DE102021000435A1 - Aktuatore zum Volumenverhältnis beim R718*-Verdichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich bei Rotationsverdrängermaschinen auf die Verdichtung von Wasserdampf als Kältemittel R718 mit und ohne Zugabe von Zusatzstoffen als wässrige Lösung insbesondere für die Kälte-, Klima- und Wärmepumpen-Technik. Um im Betrieb die effizienzschädliche Über- oder Unterverdichtung stets bestmöglich zu vermeiden, wird in Fortsetzung der Schrift DE 10 2020 000 350.8 zur möglichst einfachen Einstellung des effektiv wirksamen inneren Volumenverhältnisses über iV-Scheiben (3) erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass je iV-Scheibe (3.j) mindestens 3 Aktuatore (6.j) derart wirken, dass der zu bewegende iV-Scheibenstapel (3.s) längs der neutralen Achse AN mit Unterstützung durch Widerlager-Aktuatore (6.w) jeweils über ein Paar Positionsführungsstiften (4) bewegt wird, wobei zur Vermeidung hoher Adhäsionskräfte zwischen den iV-Scheiben abgestufte Kontakt-Flächen (KF) als Abdichtung vorgesehen sind.

Description

• Stand der Technik:
• Der Kältemarkt ist aktuell im Wandel und so ist beispielsweise die sogen. „F-Gase-Verordnung“ gemäß Verordnung (EG) Nr. 842/2006 und Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase als Herausforderung in aller Munde, um die vorherrschenden flourierten Kältemittel (FKW, HFO) wegen ihrer Klima- und Umwelt-Schädlichkeit zurückzudrängen. Daher besteht in der Kältetechnik der starke Wunsch nach natürlichen Kältemitteln, wobei insbesondere Wasser durch seine guten thermodynamischen Eigenschaften besticht.
• Bisher scheitert die durchgreifende Realisierung von Wasser als Kältemittel R718 jedoch daran, dass beispielsweise gegenüber Ammoniak in gleicher Funktion ein um rund 300-fach größerer Fördervolumenstrom bei gleicher Leistung erforderlich ist. Indem zugleich das Druckverhältnis möglichst oberhalb von Faktor 10 recht hoch ist, steigen die Anforderungen an einen Verdichter enorm, der zugleich noch ölfrei sein muss und möglichst effizient im Unterdruck zu arbeiten hat, nämlich zwischen 6 mbar und 200 mbar und gegebenenfalls noch höher.
• Der disruptive Charakter von Wasser als Kältemittel R718 ist unbestritten und wird die weltweit intensiv geführte Diskussionen zu den bekannten Umwelt- und Klima-Problemen bei heutigen Kältemitteln schlagartig beenden. Bisher wird versucht, dieser Herausforderung über Turbo-Verdichter zu begegnen, wobei diese Maschinen trotz 2-stufiger Ausführung mit Zwischenkühlung nur geringere Druckverhältnisse von etwa 6 schaffen, so dass in dem Kältekreislauf die notwendige Wärmeabgabe am Kondensator (Verflüssiger) nur unbefriedigend umgesetzt wird. Hinzu kommt noch der schwerwiegende Nachteil bei einer Strömungsmaschine hinsichtlich der weichen Arbeitskennlinie (also Druckwerte über Volumenstrom), um für unterschiedliche Betriebspunkte stabile Betriebspunkte gewährleisten zu können.
• Fraglos ist eine Verdrängermaschine für die Wasserdampf-Verdichtung die bessere Lösung, um diese Herausforderungen der Wasserdampf-Verdichtung in R718-Kältekreisläufen zu bewältigen. Dabei sind für diese R718-Aufgabe allerdings einige Schwächen heutiger Verdrängermaschinen zu beseitigen und die Effizienz des Verdichters zu verbessern. Indem es sich bei diesen Verdichtern vorzugsweise um 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschinen beispielsweise gemäß DE 10 2018 001 519.0 handelt, ist wesentliches Merkmal bei diesen Maschinen, dass sie