DE10115648A1 - Zweistufige Schraubenkompressoranlage und Verfahren zu ihrer Steuerung - Google Patents

Abstract

Die Schraubenkompressoranlage hat für eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe jeweils einen ölfreien Schraubenkompressor (1, 2). Die Leistung eines von einem Inverter (8) angetriebenen Motors (4) wird auf die Schraubenkompressoren (1, 2) über Zahnräder übertragen. Ein Ausblas-Zwei-Wegeventil (21) der Niederdruckstufe ist in einem Rohr (20) vorgesehen, das von einem die Schraubenkompressoren (2, 1) der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe verbindenden Rohr (9) zwischen Schraubenkompressoren (2, 1) abzweigt. Ein Ausblas-Zwei-Wegeventil (16) für den Schraubenkompressor (2) der Hochdruckstufe ist in einem Rohr (15) angeordnet, das von einem Förderrohr (11) abzweigt, das auf der Förderseite des Schraubenkompressors (2) der Hochdruckstufe vorgesehen ist. Während des lastfreien Betriebs gibt eine Steuereinrichtung (18) den Befehl an den Inverter (8), die Drehzahl des Motors (4) auf einen unteren Grenzwert einzustellen, sowie den Öffnungsbefehl an das Ausblas-Zwei-Wegeventil (21) des Schraubenkompressors (1) der Niederdruckstufe.

Description

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Schraubenkompressor­ anlage, deren Niederdruckstufe und deren Hochdruckstufe je­ weils einen mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressor aufweist, sowie ein Verfahren zu ihrer Steuerung.

Bei einer herkömmlichen zweistufigen Schraubenkompressoranla­ ge, wie sie beispielsweise in der JP 82391/1998 offenbart ist, sind die mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schrau­ benkompressoren der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe hintereinandergeschaltet, wobei zwischen den Schraubenkom­ pressoren ein Kühler vorgesehen ist. Der Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und der Schraubenkompressor der Hoch­ druckstufe sind mit einem Motor verbunden, der durch einen Inverter bzw. Wechselrichter mit variabler Drehzahl angetrie­ ben wird. Wenn bei einer so gebauten Schraubenkompressoranlage der Durchsatz klein ist, drehen sowohl der Schraubenkompressor der Niederdruckstufe als auch der Schraubenkompressor der Hochdruckstufe mit niedriger Drehzahl, so daß eine innere Leckagemenge nicht vernachlässigt werden kann. Deshalb ist über ein Auslaßrohr ein Ausblasventil angeschlossen, über das eine Ausblassteuerung durchgeführt wird, während der Schrau­ benkompressor der Niederdruckstufe und der Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei niedrigster Drehzahl arbeiten.

Bei der bekannten zweistufigen Schraubenkompressoranlage ist der Leistungsverbrauch ohne Last geringer als der bei voller Last verglichen mit einem einstufigen ölfreien Schraubenkom­ pressor. Auch wenn das vorstehend offenbarte Verfahren zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs angewendet wird, ergibt sich der Nachteil, daß der Leistungsverbrauch verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren nicht verringert wird, bei welchem über ein Ansaugdrosselventil gedrosselt wird.

Zur Lösung dieser Probleme besteht die Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung in der Schaffung einer mit variabler Drehzahl arbeitenden, eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe aufweisenden Schraubenkompressoranlage, bei welcher der Lei­ stungs- bzw. Stromverbrauch sowohl unbelastet als auch bei niedriger Last verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine zweistufige Schraubenkompressoranlage gelöst, deren Niederdruckstufe und deren Hochdruckstufe jeweils einen mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressor aufweist und eine Ausblaseinrichtung zum Ablassen von Druckluft an die Atmosphä­ re in der Mitte eines Rohres hat, welches zwischen den Schrau­ benkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geschaltet ist. Dabei sind vorzugsweise ein Zwischenkühler und eine Ausblaseinrichtung in der Mitte des Rohres vorgesehen, welches zwischen den Schraubenkompres­ sor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Nieder­ druckstufe geschaltet ist, während ein Nachkühler an der Förderseite des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe vor­ gesehen ist. Zwischen dem Schraubenkompressor der Hochdurck­ stufe und einem Rückschlagventil kann auch ein weiteres Abblasventil zum Ausblasen von Druckluft, die von dem Schrau­ benkompressor der Hochdruckstufe gefördert wird, vorgesehen werden, wobei die Druckluft durch das Ausblasventil und das weitere Ausblasventil zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs oder des Betriebs mit niedriger Last ausgeblasen wird.

