DE102012202712A1

DE102012202712A1 - Schraubenspindel-Kompressor

Info

Publication number: DE102012202712A1
Application number: DE201210202712
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Mit nur einer Schraubenspindel-Kompressor-Maschine ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum werden höhere Drücke am Gas-Auslass (3) dadurch erreicht, dass das gegensinnig und berührungsfrei arbeitende Spindelrotorpaar (1) jeweils einen mehr als 800 Winkelgrad großen Umschlingungswinkel für das äußere Fördergewinde aufweist, und dass sowohl am Spindelrotorpaar (1) als auch an dem umgebenden Verdichtergehäuse (4) ein Teil der zwischen dem Gas-Einlass (2) und dem Gas-Auslassraum (3) entstehenden Kompressionswärme während der Betriebsfluid-freien Verdichtung abgeführt wird, wobei ein Kühlfluid (6) das Spindelrotorpaar (1) und ein Kühlfluid über die Kühlfluid-Führung (7) das Verdichtergehäuse (4) Wärme-abführend durchströmt und die Größe der vom Fördergas berührten Wärmetransferflächen mindestens 50 cm2 je kW-Antriebsleistung beträgt, wobei die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Einlass-Seite größer sind als die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Auslass-Seite, und wobei zudem das gegensinnig und berührungsfrei zueinander rotierende Spindelrotorpaar mit erhöhter Drehzahl betrieben wird, so dass die Umfangs-Geschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser mindestens 30 m/sec betragen. Über die Größe der Wärmetransferflächen im Verhältnis zur Verdichterleistung wird der Anteil der abgeführten Kompressionswärme, die insgesamt während der Verdichtung des Fördermediums zwischen dem Gas-Einlass (2) und dem Gas-Auslass (3) entsteht, festgelegt.

