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Die Erfindung betrifft eine zweistufige Schraubenkompressoranlage,
deren Niederdruckstufe und deren Hochdruckstufe jeweils einen mit
variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien
Schraubenkompressor aufweist, sowie ein Verfahren zu ihrer Steuerung.
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Aus der
DE 28 47 311 A1 ist eine
zweistufige Schraubenkompressoranlage bekannt, die einen Niederdruckverdichter
und einen Hochdruckverdichter aufweist, die beide Schraubenverdichter
sind und von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Der Förderauslass
des Niederdruckverdichters ist mit einer Saugöffnung des Hochdruckverdichters über eine
Leitung verbunden. Die aus dem Hochdruckverdichter austretende verdichtete
Luft wird durch eine Förderleitung
zu einem Behälter
gefördert.
Mit der Förderleitung
ist eine Druckentlastungsleitung verbunden, die zu einer Ventilkammer
führt,
die mit einem zur Atmosphäre
offenen Entlastungsrohr in Verbindung steht. Ferner ist in der Ventilkammer
ein Druckentlastungsventil angeordnet, das die Verbindung zwischen
der Druckentlastungsleitung und dem Entlastungsrohr regelt.
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Bei einer ähnlichen, aus der
US 5 613 843 A bekannten
zweistufigen Schraubenkompressoranlage werden ein Niederdruckkompressor
und ein Hochdruckkompressor über
ein Getriebe von einem gemeinsamen Motor angetrieben. Die vom Niederdruckkompressor
verdichtete Luft wird über
einen Zwischenkühler
in den Hochdruckkompressor geführt,
von dem aus die verdichtete Luft zu einem Nachkühler geführt wird. An die Leitung zwischen dem
Nachkühler
und dem Hochdruckkompressor ist eine Leitung zum Abführen von
Luft im lastfreien Betrieb der Kompressoren angeordnet.
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Bei einer herkömmlichen zweistufigen Schraubenkompressoranlage,
wie sie beispielsweise in der
JP 10-82391 A offenbart ist, sind die mit
variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien
Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe
hintereinandergeschaltet, wobei zwischen den Schraubenkompressoren
ein Kühler
vorgesehen ist. Der Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und der
Schraubenkompressor der Hochdruckstufe sind mit einem Motor verbunden,
der durch einen Inverter bzw. Wechselrichter mit variabler Drehzahl
angetrieben 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 Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und der Schraubenkompressor
der Hochdruckstufe bei niedrigster Drehzahl arbeiten.
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Bei der bekannten zweistufigen Schraubenkompressoranlage
ist der Leistungsverbrauch ohne Last geringer als der bei voller
Last verglichen mit einem einstufigen ölfreien Schraubenkompressor. 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.
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Zur Lösung dieser Probleme besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer mit
variabler Drehzahl arbeitenden, eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe
aufweisenden Schraubenkompressoranlage, bei welcher der Leistungs-
bzw. Stromverbrauch sowohl unbelastet als auch bei niedriger Last
verringert ist.
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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 Atmosphäre
in der Mitte eines Rohres hat, welches zwischen den Schraubenkompressor
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 Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor
der Niederdruckstufe geschaltet ist, während ein Nachkühler an
der Förderseite
des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe vorgesehen ist. Zwischen
dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und einem Rückschlagventil
kann auch ein weiteres Abblasventil zum Ausblasen von Druckluft,
die von dem Schraubenkompressor 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.
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Auf der Förderseite des Schraubenkompressors
der Hochdruckstufe kann ein Detektor zum Feststellen des Drucks
der Druckluft, 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 Niederdruckstufe
als auch des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe und einen Inverter
bzw. Wechselrichter zum Antrieb des Elektromotors aufweisen, wobei
die Steuereinrichtung den Inverter basierend auf einem Signal des
Förderdrucks
steuert, das von dem Druckdetektor gemessen wird.
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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.
