Watt Drucklufttechnologie Ingenieursgesellschaft für Energiewirtschaftsberatung & Systemarchitektur

* Systemarchitektur für Druckluftversorgungssysteme * Instrumentierung & Visualisierung * Simulations- und Auswertungssoftware für Druckluft

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Schraubenverdichter

■ In dem Verdichter wird gasförmigen Medien ein höherer Energiegehalt vermittelt, ohne das Gas zu verändern. Dies geschieht dynamisch oder volumetrisch. Im dynamischen Verdichtungsprozeß wird die Energiezunahme des Gases durch die Ausnutzung der Strömungsenergie erzielt. Diese Verdichter heißen deshalb auch Strömungsmaschinen. Dagegen erfolgt im volumetrischen Verdichtungsprozeß die Energiezunahme des Gases durch Verdrängung. Hier gehören Hub- Kolbenmaschinen, Drehkolbenmaschinen und Schraubenverdichter zu. Der Zylinder des Hub-Kolbenverdichters bildet, sobald Ein- und Auslassventile schließen, einen abgeschlossenen Arbeitsraum. Durch die geradlinige Hin- und Herbewegung des Kolbens als Verdränger wird dieser abgeschlossene Arbeitsraum periodisch vergrößert und verkleinert.


■ Der Schraubenverdichter hat zwei Läufer, ist somit eine zweiwellige Maschine. Die Läufer, auch Rotoren genannt, befinden sich zueinander im Eingriff. Der Hauptrotor  hat ein konvexes Rotorprofil, der Nebenrotor ein konkaves Rotorprofil. Durch diese unterschiedlichen Profile ergibt sich das Aussehen zu einer Schraube. Der Nebenrotor dient nur zur einwandfreien Abdichtung des - aus Gehäuse und Profil- Lückenraum gebildeten - abgeschlossenen Arbeitraumes. Der Hauptläufer ist der Verdrängerkörper. Die Rotoren haben zueinander eine bestimmte Zahnkombination. Der Hauptrotor hat 5 und der Nebenrotor 6 Zähne. Diese Zahnkombination 5/6 wurde bei Versuchen als Optimum für Schraubenverdichter ermittelt.                                                              

Arbeitsweise des Schraubenverdichters:
■ Die Rotoren sind in ein Gusseisengehäuse eingebaut. Um die Profilteile Läufer bildet das Gehäuse die Kompressionskammer. An der Saugseite ist die axiale Einlassöffnung so gestaltet, dass das ankommende Gas verlustarm einströmen kann. Am geschlossenen Teil des Einströmgehäuses schließen die beiden Läufer einen sich bildenden Profil-Lückenraum ab. Druckseitig ist die Auslassöffnung. Sie ist halb axial - halb radial in das Rotorgehäuse eingegossen. Die Größe der Auslassöffnung bestimmt das "eingebaute Druckverhältnis".

Die Arbeitsphasen:

Ansaugen:
■ Am saugseitigen einlass öffnet sich durch die Drehung ein Profillückenraum. Bei weiterer Drehung erweitert sich dieser Lückenraum bis zu einem Maximum. Druckseitig hält die axiale Stirnwand den gebildeten Arbeitsraum geschlossen. An der Saugseite füllt sich der offene Profil-Lückenraum vollkommen mit dem Gas. Nach Weiterdrehung schieben sich die hinteren Zähne vor den geschlossenen Teil des Einströmgehäuses. Der Raum ist geschlossen und mit dem Gas gefüllt.

Verdichten:
■ Nach fortgesetzter Drehung verkleinert sich der Profillückenraum kontinuierlich. Der Profileingriff wandert zum Druckstutzen hin. Dabei erfolgt die innere Verdichtung des eingeschlossenen Volumens.

Ausblasen:
■ Der Profillückenraum erreicht die Auslassteuerkanten. An diesem Punkt ist die innere Verdichtung abgeschlossen und das Volumen auf den vorgegebenen Wert verdichtet. Überstreichen die Profilzähne die Auslass-Steuerkanten, so öffnet sich der Lückenraum zur Auslassöffnung. Das komprimierte Volumen wird in den Druckstutzen heraus geschoben.

