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Verfahren zur Leistungsverbesserung zwei- oder mehrstufiger Luft-
und Gasverdichter durch Zwischenkühlung Bei der Verdichtung von Luft und Gasen auf
hohe Drücke mittels Kolbenverdichter wird zur Vermeidung eines hohen Druckverhältnisses
eine Aufteilung auf zwei oder mehr Stufen vorgesehen. Diese Aufteilung auf mehrere
Druckstufen bringt einesteils eine Verminderung des Leistungsbedarfes des Verdichters
und setzt die Kompressionsendtomperaturen in den einzelnen Druckstufen herab, was
hinsichtlich der Olverkrustung und der Lebensdauer der Zylinderteile vorteilhaft
ist, andernteils bedingt eine mehrstufige Ausführung solcher Kolbenverdichter erhöhte
Herstellungskosten und einen komplizierten Aufbau der Maschine sowie vermehrte betriebliche
Aufwendungen für Reparaturen, Ersatzteile, Reinigung usw. Bei mehrstufigen Turboverdichtern
und Rotationsverdichtern liegen die Verhältnisse ähnlich.
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Bei der üblichen Ausführung wird zwischen den einzelnen Druckstufen
das Gas zwecks Verringerung des Ansaugvolumens soweit wie möglich heruntergekühlt,
was bei den üblichen Luft- und Gasverdichtern mit Ausnahme der ganz kleinen Maschinen
mit durch Kühlwasser gekühlten Zwischenkühlern geschieht. Dabei findet zugleich
mit der Kühlung eine Trocknung der Luft oder des Gases durch Ausscheidung eines
Teiles der kondensierbaren Bestandteile statt. Die Kühler sind entweder als Oberflächenkühler
ausgebildet oder als Berieselungskühler, in denen z. B. die Druckluft zur Kühlung
und gleichzeitigen Trocknung mit Wasser oder mit einer hygroskopischen Salzlösung
in direkte Berührung gebracht wird. Die durch das Kühlwasser erreichbaren Temperaturen
des Gases in den einzelnen Zwischenkühlern werden je nach der Zulauftemperatur des
Wassers und vor allem auch je nach dem Verschmutzungsgrad der Zw ischenkühlerfläche
mehr oder minder großen Schwankungen unterwarfen sein. In Abhängigkeit von dieser
veränderlichen Kühltemperatur des Gases werden dann auch die Kompressionsendtemperaturen
größere Schwankungen erleiden. Wenn Luft aus der freien Atmosphäre angesaugt und
auf hohen Druck gebracht werden soll, so wird. das Ansaugvolumen je nach Temperatur
und Feuchtigkeit der Umgebungsluft und damit auch die Förderleistung des Luftverdichters
verschieden sein.
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Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch vermieden oder
zumindest stark verringert, da$ die Luft oder das Gas bereits vor der ersten Verdichterstufe
durch das Kältemittel einer Absorptions-Kältemaschine und hinter den einzelnen Verdichterstufen
zunächst durch .die entgasende Kältemittellösung, dann durch Kühlwasser und zuletzt
durch das Kältemittel oder durch einen von der Absorptions-Kältemaschine auf tiefe
Temperatur gebrachten Kälteträger heruntergekühlt wird. Es ist zwar bereits bekannt,
bei einem Verfahren zur Verflüssigung und Trennung schwer verflüssigbarer Gase und
Gasgemische an Stelle einer Kompressions-Kältemaschine eine Absorptions-Kälteinaschine
zu benutzen, wobei die Verdichtungswärme des hochverdichteten Gases zur Beheizung
des Austreibers der Absorptions-Kältemaschine und die Kühlleistung der Absorptions-Kältemaschine
zur Vorkühlung des verdichteten Gases verwendet wird; auch ist bereits vorgeschlagen
worden, bei Verfahren zum Kühlen heiß hergestellter Gase die Kompressions-Kältemaschine
durch eine Absorptions-Kältemaschine zu ersetzen, wobei die heißen Gase zunächst
der Austreiber beheizen und dann durch den Verdampfer weiter herabgekühlt werden.
