-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckluftsystem mit hohen Verbrauchsschwankungen, bestehend aus mehreren Kompressoren.
-
Druckluftsysteme bestehen meist aus mehreren Kompressoren, die bedarfsabhängig über eine sequenzielle Druckbandsteuerung zu- oder weggeschaltet werden. Eine solche Druckbandsteuerung bedingt eine permanente Überverdichtung; Überverdichtung ist gleichbedeutend mit Energieverlust. Druckbänder zwischen etwa 1,0 bis 2,5 bar sind üblich. Jedes bar Überverdichtung hat einen um etwa 7% höheren Energieverbrauch zur Folge.
-
Zudem treten in Druckluftsystemen zum Teil erhebliche Leckagen auf, die durch eine Überverdichtung weiter erhöht werden. Pro bar Druckerhöhung erhöht sich die Leckagemenge um etwa 14%.
-
Bedarfsschwankungen werden durch Zu- und Wegschalten von Druckluftkompressoren ausgeglichen. Jedes Zu- oder Wegschalten bedeutet für den Kompressor eine Temperaturveränderung mit entsprechender Materialausdehnung und entsprechendem Verschleiß. Darüber hinaus verursacht jeder Zu- und Wegschaltvorgang einen Luftverlust.
-
Nur Kompressoren mit geringer Antriebsleistung dürfen beliebig oft zu- und wieder weggeschaltet werden. Kompressoren in der mittleren Leistungsklasse werden nicht direkt abgeschaltet, sondern davor über einen längeren Zeitraum im Leerlauf betrieben. Ein solcher Leerlauf bedeutet etwa 25% Leistungsbedarf, ohne dass Luft ins Netz gefördert wird. Die Häufigkeit der zulässigen Schaltvorgänge richten sich nach den Vorgaben des Motor-Herstellers.
-
Um auf Bedarfsschwankungen flexibel und energieeffizient reagieren zu können bedarf es einer Auswahl von Kompressoren unterschiedlicher Leistungsklassen. Je nach Betriebsanforderung werden einzelne Kompressoren stillstehen oder im Leerlauf betrieben.
-
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Druckluftsystem anzugeben, das einen Betrieb mit erhöhter Effizienz und Stabilität bei gleichzeitig verbesserter Wirtschaftlichkeit ermöglicht. Bei alledem muss die Anforderung erfüllt werden, dass die Verfügbarkeit gewährleistet ist.
-
Druckluft ist in industriellen Prozessen häufig der Hauptenergieverbraucher. Somit lohnt es sich, Einsparpotentiale in der Drucklufterzeugung aufzudecken und zu realisieren.
-
Einsparpotentiale lassen sich zunächst in folgenden Bereichen finden:
- • Minimierung von Leckagen: Genau genommen fällt dies in den Bereich Instandhaltung auf der Verbraucherseite. Es hat sich gezeigt, dass man mit einem Druckluftbeauftragten, der Kompetenz und Durchsetzungsvermögen besitzt, das Betriebspersonal wirksam zu sensibilisieren, größte Erfolge erzielt.
- • Dimensionierung der Rohrleitungen, Filter, Trockner etc. für möglichst niedrige Ström ungsverluste
- • Wärmerückgewinnung: Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken
- • Elektromotoren mit besserem Wirkungsgrad (nur bei drehzahlgeregelten Antrieben im Teillastbereich relevant)
- • Kompressoren mit besserem Wirkungsgrad (speziell im Teillastbereich, Vorleitgitter/Nachleitgitter bei Turbokompressoren)
-
Besondere Maßnahmen mit zusätzlichem, beträchtlichem Energieeinsparpotential werden nach dem hier vorgestellten Konzept bevorzugt angestrebt:
- • Ermitteln der spezifischen Leistung (Wirkungsgrad) eines jeden Verdichters. Die Kompressoren mit dem besten Wirkungsgrad sollen bevorzugt als Grundlastmaschinen, die mit dem schlechtesten Wirkungsgrad eher als Standby genutzt werden. Die weit verbreitete Vorgabe, die Kompressoren so zu fahren, dass sie annähernd auf gleiche Betriebsstunden kommen, ist höchst ineffizient.
- • Minimierung von Überverdichtung (Regelung auf konstanten Mindestdruck)
- • Minimierung der Kompressor-Schaltungen und der Ausblasung
- • Maximaler Regelbereich für Turbokompressoren (Pumpverhütungsregelung)
- • Gemeinsame Ansaugung und Filterung für alle Kompressoren, kombiniert mit netzdruckgeregelter Anhebung des Vordrucks mittels drehzahlvariablem Gebläse.
