DE1428033A1

DE1428033A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung kondensatfreier Zwischenkuehlung verdichteter Gase

Info

Publication number: DE1428033A1
Application number: DE19631428033
Authority: DE
Inventors: Weehuizen Dipl-Masch-Ing Frits; Nelissen Dipl-Masch-Tec Gerard
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1963-11-10
Filing date: 1963-11-26
Publication date: 1968-11-28
Also published as: GB1025538A; CH410262A; DE1428033B2

Description

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., Baden (Schweiz)

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung kondensatfreier Zwischenkühlung verdichteter Gase.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung kondensatfreier Zwischenkühlung mehrstufig verdichteter, feuchter, fcMlwände überstreichender Gase·

Bei mehrstufigen Verdichtern werden zum Zwecke der Wirkungsgraderhöhung die verdichteten Gase zwischen einzelnen Stufen abgekühlt. Wenn .diese Gase nicht völlig frei von Feuchtigkeit sind, so wird bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur Kondensat ausfallen. Dieses Kondensat kann bekanntermassen sehr korrosiv sein, weshalb beispielsweise bei Turboverdichtern die entsprechenden Kühlelemente in diesen Fällen aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. Rostfreier Stahl ist nicht nur ein teures Baumaterial, sondern weist den beträchtlichen Nachteil auf, dass er ein schlechterer Wärmeleiter ist als die gewöhnlich verwendeten Kühlerbaustoffe.

Die vorliegende Erfindung versucht diese Nachteile zu vermeiden. Sie besteht darin» dass die Taupunkttemperatur des verdichteten ; Gases und eine charakteristische Temperatur im Kühlsystem an min-

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destens einer Stelle gemessen und verglichen werden und "bei Abweichung der Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen von einem vorbestimmten Sollwert dieser Differenz die Kühlleistung« verändert wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemILssen Verfahrens ist gekennzeichnet durch Mittel zur Änderung der Kühllei·* ' stung in Abhängigkeit von. der Differenz zwischen den beiden zu vergleichenden Temperaturen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Temperatur im Kühlsystem derart asu regeln, dass im Stationärzustand nirgends im
Kühlsystem die "laupunkttemperatur erreicht oder gar unterschritten wird. Damit werden nicht nur teure Kühler erspart, sondern
man löst gleichzeitig das Rcoblem der Verschmutzung im Verdichter infolge Korrosion·

Die Erfindung wird anschliessend anhand eines Ausführungsbeispiels und eines Schaubildes erläutert. Es zeigt:

Fig*1 eine schematische Darstellung eines mehrstufigen» isotherm arbeitenden Verdichters mit in Serie angeordneten Zwischenkuhlern und der Regelvorrichtung,

Fig.2 ein Sohaubild mit dem Verdichterdruck als Abszisse und der Temperatur als Ordinate, mit dem Verlauf von Verdichtungsund Kühlungsstufen und der Taupunktlinie.

In Flg.1 ist eine mehrstufige, isotherm arbeitende.Verdichtungsanlage veranschaulicht. Ih einer ersten Verdichtungsstufe 3 wird das angesaugte Gas verdichtet und gelangt über eine Zwischenleitung 7 in einen ersten Zwischenkühler 5, wo es abgekühlt wird»
Nach dem Kühler 5 wird mit Hilfe eines ersten Taupunktfühlers 9

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der Taupunkt¹ dieses Gases bestimmt, es gelangt hierauf in eine zweit« Ver<Hohtungsstufe 11 und über eine Zwischenleitung 13 in ο1ηφη_Λ zweiten Zwischenkühler 15 t anschliessend in eine dritte Verdichtungestufe 17t durch eine Zwischenleitung 19 in einen dritten Zwischenkühler 21, von dort in die vierte Verdichtungsstufe 23 und über eine Zwischenleitung 25 in einen Endkühler 27. Nach diesem Endkühler misst ein zweiter Taupunktfühler 29 die Taupunkttemperatur des verdichteten und gekühlten Gases, wonach es in die fünfte Verdichtungsstufe 31 und von dort zum Verbraucher gelangt.

