Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der mehrstufigen Kompression von Anlagen mit mindestens einem Kolbenkompressor. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der mehrstufigen Kompression von Anlagen mit mindestens einem Kolbenkom pressor bei Betrieb mit verschiedenen Ge samtkompressionsverhältnissen und eine Vor richtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Verringert sich bei der mehrstufigen Kompression das Gesamtdruckverhältnis sehr wesentlich, indem sich der Saugdruck der ersten Stufe erhöht oder der Enddruck der letzten Stufe wesentlich erniedrigt, gege benenfalls auch wenn beides zusammentrifft. so wird bei den bekannten Anlagen, die mit veränderlichem Enddruck arbeiten und höch stens eine Regelung der Gesamtförderleistung aufweisen, bei den kleineren Enddrücken eine Kompression in der oder den letzten Druck stufen nicht mehr stattfinden und das kom primierte Medium lediglich ohne weitere Kom pressiondurch die Kompressorzylinder dieser Stufen hindurchgedrückt werden.
Insbesondere bei Wärmepumpenanlagen haben die Kompressoren in verschiedenen Jahreszeiten sehr verschiedene Gesamtkom pressionsverhältnisse zu überwinden. Bei sehr kalter Witterung ist die beispielsweise aus einem Flusslauf entzogene Umweltwärme von dem tiefen Temperaturniveau des kalten Fluss wassers auf das in solchen Zeiten sehr hohe Temperaturniveau des Heizwassers zu pum pen. Somit ist das zu überwindende Tempera turgefälle und entsprechend das Druckgefälle bzw. das Gesamtkompressionsverhältnis in die- sen Zeiten am grössten.
In Übergangszeiten hingegen, wenn .die Aussentemperaturen höher sind, ist in der Regel auch die Temperatur des Flusswassers höher als im ersten Fall; ausser dem muss zur Erzeugung einer genügenden Heizleistung das Heizwasser weniger warm sein. Infolgedessen wird die Wärme weniger hoch gepumpt, und der Kompressor hat ein wesentlich geringeres Druckgefälle zu über winden.
Nun müssen aber die Kompressoren einer '%Tärmepumpenänla"ge einerseits für das maxi mal vorkommende Druckgefälle, anderseits für die maximale Fördermenge -beim kleinsten vorkommenden Druckgefälle bemessen werden. Das maximale Druckgefälle bestimmt die An zahl Kompressorstufen, in der Regel zwei bis drei, die maximale Fördermenge das Förder volumen jeder Stufe. Verringert sich nun das Druckgefälle in Übergangszeiten so stark, dass es von der ersten Kompressorstufe allein be wältigt werden kann, so wird das zu fördernde Medium bei bekannten Anlagen ohne weitere Drucksteigerung durch die nachfolgenden höheren Kompressionsstufen hindurchgescho ben.
Bei der Verwendung von Kompressoren mit Stufenkolben und ausgeglichenen Förder- drücken hat eine solche zeitweilig einstufige Kompression eine einseitige Beanspruchung des Antriebsgestänges zur Folge. Der Aus gleich der Konstruktionskräfte wird dadurch gestört. Ausserdem ergibt sich ein unruhiger Lauf des Kompressors und eine Zunahme des Verschleisses.
Wird eine Wärmepumpen anlage mit stufenweiser Entspannung des ver flüssigten Wärmeträgers unter jeweiliger Ab saugung der dabei gebildeten Dämpfe durch die jeweils nachfolgende Kompressorstufe be trieben, so könnte der plötzliche Ausfall einer oder mehrerer Kompressorstufen grosse Schwierigkeiten in der Regelung des flüssigen Wärmeträgers verursachen. Auf alle Fälle wären Umschaltungen vorzunehmen, die bei automatischem Betrieb der Wärmepumpen anlage eine beträchtliche Komplikation und eine Verteuerung derselben zur Folge hätten.
Das Verfahren gemäss der Erfindung er möglicht Beseitigung dieser Nachteile und be steht darin, dass bei Änderung des Gesamt- kompressionsverhältnisses die Förderverhält- nisse mindestens einer über der ersten Stufe liegenden Kolbenstufe geändert werden. Bei der Vorrichtung zur Ausführung des Verfah rens weist mindestens eine über der ersten Stufe liegende Kolbenstufe Mittel zur Ände rung ihres Förderverhältnisses auf.
Auf der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele der Einrichtung gemäss der Er findung schematisch dargestellt, und es wird an Hand derselben das erfindungsgemässe Ver fahren beispielsweise erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 eine Wärmepumpenanlage, Fig. 2 den Querschnitt durch die zwei stufige Wärmepumpe der Anlage nach Fig. 1, Fig. 3 eine Vorrichtung zum Offenhalten des Saugeinlasses zu Beginn des Druckhubes einer Stufe, mit dem Empfänger des Steuer impulses, Fig. 4 den Geber für Steuerimpulse zur Änderung der gesamten Förderung der An lage bzw. der Förderverhältnisse einer Stufe, Fig. 5 ein Diagramm für die Änderung der Förderverhältnisse einer Stufe bei Än derung des Gesamtdruckverhältnisses, Fig.
6 den Kompressor einer Kälteanlage mit Regelung der Förderverhältnisse der zwei ten Stufe, Fig. 7 ein Diagramm der Zwischendrücke für verschiedene Gesamtdruckverhältnisse, Fig. 8 einen Kompressor einer Vakuum anlage, mit veränderlichem schädlichem Raum, Fig. 9 ein Diagramm für ein Programm schaltwerk.