- • Mikro-Expansionsturbine zur Energie-Rückgewinnung aus ausgeblasener Luft; bevorzugte Ausführungen:
- - Expansionsturbine treibt Generator
- - Expansionsturbine unterstützt über Getriebe und Freilauf den Antrieb einer Grundlastmaschine
- • Nutzen der ausgeblasenen Luft zum Antrieb eines pneumatischen Druckboosters, der aus dem Druckluftsystem ausgekoppelte Pufferbehälter auf hohen Druck bringt. Man nutzt die in der Ausblaseluft enthaltene Energie und sorgt gleichzeitig für ein signifikant höheres Puffervolumen.
-
Das hiermit vorgestellte „Druckluftkonzept für hohe Verbrauchsschwankungen“ zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten gegenüber herkömmlichen Druckluftsystemen aus:
- • Die wartungsintensiven Ansaugfilter inkl. Überwachungseinheit der einzelnen Kompressoren entfallen. An deren Stelle tritt ein entsprechend groß dimensionierter gemeinsamer Ansaugfilter, bevorzugt mit Rollband- oder Sackfilter.
- • Ein entsprechend dimensioniertes Gebläse saugt Umgebungsluft über die Filtereinheit an und verdichtet diese variabel auf bis zu max. 400 mbar.
- • Die Fix-Kompressoren saugen aus einem gemeinsamen Ansaugluft-Verteiler die vorverdichtete, gekühlte Luft an.
-
Die Förderkapazität eines Kompressors ist proportional zum Ansaugdruck; d.h. bei Anhebung des Vordruckes um 400 mbar (=40% des Umgebungsdruckes) steigt auch die Förderkapazität um 40%.
- • Durch die Vorverdichtung lässt sich die Gesamtanzahl der Kompressoren reduzieren, was eine Verringerung der Anfangsinvestition bedeutet. Durch die Variation des Vordruckes um bis zu 40% werden aus den robusten und preiswerten Fixkompressoren hochwertige Regel-Kompressoren mit einem Regelbereich von 40%!
- • Die Drehzahl des Vordruckgebläses ist variabel von 0 ... 100%. Die Drehzahl wird von einem Netzdruckregler, d.h. Istwert ist der „Druck auf der Verbraucherseite“ und Sollwert ist der „minimal benötigte Betriebsdruck“, verfahren. Alternativ zu einem Gebläse mit drehzahlvariablem Antrieb, kann auch ein Gebläse mit fixer Drehzahl und Leitgitterverstellung vorgesehen werden.
- • Die durch die Druckerhöhung im Vordruckgebläse aufgewärmte Luft wird über einen Kühler, der zwischen Gebläse-Druckseite und Ansaugluft-Verteiler angeordnet ist, wieder zurückgekühlt.
- • Ein Betrieb OHNE Vordruckgebläse wird durch ein oder mehrere Unterdruckklappen, parallel zum Vordruck-Gebläse, ermöglicht. Bei Ausfall bzw. Abschalten des Ventilators entsteht ein Unterdruck und diese Klappen öffnen selbsttätig.
- • Es gibt Prozesse, bei denen es keine Rolle spielt, wenn die Rückluft angestaut wird. Zum Beispiel kann die Abluft aus Blasmaschinen (Erzeugung von PET-Flaschen) gesammelt und zwischen Druckseite des Vordruckgebläses und Ansaugkühlers eingespeist werden.
- • Die Mengenvariation der Fixkompressoren durch Variation des Vordruckes bietet thermodynamisch einen Vorteil gegenüber einer Regelung über Drosselklappe bzw. Leitgitter.
- • Die Realisierung des hiermit vorgestellten Konzeptes setzt eine entsprechende Steuer- und Regeleinrichtung voraus; es kann eine handelsübliche SPS vorgesehen werden. Ein KI-unterstütztes Optimierungssystem kann ergänzend aufgeschaltet werden.
- • Durch die Variation des Vordrucks, entweder Variation der Drehzahl oder Variation der Vorleitgitter, ist ein effizienter Betrieb ohne Druckband und ohne Überverdichtung möglich. Hierdurch lassen sich wesentliche Energieeinsparungen, bis zu 15% und mehr, erzielen.
- • Schließlich wird durch die Variation des Vordruckes gewährleistet, dass im Betrieb weniger Kompressor-Schaltungen erfolgen; geringerer Instandhaltungsaufwand und verringerte Betriebskosten sind die Folge.
- • Der Vordruck wird in Abhängigkeit zum Netzdruck geregelt. Prozentual entspricht der dadurch zu erzielende Regelbereich für alle angeschlossenen Kompressoren der prozentualen Anhebung des Vordrucks.
- • Das System ist modular aufgebaut und kann beliebig erweitert werden.
- • In dem Raum zwischen „Gebläse-Austritt“ und „Zwischenkühler-Eintritt“ existiert ein Anschluss, über den Rücklauft beliebiger Prozesse eingespeist und somit energetisch genutzt werden kann.
