DE102007047744B4

DE102007047744B4 - Ölabscheider

Info

Publication number: DE102007047744B4
Application number: DE102007047744.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mosemann Dieter
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2027-10-06
Also published as: DE102007047744A1

Abstract

Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl aus einem zweiphasigen Öl-Kältemitteldampfgemisch für Massenverhältnisse der Fluida Öl/Kältemitteldampf 1/1 oder größer, mit einem mechanischen Antrieb, bestehend aus einem rotierenden Teil, einer Trommel, die einen Zentrifugalabscheider mit drei Abscheidestufen aufweist, einen Vorabscheider einen Nachabscheider und einen Feinabscheider, welche gasseitig nacheinander durchströmt werden, wobei Vorabscheider und Nachabscheider durch einen Mantelteil der Trommel gebildet werden und der Feinabscheider durch ein Tellerpaket gebildet wird, mit einem druckfesten Umfassungsgehäuse, das für den maximal zulässigen Arbeitsdruck des Verdichters geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommelwand an ihrer radialen Umfangswand Öffnungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ölabscheider zur Abscheidung von Öl aus einem zweiphasigen Öl-Kältemitteldampfgemisch, das auf der Druckseite von ölgefluteten Verdichtern, wie z. B. Schraubenverdichtern, anzutreffen ist, der die Zentrifugalbeschleunigung infolge mechanischer Drehbewegung ausnutzt.
Solche mechanischen Zentrifugalabscheider werden durch einen eigenen Motor, zum Beispiel einen Hydraulikmotor, oder durch die größere Baueinheit, z. B. den Dieselmotor über geeignete Transmissionseinrichtungen mit angetrieben, realisiert. Solche Abscheider sind in verschiedenen Patenten, z. B. DE 749 024 A und DE 899 143 B , DE 103 00 729 A1 , DE 100 44 615 A1 beschrieben. Die vorgeschlagenen technischen Lösungen sind für kleine Ölmengen, wie sie in der Abluft von Kurbelgehäusen an Verbrennungsmotoren auftreten oder zur Partikelabscheidung in kleinen Staub- oder Öl-Konzentrationen aus Luft geeignet, nicht aber zur Abscheidung von großen Ölanteilen, wie sie auf der Druckseite von ölüberfluteten Schraubenverdichtern anzutreffen sind. Ein gattungsgemäßer Ölabscheider zur Abscheidung von Öl aus einem zweiphasigen Öl-Kältemitteldampfgemisch ist der DE 10 2007 040 515 A1 zu entnehmen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Zentrifugalabscheider zu entwickeln, der in der Lage ist, Öl abzuscheiden, auch wenn das Massenverhältnis der Fluida Öl/Kältemitteldampf 1/1 oder größer ist und Dichteverhältnisse dieser Fluida relativ klein sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, einen robusten Zentrifugalabscheider zu schaffen.
Die Erfindung verfolgt das weitere Ziel, einen kostengünstigen Zentrifugalölabscheider mit hohem Ölabscheidegrad für ein Öl-CO₂-Dampfgemisch zu schaffen. Der Zentrifugalabscheider hat einen rotierenden Teil und ein druckfestes Umfassungsgehäuse. Das Umfassungsgehäuse ist für den maximal zulässigen Arbeitsdruck des Verdichters geeignet und in einer vorteilhaften Lösung Bestandteil des Verdichtergehäuses. Der rotierende Teil des Zentrifugalabscheiders wird als Trommel bezeichnet. Die Merkmale der Erfindung beziehen sich auf die Trommel. Die Trommel des Zentrifugalabscheiders ist durch drei Abscheidestufen gekennzeichnet, einen Vorabscheider, einen Nachabscheider und einen Feinabscheider, die gasseitig nacheinander durchströmt werden. Die Trommel besteht aus den Bauteilen Mantelteil, Abschlussdeckel und Tellerpaket. Der Mantelteil hat an seinem radialen Umfangswandteil die Wand durchdringende Öffnungen, die in einer von mehreren Möglichkeiten der Anordnung an ihrer Innenseite an den größten Manteldurchmesser angrenzen. Diese Öffnungen sind tangential zur Abströmung des im Nachabscheider abgeschiedenen Öles angeordnet. Die tangentiale Anordnung erlaubt gemäß Impulssatz die Rückgewinnung von mechanischer Energie aus dem abgeschiedenen Öl. Im Mantelteil sind auf seiner Innenseite in axialer Richtung Kanäle angeordnet, deren radial äußerste Bereiche Kegelflächen folgen. Vorzugsweise werden diese Kanäle durch zylindrischen Bohrungen gebildet, deren Mittelachsen auf Teilabschnitten gedachter Kegelstumpfflächen angeordnet sind. In einem ersten Mantelteil der Mantelwand, der den Vorabscheider bildet, hat der Kegelwinkel in grober Näherung den gleichen Winkel, wie die in der Trommel angeordneten