DE19523212C2 - Schraubenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schraubenverdichter für gas­ förmige Fördermedien gemäß dem Oberbegriff der Patentan­ sprüche 1 und 4. Die Erfindung betrifft weiter ein Ver­ fahren zur Kühlung eines gasförmigen Fördermediums nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Bei einem gattungsgemäßen Schraubenverdichter, wie er beispielsweise aus der DD 82 528 bekannt ist, wird das Fördermedium während des Transports vom Saugeinlaß zum Druckauslaß in den sich stetig verkleinernden Arbeitskam­ mern bis auf einen Enddruck komprimiert und anschließend am Druckauslaß ausgeschoben. Die Arbeitskammern werden dabei durch die Zylinderwandungen und die ineinandergrei­ fenden Gänge der beiden Schraubenrotoren gebildet. Die Lage der Auslaßkante bestimmt das eingebaute volumetri­ sche Verdichtungsverhältnis und damit das innere Druck­ verhältnis, wobei ohne Flüssigkeitseinspritzung eine adiabatische Aufheizung des Fördermediums erfolgen würde. Durch die bezüglich der Rotoren achsparallele Flüssig­ keitseinspritzung wird daher das Fördermedium gekühlt.

Die in Tröpfchenform eingespritze Flüssigkeit hat bei Schraubenverdichtern sowohl eine Kühlfunktion für das beim Verdichten aufgeheizte Fördermedium als auch eine Schmier- und Abdichtfunktion für die bewegten Teile innerhalb des Schraubenverdichters. Als einzuspritzende Flüssigkeiten kommen vor allem Öle, Wasser und andere gegenüber dem Fördergas inerte Flüssigkeiten in Be­ tracht. Die Flüssigkeitseinspritzung erfolgte bisher häufig mit radialer Strömungskompomente in eine abgeschlossene Arbeitskammer in bezug auf die Strö­ mungsrichtung hinter der Einlaßkante. Die Flüssigkeits­ tröpfchen legen dort nur eine kurze freie Wegstrecke zwischen Einspritzstelle und dem Auftreffen auf den Rotoren oder der Rotorkontur zurück. Bei den gegebenen Umdrehungszahlen der Rotoren werden die auftreffenden Flüssigkeitströpfchen unter der Einwirkung der Zentri­ fugalkraft in Richtung Gehäusewand geschleudert und schlagen sich dort als Wandfilm nieder, der durch die Rotoren in Richtung Druckauslaß herausgeschoben wird. Die Schmier- und Dichtungsfunktionen der Flüssigkeit sind dabei zwar erfüllt. Es findet jedoch nur ein ge­ ringer Wärmeaustausch mit dem Fördermedium innerhalb der Arbeitskammern statt, so daß entlang der Förder- und Verdichtungsstrecke eine eher adiabatische Verdich­ tung mit den dadurch bedingten Wirkungsgradverlusten stattfindet. Hinzu kommt, daß die quer eingespritzte Flüssigkeit in die Förderrichtung umgelenkt werden muß, was zu Pumpverlusten und zu einer weiteren Reduzierung des Wirkungsgrads führt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, den bekannten Schraubenverdichter mit Flüssig­ keitseinspritzung dahingehend zu verbessern, daß ein besserer Wärmeaustausch zwischen Fördermedium und ein­ gespritzter Flüssigkeit in den Arbeitskammern gewähr­ leistet ist, die Pumpverluste reduziert werden und da­ durch eine Verbesserung des Wirkungsgrads erzielbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentan­ sprüchen 1, 4 und 8 angegebenen Merkmalskombinationen vor­ geschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß zur Küh­ lung eines gasförmigen Fördermediums, das portionsweise entlang der durch den Schraubenverdichter gebildeten Förder- und Verdichtungsstrecke vom Saugeinlaß zum Druckauslaß mit vorgegebener Geschwindigkeit gefördert und dabei kontinuierlich verdichtet wird und in das eine Kühlflüssigkeit in Tröpfchenform eingespritzt wird, der Wärmeaustausch zwischen Fördermedium und Flüssigkeit dadurch verbessert werden kann, daß die Flüssigkeitströpfchen von der Saugseite aus in Richtung Druckseite zweckmäßig mit einer der Fördergeschwindig­ keit des Fördermediums im wesentlichen entsprechenden Geschwindigkeit in die Förder- und Verdichtungsstrecke eingespritzt werden. Damit wird erreicht, daß die ein­ gespritzten Flüssigkeitströpfchen unter Beibehaltung ihres Anfangsdurchmessers von weniger als 1/10 mm durch die Förder- und Verdichtungsstrecke weitgehend kolli­ sionsfrei hindurchgeleitet werden, so daß ein intensi­ ver Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeitströpfchen und Fördermedium möglich ist.

