DE102015207349B4

DE102015207349B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung von komprimierten Gasen mit integriertem Kolbenkompressor

Info

Publication number: DE102015207349B4
Application number: DE102015207349.1A
Authority: DE
Inventors: Olaf Vogt; David Faendrich; Armin Brenner
Original assignee: HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Current assignee: HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: DE102015207349A1

Abstract

Vorrichtung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen, die eine in einem funktionalen Zusammenhang stehende Anordnung aus Gasversorgung (1), eine asymmetrische Kompressionseinheit (2) und ein Netz (3) umfasst, wobei die Kompressionseinheit (2) mit einer Antriebsgasversorgung (4) in Wirkverbindung steht und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen der Kompressionseinheit (2) und dem Netz (3) ein Ausgangsdruckminderer (5) und zwischen der Antriebsgasversorgungseinheit (4) und der Kompressionseinheit (2) angeordnet ein Antriebsdruckminderer (6) angeordnet sind und wobei die Vorrichtung keine Druckabschaltung für die Antriebsgasversorgungseinheit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung von komprimierten Gasen mit sehr hoher Reinheit auf einem hohen Druckniveau. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Kolbenkompressor (symmetrisch beziehungsweise asymmetrisch), der vorzugsweise mit einem pneumatischen Antrieb ausgestattet ist. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es ermöglicht, die Versorgung für ein Gasnetz bereitstellen, das ein hohes Druckniveau aufweist und bei dem die Druckschwankungen gering sind. Gegenüber den Vorrichtungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Vorteile einer geringen Anfälligkeit für Verschleiß, damit verbunden auch ein niedriger Wartungsaufwand sowie verminderte Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Lecks. Somit auch eine sicherheitstechnische Verbesserung, da aufgrund von Leckagen toxische oder entzündliche Gase unkontrolliert entweichen können, und eine Gefahrquelle darstellen.
Im Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur Bereitstellung von komprimierten Gasen auf hohen Druckniveaus bekannt. In diesen bekannten Vorrichtungen sind Schaltelemente integriert, deren Schaltvorgänge an das Erreichen von vorgegebenen Druckwerten gekoppelt sind. Es wird ein oberer Zieldruck (Grenzwert) vorgegeben. Beim Erreichen dieses oberen Grenzwertes wird die Energiezufuhr zu der Antriebseinheit des Kompressors unterbrochen. Alternativ wird die Steuerung des Kompressors bei der oberen Schaltschwelle blockiert, sodass der Kompressor nicht weiter verdichtet. Ebenso wird eine untere Schaltschwelle vorgegeben, bei deren unterschreiten die Energiezufuhr zur Antriebseinheit des Kompressors wieder hergestellt wird, respektive die Steuerung wieder aktiviert wird. Das Schaltelement, welches die Druckschwellen überwacht, übernimmt damit die Funktion eines Zweipunktreglers. Die Differenz zwischen den beiden Schaltpunkten wird als Hysterese respektive Schalthysterese bezeichnet. Vorzugsweise weist die Hysterese beziehungsweise die Druckdifferenz einen Wert von kleiner gleich 20 Bar auf, weiter bevorzugt kleiner gleich 10 Bar, darüber hinaus bevorzugt kleiner gleich 5 Bar. Aus dem Gesagten folgt als weitere Bedingung, dass die untere Schaltschwelle, die Einschaltschwelle, oberhalb des Netzdrucks liegen muss. Der eigentliche Netzdruck wird durch die Wirkung eines ausgangsseitigen Druckminderers bezogen auf den Ausgang des Kompressors hergestellt. Dieser Druckminderer gleicht die Druckschwankungen aus, die durch die Hysterese verursacht werden. Für den Fall, dass der Versorgungsdruck über dem Netzdruck liegt, verhindert der ausgangsseitige Druckminderer einen Druckanstieg des Netzdrucks. In diesem Fall wird der Kompressor nur durchströmt, arbeitet jedoch nicht.
Im Stand der Technik sind eine Reihe von unterschiedlichen Kompressoren bekannt, als Beispiele hierfür sind Turbo-, Scroll- oder Kolbenverdichter zu nennen letztere in zwangsgesteuerter und in selbstgesteuerter Ausführung.