Der Verdichter kann auch aus mehr oder weniger Stufen, als in Fig.1 dargestellt, aufgebaut sein. In allen Fällen ist zwischen je zwei sich folgenden Verdichtungsstufen ein Zwischenkühler angeordnet* Der zweite Taupunktfühler 29 kann auch in eine andere Kühlungsstufe eingebaut sein, beispielsweise in der Zwischenleitung 19 nach dem Kühler 21.

Das der Zwischenkühlung dienende Kühlwasser f liesst duch eine Leitung 33 einer EUhlwaeserpuape 35 zu und von dieser über eine Druckleitung 40 zu einen Drelwegregelventil 37, das als Motoryentil ausgebildet und mittels eines Motors 38 betätigt wird. Der ' Motor 38 wird über eine Steuerleitung 39 gesteuert. Mach diesem Dreiwegregelventil gelangt das Kühlwasser - es kann auch eine andere Kühlflüssigkeit sein - durch die Druckleitung 41 in eine Kühlschlange 45 des ersten Zwischenkühlere 5, wobei mittels eines Temperaturfühlers 43 die temperatur des Wassers vor dem Eintritt in .den Kühler 5 gemessen wird.

Pas Kühlwasser erwärmt sich im ersten Zwischenkühler und gelangt hierauf über eine Zwischenleitung 47 in die nächste

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49 des zweiten Zwischenkühlers 15 und von dort in eine dritte Kühlschlange 53 des dritten Zwischenkühlers 21. In einer Zwischenleitung 55 nach dem Zwischenkühler 21 befindet sich ein Temperaturfühler 57, welcher der Temperaturmessung dee Kühlwassers vor seinem Eintritt in eine Kühlschlange 59 dee Endkühlere 27 dient, nach deren Durchfliessen das Kühlwasser durch die Leitung 73 zu einem Regelventil 60 gelangt, welches mittels eines Motors 61 verstellt wird. Dieser Motor 61 wird über eine Steuerleitung 62 gesteuert. Das Regelventil 60 kann auch an einer beliebigen Stelle im Strömungsweg 41, 47, 511 551 73 des Kühlwassers eingebaut sein.

Sollte die zweite Messung der Taupunkttemperatur mittels Fühler 29 beispielsweise nach dem Kühler 21 erfolgen, dann ist der zweite Temperaturfühler 57 in der Zwischenleitung 51 anzuordnen·

Die Temperaturfühler 43, 57 und die Taupunktfühler ^₁ 29 können als V/iderstandselemente ausgebildet sein, die letzteren z.B. zur Messung der Temperatur eines Lithiumchlosid-Elementee.

Vom Temperaturfühler 43 führt eine Messleitung 64 und vom ersten Taupunktfühler 9 eine Messleitung 65 zu einer Messbrücke 67 zum Vergleich der Widerstände der Fühler 9 und 43. Die Ausgangsgrösse dieser Messbrücke 67 ist die Eingangsgrösse des Reglers 68, der über die Steuerleitung 39 den Motor 38 dee Dreiwegregelventils 37 steuert.

In gleichem Sinne führt vom Temperaturfühler 57 eine Messleitung 69 und vom zweiten Taupunktfühler 29 eine weitere Messleitung 70 zu einer zweiten Messbrücke 71 zum Vergleich der Widerstände der Fühler 29 und 57'. Die Ausgangsgrösse dieser Messbrücke 71 ist die Eingangsgrösse des Reglers 72, der über die Steuerleitung 62 den Motor 61 des Regelventils 60 steuert.

