-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems sowie ein nach dem Verfahren betreibbares Luftverdichtungssystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Luft.
-
Stand der Technik
-
Brennstoffzellensysteme können in Fahrzeugen zur Erzeugung der benötigten Antriebsenergie eingesetzt werden. Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten dabei als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
-
Neben Wasserstoff benötigen die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems ein Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, wobei üblicherweise Umgebungsluft als Sauerstofflieferant genutzt wird. Der Sauerstoff wird in den Brennstoffzellen zusammen mit dem Wasserstoff in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
-
Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert wird die den Brennstoffzellen zugeführte Luft vorab verdichtet. Zum Einsatz gelangen dabei Luftverdichtungssysteme, insbesondere in der Ausgestaltung als thermische Strömungsmaschinen, die ein- oder mehrstufig sowie ein- oder mehrflutig ausgeführt sein können. Mit Hilfe einer Turbine, der die aus den Brennstoffzellen austretende feuchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird, kann zusätzlich eine Energierückgewinnung realisiert werden. Der Verdichter bzw. die Verdichtungsstufe kann in diesem Fall als elektrisch angetriebener Turbolader oder als Turbolader ohne elektrischen Antrieb ausgeführt sein.
-
Aus den Anforderungen hinsichtlich Luftmassenstrom und Druckniveau resultieren bei thermischen Strömungsmaschinen hohe Drehzahlen. Die verdichtete Luft muss zudem ölfrei sein, damit die Brennstoffzellen keinen Schaden nehmen. Die Ölfreiheit stellt somit eine weitere Anforderung dar. Um diesen Anforderungen zu genügen, wird die Rotor-Welle-Einheit einer in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangenden thermischen Strömungsmaschine in der Regel über Luft- bzw. Gaslager drehbar gelagert. Üblicherweise erfolgt die Lagerung über zwei Radiallager und ein Axiallager, die jeweils als Gaslager ausgeführt werden.
-
Zur Kühlung der Gaslager wird in der Regel Luft verwendet, die zuvor mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichtet worden ist. Hierzu wird ein Teilmassenstrom vom Gesamtmassenstrom der verdichteten Luft abgezweigt und gezielt den Gaslagern zugeführt. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, muss sie vorab aktiv gekühlt werden. Andernfalls kann eine ausreichende Wärmeabfuhr nicht gewährleistet werden, so dass es zu einer Überhitzung in den Lagerbereichen kommen kann. Üblicherweise erfolgt die Kühlung des abgezweigten Luftmassenstroms mittels Wärmeübertragung bzw. Wärmeübertragungsflächen, an denen ein Kühlmittel eines Kühlkreises vorbeigeführt wird. Die zusätzliche Wärmelast muss dann bei der Auslegung des Kühlkreises berücksichtigt werden. Dies kann sich als eine komplexe und damit herausfordernde Aufgabe darstellen, insbesondere wenn der Kühlkreis der Kühlung mehrerer Aggregate dient.
-
Als nachteilig erweist sich auch, dass der zur Kühlung der Gaslager abgezweigte Luftmassenstrom nicht mehr den Brennstoffzellen zugeführt werden kann. Der abgezweigte Luftmassenstrom erhöht somit die Verlustleistung. Je größer die Verlustleistung ist, desto größer muss der Brennstoffzellenstapel ausgelegt werden, was wiederum erhöhte Kosten verursacht.
-
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Verlustleistung durch Reduzierung des zur Kühlung abgezweigten Luftmassenstroms zu minimieren. Im Ergebnis soll auf diese Weise der Wirkungsgrad eines Luftverdichtungssystems optimiert werden.
-
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Luftverdichtungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem angegeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems, umfassend mindestens einen mittels eines Elektromotors und/oder einer Turbine angetriebenen Verdichter mit einer Welle, die über mindestens ein Gaslager drehbar gelagert ist. Zur Kühlung des mindestens einen Gaslagers wird ein Teilmassenstrom von einem Gesamtmassenstrom der mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichteten Luft abgezweigt, gekühlt und dem Gaslager zugeführt. Erfindungsgemäß wird der abgezweigte Teilmassenstrom mittels Wassereinspritzung zumindest temporär aktiv gekühlt.
