DE3022661A1

DE3022661A1 - Verfahren zur vorverdichtung und regulierung eines schneckenschraubenkompressors mit nur einer schraube

Info

Publication number: DE3022661A1
Application number: DE19803022661
Authority: DE
Inventors: Bernard Zimmern
Original assignee: OMPHALE SA
Current assignee: OMPHALE SA
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1980-06-18
Publication date: 1981-01-15
Also published as: JPH0135197B2; FR2459385B1; GB2053360A; FR2459385A1; GB2053360B; JPS562490A; US4364714A; DE3022661C2

Description

Verfahren zur Vorverdichtung und Regulierung eines Schneckenschraubenkompressors mit nur einer Schraube

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorverdichtung und Regulierung eines Schneckenschraubenkompressors mit nur einer Schraube.

Unter dem Begriff "Regulierung" wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß der Strömungsdurchsatz einen vorbestimmten Wert erhält, der zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit von den veränderlichen Bedürfnissen einstellbar ist, nicht aber eine endgültige Einstellung des Kompressors.

Bei solchen Kompressoren arbeitet die Schraube mit wenigstens einem Ritzel (meistens zwei) zusammen, um durch Zusammenwirkung der Gewindegänge mit dem Gehäuse" und den

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Zähnen des Ritzels, die damit in Eingriff sind, Kompressionskammern zu bilden, deren Volumen in dem Maße abnimmt, wie die Zähne in den Gewindegängen fortschreiten.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem Fall, wonach ein solcher Kompressor in einem Kühlkreislauf enthalten ist, um in einen Kondensator zu pumpen, in dem das Kühlmittelgas kondensiert. Das kondensierte Fluid sammelt sich in einem Sammler, läuft dann über ein Entspannungsventil und wird dann zu einem Verdampfer geführt, von wo es nach Verdampfung in Gasform zum Kompressor zurückkehrt.

Es ist bekannt, den Wirkungsgrad von Schneckenschraubenkompressoren zu verbessern, indem eine Entspannung des kondensierten Kühlmittels auf einem Zwischendruck vorgenommen wird, der zwischen dem Druck des Kondensators und demjenigen des Verdampfers liegt, indem das während dieser Entspannung gebildete Gas von der Flüssigkeit getrennt wird, die dem Verdampfer zugeführt wird, und indem dieses Gas in den Kompressor über eine oder mehrere Vorverdichtungsöffnungen eingespeist wird, die an dem Gehäuse an einer von der Ansaugöffnung isolierten Stelle angeordnet sind, jedoch am Anfang der Kompressionszone auf einem Druck zwischen dem Ansaugdruck und dem Ausstoßdruck des Kompressors liegen.

Auf diese Weise wird die von dem Kompressor geleistete Arbeit etwas erhöht, jedoch wird wesentlich stärker die Masse der von dem Kompressor umgewälzten Gase erhöht, wodurch dessen thermodynamischer Wirkungsgrad verbessert wird.

Der Vorteil einer solchen Ausbildung wird jedoch bei den Schraubenkompressoren durch die Art der üblicherweise zur Regulierung des Strömungs_durchsatzes verwendeten Reguliermittel begrenzt. Diese Reguliermittel enthalten nämlich zumeist Schieber, wie sie in der FR-PS 76 25 431 beschrieben sind und die verschoben werden, um den Kompressionsbeginn

