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Das erfindungsgemäße Gebrauchsmuster beschreibt eine Vorrichtung zur unterstützenden Bereitstellung von Ansauggas für einen fluideingespritzten Kompressor mit optimierender Einflussnahme auf die Verdichtungsendtemperatur, wobei das Gas von einem Verdichter durch die Vorrichtung angesaugt wird und die Einflussnahme der Vorrichtung die Energetik des Kompressors verbessert.
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Vorrichtungen in Form von periodisch laufenden Maschinen zur Verdichtung von Gasen sind bekannt und werden zur industriellen Bereitstellung von Druckgas und Druckluft verwendet. Nach dem Stand der Technik saugen Kompressoren selbstständig Umgebungsluft mit variablen Umgebungsdruck, relativer Feuchte sowie Temperatur an und produzieren einen Druckluftvolumenstrom. Es ist allgemein bekannt, dass die umgebene Ansaugluft je nach Örtlichkeit und Wetterverhältnissen Druckschwankungen unterliegt. Dies bedeutet, dass sich das Druckverhältnis der Kompression ändert. Weil das Verhältnis von Ansaugdruck zu Verdichtungsenddruck die Energieeffizienz beeinflusst, folgt ein erhöhter Energieeinsatz bei höheren Druckverhältnissen für die Produktion von Druckluft. Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, dass einige Kompressorhersteller einfache Anlagenlüfter nutzen, um im Dauerbetrieb neben einer Ansaugdruckerhöhung von wenigen Hektopascal gleichzeitig die Kühlung des Kompressors auf eine derzeit übliche Verdichtungstemperatur von ca. 80°C zu realisieren. Die Anlagenlüfter produzieren dabei einen Differenzüberdruck auf das gesamte Kompressorgehäuse, der jedoch für eine unterstützende Bereitstellung von Ansauggas in Form einer Ansaugdruckoptimierung oftmals deutlich zu gering ist. Zudem, weil der Ansaugdruck in der Kompressorhülle weiterhin in Abhängigkeit des Umgebungsdruckes schwankt wird ein konstruktiv festgelegtes Verdichtungsverhältnis nicht beeinflusst. Nachteilig ist auch, dass die Ansaugluft unnötig durch Wärmeübertragung der heißen Bauelemente im Kompressor erwärmt wird und die Wärmemengeneinbringung negativ bei der Energieeffizienz wirkt. Es gilt, je kälter ein angesaugtes Gas ist, umso mehr Gasmasse kann zur Verdichtung in den Kompressor eingebracht werden, da sich die Dichte des Gases mit der Temperatur ändert.
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Ebenso ist allgemein bekannt, dass Gase und die natürliche Ansaugluft Feuchtigkeit enthält, die durch den Verdichtungsprozess konzentriert wird. Ein spezifisches Volumen Luft kann bei atmosphärischem Druck und konstanter Temperatur nur genauso viel Wasserdampf bis zur Sättigung aufnehmen, wie das gleiche Volumen verdichtete Luft mit gleicher Temperatur. Damit während dem Verdichtungsprozess kein Wasser ausfällt, ist die Begrenzung der Kühlung von öleingespritzten Kompressoren üblich. Der Stand der Technik zur Temperaturregelung von Kompressoren ist, dass bei den vielfach in der Industrie eingesetzten öleingespritzten Kompressoren mit einem einfach aufgebauten Thermostatventil mit Dehnstoffarbeitselement bei einer Verdichtungsendtemperatur von etwa 80°C Druckluft produziert wird und der Kompressor die Ansaugluft mit dem örtlich herrschenden Umgebungsdruck ansaugt. Mit der Verdichtungsendtemperatur im Bereich von zirka 80°C oder höher ist gewährleistet, dass unabhängig von Jahreszeit und relativer Feuchte der Umgebungsluft der angesaugte Wasserdampfanteil nicht während dem Verdichtungsprozess auskondensiert und in das kühlende Einspritzmedium ausfällt. Die negativen Folgen beispielsweise einer flüssigen Phase Wasser im Kühlmedium Öl, wären Korrosion der Kompressorstufe und der Verlust der Schmierwirkung. Bei längerem Betrieb eines öleingespritzten Kompressors mit laufender Kondensation von Wasser im Verdichtungsprozess hat dies eine Zerstörung der Kompressorstufe zur Folge.
