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Die Erfindung betrifft eine zweiflutige Schraubenspindelmaschine zum Antrieb durch Multiphasengemische oder zum Fördern von Multiphasengemischen mit zumindest zwei getrennten Einlassräumen und einem Auslassraum sowie einem den Einlassräumen vorgeschalteten Separator zur Trennung von Flüssigkeitsphase und Gasphase.
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Die
WO 94/27049 A1 beschreibt eine zweiflutige Multiphasen-Schraubenspindelpumpe zur Förderung eines Multiphasengemisches. Als Förderelemente sind zwei berührungslos miteinander kämmende, gegenläufige Förderschraubenpaare vorgesehen, die jeweils eine rechtsgängige Förderschraube sowie eine linksgängige Förderschraube umfassen. Die ineinandergreifenden Förderschrauben bilden zusammen mit dem sie umschließenden Gehäuse einzeln abgeschlossene Förderkammern. Bei der Drehung über eine Antriebswelle bewegen sich diese Kammern kontinuierlich und parallel zu den Wellen von der Saugseite zur Druckseite. Die Saugseite ist dabei zentrisch angeordnet, der Druckraum umgibt die Förderspindeln. In dem Druckraum sind Einrichtungen zur Separierung der jeweiligen Flüssigkeitsphase von der Gasphase des aus der Förderschraube austretenden Mediumstroms vorgesehen. Eine Teilmenge der separierten Flüssigkeitsphase wird über eine Kurzschlussleitung zum Saugraum zurückgeleitet.
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Die
EP 183 380 A2 beschreibt eine zweiflutige Schraubenspindelpumpe mit einer Einlasskammer, die stirnseitig an den Förderschraubenpaaren angeordnet ist. Das zu verpumpende Medium wird durch die beiden Förderschraubenpaare aufeinander zu bewegt und aus einem zentral angeordneten Auslass abgefördert. Eine ähnlich aufgebaute Schraubenspindelpumpe ist aus der
GB 2,227,057 A bekannt. Kondensationseinrichtungen für vaporisiertes Fluid sind innerhalb des Gehäuses vorgesehen, um einen ausreichenden Flüssigkeitsvorrat bereitzustellen.
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Die
US 4,995,797 A beschreibt eine einflutige Schraubenspindelpumpe mit einer druckgesteuerten Rückführung eines separierten Flüssigkeitsanteils. Der Separator ist auf der Druckseite der Pumpe angeordnet.
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Bei einem zweiflutigen Multiphasenschraubenspindelmotor wird das Multiphasenfluid durch die Schraubenspindeln geleitet. Die Fluidströme in den Einlassräumen müssen zum Abdichten der Spalte zwischen den Schraubenspindeln und dem Gehäuse einen Mindestflüssigkeitsanteil aufweisen. Der Einlassdruck in den Einlassräumen ist höher als der Auslassdruck. Die hydraulische Energie wird in mechanische Energie umgesetzt, beispielsweise um einen Generator anzutreiben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zweiflutige Schraubenspindelmaschine bereitzustellen, die leicht an veränderte Prozessbedingungen anpassbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine zweiflutige Schraubenspindelmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße zweiflutige Schraubenspindelmaschine zum Antrieb durch Multiphasengemische oder zum Fördern von Multiphasengemischen mit zwei getrennten Einlassräumen und einem Auslassraum und einem den Einlassräumen vorgeschalteten Separator zur Trennung von Flüssigkeitsphase und Gasphase sieht vor, dass beide Einlassräume mit dem Separator über getrennte Leitungen für die Gasphase und die Flüssigkeitsphase verbunden sind. Durch die getrennte Zuleitung der separierten Gasphase und separierten Flüssigkeitsphase zu den beiden Einlassräumen ist es möglich, eine präzise Steuerung der Flüssigkeitszufuhr zu den Schraubenspindeln zu ermöglichen. Die Flüssigkeitsphase dient zum Abdichten der Spalte zwischen den Schraubenspindeln sowie zwischen den Schraubenspindeln und dem Gehäuse. Die Zufuhr der Flüssigkeit zu den Schraubenspindeln kann somit direkt erfolgen und bedarf keiner Zumischung zu der Gasphase.
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Eine Schalteinrichtung zur Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr zu einem Einlassraum kann vorgesehen sein, so dass bei hohen Gasphasen und einem niedrigen Füllstand im Separator nur ein Förderschraubenpaar mit Flüssigkeit versorgt wird, so dass bei einem Betrieb als Hydraulikmotor dieser mit einer verringerten Leistung weiter läuft und bei einem Betrieb als Förderpumpe eine verringerte Pumpleistung bereitgestellt wird.
