Wassereingespritzte Schraubenverdichter

Bei dem größten Teil der weltweit eingesetzten Schraubenkompressoren wird Öl aus einem geschlossenen Kreislauf in die Verdichterstufe eingespritzt. Das Öl führt die bei der Verdichtung entstehende Wärme ab, übernimmt Dichtungsaufgaben und schmiert die Lager. Bereits vor mehr als 10 Jahren tauchten in Japan und in den USA alternative Schraubenkompressor-Systeme mit Wassereinspritzkühlung auf. Inzwischen werden sie aber kaum noch angeboten. Die Gründe für das Scheitern dieser Lösungen aus Japan und den USA liegen darin, daß sie wie einstufige Trockenläufer aufgebaut waren, ein Gleichlaufgetriebe zur Synchronisation der Rotoren benötigten, Lager und Getriebe ölgeschmiert und Gehäuse, Lagerdeckel sowie Rotoren aus Edelstahl oder Bronze gefertig waren.

Nach mehr als 10jähriger Entwicklungsarbeit bietet ein Unternehmen aus Crimmitschau 36 praxiserprobte Anlagen mit Wassereinspritzkühlung mit den Höchstdrücken 8 und 10 bar (0,59 bis 33,8 m3/min bzw. 0,49 bis 33,5 m3/min). Bei externen Partnern wurden bis zu 40 Anlagen unter Praxisbedigungen über mindestens einen Sommer- und zwei Winterzeiträume geprüft. Inzwischen hat dieses Unternehmen mit einem Aufwand von mehr als 10 Mio. DM mehr als 300 Anlagen weltweit unter Praxisbedingungen getestet und garantiert für die einwandfreie Funktion unter allen Betriebsverhältnissen.

Diese Schraubenverdichter mit Wassereinspritzkühlung, für die internationale Patente angemeldet wurden, bieten die absolut ölfreie Verdichtung nach Pneurop 6611/1, Klasse 1, langsame Umfangsgeschwindigkeiten der Hauptläufer (12 bis 35 m/s) und einstufige Standard-Druckverhältnisse bis 14. Herzstück der wartungsfreien Pioneer-Verdichterstufe sind die seit mehr als 15 Jahren erprobten, patentierten Polymer-Keramik-Rotoren, die axial und radial in hydrodynamisch geschmierten Gleitlagern laufen. Als Schmiermittel wird Kreislaufwasser ca. 2 bar unter dem Verdichtungsenddruck zur Verfügung gestellt. Das an den Hauptläufer angegossene Axiallager stellt bei Schraubenkompressoren ein Novum dar und minimiert den Aufwand für die Lagerung. Durch die minimale Lagerbelastung axial und radial von rund 0,3 N/mm2 (Enddruck von 10 barÜ) ergibt sich eine endlose Lebensdauer.

Die polymerkeramischen Rotoren mit ihren neuartigen Profilen werden nach patentierten Verfahren aus patentierten Werkstoffen hergestellt. Deshalb können Schmierung des Zahneingriffs, Kühlung und Spaltabdichtung von kontrolliertem Wasser übernommen werden. Wasser bietet nicht nur eine zweifache Wärmekapazität gegenüber Öl. Wasser kann auch viel leichter zerstäubt werden. Deshalb steigt die Temperatur im Verdichtungsprozeß nur um maximal 10 °C, und das selbst bei Druckverhältnissen von 20 in einer Stufe. Allerdings erfordert diese minimale Erwärmung des Wassers einen ca. 12- bis 15fachen Gewichtsüberschuß von Wasser im Verdichtungsprozeß gegenüber der angesaugten Luft. Die Verdichterstufen arbeiten ohne Getriebe, da der Hauptläufer den Nebenläufer antreibt. Außerdem können die Spiele in Schraubenkompressoren mit Wassereinspritzkühlung deutlich geringer sein, da die kinetische Viskosität von Wasser ca. eine Größenordnung unter dem entsprechenden Wert von Öl liegt.

Wasser birgt allerdings erhebliche Korrosions- und Kavitationsgefahren. Außerdem kann die chemische Zusammensetzung von Trinkwasser in jedem Ort der Welt verschieden sein. Aufbereitetes oder destilliertes entionisiertes Wasser verliert z. B. durch Umkehrosmose bereits innerhalb weniger Stunden durch die kontinuierliche Aufnahme von Mineralien und anderen Ionen aus dem Maschinensystem und aus der Ansaugluft seine Reinheit. Das führt – insbesondere durch CO2 – zu starken Ablagerungen, Verkalkungen und Änderungen des pH-Wertes. Um den Ausfall des Systems zu verhindern, muß das Kreislaufwasser permanent bedarfsgerecht aufbereitet, überwacht und geregelt werden. Außerdem müssen die unterschiedlichen atmosphärischen Ansaugbedingungen beherrscht werden. Als wesentliches Argument gegen die Wassereinspritzkühlung wird immer wieder die Keimzahl-Konzentration im Gas- und Wasserkreislauf angeführt. Nach den bisherigen Erfahrungen bewegt sie sich während des Betriebs aber lediglich zwischen 1 und 106 KBE/m3, was Langzeitversuche verschiedener Institute und Erfahrungen aus der Praxis bestätigen. (Zum Vergleich: in Reinräumen ist eine Keimzahl-Konzentration von max. 100 KBE/m3 erlaubt).

