ES2265996T3 - Unidad de compresor multietapa y procedimiento para regular la misma. - Google Patents

Abstract

Una unidad de compresor multietapa que comprende, al menos, dos elementos compresores (1 y 2) diferentes y, al menos, dos motores eléctricos (3, 4) separados, con una velocidad ajustable, estando dichos elementos compresores (1, 2) accionados por dichos motores eléctricos (3, 4), de tal manera que la salida (8) de un elemento compresor (1) de una etapa esté conectada a la entrada (10) de un elemento compresor (2) sucesivo, de una etapa sucesiva, caracterizada porque los motores eléctricos (3 y 4) son idénticos por cuanto tienen una, y la misma capacidad nominal, al mismo tiempo que está provisto un engranaje de transmisión (13, 14) entre cada motor (3, 4) y el elemento compresor (1, 2), accionado de esta manera.

Description

Unidad de compresor multietapa y procedimiento para regular la misma.

Esta invención se refiere a una unidad de compresor multietapa que comprende, al menos, dos elementos compresores distintos y, al menos, dos motores eléctricos separados con una velocidad ajustable, estando dichos elementos compresores accionados por dichos motores eléctricos, de tal manera que la salida de un elemento compresor de una etapa esté conectada a la entrada de un elemento compresor sucesivo, de una etapa sucesiva.

En contraposición a la medida del caudal del volumen y la relación de la presión, la medida del flujo de la masa de dicha unidad compresora multi-etapas es constante para cada una de las etapas.

Debido a la medida del caudal del volumen distinta y al cociente de la presión diferente, la velocidad de cada elemento compresor es distinta y está determinada por la presión de salida y por la medida final del caudal del volumen.

En algunas unidades de compresor de dos etapas conocidas con velocidad variable, los medios para accionar los elementos compresores de las dos etapas comprenden un solo motor eléctrico estándar grande, el cual es accionado por medio de un inversor grande o por un regulador de frecuencias.

Este motor acciona los elementos compresores por medio de una rueda de engranaje grande.

Los elementos compresores tienen un cociente de la presión incorporado y pertenecen a una serie de elementos, los cuales fueron diseñados de manera que pudieran aplicarse en una sola etapa, así como en varias etapas, por lo cual solamente un número mínimo de elementos compresores alcanzará entonces una gama entera de capacidades de aire.

Además, la inercia de un motor más grande con una rueda de engranaje grande es relativamente alta, como resultado de lo cual la respuesta de la unidad compresora es relativamente lenta, a menos que el motor esté sobredimensionado.

Como resultado del cociente de la velocidad fijado entre los elementos compresores de las distintas etapas, el rendimiento de la unidad de compresor está restringido sobre su gama de trabajo completa. Las unidades de compresor actuales tienen solamente un rendimiento óptimo para una presión de salida y para una medida del caudal del volumen, bien definidas.

A través del documento de patente JP 07158676 A, a nombre de Kobe Steel Ltd, se conoce una unidad compresora de dos etapas, los dos elementos compresores de la cual están accionados por unos motores separados, de tal manera que se ajuste la velocidad de los motores por medio de un inversor. En una realización preferente, los dos inversores están controlados por medio de un mismo dispositivo de control en función de la presión existente entre las dos etapas. En otra forma de realización, los inversores están controlados por unos dispositivos de control separados, en función de la presión existente entre las etapas y de la presión existente a la salida de la etapa de alta presión, respectivamente.

El elemento compresor de la etapa de baja presión es mayor que el elemento compresor de la etapa de alta presión y las velocidades nominales de giro de los elementos compresores son diferentes. Por lo tanto, el elemento compresor de la etapa de alta presión es accionado sin transmisión, por medio de un motor más pequeño que el elemento compresor de la etapa de baja presión, el cual es accionado por medio de un engranaje de transmisión y por un motor más grande. Esta construcción es relativamente complicada y cara.

El documento de patente JP 02140477 A, describe también una unidad de compresor de dos etapas, en la cual dos elementos compresores similares están instalados en un alojamiento y están accionados directamente por unos motores, la velocidad de los cuales está regulada separadamente por un inversor. No obstante, el rendimiento de dicha unidad de compresor no es óptimo.

