Schraubenverdichter für Kälteanlagen können in Einrotor- und Zweirotorschraubenverdichtern unterschieden werden. Grundsätzlich wird jedoch immer nur ein Schraubenrotor im Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben. Schraubenverdichter gibt es in einer deutlich größeren Leistungsbreite als Kolbenverdichter. Für H-FKW Kältemittel dominieren halbhermetische Verdichter, während für natürliche Kältemittel wie Ammoniak hauptsächlich offene Schraubenverdichter eingesetzt werden. Neuere Entwicklungen sind halbhermetische Verdichter auch für Ammoniak, die darauf aufgebaute Flüssigkeitskühlsätze weniger komplex und wartungsärmer machen.

Die Kälteleistung von Schraubenverdichtern kann enorm variieren. Bei einem Fördervolumen von ca. 120 bis 13.000 m3/h sind Kälteleistungen bis zu > 10 MW je Verdichter möglich (abhängig vom Kältemittel und von den Betriebsbedingungen). Basierend darauf werden auch sehr große Flüssigkeitskühlsätze mit einem Verdichter oder auch als Duo-Pack mit zwei Verdichtern angeboten. Schraubenverdichter zeichnen sich durch eine kontinuierliche Kompression aus und arbeiten dadurch vibrationsarm, denn es treten nur Drehbewegungen auf. Sie sind sehr kompakt und zuverlässig und können aufgrund der offenen oder halbhermetischen Bauart gut gewartet werden. Die Drehzahl beträgt bei 50 Hz 2.900 U/min, kann aber je nach Baugröße und mit Hilfe von Frequenzumformern bis zu 100 Hz, also 6.000 U/min variieren. Bei halbhermetischer Ausführung wird das Sauggas über die Motorwicklung geführt und diese gekühlt, gleichzeitig wird das Kältemittel (Sauggas) weiter überhitzt.

Da zwischen den Rotoren ein enger Spalt existiert, muss dieser durch Öl abgedichtet werden, um die Spaltverluste zu verkleinern. Eine weitere, wesentliche Aufgabe des Öls besteht in der Schmierung der Lager und beweglichen Teile. Weiterhin nimmt das Öl im Verdichter Wärme des verdichteten Kältemittels auf, wodurch insbesondere bei Ammoniak-Schraubenverdichtern deutlich geringe Druckgastemperaturen im Vergleich zu Kolbenverdichtern vorherrschen. Dem Ölkühler kommt hier eine besondere Stellung zu, dieser ermöglicht die niedrigen Druckgastemperaturen. Das Öl wird in der Regel an verschiedenen Stellen im Verdichter eingespritzt und im nachgeschalteten Ölabscheider wieder vom Kältemittel getrennt.

Zusammenfassung Funktion des Öls beim Schraubenverdichter:

• Schmierung der Rotoren
• Abdichtung zwischen den Rotoren
• Kühlung des Verdichtungsprozesses

Die Ölschmierung funktioniert durch den Differenzdruck, der zwischen Hochdruckseite und Einspritzstelle erzeugt wird. Einspritzung in Lager und Profil sind auf dem Mitteldruckniveau. Dieser Differenzdruck wird steuerungsseitig überwacht, da eine unzureichende Schmierung zum Totalschaden des Verdichters führen kann. Die jeweils zulässige minimale Druckdifferenz richtet sich nach Verdichterausführung und Kältemittel. Zusätzlich erfolgt eine kontinuierliche Überwachung der Druckgastemperatur. Übersteigt diese einen bestimmten Sollwert, wird gegebenenfalls flüssiges Kältemittel in den Verdichter eingespritzt (liquid injection). Dadurch wird die Öl- und Heißgastemperatur reduziert und ein sicherer Betrieb gewährleistet.

Der Anschluss für die Flüssigkeitseinspritzung oder für den Economiser-Betrieb ist serienmäßig an Schraubenverdichtern vorhanden und muss kälte- und regelungstechnisch angeschlossen werden (nähere Informationen enthält Bild 1). Bei Ammoniakanwendungen findet die Flüssigkeitseinspritzung keine Anwendung.

Grundsätzlich unterscheiden sich die Ölkreisläufe von F-Gas-Schraubenverdichtern und Schraubenverdichtern für Ammoniak durch die Verwendung löslicher oder unlöslicher Öle. Für F-Gas-Anwendungen, Propan und Isobutan werden lösliche Öle eingesetzt, eine Ölverlagerung durch Ölabscheidung an „unerwünschten“ Stellen im Kältekreis ist bei korrekter Dimensionierung der Anlage daher kaum möglich. Das Kältemittel Ammoniak verlangt kältemittel-unlösliche Öle. Für eine sorgfältige Ölabscheidung in unmittelbarer Nähe zum Verdichter ist deshalb Sorge zu tragen, um Ölverlagerungen in entfernte Anlagenteile zu vermeiden. Diese Anforderung ist im Flüssigkeitskühlsatz auf Grund seiner Kompaktheit und anlagentechnischen Geschlossenheit gelöst.

