DE2429466A1 - Verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades eines schraubenrotorkompressors - Google Patents

Verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades eines schraubenrotorkompressors

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Description

In" Sac hen:
Svenska Rotor Maskiner Aktiebolag Stockholm /Schweden
Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Schrsubenrotorkompressors.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines mit einem gasförmigen Medium des Kohlenwasserstoff- oder Halogenkarbon-Verbindungstyps betriebenen-Schraubenrotorkompressors, bei welchem die Leckspalte im Betrieb apositiv mittels eines durch den Kompressor zirkulierenden Öls abgedichtet werden.
Die Erfindung kommt insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, in Betracht bei einem Verfahren zur Verbesserung· der Charakteristiken niedriger Scheitelgeschwindigkeiten Von Kompressoren der oben erwähnten Art.
Darüber hinaus kommt die Erfindung insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, in Betracht bei einem Verfahren zur Klimatisierung von Luft, das mit einem Kältemittel, beispielsweise dem. als R12 weithin bekannten Mitteldruck-Kältemittel oder dem als R22 weithin gekannten Hochdruckkältemittel arbeitet und
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einen Schraubenrotorkoinpressor mit einer Öleinspritzeinrichtung, einem Ölseparator, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer verwendet. Die Erfindung kommt auch in Betracht bei Verfahren für die Lagerung von flüssigem Propangas oder dem Pipeline-Transport von natürlichem Gas,
Klimatisierapparate mit Schraubenrotorkömpressoren sind mit zufriedenstellenden Ergebnissen in verhältnismäßig großen Kühl- und Klimatisieranlagen weit verwendet worden. Jedoch viar es bisher nicht durchführbar, Schraubenrotorkompressoren in Klimaanlagen mit einer Kühlkapazität von weniger als 300 000 kcal/ h und in bestimmten Fällen für Kühlanlagen mit weniger als 100 000 kcal/ h zu verwenden.
Diese untere Grenze der Kühlleistung hängt von den besonderen Charakteristiken des Schraubenrotorkompressors ab. Es ist wohlbekannt, daß ein Schraubenrotorkompressor eine positiv arbeitende Maschine darstellt, in welcher ständig ein bestimmter innerer Leckverlust durch die zwischen den Rotoren und den umgebenden Gehäusewandungen vorhandenen Spalte auftritt. Aus diesem Grunde müssen die Rotoren bei einer hohen Umfangsgeschwindigkeit laufen, um die inneren Leckverluste zu vermindern und einen ausreichend hohen volumetrischen Wirkungsgrad zu bekommen, der notwendig ist zur Erzielung eines annehmbaren Gesamtwirkungsgrades. Bei trocken laufenden Kompressoren, die mit Luft oder anderen Gasen als Arbeitsfluid betrieben werden, ist festgestellt worden, daß die Scheitelgeschwindigkeit des männlichen Rotors nicht unter etwa 80 m/s absinken sollte· Bei Kompressoren, die mit Luft
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oder anderen Gasen arbeiten und mit Mitteln zur öleinspritzung während der Kompression ausgestattet sind, wird die Kühlung der Rotoren und,des Gehäuses verbessert, und es können deshalb kleinere Spaltweiten zwischen den relativ zueinander drehenden Teilen verwendet werden. Bei derartigen sogenannten Naß-Kompressoren kann die Scheitelgeschwindigkeit des männlichen Rotors dann auf etwa 25-30 m/s unter Aufrechterhaltung eines zufriedenstellenden Gesamtwirkungsgrades vermindert werden. Aufgrund der Tatsache, daß Kühlkompressoren für gewöhnlich unmittelbar von Elektromotoren angetrieben werden, deren maximale Drehzahl normalerweise 3000 U/Min, oder 3600"U/Hin, je nach der Stromfrequenz beträgt, ist der Durchmesser solcher Kompressoren normalerweise nicht kleiner als 160 mm, was bedeutet, daß die Kompressorgröße- der obenerwähnten minimalen Kühlleistung von 100 000 bis 300 000 kcal-/Stunde entspricht.