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In dem Separator können Auslässe für Verbindungsleitungen von dem Separator zu den Einlassräumen für die Flüssigkeitsphase auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet sein, so dass automatisch bei Absinken eines Flüssigkeitsanteils im Förderstrom bzw. im Separator unter ein bestimmtes Niveau, nämlich unterhalb des Niveaus der oberen Auslässe, nur noch die Flüssigkeitsphase durch den Auslass auf dem niedrigeren Niveaus zugeführt wird, so dass automatisch nur noch über diese Verbindungsleitung die Flüssigkeitsphase in einen der Einlassräume geleitet wird.
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Ein Schaltventil kann in oder an einer Verbindungsleitung oder in oder an dem Separator angeordnet sein, so dass über das Schaltventil die Zufuhr von Flüssigkeitsphase zu den Schraubenspindeln gesteuert werden kann.
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In dem Separator können ein Speicherraum und ein Schwallraum ausgebildet sein, die in strömungstechnischer Verbindung miteinander stehen. In den Schwallraum gelangt das Multiphasengemisch unmittelbar aus einer Rohrleitung, beispielsweise aus einem Förderrohr einer Kohlenwasserstoffquelle. In dem Schwallraum erfolgt eine erste Trennung von Flüssigkeitsphase und Gasphase. Von dem Schwallraum gelangen die Flüssigkeitsphase und die Gasphase in einen Speicherraum, der dazu dient, dass auf der Einlassseite der Schraubenspindelmaschine ein ausreichender Vorrat an Flüssigkeit vorhanden ist. In dem Speicherraum lagert sich die Flüssigkeitsphase aufgrund der unterschiedlichen Dichten am Boden ab, während sich die Gasphase des Multiphasengemisches oberhalb der Flüssigkeitsphase in dem Separator, insbesondere im Speicherraum, befindet. Von dem Speicherraum führen dann getrennte Leitungen für die Gasphase und die Flüssigkeitsphase zu den Einlassräumen der Schraubenspindelmaschine.
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In dem Separator kann eine Schwallwand mit einer bodennahen Durchlassöffnung angeordnet sein, so dass die sich bereits im Schwallraum abgesetzte Flüssigkeitsphase in Bodennähe durch die Durchlassöffnung in den Speicherraum strömen kann. Neben der bodennahen Durchlassöffnung können auch weitere Öffnungen in der Schwallwand vorhanden sein, um beispielsweise die Gasphase von dem Schwallraum zu dem Speicherraum zu leiten.
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Eine Sperreinrichtung kann in oder an einer Verbindungsleitung für die Gasphase von dem Separator zu einem Einlassraum angeordnet sein, so dass separat oder in Ergänzung zu einer Sperrung der Flüssigkeitsphase auch die Sperrung der Gasphase zumindest zu einem Einlassraum vorgenommen werden kann. Dadurch kann eine komplette Seite der Schraubenspindelmaschine vom Förderstrom abgekoppelt werden, so dass die Maschine nur mit halber Leistung betrieben werden kann.
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Die Maschine ist entweder als Motor oder als Pumpe ausgebildet.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauelemente. Es zeigen:
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1 – eine schematische Darstellung einer Schraubenspindelmaschine als Motor;
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2 – eine schematische Darstellung der Schraubenspindelmaschine bei einem ersten Flüssigkeitsniveau;
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3 – eine Darstellung gemäß 2 mit einem abgesenkten Flüssigkeitsniveau;
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4 – eine Variante der Ausgestaltung gemäß 3 mit einer Schalteinrichtung; sowie
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5 – eine Variante der 3 mit einer Schalteinrichtung sowie einer Sperreinrichtung in einer Gasleitung.
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In der 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Schraubenspindelmaschine 1 in Gestalt eines zweiflutigen Multiphasenschraubenspindelmotors gezeigt. Die Schraubenspindelmaschinen weist zwei getrennte Einlassräume 11, 12 auf, über die Schraubenspindelpaare, von denen in der 1 nur zwei Schraubenspindeln 2, 4 gezeigt sind, mit einem Multiphasengemisch versorgt werden. In der Ausführungsform als Motor ist der Einlassdruck p1 größer als der Auslassdruck p2, der an einer Auslasskammer 20 anliegt, so dass durch den Differenzdruck keine Flüssigkeit auf die Einlassseite zurückgeführt werden kann. Die Spindeln 2, 4 treiben einen Generator 6 an; sollte die Maschine im Pumpenbetrieb betrieben werden, sind die Schraubenspindeln 2, 4 mit einem Motor gekoppelt.
