DE1921487A1 - Kolbenverdichter - Google Patents

Description

DEMAG Aktiengesellschaft 25. April 1969

41 Duisburg 5488 - Do/Schi

Wolfgang-Reuter-Platz

Kolbenverdichter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenverdichter, insbesondere für die Luftverdichtung, für auf den Ansaugzustand „ bezogene Liefermengen £ 20 nr/min ^und Drehzahlen = 30Q min .

Der Wirkungsgrad von Kolbenverdichtern, auch als isothermer Wirkungsgrad bzw. spezifische Arbeit definiert, wird insbesondere von folgenden Paktoren beeinflußt:

a) von der Gasgeschwindigkeit beim Durchtritt durch die Saug- und Druckventile, wobei Ventilverluste entstehen, '

b) vom Wärmeübergang innerhalb des Kolbenverdichters und auf das vorgesehene Kühlmittel,

c) von der Undichtigkeit an den Kolbenringen und an den Stopfbuchsen, wobei Leckverluste entstehen,

d) von der Reibungsarbeit der Kolbenringe und Stopfbuchsen und

e) von der Reibungsarbeit der Triebwerksteile.

Ein Wirkungsgradoptimum erfordert eine Abstimmung dieser Einflußgrößen, die bezogen auf die Kolbengeschwlndlgkelt,den Zyllnderdurchmesser und die Gestaltung der Veidiohtungsräume, teilweise unterschiedliche Wirkungen hervorrufen; «o sfcaigen beispielsweise mit erhöhter Kolbengesohwindlgkeit bei vergleichbarer Zyllndergröi3e die Ventilgenohwlndigkeiten und damit auch die Ventilverluste und arider erde ibn vermindern sich die prozentualen Leckverluste nri den Kolbenringen., Die Konstruktion eines Kolbenverdichter» erfordere atm· nicht nur oln Vilrkungsgradoptimum, sondern ebanoü *)ln Minimum un ohla ißneanspruchungen.

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Das Wirkungsoptimum ist durch den mechanischen Verschleiß . * eng begrenzt. Die Grenze wird durch den Verwendungszweck und die Maschinengröße bestimmt.

So haben sich für Luftverdichter, z. B. mit Liefermengen Über 20 nr/min, bezogen auf den Ansaugzustand, bestimmte Konstruktionsprinzipien durchgesetzt. Hierzu, gehören z. B. die festgesetzte mittlere Kolbengeschwindigkeit auf Werte zwischen 2,5 und 4 m/s, da diese Geschwindigkeiten erfahrungsgemäß noch ein befriedigendes Verschleißverhalten sichern. Da die Kolbengeschwindigkeit a... bei gegebenem Zylinderdurchmesser auch die Größe der Ventile und die Vent i Ige schwi.ndigkeiten bestimmt, die den Haupteinfluß auf den Gesamt-Wirkungsgrad des Verdichters ausüben, sind auch auf diese Welse der Kolbengeschwindigkeit Grenzen gesetzt.

Eine Verbesserung des Wirkungsgrades verlangt also eine Verminderung der Ventilgeschwindigkeiten, da die Strömungsverluste in den Ventilen verhältnismäßig großen Uberproportionalen Einfluß auf den Wirkungsgrad ausüben.

Entscheidend für die Konstruktion eines Verdichters ist aber letzten Endes die Gesamt-Wirtschaftlichkeit einer Verdichteranlage. Sie setzt sich im wesentlichen aus den drei Einflußgrößen:

a) Wirkungsgrad (entspricht im wesentlichen den Betriebskosten),

b) Verschleiß- und Wartungskosten und

c) Aufwand zur Beschaffung und Installation des Verdichters zusammen, i

Der unter c) genannte Aufwand-besteht aus den Beschaffungskosten und den Koοtan für den Raum- und den Installationsaufwand. Diesen Aufwand kann man Insbesondere durch Verkleinerung dea Bauvolumens nenkan.-. Eine erhöhte Verdlohtardrehzahl bewirkt sine ^!/*srlcla Innung des notwendigen Zylindervolumens» Ebenso v/l rieb a U a loh positiv auf utn Antriebsmotor aus, da

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vergleichsweise auch bei Motoren der Bauaufwand mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Außerdem bieten höhere Drehzahlen eher die Möglichkeit, Maschinen ohne Fundament auf federnden Elementen aufzustellen und auf diese Weise Aufstellungskosten einzusparen.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird ein Weg aufgezeigt, der die Gesamt-Wirtschaftlichkeit eines Kolbenverdichters mit den vorgenannten Liefermengen'über die üblich erzielten Werte hinaus erhöht.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Kolbenverdichter mit auf den Ansaugzustand bezogenen Liefermengen = 20 nr/min und Drehzahlen ^ 300 min" dadurch gelöst, daß der Zylinderdurchmesser gemäß der Formel D=K ^/v zu bestimmen ist, wobei K die Konstante für eine Summe aller Einflußgrößen mit 1,74 = K = 1,9 und V « s · D²%/k (m⁵) ist. ·