Ein besonderer Anwendungsfall eines Klimaapparates, bei welchem es bisher nicht angängig war, einen Schraubenrotorkonrpressor zu verwenden, ist die Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug, wo die geforderte Kühlleistung in der Größenordnung von 3000 kcal/Stunde liegt. Die Lösung der Leist.ungsprobleme bei niedrigen Schextelgeschwindigkeiten, die die Verwendung.des Schraubenrotorkompressors für diesen Zweck ermöglichen würde, wäre in Hinblick auf die geringe Kompression, das niedrige Gewicht und den vibrationsfreien Betrieb des Schraubenrotorkompressors im Vergleich mit herkömmlichen Kolbenkompressoren, wie sie jetzt für solche Zwecke verwendet werden, äußerst erwünscht. Die fundamentalen Gründe für die mangelnde Eignung des Schraubenrotor-
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!compressors in Kraft f ahrzeug-Kl:. ma anlagen bestehen einerseits darin, daß die erforderliche Kühlkapazität so gering ist und nur etwa 5 bis Λ% der normalen minimalen Kapazität, bezogen auf die gegenwärtige Kapazität, beträgt und daß andererseits der Kompressor in einer solchen Anlage normalerweise von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs über ein !Riemengetriebe angetrieben wird, was eine sehr niedrige Kompressordrehzahl im Leerlauf der Brennkraftmaschine bedeutet.
Die Kapazität des Kompressors wird natürlich mit Anwachsen der Drehzahl zunehmen. Jedoch muß die zur Luftkühlung in einem Kraftfahrzeug notwendige Kapazität schon bei niedriger Kaschinendrehzahl verfügbar sein. Dies bedeutet, daß der Kompressor bei höheren Maschinendrehzahlen mehr Kühlleistung als erforderlich abgibt. Dies ist ein Problem, das allen Arten von Kompressoren gemein ist, jedoch bietet die Verwendung eines Schraubenrotorkompressors eine sehr verlockende Eegelmoglichke.it dadurch, daß ein Ventilschieber oder ein anderes wirksames Mittel zur Leistungsregelung verwendet werden kann, was ein zusätzlicher Grund für die Eignung des Schraubenrotorkompressors für die Verwendung in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen ist.
Unter der Annahme eines Übersetzungsverhältnisses zwischen der Eingangsdrehzahl des Kompressors und der Maschinendrehzahl von 2:1 wird die Eingangsdrehzahl des Kompressors 2800 U/Min, bei 1400 U/Min, an der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine betragen, Wenn das Kältemittel R12 verwendet wird und der Kühlleistungsbedarf bei dieser Drehzahl 3000kcal/h bei 70° C Kondensationstemperatur und O0C Ver-
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■ - 5 -
dampfungstemperatür beträgt, ist das erforderliche Vcrdrängungsvoluaen des Kompressors zur Erzielung dieser Kühlleistung rund 15nrVh, was einem RotordurchmesGer von rund 50mm mit einer Scheitelgeschwindigkeit von rund 11m/s bei 2800 U/Min, entspricht.
Bei einem Klimaapparat in einem Kraftfahrzeug muß der Kompressor jedoch bei Maschinendrehzahlen von 700 'bis 7000 U/Hin, arbeiten. Dies bedeutet eine Kompressoreingangsdrehzahl von 1400 bis 14000 U/Nin., entsprechend einer Scheitelgeschwindigkeit des männlichen Rotors von 5>5e>/söc. bis 55^/sec. Die entsprechenden Scheitelgeschwindigkeiten für den weiblichen Rotor betragen dann 3,7 bis 37 m/sec. Bei diesem Beispiel ist eine "4 + 6-Rippenkombinatiori" und ein Antrieb über den weiblichen Rotor vorausgesetzt worden. Dies bedeutet, daß der männliche Rotor vier Rippen und der v;eibliche Rotor sechs Nuten besitzt und daß der Kompressor über den weiblichen Rotor angetrieben wird. Das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl des männlichen Rotors und der des weiblichen Rotors beträgt demzufolge 1,5:1·
Bei mit automatischem Getriebe ausgerüsteten Kraftfahrzeugen übersteigt die Mascninendrehzahl selten 3000 U/Min., entsprechend einer Scheitelgeschwindigkeit des männlichen Rotors von 23 m/sec. Dies bedeutet, daß der Kompressor bei Scheitelgeschwindigkeiten unterhalb 20 m/sec. 95% <ier Zeit arbeitet.
