SE456687B - Centrifugalkompressor med insprutning av en foeraangbar vaetska - Google Patents

Description

456 687 ? skrivs en process för kompression av gas i en flerstegs- kompressor, i vilken förångbar vätska insprutas i komp- ressorns inlopp och även i förbindelsekanalen hos vart och ett av ett första antal kompressorsteg. Vätskan som insprutas i förbindelsekanalerna insprutas genom vätske- munstycken, endast ett par steg, belägna uppströms med avseende på kompressorns gasström. I Kompressorn enligt ovan nämnda patent lider av den nackdelen, att den endast uppnår en ganska begränsad för- ångningsgrad av vätskan som insprutas i kompressorns gas- ström. Detta har sin orsak i att vätskan sprutas in i ett låghastighetsområde i kompressorn, varvid följaktligen någon sönderdelning eller finfördelning av vätskan till mycket små droppar ej erhålles. Detta gäller speciellt vätskan som insprutas i kompressorns inlopp. Mycket små droppar krävs för att uppnå en hög förångningsgrad, efter- som ytan hos en sådan droppe är stor relativt droppens volym medförande att droppen snabbt kan absorbera värme och förângas. Den begränsade förångningen av den inspru- tade vätskan vid kompressorn enligt nämnda patent resul- terar i en begränsad reduktion av den effekt som tillföres kompressorn. Den begränsade förângningen resulterar även i att stora vätskedroppar träffar inre kompressordelar, så- som kompressorhjulet, och medför således en definitiv risk för allvarlig erosion av och allvarliga punktangrepp på dessa delar efter en relativt kort funktionstid.

Om det är önskvärt att inspruta vätska från mun- styckena enligt det amerikanska patentet i kompressorns gasström ett lämpligt avstånd för att uppnå en godtagbar finfördelningsgrad därav lider denna kompressor av den nackdelen, att den kräver komplex apparatur för insprut- . ning av vätska i gasströmmen vid hög hastighet. Sådan hög hastighet är nödvändig till följd av det faktum, att vätskemunstyckena enligt patentet är orienterade mot flö- 3 desriktningen för gasströmmen. 456 687 3 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är följaktligen att åstadkomma en anordning för användning i en flerstegs- kompressor av centrifugaltyp för direkt insprutning av för- ångbar vätska i gasströmmen hos kompressorn, som resulterar i en ökad förångning av den insprutade vätskan.

Ett annat ändamâlmed föreliggande uppfinning är att åstad- komma en anordning för användning i en flerstegskompressor av centrifugaltyp för direkt insprutning av en förångbar vätska i kompressorns gasström, som resulterar i en större reduktion av till kompressorn tillförd effekt. Ännu ett annat ändamålmed föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning för användning i en flerstegskom- pressor av centrifugaltyp för direkt insprutning av förång- bar vätska i gasströmmen hos kompressorn, som resulterar i reducerat punktangrepp och reducerad erosion av inre kom- pressordelar.

Ytterligare ett annat ändamâlmed föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning för användning i en flerstegs- kompressor av centrifugaltyp för direkt insprutning av för- ångbar vätska i kompressorns gasström, som ej kräver någon komplex anordning för insprutning av vätskan vid hög hastig- het i gasströmmen.

Andra ändamåloch fördelar framgår av följande beskrivning med tillhörande krav och_ritningar.

Ovan nämnda mål uppnås enligt uppfinningen medelst en kompressor enligt ingressen till patentkrav 1, som karak- teriseras av att nämnda vätskeinmatningsorgan innefattar ett flertal vätskemunstycken inrättade att inspruta vätskan i form av ett flertal separata strålar direkt i gasströmmen i nämnda diffusor vid en hög relativ hastighet i förhållande till nämnda gasström och betydligt uppströms öm nämnda för- bindelsekanal,så att nämnda förångbara vätska finfördelas till små droppar till följd av verkan av gasströmmen från nämnda kompressorhjul och så att dropparna förångas i nämnda diffusor, att vart och ett av nämnda vätskemunstycken är så orienterat i förhållande till gasströmmen i nämnda dif- fusor att vinkeln mellan respektive vätskestrâle och nämnda gasström blir mellan ca 800 och ca 1000, och att vart och 456 687 ett av nämnda vätskemunstycken är beläget på ett radiellt avstånd från nämnda längdaxel som motsvarar en radie inom området ca 1,05-1,1 gånger den maximala radien för nämnda kompressorhjul. Övriga kännetecken för uppfinningen framgår av under- kraven. Uppfinningen i sig både avseende uppbyggnad och funktionssätt tillsammans med ytterligare ändamål och för- 'delar hos denna förstås emellertid bäst av följande be- skrivning med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. 1 är en förenklad tvärsektionsvy genom en del av en konventionell flerstegskompressor av centrifugaltyp innefattande föreliggande uppfinning.