Auf der Förderseite des Schraubenkompressors der Hochdruck­ stufe kann ein Detektor zum Feststellen des Drucks der Druck­ luft, die von der Hochdruckstufe gefördert wird, und eine Steuereinrichtung vorgesehen werden, die ein Förderdrucksignal erhält, das von dem Druckdetektor festgestellt wird, und ein Steuersignal zum Steuern der Ausblaseinrichtung abgibt. Ferner kann die Schraubenkompressoranlage einen Elektromotor für den Drehantrieb sowohl des Schraubenkompressors der Niederdruck­ stufe als auch des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe und einen Inverter bzw. Wechselrichter zum Antrieb des Elektromo­ tors aufweisen, wobei die Steuereinrichtung den Inverter basierend auf einem Signal des Förderdrucks steuert, das von dem Druckdetektor gemessen wird.

Vorzugsweise ist auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe ein Drosselventil und auf der Förderseite des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe eine weitere Ausblaseinrichtung vorgesehen, die in Verbindung mit dem Ansaugdrosselventil steht.

Die erwähnte, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen Schrauben­ kompressoranlage gelöst, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während sich die Drehzahl eines Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und eines Schraubenkompressors der Hochdruck­ stufe ändert, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, einen Lastbetrieb durchzuführen, um die Drehzahlen des Schraubenkom­ pressors der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe in einem Bereich zu ändern, in welchem das Volumen verbrauchter Luft basierend auf einem Druck, der von einem Druckdetektor gemessen wird, der auf einer Förderseite vorgesehen ist, von einem maximalen Luftvolumen bis zu einem vorher eingestellten Luftvolumen reicht, den Schraubenkom­ pressor der die Niederdruckstufe und den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei eingestellten unteren Grenzdrehzahlen arbeiten zu lassen, die bei jedem Schraubenkompressor für einen lastfreien Betrieb vorher eingestellt wurden, bei dem ein Volumen verbrauchter Luft im wesentlichen Null ist, Druck­ luft aus der Ausblaseinrichtung auszublasen, die in einem Rohr vorgesehen ist, welches zwischen den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruck­ stufe geschaltet ist, und den Lastbetrieb und den lastfreien Betrieb zu wiederholen, wenn das Volumen verbrauchter Luft gleich einem eingestellten Luftvolumen oder kleiner als dieses ist.

Vorzugsweise werden während des Lastbetriebs die Drehzahlen der Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe und der Hoch­ druckstufe im wesentlichen proportional zum Volumen verbrauch­ ter Luft geändert. Während des lastfreien Betriebs wird vor­ zugsweise von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe geförderte Druckluft ausgeblasen.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe dient ferner ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen Schrauben­ kompressoranlage, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während die Drehzahlen eines Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und eines Schraubenkompressors der Hochdruckstufe geändert werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, in Be­ triebsarten einschließlich dem lastfreien Betrieb unter Aus­ blasen von Druckluft aus Ausblaseinrichtungen zu arbeiten, die in einem Rohr vorgesehen sind, welches zwischen den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkom­ pressor der Niederdruckstufe geschaltet ist, wenn ein Volumen verbrauchter Luft basierend auf einem auf einem von einem Druckdetektor auf der Förderseite gemessenen Druck ein vorher eingestelltes Luftvolumen nicht überschreitet und der Druck der von der Niederdruckstufe geförderten Druckluft wenigstens Atmosphärendruck ist.

Ein auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors der Nieder­ druckstufe vorgesehenes Ansaugdrosselventil kann so ausgestal­ tet werden, daß es mit der Ausblaseinrichtung für von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe verdichtete Druckluft so gekoppelt ist, daß die Drosselung des Ansaugdrosselventils gesteuert wird, wenn ein Volumen verbrauchter Luft ein einge­ stelltes Luftvolumen nicht überschreitet.

Die erfindungsgemäße zweistufige Schraubenkompressoranlage kann Druckluft in die Atmosphäre zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs von einer Stelle zwischen der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe ausblasen, so daß der Leistungsverbrauch der Schraubenkompressoranlage im lastfreien Betrieb merklich verringert werden kann. Außerdem ist es möglich, den Lei­ stungsverbrauch auch zum Zeitpunkt des Betriebs mit niedriger Last zu reduzieren, wobei der lastfreie Betrieb und der Last­ betrieb mit der eingestellten niedrigen Grenzdrehzahl wie­ derholt werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Schraubenkompressoranlage,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebsablaufs der Schraubenkompressoranlage von Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Leistungsver­ brauchskennlinien der Schraubenkompressoranlage von Fig. 1,

Fig. 4 schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Schraubenkompressoranlage und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Druckkennlinien der Schrauben­ kompressoranlage von Fig. 4 zum Zeitpunkt des last­ freien Betriebs zeigt.

