DE102015007760A1

DE102015007760A1 - Einrichtung zum Einblasen eines Gases

Info

Publication number: DE102015007760A1
Application number: DE102015007760.0A
Authority: DE
Inventors: Hubert Bellm; Hans-Peter Bellm; Andreas Bellm; Florian Bellm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-21
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-12-24

Abstract

Der Energieaufwand bei der Verdichtung von Gasen ist anschaulich betrachtet ”ein sich selbstverstärkender Prozess”. Denn bei der Kompression erwärmt sich das Gas => der Druck steigt => um weiter zu verdichten muss mehr mechanische Energie zugeführt werden, die zum Teil wieder in Wärme umgewandelt wird => Druck und Temperatur steigen weiter => und so weiter. Durch Kühlung lässt sich die Selbstverstärkung und damit die abzuführende Wärme reduzieren. Bei der sogenannten ”isothermen” Verdichtung müsste in der Summe die geringste Wärmemenge abgeführt werden. Die Isothermie ist aber aus technischen Gründen nicht realisierbar. Einige wenige Lösungsansätze zur angenähert isothermen Verdichtung verbessern die Kühlung/Wärmeabfuhr bereits im Verdichtungsvorgang. Gegenstand der Erfindung analog zu DE 10 2007 043 350 und in Abwandlung von DE 20 2013 008 115 eine Einrichtung sowie das entsprechende Verfahren, bei Gasverdichtern verschiedener Bauarten instantan im Verdichtungshub ein Gas ein zu blasen, wodurch der Energieaufwand beim Verdichtungsvorgang verringert wird. Diese Methode wurde für Flüssigkeiten bereits vorgeschlagen, jedoch nicht für Gase. Die erfindungsgemäße teilweise Rückführung des Ausgangsprodukts bei der Produktion komprimierter Gase, wie CH4, Luft, H2 usw. führt zu einer Erhöhung der Effizienz der eingesetzten Kompressoren und damit zu einer signifikanten Verbesserung von deren Wirtschaftlichkeit. Kompressor/Verdichter-Technologie im Allgemeinen und insbesondere deren Anwendung zum Verdichten von Gasen. In der Zeichnung 1 wird eine mögliche Ausführung der Einrichtung zum Einblasen eines Gases schematisch dargestellt.

Description

Seit alters her besteht großer Bedarf an industrieller Druckluft im Druckbereich 6–10 bar (z. B. im Bergbau). Produktion und Verteilung von Druckluft des genannten Druckbereiches mittels Rohrleitungen sind wegen der Strömungsverluste nur in einem regional begrenzten Bereich möglich. Daher wird die Druckluft mittels Verdichter/Kompressoren lokal produziert, wodurch weltweit eine entsprechen hohe Anzahl dieser Maschinen installiert ist.
Neuerdings ist ein weiterer hoher Bedarf an Verdichterleistung für Drücke bis 200 bar zum Zweck der Komprimierung von CH₄ (Methan, Erdgas) Erdgas-Tankstellen entstanden.
Zur Deckung des genannten Bedarfs wird Luft bzw. Gas in der erforderlichen Menge angesaugt, ggfs. gereinigt und auf einen Druck von 6–10 bar bzw. bis 200 bar verdichtet. Der Verdichtungsvorgang ist bekanntermaßen mit einem hohem Energieaufwand verbunden. Je nach Gasart und benötigter Menge kommen verschiedene Verdichterbauarten zum Einsatz, z. B. ein- oder mehrstufige Kolbenkompressoren, Flügelzellen- bzw. Schraubenverdichter mit Rotationskolben oder Turboverdichter.
Bei der Betrachtung der Energieeffizienz von Kompressoren/Verdichtern, d. h. dem Verhältnis der verdichteten Gasmenge zur aufgewandten Antriebsarbeit sind thermodynamische Gesetzmäßigkeiten wirksam: z. B. ist der Energieaufwand bei der Verdichtung von Gasen anschaulich betrachtet ein ”sich selbstverstärkender Prozess”: Denn bei der Kompression erwärmt sich das Gas (siehe Fahrrad-Luftpumpe) => der Druck steigt => es muss mehr mechanische Energie zugeführt werden, die zum Teil wieder in Wärme umgewandelt wird => Druck und Temperatur steigen weiter, und so weiter. Durch Kühlung lässt sich die Selbstverstärkung und damit die abzuführende Wärme reduzieren. Bei der sogenannten ”isothermen” Kompression müsste die geringste Wärmemenge abgeführt werden (siehe z. B. Engel, Ludolf [Herausgeber], "Drucklufthandbuch", Vulkan-Verlag Dr. W. Classen, Essen, 1971, S. 14). Die Isothermie ist aber aus technischen Gründen nicht zu erreichen. Bisher bekannte Lösungsansätze zur Annäherung an die Isothermie haben das Ziel, die Kühlung/Wärmeabfuhr bereits im Verdichtungsvorgang zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bisher mehrere Verfahren bekannt, die alle einen erheblichen zusätzlichen technischen Aufwand bedeuten:

• Erhöhung der Zylinderzahl bei Kolbenkompressoren und damit eine Erniedrigung der Drehzahl bei gleichem Gasdurchsatz. Die dadurch erreichte längere Gasverweilzeit und vergrößerte Oberfläche führt zu einer verbesserten Wärmeabfuhr, siehe z. B. http://www.mcpcproject.com,
• Erhöhung der inneren Oberfläche im Verdichtungsraum von Kolbenkompressoren durch Anbringen gepaarter Kühlrippen/Nuten, wie z. B. in Keller, A. und Keller, N., DE2736472 , 1977, vorgeschlagen bzw. wie bauartbedingt gegeben bei Schraubenkompressoren,
• Einspritzen von Wasser als Kühlflüssigkeit während des Verdichtungsvorgangs bzw. Kompressionshubs, siehe u. a. Keller, Jakob (ALSTOM Technology LTD), "Verfahren zur isothermen Kompression von Luft sowie Düsenanordnung zur Durchführung des Verfahrens", EP990801B1 , 30.09.1998 oder Coney, M. W. |Stephenson, P.|Malmgren, A.|Linnemann, C. |Morgan, R. E |Richards, R. A. |Huxley, R. |and Abdallah, H. |„Development of a Reciprocating Compressor Using Water Injection to Achieve Quasi-Isothermal Compression", International Compressor Engineering Conference, Purdue University, UK, 2002,
• Einspritzen eines Anteils des Kältemittels aus dem Kältemittelkreislauf direkt in den Verdichtungsraum des Kompressors bei einer Kältemaschine, siehe Miller Allan, Sinclair, "Gaskompressor der Verdrängerbauart, insbesondere für Kältemaschinen", DT2438418 , 09.08.1974 und DE 20 2013 008 115 .

