DE2434873A1

DE2434873A1 - Rotationsschraubenverdichter mit optimal angeordneter stelle zur injektion eines fluessigen kuehlmittels

Info

Publication number: DE2434873A1
Application number: DE2434873A
Authority: DE
Inventors: Jun Harold William Moody; Donald Dean Schaefer
Original assignee: Dunham Bush Inc
Current assignee: Dunham Bush Inc
Priority date: 1974-01-14
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1975-07-17
Also published as: IT1014495B; BR7407762D0; US3885402A; GB1464996A; CA1001432A; ZA743672B; SE7407434L; JPS50102909A; SE404952B; AU6996074A; FR2257880A1; FR2257880B3

Description

25 536 t/wa

DUNHAM-BUSH, INC., WEST HARTFORD
CONN., / USA

Rotationsschraubenverdichter mit optimal
angeordneter Stelle zur Injektion eines flüssigen
Kühlmittels

Die Erfindung betrifft einen Rotationsschraubenverdichter
für ein Kühlsystem und insbesondere einen solchen Verdichter, bei dem ein flüssiges Kühlmittel in den Arbeitsraum
des Verdichters eingespritzt wird, um das gasförmige Kühlmittel-Arbeitsmedium während seiner Verdichtung zu kühlen.

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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der positivverdrängenden Rotationsschraubenverdichter der Ölinjektions- oder Trockenbauart, wobei die Injektionsstelle für das flüssige Kühlmittel optimal angeordnet ist. Schraubenverdichter der zur Rede stehenden Art, zum Verdichten eines elastischen Arbeitsmediums weisen im allgemeinen ein Gehäuse mit einem Arbeitsraum auf, der durch zwei parallele und sich durchdringende Bohrungen gebildet ist. An einem Ende des Arbeitsraumes befindet sich eine Niederdruck- oder Saugöffnung und am anderen Ende eine Hochdruck- oder Auslassöffnung·.

In den beiden Bohrungen sind drehbar zwei miteinander kämmende Schraubenrotoren angeordnet und ferner kann, wenn erwünscht, ein gleitbares Entlastungsventil einen Teil der Wandung des Arbeitsraums bilden. Die axiale Stellung des Entlastungsventils bestimmt die Kapazität der Maschine.

Um dieVerwendung von Steuerzahnrädern zur Synchronisation der Rotoren zu umgehen, wurde schon eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, in den Verdichter eingespritzt. Dieses Öl dient als Abdichtung des freien Raumes zwischen den Rotoren und zwischen den Rotoren und dem Gehäuse, wodurch eine Gasrückströmung verringert wird, und um gleichzeitig das zu verdichtende Arbeitsmedium zu kühlen.

Bei Rotationsschraubenverdichtern, die Teil eines Kühl- oder Klimatisierungssystems bilden und bei denen das Arbeitsmedium ein typisches Kühlmittel darstellt, wurde weiter schon vorgeschlagen, das Kühlmittel in flüssiger Form in die Arbeitskammer des Verdichters zum Zwecke der Kühlung einzuspritzen.

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_ ο

Hierzu wird das unter hohem Druck stehende flüssige Kühlmittel vom Kondensor'im Kühlkreislauf abgezweigt, wobei dies im wesentlichen bei Verdichterauslassdruck steht. Eine gesteuerte Injektion eines flüssigen Kühlmittels in der erwähn-, ten Weise ist in der -deutschen Patentanmeldung P 23 43 33 beschrieben.

Die Kühlung des Verdichters mittels Injektion der Kühlflüssigkeit bedingt, dass man auf die gewöhnlichen Ölkühler verzichten kann. Die Abführung der Ölkühlerwärme stellt nämlich gewöhn-" lieh einen nicht unwesentlichen Prozentsatz der gesamten Wärmeabfuhr aufgrund der Menge an zirkulierendem öl dar. Mit der Kühlmittelinjektion lässt sich also ein Ölkühler sowie die damit verbundenen Leitungs- und Steuermittel umgehen.

Die Festlegung der Stelle innerhalb des Verdichtungszyklus bei der das flüssige Kühlmittel der Arbeitskammer des Verdichters zugeführt wird, ist deshalb ausserordentlich schwierig, da sich die Belastung des Verdichters ändert. Insbeson^ dere stellt dies ein Problem in Fällen dar, wo der Schraubenverdichter nicht mit einem konstanten Verdichtungsverhältnis arbeitet. Bildet der Schraubenverdichter einen Bestandteil des Kühl- oder Klima.tisierungssystems und ändern sich die Belastungen des Systems, so ändert sich das Betriebsverdichtungsverhältnis mit einer Änderung des Saugdrucks, wodurch auch der Verdichterauslassdruck geändert wird.

Ziel der Erfindung ist es daher, einen Rotationsschraubenverdichter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung dergestalt zu verbessern, dass die Stelle, bei der das flüssige Kühlmittel in die Arbeitskammer injiziert wird,

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optimal an die sich ändernden Systembetriebsparameter angepasst ist.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch gelöst, dass die Injektionsöffnung für das flüssige Kühlmittel an einer Stelle re~ lativ zu einer bestimmten Arbeitskammer*angeordnet ist, die durch den momentanen Druckzusammenhang zwischen dem abgezweigten flüssigen Kühlmittel und dem Druck des Verdichterarbeitsmediums während der Verdichtung in der Kammer bestimmt ist, so dass die Kühlung des Arbeitsmediums während der Verdichtung durch kontinuierliche Injektion des abgezweigten flüssigen Kühlmittels an der Stelle unabhängig von einer Über- oder Unterverdichtung des Arbeitsmediums und ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Verdichterleistung gewährleistet ist.

