WO2003074950A1 - Aparato turbo-refrigerador - Google Patents

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WO2003074950A1
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turbo
turboexpander
refrigerator
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Ricardo Blach Vizoso
Alexander-Shalvovich Kobulashvili
Konstantin-Alexeevich Parfenov
Viacheslav-Ruvimovich Falikman
Nilolay-Fedorovich Bashlikov
Igor-Alexandrovich Griasnov
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David Systems & Technology, S.L.
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    • F01D1/36—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes using fluid friction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air

Definitions

  • the present invention relates to a turbo-cooler apparatus intended for application in the refrigeration technique and specifically in air turbocharger devices to obtain cold at low temperatures (on a scale that can be between -60 ° C and -120 ° C).
  • the turbo-cooler is basically composed of a compressor block and a cooling block, it works based on the principle of the turboexpansor air recovery cycle, being associated with it a charging device that represents a hydraulic cylinder brake in the form of a bushing with channels annular and axial to ensure a regulation of working temperature with an accuracy of up to a degree centigrade.
  • turbo-cooling devices or devices in which the regulation of productivity and temperature is achieved by the installation of charging devices in the form of a turbocharger or high frequency electro-generator.
  • charging devices there are those that are shaped like a smooth, cylindrical bushing that covers a part of the shaft with small radial clearance, so that the grease fluid used in the bearings is sent through special valves in the clearance.
  • turbo-refrigeration devices usually operate by the principle of the refrigerator recovery air cycle with a turboexpansor, the turbo-refrigerator assembly being composed of a compressor, an air drying block, a recuperative heat exchanger, a greasing system, a control system and the turboexpansor itself.
  • turbo-coolers The main defects of this type of known turbo-coolers are the small scale of the turbine's power regulation, usually between 10% and 15% of the nominal, as well as the strong hydromechanical destabilizing action on the rotor, at incitement regime for non-stationary self-oscillating processes. As a result the area of dynamic-stable operation of the device is sharply decreased.
  • the turboexpansador is a unit of high speed (turbine of expansion), in which the compressed air resulting from the adiabatic expansion is cooled until it is at low temperatures (between -120 ° and -60 ° C).
  • the expansion turbine consists of the following elements:
  • the turbine stage - equipped with axial-radial transmission wheel with full profile blade the rotor group includes super-sensitive sliding seats whose operating principle is hydrostatic (it is a basic element of the rotating shaft); the loading device is made as hydrodynamic friction brakes located in the free shaft support; Thus, the free shaft support is the opposite part of the turbine part of the turbine expander shaft, located behind the rotor group.
  • the turbo-refrigerator apparatus that is recommended has been designed to solve this problem to full satisfaction, based on a simple solution and no less effective, so that the device itself has characteristics that allow to ensure the optimal conditions of cooling in different temperature regimes, as well as stable operation of the turboexpansor, on a large scale and in the possibility of regulating the temperature with precision up to 1 ° C.
  • the turboexpansor is equipped with a charging device mounted on the free console of the turboexpansor shaft itself, in the form of a bushing with annular channels and where the length relative to the working elements of friction towards the radius is 0.1-0.2 in the rotor part, also having axial channels in width relative to the working elements of 0.1 to 0.2 on the surface of response of the stator part of the bushing or loading device.
  • the regulation of the working temperature is carried out by exchanging the amount of air increasing the amount thereof that goes from the turboexpansor to the recuperative heat exchanger, thereby changing the power of the turboexpansor and the speed of work regime.
  • the loading device in the form of a cylindrical bushing with axial and annular channels made on the working surfaces of the rotor and stator parts of the bushing, it is possible that the grease liquid that is sent to the clearance At work, attract, as a consequence of the rotation of the shaft, the air that surrounds the bushing, the amount of which varies according to the rotation capacity of the shaft, and as a consequence the hydrodynamic friction of the considerably emulsified medium arises.