Für Reparatur- und Wartungszwecke kann der Verdichter geöffnet und vollständig zerlegt werden, unabhängig davon, ob offene oder halbhermetische Ausführung. Bei semihermetischen Verdichtern sind Ölsumpf und Ölschauglas im Verdichter integriert, die Ölwannenheizung wird als Elektroheizstab ausgeführt und ist problemlos austauschbar.

Die Einsatzgrenzen für Schraubenverdichter sind weit definiert und abhängig vom verwendeten Kältemittel und Anlagenkonzept. Für F-Gas-Nutzung bei Klima- und Prozessanwendungen werden häufig Einsatzgrenzen von −15 °C Verdampfungstemperatur bis zu 70 °C Verflüssigungstemperatur genannt. Sind die Applikationen Schockfroster oder Kühlräume sind auch mit HFKW´s Temperaturen bis -40°C erreichbar. Schraubenverdichter für Ammoniak werden für Temperaturen von −40 °C saugseitig bis zu 90 °C Verflüssigungstemperatur eingesetzt. Den Herstellerhinweisen betreffend Zusatzkühlung und Teillastverhalten ist Beachtung zu schenken (Bild 2). Einen guten Überblick verschiedenster Kältemittel gibt der KÄLTEMITTELREPORT der Firma BITZER, dieser wird kontinuierlich aktualisiert.

Schraubenverdichter sind normalerweise auf ein bestimmtes (inneres) Volumenverhältnis (Vi) bzw. Druckverhältnis optimiert. Das bedeutet, dass sie für einen definierten Verflüssigungsdruck im Verhältnis zum vorgesehenen Verdampfungsdruck die höchste Leistungszahl erreichen, im Teillastbetrieb bei sich ändernden Verflüssigungsdruck verschlechtert sich die Effizienz. Um dem entgegenzuwirken und bei jedem Betriebszustand das optimale innere Volumenverhältnis bereitzustellen, sind moderne und energieoptimierte Schraubenverdichter mit variablem Volumenverhältnis und Frequenzumrichter ausgerüstet. Das wirkt sich besonders auf eine deutliche Verbesserung der Teillasteffizienz aus, ist also wichtig für Flüssigkeitskühlsätze im Klimabereich, die oft in Teillast arbeiten. Durch einen zusätzlichen ölhydraulischen Steuerschieber kann die Rotorförderlänge dem Leistungsbedarf angepasst werden.

Damit vergrößern sich zusätzlich die Einsatzgrenzen, da sich das minimal notwendige Druckverhältnis verringert. Die bestmögliche Anpassung des Vi wird möglich bei einer Leistungsregelung des Verdichters mit Frequenzumformer. Da dann kein Regelschieber für die Leistungsregelung benötigt wird, kann der Vi-Regelschieber für einen deutlich größeren Vi-Regelbereich konstruiert werden. Idealerweise positioniert die Verdichter Steuerung den Leistungsschieber beim Abschalten so, dass der Verdichter beim Neustart entlastet anläuft. Bei Betrieb mit Frequenzumrichter ist eine vollständige Entlastung nicht notwendig, somit erreicht der Verdichter auch bei niedriger Drehzahl schneller den gewünschten Betriebszustand.

Da Flüssigkeitsschläge zur vollkommenen Zerstörung des Verdichters führen können, muss insbesondere beim Start des Verdichters konstruktiv (Rohrleitungsführung/Startregime) für ein möglichst flüssigkeitsfreies Sauggas Sorge getragen werden. Grundsätzlich haben bauartbedingt Schraubenverdichter eine höhere Toleranzschwelle gegen Flüssigkeitsschläge als Kolbenverdichter.

Die Ein-Aus-, Saugdruck- und Heißgas-Bypassregelung kann angewendet werden (sind aber nicht mehr gängig), bei Schraubenverdichtern finden hauptsächlich folgende Anwendungen Einsatz:

► Stufenlose oder stufige Leistungsanpassung durch Leistungsschieber

Hierbei wird ein Leistungsschieber idealerweise über den Öldruck verschoben. Dies geschieht stufenlos oder stufig (drei, vier oder sechs Stufen), abhängig von Hersteller und Ausführung. Der stufenlose Regelbereich beträgt zwischen 25 bis 100% oder 50 bis 100%, größere Schraubenverdichter können bis zu 10 % der maximalen Förderleistung hinab regeln. Durch die Verschiebung des Leistungsschiebers wird die Steuerkante (oder Ansaugkante) des Verdichters verschoben. Dadurch wird der Sauggasstrom (Massenstrom) an den jeweiligen Bedarf angepasst.