Die in Fig. 1 gezeigte Schraubenkompressoranlage 100 hat einen Schraubenkompressor 1 einer Niederdruckstufe und einen Schrau­ benkompressor 2 einer Hochdruckstufe. Der Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe hat ein Rotorpaar bestehend aus einem weiblichen Rotor und einem männlichen Rotor, die in einem Gehäuse aufgenommen sind, das an seinem Außenumfang mit einem Kühlmantel versehen ist. Das Rotorpaar wird synchron durch Eingriff von Steuerzahnrädern gedreht, die an den Wellenenden der jeweiligen Rotoren angebracht sind. An einem Ende der Welle 1a des einen Rotors ist ein Ritzel 6 gegenüber dem Ende angebracht, an dem das Steuerzahnrad sitzt. In gleicher Weise ist bei dem Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe ein Rotorpaar bestehend aus einem männlichem und einem weiblichen Rotor in einem Gehäuse aufgenommen, das an seinem Außenumfang mit einem Kühlmantel versehen ist. Das Paar von Rotoren wird synchron durch Eingriff mit Steuerzahnrädern gedreht, die an den Wellenenden der jeweiligen Rotoren sitzen. An einem Ende einer Welle 2a des einen Rotors ist ein Ritzel 7 angebracht, während an dem gegenüberliegenden Ende das Steuerzahnrad sitzt.

Die beiden Ritzel 6 und 7 kämmen mit einem großen Antriebs­ zahnrad 5, das auf einer Hauptwelle sitzt, die mit einer Welle 4a eines Motors 4 kuppelbar ist. Der Motor 4 ist ein von einem Inverter 8 angetriebener Motor in einer Bauweise für variable Drehzahl. Die Ritzel 6 und 7 und das Hauptzahnrad 5 sitzen in einem Getriebegehäuse 3. Der untere Teil des Getriebegehäuses 3 bildet einen Ölsumpf aus Schmieröl, welches die Lager der Schraubenkompressoren 1 und 2, des Hauptzahnrads 5 und der Ritzel 6 und 7 schmiert.

In dem Ansaugweg des Schraubenkompressors 1 der Niederdruck­ stufe ist ein Filter 14 angeordnet, um Umgebungsluft zu fil­ tern und dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe zuzu­ führen. An der Stromabseite des Filters 14 ist ein Saugkanal 14A ausgebildet. Zwischen der Förderseite des Schraubenkom­ pressors 1 der Niederdruckstufe und der Saugseite des Schrau­ benkompressors 2 der Hochdruckstufe ist ein Zwischenkühler 10 angeordnet, der mit dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruck­ stufe über ein Luftrohr 9 und mit dem Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe durch ein Luftrohr 9A verbunden ist. Mit einer Stromabseite des Schraubenkompressors 2 der Hochdruck­ stufe ist ein Nachkühler 13 durch ein Luftrohr 11 über ein Rückschlagventil 12 verbunden.

Von dem Rohr 9, welches den Zwischenkühler 10 und den Schrau­ benkompressor 1 der Niederdruckstufe verbindet, zweigt da­ zwischenliegend ein Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ab. Das Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ist mit einem Zweiwe­ geventil 21 versehen. Von der Stromaufseite des Rückschlagven­ tils 12 und zwischen dem Nachkühler 13 und dem Schraubenkom­ pressor 2 der Hochdruckstufe zweigt an dem sie verbindenden Luftrohr 11 in gleicher Weise ein Ausblasrohr 15 für die Hochdruckstufe ab. Das Ausblasrohr 15 für die Hochdruckstufe ist mit einem Zweiwegeventil 16 versehen. Um die Verbraucher­ seite mit vom Nachkühler 13 gekühlter Druckluft zu versorgen, ist auf der Stromabseite des Nachkühlers 13 ein Förderluftrohr 23 vorgesehen. In dem Förderluftrohr 23 ist ein Druckdetektor 17 angeordnet, um den Druck der von der Schraubenkompressor­ anlage 100 geförderten Druckluft zu messen. Der von dem Druck­ detektor 17 gemessene Druck wird in eine Steuereinrichtung 18 eingegeben.

