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Verfahren und Vorrichtung zum kondensationsfreien Betrieb von mehrstufigen
Turboverdichtern mit Zwischenkühlung Die Erfindung bezieht sich allgemein auf mehrstufige
Verdichter und betrifft im besonderen die wirtschaftliche Verdichtung feuchter Gase
unter Berücksichtigung atmosphärischer Zustandsschwankungen.
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Bei der Verdichtung großer Mengen feuchter Gase, insbesondere atmosphärischer
Luft, auf 2 at und höhere Drucke werden im allgemeinen mehrstufige Turboverdichter
eingesetzt. Die Kompressionswärme führt man in den Zwischenstufen durch vorzugsweise
flüssige Kühlmedien in indirektem Wärmetausch weitgehend ab. Die hinreichende Rückkühlung
der Gase in den Zwischenkühlern bestimmt den Energieverbrauch einer solchen Verdichteranlage.
Es ist aber andererseits darauf zu achten, daß bei der Zwischenkühlung die Kondensationsgrenze
(Taugrenze) der verdichteten Gase nicht unterschritten wird, um die Maschine nicht
zu beschädigen. Gegebenenfalls entstandene Kondensattrvpfchen können nämlich vom
Gasstrom in die Laufräder der nächsten Stufe mitgeführt werden. Das würde Schäden
durch Korrosion und Kavitation
an den Laufrädern, den Strömungskanälen
und an den Dichtungen zur Folge haben. Hinzu kommt, daß selbst bei besten dem Maschineneintritt
vorgeschalteten Filtereinrichtungen für
das zu verdichtende"z. B.
staubhaltige Gas geringe Staubmengen in den_Verdichter gelangen, die bei absolut
trockenem Betrieb mit dem verdichteten Gas wieder ausgetragen werden. Wird aber
die Taugrenze in den Zwischenstufen unterschritten, so zeigt
es sich in der
Praxis, daß der angefeuchtete Staub in der Maschine und in den Kühlern zu Belegungen
führt, die zusammen mit denn nachteiligen Einfluß des in die Maschine geschleuderten
Kondensates schnell ein beachtliches Absinken des Wirkungsgrades der Maschine
zur'Folge haben. Die Wiederherstellung der vollen Leistungsfähigkeit der Maschine
erfordert eine nahezu vollständige, zeitraubende Demontage, die die rechnerisch
ermittelte Wirtschaftlichkeit der Anlage wesentlich herabsetzt.
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Es ist zur Vermeidung der geschilderten Nachteile bisher üblich,
Tabellen zu verwenden, die dem Bedienungspersonal angeben,
welche
geringsten.Temperaturen
des verdichteten Gases nach der Zwischenkühlung
in jeder Stufe unter
Berücksichtigung
der Eintritts-
temperatur und
des Feuchtigkeitsgehaltes
des Gases vor dem Ein-
tritt in die erste Verdichterstufe
nicht
unterschritten
werden
dürfen, um
an jeder kritischen Stelle der Anlage
mit Sicherheit
oberhalb
der Taügrenze zu bleiben. Die
diesbezügliche
Regelung
erfolgt von Hand
durch Variieren der KUhlmittelmenge
an den
Zwischenverdichtern. Treten jedoch plötzliche Änderungen der
Ansaugverhältnisse
ein, wie sie bei der Verdichtung atmosphärischer Luft
z. B. durch plötzlich
aufziehende
Gewitter oder
| schnelle Temperaturänderung?zwischen Tag und Nacht gegeben
sind, |
so gelingt es insbesondere bei mehreren Maschinen der Bedienung
nicht, die entsprechenden Änderungen der Kühlmittelmengen rechtzeitig vorzunehmen.
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Es ist bisher auch nicht gelungen, diese Regelaufgabe mit selbsttätig
wirkenden Mitteln zu lösen, weil Änderungen der Eintrittstemperatur und des Feuchtigkeitsgehaltes
des noch unverdichteten Mediums den am Eingang irgendeiner nachfolgenden Verdichterstufe
vorliegenden Feuchtigkeitsgehalt des gekühlten Mediums nicht proportional beeinflussen.