-
Mit Hilfe der Wassereinspritzung wird die zur Lagerkühlung eingesetzte Luft befeuchtet. Da feuchte Luft eine höhere Wärmekapazität als trockene Luft aufweist, kann die zur Kühlung benötigte Luftmenge reduziert werden. Das heißt, dass der vom Gesamtmassenstrom der verdichteten Luft zur Lagerkühlung abgezweigte Teilmassenstrom verringert werden kann, so dass die mit der Kühlung einhergehende Verlustleistung sinkt.
-
Sofern die mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichtete Luft einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems zugeführt wird, steht den Brennstoffzellen entsprechend mehr Luft zur Verfügung, die zusammen mit Wasserstoff in elektrische Energie gewandelt werden kann. Auf diese Weise kann nicht nur der Wirkungsgrad des Luftverdichtungssystems, sondern zugleich des Brennstoffzellensystems gesteigert werden.
-
Sofern das Luftverdichtungssystem, beispielsweise zur Kühlung des Elektromotors und/oder eines damit verbundenen Inverters und/oder eines Gehäuseteils, an einen Kühlkreis angeschlossen ist, kann dieser flexibler ausgelegt werden, da eine zusätzliche Kühlung der Lagerluft entfällt. Der Kühlkreis kann demzufolge auf einen definierten Betriebsbereich ausgelegt werden, so dass die Auslegung weniger komplex und herausfordernd ist. Mit Wegfall von Wärmeübertragungsflächen zur Kühlung der Lagerluft vereinfacht sich zugleich die Konstruktion des Luftverd ichtu ngssystems.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zur Kühlung der Lagerluft mittels Wassereinspritzung eingebrachte Wassermenge betriebspunktabhängig variiert wird. Die Wassermenge kann somit dem tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Zugleich kann der Wasserverbrauch gesenkt werden. Je nach Betriebspunkt bzw. Bedarf kann die Wassereinspritzung auch zeitweise ausgesetzt werden.
-
Die betriebspunktabhängige Variation der eingespritzten Wassermenge ermöglicht eine Temperaturregelung und/oder -begrenzung, so dass eine Überhitzung der Lagerbereiche sicher vermieden wird.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass die einzuspritzenden Wassermengen aus den Betriebspunkten des Luftverdichtungssystems berechnet und/oder modellbasiert abgeleitet werden, beispielsweise basierend auf den Messwerten mindestens eines Sensors, insbesondere eines Massenstromsensors und/oder Temperatursensors. Das Verfahren ermöglicht somit eine genaue Zudosierung der jeweils benötigten Wassermenge über den gesamten Betriebsbereich des Luftverdichtungssystems.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Wassereinspritzung in Abhängigkeit von den Umgebungstemperaturen vor einer Abstellphase eingestellt wird. Auf diese Weise kann bei Frost verhindert werden, dass in den Lagerbereichen vorhandenes Wasser während einer längeren Abstellphase gefriert. Denn durch Einstellen der Wassereinspritzung einige Zeit vor dem Abstellen wird den Lagerbereichen trockene Luft zugeführt. Das Luftverdichtungssystem kann auf diese Weise frostsicher abgestellt werden.
-
Die Wassereinspritzung wird vorzugsweise nur vor längeren Abstellphasen ausgesetzt. Denn als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass im Start-Stopp-Betrieb die Wassereinspritzung zur Optimierung der Schmierung des mindestens einen Gaslagers genutzt wird. Denn bei mechanischer Reibung schmiert feuchte Luft besser als trockene Luft. Mechanische Reibung tritt in den Gaslagern immer dann auf, wenn die Abhebedrehzahl unterschritten wird. Dies ist bei jedem Start und bei jedem Stopp des Luftverdichtungssystems der Fall. Durch die mittels Wassereinspritzung optimierte Schmierung kann somit der Lagerverschleiß reduziert werden.
