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Einstufiger Kolbenverdichter für höheren Enddruck
Die Erfindung betrifft einen einstufigen Kolbenverdichter für Druckluft-Erzeugung zum Betrieb von Pressluftwerkzeugen in mechanischen Werkstätten, Steinbrüchen und im Strassenbau.
Pressluftwerkzeuge benötigen im allgemeinen einen Luftdruck von 5 bis 7 ata. Bis zu einem Enddruck von 6 bis 7 ata im Dauerbetrieb kann bekanntlich die Verdichtung einstufig erfolgen, da erfahrungsgemäss bei wassergekühltem Kompressor die Endtemperatur der Druckluft 200 C nicht überschreitet. Für die Versorgung kleiner Betriebe mit wenig angeschlossenen Werkzeugen genügen demnach einstufige Kolbenverdichter.
Grössere Betriebe mit mehr verzweigtem Druckluftnetz zur Versorgung vieler Pressluftgeräte verwenden im allgemeinen Verdichter für 8-10 ata Enddruck, u. zw. zwecks Ausgleich der höheren Leitungsverluste und Vergrösserung der Speicherfähigkeit. Derartige Verdichter werden in der Kolbenbauart mit hin-und her- gehendem Kolben und als Drehkolbenverdichter zweistufig, als Turbokompressoren vielstufig aus- geführt. Einstufige Ausführung ist auch nach der Kolbenbauart nachteilig wegen der höheren
Endtemperatur der Druckluft z. B. hinsichtlich Öldampfbildung, Ölbrandgefahr und Neigung zum Verschmutzen der Druckventile durch Ölkoksbildung.
Bei mehrstufigen Verdichtern erfolgt bekannt- lich die Aufteilung des Druck-und Temperatur- gefälles in der Weise gleichmässig auf die einzelnen Stufen, dass z. B. bei zweistufiger Verdichtung der Zwischendruck dem Werte nach der Quadratwurzel aus dem Enddruck entspricht. Unter Zugrundelegung einer praktisch zulässigen Endtemperatur der Druckluft von maximal 200 C nach jeder Stufe, die einer sechs-bis siebenfachen Verdichtung entspricht, kann daher bei reichlicher Zwischenkühlung der zweistufige Kolbenverdichter wirtschaftlich und betriebssicher bis 36 ata bzw. 49 ata Enddruck angewandt werden.
Im vorliegenden Fall bedeutet demnach die Verwendung eines zweistufigen Kolbenverdichters für bloss 8 bis 10 ata Enddruck gewissermassen eine Verschwendung.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass zur Herstellung eines höheren Enddruckes von z. B. 8 bis 10 ata ein einstufiger Kolbenverdichter verwendet wird, bei welchem mit Hilfe eines einfachen Roots-oder Kapselgebläses von z. B. 1-5 ata vorverdichtete, gekühlte Gebläseluft nachgeladen und zu diesem Zweck ein grosser Speicherraum unmittelbar vor den Nachladeschlitzen im unteren Zylindermantel vorgesehen wird. Das Nachladen von vorverdichteter, gekühlter Gebläseluft durch Schlitze in der Zylinderwand bei Verdichtern ist an sich bekannt. Wird die Gebläseluft vor Eintritt in den Kolbenverdichter auf annähernd Frischlufttemperatur rückgekühlt, dann ist im Kolbenverdichter ohne weiteres eine sechsfache Verdichtung von z. B.
1-5 ata auf 9 ata möglich, also auf einen Enddruck, der auch für weit verzweigte Pressluftnetze ausreicht.
Ferner lässt sich eine beträchtliche Verminderung der Gebläsegrösse in der Weise erreichen, dass der Saughub des Kolbenkompressors zur Vorfüllung eines Teiles des Hubraumes auf atmosphärischen Druck verwendet wird.
Aus der Zeichnung ist eine beispielsweise
Ausführung eines Kolbenverdichters nach der
Erfindung zu entnehmen.
Bei dem Verdichter gemäss der Erfindung wird während des Saughubes (Fig. 1) durch den
Kolben k vorerst Frischluft über den Saug- kanal a und das Saugventil b mit den selbst- tätigen Ventilplatten c in den Hubraum d ein- gesaugt. Im unteren Teil des Zylinderblockes ist unterhalb und neben dem Kühlwasserraum e ein Gebläseluftspeicher f vorgesehen, dessen
Volumen noch durch eine angebaute Haube g vergrössert werden kann. Die gekühlte Gebläse- luft tritt bei h in den Speicher f. Wenn sich der Kolben k der unteren Hublage nähert, werden Schlitze i freigelegt, die vom Speicher in den Hubraum münden. Es strömt nun vor- verdichtete Gebläseluft in den Zylinder. Die federbelasteten Platten c des Saugventils schliessen, sobald der Druck im Zylinder den Aussenluft- druck erreicht hat.
Je nach Grösse des Luft- speichers, der Schlitze i und der Drehzahl erfolgt eine Aufladung des Zylinderinhalts auf einen
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Druck, der sich mehr oder weniger dem Gebläsedruck nähert. Das Nachladen ist beendet, sobald der aufwärts gehende Kolben die Schlitze i wieder abschliesst. Auch dann, wenn die Gebläseluft nur zum Teil rückgekühlt wurde, wird sich wegen der mässigen Temperatursteigerung im niedrigverdichtendem Gebläse durch die Mischung im Zylinder mit der vorher angesaugten Frischluft eine Temperatur vor der Verdichtung ergeben, die unbeträchtlich über der Frischlufttemperatur liegt. Damit ist eine Verdichtung von etwa 1. 5 auf 9 bis 10 ata möglich, ohne dass die Endtemperatur von 200 C überschritten wird.