Es ist nun überraschenderweise gefunden worden, daß durch zirkulierendes Öl einer besonderen Qualität innerhalb des Kompressors, das begrenzt in R12 lösbar ist und das eine beträchtlich höhere Visko-
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sität· im Vergleich zu anderen Kühlölen, vie sie für solche Zwecke verwendet werden, besitzt, der volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors und dadurch dessen Kapazität eine entscheidende Verbesserung zeigen. Gleichzeitig bleiben das Singangsdrehmonent des Kompressors und dadurch dessen Eingangs!eistung gleich oder nehmen sogar ab. Dies bedeutet, daß der Gesamtwirkungsgrad des Kompressors auf ein liiveau steigt, das für die Verwendung in Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen ebenso wie in anderen Klima- und Kühlanlagen annehmbar ist. ITaeh. weiteren Nachforschungen hinsichtlich dieser überraschenden Wirkung wurden grundsätzliche und optimale Beziehungen" zwischen der Ölqualität, der Glviskosität, aen gasförmigen Medien, r.it denen der Kompressor betrieben wird, der Scheitelgeschwindigkeit (am männlichen Rotor) des Kompressors und den jeweiligen Arbeitsbedingungen gefunden. Durch Anwendung dieser Beziehungen auf Kompressoranlagen, die nit Kohlenwasserstoff- oder Halogenkarbonvereindungen arbeiten, ist es möglich, den Schraubenrοtorkompressor für Leistungen bis herab auf rund 100C kcal/h und/oder 5m /h zu verwenden und den Gesaatwirktingsgrad von Schraubenrotorkompressoren mit Öleinspritzungen aller Größen, die mit Halogenkarbon- oder Kohlenvjasserstoffverbindungen arbeiten, bis zu einem höheren Wirkungsgradniveau zu verbessern.
Gemäß der Erfindung wird dieser verbesserte Wirkungsgrad dadurch erhalten, daß das Öl unter verfügbaren Ölqualitäten in solcher Anpassung an das gasförmige Medium ausgewählt wird, daß das öl mit dem darin gelösten gasförmigen Medium eine Viskos!- tat besitzt, die hoch genug ist, um einen höhen Gesamtwirkungsgrad des Kompressors aufrecht zu erhalten. Somit eliminiert die Erfindung die Ver-
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wendung .sehr kleiner Spaltweiten, sehr kleiner Botor dure hmess er in Verbindung mit eingebauten Übersetzungsgetrieben und anderen ungeeigneten Kaßnahmen, wie sie zuvor vorgeschlagen wurden, um den Gesamtwirkungsgrad von Schraubenrotorkompressoren zu steigern.
TJm die Auswahl einer geeigneten Kombination von Öl und gasförmigem Medium zu erleichtern, zeichnet sich ein bevorzugtes Verfahren gemäß der Erfindung dadurch aus, daß die relativenllepazitäten des öls £ r^·, und. des verflüssigten gasförmigen Mediums der Formel
raas
entspricht, worin In der natürliche Logarithmus ist·
Vorzugsweise beträgt der Viskositätsindex des reinen Öls mindestens SO nach ASTH D 2270, so daß bei Betriebstemperaturen bis herauf zu mindestens i50 C ein« wirksame Abdichtung aufrechterhalten wird.
Zusätzlich oder als Alternative zu der vorstehend erwähnten Formel kann das erfindungsgenäße Verf-shren zweckmäßig dadurch gekennzeichnet werden, daß die kinematische Viskosität ν des reinen Öls, gemessen in cSt bei 500C, nicht unter den aus der Formel
^=- 23 . e TC-
■ errechneten Wert abfällt, worin pv, der Ausgangs-" durch.den Kompressor, u die Scheit elgeschwindi'gkeit
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des Hotors, e die Grundzahl der natürlichen Logarithmen (Eulersche Zahl) und c eine Konstante = 1ca 'm sind, wenn p^, in kp/cm und u in rc/sec gemöSseiPwerden. Die kinematische Viskosität kann höher als der aus dieser Formel erhaltene Wert sein, besonders wenn die in der ersterwähntt3n Formel definierte Differenz^ nahe bei 1 liegt.
