DE4042177C2 - Schraubenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schraubenverdichter mit zwei ineinandergreifenden, zueinander komplementären, mit Zähnen versehenen Schraubenrotoren. Solche Schrauben­ verdichter sind Verdrängermaschinen für die Kompression von Gasen.

In Schraubenverdichtern entstehen wegen der hohen Kompression und der Reibung der Schraubenrotoren hohe Temperaturen. Zur Verringerung der Rotortemperaturen und der Reibungsverluste ist es üblich, in den Arbeits­ raum von Schraubenverdichtern Öl oder Wasser einzu­ spritzen. Hierbei wird unter hohem Druck ein Flüssig­ keitsstrahl durch die Gehäusewand in den Arbeitsraum gespritzt. Der Flüssigkeitsstrahl gelangt auf eine Rotoroberfläche, die er benetzt und an der die Flüssig­ keit haftenbleibt. Die Flüssigkeitseinspritzung erfüllt folgende Aufgaben:
Schmierung der Rotore und Lager,
Abdichten des Spiels im Zahneingriff sowie des Spiels zwischen Zahnkopf und Gehäusewand,
Aufnahme der durch die Kompression entstehenden Wärme.

DE-OS 27 20 214, von der der Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 ausgeht, beschreibt einen Schraubenverdichter mit Flüssigkeitseinspritzung, bei dem die eingespritzte Flüssigkeit Rotore und Lager schmiert und bei der Kompression entstehende Wärme aufnimmt. Die Flüssigkeit wird bei diesem Schraubenverdichter durch Zerstäuberdüsen in die Kompressionsräume eingespritzt und zu einem Sprühnebel zerstäubt. Kühlflüssigkeit, die sich an den Rotoren und an der Gehäusewand niederschlägt, dichtet das Spiel im Zahneingriff sowie zwischen Zahnkopf und Gehäusewand ab. Die Zerstäuberdüsen arbeiten dabei mit scharfen Flüssigkeitsstrahlen, die entweder auf einen Querstift treffen und zerstäubt werden oder einander schneidende Strahlachsen aufweisen, so daß sie aufein­ andertreffen und Tröpfchen bilden.

Auch aus CH-PS 564 153 ist zur Kühlung und Schmierung eines Schraubenverdichters eine Flüssigkeitseinspritzung bekannt. Bei diesem Schraubenverdichter soll durch die Bereitstellung der einzuspritzenden Flüssigkeit auf einem hohen Druckniveau eine feine Verteilung der Kühlflüssig­ keit erreicht werden. Die zwecks Kühlung in die Kammern der Kompressionsräume eingespritzte Flüssigkeit zerfällt jedoch nur zum Teil, so daß ein anderer Teil der einge­ spritzten Flüssigkeit auf die Rotoren trifft und erst dann zerplatzt.

DE-PS 37 06 583 beschreibt einen weiteren Schraubenver­ dichter mit Flüssigkeitseinspritzung. Bei diesem Schrau­ benverdichter zirkuliert die Schmier- und Kühlflüssigkeit in einem pumpenlosen Kreislauf. Um ein sicheres Anlaufen zu ermöglichen, und in der anschließenden Betriebsphase Verluste geringzuhalten, ist bei diesem Schraubenverdich­ ter eine Einspritzdüse im Saugbereich des Schraubenver­ dichters vorgesehen, deren Flüssigkeitszufuhr nach Be­ endigung der Anlaufphase und bei Erreichen des normalen Betriebsdrucks mit einem Ventil unterbrochen wird.

Bei einer hohen Verdichtung kann im Innern der bekannten Anlagen das Entstehen hoher Temperaturen nicht mit Sicherheit verhindert werden.

