WO2019166311A1 - Lagerung und antrieb für einen r718-verdichter - Google Patents

Lagerung und antrieb für einen r718-verdichter Download PDF

Info

Publication number
WO2019166311A1
WO2019166311A1 PCT/EP2019/054282 EP2019054282W WO2019166311A1 WO 2019166311 A1 WO2019166311 A1 WO 2019166311A1 EP 2019054282 W EP2019054282 W EP 2019054282W WO 2019166311 A1 WO2019166311 A1 WO 2019166311A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
water
rotor
compressor
spindle rotor
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/054282
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Steffens
Original Assignee
Ralf Steffens
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ralf Steffens filed Critical Ralf Steffens
Publication of WO2019166311A1 publication Critical patent/WO2019166311A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0007—Injection of a fluid in the working chamber for sealing, cooling and lubricating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/48—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members
    • F04C18/54—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F04C18/56—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/565—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing the axes of cooperating members being on the same plane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/0042—Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for pumps
    • F04C29/0085—Prime movers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/14—Lubricant
    • F04C2210/147—Water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/22—Fluid gaseous, i.e. compressible
    • F04C2210/227—Steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/40—Electric motor
    • F04C2240/402—Plurality of electronically synchronised motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/50—Bearings
    • F04C2240/54—Hydrostatic or hydrodynamic bearing assemblies specially adapted for rotary positive displacement pumps or compressors