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Demgegenüber stellt das vorliegende Verfahren eine wesentliche Verbesserung
dar, indem die Luft oder das Gas bereits vor der ersten Verdichtungsstufe durch
das Kältemittel der Absorptions-Kältemaschine wirksam gekühlt wird und hinter den
einzelnen Stufen entsprechend den jeweiligen Temperaturstufen von der entgasenden
Lösung, von Kühlwasser und zuletzt von in der Absorptions-Kältemaschine auf tiefe
Temperatur gebrachtem Kaltwasser oder Kühlsole herabgekühlt wird.
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Als Kältemittel für eine solche Absorptions-Kälteanlage wird man vorzugsweise
Wasser verwenden, da die Kühltemperatur für das Gas gewöhnlich über 0° liegt. Als
Absorptions-Kältemittel kommen dann entweder Salzlösungen, wie z. B. Lithiumbromid
oder Lithiumchlorid, oder auch alkalische Lösungen, wie
etwa Natronlauge,
Kalilauge, oder Gemische aus leiden Laugen in Betracht. Der Hauptvorteil dieser
Stoffpaare mit Wasser als Kältemittel besteht in ihrer Ungiftigkeit, Ungefährlichkeit
und Billigkeit. Arch ist die ganze Apparatur billig, da die Apparate nicht unter
Druck stehen. Es können aber auch andere Paare von Kältemittel und Lösungsmittel
verwendet werden wie z. B. das bei den üblichen Absorptions-Kälteanlagen meist benutzte
Stoffpaar Ammoniak und Wasser.
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In den Zeichnungen sind. zwei Schaltungen zwei-und mehrstufiger Gasverdichter
mit solchen Absorptions-Kälteanlagen dargestellt. Hierbei sind folgende Bezeichnungen
gewählt worden: 11l, 112 . . , die verschiedenen Verdichtungsstufen .des Kompressors,
Al' A2... die durch die heißen Kompressionsgase beheizten Heizflächen des oder der
Austreiber, Z1, Z2. . . Zwischenkühlerfläche, durch Kühlwasser gekühlt,
To, TI, T2
... Tiefkühler, die durch Kaltwasser oder Kühlsole gekühlt
werden.
| 21 Verflüssiger |
| 22 Verdampfer |
| 23 Absorber der einstufigen Absorp- |
| 24 Lösungspumpe ' tions-Kälteanlage. |
| 25 Temperaturwechsler |
| 26 Kaltwasserpumpe |
Go, G1, G., . . . Leitungen für die Luft bzw. das Gas,
d, dl, d2
... Leitungen fürlos dampfförmigeKältemittel,
f, f1,
f., .
. . Leitungen für das flüssige Kältemittel, 11,4
. . . Leitungen für die
Lösung, s1, s2 . . . Leitungen für Kaltwasser (gekühltes Süßwasser oder Sole).
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Abb. 1 zeigt die Schaltung eines zweistufigen Luftverdichters, bei
.dem die Luft im Ansaugzustande und im Zwischenkühler durch Kaltwasser gekühlt wird,
das in einer einstufigen Absorptions-Kälteanlage auf tiefe Temperatur gebracht wird,
wobei der Austreiber durch die heißen Verdichtungsgase beheizt wird. Für diese schematische
Darstellung sind, soweit möglich, die Schaltzeichen für Wärmeschaltbilder gewählt
-worden. Die Luft wird zunächst vor Eintritt in den Verdichter in -dem Oberflächenkühler
To durch das Kaltwasser auf eine Temperatur von etwa -I- 5 bis -f- 15° C gebracht,
wobei ein Teil der Luftfeuchtigkeit ausfällt. Sie gelangt- weiter über die Leitung
G, in die erste Verdichtungsstufe K1 des Verdichters und von dort über die Leitung
Gll in das Heizsystem des J#,ustreibers Al (bzw. AustreiberteilcAl), wo die Kc.mpressionswärme
im hohen Temperaturbereich an die siedende Lösung abgegeben wird. Über Leitung Gig
strömt die Luft zum Kühler Z-, der durch Kühl--,vasser gekühlt wird, und-gelangt
schließlich über die Leitung G1. in .den Tiefkühler T1, der mit Kaltwasser beschickt
wird, so daß die Luft auch hier auf eine tiefe Temperatur gebracht-, wird. Die Luft
wird dann über G14 von der zweiten Verdichterstufe K2 angesaugt und über Leitung-G.1
dem Austreiber A2 zugeführt, -,vo ebenfalls die Kömpressionswärme des hohen Temperaturbereiches
an siedende Lösung abgeführt wird. Über Leitung G22- strömt die Luft zum Kühler
7_2, der hier als Schl.ußkühler angeordnet ist und in dem die Luft durch Kühlwässer,
wie üblich, auf normale Temperatur gebrach. wird.