Eine der Aufgaben, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein sehr reines komprimiertes Gas bereitzustellen, welches einen möglichst konstanten Druck aufweist, der sowohl oberhalb als auch unterhalb des Versorgungsdrucks des Kompressors liegt. Ein Aspekt ist auch, dass es möglich sein soll, dass der Versorgungsdruck durch eine Verdampfer-Versorgung bereitgestellt werden kann. Beispielsweise bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff, der in Kryostatbehältern vorhanden ist. Darüber hinaus sollte auch das Auftreten von Druckänderungen verhindert werden, das durch die Entleerung der Versorgungszylinder bei einer Zylindergasversorgung gegeben ist. Die Verwendung von Versorgungsgaszylindern bedeutet, dass der Druck anfänglich über dem Netzdruck liegt und im Verlauf der Gasentnahme aus den Versorgungsgaszylindern unter den Netzdruck sinkt.
Zur Lösung der Aufgaben konnte eine Vorrichtung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen entwickelt werden, die eine in einem funktionalen Zusammenhang stehende Anordnung aus Gasversorgung (1), eine asymmetrische Kompressionseinheit (2), ein Netz (3) und zwei Regeleinheiten für Druck umfasst, wobei die Kompressionseinheit (2) mit einer Antriebsgasversorgungseinheit (4) in Wirkverbindung steht und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen der Kompressionseinheit (2) und dem Netz (3) ein Ausgangsdruckminderer / Druckregler (5) und zwischen der Antriebsgasversorgungseinheit (4) und der Kompressionseinheit (2) angeordnet ein Antriebsdruckminderer / Druckregler (6) angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführung betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen, die eine in einem funktionalen Zusammenhang stehende Anordnung aus Gasversorg (1), eine symmetrische Kompressionseinheit (2), ein Netz (3) und drei Druckminderern / Reglern umfasst, wobei die Kompressionseinheit (2) mit einer Antriebsgasversorgungseinheit (4) in Wirkverbindung steht und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen der Gasversorgung (1) und der Kompressionseinheit (2) ein Eingangsdruckminderer / (8), zwischen der Kompressionseinheit (2) und dem Netz (3) ein Ausgangsdruckminderer (5) und zwischen der Antriebsgasversorgungseinheit (4) und der Kompressionseinheit (2) angeordnet ein Antriebsdruckminderer (6) angeordnet sind.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionseinheit nicht druckabhängig geschaltet wird. D.h., es wird weder der Antriebsdruck in Abhängigkeit des Ausgangsdrucks ein- bzw. ausgeschaltet noch die Steuerung des Kompressors, welche die zyklische Arbeitsweise bewirkt, druckabhängig blockiert und wieder frei geben. Es findet mithin keine druckabhängige Regelung des Kompressors im Sinn eines Zweipunktregelvorgangs statt.
Vorzugsweise ist der Durchmesser des Kompressionskolben > 10 mm, weiter vorzugsweise > 20 mm und insbesondere vorzugsweise > 40 mm.
Weiter vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Flächen von Kompressor zu Antrieb vorzugsweise 1 : 2, weiter vorzugsweise 1 : 5 und darüber hinaus bevorzugt 1 : 10.
Darüber hinaus ist es auch bevorzugt, dass die Vorrichtung zumindest auf der Ausgangsseite der Kompressionseinheit eine Sicherheitsvorrichtung gegen Drucküberschreitung aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bereitstellung von Druckgasen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren den nachfolgend dargestellten Verfahrensablauf umfasst:

Prozessgas aus der Gasversorgung wird dem Kompressionsraum eines Kolbenkompressors über eine Zufuhrleitung zugeführt. Sofern es sich bei dem Kolbenkompressor um einen symmetrischen Kompressors handelt, ist die Zufuhrleitung mit einem Druckminderer (8) ausgestattet. Sofern es sich bei dem Kolbenkompressor um einen asymmetrischen Kompressor handelt, kann die Zufuhrleitung ohne Druckminderer (8) betrieben werden. Dem Antriebsraum (4) des Kolbenkompressors wird Antriebsgas über eine Zufuhrleitung zugeführt, die mit Druckminderer (6) ausgestattet ist. Es erfolgt eine Kompression des Prozessgases bis zum Erreichen des Ausgangsdrucks P_A innerhalb der Kompressionseinheit. Der Ausgangsdruck P_A weist einen höheren Wert als der Netzdruck P_Netz auf.

Kompressoren werden dazu eingesetzt, um Gase oder Flüssigkeiten auf hohe Drücke zu komprimieren. Die unter Druck stehenden Gase oder Flüssigkeiten werden zum Betrieb von Anlagen in Forschungseinrichtungen beziehungsweise Industriebetrieben benötigt. Die Beschreibung und die Ansprüche beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung von komprimierten Gasen. Hierbei ist es auch möglich, die Erfindung zur Bereitstellung von komprimierten Flüssigkeiten zu verwenden, wobei jedoch die Verwendung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen bevorzugt ist.
