CH642721A5

CH642721A5 - Verfahren zum betrieb eines schraubenverdichters.

Info

Publication number: CH642721A5
Application number: CH475479A
Authority: CH
Inventors: Arno Heinz; Knut Prof Dr Ing Kauder
Original assignee: Gutehoffnungshuette Sterkrade
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1984-04-30
Also published as: JPS54158712A; GB2022709B; DE2822063A1; GB2022709A; FR2426169A1; FR2426169B1; BR7902691A; IT7922836A0; IT1112903B

Description

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2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb eines Schraubenverdichters für Gase, bei dem unter Ausbildung eines Dichtspaltes sich wenigstens zwei Elemente relativ zueinander bewegen und ein im wesentlichen inkompressibles Fluid als Schmier- und Dichtmittel den Spalt dichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur in einem Bereich von 60 bis 80CC gehalten wird, dass der Hauptläufer mit einer Umfangsgeschwindigkeit (Uhl) gedreht wird, die zwischen dem 0,5- bis l,5fachen einer Bezugsumfangsgeschwindigkeit (UoPt) liegt, bei welcher die spezifische Verdichtungsleistung (a) ihr Minimum hat, dass mit einem Dichtungsmittelstrom gearbeitet wird, der ausreicht, die eingestellte Betriebstemperatur einzuhalten, und dass ein Dichtungsmittel verwendet wird, dessen Viskosität, gemessen bei 50°C, im Bereich von 0,5 und 15 cSt liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Hauptläufer-Bezugsumfangsgeschwindigkeit (Uopt) zwischen 30 und 45 ms-1 die Viskosität des Dichtungsmediums bei 50°C nach der Kurve gemäss Fig. 5 bestimmt wird, wobei Abweichungen von ± 20% von dem so bestimmten Wert zugelassen sind.

Der Liefergrad X l kennzeichnet die Ausnutzung des Verdrängervolumens des Verdichters durch das geförderte Gas, und ist das Verhältnis der geförderten (mf) zur theoretisch ansaugbaren Gasmasse (mth):

ÀL =

mf mth

(3)

Weitere Kenngrössen zur Beschreibung des Erfindungsge-lo genstandes sind:

die kinematische Viskosität v des einzubringenden Dichtungsmediums; Dimension mVs bzw. cSt, und das Verhältnis ß des Volumenstroms des Dichtungsmediums Vöi zum Volu-15 menstrom der angesaugten Luft Van

Ansatzpunkt für die Erfindung sind die Erfordernisse, die das Dichtungsmedium im Inneren des Verdichters zu erfüllen hat. Es sind im wesentlichen: Schmierung der mechanisch bewegten Teile, Kühlung des zu verdichtenden Gases und Abdichtung des Arbeitsraumes. Soweit im folgenden von «Luft» die Rede ist, soll hierunter auch evtl. ein anderes Gas oder ein anderes kompressibles Medium verstanden werden.

Bei einem Schraubenverdichter, beispielsweise des Typs SKF102 G der GHH Sterkrade AG, wird das Dichtungsmedium in der Nähe des Gaseinlasses eingeführt und wandert durch den Verdichter hindurch, während die Luft verdichtet wird. Das Dichtungsmedium wird mit der Luft ausgestossen, anschliessend aus dieser abgeschieden und erneut verwendet.

Um die Einflüsse der Eigenschaften des verwendeten Dichtungsmediums auf die Funktion und die Wirksamkeit des Verdichters zu überprüfen, ist erforderlich, bei einem bestimmten geforderten Volumenstrom und Druckverhältnis zwischen Lufteintritt und -austritt die spezifische Verdichtungsleistung, den Gütegrad und den Liefergrad festzustellen.

Unter spezifischer Verdichtungsleistung a ist die effektive Leistung, bezogen auf den angesaugten Volumenstrom zu verstehen:

a =

Van

(-

kW

mJmin

3T-)

(1)

Dabei werden folgende Definitionen zugrundegelegt:

effektive Leistung (Kupplungsleistung) Pe in kW Volumenstrom, angesaugt Van in m3min"'

Demnach beschreibt die Kenngrösse a das Verhältnis von aufgenommener Kupplungsleistung zum geförderten Volumenstrom, bezogen auf den Ansaugzustand.