Beim Abschalten der Verdichter fährt der Leistungsschieber ganz auf, dadurch ist ein entlasteter Wiederanlauf mit Minimallast möglich, der Anlaufstrom wird reduziert.

► Drehzahländerung durch Frequenzumformer

Da bei Regelschieberbetrieb die Summe der Verluste, verglichen mit der abgegebenen Leistung im Teillastbetrieb, prozentual zunimmt, wird für Anwendungen mit häufigen Teillastbetrieb der Betrieb am Frequenzumrichter empfohlen. Die Effizienz im Teillastbetrieb wird dadurch deutlich erhöht, jedoch aufgrund von Verlusten durch den FU (ca. 2-5%, je nach Drehzahl) die Volllasteffizienz etwas reduziert. Bild 5 zeigt dies anschaulich.

Der Regelbereich kann mit 20 bis 100 Hz definiert werden. Ausführungen sind mit angebauten oder externen Frequenzumformern erhältlich. Die Regelung kann über Drehzahl und Leistungsschieber oder nur über die Drehzahl erfolgen. Im Abschaltvorgang bzw. bei der sogenannten Stopsequenz fährt der Frequenzumrichter auf minimale Drehzahl/Frequenz zurück, erst dann erfolgt ggf. die mechanische Entlastung über die Schieber.

In beiden Fällen ist eine genaue Abstimmung des Verdichters, des Elektromotors, des Ölrückführsystems, des Frequenzumformers und der Steuerung der Anlage nötig. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Leistungserhöhung durch übersynchronen Betrieb. Zum Beispiel kann hier die Auslegung auf 70 Hz erfolgen, Leistungsspitzen können aber mit 90 Hz abgefahren werden, wenn der Verdichter es zulässt. Je genauer das Lastprofil bekannt ist, umso besser kann die Auslegung des Verdichters und dessen Regelbereichs erfolgen.

Die sogenannte Twin-Screw besteht aus zwei Rotoren, von denen der nur der Hauptrotor direkt über den Motor angetrieben wird. Dieser Hauptrotor hat schraubenförmig angeordnete Vorsprünge, der zweite Rotor besitzt schraubenförmig angeordnete Nuten. Diese greifen ineinander und der nicht angetriebene Rotor (Nebenrotor) wird mitgenommen. Die Rotoren haben jeweils unterschiedliche Gangzahlen wodurch in axialer Richtung wandernde Verdichtungsräume entstehen, die zum Austritt auf der Druckseite immer kleiner werden. Die Geometrie der Rotoren und deren jeweiliges Zähnezahl Verhältnis unterscheiden sich von Hersteller zu Hersteller. Die Oberflächengüte der Rotoren entscheidet dabei maßgeblich über die notwendige Spalte zwischen den Rotoren und die daraus resultierenden Spaltverluste. Der Ölfilm zwischen den Rotoren sorgt während des gesamten Betriebs dafür, dass die Rotoren nicht aneinander reiben. In der Regel erfolgt ein Direktantrieb der Verdichter, es gibt aber auch einen Hersteller, der mit einem Zwischengetriebe arbeitet.

Während des Betriebs treten abhängig vom Druckverhältnis kalt/warm und der Länge der Rotoren und der zulässigen Drehzahl erhebliche axiale und radiale Lasten auf. Dem muss durch eine geeignete Lagerung der Rotoren entgegengewirkt werden. Technisch sind die industriellen Schraubenverdichter so ausgereift, das umfangreichere Lagerwechsel frühestens nach 50.000 Betriebsstunden erforderlich werden. Neben einer durchdachten Lagerung der Rotoren gibt es weitere technische Maßnahmen, die einen vorzeitigen Verschleiß beweglicher Teile verhindert. Dazu gehören z. B. der Gasschwingschutz, dies sind Bohrungen im Gehäuse, die ein Schwingen der Rotoren verhindern und der Ausgleichskolben, dies ist ein ölhydraulisch betätigter Kolben in Gegenrichtung zu den axialen Kräften. Die Lebensdauer eines gut gewarteten und immer im Betriebsfeld arbeitenden Schraubenverdichters beträgt abhängig von den Betriebsbedingungen bis zu 25 Jahre. Ausführung in halbhermetischer (Bild 6) oder offener (Bild 7) Bauart möglich.