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' Der Arbeitsproze-ß der-- Absorptions-Kälteanlagen verläuft folgendermaßen.:
-Der beim Verdampfen der Lösung in den Austreiberteilen A1 und A2 entstandene Kältemitteldampf
strömt über die Leitung dl, d2 und d zum Verflüssiger 21, wo er kondensiert, wobei
die Verflüssigungswärme an Kühlwasser abgegeben wird. Das verflüssigte Kältemittel
fließt über die Leitung f zum Verdampfer 22, nachdem es vorher im Regelventil v1
entspannt wurde.
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Über das Regelventil v2 gelangt ebenfalls in den Verdampfer der Rücklauf
des Kaltwassers, das sich in den Kühlern To und T1 erwärmt hat (Leitung s2). Infolge
des hohen Vakuums im Verdampfer, das durch :die Saugkraft des Absorbers aufrechterhalten
wird, verdampft ein Teildes Wassers und kühlt dabei den Rest auf tiefe Temperaturen
ab. Das gekühlte Kaltwasser wird dann durch die Kaltwasserpumpe 26 und über die
Leitungen s1 und soi bzw. s11 den Kühlern To und T1 zugeführt. Die im Verdampfer
22 entstandenen Dämpfe strömen zum Absorber 23, wo sie durch .die von den Austreibern
kommende entgaste arme Lösung absorbiert werden. Die reiche Lösung wird über die
Leitung lil von der Lösungspumpe 24 abgesaugt und über 11, dem Temperaturwechsler
25 zugeführt, wo sie sich im Wärmeaustausch mit der heißen armen Lösung erwärmt
und über 11, in den Austreiberteil A1 gelangt und von dort über h in den
Austreiberteil A2. Die entgaste arme Lösung strömt über 12 in den Temperaturwechsler
25, wo sie sich abkühlt, und über IN in den Absorber zurück, nachdem sie vorher
im Regelventil v3 auf den dort herrschenden Druck entspannt wurde. Es muß noch bemerkt
werden, daß an den Absorber bzw. Verdampfer eine Entlüftungseinrichtung mit Vakuumpumpe
angeschlossen wird, um die durch Un@dichtigkeiten eintretende Luft aus dem System
zu entfernen.
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Grundsätzlich könnte die Luft bzw. das Gas auch auf Temperaturen unter
0° gekühlt werden. Es müßte dann statt des Kaltwassers eine Kühlsole benutzt werden,
und die Absorptions-Kälteanlage müßte mit Verdampfungstemperaturen unter 0° arbeiten,
was jodcch auch bei Verwendung von Wasser als Kältemittel durchaus möglich ist,
doch wird man von einer solchen Tiefkühlung auf Temperaturen unter 0° im allgemeinen
absehen, weil sich sowohl im Kühler To wie T1 die Feuchtigkeit als Reif absetzt,
so daß entweder die Kühler periodisch abzutauen sind oder jeweils zwei Kühler vorgesehen
werden müssen, die wechselweise- betrieben werden. Eine solche Arbeitsweise wird
man nur in Sonderfällen, bei Vorliegen besonderer Betriebsbedingungen oder Anforderungen
versehen.