Kolbenkompressoren (2) arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip, ferner arbeiten diese Maschinen zyklisch. Die Zyklen bestehen in einem Ansaug- oder Aufnahmetakt und einem Kompressionstakt. Das Gas strömt durch ein Einlassventil (11) in die zylindrische Pumpkammer. Die Pumpkammer wird auf einer Seite durch einen beweglichen Kolben (12) begrenzt, dessen seitliche Fläche gegenüber der Wandfläche abgedichtet ist. Die Aufnahme von Gas erfolgt solange, bis sich der der Kolben von der festen Wand weitest möglich entfernt hat. Dieser Abstand wird als unterer Umkehrpunkt bezeichnet. Die Kompression beginnt mit der Umkehrung der Kolbenbewegung, ab der Umkehrung bewegt sich der Kolben auf die feste Wand zu. Zu Beginn des Kompressionsvorgangs entspricht der Druck des zu komprimierenden Gases dem Versorgungsdruck. Im Laufe des Kompressionsvorgangs steigt der Druck des Gases an, bis dieser den Druck der Ausgangsseite erreicht.
Erst an dem Punkt, an dem der Druck in der Pumpkammer den Ausgangsdruck übersteigt, beginnt die Förderung. Das komprimierte Gas verlässt die Pumpkammer durch das Auslassventil. Der Pumpvorgang wird solange fortgesetzt, bis der Kolben den kleinsten Abstand zur der festen Wand des Zylinders eingenommen hat. Dieser Punkt wird als oberer Umkehrpunkt bezeichnet.
Das Kompressionsverhältnisverhältnis, das mittels eines Kompressors erreicht werden kann, wird durch das Verhältnis der Flächen des Kolbens in der Pumpkammer und der Antriebskammer bestimmt. Das Kompressionsverhältnis stellt somit eine konstruktive Eigenschaft des Kompressors dar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren betrifft Kolbenkompressoren, die ein Kompressionsverhältnis im Bereich von 1 : 5 - 1 : 500, vorzugsweise im Bereich von 1 : 20 - 1 : 100 aufweisen. Vorzugsweise liegt die Hubfrequenz der Kompressoren im Bereich von 0,01 - 10 Hz, weiter bevorzugt liegt die Hubfrequenz im Bereich 0,02 - 2 Hz. Dieser Kompressor zählt somit zu den langsam laufenden Kompressionsmaschinen, wohingegen elektrisch angetriebene Kolbenkompressoren Hubfrequenzen zwischen 20 - 100 Hz aufweisen.
Das im Rahmen der Erfindung behandelte System bezieht sich im Wesentlichen auf selbstgesteuerte Kolbenverdichter, die ihre Antriebsenergie vorzugsweise aus einem verdichteten Gas beziehen, beispielsweise aus Druckluft. Insbesondere soll die symmetrische Bauweise dieses Kolbenverdichters in selbstgesteuerter Bauweise bevorzugt sein.
Pneumatisch angetriebene Kompressoren: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Kolbenkompressionseinheit, die auch Kolbenkompressor genannt wird.
Eine Kompressionseinheit kann über einen oder über mehrere Pumpkammern verfügen. Für den Fall, dass die Kompressionseinheit mehrere Zylinder umfasst, sind diese mechanisch miteinander gekoppelt.
Ein Kolbenkompressor besteht aus einer zylindrischen Kammer, die nach einer Seite geschlossen und nach der anderen Seite offen ist. Die offene Seite ist mit einem beweglichen Kolben verschlossen, sodass sich das Volumen der Kammer verändern lässt. Der Kolben ist nach der Zylinderwand mittels Dichtungselementen oder Dichtmitteln (14) abgedichtet. In der Begrenzung auf der verschlossenen Seite befindet sich mindestens ein Durchgang, der in Wirkverbindung mit Ventilen steht. Im Fall, dass der Kolbenkompressor selbstgesteuert ist, handelt es sich bei den Ventilen um Rückschlagventile. Rückschlagventile sind dem Fachmann in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die jeweiligen Ausgestaltungen der eingesetzten Rückschlagventile sind keiner Einschränkung unterworfen, wobei sie jedoch die Eigenschaft aufweisen, dass sie ein Fluid in einer Richtung durchlassen und in der entgegengesetzten Richtung - abgesehen von einer konstruktionsbedingten Leckage - sperren. Zur Betätigung des Ventils ist eine Druckdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsseite des Ventils erforderlich, wobei die Druckdifferenz zur Betätigung des jeweiligen Ventils in einem Bereich von 1 - 2000 Millibar liegt, vorzugsweise liegt die Druckdifferenz in einem Bereich von 5 - 1000 Millibar.