ein sogen. „inneres Volumenverhältnis“ haben, nachfolgend kurz als „iV“ bezeichnet. Dieser iV-Wert ergibt sich als Verhältnis zwischen Arbeitskammer-Volumen auf der Einlass-Seite zum Arbeitskammer-Volumen auf der Auslass-Seite als dimensionslose Zahl und wird beim Spindelrotorpaar vorrangig über Kreuzungswinkel, Durchmesser- und Steigungsverlauf gebildet. Dieser iV-Wert ist für ein gefertigtes Spindelrotorpaar grundsätzlich eine feste unveränderliche Größe, die für die R718-Aufgabe üblicherweise im Bereich zwischen 3 und 20 liegt, um einen weiten Arbeitsbereich erfüllen zu können. Nun gibt es jedoch in der Anwendung unterschiedliche und veränderliche Einsatzbedingungen, beispielsweise zwischen heißen und kalten Umgebungstemperaturen, was sich häufig verändert. Daher wäre es vorteilhaft, wenn der iV-Wert des R718-Verdichters anpassbar wäre, um die effizienz-schädliche Über- bzw. Unter-Verdichtung bestmöglich zu vermeiden und in jedem Arbeitspunkt den jeweils optimalen wirksamen iV-Wert einstellen zu können. Die in der Schrift DE 10 2020 000 350.8 genannte Lösung hat jedoch noch Schwächen bei der einfachen und preiswerten Ausführung zur verlässlichen Bewegung der genannten iV-Scheiben, so dass diese hiermit vorgelegte Schrift als Lösung dieser Schwäche angesehen werden kann, zumal einige Bezeichnungen und Formulierungen aus der (noch unveröffentlichten) Schrift DE 10 2020 000 350.8 zum besseren Verständnis sinnvollerweise übernommen werden.
• Anmerkungen:
1. a) Wenn hier vom R718*-Verdichter die Rede ist, ist damit auch die Zumischung von beispielsweise Ethanol eingeschlossen, wenn der Verdichter auch unter 0°C betrieben wird und Eisbildung zu vermeiden ist. Um diese Zumischung einzuschließen, wird in diesem Text fortan die Bezeichnung R718*-Verdichter verwendet, wobei mit dem Stern * die Zugabe vorzugsweise mit einem Alkohol (wie z.B. Ethanol) als wässrige Lösung einbezogen ist.
2. b) Wenn beim Spindelrotorpaar (2) von „mehrstufig“ die Rede ist, bedeutet dies, dass es zwischen dem Einlass (1.1) und dem Auslass (1.2) mehrere abgeschlossene Spindelrotorpaar-Arbeitskammern gibt, indem der bekannte Profil-Umschlingungswinkel deutlich über 360° hinausgeht. Diese Mehrstufigkeit des Spindelrotorpaars (2) ist Grundvoraussetzung zur Umsetzung dieser Erfindung.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung:
• Gegenüber der in der Schrift DE 10 2020 000 350.8 dargestellten Lösung zur Bewegung der iV-Scheiben ist eine einfachere und preiswertere sowie verlässlichere Bewegung iV-Scheiben zu gewährleisten, damit der Verdichtungsvorgang über einen weiten Arbeitsbereich möglichst effizient und zügig an unterschiedliche Betriebsbedingungen zuverlässig anpassbar ausgeführt wird, um im Betrieb die effizienzschädliche Über- oder Unterverdichtung weitestgehend zu vermeiden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe zur einfacheren und verlässlicheren Bewegung der in der Schrift DE 10 2020 000 350.8 genannten iV-Scheiben (3) bei einem R718*-Verdrängerverdichter mit dem Spindelrotorpaar (2) dadurch gelöst, dass Aktuatore (6) den jeweiligen iV-Scheibenstapel (3.s) bewegen, vorzugsweise ausgeführt über mind. 3 Aktuatore je iV-Scheibe und mit Wasserhydraulik oder elektrisch/magnetisch betrieben werden, wobei diese Aktuatore je iV-Scheibe derart dimensioniert wirkend ausgeführt und angesteuert werden, dass deren resultierenden Abdrück-/Hebe-Kräfte F_A (jeweils als Pfeile ↓ bzw. ↑ dargestellt) dieser mind. 3 Aktuatore je