Von den Einflußgrößen auf den Verdichterwirkungsgrad ist, wie bereits erwähnt, die mittlere Ventilgeschwindigkeit die beherrschende. Die Verbesserung des Wirkungsgrades bedeutet also in. erster Linie eine Ventilvergrößerung. Für die Unterbringung der Ventile steht die Fläche des Zylinderkopfes bzw. die des Zylinders zur Verfügung. Erwünscht ist eine Unterbringung der Ventile im Zylinderkopf, um eine einwandfreie Anströmung der Ventile zu gewährleisten und die Schadräume zusätzlich gering zu halten. Die Kopffläche'wird durch den Zylinderdurchmesser bestimmt,'falls man nicht durch besondere Gestaltung des Verdichtungsraumes, die größere Flächen zur Unterbringung der Ventile ergibt, eine Verschlechterung des Liefergrades und damit einen höheren Bauaufwand in Kauf nehmen will.

Die Forderung nach einem sehneHäufenden Verdichter bewirkt aber andererseits eine Verkleinerung des Zylindervolumens und

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damit des Zylinderdurohmessers und der für die Unterbringung der Ventile zur Verfügung stehenden Flächen.

Die Forderung nach einem verhältnismäßig guten Verschleißverhalten umfaßt ebenfalls niedrige Kolbengeschwindigkeiten und damit gesenkte Drehzahlen.

Aus diesen Bedingungen resultiert, im Gegensatz zur Konstruktion von Verbrennungsmotoren, daß nicht ein Trend zu immer höheren Drehzahlen, sondern ein Trend zu Drehzahlen mit mittleren Werten günstig ist, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Bei diesen Überlegungen wurden allerdings entscheidende Einflußgrößen außer acht gelassen. Durch Erhöhung der Drehzahlen kann, wie durch Versuche nachgewiesen wurde, das thermische Verhalten eines Verdichters, die Bedingungen für einen günstigen Wärmeübergang, verbessert werden, wenn es gelingt, eine einwandfreie, nicht durch Störungen beeinflußte Anströmung der Ventile bei verhältnismäßig niedrigen Ventilgeschwindigkeiten zu erreichen. Dies kann erreicht werden durch Unterbringung reichlich bemessener Ventile in Zylinderköpfen verhältnismäßig großer Durchmesser und mit Hilfe einer Durchströmung der Ventile etwa in Richtung der Kolbenachse. Die aus großen Zylinderdurchmessern und höherer Drehzahl resultierenden extrem kurzen Kolbenwege führen dann nicht zu einer ungünstigen gestörten Anströmung der Ventile.

Unter Berücksichtigung der Merkmale der gefundenen Lösung ergibt sich der Optimalbereich für die Zylinderdurchmesser eines Verdichters mit Liefermengen Über 20 nr/min, bezogen auf den Ansaugzustand,und Drehzahlen über 300 min" gemäß der Formel D = K ή V mit 1,74 £ K £ 1,9.

Hierin bedeuten D der Zylinder-Durchmesser und V das Hubvolumen. Gemäß dieser Formel wird ein Optimalbereich für die Verdichterauelegung erfaßt. Sie ist folgendermaßen zu

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erklären: Die thermischen Verluste sinken mit wachsender Drehzahl infolge Verbesserung des Wärmeüberganges (s. Diss. M. M. Ghoneim: Wandwärme und Liefergradmessung an einem Luftkompressor, Zürich 1952).

Die Ventilverluste steigen mit wachsender Drehzahl, ebenso wie alle Reibungsverluste. Der Bauaufwand sinkt mit steigender Drehzahl. Das Verschleißverhalten wird als konstant angenommen, abgesehen von vernächlässigbar geringem Lagerverschleiß. ,

Aus der Summe aller dieser Einflüsse kann man den optimalen Bereich für den Koeffizienten K entnehmen.

Claims (1)

1. DEMAG Aktiengesellschaft , 25. April

   41 Duisburg L 5488 - Do/Schi

   Wolfgang-Reuter-Piatz *

   Patentanspruch

   Kolbenverdichter, insbesondere für die Luftverdichtung, für auf den Ansaugzustand bezogene Liefermengen £ 20 nr/min und Drehzahlen =300 min ,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Zylinderdurchmesser gemäß der Formel

   zu bestimmen ist, wobei K die Konstante für eine Summe aller Einflußgrößen mit 1,7^ = K ^ 1,9 und V = s D²J*/4 (m⁵) 1st.