Fig. 2 är en detaljvy över en del av ett första steg hos flerstegskompressorn visad i fig. 1.

Pig. 3 är en kurva illustrerandeförångsningshastigheten för vätskedroppar i förhållande till det radiella avstån- det för vätskemnnstycken hos kompressorn visad i fig. 1.

Fig. 4 är en vy längs linjen 4-4 i figÄ 1 med dëlar avlägsnade vid den övre delen därav, illustrerande detal- jer hos det tredje steget i kompressorn enligt fig. 1.

Fig. 1 visar en konventionell fyrstegskompressor av centrifugaltyp allmänt betecknad 10. Föreliggande upp- finning kan emellertid med fördel även tillämpas vid en kompressor med ett större eller-mindre antal steg. Kom- pressorn 10 är visad i förenklad form med stationära delar (exempelvis kompressorhuset) sektionerade i den ena rikt- ningen och roterbara delar sektionerade i den andra rikt- ningen. Gas som skall komprimeras tillföres kompressorn 10 genom ett inlopp 11 och passerar i en ström genom en passage 12 in i ett första flerbladigt kompressorhjul 14 förbundet med en roterbar axel 15. Såsom är känt kommer 456 687 den höga rotationshastigheten hos kompressorhjulet 14 att till följd av centrifugalkraften dirigera gasen från kompressorhjulet l4 in i en diffusor 17, som företrädesvis är av den skovellösa typen och vilken beskrives närmare nedan. Gasströmmen som komprimeras passerar genom en förbindelsekanal 18 och sedan genom en returkanal 19, vilken typiskt är försedd med rikt- ningskontrollerande ledskenor, såsom vid 20, för diri- gering av gasströmmen in i ett ytterligare flerbladigt kompressorhjul 21 representerande ett andra steg hos fyrstegskompressorn 10. På liknande sätt är ytterligare flerbladiga kompressorhjul 22 och 23, representerande kompressorns 10 tredje resp. fjärde steg, anordnade. De andra och tredje stegen hos kompressorn 10 innefattar och drar fördel av uppfinningen på väsentligen samma sätt som det första steget. En förståelse av något av de första, andra eller tredje'stegen ger således en förståelse av de första till tredje stegen. Vid studium endast av det första kompressorsteget innefattande komp- ressorhjulet 14 framgår att man enligt föreliggande upp- finning anordnar ett flertal vätskemunstycken 24, före- trädesvis utgörande vattenmunstyoken, som är kopplade till en vätskekälla via matarledningar 25, vilka var och en i sin tur är kopplad, exempelvis till en distributions- ledning 27, som i sin tur är kopplad till en icke visad vätskeförsörjningsanordning. Vart och ett av nämnda fler- tal vätskemunstycken 24 är inrättat att spruta in vätska i diffusorn 17 betydligt uppströms om förbindelsekanalen 18. Med uttrycket "betydligt uppströms“, såsom detta an- vänds häri, avses ett avstånd som åtminstone uppgår till ca. 20% av skillnaden mellan den maximala radien för diffusorn 17 (diskuterad nedan) och den maximala radien för kompressorhjulet 14.