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Zur Abdichtung der Spalten zwischen den Schraubenspindeln 2, 4 sowie zwischen den Schraubenspindeln 2,4 und einer Gehäusewandung 10, die die Schraubenspindeln umschließen, ist ein minimaler Flüssigkeitsanteil des Fördermediums erforderlich. Im Motorenbetrieb kann der Anteil beispielsweise größer als 30% der Gesamtfördermenge sein. Wegen der auftretenden Variationen in der Phasenzusammensetzung bei Multiphasengemischen, also bei einem schwankenden Anteil der Flüssigkeitsphase und der Gasphase zwischen 100% Flüssigkeitsanteil und 100% Gasanteil, muss in der Rohrleitung vor der Schraubenspindelmaschine ein Flüssigkeitsvorrat auf der Einlassseite vorgesehen sein. Die Bereitstellung eines Flüssigkeitsvorrates geschieht in Gestalt eines vorgeschalteten Separators mit einem Speicherraum. Die Rohrleitung führt direkt in den Separator, ohne dass das Fluid vorher die Schraubenspindelmaschine passiert hat.
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Eine schematische Darstellung eines solchen Aufbaus ist in der 2 dargestellt. Die Schraubenspindelpaare 2, 3 und 4, 5 sind schematisch dargestellt, ebenso wie die beiden separaten Einlassräume 11, 12, die einlassseitig mit den Schraubenspindelpaaren 2, 3, 4, 5 zusammenwirken. Den Einlassräumen 11, 12 und den Schraubenspindelpaaren 2, 3, 4, 5 ist ein Separator 30 vorgelagert, der über Verbindungsleitungen 31, 32, 33 mit den Einlassräumen 11, 12 gekoppelt ist. Der Separator 30 weist einen Separationsraum 36 und einen Speicherraum 35 auf. In den Separationsraum 36 gelangt das Multiphasengemisch von einer Rohrleitung, beispielsweise eine Förderleitung, wie durch den rechten Pfeil angedeutet ist. Der Separationsraum 36 ist durch eine Schwallwand 37 von dem Speicherraum 35 getrennt. in der Schwallwand 37 ist eine bodennahe Durchlassöffnung 38 in Gestalt einer Bohrung oder einer Ausnehmung angeordnet. Durch die bodennahe Durchlassöffnung 38 gelangt die Flüssigkeitsphase, die sich am Boden des Separators 30 absetzt, in den Speicherraum 35. Eine obere Durchgangsöffnung 39 ist ebenfalls in der Schwallwand 37 vorgesehen. Die obere Durchgangsöffnung 39 weist einen größeren Durchlassquerschnitt als die bodennahe Durchlassöffnung 38 auf und dient vorwieggend zum Durchlass der Gasphase. Bei einem hohen Flüssigkeitsanteil in dem zugeführten Multiphasenstrom gelangt auch Flüssigkeitsphase durch die obere Durchgangsöffnung 39.
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Eine obere Verbindungsleitung 33 dient zur Zufuhr der Gasphase aus dem Separator 30 zu den jeweiligen Einlassräumen 11, 12. Die Verbindungsleitung 33 weist eine Verzweigung auf, so dass beide Einlassräume 11, 12 mit dem gleichen Gasdruck beaufschlagt werden. Somit sind die beiden Einlassräume 11, 12 der Schraubenspindelmaschine über den Separator 30 auf der Gasseite verbunden, so dass der Einlassdruck auf beiden Seiten gleich ist und ein hydraulischer Druckausgleich der Schraubenspindelpaare 2, 3, 4, 5, also der Rotoren, gewährleistet bleibt.
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Bodenseitig sind die Verbindungsleitungen 31, 32 für die Flüssigkeitsphase an dem Separator 30 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei getrennte Verbindungsleitungen 31, 32 vorgesehen, die eine getrennte Zuleitung der Flüssigkeitsphase zu den Einlassräumen 11, 12 bewirken. Die Verbindungsleitungen 31, 32 ragen in den Separator 30 und dort in den Speicherraum 35 hinein, wobei die Auslässe 311, 321, also die Öffnungen der Verbindungsleitungen 31, 32 in den Speicherraum 35, sich auf unterschiedlichen Niveaus, also in unterschiedlichen Höhenlagen, befinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 31 mit dem Auslass 311 auf einem höheren Niveau als die Verbindungsleitung 32 mit dem Auslass 321 angeordnet. Diese Anordnung auf unterschiedlichen Niveaus dient als eine Schalteinrichtung, die die Flüssigkeitszufuhr zu dem einen Einlassraum 11 unterbricht, sobald der Flüssigkeitspegel in dem Speicherraum 35 unterhalb des Niveaus des Auslasses 311 der einen Verbindungsleitung 31 fällt.