Wenn der Motor 4 läuft, wird sein Drehmoment auf den Schrau­ benkompressor 1 der Niederdruckstufe und auf den Schraubenkom­ pressor 2 der Hochdruckstufe über das Hauptzahnrad 5 und die Ritzel 6 und 7 übertragen. Dadurch werden die Rotorpaare des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und des Schrauben­ kompressors 2 der Hochdruckstufe synchron gedreht und kom­ primieren die das Arbeitsgas bildenden Luft. Die durch den Ansaugkanal 14A angesaugte Umgebungsluft wird in dem Schrau­ benkompressor 1 der Niederdruckstufe verdichtet, wodurch ihre Temperatur und ihr Druck erhöht werden. Die komprimierte Luft mit hoher Temperatur wird in den Zwischenkühler 10 durch das Luftrohr 9 eingeführt und dort gekühlt. Die vom Zwischenkühler 10 abgekühlte Luft wird in den Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe über das Luftrohr 9A eingeführt, wo Temperatur und Druck auf vorgegebene Förderwerte erhöht werden.

Die eine hohe Temperatur aufweisende Druckluft wird in den Nachkühler 13 durch ein Luftrohr 11 eingeführt, darin abge­ kühlt und der Verbraucherseite über das Förderluftrohr 23 zugeführt.

Wenn das Volumen verbrauchter Luft auf der Verbraucherseite abnimmt, steigt der von dem Druckdetektor 17 gemessene Förder­ druck. Der gemessene Förderdruck wird in die Steuereinrichtung 18 eingegeben. Wenn der Förderdruck steigt, gibt die Steuer­ einrichtung 18 ein Befehlsignal an den Inverter 8, um die Drehzahl des Motors 4 zu verringern. Wenn sich die Drehzahl des Motors 4 verringert, nehmen die Drehzahlen der Rotoren der Schraubenkompressoren 1 und 2 der Niederdruckstufe bzw. der Hochdruckstufe ab, wodurch das Volumen der von der Schrau­ benkompressoranlage 100 geförderten Luft abnimmt.

Wenn das Volumen verbrauchter Luft abnimmt und man das Volumen der von der Schraubenkompressoranlage 100 geförderten Luft 100% bis etwa 50% des vorgegebenen Volumens der Förderluft werden läßt, steuert die Steuereinrichtung 18 die Drehzahl des Motors 4 proportional zum geförderten Luftvolumenverhältnis, wie es in Fig. 2 (Betriebsbereich D) gezeigt ist, um den Förderdruck konstant zu machen. Wenn man im Gegensatz dazu das Volumen der geförderten Luft etwa 50% des vorgegebenen Volu­ mens der Förderluft oder weniger werden läßt, befiehlt die Steuereinrichtung 18 zur Drucksenkung einen Ausblasvorgang. Das bedeutet konkret, daß, wenn der von dem Druckdetektor 17 gemessene Förderdruck einen in der Steuereinrichtung 18 vorher eingestellten oberen Grenzdruck überschreitet, die Steuer­ einrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8 gibt, eine eingestellte untere Grenzdrehzahl aufrecht zu erhalten. Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 18 einen Öffnungs­ befehl an das Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe. Durch Öffnen des Zweiwegeventils 16 kann in der Hochdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre freigegeben werden, ohne daß sie in den Nachkühler 13 eingeführt wird.

Bei dieser Ausführungsform zweigt das Luftrohr 20 von dem Luftfrohr 9 auf der Förderseite des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe ab. Das Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ist aus folgendem Grund mit dem Zweiwegeventil 21 für das Ausblasen versehen. Ein Bereich, bei welchem ein von der Schraubenkompressoranlage 100 gefördertes Luftvolumen 100% bis etwa 50% des vorgegebenen Volumens der Förderluft beträgt, ist ein Lastbetriebsbereich. Da in diesem Lastbetriebsbereich das gesamte Volumen der verdichteten Luft der Verbraucherseite zugeführt werden soll, gibt die Steuereinrichtung 18 an das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe den Befehl, das Zweiwegeventil 21 zu schließen. Dadurch wird das gesamte Volumen der in der Niederdruckstufe verdichteten Luft der Hochdruckstufe zugeführt.

Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn der Verbrauch an Druckluft auf der Verbraucherseite abnimmt und es nicht mehr erforderlich ist, der Verbraucherseite Druckluft zuzuführen, gibt die Steuereinrichtung 18 an den Inverter 8 den Befehl, die Drehzahl des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe auf die unteren Grenzwerte zu setzen. Gleichzeitig gibt die Steuer­ einrichtung 18 einen Öffnungsbefehl an das Ausblas-Zweiwege­ ventil 21 der Niederdruckstufe, wodurch ein Teil der in der Niederdruckstufe verdichteten Luft an die Atmosphäre abgegeben wird. Wenn das Volumen der der Verbraucherseite zugeführten Luft kleiner ist, d. h. zum Zeitpunkt des Betriebs mit niedri­ ger Last, bei dem das Volumen der Förderluft etwa 50% oder weniger des spezifizierten bzw. vorgegebenen Volumens der Förderluft beträgt, gibt die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8, die Drehzahl sowohl des Schraubenkompres­ sors 1 der Niederdruckstufe als auch des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe höchstens auf die unteren Grenzwerte zu setzen. Die Steuereinrichtung 18 steuert das Ausblas-Zweiwege­ ventil 21 der Niederdruckstufe und das Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe so, daß der oben beschriebene lastfreie Betrieb und Lastbetrieb wiederholt werden. Bei jeder der beschriebenen Arbeitsweisen wird ein Volumen verbrauchter Druckluft basierend auf einem Druck bestimmt, der von dem Druckdetektor 17 erfaßt wird, der sich in dem Förderluftrohr 23 befindet.

Fig. 3 zeigt eine Änderung des Leistungsverbrauchs der Schrau­ benkompressoranlage 100, wenn die Steuereinrichtung 18 den Inverter 8, das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe und das Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe, wie oben erwähnt, steuert. In Fig. 3 sind auf der Abszisse die Werte aufgetragen, die durch Teilen eines Förderluftvolumens der Schraubenkompressoranlage durch ein genutztes Förderluftvolu­ men erhalten werden, während auf der Ordinate der Leistungs­ verbrauch der Schraubenkompressoranlage 100 aufgetragen ist, mit der Annahme, daß der Leistungsverbrauch 100% ist, wenn das Förderluftvolumen einem benutzten Luftvolumen entspricht. Eine in Fig. 3 zum Vergleich gezogene Linie F zeigt Änderungen im Leistungsverbrauch für den Fall, bei welchem ein herkömmliches Kapazitätssteuerverfahren verwendet wird, bei dem ein Ansaug­ drosselventil, das abhängig von der Last öffnet und schließt, auf der Saugseite des Schraubenkompressors 1 der Niederdruck­ stufe vorgesehen ist. Bei diesem Steuerverfahren werden sowohl der Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe als auch der Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe mit Drehzahlen beauf­ schlagt, die konstant sind, und es wird Druckluft im last­ freien Betrieb abgeblasen. Ein Punkt f zeigt den Leistungsver­ brauch zu dem Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn das herkömmliche Kapazitätssteuerverfahren bzw. Mengenregelungs­ verfahren verwendet wird.

Ein in Fig. 3 zum Vergleich mit der Erfindung gezogene Linie G zeigt Änderungen des Leistungsverbrauchs einer mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressoranlage ohne ein Ausblas-Zweiwegeventil der Niederdruckstufe, jedoch mit nur einem Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe. Diese herkömmliche Schraubenkompressoranlage hat einen Schraubenkom­ pressor in der Niederdruckstufe und einen Schraubenkompressor in der Hochdruckstufe, von denen jeder von einem inverterbe­ triebenen Motor angetrieben wird. Ein Punkt g zeigt den Lei­ stungverbrauch zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn das herkömmliche Drehzahlsteuerverfahren verwendet wird.

In Fig. 3 zeigt eine Linie H die Leistungsverbrauchseigen­ schaften einer Schraubenkompressoranlage 100, bei der das erfindungsgemäße Steuerverfahren angewendet wird. Wenn das Förderluft-Volumenverhältnis 100% bis 50% beträgt, ändert sich der Leistungsverbrauch proportional zu dem Förderluft-Volumen­ verhältnis. Wenn das Förderluft-Volumenverhältnis 50% oder weniger beträgt, verläuft die Änderung flacher als zum Zeit­ punkt großer Durchsätze (100% bis 50%), jedoch ist der Lei­ stungsverbrauch geringer als der im Fälle der Linien F und G nach dem Stand der Technik. Darüberhinaus befindet sich ein Punkt h, der den Leistungsverbrauch zum Zeitpunkt des last­ freien Betriebs anzeigt, deutlich unterhalb der Punkte f und g.

