DE2318400A1 - Verfahren zum betreiben einer kuehlanlage - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Eng. W. Beyer Dipi.-itfirtsch.-Ing. B. Jochem

Prankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.

Svenska Rotor Maskiner Aktiebolag Stockholm/Schweden

Verfahren zum Betreiben einer Kühlanlage.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlanlage, bestehend aus Kondensator, Verdampfer und zwei hintereinander angeordneten Schraubenrotor τ· Verdichtern mit jeweils einem männlichen und einem weiblichen Rotor, von denen einer motorisch angetrieben und der andere durch unmittelbare Berührung der Schraubengänge mitgenommen wird.

Bei großen Kühlanlagen, wie z.B. Gefrierhäusern, wird das Kältemittel von z.B. 1,0 ata auf 18 ata verdichtet. Bereits in frühem Entwicklungsstadium derartiger Anlagen zeigte sich die Notwendigkeit, diese Verdichtung in zwei Stufen durchzuführen, um einen annehmbaren Wirkungsgrad zu erhalten. Es wurde auch gefunden, daß für die erste Stufe ein Kompressor mit einem verhältnismäßig niedrigen Druckverhältnis von z.B. 3:1 ausreiche, um auf diese Weise das dem Kompressor der zweiten Stufe zugeführte Volumen im wesentlichen auf ein Drittel des den Verdampfer verlassenden Gasvolumens zu verringern. Der Kompressor der ersten Stufe dient dabei also als Vorverdichter oder Auflade-Kompressor des zweiten oder Hauptverdichters. Die beiden Kompressoren können der Art nach gleich

LJ 8487/11,4.1973

309846/0364

oder verschieden sein.

In den letzten Jahren fanden auf dem Gebiet der Kühlanlagen Schraubenverdichter eine ständig wachsende Verbreitung, weil sie sich durch eine große Kapazität und ein hohes Druckverhältnis auszeichnen. Als Hochleistungsaggregate sind diese Kompressoren mit Mitteln zum Einspritzen verhältnismäßig großer Ölmengen in die Arbeitskammer versehen, wobei das Öl zum Kühlen, Dichten und Schmieren dient.

Durch die Bewegung der großen Ölmengen entstehen beträchtliche Verluste (sog. Ventilationsverluste) die, wie bekannt, mit zunehmender Drehgeschwindigkeit stark anwachsen. Wegen dieser Verluste müssen mit Öleinspritzung arbeitende (ölgeflutete) Schraubenverdichter mit ziemlich niedrigen Drehzahlen laufen, so daß z.B. die Spitzen der Schraubengänge des männlichen Rotors eine Geschwindigkeit von 30 ra/sec. haben.

Wenn bisher für beide Verdichterstufen einer Kühlanlage Schraubenverdichter eingesetzt wurden, so waren sie entweder beide vom Hochleistungstyp mit Öleinspritzung oder der Verdichter der ersten Stufe hatte trocken laufende synchronisierte Rotoren. In beiden Fällen war der Wirkungsgrad des Vorverdichters verhältnismäßig niedrig und lag z.B. in der Größenordnung von 55%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlanlage zu schaffen, bei welchem ein hoher adiabatischer Wirkungsgrad des Vorverdichters und damit der gesamten Kompressoreinheit als ganzer erreicht wird, so daß ein Schrau-

LJ 8487/11.4.1973

1098/* 6/036 A

benverdichter einfacher und raumsparender Ausfuhrung als Vorverdichter benutzt werden kann.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Verdichter mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, bei welcher die Umfangsgeschwindigkeit des männlichen Rotors größer ist als die des männlichen Rotors des zweiten Verdichters, und dem ersten Verdichter Öl nur in einer Menge zugeführt wird, welche die zur Schmierung der relativ zueinander beweglichen Berührungsflächen der Rotoren erforderliche Menge wenigstens nicht wesentlich übersteigt. Zu der hier gebrauchten Bezeichnungsweise "männlicher" und "weiblicher" Rotor folgende Erläuterung :

Wenn man die beiden zusammenwirkenden Rotoren eines Verdichters im Querschnitt betrachtet, so wird derjenige Rotor, dessen Rippen und Nuten im wesentlichen außerhalb des .Wälzkreises JLiegen und im wesentlichen^ konvexe Flankenform haben, als männlicher Rotor bezeichnet, während beim weiblichen Rotor die Rippen und Nuten wenigstens hauptsächlich innerhalb des Wälzkreises dieses Rotors liegen und im wesentlichen konkave Planken haben. Beide Rotoren sind in einem Gehäuse aufgenommen, dessen zylindrische und Endwände eine Nieder- und eine Hochdrucköffnung aufweisen und die Rotoren dicht umschließen.