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Der Füllstand der Flüssigkeitsphase im Speicherraum 35 des Separators 30 kommuniziert mit dem Füllstand der Einlassräume 11, 12 an den Schraubenspindeleinlässen der Schraubenspindelmaschine, insbesondere wenn sich der Separator 30 auf den gleichen Niveau wie die Einlassräume 11, 12 befindet. Die Förderschraubenpaare 2, 3, 4, 5 erhalten die notwendige Flüssigkeitsmenge direkt aus einem Flüssigkeitssumpf in dem Speicherraum 35. Gegebenenfalls kann eine Dosiereinrichtung innerhalb des Flüssigkeitssumpfes oder in einer der Verbindungsleitungen 31, 32 vorgesehen sein. Sofern keine Dosiereinrichtung vorhanden ist, werden je nach Füllstand des Speicherraumes 35 die Förderschraubenkammern mit mehr oder weniger Flüssigkeit gefüllt.
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Bodenseitig, auf verschiedenen Niveaus, wird somit die Flüssigkeit dem Separator 30 entnommen, so dass keine Mischeinrichtung der Gasphase und der Flüssigkeitsphase vorhanden ist. Im oberen Bereich des Separators 30 wird die Gasphase über die Verbindungsleitung 33 zu den Einlassräumen 11, 12 der Schraubenspindelmaschinen vorzugsweise von oben getrennt von der Flüssigkeitsphase zugeführt. Durch eine Beeinflussung der Strömungswiderstände in den Verbindungsleitungen 31, 32, 33, beispielsweise durch Regelarmaturen, kann das Speicherverhalten des Separators 30 beeinflusst werden. Bei sehr hohen Flüssigkeitsanteilen im Förderstrom kann auch Flüssigkeitsphase über die obere Verbindungsleitung 33 zugeführt werden, so dass nicht mehr durch die unteren Verbindungsleitungen 31, 32 zuführbare Flüssigkeitsmengen über die obere Verbindungsleitung 33 der Schraubenspindelmaschine, beispielsweise dem Hydraulikmotor oder der Pumpe, zugeführt werden kann.
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Sinkt der Flüssigkeitsanteil im Förderstrom unter die für beide Schraubenspindelpaare 2, 3, 4, 5 notwendige Flüssigkeitsmenge, also unterhalb der Auslassöffnung 311 der einen Verbindungsleitung 31, wird die noch verfügbare Flüssigkeit nur einem Schraubenspindelpaar 2, 3 zugeführt. Dadurch kann auch nur ein Förderschraubenpaar hydraulische Arbeit leisten, das andere Schraubenspindelpaar 4, 5 wirkt als Gasdrossel und führt damit automatisch den überschüssigen Gasanteil ab. Bei der Betriebsweise als ein Motor sinkt die abgenommene Leistung, jedoch wird ein kontrollierter Betrieb mit annähernd gleicher Drehzahl aufrechterhalten.
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Sinkt der Flüssigkeitsanteil im Gesamtförderstrom und im Speicherraum 35 des Separators 30 unterhalb des Niveaus des niedrigsten Auslasses 321, der vorzugsweise am niedrigsten Punkt des Speicherraumes 35 angeordnet ist, steht keine Flüssigkeitsphase mehr zur Verfügung, um die Spalten zwischen den Schraubenspindelpaaren 2, 3, 4, 5 sowie den Schraubenspindeln 2, 3, 4, 5 und dem Gehäuse 10 abzudichten, so dass im Betrieb als Motor die Schraubenspindelmaschine stehen bleibt.