Definitions

  • an R718 positive displacement compressor thus has to be significantly redesigned with the following features:
  • the desired displacement machine In the fully enclosed R718 environment, the desired displacement machine must both withstand harsh industrial operation and be as insensitive as possible to operating errors and other deviations.
  • the bearings of the rotors are the weak point in terms of reliability, robustness and service life, because their lubrication is particularly at risk because of the R718 environment in each positive displacement machine.
  • Known remedies such as the so-called "Poor” operation (ie protection of the critical bearing areas by inert gas) is relatively complex and potentially leads to potential errors due to incorrect operation and critical contamination of the R718 process cycle.
  • a positive displacement machine requires the combination of the necessarily considerable geometry dimensions and the highest possible speeds for generating the required high R718 flow volumes. These are limited by the speed of sound at the rotor head and machine dynamic of the critical bending speed. Both geometry and speeds must be maximized, but without having to go to technological limits, as is the case in today's turbocompressors due to the extremely high speeds.
  • the closed R718 circuit is sensitive to contamination of the pumped medium. And since "purge" operation (ie protection of the critical bearing areas via an inert gas) is virtually unavoidable with currently customary hybrid bearings, impurities in the pumped fluid in the closed R718 circuit can not be reliably ruled out.
  • the object of the invention is therefore to improve the known from the prior art displacement machines to the effect that at least some of the improvements in terms of reliability, price and or cleanliness can be achieved.
  • each Spindeirotors (2 and 3) is designed as a water slide bearing (6 and 7), wherein the radial forces at each spindle rotor end via bushings (6.b) rotating on a fixed and continuous support axis (5) with low * 0 * ( * ° * in the list of reference numerals) support length (aL) are supported and the axial forces of each spindle rotor on Axial- Wassergleitlager (7) of besest strokenden support ring (7.3) also from this support shaft (5) are received, each support shaft (5) via axle (8) with cantilevers (8.K) is attached to the compressor housing (1).
  • the drive for each spindle rotor (2 and 3) is designed as an external rotor motor (4), preferably as a synchronous motor, wherein the motor stator (4.1) with its windings also rotatably mounted on this support shaft (5) and its motor rotor (4.2) rotatably drives the Spindeirotor by torque, the engine heat loss via the Achswasserkühlung (4.a) is significantly dissipated ,
  • the external rotor motor (4) stands to improve the heat balance in operation under the pressure pi and its motor cables (4.K) are led out in a bore of the support shaft (5) to the inlet side (1.1).
  • the external rotor motor (4) is (preferably) carried out such that its air gap radius RM is smaller than the internal water water radius RR, with any water in the rotor interior over a continuous radius gradient centrifugal force from the engine (4) to the reservoir (9.r) flows while dissipating heat loss, in particular by its partial evaporation.
  • the pressurized water supply for the water slide bearing takes place by water pump (11), preferably via a collecting container (15) geodetically above the water pump (11), the water pump (11), in particular when starting the compressor, first for the necessary hydrostatic water pressure in each water slide bearing (6 and 7) on each spindle rotor.
  • the pressure separation between pi and p 2 on the continuous carrier axis (5) is preferably carried out on the axial-water sliding abutment (7.2) such that at the larger radius of the higher pressure p 2 and at the smaller radius of the lower pressure pi is applied.
  • Each spindle rotor is carried out with a support tube (12) such that the required bending stiffness is achieved with respect to the desired high critical bending speed, with the conveyor screw rotor on each support tube with the gas delivery external thread rotatably seated, the application specific (ie for special temperature requirements ) with cylindrical rotor inner evaporator Cooling (10) under pressure pi with water supply by means of feed tube (10. r) and water vapor outlet (10. d) on the inlet side (1.1) is performed.
  • the outer conveying thread per spindle rotor (2 and 3) is carried out such that the angle y F at the root circle along the rotor axis is in a range between 0 ° and preferably less than 8 °.
  • Each spindle rotor (2 and 3) is designed as a fully assembled and fully balanced rotation unit, with emergency synchro.
  • Gear wheels (17) are positioned on the outlet side.
  • the pressurized water (16 and as a supply 6.z and 7.z to the water sliding bearings) is specifically regulated in operation on the water pump (11) in terms of pressure and flow rate and temperature over the heat exchanger (16. W) such that the bearing losses be minimized.
  • the carrier axis (5) is formed continuously. This ensures the alignment of the bearings.
  • the electric drive is designed as an integrated external rotor motor per spindle rotor. This compactness is achieved at the same time high flexural rigidity, because a hollow shaft is always much more rigid than a solid shaft (as used previously) with the same weight. Because the carrier axis (5) is carried out continuously, a pressure separation between the pressure pl at the inlet and the pressure p2 at the inlet inlet pressure is required, this pressure separation is preferably taken over by the thrust bearing (7). Injection Wi is provided and provided to adjust the final compression temperature and to minimize the power requirement. An injection is provided and described.
  • the external gas thread thread per spindle rotor (2 and 3) is shown as hatching under the name "ANGLE” according to the drawing software AutoCAD (ie at 45 ° each 2 lines, perpendicular to each other, always aligned).
  • Fig. 1 shows an example of a longitudinal section through a spindle rotor (3, 2) and applies in the features of the invention for both the 3z spindle rotor (3) and for the 2z spindle rotor (2), which is why the reference number designation on the spindle rotor (3, 2) was chosen.
  • the material for the plain bearing bush (6.b) preferably ceramic is selected and the mating surface (6.g) on the fixed support axis is chosen such that friction and wear are minimal.
  • the outlet-side pressure water inlet (16) flows first to the motor afterwater cooling (4.a) and then via the pressure water supply lines (7z and 6z) to the axial (7) and the radial water slide bearing (6), wherein the number and cross section of these supplies which gives the necessary amount of water for each storage.
  • the engine cooling water for Achswasserkühlung (4.a) as its own inflow and outflow takes place and the pressurized water supply (7.z and 6.z) to the axial (7) and the radial water slide bearings (6)
  • the water temperatures for the water slide bearings have to meet certain conditions and the temperature requirements for engine cooling and water slide bearings are too far apart.
  • the inlet area is shown in greater detail in FIG. 3, and the outlet area is shown in more detail in FIG.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section illustration through the complete R718 positive displacement compressor system according to the invention with the pair of spindle rotors (2 and 3) in the surrounding compressor housing (1) and the stationary, continuous carrier axles (5) per spindle rotor (2, 3), FIG. which are supported on both sides by means of axle carriers (8) on the compressor housing (1) both at the inlet (1.1) and at the outlet (1.2).
  • the arc with 0G.1 is shown purely folded to demonstrate the cylindrical transition region on the compressor housing (1) and serves to separate the evaporator chamber (13) and the condenser space (14) on the compressor housing (1) in this preferably cylindrical region.
  • the regulation on the water pump (11) in terms of pressure and flow is shown by an arrow running through the symbol for a water pump.
  • WL stands for water to the hydroplane bearings (6 and 7)
  • MK stands for the water for engine cooling (4, a)
  • W.i stands for the water for injection into the working space
  • W.C stands for condensate from the condenser space (14)
  • this condensate (WC) for the often desired "direct liquefaction" for heat removal to an external heat exchanger (16. C) is performed by a portion of this condensate after its external heat dissipation for surface maximization as a "raindrop” (RT) for direct contact condensation is being used.
  • this "raindrop wa Id" (R.T.) in the condenser space (14) is shown for the sake of simplicity on one side only, but is very well implemented in the entire condenser space (14).
  • the set at the pitot tube end (9.e) gap distance sr is shown for pitot tube positioning to exactlystelien on the submerged cross section, the funded pitot tube water in terms of pressure and quantity at the known speed dependence on each pitot tube (9), depending Staurinne (9.s) preferably immerse several Pitot tubes (9) on the circumference.
  • the distance D to the drip-off nose (8.n) ensures that leakage water is returned to the storage channel (9.s).
  • FIG. 4 by way of example shown as an enlarged illustration from FIG. 1 for the outlet region (1.2), the supplied pressurized water (16) first flows to the motor afterwater cooling (4.a) and then as a pressurized water supply (7z) to the axial water sliding bearing (7). and as a pressurized water supply (6z) to the radial water slide bearing (6.2) on the outlet side.
  • the motor water cooling (4.a) via an additional inner pipe for separate supply and discharge can also be designed as a separate circuit and the pressurized water supplies (6z and 7z) to the axial water slide bearing and the radial water slide bearings on the outlet side independently separately from the engine after-water cooling (4, a), if, for example, special temperature requirements are to be met.
  • the support tube (12) can also be designed as a spindle rotor body (2 and 3).
  • the rotor internal evaporator cooling (10) is possible, but only an option, because the injection W.i will probably be sufficient.
  • the number of teeth per spindle rotor (2 and 3) is preferably with 2 toothed gas-conveying external thread or preferably with 3-toothed gas-conveying external thread.
  • the two spindle rotors are 2-toothed. This results in an advantage of identical components.
  • the radial and axial thrust bearings (6 and 7) are an important feature. However, it is possible that instead of these Wassergieitlager classic bearings are used kinematically inverse, so bearing inner ring standing and running bearing outer ring rotating. The radial and thrust bearing (6 and 7) is therefore only the best option, but not the only one. In the detailed description of the individual elements, the features of the present invention with the following explanations to the drawings or representations are not limiting.