Description

Kompressoren nach dem Prinzip der 2-Wellen-Verdrängermaschinen zur Verdichtung gasförmiger Medien benötigen heutzutage meist noch ein Betriebsfluid im Arbeitsraum, um sowohl die Spalte zwischen den Verdrängerrotoren sowie dem umgebenden Verdichtergehäuse abzudichten als auch die während der Verdichtung entstehende Kompressionswärme abzuführen. Nicht nur aus Gründen des Umweltschutzes und wegen des zusätzlichen Aufwandes zur Ölabscheidung aus dem Fördermedium nach der Verdichtung möchte der Anwender jedoch auf dieses Betriebsfluid (meist Öl) verzichten, so dass trockenverdichtende Kompressoren zunehmend an Bedeutung gewinnen, bei denen im Arbeitsraum also kein Betriebsfluid benötigt wird. Derartige "Trockenläufer" haben heutzutage jedoch das Problem, dass die während der Verdichtung entstehende Kompressionswärme nur derart abgeführt werden kann, dass beispielsweise für höhere Betriebsdrücke zumeist zwei Trockenläufer-Kompressoren hintereinander geschaltet werden müssen und zwischen diesen beiden Maschinen eine Zwischengaskühlung vorgesehen werden muss, um die Verdichtungstemperaturen in technisch vernünftigen und beherrschbaren Grenzen zu halten.
Die Verdichtung beginnt üblicherweise bei Atmosphären-Druck und das gasförmige Fördermedium wird auf Absolutdrücke von mindestens 2 bar verdichtet. Viele Anwendungen arbeiten gleichwohl bei höheren Betriebsdrücken von 8 bis 16 bar und mehr. Insbesondere für diese höheren Drücke ist bei trockener Verdichtung der Aufwand unerwünscht hoch bei zugleich nur mäßigem Kompressions-Wirkungsgrad, indem der Leistungsbedarf bezogen auf den Volumenstrom für ein gewähltes Druckverhältnis wegen der praktisch adiabaten Verdichtungsweise recht hoch ist.
Diese gegenwärtige Situation bei trockenverdichtenden Kompressoren gilt es zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Kompressionsverhalten für trocken-verdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien für den Überdruckbereich zu vereinfachen und effizienter zu gestalten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei nur einer Spindel-Kompressor-Maschine als trockenverdichtende 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine für den Überdruckbereich die beiden Spindelrotore einen höheren (also größer als 800 Winkelgrad) Umschlingungswinkel für das äußere Fördergewinde aufweisen und damit eine mehrstufige Gasförderung durch Hintereinanderschaltung mehrerer Arbeitskammern zwischen dem Gas-Einlass und dem Gas-Auslass in nur einer Maschine bilden, und dass sowohl am Spindelrotorpaar als auch an dem die Spindeln umgebenden Verdichtergehäuse ein Teil der während der Betriebsfluid-freien (also trockenen) Verdichtung entstehenden Kompressionswärme abgeführt wird, wobei ein Kühlfluid das Spindelrotorpaar und ein (vorzugsweise das gleiche) Kühlfluid das die Spindelrotore umgebende Verdichtergehäuse durchströmt und die Größe der vom Fördermedium berührten Wärmetransferflächen mindestens 50 cm² je kW-Antriebsleistung beträgt, wobei die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Einlass-Seite größer als die Arbeitskammer-Volumina auf der Gas-Auslass-Seite sind, und wobei zudem das gegensinnig und berührungsfrei zueinander rotierende Spindelrotorpaar mit erhöhter Drehzahl betrieben wird, so dass die Umfangs-Geschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser mindestens 30 m/sec betragen.
Somit erfolgt die Wärmeabführung während der Verdichtung gleichzeitig sowohl über das Spindelrotorpaar als auch über das die Spindelrotore umgebende Verdichtergehäuse und funktioniert derart, dass an den Fördermedium-berührten Arbeitsraum-Oberflächen ein Teil der während der Verdichtung entstehenden Kompressionswärme an jeden der beiden Spindelrotore sowie an das die Spindelrotore umgebende Verdichtergehäuse abgegeben wird und dass sowohl diese Spindelrotore als auch dieses umgebende Verdichtergehäuse auf der anderen (also nicht Medien-berührten Seite) jeweils von einem Kühlfluid durchströmt werden, welches einen Teil dieser aufgenommenen Kompressionswärme aus jedem Spindelrotor sowie vom Verdichtergehäuse wieder abführt und vorzugsweise an einem externen Wärmetauscher wieder abgibt.
Eine Arbeitskammer an jedem Spindelrotor wird gebildet durch die Zahnlücken-Volumina zwischen dem äußeren Profil-Fördergewinde und dem berührungsfrei eingreifenden Gegenspindelrotor sowie dem umgebenden Verdichtergehäuse. Zwischen dem Fördergas-Einlass und dem Fördergas-Auslass sind wegen des erhöhten Umschlingungswinkels für das äußere Profil-Fördergewinde an jedem Spindelrotor mehrere Arbeitskammern hintereinander geschaltet.
Durch die stets berührungsfreie Rotation im Arbeitsraum entstehen Spalte, über die ein geringer Teil des Fördergases zwischen den Arbeitskammern entgegen der eigentlichen Förderrichtung zurückströmt.
