DE2822063A1

DE2822063A1 - Verfahren zum betrieb eines schraubenverdichters

Info

Publication number: DE2822063A1
Application number: DE19782822063
Authority: DE
Inventors: Arno Heinz; Knut Prof Dr Ing Kauder
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Priority date: 1978-05-20
Filing date: 1978-05-20
Publication date: 1979-11-22
Also published as: CH642721A5; FR2426169B1; IT7922836A0; IT1112903B; BR7902691A; GB2022709B; FR2426169A1; GB2022709A; JPS54158712A

Description

Verfahren zum Betrieb eines Schraubenverdichters

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Schraubenverdichters für Gase, bei dem unter Ausbildung eines Dichtspaltes sich wenigstens zwei Elemente relativ zueinander bewegen und ein im wesentlichen inkompressibles Fluid (Dichtungsmedium) als Schmier- und Dichtmittel den Spalt dichtet.

Ansatzpunkt für die Erfindung sind die Erfordernisse, die das Dichtungsmedium im Inneren des Verdichters zu erfüllen hat. Es sind im wesentlichen: Schmierung der mechanisch bewegten Teile, Kühlung des zu verdichtenden Gases und Abdichtung des Arbeitsraumes. Soweit im folgenden von "Luft" die Rede ist, soll hierunter auch evtl. ein anderes Gas oder ein anderes kompressibles Medium verstanden werden.

Bei einem Schraubenverdichter, beispielsweise des Typs SKF 102 G der GHH Sterkrade AG, wird das Dichtungsmedium in der Nähe des Gaseinlasses eingeführt und wandert durch den Verdichter hindurch, während die Luft verdichtet wird. Das Dichtungsmedium wird

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mit der Luft ausgestoßen, anschließend aus dieser abgeschieden und erneut verwendet.

Um die Einflüsse der Eigenschaften des verwendeten Dichtungsmediums auf die Funktion und die Wirksamkeit des Verdichters zu überprüfen, ist erforderlich, bei einem bestimmten geforderten Volumenstrom und Druckverhältnis zwischen Lufteintritt und -austritt die spezifische Verdichtungsleistung, den Gütegrad und den Liefergrad festzustellen.

Unter spezifischer Verdichtungsleistung α ist die effektive Leistung, bezogen auf den angesaugten Volumenstrom zu verstehen:

P_e kW

• 3_i

V,„ m min AN

Dabei werden folgende Definitionen zugrundegelegt: effektive Leistung (Kupplungsleistung) P in kW

3 —1 Volumenstrom, angesaugt V_s. in m min

Demnach beschreibt die Kenngröße α das Verhältnis von aufgenommener Kupplungsleistung zum geförderten Volumen-

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strom, bezogen auf den Ansaugzustand.

Der Gütegrad stellt das Verhältnis von isentroper Verdichtungsleistung P zur aufgenommenen Kupplungsleistung P dar:

^Pe

Der Liefergrad ρ _T kennzeichnet die Ausnutzung des Verdrängervolumens des Verdichters durch das geförderte Gas, und ist das Verhältnis der geförderten (nu) zur theoretisch ansaugbaren Gasmasse (m.. _h) :

^mf

^mth

Weitere Kenngrößen zur Beschreibung des Erfindungsgegenstandes sind:

die kinematische Viskosität V des einzubringenden

2
Dichtungsmediums; Dimension m /s bzw. cSt, und das Verhältnis β des Volumenstroms des Dichtungs-

• ·

mediums V..- zum Volumenstrom der angesaugten Luft V,_N

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^vöt

^VAN

Als maschinenuntupische Kennzahl für die Umdrehungs-— a

zahl des Hauptläufers wird eine dimensionslose Kenngröße γ

^ÜHL

Y =

^Uo_Pt

eingeführt. U wird erfindungsgemäß bei jedem Schraubenverdichter dann erreicht, wenn die spezifische Leistung α minimal ist. Die Kenngröße U ist für jeden Verdichter verschieden und variiert mit dem Volumenstrom Vg. des Dichtungsmediums.