Eine vorrichtungsmäßige Variante der Erfindung sieht vor, daß die Einspritzöffnung in der Nähe eines durch den auslaßseitigen Gehäuse­ zwickel und durch axial mitbewegte Verschneidungskanten der ineinandergreifenden Schraubengänge begrenzten Blasloches angeordnet ist, wobei die Einspritzöffnung in Förderrichtung vor der Einlaßkante angeordnet sein kann, so daß die Flüssigkeit in die saugseitig offenen Arbeitskammern einspritzbar ist. Zur Erzeugung der Flüssigkeitströpfchen kann eine Zerstäuberdüse vorgese­ hen werden. Wenn die Geschwindigkeit der eingespritzten Flüssigkeitströpfchen im wesentlichen der axialen Wanderungsgeschwindigkeit der vom Saugeinlaß zum Druckaus­ laß bewegten Arbeitskammern entspricht, ergibt sich ein guter Wärmeaustausch zwischen dem Fördermedium und den Flüssigkeitströpfchen entlang der gesamten Förder- und Verdichtungsstrecke, was zu der erwünschten Reduzierung der Temperaturerhöhung des Fördermediums während des Verdichtungsvorgangs führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Schraubenver­ dichter mit Flüssigkeitseinspritzung mit Blick auf die Auslaßseite;

Fig. 2a und b das Rotorenpaar des Schraubenverdich­ ters in einem Stirnschnitt und einer schaubild­ lichen Darstellung;

Fig. 3a bis d schematische Darstellungen einer Arbeits­ kammer und der Schraubenrotore eines Schrauben­ verdichters in verschiedenen Phasen des Ver­ dichtungsprozesses.

Der in der Zeichnung dargestellte Schraubenverdichter weist ein durch zwei plane Stirnwände 10, 12 und einen Mantel 14 begrenztes Gehäuse 16, zwei in Zylinderräumen 18, 20 des Gehäuses 16 angeordnete, in Wälzlagern 21 gegensinnig drehbar gelagerte Schraubenrotoren 22, 24 und eine in der einen Stirnwand 10 des Gehäuses 16 an­ geordnete Einspritzöffnung 26 zum Einspritzen einer Kühl-, Schmier- und Dichtflüssigkeit auf. Die Zylinder­ räume 18, 20 sind achsparallel nebeneinander angeordnet und durchdringen einander teilweise unter Bildung von auf der Innenseite des Gehäusemantels 14 einander ge­ genüberliegenden, achsparallel ausgerichteten Gehäuse­ zwickeln 28, 30. In der Nähe der einen Stirnwand 10 des Gehäuses 16 ist im Mantelbereich ein durch eine Einlaß­ kante 32 auf der Seite des Gehäusezwickels 30 begrenz­ ter Saugeinlaß 34 angeordnet (in Fig. 1 untere Gehäuse­ breitseite, verdeckt durch das Rotorpaar 22, 24), wäh­ rend in der Nähe der anderen Stirnwand 12 des Gehäuses im Mantelbereich ein durch eine Auslaßkante 36 auf der Seite des Gehäusezwickels 28 begrenzter Druckauslaß 38 für das Fördermedium angeordnet ist (in Fig. 1 obere Gehäuse-Breitseite, aber wegen des Gehäuseschnitts nicht sichtbar). Die Schraubenrotoren 22, 24 weisen eine un­ terschiedliche Anzahl zueinander komplementäre, im Durch­ dringungsbereich der Zylinderräume 18, 20 unter Bildung von Arbeitskammern 40', 40", 40''' ineinandergreifende Schraubengänge 42, 44 auf. Der Saugeinlaß 34 steht mit einem saugseitig angeordneten Ansaugraum 46 für die zu komprimierende Luft in Verbindung, während der Druckaus­ laß 38 in ein nicht dargestelltes Druckrohr mündet.