Der Gütegrad stellt das Verhältnis von isentroper Verdichtungsleistung Ps zur aufgenommenen Kupplungsleistung P= dar:

T]ge=

(2)

ß =

Völ

Van

2o Als maschinenuntypische Kennzahl des Hauptläufers wird eine dimensionslose Kenngrösse y

Y =

Uhl Uopt

25

eingeführt. Uhl ist die Umfangsgeschwindigkeit des Hauptläufers. Uopt als Bezugsumfangsgeschwindigkeit wird bei jedem Schraubenverdichter dann erreicht, wenn die spezifische Leistung a minimal ist. Die Bezugsgrösse Uopt ist für 30 jeden Verdichter verschieden und variiert mit dem Volumenstrom Vöi des Dichtungsmediums.

Bekannt ist, einen Schraubenverdichter so zu betreiben, dass unabhängig von der Antriebsdrehzahl und somit der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit Uhl ein Dichtungs-3s mittel-Volumenstrom Vöi mit einer bestimmten kinematischen Sollviskosität v in den Arbeitsraum eingebracht wird, wobei durch Variation von Vöi erreicht wird, dass die Kühlkapazität zur Abführung der Wärme aus dem Schraubenverdichter bei einer vorgegebenen Verdichtungsendtemperatur 40 (z.B. 80°C) der austretenden Gase ausreicht.

Gemäss den Spezifikationen verschiedener Hersteller von Schraubenverdichtern werden Dichtungsmedien gewählt, die eine relativ hohe kinematische Viskosität haben, wobei davon ausgegangen wurde, dass relativ zähes Öl einegünsti-4s gere Dichtwirkung besitzt. Es werden daher für den Betrieb von Schraubenverdichtern Mindestviskositäten zur Erfüllung der Abdichtaufgaben vorgeschrieben. Als Beispiel seien die Vorschriften verschiedener Hersteller zitiert:

so 1. BAUER Schraubenkompressor-Anlagen ER 20 - ER 75: Für Luftverdichter werden alterungsbeständige, wasserabweisende, nicht schäumende, vor Korrosion schützende Öle mit folgenden Daten empfohlen:

55 Grundöle Viskosität bei 50° Flammpunkt o.T. so Stockpunkt

Solventraffinat ca. 19,5 bis 25 cSt über 200°C

mindestens 5° unter niedrigster Umgebungstemperatur.

2. IRMER + ELZE Schraubenkompressoren S 501 — «s SLS: Das zur Verwendung kommende Öl soll eine Viskosität von 29 bis 33,5 cSt (4-4,5° E) bei 50°C haben sowie alters-und emulsionsbeständig sein und nur normale Korrosions-, Oxidations- und Schaumverhinderungssubstanzen enthalten.

3. Mahle Schraubenkompressor BA 231-1 :

Es werden empfohlen besonders alterungsbeständige, wasserabweisende, nicht schäumende, vor Korrosion schützende Öle mit folgenden Daten:

Grundöl = Solventraffinat Viskosität bei 50°C = ca. 19,5 bis 25 cSt Flammpunkt o.T. = über 200°C

Stockpunkt = mindestens 5°C unter niedrigster Umgebungstemperatur.

4. ATLAS COPCO:

Zur Kompressorschmierung wird die Verwendung eines hochqualitativen Hydrauliköles mit Rostschutz-, Anti-schaum- und Antioxidationszusätzen mit folgender Viskosität empfohlen:

1. Umgebungstemperatur ständig über -10°C

3° E bei 50°C (104 Sayboltsekunden), was etwa SAE 10 oder SAE10 W entspricht.

2. Umgebungstemperatur unter 0°C

2° E bei 50°C (66 Sayboltsekunden), was etwa SAE 5 entspricht.

Umgerechnet auf cSt entsprechen die Messangaben sich wie folgt:

3° E bzw. 104 Sayboltsekunden entsprechen etwa 20 cSt ± 5 cSt.

2° E bzw. 66 Sayboltsekunden entsprechen etwa lOcSt ± 2 cSt.

Der letzte Wert ist aber nur bei ausgeprochenem Winterbetrieb zu wählen, so dass bei üblichen Bedingungen, wie in Mitteleuropa vorherrschend, die höheren Mediumsvikosi-täten zu wählen sind.

Verdichter, die mit den genannten Dichtungsmitteln betrieben werden, arbeiten grundsätzlich zufriedenstellend. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei Verwendung der genannten Ölviskositäten die spezifische Leistung a relativ hoch liegt, also ungünstig ist. Weiterhin zeigen die relativ hochviskosen Öle lange Abscheidezeiten, benötigen also grossvolumige Abscheider. Gerade der Abscheider aber bestimmt wesentlich die Grösse und die Anschaffungskosten des Verdichters insgesamt.