In der Erfindung wird die vierte Methode verwendet, jedoch wird im Anspruch 1 kein Kältemittel, sondern Gas aus einem Vorratsbehälter entnommen und in den Verdichtungsraum eingeblasen. Dadurch wird der Temperaturanstieg beim Verdichtungsvorgang verringert und damit eine Senkung der Antriebsarbeit, d. h. eine optimierte Energieeffizienz erreicht. Da als Gas das Ausgangsprodukt des Verdichters verwendet wird, ist damit nur eine geringe Erhöhung des technischen Aufwands verbunden. Bei den genannten Anwendungen entspricht das erfindungsgemäße Verfahren der Rückführung eines Teils des erzeugten komprimierten Gases zum Verdichtungsraum mit Hilfe eines mechanischen Mittels oder einem elektronisch gesteuerten Einblasventil. Die erfindungsgemäße Methode ist in einer ähnlichen Form bereits bei Vakuumpumpen als ”Verfahren zur Steuerung einer Gasballastzufuhr zu einer Vakuumpumpe”, DE 10 2007 043 350 B3 , bekannt. Dort ist das Ziel jedoch nicht eine optimierte Energieeffizienz, sondern die Senkung der Temperatur in der Vakuumpumpe.
Im folgenden Abschnitt wird noch mit einer vereinfachten Überschlagrechnung auf die betriebswirtschaftliche Seite der Erfindung eingegangen.
Anwendung: Verdichter für Luft:
Verdichtung bei T₁ = 20°C (293 K) von p₁ = 1 bar auf p₂ = 10 bar, Dichte von Luft ρ = 1,204 kg/m³, Gaskonstante R für Luft = 287 J/(kg·K), Isentropenexponent κ = 1,40 (Luft, 20°C, 1 bar). Es wird ein adiabatischer Verdichtungsprozess angenommen (adiabatisch = isentrop bei idealen Gasen). Damit ergibt sich (z. B. nach http://www.wikipedia.com unter dem Stichwort „Gas Compressor”), eine Endtemperatur T₂ und bei einem ientropen Wirkungsgrad von 100% ein Arbeitsaufwand W_isentrop gemäß nachstehenden Formeln:
Zur Verbesserung der Effizienz wird nach dem Schließen des Ansaugventils zu einem bestimmten Zeitpunkt, d. h. während des Verdichtungsvorgangs, komprimierte Luft aus dem Vorratsbehälter in den Verdichtungsraum eingeblasen. Dies hat zur Folge, dass sich das durchgefahrene Druckverhältnis p₂/p₁ nach dem Schließen des Ansaugventils bis zur Öffnung des Ausgangsventils (bei gleicher Ansaugmenge!) um 50% oder mehr reduziert. Entsprechend verringern sich Temperaturanstieg und gesamter Arbeitsaufwand gemäß Tabelle 1. Da sich bei der erfindungsgemäßen technischen Maßnahme das Flatterventil im Verdichtungshub schon früher öffnet, d. h. trotz des eingeblasenen Gases kein weiterer Druckanstieg erfolgt, wird der Arbeitsaufwand pro Hub mit steigendem Behälterdruck nicht wie bei konventionellen Kompressoren größer sondern kleiner.
Die hier vorgestellte vereinfachte Überschlagrechnung gilt für ein instantanes Einblasen zu Beginn des Verdichtungsvorgangs. Die am Anfang beschriebene ”Selbstverstärkung” des Verdichtungsprozesses wird weiter reduziert, wenn der Einblasezeitpunkt in Richtung des Moments maximalen Drucks verschoben wird, da dadurch eine zusätzliche Kühlwirkung eintritt.
Anhand der Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
In 1, 2 bzw. 3 wird die erfindungsgemäße Einrichtung zum von der Maschinenbewegung gesteuerten Einblasen eines Gases schematisch dargestellt. Diese besteht in einer ersten Ausführung aus einem mechanischen Mittel 7, 1 und 2, zur Steuerung des Einblasens, z. B. eines vermittels winkelsynchron zur Kurbelwelle nocken-betätigt geöffneten Pneumatikventils, oder in einer zweiten Ausführung bei Rotationskolbenverdichtern, z. B. der Flügelzellen-Bauart, 2, durch ein Rückschlagventil 7, 2, oder anderen mechanischen Mitteln. Sinnvollerweise wird dabei das Ausgangsprodukt des Gas-Verdichtungsprozesses (nicht dargestellt) teilweise rückgeführt.
In einer weiteren Variante besteht das Einblasmittel aus einem zusätzlichen elektrisch angesteuerten Ventil 1, 3, das an geeigneter Position am Gehäuse 11, 3, z. B. eines Turbo- oder Schraubenverdichters angebracht ist, mit elektronischem Steuergerät 7, 3, und Sammelleitung 3, 3, mit optionalem Vorratsbehälter 6, 3, für das komprimierte Gas. Sinnvollerweise wird hier enemfalls das Ausgangsprodukt des Gas-Verdichtungsprozesses (nicht dargestellt) teilweise rückgeführt. Das Ansteuersignal 5, 3, für das Einblasventil 1, 3, wird durch das Steuergerät 7, 3, mittels eines Sensorsignals 10, 3, z. B. für die Winkellage der Verdichterwelle ausgelöst, wobei das Steuergerät die Menge des eingeblasenen Gases durch die Impulslänge des Ansteuersignals 5, 3, für das Ventil bestimmt. Die Impulslänge wird wahlweise drehzahlabhängig fest vorgegeben oder mit Hilfe des Signals eines Temperatursensors 8, 3, vom Steuergerät geregelt. Eine weitere Aufgabe des Steuergerätes 7, 3, ist die Überwachung des Fülldrucks im Vorratsbehälters 6, 3, mittels eines Sensorsignals 9, 3.
Tabelle 1,
1, 2 und 3 Tabelle 1
Bezugszeichenliste
Zu Fig. 1

1: Ansaugventil (z. B. ein Flatterventil)
2: Auslassventil (z. B. ein Flatterventil bzw. Rückschlagventil)
3: Ansaugöffnung bzw. Ansaugrohr zu 1
4: Zuleitungsrohr von 2
5: Zuleitungsrohr vom Einblasmittel 7 zum Zylinderkopf
6: Vorratsgefäß für das verdichtete Gas
7: Mechanisches Mittel zur Steuerung des Einblasens (schematische Darstellung), z. B. ein mechanisch betätigtes Pneumatikventil
8: Rückschlagventil
9: Zylinderkopf (Beispiel für einen Kolbenkompressor)
10: Kolben (Beispiel für einen Kolbenkompressor)
11: Zylindermantel (Beispiel für einen Kolbenkompressor)
12: Steuerpfad (schematisch) für 7, z. B. von einem Nocken an der Kurbellwelle

1: Ansaugöffnung/-rohranschlussstück im Verdichtergehäuse
2: Auslassventil (z. B. ein Flatterventil und/oder Rückschlagventil)
3: Ansaugrohr für das zu verdichtende Gas
4: Zuleitungsrohr zu 6
5: Vorratsgefäß für das verdichtete Gas
6: Zuleitungsrohr zum Einblasmittel 7
7: Mechanisches Mittel zur Steuerung des Einblasens, z. B. ein Rückschlagventil
8: Exzentrischer Rotationskolben (Beispiel Flügelzellenverdichter)
9: Schleuderscheibe (Beispiel Flügelzellenverdichter)
10: Verdichtergehäuse (Beispiel Flügelzellenverdichter)