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Von der Abflussleitung 74 des erwärmten Kühlwassers zweigt eine Ümwälzleitung 76 ab, in der eine ständig laufende Umwälzpumpe 78 angebracht ist, deren Druckleitung 77 in einen der Anschlüsse des Dreiwegregelventils 37 führt. Prinzipiell könnte das Warmwasser an einer beliebigen Stelle im Strömungsweg 47, 51» 55» 73 des Kühlwassers nach dem Kühler 5 entnommen werden, es wäre aber auch eine Fremdspeisung möglich.

In Fig.2 ist der in der Anlage gemäss Fig,1 im Betrieb sich ergebende Zustand des zu verdichtenden Gases graphisch dargestellt. Als Abszisse ist der Absolutdruck ρ eingetragen sowie die in den verschiedenen Verdichtungsstufen 3ι 11» 17» 23 und 31 erreichten Enddrücke Pg» Po» P^» Pc» P₆» während ρ ^ den Anfangs- und normalerweise atmosphärischen Aussendruck bezeichnet.

Als Ordinate ist die Temperatur t eingetragen. Die Ausgangstemperatür des angesaugten Gases ist mit t^ bezeichnet. Dieses Gas besitzt nach dem Verlassen der ersten Verdichtungsstufe 3 eine Temperatur t~» von welcher es im ersten Zwischenkühler 5 auf die Temperatur t^ abgekühlt wird. In ähnlicher Veise wird das Gas in den andern Kühlern auf die Temperaturen t,-, tn und t~ zurückgekühlt. Der Verlauf der Taupunkttemperatur ist durch die Kurve T dargestellt. Aus der Taupunkttemperatur t des angesaugten Gases und dessen Druck p^ lässt sich diese Kurve unter der Annahme berechnen, dass an keiner Stelle Kondensation auftreten soll. Die Kurve stellt also eine Linie von konstanter absoluter Feuchtigkeit dar.

IM jegliche Kondensation in den Zwischenkühlern zu vermeiden, nüssen die niedrigsten Kühlwandtemperaturen in allen Kühlern höher sein als die örtlichen Taupunkttemperaturen des Gases, Die

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Taupunkttemperaturen bei den verschiedenen Zwischendrücken Po» Pn ^im^· P5 sind in Fig.2 durch die Temperaburen t,..*, t^ bzw. t,.^ dargestellt. Die Werte t.r_f ^-t^» *i7 ¹^ *18 die tiefsten Kühlwandtemperaturen an der kältesten Stelle des betreffenden Zwischenkühlers. Aus der oben gestellten Bedingung, dass jegliche Kondensation vermieden werden muss, geht hervor, dass alle Temperaturdifferenzen (t,^ - t^-j)» C^e " *12^· (t^jo - t^-O und (t^jg - ^14.) positive Werte aufweisen müssen.

Die Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad bedeutet, dass die Gastemperaturen t->, t,-, tn und t„ möglichst niedrig sein sollen. Demzufolge müssen die oben erwähnten Temperaturdifferenzen positiv, sollen jedoch möglichst klein sein. Es lässt sich dabei nicht vermeiden, dass bei gewissen raschen Regelvorgängen Kondensationsbildung auftreten kann. Dies würde jedoch nur kurzzeitig der Fall sein.

Durch die kühlwasserseitigs Serieschaltung der Zwischenkühler ist es möglich, nach der einmal vorgenommenen Wahl von zwei der oben erwähnten vier Temperaturdifferenzen zu gewährleisten, dass bei Kinhaltung der zwei vorgewälilten Temperaturdifferenzen nicht nur diese, sondern auch die übrigen beiden positive Werte aufweisen.

Im Beispiel nach Fig.1 werden die Temperaturen der Kühlwand t^ und t^jQ nicht direkt, sondern indirekt durch die Temperaturfühler 43 und 57 erfasst, welche die Kühlwasser-Eintrittstemperatur vor den Kühlern 5 und 27 messen. Die entsprechenden Kühlwassertemperaturen sind in Fig.2 durch die vVerte t^_o und t_2Q dargestellt.