Die Wärmepumpenanlage in Fig. 1 hat einen mehrstufigen, vom elektrischen Motor 1 angetriebenen Kolbenkompressor 2, welcher das Kältemittel aus dem Verdampfer 3 über die Saugleitung 4 ansaugt und im verdich teten Zustand durch die Druckleitung 5 in den Kondensator 6 fördert, der einen Wärme- austauscher 7 aufweist und aus dem das ab gekühlte, verflüssigte Kältemittel über die Leitung 8, das Entspannungsventil 9 und die Leitung 10 dem Verdampfer 3 wieder zuge führt wird.
Die Maschinenanlage ist in dem Maschinenhaus 11 untergebracht, von dem aus Vorlauf 12 und Rücklauf 13, die an den Wärmeaustauscher 7 angeschlossen sind, zu den_Verbrauchsstellen des Heizwassers führen, die Pumpe 14 dient zur Zirkulation des Heiz- wassers. Die Pumpe 15 saugt Wasser z. B. aus einem Flusslauf und drückt es durch die Wärmeübertragungsvorrichtung des Verdamp fern 3 in .den Flusslauf zurück.
Der zweistufige Kolbenkompressor 2 in Fig. 2 -hat drei Zylinder 16, in denen die Stufenkolben 17 arbeiten. Diese werden vom Motor 1 über das Untersetzungsgetriebe 18 und .die Kurbelwelle 19 angetrieben. Die Saugleitung 4 ist über die Saugeinlässe 20 mit den Vorrichtungen 21 zum Offenhalten der Einlässe 20 zu Beginn des Druckhubes wäh rend eines veränderlichen Teils dieses Hubes an den Raum 22 der ersten Stufe,der Zylin der 16 angeschlossen.
Der Raum 22 ist über das Druckventil 23 und die Verbindungslei- tung 24 sowie über die von der Vorrichtung 25 zum Offenhalten eingestellten Saugeinlässe 26 an den Raum 27 der zweiten Stufe ange schlossen, der über die Druckventile 28 mit der Druckleitung 5 in Verbindung steht. Die Vorrichtungen 21 zum Offenhalten der Saug einlässe 20, gleichzeitig die Empfänger für ,den Steuerimpuls zur Einstellung dieser Saug einlässe 20 der ersten Stufe, sind mittels der Impulsleitung 30 mit dem Geber 31 der Re gelvorrichtung zur Einstellung der Gesamt- förderleistung des Kompressors 1 angeschlos sen.
Die Vorrichtungen 25 zum Offenhalten der Saugeinlässe 26 sind mittels der Impuls leitung 32 mit dem Impulsgeber 33 verbun den. Der Impulsgeber 33 ist mittels der Im pulsleitung 29 an den Geber 31 angeschlossen.
Der Saugeinlass jeder Stufe besteht aus ein oder mehreren selbsttätig wirkenden Saug ventilen 20 bzw. 26 mit einer Ventilplatte 36 (Fig. 3), welche den Saugraum 22 (bzw. 27) beim Anliegen an den Ventilsitz 37 durch Zudecken der Bohrungen 38 abschliesst. Die Federn 39 kompensieren das Gewicht der Platte 36, um ein rasches Schliessen herbei zuführen. Beim Ansaugen liegt die Platte 36 am Ventilfänger 40 an, der entsprechend der Durchbrechungen der Platte mit Bohrungen 41 versehen ist.
Als Vorrichtung, die das Offenhalten des Saugeinlasses 20 (bzw. 26) zu Beginn des Druckhubes bewirkt, ist der die Ventilplatte 36 vom Sitz 37 abhebende Greifer 42 vor gesehen, der durch die Druckfeder 43 nach oben und durch die Druckfeder 44 nach unten gedrückt wird, wobei die Feder 44 bei ge nügend hoher, durch den Hilfskolben 45 er zeugter Vorspannung die Kraft der Feder 43 überwindet. Der Raum 46 ist an die Impuls leitung 30 (bzw. 32) angeschlossen, so dass der Hilfskolben 45 vom Druck in dieser Lei tung belastet wird.
Der Steuerimpulsgeber 31 (Fig. 4) hat einen Steuerkolben 48, welcher den Druck mittelzufluss 49 und den Druckmittelabfluss 50 über die Bohrung 51 mit dem Druckraum 52 verbinden kann und so den Steuerdruck in der Impulsleitung 30 bestimmt. Die Regel- leituung 53 ist an das Innere der Federdose 54 angeschlossen, deren beweglicher Deckel 55 mittels der Stange 56 mit dem Steuerkolben 48 gekuppelt ist. Die Stange 56 tritt frei durch den Federteller 57 hindurch, der mit tels des Hebels 58 und der Stange 59 in ver schiedenen Lagen festgehalten werden kann und damit die Spannung der Druckfeder 60 zu verändern gestattet.
Die Kraft der Feder (.U zusammen mit dem Druck des Druckmittels im Raum 52 auf die Gesamtfläche des Steuer- kolbens 48 halten der vom Druck aus der Lei tung 53 auf -die Innenfläche des Deckels 55 ausgeübten Kraft die Waage.
