Untersuchungen zum Wärmetransport an einem einstufigen Hochdruck-Schraubenkompressor für 30 bar

Abstract

Zur einstufigen Drucklufterzeugung bis 30 bar wurde mit einem kleinen öleingespritzten Schraubenkompressor für Luft im Leistungsbereich bis 40 kW ein Prüfstand aufgebaut. Der Enddruck von 30 bar ist für einen einstufigen Schraubenverdichter extrem hoch. Bisher konnten solche Drücke nur mit 2- und 3-stufigen Schrauben-verdichtern erreicht werden. Der verwendete Kompressor weist ein hohes einge-bautes Volumenverhältnis von [theta] = 5,35 auf und ist deshalb für diesen Druckbereich gut geeignet. Zu der vorhandenen Öleinspritzstelle am Kompressor wurde zusätzlich eine Saugrohreinspritzstelle vorgesehen.<br />Damit konnte die spezifische Öleinspritz-menge bis auf 38 l/m3 gesteigert werden. Der Kompressor ist durch die hohen Verdichtungsenddrücke mechanisch und thermisch stark belastet.<br />Insbesondere an die Axiallager des Hauptläufers und an das verwendete Kühlöl werden außerordentliche Anforderungen gestellt.<br />Einerseits befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Optimierung der Wirkungs- und Liefergrade durch Kennfelduntersuchungen mit den Parametern Öleinspritzmenge und Antriebsdrehzahl. Aus den Versuchsergebnissen wurden für die verschiedenen Verdichtungsenddrücke von 10 bis 30 bar jene Parameterkombinationen bestimmt, bei denen sich die besten Wirkungs- und Liefergrade ergaben. Für 30 bar Systemdruck sind die optimierten Parameter 22,5 l/m3 spezifische Öleinspritzmenge und 4.200 1/min Antriebsdrehzahl, was einer Hauptläuferumfangsgeschwindigkeit von 24 m/s entspricht. Dabei wurden eine spezifische Leistung von 3,34 (m3/h)/kW, ein Liefergrad von 0,7 und ein isothermer Wirkungsgrad von nur 0,32 erhalten. Im Vergleich dazu weist ein zweistufiger Kolbenkompressor im gleichen Leistungsbereich einen isothermen Wirkungsgrad von 0,44 auf.<br />Andererseits wurde der Wärmeübergang am Kompressorausgang untersucht.<br />Dazu wurde eine horizontale, gerade, gut wärmeisolierte Messstrecke direkt am Druckstutzen des Kompressors angeordnet. Im Messrohr liegt eine Zweiphasenströmung aus Druckluft und Kühlöl vor. Die Berechnung der Druckluftendtemperatur wurde über eine Energiebilanz vorgenommen. Für 30 bar Systemdruck und optimierte Parameter liegt diese bei 180 °C und damit weit unter dem Flammpunkt des verwendeten Öls (Mobil SHC 626) von 245°C. Der Temperaturausgleich zwischen Druckluft- und Kühlölphase findet allerdings erst nach dem Kompressor statt. Die Strömungsform im Messrohr wurde als Filmströmung bestimmt, die sich an der Grenze zu einer Schwallströmung befindet. Es wurden sehr gute Wärmeübergangszahlen von 120 bis 180 W/m2K und damit eine mittlere Abkühlung der Druckluftphase in der Messstrecke (700 mm Länge) von 10 bis 25°C erreicht. Schließlich konnte gezeigt werden, dass ein öleingespritzter Schraubenkompressor mit synthetischem Kompressoröl betriebssicher im 30 bar Druckbereich arbeiten kann.<br />

For the production of compressed air up to 30 barg, a test bench for a small single-stage oil-injected screw compressor for air with a power consumption of up to 40 kW was developed. The used compressor has a high built-in volume ratio of [theta] = 5,35 and is therefore suitable for high pressures. In addition to the usual oil injection, an oil injection in the suction-pipe was included. With this, the specific oil-injection volume could be increased up to 38 l/m3. Due to the high pressures, the compressor is mechanically and thermally stressed.<br />Especially, the axial bearing of the main rotor and the used oil are demanded extraordinarily.<br />On the one hand, this work is dealing with the optimization of the efficiencies by using examinations on the parameters oil-injection volume and rotor speed. For various pressures ranging between 10 and 30 barg, those combinations of parameters giving the best efficiencies were chosen from the results of the experiments. For a pressure of 30 barg, the optimized working conditions were found for a specific oil-injection volume of 22,5 l/m3 and a rotor speed of 4200 rpm corresponding to a main rotor tip-speed of 24 m/s. With these parameters, a specific power consumption of 3,34 (m3/h)/kW, volumetric efficiencies of 0,7 and isothermal efficiencies of only 0,32 were obtained. By comparison, a two-stage piston compressor reaches isothermal efficiencies of 0,44 for the same operating conditions.<br />On the other hand, the heat transmission at the exit of the compressor was characterized. Therefore, a straight, thermally well isolated tube of measurements was placed horizontally at the pressure side of the compressor. Air and oil present within the measuring tube were shown to build a two-phase flow. The temperature of the compressed air was calculated using a thermal balance and was determined to be 180°C at a pressure of 30 barg and under optimized working conditions. It lies therefore underneath the flashing point of the used oil (Mobil SHC 626) of 245°C. The temperature equalization takes place after the compressor.<br />The shape of the two-phase flow within the measuring tube was determined to be an annular flow at the border to a slug flow. Good heat transmission coefficients ranging between 120 and 180 W/m2K and a cooling of the air-phase within the measuring tube (700 mm in length) by 10 to 25°C were obtained. Finally, it could be shown that an oil-injected screw compressor operating with synthetic compressor oil can work safely at a pressure of 30 barg.