Da das zu verdichtende Gas mit einer Feuchtigkeitsmenge zugeführt wird und die Anlage mit dieser Feuchtigkeitsmenge auch wieder verläßt, bleibt die Kühlwassermenge im System konstant. Der Zirkulationskreislauf kann deshalb nach außen abgeschlossen betrieben werden. Über das zu verdichtende Gas ist der Zirkulationskreislauf jedoch nach außen offen, so daß das GVM-System als quasi geschlossenes System bezeichnet werden kann. Zum Ausgleich des Flüssigkeitseintrags (Kondensation) oder des Flüssigkeitsaustrags (Verdunstung) ist der Zirkulationskreislauf offen mit einem niveaugeregelten Wasserzulauf und einem niveaugeregelten Kondensatablauf ausgeführt. Deshalb können in diesen Verdichteranlagen sowohl sehr feuchte als auch sehr trockene Gase problemlos verdichtet werden.

Die Schraubenkompressoren der Pioneer-Baureihen besitzen die interne Kreislaufwasser-Aufbereitung und -Regelung Ion Clean. Sie gewährleistet unter allen Bedingungen, unabhängig von Klima und Trinkwasserqualität am Aufstellungsort, eine Leitfähigkeit im Wasserkreislauf zwischen 10 und 20 µS/25 °C. Deshalb werden alle Ionen und Salze sowie das im Wasser gelöste CO2 innerhalb der vorgegebenen Grenzen geregelt. Die hochwertige Polarisationseinrichtung aus Reinaluminium und Kohlenstoff (Lebensdauer der Elektroden mehr als 10 Jahre) arbeitet ohne Fremdenergie.

Die aufgeladenen Ionen nehmen außerdem im Wasserkreislauf befindliche Ionen anderer Polarität auf und führen sie dem Wasserfilter zu.

Ein hochwirksamer Partikelfilter hinter der Polarisationseinrichtung hält alle Fremdkörper bis zu einer gewünschten Größe zurück (internationale Patente in Prüfung) und trägt maßgeblich zur hohen Betriebssicherheit aller Anlagen bei. Die aus dem Wasserkreislauf entfernten Partikel werden in der Matrix festgehalten und weder bei Druck- noch bei Systemschwankungen an das System zurückgegeben. Wenn in besonderen Fällen im Wasserkreislauf befindliche Mikroorganismen zurückgehalten werden sollen, kann diese Filtration auch zweistufig ausgeführt werden: für die zweite Stufe kann dann ein Membranfilter zur Entkeimung oder ein Aktivkohlefilter zur Entfernung von Kohlenwasserstoff vorgesehen werden. Die Filterstation ist durch Dampfsterilisation, Autoklavierung oder Heißwasserentkeimung mehrfach wiederverwendbar.

Die einstufigen Schraubenverdichter werden betriebsbereit mit einer Schallhaube und allen integrierten Steuerungs-, Überwachungs- und Kühleinrichtungen geliefert. Die kleineren Anlagen werden über Schmalkeilriemen angetrieben. Bei den Anlagen ab 36 kW ist der Motor an die Kompressorstufe angeflanscht und überträgt das Drehmoment über eine elastische Kupplung auf den Hauptläufer. Die Verbindung des Wasser- und Gassystems wird mit nichtrostenden Materialien durchgeführt.

Wassereingespritzte Schraubenverdichter arbeiten mit sehr niedrigen Verdichtungsendtemperaturen. Die großzügige Dimensionierung des Kühlers im Wasserkreislauf in Verbindung mit der patentierten Wassereinspritzung

• begrenzt die Temperaturerhöhung während des Verdichtungsvorgangs auf wenige °C,

• macht die Rückkühlung der Druckluft überflüssig,

• ermöglicht durch die Annäherung an die ideale „isotherme Verdichtung“ gegenüber anderen Kompressorsystemen eine Energieeinsparung von bis zu 20%.

Trotzdem liegt die Verdichtungsendtemperatur bei den luftgekühlten Anlagen nur bei ca. 14 °C über der Umgebungstemperatur, bei wassergekühlten Anlagen nur 8 bis 10 °C über der Kühlwassereintrittstemperatur.

Alle Anlagen werden über eine Vollast-Leerlauf-Regelung mit Entlastung gefahren. Ein Ansaugregler ermöglicht den voll entlasteten Anlauf und sorgt für einen betriebswirtschaftlich günstigen Startvorgang, der in Verbindung mit der Stern-Dreieck-Schaltung Stromspitzen vermeidet. Die wichtigsten Betriebszustände werden kontinuierlich erfaßt und angezeigt. Das Überwachungs- und Sicherheitssystem mit Abschaltfunktion kontrolliert die Verdichtungsendtemperatur, den Enddruck, den Antriebs- bzw. Lüftermotor, die Drehrichtung, den Differenzdruck im Wasserfilter und Wasserverlust bzw. Niveau.

Weitere Informationen cav-269