【Technische Ausgabe für Anlagentechnik】Jeden Tag eine Frage 20170729: Designprobleme bei Schraubenkühlkompressoren?

Bei niedrigem Druck wird eine einstufige Kompression gewählt, bei hohem Druck eine mehrstufige Kompression.

Man muss prüfen, ob es sich um isotherme Kompression handelt. Wenn dem so ist, ist eine Doppelkompression nicht notwendig.

Während des Komprimierungsprozesses wird die in den Kompressor eingebrachte Leistung vollständig in Wärme umgewandelt. Die Kompression von Hochtemperaturgasen erfordert mehr Energie, weshalb Kompressoren Kühlmaßnahmen einsetzen müssen. Je niedriger die Temperaturerhöhung während des Komprimierungsprozesses ist, desto energieeffizienter ist der Kompressor. Der ideale Kompressionsprozess ist die isotherme Kompression, bei der die Temperatur während des Komprimierungsprozesses konstant bleibt. Bei Kolbenkompressoren, Turbinenkompressoren sowie öllosen Schraubenkompressoren gibt es keine wirksamen Kühlmethoden während des Komprimierungsprozesses. Deshalb wird der Komprimierungsprozess in mehrere Stufen unterteilt. An dem Ausgang jeder Stufe befindet sich ein Zwischenkühler, der die Temperatur auf ein Niveau nahe der Umgebungstemperatur senkt. Anschließend wird das kondensierte Wasser entfernt, bevor die Luft in die nächste Stufe weitergeleitet wird, um dort weiter komprimiert zu werden. Dieser wellenförmige Kompressionsprozess kann die maximale Temperatur im sicheren Bereich halten und gleichzeitig die durchschnittliche Temperatur annähernd isotherm halten. Daher ist bei Kolbenkompressoren, Turbinenkompressoren und öllosen Schraubenkompressoren die Mehrstufenkompression bei Vorhandensein eines Zwischekühlers energieeffizienter. Der Öl-einspritzende Schraubenkompressor nutzt Schmieröl, um die Wärme im Kompressionsprozess aufzunehmen. Je nach Gewicht ist die Menge an Schmieröl, die pro Zeiteinheit in den Hauptmotor eingespritzt wird, zehnmal so groß wie der Luftstrom. Da das Schmieröl in der Lage ist, viel mehr Wärme aufzunehmen als Luft, wird eine große Menge an Kompressionswärme vom Schmieröl aufgenommen. Dadurch bleibt die Temperatur während des Kompressionsprozesses auf einem niedrigen Niveau. Die von dem Schmieröl aufgenommene Wärme macht etwa 90 Prozent der eingesetzten Leistung aus. Die Innenkühlung durch Sprühen ist eine Schlüsseltechnologie, die das schnelle Wachstum von Schraubenkompressoren ermöglicht hat. Man kann sagen, dass Schraubenkompressoren in der Lage sind, die Kolbenkompressoren als dominierende Maschinentypen auf dem Markt zu ersetzen – und zwar ganz dank ihrer einzigartigen Kühlmethode. Die einzigartige Kühlmethode des Schmieröl-Schraubenkompressors ermöglicht es ihm, in einem normalen Druckbereich – also bei einem Abgasdruck von unter 1,3 MPa – auf eine mehrstufige Kompression verzichten zu können; außerdem ist eine