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Die erwähnte, der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen
Schraubenkompressoranlage 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 Hochdruckstufe ändert, wobei das Verfahren
die Schritte aufweist, einen Lastbetrieb durchzuführen, um
die Drehzahlen des Schraubenkompressors 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 Schraübenkompressor der Niederdruckstufe
und den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei unteren Grenzedrehzahlen
arbeiten zu lassen, die bei jedem Schraubenkompressor für einen lastfreien
Betrieb vorher eingestellt wurden, bei dem ein Volumen verbrauchter
Luft im wesentlichen Null ist, Druckluft aus der Ausblaseinrichtung
auszublasen, die in einem Rohr vorgesehen ist, welches zwischen
den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor
der Niederdruckstufe 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.
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Vorzugsweise werden während des
Lastbetriebs die Drehzahlen der Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe
und der Hochdruckstufe im wesentlichen proportional zum Volumen
verbrauchter Luft geändert.
Während
des lastfreien Betriebs wird vorzugsweise von dem Schraubenkompressor
der Hochdruckstufe geförderte
Druckluft ausgeblasen.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrunde
liegenden Aufgabe dient ferner ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen
Schraubenkompressoranlage, 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 Betriebsarten einschließlich dem
lastfreien Betrieb unter Ausblasen von Druckluft aus Ausblaseinrichtungen zu
arbeiten, die in einem Rohr vorgesehen sind, welches zwischen den
Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor
der Niederdruckstufe geschaltet ist, wenn ein Volumen verbrauchter
Luft, basierend 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.
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Ein auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors
der Niederdruckstufe vorgesehenes Ansaugdrosselventil kann so ausgestaltet
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 eingestelltes Luftvolumen nicht überschreitet.
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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
Leistungsverbrauch auch zum Zeitpunkt des Betriebs mit niedriger
Last zu reduzieren, wobei der lastfreie Betrieb und der Lastbetrieb
mit der eingestellten niedrigen Grenzdrehzahl wiederholt werden.
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Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt
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1 schematisch
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schraubenkompressoranlage,
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2 ein
Diagramm zur Erläuterung
des Betriebsablaufs der Schraubenkompressoranlage von 1,
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3 ein
Diagramm zur Darstellung der Leistungsverbrauchskennlinien der Schraubenkompressoranlage
von 1,
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4 schematisch
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schraubenkompressoranlage
und
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5 ein
Diagramm, das die Druckkennlinien der Schraubenkompressoranlage
von 4 zum Zeitpunkt
des lastfreien Betriebs zeigt.
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Die in 1 gezeigte
Schraubenkompressoranlage 100 hat einen Schraubenkompressor 1 einer Niederdruckstufe
und einen Schraubenkompressor 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.
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Die beiden Ritzel 6 und 7 kämmen mit
einem großen
Antriebszahnrad 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.
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In dem Ansaugweg des Schraubenkompressors 1 der
Niederdruckstufe ist ein Filter 14 angeordnet, um Umgebungsluft
zu filtern und dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe
zuzuführen. An
der Stromabseite des Filters 14 ist ein Saugkanal 14A ausgebildet.
Zwischen der Förderseite
des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und der
Saugseite des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe
ist ein Zwischenkühler 10 angeordnet,
der mit dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe über ein
Luftrohr 9 und mit dem Schraubenkompressor 2 der
Hochdruckstufe durch ein Luftrohr 9A verbunden ist. Mit
einer Stromabseite des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe
ist ein Nachkühler 13 durch
ein Luftrohr 11 über
ein Rückschlagventil 12 verbunden.
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Von dem Rohr 9, welches
den Zwischenkühler 10 und
den Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe verbindet,
zweigt dazwischenliegend ein Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe
ab. Das Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ist mit einem
Zweiwegeventil 21 versehen. Von der Stromaufseite des Rückschlagventils 12 und
zwischen dem Nachkühler 13 und
dem Schraubenkompressor 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 Verbraucherseite
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
Schraubenkompressoranlage 100 geförderten Druckluft zu messen. Der
von dem Druckdetektor 17 gemessene Druck wird in eine Steuereinrichtung 18 eingegeben.