A través del documento de patente JP 10 082391 A, a nombre de Ishikawajima Harima Heavy Ind Co. LTD., se conoce una unidad de compresor de dos etapas, los dos elementos compresores de la cual están accionados por unos motores separados. El cociente de la velocidad entre los motores se toma de un banco de datos y se selecciona en base a la presión de salida medida y a la temperatura de descarga del aire de las etapas de compresión. Esto se realiza para lograr una operación lo más eficaz posible.

Los cocientes de la velocidad de los dos motores están calculados de antemano, basándose en las características del elemento compresor en ese momento.

La invención está dirigida a una unidad de compresor multietapas, la cual no muestra las desventajas anteriores, es relativamente económica y puede trabajar de una manera sencilla con un rendimiento óptimo.

De acuerdo con la invención, se alcanza este objeto por cuanto en la unidad de compresor, según se define en el primer párrafo, los motores eléctricos son idénticos porque ellos tienen una, y la misma capacidad nominal o potencia, mientras que entre cada motor y el elemento compresor accionado de esta manera, está provisto un engranaje de transmisión.

A pesar del hecho de que los elementos compresores son diferentes, a fin de que sean capaces de operar de una manera óptima, no obstante, los motores son idénticos. Por lo tanto, podrán usarse aquellos motores del mismo tipo y con la misma capacidad nominal, los cuales se encuentran ya disponibles en el mercado, permitiendo reducir el precio.

Si la unidad de compresor comprende dos etapas y, por consiguiente, dos elementos compresores y, por este medio un engranaje de transmisión, en particular el engranaje de la etapa de baja presión, puede ocasionar una reducción de la velocidad con respecto a la velocidad de giro del motor correspondiente, mientras que el otro engranaje de transmisión, es decir, aquél de la etapa de alta presión, ocasiona un aumento de la velocidad con respecto a la velocidad de giro del motor correspondiente.

Mediante una selección eficaz de los motores, los dos engranajes de transmisión pueden comprender una rueda de engranaje grande y una pequeña, las cuales se intercambian en uno de los engranajes de transmisión con respecto al otro engranaje de transmisión, de tal manera que las ruedas de engranaje pequeñas sean idénticas y que las ruedas de engranaje grandes también sean idénticas.

Preferentemente, los motores eléctricos están acoplados a su propio regulador de frecuencias, de tal manera que la frecuencia y, por lo tanto, la velocidad, puedan ser reguladas separadamente para cada motor.

La invención se refiere también a un procedimiento para regular una unidad de compresor multietapa según se describe anteriormente, la cual comprende un motor eléctrico para cada elemento compresor, el cual es alimentado por medio de un regulador de frecuencias correspondiente, de tal manera que la frecuencia y, por lo tanto, la velocidad, puedan ser reguladas separadamente para cada motor y que el cociente de la velocidad entre los motores de las distintas etapas pueda ajustarse continuamente, de tal manera que se usen unos motores con una misma capacidad nominal o potencia y que, por lo tanto, se haga uso de un engranaje de transmisión el cual está proporcionado entre cada motor y el elemento compresor, accionado de esta manera.

Se obtiene un ahorro de energía ajustando el cociente de la velocidad de las etapas y, por lo tanto, el cociente de la presión entre las distintas etapas, de tal manera que, independientemente de una presión de salida deseada se obtenga un rendimiento total óptimo de la unidad de compresor.

El rendimiento óptimo de la unidad compresora se obtiene optimizando la velocidad de cada etapa y, por lo tanto, el cociente de la presión sobre cada etapa.

Durante este ajuste del cociente de la velocidad, se mide la presión de salida y, en función de la misma, se adapta inmediatamente la velocidad de uno de los motores. Este motor, llamado comúnmente "maestro", puede ser el motor de la etapa de baja presión, o bien, el motor de la etapa de alta presión.

Se conoce la velocidad óptima y, por lo tanto, el cociente de la presión en cada etapa y están presentes en un banco de datos o pueden ser calculadas por medio de un algoritmo, por ejemplo, un control de lógica polivalente, en tiempo real.

