DE102015007731A1

DE102015007731A1 - Verfahren zum Verdichten eines Gases, Recheneinheit und mehrstufiger Kolbenverdichter

Info

Publication number: DE102015007731A1
Application number: DE102015007731.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Sascha Dorner; Christoph Nagl; Markus Stephan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2016-12-22
Also published as: EP3311028B1; WO2016202443A1; US20180180039A1; EP3311028A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gases mittels eines mehrstufigen Kolbenverdichters (100), wobei, wenn ein Eingangsdruck einer ersten Verdichtungsstufe (110) einen Schwellwert überschreitet, das Gas wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, vor der ersten Verdichtungsstufe (110) abgezweigt und einer unmittelbar auf die erste Verdichtungsstufe (110) folgenden zweiten Verdichtungsstufe (120) zugeführt wird, sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung und einen solchen mehrstufigen Kolbenverdichter (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gases mittels eines mehrstufigen Kolbenverdichters, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie einen solchen mehrstufigen Kolbenverdichter.
Stand der Technik
Vorrichtungen zum Verdichten von Gasen sind bekannt. Bspw. können hierzu Hubkolbenverdichter, Rotationsverdichter oder ionische Verdichter verwendet werden. Für höhere Verdichtungsverhältnisse kann bspw. ein mehrstufiger Aufbau von Verdichtungsvorrichtungen verwendet werden. Einzelne Stufen sind dabei üblicherweise durch Ventile oder Schiebersteuerungen voneinander getrennt.
Solche Verdichtungsvorrichtungen bzw. Verdichter sind dabei sowohl leistungs- als auch kraftmäßig in der Regel für definierte Größen wie Drücke, Kolbendurchmesser und somit auch Gaskräfte ausgelegt. Eine Änderung dieser Parameter an bestehenden Systemen ist daher oft nur schwer realisierbar.
Verdichter mit Linearmotoren, insbesondere elektrischen Linearmotoren als Antrieb, können kraftmäßig so ausgelegt sein, dass die Druckkraft der einzelnen Verdichterstufen höher ist als die vom Linearmotor erreichbare Maximalkraft. Durch eine betriebsweise Überlagerung der oszillierenden Massenkraft und der Verdichtungskräfte ergibt sich eine maximale resultierende Kraft, die geringer sein muss, als die maximal erreichbare Kraft des Linearmotors. Dadurch können auch durch kleine Triebwerke große Drücke erzeugt werden, ohne kleine Kolbendurchmesser zu verwenden und somit Förderleistung einbüßen zu müssen.
Bei knapp an der Grenze zur maximal erreichbaren Kraft betriebenen Verdichtern kommt es bei einer Erhöhung des Eingangsdrucks des zu verdichtenden Gases in der Regel jedoch zur Abschaltung, da die aufbringbare Kraft des Verdichters nicht mehr ausreicht, um das Gas wie vorgesehen zu verdichten.
Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, bei solchen Verdichtern eine Abschaltung bei Erhöhung des Eingangsdrucks zu verhindern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Verdichtung eines Gases, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung und einen mehrstufigen Kolbenverdichter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Verdichten eines Gases mittels eines mehrstufigen Kolbenverdichters. Dabei wird, wenn ein Eingangsdruck einer ersten Verdichtungsstufe einen Schwellwert überschreitet, das Gas wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, vor der ersten Verdichtungsstufe abgezweigt und einer unmittelbar auf die erste Verdichtungsstufe folgenden zweiten Verdichtungsstufe zugeführt.