Bekannt ist, einen Schraubenverdichter so zu betreiben, daß unabhängig von der Antriebsdrehzahl und somit der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit U_HL ein Dichtungsmittel-Volumenstrom V«. mit einer bestimmten kinematischen Sollviskosität \) in den Arbeitsraum eingebracht wird, wobei durch Variation von V-. erreicht wird, daß die Kühlkapazität zur Abführung der Wärme aus dem Schraubenverdichter bei einer vorgegebenen Verdichtungsendtemperatur

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(ζ. B. 80 c) der austretenden Gase ausreicht.

Gemäß den Spezifikationen verschiedener Hersteller von Schraubenverdichtern werden Dichtungsmedien gewählt, die eine relativ hohe kinematische Viskosität haben, wobei davon ausgegangen wurde, daß relativ zähes öl eine günstigere Dichtwirkung besitzt. Es werden daher für den Betrieb von Schraubenverdichtern Mindestviskositäten zur Erfüllung der Abdichtaufgaben vorgeschrieben. Als Beispiel seien die Vorschriften verschiedener Hersteller zitiert:

1. BAUER Schraubenkompressor-Anlagen ER 20 - ER 75: Für Luftverdichter werden alterungsbeständige, wasserabweisende, nicht schäumende, vor Korrosion schützende Öle mit folgenden Daten empfohlen:

Grundöle = Solventraffinat Viskosität

bei 50° C = ca. 19,5 bis 25 cSt Flammpunkt

o. T. = über 200° C

Stockpunkt = mindestens 5 unter niedrigster Umgebungstemperatur.

2. IRMER + ELZE Schraubenkompressoren S 501 - SLS

Das zur Verwendung kommende öl soll eine Viskosität von 29 bis 33,5 cSt (4 - 4,5° E) bei 50° C haben,

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sowie alters- und emulsionsbeständig sein und nur normale Korrisions-, Oxidations- und Schaumverhinderungssubstanzen enthalten.

3. Mahle Schraubenkompressor BA 231-1

Es werden empfohlen besonders alterungsbestMndige, wasserabweisende, nicht schäumende, vor Korrosion schützende öle mit folgenden Daten:

Grundöl = Solventraffinat Viskosität

bei 5OO c = ca. 19,5 bis 25 cSt Flammpunkt

0. T. = über 2OO° C

Stockpunkt = mindestens 5 C unter niedrigster

Umgebungstemperatur.

4. ATLAS COPCO

Zur Kompressorschmierung wird die Verwendung eines hochqualitativen Hydrauliköles mit Rostschutz-, Antischaum- und Antioxidationszusätzen mit folgender Viskosität empfohlen:

1. Umgebungstemperatur ständig über -10 C 3° E bei 50° C (104 Sayboltsekunden), was etwa SAE 10 oder SAE 10 W entspricht.

2. Umgebungstemperatur unter 0 C

2° E bei 50° C (66 Sayboltsekunden) ₍ was

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etwa SAE 5 entspricht.

Umgerechnet auf cSt entsprechen die Meßangaben sich wie folgt:

3 E bzw. 104 Sayboltsekunden entsprechen etwa 20 cSt + 5 cSt

2 E bzw. 66 Sayboltsekunden entsprechen etwa 10 cSt + 2 cSt.

Der letzte Wert ist aber nur bei ausgesprochenem Winterbetrieb zu wählen, so daß bei üblichen Bedingungen, wie in Mitteleuropa vorherrschend, die höheren Mediumsviskositäten zu wählen sind.

Verdichter, die mit den genannten Dichtungsmitteln betrieben werden, arbeiten grundsätzlich zufriedenstellend. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei Verwendung der genannten Ölviskositäten die spezifische Leistung α relativ hoch liegt, also ungünstig ist. Weiterhin zeigen die relativ hochviskosen öle lange Abscheidezeiten, benötigen also großvolumige Abscheider. Gerade der Abscheider aber bestimmt wesentlich die Größe und die Anschaffungskosten des Verdichters insgesamt.