Unter dem Begriff Einlassventil (11, 11') ist dasjenige Rückschlagventil zu verstehen, durch das Fluid in die Pumpkammer hinein strömt. In entsprechender Weise ist unter dem Begriff Auslassventil (13, 13') dasjenige Rückschlagventil zu verstehen, durch welches das Fluid die Pumpkammer verlässt. Bei den Einlass- bzw. Auslassventilen (d.h. (11, 11') bzw. (13, 13')) kann es sich um eigenständige Bauteile handeln; es sind auch Ausführungsformen bekannt, in denen die Ventile bzw. Ventilfunktion durch bewegliche, beispielsweise folienartige Elemente, direkt in die feste Begrenzung integriert sind (z.B. Flatterventil).
Kommen eigenständige Ventile zum Einsatz, so sind diese derart mit dem mindestens einen Durchgang verbunden, dass das eine Ventil, das Einlassventil (11, 11'), mit seinem Ausgang und das andere Ventil, das Auslassventil (13, 13'), mit seinem Eingang mit dem Durchgang in Wirkverbindung stehen. In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass jedes Ventil (d.h. (11) und (13) bzw. (11') und (13')) über einen eigenen Durchgang verfügt. Es ist jedoch in Bezug auf die Kammer erforderlich, dass das auslassende Ventil mit seinem Eingang und das einlassende Ventil (11) bzw. (11') mit seinem Ausgang mit der Kammer in Wirkverbindung stehen.
4 zeigt die schematische Darstellung eines asymmetrischen Kompressors und 5 zeigt die schematische Darstellung eines symmetrischen Kompressors.
In einer speziellen Ausführungsform weist der Kompressor einen pneumatischen Linearantrieb auf. Es wird im Weiteren zwischen der asymmetrischen, einfach wirkenden und der symmetrischen, doppelt wirkenden Bauform unterschieden.
In Bezug auf asymmetrisch aufgebaute Kompressoren, wie in 4 dargestellt, ist das Folgende zu sagen: Der Antriebszylinder besteht ebenfalls aus einer zylindrischen Kammer (17) mit einem gegen die Wandung des Zylinders abgedichteten Kolben (23). In dieser Ausführungsform stehen der Kolben des Antriebs (23) und der Kolben des Pumpzylinders (12) über eine Stange (15) in Wirkverbindung, wobei sich die offene Seite des antreibenden Zylinders (17) und die Öffnung des komprimierenden Zylinders (20) einander gegenüber stehen, die jeweiligen festen Begrenzungen der beiden Zylinder (d.h. (17) und (20)) sind voneinander abgewandt. Die abgewandte Seite des Antriebszylinders befindet sich ein Durchgang, der mit einem 3/2-Wegeventil in Wirkverbindung steht. Hierbei ist das Ventil (18) so angeschlossen, dass der Raum im Zylinder und oberhalb des Antriebszylinders wechselweise mit einer Versorgung für ein Antriebsgas (DL) und mit der Atmosphäre (ATM) verbunden werden kann. Der Druck des Antriebsgases liegt oberhalb des Atmosphärendrucks.
Das Ventil (18) des asymmetrischen Kompressors, im Weiteren (Antriebs)Steuerventil, wird vom Kolben in dem Sinn betätigt, dass die Verbindung zwischen Antriebsgasversorgung und dem Raum oberhalb des Antriebskolbens dann hergestellt wird, wenn sich der Kolben im unteren Umkehrpunkt bezüglich des Pumpzylinders befindet. Wenn sich der Kolben im oberen Umkehrpunkt befindet, wird das Ventil so geschaltet, dass die Verbindung zur Antriebsgasversorgung unterbrochen wird. Stattdessen wird eine Verbindung zwischen dem Raum im Zylinder und der Umgebung hergestellt, sodass der Druck in die Atmosphäre entlassen wird. Durch den Druck im Kompressionszylinder wird der Kolben an den unteren Umkehrpunkt getrieben. Vorzugsweise erfolgt die Rückstellung des Kolbens in den unteren Umkehrpunkt mit einer Feder.