-
Vorteilhafterweise wird die Wasserseinspritzung zugleich zur Konditionierung der mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichteten Luft eingesetzt. Das heißt, dass die Wassereinspritzung bzw. die zur Wassereinspritzung benötigten Komponenten nicht allein zur Kühlung der Lagerluft eingesetzt, sondern mit weiteren Anwendungen kombiniert werden. Dadurch können die Kosten weiter gesenkt werden. Beispielsweise kann eine Befeuchtung und/oder Kühlung zur Konditionierung der mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichteten Luft mittels Wassereinspritzung bewirkt werden. Die Kühlung umfasst auch eine Zwischenkühlung zwischen zwei Verdichtungsstufen des Luftverdichtungssystems, so dass auf diese Weise eine weitere Wirkungsgradsteigerung erreichbar ist.
-
Darüber hinaus wird ein Luftverdichtungssystem vorgeschlagen, umfassend mindestens einen mittels eines Elektromotors und/oder einer Turbine angetriebenen Verdichter mit einer Welle, die über mindestens ein Gaslager drehbar gelagert ist. Durch das Luftverdichtungssystem führt ein Zuluftpfad, von dem stromabwärts mindestens eines Verdichters ein Kühlpfad abzweigt, der den Zuluftpfad mit dem mindestens einen Gaslager verbindet. Erfindungsgemäß ist am Kühlpfad ein Dosiermodul einer Wassereinspritzeinrichtung angeordnet.
-
Über den vom Zuluftpfad abzweigenden Kühlpfad kann dem mindestens einen Gaslager Luft zugeführt werden, die zuvor mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichtet worden ist. Mit Hilfe des am Kühlpfad angeordneten Dosiermoduls kann Wasser in den Kühlpfad eingespritzt werden, so dass die über den Kühlpfad dem mindestens einen Gaslager zugeführte Luft aktiv gekühlt wird. Mittels Wassereinspritzung kann somit eine Kühlung der Lagerluft bewirkt werden, die besonders effektiv ist, so dass weniger Luft benötigt wird bzw. weniger Luft vom Zuluftpfad abgezweigt werden muss. Entsprechend steigt der Wirkungsgrad des Luftverdichtungssystems.
-
Das vorgeschlagene Luftverdichtungssystem kann insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden bzw. es kann nach diesem Verfahren betrieben werden, so dass alle in Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile auch mit Hilfe des vorgeschlagenen Luftverdichtungssystems erzielbar sind. Insbesondere kann die aufgrund der Kühlung der Lagerluft verursachte Verlustleistung reduziert werden.
-
Bevorzugter Anwendungsbereich des vorgeschlagenen Luftverdichtungssystems sind Brennstoffzellensysteme. Hier kann das Luftverdichtungssystem zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Luft eingesetzt werden. Durch den gesteigerten Wirkungsgrad des Luftverdichtungssystems steigt zugleich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wassereinspritzeinrichtung des vorgeschlagenen Luftverdichtungssystems einen Wassertank zur Versorgung des am Kühlpfad angeordneten Dosiermoduls mit Wasser. In einem Brennstoffzellensystem kann dem Wassertank Produktwasser zugeführt werden, das bei der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen anfällt. Das Produktwasser kann somit einer Nutzung zugeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Wassertank von außen befüllt werden, so dass stets ausreichend Wasser vorhanden ist.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Wassereinspritzeinrichtung mindestens ein weiteres Dosiermodul umfasst, das am Zuluftpfad und/oder an einem vom Zuluftpfad abzweigenden weiteren Kühlpfad angeordnet ist. Mit Hilfe der Wassereinspritzeinrichtung kann dann zugleich die über den Zuluftpfad strömende Luft konditioniert, insbesondere befeuchtet und/oder gekühlt werden. Alternativ oder ergänzend kann durch Wassereinspritzung in mindestens einen weiteren Kühlpfad die Lagerluft einer weiteren Verdichtungsstufe eines mehrstufig ausgeführten Luftverdichtungssystems gekühlt werden. Denn bei mehrstufig ausgeführten Luftverdichtungssystem weist in der Regel jede Verdichtungsstufe eine über Gaslager drehbar gelagerte Welle auf. Auf diese Weise können alle Gaslager mit gekühlter Lagerluft versorgt werden.