Tellerpakete, und in einem zweiten Teil der Mantelwand, die den Nachabscheider bildet, folgen die Bohrungsachsen einem Kegel mit kleinerem, aber in Bezug auf den ersten Teilabschnitt negativem Kegelwinkel, so dass sich der zweite Teil der Mantelwand in axialer Richtung verjüngt. Beide Kegel öffnen sich in unterschiedlicher Richtung. Zumindest im Innenbereich des Nachabscheiders ist eine konzentrische Ausnehmung vorhanden, die die Kanäle der Mantelwand überschneidet und damit zum Innenraum hin öffnet. Im Innenraum des Mantelteiles ist der Feinabscheider angeordnet. Er besteht aus einem Tellerpaket. Die einzelnen Teller des Tellerpaketes werden an ihrem Außenumfang an den verbleibenden Stegen zwischen den Bohrungen im Nachabscheider formschlüssig und kraftschlüssig spielfrei geführt. Sie nehmen eine konzentrische Position ein, so dass geringste Unwucht verwirklicht wird. Der Mantelteil ist am größten Durchmesser durch einen Abschlussdeckel verschlossen, der das Tellerpaket des Feinabscheiders axial im konzentrischen Innenraum fixiert. Das Tellerpaket ist damit fest und konzentrisch im Mantelteil angeordnet, um den Anforderungen an große Massenströme mit unterschiedlichen Dichten der zu trennenden Fluida gerecht zu werden. Auf der Außenseite des Abschlussdeckels sind vorteilhaft radial Stege angeordnete, die mit der gegenüberliegenden Umfassungswand der Trommel radiale Kanäle bilden. Infolge der Trommelrotation wird in den Kanälen eine Druckdifferenz von Innen nach außen infolge Zentrifugalbeschleunigung erzeugt, die eine radiale Ölleckströmung in Richtung der Trommeldrehachse vermeidet. Das Tellerpaket besteht aus einer größeren Anzahl gleicher Teller, die hintereinander angeordnet auf Grund ihrer Form Kanäle bilden. Die Teller haben in ihrer Mitte eine konzentrische Öffnung. Dadurch bildet das Tellerpaket in seiner Mitte einen zylinderförmigen Raum, der sich in der Druckscheibe durch deren Gestaltung fortsetzt. Die Bohrungen im Grobabscheider sind an der Mantelstirnseite offen und stehen mit den Bohrungen des Nachabscheiders kommunizierend in Verbindung. Grobabscheider, Nachabscheider und Feinabscheider werden nacheinander durchströmt. Der größte Teil des Öles wird in den ersten beiden Abscheidestufen infolge der Zentrifugalbeschleunigung auf beide Fluida und der größeren Dichte des Öles an die Innenwand der Trommel geschleudert. Es wandert in axialer Richtung zum größten Innendurchmesser der Trommel und verlässt hier im Nachabscheider die Trommel über die in der Mantelwand angeordneten Öffnungen. Die erforderliche Druckdifferenz zum Durchströmen des Feinabscheiders wird durch das im Verdichter auf einen hohen Druck verdichtete Druckgas aufgebracht, so dass das Fluid mit kleinerer Dichte, das Arbeitmedium, z. B. CO₂, den Weg durch den Feinabscheider nehmen muss. Im Feinabscheider werden kleinste Öltröpfchen abgeschieden. Der Feinabscheider wird dabei zwangsweise entgegen der auf den CO₂-Dampf wirkenden radial nach außen gerichteten Zentrifugalkraft radial von außen nach innen durchströmt, während die kleinsten Öltröpfchen einen anderen Weg nehmen. Auf das im Öl-CO₂-Dampf-Zweiphasengemisch mitgeführten Öltröpfchen wirken auf Grund der größeren Dichte größere Zentrifugalkräfte, so dass es sich entgegen der CO₂-Dampfströmungsrichtung radial von innen nach außen bewegt. Das abgeschiedene Öl fließt als Wandströmung an den in radialer Richtung betrachteten Wandabschnitten der Strömungskanäle hin zum Nachabscheider. Das Tellerpaket des Feinabscheiders besitzt eine Vielzahl kleinerer Strömungskanäle. Die physikalischen wirkenden Trennkräfte infolge unterschiedlicher Dichte von Öl und CO₂-Dampf separieren im Feinabscheider das Öl vom CO₂-Dampf.
Die Zeichnung zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Zentrifugalabscheiders. Dabei zeigt:
1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung,
2 einen Querschnitt durch die Trommel der erfindungsgemäßen Ausführung.