Die Wirkungsweise der Regelvorrichtung ist folgende: Zur Regelung der Heizleistung wird die Regelvorrichtung mit den Impulsgebern 31 und 33 in Abhängigkeit von einem Betriebs wert, z. B. die Vorlauftemperatur in der Heiz- wasser-Vorlaufleitung 12, eingestellt. Dazu wird beispielsweise ein Thermostat an die Lei tung 12 angeschlossen. der über die Leitung 53 den Druck in der Dose 54 entsprechend dieser Vorlauftemperatur ändert, indem z. B. bei steigender Temperatur der Druck in der Dose 54 erhöht wird.
Infolgedessen verschiebt sich der Kolben 48 nach oben und öffnet den Druckmittelzufluss aus der Leitung 49 so lange, bis der Druck im Raum 52 dem höheren Druck in der Dose 54 entspricht und den Kolben 48 wiederum in die Abschluss- stellung absenkt.
Infolgedessen ist auch der Druck in der Impulsleitung 30 erhöht worden. Der Kolben 45 und damit die Feder 44, so -uit die Saugventile 20, werden stärker be lastet; sie schliessen später und sind somit während eines grösseren Teils des Druckhubes der ersten Stufe offen, so dass die Förder- leistung der ersten Stufe und damit des gan zen Kompressors 1 zurückgeht.
Der höhere Druck in der Impulsleitung 30 belastet über die Leitung 29 auch den Ver- stellkolben 34, der ausserdem durch die Druck federn 35 und 60 belastet ist. Der Kolben 34 senkt sich und verschiebt den Federteller 57 nach oben, wodurch die Feder 60 entlastet wird. Dadurch geht der Kolben 48 des Im pulsgebers 33 ebenfalls nach oben und stellt einen höheren Druck in der Impulsleitung 32 ein. Dies hat zur Folge, dass auch die Ventile 26 länger geöffnet werden und die Förderung der zweiten Stufe ebenfalls vermindert wird, so dass die Stufendrücke in der ersten und in der zweiten Stufe auch bei der Auderung der Leistung erhalten bleiben.
Der Hebel 58 des Impulsgebers 31 kann über die Teile 35, 34, 59 auch von Hand ein gestellt werden und dient dazu, einen be- stimmten Sollwert für die gesamte Förder- leistung bei ein und derselben Vorlauftem peratur der Leitung 12 einstellen zu können, der dann mittels eines Reglers selbsttätig konstant gehalten wird.
Nun kann aber das Gesamtkompressions verhältnis pe/pa für die zweistufige Kom pression des Kompressors 2, das bei kalter Witterung z. B. acht beträgt, in Übergangs zeiten bis auf zweieinhalb absinken (Fig. 5). so dass der Enddruck pe min. nur noch das Zweieinhalbfache des Saugdruckes pa beträgt.
Um nun trotz einer derartigen Änderung des Gesamtkompressionsverhältnisses pe/pa die zweistufige Kompression erhalten zu können, werden nun die Förderverhältnisse in der zweiten Stufe entsprechend dieser Änderung geändert. Die Federdose 54 des Impulsgebers 33 ist mittels der Regelleitung 47 an die Druckleitung 5 angeschlossen, so dass der Enddruck pe der Kompression auch in der Druckdose 54 auftritt. Dadurch, dass das Ge häuse des Gebers 33 mittels der Leitung 61 an diel Saugleitung 4 angeschlossen ist, wirkt der Saugdruck pa des Kompressors 2 auf die Aussenseite der Dose 54 und die Stellung ihres beweglichen Deckels 55 entspricht dem Ge samtkompressionsverhältnis. Wenn dieses kleiner wird, z.
B. durch Absinken des End- druckes pe, so senkt sieh der Deckel 55, die Feder 60 entspannt sich, so dass der Kolben 48 nach unten geht. Die Impulsleitung 32 bzw. der Raum 52 des Gebers 33 wird mit dem Abfluss 50 verbunden, bis dass der Druck im Raum 52 sich so weit gesenkt hat, dass die Abschlussstellung des Kolbens 48 bei der geringeren Spannung der Feder 60 wieder erreicht ist. Infolgedessen ist auch der Druck in der Leitung 32 geringer, und der Kolben 45 der Empfänger 25 entspannt die Feder 44 (Fig. 3), so dass die Ventilplatte 36 schon bei einem geringeren Druck, glas heisst also früher geschlossen wird.
Der Druckhub in der zweiten Stufe beginnt damit früher, und die Förderleistung der zweiten Stufe wird gegenüber der Förderleistung der ersten Stufe unabhängig von der durch den Geber 31 ein gestellten Gesamtförderleistung erhöht. In- folgedessen sinkt der Zwischendruck in der Verbindungsleitung 24, so dass trotz des ge ringeren Enddruckes pe auch die zweite Stufe einen Teil der Verdichtungsarbeit übernimmt.
Durch das Rückströmen des Kälteträgers durch die geöffnete Ventilplatte 36 (Fig. 3), die durch Abhebegreifer 42 heruntergedrückt ist, weil die Druckkraft der vom Kolben 45 vorgespannten Feder 44 die Druckkraft der Feder 43 überwiegt, entsteht unterhalb der Platte 36 ein gewisser Staudruck. Da die Kolbengeschwindigkeit der Kolben 17 von Beginn des Druckhubes bis ungefähr zum hal ben Hub zunimmt, so nimmt auch die Rück flussgeschwindigkeit des Kälteträgers durch die geöffnete Platte 36 zu, und der Staudruck steigt entsprechend, bis die Gesamtkraft des spezifischen Staudruckes auf die Platte 36 zusammen mit .der Druckkraft der Feder 43 gleich und danach grösser werden als die Kraft der Feder 44.