  • a compressor housing 1 is preferably designed with an inlet side (1.1) with pressure pl and an outlet side (1.2) with p2 at at least 15% greater distance of the spindle rotor axes on the inlet side than on the outlet side, wherein the compressor housing preferably also the evaporator chamber ( 13) with the pressure pl and the evaporation temperature tO from the condenser space (14) with the pressure p2 and the condensation temperature tC over a preferably cylindrical 0G.1-Gehungseform separates in this area, which for some applications by kuhistrom ( lK) cooled compressor housing is preferably provided with an insulation (li) to the condenser space (14).
  • a spindle rotor 2 is preferably provided with a 2-toothed gas-conveying external thread, which preferably consists of an aluminum alloy, in short "2z-rotor", executed and supported at each front end via water bearing bushings (6) on its own support shaft (5).
  • a spindle rotor 3 is preferably designed with a 3-toothed gas-conveying external thread, which is preferably made of an aluminum alloy, called “3z rotor” for short, and supported on each front end via hydromotor bearing bushes (6) on its own carrier axis (5).
  • An external rotor motor 4 for each spindle rotor is preferably designed as a synchronous motor and / or positioned between the two spindle rotor bearings (6) in the rotor interior (that is, below the gas delivery external thread nominal Vietnamese).
  • the motor cables (4.K) can be led out of the compressor via the central bore in the carrier axle (5).
  • a motor stator 4.1 is preferably designed with motor cables (4.K) and preferably encapsulated motor windings, in which case preferably the stator assembly is rotatably and stationarily mounted on each carrier axle (5) and preferably under the pressure p1 and via the motor after-water cooling (4.a). the engine heat loss is dissipated via the pressurized water stream (16).
  • a motor rotor 4.2 is preferably non-rotatably connected to the respective spindle rotor (2, 3), preferably it is designed with permanent magnets, with the inner radius R.M and secured accordingly with respect to the centrifugal forces
  • a gestelh / stationary support shaft 5 for each spindle rotor is preferably formed continuously over the entire rotor length and held on each side of axle beams (8.1 and 8.2), which are supported on the compressor housing (1), preferably for targeted clearance setting the axial positioning of each spindle rotor in the compressor housing preferably via shaft nuts (5.W) at each end of the support shaft (5) and / or peeling discs (Ss) between the axle beams (8) and the compressor housing (1).
  • a radial water sliding bearing 6 is preferably designed as a plain bearing with the process water as a lubricant for receiving the spindle rotor radial forces with a rotorfest rotating plain bearing bushing (6.b) with short support length (aL), with "short” smaller (ie preferably at least about factor 3 to 5 smaller) than the sliding bearing radius RA at the sliding bearing gap (6.s) means, and one
  • a plain bearing material is preferably to choose a ceramic material.
  • An axial water slide bearing 7 serves to accommodate the axial forces of each Spindeirotors.
  • the axial-water sliding abutment 7, ' 2 serves for axial
  • a support ring 7.3 fixedly connected to the carrier axle has pressurized water supply lines (7.z) to each axial sliding bearing surface, wherein the respective amount of pressurized water is set specifically for each water slide bearing via the cross sections and the number of these supplies.
  • An axle carrier 8 serves for fixing and receiving each carrier axle end with support on the compressor housing (1) on the outlet side as (8.2) and inlet side as
  • Pitot tubes 9 serve to recirculate (9.r) the bearing lubrication water exiting the plain bearings with a stowage channel (9.s) for collecting this water via the outlet openings (9.d), which pass both water and water vapor out of the rotor inner axle space let, preferably with training of the centrifugal water ring, in which the bent pitot tube ends (9, e) dive purposefully, wherein the recirculation to the collecting container (15) amount of water (9, r) on the number, cross section and depth of insertion of the pitot tubes is adjusted
  • leakage water is supplied to the drip nose (8.n) of the storage channel (9.s) by a distance D, and the amount of water to be discharged is adjusted via different depths of immersion and corresponding cross-sectional configuration, wherein the cranked end of the exhaust pipe (9, e) both the assembly as well as the positioning (esp. The immersion depth with the gap distance sr to the channel bottom) specifically allows.
  • the rotor internal evaporator cooling is cylindrically designed for all applications with special temperature requirements under the pressure pl with targeted Water supply (10. z) via feed pipe (10. r) and steam outlet (10. d) on the inlet side (1.1).
  • At least one water pump 11 is externally (separately) regulated to supply the plain bearings with pressurized water in terms of pressure and flow, e.g. provided with 7 bar at 6 liters / min, where usually the Axialgleitlager (7) requires more water than the radial plain bearing (6), which is done on the execution in terms of diameter and number of feed holes (6.z and 7.z), the Water pump (11) in particular at the start of the compressor, first the Wassergleitlagern (6 and 7), the required amount of water for the so-called, "hydrostatic" lubricating film structure supplies, which is particularly important when starting for a radial bearing with stationary axis and rotating liner, because the structure of the hydrodynamic lubricating film by the rotational movement other than in centrally rotating shaft takes place.
  • the water pump (11) operates from the collecting container (15), which is geodetically arranged by the height difference Ah above the water pump (11), with increasing compressor speed, the water pump (11) is relieved by the pitot tube pumps (9) by the Pitot tube pumps (9) depending on the speed build increasingly more water pressure.
  • the support tube 12 is used to generate the required bending stiffness, in particular by the choice of material (for example, stainless steel) for each spindle rotor rotation unit, the spindle motor external thread body (preferably made of an aluminum alloy) is rotatably supported outside on this support tube and this carrier tube on the inside holds both the water slide bearings and the motor rotor (4.2) to initiate the
  • the evaporator chamber 13 is in operation under the pressure pl and has a pot hood (13.h) on the compressor housing (1), on whose preferably 0G.1- housing design he is sealingly held in this area, he is preferably with a thermal insulation (13 i).
  • the condenser 14 is in operation under the pressure p2 stands. He has a pot hood (14th h) on the compressor housing (1), on whose preferably 0G.1- housing design he is held in this area sealingly.
  • the collecting tank 15 for the process water is geodetic to Ah above the water pump (11), it is preferably not only for the return water (9.r), but also for system water (SW) provided.
  • the pressurized water flow 16 is conveyed by the water pump (11) and fed centrally at the exhaust-side end of each support axle (5). Whereby this water preferably flows first through the engine after-water cooling (4, a) and then via feeds (7.z) to the axial water slide bearing (7) and via the feed (6.z) to the outlet-side radial water slide bearing (6.2) at each Spindle rotor flows. Wherein at the inlet end of each carrier axis the water supply (6.z) is also provided by the water pump under the required pressure and flow, with specific application by heat exchanger (16.
  • the water temperature per sub-stream is set to optimize performance, and also the water pump also takes over the water injection (Wi) with spray formation into the compressor working space to increase the compressor efficiency, the water pump (11) being selectively controllable for the different operating conditions (represented by the arrow in the symbol) ) in terms of volume flow and pressure generated, each
  • Heat exchangers (16. W) in each of the mentioned pressurized water streams the water temperature at each operating point nielit to achieve the lowest total energy consumption.
  • the heat exchanger 16. C is used for external heat dissipation at
  • a heat exchanger 16 W is arranged in the pressurized water supply lines to the following locations:
  • a siphon connection or further talking serves 18 for water circulation on the engine with outlet bores leading to the inlet side (18.a) in the event that the engine (4) is to be made larger, that is, if R.M> R.R.
  • a vacuum pump 19 with appropriate water vapor compatibility is used to generate the negative pressure in the R718 overall system, in particular, to pump out foreign gases that have penetrated into the R718 vacuum system, as an evacuation process at standstill again.
  • An electronic motor pair spindle rotor synchronization 20 (shown as a block box with pC + 2FU) has a microcontroller (shown as pC) connecting each of the two frequency converters (named FU) to each drive motor (4) for each spindle rotor (2 and 3) ) regulates (controls) that the two spindle rotors operate in operation without touching in opposite directions rotating.
  • pC microcontroller
  • Staurinnenworth radius R.R has, flows any water in the rotor interior via a constant radius gradient centrifugal force from the engine (4) to the reservoir (9.r) and thereby dissipates heat loss, in particular by its partial evaporation.
  • At least one axle carrier (8) is provided and, per spindle rotor, the carrier axle (5) is held against rotation at each end by axle carriers (8).
  • axle carriers (8) there is preferably the axial positioning in particular for targeted
  • Play adjustment between spindle rotor head and compressor housing working space bore via a non-cylindrical spindle rotor outer shape is achieved and preferably takes place via shaft nuts (5.W) and / or peeling discs (5.s).
  • Pressure pl prevails 6.2 Radial water slide bearing on the compressor outlet side (1.2), where the pressure p2 prevails
  • Return flow (9.r) is promoted, whereby the value for R.R. is preferably carried out not less than R.M, so that in the engine area the water is driven by force of force to each storage channel (9.s) at each end of the spindle rotor.

Abstract

Um bei einer Verdichtung von Wasserdampf als R718 insbesondere für die Kälte-, Klima- und Wärmepumpen-Technik das zuverlässige und effiziente Betriebsverhalten zu verbessern bei gleichzeitig geringerem Bauvolumen sowie reduzierten Anschaffungs- und Betriebs-Kosten, werden für eine 2-We!!en- Rotationsverdrängermaschine bei jedem Spindelrotor (2 und 3) Radial- und Axial- Wassergleitlager (6 und 7) auf einer feststehenden durchgehenden Trägerachse (5) mit integriertem Außenläufer-Motor je Spindelrotor (2 und 3) bei elektronischer Motorpaar-Synchronisation (20) vorgeschlagen, wobei Staurohrpumpen (9) an jedem Spindelrotorende das aus den Wassergleitlagern (6 und 7) austretende Wasser aufnehmen und drehzahlabhängig die Wasserpumpe (11) zur Druckwasserversorgung (16 sowie 6.z und 7,z) entlasten, wobei außerdem die Trennung zwischen pl als Einiass- und p2 als Auslass-Druck des Verdichters an der durchgehenden Trägerachse (5) vorzugsweise am Axial-Wassergleit-Widerlager (7,2) erfolgt, sowie überdies an jedem Spindelrotor die Biegesteifigkeit per Trägerrohr (12) erzeugt wird.