iV-Scheibe derart wirken, dass die resultierende Kraft dieser „aktiven“ Aktuatore im Schwerpunkt des anzuhebenden iV-Scheibenstapels (3.s) in Richtung der neutralen Achse (A.N) wirkt, wobei es am Gehäuse-Widerlager (5) noch mind. 3 Widerlager-Aktuatore (6.w) gibt, die zugleich mittels Wegkontrolle (↕) für die kippfreie Bewegung des jeweiligen iV-Scheibenstapels (3.s) sorgt und Maßnahmen zur Vermeidung von Schiefstellungen übernimmt, ausgeführt über die Widerlager-Aktuatoren (6.w) selbst und/oder über die Ansteuerung der jeweils aktiven Aktuatoren, wobei zur Minderung hoher Adhäsionskräfte zwischen den iV-Scheiben abgestufte Kontakt-Flächen (KF) vorgesehen sind und außerdem die Positionierung und Führung der iV-Scheiben zueinander über Führungsstifte (4) erfolgt, die eine Zentrierlänge (L.z) zur exakten Positionierung der iV-Scheiben zueinander sowie eine am Ende kegelige Orientierungslänge (L.k) mit einer stetigen Übergangslänge (L.ü) zwischen diesen beiden Längen aufweisen.
• Die Erläuterung erfolgt in den nachfolgenden Fig.-Darstellungen beispielhaft, wobei die Ausführungen in der Schrift DE 10 2020 000 350.8 sicherlich hilfreich sind und als Grundlage verwendbar sind.
• 1: 1 zeigt beispielhaft eine Schnittdarstellung durch den R718*-Verdichter, wenn alle iV-Scheiben (3_j) für 1 ≤ j ≤ n mit n als Anzahl dieser iV-Scheiben (3_j) bei einer Breite b_j je iV-Scheibe (3_j) vollständig angelegt sind, so dass der maximale iV-Wert für die betreffende Verdichter-Ausführung wirksam wird. Das Gehäuse-Widerlager (5) mit den Widerlager-Aktuatoren (6.w) sowie Aufnahme der auslassseitigen Lagerträger ist über den dargestellten Bogen gestellfest mit dem Verdichtergehäuse (1) verbunden. Vereinfachend sind auf der linken Seite nur die Positionsführungsstifte (4) und auf der rechten Seite nur die Aktuatore (6) dargestellt, deren Verteilung im Stirnschnitt in den folgenden 2 gezeigt ist.
• 2.A: 2.A zeigt beispielhaft eine geeignete Verteilung im Stirnschnitt, also senkrecht zur neutralen Achse, für die beiden Positionsführungsstifte (4), und für die 3 Stück Aktuatore (6.j1 und 6.j2 und 6.j3) sowie die Planfläche PF.j mit der Kontaktplanflächenbreite KF als Auflage zwischen den iV-Scheiben.
• 2.B: Wenn die Ausführung gemäß 1 über Einzel-Aktuatore an jeder Schnittstelle der iV-Scheiben zu aufwändig sein sollte, zeigt 2.B beispielhaft ebenfalls im Stirnschnitt eine mögliche Ausführungsform über General-Aktuatore (6.g1 und 6.g2 und 6.g3), die über das gesamte iV-Scheibenpaket parallel zur neutralen Achse über die dargestellten Kupplungen (Kp) mit der jeweils zu bewegenden iV-Scheibe gezielt angesteuert verbunden werden und die gewünschte Bewegung zur iV-Wert-Einstellung ausführen.
• 3: Diese Schnitt-Darstellung als Detail-Vergrößerung zu 1 zeigt beispielhaft die Ausführung der Positionsführungsstifte (4) mit: einer Zentrierlänge (L.z) zur exakten Positionierung der iV-Scheiben zueinander sowie eine am Ende kegelige Orientierungslänge (L.k) zur reibungsarmen iV-Scheiben-Bewegung bei einer stetigen Übergangslänge (L.ü) zwischen diesen beiden Längen. Außerdem ist die Kontaktplanflächenbreite KF beispielhaft gezeigt.