-
Da der bevorzugte Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems Brennstoffzellensysteme sind, wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem Zuluftpfad vorgeschlagen, in den ein erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Luft integriert ist. Sofern das Luftverdichtungssystem einen mittels einer Turbine angetriebenen Verdichter umfasst, ist die Turbine in einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems angeordnet, so dass ihr die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein Teil der zuvor zum Verdichten eingesetzten Energie rückgewonnen werden.
-
Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich insbesondere um ein mobiles Brennstoffzellensystem handeln, das der Erzeugung elektrischer Energie für den Antrieb eines Fahrzeugs dient. Das Konzept ist aber auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme übertragbar, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Betriebsbedingungen bzw. Lastprofile vorliegen können.
-
Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystems in einem Brennstoffzellensystem kann die Systemeffizienz gesteigert werden. Denn durch Reduzierung des zur Lagerkühlung benötigten parasitären Luftmassenstroms steht den Brennstoffzellen mehr Luft zur Verfügung. Zudem ermöglicht die vorgeschlagene Wassereinspritzung eine größere Flexibilität und damit eine verbesserte Systemauslegung.
-
Der zur Lagerkühlung benötigte Luftmassenstrom (mAirBearAir) ist abhängig von der Temperatur im Lagerbereich (TBear) und der Wärmekapazität der Luft (cpAir). Da die Wärmekapazität von feuchter Luft (cpAirHumid) größer als die Wärmekapazität von trockener Luft (cpAirDry) ist, gilt:
-
Damit folgt für die Kühlung der Lager mit einem Kühlbedarf (QBear) und einer Änderung der Lufttemperatur im Lager (dTBear):
-
Je nachdem, ob trockene oder feuchte Luft verwendet wird, gilt:
-
Bei gleichem Kühlbedarf (QBear1 = QBear2) ergibt sich folgende Gleichung:
-
Daraus folgt:
-
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Wassereinspritzung zur Kühlung der Lagerluft kann eine Reduzierung des Luftmassenstroms mAirBearAir im Bereich von 10% erreicht werden. Die Reduzierung ist somit deutlich.
-
Die hierzu benötigten Wassermengen von deutlich unter 1 g/s sind gut darstellbar und können beispielsweise aus der feuchten Abluft gewonnen werden, da Wasser als Reaktionsprodukt systeminhärent anfällt.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Luftsystems eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem,
- 2 eine schematische Darstellung eines Luftsystems eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem und
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Das in der 1 dargestellte Luftsystem eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dient der Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 19 mit Luft. Die Luft wird der Umgebung 21 entnommen und dem Brennstoffzellenstapel 19 über einen Zuluftpfad 10 zugeführt. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 19 austretende feuchte Luft bzw. Abluft wird über einen Abluftpfad 20 wieder an die Umgebung 21 abgeführt. Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 19 einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die Luft zuvor verdichtet. Hierzu ist in den Zuluftpfad 10 ein erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem 1 integriert. Das Luftverdichtungssystem 1 umfasst einen Verdichter 4, der mittels eines Elektromotors 2 und einer Turbine 3 antreibbar ist. Die Turbine 3 ist in den Abluftpfad 20 integriert, so dass ihr die aus dem Brennstoffzellenstapel 19 austretende Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden. Die Turbine 3 und der Verdichter 4 sind hierzu über eine Welle 6 gekoppelt.