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zu verzögern, wodurch die Vorverdichtungsöffnung mit Gewindegängen der Schraube in Verbindung gebracht wird, die noch mit der Ansaugöffnung in Verbindung sind. Wenn nicht die Vorverdichtungsöffnung mit dem Schieber mitbewegt wird, was umfangreich und kompliziert ist, ergibt sich, daß die Vorverdichtung nur in der Nähe der 100%-igen Ausnutzung des Kompressorvolumens möglich ist. Der Betrieb mit vermindertem Durchsatz ist jedoch häufiger erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das es gestattet, einen Schneckenschraubenkompressor mit Vorverdichtung zu betreiben und dabei die Möglichkeiten zur Regulierung seines Strömungsdurchsatzes in einem großen Bereich zu bewahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bestimmt zum Betrieb mit Vorverdichtung und zur Regulierung eines Schneckenschraubenkompressors mit einziger Schraube, die mit wenigstens zwei Ritzeln zusammenwirkt, um so viele Teilkompressoren zu bilden, wie Ritzel vorhanden sind; diese Teilkompressoren arbeiten parallel, und wenigstens einer von ihnen ist mit einer Strömungsdurchsatz-Reguliervorrichtung versehen. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverdichtungsströmung nur in einen der Teilkompressoren eingespeist wird und daß der Strömungsdurchsatz des Kompressors ausgehend von einem maximalen Durchsatz durch Reduzierung reguliert wird, indem vorrangig der Strömungsdurchsatz derjenigen Teilkompressoren reduziert wird, in die keine vorverdichtete Strömung eingeleitet wird.

Die Regulierung erfolgt somit in einem Gaskreislauf, der getrennt von demjenigen Kreislauf ist, in dem die Vorverdichtung erfolgt. Auf diese Weise sind diese beiden Vorgänge ohne gegenseitige Wechselwirkung. Wie ferner später im einzelnen dargelegt wird, hat diese unsymmetrische Maßnahme keine schäd-

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liehe Auswirkung auf den Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dann der Strömungsdurchsatz desjenigen Teils des Kompressors vermindert, in den die Einspeistung stattfindet, und zwar bis zu einer Zwischenstellung der Reguliervorrichtung dieses Teilkompressors, und die Einspeiseöffnung wird zur stromabwärts gelegenen Seite des Kompressors hin bis zu einer Stelle verlegt, wo diese öffnung bei der Zwischenstellung der Reguliervorrichtung nicht in Verbindung mit der Ansaugöffnung des Kompressors ist.

Auf diese Weise kann z.B. der Strömungsdurchsatz dieses Teilkompressors um die Hälfte vermindert werden. Wenn die durch den beschriebenen Vorgang erreichte 50%-ige Reduzierung berücksichtigt wird, so wird ersichtlich, daß der Strömungsdurchsatz auf 25% des maximalen Durchsatzes reduziert werden kann, und bei noch niedrigeren Werten werden die wirtschaftlichen Vorteile der Vorverdichtung vernachlässigbar.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich

aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kompressors zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, der in einen Kühlkreislauf eingeschaltet ist;

Fig. 2 ein Kompressionsdiagramm für die in diesem Kompressor erfolgende Komprimierung, das den Druck ρ in einem Gewindegang der Schraube in Abhängigkeit von dem Winkel θ angibt, um den die Schraube ausgehend von der Stellung verdreht wurde, in der dieser Gewindegang von der Ansaugöffnung getrennt wurde;

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Fig. 3 eine schematische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Kompressors für eine andere Ausführungsform des Verfahrens;

Fig. 4 eine abgewickelte Darstellung der Schraube des Kompressors mit einem Schieber-Reguliersystem; und

Fig. 5 und 6 besondere Stellungen des Schiebers.

Das in Fig. 1 gezeigte Kühlsystem enthält einen Kompressor 1 mit einer einzigen Schneckenschraube/ die mit zwei Ritzeln zusammenwirkt, gemäß der Beschreibung in den FR-PSen 1 331 und 1 586 832. Es kann davon ausgegangen werden, daß ein solcher Kompressor in Wirklichkeit aus zwei Teilkompressoren 1a und 1b gebildet ist, wovon jeder ein Ritzel enthält, das mit der Schraube in Eingriff ist.

Zwei Ausstoßöffnungen 2a, 2b sind mit einem Kondensator 3 über Rückschlagventile 4a, 4b verbunden, wobei dieser Kondensator in einen Behälter 5 für das verflüssigte Kühlmittel mündet. Dieser Behälter steht über ein erstes Flüssigkeits-Entspannventil 6 mit einem Zwischendruckbehälter 7 in Verbindung, der einen Schwimmer 8 enthält, welcher ein zweites Entspannventil. 9 steuert, welches das Fluid einem Verdampfer 11 zuführt. Dieser Verdampfer ist ferner mit den Ansaugöffnungen 12a, 12b der beiden Teilkompressoren 1a, 1b verbunden.

