DE10047029C2 - Anlage zum Verdichten eines gasförmigen Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, bestehend aus einer Antriebsmaschine und einer damit über eine Kupplung verbundene flüssigkeitseinspritzgekühlte Verdichterstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einigen Verdichteranlagen wird je nach Anforderung an das zu verdichtende gasförmige Medium der Verdichterstufe ein Trockner nachgeschaltet. Im Regelfall ist der Trockner ein 2-Kammer-Trockner mit zwei in Form von Kartuschen ausgebildeten Trocknerelementen. Der 2-Kammer-Trockner bietet die Möglichkeit, nach Sättigung eines Trocknerelementes auf die zweite Kartusche umzuschalten und die erste zu entwässern. Dazu wird ein Schaltelement betätigt, das den verdichteten, mit Feuchtigkeit behafteten Gasstrom von einer Kartusche zur benachbarten und wieder zurück umlenkt. Bei diesen Schaltvorgängen sinkt der Druck im Verdichter bis zum Ausgang Trockner innerhalb von einer Sekunde um bis zu 5 bar zum Betriebsdruck in Abhängigkeit von der als Puffer wirkenden Leitungslänge ab. Bei einem 2-Kammer- Trockner können diese schlagartigen Entlastungen alle 30 Sek. oder im Mehrminutentakt auftreten. Die sich daraus ergebenden Nachteile können wie folgt beschrieben werden.

• a) Der zwischen der Verdichterstufe und dem Trockner in der Druckleitung angeordnete Abscheider wird durch die Schaltvorgänge belastet, wobei die Differenzdrücke am Abscheider (Schmutzseite/Reinseite) bis zu 5 bar betragen kann. Die dynamisch schwellende Belastung führt über die Zeit (Anzahl der Schaltungen) zur Zerstörung des Abscheiders.
• b) Der Hersteller der Abscheider hat große Probleme, Abscheider herzustellen, die statisch so fest sind, um die Druckstöße auf Dauer unbeschadet zu überstehen. Da die Durchströmung des Abscheiders von innen nach außen erfolgt, müssen die Abscheider gegen den Außenmantel straff gewickelt werden. Als Vorbeugung werden heute die Austauschintervalle der Abscheider auf 400 Bh begrenzt, wobei selbst diese nicht zu 100% garantiert werden können. Ein Großteil der Kunden wünscht aber ein Zeitintervall von mindestens 1500 Bh, was einem jährlichen Austausch gleich kommt.
• c) Der Abscheider wirkt in der Weise, daß er von innen nach außen, bzw von außen nach innen durchströmt wird, wobei die im verdichteten Gas enthaltene Feuchtigkeit beim Durchströmen des Abscheiders koaguliert und am Außenmantel, bzw Innenmantel des Abscheiders als Tropfen über die Schwerkraft nach unten in zu einer Sammeltasche fällt, von wo es dem Prozeß wieder zugeführt wird.
  Tritt nun beim Schalten der Trockner eine explosionsartige Entlastung auf, wird durch die entstehende Strömungs-Geschwindigkeitserhöhung der Flüssigkeitstropfen mitgerissen und zum Trockner geführt. Da im Regelfall Öl als Kühl- und Schmiermittel für die Verdichterstufe verwendet wird, verschmutzt das mitgerissene Öl im Trockner das Granulat, was zu einer Minderung der Trockenleistung führt. Bei einem Druckverhältnis von 2 ergibt sich eine Strömungsgeschwindigkeitserhöhung in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit.
• d) Bei den Entlastungen wird der Verdichterstufe Wärme entzogen, was bei einem niedrigen Einschaltdauer der Verdichterstufe Kondensatbildung zur Folge hat, insbesondere im Bereich des Abscheiders.

Die im folgenden beschriebenen Einrichtungen u. Funktionen sind in der Technik bereits bekannt:
Aus DE 197 11 117 C1 ist eine Anlage zum Verdichten eines gasförmigen Mediums bekannt. Bei dieser Anlage handelt es sich um eine flüssigkeitseinspritzgekühlte Verdichteranlage, mit dazugehöriger Peripherie.

Im Unterschied zur Patentanmeldung weißt diese Anlage keine Anlagenteile auf, welche die Nachteile von möglichen schlagartig auftretenden Druckeinbrüchen ausgehend von der Verbraucherseite (= nach Anlage zum Verdichten) rückwirkend (= zur Anlage zum Verdichten) verhindern.

Weiterhin ist aus DE 195 35 972 C2 eine Druckluftsteuervorrichtung für einen Kompressor bekannt. Das der Patentschrift beiliegende Anlagenschema (Fig. 1) weißt ein Ventilbauteil Pos. 37 bestehend aus Pos. 37a und Pos. 37b aus.