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In der 3 ist die Situation gezeigt, in der die Flüssigkeitsphase auf einem Niveau befindlich ist, das unterhalb des oberen Auslasses 311 liegt. Flüssigkeitsphase wird nun nur durch den unteren Auslass 321 durch die Verbindungsleitung 32 zu einem Einlassraum 12 geleitet und dichtet dort die Spalte zwischen den Schraubenspindelpaaren 2, 3 sowie zwischen diesen und dem Gehäuse 10 ab. Der zweite Einlassraum 11 wird nicht mit Flüssigkeitsphase versorgt, sondern nur mit Gasphase aus der oberen Verbindungsleitung 33 und der eigentlich für die Flüssigkeitsphase vorgesehenen separaten Verbindungsleitung 31, so dass eine Spaltabdichtung zwischen den Schraubenspindelpaaren 4, 5 nicht stattfindet, die Einlassseite dient nur als Gasdrossel.
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Eine Variante der Erfindung ist in der 4 gezeigt. Die Auslässe 311, 321 befinden sich auf einem angenähert gleichen Niveau, beispielsweise im Boden des Separators 30. In einer Verbindungsleitung 31 ist ein Schaltventil 40 angeordnet, das bei Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes, der beispielsweise durch einen Sensor ermittelt wird, schließt, so dass nur eine Einlassseite mit Flüssigkeitsphase versorgt wird. Es können auch in beiden Verbindungsleitungen 31, 32 für die Flüssigkeitsphase Schaltventile 40 vorgesehen sein, die wechselweise umgeschaltet werden können, so dass bei einem niedrigen Flüssigkeitsanteil und einem entsprechend niedrigen Niveau innerhalb des Speicherraumes 35 abwechselnd ein Förderschraubenpaar ohne Abdichtung und Flüssigkeitszufuhr betrieben wird, während das andere Förderschraubenpaar als Gasdrossel wirkt.
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Eine weitere Variante ist in der 5 dargestellt, in der innerhalb der Verbindungsleitung 33 für die Gasphase eine Sperreinrichtung 331 in Gestalt eines Schaltventils oder Absperrventils angeordnet ist. Insbesondere in Verbindung mit einem Schaltventil 40 innerhalb einer Verbindungsleitung für eine Flüssigkeitsphase kann eine solche Anordnung zum Umschalten von einem zweiflutigen Betrieb auf einen einflutigen Betrieb dienen, so dass zumindest ausreichend Flüssigkeit vorhanden ist, um ein Schraubenspindelpaar durch die Flüssigkeitsphase abzudichten. Grundsätzlich ist es auch möglich, beide Einlassräume 11, 12 mit entsprechenden Sperreinrichtungen 331 zu belegen, so dass separat eine komplette Abschaltung jeweils eines Einlassraumes 11 über die Sperreinrichtung 331 und das Schaltventil 40 erfolgen kann. Dies setzt vier Absperreinrichtungen in Gestalt von zwei Schaltventilen 40 und zwei Sperreinrichtungen 331 voraus. Bei einer Anordnung mit unterschiedlich hohen Auslässen 311, 321 können ebenfalls Sperreinrichtungen 331 bzw. Schaltventile 40 vorgesehen sein.
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Neben einer Anwendung als Motor kann die Schraubenspindelmaschine 1 auch als Pumpe betrieben werden.
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Der Vorteil einer oben beschriebenen Ausgestaltung besteht in der Trennung der Funktionen einer Separation von Gasphase und Flüssigkeitsphase sowie in der Erbringung der hydraulischen Leistung. Durch einen nahezu beliebig wählbaren Separationsraum 36 und einem Speicherraum 35 ist eine Anpassung an den jeweiligen Förder- bzw. Arbeitsprozess möglich, ebenfalls besteht die Möglichkeit, durch eine verstellbare bzw. verschiebliche Anordnung der Schwallwand 37 innerhalb des Separators 30 eine Variation der jeweiligen Raumgröße für den Speicherraum 35 und den Separationsraum 36 vorzunehmen.
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Der Separator 30 kann beispielsweise rohrförmig ausgebildet sein, so dass er mit einem relativ geringen Durchmesser und einer dünnen Wandung sehr kostengünstig hergestellt werden kann. Es sind keine gesonderten Einrichtungen zur Einspritzung von Flüssigkeitsphase in den jeweiligen Einlassraum 11, 12 notwendig, ebenfalls entfällt der aparative Aufwand für eine korrekte anteilsmäßige Mischung von Flüssigkeitsphase und Gasphase. Der Separator kann sich direkt an das Gehäuse für die Förderschraubenpaare anschließen und ist bevorzugt zylindrisch aufgebaut, beispielsweise mit einem Durchmesser, der dem Kopfkreisdurchmesser der Förderschraubenpaare entspricht. Das Volumen des Separators wird dann über eine Veränderung der Baulänge festgelegt.