Der obere Bereich des Behälters 7 ist über eine Leitung 13 mit einer Vorverdichtungs- bzw. Aufladeöffnung 14 verbunden, die in dem Gehäuse des Kompressors 1 angebracht ist, und zwar in dem Teil, der dem Halbkompressor 1b entspricht, und an einer Stelle, die weiter unten genauer definiert wird.

Wenn der Kompressor mit vollem Strömungsdurchsatz arbeitet, kondensiert das von den beiden Teilkompressoren abgegebene

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komprimierte Gas in dem Kondensator 3, und die Flüssigkeit wird in dem Behälter 5 gesammelt. Von dort gelangt die Flüssigkeit in den Behälter.7 und wird teilweise durch Entspannung im Ventil 6 verdampft. Die durch das Entspannen abgekühlte Flüssigkeit wird dem Verdampfer 11 zugeführt, während das durch die teilweise Verdampfung entstandene Gas über die Leitung 13 der Vorverdichtungsöffnung 14 zugeführt wird.

Die Vorverdichtungsöffnung 14 ist an einer Stelle des Gehäuses angeordnet, die im Betrieb von der Einspeisestelle 12b durch einen Zahn des Ritzels des Teilkompressors 11d getrennt ist. Diese Stelle liegt vorzugsweise in der Nähe des Anfangs des Kompressionshubs dieses Zahnes. Da ein Punkt des Gehäuses einen Gewindegang während einer Drehung der Schraube um einen bestimmten Winkel "sieht", der bei einer Schraube mit sechs Gewindegängen die Größenordnung von 60° hat, ergibt sich, daß - wenn die Vorverdichtungsöffnung 14 an einer Stelle angeordnet werden soll, die stets durch einen Ritzelzahn von der Ansaugstelle getrennt sein soll, wo jedoch der Druck möglichst gering ist - die Mitte dieser Öffnung sich an einer Stelle 15 (Fig. 2) befinden muß, die einer Drehung der Schraube von etwa 30° ausgehend von der Stelle 16 entspricht, wo der Ritzelzahn den Gewindegang schließt.

Es ist zu bemerken, daß der vorstehend genannte Winkel von 60° verkleinert werden kann, wenn die betrachtete Stelle des Gehäuses sich in einem Bereich befindet, wo der Gewindescheitel eine größere Breite aufweist, denn dann überdeckt die Gewinderille einen geringeren Winkelabstand.

Wenn nun versucht wird, den Strömungsdurchsatz des Kompressors zu vermindern, indem die Kompression durch Anheben des Ritzels unterbunden wird (wie in der FR-PS 77 23 379 beschrieben ist) oder indem ein Teil des Gehäuses kontinuierlich verschoben

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wird (wie in der FR-PS 76 25 431 beschrieben ist), so führt dies dazu, daß der Schließpunkt 16 in Fig. 2 nach links verschoben wird, daß also die Vorverdichtungsöffnung 14 mit der Ansaugöffnung in Verbindung gebracht wird, wodurch die Vorverdichtung entfällt.

Bei dem üblichen Fall, wonach ein Kompressor verwendet wird, der ein Reguliersystem mit einer 100%-Regulierung aufweist, bei welchem das Ritzel an den beiden Teilkompressoren angehoben wird, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß der Kompressordurchsatz dadurch vermindert wird, daß vorrangig die Kompressionswirkung des Teilkompressors 1a unterbunden wird.

Auf diese Weise werden zwei Strömungsdurchsatzwerte erreicht, nämlich 100% und 50%, wobei für beide Werte die Vorverdichtung erhalten bleibt. Es kann auch der Wert 0% erhalten werden, indem noch das Ritzel des Teilkompressors 1b angehoben wird.