Die Größe der vom Fördergas berührten Wärmetransferflächen sollte je kW-Antriebsleistung mindestens 50 cm² betragen, wobei zwecks Kostenreduzierung über eine höhere Leistungsdichte (also Antrieb-kW je kg Gewicht der Verdichtermaschine) auch Werte von 75 cm², 100 cm² und 125 cm² sowie 150 cm² als auch 175 cm² und 200 cm² und durchaus auch 225 cm², 250 cm², 275 cm² sowie 300 cm² und 350 cm² je kW-Antriebsleistung applikationsspezifisch realisiert werden, so dass beispielsweise ein Spindelkompressor mit einer Antriebsleistung von 55 kW auf vom Fördermedium berührte Wärmetransferflächen als Summe der Oberflächen im Arbeitsraum von über 14.000 cm² kommt, was durchaus auch auf 20.000 cm² steigen kann für diejenigen Anwendungen, bei denen durch die größere Leistungsdichte folglich auch höhere Maximal-Temperaturen vom Fördermedium zulässig sind. Denn mit steigender Leistungsdichte nimmt auch die Gas-Temperatur zu, wobei hier Werte bis 250°C applikationsspezifisch auftreten. Bei derart höherer Leistungsdichte sind auch hochwertigere Rotorlager und bessere Auswuchtgütestufen erforderlich, wie dies nachfolgend ausgeführt ist.
Die Umfangs-Geschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser sollten mindestens 30 m/sec betragen. Dieser Wert stellt nur eine untere Grenze dar, denn durch Verwendung von qualitativ besseren Wälzlagern für die Spindelrotor-Lagerung und bei hinreichend guter Wuchtung der rotierenden Bauteile sind für die Umfangsgeschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser auch Werte von 40 m/sec, 50 m/sec, 60 m/sec oder auch 70 m/sec, 80 m/sec und 90 m/secm/sec (jeweils auch mindestens) erreichbar, denn mit höheren Umfangs-Geschwindigkeiten steigt auch der volumetrische Wirkungsgrad als Maß für den tatsächlich geförderten Volumenstrom zum theoretisch ideal-dichten Volumenstrom. Wenn besonders gute Qualitäten bei der Rotor-Lagerung (beispielsweise Hochgenauigkeits-/Spindellager) und besondere Ansprüche bei der Auswuchtgüte (z. B. Gütestufe G1 gemäß Gütediagramm nach DIN-ISO 1940) eingehalten werden, sind für die Umfangsgeschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser auch Werte von 100 m/sec, 110 m/sec oder 120 m/sec (jeweils auch mindestens) durchaus erreichbar.
Als Umschlingungswinkel am Spindelrotor wird der Verdrehwinkel bezeichnet, um den sich das in der x-y-Ebene liegende Stirnschnittprofil längs der Spindelrotorachse in z-Achsrichtung verdrehend längsschraubt, so dass folgerichtig nach 360° das Stirnschnittprofil einmal vollständig gedreht wurde und entsprechend der Steigung sich an einer anderen z-Achsposition befindet.
1 zeigt für die vorliegende Erfindung einen Schnitt durch die gesamte Spindel-Kompressor-Maschine. Ein spiegelbildlich identisches Spindelrotorpaar 1 dreht in einem Verdichtergehäuse 4 mit einem Gas-Einlass 2 und einem Gas-Auslassraum 3. Das Rotorpaar 1 wird über Synchronisationszahnräder 8 berührungsfrei und zueinander gegensinnig mit hoher Drehzahl angetrieben und ist jeweils drehfest auf einer Trägerwelle 10 befestigt. Ein Kühlfluid 6 strömt jeweils über eine zentrale Bohrung in jeder Trägerwelle 10 an den Innenkühl-Flächen 5 jedes Spindelrotors 1 entlang und führt somit einen Teil der während der Verdichtung zwischen dem Gas-Einlass 2 und dem Gas-Auslass 3 auf der Fördergas-Seite von jedem Spindelrotor aufgenommenen Kompressionswärme ab. Ebenso wird gleichzeitig über die Kühlfluid-Führung 7 im Verdichtergehäuse 4 ein weiterer Teil der während der Verdichtung zwischen dem Gas-Einlass 2 und dem Gas-Auslass 3 auf der Fördergas-Seite von dem Verdichtergehäuse 4 aufgenommenen Kompressionswärme über den vorzugsweise gleichen Kühlfluidstrom in Reihen- oder Parallelschaltung zur Spindelrotorkühlung abgeführt.
Damit wird im Überdruckbereich trockenverdichtend mit nur einer Schraubenspindel-Kompressor-Maschine effizienter und mit geringerem Aufwand das erreicht, wozu nach heutigem Stand der Technik bisher noch zwei Trockenläufer-Verdichter beispielsweise als Schraubenkompressoren mit Zwischengaskühlung notwendig sind.
Die trockenverdichtende 2-Wellen-Rotationsverdrängermaschine ist für den Überdruckbereich bestimmt. Um den Aufwand zu verringern und den Verdichterwirkungsgrad zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass mit nur einer Schraubenspindel-Kompressor-Maschine ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum höhere Drücke am Gas-Auslass 3 dadurch erreicht werden, dass das gegensinnig und berührungsfrei arbeitenden Spindelrotorpaar 1 jeweils einen mehr als 800 Winkelgrad großen Umschlingungswinkel für das äußere Fördergewinde aufweist, und dass sowohl am Spindelrotorpaar 1 als auch an dem umgebenden Verdichtergehäuse 4 ein Teil der zwischen dem Gas-Einlass 2 und dem Gas-Auslassraum 3 entstehenden Kompressionswärme während der Betriebsfluid-freien Verdichtung abgeführt wird, wobei ein Kühlfluid 6 das Spindelrotorpaar 1 und ein vorzugsweise das gleiche Kühlfluid über die Kühlfluid-Führung 7 das Verdichtergehäuse 4 Wärme-abführend durchströmt und die Größe der vom Fördergas berührten Wärmetransferflächen mindestens 50 cm² je kW-Antriebsleistung beträgt, wobei die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Einlass-Seite größer sind als die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Auslass-Seite, und wobei zudem das gegensinnig und berührungsfrei zueinander rotierende Spindelrotorpaar mit erhöhter Drehzahl betrieben wird, so dass die Umfangs-Geschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser mindestens 30 m/sec betragen. Über die Größe der Wärmetransferflächen im Verhältnis zur Verdichterleistung wird der Anteil der abgeführten Kompressionswärme, die insgesamt während der Verdichtung des Fördermediums zwischen dem Gas-Einlass 2 und dem Gas-Auslass 3 entsteht, festgelegt.
Bezugszeichenliste

