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Verfahren und Einrichtung zur stufenlosen Regelung der Liefermenge
von mehrstufigen Verdichtern . Zur stufenlosen Veränderung der Liefermenge von Verdichtern
sind bisher Regelmethoden bekanntgeworden, die auf einer Veränderung der Drehzahl
oder des schädlichen Raumes beruhen oder bei welchen die Liefermenge durch taktmäßiges
Offenhalten der Saugventile im Rhythmus der Kompressorendrehzahl über einen mehr
oder weniger großen Teil der Druckperiode verändert wird. Gelegentlich werden auch
Regeleinrichtungen gebaut, bei denen der Anfangsdruck vor dem Verdichter herabgesetzt
oder ein Teil des komprimierten Gases hinter dem Kompressor durch eine eigene Rückführleitung
wieder zur Saugleitung zurückbefördert wird.
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Alle diese Regelmethoden weisen Schwierigkeiten auf, deren wesentlichste
nachstehend angeführt seien.
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Die Drehzahlregelung bedingt, namentlich bei elektrisch angetriebenen
Kolbenverdichtern, sehr teure Einrichtungen. Weiter können die automatisch arbeitenden
Plattenventile von Kolbenverdichtern nur für eine ganz bestimmte Drehzahl optimal
bemessen werden. Andere Drehzahlen ergeben daher ungünstigere Arbeitsbedingungen,
die ein relativ häufiges Brechen der Ventilplatten bewirken.
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Regelungen ausschließlich durch Veränderung der Größe des schädlichen
Raumes erfordern namentlich bei den oberen Stufen von Hochdruckverdichtern außerordentlich
hohe Versteljkräfte, durch die eine automatische Verstellung oft unmöglich wird.
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Hubtaktregelungen verursachen starke zusätzliche Beanspruchungen der
Ventilplatten, die deren Lebensdauer nicht unwesentlich vermindern.
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Saugdruck-Drosselregelungen sind unwirtschaftlich und ergeben bei
allen jenen Fällen, in denen vom Atmosphärendruck ausgegangen wird, Unterdrücke,
die bei Auftreten von Undichtheiten an den Rohrleitungen ein Ansaugen von Luft herbeiführen,
wodurch bei brennbaren Medien explosible Gemische mit allen ihren Gefahren entstehen
können.
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Umlaufregelungen der eingangs erwähnten Art ergeben keine wirtschaftlichen
Vorteile, wenn die gesamte Kompressionsarbeit für den Anteil der rückgeleiteten
Gasmenge durch Drosseln. vernichtet wird. Außerdem müssen die hier erforderlichen
Regelorgane für den vollen Enddruck des Verdichters bemessen werden, wodurch sie
schwer und teuer werden und große Bedienungskräfte erfordern.
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Die Umlaufregelung bedient sich auch eines bereits früher bekanntgewordenen
überlastreglers für mehrstufige Kompressoren, bei welchem eine den Druckstutzen
der ersten Stufe mit ihrem Ansaugstutzen verbindende Nebenschlußleitung ein federbelastetes
Überdruckventil enthält, welches bei Überschreitung eines vorbestimmten Enddruckes
dieser Stufe öffnet und einen teilweisen Druckausgleich herbeiführt. Eine solche
Einrichtung regelt nur innerhalb eines engen Bereiches des Zwischendruckes und bezweckt
im Gegensatz zum Erfindungsziel eine im wesentlichen konstante Fördermenge.