Die sogenannte Monoscrew besteht aus einem Hauptrotor und zwei Nebenrotoren. Der Hauptrotor ist direkt mit dem Motor gekoppelt und mit zwei diametral gegenüberliegenden Nebenrotoren verzahnt. Der gleichzeitige Ablauf der Ansaug- und Verdichtungsphase auf beiden Seiten des Hauptrotors führt zu einer fast vollständigen Aufhebung der radialen und axialen Lasten. Im kleineren Leistungsbereich (Fördervolumen bis 290 m3/h) sind auch Verdichter mit nur einem Nebenrotor erhältlich. Hierbei entfallen vorgenannte Vorteile, da die Verdichtung nur einseitig ausgeführt wird. Die notwendige Kontaktfläche der Rotoren (Schmierfläche) ist sehr gering, somit kann mit relativ wenig Öl ausgekommen werden. Die Leistungsregelung erfolgt auch über Leistungsschieber. Beim Start sind beide Leistungsschieber geöffnet, danach fährt einer variabel bis 50% Teillast zu. Ist diese Position erreicht, fährt der zweite Schieber zu und der variable Schieber geht wieder in Ausgangsposition zurück.

Seit einiger Zeit gibt es Hersteller, die für den industriellen Einsatz auch semihermetische Schraubenverdichter für Ammoniak (Bild 8) als Kältemittel anbieten. Dies soll in erster Linie die Robustheit und Einsatzbreite des offenen Schraubenverdichters mit der erhöhten Sicherheit des hermetischen Verdichters in Hinsicht auf mögliche Kältemittelundichtigkeit kombinieren. Während beim offenen Schraubenverdichter eine Gleitringdichtung die rotierende Antriebswelle gegen die Umgebung abdichtet, befinden sich beim semihermetischen Verdichter der Verdichterteil und der Elektromotor in einem gemeinsamen, verschraubten Gehäuse. Dadurch wird keine Gleitringdichtung mehr benötigt. Da Ammoniak jedoch ungeschützte Kupferoberflächen sehr schnell korrodiert, müssen spezielle Motoren verwendete werden.

Bei der Motorkühlung haben sich zwei Wege herauskristallisiert:

► Indirekte Motorkühlung

Dabei werden normal kupfergewickelte Motoren verwendet, die Kühlung der Motoren erfolgt durch in einem Doppelmantel strömendes Ammoniak, bisher nur bei kleineren Verdichtern (< 200 kW) verfügbar.

► Direkte Motorkühlung

Hier werden die Motoren, wie bei H-FKW Verdichtern üblich, direkt durch über die Wicklungen strömendes Kältemittel-Öl-Gemisch gekühlt. Um den Motor vor dem korrosiven Ammoniak zu schützen, können die Motorwicklungen z. B. aus Aluminium sein. Dies hat jedoch erhebliche Effizienzeinbußen zur Folge, dem dann durch Einsatz von Permanentmagnetmotoren entgegengewirkt wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kupferwicklung durch eine geeignete Beschichtung dauerhaft vor dem Kältemittel zu schützen. Dies ermöglicht effiziente Motoren und kompakte, einfach aufgebaute Verdichter inklusive Motor. Diese neu entwickelten Verdichter sind auch für sehr kompakte Flüssigkeitskühlsätze in Klimaanwendungen verbaut worden. Vorteilhaft ist der geringere Wartungsaufwand und die geringe Kältemittelfüllmenge bezogen auf die Kälteleistung.

Schraubenverdichter sind seit mehreren Jahrzehnten fester Bestandteil in der Klima- und Kältetechnik. Bei H-FKW und HFO Kältemitteln sind die Kaltwassersätze und Wärmepumpen bis zu Leistungen von 2.5 MW vorgedrungen und haben die Turboverdichter teilweise verdrängt. Geringere Investitionskosten und höhere Redundanz aufgrund Mehrverdichter- bzw. Mehrkreisausführung sind die Gründe hierfür. Im kleineren Leistungsbereich findet jetzt umgekehrt eine Verdrängung der Schrauben durch Turboverdichter statt, da immer mehr Hersteller mit den magnetgelagerten Ausführungen zur Marktreife gelangen. Bei Ammoniak als Kältemittel steht die Schraube mit den Hubkolben im Wettbewerb. Besonders im Bereich über 5 MW pro Einheit wird der Schraubenverdichter bevorzugt, Gründe hierfür ist die kompaktere Bauweise, niedrigere Schallemissionen und geringere Investitionskosten.

Weiterführende Artikel zu diesem Thema:

Turboverdichter bei HFO Anwendungen

Hubkolbenverdichter bei Industriewärmepumpen

Seminarangebot zu diesem Thema:

Großwärmepumpen und Hochtemperaturanwendungen – Schwerpunkt Dampferzeugung und Pinch-Analyse