  • the regulation of the brake power is carried out by changing the amount of the greasing product with which the working clearance of the bushing elements is fed, thanks to which the change is achieved, in a wide scale of the mechanical viscosity, of the emulsion that is created in the work clearance, and as a result of all this the scale of regulation of the power of the turbine and, consequently, of the amount of cold produced, is increased to values of 70-80% of the nominal.
  • the turbo-refrigerator apparatus includes two fundamental parts, one corresponding to the compressor and another corresponding to the refrigerator, so that the part corresponding to the compressor in turn comprises the compressor itself, a cooling block, an oil and moisture separator, a drying block, a fine cleaning filter and a filter low pressure, while the cooling part includes a recuperative heat exchanger, a shut-off valve, an automatic turboexpander protection, cooling chambers, pump equipment with oil cooler, oil setter, superfine cleaning filter of oil and check valve, as well as the turboexpansor itself to which the charging device is associated as a fundamental element of the invention.
  • Figure 1. Shows the scheme corresponding to the block diagram of the refrigerator apparatus object of the invention.
  • Figure 2. Shows a side elevational view of the detail corresponding to the charging device that is mounted on the turboexpansor that is part of the refrigeration apparatus of the invention.
  • Figure 3. Shows a detail in section corresponding to the line of cut AB of the previous figure.
  • turbo-refrigerator apparatus object of the invention comprises two fundamental parts, one generally referenced with the letter A and the other generally referenced with letter B, the first corresponding to the compressor assembly and the second to the refrigeration assembly.
  • the part A corresponding to the compressor group or assembly comprises the blocks corresponding to the compressor (1) itself, an end cooling block (2), an oil and moisture separator block (3), a drying block (4), a Fine cleaning filter (5) and a low pressure filter (6).
  • the cooling part B includes a block (7) corresponding to a recuperative heat exchanger, an air shut-off valve (8), a turboexpansor (9), an automatic protection block (10) of the turboexpansor itself and a pair of blocks (11) corresponding to two cooling chambers, complemented by a pump kit (12), with an oil cooler (13), an oil setter (14), superfine oil cleaning filters (15 ) and a check valve (16).
  • a loading device (17) is constituted which constitutes a cylindrical and hydraulic brake in the form of a bushing, whose physical configuration corresponds to the detail represented in figures 2 and 3, where the rotor part (18) of said turboexpansor (17) is affected by a plurality of annular channels (19) with the relative length of the friction elements towards the radius of the 0.1-0.2 socket.
  • the regulation of the working temperature is carried out on the change of the rotation speed of the turboexpansor (9), which is achieved by means of the regulation of the feeding of the greasing medium that enters the working clearance of the charging device (17 ), where through the annular channels (19) and axial (21) the emulsification of the greasing medium is performed.
  • the brake power that acts on the turboexpansor (9) is changed, allowing to ensure the regulation of the temperature regime with an accuracy of up to 1 ° C, achieving the vibration stability of the turboexpansor (9) to semi-frequency auto-oscillations, avoiding overheating of oil with the high frequency of rotation of the turbine that reaches more than 100,000 revolutions per minute.

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Abstract

El aparato turbo-refrigerador que incluye un compresor, un bloque de secado del aire, un intercambiador de calor recuperativo, un sistema de engrase, un sistema de mando y un turboexpansor, presenta la particularidad de que el turboexpansor está dotado de un dispositivo de carga (17) montado en la consola libre del eje del citado turboexpansor, dispositivo de carga que tiene forma de casquillo con canales anulares (19) en la parte de rotor (18), cuya longitud relativa a los elementos de trabajo de fricción hacia el radio del casquillo es de 0,1 a 0,1, mientras que la superficie de apoyo de la parte de estátor (20) del citado dispositivo de carga (17) presenta canales axiales (21) cuya anchura en relación a los elementos de trabajo en la citada superficie de respuesta del caquillo es de 0,1 a 0,2. El dispositivo de carga constituye un freno en base al cual se puede regular la potencia del turboexpansor y el régimen de velocidad de trabajo para conseguir un aumento notable de la cantidad de frío producido por el turbo-refrigerador, pudiendo obtener frío a bajas temperaturas en la escala comprendida, aproximadamente, entre 60° C y-120° C.