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Gas mit einem Druck, bei dem eine Verdichtung in der ersten Verdichtungsstufe bspw. aufgrund einer nicht aufbringbaren Kraft des verwendeten Antriebs nicht mehr möglich wäre, gar nicht erst der ersten Verdichtungsstufe, oder zumindest nicht vollständig, zugeführt wird. Die erste Verdichtungsstufe muss demzufolge nicht abgeschaltet werden. Das abgezweigte Gas wird stattdessen gleich der nachfolgenden Verdichtungsstufe zugeführt. Da diese Verdichtungsstufe für höhere Eingangsdrücke ausgelegt ist, kann das Gas hier verdichtet werden. Somit ist es auch möglich, einen Verdichter für höhere als eigentlich vorgesehen Eingangsdrücke zu verwenden. Damit können sich für einen Verdichter zusätzliche Anwendungsfälle ergeben, für welche vorher ein größerer bzw. leistungsstärkerer Verdichter nötig war.
Vorzugsweise wird weiterhin ein Hub eines der ersten Verdichtungsstufe zugeordneten Kolbens des Kolbenverdichters reduziert. Damit kann bewusst ein Totraum in der ersten Verdichtungsstufe zugelassen werden, um die Gasmenge im entsprechenden Zylinder zu erhöhen. Zudem kann damit verhindert werden, dass in der ersten Verdichtungsstufe ein zu geringer Zylinderdruck entsteht (die Verdichtungsvorrichtung schiebt dabei bei geschlossenem Saugventil Gas durch ein Druckventil aus, das Gas kann aber nicht nachströmen und das verbleibende Gas wird expandiert, wodurch im Zylinder ein Druckabfall stattfindet), der bspw. zur Abschaltung führen könnte, da anderenfalls Luft von außen eingesaugt würde und sich mit dem zu verdichtenden Gas vermischen würde. Zudem kann dadurch der Leistungsbedarf des Verdichters verringert werden.
Vorteilhafterweise wird der Hub in Abhängigkeit von einem Restdruck nach einer Rückexpansion in der ersten Verdichtungsstufe und/oder einem Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe reduziert. So kann ein Differenzbetrag, um den der Hub reduziert wird, bspw. umso weiter verringert werden, je höher der Restdruck nach der Rückexpansion in der ersten Verdichtungsstufe ist und/oder je größer (bezogen auf die Hubverminderung) der Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe ist. Dabei kann insbesondere das Totvolumen des betreffenden Zylinders der ersten Verdichtungsstufe mit berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann der Betrieb des Verdichters optimal an die vorliegenden Umstände angepasst werden. Für eine detailliertere Beschreibung eines möglichen Zusammenhangs zwischen Verringerung des Hubs und dem Restdruck nach einer Rückexpansion in der ersten Verdichtungsstufe und dem Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen.
Es ist von Vorteil, wenn die Reduzierung des Hubs anhand von hinterlegten Werten für den Restdruck und/oder den Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe ermittelt wird. Damit kann der Rechenaufwand, insbesondere in Echtzeit, deutlich reduziert werden. Bspw. können dazu die Werte für die Hubreduzierung entsprechend Schritten von 0,5 bar der jeweiligen Drücke hinterlegt sein, bspw. in einer Steuerungseinheit für den Verdichter.
Vorzugsweise wird das Gas vor der ersten Verdichtungsstufe abgezweigt und der zweiten Verdichtungsstufe zugeführt, indem ein erstes Ventil in einem ersten Förderweg zur ersten Verdichtungsstufe wenigstens teilweise geschlossen und ein zweites Ventil in einem zweiten Förderweg von dem ersten Förderweg zur zweiten Verdichtungsstufe wenigstens teilweise geöffnet wird. Eine solche Ventillogik mit einem zweiten Förderweg im Sinne einer Bypass-Leitung ermöglicht eine besonders einfache Ausführung des Verfahrens.
Vorteilhafterweise wird als erstes Ventil ein Einlassventil der ersten Verdichtungsstufe verwendet. Zum Schließen kann das Einlassventil bspw. verriegelt werden. Auf diese Weise ist, außer dem zweiten Ventil in dem zweiten Förderweg, kein zusätzliches Ventil nötig.
