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 Ener- giezunahme 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 Ver- dränger wird dieser abgeschlossene Arbeitsraum periodisch ver- größert und verkleinert.
Kp 1975 / Die Fertigung ist eingestellt.
Der Schraubenverdichter hat zwei Läufer, ist somit eine
zweiwellige Maschine. Die Läufer, auch Rotoren genannt,
befinden sich zueinander im Eingriff. Der Hauptrotor (1) hat
ein konvexes Rotorprofil, der Nebenrotor (2) 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. Jedoch kann der Antrieb
entweder am Hauptrotor oder am Nebenrotor erfolgen. Die Rotoren
haben zueinander eine bestimmte Zahnkombination. Der Hauptrotor
hat 6 und der Nebenrotor 4 Zähne. Diese Zahnkombination 4/6
wurde bei Versuchen als Optimum für Kälteverdichter ermittelt.
Bedingt durch die Zahnkombination erhöht sich die Drehzahl der
Rotoren bei Nebenrotorantrieb und es ergibt sich eine 50 %
höhere Leistung als bei dem Hauptrotorantrieb.
Arbeitsweise des Schraubenverdichters
Die Rotoren sind in ein Gusseisengehäuse eingebaut. Um die Pro- filteile 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 (a-c). Nach Weiterdrehung schieben sich die hinteren Zähne vor den geschlossenen Teil des Einströmgehäuses. Der Raum ist geschlossen und mit dem Gas gefüllt (d).
Kp 1975
Verdichten
Nach fortgesetzter Drehung verkleinert sich der Profil-Lücken- raum kontinuierlich. Der Profileingriff wandert zum Druckstutzen hin. Dabei erfolgt die innnere Verdichtung des eingeschlossenen Volumens.
Gefüllte Profillücke des Hauptläufers
Ausblasen
Der Profil-Lückenraum erreicht die Auslaßsteuerkanten. 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 ausgeschoben.
Endpunkt der inneren Kompression
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 Tole- ranzen 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 Küh- lung des Gases. Mit der Gaskühlung kann ein erhöhtes Druckver- hältnis bei einstufigem Betrieb erreicht werden. Wird kein er- höhtes 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-Steu- erkanten ergeben kleine Auslaßöffnungen und damit ein hohes "eingebautes Druckverhältnis". Sind dagegen die Auslaßkanten lang, wird die Öffnung groß und damit das "eingebaute Druckver- hältnis" niedrig.Diese "eingebauten Druckverhältnisse" sind für alle Anwendungs- fälle 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 Druck- verhältnisses" sondern der Begriff des "eingebauten Volumenver- hältnisses" 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. (Isentropenexponent 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 ausgeschoben.
Wenn bei einem Eintrittsduck 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 Aus-
trittsöffnung, 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 Verdich-
ter seinen idealen Arbeitsbereich erreicht.
Bei Abweichungen vom eingebauten Druckverhältnis muß gegenüber der Mindestarbeit bei passendem Druckverhältnis eine Zusatzar- beit 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 Ar- beitslänge 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 Verdich- ters 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 einge- fahren, 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 An- passung des Volumenstroms an den Kältebedarf im Verdampfer si- chergestellt.
Das Öl
Im Gegensatz zu Hub-Kolbenmaschinen, wo das Öl fast nicht mit dem Kältemittel in Berührung kommt, gehört das Öl im Schrauben- verdichter teilweise zum Kältemittelsystem. Das Öl muß schmie- ren, 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
Ölsystem Prinzipschema
In der Regel fehlt dem Vedichter-Ölsystem eine Ölpumpe. Das Öl
wird stattdessen mit Hilfe der Druckdifferenz zwischen Ölab-
scheider, 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 Ölfluß (Hochdruck und Zwischendruck)
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.
Economizer mit Zweistufenentspannung
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 Kon-
stantdruckregler 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 Enspannung, bringt.