An den Zwischenkühlern sind vielmehr bei solchen Verhältnissen unterschiedliche
Regeleingriffe bezüglich des Kühlmitteldurchsatzes erforderlich. Das würde normalerweise
eine Mehrkomponenten-Regelung erforderlich machen, bei Bier die Gradienten der zeitlichen
Änderung der Feuchtigkeitsgehalte des teilweise verdichteten Mediums zwischen den
Verdichterstufen Regelimpulse liefern. Eine solche Regelkombination wäre außerordentlich
kompliziert;url würde nur sehr träge arbeiten. Es wurde nun gefunden, daß man die
beim mehrstufigen Betrieb eines feuchte Medien ansaugenden Turboverdichters mit
ZwischenkUhlung auftretenden Schwierigkeiten auf einfache Weise beherrschen kann,
wenn man stark schwankende Feuchtigkeitsgehalte-und Temperaturen des zu verdichtenden
Mediums wie folgt berücksichtigt.
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Für die Bildung von Regelimpulsen zur Beeinflussung des M lmitteldurchsatzes
in den Zwischenkühlern werden nicht die am
Verrdichtereingang
und an den Kühlerausgängen festgestellten augenblicklichen Feuchtigkeitsgehalte,
sondern die jeweiligen Differenzen der Temperatur des Mediums am allgemeinen Verdichtereingang
und der die Taugrenze bestimmenden Temperatur nach jeder einzelnen Zwischenkühlungh-.rangezogen.
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Die Erfindung besteht demzufolge darin, daß die Temperaturdifferenzen
zwischen der jeweiligen Stufe und der Eintrittstemperatur des Mediums in den Verdichter
fortlaufend gemessen und als Istwert einem jeder Stufe zugeordneten Festwertregler
zugeführt werden, und daß für jede Verdichterstufe ein Temperaturdifferenz-Sollwert
vorbestimmt und am zugehörigen Festwertregler voreingestellt wird, und daß von den
Festwertreglern über Stellglieder die Menge des in jeder Zwischenstufe zuzuführenden
Kühlmittels entsprechend den an den Festwertreglern durch den fortläufenden Istwert-Sollwert-Vergleich
gebildeten Regelabweichungen verändert wird. In einer Vorrichtung zur Ausführung
dieses Verfahrens ist für die Zwischenkühler jeder Verdiehterstufe ein Zweiweg-Wärmeaustauscher
mit je einem die Menge des zuzuführenden Kühlmittels verändernden Stellglied vorgesehen,
wobei der Festwertregler der betreffenden Stufe diese Stellglieder mittel- oder
unmittelbar betätigt.
Bei der mehrstufigen Verdichtung atmosphärischer
Luft liegen folgende Verhältnisse vor, die die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe wie oben angegeben rechtfertigen
Für die Kühlung
zwischen der ersten und der zweiten Verdichter-
stufe bei einem
Druck von z. B. 2,2 ata ergibt sich für
Ansaugtemperaturen von 0
- 10o C eine wie oben erwähnt ge-
messene Temperaturdifferenz
t = 12o C. Diese Temperatur-
differenz bedeutet, daß bei zeitweiligem
Ansteigen der Luft-
temperatur am Verdichtereingang auf 100 C und auf
100% relative
Feuchtigkeit nach der Zwischenkühlung zwischen der
ersten und
zweiten Verdichterstufe der Taupunkt erreicht wird. Ist
die für. die erste Stufe angesaugte Luft kälter als 100C und liegt
ihr
Feuchtigkeitsgehalt unter-l00%, so wird die Taugrenze nicht
erreicht.
In dem dekadenweise.nächstfolgenden Temperaturbereich
von 10 -
200 C der zur Verdichtung angesaugten Luft ist die
ertsprechende Temperaturdifferenz
130 C, für den Bereich
von 20 -6300 C ist
t.= 140 C. Diese auf die erste Verdichter-
stufe bezogene Temperaturdifferenz
bleibt dann in dem weiteren
Bereich von 30 - 400 C im wesentlichen
konstant mit
= 14% Da man im praktischen Betrieb aus Gründen der Sicherheit gegen
Kondensatbildung
nach der-Zwischenkühlung einige Grade von der
Taulinie entfernt
arbeiten muß, ist es zweckmäßig, für alle
vorkommenden Temperaturen und Feuchtigkeitsgehalte
in dieser
ersten Kühlstufe eine Temperaturdifferenz
t - 140 für die
Lösung der Regelaufgabe zugrundzulegen.