Der Hauptrotor 22 ist in dem dargestellten Ausführungs­ beispiel über eine axial über den Gehäusedeckel 48 nach außen überstehende Antriebswelle 50 motorisch in Rich­ tung des Pfeils 52' antreibbar, während der den Neben­ rotor 24 über die miteinander verzahnten Schraubengänge 42, 44 gegensinnig in Richtung des Pfeils 52" mitge­ dreht wird.

Die Schraubengänge 42 des Hauptrotors 22 weisen ein konvexes Zahnprofil auf, mit dem sie in komplementäre konkave Zahnlücken 54 des Nebenrotors 24 eingreifen. Da der Hauptrotor bei dem gezeigten Ausführungs­ beispiel vier Schraubengänge 42 und der Nebenrotor 24 sechs Schraubengänge 44 aufweist, läuft der Nebenrotor 16 mit geringerer Drehzahl als der Hauptrotor 22 um.

Beim Drehen der Schraubenrotoren 22, 24 in Richtung der Pfeile 52', 52" kommen die Schraubengänge 42, 44 an der Stirnseite 10 des Saugeinlasses 34 außer Eingriff. Da­ bei erweitern sich Querschnitt und Volumen zum Ansaugen des Fördermediums über den Ansaugraum 46. Bei der wei­ teren Drehung verringern sich aufgrund der Rotorengeo­ metrie die Volumina der Schraubengänge 42, 44 nach Ab­ schließen gegen die Saugseite in Förderrichtung des Mediums stetig und führen dadurch zu einer kontinuier­ lichen Verdichtung des Fördermediums. An der Auslaß­ kante 36 im Bereich des Druckauslasses 38 erhalten die Schraubengänge 42, 44 Verbindung zum Druckstutzen, so daß das Fördermedium unter weiterer Volumenverringerung schadraumfrei aus der betreffenden Arbeitskammer ausge­ schoben wird. Die Arbeitskammern 40', 40", 40''' werden durch die Zylinderwandungen, die druckseitige Stirnwand 12 und die ineinandergreifenden Schraubengänge 42, 44 gebildet, die im Bereich der Gehäusespalte 54 (in Fig. 2b gestrichelt) und der Profileingriffsspalte 56 (in Fig. 2b punktiert) gegeneinander abgedichtet sind. An den Verschneidungsstellen der Schraubengänge 42, 44 im Bereich des Gehäusezwickels 28 werden achsparallel mit den Arbeitskammern 40', 40", 40''' mitbewegte Überström­ öffnungen gebildet, über die vorverdichtete Luft aus einer Arbeitskammer höheren Drucks zu einer Arbeitskam­ mer niedrigeren Drucks zurückströmen kann. Die Über­ strömöffnungen 58 wandern entlang der in Fig. 2b ge­ zeigten achsparallelen Linie 60 und bilden auf diese Weise ein von der Saugseite bis zur Druckseite fort­ schreitendes Blasloch. Bei Schraubenverdichtern mit Flüssigkeitseinspritzung werden die Gehäusespalte 54 und die Profilspalte 56 durch die über die Einspritz­ öffnung 26 in die Arbeitskammern 40', 40", 40''' einge­ spritzte und sich zum Teil an den Rotoren 22, 24 und der Gehäuseinnenwand niederschlagende Flüssigkeit abge­ dichtet. Dem niedergeschlagenen Flüssigkeitsfilm kommt dabei zusätzlich eine Schmierfunktion zwischen den ge­ geneinander bewegten Teilen zu.