Vorzugsweise ist das Flächenverhältnis (F_A/F_P) zwischen der antreibende und der pumpenden Stufe > 2 : 1, weiter vorzugsweise > 10 : 1, darüber hinaus bevorzugt > 500 : 1. Bei der pumpenden Stufe handelt es sich um die komprimierende Seite. Charakteristisch für die asymmetrische Ausführungsform ist, dass der erzielbare Ausgangsdruck durch den Antriebsdruck und das Flächenverhältnis von Antriebskolben (12) und Kompressionskolben (23) gegeben ist.
Asymmetrische Vorrichtung: Der rechnerische Zusammenhang der Drucke für asymmetrisch aufgebaute Kompressionseinheiten ist durch die folgende Gleichung gegeben, wobei die Drucke in Bar absolut angegeben sind. $P_{A} = 1 + \frac{F_{A}}{F_{P}} * P_{D L}$
In Bezug auf symmetrisch aufgebaute Kompressoren, wie in 5 dargestellt, ist das Folgende zu sagen: 5 zeigt die schematische Darstellung eines symmetrischen Kompressors. Kennzeichnend für die symmetrische Kolbenkompressionsvorrichtung ist, dass sich die zwei identischen Pumpkammern (20, 20') gegenüber liegen. Der Antrieb liegt zwischen den beiden Pumpkammern. Der Antrieb (17) enthält an den Durchführungen für die Antriebsstange (15) Dichtungen (21, 21'), die das Entweichen des Antriebsgases verhindern, aber die axiale Bewegung der Antriebsstange zulassen. In der symmetrischen Anordnung der Pumpkammern kompensieren sich die durch den Versorgungsdruck erzeugten Druckkräfte auf den Kolben der Pumpkammern. In der Darstellung, die in 5 gezeigt wird, ist die obere Seite der Kompressionsvorrichtung diejenige Seite, in der die Bauelemente mit den Bezugszeichen ohne Apostroph gekennzeichnet sind. Es handelt sich hierbei um die Bauelemente mit den Bezugszeichen (11), (13), (20) und (21). Die untere Seite ist diejenige Seite der Kompressionseinheit, in der die Bauelemente mit den Bezugszeichen mit Apostroph gekennzeichneten sind - es handelt sich um die Bauelemente mit den Bezugszeichen (11'), (13'), (20') und (21'). Bei dem Steuerventil (22) handelt es sich um ein 5/2- Wege Ventil. Das Steuerventil (22) für den Antrieb steht mit dem Antrieb (17) über zwei Leitungen in Wirkverbindung. Die erste Leitung endet oberhalb des oberen Umkehrpunkts und die zweite Leitung endet unterhalb des unteren Umkehrpunkts im Antrieb. Ferner steht das Steuerventil mit der Versorgung für das Antriebsgas (DL) in Wirkverbindung, zwei Wege enden in der Atmosphäre (ATM). Das Steuerventil wird in dem Sinn geschaltet, dass alternativ der Bereich oberhalb bzw. unterhalb des Kolbens (23) mit dem Druck des Antriebsgases beaufschlagt werden kann. Der jeweils gegenüber dem mit Druck beaufschlagten Bereich wird gegen die Atmosphäre druckentlastet.
Die Umschaltung des Steuerventils erfolgt jeweils im oberen- respektive unteren Umkehrpunkt des Kolbens, wobei die Umschaltung des Ventils (22) über die Wirkverbindung (23) am oberen respektive unteren Umkehrpunkt erfolgt.
Symmetrische Vorrichtung: Für die Druckerhöhung einer Vorrichtung mit einer symmetrischen Kompressionseinheit ergibt sich rechnerisch - analog zu der Vorrichtung mit asymmetrischer Kompressionseinheit - aus den Kolbenflächen: $P_{A} = P_{E} + \frac{F_{A}}{F_{P}} * P_{D L}$
Aus den Gleichungen für den Ausgangsdruck folgt, dass für die asymmetrische Kompressionseinheit der Ausgangsruck ausschließlich von den geometrischen Eigenschaften der Kompressionseinheit, dem Antriebsdruck und dem Umgebungsdruck abhängt. Der Umgebungsdruck wird mit 1 Bar im Rahmen der Ungenauigkeit als konstant angenommen. Insbesondere ist der Umgebungsdruck unabhängig vom Versorgungsdruck P_E .