Der Zentrifugalabscheider hat einen rotierenden Teil und ein druckfestes Umfassungsgehäuse 7. Das Umfassungsgehäuse 7 ist für den maximal zulässigen Arbeitsdruck des Verdichters geeignet und schließt sich axial an ein nicht weiter dargestelltes Verdichtergehäuse an. Die Trommel 1 des Zentrifugalabscheiders ist durch drei Abscheidestufen gekennzeichnet, einen Grobabscheider 2 einen Nachabscheider 3 und einen Feinabscheider 4, die gasseitig nacheinander durchströmt werden. Die Trommel 1 besteht aus den Bauteilen Mantelteil 23, Abschlussdeckel 6 und Feinabscheider 4 mit dem Tellerpaket 24. Der Mantelteil 23 hat an seinem radialen Umfangswandteil Öffnungen 5. Im Mantelteil 23 sind auf seiner Innenseite in axialer Richtung Kanäle 21, 22 angeordnet, deren radial äußerste Bereiche Kegelflächen folgen. Die Kanäle werden durch zylindrische Bohrungen gebildet, deren Mittelachsen auf Teilabschnitten gedachter Kegelstumpfflächen angeordnet sind. In einem ersten Bereich des Mantelteils 23, der den Grobabscheider 2 bildet, hat der Kegelwinkel in grober Näherung den gleichen Winkel, wie das in der Trommel angeordnete Tellerpaket 24, und in einem zweiten Bereich des Mantelteils 23, der den Nachabscheider 3 bildet, folgen die Bohrungsachsen einem Kegel, der sich in Bezug auf den ersten Kegel verjüngt. Beide Kegel öffnen sich zueinander. Im Innenbereich des Nachabscheiders 3 ist eine konzentrische Ausnehmung vorhanden, die die Kanäle des Mantelteils 23 überschneidet und damit zum Innenraum hin öffnet. Im Innenraum des Mantelteils 23 ist der Feinabscheider 4 angeordnet. Er besteht aus einem Tellerpaket 24. Die einzelnen Teller des Tellerpaketes 24 werden an ihrem Außendurchmesser 10 an den verbleibenden Führungsstegen 8 zwischen den Bohrungen im Nachabscheider 3 formschlüssig und kraftschlüssig spielfrei geführt. Sie nehmen eine konzentrische Position ein, so dass geringste Unwucht verwirklicht wird. Der Mantelteil 23 ist durch einen Abschlussdeckel 6 verschlossen, der das Tellerpaket 24 des Feinabscheiders 4 axial im konzentrischen Innenraum fixiert. Das Tellerpaket 24 ist damit fest und konzentrisch im Mantelteil 23 angeordnet. Es wird dadurch den Anforderungen an große Massenströme mit unterschiedlichen Dichten der zu trennenden Fluida gerecht. Zur Abströmung des abgeschiedenen Öles sind tangentiale angeordnete Öffnungen 5 vorhanden, deren Anordnung gemäß Impulssatz die Rückgewinnung von mechanischer Energie aus dem abgeschiedenen Öl erlaubt. Außerdem sind auf der Außenseite des Abschlussdeckels 6 radiale Stege 20 angeordnet, die Räume zwischen den Stegen bilden und mit der gegenüberliegenden Wand des Umfassungsgehäuses 7 radiale Kanäle bilden. Infolge der Trommelrotation wird in diesen Kanälen eine Druckdifferenz von Innen nach außen infolge Zentrifugalbeschleunigung auf das darin befindliche Fluid erzeugt. Das vermeidet die eine radiale Ölleckströmung in Richtung der Trommeldrehachse. Das Tellerpaket 24 besteht aus einer größeren Anzahl gleicher Teller, die hintereinander angeordnet auf Grund ihrer Form Kanäle bilden. Die Teller haben in ihrer Mitte eine konzentrische Telleröffnung 12. Dadurch bildet das Tellerpaket 24 in seiner Mitte einen zylinderförmigen Raum, der sich im Abschlussdeckel 6 fortsetzt. Die Kanäle 22 im Vorabscheider 2 sind an der Mantelstirnseite offen und stehen mit den Kanälen 21 des Nachabscheiders 3 kommunizierend in Verbindung. Vorabscheider 2, Nachabscheider 3 und Feinabscheider 4 werden nacheinander durchströmt. Der größte Teil des Öles wird in den ersten beiden Abscheidestufen infolge der Zentrifugalbeschleunigung auf beide Fluida und der größeren Dichte des Öles an die Innenwand der Trommel geschleudert. Es wandert zum größten Durchmesser 9 des Nachabscheiders 3. Das Öl verlässt die Trommel 1 über die tangential angeordneten Öffnungen 5. Im Feinabscheider 4 werden kleinste Öltröpfchen abgeschieden. Der Feinabscheider 4 wird dabei zwangsweise entgegen der auf den CO₂-Dampf wirkenden radial nach außen gerichteten Zentrifugalkraft radial von außen nach innen durchströmt, während die kleinsten Öltröpfchen einen anderen Weg nehmen. Auf das im Öl-CO₂-Dampf-Zweiphasengemisch mitgeführten Öltröpfchen wirken auf Grund der größeren Dichte größere Zentrifugalkräfte, so dass es sich entgegen der CO₂-Dampfströmungsrichtung radial von innen nach außen bewegt. Das abgeschiedene Öl fließt als Wandströmung an den in radialer Richtung betrachteten Wandabschnitten der Strömungskanäle hin zum Nachabscheider 3. Das Tellerpaket 24 des Feinabscheiders 4 besitzt eine Vielzahl kleinerer Strömungskanäle, die sich aus der Anzahl der Teller im Tellerpaket ergeben. Im Beispiel sind über 100 Teller eingebaut. Die physikalischen wirkenden Trennkräfte infolge unterschiedlicher Dichte von Öl und CO₂-Dampf separieren im Feinabscheider 4 das Öl vom CO₂-Dampf.
Bezugszeichenliste