Description

Lagerung und Antrieb für einen R718-Verdichter
Stand der Technik:
Der Kältemarkt ist aktuell im Wandel und so ist beispielsweise die sogen. "F-Gase- Verordnung" gemäß Verordnung (EG) Nr. 842/2006 und Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase als Herausforderung in aller Munde, um die vorherrschenden fluorierten Kältemittel (FKW, HFO) wegen ihrer Klima- und Umwelt- Schädlichkeit zurückzudrängen. Daher besteht in der Kältetechnik der starke Wunsch nach natürlichen Kältemitteln, wobei insbesondere Wasser durch seine guten thermodynamischen Eigenschaften besticht.
Bisher scheitert die durchgreifende Realisierung von Wasser als Kältemittel R718 jedoch daran, dass beispielsweise gegenüber Ammoniak in gleicher Funktion ein um rund 300-fach größerer Fördervolumenstrom bei gleicher Leistung erforderlich ist. Indem zugleich das Druckverhältnis möglichst oberhalb von Faktor 10 recht hoch ist, steigen die Anforderungen an einen Verdichter enorm, der zugleich noch ölfrei sein muss und möglichst effizient im Unterdrück zu arbeiten hat, nämlich zwischen 6 mbar und 200 mbar und gegebenenfalls noch höher.
Der disruptive Charakter von Wasser als Kältemittel R718 ist unbestritten. Dieses Kältemittel wird die weltweit intensiv geführten Diskussionen zu den bekannten Umwelt- und Klima-Problemen bei heutigen Kältemitteln schlagartig beenden.
Bisher wird versucht, dieser Herausforderung über Turbo-Verdichter zu begegnen, wobei diese Maschinen trotz 2-stufiger Ausführung mit Zwischenkühlung nur geringere Druckverhältnisse von etwa 6 schaffen, so dass in dem Kältekreislauf die notwendige Wärmeabgabe am Kondensator (Verflüssiger) nur unbefriedigend umgesetzt wird. Hinzu kommt noch der schwerwiegende Nachteil bei einer Strömungsmaschine hinsichtlich der weichen Arbeitskennlinie (also Druckwerte über Volumenstrom), um für unterschiedliche Betriebspunkte stabile Betriebspunkte gewährleisten zu können.
Fraglos ist eine Verdrängermaschine für die Wasserdampf-Verdichtung die bessere Lösung, um diese Herausforderungen der Wasserdampf-Verdichtung in R718- Kältekreisläufen zu bewältigen . Dabei sind allerdings einige Schwächen heutiger Verdrängermaschinen für diese R718-Aufgabe zu beseitigen. So sind bekanntlich die Lager der Verdrängerkörper die größte Schwachsteile hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit wegen der erforderlichen Schmiermittel im Lagerkontaktbereich, insbesondere bei R718-Anwendungen, wenn der Wasserdampf im Lagerbereich kondensiert und damit die Lager-Schmiermittel auswäscht bzw. verdünnt, was praktisch unweigerlich nach gewisser Zeit zum Lagerschaden und damit zum Totalausfall des Verdichters führt. Wenn es hier eine bessere Verdichter-Lösung gäbe, wäre R718 als Kreislaufmedium wegen seiner enormen Vorteile ein bedeutsamer Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik. Demgemäß lässt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung nachfolgend beschreiben.
Gegenüber dem Stand der Technik muss ein R718-Verdrängerverdichter somit bei folgende Merkmalen wesentlich umgestaltet werden:
• Zuverlässigkeit:
Die gewünschte Verdrängermaschine muss in der vollkommen geschlossenen R718-Umgebung sowohl den rauen Industriebetrieb aushaiten als auch möglichst unempfindlich sein gegen Fehlbedienung und sonstigen Abweichungen. Bekanntermaßen sind die Lager der Rotore bei jeder Verdrängermaschine die Schwachstelle schlechthin hinsichtlich Zuverlässigkeit, Robustheit und Lebensdauer, weil deren Schmierung insbesondere wegen der R718-Umgebung gefährdet ist. Bekannte Abhilfemaßnahmen wie der sogen. " Pu rge"- Betrieb (also Schutz der kritischen Lager-Bereiche per Inertgas) ist relativ aufwändig und führt potenziell immer zu Fehlermöglichkeiten durch Fehlbedienung und kritischen Verunreinigungen des R718-Prozess-Kreislaufs.
• Kompakt:
Eine Verdrängermaschine braucht zur Erzeugung der gefordert hohen R718- Förderstromvolumina die Kombination aus den notwendigerweise beträchtlichen Geometrie-Abmessungen sowie möglichst hohe Drehzahlen. Dieser werden von der Schallgeschwindigkeit am Rotorkopf und maschinendynamisch von der biegekritischen Drehzahl begrenzt. Sowohl Geometrie als auch Drehzahlen müssen bestmöglich ausgereizt werden, ohne allerdings an technologische Grenzen gehen zu müssen, wie es bei heutigen Turboverdichtern durch die extrem hohen Drehzahlen der Fall ist.
• Preiswert:
Sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb sind die Kosten zu minimieren: o Im Betrieb ist ein ständige "Purge"-Betrieb (also Schutz der kritischen Bereiche über ein Inertgas) mit entsprechend erforderlicher Überwachung ein kostenintensiver Eingriff in den geschlossenen R718-Kreislauf.
o In der Anschaffung sind die derzeit üblichen Hybrid-Wäiziager (also Keramik- Kugeln auf Edelstahl-Ringen laufend) recht teuer, wobei außerdem das Drehzahl-Potenzial zur biegekritischen Drehzahl nur unzureichend ausgenutzt werden kann, so dass eine derartige Maschine größer baut und folglich teurer wird.
• Sauberkeit:
Der geschlossene R718-Kreislauf ist empfindlich gegen Verunreinigungen des Fördermediums. Und indem der "Purge"-Betrieb (also Schutz der kritischen Lager- Bereiche über ein Inertgas) bei derzeit üblichen Hybrid-Lagern praktisch unumgänglich ist, sind Verunreinigungen des Fördermediums in dem geschlossenen R718-Kreislauf nicht verlässlich auszuschließen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannten Verdränger Maschinen dahingehend zu verbessern, dass zumindest einige der Verbesserungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Preis und oder Sauberkeit erreicht werden.
Diese Aufgabe durch eine 2-Wellen-Rotationsverdrängermaschine zur Verdichtung von Wasserdampf bei Drücken unterhalb atmosphärischen Drucks gelöst, bei der das R718-Verdrängerverdichtersystem aus Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger mit mindestens einem der folgenden Merkmale, vorzugsweise mehreren dieser Merkmale, ausgeführt ist:
A) Die Lagerung jedes Spindeirotors (2 und 3) wird als Wassergleitlager (6 und 7) ausgeführt, wobei die Radialkräfte an jedem Spindelrotorende über Laufbuchsen (6.b) drehend auf einer feststehenden und durchgehenden Trägerachse (5) mit geringer*0* (*°* in der Bezugszeichenliste benannt) Abstützlänge (a.L) abgestützt werden und die Axialkräfte jedes Spindelrotors über Axial- Wassergleitlager (7) vom gestelltesten Abstützring (7.3) ebenfalls von dieser Trägerachse (5) aufgenommen werden, wobei jede Trägerachse (5) über Achsträger (8) mit Kragarmen (8.K) am Verdichtergehäuse (1) befestigt ist.
B) Zur elektronischen Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation (20) wird der Antrieb für jeden Spindelrotor (2 und 3) als Außenläufer-Motor (4) ausgeführt, vorzugsweise als Synchronmotor, wobei dessen Motorstator (4.1) mit seinen Wicklungen ebenfalls auf dieser Trägerachse (5) drehfest montiert ist und dessen Motorrotor (4.2) drehfest den Spindeirotor per Drehmoment antreibt, wobei die Motorverlustwärme über die Achswasserkühlung (4.a) maßgeblich abgeführt wird.
C) Der Außenläufer-Motor (4) steht zur Verbesserung der Wärmebilanz im Betrieb unter dem Druck pi und seine Motorkabel (4.K) werden in einer Bohrung der Trägerachse (5) zur Einlass-Seite (1.1) herausgeführt.
D) Der Außenläufer-Motor (4) wird (vorzugsweise) derart ausgeführt, dass sein Luftspalt-Radius R.M kleiner als der Staurinnenwasser-Radius R.R ist, wobei jegliches Wasser im Rotorinnenraum über ein stetiges Radius-Gefälle fliehkraftbedingt vom Motor (4) zur Staurinne (9.r) strömt und dabei Verlustwärme insbesondere durch seine teilweise Verdampfung abführt.
E) Die Druckwasserversorgung für die Wassergleitlager erfolgt per Wasserpumpe (11), vorzugsweise über einen Sammelbehälter (15), der sich geodätisch oberhalb der Wasserpumpe (11) befindet, wobei die Wasserpumpe (11) insbesondere beim Starten des Verdichters zunächst für den nötigen hydrostatischen Wasserdruck in jedem Wassergleitlager (6 und 7) bei jedem Spindelrotor sorgt.
F) Staurohrpumpen (9) nehmen an jedem Spindelrotorende das aus den Wassergleitlagern (6 und 7) austretende Wasser auf und führen es dem Sammelbehälter (15) zu, wobei die Wasserpumpe (11) mit zunehmender Verdichter-Drehzahl (vorzugsweise) durch die Staurohrpumpen (9) entlastet wird.
G) Die Drucktrennung zwischen pi und p2 an der durchgehenden Trägerachse (5) erfolgt vorzugsweise am Axial-Wassergleit-Widerlager (7.2) derart, dass am größeren Radius der höhere Druck p2 und am kleineren Radius der geringere Druck pi anliegt.
H) Jeder Spindelrotor wird mit einem Trägerrohr (12) derart ausgeführt, dass die erforderliche Biegesteifigkeit hinsichtlich der gewünscht hohen biegekritischen Drehzahl erzielt wird, wobei auf jedem Trägerrohr der Fördergewinderotor mit dem Gasförder-Außengewinde drehfest sitzt, der applikationsspezifisch (also für besondere Temperatur-Anforderungen) mit zylindrischer Rotorinnen-Verdampfer- kühlung (10) unter dem Druck pi mit Wasserversorgung mittels Zuführrohr (10. r) und Wasserdampf- Austritt (10. d) auf der Einlass-Seite (1.1) ausgeführt wird.
I) Das Außen-Fördergewinde je Spindelrotor (2 und 3) wird derart ausgeführt, dass der Winkel yF am Fußkreis längs der Rotorachse in einem Bereich zwischen 0° und vorzugsweise unter 8° liegt.
J) Bei jedem Staurohr (9) wird über dessen gekröpftes Rohrende (9.e) durch Drehung des Staurohrs bei der Montage mit dem Spaltabstand (s.r) zum Boden der Staurinne (9.s) die Eintauchtiefe in den durch die Fliehkräfte erzeugten Wasserring in der Staurinne derart gezielt eingestellt, dass über Anzahl und Positionierung der Staurohrpumpen deren geförderte Wassermenge (9.r) stets im Gleichgewicht zu den Wasserzuführmengen (6z und 7z) je Spindelrotorseite steht, wobei die Staurinne (9.r) mit dem austretenden Wasser der Wassergleitlager (6 und 7) gefüllt ist und dieses Wasser durch die Fliehkräfte einen Wasserring in der Staurinne (9.s) bildet, der an der Oberfläche den Staurinnenwasser-Radius R.R aufweist.