Als nachteilig für den Betrieb eines Schraubenverdichters gemäss den Vorschriften des Standes der Technik muss daher angesehen werden, dass die Ölauswahl lediglich unter dem Gesichtspunkt der Dichtungsaufgaben getroffen wird. Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, dass der Liefergrad Xl als Hauptkenngrösse bei gegebenen Verdichtungskonstruktionen betrachtet wurde. Der Liefergrad stellt jedoch nur ein Massenverhältnis dar und kann daher keine Aussage über die Energiewandlung und den Energieverbrauch des Verdichters wiedergeben. Die Wahl des Liefergrades als Hauptkenngrösse verstellt daher den Blick dafür, dass andere Betriebskenngrössen die Optimierung des Verfahrens wesentlich besser definieren lassen.

Zur Verbesserung des Standes der Technik stellt sich daher grundsätzlich die Aufgabe, bei dem Betrieb von Schraubenverdichtern den Wirkungsgrad zu steigern und unter Berücksichtigung von relativer Geschwindigkeit der zueinander bewegten Elemente Auswahlkriterien für die Dichtungsmedien anzugeben, um die Entropierzeugung im Verdichter zu minimieren. Der wesentliche Teil der Entropieerzeugung entsteht - wie Plausibilitätsbetrachtungen zeigen und Experimente bestätigen - beim Durchströmen des Dichtungsmittels

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durch den Dichtspalt. Die genannte Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Verfahren gelöst das durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Es wurde gefunden, dass in Abkehr von den bekannten Vorschriften zum Betrieb eines Schraubenverdichters grundsätzlich eine wesentlich niedrigere Viskosität bei den zum Einsatz kommenden Dichtungsmedien gewählt werden kann, dass die Energieverluste dadurch zu verringern sind und dass der Wirkungsgrad des Verdichters verbessert werden kann. Ausserdem kann durch Optimierung der Wahl des Dichtungsmittels die Baugrösse durch Verwendung kleinerer Abscheider verringert werden.

Dabei wird ein Verdichtungsverhältnis % zwischen 5 und 15 vorausgesetzt.

Wenn auch die angegebenen Werte für die Viskosität relativ weite Grenzen umfassen, so zeigen die angegebenen Werte schon deutlich, dass die Viskosität wesentlich unter derjenigen liegt, die bisher als wünschenswert für den Stand der Technik angesehen wurde. Es lässt sich nachweisen, dass durch die Wahl der niedrigeren Viskosität eine wesentliche Verringerung der spezifischen Leistungsabgabe erzielt werden kann. Dabei wird jeweils vorausgesetzt, dass eine konstante Verdichterendtemperatur eingehalten wird. Letztere kann beispielsweise erreicht werden, indem ein hoher Volumenstrom aus Dichtungsmedium bei hoher Einspritztemperatur bzw. ein niedriger Ölstrom bei niedriger Einspritztemperatur gewählt wird. Es lässt sich die Auswahl des Viskositätswertes weiter optimieren, wobei Erläuterungen hierzu in der Beschreibung zur Zeichnung gegeben sind.

Im folgenden sind zur Erläuterung der Erfindung Zeichnungen und Beispiele angefügt. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 das (vereinfachte) Arbeitsschema einer Schraubenverdichteranlage mit Öleinspritzkühlung und Antrieb durch Elektromotor;

Fig. 2 in vergrösserter Darstellung die Verhältnisse im Spaltbereich zweier realtiv zueinander bewegten Elemente in einem Schraubenverdichter;

Fig. 3 ein Diagramm, bei dem die spezifische Leistung über der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit eines bestimmten Schraubenverdichters für verschiedene Viskositäten des Dichtungsmediums dargestellt ist;

Fig. 4 ein Diagramm, bei dem die spezifische Leistung über der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit dargestellt ist;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der gewählten Viskosität von der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit zeigt.

In der Fig. 1 ist zum Verständnis der Funktion das Schema einer einstufigen Schraubenverdichteranlage mit Öleinspritzkühlung und Antrieb durch Elektromotor dargestellt. Das Zentrum der Anlage stellt der Verdichter 1 dar. Ihm wird über Ansaugfilter 3, Ansaugventil 4 (mit Beipassventil 5) ein Gas, vorzugsweise Luft, unter Atmosphärendruck zugeführt. Der Antrieb des Verdichters erfolgt über einen Elektromotor 2.

Ein Kühl- und Dichtungsmedium wird über den Anschluss 32 («Öleinspritzung») in den Verdichter eingedrückt. Das Dichtungsmedium wird dabei über eine Leitung 36 aus einem Ölbehälter 8, der gleichzeitig Grobabscheider ist, zugeführt. Die Leitung 36 wird dabei über die üblichen Betriebsstationen geführt, nämlich über Rückschlagventil 24, Schmutzfänger 25, Ölkühler 26, Ölfilter 28 sowie Drosselventil 30 und Rückschlagventil 31.