Die erfindungsgemäße Betriebsweise des Vorverdichters kommt insbesondere bei Kühlanlagen in Frage. Infolgedessen wird die Erfindung nachstehend auch anhand eines solchen Ausführungsbeispiels beschrieben. Bei analogen Verhältnissen ist aber auch eine Übernahme der hier gegebenen Lehre auf andere Anwendungsgebiete möglich.

LJ 8487/11.4.1973

': 09846/0364

,Da in den ersten Verdichter nur eine geringe Ölmenge eingeführt wird, entstehen dort keine merklichen Ventilationsverluste. Es ist deshalb möglich, diesen Vorverdichter mit sehr viel höherer Geschwindigkeit laufen zu lassen als einen mit Öl gefluteten Kompressor. So kann z.B. die Umfangsgeschwindigkeit am männlichen Rotor in der Größenordnung von 70 m/sec. liegen, woraus kleinere Abmessungen resultieren. Außerdem ist wegen des geringen Druckverhältnisses die Belastung der Radiallager niedrig, so daß ausreichend kleine Wälzlager eingesetzt werden können, die Platz zwischen den Rotorwellen finden, aber dennoch eine akzeptable Lebensdauer haben.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der erste Verdichter mit einer Geschwindigkeit angetrieben, bei welcher die Umfangsgeschwindigkeit des männlichen Rotors zweimal so groß ist wie die des männlichen Rotors des zweiten Verdichters. "*""""

Um den Verdichter der niedrigen Druckstufe, also den Vorverdichter, mit der gewünschten hohen Drehzahl anzutreiben, bietet es sich in vielen Fällen an, zwischen dem Antriebsmotor, z.B. einem elektrischen Motor, und dem Verdichter ein Getriebe vorzusehen. Die Kosten des Getriebes werden dadurch mehr als ausgeglichen, daß die Abmessungen des Kompressors verringert sind.

Die der Arbeitskammer des Vorverdichters zugeführte Ölmenge ist so klein, daß sie im wesentlichen keine Kühlwirkung hat. Es ist deshalb in den meisten Fällen notwendig, den Vorverdichter in anderer Weise zu kühlen, vorzugsweise dadurch, daß flüssiges Kälte-

LJ 8487/11.4.1973

:■! 09846/0364

mittel aus dem Hochdruckbereich der Kühlanlage in die Nuten der Rotoren des Vorverdichters an einer Stelle und in einer Menge eingespritzt wird, daß die Temperatur des gasförmigen Kältemittels einen bestimmten Wert nicht übersteigt. Falls gewünscht, kann das vom Vorverdichter ausgestoßene gasförmige Kältemittel in einem Zwischenkühler weitergekühlt werden, bevor es in den zweiten oder Hauptverdichter eingeleitet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zu der in der Zeichnung dargestellten Kühlanlage gehört eine Kompressoreinheit, die aus einem Niederdruck- oder Vorverdichter 1OA und einem diesem nachgeschalteten Hochdruck-Verdichter 1OB besteht. Wie.bei Kühlanlagen gebräuchlichj ist bei jjer _

gezeichneten Ausführung weiterhin ein Ölabscheider 12, ein Kondensator 14, ein Verdampfer 16, ein Ölkühler 18 und eine Ölpumpe 20 vorgesehen. Die Verdichter, der Ölabscheider, der Kondensator und der Verdampfer liegen in Serie und bilden einen geschlossenen Kreislauf für das Kältemittel, wobei in einer Leitung 24 zwischen dem Kondensator 14 und dem Verdampfer 16 ein Drosselventil 22 vorgesehen ist.

Beide Verdichter 1OA und 1OB sind vom Typ der Schraubenrotor-Verdichter. Jeder von ihnen wird durch einen Elektromotor 26, der beispielsweise mit Induktion arbeitet, angetrieben. Im Beispielsfall ist angenommen worden, daß beide Motoren im gleichen Geschwindigkeitsbereich laufen· Der Ver-

LJ 8487/11.4.1973

309846/0364

dichter 1OA wird dabei durch seinen Motor über ein Übersetzungsgetriebe 28 angetrieben, dessen Abtriebsdrehzahl z.B. zwei- oder dreimal höher ist als die Antriebsdrehzahl. Der Verdichter 1OB wird unmittelbar durch den Motor angetrieben.