Leckverluste:
■ Auf die Leckverluste eines Schraubenverdichters soll hier nicht tiefer eingegangen werden. Jedoch wird festgehalten, dass die Leckverluste folgendermaßen aufgeteilt werden:
■ Innere Leckverluste
■ Äußere Leckverluste

■ Um die inneren Leckverluste niedrig zu halten, müssen die Toleranzen zwischen den Rotoren sehr genau eingehalten werden. Im Zuge der vereinfachten Herstellung, werden die Toleranzen etwas vergrößert und dafür Öl eingespritzt. Das Öl hat insbesondere bei den Kältemittelverdichtern mehrere Aufgaben zu erfüllen, aber vorrangig um als Dichtmittel zwischen den Rotoren und den Gehäusewandungen zu wirken. Weitere Aufgaben des Öls sind die Schmierung des Rotoreingriffs und in bestimmten Fällen zur Kühlung des Gases. Mit der Gaskühlung kann ein erhöhtes Druckverhältnis bei einstufigem Betrieb erreicht werden. Wird kein erhöhtes Druckverhältnis benötigt, aber das Gas mit Öl gekühlt, erhöht sich die Gasaustrittstemperatur nur geringfügig. Dieses entspricht einer nahezu Isothermen Verdichtung. Durch diesen Entzug der Verdichtungswärme verkleinert sich der Arbeitsbedarf des Verdichters. Das Öl wird mit dem Gas mitgerissen und nach der Verdichtung in einem Ölabscheider aus dem Gas abgeschieden.

Einfluss des eingebauten Druckverhältnisses:

■ Wie beschrieben, wird das Gas bis zu den Auslass-Steuerkanten verdichtet. Die Länge dieser Steuerkanten bestimmt die Höhe des "eingebauten Druckverhältnisses", welches in unterschiedlicher Größe in das Läufergehäuse eingegossen wird. Kurze Auslass -Steuerkanten ergeben kleine Auslassöffnungen und damit ein hohes "eingebautes Druckverhältnis". Sind dagegen die Auslasskanten lang, wird die Öffnung groß und damit das "eingebaute Druckverhältnis" niedrig. Diese "eingebauten Druckverhältnisse" sind für alle Anwendungsfälle ausreichend eng gestaffelt. Die Staffelung bezieht sich auf das Gas Luft. Da leichte Gase mehr Verdichtungsarbeit zur Erzielung eines bestimmten Druckverhältnisses erfordern als schwere Gase, ändert sich für Gase auch das Druckverhältnis.

■ Bei Kältemittelverdichtern wird im Gegensatz zu den übrigen Schraubenverdichtern nicht der Begriff des "eingebauten Druckverhältnisses" sondern der Begriff des "eingebauten Volumenverhältnisses" angewandt. D.h., dass die Auslass-Steuerkanten nach dem Volumenverhältnis gegossen werden. Das interne Druckverhältnis P = PD / Ps kann zu dem internen Volumenverhältnis V = V/V durch die Gleichung P = (V)k in Beziehung gesetzt werden. (Issentropenexponent R717 K = 1,29). Im Betrieb wird das Arbeitsdruckverhältnis (Gasdruckverhältnis) vom eingebauten Volumenverhältnis = Druckverhältnis abweichen, was Unter- und Überkompression zur Folge hat.

■ Ist die Eintrittsseite des Verdichters abgeschlossen, so ist der Eintrittsdruck des eingefüllten Volumenstroms P1.Durch die Weiterdrehung wird das Gas weiter verdichtet. Die innere Kompression ist abgeschlossen, wenn das Gas die Austrittsöffnung erreicht hat. Herrscht im Auslassstutzen der gleiche Druck, wie an der Austrittsöffnung, so wird das Gas ungehindert heraus geschoben. Wenn bei einem Eintrittsdruck P1 von 1,5 bar die innere Kompression des Volumenstromes mit eingebautem Druckverhältnis =3 auf P2 = 4,5 bar erfolgt, aber der Austrittsdruck im Auslassstutzen nur 3 bar beträgt, expandiert bei der Austrittsöffnung das Gas auf den niedrigeren Austrittsdruck von 3 bar und bei dieser Rückexpansion durch das effektiv kleinere Druckverhältnis fällt auch die Austrittstemperatur t2 .