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Schließlich ermöglicht eine bekannte Einrichtung, die Fördermenge
auch bei Drehzahländerungen der Motorwelle konstant zu halten. Ein an den Ausgang
der ersten Stufe angeschlossenes Entlastungsventil, durch welches bei steigender
Drehzahl bzw. Anwachsen der Förderleistung Gas entweichen kann, wird einerseits
vom Enddruck dieser Stufe und andererseits von der im Umlauf befindlichen Schmierstoffmenge
beeinflußt und bei Ansteigen der geförderten Schmierstoffmenge mittels eines Hilfskolbens
geöffnet. Da bei Verwendung von automatisch arbeitenden Plattenventilen an den Kolbenverdichtern
diese Ventile nur für eine bestimmte Drehzahl optimal bemessen sind, erweist sich
auch die letztgenannte Einrichtung für den Erfindungszweck als ungeeignet.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stufenlosen Regelung der
Liefermenge von mehrstufigen Verdichtern, bei denen mindestens die letzte(n) Stufe(n)
als Kolbenverdichter ausgebildet ist bzw. sind. Sie geht davon aus, da.ß am Ausgang
wenigstens
einer Vorstufe, vorzugsweise der ersten Stufe, durch
Einschaltung eines Drosselorgans ein Teil des geförderten Gases entnommen und der
restliche Teil der nächstfolgenden, als Kolbenverdichter ausgebildeten Verdiehterstufe
zugeführt wird. Das Neue besteht dabei darin, daß das Drosselorgan. unabhängig von
dem vor ihm herrschenden Druck geregelt wird. Dementsprechend ist bei der zur Durchführung
des Verfahrens vorgesehenen Einrichtung sowohl der Saugventilraum als auch der Druckventilraum
der einen Verdichterstufe mit dem Saugventilraum der nächstfolgenden Verdichterstufe
durch je eine Leitung verbunden, wobei in die die beiden Saugventilräume unmittelbar
verbindende Leitung ein Drosselorgan eingesetzt ist, das gemäß der Neuerung unabhängig
von dem vor ihm herrschenden Druck verstellbar ist.
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Verfahren und Einrichtung gemäß der Erfindung gestatten im Gegensatz
zu den bekannten Einrichtungen eine Anpassung der Fördermenge an den schwankenden
Bedarf auch bei unveränderter Drehzahl, wobei der Enddruck oder der Ansaugdruck
möglichst konstant gehalten werden können. Als weitere Vorteile dieser Regelung
sind anzuführen das wirtschaftliche Arbeiten des Verdichters über den ganzen Regelbereich,
geringe Verstellkräfte zur Veränderung der Menge des entnommenen Gasteiles, die
Vermeidung von Unterdrücken vor dem Verdichter, die Vermeidung der Bruchgefahr der
Ventile, da letztere von der Regelung praktisch unbeeinflußt bleiben, und endlich
die geringen Gestehungskosten der Einrichtung, die zufolge ihres einfachen Aufbaues
eine erhöhte Betriebssicherheit aufweist.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Druckverhältnisse bei Vollast
in der ersten Stufe größer und/oder in der letzten Stufe kleiner als bei der üblichen
Bemessung gewählt werden können. Außerdem kann es zweckmäßig sein, den schädlichen
Raum im Zylinder der letzten Verdichtungsstufe über das konstruktive Erfordernis
hinaus beträchtlich größer zu gestalten. Schließlich kann, auch in die den Druckventilraum
der vorgeschalteten Verdichterstufe mit dem Saugventilraum der folgenden Verdichterstufe
verbindende Leitung in an sich bekannter Weise ein Zwischenkühler eingeschaltet
sein.
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Es ist zwar ein mehrstufiger Kreiselverdichter bekannt, bei dem an
dem Verbindungsstück zwischen Nieder- und Hochdruckventil eine absperrbare Abzweigleitung
angeschlossen ist, durch die sich bei Teillastbetrieb durch den Niederdruckteil
hindurchgegangenes Fördermittel ableiten läßt. Diese bekannte Einrichtung bezweckt
an Kreiselverdichtern eine Beeinflussung der Druckvolumenkennlinie, insbesondere
eine Verlagerung der sogenannten Pumpgrenze. Wesentlich ist, daß hierbei die Drosselung
keinesfalls unabhängig vom Zwischendruck erfolgt. Vielmehr muß die Steuerung bei
der bekannten Einrichtung immer so erfolgen, daß sich der Zwischendruck möglichst
wenig ändert, also im Idealfall konstant bleibt. Das heißt also, daß bei den bekannten
mehrstufigen Kreiselverdichtern eine Steuerung ohne Berücksichtigung des Zwischendruckes
nicht zulässig und auch gar nicht vorgesehen ist.
