Auslegung, Inbetriebnahme und Test von gasgelagerten Turbo Kompressoren mit anderen Medien als Luft

20. September 2016

Turbo Kompressoren mit Gaslagerung können nicht nur für die Kompression von Luft bei 1 bar Umgebungsdruck, sondern auch für andere Druckniveaus oder Kältemittel eingesetzt werden.

Gasgelagerte Turbo Kompressoren können nicht nur für die Kompression von Luft mit 1 bar am Kompressor-Eintritt eingesetzt werden (siehe Anwenderbericht). Auch Anwendungen mit einem anderen Druckniveau (Beispiel: mehrstufige Kompressoren), mit Kältemitteln (siehe Artikel) oder in der Prozess-Industrie sind möglich. Die Auslegung eines solchen Kompressors folgt dabei ebenso den Grundgleichungen der Physik, die auch bei Luft gültig sind.

Die Inbetriebnahme kann, dank dem Knowhow und der vorhandenen Infrastruktur, zielführend durch Celeroton ausgeführt werden. Neben der Bestimmung der Kennparameter des Motors wird dabei die Funktionsweise und die Stabilität des radialen und axialen Gaslagers permanent überwacht. Diese hängt beispielsweise von der aktuellen Fluid-Zusammensetzung, der Drehzahl, dem derzeitigen Absolutdruck-Niveau und der Temperatur ab. Näheres dazu ist auf unserer Website unter Gaslagerung beschrieben. Die Verwendung entsprechender Sensorik zur Überwachung der Rotor-Auslenkung und -Stabilität schafft hierbei ein hohes Mass an Sicherheit für die erste Inbetriebnahme und ermöglicht zudem einen Vergleich der berechneten und gemessenen Kennwerte. Bei Celeroton werden dazu eigens entwickelte, hoch sensitive Sensoren verwendet. Diese arbeiten wirbelstrombasiert, um die sehr kleinen Auslenkungen des Rotors in der Stator-Buchse während dem Betrieb zu messen. Abbildung 1 stellt eine Start-Situation in einem Schnittbild durch Rotor und Gaslager-Büchse  anschaulich dar. Die Abstände des ausgelenkten Rotors von der Sensorik sind exemplarisch mit roten Linien dargestellt. Die resultierende Exzentrizität ist beispielhaft mit Gelb gekennzeichnet. Die vorgestellte Sensorik findet sowohl bei der Inbetriebnahme von gasgelagerten Kompressoren mit, wie auch ohne Luft ihren Einsatz.

 

Prinzip-Skizze gasgelagerter Rotor

Abbildung 1: Prinzip-Skizze gasgelagerter Rotor und Radial-Positions-Sensoren


In einem geschlossenen Kreislauf, einem sogenannter Closed-Loop-Prüfstand, erfolgen anschliessend die aerodynamischen Tests. Der Prüfstand ist, neben der obligatorischen Gaslager-Sensorik, mit Massenstrom-, Druck- und Temperatur-Sensoren ausgestattet. Dies ermöglicht die Messung der Kompressor-Kennfelder bei unterschiedlichen Eintrittsbedingungen (Fluid, Druck, Temperatur, Massenstrom). Ein Druckbereich von ca. 0.01 bis 10 bar und ein Temperatur-Bereich von ca. -10 bis +70 °C ist dabei nutzbar.

Ebenso kann das thermische Systemmanagement eines Kompressors unter Last mit definierten Kühlwasser-Temperaturen untersucht werden. Spezielle Anwendungen verlangen beispielsweise eine volle Systemfunktionalität bei einer Kühlwasser-Temperatur von +70°C oder auch darüber.

Unten stehende Abbildung 2 zeigt eine Prinzip-Skizze des Closed-Loop-Prüfstandes von Celeroton, Abbildung 3 ein Foto. Der Prüfstand ist modular aufgebaut sodass kundenspezifische Anpassungen des Prüfstandes dank dem firmeninternen Prüfstands-Knowhow möglich sind. Damit können auch Kompressoren für diverse Gase und Gasgemische, wie z.B. Helium, Methan, etc. vermessen werden.

 

Prinzip-Skizze Celeroton Closed-Loop-Prüfstand

Abbildung 2: Prinzip-Skizze Celeroton Closed-Loop-Prüfstand

 

Celeroton Closed-Loop-Prüfstand

Abbildung 3: Celeroton Closed-Loop-Prüfstand

 

Anwendungsbeispiel: Gasgelagerter Turbo Kompressor für eine Wärmepumpe mit Butan (R600)

Als Beispiel möchten wir hier einen Turbo Kompressor vorstellen, den Celeroton in intensiver Zusammenarbeit mit der Firma BS2 entwickelt hat. Das potentielle Einsatzgebiet des Kompressors ist eine Wärmepumpen-Anwendung, welche Butan als Betriebsmedium verwendet. Die Wärmepumpe stellt in der vorgestellten Kompressor-Konfiguration eine thermische Leistung von 9 bis 22 kW bereit. Der Kompressor ist gasgelagert, das Betriebsfluid der Lagerung ist ebenfalls Butan. Das Projektziel ist es, die konzeptionellen Wirkungsgrad-Vorteile eines Turbo Kompressors in eine Wärmepumpe zu integrieren und damit den COP weiter zu steigern. Untenstehende Abbildung 4 zeigt den entwickelten, realisierten und getesteten Prototypen. Er erzeugt ein Druckverhältnis von >2.5 und ist ausgelegt auf eine elektrische Nennleistung von 2 kW bei 200‘000 U/min. Die Kühlung erfolgt mittels des angesaugten, gasförmigen Butans. Weitere technische Details des Kompressors und ein Datenblatt können bei BS2 nachgefragt werden.

 

Gasgelagerter Turbo Kompressor für Butan

Abbildung 4: Gasgelagerter Turbo Kompressor für Butan


Die Herausforderungen bei der Inbetriebnahme des gasgelagerten Kompressors liegen vor allem im Umgang mit dem brennbaren Gas Butan und in der Variation der verschiedenen Eintrittsbedingungen (Druck, Temperatur und Nähe zur Kondensationsgrenze). Diese Parameter werden durch den Prozess innerhalb der Wärmepumpe dem Kompressor aufgeprägt und sind somit nicht frei wählbar. Celeroton bestätigte die Funktionsfähigkeit des gasgelagerten Turbo Kompressors über einen weiten Bereich der später in der Wärmepumpe vorkommenden Betriebsbedingungen mithilfe des Closed-Loop-Prüfstandes. Der Inbetriebnahme-Prozess des Turbo Kompressors konnte durch die zentralisierte Durchführung von Berechnung, Konstruktion, Fertigung, und Tests bei Celeroton effizient ausgeführt werden.

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