Betydelsen av insprutning av vätska i diffusorn 17 betydligt uppströms om förbindelsekanalen 18 framgår bättre a- 456 ffâ? . vid studium av fig. 2, vilken är en detaljvy över det övre partiet av det första steget hos flerstegskomp- ressorn 10 visad i fig. l. Såsom är välkänt inom denna teknik är en diffusor så utförd, att den förmår om- vandla dynamiskt tryck eller kinetisk energi till sta- tiskt tryck. Som sådan ligger delningslinjen mellan diffusorn 17 och förbindelsekanalen 18 representerande den maximala radien för diffusorn 17 väsentligen såsom visas medelst den streokade linjen 28. Diffusorn 17 är en radialdiffusor, dvs. det tillgängliga utrymmet i diffusorn 17 ökar med ökande radiellt avstånd från axeln hos den roterbara axeln l5. Såsom indikeras medelst pilarna 29 är en gasström som undergår kompression i kompressorn 10 riktad från vänster mot höger förbi bladen 14' hos kompressorhjulet 14, genom diffusorn 17, genom förbindelsekanalen 18 och förbi de riktningskontrolle- rande ledskenorna 20 hos returkanalen 19. Eftersom diffu- sorn 17 är en radialdiffusor och kompressorhjulet 14 matar in gasströmmen 29 i diffusorn 17 med en hög rota- tionshastighet följer gasströmmen 29 i praktiken en spi- ralbana i diffusorn 17 och returkanalen 19, fastän detta ej direkt framgår av fig. 2 betraktad separat. Gas- strömmen 29 rör sig med.sin högsta hastighet, då den lämnar kompressorhjulet 14 och saktar sedan snabbt ned då den fortsätter radiellt in i diffusorn 17 till följd av bevarande av tröghetsmoment. Genom att vätskemun- styckena 24 är radiellt åtskilda i diffusorn 17 betyd-' ligt uppströms om förbindelsekanalen 18, dvs. i ett om- råde med relativt hög hastighet hos gasströmmen 29 upp- nås betydande fördelar.

Exempelvis kommer de strålar av vätska som sprutas in medelst nämnda munstycken 24 i gasströmmen 29 att effektivt sönderdelas eller finfördelas till extremt fina droppar. Såsom angivits ovan gäller att ju mindre en droppe är desto snabbare kan den absorbera värme och för- 456 687 ångas. Faktiskt är förångningshastigheten vid en acceptabel approximationsgrad direkt beroende på storleken hos en droppe, dvs. omvänt proportionell mot droppens diameter.

Storleken hos en droppe är i sin tur relaterad till den relativa hastigheten mellan en droppe och gasströmmen 29, dvs. storleken beror på kvadraten på denna relativa hastig- het. Eftersom den relativa hastigheten primärt beror på hastigheten hos gasströmmen 29, då hastigheten hos den in- sprutade vätskan är jämförelsevis låg, och gasströmmens 29 hastighet varierar omvänt proportionellt mot det radiella avståndet för vätskemunstyckena 24, kan förhållan- det mellan storleken hos en droppe och följaktligen dennas förångningshastighet och det radiella avståndet för vätske- munstyckena 24 illustreras grafiskt såsom i fig. 3._ Uppfinningen mer ej endast en ökad förångningshastig- het utan ökar även väsentligt varaktigheten hos förångning- en, varigenom en ytterligare försäkran om fullständig för- ångning uppnås. Den ökade varaktigheten hos förångningen erhålles till följd av den långa, spiralformade banan som vätskedropparna i gasströmmen 29 (fig. 2) måste passera under sin bana från insprutningspunkten vid munstyckena 24 till nästa steg hos kompressorn 10. Följande tvâ faktorer arbetar således tillsammans för att markant förbättra den totala förångningen vid det korta radiella avståndet för vätskemunstyckena 24 i enlighet med föreliggande upp- finning: (l) finfördelning av insprutad vätska till extremt fina droppar, varigenom dessas förångningshastighet markant ökas (se fig. 3); och (2) markant ökning av varaktigheten eller uppehâllstiden för dropparna i gasströmmen 29 (fig. 2).

Den markant överlägsna förångningen som uppnås medelst uppfinningen har betydande följder för kompressorns lO prestanda och livslängd. Man erhåller en signifikant förbättring avseende reduktionen av effekttillförseln till kompressorn 10 och temperaturen hos gasströmmen 29 hålls 456 687 såsom önskas nere. Kompressorns l0 inre delar, såsom flerbladskompressorhjulen 20, 22 och 23, utsätts nu praktiskt taget ej för någon risk avseende punktangrepp och erosion till följd av ej förångade vätskedroppar som träffar desamma vid hög hastighet.