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Für
die Zwischenkühlung
zwischen der zweiten und dritten
Verdichterstufe bei z.B.
3,2 ata
ergeben sich folgende maximale Temperaturdifferenzen
in den entsprechenden Temperaturbereichen-
| von 00 bis 1o0 -4,t = 1g0 |
| von 10o bis 20o rt = 2o0 |
| von 20o bis 300 @1 t = 220 |
| von 300 bis 400 G t = 23o |
Arbeitet man also für die Regelung dieser Kühlstufe mit einer am Festwertregler
vorangestellten Temperaturdifferenz von,
t =
230, so ist auch nach dieser Kühlstufe
eine Konden-
sation
des weiter zu
verdichtenden Mediums sicher vermieden.
Für die Kühlung
zwischen der dritten und vierten Verdichter-
stufe bei z. B; 4,6 ata
ergeben sich folgende Werte:
| von 00 bis 10° d t = 250 |
| von 100 bis 200 Pes, t = 27' |
| von 209e bis 300 Ces. t = 280 |
| von 300 bis 400 @Gä t = 31° . |
Für diese Kühlstufe wird eine Temperaturdifferenz
von
t = 310 eingestellt
und damit zur Vermeidung.von Kondensat-
bildung in der vierten.Verdichterstufe die in den dritten Zwischenkühler eintretende
Kühlwassermenge geregelt. Selbstverständlich kann man bei dieser Regelanordnung
der ,
zeitlichen Änderung der Ansaugtemperatur auch selbsttätig
folgen,
indem man die.Festwertregler bei Erreichen der gewählten höchstzulässigen Temperatur
eines z.B. dekadenweise
gefaßten Temperaturbereiches zwangsläufig
auf die wärmste Temperatur und die zugehörige Temperaturdifferenz des nächsten Bereiches
umschaltet bzw. selbsttätig umschalten läßt. In entsprechender Weise kann man beim
Absinken der Ansaugtemperatur des zu verdichtenden Mediums verfahren. Damit wären
sowohl alle Zwischenkühlungen des mehrstufigen Turboverdichters gegenüber schädlicher
Kondensation gesichert, als auch für die Erhaltung des bestmöglichen Wirkungsgrades
und der optimalen Laufzeit der Maschine sowie auch für ihre Wartung erhebliche Vorteile
gewonnen.
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Die Anordnung nach der Erfindung ist an Hand der Zeichnung, die eine
vierstufige Turboverdichteranlage für feuchte Luft schematisch wiedergibt,
nachfolgend .näher beschrieben: Der Turboverdichter 1 wird über ein Getriebe 2 von
einem Elektromotor 3 angetrieben und verdichtet atmosphärische feuchte Luft in vier
Stufen auf 5,9 ata. Die zu verdichtende feuchte Luft, deren Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt
weiter- und tageszeitbedingten Schwankungen unterliegt, wird über das Filter und
die Leitung 5 in die erste Verdichterstufe la angesaugt..
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Zur Erfüllung der Forderung, die verdichtete Luft im Wärmetauscher
6a vor der nachfolgenden Weiterverdichtung stets nur soweit zurückzukühlen, daß
in der Leitung 9, die die erste mit der zweiten Verdichterstute verbindet, und auch
in den-Laufrädern der zweiten Stufe 1 b die Taugrenze nicht unterschritten
wird,
sind folgende Mittel vorgesehen:- .
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Die Drosselklappe 8a wird von einem Festwertregler10a gesteuert, .
an dem die für diese erste Zwischenkühlung bestimmte Differenz der Lufttemperatur
in der Leitung 9 und der Temperatur der enge -saugten Luft in der Leitung
5 auf den Temperatursollwert
t = 140 fest voreingestellt ist. Der Regler 10a stellt fortlaufend den Zeit- oder
Istwert mit Hilfe zweier in die Leitungen 5 und 9 eingebauterTemperaturfühler fest.
