压缩装置和方法与流程

本发明涉及一种压缩装置和方法、以及一种制冷机。

更具体地，本发明涉及一种用于工作气体、尤其用于制冷机的离心压缩装置，该离心压缩装置包括形成多个相继和/或并行压缩级的多个离心压缩机和用于这些压缩机的多个驱动马达，该装置具有气体回路，该气体回路包括用于要压缩的气体的第一入口管线，该第一入口管线连接至第一压缩机的入口以将要压缩的气体输送到该第一压缩机中，该回路具有第二管线，该第二管线连接至所述第一压缩机的出口以排出在该第一压缩机中压缩的气体，该第二管线连接至第二压缩机的入口以将在该第一压缩机中压缩的气体输送到该第二压缩机中，以便进行第二压缩，该回路具有至少一个第三冷却管线，该第三冷却管线的一端连接至这些压缩机中的至少一个压缩机的出口，并且至少一个第二端连接至至少一个马达的入口，以用于将在该至少一个压缩机中压缩的一部分气体转移到该至少一个马达中，以便限制该至少一个马达变热。

在(电动)马达与一个或多个压缩轮之间使用直接驱动(即没有增速齿轮)的离心压缩机需要气流来排出马达中所产生的热量。此热量主要是由来自马达的损失和由转子与围绕该转子的气体之间的摩擦产生的。

通常，此冷却流在马达的一侧(在入口处)注入，并且在较高温度下从另一侧(在出口处)排出。冷却流还可以在马达的中部注入，并且从马达的两侧排出。

通常，还通过传热流体(水或空气或用于冷却定子的任何其他传热流体)在围绕马达的定子部分的回路中流动来排出更多或更少部分的热量。

为了防止压缩气体的损失或污染，流过马达以冷却马达的气体通常具有与压缩气体相同的成分。

为了限制所需装备的数量，使气体流过一个或多个马达所需的动力是由一个或多个压缩级(即由一个或多个压缩机)产生的。

有多个使用这种冷却技术的已知示例。

文献us6,64,469描述了使用离开第一压缩级的一部分气体来冷却马达。然后，将此气体返回到压缩机的入口。

文献us5,980,218描述了使用离开位于第一压缩级下游的冷却交换器的一部分气体来冷却马达。然后，将此气体返回到压缩机的入口。

文献us8,899,945描述了具有多个马达的架构。

然而，这些解决方案不适用于具有多个马达的架构和/或性能水平是不令人满意的。

本发明的一个目的是减轻如以上阐述的现有技术的一些或全部缺点。

为此目的，根据本发明的装置，虽然对应于以上前序部分中给出的一般定义，但其实质性特征在于，该第三冷却管线包括第一气体冷却构件和两个并行分支，这两个并行分支分别供应该装置的两个单独的马达，以便分别对这两个单独的马达进行冷却。

此外，本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个：

-该第三冷却管线包括一组控制阀，用于准许气流进入这两个并行分支，

-该组阀包括分别定位在这两个分支中的两个控制阀，

-该组阀包括定位在这两个分支的结合处的三通控制阀、或定位在这两个分支上游在该第三管线上的单个阀，

-该第一气体冷却构件包括由传热流体冷却的热交换器，

-该回路包括第四管线，这些第四管线将该第一马达的出口和该第二马达的出口连接至该第一压缩机的入口，以将用于限制这些马达变热的气体再循环到该第一压缩机，以便压缩所述气体，

-该回路包括至少一个第二气体冷却构件，该第二气体冷却构件布置在这些第四管线的路径上，以在来自这些马达的气体返回到该第一压缩机之前从所述气体中去除热量，

-这些压缩机直接由对应马达旋转驱动，

-该装置在该一个或多个马达与该一个或多个压缩机或一个或多个膨胀级之间包括一个或多个旋转接头，使得该一个或多个马达的腔体中的压力接近于该压缩机中的最低压力，即该压缩机的入口压力，

-该装置包括驱动一个或多个压缩机的至少一个马达和联接至一个或多个膨胀涡轮机的至少一个马达。

本发明还涉及一种在-100℃与-273℃之间的低温下的制冷机，该制冷机包括工作回路，该工作回路包含工作流体，该工作回路包括离心压缩装置和用于使得在该压缩装置中压缩的气体冷却和膨胀的装置，其特征在于，该压缩装置具有以上或以下所述的任何特征。

本发明还涉及一种用于工作气体、尤其用于制冷机的离心压缩方法，该离心压缩方法使用形成多个相继和/或并行压缩级的多个离心压缩机和用于这些压缩机的多个驱动马达，这些压缩机直接由这些马达旋转驱动，该方法包括：

-在第一压缩机中、然后在串联布置的第二压缩机中压缩工作气体的步骤，

-抽出离开这些压缩机中的至少一个压缩机的一部分压缩气体并且使此抽出的气体流过至少一个马达以便对该至少一个马达进行冷却的步骤，该方法包括对在该至少一个压缩机的出口处抽出的气体进行冷却的步骤、以及分配所述抽出的冷却气体并使其并行地流过两个单独的马达以便分别对这两个单独的马达进行冷却的步骤。