Zur Bestimmung der optimalen Injektionsstelle wird verfahrensmässig so vorgegangen, dass man das minimale eingebaute Volumenverhältnis des Verdichters bestimmt, festlegt innerhalb welcher Bohrung die Injektion stattfinden soll,'das minimale und das maximale Betriebsverdichtungsverhältnis des Verdichters bestimmt, die ermittelten Parameter mit. dem Druck-Umhüllungswinkel-Diagramm für den Rotor der gewählten Bohrung in Beziehung bringt und aus dem Diagramm eine geeignete Stelle für die Injektionsöffnung in bezug auf den Umhüllungswinkel vom Saugeinlass des Schraubenrotors für die gewählte Bohrung ermittelt, wodurch sich eine kontinuierliche Injektion des flüssigen Kühlmittels in den Arbeitsraum unabhängig von einer Unter- oder Überverdichtung des Arbeitsmediums innerhalb der durch die ermittelten Parameter festgelegten Grenzen ergibt, ohne dass dabei wesentlich die Verdichterleistung beeinflusst wird.

des Verdichters

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene, teilweise schematische Ansicht eines Rotationswendelschraubenverdichters mit dem Kühlmittel-Injektionssystem nach der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Ansicht der miteinander kämmenden Positiv- und Negativ-Schraubenrotoren des Verdichters nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm über den Druckverlauf beim Schraubenverdichter nach Fig. 1 und eine zweidimensionale Darstellung der Volumenänderung des verdichteten Arbeitsmediums von der Saug- zur Auslasseite hin;

Fig. 4a ein PV-Diagramm für den Verdichter nach Fig. 1 unter idealen Bedingungen;

Fig. 4b ein PV-Diagramm für den Verdichter nach Fig. 1 bei ■ Überverdichtung;

Fig. 4c ein PV-Diagramm für den Verdichter nach Fig. 1 bei ünterverdichtung;

Fig. 5 eine einlasseitige Stirnansicht der miteinander kämmenden Schraubenrotoren mit Darstellung der Bildung einer geschlossenen Tasche;

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Fig. 6 eine auslasseitige Stirnansicht des Verdichters nach Fig. 1 mit Darstellung des winkelmässigen Zusammenhangs zwischen den Schraubenrotoren und einer der Kammern, die gegenüber der Saug- und Auslasseite des Verdichters abgedichtet ist;

Fig. 7 ein Druck-Umhüllungswinkel-Diagramm für den Positivrotor in der auslasseitigen Stirnebene des Verdichters nach Fig. 1;

Fig. 8 ein Druck-Umhüllungswinkel-Diagramm für den Negativrotor in der auslasseitigen Stirnebene des Verdichters nach Fig. 1

Zum vollständigen Verständnis der Parameter, die mit der Bestimmung der optimalen Injektionsstelle für ein flüssiges Kühlmittel in einem Schraubenverdichter in Betracht zu ziehen sind, ist ein visuelles Verständnis der Art und Weise notwendig, wie sich das Volumen der zwischen den Schraubenwendeln und dem Gehäuse gebildeten Gaskammern ändert. Der Rotationswendelschraubenverdichter stellt einen zwangsverdrängenden Kompressor, ähnlich den Kolbenverdichtern dar, bei denen sich ein Kolben in einem Zylinder hin- und herbewegt und die Gastasche am Ende des Saughubes eine maximale Grosse hat. Dagegen weist die Kammer bei solchen Kolbenverdichtern ihr geringstes Volumen dann auf, wenn der Kolben beim Verdichtungshub seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Eine derartige Volumenänderung kann man sich leicht bildhaft vorstellen. Bei typischen Rotationsgleitflügelverdichtern ist der Rotor ferner exzentrisch in einem zylindrischen Gehäus'e angeordnet, in dem er sich dreht. Die Gleitflügel sind radial im Rotor bewegbar,

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wobei zwischen dem Gehäuse und dem Rotor und einer betreff fenden Flügelpaarung eine Kammer definiert wird. Die Kammer ist an der Saugseite der Maschine gross und verkleinert sich nach Drehung um etwa 180° zur Auslassöffnung hin erheblich. Bildhaft lässt sich die Volumenänderung einer solchen Kammer, d.h. ihre Verkleinerung von der Saug~ zur Auslasseite hin ohne weiteres zweidimensional durch einen einfachen Schnitt unter einem rechten Winkel zur Drehachse des Rotors ebenfalls leicht veranschaulichen.

Obschon Schraubenverdichter weniger bewegliche Teile besitzen und auf einem ziemlich einfachen Prinzip beruhen, lässt sich die Volumenänderung der einzelnen Gaskammern hierbei nicht mehr in einer einfachen zweidimensionalen Darstellung veranschaulichen, da die Gaskammern durch die Schraubenwendeln und das Gehäuse bestimmt sind. Vielmehr ist hier auch die dritte Dimension^zu berücksichtigen.