Alsdann wird .der Abhebe greifer 42 angehoben und die Ventilplatte 36 schliesst. Schliesst die Ventilplatte 36 erst bei etwa 50 J% .des Druckhubes, entsprechend dem mag. Gesamtkompressionsverhältnis <B>PC/</B> pa in Fig. 5, so erfolgt in der zweiten Hälfte des Druckhubes der zweiten Stufe eine Kom pression und danach das Ausstossen des ver dichteten Kälteträgers über die Druckventile 28 in die Druckleitung 5.
Bei geringerem Druck in der Impulsleitung 32 und auf den Kolben 45 (Fig. 5) wird der Abheber 42 weniger stark belastet. Infolgedessen wird schon bei einem geringeren Staudruck unter halb der Platte 36 die Kraft .der Feder 44 überwunden und die Ventilplatte 36 der Ven tile 26 schliesst früher.
Infolgedessen findet während eines grösseren Teils des Druckhubes Kompression statt, bis beim minimalen Kom pressionsverhältnis das Fördervolumen T'I, 100 % beträgt, so dass die Saugventile der zweiten Stufe während des Druckhubes nicht mehr offengehalten werden. Der Druck in der Impulsleitung 32 sinkt so weit ab, dass der Kolben 45 der Druckfeder 44 eine Vorspan- nung gibt, welche der Spannung der Feder 43 in der obern Stellung .des Abhebegreifers 43 entspricht.
Nach Fig. 6 ist der von einem Elektro motor 1 über ein Untersetzungsgetriebe 18 angetriebene Kompressor einer Kälteanlage mit den zweistufigen Zylindern 62, in denen die Stufenkolben 63 arbeiten, mittels der Saugleitung 64 an den nicht dargestellten Verdampfer und mit der Druckleitung 65 an den ebenfalls nicht dargestellten Konden sator der Anlage angeschlossen. Da die Kälte leistung der Anlage durch Ein- und Ausschal ten des Stromes für den Motor 1 während län gerer oder kürzerer Zeit selbsttätig oder von Hand erfolgt, ist eine Regelung der Gesamt- förderleistung des Kompressors 62 nicht er forderlich.
Die erste Stufe arbeitet daher mit unveränderlicher maximaler Förderung, wäh rend die Saugeinlässe der zweiten Stufe in der bereits beschriebenen Weise durch die Vorrichtungen 67 zum Offenhalten der Saug ventile 66 zur Regelung der Förderverhält- nisse der zweiten Stufe gesteuert werden. Die Vorrichtungen 67 sind über die Impulsleitung 68 mit dem Geber 69 verbunden, der wie der Geber 33 in Fig. 2 bzw. 4 ausgebildet ist. Da sich lediglich der Enddruck in der Druck leitung 65 ändert, ist die Druckdose 54 mit tels der Leitung 47 mit der Druckleitung 65 verbunden.
In Fig. 7 ist für eine dreistufige Kom pression das Druckdiagramm mit dem An fangsdruck pa und dem maximalen Enddruck pe max. dargestellt. Der maximale Enddruck der ersten Stufe ist pI max. und der zweiten Stufe pII max., während der maximale End- druck der dritten Stufe dem Druck pe max. ent spricht. Das maximale Gesamtkompressions verhältnis pe max./pa hat den Wert acht. Wenn nun diesem maximalen Kompressionsverhält nis ein minimales mit Wert zweieinhalb gegenübersteht, so senkt sich der maximale Enddruck pe max. auf pe min., welcher nicht nur unter dem Enddruck pII max. der zweiten, son dern sogar unter dem Enddruck pI max. der ersten Stufe liegt.
Ohne Regelung würde die ganze Ver dichtung in der ersten Stufe stattfinden und das zu verdichtende Medium ohne weitere Ver dichtung durch die zweite und dritte Stufe hindurchgedrückt werden. Wird hingegen das Förderverhältnis der zweiten Stufe geregelt, so senken sich auch die Zwischendrücke pI max. und pII max. bzw. die Enddrücke der ersten und zweiten Stufe auf pI min. und pII min, Infolge dessen ist die mehrstufige Verdichtung auch beim kleinsten Gesamtdruckverhältnis ge wahrt.
Senkt sich der Druck pe max. lediglich auf pe red (Fig. 7), so ist nur die dritte Stufe ausgeschaltet, wenn nicht die Förderung der dritten Stufe geändert wird und der Zwischen druck pII max. auf den neuen Zwischendruck pII red abgesenkt wird. Der Zwischendruck pI max. kann entweder derselbe bleiben, so dass die Förderung (Fördermenge) der ersten Stufe unverändert ist, oder aber bei Änderung dieser Förderung sinkt dieser Zwischendruck auf den neuen Wert pI red.
Der Kompressorzylinder 88 (Fig. 8 ) einer Vakuumanlage ist mit seiner Saug leitung 89 an den nicht gezeichneten Zylinder der ersten Stufe angeschlossen. Diese erste Stufe kann sowohl ein Kolbenkompressor als auch ein Axial-, Radial- oder ein Diagonal verdichter sein und saugt aus dem Raum oder dem Gefäss, in welchem ein Vakuum erzeugt werden soll. Die drei letzteren arbeiten mit. dynamischer Verdichtung.