Fig. 1 zeigt das Ende des Einströmens durch die Saugventile, bevor der Kolben die Nachladeschlitze freilegt. Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt in Höhe der Schlitze.
Bei hohen Drehzahlen wird die Zeit, die für das Nachladen zur Verfügung steht, verhältnismässig kurz. Anderseits soll die Schlitzhöhe, durch die sowohl der Ladequerschnitt als auch die Ladezeit beeinflusst wird, möglichst niedrig bleiben, umsomehr, als bei raschlaufenden Kolbenverdichtern zwecks Herabsetzung der Massenkräfte und der Bauhöhe der Kolbenhub in der Regel kleiner als der Zylinderdurchmesser ausgeführt wird. Es sind daher für die möglichst volle Auffüllung des Zylinders auf den Gebläsedruck noch folgende Massnahmen von Vorteil :
1. Vergrösserung des Ladequerschnittes durch Verteilung der Schlitze i über den ganzen Zylinderumfang.
2. Vergrösserung des Speichers f vor den Ladeschlitzen i. Im Speicher f herrscht nämlich der höchste Druck vor dem Öffnen der Schlitze, weil während der vorhergehenden Verdichtungund Ansaugperiode keine Gebläseluft entnommen wurde. Während des Nachladens sinkt der Druck im Speicher, er hat seinen kleinsten Wert unmittelbar vor oder zum Zeitpunkt der Beendigung des Nachladens, wenn der hochgehende Kolben die Schlitze abschliesst. Je grösser nun das Speichervolumen ist, desto geringer wird diese Drucksenkung, desto höher damit der Druck im Zylinder vor Beginn der Verdichtung.
3. Bei hoher Drehzahl ist für höchste Füllung erforderlich, dass die unvermeidlichen Drosselungsverluste bei dem pulsierenden Einströmen auf dem Weg vom Speicher zum Zylinder und der dadurch bedingte Druckabfall gering ausfallen. Dies wird dann erreicht, wenn die Schlitze allseits vom Speicher umgeben sind, so dass unter Vermeidung von Kanälen usw. die Ladeluft vom Speicher unmittelbar in den Zylinder gelangt.
4. Bei hoher Drehzahl ist es wichtig, dass die Durchströmung der Schlitze bei Beginn des Nachladens mit hoher Geschwindigkeit einsetzt.
Da diese Ausströmung im vorliegenden Fall unterkritisch verläuft, ist hiefür die Druckdifferenz zwischen Speicher und Zylinder massgebend. In diesem Fall ist es vorteilhaft, durch
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Verkleinerung der Saugventilquerschnitte, die bei hoher Drehzahl zwecks Herabsetzung der bewegten Ventilmassen ohnehin erwünscht ist, vor Beginn des Nachladens im Zylinder einen Unterdruck zu erzeugen, so dass beim Öffnen der Schlitze i durch den grösseren Druckabfall vom Speicher zum Zylinder das Nachladen sofort mit der erwünschten höheren Geschwindigkeit einsetzt.
Demnach erfolgt die möglichst vollkommene Auffüllung trotz der sehr kurzen Nachladen. bei hohen Drehzahlen durch gleichzeitige Anwendung der unter 1-4 angeführten Massnahmen.
Fig. 3 zeigt den Kolben in der unteren Totlage. Die Fig. 3 und der zugehörige Schnitt in Höhe der Schlitze, Fig. 4 zeigen die Verteilung der Schlitze über den ganzen Umfang.
Der Speicher 1 erfüllt der Länge und Breite nach den ganzen Raum im Zylinderblock zwischen Kühlwasserraum a und Kurbelkasten m.
Der wirtschaftliche Vorteil der erfindunggemässen Anordnung besteht darin, dass durch das Nachladen die Liefermenge des Vorverdichters auf etwa die Hälfte des Hubraumes der ansonst erforderlichen ersten Verdichterstufe herabgesetzt und gleichzeitig die erste Verdichterstufe durch ein wesentlich einfacheres Gebläse ersetzt wird.
Das beschriebene Verfahren bietet keine Schwierigkeiten hinsichtlich Regelung auf Nullförderung. Für den Kolbenkompressor kann z. B. die bekannte Greiferregelung angewendet werden, bei welcher für die Nullförderung die Saugventilplatte durch Druckluftwirkung auf einen Greifer ständig offen gehalten wird, so dass die vorher angesaugte bzw. nachgeladene Luft beim Verdichtungshub durch das offene Saugventil ins Freie geschoben wird. Für das Gebläse wird gleichzeitig-ebenfalls durch Druckluftwirkung-ein Entlastungsventil am Speicher oder in der Gebläseleitung geöffnet, welches die Gebläseluft ins Freie entweichen lässt und dadurch den Gegendruck im Gebläse herabsetzt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einstufiger Kolbenverdichter für höheren Enddruck, bei welchem vorverdichtete, gekühlte Gebläseluft durch vom Kolben freigelegte Schlitze im unteren Zylindermantel nachgeladen wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines einfachen, auf etwa 1-5 5 ata vorverdichtenden Roots-oder Kapselgebläses und durch die Anbringung eines grossen Speicherraumes unmittelbar vor den Nachladeschlitzen (i).