Description

APARATO TURBO-REFRIGERADOR
D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un aparato turbo-refrigerador previsto para su aplicación en la técnica de refrigeración y concretamente en los dispositivos turbocompresores de aire para obtener frío a bajas temperaturas (en una escala que puede estar comprendida entre -60° C y -120° C) . El turbo-refrigerador está compuesto básicamente por un bloque de compresores y un bloque de refrigeración, funciona en base al principio del ciclo aéreo recuperativo con turboexpansor, estando asociado a éste un dispositivo de carga que representa un freno cilindro hidráulico en forma de casquillo con canales anulares y axiales para asegurar una regulación de temperatura de trabajo con una precisión de hasta un grado centígrado.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La obtención de frío a bajas temperaturas, en las escalas comprendidas en aproximadamente entre los -60° C y -120° C, se consigue mediante dispositivos o aparatos turbo-refrigeradores, en los que la regulación de la productividad y la temperatura se consiguen mediante la instalación de los dispositivos de carga en forma de un aparato turbocompresor o un electro-generador de alta frecuencia. Como evolución más avanzada de los dispositivos de carga pueden citarse los que tienen forma de un casquillo liso y cilindrico que abarca una parte del eje con pequeña holgura radial, de manera que a través de válvulas especiales en la holgura se envía el líquido engrasante que se utiliza en los cojinetes.
Estos aparatos turbo-refrigeradores suelen funcionar por el principio del ciclo de aire recuperativo refrigerador con un turboexpansor, estando compuesto el conjunto del turbo-refrigerador por un compresor, un bloque de secado de aire, un intercambiador de calor recuperativo, un sistema de engrase, un sistema de mando y el propio turboexpansor.
Los defectos principales que presentan este tipo de turbo-refrigeradores conocidos, son la pequeña escala de regulación de potencia de la turbina, usualmente entre el 10% y el 15% de la nominal, así como la fuerte acción desestabilizante hidromecánica sobre el rotor, al régimen de incitación de los procesos auto-oscilantes no- estacionarios. Como resultado se disminuye bruscamente el área del funcionamiento dinámico-estable del aparato.
El turboexpansador es una unidad de alta velocidad (turbina de expansión) , en la cual el aire comprimido resultante de la expansión adiabática se enfría hasta que está a bajas temperaturas (entre -120° y -60 °C) . La turbina de expansión consta de los siguientes elementos:
la etapa de turbina - equipada con rueda de transmisión axial-radial con alabe de perfil completo. el grupo del rotor incluye asientos deslizantes supersensibles cuyo principio de funcionamiento es hidrostático (es un elemento básico del eje giratorio); el dispositivo de carga está realizado a modo de frenos de rozamiento hidrodinámico situados en el soporte libre del eje; De este modo, el soporte libre del eje es la parte opuesta a la parte de turbina del eje del expansor de turbina, situada detrás del grupo del rotor.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El aparato turbo-refrigerador que se preconiza ha sido concebido para resolver esa problemática a plena satisfacción, en base a una solución sencilla y no por ello menos eficaz, de manera que el propio aparato, presenta unas características tales que permiten asegurar las condiciones óptimas de refrigeración en diferentes regímenes de temperatura, así como un funcionamiento estable del turboexpansor, en gran escala y en la posibilidad de regular la temperatura con precisión de hasta 1° C.
Más concretamente, la característica fundamental de novedad que incluye el aparato turbo-refrigerador, es que el turboexpansor está dotado de un dispositivo de carga montado en la consola libre del eje del propio turboexpansor, en forma de un casquillo con canales anulares y donde la longitud relativa a los elementos laborales de fricción hacia el radio es de 0,1-0,2 en la parte de rotor, contando además con canales axiales en anchura relativa a los elementos de trabajo de 0,1 a 0,2 en la superficie de respuesta de la parte de estator del casquillo o dispositivo de carga.