Es stellt somit der Raum 90 die zweite und der Ringraum 91 die dritteKompressionsstufedar. WennLuft"ver- dichtet" (abgesaugt) wird, fördert die dritte Stufe ins Freie. Das Gesamtdruckgefälle wird mit Zunahme des Vakuums immer grösser.
Zur Regelung der Förderverhältnisse der zweiten Stufe 90 ist ein Hilfskolben 92 vor gesehen, -durch dessen Verschiebung der schäd liche Raum 93 .der zweiten Stufe 90 kon tinuierlich verändert werden kann. Der Kol ben 92 wird vom Servomotorkolben 94 einge stellt und festgehalten, wobei der Schieber 95 die Zu- und Abfuhr von Druckmittel zum bzw. vom Kolben 94 steuert.
An die Impulsleitung 96, die zu einem nicht gezeichneten Geber, der beispielsweise wie die Geber 31 und 33 in Fig. 2 ausgebildet sein kann, angeschlossen ist, ist der Verstell- kolben 97 angeschlossen, welcher über den zweiarmigen Hebel 98 den Schieber 95 ver stellt entgegen zz der Kraft der Feder 99, deren Spannung mittels des Hebels 100 von Hand oder in Abhängigkeit von irgendeinem Be triebswert eingestellt werden kann, durch Verschieben des Federtellers 101. Der Saug einlass 102 der dritten Stufe wird durch die Vorrichtung 103 in bereits beschriebener Weise offengehalten, wobei die Vorrichtung l03 ebenfalls an die Impulsleitung 96 an geschlossen ist.
Steigt der Druck in der Impulsleitung 96, so geht der Verstellkolben 97 nach oben und öffnet durch Verschiebung des Schiebers 95 den Druckmittelzufluss unterhalb des Kolbens 94, so dass der Kolben 92 ebenfalls nach oben geht und den schädlichen Raum 93 der zwei ten Stufe 90 vergrössert und damit die För derung verkleinert. Bei sinkendem Druck in der Impulsleitung 96 erfolgt das Gegenteil bzw. auch bei Vergrösserung der Spannung der Feder 99. Der Kolben 92 bringt nun durch Drehung des Doppelhebels 98 den Schieber 95 in die Mittelstellung zurück. So fern also die Änderung des schädlichen Rau mes 93 der zweiten Stufe 90 genügend ist, bleibt der Schieber 95 in seiner Abschluss stellung.
Es ist oft auch notwendig, die Förder- leistung eines Kompressors genau gemäss einem vorher festgelegten Programm zu ändern. Dieses Programm kann z. B., wie in Fig. 9 gezeigt, über der Zeit als Basis aufge stellt sein, indem im Verlauf eines Fabrika tionsprozesses eine gewisse Zeit t1 diese, einige Zeit t2 jene und während eines weiteren Zeit abschnittes t3 eine dritte Leistung usw. ein zustellen ist.
Bei Wärmepumpenanlagen kann beispielsweise die Änderung in Abhängigkeit vom Tageslauf erfolgen, während bei andern Fabrikationsprozessen gegebenenfalls die Temperaturänderungen oder Änderungen eines andern Betriebswertes als Basis für das ge wählte Programm denkbar sind.
Während nun in Fig. 9 die gebrochene Linie N das Mass der Förderleistung während der einzelnen Zeitabschnitte darstellt, ergibt sich eine weitere gebrochene Linie, welche das beim Einhalten dieser Leistung auftre tende Gesamtverdichtungsverhältnis darstellt. Die Förderverhältnisse mindestens in der zweiten oder einer höheren Stufe würden hierbei entsprechend dem Verlauf der Linie pe/pa (Fig. 9) eingestellt werden.
Bei einem Programm, das auf Zeitbasis beruht, wäre beispielsweise ein Programm schalter mit einer Nockenscheibe, dessen äusserer Umfang gemäss der Linie pe/pa ge staltet ist, versehen. Diese Nockenscheibe würde in der dem Programm zugrunde liegen den Gesamtzeit t4 eine einzige Umdrehung ausführen, indem sie z. B. von einer Zeituhr angetrieben würde. Dem Umfang entlang wären Nockenrollen vorzusehen, welche z. B. auf den Schalter für den Antriebsmotor ein wirken, indem für jede durch die Linie pe/pa vorgeschriebene Änderung der Motor so lang in der einen oder in der andern Richtung in Betrieb gehalten wird, bis die vorgesehene Änderung im Gesamtdruckverhältnis jeweils erreicht ist.
Bei Kolbenkompressoren, bei denen die Stufen in verschiedenen Zylindern angeordnet sind, kann eine Vorrichtung zur Änderung des Kolbenhubes mindestens für die zweite oder für eine höhere Stufe vorgesehen sein.
Method and device for regulating the multi-stage compression in systems with at least one piston compressor. The invention relates to a method for regulating the multi-stage compression of systems with at least one piston compressor when operating with different Ge total compression ratios and a device for performing this method.
If, in the case of multi-stage compression, the total pressure ratio is reduced very significantly, in that the suction pressure of the first stage increases or the final pressure of the last stage is significantly reduced, possibly even if both coincide. so in the known systems that work with variable final pressure and have a maximum control of the total flow rate, at the lower final pressures, a compression in the last pressure or stages no longer take place and the kom primed medium only without further compression by the compressor cylinder this Steps are pushed through.