Es können Zwischenwerte erhalten werden, indem ein Loch in dem Gehäuse angebracht wird, und zwar in seinem Teil, der dem Teilkompressor 1a entspricht, und in dem das aus diesem Loch austretende Gaszur Ansaugöffnung geführt wird, z.B. derart, daß nur noch die Hälfte des Volumens der Gewindegänge komprimiert wird. Auf diese Weise verfügt man über einen Zwischenwert von 55%, wobei die Vorverdichtung weiterhin erhalten bleibt.

Es kann auch ein Wert von 25% erhalten werden, indem das Ritzel des Teilkompressors 1b angehoben wird und der Teilkompressor 1a auf seinem Zwischenwert arbeitet; dann geht jedoch der Vorteil der Vorverdichtung verloren.

Es wird nun der Fall betrachtet, wonach der Kompressor mit

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einem Reguliersystem nach der FR-PS 76 25 431 versehen ist. Zum erleichterten Verständnis wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 kurz das zugrunde liegende Prinzip erläutert.

In Fig. 4 ist in abgewickelter Darstellung die Gesamtheit der Schneckenschraube gezeigt, mit zwei Zonen 10Oa und 100b/ die dem Halbkompressor 1a bzw. 1b entsprechen, wobei zwei Ritzel 101a, 101b diese Zonen begrenzen und mit ihren Zähnen in die Gewindegänge der Schraube eingreifen. Im Normalbetrieb bewegen sich diese Gewindegänge in Richtung eines Pfeiles 102,

Das genannte Reguliersystem enthält zwei Schieber 103a, 103b, die in dem Gehäuse angeordnet sind und gestatten, je nach ihrer Stellung veränderliche Auslaßöffnungen 104a, 104b zu schaffen, die sich neben den festen Ausstoßöffnungen 105a, 105b befinden.

In Fig. 5 ist ein Schieber 103 in einer teilweise vorgeschobenen Stellung gezeigt, in der eine Öffnung 106 freigegeben ist, durch die das Gas am Kompresssionsbeginn zur Ansaugöffnung zurückkehrt, wobei die veränderliche Öffnung teilweise verschlossen ist.

In Fig. 6 ist der Schieber 103 vollständig vorgeschoben und der gesamte Gewindegang 108 ist dauernd mit der Ansaugöffnung verbunden, so daß keine Kompression mehr stattfindet.

In Fig. 4 ist die Vorverdichtungsöffnung 14 gezeigt, die in einen Gewindescheitel eingeschrieben ist und mit der Rille eines Gewindes 108 in Verbindung gelangt, wenn diese Rille von der Ansaugseite durch einen Ritzelzahn 109 in der oben beschriebenen Weise getrennt bzw. isoliert ist.

Wie zuvor bereits erwähnt wurde, ist es günstig, um den Wirkungsgrad zu verbessern, die Vorverdichtungsöffnung 14

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so anzuordnen, daß sie mit dem Gewindegang 108 in Verbindung gelangt, sobald dieser von dem Zahn 109 verschlossen wird. Sobald jedoch der Schieber 103 verschoben wird, gelangt der Gewindegang in Verbindung sowohl mit der öffnung 14 als auch mit dem Durchlaß 106, in dem der Ansaugdruck herrscht, wodurch die Vorverdichtung verhindert wird.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Kompressor, der mit einem Schieber-Reguliersystem versehen ist, besteht dieses Verfahren also darin, daß der Strömungsdurchsatz kontinuierlich reguliert wird, indem nur auf den Schieber eingewirkt wird, der zu dem Teilkompressor 1a gehört, welcher keine Vorverdichtungsöffnung aufweist, ohne die Stellung des Schiebers zu verändern, der zu dem Teilkompressor 1b gehört. Durch Ausnutzung des gesamten Verschiebungsweges des Schiebers kann auf diese Weise eine kontinuierliche Regulierung des Strömungsdurchsatzes zwischen 100% und 50% erreicht werden, wobei gleichzeitig die Vorteile der Vorverdichtung bewahrt werden.