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Im Gegensatz dazu setzt das Verfahren gemäß der Erfindung voraus,
daß das Drosselorgan unabhängig von dem vor ihm herrschenden Druck, also dem zwischen
zwei Stufen herrschenden Zwischendruck, geregelt wird. Würde anders verfahren, also
etwa nach dem vorerwähnten- bekannten Vorschlag eine Konstanthaltung des Zwischendruckes
angestrebt, ergäbe sich, daß die Hochdruckstufen praktisch immer dieselbe Menge
fördern. Von einer Regelung der Liefermenge könnte dann keine Rede sein, d. h.,
die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wäre nicht mehr gegeben.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ein dreistufiger-Kolbenverdichter schematisch dargestellt. Es bezeichnen
K1, K." K3 die Kolben der drei Verdichterstufen, SV., SV2,
SV, die Saugventile und DV" DV2, DV, die Druckventile. ZKl
und ZK2 sind Zwischenkühler zwischen den Stufen. Hinter dem ersten Zwischenkühler
ZK, ist eine Umlaufleitung L angesetzt, die zur Rückführung des nach der ersten
Stufe entnommenen Gasteiles in die Saugleitung dient. Ein in die Leitung L eingesetztes
Regelventil R V gestattet die Einstellung der rückgeführten Gasmenge.
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Im einfachsten Fall genügt ein handbetätigtes Absperrorgan zur Regelung.
Die zumeist erwünschte selbsttätige Mengenregelung wird durch die Verbindung des
Stellgliedes mit einer an sich bekannten Servosteuerung bewirkt, wobei die Schaltimpulse
durch einen Geber dem Stellglied vermittelt werden. Auf diese Weise kann die Fördermenge
des Kompressors dem jeweiligen Verbrauch angeglichen werden. In Anwendungsfällen,
in welchen eine Konstanthaltung des Anfangsdruckes p" vor dem Kompressor, z. B.
eines konstanten L7berdruckes, erwünscht ist, kann die Forderung gleichfalls durch
Beeinflussung des Regelventils R V mit Hilfe des Gebers erfüllt werden. Ähnlich
können andere Regelforderungen damit verwirklicht werden.
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Die indizierte Antriebsleistung einer Kompressorstufe ist theoretisch
bekannt proportional der Drehzahl, dem Hubvolumen, dem Anfangsdruck p", dem volumetrischen
Wirkungsgrad und einem das Verdichtungs- bzw. Druckverhältnis
enthaltenden Ausdruck. Durch die Entnahme eines Teiles der geförderten Gasmenge
nach der ersten Stufe treten Absenkungen der Zwischendrücke p1 und p2 ein, die auch
von den Zylinderabmessungen und den schädlichen Räumen abhängen. Bei der ersten
Stufe ergibt sich durch die Absenkung des Zwischendruckes p1 eine Verkleinerung
des Druckverhältnisses
und dadurch eine Vergrößerung des volumetrischen Wirkungsgrades. Zugleich wird durch
diese Änderung des Druckverhältnisses eine Verringerung der indizierten Leistung
herbeigeführt, allerdings nicht in dem gleichen Maße wie bei den anderen Stufen.
Als Verlust tritt nur der Anteil für die Kompression in der ersten Stufe auf, der
der entnommenen Gasmenge entspricht, - sich jedoch mit sinkendem Zwischendruck p1
hinter der ersten Stufe verkleinert. Ein solcher Energieverlust besteht dann, wenn
die Druckenergie des in der Leitung L rückgeführten Gasteiles im Regelventil RV
vernichtet wird oder wenn man bei Luftkompressoren die nach der ersten Stufe entnommene
Gasmenge einfach in die Atmosphäre entweichen läßt, wie dies die gestrichelte Entnahmeleitung
L' in der Zeichnung andeutet. Hingegen ist eine Herabsetzung dieses Verlustes möglich,
wenn der entnommene Gasteil einer Niederdruck-Verbrauchsleitung zugeführt bzw. bei
anderen Verwendungszwecken, z. B. in einem Preßluftmotor, nutzbar gemacht wird.