• 4.1 bis 4.4: Diese beispielhafte Darstellungen zeigen unterschiedliche Stellungen der iV-Scheiben am Beispiel von 6 Stück iV-Scheiben für verschiedene Betriebs-/Arbeitspunkte des R718*-Spindelverdichters, indem der jeweils optimale* (*im Sinne der minimierten Über- bzw. Unter-Verdichtung) iV-Wert über die Aktuatore (6) gezielt eingestellt wird. Während in 1 durch das Anliegen sämtlicher iV-Scheiben (3) am Basis-Gehäuse (1) das für diese Verdichter-Ausführung maximale innere Verdichtungsverhältnis wirksam ist und bis auf die Widerlager-Aktuatore (6.w) alle anderen Aktuatore (6) passiv bzw. inaktiv, also keine Kräfte ausüben, sind in den folgenden Darstellungen beispielhaft verschiedene Abstufungen bis zum minimalen iV-Wert gezeigt:
  • 4.1: Indem nur die erste iV-Scheibe (6.1) angehoben wird, ergibt sich ein iV-Wert nahe am Maximum.
  • 4.2:Diese Darstellung zeigt beispielhaft beim Abheben der ersten beiden iV-Scheiben eine Zwischenstellung 0 ≤ s_i ≤ s_j bei aktiven Aktuatoren ↑6.2 und ↓6.w in den Ebenen mit ↕ als Wegmesskontrolle bei den Widerlager-Aktuatoren zur Vermeidung von Schiefstellungen bei Bewegung der iV-Scheiben (3)
  • 4.3: In dieser Darstellung wird ebenfalls eine Zwischenstellung beim Abheben von 4 Stück iV-Scheiben gezeigt, ähnlich wie zuvor, nunmehr jedoch bei einem geringeren wirksamen iV-Wert.
  • 4.4: In dieser Darstellung sind alle iV-Scheiben abgehoben und der minimale iV-Wert wird von dem R718*-Spindelverdichter realisiert. Diese Situation ist insbes. beim Start des Verdichters sinnvoll, um die Entstehung hoher innerer Gegendrücke beim Anfahren zu vermeiden.
• Bezugszeichenliste:
1. 1. Verdichtergehäuse mit einer Einlass-Seite (1.1) mit Druck p₁ und einer Auslass-Seite (1.2) mit p₂ bei einer neutralen Achse AN als Winkelhalbierende zur Achse AR als Rotationsachse
   • 1.1 Verdichter-Einlass-Seite im Betrieb mit dem Druck p₁ bei einer Verdampfungs-Temperatur t₀ und zugleich den Verdampferraum bildend
   • 1.2 Verdichter-Auslass-Seite im Betrieb mit dem Druck p₂ bei einer Kondensations-Temperatur t_c und zugleich den Kondensationsraum bildend
2. 2. Spindelrotorpaar, vorzugsweise mit 2-zähnigem spiegelbildlich identischem und mehrstufigem Gasförder-Außengewinde und je Spindelrotor mit einer Rotationsachse A_R, unter dem Winkel γ zueinander und der neutralen Achse AN
3. 3. iV-Scheiben bei einem gewünschten Einsatzbereich mit der Breite b_j je iV-Scheibe (3_j) mit Index j bei 1 ≤ j ≤ n und n als Anzahl der iV-Scheiben mit n ≥ 1 und mit
   • (3.s) als zu bewegender iV-Scheibenstapel längs der neutralen Achse A_N, wobei bereits ein iV-Scheibe als iV-Scheibenstapel gezählt wird.
4. 4. Positionsführungsstifte, mind. 2 Stück zwischen den iV-Scheiben (3), um in der Nähe der Kontakt-Planflächen (P.F) die Position der jeweiligen iV-Scheibe genau zu führen und darüber kegelig ausgeführt lediglich eine reibungsarme Grobführung der jeweiligen iV-Scheibe zu übernehmen
5. 5. Gehäuse-Widerlager, gestellfest ausgeführt zugleich auch zur Abstützung der auslassseitigen Lagerung für die Spindelrotore (2)
6. 6. Aktuatore zur gezielten und gesteuerten Bewegung der jeweiligen iV-Scheibe(n), vorzugsweise mindestens. 3 Aktuatore in jeder Ebene angeordnet, und in ihrer Wirkrichtung parallel zur neutralen Achse A_N ausgerichtet, vorzugsweise betrieben mit Wasserhydraulik oder elektrisch/magnetisch, mit folgender Differenzierung:
   • (6.j) an den betreffenden Schnittstellen je iV-Scheibe (3)
   • (6.g) General-Aktuatore über Kupplungen (Kp) zur jeweils zu bewegenden iV-Scheibe
   • (6.w) Aktuatore am Widerlager (5), vorzugsweise mit integrierter Wegmessung (1) für die Kontrolle zur Vermeidung von Schiefstellungen und entsprechender Korrektur am Widerlager und/oder gesteuert am jeweiligen Aktuator der betreffenden iV-Scheibe
• Bezugszeichenliste