1: Trommel
2: Vorabscheider
3: Nachabscheider
4: Feinabscheider
5: Öffnungen
6: Abschlussdeckel
7: Umfassungsgehäuse
8: Führungssteg
9: Größter Durchmesser Nachabscheider
10: Außendurchmesser des Tellerpaketes
11: Innendurchmesser des Tellerpaketes
12: Telleröffnung
20: radiale Stege
21: Kanal im Nachabscheider
22: Kanal im Vorabscheider
23: Mantelteil
24: Tellerpaket

Claims

Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl aus einem zweiphasigen Öl-Kältemitteldampfgemisch für Massenverhältnisse der Fluida Öl/Kältemitteldampf 1/1 oder größer, mit einem mechanischen Antrieb, bestehend aus einem rotierenden Teil, einer Trommel, die einen Zentrifugalabscheider mit drei Abscheidestufen aufweist, einen Vorabscheider einen Nachabscheider und einen Feinabscheider, welche gasseitig nacheinander durchströmt werden, wobei Vorabscheider und Nachabscheider durch einen Mantelteil der Trommel gebildet werden und der Feinabscheider durch ein Tellerpaket gebildet wird, mit einem druckfesten Umfassungsgehäuse, das für den maximal zulässigen Arbeitsdruck des Verdichters geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommelwand an ihrer radialen Umfangswand Öffnungen aufweist.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in der Trommelwand an ihrer Innenseite an den größten Manteldurchmesser angrenzen.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in Bezug auf den Außendurchmesser des Mantelteils drehrichtungsabhängig tangential angeordnet sind.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Vorabscheider und Nachabscheider durch Kanäle gebildet werden, die im Mantelteil der Trommel in axialer Richtung angeordnet sind und an ihrer radial äußeren Seite Kegelflächen folgen.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle durch zylindrische Bohrungen gebildet werden, deren Mittelachsen auf Teilabschnitten gedachter Kegelstumpfflächen angeordnet sind.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinien der Bohrungen in einem ersten Teil des Mantels, der den Vorabscheider bildet, einem gedachten Kegel folgen, dessen als positiv bezeichneter Kegelwinkel in grober Näherung den gleichen Winkel aufweist, wie die in der Trommel angeordneten Tellerpakete, dass die Mittellinien der Bohrungen in einem zweiten Teil des Mantels, der den Nachabscheider bildet, einem Kegel mit kleinerem als negativ bezeichneten Kegelwinkel folgen.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Innenbereich des Nachabscheiders eine konzentrische Ausnehmung vorhanden ist, die die Kanäle des Mantels überschneidet.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinabscheider im Innenraum des Mantelteiles angeordnet ist.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinabscheider aus einem Tellerpaket besteht.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teller des Tellerpaketes an ihrem Außenumfang an den verbleibenden Stegen zwischen den Bohrungen im Nachabscheider formschlüssig und kraftschlüssig geführt werden.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelteil durch einen Abschlussdeckel verschlossen ist.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des Abschlussdeckels radial Stege angeordnete sind, die mit der gegenüberliegenden Wand des Umfassungsgehäuses radiale Kanäle bilden.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Tellerpaket aus einer größeren Anzahl gleicher Teller besteht, die hintereinander angeordnet auf Grund ihrer Form Kanäle bilden und in ihrer Mitte eine konzentrische Öffnung aufweisen.
Zentrifugalölabscheider zur Abscheidung von Öl nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschlussdeckel eine konzentrische Bohrung aufweist, die kommunizierend mit dem durch das Tellerpaket gebildeten konzentrischen Hohlraum in Verbindung steht.