Después de que la velocidad del motor haya sido alterada, se determinará entonces el cociente de la velocidad óptima por medio de un banco de datos o de un algoritmo, en función de la velocidad de dicho motor y de la presión de salida medida, para adaptar así la velocidad de los otros motores.

Preferentemente, el cociente de la velocidad entre los motores está determinado para cada condición de la unidad de compresor en función de la presión de salida medida y se toma de un banco de datos o se calcula por medio de un algoritmo en tiempo real.

Con la intención de mostrar mejor las características de la invención, a partir de aquí, como un ejemplo sin ningún carácter limitativo, se describe una forma preferente de realización de una unidad de compresor multietapa y de un procedimiento para regular dicha unidad de compresor multietapa de acuerdo con la invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos los cuales representan esquemáticamente dicha unidad de compresor.

En la figura, se representa una unidad de compresor de dos etapas, la cual comprende sustancialmente un elemento compresor 1 más grande para la etapa de baja presión y un elemento compresor 2 más pequeño para la etapa de alta presión y dos motores eléctricos 3 y 4, los cuales están alimentados por unos reguladores de frecuencias 5, 6, respectivamente.

Los dos elementos compresores 1 y 2 son unos elementos compresores volumétricos, es decir, unos elementos compresores tipo tornillo.

No obstante, en una variante, pueden ser también de otro tipo de elementos compresores volumétricos, tales como unos elementos compresores helicoidales, o pueden ser también unos elementos compresores dinámicos.

El elemento compresor 1 comprende una entrada 7 y una salida 8 de baja presión, la cual, por medio de un enfriador 9 está conectada a la entrada 10 del elemento compresor 2, el cual está provisto de una salida de alta presión 11.

En el ejemplo representado, en esta salida está instalado un enfriador posterior 12.

Los dos motores 3 y 4 son unos motores de alta velocidad e idénticos entre sí, en otras palabras, tienen la misma capacidad nominal.

De esta manera, normalmente tienen también el mismo rotor, el mismo estátor y los mismos rodamientos, de hecho, pueden ser totalmente idénticos y, por lo tanto, del mismo tipo comercial.

El elemento compresor 1 está acoplado al motor 3 por medio de un primer engranaje de transmisión pequeño 13, mientras que el elemento compresor 2 está acoplado al motor 4 por medio de un segundo engranaje de transmisión pequeño 14.

Los engranajes de transmisión 13 constan de dos ruedas de engranaje que están montadas dentro de un alojamiento para la rueda de engranaje, es decir, una rueda de engranaje pequeña 13A sobre el eje del motor 3, la cual se traba dentro de una rueda de engranaje grande 13B, la cual está fijada al eje de accionamiento del elemento compresor 1 y, por lo tanto, ocasiona una reducción de la velocidad.

El engranaje de transmisión 14 es idéntico al engranaje de transmisión13 y, de esta manera, comprende también una rueda de engranaje pequeña 14A la cual se traba dentro de una rueda de engranaje grande 14B, no obstante, las ruedas de engranaje 14A y 14B se pueden intercambiar, en otras palabras, la rueda de engranaje pequeña 14A está fijada ahora al eje de accionamiento del elemento compresor 2, mientras que la rueda de engranaje grande 14B gira conjuntamente con el eje del motor 4.

De esta manera, el engranaje de transmisión 14 ocasiona un aumento de la velocidad.

De esta manera, la capacidad nominal de los motores 3 y 4 es prácticamente la misma y se selecciona igual a la capacidad máxima, la cual es necesaria para accionar el elemento compresor que requiere la mayor capacidad.

Por cuanto en esta instalación, el elemento compresor más pequeño 2 gira más rápido que el elemento compresor más grande 3, se selecciona entonces la velocidad de giro designada de los motores 3 y 4 entre las velocidades de giro máximas de los dos elementos compresores 1 y 2 y, preferentemente entre la mitad de estas velocidades de giro.

Las velocidades de giro máximas, precisas, de estos elementos compresores 1 y 2, se obtienen por medio de los engranajes de transmisión 13 y
14.