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AO

Als nachteilig für den Betrieb eines Schraubenverdichters gemäß den Vorschriften des Standes der Technik muß daher angesehen werden, daß die ölauswahl lediglich unter dem Gesichtspunkt der Dichtungsaufgaben getroffen wird. Dies ist offensichtlich darauf zurückzuführen, daß der Liefergrad /i als Hauptkenngröße bei gegebenen Verdichterkonstruktionen betrachtet wurde. Der Liefergrad stellt jedoch nur ein Massenverhältnis dar und kann daher keine Aussage über die Energiewandlung und den Energieverbrauch des Verdichters wiedergeben. Die Wahl des Liefergrades als Hauptkenngröße verstellt daher den Blick dafür, daß andere Betriebskenngrößen die Optimierung des Verfahrens wesentlich besser definieren lassen.

Zur Verbesserung des Standes der Technik stellt sich daher grundsätzlich die Aufgabe, bei dem Betrieb von Schraubenverdichtern den Wirkungsgrad zu steigern und unter Berücksichtigung von relativer Geschwindigkeit der zueinander bewegten Elemente Auswahlkriterien für die Dichtungsmedien anzugeben, um die Entröpieerzeugung im Verdichter zu minimieren. Der wesentliche Teil der Entropieerzeugung entsteht - wie Plausibilitätsbetrachtungen zeigen und Experimente be-

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stätigen - beim Durchströmen des Dichtungsmittels durch den Dichtspalt. Die Lösung der genannten Aufgabe bedingt, daß die Viskosität des Dichtungsmediums dahingehend festzulegen ist, daß bei einer vorgegebenen Umlaufgeschwindigkeit die beweglichen Elemente gegenüber den feststehenden ein Minimum an Energieverlust erreicht wird.

Es wurde gefunden, daß in Abkehr von den bekannten Vorschriften zum Betrieb eines Schraubenverdichters grundsätzlich eine wesentlich niedrigere Viskosität bei den zum Einsatz kommenden Dichtungsmedien gewählt werden kann, daß die Energieverluste dadurch zu verringern sind und daß der Wirkungsgrad des Verdichters verbessert werden kann. Außerdem kann durch Optimierung der Wahl des Dichtungsmittels die Baugröße durch Verwendung kleinerer Abscheider verringert werden.

Die Erfindung liegt darin, daß bei einer Betriebsendtemperatur im Bereich von 60 bis 90 C und einer Betriebsweise, bei der das Verhältnis

^ÜHL

y =

opt

zwischen 0,5 und 1,5 liegt, sowie einen im wesentlichen

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konstantgehaltenen Volumenstrom V". des Dichtungsmittels, der ausreicht, eine eingestellte Betriebsendtemperatur einzuhalten, die Viskosität des Dichtungsmediums zwischen 0,5 und 15 cSt (gemessen bei 50° C) liegt. Dabei wird ein Verdichtungsverhältnis TT zwischen 5 und 15 vorausgesetzt.

Wenn auch die angegebenen Werte für die Viskosität relativ weite Grenzen umfassen, so zeigen die angegebenen Werte schon deutlich, daß die Viskosität wesentlich unter derjenigen liegt, die bisher als wünschenswert für den Stand der Technik angesehen wurde. Es läßt sich nachweisen, daß durch die Wahl der niedrigeren Viskosität eine wesentliche Verringerung der spezifischen Leistungsabgabe erzielt werden kann. Dabei wird jeweils vorausgesetzt, daß eine konstante Verdichterendtemperatur eingehalten wird. Letztere kann beispielsweise erreicht werden, indem ein hoher Volumenstrom aus Dichtungsmedium bei hoher Einspritztemperatur bzw. ein niedriger ölstrom bei niedriger Einspritztemperatur gewählt wird. Es läßt sich die Auswahl des Viskositätswertes weiter optimieren, wobei Erläuterungen hierzu in der Beschreibung zur Zeichnung gegeben sind.