Hohe Temperaturen haben in der Vergangenheit zu Bränden und Explosionen geführt. Experimentell ist ermittelt worden, daß bei einstufiger Verdichtung um den Faktor 8 bis 13 mit Öleinspritzung im Verdichtungsprozeß im Inneren des Schraubenverdichters Temperaturen von 150°C bis 300°C auftreten können, obwohl die am Auslaß auftretende Temperatur nur 78 bis 90°C beträgt. Diese Unter­ suchungen haben sich auch bei Verdichtern mit Wasser­ einspritzung und nahezu isothermen Verdichtungstempe­ raturen bestätigt. Lediglich die Brandgefahr durch Selbstzündung ist bei Wassereinspritzung nicht vor­ handen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrau­ benverdichter zu schaffen, bei dem die Temperatur im Arbeitsraum verringert ist und bei dem der Temperatur­ verlauf vom Arbeitsraum bis zum Auslaß vergleichmäßigt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Schraubenverdichter erfolgt die Einspritzung der Flüssigkeit in den Arbeitsraum mit einer oder mehreren Zerstäuberdüsen die als Ventile ausgebildet sind, die mit hoher Frequenz abwechselnd geöffnet und geschlossen werden. Hierdurch wird die in den Verdichtungsteil des Arbeitsraums eingespritzte Flüssigkeit zu einem feinen Sprühnebel zerstäubt. Infolge der Zerstäubung hat die eingespritzte Flüssig­ keit insgesamt eine erheblich vergrößerte Oberfläche, so daß die gleiche Flüssigkeitsmenge viel mehr Wärme aufnehmen kann als bei Einspritzung eines Flüssigkeits­ strahles, der sich anschließend sogleich auf den Schraubenrotoren niederschlägt. Ferner haben die feinen Tröpfchen des Sprühnebels jeweils eine geringe Masse, so daß sie von dem verdichteten Gas, das mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, mitgerissen werden, bevor sie sich auf den Schraubenrotoren oder an der Wand des Arbeitsraums niederschlagen. Die Tröpfchen durchsetzen also schwebend das gesamte Gasvolumen, anders als bei Injektion eines kompakten Strahls, der sich wegen der großen Massenträgheit sofort an den Wänden nieder­ schlägt. Die geringere Massenträgheit der einzelnen Tröpfchen wirkt sich insbesondere bei hohen Gasge­ schwindigkeiten aus, die bei Umdrehungszahlen von 20 000 U/min Schallgeschwindigkeit erreichen können. Die Sprühnebeltröpfchen nehmen Wärme direkt aus dem Gas auf und fliegen mit diesem in Richtung auf den Auslaß weiter. Sie schlagen sich an den Wänden überhaupt nicht oder nur sehr spät nieder.

Der erfindungsgemäße Schraubenverdichter hat eine gleichmäßigere Temperaturverteilung, so daß sich eine annähernd isotherme Verdichtung ergibt. Die große Gesamt-Oberfläche der Flüssigkeit und die geringe Tröpfchenmasse bewirken einen lange anhaltenden Schwebezustand der Flüssigkeit im Druckgas. Durch die Zerstäuberdüse wird ein Zwei-Phasen-Strahl aus Flüssig­ keit und Gas erzeugt.

Die Zerstäubung kann dadurch unterstützt werden, daß ein Flüssigkeitsstrahl auf einen Teller prallt und dadurch radial zerstäubt wird, oder durch eine Dralldüse, die einen rotierenden Drallnebel erzeugt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, Zerstäuberdüsen als mechanisch schwingen­ de Ventile oder als elektromagnetische Ventile auszubilden. Als elektromagnetische Ventile können sie beispiels­ weise in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl geöffnet werden, wobei der Einspritzvorgang zeitlich so gelegt wird, daß die Einspritzung immer in eine Zahnlücke des betreffenden Schraubenrotors erfolgt.

Es können auch Zerstäuberdüsen beider Ventilarten innerhalb derselben Maschine zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise eine als mechanisches Ventil ausgebildete Zerstäuberdüse während der Vollast des Schrauben­ verdichters eingesetzt werden, während eine als elektro­ magnetisches Ventil ausgebildete bei Leerlauf in Funktion gesetzt wird. Durch variable Federvorspannung bei der mechanischen Zerstäuberdüse schließt diese dann im Leerlauf.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine mechanische Zerstäuberdüse mit Schwingverhalten,

Fig. 2 die Zerstäuberdüse von Fig. 1 im Schließ­ zustand,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine elektromagne­ tische Zerstäuberdüse,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine elektromagne­ tische Zerstäuberdüse mit Dralldüse und

Fig. 5a-5d schematische Darstellungen des Arbeits­ raumes und der Schraubenrotore eines Schraubenverdichters während der verschie­ denen Phasen des Verdichtungsprozesses.

Die in Fig. 1 dargestellte mechanische Zerstäuberdüse weist ein langgestrecktes rohrförmiges Ventilgehäuse 10 auf, durch das sich ein längslaufender Kanal 11 von einem Einlaß 12 zu einem Auslaß 13 erstreckt. Im Auslaß 13 ist ein Ventilsitz 14 angeordnet, der eine zen­ trische Durchlaßöffnung 15 aufweist und den Auslaß im übrigen verschließt. Durch die Öffnung 15 erstreckt sich eine Ventilnadel 16, die an ihrem stromabwärts gerichteten Ende einen radial nach außen aufgeweiteten Ventilteller 17 trägt. Am stromaufgerichteten Ende der Ventilnadel 16 befindet sich ein Kopf 18, welcher von einem Armstern 19 abgestützt ist.