Mediante el aparato de la invención, la regulación de la temperatura de trabajo se realiza por intercambio de la cantidad de aire aumentando la cantidad del mismo que va desde el turboexpansor hasta el intercambiador de calor recuperativo, con lo que se cambia la potencia del turboexpansor y el régimen de velocidad de trabajo. Como consecuencia de la nueva concepción del dispositivo de carga, en forma de casquillo cilindrico con canales axiales y anulares realizados en las superficies de trabajo de las partes de rotor y estator del casquillo, se consigue que el líquido de engrase que se envía a la holgura de trabajo, atraiga, como consecuencia de la rotación del eje, el aire que rodea al casquillo, cuya cantidad varía según la capacidad de rotación del eje, y como consecuencia de ello surge la fricción hidrodinámica del medio considerablemente emulsificado .
De esta manera, la regulación de la potencia de freno se realiza a través del cambio de la cantidad del producto engrasante con el que se alimenta la holgura de trabajo de los elementos del casquillo, gracias a lo cual se consigue el cambio, en una amplia escala de la viscosidad mecánica, de la emulsión que se crea en la holgura de trabajo, y como resultado de todo ello la escala de regulación de la potencia de la turbina y, consecuentemente, de la cantidad de frío producido, se aumenta hasta valores de 70-80% de la nominal.
Como consecuencia de la rotura de la capa engrasante originada por los canales axiales y anulares en la superficie del casquillo correspondiente al dispositivo de carga, se ven disminuidas bruscamente las fuerzas hidrodinámicas no-estacionarias que actúan sobre el rotor, y a través de los cuales se consigue una disminución considerable del nivel de la acción incitante sobre el rotor, la cual regula el mantenimiento de los regímenes estables de trabajo de la turbina en toda la escala de trabajo de las velocidades de rotación.
Estructuralmente, el aparato turbo-refrigerador incluye dos parte fundamentales, una correspondiente al compresor y otra correspondiente al refrigerador, de manera que la parte correspondiente al compresor comprende a su vez el compresor propiamente dicho, un bloque refrigerador, un separador de aceite y de humedad, un bloque de secado, un filtro de limpieza fina y un filtro de presión baja, mientras que la parte de refrigeración comprende a su vez un intercambiador de calor recuperativo, una válvula de corte, una protección automática del turboexpansor, cámaras de refrigeración, equipo de bombas con refrigerador de aceite, acomodador de aceite, filtro superfino de limpieza de aceite y válvula de retención, así como el propio turboexpansor al que está asociado el dispositivo de carga como elemento fundamental de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento (de acuerdo con un ejemplo de realización práctica del mismo) se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1. - Muestra el esquema correspondiente al diagrama de bloques del aparato-refrigerador objeto de la invención.
La figura 2.- Muestra una vista en alzado lateral del detalle correspondiente al dispositivo de carga que se monta sobre el turboexpansor que forma parte del aparato- refrigerador de la invención.
La figura 3.- Muestra un detalle en sección correspondiente a la línea de corte A-B de la figura anterior.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Como se puede ver en las figuras referidas, y en relación concretamente con la figura 1, puede verse como el aparato turbo-refrigerador objeto de la invención comprende dos partes fundamentales, una referenciada en general con la letra A y la otra referenciada en general con la letra B, correspondiendo la primera al conjunto del compresor y la segunda al conjunto de refrigeración.
La parte A correspondiente al grupo o conjunto compresor comprende los bloques correspondientes al compresor (1) propiamente dicho, un bloque refrigerador de extremo (2) , un bloque separador de aceite y humedad (3) , un bloque de secado (4) , un filtro de limpieza fina (5) y un filtro de presión baja (6) .