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Im folgenden sind zur Erläuterung der Erfindung Zeichnungen und Beispiele angefügt. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 das (vereinfachte) Arbeitsschema einer Schraubenverdichteranlage mit öleinspritzkühlung und Antrieb durch Elektromotor;

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Verhältnisse im Spaltbereich zweier relativ zueinander bewegten Elemente in einem Schraubenverdichter;

Fig. 3 ein Diagramm, bei dem die spezifische Leistung über der Hauptlauferumdrehungszahl eines bestimmten Schraubenverdichters für verschiedene Viskositäten des Dichtungsmediums dargestellt ist;

Fig. 4 ein Diagramm, bei dem die spezifische Leistung über der optimalen Hauptläuferumdrehungszahl dargestellt ist;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der gewählten Viskosität von der optimalen Hauptläuferumdrehungszahl zeigt.

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In der Fig. 1 ist zum Verständnis der Funktion das Schema einer einstufigen Schraubenverdichteranlage mit öleinspritzkühlung und Antrieb durch Elektromotor dargestellt. Das Zentrum der Anlage stellt der Verdichter 1 dar. Ihm wird über Ansaugfilter 3, Ansaugventil 4 (mit Beipaßventil 5) ein Gas, vorzugsweise Luft, unter Atmosphärendruck zugeführt. Der Antrieb des Verdichters erfolgt über einen Elektromotor 2.

Ein Kühl- und Dichtungsmedium wird über den Anschluß 32 ("öleinspritzung") in den Verdichter eingedrückt. Das Dichtungsmedium wird dabei über eine Leitung 36 aus einem ölbehälter 8, der gleichzeitig Grobabscheider ist, zugeführt. Die Leitung 36 wird dabei über die üblichen Betriebsstationen geführt, nämlich über Rückschlagventil 24, Schmutzfänger 25, ölkühler 26, ölfilter 28 sowie Drosselventil 30 und Rückschlagventil 31.

Von der Leitung 36 zweigt ferner eine Leitung zu den Anschlüssen 35 ("Getriebeschmierung") bzw. 33 ("Entlastungskolben") ab. Der ölbehälter 8 besitzt ferner einen öleinfüllstutzen 21, einen ölablaß 23 und einen Füllstandsanzeiger 22.

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Das verdichtete Gas wird über eine Auslaßleitung (mit Rückschlagventil 7) dem ölbehälter und Abscheider 8 zugeführt und über eine Leitung 38 mit Feinabscheider 9 und Rückschlagventil 13 einem Verbraucher zugeführt.

Es ist bekannt, Mineral- oder Silikonöle als Kühl-, Dicht- und Schmiermittel zu verwenden. Der in den Verdichterraum eingebrachte ölstrom hat im wesentlichen drei Wirkungen:

a) Schmierung;

b) Arbeitsraumdichtung, d. h. Verminderung des Luftrückstromes durch ein mit einem Öl-Luftgemisch durchströmte Axial- und Radialdichtung;

c) Wärmetransport.

Es wird dabei von einer Modellvorstellung ausgegangen, die besagt, daß bis auf das "Blasloch" alle arbeitsraumdichtenden Kanten durch ihre Dichtbewegung im feststehenden Arbeitsraum einen ölschwall während eines bestimmten Zeitinervalls vor sich herschieben. Besteht dieser ölschwall während eines gesamten Arbeitsspiels, so durchströmt die Dichtspalte öl in Richtung des Druckgefälles. Damit werden die dabei

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entstehenden Druckverluste (Entropieerzeugung durch Dissipation) wesentlich durch die ölviskosität von einem noch unbekannten Durchflußgesetz bestimmt, dessen weitere Parameter neben der Spaltgeometrie, der Spaltdifferenzdruck und die Arbeitsspiellänge sein dürften.

Mit zunehmender Arbeitsspiellänge (abnehmender Drehzahl) sinken die hydraulischen Verluste in der Maschine und gleichzeitig nehmen die spezifischen Verdichtungsleistungen mit sinkender ölviskosität ab, solange die Dichtspalte mit rückströmenden öl gefüllt sind.