Der Leistungsverbrauch einer Schraubenkompressoranlage ist die Summe der Leistungen, die für das Verdichten von Luft und für mechanische Verluste erforderlich ist, die an den Lagern oder dergleichen erzeugt werden. Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs wird die Drehzahl des Schraubenkompressors einer Stufe so gesteuert, daß sie annähernd die Hälfte der Drehzahl zum Zeitpunkt des Vollastbetriebs ist, so daß der mechanische Verlustanteil gering ist und der größte Teil des Leistungsver­ brauchs der Verdichtung der Luft zuzuordnen ist. Da bei dieser Ausführung ein Teil der Druckluft, die von der Niederdruck­ stufe verdichtet wird, an die Atmosphäre zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs abgeblasen wird, nimmt das Volumen der der Hochdruckstufe zugeführten Druckluft um das Volumen der ausge­ blasenen Luft ab. Da die durch die Luftverdichtung verbrauchte Leistung im wesentlichen proportional zu dem durch den Kom­ pressor der Stufe angesaugten Luftvolumen ist, beträgt der Leistungsverbrauch auch aufgrund der Luftverdichtung in der Hochdruckstufe etwa die Hälfte unter der Annahme, daß 50% der von der Niederdruckstufe verdichteten Luft ausgeblasen wird. Wenn der Leistungsverbrauch aufgrund von Luftverdichtung in der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe im Vollastbetrieb im wesentlichen der gleiche ist, kann der Leistungsverbrauch aufgrund der Luftverdichtung in der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe um 25% reduziert werden, wenn 50% der von der Niederdruckstufe verdichteten Luft ausgeblasen wird.

Da eine zweistufige Kompressoranlage insgesamt höher im last­ freien Wirkungsgrad als ein einstufiger Kompressor ist, ist der Leistungsverbrauch der zweistufigen Kompressoranlage ohne Last relativ kleiner als der des einstufigen Kompressors. Deshalb wird die Differenz zwischen dem Leistungsverbrauch bei keiner Last bei dem herkömmlichen Kapazitätssteuerverfahren (Punkt f) und der Leistungsverbrauch ohne Last im Drehzahl­ steuerverfahren (Punkt g) sehr klein. Andererseits wird gemäß dieser Ausführungsform in einem Bereich, in welchem das Volu­ men der Förderluft klein ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre ausgeblasen, um die Verdichtungsarbeit der Hochdruckstufe zu verringern, damit der Leistungsverbrauch reduziert wird. Wenn eine zweistufige Schraubenkompressoranlage mit einer Nieder­ druckstufe und einer Hochdruckstufe, deren Schraubenkompresso­ ren mit konstanter Drehzahl drehen, dem Kapazitätssteuerver­ fahren unter Verwendung eines Ansaugdrosselventils unterworfen wird, wird zudem der Druck der von der Niederdruckstufe ver­ dichteten Luft negativ, so daß es schwierig ist, von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre auszubla­ sen.

Die Ausführungsform von Fig. 4 unterscheidet sich von der von Fig. 1 dadurch, daß ein Ansaugdrosselventil 31 in einem An­ saugkanal des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe, ein Ausblasventil 32 für eine Kopplung mit dem Öffnen und Schlie­ ßen des Ansaugdrosselventils 31 anstelle des Ausblas-Zweiwege­ ventils 16 der Hochdruckstufe und ein Ausblasschalldämpfer 33 auf der Sekundärseite des Ausblasventils 32 vorgesehen sind.

Zum Zeitpunkt des Lastbetriebs, bei welchem Druckluft der Verbraucherseite zugeführt wird, gibt bei dieser Ausführungs­ form die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8, die Drehzahl des Motors 4 so einzustellen, daß die Schrau­ benkompressoranlage ein Luftvolumen zuführen kann, das auf der Verbraucherseite benötigt wird, und das basierend auf dem Förderdruck erhalten wird, der durch den Druckdetektor 17 gemessen wird. Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 18 einen Befehl zum Öffnen des Ansaugdrosselventils 31.

Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, in welchem keine Druck­ luft zur Verbraucherseite gefördert wird, gibt die Steuer­ einrichtung 18 den Befehl, das Ansaugdrosselventil 31 zu schließen, und den Befehl an den Inverter 8, die Drehzahl des Motors 4 auf eine untere Grenzdrehzahl zu setzen. Ferner gibt die Steuereinrichtung 18 den Befehl, das Ausblasventil 32 zu öffnen. Da die Drehzahl des Schraubenkompressors 1 der Nieder­ druckstufe auf die untere Grenzdrehzahl zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs gesetzt ist, nimmt der Ansaugdruck des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe auf der Sekun­ därseite des Ansaugdrosselventils 31 ab, wenn das von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe angesaugte Luft­ volumen abnimmt. Da ein groß bemessenes Ansaugdrosselventil 31 von 22 kW, beispielsweise für 100 kW, in der zweistufigen Kom­ pressoranlage üblicherweise benutzt wird, nimmt der Druck auf der Ansaugseite extrem ab, auch wenn das Ansaugventil 31 gedrosselt ist. Als Folge kann der Förderdruck der Nieder­ druckstufe, der einen Wert annimmt, der durch Multiplizieren des Ansaugdrucks mit dem Druckverhältnis erhalten wird, posi­ tiv werden. Dadurch kann von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre ausgeblasen werden, wenn das Ausblas- Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe geöffnet wird. Dies hat zur Folge, daß das der Hochdruckstufe zugeführte Druckluft­ volumen verringert werden kann. Wenn das Ansaugdrosselventil 31 an die Nennleistung angepaßt ist, muß es zusätzlich so gesteurt werden, daß verhindert wird, daß der Förderdruck der Niederdruckstufe negativ wird.

Wenn nur ein kleines Volumen von Druckluft der Verbrauchersei­ te während des Betriebs mit niedriger Last zugeführt wird, gibt die Steuereinrichtung 18 den Befehl an der Inverter 8, daß die Drehzahlen des Schraubenkompressors 1 der Niederdruck­ stufe und des Schraubenkompressors 2 der Hochdurckstufe nied­ rige Grenzwerte annehmen. Die Steuereinrichtung 18 steuert auch das Ansaugdrosselventil 31 und die Ausblas-Zweiwegeventi­ le 21 und 32 so, daß der oben erwähnte lastfreie Betrieb und Lastbetrieb wiederholt werden.

Das Diagramm von Fig. 5 zeigt Änderungen des Förderdrucks, wenn die ölfreie Schraubenkompressoranlage 100 von Fig. 4 mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten gelassen wird. Fig. 5 zeigt also Drucke der jeweiligen Abschnitte der ölfreien Schraubenkompressoranlage und einen Zustand zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs. Auf der Abszisse sind die Verhältnisse bezüglich der Nenndrehzahl aufgetragen. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Drehzahl des Schraubenkompressors 1 der Nieder­ druckstufe etwa 60% oder weniger des Nennwerts wird, der Druck der von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe geför­ derten Druckluft den Atmosphärendruck überschreitet. Dadurch ergibt sich, daß während des lastfreien Betriebs, bei welchem die Drehzahl auf 50% der Nenndrehzahl eingestellt ist, von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe verdichtete Druck­ luft an die Atmosphäre ausgeblasen werden kann.

Claims (12)

1. Zweistufige Schraubenkompressoranlage (100)
mit einem ölfreien Schraubenkompressor (1) für die Niederdruckstufe und einem ölfreien Schraubenkompres­ sor (2) für die Hochdruckstufe, die mit variabler Drehzahl antreibbar sind, und
mit Ausblaseinrichtungen (16, 21, 32) zum Ausblasen von Druckluft an die Atmosphäre aus einem die beiden Schraubenkompressoren (1, 2) verbindenden Rohr (11, 9) auf etwa halbem Weg zwischen den Schraubenkompres­ soren (1, 2).

2. Anlage nach Anspruch 1 mit einem Zwischenkühler (10) und einer Ausblaseinrichtung (20), die auf etwa halbem Weg des Rohres (9, 9A) vorgesehen sind, das den Schrauben­ kompressor (1, 2) der Hochdruckstufe und der Nieder­ druckstufe verbindet, und mit einem Nachkühler (13), der auf der Förderseite des Schraubenkompressors (2) der Hochdruckstufe vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Druckdetektor (17), der auf der Förderseite des Schraubenkompressors (2) der Hochdruckstufe zum Messen des Drucks der geför­ derten Luft vorgesehen ist, und mit einer Steuereinrich­ tung (18) für den Empfang des Signals des von dem Druck­ detektor (17) gemessenen Förderdrucks und für die Abgabe eines Steuersignals zur Steuerung der Ausblaseinrichtung (16, 21).