Es ist von Vorteil, wenn zur Bewegung von Kolben im Kolbenverdichter wenigstens ein elektrischer Linearmotor verwendet wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anpassung des Hubs des Kolbens.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Bei einer solchen Recheneinheit kann es sich bspw. um eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) handeln. Diese Recheneinheit ist dazu dann insbesondere dazu eingerichtet, die erforderlichen Größen zu erfassen und zu verarbeiten und entsprechend die nötigen Komponenten anzusteuern.
Ein erfindungsgemäßer mehrstufiger Hubkolbenverdichter weist einen Gaseingang, eine erste Verdichtungsstufe und eine zweite Verdichtungsstufe auf. Dabei ist in einem ersten Förderweg zu einem Gaseinlass der ersten Verdichtungsstufe ein erstes Ventil angeordnet und es ist ein zweiter Förderweg, der von dem ersten Förderweg vor dem ersten Ventil abzweigt und zu einem Gaseinlass der zweiten Verdichtungsstufe führt, vorgesehen. Dabei ist im zweiten Förderweg ein zweites Ventil vorgesehen.
Vorzugsweise ist das erste Ventil als Einlassventil der ersten Verdichtungsstufe ausgebildet.
Vorteilhafterweise weist der mehrstufige Hubkolbenverdichter wenigstens einen elektrischen Linearmotor zur Bewegung von Kolben des Hubkolbenverdichters auf.
Es ist von Vorteil, wenn der mehrstufige Hubkolbenverdichter eine erfindungsgemäße Recheneinheit aufweist.
Bzgl. der Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen mehrstufigen Hubkolbenverdichters sei zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch in einem Flussdiagramm einen erfindungsgemäßen mehrstufigen Hubkolbenverdichter in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch in einem Diagramm Hubverläufe bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Hubkolbenverdichter in einer bevorzugten Ausführungsform.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist schematisch und als Flussdiagramm ein erfindungsgemäßer mehrstufiger Kolbenverdichter 100 in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Der Kolbenverdichter 100 weist dabei eine erste Verdichtungsstufe 110 und eine zweite Verdichtungsstufe 120 auf. Die beiden Verdichtungsstufen sind dabei jeweils als Kolben, die sich in einem Zylinder bewegen ausgebildet. Diese Kolben werden dabei von einem elektrischen Linearmotor 130 angetrieben. Selbstverständlich können weitere Verdichtungsstufen vorgesehen sein.
Die erste Verdichtungsstufe weist dabei ein Einlassventil 111 und ein Auslassventil 112 auf, welche als druckgesteuerte Rückschlagventile ausgebildet sein können. Ebenso weist die zweite Verdichtungsstufe 120 ein Einlassventil 121 und ein Auslassventil 122 auf, welche ebenfalls als druckgesteuerte Rückschlagventile ausgebildet sein können.
Der reguläre Gasfluss erfolgt dabei über einen ersten Förderweg 161 (in 1 links dargestellt) zur ersten Verdichtungsstufe 110 und von der ersten Verdichtungsstufe 110 dann zur zweiten Verdichtungsstufe 120. Anschließend kann das Gas einer gewünschten Verwendung zugeführt werden.
Weiterhin sind Drucksensoren 141, 142 und 143 vorgesehen. Mit dem Drucksensor 141 kann ein Eingangsdruck zur ersten Verdichtungsstufe erfasst werden, mit dem Drucksensor 142 kann ein Ausgangsdruck der ersten Verdichtungsstufe 110, respektive Eingangsdruck der zweiten Verdichterstufe 120 erfasst werden und mit dem Drucksensor 143 kann ein Ausgangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe 120 erfasst werden. Die Drucksensoren 141, 142 und 143 sind dabei an eine als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildete Recheneinheit 170 angebunden. Die SPS 170 kann somit die entsprechenden Drücke erfassen bzw. auslesen.
Weiterhin ist ein erstes Ventil 151 im ersten Förderweg 161 vorgesehen. Dieses erste Ventil 151 kann vorliegend über die SPS 170 angesteuert, d. h. geöffnet und geschlossen werden. Dabei ist das erste Ventil 151 im Normalbetrieb geöffnet.