Ist dies bei weiter zunehmender Arbeitsspiellänge nicht mehr der Fall, d. h. werden die Dichtspalten nur noch während bestimmter Arbeitsspielzeitintervalle gefüllt, verbleiben also Zeiten, in denen Öl-Luftgemische oder nur noch Luft die Spalte durchströmen, so geht Energie verloren. Die zurückströmende Luft ist nämlich zuvor verdichtet worden, ihr Energieinhalt geht jedoch wieder verloren, so daß die spezifische Leistung ansteigt.

Zur Erläuterung der Energie-Verlustquellen sind in Fig. 2 die Verhältnisse an einem Dichtspalt in vergrößerter Darstellung wiedergegeben. Eine Kante 40

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der in einem Gehäuse rotierenden Verdichterschraube bewegt sich in Pfeilrichtung (41) unter rotierender Bewegung entlang der Innenseite 42 des Gehäuses. Dabei ist ein Spalt 43 zwischen den Elementen 40 und 42 ausgebildet. Der Spalt ist gefüllt mit einem Teil des Dichtungsmediums 44, das als Schwall vor dem Spalt hergeschoben wird und sich auch im Spalt selbst und hinter diesem befindet. Die bei Wälz- und Gleitbewegung entstehenden Verluste aufgrund der Zähigkeit des Dichtungsmediums werden als Dissipationsverluste bezeichnet. Gleichzeitig kommt es, wie angedeutet durch den gestrichelten Pfeil 44*, zu Leckverlusten der hochkomprimierten Gase, die durch das Dichtungsmedium hindurchtreten und einen Druckverlust bewirken. Um zu einem Vergleich und zu Auswahlkriterien für das zu wählende Dichtungsmedium zu kommen,wurden Versuche gefahren, deren Ergebnisse sich in den Fig. 3-5 und den Beispielen niederschlagen.

Beispiel 1: (vgl. Fig. 3)

Ein Schraubenverdichter des Typs SKF 102 G mit einem Läuferpaar (Herst.: GHH Sterkrade AG) wird mit folgenden Werten gefahren:

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- ur-

Druckverhältnis

TT =

Verdichterendtemperatur t₂ =

_2

Stirnspalt 10 mm

Serienspiel =

Ölstrom Vg. =

80° C

_2 6,1 . 10 mm

43 1 min

Messungen der spezifischen Leistung werden durchgeführt als Funktion der Umfangsgeschwindigkeit U„_L des Hauptläufers bei folgenden Geschwindigkeiten:

15, 20, 25, 30, 35 und 45 ms~¹.

Die sich ergebenden Kurven stellt Fig. 3 dar. Sie sind gemessen worden mit Hydraulikölen folgender Viskositäten:

H-L 68
H-L 25
H-L 11

68 cSt bei 50 C

25 cSt bei 50 C

11 cSt bei 50^u C,

Bemerkenswert ist der geringe Viskositätseinfluß auf die spezifische Leistung bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten. Lange Arbeitszeiten implizieren große Verweilzeiten der angesaugten Ladung im abgeschlossenen Arbeitsraum, der durch V^i = 43 1 min nur ungenügend zu dichten ist. Da ein Überangebot von arbeitsraumdichtendem öl fehlt, wirkt sich die

-1

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ti

Ölzähigkeitsänderung besonders deutlich aus. Die Folge ist eine Liefergradzunahme (nicht dargestellt). Die Minima der spezifischen Leistungen verschieben sich leicht bei Viskositätsabnahme hin zu höheren Umfangsgeschwindigkeiten .

Diesem willkürlich herausgegriffenen Beispiel ist demnach schon zu entnehmen, daß eine Leistungs- bzw. Wirkungsgradverbesserung durch Verwendung niedrigviskoser öle eintritt.

Beispiel 2: (vgl. Fig. 4 und 5)

den Parameter V··. (ölstrom) zu eliminieren, wird

eine Größe U . eingeführt. Wird davon ausgegangen, daß

^Pe
γ = = f (u_HL) ist,

^VAN

d. h. eine Funktion der Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit, so läßt sich bei jedem ölstrom V-. , der geeignet ist, eine bestimmte Verdichterendtemperatur t₂ einzuhalten, ein Minimum des Quotienten γ finden, dem eine

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bestimmte U₁₁₇. zugeordnet ist. Per Definition wird diese Größe als U , also als optimale Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit definiert.