Die Erfindung führt zu einem überraschenden Ergebnis. Dadurch, daß nur eine Vorverdichtungsöffnung anstelle von zweien verwendet wird, müßte nämlich normalerweise der Wirkungsgrad des Systems verschlechtert werden, denn indem in die Gewindegänge nur eines Teilkompressors die Vorverdichtungsströmung eingespeist wird, die normalerweise dazu bestimmt ist, in beide Teilkompressoren eingeleitet zu werden, wird der mittlere Druck in dem vorverdichteten Gewindegang angehoben, und folglich ebenso der Druck in dem Behälter 7.

Dadurch ergeben sich eine Temperaturerhöhung in diesem Behälter, eine Reduzierung der in die Vorverdichtungsöffnung eingeleiteten Gasmenge und eine Zunahme des dem Verdampfer nutzlos zugeführten Gases, das also vollständig

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von dem Kompressor wieder komprimiert werden muß, anstatt nur teilweise wieder komprimiert zu werden, wenn es durch die Vorverdichtungsöffnung eingeleitet wird.

Versuchsergebnisse zeigen jedoch, daß dieses Phänomen zwar auftritt, daß jedoch eine andere, und zwar günstige Erscheinung diese Verschlechterung bei weitem kompensiert.

Es wurde nämlich gefunden, daß bei Einleitung des Gases in die Gewindegänge mit Vorverdichtung die volumetrischen Leckverluste des Kompressors gesteigert werden, daß jedoch diese Leckverluste bedeutend niedriger sind, wenn derselbe Strömungsdurchsatz in nur einen Teilkompressor und nicht in beide Teilkompressoren eingeleitet wird.

Bei einem nur mit einer Schraube arbeitenden Kompressor mit 1600 1 Volumen, der mit 3000 ü/min arbeitet und ein Kältemittel "Frigorige'ne 22" von 3 bar auf 12 bar komprimiert, führt z.B. die Vorverdichtung mit zwei öffnungen von jeweils etwa 1,5 cm dazu, daß das Gas unter einem mittleren Druck von etwa 5,10 bar wieder eingespeist wird.

Daraus ergibt sich die Möglichkeit, über diese öffnungen in den Kompressor etwa 2O,4% des angesaugten Gases wieder einzuspeisen, und zwar auf Kosten einer Erhöhung der aufgenommenen Leistung von etwa 5% und bei einer Durchsatzreduzierung (in bezug auf den Durchsatz ohne Vor\erdichtung) von etwa 8%, so daß sich durch die Vorverdichtung ein Energienettogewinn von etwa 20,4% - 5% - 8% = 7,4% ergibt. Wenn die Einspeisung mit nur einer einzigen öffnung von 2 cm durchgeführt wird, steigt der mittlere Druck, der sich in dem vorverdichteten Gewindegang einstellt, auf 5,8 bar an, und der Prozentsatz des wiedereingespeisten Gases sinkt auf 18% ab; die Steigerung der verbrauchten Leistung bleibt ungefähr die gleiche mit einem Wert von 5%, die Verminderung

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des Durchsatzes beträgt jedoch nur 5%, wodurch sich ein durch die Vorverdichtung geschaffener Energiegewinn von 18% - 5% - 5% = 8% ergibt. Es ist also ersichtlich, daß der Wirkungsgrad im wesentlichen unverändert bleibt.

Es ist ferner möglich, die Vorteile der Vorverdichtung auf Betriebsleistungen von weniger als 50% auszudehnen, indem die Öffnung entweder kontinuierlich durch Anordnen auf einer Schiebebahn oder wie in Fig. 3 gezeigt, wobei eine zweite entsprechende Öffnung 17 vorgesehen ist, in dem Kompressionsdiagramm der Fig. 2 zu einem Punkt 18 verschoben wird, der von dem Punkt 16 weiter entfernt ist als der Punkt 15, so daß diese Öffnung 17 auf einem Teil des Verschiebungsweges des dem Teilkompressor 1b zugeordneten Schiebers von der Ansaugöffnung getrennt bzw. isoliert bleibt, z.B. also mit dem Gewindegang erst dann in Verbindung gelangt, wenn dessen Volumen nur noch die Hälfte seines Gesamtwertes beträgt.

