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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schraubenmotors,
der zwei in einem umschließenden
Gehäuse
gelagerte Rotoren mit schraubenförmig
gewundenen, ineinandergreifenden Zähnen aufweist, in deren Zahnlücken sich
periodisch ein Arbeitsraum bildet, dessen Volumen sich vergrößert und
in den ein expansionsfähiges
organisches Arbeitsmedium dampfförmig
bei kleinem Volumen eingelassen wird, welches bei sich vergrößerndem
Volumen des Arbeitsraumes expandiert und Nutzarbeit leistet. Ferner
betrifft die Erfindung einen Schraubenmotor zur Durchführung eines
solchen Verfahrens mit zwei in einem umschließenden Gehäuse gelagerten Rotoren mit
schraubenförmig
gewundenen, ineinandergreifenden Zähnen, in deren Zahnlücken sich
periodisch ein Arbeitsraum mit veränderlichem Volumen bildet.
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Es
ist bekannt, dass Schraubenverdichter ohne synchronisierendes Zahnradpaar
auf den beiden Rotoren mit einer Flüssigkeitseinspritzung betrieben
werden. Die Flüssigkeit
ist in der Regel ein mineralisches oder synthetisches Öl, das in
die Lager eingespritzt wird und diese schmiert sowie in den Arbeitsraum
eingespritzt wird, wodurch die Spalte abgedichtet werden und die
Rotoren geschmiert werden. Außerdem
wirkt es auf das durch die Kompression erhitzte Gas kühlend. Ferner
sind Schraubenverdichter zur Verdichtung von Luft bekannt, die Rotoren
aus keramischen Werkstoffen aufweisen und in die Wasser zur Erfüllung der
vorgenannten Funktionen eingespritzt wird.
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Wie
z.B. aus
DE 195 43
879 C2 bekannt, wird die Flüssigkeit im Einlassbereich
eingespritzt oder eingedüst
oder durch Bohrungen im Gehäuse an
für den
Verdichtungsprozess beson ders geeigneten Stellen in den Arbeitsraum
eingespritzt. Wesentlich bei den bekannten Lösungen ist, dass ein Flüssigkeitsnebel
einlassseitig zugeführt
wird und somit gemeinsam mit dem Arbeitsmedium in die Maschine geführt wird.
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Schraubenmotoren
sind Expansionsmaschinen, in denen ein unter Druck stehendes Gas
oder dampfförmiges
Arbeitsmedium unter Abgabe von Arbeit expandiert. Das Arbeitsmedium
strömt
in den sich aufgrund der Rotordrehung vergrößernden, von einem in Verbindung
stehenden Zahnlückenpaar
gebildeten Arbeitsraum ein, bis die hinteren Zahnköpfe des
Zahnlückenpaares
die Gehäusekanten
der Einlassfläche überschreiten.
Danach expandiert das Arbeitsmedium in dem sich weiter vergrößernden,
bis auf die Spalte verschlossenen Arbeitsraum. Diese Spalte sind
prinzipbedingt zwischen den Rotoren und zwischen einem jeden Rotor
und dem umschließenden
Gehäuse
unvermeidlich vorhanden. Es sind Schraubenmotoren bekannt, in die
ein synthetisches Öl
eingespritzt wird, um die sich berührenden Rotoren zu schmieren
und die Spalte durch die Flüssigkeit weitgehend
zu verschließen.
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Gemeinsam
ist all diesen bekannten Lösungen,
dass sie zwei unterschiedliche Medien verwenden, ein Arbeitsmedium,
das im Kreislauf dampfförmig
und flüssig
auftritt, und ein zusätzliches
flüssiges Schmiermedium.
Beide Medien müssen
jeweils wieder voneinander getrennt werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Betriebsweise eines Schraubenmotors, insbesondere
im Hinblick auf die Schmierung und Abdichtung der Rotoren, zu vereinfachen
und zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Arbeitsmedium zusätzlich
als Mittel zur Dichtung der Spalte und zur Schmierung der Rotoren
verwendet und flüssig
in den Arbeitsraum eingespritzt wird.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik wird somit nur ein Medium, nämlich das
Arbeitsmedium eingesetzt, das in seinen unterschiedlichen Aggregatszuständen unterschiedliche
Aufgaben erfüllt. Das
Arbeitsmedium ist in der Lage, im Verdampfer vollständig zu
verdampfen und als eigentliches Arbeitsmedium zu dienen, gleichzeitig
aber bei niedrigen Temperaturen flüssig vorliegend in den Lagern und
auf den Rotoren ausreichend zu schmieren.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das flüssige Arbeitsmedium
sowohl von der Hochdruckseite als auch von der Niederdruckseite
in den Arbeitsraum eingespritzt wird. Dazu ist bevorzugt eine spezielle
Gestaltung des Schraubenmotors vorgesehen, wie weiter unten näher erläutert wird.