In der Messbrücke 67 des ersten Regelkreises werden die Widerstände der Fühler 9 und 43» welche die Taupunkttemperatur t_i1 bzw.

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die .Kühlwasser-Eintrittstemperatur t^_c. messen, miteinander verglichen zwecks Bildung eines Steuersignals, das als elektrischer Strom ausgesandt wird und proportional dem Temperaturunterschied At^ a (t^Q - t^) ist. Dieses Steuersignal wird dem Regler 63 als Istwert At₁ der Differenz zugeführt und in diesem Regler mit dem Sollwert At₁ dieser Differenz verglichen. In Abhängigkeit der

ο Jeweiligen Regelabweichung (At^ -it ^ ) zwischen Istwert und SoIl-

o wert verstellt ein Impuls den Motor 38 des Dreiwegregelventile 37*

Bei positiver Regelabweichung (^t₁ - ^t₁ )» d.h. bei zunehmendem

ο 'Istwert /It,., wird das Ventil 37 in dem Sinne betätigt, dass die Umwälzpumpe 78 weniger, die zweite Pumpe 35 jedoch mehr Kühlwasser in die Zuleitung 4-1 zum ersten Kühler 5 fördert. Demzufolge sinkt die vom Fühler 43 gemessene Temperatur t^g, wodurch der Ist-Wert £&_Λ und die Regelabweichung (^t₁ - Ut₁ ) wieder abgesenkt

' ο

werden.

Bei negativer Regelabweichung (^t₁ - ^t₁ ) ist der Regelvorgang

ο umgekehrt·

In ähnlicher Weise wird in der Messbrücke 71 des zweiten Regelkreises der Istwert /It₂ « Ct₂₀ - t^) gebildet und im Regler 72 nit dem Sollwert At₉ verglichen. Vom Regler 72 wird über die

ο Steuerleitung 62 der Motor 61 des Regelventils 60 betätigt. Bei positiver Regelabweichung (At₂ - At₂ ), d.h. bei zunehmendem Istwert At₂ wird das Ventil 60 in öffnendem Sinn verstellt. Dadurch wird der Künlwasserdurchsatz durch die Zwischenkühler erhöht, was •In Absinken der tob Temperaturfühler 57 gemessenen Temperatur t₂₀ but Folge hat. Die Regelabweichung (At₂ - Ct₀ ) wird dadurch verkleinert.

Bei negativer Regelabweichung (^t_? - Ή_? ) ist der Regelvorgang

ο umgekehrt."

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Das hier "beschriebene Regelverfähren kann unverändert beibehalten werden, wenn anstelle der Kühlwassertemperaturen t^Q und t₂Q die tiefsten Kühlwandtemperatuiten t^c und t^g oder die Temperaturen to und tq des verdichteten Gases beim Verlassen der Kühler 5 und 2? gemessen und in den Messbrücken 67 und 71 mit den Taupunkttem«· peraturen t^ und t^ verglichen werden* In jenen Fällen» in denen die Temperatur des bei 33 angeführten Kühlwassers immer höher ist als die Taupunkttemperatur t^ des Gases beim Verlassen des ersten Kühlers 3$ kann auf den ersten Regelkreis mit den Organen bzw. Systemen 9, 37* 38, 39, 43," 64,* 65, 67i 68, 76,|und 73 verzichtet werden.

In jenen Pällen» in denen der Durchsatz und Ansaugesustand des Gases sowie das Druckverhältnis (pg : p^) angenähert konstant; bleiben, kann auf den zweiten Regelkreis mit den Organen ?9, 57, 60, 61, 62, 69, 70, 71 und 72 verzichtet werden. Der Kühlwasser*· düjfchsatz muss dann jedoch so klein gewählt werden, dass auch im ungünstigsten Fall keine Kondensatbildung auftritt 4

Selbstverständlich ist in allen genannten Fallen auch eine Regelung von Hand aus aufgrund der Temperaturmessungen niöglich.