Fig. 1 zeigt in zweidimensionaler und teilweise schematischer Form einen typischen Schraubenverdichter im Querschnitt. Bildhaft gesagt, bewegt sich die Verdichtung .des in Gasform befindlichen Arbeitsmediums von der Niederdrucksaug- oder Einlasseite des Verdichters zu dessen Hochdruck— oder- Auslass^· seite. Zu diesem Zweck umfasst der allgemein mit 10 bezeichnete Verdichter ein dreiteiliges Gehäuse mit den Teilen 12, 14 und 16, wobei das Gehäuseteil 12 die Saugseite der Maschine bildet und mit einer Einlasspassage 18 versehen ist.' Am Gehäuseteil 12 schliesst sich das mittlere Gehäuseteil 14 an, in dem die beiden miteinander kämmenden Wendelschraubenrotoren aufgenommen sind; in der Figur ist nur ein Rotor in Blockform bei 20 gezeigt. Das Gehäuseteil 14 bildet daher

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den Arbeitsraum in Form von zwei sich durchdringenden Bohrungen, wobei die Bohrung 22 den Rotor 20 enthält und 'die Saugpassage 18 in eine Niederdrucksaugöffnung an der endseitigen Ebene 24 mündet.Das Saugvolumen ist schematisch in Rechteckform bei 26 durch die Linien 28, 29, 31 und 32 angedeutet. Eine kombinierte axiale und radiale Hochdruckauslassoff nung 3 4 an den gegenüberliegenden Enden der Rotoren öffnet sich in eine Auslasspassage 36, die den wesentlichen Bereich des Gehäuseteils 16 einnimmt. Jeder Rotor, wie beispielsweise der Rotor 20, ist drehbar durch Lager 38 und 40 gehalten. Die Lager 38 und 40 nehmen die vorstehenden Enden der betreffenden Wellen 42 in den Gehäuseteilen 12 bzw. 16 auf. Im vorliegenden Fall wird der Rotor 20 zwangsmässig durch eine Antriebswelle 44 angetrieben, die ein integrales Bestandteil des Rotors bilden kann und mit einer nicht gezeigten Antriebsmaschine gekoppelt ißt. Für die Erfindung pertinent, obschon bei Rotationsschraubenverdichtern üblich, ist ein allgemein mit 46 bezeichnetes Entlastungsventil, das hin- und herbeweglich in einer Bohrung 48 des mittleren Gehäuseteils 14 angeordnet ist. Das Ventil 46 bildet einen Teil des Arbeitsraumes, der ansonsten durch die Bohrungen, wie beispielsweise die Gehäusebohrungen, und die Rotoren selbst, definiert ist. Im vorliegenden Fall ist das Entlastungsventil 46 an seinem Auslassende mit einer Zinnenförmigen oder ausgesparten Vorderkante 4 9 versehen, die den radialen Auslassabschnitt der Auslassöffnung 34 des Verdichters bildet. Das Entlastungsventil 46 hat eine solche axiale Länge und arbeitet mit einem stationären als fester Anschlag für das Ventil 46 wirkenden Wandbereich 50 des Gehäuseteils 14 dergestalt zusammen, dass eine Bypass- oder Entlastungsöffnung 52 entsteht, die unmittelbar zur Saug-

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oder Einlasspassage 18 führt. Eine Welle 54 verbindet das Ventil 46 mit einem Kolben 56, der hin- und herbewegbar in einem Zylinder 58 angeordnet ist. Der Zylinder,58 ist am Gehäuseteil 12 befestigt, wobei der Kolben 56 zwischen der voll ausgezogenen und der gestrichelten Stellung durch die gesteuerte, nicht gezeigte Zufuhr eines Druckmediums,'. wie beispielsweise eines aus dem Schmiersystem des Verdichters abgezweigten Schmieröls, bewegt werden kann, um auf diese Weise das Entlastungsventil zwischen der Last- und Entlastungsstellung entsprechend dem Lastbedarf des Kühlsystems zu verschieben.

Fig. 1 zeigt in zweidimensionalef Form die schematische Volumenänderung der Gaskammern, die zwischen den Wendeln der Rotoren und dem Gehäuse gebildet werden. Am besten lässt sich dies vielleicht aus Fig. 2 entnehmen, die die beträchtliche Änderung des Gasvolumens vom linksseitigen oberen Ende der Rotoren zum Auslass am rechten unteren Ende der Rotoren zeigt. Dabei sind sowohl der positive Rotor 20 (male rotor) als auch der negative Rotor 21 (female rotor) als sich durchdringende Zylinder gestrichelt dargestellt, wobei die sich durchdringenden Zylinder kennzeichnend für die ineinandergreifenden Vorsprünge und Einbuchtungen an den betreffenden Rotoren sind. Bei der schematischen perspektivischen Darstellung nach Fig. 2 ist das Entlastungsventil 4 6 in der in Fig. 1 gezeigten Vollaststellung eingezeichnet. Unmittelbar rechts vom ■ Entlastungsventil 46 ist das Volumen des verdichteten Gases, das sich.sowohl axial als auch radial zur Auslasspassage öffnet, mit 60 angedeutet. Es nimmt aufgrund der Konfiguration der Rotoren am Auslassende eine unregelmässige Gestalt an.