本发明还可以涉及包括以上或以下阐述的特征的任何组合的任何替代性装置或方法。

其他特征和优点在以下参考附图提供的描述中阐述，在附图中：

-图1和图2是局部示意图，分别示出了根据本发明的压缩装置的结构和操作的两个示例，

-图3是局部示意图，示出了包括这种压缩装置的冷却机的结构和操作的示例。

图1中示意性所示的压缩装置18包括形成两个相继压缩级的两个离心压缩机1、3(即，两个压缩轮)。

两个压缩机1、3中的每个压缩机由相应的驱动马达5、6(驱动马达优选地是电动的)驱动。

优选地，压缩机1、3直接由其对应的马达5、6旋转驱动。

装置18具有气体回路，该气体回路包括用于要压缩的气体的第一入口管线13，该第一入口管线连接至第一压缩机1的入口以将要压缩的气体输送到第一压缩机1中。

该回路具有第二管线14，该第二管线的上游端连接至所述第一压缩机1的出口以排出在该第一压缩机中压缩的气体。第二管线14所具有的下游端连接至第二压缩机3的入口以将已经在第一压缩机1中压缩的气体输送到第二压缩机3中，以便进行第二压缩(第二压缩级)。

该回路包括第三冷却管线15，该第三冷却管线的上游端连接至第一压缩机1的出口(例如，经由第二管线14)并且两个第二下游端分别连接至第二马达5、6的入口。换句话说，例如，第三管线15包括与第二管线14共享的部分。

换句话说，第三管线15在第一压缩机1与第二压缩机3之间形成来自第二管线14的旁路。

于是，这个第三管线可以是来自第二管线14的旁路(和/或单独的管线)。

换句话说，第三管线15抽出旨在供应第二压缩机3的压缩气体的一部分，以扫掠(冷却)两个马达5、6。这部分可以是从第一压缩机1出来的气流的1％和40％。

分别供应马达5、6的两个分支中的每个分支中的气流可以通过一组阀7、8(或任何其他适当的构件、尤其是比如孔口、毛细管等压差构件)来控制。在所示的示例中，分别位于两个并行分支中的两个阀7、8确保将压缩冷却气体分配到马达5、6。

在变体中，可以复制单个第三管线15。换句话说，两个单独的管线部分15分别连接至两个并行分支和连接至两个阀7、8或等效物。还可以有单个控制阀，该控制阀被定位在两个分支的共享部分(在第二管线14与连接至马达5、6的两个并行分支之间的管线部分)中。

此外，从第一压缩机1出来的压缩气体例如通过第一气体冷却构件2(比如与传热流体进行热交换的热交换器)优选进行冷却。

对旨在供应和冷却马达的气体的冷却可以在第三管线15上(在第二管线4与两个并行分支之间)和/或在下游(在并行分支上)进行。这个冷却构件(2或其他)的尺寸可以被确定成将气体冷却到较低的温度、例如0℃(例如经由冷却单元)，以改善对一个或多个马达的冷却。

因此，气体在被分配到第三管线的两个分支之前被冷却。

因此，这个冷却可以使用如图所示压缩机1的出口处和/或旁路15的下游和/或分支中的交换器2(或其他)、使用交换器或旨在将气体冷却到任何程度的任何其他构件来进行。

换句话说，该回路为两个马达5、6提供并行供应。然后，流过马达5、6的此气体经由第三管线11、12返回到第一压缩机1的入口。

如果需要，还可以使用第三管线11、12来从任何泄漏中回收气体(例如在靠近马达定位的接头中，例如旋转接头)。

在可能的非限制性示例中，将初始在5巴绝对压力和288k温度下的1.26kg/s的氮气流压缩到18.34巴绝对压力所需的机械功率为大约200kw(每个马达为100kw)。

例如，在第一离心压缩级(第一压缩机1)中将氮气压缩到8.87巴(绝对)，该第一离心压缩级具有95kw的功率和86％的典型等熵效率。然后，在交换器2中冷却压缩气体。如上所述，经由阀7和8抽出一部分气体，以冷却马达5和6。

然后，在第二离心压缩级3中再次将主流压缩到18.34巴绝对压力。此第二压缩机3例如具有95kw的功率和86％的典型等熵效率。然后，在输出热交换器4中冷却气体，然后将其输送到压缩装置18的出口20。

在马达5、6的100kw功/功率中，典型地5％被转化为热量(来自电动马达的损失和转子与氮气的摩擦而引起的损失)，即每个马达5、6为大约5kw。

然后，将在第一冷却交换器2的出口处的一部分氮气流通过第一阀7和第一分支9输送到第一马达5，以便对该第一马达进行冷却。

穿过马达5的气体的温度增加通过控制阀7来被典型地限制到30k(以限制马达5变热)。

这可以通过质量流＝功率/cp/δt＝5000/1048/30＝0.159kg/s来换算。

其中，cp＝气体(在这个示例中为氮气)的热容量，以j/kg/k为单位…。

δt＝在管线9与管线11之间的气体温度变化，以k为单位。

功率＝要由气体排出的来自马达的损失，以w单位。然后，流过马达5的气体经由第三管线11离开马达5并且返回到第一压缩机1的入口。

对于第二马达6，并行地发生相同的过程(经由阀8和管线10、12)。

在经由相应的第三管线11、12离开两个马达5、6后，318k(288k+30k增加)下的氮气与来自压缩机1的入口13的氮气混合。这可能将在第一压缩级1的入口处的氮气温度增加到294.5k，并且可能通过增加体积流而导致此压缩级1的能耗增加。