4. Anlage nach Anspruch 3 mit einem Elektromotor (4) für den Drehantrieb der Schraubenkompressoren (1, 2) der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe und mit einem Inverter (8) für den Antrieb des Elektromotors (4), wobei die Steuereinrichtung (18) den Inverter (8) basie­ rend auf dem Signal des Förderdrucks steuert, der von dem Druckdetektor (17) gemessen wird.

5. Anlage nach Anspruch 3 mit einem Ansaugdrosselventil (31) auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors (1) der Niederdruckstufe und mit einer weiteren Ausblas­ einrichtung (32) auf der Förderseite des Schraubenkom­ pressors (2) der Hochdruckstufe, wobei die weitere Ausblaseinrichtung (32) mit dem Ansaugdrosselventil (31) gekoppelt ist.

6. Anlage nach Anspruch 1 mit einem weiteren Ausblasventil (16), das zwischen dem Schraubenkompressor (2) der Hochdruckstufe und einem Rückschlagventil (12) zum Ausblasen der von dem Schraubenkompressor (2) der Hoch­ druckstufe geförderten Druckluft vorgesehen ist, wobei durch das Ausblasventil (21) und das weitere Ausblasven­ til (16) zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs und des Betriebs mit niedriger Last Druckluft ausgeblasen wird.

7. Verfahren zum Steuern einer zweistufigen ölfreien Schraubenkompressoranlage, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucher­ seite arbeitet, während die Drehzahlen eines ölfreien Schraubenkompressors einer Niederdruckstufe und eines ölfreien Schraubenkompressors einer Hochdruckstufe geändert werden, wobei das Verfahren die Schritte auf­ weist,

• - einen Lastbetrieb auszuführen, um die Drehzahlen des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe in einem Bereich zu ändern, in welchem das Volumen verbrauch­ ter Luft basierend auf einem Druck, der von einem Druckdetektor gemessen wird, der auf einer Fördersei­ te vorgesehen ist, von einem maximalen Luftvolumen bis zu einem vorher eingestellten Luftvolumen reicht,
• - den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei einge­ stellten niedrigen Grenzdrehzahlen arbeiten zu las­ sen, die bei jedem Schraubenkompressor für einen lastfreien Betrieb vorher eingestellt wurden, bei welchem das Volumen verbrauchter Luft im wesentlichen Null ist,
• - Druckluft aus den Ausblaseinrichtungen auszublasen, die in einem Rohr vorgesehen sind, das die Schrauben­ kompressoren der Hochdruckstufe und der Niederdruck­ stufe verbindet, und
• - den Lastbetrieb und den lastfreien Betrieb zu wieder­ holen, wenn das Volumen verbrauchter Luft gleich einem eingestellten Luftvolumen oder kleiner als dieses ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem während des Lastbetriebs die Drehzahlen der Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe im wesentli­ chen proportional zum Volumen verbrauchter Luft geändert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem von dem Schrau­ benkompressor der Hochdruckstufe geförderte Druckluft während des lastfreien Betriebs ausgeblasen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem von dem Schrau­ benkompressor der Hochdruckstufe geförderte Druckluft während des lastfreien Betriebs ausgeblasen wird.

11. Verfahren zum Steuern einer zweistufigen Schraubenkom­ pressoranlage, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während die Drehzahlen eines Schraubenkompressors einer Niederdruckstufe und eines Schraubenkompressors einer Hochdruckstufe geändert werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist,

• - in Betriebsarten, einschließlich dem lastfreien Be­ trieb unter Ausblasen von Druckluft aus Ausblasein­ richtungen zu arbeiten, die in einem Rohr vorgesehen sind, das den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe verbindet, wenn ein Volumen verbrauchter Luft basie­ rend auf einem Druck, der von einem Druckdetektor gemessen wird, der auf der Förderseite vorgesehen ist, höchstens ein vorher festgelegtes Luftvolumen beträgt und der Druck der von dem Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geförderten Luft wenigstens dem Atmosphärendruck entspricht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem ein Ansaugdros­ selventil, das auf der Ansaugseite des Schraubenkom­ pressors der Niederdruckstufe vorgesehen ist, mit einer Ausblaseinrichtung für Druckluft gekoppelt wird, die von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe verdichtet wird, um das Ansaugdrosselventil zu steuern, wenn das Volumen verbrauchter Luft höchstens ein eingestelltes Luftvolumen ausmacht.