-En ytterligare fördel med vätskemunstyckena 24 radiellt förskjutna'i diffusorn l7, så att de blir be- lägna betydligt uppströms om förbindelsekanalen 18 är den stegvisa tryckförstärkningen som uppnås för komp- ressorstegen till följd av en momentändring, som hör sam- man med värmeextraktion från eller kylning av vätske- droppar som rör sig med hög hastighet. Sådan kylning ökar med ökande vätskeförângningshastighet och ökad hastighet, vilka båda uppträder vid litet radialavstånd för vätske- munstyckena 24. Den uppnåbara stegvisa tryckförstärkningen antas uppgå till åtminstone två eller tre procent av komp- ressorstegets tryckförstärkning vid frånvaro av kylning. _ Såsom upptäckts av uppfinnaren i detta ärende skall det radiella avståndet för vätskemunstyckena 24 överstiga ca. 1,05 gånger den maximala radien för kompressorhjulet 14, då man annars erhåller instabiliteter i gasströmmen 29 som utmatas från kompressorhjulet 14.

Med referens åter till fig. 2 illustreras en annan aspekt av uppfinningen. Vätskemunstyckena 24 är oriente- rade normalt eller vinkelrätt mot gasströmmen 29. Detta möjliggör för vätskan som tillföres munstyckena 24 att sprutas in i gasströmmen 29 med en låg hastighet, exempel- vis 15 m per sekund, till följd av att den insprutade vätskan är riktad tvärs igenom gasströmmen 29. Den inspru- tade vätskan kan således enkelt tränga igenom gasströmmen 29 för åstadkommande av optimal finfördelningsgrad. Den insprutade vätskan skall emellertid ej medges träffa den högra väggen hos diffusorn 17, då man i så fall kan er- hålla dålig finfördelning av vätskan. Då endast ett vätske- flöde med låg hastighet behöver sprutas in genom vätska- @4s6 687 munstyckena 24, då dessa är orienterade vinkelrätt mot gasströmmen 29, kan vätsketillförselorganen (ej visade) för insprutning av vätska ha enkel konstruktion. Denna fördel erhålles även vid en tolerans i orienteringen av vätskemunstyckena 24 på ca. 100 från en riktning vinkel- rät mot gasströmmen 29.

Med referens till fig. 4 illustreras ytterligare en aspekt av uppfinningen. Fig. 4 är en vy längs linjen 4-4 i fig. l och delvis uppskuren för att exponera matar- ledningarna 32 och placeringen av vätskemunstyckena 30 och har förenklats genom utelämnandet av ledskenorna i returkanalen 26. Denna ytterligare aspekt av uppfinningen illustreras i fig. 4 avseende det tredje steget i komp- ressorn, vilket innefattar kompressorhjulet 22. Denna ytterligare uppfinningsmässiga aspekt avser antalet och placeringen av ett flertal vätskemunstycken 30 (motsvarande munstyckena 24 i det första kompressorsteget), vilka är kopplade till ett vätskematningsorgan (ej visat) via en distributionsledning 31 och matarledningar 32. Antalet munstycken 30 ligger företrädesvis mellan 6 och 12, varvid 8 representerar den bästa utföringsformen vid tillämpning av uppfinningen. Munstyçkena 30 är företrädesvis anordnade axelsymmetriskt omkring axelns 15 längdaxel. föregående antal och placering av nämnda flertal munstycken 30 ut- nyttjar tillfullo den tillgängliga gasströmmen i komp- ressorn 10 för förångning av vätskedroppar.

Fler eller färre vätskemunstycken än det föredragna antalet vätskemunstycken som just beskrivits kan utnyttjas vid uppfinningen. En övre gräns på antalet vätskemun- stycken erhâlles till följd av reducerade diametrar hos dessas hål, vilka tenderar att sättas igen av föroreningar i vätskan som insprutas genom munstyckena. Ett lägre antal munstycken än det lägsta föredragna antalet (dvs. 6) re- sulterar i att man ej tillfullo utnyttjar den tillgängliga gasströmmen i kompressorn 10 för förångning av vätske- *fl -. 45sges7 10 droppar. Vissa fördelar erhålles emellertid alltjämt.