Von der Leitung 36 zweigt ferner eine Leitung zu den Anschlüssen 35 («Getriebeschmierung») bzw. 33 («Entlastungskolben») ab. Der Ölbehälter 8 besitzt ferner einen Öl-einfüllstutzen 21, einen Ölablass 23 und einen Füllstandsanzeiger 22.

3

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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4

Das verdichtete Gas wird über eine Auslassleitung 37 (mit Rückschlagventil 7) dem Ölbehälter und Abscheider 8 zugeführt und über eine Leitung 38 mit Feinabscheider 9 und Rückschlagventil 13 einem Verbraucher zugeführt.

Es ist bekannt, Mineral- oder Silikonöle als Kühl-, Dicht-und Schmiermittel zu verwenden. Der in den Verdichterraum eingebrachte Ölstrom hat im wesentlichen drei Wirkungen:

a) Schmierung;

b) Arbeitsraumdichtung, d.h. Verminderung des Luftrückstromes durch eine mit einem Öl-Luftgemisch durchströmte Axial- und Radialdichtung;

c) Wärmetransport.

Es wird dabei von einer Modellvorstellung ausgegangen, die besagt, dass bis auf das «Blasloch» alle arbeitsraumdich-tenden Kanten durch ihre Dichtbewegung im feststehenden Arbeitsraum einen Ölschwall während eines bestimmten Zeitintervalls vor sich herschieben. Besteht dieser Ölschwall während eines gesamten Arbeitsspiels, so durchströmt die Dichtspalte Öl in Richtung des Druckgefälles. Damit werden die dabei entstehenden Druckverluste (Entropieerzeugung durch Dissipation) wesentlich durch die Ölviskosität von einem noch unbekannten Durchflussgestz bestimmt, dessen weitere Parameter neben der Spaltgeometrie der Spaltdifferenzdruck und die Arbeitsspiellänge sein dürften.

Mit zunehmender Arbeitsspiellänge (abnehmender Drehzahl) sinken die hydraulischen Verluste in der Maschine, und gleichzeitig nehmen die spezifischen Verdichtungsleistungen mit sinkender Ölviskosität ab, solange die Dichtspalte mit rückströmendem Öl gefüllt sind.

Ist dies bei weiter zunehmender Arbeitsspiellänge nicht mehr der Fall, d.h. werden die Dichtspalten nur noch während bestimmter Arbeitsspielzeitintervalle gefüllt, verbleiben also Zeiten, in denen Öl-Luftgemische oder nur noch Luft die Spalte durchströmen, so geht Energie verloren. Die zurückströmende Luft ist nämlich zuvor verdichtet worden, ihr Energieinhalt geht jedoch wieder verloren, so dass die spezifische Leistung ansteigt.

Zur Erläuterung der Energie-Verlustquellen sind in Fig. 2 die Verhältnisse an einem Dichtspalt in vergrösserter Darstellung wiedergegeben. Eine Kante 40 der in einem Gehäuse rotierenden Verdichterschraube bewegt sich in Pfeilrichtung 41 unter rotierender Bewegung entlang der Innenseite 42 des Gehäuses. Dabei ist ein Spalt 43 zwischen den Elementen 40 und 42 ausgebildet. Der Spalt ist gefüllt mit einem Teil des Dichtungsmediums 44, das als Schwall vor dem Spalt hergeschoben wird und sich auch im Spalt selbst und hinter diesem befindet. Die bei Wälz- und Gleitbewegung entstehenden Verluste aufgrund der Zähigkeit des Dichtungsmediums werden als Dissipationsverluste bezeichnet. Gleichzeitig kommt es, wie angedeutet durch den gestrichelten Pfeil 44', zu Leckverlusten der hochkomprimierten Gase, die durch das Dichtungsmedium hindurchtreten und einen Druckverlust bewirken. Um zu einem Vergleich und zu Auswahlkriterien für das zu wählende Dichtungsmedium zu kommen, wurden Versuche gefahren, deren Ergebnisse sich in den Fig. 3-5 und den Beispielen niederschlagen.

Beispiel 1

(vgl. Fig. 3)

Ein Schraubenverdichter des Typs SKF102 G mit einem Läuferpaar (Herst.: GHH Sterkrade AG) wird mit folgenden Werten gefahren:

Druckverhältnis % = 8

Verdichterendtemperatur t2= 80°C

Stirnspalt 10-2mm

Serienspiel = 6,1 • 10-2 mm

Ölstrom Vöi = 43 1 min-1.