Der Unterschied zur vorliegenden Patentanmeldung ist:
Das Ventil Pos. 37a wirkt derart, dass es bei Druckabfall (Druckabfall in Strömungsrichtung vor Pos. 37a) gegen die Strömungsrichtung schließt und die in Strömungsrichtung dem Ventil Pos. 37a nachgeschalteten Anlagenteile gegen Druckabfall schützt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, bestehend aus einer Antriebsmaschine und einer damit über eine Kupplung verbundene flüssigkeitseinspritzgekühlte Verdichterstufe anzugeben, mit der der Zeitintervall für den Austausch des Abscheiders signifikant erhöht, der Restflüssigkeitsanteil, insbesondere der Restölanteil im verdichteten Gas reduziert und die Gefahr einer Kondensatbildung in der Anlage vermindert werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Kern der Erfindung ist die Anordnung eines den Volumenstrom in Richtung Druckgefälle drosselndes Ventil zwischen Verdichterstufe und Trockner. Vorzugsweise wird das Ventil an der Eingangsseite des Trockners angeordnet, um die Leitung zwischen Verdichterstufe und Trockner noch als Puffervolumen nutzen zu können.

Das Ventil weist einen federbelasteten Steuerkolben auf, der mit einer in einem Gehäuse angeordneten Sitzfläche zusammenwirkt und der stirnseitig mit einer Bypassöffnung und im Mantelbereich mit Überströmkanälen versehen ist.

Bei einem schlagartigen Druckabfall in Folge des Schaltens des Trockners schließt der Steuerkolben gegen die Federkraft in Richtung Druckgefälle. Das von der Verdichterstufe weitergeförderte verdichtete gasförmige Medium passiert nun das Ventil nur noch über die im Steuerkolben angeordnete Bypassöffnung. Diese Öffnung ist so dimensioniert, daß der Steuerkolben einen Staudruck in Höhe des Verdichterdruckes hält. Nach dem Schaltvorgang im Trockner wird das dem Ventil nachgeschaltete System über die Bypassöffnung wieder gefüllt. Erreicht der Druck hinter dem Ventil den Betriebsdruck, öffnet die Druckfeder das Ventil und das verdichtete gasförmige Medium passiert das Ventil über die im Mantelbereich angeordneten Überströmkanäle. Diese werden so groß dimensioniert, daß der dort entstehende Druckverlust vernachlässigbar klein ist. Der Schließweg des Steuerkolbens wird vorzugsweise ≦ 2 mm gewählt, so daß die Schließzeit klein ist und der bis dahin eingetretene Druckabfall im nachgeschalteten System gering ist und die empfindlichen Teile nicht belastet. Der kleine Schließweg hat zudem den Vorteil, daß beim Schließen nur kleine Beschleunigungskräfte wirksam werden, was sich wiederum positiv auf die Materialbeanspruchung des Steuerkolbens auswirkt.

Die erfindungsgemäße Anordnung eines Ventils in der Druckleitung zwischen Verdichterstufe und Trockner ergibt folgende Vorteile.

• - Der Flüssigkeitsabscheider wird keiner dynamisch schwellenden Beanspruchung auch bei häufigen Schaltwechseln des Trockners unterworfen.
• - Es sind keine Flüssigkeitsdurchbrüche im Abscheider zu erwarten.
• - Das Austauschintervall für den Abscheider kann erhöht werden.
• - Es wird keine Flüssigkeit, insbesondere Öl, mitgerissen, da es zu keiner signifikanten Strömungs-Geschwindigkeitserhöhung kommt.
• - Der Flüssikgkeitsrestanteil, insbesondere Restölanteil, wird reduziert.
• - Die Verdichterstufe kann sich schneller erwärmen.
• - Die Gefahr einer Kondensatbildung wird reduziert.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäß ausgebildete Verdichteranlage näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anlage

Fig. 2 im Längsschnitt das erfindungsgemäß ausgebildete Ventil

Fig. 3 einen Schnitt in Richtung A-A in Fig. 2

Fig. 1 zeigt als Prinzipskizze eine erfindungsgemäß ausgebildete Anlage zum Verdichten eines gasförmigen Mediums. Sie besteht aus einer Antriebsmaschine 1, vorzugsweise E-Motor und einer über eine Kupplung 2 damit verbundene flüssigkeitseinspritzgekühlte Verdichterstufe 3. In der Druckleitung 4 ist ein Abscheider 5, ein Rückschlagventil 6 angeordnet. Die im Abscheider 5 abgeschiedene Flüssigkeit wird über eine Leitung 7 der Verdichterstufe 3 wieder zurückgeführt. Werden besondere Anforderungen an das verdichtete gasförmige Medium gestellt, dann ist im Regelfall in der Druckleitung ein Trockner 8 angeordnet. Dieser weist zwei als Kartuschen ausgebildete Trocknerelemente 9, 9' mit einem damit verbundenen Gehäuse 10 auf, in dem sich das hier nicht dargestellte Schaltelement befindet. Mit diesem Schaltelement ist es möglich, das verdichtete gasförmige Medium einmal über das erste Trocknerelement 9 und nach Sättigung dieses nach Umschaltung auf das zweite Trocknerelement 9' zu leiten. Die Entwässerung erfolgt über eine mit einem Absperrventil 11 versehene Leitung 12. Nach dem Trockner 8 verläßt das gereinigte und getrocknete gasförmige Medium über ein Rückschlagventil 13 die Anlage und wird einem hier nicht dargestellten Verbraucher zugeführt.