Wenn der Strömungsdurchsatz unter 50% absinkt, wird ein Ventil 19 geschlossen, das der Öffnung 14 zugeordnet ist, und ein der Öffnung 17 zugeordnetes Ventil 20 wird geöffnet.

Diese Ausbildung gestattet es, den Vorteil der Vorverdich-

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tung bis zu einer Stelle auszudehnen, wo die Gewindegänge des Teilkompressors 1b zur Hälfte gefüllt sind, also bis zu einem Strömungsdurchsatz von 25%; bei niedrigeren Werten werden die wirtschaftlichen Vorteile der Vorverdichtung vernachlässigbar, weil der Kompressor normalerweise selten unterhalb dieses Wertes arbeitet.

Es ist zu beachten, daß die Abscheidung des den Zwischendruck aufweisenden Gases auch auf andere Weise erfolgen kann als mittels eines Behälters 7 mit einem Schwimmer, ohne den Erfindungsgedanken zu verändern, z.B. durch einen Zentrifugenabscheider oder - wie bei zweistufigen Vorrich-

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tungen üblich - durch Verdampfen eines Teils der Flüssigkeit auf dem Zwischendruck und Unterkühlung des Restes der kondensierten Flüssigkeit über einen Wärmetauscher.

Im Rahmen der Erfindung ist es ferner vorgesehen, anstelle von zwei Ritzeln und folglich zwei Teilkompressoren eine Anzahl von drei Teilkompressoren bzw. Ritzeln vorzusehen, mit einer oder zwei Vorverdichtungsöffnungen, die zwischen diesen drei Teilkompressoren verteilt sind; ebenfalls ist es vorgesehen, anstelle von Kompressoren mit zylindrischen Schrauben und ebenen Ritzeln, wie sie in der FR-PS 76 25 431 beschrieben sind, Kompressoren mit zylindrischen, konischen oder ebenen Schrauben mit ebenen oder zylindrischen Ritzeln zu verwenden, wie sie in den FR-PSen 1 331 998 und 1 586 832 beschrieben sind.

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Claims

Patentanwälte *3 Π ? ? R R 1

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dlpl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

OMPHALE S.A. 18. Juni 1980

33, rue Godefroy

92800 Puteaux, Frankreich

Unser Zeichen: 0 375

PATENTANS PRÜCHE

.) Verfahren zur Vorverdichtung und Regulierung eines Schneckenschraubenkompressors mit einer einzigen Schraube, die mit wenigstens zwei Ritzeln zusammenwirkt und ebenso viele Teilkompressoren bildet, wie Ritzel vorhanden sind, wobei diese Teilkompressoren parallel arbeiten und wenigstens einer von ihnen mit einer Vorrichtung zur Regulierung des Durchsatzes versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichtungsdurchsatz in nur einen der Teilkompressoren eingeführt wird und daß der Durchsatz des Kompressors ausgehend von dem Maximaldurchsatz durch Verminderung reguliert wird, indem vorrangig der Durchsatz derjenigen Teilkompressoren vermindert wird, in die keine Vorverdichtungsströmung eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend der Durchsatz desjenigen Teilkompressors vermindert wird, in den die Einführung erfolgt, und zwar bis zu einer Zwischenstellung der Reguliervorrichtung dieses Teilkompressors, und daß die Einführungsöffnung zu

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ORIGINAL INSPECTED

der stromabwärts gelegenen Seite des Kompressors hin bis zu einem Punkt verlegt wird, wo diese öffnung bei der Zwischenstellung der Reguliervorrichtung nicht in Verbindung mit der Ansaugöffnung des Kompressors ist.

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