Die durch die obige Formel definierte (und in den Fig. 4a und 4b aufgezeigte) Viskosität wird unter beliebigen Verhältnissen einewGesamfcwirkungsgrad liefern, der maximal 10% niedriger als der optimal erreichbare Gesamtwirkungsgrad ist.
Gemäß der Erfindung werden vorzugsweise ein öl des synthetischen Kohlenwasserstofftyps in Verbindung mit Kältemittel R22 und ein Öl des synthetischen Polyglycoltyps in Verbindung mit Kältemittel R12 oder Kohlenwasserstoffgasen verwendet.
Ein Beispiel eines synthetischen Kohlenwasserstofföls sind beispielsweise Kobil-SEC-Öle, und der durch Verwendung eines solchen Öls in Verbindung mit Kältemittel R12 erhaltene verbesserte Wirkungsgrad ist in Fig. 1 (Kondensat ionsteinp era tür 400C, ölqualität EXD 62/114 J) im Vergleich mit einem Naphten-Mineralöl (Mobildargoyle/irctic 300) aufgezeigt.
Ein Beispiel für ein synthetisches Polyglycolöl sind die Mobil-Glygoyle-Öle, und der durch Verwendung eines solchen Öls in Verbindung mit Kältemittel R12 erhaltene verbesserte Wirkungsgrad ist in Fig. 2 (Kondensationstemperatur 70 , Ölqualität EXD 62/12? J) iai Vergleich mit einem Naphten-Kine-
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ral-öl, Mobilgargoyleartic 300 aufgezeigt.
Die.Verwendung von SHC- und Glygoyle-Ölen hat eine "bemerkenswerte Wirkung auf den volumetrisehen Wirkungsgrad Ci\vol)» den gesamten adiabatischen Wirkungsgrad -(η- Λ ) und den leistungskoeffizienten
(COP) gemäß der " Darstellung in den figuren la, 2a;. 1c, 2c bzw. 1d und 2d. Das Eingangsdrehmomerit (T) ist gemäß der Darstellung in Fig. 1b gleich dein oder gemäß der Darstellung in Fig. 2b kleiner als das Drehmoment, welches mit einem Standard-Kühlö'l auf Naphtenbasis wie Mobil-Gargoyle-Artic 300 erhalten wird.
Die verbesserten volunetrisehen (n ,) und adiabatischen (η , ) Wirkungsgrade sind ebenfalls in
.tot
Fig. 3 für zwei Kompressoren aufgezeichnet, die bei 60° kondensationstemperatur arbeiten, vobei nämlich der Kompressor A (Rotordurchraesser = Verhältnis von Eotorlänge (L) zu Eotordurchmesser (D) = 1,7, Vs = 0,0825 1/rev), ein Polyglycolöl (EZD. 62/127 J) und der Kompressor B (Eotordurchmesaer = 102 mm, L/D-Verhältnis = 1,0, Vs = 0,5167/rev) ein Standarf-rüineralöl (Artic 300) verwenden. Es leuchtet ein, daß die Einspritzung von Polyglycolöl in den Kompressor B in Übereinstimmung nit dem Scalenfaktor, als wie sie für den Kompressor A angegeben sind, liefern würde, und demzufolge würde die Verbesserung noch größer als gemäß der Darstellung in Fig. 3 sein.
Das bevorzugte Verfahren, wie es durch die Formel
.- ins
. s
gas öl
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definiert ist, wird durch die folgenden Ausführungsbeispiele verdeutlicht.
Es ist in Übereinstimmung mit der Formel möglich, R 22 (f r = 6,00) mit SHC-Öl ($r = 2,10) zu kombinieren, jedoch nicht mit Artic 300 (£, = 2,30), weil
I In 6,00 - ln2,10/ = 1,05 > 1 bzw. • I In 6,00 - ln2,30f = 0,96 < 1 ist.