Die Abwei-
chungen des Istwertes vom eingestellten Sollwert werden mittel-oder
unmittelbar in Steuerbewegungen an der Drosselklappe 8a umgesetzt. Liegt die augenblicklich
gemessene Temperaturdifferenz unter dem eingestellten Sollwert t = 14o, so wird
die Drossel-
klappe 8a-in Schließrichtung bewegt und der Durchsatz des Kühlmittels durch den
Wärmetauscher 6a herabgesetzt. Für Ansaugtemperaturen im Bereich von 0-4O0 G und
bis auf 100*'@% ansteigende relative Luftfeuchtigkeit kann die Taugrenze in der
Leitung 9 bei der angegebenen Anordnung und Einstellung des Festwertreglers nicht
unterschritten werden. Gleichzeitig ist durch das Anheben
des Wertes
t = von 12o auf 140 unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen für den erforderlichen
Sicherheitsabstand -von der Taulinie gesorgt. Nach der Kühlung der verdichteten
Luft. zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe ist man bei der angegebenen
Anordnung und Einstellung des Reglers 10a und bei einer normalen Lufttemperatur
von 20o mit 80% relativer geuchte in der Leitung Slum 500 von der Taugrenze
entfernt..
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Die Anordnung der@Festwertregler 10b und 10c
für die -`,Beeinflussung des Kühlmitteldurchsatzes in den Zweiweg-Wärmeaustauschern
6b
und 6c nach den nächstfolgenden Verdichterstufen 1b und 1c entspricht derjenigen
nach der Verdichterstufe la. Die zur Bildung der Istwerte für die Regler lob und
10c heranzuziehenden und mit zwei Temperaturfühlern festzustellenden Temperaturdifferenzen
sind hierbei jedoch nicht auf den Zustand in der Eintritts- und Austrittsleitung
der jeweiligen Verdichter-stufe bezogen. Der TemperaturistWrt wird vielmehr
für jeden Regler 10b und 10e zwischen der allgemeinen Ansaugleitung 5 des
Verdichteraggregates und dem Luftausgang des jeweiligen Kühlers 6b bzw. 6c
festgestellt. Wie oben erwähnt, ist auch .für jeden der Regler 10b und 10c
der voreinzustellende Sollwert für den Bereich der Ansaugtemperaturen von
0 bis 4Oo verschieden.. Sollten in seltenen Fällen atmosphärische Einflüsse die
anzu-saugende Luft in kürzester Zeit auf extreme Temperaturen bzw. Feuchtigkeitsgehalte
verändern, so bleibt die Möglichkeit offen, die an den Reglern 10a bis
10e voreingestellten Sollwerte für
t von Hand oder selbsttätig in einem den plötzlichen Ände-rungen entsprechenden
Umfang nachzustellen. Zur Erzielung optimaler Wirkungsgrade des Verdichters ist
es z. B. für die Verdichtung atmosphärischer Luft zweckmäßig, die Sollwerteinstellungen
der Festwertregler 10, z.B. in Abhängigkeit von den Jahreszeiten, geringfügig zu
verändern. Die auf 5,9 at. ver-dichtete Luft verläBt die Verdichterstufe
1d über die Leitung 13, in der der Zweiweg-Wärmetauscher 14 angeordnet
ist.
Die Anordnung des -Wärmetauschers 14, des Festwertreglers
15 und der Drosselklappe 16 entspricht schaltungsmäßig vollkommen den entsprechenden
Anordnungen für die Zwischenkühlung nach den Verdichterstufen la, 1b und 1c. Während
jedoch mit der Regelung der Kühlung nach den letztgenannten Verdichterstufen.bei
der angegebenen Einstellung eine für die Maschine schädliche Kondensatbildung verhindert
wird, soll nach der vollständigen Verdichtung 4er Luft bis äuf etwa 5,9 ata vor
ihrer Weiterverarbeitung-die Taugrenze im-Kühler 14 unterschritten werden..Um diese
andere Wirkung-zu erreichen, wird der Sollwert am Festwertregler 15,-der mittel-
oder unmittelbar auf die Drosselklappe 16 wirkt, auf z.-B:
t =_8° eingestellt.-Bei dieser Temperaturdifferenz- tritt nach den obigen Erläuterungen
in der Leitung 13 in jedem-Fall die Kondensatbildung ein. Falls erforderlich, kann
das sichere Unterschreiten der Taugrenze unter Berücksichtigung des zur Verfügung
stehenden Kühlmittels auch durch eine größere Dimensionierung des Zweiweg-Wärmeaustauschers
14 unterstützt werden. Das anfallende Kondensat wird im Behalter 17 gesammelt und
kann von dort abgezogen werden. Die verdichtete Luft steht dann über die Leitung-18
den Verbrauchern zur Verfügung.