In
der zweiten Verdichtungsstufe nimmt p1 etwa ebenso wie p2 mit der geförderten Gasmenge
ab, und der volumetrische Wirkungsgrad bleibt daher ungefähr konstant. Die indizierte
Leistung für diese Stufe nimmt deshalb annähernd proportional mit der Liefermenge
ab.
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Für die dritte, im Ausführungsbeispiel letzte Stufe nimmt das Druckverhältnis
zu. Der volumetrische Wirkungsgrad verringert sich, so daß auch in der letzten Stufe
die indizierte Leistung mit der Liefermenge sinkt.
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Bei besonders starker Verminderung der Liefermenge können in der letzten
Stufe verhältnismäßig große Druckverhältnisse mit entsprechend hohen Endtemperaturen
auftreten. Um diese nach Bedarf zu begrenzen, sieht die Erfindung vor, die Druckverhältnisse
bei Vollast in den einzelnen Stufen unterschiedlich auszulegen, und zwar in der
ersten Stufe in tragbaren Grenzen möglichst hoch, in der letzten Stufe jedoch möglichst
niedrig zu bemessen. Enthält der Kompressor mehrere Zwischenstufen, dann können
deren Druckverhältnisse in Förderrichtung absteigend bemessen werden, soweit nicht
fallweise eine abweichende Festlegung zweckmäßig erscheint. Im Grenzfall wird die
letzte Stufe bei Vollast bzw. die erste Stufe bei stärkster Regelung überhaupt nicht
verdichten, d. h. mit einem Druckverhältnis etwa vom Wert 1 arbeiten.
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Ein weiteres Mittel, um das Druckverhältnis der letzten Stufe herabzusetzen
und zu stabilisieren, besteht darin, den schädlichen Raum in dieser Stufe beträchtlich
größer zu wählen, als dies durch den konstruktiven Aufbau des Zylinderkopfes und
den Einbau der Arbeitsventile bedingt wäre. Selbstverständlich wird man die beiden
Mittel zur Begrenzung und Stabilisierung des Druckverhältnisses der letzten Stufe,
nämlich deren Hubvolumen und schädlichen Raum, in jedem Einzelfall zweckmäßig kombinieren.
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Soll die erfindungsgemäße Regeleinrichtung nachträglich an einem bereits
bestehenden Kompressor eingebaut werden, dessen Zylinderabmessungen unveränderlich
festliegen, dann ist eine Vergrößerung des schädlichen Raumes in der letzten Verdichterstufe
innerhalb gewisser Grenzen durch Unterlegen von Zwischenringen unter die Arbeitsventile
(Saug- und Druckventile) bzw. erforderlichenfalls auch unter den Zylinderkopf möglich.
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Das erfindungsgemäße Regelverfahren ist in erster Linie für Kompressoren
vorgesehen, für die ein Regelbereich von etwa 50 % (Verminderung der Liefermenge
auf die Hälfte der Nennleistung) ausreicht. Innerhalb dieses Bereiches vollzieht
sich die Regelung in verhältnismäßig wirtschaftlicher Weise, da ein Verlust an Druckenergie,
soweit er nicht vermeidbar ist, nur im Niederdruckgebiet auftritt.
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Bei Kompressoren mit einer größeren Zahl von Zwischenstufen kann sich
gegebenenfalls die Rückführung eines Teiles des Gases auch über mehrere Stufen erstrecken.
Das Verfahren erweist sich auch mit gleichen Vorteilen als anwendbar, wenn für die
erste Stufe ein rotierender Verdichter verwendet wird.