Weiter hat die eingespritzte Flüssigkeit die Aufgabe, das beim Verdichtungsvorgang aufgeheizte Fördermedium abzukühlen. Um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, ist dazu ein intensiver Wärmeaustausch zwischen dem Fördermedium und der Flüssigkeit erforderlich. Um dies zu erreichen, wird bei den in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen die Flüssigkeit in Form klei­ ner Tröpfchen mit einem Durchmesser kleiner als 1/10 mm achsparallel von der saugseitigen Stirnwand 10 aus in Richtung Druckauslaß 38 eingespritzt. Die Einspritzöff­ nung 26 befindet sich dabei in der Nähe des saugseiti­ gen Entstehungsortes des Blasloches 60. Um einen mög­ lichst großen Anteil der Flüssigkeitströpfchen entlang der Förder- und Verdichtungsstrecke zwischen der Einspritzöffnung 26 und dem Druckauslaß 38 kollisionsfrei transportieren zu können, sollte ihre Einspritzge­ schwindigkeit im wesentlichen der axialen Wanderungsge­ schwindigkeit der vom Saugeinlaß 34 zum Druckauslaß 38 bewegten Arbeitskammer 40', 40", 40''' entsprechen. In den Fig. 3a bis d sind verschiedene Phasen des För­ der- und Verdichtungsvorgangs einerseits und des Ein­ spritzvorgangs andererseits schematisch dargestellt. Fig. 3a zeigt die Ansaugphase, in der Luft über den Saugeinlaß 34 angesaugt und Flüssigkeit in axialer Rich­ tung (Pfeil 62) in die noch offene Arbeitskammer 40' im Bereich des Blaslochs 60 eingespritzt wird. Die symbo­ lisch durch Punkte 64 dargestellten Flüssigkeitströpf­ chen werden nach dem Schließen der Arbeitskammer 40' zu Beginn des Verdichtungsvorgangs eingeschlossen und mit der Wanderungsgeschwindigkeit der Arbeitskammer 40' bei gleichzeitiger Kompression des Födermediums in Richtung Druckauslaß 38 transportiert (Fig. 3b und c). Dadurch ergibt sich über die gesamte Verdichtungsphase ein in­ tensiver Wärmeaustausch zwischen dem Fördermedium und den Flüssigkeitströpfchen, so daß sich eine nur eine relativ geringe Temperaturerhöhung ergibt. Die kolli­ sionsfrei im Medium verteilten Flüssigkeitströpfchen halten ihren Impuls entlang der Verdichtungsstrecke bei und erfordern daher keine zusätzliche Pumpleistung. Sie werden am Druckauslaß 38 mit dem Fördermedium in die Druckleitung ausgeschoben. Außerdem wird der für Schmier- und Abdichtzwecke zur Gehäusewand gelangende Flüssigkeitsfilm teilweise mit dem Fördermedium ausge­ tragen. Durch den dabei auftretenden Wärmeaustausch tritt eine zusätzliche Abkühlung des druckseitigen För­ dermediums auf.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung bezieht sich auf einen Schraubenverdichter für gasförmige Fördermedien mit einem Gehäuse 16, zwei achsparallel im Gehäuse drehbar angeordneten, zueinan­ der komplementären, unter Bildung von Arbeitskammern 40', 40", 40''' ineinandergreifenden Schraubenrotoren 22,24 und mindestens einer Einspritzöffnung 26 zum Ein­ spritzen von Flüssigkeit in die Arbeitskammern. Um ei­ nen besonders günstigen Wirkungsgrad zu erzielen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Flüssig­ keitströpfchen durch die Einspritzöffnung 26 achsparal­ lel in Richtung Druckauslaß 38 in die Arbeitskammern 40', 40",40''' einspritzbar sind.

Claims (9)

1. Schraubenverdichter für gasförmige Fördermedien mit einem Gehäuse (16), mit zwei durch das Gehäuse begrenzten, achsparallel nebeneinander angeordne­ ten, einander teilweise unter Bildung von einander im Gehäuse gegenüberliegenden, achsparallel ausge­ richteten Gehäusezwickeln (28, 30) seitlich durch­ dringenden Zylinderräumen (18, 20), mit einem in der Nähe des einen stirnseitigen Gehäuseendes (10) angeordneten, durch eine Einlaßkante (32) auf der Seite des einen Gehäusezwickels (30) begrenzten Saugeinlaß (34), mit einem in der Nähe des anderen stirnseitigen Gehäuseendes (12) angeordneten, durch eine Auslaßkante (36) auf der Seite des an­ deren Gehäusezwickels (28) begrenzten Druckauslaß (38), mit zwei in den Zylinderräumen (18, 20) ge­ gensinnig drehend angeordneten, eine unterschied­ liche Anzahl zueinander komplementäre, im Durch­ dringungsbereich der Zylinderräume (18, 20) unter Bildung von sich bei ihrer Bewegung vom Saugeinlaß (34) zum Druckauslaß (38) stetig verkleinernden Arbeitskammern (40', 40", 40''') ineinandergreifende Schraubengänge (42, 44) aufweisenden Schraubenroto­ ren (22, 24) und mit mindestens einer Einspritzöff­ nung (26) zum Einspritzen von Flüssigkeit in Tröpf­ chenform (65) in die vorbeilaufenden Arbeitskam­ mern (40', 40", 40'''), wobei die Flüssigkeit durch die Einspritzöffnung (26) achsparallel in Richtung Druck­ auslaß (38) einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzöffnung (26) in der Nähe des saugseitigen Entstehungsortes eines durch den auslaßseitigen Gehäusezwickel (28) und durch mit den Arbeitskammern (40', 40", 40''') axial mitbewegte Verschneidungskanten der ineinandergreifenden Schraubengänge (42, 44) be­ grenzten Blasloches (60) angeordnet ist.