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Im Nachfolgenden wird Öl stellvertretend für jedes beliebige Fluid der Einspritzung zur Kühlung bei Kompressoren betrachtet. Umgekehrt ist Öl das derzeit bevorzugte Fluid zur Kühlung bei Kompressoren. Die Vorrichtung ist einsetzbar für Kühlfluide, bei denen ein zusätzlicher Wassereintrag durch den Kompressionsprozess unerwünscht ist.
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Die Erfindung ist insbesondere für die Bereitstellung von Druckluft geeignet. Sie ist jedoch ohne Änderungen auch für die Verwendung mit anderen Gasen, wie beispielsweise Stickstoff, oder Biogas zur anschließenden Verdichtung einsetzbar. Im Vorhergehenden und Nachfolgenden ist daher Luft stellvertretend für jedes beliebige Gas genannt. Umgekehrt ist Luft das bevorzugte Gas.
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Die generelle Notwendigkeit zum sparsamen Umgang mit Energie erfordert eine angepasste Lösung zum Betrieb von Kompressoren unter den Bedingungen der Anwendung beim Betreiber und unter Berücksichtigung der Örtlichkeit. Derzeitige Kompressoranlagen arbeiten durch einen Ansaugregler oft mit konstruktiv bedingten Ansaugdruckverlusten und bei der Luftkomprimierung erhöhen örtlich unvermeidbare Umgebungsdruckschwankungen zusätzlich das Druckverhältnis der Kompression. Beim Stand der Technik in der Drucklufttechnik ist die Verdichtungsendtemperatur oftmals zu hoch. Es zeigt sich, dass bei einem Taupunkt der Ansaugluft in gemäßigten Klimazonen von beispielsweise 10 Grad ein Kompressor mit einem Druckverhältnis von Π=9 bei einer Verdichtungsgrenztemperatur ϑmin = 50°C arbeiten könnte, währenddessen der Verdichter mit dem Druckverhältnis von Π=14 bei ϑmin = 61°C arbeiten muss. Aus der Thermodynamik ist bekannt, dass die Reduzierung der Verdichtungsendtemperatur die Energieeffizienz von Kompressoren positiv beeinflusst.
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Die erfindungsgemäße Lösung nach Anspruch 1 besteht in der Kombination von technischen Produkten zu einer neuartigen Vorrichtung, damit der Ansaugdruck- und die thermische Optimierung eines Kompressors betreiber-, ortsabhängig und metrologisch möglich ist. Die Erhöhung des Ansaugdruckes optimiert das Druckverhältnis und eine geringe Verdichtungsendtemperatur verbessert den Wirkungsgrad des Kompressors zusätzlich.
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Die Erfindung beschreibt somit eine unterstützende Vorrichtung zur optimierenden Verdichtung von Gasen in Verdrängermaschinen. Indem die Verdichtungstemperatur in Abhängigkeit des Taupunktes der Ansaugluft angepasst wird und natürliche sowie systembedingte Ansaugdruckschwankungen kompensiert werden, kann die Energieeffizienz des Kompressors verbessert werden. Die Grenztemperatur beim Verdichtungsprozess ist vom Taupunkt der Ansaugluft und dem Druckverhältnis der Kompression abhängig. Der Kompressor wird über ein Niederdruckgebläse beim Ansaugdruck sowie über den Taupunkt des angesaugten Gases thermisch optimiert. Indem der Ansaugdruck und Wasserdampfanteil der Ansaugluft analysiert wird, kann die Kühlung und Ansaugdruckerhöhung geregelt und/oder gesteuert werden und ein schädlicher Wassereintrag in das Kühlmedium wird sicher verhindert.
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Wenn der Ansaugdruck variabel mindestens auf die Berechnungsgrundlage der Norm ISO 1217 auf 1000 hPa erhöht wird, ist gewährleistet, dass eine Ansaugdruckoptimierung durch den zusätzlichen Masseneintrag in den Ansaugbereich von bestehenden Kompressoren dessen Antriebsmotor nicht überlastet. Damit ist die Lösung zudem vorteilhaft als Nachrüstlösung für bestehende Anlagen.
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Neben der Einsparung von Energie gilt beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass niedrige Verdichtungsendtemperaturen die Standzeit des Öls in den derzeit marktdominierenden öleingespritzten Druckluftverdichtern erhöht.