Messungen der spezifischen Leistung werden durchgeführt als Funktion der Umfangsgeschwindigkeit Uhl des Hauptläufers bei folgenden Geschwindigkeiten:

15,20,25,30,35 und 45 ms"1.

Die sich ergebenden Kurven stellt Fig. 3 dar. Sie sind gemessen worden mit Hydraulikölen folgender Viskositäten:

H-L68 68 cSt bei 50°C

H-L25 25 cSt bei 50°C H-Lll llcSt bei 50°C

Bemerkenswert ist der geringe Viskositätseinfluss auf die spezifische Leistung bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten. Lange Arbeitszeiten implizieren grosse Verweilzeiten der angesaugten Ladung im abgeschlossenen Arbeitsraum, der durch Vöi = 43 1 min-1 nur ungenügend zu dichten ist. Da ein Überangebot von arbeitsraumdichtendem Öl fehlt, wirkt sich die Ölzähigkeitsänderung besonders deutlich aus. Die Folge ist eine Liefergradzunahme (nicht dargestellt). Die Minima der spezifischen Leistungen verschieben sich leicht bei Viskositätsabnahme hin zu höheren Umfangsgeschwindigkeiten.

Diesem willkürlich herausgegriffenen Beispiel ist demnach schon zu entnehmen, dass eine Leistungs- bzw. Wirkungsgradverbesserung durch Verwendung niedrigviskoser Öle eintritt.

Beispiel 2

(vgl. Fig. 4 und 5)

Um den Parameter Vöi (Ölstrom) zu eliminieren, wird eine Grösse Uhl eingeführt. Wird davon ausgegangen, dass

=f(UHL)ist>

d.h. eine Funktion der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit, so lässt sich bei jedem Ölstrom Vöi, der geeignet ist, eine bestimmte Verdichterendtemperatur t2 einzuhalten, ein Minimum des Quotienten a finden, dem eine bestimmte Uhl zugeordnet ist. Per Definition wird diese Grösse als Uopt, also als optimale Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit bzw. als Bezugsumfangsgeschwindigkeit definiert.

Durch Variation von Vöi lassen sich Kurvenscharen y in Abhängigkeit von UoPt ermitteln. Fig. 4 zeigt fünf Kurven, die bei verschiedenen Viskositäten des Dichtungsmediums gewonnen wurden:

Kurve 68: H-L 68 Öl mit 68 cSt bei 50°C Kurve 25: H-L 25 Öl mit 25 cSt bei 50°C Kurve 14: H-L 14 Öl mit 14cStbei 50°C Kurve 10: Shell Tellus 117 (10 cSt bei 50°C)

Kurve 4: Shell Öl T17 (4 cSt bei 50°C)

Es zeigt sich, dass bei Verlagerung zu hohen Umfangsgeschwindigkeiten, bei ensprechender Steuerung des Dichtungsmittelstroms mit dem einzigen Kriterium, die Endtemperatur auf einen bestimmten Wert zwischen 60° und 90°C zu halten, eine erhebliche Verbesserung der spezifischen Leistung gegenüber dem Stande der Technik zu erzielen ist. Trägt man gem. Fig. 5 in den interessierenden Bereich 30 ms-1 <Uopt <45 ms-1 die Werte punktförmig auf, so ergibt sich in erster Näherung eine Parabel oder Hyperbel, die wie folgt definiert werden kann:

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

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v [cSt] = a IPopi [m2s~2] + b Uopi [ms_1] + c wobei a = + 0,0564,

b = — 5,11 und c = + 119,8 ist.

Anhand der Kurve gemäss der Fig. 5 lassen sich von den Vorschriften und Betriebsweisen des Standes der Technik abweichende Betriebsweisen ermitteln, die einen verbesserten Wirkungsgrad der Schraubenverdichter gewährleisten. Die aus der Kurve ermittelten Werte für die Viskosität können nach oben oder unten um ca. 10-20% abweichend verwendet werden - was allein schon aus dem Grunde erforderlich ist, da im Handel nur Öle bestimmter Viskositäten angeboten werden. Die Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit spielt s dabei eine wesentliche Rolle. Bei mittleren und hohen Umfangsgeschwindigkeiten findet man ein proportionales Absinken der spezifischen Leistung mit fallender Viskosität. Je nach den gwählten Bedingungen kann es jedoch sein, dass ein 4 cSt-Öl schlechtere Bedingungen als ein 14 cSt-Öl bringt, io wenn die optimale Umdrehungszahl wesentlich unterschritten wird. Ein möglichst universell einsetzbares Öl müsste daher eine Viskosität zwischen 10 bis 14 cSt aufweisen.

B

4 Blatt Zeichnungen