An dem Ventilgehäuse 10 oder am Ventilsitz 14 ist eine Feder 20 abgestützt, die ihrerseits den Armstern 19 stützt.

Fig. 1 zeigt den Öffnungszustand der Zerstäuberdüse. Der im Kanal 11 herrschende Flüssigkeitsdruck ist so groß, daß er in der Öffnung 15 des Ventilsitzes eine Öffnungs­ kraft erzeugt, die größer ist als die Kraft der Feder 20, so daß die Zerstäuberdüse den in Fig. 1 dargestellten Öffnungszustand einnimmt. Hierbei hebt der untere Ven­ tilteller 17 von dem Ventilsitz 14 ab. Die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit strömt durch die Öffnung 15 auf den Ventilteller 17 und wird von dessen Oberseite nach außen abgeschleudert, so daß sich ein kegel­ förmiger Tröpfchenstrahl ergibt. Sobald die Zerstäuberdüse geöffnet ist, reicht der Differenzdruck am Ventilsitz 14 nicht mehr aus, um den Öffnungszustand aufrecht­ zuerhalten. Die Zerstäuberdüse nimmt dann wieder den in Fig. 2 dargestellten Schließzustand an. Die Zerstäuberdüse öffnet und schließt somit automatisch abwechselnd. Sie hat eine selbstschwingende Charakteristik. Durch das impulsweise Öffnen und Schließen entsteht eine perio­ disch unterbrochene Flüssigkeitszufuhr, wodurch die Bildung kleinster Tröpfchen begünstigt wird. Das aus dem Ventilteller 17 als Ventilkörper und dem Ventilsitz 14 gebildete Ventil 22 ist Bestandteil der Zerstäuberdüse.

In Fig. 3 ist die Zerstäuberdüse als Magnetventil 31 ausgebildet, das in einem Gehäuse 32 einen Elektromagneten 33 enthält, welcher das von Flüssigkeit durchströmte Rohr 34 umgibt. Dieses Rohr besteht aus magnetisch nicht ab­ schirmendem Material, so daß das vom Elektromagneten 33 erzeugte Magnetfeld durch das Rohr 34 hindurchgeht. Der Elektromagnet 33 ist elektrisch mit einer Anschlußvor­ richtung 35 verbunden, welche außen an dem Gehäuse 32 angebracht ist. Das Rohr 34 weist einen radial ab­ stehenden Flansch 36 auf, der an der Außenseite des Arbeitsraums des Schraubenverdichters befestigt wird, und von dem ein Stutzen 37 absteht, der in eine Öffnung der Wand des Arbeitsraums eingesetzt wird, so daß die Zerstäuberdüse in den Arbeitsraum hinein injizieren kann.

Das Rohr 34 enthält in einer Ausnehmung 38 einen axial bewegbaren Magnetanker 39, der einen axialen Durch­ gangskanal 40 enthält. Dieser Durchgangskanal 40, der mit dem Kanal 41 des Rohres 34 in Verbindung steht, verzweigt sich an seinem vorderen Ende in mehrere radiale Auslässe 42, die mit dem Innenraum des Stutzens 37 in Verbindung stehen.

Vom vorderen Ende des Magnetankers 39 steht eine Ven­ tilnadel 43 ab, die durch die von dem Ventilsitz 44 umschlossene Öffnung 45 hindurchragt und am vorderen Ende einen Ventilteller 46 trägt, der mit dem Ventil­ sitz 44 zusammenwirkt, um ein Ventil 47 zu bilden. Der Ventilsitz 44 ist im Inneren des Stutzens 37 befestigt und an ihm ist eine Feder 48 abgestützt, welche einen Armstern 49 in rückwärtige Richtung, also stromauf zu dem Strömungsweg der Flüssigkeit, drückt. Der Armstern 49 ist mit dem Magnetanker 39 fest verbunden.

Die Feder 48 drückt den Armstern 49 und den Magnetanker 39 in die rückwärtige Endstellung, wobei der Ventil­ teller 46 gegen den Ventilsitz 44 gedrückt und die Zerstäuberdüse 47 geschlossen wird. Wenn der Elektromagnet 33 mit einem Stromimpuls erregt wird, stößt er den Magnet­ anker 39 ab, der dadurch nach vorne bewegt wird, wodurch der Ventilteller 46 von dem Ventilsitz 44 abhebt und die Zerstäuberdüse 47 öffnet. Durch abwechselndes periodisches Einschalten des Erregerstroms des Elektro­ magneten kann das Ventil in hochfrequente Schwingungen versetzt werden, deren Frequenz von der Drehzahl der Schraubenrotoren des Schraubenverdichters abhängig ist.