1: Schnellschaltende Einblasventile
2: Zuleitungsrohre zu 1
3: Sammelleitung für 2
4: Rohrverbindung von 3 zu 6
5: Steuersignal für 1
6: Optionaler Vorratsbehälter für das verdichtete Gas
7: Elektronisches Steuergerät
8: Sensorsignal für die Temperatur im Verdichtungsraum
9: Sensorsignal für den Behälterdruck von 6
10: Sensorsignal für die Winkelstellung der Verdichterwelle
11: Arbeitsmaschine (schematisch als Beispiel für die Bauarten Turbo- und Schraubenverdichter)
12: Ausgang von 11 für das verdichtete Gas zur Sammlleitung 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2736472 [0005]
EP 990801 B1 [0005]
DT 2438418 [0005]
DE 202013008115 [0005]
DE 102007043350 B3 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Engel, Ludolf [Herausgeber], ”Drucklufthandbuch”, Vulkan-Verlag Dr. W. Classen, Essen, 1971, S. 14 [0004]
http://www.mcpcproject.com [0005]
Keller, Jakob (ALSTOM Technology LTD), ”Verfahren zur isothermen Kompression von Luft sowie Düsenanordnung zur Durchführung des Verfahrens” [0005]
Coney, M. W. |Stephenson, P.|Malmgren, A.|Linnemann, C. |Morgan, R. E |Richards, R. A. |Huxley, R. |and Abdallah, H. |„Development of a Reciprocating Compressor Using Water Injection to Achieve Quasi-Isothermal Compression”, International Compressor Engineering Conference, Purdue University, UK, 2002 [0005]
Miller Allan, Sinclair, ”Gaskompressor der Verdrängerbauart, insbesondere für Kältemaschinen” [0005]
http://www.wikipedia.com [0008]

Claims

Verdichter, insbesondere der Bauart Kolben- und Flügelzellenverdichter, mit einer Einrichtung zum Einblasen eines Gases, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Mittel zur Steuerung des Einblasens in Form eines mit der Maschinenbewegung synchronisierten mechanischen Ventils 7, 1, 2, z. B. z. B. eines nocken-betätigten Pneumatikventils, oder in einer zweiten Ausführung, z. B. bei der Flügelzellen-Bauart, 2, einem Rückschlagventil 7, 2, oder ein anderes mechanisches Mittel aufweisen. – gekennzeichnet dadurch, dass die eingeblasene Teilmenge des Gases in praktischer Weise der Zuleitung zum Vorratsbehälter 4, 1, 2 oder der Sammelleitung 3, 3, oder dem Vorratsbehälter selbst 6, 1, 3, bzw. 5, 2, für das komprimierte Ausgangsprodukt des Verdichters entnommen wird.
Verdichter nach Anspruch 1, jedoch von anderer rotierender Bauart, dadurch gekennzeichnet, dass das Einblasmittel aus einem zusätzlichen elektrisch angesteuerten Ventil 1, 3, im Gehäuse des rotierenden Verdichters 10, 3, mit elektronischem Steuergerät 7, 3, und den Sensoren 8, 9, 10, 3, besteht, – gekennzeichnet dadurch, dass die Ansteuerung des Einblasventils 1 durch das Steuergerät 7, 3, mittels eines Sensorsignals 10 für die Position der Verdichterwelle, 3, ausgelöst wird, – gekennzeichnet dadurch, dass die Menge des eingeblasenen bereits komprimierten Gases aus dem Vorratsbehälter 6, 3, vom Steuergerät 7, 3, durch die Impulslänge des Ansteuersignals für das Ventil eingestellt wird, – gekennzeichnet dadurch, dass die Impulslänge wahlweise drehzahlabhängig fest vorgegeben oder vom Steuergerät 7, 3, mit Hilfe des Signals eines Temperatursensors 8, 3, geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, für Gasverdichter aller Bauarten, z. B. ein- oder mehrstufige Kolbenverdichter, Flügelzellen-, Scroll-, Roots-, Schrauben- oder Turboverdichter, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zusätzlich eingeblasenen Gases das im Verdichtungsvorgang durch die Komprimierung sich erhitzende Gas gekühlt, bzw. in der Ausdrucksweise der Thermodynamik der Temperaturanstieg im Verdichtungsvorgang durch die Verringerung der zu komprimierenden Druckspanne verkleinert wird und damit eine Annäherung an die isotherme Verdichtung gelingt, – gekennzeichnet dadurch, dass die eingeblasene Teilmenge des Gases der Sammelleitung 3, 3, oder einem optionalen Vorratsbehälter für das komprimierte Ausgangsprodukt 6, 3, des Verdichters entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einblaszeitpunkt des Gases nach dem Schließen des Ansaugventils bzw. der Ansaugkammer in Richtung des Moments maximalen Drucks verschoben wird, da dies die Effizienz weiter verbessert.