Durch Variation von V-. lassen sich Kurvenscharen γ in Abhängigkeit von U . ermitteln. Fig. 4 zeigt fünf Kurven, die bei verschiedenen Viskositäten des Dichtungsmediums gewonnen wurden:

Kurve 68: H-L 68 öl mit 68 cSt bei 50° C

Kurve 25: H-L 25 öl mit 25 cSt bei 50° C

Kurve 14: H-L 14 öl mit 14 cSt bei 50° C

Kurve 10: Shell Tellus 117 (10 cSt bei 50° C)

Kurve 4: Shell öl T 17 (4 cSt bei 5O° C).

Es zeigt sich, daß bei Verlagerung zu hohen Umlaufgeschwindigkeiten, bei entsprechender Steuerung des Dichtungsmittelstroms mit dem einzigen Kriterium, die Endtemperatur auf einen bestimmten Wert zwischen 60 und 90 C zu halten, eine erhebliche Verbesserung der spezifischen Leistung gegenüber dem Stande der Technik zu erzielen ist. Trägt man gem. Fig. 5 in

— 1 —1

den interessierenden Bereich 3O ms <, U , < 45 ms die Wert punktförmig auf, so ergibt sich in erster Näherung eine Parabel, die als Zahlengleichung wie

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folgt definiert werden kann:

\) [cSt] = a U² [m²s~²] + b ü_{Q t} ims"¹] + c

wobei sich aus dem Diagramm gemäß Fig. 5 die Größen a = + 0,035

b = - 3,4

c = + 127

errechnen lassen. Anhand der zuletzt genannten Gleichung lassen sich von den Vorschriften und Betriebsweisen des Standes der Technik abweichende Betriebsweisen ermitteln, die einen verbesserten Wirkungsgrad der Schraubenverdichter gewährleisten. Die durch die Gleichung ermittelten Werte für die Viskosität können nach oben oder unten um ca. 10 - 20 % abweichend verwendet werden - was allein schon aus dem Grunde erforderlich ist, da im Handel nur öle bestimmter Viskositäten angeboten werden. Die Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit spielt dabei eine wesentliche Rolle. Bei mittleren und hohen Umfangsgeschwindigkeiten findet man ein proportionales Absinken der spezifischen Leistung mit fallender Viskosität. Je nach den gewählten Bedingungen kann es jedoch sein, daß ein 4 cSt-öl schlechtere Bedingungen als ein 14 cSt-Öl bringt, wenn die optimale Umdrehungszahl wesentlich

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unterschritten wird. Ein möglichst universell einsetzbares öl müßte daher eine Viskosität zwischen 10 bis 14 cSt aufweisen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

My Verfahren zum Betrieb eines Schraubenverdichters, bei dem unter Ausbildung eines Oichtspaltes sich wenigstens zwei Elemente relativ zueinander bewegen und ein im wesentlichen inkompressibles Fluid (Dichtungsmedium) als Schmier- und Dichtmittel den Spalt dichtet,
dadurch gekennzeichnet,

daß bei einer Betriebsendtemperatur von 60 bis 80° C und einer Betriebsweise, bei der ^Ü _HI/^Ü _opt zwischen 0,5 und 1,5 liegen, sowie einem Dichtungsmittelstrom, der ausreicht, die eingestellte Betriebsendtemperatur einzuhalten, die Viskosität des Dichtungsmediums zwischen 0,5 und 15 cSt liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer optimalen Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit U . zwischen 30 und 50 ms"" sich die optimale Viskosität des Dichtungsmediums bei 50° C nach folgender Zahlengleichung bestimmt, wobei Abweichungen von + 20 % von dem errechneten Wert zugelassen sind:

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ORiGlNAL INSPECTED

V[cSt] = a U² _opt [m²s"²] + b U_Qpt [ms"¹ ] + c

wobei sich die Größen a = + 0,035 b = - 3,4 und c= +127

ergeben.

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