Bei der zweidimensionalen Abbildung nach Fig. 1 bilden die

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miteinander kämmenden Rotoren einzelne Gaskammern oder Taschen, die durch vertikale Dichtlinien, z.B. die Linie 62, voneinander getrennt sind. Die Kammern sind mit römischen Ziffern I, II, III, IV, V, VI und VII bezeichnet; die Kammern I, II und III sind zur Saugseite offen, wobei die •vertikale Dichtlinie 62' die saugseitige Absperrung darstellt, d.h. diese Linie schneidet die Linien 30 und 3 2 an der Stelle 64, die derselben Stelle 64 nach Fig. 2 entspricht, und bei der keine der rechtsseitigen Gaskammern zur Saugseite hin offen ist. Die Verdichtung erfolgt in Abstromrichtung, d.h. rechts von der Absperrstelle 64 und der Dichtlinie 62'. Bei der schematischen Darstellung erfolgt die Verdichtung innerhalb der Gaskammern IV, V und VI, wobei sich die Gaskammer VII zum Auslass hin öffnet. Die Reihenfolge von Ansaugen, Verdichten und Ausstossen ist in Längsrichtung durch die Pfeile S, C bzw. D in beiden Fig. 1 und 2 angedeutet. Was das Entlastungsventil 46 betrifft, so verbleibt diese Reihenfolge wie dargestellt _r wenn das Ventil nicht vorhanden ist. Bei Verschieben des Entlastungsventils 46 von der ausgezogenen Vollaststellung weg, wo es gegen den Gehäusebereich 50 gemäss Fig. 1 stösst, wird ein gewisser Teil des normalerweise am Verdichtungsvorgang beteiligten Gases zurück zur Saugseite der Maschine über der UmgehungsÖffnung 52 und die Bohrung 48 geführt, und gelangt damit in die Saugpassage Dies verringert die Menge an verdichtetem Gas, wie es schematisch in Fig. 1 durch die Stellung des linken Endes 66 des Entlastungsventils 46 relativ zur Diagonalen 30 angedeutet ist, die die Änderung des Volumens der Kammern IV, V, VI und VII während der Verdichtung darstellt. Wie den weiteren Fig. zu entnehmen ist, werden die Grosse oder das Volumen der Gaskammern IV bis VII verringert und dadurch

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eine Verdichtung des darin enthaltenen Gases erzielt, wenn sich die Kammern nacheinander von der Saug- zur Auslasszone bewegen. Dabei tritt anstelle der Kammer I eine neue, sobald .erstere zur Stellung II infolge der Drehung der Rotoren in der in Fig. 2 gezeigten Weise gelangt, was eine Folge des direkten Kämmens der schraubenlinienförmig verlaufenden Erhebungen der betreffenden Rotoren ist.

Aus Fig. 1 und 2 geht weiter hervor, dass die positiven und negativen Rotoren, wenn sie innerhalb eines Gehäuses mit festen Saug- und Auslassöffnungen 24 und 60 eingesetzt sind, Gaspassagen und Gaskammern zwischen ihren Wendeln und dem Gehäuse bilden,und so das Sauggas aufnehmen. Dieses wird dann aufgrund der Volumenverringerung der Gaskammern verdichtet, da sich die miteinander in Eingriff stehenden und zusammenpassenden Rotoren synchron drehen und eine Gaspumpungs- und Verdichtungswirkung erzeugen. Dabei wird -das Kühlmittelgas von der Saug- zur Auslasseite an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses bewegt. Aufgrund der komplexen Verhältnisse ist.es schwierig, die Dichtlinien und die Förderbewegung innerhalb des Verdichtergehäuses zu definieren. Dies aber behindert ebenfalls Versuche, den engen Bereich der optimalen Lage der Injektionsöffnung für das flüssige Kühlmittel zu definieren, was Ziel der vorliegenden Erfindung ist.

Eine durch die miteinander kämmenden positiven und negativen Rotoren und das Gehäuseteil 14 geschaffene Gaskammer ist deutlicher in den Fig. 5 und 6 abgebildet. Der positive Rotor dreht sich mit einer Geschwindigkeit, die 1 1/2 mal so gross wie die des negativen Rotors ist. Eine horizontale

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Mittellinie erstreckt sich durch die Achsen von beiden Rotoren, vgl. Fig. 5, und schneidet die Berührungsstelle zwischen dem Vorsprung 1 des positiven Rotors 20 und'einem Punkt zv/ischen den Vorsprüngen 1 und 2 des mit sechs Vor- - Sprüngen versehenen negativen Rotors 21, bei Betrachtung vom Saug- oder Einlassende aus. Die dadurch gebildeten Gaskammern umgeben den negativen Rotor 21 in Richtung auf die Auslasseite der Maschine in einem Winkel O^1 von 200°, und in entsprechender Weise nimmt der Kammerbereich des positiven Rotors 20 einen Winkel φ 2 von 300° jeweils um die Rotorachsen ein, wie dies in der das Auslassende betreffenden Darstellung nach Fig. 6 angedeutet ist.

Der in den Figuren dargestellte Schraubenverdichter weist ein festes eingebautes Volumenverhältnis von V. = V_c

auf, wobei V_c das Volumen an der Saugseite und V_n das VoIu-

ü L)

men an der Auslasseite ist. Das Druckverhältnis P. des Verdichters ist in diesem Fall gleich V. , wobei k ein Faktor für die spezifische Wärme des zu verdichtenden Mediums darstellt. Beim Arbeitsmedium für den Verdichter kann es sich um Kühlmittel, wie beispielsweise R22 mit k = 1), 15 oder Ammoniak (NH₃) mit k = 1,29 handeln.

Wie deutlicher aus Fig. 4a, 4b und 4c hervorgeht, bei denen

P. = —ρ— ist, stimmt das Systemverdichtungsverhältnxs C/R ¹S

unter idealen Bedingungen mit dem Verdichtungsdruckverhältnis überein, d.h.

^PD
P. = —5— = G/R, vgl. Fig. 4a.

^x ■ S

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In Fig. 4b ist eine Situation dargestellt, bei der eine Überverdichtung vorliegt, und das Verdichterdruckverhältnis P^ grosser als das Systemverdichtungsverhältnis C/R = P /P ist. Die Überverdichtung und der dadurch bedingte Arbeitsverlust ist grafisch durch den schraffierten Bereich im PV-Diagramm angedeutet. Ein Öffnen einer bestimmten Kammer im Verdichter zum Auslassende hin führt dazu, dass der Druck innerhalb der Kammer auf den wesentlich geringeren Auslassdruck abfällt.