Vid den bästa utföringsformen för tillämpning av uppfinningen innefattar kompresscrn en för en industriell process avsedd värmepump, varvid det föredrages att den förångbara vätskan som insprutas i gasströmmen i komp- ressorn innefattar vatten och det radiella avståndet för vätskemunstyckena 24 ligger inom området ca. 1,05 till l,l gånger den maximala radien för kompressorhjulet 14, varvid den övre delen av detta område föredrages spe- ciellt. Detta område är baserat på en kompressor med ett tryckförhållande per steg inom området från ca. 1,4 till 1,6 och med en spetshastighet hos kompressorhjulet per steg inom området från ca. 275 till 335 m per sekund. De fördelaktiga effekterna enligt uppfinningen uppnås emeller- tid vid radiella avstånd för vätskemunstyckena 24 som överstiger det ovan angivna området mellan 1,05 och 1,1, förutsatt att kompressorsteget arbetar med spetshastig- heter för kompressorhjulet väsentligt högre än de ovan angivna spetshastigheterna.

Sådana värmepumpar erhåller en ökad funktion ej endast till följd av förbättrad förângning av injicerat vatten i värmepumpen men även till följd av ökat massflöde av ånga i värmepumpens utlopp.

- Fastän endast vissa föredragna egenskaper hos upp- finningen har visats ur illustrationssynpunkt kan många modifikationer och ändringar ske av fackmannen inom om- rådet. Exempelvis kan kompressorn 10 av centrifugaltyp kombineras med en kompressor av axialtyp. Tillhörande patentkrav är följaktligen avsedda att täcka de före- gående och alla sådana modifikationer och ändringar som faller inom ramen för uppfinningen.

Claims (7)

456 687 11 Patentkrav

1. Kompressor innefattande ett hus, en roterbar axel (15) lagrad i nämnda hus och ett flertal successiva komp- ressorsteg belägna utmed den roterbara axelns längdaxel, varvid åtminstone ett av nämnda kompressorsteg innefattar ett flerbladigt kompressorhjul (14) roterbart tillsammans med nämnda roterbara axel (15), en diffusor (17) inrättad att mottaga en gasström från nämnda kompressorhjul, en förbindelsekanal (18) inrättad att mottaga gasströmmen från nämnda diffusor, och organ (24; 30) för inmatning av föràngbar vätska i gasströmmen, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda vätskeinmatningsorgan (24; 30) innefattar ett flertal vätskemunstycken (24; 30) inrättade att in- spruta vätskan i form av ett flertal separata strålar direkt i gasströmmen i nämnda diffusor (17) vid en hög relativ hastighet i förhållande till nämnda gasström och betydligt uppströms om nämnda förbindelsekanal (18), så att nämnda förångbara vätska finfördelas till små droppar till följd av verkan av gasströmmen från nämnda kompressor- hjul (14) och så att dropparna förângas i nämnda diffusor (17), att vart och ett av nämnda vätskemunstycken (24: 30) är så orienterat i förhållande till gasströmmen i nämnda diffusor (17) att vinkeln mellan respektive vätskestrâle och nämnda gasström blir mellan ca 800 och ca 1009, och att vart och ett av nämnda vätskemunstycken (24; 30) är beläget på ett radiellt avstånd från nämnda längdaxel som motsvarar en radie inom området ca 1,05-1,1 gånger den maximala radien för nämnda kompressorhjul (14).

2. Kompressor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda flertal vätskemunstycken (24; 30) är anord- nade approximativt axelsymmetriskt omkring nämnda axel (15). 456 687 v 12

3. Kompressor enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda flertal vätskemunstycken (24; 30) innefattar från 6 till 12 vätskemunstycken.

4. Kompressor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda vätskemunstycken (24: 30) är så placerade relativt nämnda axel (15), att vätska som insprutas där- igenom in i gasströmmen blir väsentligen fullständigt för- ângad innan den når kompressorhjulet (14) hos ett kommande kompressorsteg.

5. Kompressor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda flertal vätskemunstycken (24: 30) inne- fattar åtta vätskemunstycken.

6. Kompressor enligt krav 5, k ä n n e t e c k naa d av att vart och ett av nämnda vätskemunstycken (24; 30) är beläget på ett radiellt avstånd från nämnda axel som motsvarar en radie på ca 1,1 gånger den maximala radien för nämnda kompressorhjul (14).

7. Kompressor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d J av att nämnda vätskemunstycken (24; 30) är avsedda för vatten.