Bei der dargestellten Ausführungsform fördert eine Ölpumpe 20 Öl zu den Verdichtern 1OA und 1OB durch Leitungen 30 bzw. 32. Die dem Verdichter 1OA zugeführte Ölmenge ist jedoch so begrenzt, daß sie diejenige Menge nicht oder wenigstens nicht beträchtlich übersteigt, die zur ausreichenden Schmierung der aneinander gleitenden Berührungsflächen der Rotoren erforderlich ist. Gleichzeitig kann nebenbei eine gewisse Dichtwirkung erhalten werden. Der Verdichter 1OB wird dagegen mit Öl geflutet, so daß das Öl nicht nur eine Schmier- und Dichtwirkung hat, sondern auch dazu dient, das Kältemittel während dessen Kompression zu kühlen. Mit Öl geflutete Schraubenrotor-Verdichter sind in verschiedenen Ausführungen, z.B. aus den britischen Patentschriften 832 386 und 1 171 291, bekannt. Bei derartigen Kompressoren ist die Masse des Ölstroms durch den Verdichter größer als die Masse des Gasstroms. Entsprechend ist bei der dargestellten Ausführung die dem Verdichter 1OB zugeführte Ölmenge mehrfach größer als die in den Verdichter 1OA eingeleitete.

Um das vom Verdichter 1OA komprimierte gasförmige Kältemittel zu kühlen, wird diesem Verdichter über eine Leitung 34 vom Kondensator 14 her flüssiges Kältemittel zugeführt, welches in die Arbeitskammer des Kompressors bei einem solchen Zwischenstadium der Kompression und in solcher Menge eingespritzt wird, daß die Temperatur des gasförmigen Kälte-

LJ 8487/11.4.1973

309846/0364

2 3 1 8 U Π Π

mittels am Auslaß des Kompressors nicht über einen bestimmten Wert ansteigt, dessen Größe durch Berechnung so bestimmt wird, wie er für den im Einzelfall gegebenen thermodynamisehen Zyklus am besten geeignet ist. Gleichzeitig wird die Temperatur des Kompressors auf einem Niveau gehalten, bei welchem die thermischen Verformungen der Rotoren und des Gehäuses keine Probleme verursachen.

Die Rotoren des Verdichters 1OA laufen in Gleitlagern. In der Zeichnung sind weiterhin Kühlmittel-Leitungsanschlüsse für die Zufuhr und Ableitung eines geeigneten Kühlfluids, z.B. Wasser, zum beziehungsweise vom Kondensator 14 und Ölkühler 18 gezeigt.

Einer oder beide Verdichter können mit Ventil Schiebern zur Steuerung ihrer Kapazität versehen sein. Auch der Verdichter 1OB kann zusätzlich zur Kühlung mittels eingespritzten Öls durch Zufuhr von flüssigem Kältemittel gekühlt werden.

Patentansprüche

LJ 8487/11.4.1973

109846/0364

Claims (3)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Betreiben einer Kühlanlage, bestehend aus Kondensator, Verdampfer und zwei hintereinander angeordneten Schraubenrotor-Verdichtern mit jeweils einem männlichen und einem weiblichen Rotor, von denen einer motorisch angetrieben und der andere durch unmittelbare Berührung der Schraubengänge mitgenommen wird, dadurch gekennzeichnet , daß der ers^e Verdichter (10A) mit einer .Geschwindigkeit angetrieben wird, bei welcher die Umfangsgeschwindigkeit des männlichen Rotors größer ist als die des männlichen Rotors, des zweiten Verdichters (10B), und dem ersten Verdichter Öl nur in einer Menge zugeführt wird, welche die zur Schmierung der relativ zueinander beweglichen Berührungsflächen der Rotoren erforderliche Menge wenigstens nicht wesentlich übersteigt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß flüssiges Kältemittel aus dem Hochdruckbereich (14, 34) der Kühlanlage in die Muten der Rotoren des ersten Verdichters (10A) an einer Stelle und in einer Menge eingespritzt wird, daß die Temperatur des gasförmigen Kältemittels einen bestimmten Wert nicht übersteigt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß der erste Verdichter (10A) mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, bei welcher die Umfangsgeschwindigkeit des männlichen Rotors zweimal so groß ist wie die des männlichen Rotors des zweiten Verdichters.

   LJ 8487/11.4.1973

   τ η Q a δ fi / η 3 fi