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Die Verwendung von Wasser als Kältemittel bietet noch den Vorteil,
daß im Verdampfer keine besondere Wärmeaustauschfläche erforderlich ist, sondern
ein Teil des Wassers verdampft und damit unmittelbar die restliche Wassermenge auf
tiefe Temperaturen bringt. Das gekühlte Kaltwasser wird dadurch weitgehend entlüftet
und entgast, so daß keinerlei Korrosionen in den Leitungen und Apparaten zu befürchten
sind. Grundsätzlich kann man jedoch auch andere Stoffpaare für die Absorptions-Kälteanlagen
wählen, wie z. B. das sonst übliche Stoffpaar Ammoniak und Wasser, es muß. jedoch
,dann .der Verdampfer mit einer besonderen Wärmeaustauschfläche versehen werden,
auf deren einer Seite das Kältemittel verdampft, während auf der anderen Seite das
Kaltwasser bz-w. die Kühlsole abgekühlt wird.
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Einen fünfstufigen Gasverdichter mit Kühlung des Gases in der -Ansaugstufe
wie in den Zwischenstufen, unter Verwendung von Kaltwasser, das in einer
durch
die heißen, verdichteten Gase beheizten Absorptions-Kälteanlage auf tiefe Temperaturen
gebracht wird, zeigt Abb. ?, bei der dieselbe Bezeichnungsweise wie in Abb. 1 gewählt
wurde. Es ist daher auf Grund der vorstehenden Beschreibung auch hier die Wirkungsweise
klar erkennbar. Das angesaugte Gas wird zunächst in dem Kühler To vorgekühlt und
dann hinter jeder Verdichtungsstufe in drei Temperaturstufen zunächst durch die
entgasende Lösung in den Austreibern A, dann durch Kühlwasser in den Zwischenkühlern
Z und schließlich durch Kaltwasser in den Tiefkühlern T abgekühlt. Die Wirkungsweise
der Absorptions-Kälteanlage ist dieselbe wie in Abb. 1 beschrieben. Der Austreiber
besteht hier aus fünf einzelnen, von den heißen Gasen. der verschiedenen Verdichtungsstufen
beheizten Teilen.
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Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind folgende 1. Das Ansaugvolumen
in den einzelnen Stufen wird durch die Kühlung und vor allem in der ersten Stufe
durch die Entfeuchtung verringert, so daß geringere Verdichtervolumina erforderlich
sind. Die Kompressionsendtemperaturen werden niedriger, vor allem aber wird der
Leistungsbedarf solcher mehrstufigen Verdichter in zum Teil beträchtlichen Maße
vermindert. Bei vier- bis sechsstufigen Verdichtern kann die Ersparnis an Antriebsleistung
unter Umständen 10 bis 15% betragen. Diese Ersparnis an Antriebsleistung wird in
den meisten Fällen der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein.
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2. In manchen Fällen wird man bei einem bestimmten Druckverhältnis
gerade an der Grenze etwa zwischen zwei- und dreistufiger Verdichtung stehen. Hier
kann unter Umständen das beschriebene Verfahren dazu führen, daß man statt drei
nur zwei Verdichtungsstufen benötigt. Ähnlich können bei den fünf-oder sechsstufigen
Gasverdichtern für Synthesegasprozesse und ähnliche technologische Verfahren bei
Anwendung der künstlichen Kühlung nach dem beschriebenen Verfahren eine oder unter
Umständen sogar zwei Verdichtungsstufen gespart werden. In solchen Grenzfällen kann
also durch die Einsparung von Verdichtungsstufen eine Vereinfachung der Betriebsweise
und eine Senkung ,der Herstellungskosten erzielt werden.
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3. Infolge der niedrigen Kompressionsend.temperaturen wird die Gefahr
der Bildung von ölkoks vermindert und dadurch die Lebensdauer der Zylinder und vor
allem der Druckventile erhöht.