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Es ist oftmals wünschenswert, dass die produzierte Druckluft möglichst wenig Ölanteile aus dem Verdichtungsprozess in flüssiger oder gasförmiger Form besitzt. Daher sind im Kompressor Ölabscheidefilter verbaut und im Druckluftnetz sind weitere Filter mit nachteiligem Druckverlust platziert, die mittels Koaleszenzwirkung flüssiges Öl sowie bei besonderen Anwendungen mit Aktivkohlfiltern Öldämpfe entfernen. Durch niedrige Kompressionstemperaturen entweicht weniger flüssiges und gasförmiges Öl aus dem Kompressor. Daraus folgt, die Filtertechnik zur Druckluftaufbereitung kann reduziert werden. Die Erhöhung des Verdichtungsenddruckes zur Kompensation von Druckverlusten der Druckluftaufbereitung verursacht zirka 7 % höheren Energieeinsatz.
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Die Erfindung ist nachfolgend als Modul 1 mit extern in einem Kompressor 2 einzubringenden Messsensoren beschrieben und anhand der beiliegenden Blockschaltbilder näher erläutert. Das vorgestellte Modul 1 ist mit den externen Sensoren als eigenständige Vorrichtung ausgebildet und kann mit herkömmlichen oder bereits vorhandenen Druckluftverdichtern verbunden werden. Es ist ohne weiteres möglich, sämtliche oder auch nur einige Komponenten oder Einzelteile der Vorrichtung in anderer Weise in eine Druckgasanlage zu integrieren. Zudem ist es möglich die erfindungsgemäße Vorrichtung aus mehreren Funktionskomponenten zu kombinieren, die anschließend nach Bedarf in einer Gesamtlösung eines Kompressors den erfindungsgemäßen Zweck der Vorrichtung erfüllt. Mit Modul 1 ist daher immer die erfindungsgemäße Vorrichtung in beliebiger Bauweise und Ausführung gemeint. Die Erfindung soll in keiner Weise auf solche Module beschränkt sein.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher für öleingespritzte Kompressoren zur Verdichtung von Luft erläutert.
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Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Moduls als Standardlösung
- 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Moduls mit Öldurchflussregelung über eine Dosierpumpe
- 3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Moduls mit Öldurchflussregelung über ein Zwei- oder Mehrstellungsventil
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Standardlösung. Die Vorrichtung ist nachfolgend jeweils als Modul 1 beschrieben, das als eigenständige Einheit ausgebildet ist und mit herkömmlichen oder bereits vorhandenen Druckluftverdichtern verbunden werden kann.
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Das Modul 1 weist einen Lufteinlass 3 auf, durch den Umgebungsluft in das Modul 1 gelangt. Das Modul 1 weist weiter einen Luftauslass 4 auf, an dem im gezeigten Beispiel ein Kompressor 2 angeschlossen ist. Dabei wird der Luftausgang 4 direkt am Ansaugregler des Kompressors (2) angeschlossen. Im Falle einer relativ druckdichten Kompressorumhausung des Kompressors 2 und einer ortsabhängig kleinen benötigten Ansaugdruckoptimierung, kann auch das gesamte Kompressorgehäuse mit Überdruck durch starke Anlagenlüfter beaufschlagt werden, jedoch immer in Abhängigkeit des Absolutdrucksensors 9 und unter Berücksichtigung der Energetik zur Erwärmung des Ansauggases.
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Der Kompressor 2 kann ein herkömmlicher und handelsüblicher Druckluftverdichter sein. Solche Druckluftverdichter sind in vielen verschiedenen Ausführungen bekannt, weshalb hier nicht näher auf die Einzelheiten eingegangen wird.
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Nach dem Lufteinlass 3 des Moduls 1 ist ein Ansaugfilter 6 angeordnet, der Schmutzpartikel aus der Ansaugluft herausfiltert, sodass die nachgeordneten Komponenten nicht verschmutzt oder beschädigt werden. Nach dem Ansaugfilter 6 ist ein Niederdruckverdichter 8 angeordnet, der durch den Ansaugfilter 6 und den Lufteinlass 3 atmosphärische Luft ansaugt. Der Niederdruckverdichter 8 ist variabel in der Drehzahl geregelt und wird durch ein Lastlaufsignal der Kompressorsteuerung 18 in Betrieb genommen. Durch die Drehzahlregelung des Niederdruckverdichters 8 kann der gewünschte Ansaugdruck für den Kompressor 2 genau justiert werden. Das Modul 1 weist dazu einen Absolutdrucksensor 9 auf, der den Ansaugdruckruck am Ansaugregler des Kompressors 2 feststellt und die Drehzahl des Niederdruckverdichters 8 in Abhängigkeit des Absolutdruckes beeinflusst. Der Druck unmittelbar am Ansaugregler des Kompressors 2 soll mindestens 100 kPa betragen und kann je nach Belastungsmöglichkeiten des Kompressormotors auch höher liegen. Das bedeutet, dass am Luftausgang 4 gegenüber dem Lufteinlass 3 ein Überdruck vorhanden ist, wobei ein Sicherheitsventil 10 den maximalen erzeugten Druck begrenzt.