-
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird die der Umgebung 21 entnommene Luft zunächst einem Luftfilter 22 zur Reinigung zugeführt. Mit Hilfe des Verdichters 4 des Luftverdichtungssystems 1 wird dann die Luft verdichtet. Da sich dabei die Luft erwärmt, wird sie anschließend mit Hilfe eines Kühlers 23 gekühlt. Zur weiteren Konditionierung der Luft kann stromabwärts des Kühlers 23 ein Befeuchter 24 angeordnet sein. Da die aus dem Brennstoffzellenstapel 19 austretende Luft bzw. Abluft Wassertropfen enthalten kann, die durch Tropfenschlag zu Schäden an der Turbine 3 führen können, ist im Abluftpfad 20 stromaufwärts der Turbine 3 ein Wasserabscheider 25 angeordnet. Stromabwärts der Turbine 3 ist in den Abluftpfad 20 ein Druckregler 26 integriert. Um die Turbine 3 zu umgehen, ist ein Bypass 28 mit einem Bypassventil 29 vorgesehen. Ein weiterer Bypass 28 mit einem Bypassventil 29 dient der Umgehung des Brennstoffzellenstapels 19 und verbindet den Zuluftpfad 10 mit dem Abluftpfad 20. Stromaufwärts und stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 19 sind zudem Absperrventile 27 vorgesehen, um im Abstellfall zu verhindern, dass weiterhin Luft in den Brennstoffzellenstapel 19 gelangt.
-
Da in Brennstoffzellensystemen die Luft ölfrei sein muss, ist die Welle 6 des Luftverdichtungssystems 1 über Gaslager 8 drehbar gelagert. Diese umfassen vorliegend zwei Radiallager und ein Axiallager. Die Gaslager 8 werden mit Luft aus dem Zuluftpfad 10 gekühlt. Diese wird ihnen über einen stromabwärts des Verdichters 4 vom Zuluftpfad 10 abzweigenden Kühlpfad 11 zugeführt. Vorab wird die Luft gekühlt, und zwar mittels Wassereinspritzung. Hierzu ist am Kühlpfad 11 ein Dosiermodul 12 einer Wassereinspritzeinrichtung 13 angeordnet, das mit einem Wassertank 14 verbunden ist. Mit Hilfe des Dosiermoduls 12 bzw. der Wassereinspritzeinrichtung 13 kann somit die den Kühlpfad 11 durchströmende Luft befeuchtet und gekühlt werden. Stromabwärts des Dosiermoduls 12 teilt sich der Kühlpfad 11 auf, um alle Gaslager 8 zu kühlen.
-
Das Wasser wird beim Einspritzen, vorzugsweise unter Druck, fein zerstäubt und mit der verdichteten Luft vermischt. Durch Verdampfung und Verdunstung wird die verdichtete Luft signifikant gekühlt. Der Druckabfall ist dabei vernachlässigbar gering. Die derart gekühlte Luft wird dann zu den zu kühlenden Stellen geleitet.
-
Das in der 1 dargestellte Luftverdichtungssystem 1 ist zur Kühlung des Elektromotors 2 und/oder eines mit dem Elektromotor 2 verbundenen Inverters 30 an einen Kühlkreis 31 angeschlossen. Im Unterschied zu den meisten bekannten Systemen entfällt die Kühlung der Lagerluft zur Kühlung der Gaslager 8 durch den Kühlkreis 31, da vorliegend die Kühlung der Lagerluft zur Kühlung der Gaslager 8 mittels Wassereinspritzung realisiert wird. Der Kühlkreis 31 kann somit einfacher ausgelegt werden.
-
Wie beispielhaft in der 1 dargestellt, kann die Wassereinspritzeinrichtung 13 für weitere Zwecke im Luftsystem verwendet werden, beispielsweise zur Befeuchtung und/oder Kühlung der verdichteten Luft im Zuluftpfad 10. Die Wassereinspritzeinrichtung 13 umfasst hierzu ein weiteres Dosierventil 15, das am Zuluftpfad 10 stromabwärts des abzweigenden Kühlpfads 11 angeordnet ist.