In ähnlicher Weise ist es möglich, H12 (£ = 1,SC) mit EXD-Öl 62/127 J) U χ = 5,70) und Propan (£r = 1,30) mit Hobil-Glygoyle 30 (£p = 5,00) zu kombinieren, weil
I In 1,80 - In 5,70 I= 1,15 >1 bzw. [ In 1,30 - In. 5,00 [ = 1,35 7I ist,
jedoch nicht mit Paraffin-Mineralölen wie Kobil-Artic 300, weil
I In 1,80 - In 2,30 I = 0,25 > 1 bzw. j In 1,3O1 - In 2,30 j = 0,57 > 1 ist.
Wie oben erwähnt wurde, wird zweckmäßig ein Öl ausgewählt, welches zusätzlich oder als Alternative eine kinematische Viskosität ν besitzt, die nicht unterhalb einen Wert absinken darf, der aus der Formel
c « p^
Λ? = 25 ' e u
erhalten wird. Diese Formel isr in den Fig. 4-a und 4b für die Kältemittel R12 und R22 veranschaulicht. Die den verschiedenen Kondensationstemperaturen
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entsprechenden Druckkurven sind ebenso aufgezeichnet wie die Viskositätswerte einiger Öle.
Aus den Fig. 4-a und 4-b geht hervor, daß gewöhnliche Mineralöle wie Mobil-Gardoyle-Artic 300 ausgeschlossen sind.
Mit.apositiver Abdichtung im Gegensatz zu positiver Abdichtung, wie sie durch die Kolbenringe eines positiv abgedichteten hin- und hergehenden Kolbenkompressors bewirkt wird, ist der volumetrische Wirkungsgrad der Maschine abhängig von dein Ausmaß des Druckanstiegs in den Kosipressiorislvarinern v;ährend eines Zyklus oder, mit anderen Worten dem Wert des Verdichtungsverhältnisses, da die Leckströnung von den apositiv abgedichteten Kompressionskamnern offensichtlich mit Anwachsen des Druckanstiegs in einer einzelnen Stufe zunimmt.
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Claims (6)

  1. - 12 -
    Patentansprüche
    Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines mit einem gasförmigen Medium des Kohlenwasserstoff -oder Halogenkarbon—Verbindungstyps betriebenen Schraubenrotorkompresscrs, bei welchem die Leckspalte im Betrieb^positiv mittels eines durch den Kompressor zirkulierenden Öls abgedichtet v/erden, d a d u r c h gekennzeichne t, daß das Öl unter verfügbaren Qlqualitäten in solcher Anpassung an das gasförmige Medium ausgewählt wird, daß das Cl mit dem darin gelösten gasförmigen Medium eine Viskosität besitzt, die hoch genug ist, um einen hohen Gesamtwirkungsgrad des Kompressors aufrecht zu erhalten.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kinematische Viskosität ν des reinen Öls bei 5o°C nicht unter den aus der Formel
    ■= 25
    errechneten Wert abfällt, worin ρ der Ausgangsdurch des Kompressors, u die Scheitelgeschwindigkeit des Rotors,, e die Grundzahl der natürlichen Logarithmen (Eulersche Zahl) und c eine konstante = 1 e sind> wenn ρ^ in kp/cm und u in m/sec gemessen werden.
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  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Viskositätsindex des reinen Öls mindestens 9o nach ASTM D 227o beträgt*
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Kaoa:',itivitäten des Οίε £r .,
    ■"■ r Ol
    und des verflüssigten gasförmigen Mediums £ der Formel
    In £ - In s \ > 1
    Ol
    entspricht, worin In der natürliche Logarithmus ist.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öl des synthetischen Kohlenv/asserstofftyps in Verbindung mit Kältemittel R22 verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß ein Cl des synthetischen Polyglycoltyps in Verbindung mit Kältemittel R12 oder Kohlenwasserstoffgasen verwendet wird. . -
    409882/0411
    Leerseite
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