K) Je Spindelrotor wird die Trägerachse (5) an jedem Ende über Achsträger (8) drehfest gehalten, wobei vorzugsweise über Wellenmuttern (5.W) und/oder Schälscheiben (5.s) die axiale Positionierung insbesondere zur gezielten Spieleinsteilung zwischen Spindelrotorkopf und Verdichtergehäuse- Arbeitsraumbohrung über die nichtzylindrische Spindelrotoraußenform erfolgt.
L) Jeder Spindelrotor (2 und 3) wird als fertig montierte und komplett gewuchtete Rotationseinheit ausgeführt, wobei die Notfall-Synchro. -Zahnräder (17) auf der Auslass-Seite positioniert werden.
M) Das Druckwasser (16 und als Zuführung 6.z und 7.z zu den Wassergleitlagern) wird im Betrieb gezielt reguliert an der Wasserpumpe (11) hinsichtlich Druck und Volumenstrom sowie temperaturmäßig über den Wärmetauscher (16. W) derart, dass die Lagerverluste minimiert werden.
Die Trägerachse (5) ist durchgehend ausgebildet. Dadurch wird die Fluchtung der Lagerstellen gewährleistet. Der elektrische Antrieb ist als integrierter Außenläufer- Motor je Spindelrotor ausgeführt. Damit wird die Kompaktheit erreicht bei zugleich hoher Biegesteifigkeit, denn eine Hohlwelle ist bei gleichem Gewicht immer deutlich biegesteifer als eine Vollwelle (wie bisher eingesetzt). Weil die Trägerachse (5) durchgehend ausgeführt wird, ist eine Drucktrennung zwischen dem Druck pl am Einlass und dem Druck p2 am Auslass Einlassdruck erforderlich, wobei diese Drucktrennung vorzugsweise vom Axiallager (7) übernommen wird. Die Einspritzung W.i ist vorgesehen und vorhanden, um die Verdichtungs-End-Temperatur einzustellen und den Leistungsbedarf klein zu halten. Eine Einspritzung ist vorgesehen und beschrieben.
Erläuterungen zu den Zeichnungen bzw. Fig. -Darstellungen:
Das Gasförder-Außengewinde je Spindelrotor (2 und 3) ist als Schraffur unter der Bezeichnung "ANGLE" nach der Zeichnungs-Software AutoCAD dargestellt (also unter 45° jeweils 2 Linien, rechtwinklig zueinander, stets fluchtend angeordnet).
Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Längsschnitt-Darstellung durch einen Spindelrotor (3, 2) und gilt bei den erfindungsgemäßen Merkmalen sowohl für den 3z-Spindelrotor (3) als auch für den 2z-Spindelrotor (2), weshalb am Spindelrotor die Bezugszeichen- Benennung (3, 2) gewählt wurde. Angegeben ist die Axialkraft Fax, die im Betrieb bei jedem Spindelrotor durch die Druckdifferenz Dr des Verdichters als Dr = p2 - pi
entsteht und vom Axiai-Wassergleitlager (7) aufgefangen wird. Das sogen. "Lagerspiel" als Spalthöhe im Gleitlagerspalt (6.s) liegt im Bereich weniger pm, beispielsweise bei einem Gleitlagerspalt-Radius von R.A = 20 mm im Bereich von 15 bis 35 pm. Als Material für die Gleitlagerbuchse (6.b) wird vorzugsweise Keramik gewählt und die Gegenlauffläche (6.g) auf der feststehenden Trägerachse wird derart gewählt, dass Reibung und Verschleiß minimal sind.
In der gezeigten Darstellung fließt der auslassseitige Druckwasserzufluss (16) zunächst zur Motorachswasserkühlung (4.a) und danach über die Druckwasserzuführungen (7z und 6z) zum Axial- (7) sowie zum Radialwassergleitlager (6), wobei sich über Anzahl und Querschnitt dieser Zuführungen, die für jedes Lager notwendige Wassermenge ergibt. Gleichwohl ist es natürlich für einige Anwendungen auch umsetzbar, dass das Motorkühlwasser zur Achswasserkühlung (4.a) als eigener Zu- und Abfluss erfolgt und die Druckwasserzuführungen (7.z und 6.z) zum Axial- (7) sowie zum Radial- Wassergleitlager (6) separat erfolgen, wenn beispielsweise die Wasser- Temperaturen für die Wassergleitlager bestimmten Bedingungen genügen müssen und die Temperatur-Anforderungen für Motorkühlung und Wassergleitlager zu weit voneinander entfernt sind. Daher ist die gezeigte Darstellung nur beispielhaft. Die dargestellte Rotorinnenkühlung (10) wird applikationsspezifisch nur bei besonderen Anforderungen an den Bauteile-Wärmehaushalt erforderlich sein, denn das an der rotierenden Innenwand von R.M nach R,R strömende Wasser wird über seinen verdampfenden Anteil schon nennenswert Wärme aus dem Rotorinnenraum abführen.
Der Einlassbereich ist noch detaillierter in Fig. 3 dargestellt, und der Auslassbereich ist noch detaillierter in Fig. 4 dargestellt.
Fig, 2 zeigt beispielhaft eine Längsschnitt-Darstellung durch das erfindungsgemäße R718-Verdrängerverdichter-Gesamtsystem bei stehender Ausführung mit dem Spindelrotorpaar (2 und 3) im umgebenden Verdichtergehäuse (1) und den feststehenden durchgehenden Trägerachsen (5) je Spindelrotor (2, 3), die mittels Achsträger (8) am Verdichtergehäuse (1) sowohl am Einlass (1.1) als auch am Auslass (1.2) beidseitig abgestützt werden.
Bei der Ausführung zum Antriebsmotor (4) im Verhältnis zu den wasserabführenden Staurohren (9) an jedem Spindelrotor-Ende gilt stets die Zielsetzung, dass das Wasser fliehkraftbedingt zu den Staurinnen (9.s) strömt. Demzufolge ist also der Motorspalt-Radius R.M stets kleiner als der Radius zum Staurinnenwasser, also: R.M < R.R insbesondere auch auf dem gesamten Wasserströmungsweg.
Diese Bedingung ist in dieser Fig. 2 beispielhaft für den 3-zähnigen Spindelrotor (3) erfüllt, aber zu Demonstrationszwecken am 2z-Rotor (2) nicht erfüllt, indem dort der Fall R.M > R.R dargestellt ist, wenn beispielsweise ein sehr leistungsstarker Motor (4) erforderlich ist. Dann ist eine entsprechende Siphon-Verbindung (18) zur Wasser-Umführung am Motorrotor (4.2) vorzusehen, wobei über eine Austrittbohrung (18. a) gewährleistet wird, dass sich im Motorspalt zwischen Motorstator (4.1) und Motorrotor (4.2) kein Restwasser ansammelt und somit unzulässige Reibung im Motorbereich ergäbe, indem dieses unvermeidbare Restwasser im Motorbereich über die Austrittbohrung (18. a) abfließt bzw. zum Teil verdampft. Dabei steht der gesamte Motor (4) unter dem Druck pi und erfährt somit wegen der hohen Verdampfungsenthalpie eine gute Wärmeabführung, so dass die Effizienz des Motors (4) verbessert wird.
Der Kreisbogen mit 0G.1 ist zur Demonstration des zylindrischen Übergangsbereiches am Verdichtergehäuse (1) reingeklappt dargestellt und dient der Trennung zwischen dem Verdampferraum (13) und dem Verflüssigerraum (14) am Verdichtergehäuse (1) in diesem vorzugsweise zylindrischen Bereich. Die Regulierung an der Wasserpumpe (11) hinsichtlich Druck und Volumenstrom ist dargestellt über einen Pfeil, der durch das Symbolzeichen für eine Wasserpumpe läuft.
Neben Druck und Volumenstrom wird dann über die Wärmetauscher (16. W) der jeweilige Wasserstrom auch noch hinsichtlich Temperaturniveau für jeden Betriebspunkt reguliert. Dabei gelten folgende Bezeichnungen :
WL steht für Wasser zu den Wassergleitlagern (6 und 7)
Ah steht für die Höhen-Differenz, um den der Sammelraum (15) über der Wasserpumpe (11) steht
MK steht für das Wasser zur Motorkühlung (4,a)
S.W steht für das Systemwasser zur Erfüllung der R718-Aufgabenstellung
W.i steht für das Wasser zur Einspritzung in den Arbeitsraum
W.C steht für Kondenswasser aus dem Verflüssigerraum (14),
wobei dieses Kondenswasser (W.C) für die oftmals gewünschte "Direktverflüssigung" zur Wärmeabführung an einen externen Wärmetauscher (16. C) geführt wird, indem ein Teil dieses Kondenswassers nach seiner externen Wärmeabführung zwecks Oberflächenmaximierung als "Regentropfenwald" (R.T) zur direkten Kontakt- Kondensation genutzt wird. In dieser Fig. 2 ist dieser " Regentropfen wa Id" (R.T) im Verflüssigerraum (14) aus Darstellungsgründen vereinfachend nur auf einer Seite gezeigt, wird aber sehr wohl im gesamten Verflüssigerraum (14) umgesetzt.
Das potenzielle Problem zum Frostschutz für dieses am externen Wärmetauscher (16. C) zu kühlende Kondenswasser (W.C) wird dabei vorzugsweise derart gelöst, dass im Betriebsstillstand das in den Leitungen noch befindliche Rest-Kondenswasser beispielsweise in den zumeist frostsicheren Innenbereich zurückfließt und/oder hinreichende Ausdehnungsbereiche erhält, die nicht zu Materialschäden durch Eisbildung wegen der Ausdehnung führen.
Bei den gewählten Bezeichnungen gilt grundsätzlich:
Einlass-Seite mit Index 1 und Auslass-Seite mit Index 2, sowie dem Folgeindex 2 für den 2z-Rotor und dem Foigeindex 3 für den 3z-Rotor, so dass für die jeweilige Druckwasser-Zuführung je Spindelrotor und je Druckseite folgende Bezeichnungen gelten:
• 6.Z.1.2 = Wasserzuführung auf der Einlass-Seite zum 2z-Rotor
• 6.Z.1.3 = Wasserzuführung auf der Einlass-Seite zum 3z-Rotor
Auf der Auslass-Seite gilt für die (6.z)-Wasserzuführung als Teilstrom vom Druckwasser (16) • 6.Z.2.2 = Wasserzuführung auf der Auslass-Seite zum 2z-Rotor
• 6.Z.2.3 - Wasserzuführung auf der Auslass-Seite zum 3z~Rotor
Bei dem auf der Auslass-Seite (1.2) dargestellten Druckwasser (16) sind je Spindelrotor folgende Bezeichnungen zu unterscheiden:
• 16.2 = Druckwasser zum 2z-Rotor (2)
16.3 = Druckwasser zum 3z-Rotor (3)
Die Aufteilung zwischen 7.z und 6.z je Spindelrotor erfolgt über die Querschnitte und Bohrungsanzahl bei den Zuführungen.
Durch die Regulierbarkeit jedes Wasserstroms hinsichtlich Volumenstrom, Druck und Temperatur wird im Betrieb die jeweils effizienteste, also der geringste Gesamt- Energiebedarf, Arbeitsweise im Betrieb erreicht.
In den nachfolgenden Figuren 3 und 4 sind die beiden Spindelrotor-Endbereiche, also Einlass- und Auslass-Seite, noch vergrößert dargestellt.
Fig. 3: Diese beispielhafte Schnitt-Darstellung als Detail-Vergrößerung zu Fig. 1 zeigt im Einlass-Bereich (1.1) sowohl für den 2z-Rotor (2) als auch den 3z-Rotor (3) das Radial-Wassergleitlager (6.1) mit der Druckwasser-Zuführung (6.z.l und 6.z) in dem nur wenige pm-dicken Gleitlagerspalt (6.s) mit der Abstützlänge (a.L), die mindestens um den Faktor 3 bis 5 kleiner als der Gleitlagerradius R.A ist.
Außerdem ist der am Staurohr-Ende (9.e) eingestellte Spaltabstand s.r zur Staurohr- Positionierung dargestellt, um über den eintauchenden Querschnitt das geförderte Staurohrwasser hinsichtlich Druck und Menge bei der bekannten Drehzahl- Abhängigkeit an jedem Staurohr (9) einzustelien, wobei je Staurinne (9.s) vorzugsweise mehrere Staurohre (9) am Umfang eintauchen.
Der Abstand D zur Abtropfnase (8.n) sorgt abhängig von der Aufstellungsorientierung des Verdichters (stehend oder liegend) dafür, dass Leckagewasser der Staurinne (9.s) wieder zugeführt wird.