In heat pump systems in particular, the compressors have to overcome very different overall compression ratios in different seasons. In very cold weather, the environmental heat extracted from a river, for example, has to be pumped from the low temperature level of the cold river water to the very high temperature level of the heating water at such times. This means that the temperature gradient to be overcome and, accordingly, the pressure gradient or the overall compression ratio is greatest in these times.
In transitional periods, however, when the outside temperatures are higher, the temperature of the river water is usually higher than in the first case; In addition, the heating water must be less warm in order to generate sufficient heating power. As a result, the heat is pumped less high and the compressor has to overcome a significantly lower pressure gradient.
Now, however, the compressors of a '% heat pump length' must be dimensioned on the one hand for the maximum pressure drop that occurs, and on the other hand for the maximum flow rate -with the smallest pressure drop. The maximum pressure drop determines the number of compressor stages, usually two to three, the maximum Delivery rate The delivery volume of each stage.If the pressure gradient is reduced so much in transitional periods that it can be handled by the first compressor stage alone, the medium to be pumped is pushed through the subsequent higher compression stages in known systems without any further pressure increase.
When using compressors with stepped pistons and balanced delivery pressures, such a temporary single-stage compression results in one-sided loading of the drive linkage. The equalization of the construction forces is disturbed. In addition, the compressor runs unevenly and wear increases.
If a heat pump system is operated with gradual expansion of the liquefied heat carrier with the respective suction of the resulting vapors through the respective subsequent compressor stage, the sudden failure of one or more compressor stages could cause great difficulties in regulating the liquid heat carrier. In any case, switchings would have to be made, which would result in a considerable complication and an increase in the cost of the same with automatic operation of the heat pump system.
The method according to the invention makes it possible to eliminate these disadvantages and consists in the fact that when the overall compression ratio changes, the delivery ratios of at least one piston stage above the first stage are changed. In the device for carrying out the method, at least one piston stage located above the first stage has means for changing its delivery ratio.
In the drawing, some Ausfüh approximately examples of the device according to the invention He is shown schematically, and it is based on the same the inventive method for example explained. 1 shows a heat pump system, FIG. 2 shows the cross section through the two-stage heat pump of the system according to FIG. 1, FIG. 3 shows a device for keeping the suction inlet open at the beginning of the pressure stroke of a stage, with the receiver of the control pulse, Fig. 4 shows the transmitter for control pulses to change the total delivery of the system or the delivery ratios of a stage, Fig. 5 is a diagram for changing the delivery ratios of a stage when the total pressure ratio changes, Fig.
6 the compressor of a refrigeration system with regulation of the delivery ratios of the second stage, FIG. 7 a diagram of the intermediate pressures for different total pressure ratios, FIG. 8 a compressor of a vacuum system with variable harmful space, FIG. 9 a diagram for a program switchgear.
The heat pump system in Fig. 1 has a multi-stage, driven by the electric motor 1 piston compressor 2, which sucks the refrigerant from the evaporator 3 via the suction line 4 and in the compressed state through the pressure line 5 in the condenser 6 promotes a heat exchanger 7 has and from which the cooled, liquefied refrigerant via the line 8, the expansion valve 9 and the line 10 to the evaporator 3 is supplied again.
The machine installation is housed in the machine house 11, from which the flow 12 and return 13, which are connected to the heat exchanger 7, lead to the consumption points of the heating water, the pump 14 is used to circulate the heating water. The pump 15 sucks water z. B. from a river and pushes it back through the heat transfer device of the evaporator 3 in .the river.
The two-stage piston compressor 2 in FIG. 2 has three cylinders 16 in which the stage pistons 17 work. These are driven by the engine 1 via the reduction gear 18 and the crankshaft 19. The suction line 4 is connected via the suction inlets 20 with the devices 21 for keeping the inlets 20 open at the beginning of the pressure stroke during a variable part of this stroke to the space 22 of the first stage, the cylinder 16.
The space 22 is connected to the space 27 of the second stage via the pressure valve 23 and the connecting line 24 and via the suction inlets 26 set by the device 25 to hold open, which is connected to the pressure line 5 via the pressure valves 28. The devices 21 for keeping the suction inlets 20 open, at the same time the receivers for the control pulse for setting these suction inlets 20 of the first stage, are connected by means of the pulse line 30 to the transmitter 31 of the control device for setting the total output of the compressor 1 .
The devices 25 for keeping the suction inlets 26 open are verbun by means of the pulse line 32 with the pulse generator 33 the. The pulse generator 33 is connected to the transmitter 31 by means of the pulse line 29.
The suction inlet of each stage consists of one or more automatically acting suction valves 20 or 26 with a valve plate 36 (FIG. 3), which closes the suction chamber 22 (or 27) when it rests against the valve seat 37 by covering the bores 38. The springs 39 compensate for the weight of the plate 36 to provide rapid closure. When sucking in, the plate 36 rests on the valve catcher 40, which is provided with bores 41 corresponding to the perforations in the plate.
As a device that keeps the suction inlet 20 (or 26) open at the beginning of the pressure stroke, the valve plate 36 lifting off the seat 37 is seen before gripper 42, which is pressed by the compression spring 43 up and by the compression spring 44 down , the spring 44 at ge sufficiently high, by the auxiliary piston 45 he testified bias the force of the spring 43 overcomes. The space 46 is connected to the pulse line 30 (or 32) so that the auxiliary piston 45 is loaded by the pressure in this line.