In Fig. 4c sind die Auswirkungen einer Unterverdichtung dargestellt, bei der

P
P. kleiner als —=— =.C/R wird. Der schraffierte Bereich

¹ s

zeigt den Arbeitsverlust aufgrund Unterverdichtung an, wobei der Auslass das Arbeitsmedium im Verdichter an einer Stelle weiter verdichten muss, bei der sich die Kammer zum Auslassdruck P₀ hin öffnet.

Die Auswirkung von Unterverdichtung und Überverdichtung bezüglich der Injektionsstelle lässt sich am besten anhand von Fig. 3 erkennen, in der in-einem gemeinsamen Diagramm der " Druck längs des Verdichters von der Saug- zur Auslassseite und schematisch die Volumenänderung von der Saug- zur Auslasseite des Verdichters dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt weiter die Über- und Unterverdichtung durch die gestrichelten Linien P^ bzw. P^,.

Eine Überverdichtung entsteht, wenn der Saugdruck von P * auf P_q2 ansteigt. Dann beträgt der intern aufgrund des

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eingebauten P. erreichte Auslassdruck in der Kammer VI P „, wenn sie sich zur Auslassöffnung 34 öffnet, da der eingebaute Druck

^PD2

P₁- = ~ü ist. Demzufolge ist Δ = P - ρ , was eine

F_s2 P OZ Di

Expansion des Gases zum Austragende und einen Abfall bedingt, der durch den Abfall der Kurve P₂ auf den Verteilerdruck P angedeutet ist.

Eine Unterverdichtung entsteht, wenn der Saugdruck von P₁

auf P-, abfällt, wobei dann aufgrund des festen P: = -^

^{SJ x P}S3

der an der Auslassöffnung' 34 anstehende Auslassdruck gleich P_n-. wird. Da der Verteilerdruck höher ist; wird A _p = P^₁-P_n-. und damit durch den Rückstrom weiter verdichtet. Die Auswirkung von Überverdichtung als auch Unterverdichtung und der durch das Entlastungsventil geschaffenen Einschränkung auf die optimale Flüssigkeitsinjektionszone lässt sich aus Fig. 3 entnehmen. Die Injektionszone oder das Injektionsfenster für das flüssige Kühlmittel ist die Zone zwischen den beiden vertikalen Pfeilen I₁ und ~L~r wobei die Pfeile einer zweidimensionalen schematischen Darstellung der Verdichtung des Arbeitsmediums im oberen Teil der Fig. 3 überlagert sind, während die Druckkurven für das Arbeitsmedium im unteren Teil der Fig. wiedergegeben sind. Die teilweise durch den Pfeil I₁ definierte Injektionszone für das flüssige Kühlmittel liegt rechts von der Saug-Dichtlinie 62 für die der Vordersp-itze zugewandten Gaskammer IV, etwa eine Dichtlinie entfernt von der Saug-Absperrlinie 62■.

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Obschon die Injektionszone innerhalb des Verdichtungsbereichs C des Verdichters, nach Fig. 3, liegt und die Kammer IV vor der hinteren Spitze eine Position einnimmt, wo sie gegenüber der Saugseite abgeschlossen wird, könnte eine Injektion des flüssigen Kühlmittels vor der Absperrung erfolgen, da aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit der Rotoren es die Kinetik der Maschine beim Einspritzen der Flüssigkeit in die Kammer erfordert, dass die Kammer unmittelbar danach gegenüber der Saugseite abgedichtet wird, wobei das Gas in der Kammer sich zu verdichten beginnt, wenn sich die Kammer zu der Stelle bewegt, wo sie sich zur Auslasseite der Maschine hin öffnet. In ähnlicher Weise deutet der vertikale Pfeil I„ die andere mögliche Grenze hinsichtlich der winkelmässigen Stellung der Injektionsöffnung für das flüssige Kühlmittel an der Maschine an, d.h. die Injektion hätte etwa vor der Stelle aufzuhören, bei der sich die Kammer zur Auslasseite öffnet. Stimmt das eingebaute Verhältnis P. mit dem Betriebsdruckverhältnis C/R überein, kann die theoretisch maximale, durch die vertikalen Pfeile I₁ und I₂ definierte Zone zutreffen. Bei Überverdichtung verschmal-ert sich diese Zone jedoch, da der Druck des flüssigen Kühlmittels, der durch den Verdichterauslassdruck definiert ist, etwa gleich ^PDM ^^st' wobei P™ den Auslassverteilerdruck darstellt (der Auslassverteilerdruck ist im allgemeinen dem Kühlsystemkondensordruck gleich, von dem das flüssige Kühlmittel zur Injektion zugeführt wird). Der Kühlmitteldruck muss weiter höher als P_n- sein, wobei P_n- im'Druckschrieb nach Fig. 3 den'Drück innerhaH) der Kammer zur Zeit der Flüssigkeitsinjektion bei Überv'erdichtung dar stellt,'''aufgrund des gegenüber dem theoretischen Saugdruck P .. höheren Saugdrucks P- vorliegt. Unter der Annahme, dass die Injektion am Hochdruckende der

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Injektionszone erfolgt, wo der Druck des Arbeitsmediums aufgrund der Überverdichtung den Wert P₁ erreicht hat, findet keine Injektion statt, wenn P₀₁ grosser als P' wird. Die Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Kühlmittelflusses ist jedoch für eine ausreichende Kühlung und für den Betrieb der Maschine unbedingt erforderlich. Die Injektion des flüssigen Kühlmittels 'ist allerdings Druckvarianten infolge des inneren Gasdrucks an der Injektionsstelle unterworfen, und dies bedingt eine Änderung des Kühlmittelflusses. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann ein Abfall im Saugdruck vorliegen, der zu einer Unterverdichtung führt, die wiederum eine Rückflussverdichtung auf P _M erforderlich macht.