即使能耗增加了，但与已知解决方案相比，这种架构也提高了整体效率。实际上，以可接受的效率为代价来控制两个马达的温度。

如果需要并且如图2示意性所示，可以在回路中设置第二冷却构件17，以用于在从马达5、6出来的气体返回到第一压缩机1之前对其进行冷却。

换句话说，从一个或多个马达5、6出来的冷却气体在返回到压缩机1的主回路之前，例如可以使用热交换器17进行冷却。

通过在将所述气体返回到压缩机1的入口之前降低冷却气体的温度提高了装置的效率。

经由第三管线11、12来自马达5、6的此冷却气体优选被冷却到等于或接近于压缩机1的入口13处的气体温度的温度。

在图6的示例中，将在5巴初始绝对压力和288k温度下的1.26kg/s的氮气流压缩到18.34巴绝对压力所需的机械功率为大约198kw(第一马达5为98kw并且第二马达6为100kw)。

与前一装置相比，这使功耗降低1％。

在第一离心压缩级1中将氮气压缩到8.87巴(绝对)，例如该第一离心压缩级具有93kw的功率和86％的典型等熵效率。然后，在交换器2中冷却气体。经由阀7、8抽出一部分气体，以冷却马达5、6。

然后，在第二离心压缩级3中将主流压缩到18.34巴(绝对)。此第二压缩级例如具有95kw的功率和86％的典型等熵效率。然后，在第二热交换器4中冷却气体，然后将其输送到压缩装置(在这种情况下为第二压缩机3)的出口20。在分别由马达5、6供应的98kw和100kw功率中，典型地5％被转化为热量(来自电动马达的损失、转子与氮气的摩擦而引起的损失等)，即每个马达5、6为大约5kw。

然后，将在第一冷却交换器2的出口处的一部分氮气流通过第一阀7和分支9输送到马达5，以便对该马达进行冷却。穿过马达5的气体的温度增加通过控制阀7来被典型地限制到30k(以限制马达5变热)。

如前所述，这使得质量流等于功率/cp/δt＝5000/1048/30＝0.159kg/s。

然后，氮气经由第三管线11从马达5排出，并返回到热交换器17，然后返回到第一压缩机1的入口。

对于另一个马达6，执行相同的过程(冷却气体经由阀8、管线10和12、以及交换器17)。

在离开热交换器17后，288k下的氮气与来自压缩机1的入口13的氮气混合。这对在第一级1的入口处的氮气温度没有影响(与前一装置不同)。整体效率得到提高。

自然地，本发明不限于这些示例性实施例。

例如，可以在第二压缩级3和/或后面的压缩级的出口处抽出用于冷却马达5、6的冷却气体。

此外，多个压缩级可以由单个马达驱动。而且，一个或多个膨胀级(涡轮机)可以联接至马达中的至少一个马达。

此外，除了一个或多个压缩级1、2之外，一个或多个膨胀级(涡轮机、优选为向心涡轮机)可以安装在与一个或多个压缩机相同的驱动轴上。

此外，至少一个旁通阀可以安装在冷却回路上，比如以限制穿过一个或多个马达的流量。

流到马达5、6的冷却气流可以通过一个或多个膨胀构件7、8来控制。这个或这些构件可以有利地例如根据一个或多个马达的温度和/或冷却流量和/或冷却气体的温度来调节。

此外，这些膨胀构件7、8可以在必要时在气体进入一个马达或多个马达之前冷却气体。

因此，阀7、8可以由一个或多个涡轮机和/或兰克-赫尔胥(ranque-hilsch)涡流管代替或与其相关联。而且，这些构件7、8可以被定位在第二管线14与两个并行分支之间的管线15上。

此外，可以在一个或多个马达5、6与一个或多个压缩级1、3或一个或多个膨胀级之间使用旋转接头，使得马达的腔体中的压力接近于压缩机中的最低压力，即压缩机的入口压力13。这减少了一个或多个转子与气体之间的摩擦而引起的损失，因为这些损失与马达的腔体中的压力成比例。

如图3所示，压缩装置18可以是例如在-100℃与-273℃之间的低温下的制冷机的一部分，该制冷机包括工作回路10，该工作回路包含工作流体，该工作回路包括离心压缩装置18和用于使得在压缩装置18中压缩的气体冷却和膨胀的装置19。

工作气体可以全部或部分地由氮气、氦气、氢气、氖气、氩气、一氧化碳、甲烷、氪气、氙气、乙烷、二氧化碳、丙烷、丁烷和氧气构成。