No solamente los motores 3 y 4 son idénticos, sino que también los reguladores de frecuencias 5 y 6 pueden ser idénticos y, por lo tanto, pueden tener la misma capacidad.

Adicionalmente, la unidad de compresor comprende un dispositivo de control 15, por ejemplo, un control PLC, el cual, por una parte, está conectado por sus salidas a los dos reguladores de frecuencias 5 y 6, por medio de unos conductos eléctricos 16 y 17 y, por otra parte, está conectado con una primera entrada, por medio de un circuito 18, a un manómetro 19 que está situado en la salida 11 del elemento compresor 2 y está conectado con una segunda entrada, por medio de un conducto 20, a un medio 21 para fijar la presión de salida deseada.

En una variante, una tercera entrada del dispositivo de control 15 está conectada a la conexión situada entre los elementos compresores 1 y 2 por medio de un conducto 22 con un manómetro 23, por ejemplo, tal como está representado para el enfriador 9.

Accionando cada elemento compresor 1 y 2 por medio de un motor correspondiente 3 ó 4, entonces se puede regular separadamente la velocidad de giro de cada uno de estos elementos compresores 1 y 2.

La regulación podrá realizarse por medio del dispositivo de control 15 que actúa sobre los reguladores de frecuencias 5 y 6, en función de la presión medida por el manómetro19 situado en la salida 11 y de la presión de salida deseada o requerida, ajustada por el medio 21, por ejemplo, por medio de un algoritmo, por ejemplo, un control poco definido, de tal manera que se pueda alcanzar siempre un rendimiento óptimo de la unidad de compresor por medio de un ajuste continuo, óptimo, del cociente de la velocidad de los motores 3 y 4, de las etapas.

En esta regulación, se puede usar también la presión intermedia medida por el manómetro 23, de tal manera que se use esta presión intermedia en combinación con la presión de salida medida por el manómetro 19.

Los reguladores de frecuencias 5 y 6 tienen la misma capacidad, la cual es solamente la mitad de la capacidad que es necesaria cuando exista solamente un motor. Los alojamientos de las ruedas de engranaje 13 y 14 son relativamente pequeños y los motores 3 y 4 pueden ser también relativamente pequeños, de manera que la unidad compresora no sea, ciertamente, mayor y más pesada que con un solo motor más grande con un alojamiento de engranaje más grande y más caro.

Usando unos motores de alta velocidad, los cuales son más pequeños y más ligeros que los motores estándar de la misma capacidad, se puede construir entonces la unidad compresora de una forma más compacta y ligera, como resultado de lo cual se requiere el uso de una menor cantidad de material y la unidad se vuelve menos cara, al mismo tiempo se requiere también un área de suelo más pequeña para la misma y se reducirán también los costos de transporte. Una ventaja adicional del uso de unos motores de alta velocidad más compactos consiste en la baja inercia, como consecuencia de la cual la respuesta es más rápida.

Dado que la unidad de compresor comprende unos motores 3 y 4 idénticos, unos reguladores de frecuencias 5 y 6 idénticos y unos engranajes de transmisión 13 y 14 idénticos, entonces el diseño de la misma es relativamente sencillo y económico. Los costos de almacenamiento se reducen también.

Se requieren menos tipos de motores, como resultado de lo cual es necesario un stock reducido y los motores se pueden fabricar en series mayores y, consecuentemente, menos caros.

El número de etapas no está limitado a dos. Para cada etapa o para cada uno de los elementos compresores, está presente un motor individual con una velocidad ajustable.

La unidad de compresor no tiene necesariamente que comprender un enfriador 9 situado entre los elementos compresores 1 y 2, y el enfriador intermedio 12 no es absolutamente necesario.