Fig. 4: Beispielhaft dargestellt als vergrößerte Abbildung aus Fig. 1 für den Auslass- Bereich (1.2) strömt das zugeführte Druckwasser (16) zunächst zur Motorachswasserkühlung (4.a) und dann als Druckwasserzuführung (7z) zum Axial- Wassergleitlager (7) sowie als Druckwasserzuführung (6z) zum Radial- Wassergleitlager (6.2) auf der Auslass-Seite.
Dabei trägt das Axial-Wassergleit-Hauptlager (7.1) über den orts- und gestellfeste Abstützring (7.3) die Axialkraft Fax mit dem Widerlager (7.2) zur axialen Positionssicherung jedes Spindelrotors in Rotorlängsachsrichtung,
Dabei kann die Motorachswasserkühlung (4.a) natürlich alternativ über ein zusätzliches Innenrohr zur getrennten Zu- und Abführung auch als eigener Kreislauf ausgeführt werden und die Druckwasserzuführungen (6z und 7z) zum Axial- Wassergleitlager sowie zum Radial-Wassergleitlager auf der Auslass-Seite unabhängig von der Motorachswasserkühlung (4,a) separat erfolgen, wenn beispielsweise besondere Temperatur-Anforderungen zu erfüllen sind.
Vorzugsweise können folgende Merkmale vorgesehen sein, einzelne oder mehrere von ihnen:
Das Trägerrohr (12) kann auch gleich als Spindelrotorkörper (2 und 3) ausgeführt werden. Die Rotorinnen-Verdampferkühlung (10) ist möglich, aber nur eine Option, weil die Einspritzung W.i wahrscheinlich ausreichen wird. Die Zähnezahl je Spindelrotor (2 und 3) ist vorzugsweise mit 2 zahnigem Gasförder-Außengewinde bzw. vorzugsweise mit 3 zähnigem Gasförder-Außengewinde. Vorzugsweise sind die beiden Spindelrotoren jedoch 2-zähnig ausgeführt. Dadurch ergibt sich ein Vorteil identischer Bauteile. Die Radial- und Axial-Wassergleitlager (6 und 7) sind ein wichtiges Merkmal. Gleichwohl ist es möglich, dass statt dieser Wassergieitlager einfach klassische Wälzlager kinematisch invers verwendet werden, also Lagerinnenring stehend und Lageraußenring drehend ausgeführt. Das Radial- und Axial-Wassergleitlager (6 und 7) ist also nur die beste Option, aber nicht die einzige Ausführung. In der ausführlichen Beschreibung der einzelnen Elemente sind die Merkmale der vorliegenden Erfindung mit den nachfolgenden Erläuterungen zu den Zeichnungen bzw. Fig. Darstellungen nicht einschränkend dargestellt.
Ein Verdichtergehäuse 1 ist vorzugsweise mit einer Einlass-Seite (1.1) mit Druck pl und einer Auslass-Seite (1.2) mit p2 bei einlassseitig mind. 15%-ig größerem Abstand der Spindelrotorachsen als auslassseitig ausgeführt, wobei das Verdichtergehäuse vorzugsweise zugleich den Verdampferraum (13) mit dem Druck pl und der Verdampfungs-Temperatur tO vom Verflüssigerraum (14) mit dem Druck p2 und der Kondensations-Temperatur tC über eine in diesem Bereich vorzugsweise zylindrische 0G.1-Geh useform trennt, wobei das für einige Anwendungen per Kühistrom (l.K) gekühlte Verdichtergehäuse vorzugsweise mit einer Isolierung (l.i) zum Verflüssigerraum (14) versehen wird.
Ein Spindelrotor 2 ist vorzugsweise mit 2-zähnigem Gasförder-Außengewinde, welches vorzugsweise aus einer Alu-Legierung besteht, kurz "2z-Rotor" genannt, ausgeführt und an jedem stirnseitigen Ende über Wassergleitlagerbuchsen (6) auf seiner eigenen Trägerachse (5) abgestützt.
Ein Spindelrotor 3 ist vorzugsweise mit 3-zähnigem Gasförder-Außengewinde, welches vorzugsweise aus einer Alu-Legierung besteht, kurz "3z-Rotor" genannt, ausgeführt und an jedem stirnseitigen Ende über Wassergleitlagerbuchsen (6) auf seiner eigenen Trägerachse (5) abgestützt.
Ein Außenläufer-Motor 4 für jeden Spindelrotor ist vorzugsweise als Synchronmotor ausgeführt und/oder zwischen beiden Spindelrotor-Lagern (6) im Rotorinneren (also unterhalb des Gasförder-Außengewinde-Fußkreises) positioniert. Dabei können die Motorkabel (4.K) per Zentralbohrung in der Trägerachse (5) aus dem Verdichter geführt werden. Es kann eine elektronische Motorpaar-Synchronisation (20) für den berührungsfreien Arbeitslauf der Spindelrotorpaarung im Betrieb ausgeführt sein.
Ein Motorstator 4.1 ist vorzugsweise mit Motorkabeln (4.K) und vorzugsweise vergossenen Motorwicklungen ausgeführt, wobei dann vorzugsweise das Statorpaket dreh- und ortsfest auf jeder Trägerachse (5) sitzt und vorzugsweise unter dem Druck pl steht und über die Motorachswasserkühlung (4.a) die Motorverlustwärme über den Druckwasserstrom (16) abgeführt wird.
Ein Motorrotor 4.2 ist vorzugsweise drehfest mit dem jeweiligen Spindelrotor (2, 3) verbunden, vorzugsweise ist er mit Permanentmagneten ausgeführt, mit dem Innen- Radius R.M und hinsichtlich der Zentrifugalkräfte entsprechend gesichert
Eine gestelh/ortsfeste Trägerachse 5 für jeden Spindelrotor ist vorzugsweise über die gesamte Rotorlänge durchgehend ausgebildet und je Seite von Achsträgern (8.1 und 8.2) gehalten, die sich am Verdichtergehäuse (1) abstützen, wobei vorzugsweise zur gezielten Spieleinstellung die axiale Positionierung jedes Spindelrotors im Verdichtergehäuse vorzugsweise über Wellenmuttern (5.W) an jedem Ende der Trägerachse (5) und/oder über Schälscheiben (S.s) zwischen den Achsträgern (8) und dem Verdichtergehäuse (1) erfolgt.
Ein Radial-Wassergleitlager 6 ist vorzugsweise als Gleitlager mit dem Prozesswasser als Schmiermedium zur Aufnahme der Spindelrotor-Radialkräfte mit einer rotorfest drehenden Gleitlagerlaufbuchse (6.b) mit kurzer Abstützlänge (a.L) ausgeführt, wobei "kurz" kleiner (also vorzugsweise etwa mindestens um Faktor 3 bis 5 kleiner) als der Gleitlagerradius R.A beim Gleitlagerspalt (6.s) bedeutet, und einer
vorzugsweise gezielt angepassten Gegenlauffläche (6.g) auf der Trägerachse (5) sowie mit Druckwasserzuführung (6.z), wobei als Gleitlager-Werkstoff vorzugsweise ein Keramik-Material zu wählen ist.
Ein Axial-Wassergleitlager 7 dient zur Aufnahme der Axialkräfte jedes Spindeirotors. Das Axial-Wassergleit-Hauptlager 7.1 dient zur Aufnahme der Axialkräfte, die im Betrieb des Verdichters durch die Druckdifferenz Dr = p2 - pl sowie abhängig von der Verdichter-Aufstellung (stehend / liegend) durch die Gewichtskräfte erzeugt werden. Das Axial-Wassergleit-Widerlager 7, ' 2 dient zur axialen
Rotorgegenpositionierung und als Widerlager zum Axial-Wassergleit-Hauptlager
(7.1), wobei an dieser Lagerstelle am kleineren Innen-Durchmesser der Druck pl anliegt und am Außen-Durchmesser der Druck p2 herrscht, also die nötige Drucktrennung bei der (vorzugsweise) durchgehenden Trägerachse (5) erfolgt.
Ein mit der Trägerachse fest verbundener Abstützring 7.3 hat Druckwasserzuführungen (7.z) zu jeder Axialgleitlagerfläche, wobei über die Querschnitte und Anzahl dieser Zuführungen die jeweilige Druckwassermenge spezifisch zu jedem Wassergleitlager eingestellt wird.
Ein Achsträger 8 dient zur Fixierung und Aufnahme jedes Trägerachs-Endes mit Abstützung am Verdichter-gehäuse (1) auslassseitig als (8.2) und einlassseitig als
(8.1) und ist über Kragarme (8.K) ausgeführt, um insbesondere am Einlass (1.1) den Durchtritt des Fördermediums zu ermöglichen.
Staurohre 9 dienen zur Rückführung (9.r) des aus den Gleitlagern austretenden Lagerschmierungswassers mit Staurinne (9.s) zur Sammlung dieses Wassers über die Durchlass-Öffnungen (9.d), die sowohl Wasser als auch Wasserdampf aus dem Rotorinnen-Achsraum passieren lassen, vorzugsweise mit Ausbildung des Zentrifugal-Wasserrings, in den die gekröpften Staurohr-Enden (9,e) zielgerecht eintauchen, wobei die zum Sammelbehälter (15) zurückzuführende Wassermenge (9,r) über Anzahl, Querschnitt und jeweilige Eintauchtiefe der Staurohre angepasst wird, und zudem Leckagewasser per Abstand D zur Abtropfnase (8.n) der Staurinne (9.s) zugeführt wird, und über unterschiedlich tiefes Eintauchen sowie entsprechende Querschnitts-Gestaltung die abzuführende Wassermenge eingestellt wird, wobei das gekröpfte Staurohrende (9,e) sowohl die Montage als auch die Positionierung (insbes. die Eintauchtiefe mit dem Spaltabstand s.r zum Rinnenboden) gezielt ermöglicht.
Die Rotorinnen-Verdampferkühlung ist für alle Applikationen mit besonderen Temperatur-Anforderungen zylindrisch ausgeführt unter den Druck pl mit gezielter Wasser-Zuführung (10. z) per Zuführrohr (10. r) und Dampfaustritt (10. d) auf der Einlass-Seite (1.1).
Mindestens eine Wasserpumpe 11 ist extern (separat) zur Versorgung der Gleitlager mit Druckwasser reguliert hinsichtlich Druck und Voiumenstrom, z.B. mit 7 bar bei 6 Liter/min vorgesehen, wobei üblicherweise das Axialgleitlager (7) mehr Wasser als das Radialgleitlager (6) benötigt, was über die Ausführung hinsichtlich Durchmesser und Anzahl der Zuführbohrungen (6.z und 7.z) erfolgt, wobei die Wasserpumpe (11) insbesondere beim Start des Verdichters zunächst den Wassergleitlagern (6 und 7) die erforderliche Wassermenge für den sogen, "hydrostatischen" Schmierfilmaufbau zuführt, was besonders beim Starten für ein Radiallager mit stehender Achse und rotierender Laufbuchse wichtig ist, weil der Aufbau des hydrodynamischen Schmierfilms durch die Rotationsbewegung anders als bei zentral drehender Welle erfolgt. Die Wasserpumpe (11) bedient sich aus dem Sammelbehälter (15), der geodätisch um die Höhendifferenz Ah oberhalb der Wasserpumpe (11) angeordnet ist, wobei mit zunehmender Verdichter-Drehzahl die Wasserpumpe (11) durch die Staurohrpumpen (9) entlastet wird, indem die Staurohrpumpen (9) drehzahlabhängig zunehmend mehr Wasserdruck aufbauen.
Das Trägerrohr 12 dient zur Erzeugung der erforderlichen Biegesteifigkeit, insbesondere durch die Materialwahl (beispielsweise als rostfreier Stahl) für jede Spindelrotor-Rotationseinheit, wobei der Spindeltotor-außengewindekörper (vorzugsweise aus einer Alu-Legierung bestehend) sich auf diesem Träger- rohr außen drehfest abstützt und dieses Trägerrohr auf der Innenseite sowohl die Wassergleitlager hält als auch den Motorrotor (4.2) zur Einleitung der
Antriebsleistung in den Spindelrotor, um die Verdichteraufgabe zu erfüllen.
Der Verdampferraum 13 steht im Betrieb unter dem Druck pl und hat eine Topfhaube (13.h) am Verdichtergehäuse (1), über dessen vorzugsweise 0G.1- Gehäusegestaltung er in diesem Bereich abdichtend gehalten wird, er ist vorzugsweise mit einer wärmetechnischen Isolierung (13. i) versehen.