Weiterhin ist ein zweiter Förderweg 162 im Sinne einer Bypass-Leitung vorgesehen, der vom ersten Förderweg 161, und zwar noch vor dem ersten Ventil 151, abzweigt und vor die zweite Verdichtungsstufe 120 führt. In dem zweiten Förderweg 162 ist ein zweites Ventil 152 vorgesehen, das ebenfalls von der SPS 170 angesteuert, d. h. geöffnet und geschlossen werden kann. Dabei ist das zweite Ventil 152 im Normalbetrieb geschlossen.
Wird nun von der SPS 170 während des Betriebs des Kolbenverdichters 100 mittels des Drucksensors 141 ein Eingangsdruck zu ersten Verdichtungsstufe 110 erfasst bzw. gemessen, der über einem Schwellwert liegt, so wird das erste Ventil 151 bspw. vollständig geschlossen. Gleichzeitig wird das zweite Ventil 152 bspw. vollständig geöffnet. Das Gas strömt nun anstatt zur ersten Verdichtungsstufe 110 direkt zum Eingang der zweiten Verdichtungsstufe 120.
Dieser Schwellwert kann dabei vorzugsweise so gewählt werden, dass mit Eingangsdrücken bis zu diesem Schwellwert die Leistung bzw. die aufbringbare Kraft des elektrischen Linearmotors 130 für die erste Verdichtungsstufe 110 gerade noch ausreicht, die geforderte Verdichtung durchzuführen. Auf diese Weise werden Eingangsdrücke, bei denen die geforderte Verdichtung nicht mehr durchgeführt werden könnte, in der ersten Verdichtungsstufe 110 vermieden.
Weiterhin wird der elektrische Linearmotor 130 von der SPS 170 derart angesteuert, dass der Hub des der ersten Verdichtungsstufe 110 zugeordneten Kolbens reduziert wird.
In 2 sind schematisch in einem Diagramm Hubverläufe bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Hubkolbenverdichter in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Dazu ist ein Hub h gegenüber einer Zeit t aufgetragen.
Mit h₁ ist dabei ein Hubverlauf des der ersten Verdichtungsstufe zugeordneten Kolbens bezeichnet und mit h₂ ein Hubverlauf des der zweiten Verdichtungsstufe zugeordneten Kolbens.
Der Hub h₁ des Kolbens der ersten Verdichtungsstufe wird nun um einen Betrag Δh reduziert, so dass sich ein Hub h'₁ für den Kolben der ersten Verdichtungsstufe ergibt. Der Hub des Kolbens der zweiten Verdichtungsstufe bleibt unverändert. Wie bereits eingangs erwähnt, wird dadurch ein Unterdruck in der zweiten Verdichtungsstufe vermieden.
Der Differenzbetrag Δh, um den der Hub reduziert wird, kann dabei anhand folgender Formel berechnet werden:
Dabei bezeichnet p1 den Restdruck nach der Rückexpansion in der ersten Verdichtungsstufe. Der Druck p1 kann ein frei definierbarer Druck sein, der ein Unterschreiten eines Absolutdrucks von 1 bar ausschließen soll. Sinnvollerweise sollte p1 >> 1 bar absolut liegen. Der Druck nach der Rückexpansion kann bspw. rechnerisch ermittelt bzw. indirekt festgestellt werden, sofern der Druck p1 in der Periode der Rückexpansion unter den vom Drucksensor 141 gemessenen Druck fällt. In diesem Fall würde Gas aus dem Volumen zwischen den Ventilen 151, 111 und dem Drucksensor 141 nachströmen und der mit dem Drucksensor 141 gemessene Druck würde somit abfallen. Mit p₂ ist der Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe, wie er bspw. mittels des Drucksensors 142 gemessen wird, bezeichnet.