Für die Symmetrische Kompressionsanordnung findet eine Addition der Druckerhöhung zum Eingangsdruck statt.
Bezüglich der Selbstbegrenzung: Die Gleichungen GI.1 bzw. GI.2 sind aus den Kräftegleichgewichten aus Druck und Kolbenfläche abgeleitet. Wenn man den Antriebsdruck P'_DL so wählt, respektive mittels eines Druckminderers aus P_DL ableitet, dass der Ausgangsdruck der Kompressionseinheit den gewünschten Druck P_A erreicht, kommt die Kolbenbewegung der Kompressionseinheit beim Erreichen dieses Ausgangsdrucks zum Erliegen. Bei der symmetrischen Kompressionseinheit ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Druckerhöhung additiv zum Eingangsdruck P_E hinzugefügt wird. Demzufolge muss der Eingangsdruck zwecks eines konstanten Ausgangsdrucks konstant gehalten werden. Diese Konstanthaltung des Eingangsdrucks P_E der Kompressionseinheit erfolgt mittels eines Druckminderers, welcher sich in der Zuführungsleitung für das zu komprimierende Fluid befindet. Bei Druckminderern handelt es sich um Druckregler, die speziell ausgestaltet sind. Die Bauelemente (5), (6) und (8) können sowohl in der Form von Druckreglern als auch in der Form von Druckminderern vorliegen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Druckgasen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen symmetrischen oder einen asymmetrischen Kolbenkompressor aufweist, wobei das Verfahren die nachfolgend genannten Schritte umfasst:

i) Vorgabe eines Zielwertes für den Netzdruck P_Netz , der Zielwert liegt im Bereich von 50 - 300 Bar, vorzugsweise im Bereich von 150 - 250 Bar, weiter bevorzugt im Be-reich 180 - 220 Bar;
ii) Zufuhr von Versorgungsgas zu einer Kompressionseinheit, die entweder ii.1) einen symmetrischen oder ii.2) einen asymmetrischen Kolbenkompressor enthält;
iii) Kompression des Versorgungsgases bis zum Erreichen eines Ausgangsdrucks P_A , wobei der Ausgangsdruck P_A > als der Netzdruck P_Netz und der Differenzdruck zwi-schen dem Netzdruck und dem Ausgangsdruck (d.h. Δ (P_A-P_Netz)) < 20 Bar sind, vorzugsweise ist Δ (P_A-P_Netz) < 10 Bar, weiter vorzugsweise ist Δ (P_A-P_Netz) < 5 Bar;

P'_DL

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft für den Antrieb des Kolbenkompressors einen Wert aufweist, der 7 bis 16 Bar beträgt.
Weiter bevorzugt ist das Verfahren zur Bereitstellung von Druckgasen in einer Ausführungsform, bei der das Verfahren mit einem symmetrischen Kolbenkompressor durchgeführt wird und das Versorgungsgas, das den Druck P_Ver . aufweist, mittels eines Eingangsdruckminderers (8) auf einen Eingangsdruck P_E eingestellt wird, wobei P_E während der Durchführung des Verfahrens einen konstanten Wert aufweist. Der Wert von P_ver liegt oberhalb des Werts von P_E .
Dieses System funktioniert nur, wenn beide Druckminderer (6) und soweit vorhanden (8) - aufgrund des bestimmten Übersetzungsverhältnisses des Kolbenkompressors eingestellt sind, wobei die Druckwerte entsprechend der angegebenen Gleichungen für die symmetrischen respektive asymmetrischen Kompressionseinheit ermittelt werden.
Nach der Verdichtung gelangt das Prozessgas über Druckminderer (5) zum Netz (3).
Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den 1 bis 5 sowie den 6.A - 6.C gezeigt.