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Bevorzugt
ist das Arbeitsmedium ein organisches, synthetisches Wärmeträgermedium,
alternativ kann das Arbeitsmedium auch ein eutektisches Gemisch
aus Diphenyloxid und Diphenyl oder ein Gemisch aus etwa 90 % Phenylcyclohexan
und etwa 10 % Bicyclohexyl sein.
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In
energetisch besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen,
dass zur Erwärmung und/oder
Verdampfung des Arbeitsmediums Abwärme aus einem Verbrennungsmotor
genutzt wird. Große
Teile des abgeführten
Wärmestromes
von Verbrennungsmotoren, z.B. der des Abgases oder der aus der Ladeluftkühlung, besitzen
eine vergleichsweise hohe Temperatur und dadurch einen hohen Exergieanteil.
Dieser kann auf diese weise in mechanische und/oder elektrische
Energie durch Kopplung mit einem Schraubenmotor gewandelt werden.
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Dabei
ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das in einem internen Kreislauf
durch eine Pumpe geförderte
flüssige
Arbeitsmedium von den Abgasen des Verbrennungsmotors in einem Wärmeaustauscher
erwärmt
wird und ein Teil des Arbeitsmediums in einem außerhalb des Wärmeaustauschers liegenden
Verdampfer verdampft wird, und dass in demselben Wärmeaustauscher
das zuvor in einem Kondensator kondensierte oder abgekühlte Arbeitsmedium
an der Austrittsseite des Abgases erwärmt wird, bevor es sich mit
dem im internen Kreislauf geförderten
Arbeitsmedium mischt.
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Ferner
ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Teil des dem Schraubenmotor zugeführten Arbeitsmediums
diesem aus dem Verdampfer dampfförmig und
ein anderer Teil hieraus flüssig
zugeführt
wird.
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Zur
Lösung
der eingangs gestellten Aufgabe und zur Durchführung des Verfahrens zeichnet
sich ein gattungsgemäßer Schraubenmotor
bevorzugt dadurch aus, dass zum Einspritzen des flüssigen Arbeitsmediums
in den Arbeitsraum in der druckseitigen Gehäusestirnwand ein oder mehrere
sichel- oder ringförmige Nuttaschen
vorgesehen sind, welche in Sackbohrungen in mindestens einem der
beiden Rotoren in Zahnrichtung münden,
von denen Steigbohrungen bis in die Nähe des Zahnkopfes abzweigen.
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Über die
Nutabmessungen kann der Drehwinkelbereich, in dem das flüssige Arbeitsmedium zugeführt werden
soll, vorgegeben werden. Das flüssige
Arbeitsmedium tritt vor dem sich relativ zum Gehäuse bewegenden Zahnkopf aus
und verteilt sich schwallartig vor diesen. Das flüssige Arbeitsmedium wird
in den sich aufgrund der Zahnform verengenden Spalt befördert. Dabei
entsteht örtlich
ein hydrodynamischer Druck, der größer als der Dampfdruck in dem
nachfolgenden Zahnlückenraum
ist. Der Spaltbereich wird so für
das dampfförmige
Arbeits medium abgedichtet.
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Ferner
ist vorteilhaft vorgesehen, dass zur Einspritzung des flüssigen Arbeitsmediums
in den Arbeitsraum an der Niederdruckseite eine oder mehrere Gehäusebohrungen
vorgesehen sind. Diese Gehäusebohrungen
sind bevorzugt mit Düseneinsätzen verschlossen,
die einen fächerförmigen Flüssigkeitsnebel
mit einer Fächerausrichtung
im Wesentlichen parallel zur Rotorachse erzeugen. Dadurch wird zumindest
ein Teil des flüssigen
Arbeitsmediums von den Rotoren entgegen des Druckgefälles in
den Profileingriff hineingezogen, wodurch der Profileingriffsspalt
teilweise abgedichtet wird und eine hydrodynamisch ausgebildete
tragende Schmierschicht gebildet wird.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 einen
Schnitt durch einen Schraubenmotor,
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2 ein
vergrößertes Detail
der 1 und in
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3 ein
Verfahrensfließbild
eines Rankine-Prozesses mit einem Schraubenmotor.
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Ein
Schraubenmotor ist in 1 allgemein mit 1 bezeichnet.