Erfindungsgemäß ist in der Druckleitung 4 zwischen der Verdichterstufe 3 und dem Trockner 8 ein den Volumenstrom in Richtung Druckgefälle drosselndes Ventil 14 angeordnet. Der Einbau kann entweder nach dem Rückschlagventil 6 im Verdichtergehäuse oder unmittelbar am Ausgangsbereich der Verdichterstufe 3 (gestrichelte Linien) oder bevorzugt im Eingangsbereich des Trockners 8 erfolgen.

In den Fig. 2 und 3 sind die Einzelteile des Ventils 14 dargestellt. Das Ventil 14 weist ein zylindrisches Gehäuse 15 auf, in dem achsgleich zur Gehäuseachse 16 ein über eine Druckfeder 17 federbelasteter axial bewegbarer Steuerkolben 18 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Steuerkolben 18 als Hohlkörper ausgebildet. Der kegelförmig ausgebildete, der Austrittsseite 19 zugewandte Kopfbereich 20 des Steuerkolbens 18 wirkt mit einer komplementär dazu ausgebildeten im Gehäuse 15 angeordneten Sitzfläche 21 zusammen. In der Stirnfläche des Kopfbereiches 20 des Steuerkolbens 18 ist eine Bypassöffnung 22 angeordnet, die hier vorzugsweise als Bohrung ausgebildet ist. Im Mantelbereich des Steuerkolbens 18 sind durch die Wand sich erstreckende Überströmkanäle 23, 23' vorgesehen. Auf der Rückseite stützt sich der Steuerkolben 18 gegen einen im Gehäuse 15 angeordneten Sprengring 24 ab.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des Ventils 14 beschrieben. Sinkt in Folge eines Schaltvorganges im Trockner 8 (Fig. 1) auf der Austrittsseite 19 der Druck schlagartig ab, dann schiebt der auf der Eintrittsseite 25 wirkende Druck den Steuerkolben 18 entgegen der Kraft der Druckfeder 17 nach rechts, so daß der kegelig ausgebildete Kopfbereich 20 an der Sitzfläche 21 zur Anlage kommt. Ein Weiterströmen des gasförmigen Mediums vom hohlen Mittelbereich über die Überströmkanäle 23, 23' ist damit nicht mehr möglich. Das gasförmige Medium kann das Ventil 14 nur noch über die Bypassöffnung 22 verlassen. Diese Öffnung 22 wirkt wie eine Drosselstelle, so daß sich rückwärtig ein entsprechender Staudruck aufbaut. Während des Schaltvorganges des Trockners 8 wird über die Bypassöffnung 22 dem nachfolgenden System weiterhin gasförmiges Medium zugeführt und zwar so lange, bis in diesem Bereich wieder Betriebsdruck herrscht. Sobald dieser Zustand erreicht ist, drückt die Druckfeder 17 den Steuerkolben 18 nach links in die Ausgangslage zurück, so daß nahezu ohne Druckverlust das verdichtete gasförmige Medium über die Überströmkanäle 23, 23' das Ventil 14 verlassen kann.

Claims (7)

1. Anlage zum Verdichten eines gasförmigen Mediums bestehend aus einer Antriebsmaschine und einer damit über eine Kupplung verbundene flüssigkeitseinspritzgekühlte Verdichterstufe, einem in der Druckleitung angeordneten Flüssigkeitsabscheider und einem dem Abscheider nachgeschalteten Trockner, der mit einem Schaltelement und einer Entwässerung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung zwischen Verdichterstufe und Trockner ein den Volumenstrom in Richtung Druckgefälle drosselndes Ventil angeordnet ist, das bei schlagartigem Druckabfall infolge des Schaltens des Verdichters wirkt.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil in der druckseitigen Austrittsbohrung der Verdichterstufe angeordnet ist.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil am druckseitigen Eintritt des Trockners angeordnet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil als selbstschaltendes Drosselventil ausgebildet ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Gehäuse aufweist, in dem achsgleich zur Gehäuseachse liegend ein federbelasteter axial bewegbarer Steuerkolben angeordnet ist, dessen der Austrittsseite zugewandte Kopfbereich mit einer im Gehäuse angeordneten Sitzfläche zusammenwirkt und der stirnseitig mit einer Bypassöffnung und im Mantelbereich mit Überstromkanälen versehen ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassöffnung so dimensioniert ist, daß der Steuerkolben einen Staudruck in Höhe des Verdichterdruckes hält.

7. Anlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließweg des Steuerkolbens ≦ 5 mm ist.