-
In der 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftverdichtungssystem 1 dargestellt. Im Unterschied zur 1 ist hier das Luftverdichtungssystem 1 zweistufig ausgeführt. Die erste Stufe der Luftverdichtung ist zudem mehrflutig ausgeführt. Hierzu sind ein erster Verdichter 4.1 und ein zweiter Verdichter 4.2 auf einer gemeinsamen Welle 6 angeordnet. Der Antrieb erfolgt mittels eines Elektromotors 2. Die zweite Stufe der Luftverdichtung weist einen Verdichter 5 auf, der über eine Welle 7 mit einer Turbine 3 als Antrieb gekoppelt ist. Beide Wellen 6, 7 sind über Gaslager 8, 9 drehbar gelagert. Zur Kühlung der Gaslager 8, 9 wird Luft aus dem Zuluftpfad 10 abgezweigt, und zwar über zwei Kühlpfade 11, 18. Der Kühlpfad 11 führt die abgezweigte Luft den Gaslagern 8 der Welle 6 zu. Der Kühlpfad 18 versorgt die Gaslager 9 der Welle 7 mit Luft. Da die Luft vorab gekühlt werden muss, ist sowohl am Kühlpfad 11 als auch am Kühlpfad 18 jeweils ein Dosiermodul 12, 17 zum Einspritzen von Wasser aus einem Wassertank 14 einer Wassereinspritzeinrichtung 13 angeordnet. Optional kann das im Wassertank 14 bevorratete Wasser weiteren Zwecken zugeführt werden, beispielsweise zur Befeuchtung und/oder Kühlung der Luft im Zuluftpfad 10. Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, können hierzu zwei weitere Dosiermodule 15, 16 am Zuluftpfad 10 angeordnet sein. Mit Hilfe des Dosiermoduls 15, das zwischen den beiden Verdichtungsstufen angeordnet ist, kann eine Zwischenkühlung der Luft durch Wasserseinspritzung bewirkt werden. Die Zwischenkühlung trägt zu einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrads des Luftverdichtungssystems 1 bei. Das weitere Dosiermodul 17 ist vorzugsweise stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe angeordnet und dient der Kühlung der mit Hilfe des Verdichters 5 verdichteten Luft.
-
Das Luftverdichtungssystem 1 der 2 ist ebenfalls an einen Kühlkreis 31 angeschlossen. Über sequentiell geschaltete Kühlmittelpfade des Kühlkreises 31 werden der Elektromotor 2 bzw. ein mit dem Elektromotor 2 verbundener Inverter 30 der ersten Verdichtungsstufe sowie der Verdichter 5 der zweiten Verdichtungsstufen im Bereich seiner Voluten 32 (siehe 3) gekühlt.
-
Der 3 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes Luftverdichtungssystem 1 zu entnehmen, das - analog der 1 - einstufig ausgeführt ist. Ein Verdichter 4 ist über eine Welle 6 mit einer Turbine 3 gekoppelt. Zusätzlich ist ein Elektromotor 2 als Antrieb vorgesehen. Die Welle 6 ist über zwei Radiallager und ein Axiallager, die jeweils als Gaslager 8 ausgeführt sind, drehbar gelagert. Der Verdichter 4 wird im Bereich einer ersten Volute 32 von der Luft im Zuluftpfad 10 axial angeströmt. Die Turbine 3 wird im Bereich einer zweiten Volute 32 von der Abluft im Abluftpfad 20 radial angeströmt. Die Voluten 32 werden über einen Kühlkreis 31 gekühlt. Die Gaslager 8 werden über einen Kühlpfad 11 mit gekühlter Luft gekühlt. Zur Kühlung der Luft wird in den Kühlpfad 11 mit Hilfe eines Dosiermoduls 12 Wasser aus einem Wassertank 14 einer Wassereinspritzeinrichtung 13 eingespritzt. Die Kühlung der Gaslager 8 und die Kühlung der Voluten 32 sind demnach voneinander unabhängig. Optional kann über den Kühlkreis 31 auch ein Inverter 30 des Luftverdichtungssystems 1 gekühlt werden (nicht dargestellt).