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4. Bei dem in den industriellen Betrieben üblicherweise verwendeten
Verbrauchswasser ist mit Ablagerungen in den kühlwasserbeschickten Kühlern zu rechnen,
die den Wärmeübergang verschlechtern und die Leistungsfähigkeit des Kompressors
beeinträchtigen. Daher ist häufige Reinigung der Zwischenkühler erforderlich. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Gas im oberen und unteren Temperaturbereich
durch im Kreislauf geführte Flüssigkeiten gekühlt, bei denen mit keiner ins Gewicht
fallenden Verschmutzung zu rechnen ist. Es bleiben daher die Flächen sauber, so
daß immer gleichbleibende Wärmeübertragungsverhältnisse vorliegen. Verschmutzungen
können daher im allgemeinen nur noch im mittleren Temperaturbereich auftreten, bei
dem noch mit Kühlwasser gekühlt wird, doch verringert sich die Reinigungsarbeit
wegen der kleineren Kühlflächen.
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Der für .die Leistungsfähigkeit einer Absorptions-Kälteanlage kennzeichnende
Leistungswert ist das sogenannte Wärmeverhältnis, das angibt, wieviel Kalorien an
Kälte durch eine Wärmeeinheit der aufgewandten Heizleistung erzielt werden können.
Dieses Wärmeverhältnis ist abhängig von der geforderten Kühltemperatur, von .der
höchsten Heizmitteltemperatur und von der Kühlwassertemperatur, und. zwar derart,
daß das Wärmeverhältnis um so größer wird, je höher die Kühltemperatur und die Heiztemperatur
und je niedriger die Kühlwassertemperatur ist. Bei einstufigen Absorptions-Kälteanlagen
erreicht das Wärmeverhältnis nur in ganz besonderen Fällen den Wert 1 und darüber,
im allgemeinen bleibt es unter 1. Bei den mit Wasser als Kältemittel arbeitenden
einstufigen Absorptions-Kälteanlagen .mit Verdampfungstemperaturen über 0° wird
je nach den Heizmitteltemperaturen und den Kühlwassertemperaturen das \Värmeverhältnis
praktisch Werte zwischen 0,7 und 0,85 annehmen.
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Bei der Einschaltung einer Absorptions-Kälteanlage in den Arbeitsprozeß
eines mehrstufigen Verdichters nach dem Erfindungsgedanken ist es im allgemeinen
von besonderem Vorteil, wenn die Gase in den einzelnen Kühlern To, T1, TZ usw. möglichst
tief gekühlt werden, indem die durch eine unter den gegebenen Betriebsbedingungen
arbeitende Absorptions-Kälteanlage erzielbare Kälteleistung voll ausgenutzt wird.
Diese Kälteleistung kann durch geeignete Abstimmung der in den einzelnen Kühlergruppen
Al, A2 USW-,
7.1, Z2 .. , und To, TI, T2 . . , umgesetzten Wärmemengen
so gesteigert wenden, daß das Verhältnis der in den Tiefkühlern To, T1, T2 usw.
abgeführten Wärmemengen zu den in den Austreibern Al, A2 USW.
umgesetzten
`Wärmemengen unter den durch die Kompressionsendtemperaturen und die Kühlwassertemperatur
gegebenen Betriebsverhältnissen ein Maximum wird. Vielfach können auch zwei- oder
mehrstufige Absorptions-Kälteanlagen verwendet und damit hesonders günstige Betriebsverhältnisse
erzielt werden.
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Anstatt für .die Tiefkühlstufen, wie in den Abbildungen dargestellt,
Oberflächenkühler To, TI, T2 USW.
zu verwenden, kann es zweckmäßig sein, die
Luft oder das Gas in an sich bekannter Weise mit denn Kaltwasser oder mit
der Kühlsole in einem Naßluftkühler oder Gaswäscher oder mit Hilfe von Sprühdüsendirekt
in Berührung zu bringen. Bei dieser Anordnung wird bekanntlich durch Fortfall der
Metallübertragungsfläche die Temperaturdifferenz zwischen Gas und Kühlflüssigkeit
verringert, so daß das Gas stärker gekühlt und vor allem auch stärker getrocknet
wird, wobei auch noch eine Ausscheidung etwa vorhandener Verunreinigungen erfolgt.
Diese Auswaschung und Trocknung der Luft oder des Gases bietet vor allem für die
erste Ansaugstufe besondere Vorteile, da dadurch das Ansaugvolumen verringert wird.