido.
A continuación, se expande el refrigerante mediante el dispositivo de expansión 26, reduciendo la presión del refrigerante. El dispositivo de expansión 26 puede ser un dispositivo de expansión mecánico (TXV), una válvula de expansión electrónica (EXV) u otro tipo de dispositivo de expansión conocido.
Después de la expansión, el refrigerante fluye a través del evaporador 28 y absorbe el calor de otro medio fluido externo 34, tal como aire o agua. La presión del refrigerante en el evaporador 28 suele ser de aproximadamente 344.738 kPa (50 psi (3,4 bares)). El refrigerante sale del evaporador 28 a una entalpía relativamente alta y a una presión baja en estado de vapor. A continuación, el refrigerante vuelve a entrar en un puerto de succión 36 del compresor 22, completando el ciclo. Alternativamente, el líquido refrigerante del condensador 24 fluye a lo largo de una línea de suministro 94 y es subenfriado por el evaporador 28 para lubricar los cojinetes de contacto 48 y 52. El subenfriamiento del líquido con el evaporador 28 asegura que se inyecte líquido refrigerante en los cojinetes 48 y 52 que, de lo contrario, sería una mezcla de vapor líquido. La figura 2a muestra una vista esquemática del compresor 22 y de las partes internas principales. El compresor 22 incluye un motor 35 que incluye un rotor de motor principal 110, un estator del motor principal 112, dos conjuntos de cojinetes magnéticos radiales 46, dos cojinetes de contacto 48 y un conjunto de cojinetes de contacto axiales 52.
La figura 2b muestra el flujo de la lubricación a los cojinetes de contacto 48 y 52 y a los cojinetes magnéticos 46. El compresor 22 incluye el rotor del motor principal 110 y el estator del motor principal 112 alojados en una carcasa del compresor 42. El estator del motor principal 112 está fijado dentro de la carcasa del compresor 42. El rotor del motor principal 110 está fijado a un eje 44 y gira con el mismo. El estator del motor principal 112 acciona el rotor del motor principal 110 para girar, accionando el eje 44. La rotación del eje 44 reduce un volumen de refrigerante recibido en las cámaras de compresión (no se muestra) del compresor 22, comprimiendo el refrigerante a una presión alta.
Un rotor 38 y un estator 40 definen un cojinete magnético 46 que permite una rotación suave del rotor del motor principal 110 para reducir la pérdida de energía y eliminar la necesidad de aceite para proporcionar lubricación. Se proporciona un espacio libre A entre el rotor 38 y el estator 40.
Un cojinete de contacto radial 48 protege radialmente el rotor del motor principal 110 durante un corte de energía del compresor 22 y protege el cojinete magnético 46 de fallas. El cojinete de contacto radial 48 define una cavidad 50 que recibe una parte del eje 44. Se proporciona un espacio libre B entre el cojinete de contacto radial 48 y el eje 44. El espacio libre B es menor que el espacio libre A, lo que ayuda al cojinete de contacto radial 48 a entrar en contacto con el eje 44 en caso de un corte en el suministro eléctrico.
Un cojinete de contacto radial 52 protege radialmente el rotor del motor principal 110 durante un corte de energía del compresor 22 y protege el cojinete magnético 46 de fallas. El eje 44 incluye un anillo anular 54 que se extiende alrededor de un perímetro del eje 44. El cojinete de contacto axial 52 rodea el eje 44 y define una cavidad 56 que recibe el anillo anular 54. También se recibe un imán 58 en el cojinete de contacto axial 52. El cojinete de contacto axial 52 también puede ser un cojinete independiente.
Los cojinetes de contacto 48 y 52 pueden ser cojinetes de bolas cerámicos o cojinetes de manguito. Si los cojinetes de contacto 48 y 52 son un cojinete de manguito, los cojinetes de contacto 48 y 52 pueden estar hechos de un material con propiedades tribológicas que soportan un corte de energía. Por ejemplo, los cojinetes de contacto 48 y 52 pueden estar hechos de estaño o de un material Babbit a base de plomo. Alternativamente, los cojinetes de contacto 48 y 52 pueden tener una capa de material Babbit 60 en la superficie que entra en contacto con el eje 44.
El líquido refrigerante del condensador 24 fluye a lo largo de una línea de suministro 62 para lubricar los cojinetes de contacto 48 y 52. El refrigerante también puede fluir alrededor del cojinete magnético 46 para eliminar el calor del cojinete magnético 46.
El líquido refrigerante procedente de la línea de suministro 62 fluye a lo largo de una línea 64 y se inyecta en el cojinete de contacto radial 48 a través de una abertura 66 en la carcasa del compresor 42. El refrigerante entra en la cavidad 50 y proporciona lubricación a los cojinetes de contacto radiales 48, reduciendo el desgaste. El refrigerante del cojinete radial de contacto 48 se descarga a través de una salida 70 en la carcasa del compresor 42 y fluye a lo largo de una línea 72 y entra en una línea de descarga 74 que transporta el refrigerante al evaporador 28.
El líquido refrigerante procedente de la línea de suministro 62 fluye a lo largo de una línea 76 y se inyecta en el cojinete de contacto axial 52 a través de una abertura 78 en la carcasa del compresor 42. El refrigerante entra en la cavidad 56 definida por el cojinete axial de contacto 52. El refrigerante proporciona lubricación al cojinete axial de contacto 52, reduciendo el desgaste. El refrigerante del cojinete axial de contacto 52 se descarga a través de una salida 82 en la carcasa del compresor 42 y fluye a lo largo de una línea 84 y entra en una línea de descarga 74 que transporta el refrigerante al evaporador 28.