Aus der zuvorgehenden Beschreibung folgt, dass für die Bestimmung der optimalen Injektionsstellung bei verschiedenen eingebauten Betriebsverdichtungsverhältnissen für den Schraubenverdicher zahlreiche Faktoren massgebend sind. Demzufolge müssen sich verschiedene Untersuchungen anschliessen. Zunächst muss festgestellt werden, welches minimale eingebaute Verhältnis entweder in bezug auf die axiale oder radiale Verdichtung für den speziellen Verdichter in Frage kommt. Wenn beispielsweise V-. raflial = 3,0 und V. axial = 3,3 ist, so beträgt das minimale V. = 3,0_f so dass dieser Wert für die weiteren Berechnungen massgebend ist.

Dann ist im 2. Schritt festzustellen, in welche Rotorbohrung die Flüssigkeit eingespritzt werden soll.

Die Einspritzung kann radial "in eine ausgewählte Rotorbohrung oder axial in eine endseitige Fläche erfolgen.

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Im nächsten Schritt sind das maximale und minimale Verdichtungsverhältnis, die durch das flüssige Kühlmittel oder ein anderes Arbeitsmedium bestimmt sind, und andere Paramter betreffs des Drucks und der Temperatur des Arbeitsmediums sowohl an der Einlass- oder Saugseite als auch Auslasseite der Maschine zu bestimmen.Wenn beispielsweise R22 als Arbeitsmedium verwendet wird, beträgt das minimale Verdichtungsverhältnis 2,7 auf der Basis eines Minimus von 4,4°C gesättigtem Ansaugen und 4O,6°C gesättigtem Auslassen, während für dasselbe Kühlmittel bei -6,8°C gesättigtem Ansaugen und 63°C gesättigtem Auslassen das Verdichtungsverhältnis C/R ein Maximum von 6,5 annimmt.

Nachfolgend wird auf die Druckkurven nach Fig. 7 und 8 für einen bestimmten Verdichter und ein bestimmtes Arbeitsmedium Bezug genommen. Je nach dem, ob die Injektion in der Bohrung des positiven Rotors oder in der Bohrung des negativen Rotors erfolgt, besteht der nächste Schritt darin, horizontale Linien in der betreffenden Druckkurve an folgenden Stellen einzutragen:

bei C/R Max ■ = maximales Verdichtungs

verhältnis

V. = minimales eingebautes

^x Verhältnis

C/R Min ^; = minimales Verdichtungsverhältnis

Mit diesen Parametern ist nachfolgend der Winkel abzugreifen, bei dem die Injektion stattfinden soll. Die Injektion soll nicht bei einem Winkel stattfinden, bei dem die Injektionsöffnung dem minimalen eingebauten Druckverhältnis des

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Verdichters ausgesetzt ist. Unter der Annahme, dass zur Injektion die negative Bohrung ausgewählt wurde und ein minimales eingebautes Verhältnis V. von 3,0 vorliegt, sollte die Injektion niemals bei einem Winkel von mehr als 286° stattfinden.

Übersteigt der Injektionswinkel 28 6° erfolgt keine Injektion mehr, da bei 286° infolge der Verdichtung ein Druck des Arbeitsmediums vorliegt, der grosser als der Druck des zu injizierenden flüssigen Kühlmittels ist.

Findet die Injektion andererseits zwischen 226° und 286° statt, so ist die Injektion intermittierend, und ein umgekehrter Injektionsfluss kann auftreten, wenn der Verdichter nahe seinem niedrigsten, von der Auslegung her festgelegten Verdichtungsverhältnis 2,7 gemäss Schritt 3 arbeitet. Dadurch kann sowohl das Modulationsventil für die Injektion beschädigt werden, als auch eine Beschränkung des Injektionsflusses der Flüssigkeit eintreten. Unter 210 jedoch ist eine Injektion gewährleistet, da der Druck des flüssigen Kühlmittels der das flüssige Kühlmittel betreffenden Leitung weit oberhalb des Drucks in der speziellen Kammer liegt, in die die Injektion erfolgt.

Aufgrund dieser Überlegungen bildet das untere Ende des Überverdichtungsbereiches (210° bis 226°) das Injektionsfenster oder die Zone für die Injektion des flüssigen Kühlmittels in die Bohrung des negativen Rotors.

Nimmt man eine Injektionsstelle bei einem Injektionswinkel von 215°, so liegt die Stelle oberhalb des äussersten

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Minimums, d.h. dies verhindert eine Injektion in eine Kammer, die zur Saugseite der Maschine hin offen ist. Da weiter die Injektion bei niedrigen Verdichtungsverhältnissen keine absolute Notwendigkeit darstellt, würde auch ein intermittierender Fluss bei Betrieb mit niedrigen Verdichtungsverhältnissen möglicherweise ausreichen. Erfolgt die Injektion bei einem Winkel zwischen 226° und 286 ist die Injektion intermittierend, d.h. sie findet nur während eines Teils der Drehbewegung statt, während bei weiterer Drehbewegung der Druck in der Kammer den in der Abzapfleitung (bleed line) übersteigt, so dass sich der Fluss des flüssi- gen Kühlmittels in der Injektionsleitung umkehrt und der Nettofluss minimal wird. Eine Flussumkehr in der Injektionsleitung kann auch dann auftreten, wenn der Verdichter nahe bei seinem geringsten,von der Auslegung her bestimmten Verdichtungsverhältnis, d.h. bei 2,7, arbeitet. Es muss darauf .hingewiesen werden, dass mit zunehmender Annäherung der Flüssigkeitsinjektion an den Kammerdruck ein umso grösserer Anteil an expandiertem Kühlmittel sich einen Weg zurück' zur Saugseite suchtund den volumetrischen Wirkungsgrad des Verdichters verringert. Je näher die Injektion zum Einlass hin erfolgt, umso grosser wird die Beeinträchtigung des Maschinenbetriebs, so dass innerhalb des Injektionsfensters von 210° bis 226° ein Kompromiss vorliegen muss. ·