Mit κ ist der Isentropenkoeffizient der adiabatischen Zustandsänderung und mit V_stat ein statisches Totvolumen der ersten Verdichtungsstufe bezeichnet, wie es sich aus den Abmessungen des Kolbens und des Zylinders ergibt. Mit d ist schließlich der Durchmesser des Kolbens der ersten Verdichtungsstufe bezeichnet. Mit anderen Worten wird durch die Hubreduzierung also das Totvolumen der ersten Verdichtungsstufe vergrößert.
Steigt der Druck auf der Saugseite der zweiten Verdichtungsstufe, verkleinert sich der Wert Δh und der effektive Hub wird dadurch erhöht. Für niedrige Drücke muss daher ein großer Totraum in Kauf genommen werden, um bei der Rückexpansion eine Saugdrucküberwachung nicht zu verletzen.
Um den Rechenaufwand zu minimieren ist es bspw. sehr praktikabel, wenn entsprechende Werte bspw. in 0,5 bar-Schritten in Tabellen festgehalten und diese in der SPS hinterlegt werden. Eine solche Stufenabschaltung wird praxisorientiert dann bspw. erst ab jenem Eingangsdruck aktiviert, ab dem der elektrische Linearmotor nicht mehr in der Lage ist, den Kolben in Bewegung zu setzen.

Claims

Verfahren zum Verdichten eines Gases mittels eines mehrstufigen Kolbenverdichters (100), wobei, wenn ein Eingangsdruck einer ersten Verdichtungsstufe (110) einen Schwellwert überschreitet, das Gas wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, vor der ersten Verdichtungsstufe (110) abgezweigt und einer unmittelbar auf die erste Verdichtungsstufe (110) folgenden zweiten Verdichtungsstufe (120) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei weiterhin ein Hub (h₁) eines der ersten Verdichtungsstufe (110) zugeordneten Kolbens des Kolbenverdichters (100) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Hub (h₁) in Abhängigkeit von einem Restdruck nach einer Rückexpansion in der ersten Verdichtungsstufe (110) und/oder einem Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe (120) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Reduzierung des Hubs (h₁) anhand von hinterlegten Werten für den Restdruck und/oder den Eingangsdruck der zweiten Verdichtungsstufe (120) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gas vor der ersten Verdichtungsstufe (10) abgezweigt und der zweiten Verdichtungsstufe (120) zugeführt wird, indem ein erstes Ventil (151) in einem ersten Förderweg (161) zur ersten Verdichtungsstufe (110) wenigstens teilweise geschlossen und ein zweites Ventil (152) in einem zweiten Förderweg (162) von dem ersten Förderweg (161) zur zweiten Verdichtungsstufe (120) wenigstens teilweise geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei als erstes Ventil (151) ein Einlassventil der ersten Verdichtungsstufe verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Bewegung von Kolben im Kolbenverdichter (100) wenigstens ein elektrischer Linearmotor (130) verwendet wird.
Recheneinheit (170), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Mehrstufiger Hubkolbenverdichter (100) mit einem Gaseingang, einer ersten Verdichtungsstufe (110) und einer zweiten Verdichtungsstufe (120), wobei in einem ersten Förderweg (161) zu einem Gaseinlass der ersten Verdichtungsstufe (110) ein erstes Ventil (151) angeordnet ist, wobei ein zweiter Förderweg (162), der von dem ersten Förderweg (161) vor dem ersten Ventil (151) abzweigt und zu einem Gaseinlass der zweiten Verdichtungsstufe (120) führt, vorgesehen ist, und wobei im zweiten Förderweg (162) ein zweites Ventil (152) vorgesehen ist.
Mehrstufiger Hubkolbenverdichter (100) nach Anspruch 9, wobei das erste Ventil (151) als Einlassventil der ersten Verdichtungsstufe ausgebildet ist.
Mehrstufiger Hubkolbenverdichter (100) nach Anspruch 9 oder 10, mit wenigstens einem elektrischen Linearmotor (130) zur Bewegung von Kolben des Hubkolbenverdichters (100).
Mehrstufiger Hubkolbenverdichter (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit einer Recheneinheit (170) nach Anspruch 8.