The control pulse generator 31 (FIG. 4) has a control piston 48, which can connect the pressure medium inflow 49 and the pressure medium outflow 50 via the bore 51 to the pressure chamber 52 and thus determine the control pressure in the pulse line 30. The control line 53 is connected to the interior of the spring socket 54, the movable cover 55 of which is coupled to the control piston 48 by means of the rod 56. The rod 56 passes freely through the spring plate 57, which can be held in different positions by means of the lever 58 and the rod 59 and thus allows the tension of the compression spring 60 to be changed.
The force of the spring (.U together with the pressure of the pressure medium in the space 52 on the entire surface of the control piston 48 balance the force exerted by the pressure from the line 53 on the inner surface of the cover 55.
The mode of operation of the control device is as follows: To control the heating power, the control device with the pulse generators 31 and 33 depending on an operating value, z. B. the flow temperature in the heating water flow line 12 is set. For this purpose, a thermostat is connected to the device 12, for example. which changes the pressure in the can 54 via line 53 according to this flow temperature by z. B. when the temperature rises, the pressure in the can 54 is increased.
As a result, the piston 48 moves upwards and opens the pressure medium inflow from the line 49 until the pressure in the space 52 corresponds to the higher pressure in the can 54 and the piston 48 again lowers into the closed position.
As a result, the pressure in the pulse line 30 has also increased. The piston 45 and thus the spring 44, so -uit the suction valves 20, are more heavily loaded; they close later and are therefore open during a larger part of the pressure stroke of the first stage, so that the delivery rate of the first stage and thus of the entire compressor 1 decreases.
The higher pressure in the impulse line 30 also loads the adjusting piston 34 via the line 29, which is also loaded by the pressure springs 35 and 60. The piston 34 lowers and moves the spring plate 57 upwards, whereby the spring 60 is relieved. As a result, the piston 48 of the pulse generator 33 also goes up and sets a higher pressure in the pulse line 32. This has the consequence that the valves 26 are also opened longer and the delivery of the second stage is also reduced, so that the stage pressures in the first and in the second stage are also maintained when the power is increased.
The lever 58 of the pulse generator 31 can also be set manually via the parts 35, 34, 59 and is used to set a specific setpoint for the entire delivery rate at one and the same flow temperature of the line 12 is then automatically kept constant by means of a controller.
But now the total compression ratio pe / pa for the two-stage com pression of the compressor 2, which z in cold weather. B. is eight, drop in transition times to two and a half (Fig. 5). so that the final pressure pe min. is only two and a half times the suction pressure pa.
In order to be able to obtain the two-stage compression in spite of such a change in the total compression ratio pe / pa, the delivery ratios in the second stage are now changed in accordance with this change. The spring box 54 of the pulse generator 33 is connected to the pressure line 5 by means of the control line 47, so that the final pressure pe of the compression also occurs in the pressure box 54. Because the housing of the encoder 33 is connected to the suction line 4 by means of the line 61, the suction pressure pa of the compressor 2 acts on the outside of the can 54 and the position of its movable cover 55 corresponds to the total compression ratio. When this becomes smaller, e.g.
B. by lowering the final pressure pe, the cover 55 lowers, the spring 60 relaxes, so that the piston 48 goes down. The impulse line 32 or the space 52 of the transmitter 33 is connected to the drain 50 until the pressure in the space 52 has decreased so far that the closing position of the piston 48 is reached again with the lower tension of the spring 60. As a result, the pressure in the line 32 is also lower, and the piston 45 of the receiver 25 relaxes the spring 44 (FIG. 3), so that the valve plate 36 is closed earlier at a lower pressure, ie glass.
The pressure stroke in the second stage begins earlier, and the delivery rate of the second stage is increased compared to the delivery rate of the first stage regardless of the total delivery rate set by the encoder 31. As a result, the intermediate pressure in the connecting line 24 drops, so that despite the lower final pressure pe, the second stage also takes on part of the compression work.
As the refrigerant flows back through the open valve plate 36 (FIG. 3), which is pressed down by the lifting gripper 42 because the compressive force of the spring 44 pretensioned by the piston 45 outweighs the compressive force of the spring 43, a certain dynamic pressure is created below the plate 36. Since the piston speed of the piston 17 increases from the beginning of the pressure stroke to about half the stroke, the return flow rate of the refrigerant through the open plate 36 increases and the dynamic pressure increases accordingly until the total force of the specific dynamic pressure on the plate 36 together with .the pressure force of the spring 43 are equal and then greater than the force of the spring 44.
Then the lifting gripper 42 is raised and the valve plate 36 closes. The valve plate 36 closes only at about 50% of the pressure stroke, according to the mag. Overall compression ratio <B> PC / </B> pa in FIG. 5, a compression takes place in the second half of the pressure stroke of the second stage and then the compressed refrigerant is expelled via the pressure valves 28 into the pressure line 5.
At lower pressure in the impulse line 32 and on the piston 45 (FIG. 5), the lifter 42 is less heavily loaded. As a result, even at a lower dynamic pressure below the plate 36, the force .der spring 44 is overcome and the valve plate 36 of the Ven tile 26 closes earlier.
As a result, compression takes place during a larger part of the pressure stroke until the delivery volume T'I, 100% at the minimum compression ratio, so that the suction valves of the second stage are no longer kept open during the pressure stroke. The pressure in the impulse line 32 drops so far that the piston 45 gives the compression spring 44 a pre-tension which corresponds to the tension of the spring 43 in the upper position of the lifting gripper 43.