La invención no está limitada de ninguna manera a la forma de la realización descrita anteriormente y representada en los dibujos adjuntos, por el contrario dicha unidad de compresor multietapa y dicho procedimiento para la regulación de la misma pueden realizarse en unas variantes distintas sin tener que apartarnos del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

1. Una unidad de compresor multietapa que comprende, al menos, dos elementos compresores (1 y 2) diferentes y, al menos, dos motores eléctricos (3, 4) separados, con una velocidad ajustable, estando dichos elementos compresores (1, 2) accionados por dichos motores eléctricos (3, 4), de tal manera que la salida (8) de un elemento compresor (1) de una etapa esté conectada a la entrada (10) de un elemento compresor (2) sucesivo, de una etapa sucesiva, caracterizada porque los motores eléctricos (3 y 4) son idénticos por cuanto tienen una, y la misma capacidad nominal, al mismo tiempo que está provisto un engranaje de transmisión (13, 14) entre cada motor (3, 4) y el elemento compresor (1, 2), accionado de esta manera.

2. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende dos etapas, y un engranaje de transmisión (13), particularmente el de la etapa de baja presión, ocasiona una reducción de la velocidad con respecto a la velocidad de giro del motor (3) correspondiente, mientras que el otro engranaje de transmisión (14), es decir, el de la etapa de alta presión, ocasiona un aumento de la velocidad con respecto a la velocidad de giro del motor (4) correspondiente.

3. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque ambos engranajes de transmisión (13, 14) comprenden unos pares idénticos de ruedas de engranaje, comprendiendo cada par una rueda de engranaje pequeña y una grande (13A, 13B), las cuales se intercambian en uno de los engranajes de transmisión (13) con respecto al otro engranaje de transmisión (14), con lo que las ruedas de engranaje pequeñas (13 A, 14 A) son idénticas y las ruedas de engranaje grandes (13B, 14B) también son idénticas.

4. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizada porque la velocidad de diseño designada de los motores (3, 4) se selecciona entre las velocidades de giro máximas de los dos elementos compresores (1, 3) y, preferentemente, entre un valor medio de estas velocidades de giro.

5. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los motores eléctricos (3, 4) están acoplados a su propio regulador de frecuencias (5, 6), de manera que la frecuencia y, por lo tanto, la velocidad puedan ser reguladas separadamente por motor (3,4).

6. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque comprende un dispositivo de control (15), el cual está acoplado a un manómetro (19) para medir la presión en la salida (11) de la última etapa y, un medio (21) para fijar la presión de salida deseada y, el cual, en función del valor medido por este manómetro (19) y de la presión de salida deseada fijada a través del medio (21), controla los reguladores de frecuencia
(5, 6).

7. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el dispositivo de control (15) está acoplado a un manómetro (23) para medir la presión intermedia entre los elementos compresores (1 y 2).

8. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un enfriador (9) está instalado entre los elementos compresores (1 y 2).

9. Una unidad de compresor multietapa de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un enfriador intermedio (12) está instalado en la salida del último elemento compresor (2).

10. Un procedimiento para regular una unidad de compresor multietapa de acuerdo con la reivindicación 1, la cual comprende un motor eléctrico (3, 4) por elemento compresor (1 y 2), el cual está alimentado por medio de un regulador de frecuencia (5, 6) correspondiente, de manera que la frecuencia y, por lo tanto, la velocidad puedan ser reguladas separadamente por motor y la relación de la velocidad entre los motores (3 y 4) de las diferentes etapas pueda ser ajustado continuamente, caracterizado porque se usan unos motores (3, 4) con la misma capacidad nominal y porque se hace uso de un engranaje de transmisión (13, 14) el cual está proporcionado entre cada motor (3, 4) y el elemento compresor (1, 2), accionado de esta manera.

11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la relación de la velocidad entre los motores (3, 4) está determinada para cada condición de la unidad de compresor en función de la presión de salida medida y se toma de un banco de datos o se calcula en tiempo real por medio de un algoritmo o de un control de lógica polivalente.

12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la relacion de la velocidad entre los motores (3, 4) está determinada también en función de la presión intermedia medida entre dos etapas.

13. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque, con una diferencia de presión entre la presión de salida medida y una presión de salida deseada, se adapta inmediatamente la velocidad de uno de los motores (3 y 4), de manera que, en función de la velocidad de este motor y de la presión de salida medida, se ajuste la relación de la velocidad a fin de alterar la velocidad de los otros motores.