Arbeitet die Maschine jedoch bei einem niedrigen Verdichtungsverhältnis, beispielsweise beim minimalen Verhältnis von 2,7, reicht offensichtlich ein intermittierender Fluss bei niedrigen Verdichtungsverhältnissen für eine ausreichende Kühlung der Maschine aus. Im Bereich von 210° bis 286° stellt der Sättigungsdruck, bei dem es sich um den Kondensor-

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oder Empfängerdruck handelt_r einen annehmbaren Druckwert über dem Druck in der Injektionsöffnung dar. Der messbare Druck in der Injektionsöffnung" entspricht annähernd'dem minimalen theoretischen Druck in der Injektionsöffnung, wie er durch die Verdichterparameter plus einem Drittel der Differenzen zwischen dem minimalen und maximalen Druck aus dem Schrieb nach Fig. 8 bestimmt ist; das verfügbare Al? stellt den Auslassdruck minus dem Druck in der Injektionsöffnung dar. Diese Angaben treffen unter der Annahme zu, dass in der Auslassleitung, der Injektionsleitung und dem TX Ventil keine Druckverluste vorliegen.

Zum Beispiel: A P an der Injektionsöffnung würde bei einem minimalen Verdichtungsverhältnis für R22 bei 4,4°C/4O,6°C 4,15 kp/cm² und bei -6,8°C/63°C 18,15 kp/cm² betragen. Die Bestimmung von Δ P erfolgt so: Der Injektionsdruck für das flüssige Kühlmittel muss einen annehmbaren Wert über dem Druck an der Injektionsöffnung haben, damit eine fortlaufende Injektion gewährleistet ist. Der gemessene Öffnungsdruck P folgt der Beziehung (P min. + P max - P min ) wobei dann

Δ P (für die zu befördernde Flüssigkeit) (P _ P) ist. Zum Beispiel:

P₁ = P _{min (}, ₌ -,,5P₅₊ (³.S)

= 1,5 P_s + .5 P_s = 2,0 Pg

(a) 4,4°C/4O,6°C Pp-P₁=I5,8-2x5,84=15,8-11,65=4,15kp/cm' (a)-6,8^oC/63°C P_n-P=26,3-2x 4 ,08=26,3-8,1 5=18,1 5kp/cm²

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Aufgrund der Bauweise der Maschine kann es unpraktisch sein, in die endseitige Ebene des Verdichters, d.h. axial, einzuspritzen, da die Injektionsöffnung P dann normalerweise in der Bohrung,um einen entsprechenden Wendelwinkel des Rotors zurückbewegt werden muss. Nimmt man beim gegebenen Beispiel an, dass der Umhüllungswinkel des negativen Rotors 200 beträgt, so bedeutet eine Rückbewegung der Injektionsöffnung P nach Fig. 2 um 1,016 mm vom Auslassende, dass der optimalen Injektionsstelle, die gleich einem in einem vorherigen Schritt bestimmten Unhüllungswinkel <I gleich 215 von der Saugseite ist, dazu die Wegstrecke hinzugefügt werden muss,um die die Zurückbewegung erfolgte mal dem Umhüllungswinkel dividiert durch den Durchmesser des Rotors mal dem Rotorverhältnis von L/D. Unter der Annahme dass der Rotor einen Durchmesser von 102 mm (~4") hat und das L/D-Verhältnis 1 beträgt,ergibt sich

L¹ = 0,1016 mm vom Auslassende <I =215°
(M = Umhüllungswinkel = 200°

D = 102 mm = 4 L/D =1

Daher folgt:

' = 215 + 0,1016 χ ) ^{= 215 + 2o}° ^{= 235}°

Zur Bestimmung der optimalen Injektionsstellung ist die Anpassung des eingebauten Druckverhältnisses an das tatsäch liche Betriebsdruckverhältnxs wesentlich. Wenn das tatsächliche Verdichtungsverhältnis C/R nur in geringem Masse

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veränderlich ist, besteht eine grössere Spielbreite in der Anordnung der Injektionsstelle, da einesteils die zur Saugseite gerichtete Leckströmung und andernteils die Überverdichtung vor dem Auslassausstoss von Interesse sind, was die Injektionsstelle weiter zur Saugseite hin nach rückwärts stellt. Die beste Bremsleistung/t liegt offensichtlich dann vor, wenn zwischen der Lage der Auslassöffnung und den tatsächlichen Betriebsparametern des Verdichters eine absolute Anpassung gegeben ist, und damit die Injektionsstelle für die Flüssigkeit nicht früher als notwendig liegt.