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Ein elektrisch gesteuertes Umschaltventil 11 öffnet einen großen Ölkreislauf zur Kühlung zum Ölkühler 13 in Abhängigkeit zur Öltemperatur, damit der Kompressor 2 beim Anlaufen möglichst schnell auf eine minimal notwendige Verdichtungsendtemperatur gelangt. Bei zu starker Kühlung durch systembedingte Kühlgebläse im Kompressor kann das Umschaltventil 11 auch in einer vorteilhaften Variante als einfaches Steuerungs- oder Regelungsventil zur Beeinflussung der Kompressionstemperatur im stetigen Betrieb ausgeführt werden. Das Signal zur Umschaltung auf den großen Ölkreislauf wird von der Modul-Steuerung 7 gegeben, die Aufgaben zur Steuerung und Regelung übernimmt. Für die Modul-Steuerung 7 sind die Prozesssignale eines Taupunktsensors 5, Ölfeuchtesensor 14, Drucklufttemperatursensors 16, Überdrucksensors 15 und des Absolutdrucksensors 9 maßgebend, um Stellgrößen oder Steuersignale auszugeben. Über die angesaugte absolute Gasfeuchte und dem Verdichtungsenddruck ist die minimal notwendige Verdichtungstemperatur rechnerisch auf den Verdichtungsenddruck kalkulierbar, damit kein Wasser in das Kühlmedium Öl ausfällt. Der Eintrag von Wasser muss sicher verhindert werden, daher ist im Ölsammelbehälter 17 des Kompressors 2 der Ölfeuchtesensor 14 verbaut, der eine Abweichung der Wasseraktivität im Öl feststellt. Über den Ölfeuchtesensor 14 kann ein Defekt des Taupunktsensors 5 festgestellt werden und der Kompressor 2 wird umgehend auf hohe Verdichtungsendtemperatur umgeschaltet, damit enthaltendes Wasser im Öl verdampft und der Kompressor 2 nicht beschädigt wird. Der Ölfeuchtesensor 14 kann alternativ beispielsweise auch als Füllstands-, Viskositäts- oder Dichtesensor ausgeführt sein, denn die Funktion der Überwachung des Taupunktsensors 5 ist entscheidend. Daher ist der Ölfeuchtesensor 14 auch durch einen anderen Fluidsensor ersetzbar.
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Die eingehenden Messgrößen beeinflussen zur Druckoptimierung das Niederdruckgebläse 8 in der Drehzahl und regeln zudem stetig oder per Zweipunktregelung einen internen oder zusätzlichen externen Anlagenlüfter 19, der zur Kühlung des Ölkühlers 13 sowie des Druckluftnachkühlers 12 dient. Somit kann das umlaufende Öl tiefer gekühlt und die Öleinspritztemperatur gesenkt werden, sodass die Verdichtungsendtemperatur bedarfsgerecht an den Taupunkt der angesaugten Luft angepasst werden kann. Die minimal notwendige Verdichtungsendtemperatur ergibt sich aus der angesaugten Wasserdampfmasse bei Umgebungsdruck und dem Verdichtungsenddruck. Über den Taupunkt der atmosphärischen Ansaugluft, dem Überdrucksensor 15, dem Drucklufttemperatursensor 16 und einer Wasserdampfsättigungstabelle können approximierte Funktionsgleichungen für die notwendige minimale Verdichtungsendtemperatur formuliert werden. Falls die Messwerte der Sensoren 15 und 16 für den Betrieb des Kompressors 2 auch von der Kompressorsteuerung 18 erfasst werden, können die Messwerte auch an die Modul-Steuerung 7 zum Betriebszweck der Vorrichtung übernommen werden.
