Verdichter

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 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.

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).

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.

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.

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

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.

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.