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Claims

Patentansprüche

1.J Rotationswendelschraubenverichter für ein Kühlsystem mit einem an die Äuslasseite des Verdichters angeschlossenen Kondensor, wobei der Verdichter aufweist: ein Gehäuse, welches einen zwei sich durchdringende Bohrungen umfassenden Arbeitsraum bildet, eine in den Arbeitsraum mündende Saugöffnung an einem Ende des Gehäuses zur Zuführung eines gasförmigen Kühlmittels als Verdichterarbeitsmedium, eine in den Arbeitsraum mündende Auslassöffnung im Gehäuse zur Abgabe des Arbeitsmediums nach dessen Verdichtung, und zwei in den Bohrungen drehbar angeordnete, miteinander kämmende Schraubenrotoren, die zusammen mit den Bohrungen Arbeitskammern bilden, wobei der Verdichter das verdichtete Kühlmittelgas in den Kondensor des Kühlsystems abgibt und das Kühlsystem eine Einrichtung aufweist, um einen Teil des Kühlmittels in flüssiger Form vom Kondensor abzuzweigen und eine in den Arbeitsraum mündende Injektionsöffnung vorgesehen ist, um das abgezweigte flüssige Kühlmittel in den Arbeitsraum zum Kühlen des Arbeitsmediums während dessen Verdichtung einzuspritzen, dadurch gekennzeichnet , dass die Injektionsöffnung für das flüssige Kühlmittel an einer Stelle relativ zu einer bestimmten Arbeitskammer des Verdichters angeordnet ist, die durch den momentanen Druckzusammenhang zwischen dem abgezweigten flüssigen Kühlmittel und dem Druck des Verdichterarbeitsmediums während der Verdichtung in der Kammer bestimmt ist,

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so dass die Kühlung des Arbeitsmediums während der Verdichtung durch kontinuierliche Injektion des abgezweigten flüssigen Kühlmittels an der Stelle unabhängig von einer über- oder Unterverdichtung des Arbeitsmediums und ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Verdichter leistung gewährleistet ist.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Injektionsöffnung in der den negativen Schraubenrotor aufnehmenden Bohrung angeordnet ist, wobei besagter Rotor einen Umhüllungswinkel von 200° aufweist und die Öffnung in der genannten Bohrung bei einem Umhüllungswinkel von der Saugseite im Bereich von 210° bis 226° liegt.

3. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η - · zeichnet, dass die Injektionsöffnung für das flüssige Kühlmittel hinsichtlich des Umhüllungswinkels des negativen Rotors von der Saugseite bei 215° angeordnet ist.

4. Verfahren zum Bestimmen der optimalen Stelle für die Injektion eines flüssigen Kühlmittels in deii Arbeitsraum eines Rotationswendelschraubenverdichters, der Bestandteil eines Kühlsystems mit einem mit der Auslasseite des Verdichters gekoppelten Kondensor ist, wobei der Verdichter aufweist: ein Gehäuse, das einen zwei sich durchdringende Bohrungen umfassenden Arbeitsraum bildet, eine in den Arbeitsraum mündende Saugöffnung an einem Ende des Gehäuses, um ein gasförmiges Kühlmittel als Verdichterarbeitsmedium zuzuführen,

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eine in den Arbeitsraum mündende Auslassöffnung im Gehäuse, um das verdichtete Arbeitsmedium zur Weiterleitung an den Kondensor auszustossen, und zwei in den Bohrungen drehbar angeordnete_/miteinander kämmende Schraubenrotoren, die die Verdichterkapazität bestimmen, wobei der Verdichter ein ver- · dichtetes Kühlmittelgas in den Kondensor des Kühlmittelsystems abgibt, und das System eine Einrichtung aufweist, um einen Teil des Kühlmittels in flüssiger Form vom Kondensor abzuzweigen und das abgezweigte flüssige Kühlmittel über eine Injektionsöffnung in eine der Bohrungen zur Kühlung des gasförmigen Arbeitsmediums während seiner Verdichtung einzuspritzen, dadurch gekennzeichnet , dass man das minimale eingebaute Volumenverhältnis des Verdichters bestimmt, festlegt innerhalb welcher Bohrung die Injektion stattfinden soll, das minimale und das maximale Betriebsverdichtungsverhältnis des Verdichters bestimmt, die ermittelten Parameter mit dem Druck-Umhüllungswinkel-Diagramm für den Rotor der gewählten Bohrung in Beziehung bringt und aus dem Diagramm eine geeignete Stelle für die Injektionsöffnung in bezug auf den Umhüllungswinkel vom Saugeinlass des Schraubenrotors für die gewählte Bohrung ermittelt, wodurch sich eine kontinuierliche Injektion des flüssigen Kühlmittels in den Arbeitsraum unabhängig von einer Unter- oder Überverdichtung des Arbeitsmediums innerhalb der durch die ermittelten Parameter festgelegten Grenzen ergibt, ohne dass dabei wesentlich die Verdichterleistung beeinflusst wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Injektionsöffnung radial legt und an einer axial versetzten Stelle relativ zum Auslassende der Bohrung anordnet, wobei der ermittelte Injektionswinkel für eine Variation des Umhüllungswinkels des durch die ausgewählte Bohrung getragenen Rotors infolge der axialen Versetzung der Öffnung nach folgender Gleichung korrigiert wird:

worin bedeuten:

= Injektionswinkel nach Kompensation für den Rotorumhüllungswinkel aufgrund der axialen Versetzung der Öffnung in Grad

= unkompensierter Injektionswinkel in Grad

L¹ = gewählter axialer Abstand vom Auslassende des Arbeitsraumes zur Injektionsöffnung in mm

= Umhüllungswinkel des Schraubenrotors für die ausgewählte Bohrung in Grad

D = Durchmesser des Schraubenrotors in mm L/D = Verhältnis von Rotorlänge zu Durchmesser.

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