According to Fig. 6, the compressor of a refrigeration system, driven by an electric motor 1 via a reduction gear 18, has the two-stage cylinders 62 in which the stepped pistons 63 work, by means of the suction line 64 to the evaporator, not shown, and to the pressure line 65 to the also not connected capacitor of the system. Since the refrigeration capacity of the system takes place automatically or manually by switching the current for the motor 1 on and off for a longer or shorter period of time, it is not necessary to regulate the total delivery capacity of the compressor 62.
The first stage therefore works with an invariable maximum delivery, while the suction inlets of the second stage are controlled in the manner already described by the devices 67 for keeping the suction valves 66 open to regulate the delivery ratios of the second stage. The devices 67 are connected via the pulse line 68 to the transmitter 69, which is designed like the transmitter 33 in FIGS. 2 and 4, respectively. Since only the final pressure in the pressure line 65 changes, the pressure cell 54 is connected to the pressure line 65 by means of the line 47.
In Fig. 7, the pressure diagram with the initial pressure pa and the maximum final pressure pe max for a three-stage com pression. shown. The maximum final pressure of the first stage is pI max. and the second stage pII max., while the maximum final pressure of the third stage corresponds to the pressure pe max. corresponds. The maximum total compression ratio pe max./pa has the value eight. If this maximum compression ratio is opposed to a minimum with a value of two and a half, the maximum final pressure pe max is reduced. to pe min., which is not only below the final pressure pII max. the second, but even below the final pressure pI max. of the first stage.
Without regulation, the entire compression would take place in the first stage and the medium to be compressed would be pushed through the second and third stages without further compression. If, on the other hand, the delivery ratio of the second stage is regulated, the intermediate pressures pI max are also reduced. and pII max. or the final pressures of the first and second stage to pI min. and pII min, as a result of which the multi-stage compression is guaranteed even with the smallest total pressure ratio.
If the pressure pe max. only on pe red (Fig. 7), only the third stage is switched off unless the promotion of the third stage is changed and the intermediate pressure pII max. is lowered to the new intermediate pressure pII red. The intermediate pressure pI max. can either remain the same, so that the delivery (delivery rate) of the first stage is unchanged, or if this delivery changes, this intermediate pressure drops to the new value pI red.
The compressor cylinder 88 (Fig. 8) of a vacuum system is connected with its suction line 89 to the cylinder, not shown, of the first stage. This first stage can be a piston compressor as well as an axial, radial or diagonal compressor and sucks out of the space or the vessel in which a vacuum is to be generated. The latter three work with. dynamic compression.
The space 90 thus represents the second and the annular space 91 the third compression stage. When air is "compressed" (extracted), the third stage delivers into the open air. The total pressure gradient increases as the vacuum increases.
To regulate the delivery conditions of the second stage 90, an auxiliary piston 92 is provided, -by the displacement of which the damaging space 93 of the second stage 90 can be continuously changed. The piston 92 is set and held by the servomotor piston 94, the slide 95 controlling the supply and discharge of pressure medium to and from the piston 94.
The adjusting piston 97, which adjusts the slide 95 via the two-armed lever 98, is connected to the impulse line 96, which is connected to a transmitter (not shown), which can be configured, for example, like the transmitters 31 and 33 in FIG against zz the force of the spring 99, the tension of which can be adjusted manually or depending on any operating value by means of the lever 100, by moving the spring plate 101. The suction inlet 102 of the third stage is kept open by the device 103 in the manner already described , the device l03 also being connected to the pulse line 96.
If the pressure in the impulse line 96 rises, the adjusting piston 97 goes up and, by moving the slide 95, opens the pressure medium inflow below the piston 94, so that the piston 92 also goes up and enlarges the harmful space 93 of the second stage 90 and thus reduced the funding. When the pressure in the impulse line 96 falls, the opposite occurs or when the tension in the spring 99 increases. The piston 92 now brings the slide 95 back into the middle position by rotating the double lever 98. So far as the change in the harmful Rau mes 93 of the second stage 90 is sufficient, the slide 95 remains in its final position.
It is also often necessary to change the delivery rate of a compressor exactly according to a previously defined program. This program can e.g. B., as shown in Fig. 9, be set up over time as a basis by a certain time t1 this, some time t2 that and during a further time section t3 a third power, etc. in the course of a fabrication process .
In the case of heat pump systems, for example, the change can be made depending on the course of the day, while in other manufacturing processes, the temperature changes or changes to another operating value are conceivable as a basis for the selected program.
While now in Fig. 9 the broken line N represents the measure of the delivery rate during the individual time segments, there is a further broken line which represents the total compression ratio occurring when this performance is maintained. The delivery ratios at least in the second or a higher stage would be set in accordance with the course of the line pe / pa (FIG. 9).
In a program that is based on time, a program switch would, for example, be provided with a cam disk, the outer circumference of which is designed according to the line pe / pa. This cam disk would execute a single revolution in the total time t4 on which the program is based. B. would be driven by a clock. Cam rollers would be provided along the circumference, which z. B. act on the switch for the drive motor by keeping the motor in operation in one or the other direction for each change prescribed by the line pe / pa until the intended change in the total pressure ratio is achieved.
In piston compressors in which the stages are arranged in different cylinders, a device for changing the piston stroke can be provided for at least the second or a higher stage.