1: Spindelrotorpaar mit äußerem Profil-Fördergewinde als gegensinnig berührungsfrei drehende Verdrängerrotore
2: Gas-Einlass-Raum für das gasförmige Fördermedium
3: Gas-Auslass-Sammelraum für das gasförmige Fördermedium
4: Verdichtergehäuse
5: Innenkühlung über ein Kühlfluid für jeden Spindelrotor
6: Kühlfluid-Zuführung in jeden Spindelrotor
7: Kühlfluid-Führung im Verdichtergehäuse
8: Synchronisations-Zahnräder für den berührungsfreien Lauf des Spindelrotorpaares
9: Lagerung für jeden Spindelrotor
10: Trägerwelle für jeden Spindelrotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-ISO 1940 [0010]

Claims

Trockenverdichtende 2-Wellen-Rotationsverdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von gasförmigen Fördermedien mit einem Gas-Einlass (2) sowie mit einem Gas-Auslass (3) im Überdruckbereich, dadurch gekennzeichnet, dass mit nur einer Schraubenspindel-Kompressor-Maschine ohne Betriebsfluid im Arbeitsraum höhere Drücke am Gas-Auslass (3) realisiert werden, indem das gegensinnig und berührungsfrei arbeitende Spindelrotorpaar (1) jeweils einen mehr als 800 Winkelgrad großen Umschlingungswinkel für das äußere Fördergewinde aufweist, und dass sowohl am Spindelrotorpaar (1) als auch an dem umgebenden Verdichtergehäuse (4) ein Teil der zwischen dem Gas-Einlass (2) und dem Gas-Auslassraum (3) entstehenden Kompressionswärme während der Betriebsfluid-freien Verdichtung abgeführt wird, wobei ein Kühlfluid (6) das Spindelrotorpaar (1) und ein (vorzugsweise das gleiche) Kühlfluid über die Kühlfluid-Führung (7) das Verdichtergehäuse (4) Wärme-abführend durchströmt und die Größe der vom Fördergas berührten Wärmetransferflächen mindestens 50 cm² je kW-Antriebsleistung beträgt, wobei die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Einlass-Seite größer sind als die Arbeitskammer-Volumina auf der Fördergas-Auslass-Seite, und wobei zudem das gegensinnig und berührungsfrei rotierende Spindelrotorpaar (1) mit erhöhter Drehzahl betrieben wird, so dass die Umfangs-Geschwindigkeiten am Spindelrotor-Außendurchmesser mindestens 30 m/sec betragen.
Schraubenspindel-Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutdruck am Gas-Auslass-Sammelraum (3) mindestens 2 bar beträgt.
Schraubenspindel-Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelrotore (1) spiegelbildlich identisch und 2-gängig ausgeführt sind.
Schraubenspindel-Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelrotore (1) über Synchronisationszahnräder (8) berührungsfrei und gegensinnig rotierend arbeiten.
Schraubenspindel-Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spindelrotor (1) auf einer Trägerwelle (10) drehfest befestigt ist, wobei die Trägerwelle (10) über Lager (9) gehalten wird.
Schraubenspindel-Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spindelrotor (1) aus einem Material mit guten Wärmeleitungs-Eigenschaften ausgeführt wird, vorzugsweise einem Aluminium-Werkstoff.
Schraubenspindel-Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für das Verdichtergehäuse (4) gute Wärmeleitungs-Eigenschaften besitzt.
Schraubenspindel-Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Größe der Wärmetransferflächen im Verhältnis zur Verdichterleistung der Anteil der abgeführten Kompressionswärme, die insgesamt während der Verdichtung des Fördermediums zwischen dem Gas-Einlass (2) und dem Gas-Auslass (3) entsteht, festgelegt wird, um damit den Verdichterwirkungsgrad wesentlich zu bestimmen.