El líquido refrigerante también fluye a lo largo de las líneas de suministro 65 para suministrar líquido refrigerante a los cojinetes magnéticos 46. El líquido refrigerante se descarga desde la carcasa del compresor 42 a través de una línea de descarga 96 que transporta el refrigerante al evaporador 28.
Debido a la diferencia de presión del refrigerante en el condensador 24 (aproximadamente 689.476 kPa (100 psi (6,9 bar)) y el refrigerante en el evaporador 28 (aproximadamente 344.738 kPa (50 psi)), no se necesita una bomba externa para suministrar el refrigerante desde el condensador 24 a los cojinetes de contacto 48 y 52. La diferencia de presión permite que el refrigerante fluya desde el condensador 24, cerca de los cojinetes de contacto 48 y 52 del compresor 22 y hacia el evaporador 28.
Como se muestra en la figura 3, el sistema de compresión de vapor 20 puede incluir una válvula solenoide opcional a prueba de fallas 86 ubicada en la línea de suministro 62 desde el condensador 24 hasta el compresor 22. Si se produce un corte en el suministro eléctrico, la válvula solenoide a prueba de fallas 86 permanece abierta y el refrigerante del condensador 24 continúa proporcionando lubricación a los cojinetes de contacto 48 y 52. Alternativamente, el líquido refrigerante del condensador 24 fluye a lo largo de la línea de suministro 94 y es subenfriado por el evaporador 28 para lubricar los cojinetes de contacto 48 y 52.
Como se muestra en las Figuras 4 y 5, en una realización de la invención, el refrigerante del condensador 24 fluye constantemente alrededor del cojinete magnético 46 para enfriar el cojinete magnético 46. El refrigerante del condensador 24 solo se suministra a los cojinetes de contacto 48 y 52 durante el corte de energía del compresor 22. En esta realización, los circuitos del refrigerante para cada uno de los cojinetes magnéticos 46 y los cojinetes de contacto 48 y 52 están separados. El refrigerante fluye a lo largo de la línea de suministro 62 y luego fluye a lo largo de la línea 65 hasta el cojinete magnético 46. El refrigerante sale del cojinete magnético 46 y fluye a lo largo de la línea 96 y entra en la línea de descarga 74 que transporta el refrigerante al evaporador 28. Una válvula 90 situada en las líneas 64 y 76 se abre sólo cuando se produce un corte de energía para suministrar líquido refrigerante desde el condensador 24 a los cojinetes de contacto 48 y 52. Durante el funcionamiento normal, las válvulas 90 están cerradas. Cuando una unidad de control 92 detecta un corte de energía del compresor 22, se envía una señal para abrir las válvulas 90 y permitir que el líquido refrigerante fluya a los cojinetes de contacto 48 y 52. Alternativamente, una sola línea con una sola válvula 90 suministra el líquido refrigerante a los cojinetes de contacto 48 y 52.
La descripción anterior es sólo un ejemplo de los principios de la invención. Muchas modificaciones y variaciones de la presente invención son posibles a la luz de las enseñanzas anteriores. Se han descrito las realizaciones preferidas de la presente invención, sin embargo, el experto en la técnica reconocerá que ciertas modificaciones se encontrarían dentro del alcance de esta invención. Por lo tanto, debe entenderse que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la invención puede practicarse de forma distinta a la descrita específicamente.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de compresión de vapores (20) que comprende:
un compresor (22) para comprimir un refrigerante a alta presión, incluyendo el compresor un cojinete magnético (46) y líneas del compresor (64, 76);
un condensador (24) para enfriar el refrigerante; un dispositivo de expansión (26) para expandir el refrigerante a baja presión; y
un evaporador (28) para calentar el refrigerante; una línea de suministro de refrigerante (62) que suministra constantemente el refrigerante desde el condensador (24) al compresor (22) sin pasar por el evaporador (28) para lubricar el cojinete magnético (46); y
una línea de descarga de refrigerante (72) que descarga el refrigerante que lubrica el cojinete magnético (46) al evaporador (28),
caracterizado porque el sistema de compresión de vapor incluye además:
un cojinete de contacto radial (48) y un cojinete de contacto axial (52), y una unidad de control (92) configurada para controlar el apagado del compresor (22) y una válvula (90) situada en las líneas del compresor (64, 76), en donde la unidad de control (92) está configurada para abrir la válvula (90) para permitir que el refrigerante fluya hacia el cojinete de contacto radial (48) y el cojinete de contacto axial (52) cuando la unidad de control (92) detecta que el compresor (22) está apagado.
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el compresor (22) incluye un estator del motor (112) fijado dentro de una carcasa del compresor (42), un eje (44) que puede girar en relación con el estator del motor (112), y un rotor de motor (110) fijado al eje (44).
3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el compresor incluye un eje (44), el sistema incluye dicho cojinete de contacto radial (48) que rodea una parte del eje (44), y un espacio libre de cojinete de contacto radial (B) que se proporciona entre el eje (44) y el cojinete de contacto radial (48).
4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el cojinete magnético (46) incluye un rotor de cojinete (38) y un estator de cojinete (40), se proporciona un espacio libre del cojinete magnético (A) entre los mismos, y el espacio libre del cojinete de contacto radial (B) es menor que el espacio libre del cojinete magnético (A).
5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el compresor (22) incluye un eje (44), el sistema incluye dicho cojinete axial de contacto (52), y el eje (44) incluye un anillo anular (54) rodeado por el cojinete axial de contacto (52).
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