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Claims

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Λ) Verfahren zur Re gelling kondensatfreier Zwischenkühlung mehr*· stufig verdichteter; feuchter,Kühlwände Überstreichender Gase« dadurch gekennzeichnet, dass die taupunkttemperatür des verdichteten Gases und eine charakteristische Temperatur im Kühlsystem an mindestens einer Stell· gemessen und verglichen werden und bei Abweichung der Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen von eine« vorbestimmten Sollwert dieser Differenz die Kühlleistung verändert wird.

?.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I₄, gekennzeichnet durch Mittel zur Aenderung der Kühlleistung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden zu vergleichenden Tempe raturen.

3«) Verfahren nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlwassers als Vergleichstemperatur dient.

4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandtemperatur der Kühlschlangen (45,49,53,59) als Vergleichsteraperätur dient«

50 Verfahren nach Anspruch 1> dadurch gekennzeichnet, dass die temperatur des Kühlwassers vor und die Taupunkttemperatur des verdichteten Oases nach dem selben Kühler (5,15,21/27) gemessen werden.

60 Verfahren nach Anspruch 1 und 5« dadurch gekennzeichnet, dass.

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die Temperaturmessungen in der ersten und in einer weiteren Kühlungsstufe erfolgen.

7.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aenderung der Kühlleistung die Temperatur des Kühlwassers vor dem Eintritt in den ersten Kühler (5) geregelt wird.

8.) Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlwassers durch Beimischung von Warmwasser geregelt wird.

9.) Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwasser dem Kühlsystem nach dem Endkühler (27) entnommen wird.

10.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aenderung der Kühlleistung die Durchflussmenge des Kühlwassers geregelt wird.

11.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, gekennzeichnet durch Widerstandsthermometer (9,43 bzw. 29*57) zur Messung der zu vergleichenden Temperaturen.

12.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 11, gekennzeichnet durch Lithiumchlorid-Elemente zur Messung der Taupunkttemperatur.

I?.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, gekennzeichnet durch mindestens eine W'iderstandsmessbrücke (67,71) zur Bildung des Ist-Wertes der Differenz zwischen den gemessenen Temperaturen.

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) Vorrichtung -nach den Ansprüchen 2 und 8, gekennzeichnet durch «In Dreiwegregel ventil (37) in der Druckleitung (¹Il), durch das Warmwasser in das XÜhlwoBser eingespeist werden totnn.

15«) VorrichtuBg^nadi den Ansprüchen 2, 9 und 14, gekennzeichnet durch eine Umwälzpumpe ifB) in einer Umwälrleitung (76#77). Welche die Abfluesleitung (74) des Kühlwassers mit dem Dreiwegregelventil (57)

16*} Vorrichtung iiach den Ansprüchen 2 und 10, gekennzeichnet durch «in kegelventil (60) in Strömungsweg (^1,^7,51*55*73) des Kühlwassers.

17-) Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 13 bis 16* gekennzeichnet durch mindestens einen Regler (68,72), der den von der Widerstands·^ messbrücke {67 bzw, 71) gebildeten Istwert der Differenz zwischen der Taupunlcttemperatur des verdichteten Gases und einer charakteristischen Temperatur des Kühlsysteais mit dem vorbestimmten Sollwert dieser Differenz vergleicht und bei Abweichung des Istwertes vom Sollwert ein Regelventil (37 bsw. 60) verstellt.

X8.) Vorrichtung naeh Anspruch 2_r 6 untf 17*^ gekennzeichnet durch zwei Regler, wobei der der erstes, KöhiungEstiufe zugeordnete Regler (68) da« Dreiwegregel ventil (37) verstellt und der der weiteren KtOilungsstufe zugeordnete Regier (72J dajl· Regelventil (60)- verstent.

Afctlengesellßchaft 809810/0394 *«». Sot.p1 * Cl..

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