Der Verflüssigerraum 14 steht im Betrieb unter dem Druck p2 steht. Er hat eine Topfhaube (14. h) am Verdichtergehäuse (1), über dessen vorzugsweise 0G.1- Gehäusegestaltung er in diesem Bereich abdichtend gehalten wird.
Der Sammelbehälter 15 für das Prozesswasser steht geodätisch um Ah über der Wasserpumpe (11), er ist vorzugsweise nicht nur für das Rückführwasser (9.r), sondern auch für Systemwasser (S.W) vorgesehen. Der Druckwasserstrom 16 wird von der Wasserpumpe (11) gefördert und am ausiassseitigen Ende jeder Trägerachse (5) zentral zugeführt. Wobei dieses Wasser vorzugsweise zunächst die Motorachswasser-kühlung (4,a) durchströmt und dann über Zuführungen (7.z) zum Axial-Wassergleitlager (7) sowie über die Zuführung (6.z) zum auslassseitigen Radial-Wassergleitlager (6.2) an jedem Spindelrotor strömt. Wobei am einlassseitigen Ende jeder Trägerachse die Wasserzuführung (6.z) ebenfalls von der Wasserpumpe reguliert unter dem geforderten Druck und Volumenstrom erbracht wird, wobei applikationsspezifisch per Wärmetauscher (16. W) die Wassertemperatur je Teilstrom zur Leistungs-optimierung gezielt eingestellt wird, und außerdem die Wasserpumpe auch die Wasser-Einspritzung (W.i) mit Sprühnebel-Bildung in den Verdichter-Arbeitsraum übernimmt, um die Verdichter-Effizienz zu erhöhen, wobei die Wasserpumpe (11) für die verschiedenen Betriebsbedingungen gezielt regulierbar ist (dargestellt durch den Pfeil in dem Symbol) hinsichtlich Volumenstrom und erzeugtem Druck, wobei jeder
Wärmetauscher (16. W) in jedem der genannten Druckwasser-Teilströme die Wassertemperatur in jedem Betriebspunkt einstelit, um den geringsten Gesamtenergiebedarf zu erreichen.
Der Wärmetauscher 16. C dient zur externen Wärmeabführung bei
"Direktverflüssigung" über Kühlung für kondensiertes Wasser (W.C), welches dann zurückgeführt als "Regentropfenwald" (R.T) zur direkten Kontakt-Kondensation im Verflüssigerraum (14) genutzt wird.
Ein Wärmetauscher 16. W ist in den Druckwasser-Zuführungen zu folgenden Stellen angeordnet: :
• Druckwasserzufluss (6.Z.1) zum Radial-Wassergleitlager (6.1) auf der Einlass-Seite
• Druckwasserzufluss (6.Z.2) zum Radial-Wassergleitlager (6.2) auf der Auslass- Seite
• Druckwasserzufluss (7.z) zum Axial-Wassergleitlager (7)
• Druckwasserzufluss (16) zum Motorachswasserkühlung (4.a)
• Druckwasserzufluss (W.i) zur Einspritzung in den Verdichter-Arbeitsraum sowie applikationsspezifisch außerdem mit gezielter (Kühl-)Wasserzuführung zu folgenden Stellen:
• Rotorinnenkühlung (10) • Gehäusekühlung (l.K).
Wenn beispielsweise bei Stromausfail die elektronische Motorpaar-Spindelrotor- Synchronisation 20 zunächst zwar in generatorischen Betrieb geht, um synchronisiert (also ohne mechanische Berührung zwischen den Spindelrotoren) gezielt herunterzufahren, aber bei geringen Drehzahlen die kinetische Energie zur Stromversorgung nicht mehr ausreicht, dann sorgt eine Notfall-Synchro-Verzahnung 17 dafür, dass die kritische Berührung zwischen den Arbeitskammerflanken des Gasförder-Außengewindes beider Spindelrotoren (2 und 3) vermieden wird, wobei es bei der Ausführung zur elektronischen Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation (20) auch Lösungen gibt, bei denen diese Notfall-Synchro, -Verzahnung entfällt, also gar nicht mehr eingebaut wird.
Eine Siphon-Verbindung oder weiterreden dient 18 zur Wasser-Umführung am Motor mit zur Einlass-Seite führenden Austritt-bohrungen (18.a) für den Fall, dass der Motor (4) größer auszuführen ist, also wenn R.M > R.R ist.
Anzustreben ist insbesondere bei der Motorauslegung jedoch vorzugsweise folgende Bedingung :
R.M < R.R.
Eine Vakuumpumpe 19 mit entsprechender Wasserdampfverträglichkeit wird zur Erzeugung des Unterdrucks in dem R718-Gesamtsystem, insbesondere genutzt, um Fremdgase, die in das R718-Vakuumsystem eingedrungen sind, als Evakuierungsvorgang bei Betriebsstillstand wieder abzupumpen.
Eine elektronische Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation 20 (als Blockkasten mit pC + 2FU dargestellt) hat einen Mikro-Controller (als pC gezeigt), der die beiden Frequenzumrichter (als FU benannt) zu jedem Antriebsmotor (4) für jeden Spindelrotor (2 und 3) derart reguliert (steuert), dass die beiden Spindelrotoren im Betrieb ohne Berührung gegensinnig rotierend arbeiten.
Wenn der Außenläufer-Motor (4) einen Luftspalt-Radius R.M kleiner als der
Staurinnenwasser-Radius R.R hat, strömt jegliches Wasser im Rotorinnenraum über ein stetiges Radius-Gefälle fliehkraftbedingt vom Motor (4) zur Staurinne (9.r) und führt dabei Verlustwärme insbesondere durch seine teilweise Verdampfung ab.
Vorzugsweise ist mindestens ein Achsträger (8) vorgesehen und ist je Spindelrotor die Trägerachse (5) an jedem Ende über Achsträger (8) drehfest gehalten. Dabei wird vorzugsweise die axiale Positionierung insbesondere zur gezielten
Spieleinsteliung zwischen Spindelrotorkopf und Verdichtergehäuse- Arbeitsraumbohrung über eine nichtzylindrische Spindelrotoraußenform erreicht und erfolgt vorzugsweise über Wellenmuttern (5.W) und/oder Schälscheiben (5.s).
Um bei einer Verdichtung von Wasserdampf als R718 insbesondere für die Kälte-, Klima- und Wärmepumpen-Technik das zuverlässige und effiziente Betriebsverhalten zu verbessern bei gleichzeitig geringerem Bauvolumen sowie reduzierten Anschaffungs- und Betriebs-Kosten, werden für eine 2-Wellen- Rotationsverdrängermaschine bei jedem Spindelrotor (2 und 3) Radial- und Axial-Wassergleitlager (6 und 7) auf einer feststehenden durchgehenden
Trägerachse (5) mit integriertem Außenläufer-Motor je Spindelrotor (2 und 3) bei elektronischer Motorpaar-Synchronisation (20) vorgeschlagen, wobei
Staurohrpumpen (9) an jedem Spindelrotorende das aus den Wassergleitlagern (6 und 7) austretende Wasser aufnehmen und drehzahlabhängig die
Wasserpumpe (11) zur Druckwasserversorgung (16 sowie 6.z und 7„z)
entlasten, wobei außerdem die Trennung zwischen pl als Einlass- und p2 als Auslass-Druck des Verdichters an der durchgehenden Trägerachse (5)
vorzugsweise am Axial-Wassergleit-Widerlager (7,2) erfolgt, sowie überdies an jedem Spindelrotor die Biegesteifigkeit per Trägerrohr (12) erzeugt wird.
Bezugszeichenliste
1 Verdichtergehäuse
1.1 Verdichter-Einlass-Seite im Betrieb mit dem Druck pl
1.2 Verdichter-Auslass-Seite im Betrieb mit dem Druck p2 l.K Gehäuse-Kühlstrom
1.1 Gehäuse-Isolierung
2 Spindelrotor
3 Spindelrotor
4 Außenläufer-Motor
4.1 Motorstator
4.2 Motorrotor
4.a Motorachswasserkühlung
4.K Motorkabel
5 Trägerachse
5.s Schälscheiben
5.W Wellenmuttern
6 Radial-Wassergleitlager
6.1 Radial-Wassergleitlager auf der Verdichter-Einlass-Seite (1.1), wo der
Druck pl herrscht 6.2 Radial-Wassergleitlager auf der Verdichter-Auslass-Seite (1.2), wo der Druck p2 herrscht
6.b Gleitlagerlaufbuchse, drehfest am jedem Ende des jeweiligen Spindelrotors (2, 3)
6.g Gegenlauffläche auf der gestellfesten Trägerachse (5)
6.s Gleitlagerspalt zwischen Gleitlagerlaufbuchse (6.b) und Gegenlauffläche (6.g)
6.z Druckwasserzuführungen zum Radial-Wassergleitlager
7 Axial-Wassergleitlager
7.1 Axial-Wassergleit-Hauptlager
7.2 Axial-Wassergleit-Widerlager
7.3 Abstützring
7.z Druckwasserzuführungen zum Axial-Wassergleitlager
8.K Kragarme
8.1 einlassseitige Kragarme
8.2 auslassseitige Kragarme
8.n Abtropfnase
9 Staurohre
9,d Durchlass-Öffnungen
9.e Staurohr-Ende
9.r Wasserrückführung per Staurohr
9.s Staurinne WO 2019/166311 PCT/EP2019/054282 Rotorinnen-Verdampferkühlung
Dampfaustritt
Zuführrohr
Wasserzuführung
Wasserpumpe
Trägerrohr
Verdampferraum
Verdampferraum-Topfhaube
Verdampferraum-Isolierung
Verflüssigerraum
Verflüssigerraum-Topfhaube
Sammelbehälter
Druckwasserstrom
Wärmetauscher
Wärmetauscher
Notfall-Synchro. -Verzahnung
Siphon-Verbindung
Vakuumpumpe
Elektronische Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation Liste der Kennzeichnungen:
0G.1 Durchmesser am Verdichtergehäuse (1) im vorzugsweise zylindrischen
Trenn-Bereich von Verdampferraum (13) und Verflüssigerraum (14) a.L Abstützlänge zwischen Gleitiagerbuchse (6.b) und Achsträger (8), wobei der Wert für (a.L) vorzugsweise um mindestens Faktor 3 bis 5 kleiner ist als der Gieit!agerspalt-Radius (R.A)
D Abstand zwischen Abtropfnase (8.n) und Staurinne (9.s), um abhängig von der Aufsteliungsorientierung der Verdichtermaschine (stehend oder liegend) Leckagewasser der Staurinne (9.s) zuzuführen
Ah geodätische Höhendifferenz, um die der Sammelbehälter (15) über der
Wasserpumpe (11) steht
Fsx Axialkräfte je Spindelrotor, entstehend durch die Druckdifferenz zwischen p2 und pi sowie abhängig von der Verdichteraufstellung (also stehend oder liegend) die Rotorgewichtskräfte
R.A Radius im Gleitlagerspalt (6.s) am Radial-Wassergleitlager (6)
R.M Innen-Radius (auch Luftspalt-Radius) des Motorrotors (4.2), der vorzugsweise stets kleiner als der Staurinnenwasser-Radius R.R ausgeführt wird.
R.R Radius zum Staurinnenwasser, welches von mehreren Staurohren (9) als
Rückstrom (9.r) gefördert wird, wobei der Wert für R.R vorzugsweise nicht kleiner als R.M ausgeführt wird, damit im Motorbereich das Wasser fiiehkraftbedingt zu jeder Staurinne (9.s) an jedem Spindelrotorende getrieben wird.
R.T Regentropfenwald als Oberflächen-Maximierung zur direkten Kontakt- Kondensation im Verflüssigerraum (14) s.r Spaltabstand des jeweiligen Staurohr-Endes (9.e) zum Boden der
Staurinne (9.r) S.W Systemwasser zur Erfüllung der Kernaufgabe des R718-
Verdrängerverdichtersystems:
• Verdampfung mit Wärmeaufnahme im Verdampferraum (13) unter dem Druck pi
• Verdichtung von R718 vom Druck pi auf Druck p2 in der
Verdrängermaschine mit den beiden gegenläufigen Spindelrotoren (2 und 3)
• Verflüssigung (vorzugsweise als "Direktverflüssigung" ausgeführt) mit Wärmeabgabe im Verflüssigerraum (14) unter dem Druck p2
W.C Kondensiertes Wasser zur "Direktverflüssigung" über den externen
Wärmetauscher (16. c) gekühlt und dann zurückgeführt als
"Regentropfenwald" (R.T) im Verflüssigerraum (14) zur direkten Kontakt- Kondensation unter dem Druck p2 genutzt
W./ Wassereinspritzung in den Verdichter-Arbeitsraum, vorzugsweise als feiner
Sprühnebel und etwa im Bereich der halben Rotoriänge mit ± 30%