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Wenn der Motor 4 läuft, wird
sein Drehmoment auf den Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe
und auf den Schraubenkompressor 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 Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe
synchron gedreht und komprimieren die das Arbeitsgas bildenden Luft.
Die durch den Ansaugkanal 14A angesaugte Umgebungsluft
wird in dem Schraubenkompressor 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.
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Die eine hohe Temperatur aufweisende Druckluft
wird in den Nachkühler 13 durch
ein Luftrohr 11 eingeführt,
darin abgekühlt
und der Verbraucherseite über
das Förderluftrohr 23 zugeführt.
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Wenn das Volumen verbrauchter Luft
auf der Verbraucherseite abnimmt, steigt der von dem Druckdetektor 17 gemessene
Förderdruck.
Der gemessene Förderdruck
wird in die Steuereinrichtung 18 eingegeben. Wenn der Förderdruck
steigt, gibt die Steuereinrichtung 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 Schraubenkompressoranlage 100 geförderten
Luft abnimmt.
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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 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 Volumens 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,
gibt die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8 eine
eingestellte untere Grenzdrehzahl aufrecht zu erhalten. Gleichzeitig
gibt die Steuereinrichtung 18 einen Öffnungsbefehl 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.
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Bei dieser Ausführungsform zweigt das Luftrohr 20 von
dem Luftrohr 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.
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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 Steuereinrichtung 18 einen Öffnungsbefehl
an das Ausblas-Zweiwegeventil 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 niedriger 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 Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe
als auch des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe
höchstens
auf die unteren Grenzwerte zu setzen. Die Steuereinrichtung 18 steuert
das Ausblas-Zweiwegeventil 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.
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3 zeigt
eine Änderung
des Leistungsverbrauchs der Schraubenkompressoranlage 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 3 sind auf
der Abszisse die Werte aufgetragen, die durch Teilen eines Förderluftvolumens
der Schraubenkompressoranlage durch ein genutztes Förderluftvolumen
erhalten werden, während
auf der Ordinate der Leistungsverbrauch der Schraubenkompressoranlage 100 aufgetragen
ist, mit der Annahme, dass der Leistungsverbrauch 100% ist, wenn
das Förderluftvolumen
einem benutzten Luftvolumen entspricht. Eine in 3 zum Vergleich gezogene Linie F zeigt Änderungen
im Leistungsverbrauch für
den Fall, bei welchem ein herkömmliches
Kapazitätssteuerverfahren
verwendet wird, bei dem ein Ansaugdrosselventil, das abhängig von
der Last öffnet
und schließt,
auf der Saugseite des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe
vorgesehen ist. Bei diesem Steuerverfahren werden sowohl der Schraubenkompressor 1 der
Niederdruckstufe als auch der Schraubenkompressor 2 der
Hochdruckstufe mit Drehzahlen beaufschlagt, die konstant sind, und
es wird Druckluft im lastfreien Betrieb abgeblasen. Ein Punkt f
zeigt den Leistungsverbrauch zu dem Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn
das herkömmliche
Kapazitätssteuerverfahren bzw.
Mengenregelungsverfahren verwendet wird.
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Ein in 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 Schraubenkompressor in der Niederdruckstufe
und einen Schraubenkompressor in der Hochdruckstufe, von denen jeder
von einem inverterbetriebenen Motor angetrieben wird. Ein Punkt g
zeigt den Leistungsverbrauch zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs,
wenn das herkömmliche
Drehzahlsteuerverfahren verwendet wird.
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In 3 zeigt
eine Linie H die Leistungsverbrauchseigenschaften 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-Volumenverhältnis. Wenn
das Förderluft-Volumenverhältnis 50%
oder weniger beträgt,
verläuft
die Änderung
flacher als zum Zeitpunkt großer
Durchsätze
(100 bis 50%), jedoch ist der Leistungsverbrauch geringer als der
im Falle der Linien F und G nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus
befindet sich ein Punkt h, der den Leistungsverbrauch zum Zeitpunkt des
lastfreien Betriebs anzeigt, deutlich unterhalb der Punkte f und
g.