■ Ist der Druck im Auslassstutzen größer als der Druck in der Austrittsöffnung, so wird das effektive Druckverhältnis P2/P1 bei zusätzlicher Stoßkompression größer und entsprechend steigt auch die Austrittstemperatur t2 an. Herrscht im Auslassstutzen gleicher Druck wie in der Austrittsöffnung, so hat der Verdichter seinen idealen Arbeitsbereich erreicht. Bei Abweichungen vom eingebauten Druckverhältnis muss gegenüber der Mindestarbeit bei passendem Druckverhältnis eine Zusatzarbeit verrichtet werden. Durch die Mehrarbeit wird der Wirkungs- grad schlechter.

Leistungsregelung - Steuerschieber

■ Die Leistungsregelung der Verdichter wird mit einem Steuerschieber durchgeführt. Die Steuerung besteht aus einem axial beweglichen, zwischen den Rotoren angeordneten Schieber. Ölhydraulisch wird der Steuerschieber in Axialrichtung ver- stellt. Durch verstellen des Schiebers wird die wirksame Arbeitslänge der Rotoren vermindert. Wird der Schieber geöffnet, so werden, je nach Lage des Schiebers, unterschiedlich viele Überströmschlitze in der Rotorbohrung frei. Durch diese Schlitze fließt - in Abhängigkeit von der Schieberstellung - ein Teil des in die Profil-Lückenräume eingefüllten Kältemittels in den Eintrittsraum des Rotorgehäuses zurück, bevor die Verdichtung beginnt. Durch diese Regelung können bis zu 90% des Einfüllvolumens in den Gas-Eintrittsraum zurückströmen. Nur die restlichen 10% werden auf den Enddruck verdichtet. Im übertragendem Sinn kann somit die Kälteleistung von 10% bis 100% stufenlos geregelt werden. Durch Rückströmung eines Teilvolumens wird am Eintrittsstutzen das Kältemittel zum Teil überhitzt.

■ Mit der Schiebersteuerung wird der Anfahrvorgang eines Verdichters und damit auch das Anfahrmoment herabgesetzt. Bei längerem Stillstand der Kälteanlage erhöht sich der Kältemitteldruck. Der Druck ist nun vor und hinter dem Verdichter gleich. Damit der Verdichter nicht mit dem maximalen Volumenstrom an- fährt (entlastetes Anfahren), wird der Schieber schon während des Abschaltens ganz weit herausgezogen. Hierdurch verkleinert sich der abgeschlossene Arbeitsraum, und damit das abgeschlossene Volumen, des Verdichters. Beim Start muss der Verdichter nur gegen diesen kleinen Arbeitsraum-Druck arbeiten. Während des Startvorganges bleibt der Schieber auf dieser Position stehen. Es wird ein kleiner Teil von ca. 10% des eingefüllten Volumens auf den Kondensationsdruck verdichtet und dann verflüssigt. Durch die Entspannung des flüssigen Gases sinkt die Temperatur im Verdampfer und damit auch die Temperatur und der Druck am Gaseintritt des Verdichters kontinuierlich ab. Über einen Impulsgeber wird der Steuerschieber genau so kontinuierlich unter den Rotoren eingefahren, wobei die Überströmschlitze stets kleiner werden. Im Endpunkt ist der Steuerschieber ganz hereingefahren und der Verdichter komprimiert 100% des Volumenstroms. Im Dauerbetrieb ist durch die Schieberstellung eine exakte Anpassung des Volumenstroms an den Kältebedarf im Verdampfer sichergestellt.

Das Öl

■ Im Gegensatz zu Hub-Kolbenmaschinen, wo das Öl fast nicht mit dem Kältemittel in Berührung kommt, gehört das Öl im Schraubenverdichter teilweise zum Kältemittelsystem. Das Öl muss schmieren, dichten, regeln und die Verdichtungswärme abführen. Da das Öl nicht im Kältemittelsystem bleiben soll, wird es am Austritt des Verdichters durch ein Ölsystem dem Verdichter wieder zurückgeführt. Das Ölsystem umfasst folgende Komponenten:

■ Ölabscheider
■ Ölkühler
■ Ölfilter
■ zum Teil eine Ölpumpe


■ In der Regel fehlt dem Vedichterölsystem eine Ölpumpe. Das Öl wird stattdessen mit Hilfe der Druckdifferenz zwischen Ölabscheider, d.h. dem Austrittsdruck des Verdichters - und dem Zwischendruck im Verdichtungsraum des Verdichters umgewälzt. Wenn der Verdichter gestartet wird, wird nach einigen Sekunden im Ölabscheider ein hoher Druck gebildet und in der Saugkammer des Verdichters ein niedriger Druck. Das Öl im Ölabscheider, welches immer unter Hochdruck steht, will dann in Richtung des niedrigeren Druckes, dem Zwischendruck, strömen. Zuerst wird das Öl zu den verschiedenen Schmierstellen wie Radial- und Axiallagern, Wellendichtung, Ausgleichskolben und Getrieberädern verteilt. Danach fließt das Öl zum Arbeitsraum des Verdichters ab, wo es in die Dichtspalte gepresst wird und gleichzeitig Wärme aus dem Kältemittel aufnimmt. Schließlich, im Kältemittel fein verteilt, wird das Öl im Ölabscheider abgeschieden und über einen Ölkühler dem Ölkreislauf des Verdichters wieder zugeführt.


■ Der Ölkühler kann wassergekühlt oder kondensatgekühlt sein. Dort wo es zweckmäßig ist, wird die Ölkühlerwärme ausgenutzt. Dieses geschieht z.B. in einer Wärmepumpe oder in einem Wärmerückgewinnungssystem. Das Ölsystem hat nur unter besonderen Betriebsbedingungen, z.B. bei Boosterbetrieb, wo die Druckerhöhung normalerweise klein ist, oder bei einstufigem Betrieb, wo die Druckerhöhung während des Hochfahrens der Anlage klein ist, eine Ölpumpe.

Der Economiser - Betrieb

■ Mit Schraubenverdichtern lässt sich eine gewisse Leistungssteigerung durch eine zweistufige Entspannung des Kältemittels erreichen. Diese zweistufige Entspannung wird durch einen Zwischendruckanschluss am Schraubenverdichter ermöglicht.

Funktion:
■ Das System ist so aufgebaut, dass die Entspannung der Flüssigkeit auf der Hochdruckseite in zwei Stufen erfolgt. Bei der ersten Entspannung wird das Gas bis auf den Zwischendruck pm entspannt. Dieses Gas wird "Flash-Gas" genannt, welches vom Schraubenverdichter, am Economizeranschluss, abgesaugt wird. Die verbleibende Flüssigkeit wird auf den Abscheiderdruck entspannt. Durch die zweistufige Entspannung wird die Kälteleistung für ein gegebenes Fördervolumen erhöht (Enthalpiegewinn), wie es auch aus dem Bild deutlich hervorgeht.

■ Der Zwischendruck pm wird nach den Auslegungsdaten der Anlage zu einem Optimum bestimmt. Bedingt durch das innere Druckverhältnis des Verdichters bleibt der Zwischendruckanschluss immer auf gleichem Druck. Wird der Verdichter jedoch im Teillastbereich gefahren, so ändert sich das innere Volumenverhältnis und damit auch das innere Druckverhältnis. Durch das verringerte Druckverhältnis im Teillastbetrieb, würde der Zwischendruck sich immer mehr dem Verdampfungsdruck nähern. In den neuen Verdichtern wird daher mit dem Verstellen der Schieber ebenfalls der zwischen Druckanschluss verschoben. Es ist auch möglich, mit einem Konstantdruckregler den Zwischendruck pm auf den notwendigen Druck zu halten. Durch den Economizer Anschluss werden im Verdichter zwei Massen- ströme unterschiedlicher Temperatur gemischt. Mit dem vergrößertem Massenstrom erhöht sich die Antriebsleistung des Verdichters, wobei die Heißgastemperatur gesenkt wird. Mit dem Economizer Betrieb wird die Kälteleistung des Verdichters erhöht, so dass im Vergleich zu einer einfachen Entspannung ein kleinerer Verdichter zum Einsatz kommt. Untersuchungen zeigten, dass der Betrieb des Verdichters mit Zwischendruck-Entspannung eine Leistungseinsparung zu 16%, im Vergleich zur einfachen Entspannung bringt.

 

Stand: 06. Oktober 2009 Nutzerhinweis & Datenschutzerklärung