2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzöffnung (26) in einer saugseitigen Stirnwand (10) des Gehäuses (16) angeordnet und achsparallel ausgerichtet ist.

3. Schraubenverdichter nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der einge­ spritzten Flüssigkeitströpfchen im wesentlichen der axialen Wanderungsgeschwindigkeit der vom Saugeinlaß (34) zum Druckauslaß (38) bewegten Ar­ beitskammern (40', 40", 40''') entspricht.

4. Schraubenverdichter für gasförmige Fördermedien mit einem Gehäuse (16), mit zwei durch das Gehäuse begrenzten, achsparallel nebeneinander angeordne­ ten, einander teilweise unter Bildung von einander im Gehäuse gegenüberliegenden, achsparallel ausge­ richteten Gehäusezwickeln (28, 30) seitlich durch­ dringenden Zylinderräumen (18, 20), mit einem in der Nähe des einen stirnseitigen Gehäuseendes (10) angeordneten, durch eine Einlaßkante (32) auf der Seite des einen Gehäusezwickels (30) begrenzten Saugeinlaß (34), mit einem in der Nähe des anderen stirnseitigen Gehäuseendes (12) angeordneten, durch eine Auslaßkante (36) auf der Seite des anderen Gehäusezwickels (28)begrenzten Druckauslaß (38), mit zwei in den Zylinderräumen (18, 20) ge­ gensinnig drehend angeordneten, eine unterschied­ liche Anzahl zueinander komplementäre, im Durch­ dringungsbereich der Zylinderräume (18, 20) unter Bildung von sich bei ihrer Bewegung vom Saugeinlaß (34) zum Druckauslaß (38) stetig verkleinernden Arbeitskammern (40', 40", 40''') ineinandergreifende Schraubengänge (42, 44) aufweisenden Schraubenroto­ ren (22, 24) und mit mindestens einer Einspritzöff­ nung (26) zum Einspritzen von Flüssigkeit in Tröpf­ chenform (65) in die vorbeilaufenden Arbeitskam­ mern (40', 40", 40'''), wobei die Flüssigkeit durch die Einspritzöffnung (26) achsparallel in Richtung Druckauslaß (38) einspritzbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Geschwindigkeit der eingespritz­ ten Flüssigkeitströpfchen im wesentlichen der axialen Wanderungsgeschwindigkeit der vom Saugein­ laß (34) zum Druckauslaß (38) bewegten Arbeitskam­ mern (40', 40", 40''') entspricht.

5. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine in die Einspritzöff­ nung (26) eingreifende Zerstäuberdüse zur Erzeu­ gung der einzuspritzenden Flüssigkeitströpfchen (64).

6. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzöff­ nung (26) in Förderrichtung vor der Einlaßkante (32) angeordnet ist.

7. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in die saugseitig offenen Arbeitskammern (40', 40", 40''') einspritzbar ist.

8. Verfahren zur Kühlung eines gasförmigen Förderme­ diums, das portionsweise entlang einer vorzugswei­ se als Schraubenverdichter ausgebildeten Förder- und Verdichtungsstrecke von einer Saugseite zu einer Druckseite mit vorgegebener Geschwindigkeit gefördert und dabei kontinuierlich verdichtet wird und in das eine Flüssigkeit in Tröpfchenform von der Saugseite aus in Richtung Druckseite in die Förder- und Verdichtungsstrecke eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits­ tröpfchen mit einer der Fördergeschwindigkeit des Fördermediums im wesentlichen entsprechenden Ge­ schwindigkeit in die Förder- und Verdichtungs­ strecke eingespritzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespritzten Flüssigkeitströpfchen unter Beibehaltung ihres Außendurchmessers vorzugsweise von weniger als 1/10 mm durch die Förder- und Ver­ dichtungsstrecke hindurchgeleitet werden.