Claims

Patentansprüche
1. R718-Verdichter mit einer 2-We!!en-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien, vorzugsweise Wasserdampf, die ein Verdichtergehäuse (1), das einen Verdichter-Einlass (1.1) und einen Verdichter-Auslass (1.2) hat, und ein in diesem Verdichtergehäuse (1) gelagertes Spindelrotorpaar (2 und 3) aufweist, wobei im Betrieb ein Druck Pi am Verdichter-Einlass (1.1) und ein gegenüber pl höherer Druck p2 am Verdichter-Auslass (1.2) herrschen,
dadurch gekennzeichnet, dass
für jeden Rotor (2, 3) des Spindelrotorpaars (2 und 3) eine feststehende und durchgehende Trägerachse (5) im Verdichtergehäuse (1) angeordnet ist, und zur elektronischen Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation (20) der Antrieb jedes Spindelrotors (2 und 3) jeweils als Außenläufer-Motor (4), vorzugsweise als Synchronmotor, ausgeführt ist, wobei ein Motorstator (4.1) des Außenläufer- Motors (4) mit seinen Wicklungen auf der Trägerachse (5) fest montiert ist und ein Motorrotor (4.2) des Außenläufer-Motors (4) drehfest mit dem Spindelrotor verbunden ist.
2. R718-Verdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdichter Wassergleitlager (6 und 7) für die Lagerung jedes Spindelrotors (2 und 3) aufweist, wobei jeweils an jedem Ende eines jeden Rotors (2, 3) ein Wassergleitlager (6 und 7) vorgesehen ist, dass jedes Wassergleitlager (6 und 7) eine Laufbuchse (6.b), die drehbar auf der Trägerachse (5) angeordnet ist, und ein Axial-Wassergleitlager (7) aufweist, das einen im Verdichtergehäuse (1) befestigten Abstützring (7.3) hat.
3. R718-Verdichter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Außenläufer-Motor (4) einen Luftspalt-Radius R.M kleiner als der Staurinnenwasser-Radius R.R hat.
4. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Wasserpumpe (11) für die Druckwasserversorgung der Wassergleitiager (6 und 7) vorgesehen ist, dass die Druckwasserversorgung vorzugsweise einen Sammelbehälter (15), der sich geodätisch oberhalb der Wasserpumpe (11) befindet, aufweist, und dass vorzugsweise die Wasserpumpe (11) insbesondere beim Starten des Verdichters für den nötigen hydrostatischen Wasserdruck in jedem Wassergleitlager (6 und 7) bei jedem Spindelrotor sorgt.
5. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine Staurohrpumpe (9) vorgesehen ist, die an jedem Spindelrotorende das aus den Wassergleitlagern (6 und 7) austretende Wasser aufnehmen und dem gegebenenfalls vorhandenen Sammelbehälter (15) zuführen, und dass vorzugsweise die Wasserpumpe (11) mit zunehmender Verdichter-Drehzahl (vorzugsweise) durch die Staurohrpumpen (9) entlastet wird.
6. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drucktrennung zwischen pi und p2 an der durchgehenden Trägerachse (5) am Axial-Wassergleit-Wideriager (7.2) erfolgt, und dass vorzugsweise am größeren Radius der höhere Druck p2 und am kleineren Radius der geringere Druck pi anliegt.
7. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Achsträger (8) vorgesehen ist, und dass je Spindelrotor die Trägerachse (5) an jedem Ende über Achsträger (8) drehfest gehalten ist, und dass vorzugsweise die axiale Positionierung insbesondere zur gezielten Spieleinstellung zwischen Spindelrotorkopf und Verdichtergehäuse- Arbeitsraumbohrung über die nichtzylindrische Spindelrotoraußenform vorzugsweise über Wellenmuttern (5.W) und/oder Schälscheiben (5.s) erfolgt.
8. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Spindeirotor (2, 3) mit einem Trägerrohr (12) derart ausgestattet ist, dass die erforderliche Biegesteifigkeit erzielt wird, wobei auf jedem Trägerrohr der Fördergewinderotor mit dem Gasförder-Außengewinde drehfest sitzt, der applikationsspezifisch mit zylindrischer Rotorinnen-Verdampferkühlung (10) unter dem Druck pi mit Wasserversorgung mittels Zuführrohr (10. r) und Wasserdampf- Austritt (10. d) auf der Einlass-Seite (1,1) ausgeführt wird.
9. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei jedem Staurohr (9) über dessen gekröpftes Rohrende (9.e) durch Drehung des Staurohrs bei der Montage mit dem Spaltabstand (s.r) zum Boden der Staurinne (9.s) die Eintauchtiefe in den durch die Fliehkräfte erzeugten Wasserring in der Staurinne (9,s) derart gezielt eingestellt wird, dass über Anzahl und Positionierung der Staurohrpumpen deren geförderte Wassermenge (9.r) stets im Gleichgewicht zu den Wasserzuführmengen (6z und 7z) je Spindelrotorseite steht, wobei die Staurinne (9.r) mit dem austretenden Wasser der Wassergieitlager (6 und 7) gefüllt ist und dieses Wasser durch die Fliehkräfte einen Wasserring in der Staurinne (9.s) bildet.
10. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Spindelrotor (2 und 3) als fertig montierte und komplett gewuchtete Rotationseinheit ausgeführt wird, wobei für den Fall, dass die Notfall-Synchro. - Zahnräder (17) für die elektronische Motorpaar-Spindelrotor-Synchronisation (20) benötigt werden, diese Notfall-Synchro. -Zahnräder (17) auf der Auslass- Seite jedes Spindelrotors positioniert werden.
11. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das eine Steuerung für des von der Wasserpumpe (11) gelieferten Druckwassers (16 und als Zuführung 6.z und 7,z zu den Wassergleitlagern) vorgesehen ist, die vorzugsweise so arbeitet, dass im Betrieb gezielt die Wasserpumpe (11) hinsichtlich Druck und Volumenstrom sowie temperaturmäßig über den Wärmetauscher (16. W) derart reguliert wird, dass die Lagerverluste minimiert werden.
12. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Radiaikräfte an jedem Spindelrotor-Ende über Laufbuchsen (6.b) drehend auf einer feststehenden und durchgehenden Trägerachse (5) mit geringer*0* (*°* in der Bezugszeichenliste benannt) Abstützlänge (a.L) abgestützt werden und die Axialkräfte jedes Spindelrotors über Axial-Wassergleitlager (7, als 7.1 und 7.2) vom gestelltesten Abstützring (7.3) ebenfalls von dieser Trägerachse (5) aufgenommen werden, wobei jede Trägerachse (5) über Achsträger (8) mit Kragarmen (8.K) am Verdichtergehäuse (1) befestigt ist,
13. R718-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Motorveriustwärme über die Achswasserkühlung (4.a) maßgeblich abgeführt wird und der Außenläufer-Motor (4) im Betrieb unter dem Druck pl steht und seine Motorkabel (4.K) in einer Bohrung der Trägerachse (5) vorzugsweise zur Einlass-Seite (1.1) herausgeführt werden.
PCT/EP2019/054282 2018-02-27 2019-02-21 Lagerung und antrieb für einen r718-verdichter WO2019166311A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018001519.0 2018-02-27
DE102018001519.0A DE102018001519A1 (de) 2018-02-27 2018-02-27 Lagerung und Antrieb für einen R718-Verdichter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019166311A1 true WO2019166311A1 (de) 2019-09-06

Family

ID=65529684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/054282 WO2019166311A1 (de) 2018-02-27 2019-02-21 Lagerung und antrieb für einen r718-verdichter

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018001519A1 (de)
WO (1) WO2019166311A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019002297A1 (de) 2019-03-31 2020-10-01 Steffen Klein Erweiterung des R718-Einsatzbereichs
DE102020000350A1 (de) 2020-01-21 2021-07-22 Ralf Steffens Volumenverhältnis bei einem R718*-Verdichter
DE102021000435A1 (de) 2021-01-29 2022-08-04 Ralf Steffens Aktuatore zum Volumenverhältnis beim R718*-Verdichter

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999013224A1 (en) * 1997-08-25 1999-03-18 Svenska Rotor Maskiner Ab Oil-free screw rotor apparatus
DE19809957A1 (de) * 1998-03-07 1999-09-09 Pfeiffer Vacuum Gmbh Mehrwellenvakuumpumpe
DE102013009040A1 (de) * 2013-05-28 2014-12-04 Ralf Steffens Spindelkompressor mit hoher innerer Verdichtung
DE102014008288A1 (de) * 2014-06-03 2015-12-03 Ralf Steffens Spindelverdichter für Kompressionskältemaschinen
WO2016048773A1 (en) * 2014-09-23 2016-03-31 Afshari Thomas System to pump fluid and control thereof
US20160186757A1 (en) * 2014-12-31 2016-06-30 Ingersoll-Rand Company Compressor with a closed loop water cooling system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999013224A1 (en) * 1997-08-25 1999-03-18 Svenska Rotor Maskiner Ab Oil-free screw rotor apparatus
DE19809957A1 (de) * 1998-03-07 1999-09-09 Pfeiffer Vacuum Gmbh Mehrwellenvakuumpumpe
DE102013009040A1 (de) * 2013-05-28 2014-12-04 Ralf Steffens Spindelkompressor mit hoher innerer Verdichtung
DE102014008288A1 (de) * 2014-06-03 2015-12-03 Ralf Steffens Spindelverdichter für Kompressionskältemaschinen
WO2016048773A1 (en) * 2014-09-23 2016-03-31 Afshari Thomas System to pump fluid and control thereof
US20160186757A1 (en) * 2014-12-31 2016-06-30 Ingersoll-Rand Company Compressor with a closed loop water cooling system

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018001519A1 (de) 2019-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019166311A1 (de) Lagerung und antrieb für einen r718-verdichter
EP1984602B1 (de) Organic rankine zyklus (orc) - turbogenerator
EP2909452B1 (de) Vorrichtung zum erzeugen elektrischer energie mittels eines orc-kreislaufs
WO2019161950A1 (de) Kühlmittelpumpe mit optimierter lageranordnung und verbessertem wärmehaushalt
DE102017127574B3 (de) Kühlmittelpumpe mit anwendungsoptimiertem Aufbau und verbessertem Wärmehaushalt
WO1999019630A1 (de) Gekühlte schraubenvakuumpumpe
DE112014007108T5 (de) Elektrische Rotationsmaschine
WO1999019631A1 (de) Schraubenvakuumpumpe mit rotoren
DE102010064061A1 (de) Turboverdichter und Verfahren zur Verdichtung von Gas
DE19749572A1 (de) Trockenlaufender Schraubenverdichter oder Vakuumpumpe
DE112012002650T5 (de) Abwärmestromerzeuger
EP3424135A1 (de) Elektromotor, wärmepumpe mit dem elektromotor, verfahren zum herstellen des elektromotors und verfahren zum betreiben des elektromotors
DE2138152A1 (de) Turbomolekularvakuumpumpe
EP3423762A1 (de) Wärmepumpe mit konvektiver wellenkühlung
WO2019042638A1 (de) Kühlmittelpumpe mit anwendungsoptimiertem aufbau
DE202012006055U1 (de) Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels eines Organic-Rankine-Kreislaufs in Verbindung mit einem Turbinengenerator
EP3948105B1 (de) Thermische arbeitsmaschine mit einem kältemittel auf wasserbasis
EP3676544B1 (de) Wärmepumpe mit einer kühlvorrichtung zum kühlen eines leitraums und eines saugmunds
DE10334481A1 (de) Antrieb einer Spindelvakuumpumpe
EP3423763A1 (de) Wärmepumpe mit einer motorkühlung
EP2728132B1 (de) Speicherbehälter
EP2473739B1 (de) Trockene schraubenpumpe mit innerer verdichtung
WO2020064398A1 (de) Kompakt-gleitlager mit dichtungsanordnung und wasserpumpe mit demselben
DE102017220880B4 (de) Elektromotor, Wärmepumpe mit dem Elektromotor, Verfahren zum Herstellen des Elektromotors und Verfahren zum Betreiben des Elektromotors unter Verwendung einer Labyrinth-Dichtung
DE102018208170A1 (de) Vorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19707337

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19707337

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1