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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 Leistungsverbrauchs der
Verdichtung der Luft zuzuordnen ist. Da bei dieser Ausführung ein
Teil der Druckluft, die von der Niederdruckstufe verdichtet wird,
an die Atmosphäre zum
Zeitpunkt des lastfreien Betriebs abgeblasen wird, nimmt das Volumen
der der Hochdruckstufe zugeführten
Druckluft um das Volumen der ausgeblasenen Luft ab. Da die durch
die Luftverdichtung verbrauchte Leistung im wesentlichen proportional
zu dem durch den Kompressor 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.
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Da eine zweistufige Kompressoranlage
insgesamt höher
im lastfreien 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 Drehzahlsteuerverfahren
(Punkt g) sehr klein. Andererseits wird gemäß dieser Ausführungsform
in einem Bereich, in welchem das Volumen der Förderluft klein ist, wie in 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
Niederdruckstufe und einer Hochdruckstufe, deren Schraubenkompressoren
mit konstanter Drehzahl drehen, dem Kapazitätssteuerverfahren unter Verwendung eines
Ansaugdrosselventils unterworfen wird, wird zudem der Druck der
von der Niederdruckstufe verdichteten Luft negativ, so dass es schwierig
ist, von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre auszublasen.
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Die Ausführungsform von 4 unterscheidet sich von der von 1 dadurch, dass ein Ansaugdrosselventil 31 in
einem Ansaugkanal des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe,
ein Ausblasventil 32 für
eine Kopplung mit dem Öffnen und
Schließen
des Ansaugdrosselventils 31 anstelle des Ausblas-Zweiwegeventils 16 der
Hochdruckstufe und ein Ausblasschalldämpfer 33 auf der Sekundärseite des
Ausblasventils 32 vorgesehen sind.
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Zum Zeitpunkt des Lastbetriebs, bei
welchem Druckluft der Verbraucherseite zugeführt wird, gibt bei dieser Ausführungsform
die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8,
die Drehzahl des Motors 4 so einzustellen, dass die Schraubenkompressoranlage
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.
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Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs,
in welchem keine Druckluft zur Verbraucherseite gefördert wird,
gibt die Steuereinrichtung 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 Niederdruckstufe auf die untere
Grenzdrehzahl zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs gesetzt ist,
nimmt der Ansaugdruck des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe
auf der Sekundärseite
des Ansaugdrosselventils 31 ab, wenn das von dem Schraubenkompressor 1 der
Niederdruckstufe angesaugte Luftvolumen abnimmt. Da ein groß bemessenes
Ansaugdrosselventil 31 von 22 kW, beispielsweise für 100 kW,
in der zweistufigen Kompressoranlage üblicherweise benutzt wird,
nimmt der Druck auf der Ansaugseite extrem ab, auch wenn das Ansaugventil 31 gedrosselt
ist. Als Folge kann der Förderdruck
der Niederdruckstufe, 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 Druckluftvolumen
verringert werden kann. Wenn das Ansaugdrosselventil 31 an
die Nennleistung angepasst ist, muss es zusätzlich so gesteuert werden,
dass verhindert wird, dass der Förderdruck
der Niederdruckstufe negativ wird.
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Wenn nur ein kleines Volumen von
Druckluft der Verbraucherseite 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
Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe
niedrige Grenzwerte annehmen. Die Steuereinrichtung 18 steuert
auch das Ansaugdrosselventil 31 und die Ausblas-Zweiwegeventile 21 und 32 so,
dass der oben erwähnte
lastfreie Betrieb und Lastbetrieb wiederholt werden.
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Das Diagramm von 5 zeigt Änderungen des Förderdrucks,
wenn die ölfreie
Schraubenkompressoranlage 100 von 4 mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten
gelassen wird. 5 zeigt
also Drücke
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
Niederdruckstufe etwa 60% oder weniger des Nennwerts wird, der Druck
der von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe
geförderten
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 Druckluft an die Atmosphäre ausgeblasen werden kann.