Beispielsweise kann diese Frequenz gleich der Zahn­ lückenfrequenz sein, wobei das Ventil immer nur dann geöffnet wird, wenn sich eine Zahnlücke im Bereich der von dem Ventil 47 gebildeten Einspritzdüse befindet.

Es ist auch möglich, den Elektromagneten so zu steuern, daß die Zerstäuberdüse beim Betrieb des Schraubenverdichters ständig geöffnet ist. In jedem Fall bewirkt der Ventil­ teller 46, gegen den die axiale Strömung trifft, ein Zersprühen dieser Strömung mit wesentlicher radialer Komponente. Es wird also kein axialer Strahl erzeugt, sondern ein sich im Arbeitsraum verteilender Sprühnebel aus feinen Tröpfchen.

In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform der Zerstäuberdüse dargestellt, die hier als Dralldüse 50 ausgebildet ist. Stromauf der Dralldüsenöffnung ist die Zerstäuber­ düse als Magnetventil 51 ausgebildet, dessen Betätigungsorgan generell in gleicher Weise aufgebaut ist wie bei der in Fig. 3 dargestellten Zerstäuberdüse und daher nicht noch einmal im einzelnen beschrieben wird. Der Magnetanker 39 ist in Fig. 4 durch eine Feder 52 stromab zu der Strömungsrichtung der im Kanal 41 strömenden Flüssig­ keit, also nach vorne, vorgespannt. Die Feder 52 drückt eine am vorderen Ende des Magnetankers 39 vorgesehene Dichtung 53 gegen den Ventilsitz 54, wodurch der Kanal 55 des Ventils 51 geschlossen wird. Stromab von diesem Kanal 55 ist an dem durch die Wand des Arbeitsraumes hindurchgehenden Stutzen 56 die Dralldüse 50 angeord­ net, die einen Düsenkörper 57 mit tangential gerichte­ ten Einlässen 58 und einem axial gerichteten Auslaß 59 aufweist. In der Wand des Auslasses 59 sind (nicht dar­ gestellte) schraubenförmige Rillen oder Riefen ange­ ordnet.

Bei geöffnetem Magnetventil 51 strömt Flüssigkeit unter hohem Druck in den Stutzen 56. Die Flüssigkeit gelangt über die Einlässe 58 tangential in den Düsenkörper 57, wo sie rotiert und durch den Auslaß 59 ausgestoßen wird. Die Flüssigkeit verläßt den Auslaß 59 rotierend, wodurch der Flüssigkeitsstrahl infolge der Zentrifugal­ kraft radial verteilt wird und ein feiner Sprühnebel entsteht.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird die Tröpfchenbildung dadurch verbessert, daß das Magnet­ ventil 51 mit hoher Frequenz abwechselnd geöffnet und geschlossen wird.

Anhand der Fig. 5a-5d wird im folgenden die Funktion der Zerstäuberdüse 69 im Verdichtungsprozeß erläutert. In den Zeichnungen sind die wesentlichen Komponenten eines Schraubenverdichters schematisch dargestellt. Das den Arbeitsraum 60 umschließende Gehäuse 61 weist zwei parallele zylindrische Bohrungen auf, die sich radial überlappen. In jeder dieser beiden Bohrungen ist ein Schraubenrotor 62, 63 angeordnet. Der Schraubenrotor 62 bildet den männlichen Rotor, der schraubenförmig ver­ laufende konvexe Zähne 64 aufweist, während der weib­ liche Rotor 63 schraubenförmig verlaufende weibliche (konkave) Zahnlücken 65 aufweist. Die Zähne 64 und Zahnlücken 65 sind so ausgebildet und relativ zueinan­ der angeordnet, daß bei gegensinniger Drehung der beiden Rotoren 62, 63 die Zähne 64 fortlaufend in die Zahnlücken 65 eingreifen und diese ausfüllen. Dabei erfolqt eine Förderung und Verdichtung des Gases vom Einlaß 66 zum Auslaß 67.

In Fig. 5a ist die Phase "Füllen" dargestellt, bei der das Gas vom Einlaß 66 her in den von Zahnlücken gebil­ deten Aufnahmeraum 68 der beiden Rotoren eindringt.