Dieser Schraubenmotor 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Eintritt 3 für ein dampfförmiges Arbeitsmedium
und einem Austritt 4 für
das Arbeitsmedium auf sowie zwei Rotoren 5 mit schraubenförmig gewundenen,
ineinandergreifenden Zähnen 6,
in deren Zahnlücken
sich periodisch ein Arbeitsraum 7 bildet. Auf der (Hochdruck-)Eintrittsseite
der Rotoren 5 sind die Rotoren hier in einem Gleitlager 8 gelagert und
mit einer Abtriebswelle 9a verbunden. Die Gleitlager auf
der Hochdruckseite 9 und auf der Niederdruckseite 10 sind
in der Darstellung mittels Dichtungen vom Arbeitsraum 7 getrennt.
Die Erfindung ist nicht an die dargestellte Lager- und/oder Dichtungsart
gebunden. Die Rotoren können
auch in Wälzlager gelagert
sein. Auch kann die Dichtung einfach ausgeführt werden oder ggf. ein einzelner
enger Spalt sein.
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Die
beiden, in Eingriff stehenden schraubenförmig verbundenen Rotoren 5 können somit
im Gehäuse 2 rotieren,
wobei der jeweilige Arbeitsraum 7 von den beiden Schraubenrotoren 5 mit
der eng anliegenden Gehäuseinnenseite
gebildet wird. Das dampfförmige
Arbeitsmedium gelangt durch den Eintritt 3 in das dahinter
liegende Zahnlückenvolumen. Bei
fortschreitender Rotordrehung wächst
das Volumen der Profillücke.
Der Füllvorgang
ist beendet, wenn dieser Raum bei weiterer Rotordrehung am Einlassquerschnitt
des Gehäuses
vollständig
getrennt wird. Während
der Expansionsphase vergrößert sich
der Arbeitsraum 7 kontinuierlich, wobei das Arbeitsmedium
einen Teil seiner Energie auf den Rotor 5 überträgt und damit
die Abtriebswelle 9 dreht. Ist das Arbeitsvolumen maximal, überfahren
die voranlaufenden Rotorzahnköpfe
den Auslassquerschnitt im Gehäuse 2 und
der Auslassvorgang mit dem Ausschieben, also mit dem Verdrängen des
energieärmeren
Arbeitsmediums beginnt. Je nach Anzahl der vorhandenen Profillücken am
Rotorumfang läuft
das beschriebene Arbeitsspiel mehrmals pro Rotorumdrehung ab.
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Wesentlich
für die
Ausbildung des Schraubenmotors nach 1 und 2 ist
nun, dass zum Einspritzen des flüssigen
Arbeitsmediums in den Arbeitsraum 7 in der hochdruckseitigen
Gehäusestirnwand 11 ein
oder mehrere sichel- oder ringförmige Nuttaschen 12 vorgesehen
sind, in die Sackbohrungen 13 in mindestens einem der beiden
Rotoren 5, eingebracht in Zahnrichtung, münden, von
denen Steigbohrungen 14 bis in die Nähe des Zahnkopfes abzweigen.
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Über die
Nutabmessungen kann der Drehwinkelbereich, in dem das flüssige Arbeitsmedium zugeführt werden
soll, vorgegeben werden. Das flüssige
Arbeitsmedium tritt vor dem sich relativ zu dem Gehäuse 2 bewegenden
Zahnkopf aus und verteilt sich schwallartig vor diesem. Das flüssige Arbeitsmedium
wird in den sich aufgrund der Zahnform verengenden Spalt gefördert. Dabei
entsteht örtlich
ein hydrodynamischer Druck, der größer als der Dampfdruck in dem
nachfolgenden Zahnlückenraum
ist. Der Spaltbereich wird so für
das dampfförmige
Arbeitsmedium abgedichtet.
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Ein
anderer Teil des flüssigen
Arbeitsmediums wird von der Niederdruckseite, also der Austrittsseite
des Schraubenmotors 1, über
eine oder mehrere Gehäusebohrungen 15 derart
in Richtung des Profileingriffsspaltes der Rotoren 5 geleitet,
dass zumindest ein Teil des flüssigen
Arbeitsmediums von den Rotoren 5 entgegen des Druckgefälles in
den Profileingriff hineingezogen wird und den Profileingriffspalt
teilweise abdichtet sowie eine hydrodynamisch ausgebildete, tragende
Schmierschicht bildet.
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Das
Arbeitsmedium wird somit im dampfförmigen Zustand als eigentliches
Arbeitsmedium verwendet und in flüssigem Zustand als Dicht- und Schmiermittel,
welches in der vorbeschriebenen Weise zugeführt wird.