Beispiel
Ein Beispiel für die Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen ist nachfolgend beschrieben. Betrieben wird ein Gasnetz (3), in dem ein komprimiertes Gas bereitgestellt wird, das einen Gasdruck im Bereich von 200 - 220 Bar aufweist. Bereitgestellt wird eine Versorgungseinheit (1) mit Druckgaszylindern, die einem Druck bis 300 Bar aufweisen. Zunächst wir das Gas aus den Gaszylindern ohne Mitwirkung der Kompressionsvorrichtung in das Netz überführt, bis der Überdruck in den Gaszylindern durch die Entnahme auf einen Druck des Netzes heruntergegangen ist. Die Einspeisung aus dieser Versorgungseinheit (1) erfolgt, bis der Druck in den Druckgaszylindern auf einen Druck von 40 Bar zurückgegangen ist. Das bedeutet, dass die Druckgaszylinder bei einem Restdruck von 40 Bar durch neue Druckgaszylinder ausgetauscht werden. Als Antriebsgas dient Druckluft mit einem Druck im Bereich von 4 - 10 Bar. Im vorliegenden Fall wird die Druckluft über eine Kompressionsstation mit elektrischem Antrieb gewonnen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Versorgungsgas auf einen Zieldruck im Bereich von 230 - 250 Bar verdichtet.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung zur Druckgasversorgung mit einer Kompressionseinheit (2). Die Verbindung von der Kompressionseinheit (2) und dem Versorgungsnetz/Netz (3) weist eine Wirkverbindung zu einem Schaltventil (9) auf, wobei das Schaltventil (9) von dem Druckschalter PS+ (7) (über eine Wirkverbindung) angesteuert wird. Der Fühlereingang des Druckschalters (7) steht mit der Ausgnangsleitung des Kompressors (2) in Wirkverbindung. Der Druckschalter (7) und das Schaltventil (9) bilden zusammen einen Zweipunktregler.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckgasversorgung mit einer symmetrisch aufgebauten Kompressionseinheit (2). Charakteristisch ist, dass die Vorrichtung keinen Druckschalter (7)+(9) aufweist. Über den Eingangsminderer (8) erfolgt eine Regelung des Eingangsdrucks und über den Antriebsminderer (6) erfolgt eine Regelung des Antriebsdrucks in Leitung (10).
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem symmetrischen Kompressor ausgestattet ist, der über den Druckminderer (8) eine Vordruckregelung aufweist. Die Vorrichtung weist keinen Druckschalter (7)+(9) auf.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines asymmetrisch aufgebauten Kompressors (2).
5 zeigt eine schematische Darstellung eines symmetrisch aufgebauten Kompressors (2).
6.A zeigt eine schematische Darstellung eines Kolbenkompressors mit separaten Ventilen (11), (13) und einem Durchgang zur Pumpenkammer.
6.B zeigt eine schematische Darstellung eines Kolbenkompressors mit separaten Ventilen (11), (13), wobei jedes Ventil (11), (13) über einen eigenen Eingang zur Pumpenkammer verfügt.
6.C zeigt eine schematische Darstellung eines Kolbenkompressors in einer Ausführungsform mit in die Begrenzung integrierten Ventilen (11), (13). Hierbei ist der Zylinderkopf Teil der Ventile (11), (13).

Bezugszeichenliste

1: - Gasversorgung
2: - Kompressionseinheit (symmetrisch oder asymmetrisch) bestehend aus Kompressor und Antrieb (pneumatisch)
3: - Netz (bzw. das zu speisende Gasversorgungsnetz)
4: - Eingang für den ungeminderteten Antriebsdruck ; ungeminderter Antriebsdruck (Antriebsgasversorgungseinheit)
5: - Ausgangsdruckminderer / -regler
6: - Antriebsdruckminderer / -regler
7: - Schwellwertschalter, 7 und 9 bilden zusammen den 2-Punkt Druckregler ;Druckschalter PS+ (hoch schaltend, d.h. bei Grenznäherung)
8: - Eingangsdruckminderer / -regler
9: - Ventil von Druckschalter 7 angesteuert
10: Leitung für den geminderten Antriebsdruck
11, 11': - Einlassventil
12: - Kolben, kompressorseitig
13, 13': - Auslassventil
14: - Kolbenabdichtung gegen Zylinderwandung
15: - Kolbenstange oder Pleul
16: - Abdichtung des Antriebskolbens
17: - Antriebszylinder
18: - Steuerventil des asymmetrischen Kompressors, 2/3-Wegventil
19: - Bestätigung des Steuerventils
20, 20': - Kompressionszylinder
21, 21': - Abdichtung der Kolbenstange
22: - Steuerventil des symmetrischen Kompressors 3/5-Wegventil
23: - Antriebskolben
ATM: - Atmosphäre(beziehungsweise Atmosphärendruck), 1 Bar im Rahmen der Messsicherheit
DL: - Antriebsdruck der Kompressionseinheit (abgeleitet von Druckluft)
E: - Eingang des Kompressors
A: - Ausgang des Kompressors
Pver: Druck auf der Eingangsseite des Druckminderers (8)
PE: - Eingangsdruck
PA: - Ausgangsdruck
PNetz: - Netzdruck
Δ (PA-PNetz): Differenzdruck zwischen Ausgangdruck und Netzdruck
PDL: Ungeminderter Druck des Antriebsgases liegt an (4) vor
P'DL: Geminderter und konstanter Druck des Antriebsgases, (ausgangsseitg von Druckminderer (6)) liegt in Leitung (10) an.