AN

neutrale Achse als Winkelhalbierende beider Rotorachsen A_R mit dem Winkel γ zueinander bei spiegelbildlich identischen Spindelrotoren

AR

Rotationsachse je Spindelrotor, bzw. auch sogen. Mittellinie

bj

Breite der jeweiligen iV-Scheibe (3_j)

FA

Abdrück-/Hebe-/Spreiz-Kräfte, in den Figuren richtungsabhängig als ↑ bzw. ↓ dargestellt

G

Gasfluidströmung

Gin

mit Index „in“ am Einlass des Verdichters

Go

mit Index „o“ am Auslass des Verdichters, über verschobene iV-Scheiben aufgeteilt in

Go1

Austritt zwischen den iV-Scheiben

Go2

Austritt über die Spindelrotorköpfe

GoS

Austritt über das Gasfördergewinde des Spindelrotorpaars

LR

Spindelrotorprofillänge

LiV

Länge aller iV-Scheiben

Kp

Kupplung an jedem der mind. 3 General-Aktuatore (6.g) zur Anbindung der jeweiligen iV-Scheibe an die Bewegung der General-Aktuatore (6.g)

PF

Planflächen zwischen den iV-Scheiben, bei planer Anlage dank blanker glatter Berühr-/Kontakt-Oberfläche (vorzugsweise geschliffen) abdichtend zur benachbarten iV-Scheibe wirkend und zur Minderung der Adhäsionskräfte mit der knappen Kontaktplanflächenbreite KF ausgeführt

si

Verschiebeweglänge für die jeweilige iV-Scheibe mit 0 < s_i ≤ s_j

WK

Wegkontrollmessung (dargestellt als ↕) als Sicherstellung der kippfreien Bewegung des jeweiligen iV-Scheibenstapels (3.s) mit Korrekturmaßnahmen bei der Ansteuerung der jeweiligen Aktuatoren (6) zur Vermeidung von Schiefstellungen

• 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 Patentliteratur
• EP 842/2006 [0001]
• EP 517/2014 [0001]
• DE 102018001519 [0004]
• DE 102020000350 [0004, 0005, 0006, 0007]

Claims (6)

1. R718*-Verdichter als 2-Wellen-Rotations-Verdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung gasförmiger Fördermedien, vorzugsweise Wasserdampf als Kältemittel R718, auch als wässrige Lösung, mit einem Spindelrotorpaar (2) in einem Verdichtergehäuse (1) mit zu bewegenden iV-Scheiben (3) bei einem Druck p₁ am Verdichter-Einlass (1.1) und im Betrieb mit einem höheren Druck p₂ am Verdichter-Auslass (1.2) dadurch gekennzeichnet, dass Aktuatore (6) den jeweiligen iV-Scheibenstapel (3.s) bewegen, vorzugsweise ausgeführt über mind. 3 Aktuatore je iV-Scheibe, wobei die Aktuatore mit Wasserhydraulik oder elektrisch/magnetisch betrieben werden.
2. R718*-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatore (6) je iV-Scheibe (3) derart dimensioniert wirkend ausgeführt und angesteuert werden, dass deren resultierenden Abdrück-/Hebe-Kräfte F.A dieser mind. 3 Aktuatore je iV-Scheibe derart wirken, dass die resultierende Kraft dieser sogen. „aktiven“ Aktuatore im Schwerpunkt des anzuhebenden iV-Scheibenstapels (3.s) in Richtung der neutralen Achse (A.N) wirkt.
3. R718*-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es am Gehäuse-Widerlager (5) noch mind. 3 Widerlager-Aktuatore (6.w) gibt, die mittels Wegkontrollmessung (WK) vorzugsweise bei den Widerlager-Aktuatoren (6.w) eventuelle Schiefstellungen bei Bewegung des jeweiligen iV-Scheibenstapels (3.s) vermeidet, indem gezielte Maßnahmen zur Vermeidung derartiger Schiefstellungen bei den iV-Scheiben (3) über die Widerlager-Aktuatoren (6.w) selbst und/oder über die Ansteuerung der jeweils aktiven Aktuatoren ausgeführt werden.
4. R718*-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minderung hoher Adhäsionskräfte zwischen den iV-Scheiben (3) die Planfläche (PF) eine abgesetzte Kontaktplanflächenbreite (KF) als Auflage und zugleich auch Flächenkontakt-Abdichtung zwischen den iV-Scheiben aufweist.
5. R718*-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Positionierung und Führung der iV-Scheiben (3) zueinander jeweils über ein Paar Positionsführungsstifte (4) erfolgt, die eine Zentrierlänge (L.z) zur exakten Positionierung der iV-Scheiben zueinander sowie eine am Ende kegelige Orientierungslänge (L.k) mit einer stetigen Übergangslänge (L.ü) zwischen diesen beiden Längen aufweisen.
6. R718*-Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von Aktuatoren (6) je iV-Scheibe (3) mindestens 3 Stück General-Aktuatore (6.g) verwendet werden, die parallel zum gesamten iV-Scheibenpaket über einzelne Kupplungen (Kp) mit der jeweils zu bewegenden iV-Scheibe gezielt angesteuert verbunden werden und die gewünschte Bewegung der iV-Scheibe(n) zur iV-Wert-Einstellung ausführen.

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