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In 3 ist
in einem Verfahrensfließbild
ein ganz besonders bevorzugter Einsatz eines so beschriebenen Schraubenmotors
mit Abwärmenutzung dargestellt.
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Der
Schraubenmotor 1 ist mit einem Generator 16 zur
Stromerzeugung gekoppelt, das zum Antrieb des Schraubenmotors 1 benötigte dampfförmige Arbeitsmedium
wird von einem (Register-)Wärmeaustauscher 17 und
einem Flash-Verdampfer 18 zur Verfügung gestellt. Der Wärmeaustauscher 17 wird im
Ge genstrom über
Steuerungsklappen 19 mit warmen Abgasen durchströmt, die
beispielsweise von einem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt
werden, was durch einen Pfeil 20 angedeutet ist. Nach Abkühlung im
Wärmeaustauscher 17 treten
die Abgase 20 durch einen Kamin 21 in die Umgebung
aus. Am Austritt des Schraubenmotors 1 ist ein Kondensator 22 angeordnet,
dessen Kondensat von einer Kondensat- und Speisepumpe 23 über ein
Regelventil 24 dem Wärmeaustauscher 17 und
anschließend dem
Verdampfer 18 zugeführt
wird, worauf das dampfförmige
Arbeitsmedium 1 wieder in den Schraubenmotor 1 zugeführt wird.
Der Flüssigkeitsablauf
des Flash-Verdampfers 18 steht über ein Dosierventil 25 mit
dem Schraubenmotor 1 in Flüssigkeitsverbindung sowie über eine
Umwälzpumpe 26 mit
dem Wärmeaustauscher 17.
Die Vakuumpumpe 28 kann über einen Hilfskondensator 29 in
einen Auffangbehälter 30 fördern, der über ein
Befüllventil 31 mit
der Zuleitung der Kondensat- und
Speisepumpe 23 verbunden ist. Ferner besteht über ein
Ablaufventil 27 und den Hilfskondensator 29 eine
Verbindung mit dem Auffangbehälter 30.
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Austrittsseitig
ist die Kondensat- und Speisepumpe 23 parallel zum Regelventil 24 über ein Druckregelventil 32 mit
einem Kühler 33 verbunden, dessen
Austritt in den Schraubenmotor 1 mündet.
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Die
Abgase erwärmen
im Wärmeaustauscher 17 das
in einem internen Kreislauf durch die Umwälzpumpe 26 geförderte flüssige Arbeitsmedium.
Ein Teil des Arbeitsmediums wird in dem außerhalb des Wärmeaustauschers 17 liegenden Flash-Verdampfer 18 verdampft
und tritt dampfförmig in
den Schraubenmotor 1 ein. Das im Kondensator 22 kondensierte
oder abgekühlte
aus dem Schraubenmotor 1 ausgetretene Arbeitsmedium wird
im Wärmeaustauscher 17 an
der Austrittsseite des Abgases erwärmt, bevor es sich mit dem
im internen Kreislauf geförderten
Arbeitsmediumstrom mischt. Zur Abdichtung und Schmierung des Schraubenmotors 1 wird
ein anderer Teil des Arbeitsmediums aus dem Flash-Verdampfer 18 in
flüssiger
Form über
das Dosierventil 25 dem Schraubenmotor 1 zugeführt. Ein
Teil dieses flüssig
zugeführten
Arbeitsmediums verdampft während
des Expansionsvorganges des dampfförmig zugeführten Arbeitsmediums im Schraubenmotor.
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Zusätzlich oder
alternativ kann dem Schraubenmotor 1 auch über das
Druckregelventil 32 und den Kühler 33 flüssiges Arbeitsmedium,
z.B. zur Versorgung der Lager, zur Verfügung gestellt werden.
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In
der in 3 dargestellten Anlage kann der Schraubenmotor
zur Stromerzeugung in einer Anlage mit einem Verbrennungsmotor benutzt
werden, wobei der Schraubenmotor 1 bevorzugt mittels einer Überholkupplung
mit dem Generator 16 des Verbrennungsmotors gekoppelt wird.
Dazu kann der Schraubenmotor mittels Überholkupplung mit dem Verbrennungsmotor über den
Wellenzapfen für
Nebenantriebe oder die Kurbelwelle selbst gekoppelt sein.
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Ferner
kann ein Teilmassenstrom des über den
Kondensator 22 geführten
und abgekühlten
Arbeitsmediums zur Kühlung
eines Betriebsmediums des Verbrennungsmotors genutzt werden, bevor
es dem Abgaswärmeaustauscher 17 zugeführt wird
und sich mit dem im internen Kreislauf geführten flüssigen Arbeitsmedium mischt.