En cuanto a la parte de refrigeración B, incluye un bloque (7) correspondiente a un intercambiador de calor recuperativo, una válvula aérea de corte (8) , un turboexpansor (9) , un bloque de protección automática (10) del propio turboexpansor y una pareja de bloques (11) correspondientes a sendas cámaras de refrigeración, complementándose con un equipo de bombas (12) , con un refrigerador de aceite (13) , un acomodador de aceite (14) , unos filtros superfinos de limpieza de aceite (15) y una válvula de retención (16) .
La novedad de la invención consiste en que en la consola libre del eje del turboexpansor (9) va montado un dispositivo de carga (17) que constituye un freno cilindrico e hidráulico en forma de casquillo, cuya configuración física corresponde al detalle representado en las figuras 2 y 3, donde la parte del rotor (18) de dicho turboexpansor (17) está afectada de una pluralidad de canales anulares (19) con la longitud relativa de los elementos de fricción hacia el radio del casquillo de 0,1-0,2.
Por su parte, en la superficie de respuesta de la parte de estator (20) del citado casquillo correspondientes al turboexpansor (17) , está afectada de canales axiales (21) con la anchura relativa de los elementos de trabajo hacia el radio del casquillo de 0,1- 0,2.
En base a las características del turbo- refrigerador descrito, el funcionamiento es como sigue:
El aire comprimido y limpiado en la parte A correspondiente al conjunto compresor, previamente enfriado en el intercambiador de calor recuperativo (7) , pasa a través de la válvula (8) al turboexpansor, donde se aumenta y se enfría hasta la temperatura necesaria.
Una parte de ese aire aumentado y enfriado vuelve al intercambiador de calor recuperativo (7) , mientras que la otra parte (que es la mayoría) va al enfriamiento del consumidor del aire frío en las cámaras de refrigeración (11) .
La regulación de la temperatura de trabajo se realiza sobre el cambio de la velocidad de rotación del turboexpansor (9) , que se consigue por medio de la regulación de la alimentación del medio engrasante que entra en la holgura de trabajo del dispositivo de carga (17) , donde por medio de los canales anulares (19) y axiales (21) se realiza la emulsificación del medio engrasante .
Debido al gran cambio de la viscosidad dinámica de la emulsión creada se cambia la potencia de freno que actúa sobre el turboexpansor (9) permitiendo asegurar la regulación del régimen de temperatura con una precisión de hasta 1° C, consiguiéndose la estabilidad de vibración del turboexpansor (9) a las auto-oscilaciones semi- frecuenciales, evitándose el sobrecalentamiento de aceite con la alta frecuencia de rotación de la turbina que llega a más de 100.000 revoluciones por minuto.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia.- Aparato turbo-refrigerador, que está previsto para obtener frío a bajas temperaturas en una escala que puede oscilar entre -60° C y -120° C, basándose su funcionamiento en el principio del ciclo aéreo recuperativo refrigerador con turboexpansor, y comprendiendo un conjunto compresor y un conjunto de refrigeración, al que pertenece precisamente el turboexpansor, caracterizado porque en la consola libre del eje del turboexpansor (9) va montado un dispositivo de carga (17) que cumple la función de un freno cilindrico hidráulico en forma de casquillo, en donde la parte correspondiente al rotor (18) dispone de canales anulares (19) con la longitud relativa de los elementos de trabajo de fricción hacia el radio del casquillo de 0,1-0,2, en tanto que la superficie de apoyo de la parte de estator (20) del citado dispositivo de carga (17) , dispone de canales axiales (21) con la anchura relativa de los elementos de trabajo hacia el radio del casquillo de 0,1- 0,2, asegurando una regulación de temperatura de trabajo de hasta 1° C, realizándose esa regulación por el cambio de la cantidad de aire expandido que va desde el turboexpansor (9) al correspondiente intercambiador de calor recuperativo perteneciente a la parte de refrigeración .
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