Fig. 5b zeigt den Zustand kurz vor Beendigung des Füllens. Hierbei haben sich die beiden zusammengehören­ den, hier betrachteten Zahnlücken der Rotoren soweit in Richtung auf den Auslaß fortbewegt, daß der Aufnahme­ raum 68 gegen den Einlaß 66 abgeschlossen ist. Dieser Abschluß schreitet bei weiterer Drehung in Richtung auf den Auslaß 67 fort, wodurch das gegen den Einlaß 66 abgeschlossene Gas zum Auslaß 67 hin befördert und komprimiert wird.

Fig. 5c zeigt den Zustand während des Verdichtens, wobei durch die zuvor beschriebenen Zerstäuberdüsen 69 durch die Wand des Gehäuses 61 hindurch Flüssigkeit mit radialer Komponente verteilt und jeweils in einem feinen Sprühnebel zerstäubt in den Arbeitsraum inji­ ziert wird. Die Zerstäuberdüsen 69 sind entsprechend dem Verlauf der Zahnlücken der beiden Rotoren 62 und 63 in V-förmiger Anordnung an dem Gehäuse 61 vorgesehen. Die Sprühnebelinjektion erfolgt also während des Verdich­ tungsprozesses in einem gegen den Einlaß 66 abge­ schlossenen Aufnahmeraum 68, wobei in diesem Aufnahme­ raum, der sich mit hoher Geschwindigkeit in Richtung auf den Auslaß 67 bewegt, ein möglichst fein verteilter Flüssigkeits-Sprühnebel erzeugt wird, von dem sich nur ein relativ geringer Anteil an den Rotorwänden nieder­ schlägt.

In Fig. 5d ist das Volumen des betrachteten Aufnahme­ raumes 68 zum Auslaß 67 hin fortgeschritten und es hat dort seine geringste Größe angenommen. Der Auslaß 67, der natürlich gegen die Umgebung abgedichtet ist, ist über eine Auslaßleitung mit einem (nicht dargestellten) Druckbehälter verbunden. In der in Fig. 5d darge­ stellten Phase erfolgt das Ausschieben des komprimier­ ten Gases aus dem Aufnahmeraum.

Claims (7)

1. Schraubenverdichter mit zwei ineinandergreifenden, zueinander komplementären Schraubenrotoren (62, 63), welche in einem mit einem Einlaß (66) und einem Auslaß (67) versehenen Arbeitsraum (60) rotieren, und mit Zerstäuberdüsen (21, 27, 50, 69) zum Ein­ spritzen von Flüssigkeit in einen gegenüber dem Einlaß (66) abgeschlossenen Verdichtungsbereich des Arbeitsraumes (60), welche die Flüssigkeit mit radialer Komponente verteilen und in einem feinen Sprühnebel zerstäuben, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüsen (21, 47, 50, 69) als Ventile (22, 31, 51) ausgebildet sind, die mit hoher Frequenz abwechselnd geöffnet und geschlossen werden.

2. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (31) eine selbst­ schwingende Charakteristik haben und unter Vorspan­ nung durch eine Feder (48) unter der Wirkung des Flüssigkeitsdrucks steuerungsfrei abwechselnd öffnen und schließen.

3. Schraubenverdichter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventile Magnetventile (31, 51) sind.

4. Schraubenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventile (31, 51) mit einer von der Drehzahl der Schraubenrotoren (62, 63) abhängigen Frequenz gesteuert sind.

5. Schraubenverdichter nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ventile (31, 51) mit einer der Zahnlückenfrequenz entsprechenden Frequenz immer nur dann geöffnet werden, wenn sich eine Zahnlücke im Bereich der Zerstäuberdüse (47, 50) befindet.

6. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüsen (21, 47) als Ventile (22, 31) mit einer durch einen Ventilsitz (14, 44) hindurchgehenden axial beweg­ baren Ventilnadel (16, 43) ausgebildet sind und daß die Ventilnadel (16, 43) in Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz (14, 44) einen Ventilteller (17, 46) trägt.

7. Schraubenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zerstäuber­ düsen (69) in V-förmiger Anordnung entsprechend einer Konfiguration, die zwei ineinandergreifende Windungen der Schraubenrotoren (62, 63) im Verdich­ tungsbereich einnehmen, an Stellen angeordnet sind, an denen ein durch die ineinandergreifenden Win­ dungen begrenzter Aufnahmeraum (68) gegen den Einlaß (66) abgeschlossen ist.