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen, die eine in einem funktionalen Zusammenhang stehende Anordnung aus Gasversorgung (1), eine asymmetrische Kompressionseinheit (2) und ein Netz (3) umfasst, wobei die Kompressionseinheit (2) mit einer Antriebsgasversorgung (4) in Wirkverbindung steht und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen der Kompressionseinheit (2) und dem Netz (3) ein Ausgangsdruckminderer (5) und zwischen der Antriebsgasversorgungseinheit (4) und der Kompressionseinheit (2) angeordnet ein Antriebsdruckminderer (6) angeordnet sind und wobei die Vorrichtung keine Druckabschaltung für die Antriebsgasversorgungseinheit aufweist.
Vorrichtung zur Bereitstellung von komprimierten Gasen, die eine in einem funktionalen Zusammenhang stehende Anordnung aus Gasversorgung (1), eine symmetrische Kompressionseinheit (2) und ein Netz (3) umfasst, wobei die Kompressionseinheit (2) mit einer Antriebsgasversorgung (4) in Wirkverbindung steht und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen der Gasversorgung(1) und der Kompressionseinheit (2) ein Eingangsdruckminderer (9), zwischen der Kompressionseinheit (2) und dem Netz (3) ein Ausgangsdruckminderer (5) und zwischen der Antriebsgasversorgungseinheit (4) und der Kompressionseinheit (2) angeordnet ein Antriebsdruckminderer (6) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckgasen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Durchmesser des Kompressionskolbens (12) vorzugsweise > 10 mm ist, weiter vorzugsweise ≥20 mm und insbesondere vorzugsweise > 40 mm.
Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckgasen nach Anspruch 1 bis 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Verhältnis der Kolben-Flächen von Kompressorseite (12) zu Antriebsseite (23) vorzugsweise 1 : 2, weiter vorzugsweise 1 : 5 und darüber hinaus bevorzugt 1 : 10 beträgt.
Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckgasen nach Anspruch 1 bis 4, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung zumindest auf der Ausgangsseite der Kompressionseinheit eine Sicherheitsvorrichtung gegen Drucküberschreitung aufweist.
Verfahren zur Bereitstellung von Druckgasen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, die einen symmetrischen oder einen asymmetrischen Kolbenkompressor aufweist, wobei das Verfahren die nachfolgend genannten Schritte umfasst: i) Vorgabe eines Zielwertes für den Netzdruck P_Netz, der Zielewert liegt im Bereich von 50 - 300 Bar, vorzugsweise im Bereich von 150 - 250 Bar, weiter bevorzugt im Bereich 180 - 220 Bar; ii) Zufuhr von Versorgungsgas zu einer Kompressionseinheit, die entweder ii.1) einen symmetrischen oder ii.2) einen asymmetrischen Kolbenkompressor enthält; iii) Kompression des Versorgungsgases bis zum Erreichen eines Ausgangsdrucks P_A, wobei der Ausgangsdruck P_A > als der Netzdruck P_Netz und der Differenzdruck zwi- schen dem Netzdruck und dem Ausgangsdruck (d.h. Δ(P_A-P_Netz)) < 20 Bar sind, vor zugsweise ist Δ(P_A-P_Netz) < 10 Bar, weiter vorzugsweise ist Δ(P_A-P_Netz) < 5 Bar; weiterhin kennzeichnend für das Verfahren ist, dass die Kompression selbständig läuft und ohne Unterstützung eines Druckschalters erfolgt, Betriebszustand der Kolbenkompressors resultiert aus den Parametern der Kompressionseinheit und des Drucks der Druckluft P_DL.
Verfahren zur Bereitstellung von Druckgasen nach Anspruch 6, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Druckluft für den Antrieb des Kolbenkompressors einen Wert aufweist, der 7 bis 16 Bar beträgt.
Verfahren zur Bereitstellung von Druckgasen nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Verfahren mit einem symmetrischen Kolbenkompressor durchgeführt wird und das Versorgungsgas, das den Druck P_Ver. aufweist, mittels eines Eingangsdruckminderers (8) auf einen Eingangsdruck P_E eingestellt wird, wobei P_E während der Durchführung des Verfahrens einen konstanten Wert aufweist.