solche Kompression auch nicht notwendig. Zunächst ist der Komprimierungsprozess unter voller Ausnutzung der Vorteile der Innenkühlung durch Sprühen nahezu isotherm, weshalb es bei Schraubenkompressoren mit Sprühkühlung nicht notwendig ist, mehrere Kompressionsschritte zu verwenden. Zweitens bringt die Mehrstufenkompression ohne Zwischenkühler keinerlei Energieeinsparung. Außerdem führt bei der Verwendung einer Zwischenkühlung dazu, dass die Temperatur des Gases, das in die nächste Stufe gelangt, zwangsläufig unter der Taupunkttemperatur bei dem entsprechenden Druck liegt. Dadurch entsteht eine große Menge an Wasser. Es müssen daher Elemente zur Trennung und Entfernung von Öl und Wasser zwischen den Stufen vorhanden sein. Andernfalls kann das mit viel Wasser angereicherte Schmieröl, sobald es in die nächste Stufe gelangt, zu einer erheblichen Verschlechterung der Schmierung führen – was wiederum den Verschleiß des Rotors und der Lager verstärkt. Die Trennung von Öl und Wasser erfordert, dass sie über mehrere Stunden in Ruhe bleibt, und die Entwässerungselemente müssen in der Lage sein, die Öl-Wasser-Grenze zu erkennen. Daher ist die Trennung und Entfernung von Öl und Wasser zwischen den Stufen ein unüberwindbares Hindernis für mehrstufige Schraubenkompressoren mit Zwischenkühlern. Derzeit werden bei Schmieröl-Schraubenkompressoren zwei Kompressionsschritte verwendet, um das Problem der übermäßigen Belastung der Lager bei höheren Auslassdrücken zu verringern – dies hat jedoch nichts mit Energieeinsparungen zu tun. Der Einsatz von zweistufiger Kompression bei einem Abgasdruck unter 1,3 MPa ist rein ein Marketinginstrument. Die Behauptung einiger ausländischer Unternehmen, dass zweistufige Kompression Energie spart, beruht auf pseudowissenschaftlichen Argumenten – es handelt sich dabei um geschäftliche Täuschungsmanöver. Eine Untersuchung mehrerer Anwendungsbeispiele für Schraubenkompressoren mit zweistufiger Kompression zeigt außerdem, dass es nicht nur zu keiner Energieeinsparung kommt, sondern auch die Ausfallrate deutlich höher ist als bei Produkten mit einstelliger Kompression. Die wirksamste Maßnahme zur Energieeinsparung bei Schraubenkompressoren mit Injektion ist eine niedrige Drehzahl. Bei niedrigen Drehzahlen findet ein besserer Wärmetausch zwischen Öl und Gas statt, wodurch die Vorteile der Innenkühlung durch Sprühen voller zur Geltung kommen. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Reibungsverluste der Lager geringer. Bei niedrigen Drehzahlen ist der Durchmesser der Ein- und Auslassöffnungen des Motors größer, wodurch der Luftwiderstand geringer ist. Energieeffiziente Schraubenkompressoren müssen Schraubenkompressoren mit niedriger Drehzahl sein. Die Drehzahl ist der entscheidende Indikator dafür, ob ein Schraubenkompressor energieeffizient ist oder nicht.