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Die Verwendung von Funktionsgleichungen ist nicht notwendig, wenn in 1 anstatt dem Taupunkt der Ansaugluft der Drucktaupunkt der austretenden Druckluft vor dem Druckluftnachkühler 12 erfasst wird. Der Drucktaupunktsensor ersetzt hierbei lediglich als konstruktive Variante den Taupunktsensor 5 im unverdichteten Ansaugvolumenstrom. Bei öleingespritzten Kompressoren verschmutzen jedoch austretende Restölmengen einen Drucktaupunktsensor im verdichteten Gasstrom, sodass die längerfristige gesicherte Funktion beeinflusst werden könnte.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung nach 2 beispielsweise eine fein dosierbare druckerhöhende Dosierpumpe 20 mit Volumenstrommesseinrichtung 22 auf, um den Einspritzdruck und damit die eingebrachte Ölmenge zur Kühlung der Verdichterstufe zu erhöhen. Der Einspritzdruck ergibt sich bei handelsüblichen Kompressoren intern aufgrund des Verdichtungsendruckes der Druckluft. Die erzeugte Druckluft übt Druck auf das Kühlfluid aus, sodass das Fluid durch Druckdifferenz in Richtung der Einspritzdüsen der Verdichterstufe fließt. Mit höherem Kühlfluideinspritzdruck als durch den Verdichtungsendruck der Druckluft vorgegeben, kann durch die Düsen in der Einspritzkammer der Verdichterstufe im Kompressors 2 mehr Fluid eingespritzt werden und dadurch verbessert sich die Kühlwirkung. Eine druckerhöhende Dosierpumpe 20 mit Volumenstrommesseinrichtung 22 wird in dem Fluidkreislauf des Kompressors 2 zusätzlich mit einem Rückschlageventil 21 eingebracht. Im Falle einer defekten Dosierpumpe 20 ist das Rückschlagventil 21 für den Betrieb bei defekter Dosierpumpe 20 vorteilhaft. Hauptsächlich dient das Rückschlagventil 21 jedoch für den Betrieb im systembedingten Leerlauf, der bei einigen Verdichtervarianten notwendig ist. Wenn der Kompressor 2 mit ca. 3-4 bar internen Druck und geschlossenen Ansaugregler keine Druckluft produziert aber dennoch in Bewegung ist (systembedingter Leerlauf) stoppt die Dosierpumpe 20 und eine minimal notwenige Öleinspritzmenge für den Leerlauf des Kompressors 2 strömt in ausreichender Menge über das Rückschlagventil 21. Erst wenn der Kompressor 2 Druckluft produziert (Lastlauf), produziert die Dosierpumpe 20 einen höheren Einspritzdruck, um dadurch eine höhere Einspritzmenge in den Verdichtungsraum einzubringen. Die Lösung kommt insbesondere bei Nachrüstlösungen für bestehende Anlagen in Betracht, wenn der bestehende Kompressor 2 durch einfache Kühlung mit einem Anlagenlüfter 19 in der Verdichtungsendtemperatur nicht reduzierbar ist. Ebenso ist die Lösung vorteilhaft, wenn durch eine erhöhte Ölmengeneinspritzung Energie im Vergleich zum Betrieb von Kühllüftern eingespart werden kann oder die innere Dichtwirkung des eingespritzten Öls einen größeren energetischen Vorteil zum Betrieb der Verdichterstufe verspricht.
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In einer dritten vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung nach 3 beispielsweise ein Proportionalventil 23 zur Öldurchflussmengenregelung auf, das in den Kühlkreislauf des Kompressors 2 eingebracht wird. In der Grundstellung weist das Ventil 23 einen Öffnungsquerschnitt für die Öldurchflussmenge auf, wodurch der Kompressor 2 beispielweise bei 80°C betrieben werden kann. Ein regelndes Signal bewirkt, dass das Ventil 23 den Öffnungsquerschnitt vergrößert und dadurch mehr Öl eingespritzt wird und die Verdichtungsendtemperatur sinken kann. Diese Lösung ist für Neuanlagen des Kompressors 2 interessant, denn im Vorfeld müssen die Einspritzdüsen in der Einspritzkammer der Verdichterstufe angepasst werden.
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Bezugzeichenliste
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- 1
- Modul
- 2
- Kompressor
- 3
- Lufteinlass
- 4
- Luftausgang
- 5
- Taupunktsensor
- 6
- Ansaugfilter
- 7
- Modul-Steuerung
- 8
- Niederdruckverdichter
- 9
- Absolutdrucksensor
- 10
- Überdruckventil
- 11
- Umschaltventil
- 12
- Druckluftnachkühler
- 13
- Ölkühler
- 14
- Ölfeuchtesensor
- 15
- Überdrucksensor
- 16
- Drucklufttemperatursensor
- 17
- Ölsammelbehälter
- 18
- Kompressorsteuerung
- 19
- Anlagenlüfter
- 20
- Dosierpumpe
- 21
- Rückschlagventil
- 22
- Volumenstrommesseinrichtung
- 23
- Proportionalventil