Sowohl einstufige als auch zweistufige Kompressoren sind für Zyklokompressoren gedacht. Die Wahl hängt von der Kühltemperatur ab: Für Kühllager bei normalen Temperaturen bis unter –30 Grad wird ein zweistufiger Kompressor verwendet, da er effizienter ist. Bei Temperaturen über 30 Grad reicht ein einstufiger Kompressor aus. Wenn man einen Schraubenkompressor verwendet, muss man sich um diese Aspekte keine Sorgen machen – er kann direkt Temperaturen von –40 Grad erreichen. Auch Zentrifugalkompressoren gibt es in einstufiger und mehrstufiger Ausführung. Mehrstufige Kompressoren werden bei noch niedrigeren Temperaturen eingesetzt, kommen aber seltener zum Einsatz.

Verdampfungstemperatur, Kompressionsverhältnis, Art des Kühlmittels

Isentrope Kompression – das, was du sagst, hat überhaupt nichts damit zu tun. Im Kühlschrankzyklus erfolgt die Kompression im Grunde genommen als adiabatische Kompression

　　1) Der wirtschaftliche Kompressionsverhältnis eines einstufigen Schraubenkühlkompressors liegt bei 4,7 – 5,5; in diesem Bereich ist die Wirtschaftlichkeit am besten. 　　2) Einstufige Schraubenkühlkompressoren eignen sich nicht für die niedrigen Temperaturen in den südlichen Regionen unseres Landes. 　　3) Bei einer Verdampfungstemperatur unter –20 °C ist die Wirtschaftlichkeit eines einstufigen Schraubenkompressors schlecht. Je niedriger die Verdampfungstemperatur ist, desto geringer ist die Effizienz und desto höher ist der Energieverbrauch. Bei langfristiger Nutzung führt dies zu einem übermäßigen Energieverbrauch sowie zu einer vorzeitigen Beschädigung des Kompressors. 　　4) Es sollte vorzugsweise ein Verdichter mit Wärmerückgewinnung gewählt werden. Schraubenkompressoren mit Wärmerückgewinnung verfügen über ein breites Betriebsfenster, weisen einen hohen Druckverhältnis pro Stufe auf, sind einfacher zu steuern als zweistufige Schraubenkühlsysteme, weisen ein einfaches Design auf und benötigen weniger Platz ； Im Vergleich zu Einstufen-Schraubenkompressoren sind die Vorteile noch deutlicher. 　　5) Wenn die Verdampfungstemperatur unter –30 °C liegt und eine langfristige Betriebsdauer vorliegt, sollte aus Gründen der Energieeinsparung ein Doppelkompressions-Schraubenverdampfersystem verwendet werden.

Verdampfungstemperatur, Kompressionsverhältnis, Art des Kühlmittels

Bei der Kompression mit ölfreien Schraubenkompressoren gibt es keine wirksamen Kühlmethoden. Deshalb wird der Kompressionsprozess in mehrere Stufen unterteilt. An dem Ausgang jeder Stufe befindet sich ein Zwischenkühler, der die Temperatur auf ein Niveau nahe der Umgebungstemperatur senkt. Anschließend wird das Kondenswasser entfernt, bevor die Luft in die nächste Stufe weitergeleitet wird, um dort weiter komprimiert zu werden. Dieser wellenförmige Kompressionsprozess kann die maximale Temperatur im sicheren Bereich halten und gleichzeitig die durchschnittliche Temperatur annähernd isotherm halten. Daher ist bei öllosen Schraubenkompressoren die Mehrstufenkompression bei Vorhandensein eines Zwischenkühlers energieeffizienter. Die einzigartige Kühlmethode des Schmieröl-Schraubenkompressors ermöglicht es ihm, in einem normalen Druckbereich – also bei einem Abgasdruck von unter 1,3 MPa – auf eine mehrstufige Kompression verzichten zu können; außerdem ist eine solche Kompression auch nicht notwendig. Zunächst ist der Komprimierungsprozess unter voller Ausnutzung der Vorteile der Innenkühlung durch Sprühen nahezu isotherm, weshalb es bei Schraubenkompressoren mit Sprühkühlung nicht notwendig ist, mehrere Kompressionsschritte zu verwenden.

Schraubenkompressoren sollten einstufig oder zweistufig sein, oder? Was bedeutet einstufig und zweistufig?

Es hängt von der Verdampfungstemperatur ab: Bei Temperaturen über -35°C wird in der Regel eine einstufige Anlage verwendet, bei Temperaturen unter -35°C eine zweistufige Anlage

Schauen Sie sich die Kühlleistung an: Bei einer Kühlleistung von weniger als 1000 kW handelt es sich um Einstufen-Kühlsysteme, bei mehr als 1000 kW um Zweistufen-Kühlsysteme

Verdampfungstemperatur, Kompressionsverhältnis, Art des Kühlmittels

Auf der Grundlage der Prozessparameter wird das Verdichtungsverhältnis bestimmt – also die Wirkungsgrad

Der Grund ist, dass unterschiedliche Temperaturen erforderlich sind. Einzustufig – 20, Zweistufig-Kompression – über 20.