- • Ist in dem Druckluftsystem ein regelbarer Kompressor (VSD oder Turbokompressor) integriert, so ist es sinnvoll, innerhalb dessen Regelbereichs, die Verstellung des Vordruckgebläses auf einen konstanten Wert zu fahren.
- • Aus den vielfältigen Eingriffs- und Optimierungsmöglichkeiten, die aktuell optimale herauszufinden, ist Aufgabe der KI-unterstützten Verbundsteuerung.
- • Bei jedem Kompressor, der vorkomprimierte Luft ansaugt, kann der Ansaugfilter inklusive Überwachungseinrichtung entfallen (wartungsarm).
- • Betrieb ist auch OHNE Vordruckgebläse möglich; dazu ist zwischen Druck- und Saugseite eine selbsttätig arbeitende Unterdruckklappe vorgesehen. Diese Unterdruckklappe bietet Vorteile nicht nur beim Anfahren der Druckluftanlage, sondern auch beim Ausfall des Vordruckgebläses.
- • Die Anordnung Filter - Ventilator - Unterdruckklappe - Zwischenkühler - Sammel-Ansaugung kann sehr kompakt ausgeführt werden.
- • Alternativ kann, an Stelle des Zwischenkühlers, auch Eindüsen von Kühlwasser vorgesehen werden. Ein mit kaltem Fluss- oder Trinkwasser betriebener Ansaugkühler sorgt auch bei hochsommerlichen Außentemperaturen für ausreichende Förderkapazität der Druckluftkompressoren.
- • Eine Besonderheit des hier vorgestellten Druckluftkonzeptes ist ein zentrales Ausblaseventil auf der Prozessleitung. Dieses Ventil wird vom Prozessdruckregler verfahren. Damit gelingt es, auch bei starken Verbrauchsschwankungen, den konstanten Mindestdruck sicher und zuverlässig bereitzustellen. Durch entsprechende Störwertaufschaltung auf den Druckregler beim Zu- oder Wegschalten eines Kompressors bzw. bekannten Verbrauchsspitzen gibt es so gut wie keine Druckschwankungen.
- • Beim Ausfall des Vordruckgebläses reduziert sich die Druckluftmenge zu den Verbrauchern proportional zum Druckabfall des Vordruckes. Automatisch werden ein oder mehrere Kompressoren zugeschaltet und die Regelung auf konstanten Mindestdruck erfolgt ab sofort durch den auf das zentrale Ausblaseventil wirkenden Netzdruckregler.
- • Die zentrale Verbundsteuerung steuert sowohl die Drehzahl des Vordruckventilators wie auch den Hub des zentralen Ausblaseventils; Vorgabe ist stets: Netzdruck = minimaler Betriebsdruck
- • Ohne geregelten Vordruck-Ventilator wird der Prozessdruck über das zentrale Ausblaseventil auf konstanten Mindestdruck geregelt; das bedeutet, es wird permanent mehr Druckluft erzeugt als benötigt. Die überschüssige Menge wird, gesteuert vom Netzdruckregler über das Ausblaseventil ausgeblasen. Ausblasen bedeutet zwar Verlust, der Nutzen, dass keine Überverdichtung benötigt wird, ist aber energetisch von Vorteil.
- • Darüber hinaus werden auch Wege aufgezeigt, wie ein Großteil der durch Ausblasung verlorengegangenen Energie wieder zurückgewonnen werden kann:
- Ausblaseluft treibt über eine Mikro-Expansionsturbine, z.B. eine Green Energy Turbine der Fa. Deprag (nachfolgend „GET“), einen Generator; der erzeugte Strom wird wieder in das Stromnetz eingespeist.
- Ausblaseluft treibt eine GET an, die über ein Planeten-Untersetzungsgetriebe und einen mechanischen Freilauf mit einen beliebigen Dauerbetriebsantrieb gekuppelt ist und diesen unterstützt. Dieser Antriebsmotor verbraucht entsprechend weniger Leistung.
- Angepasst an den Luftbedarf, können auch mehrere GET parallel angeordnet sein.
- • Wenn der Netzdruck auf konstanten Mindestdruck gefahren wird, verlieren die auf der Verbraucherseite installierten Pufferbehälter den Großteil ihrer Wirkung. Das hier vorgestellte Konzept sieht Folgendes vor:
- Vorhandene Pufferspeicher werden aus dem Druckluftsystem leitungsmäßig ausgekoppelt; eintrittsseitig wird ein Druckbooster, austrittsseitig ein Regelventil installiert.
- Die vom zentralen Ausblaseventil abgesteuerte Luft wird genutzt, um mit einem Druckbooster den Druck im Pufferbehälter auf das Zweifache des Antriebsmediums anzuheben.
-
Beispiel:
-
- Netzdruck = 10 bar
- Druck nach Ausblasung/vor Booster = 8 bar
- Druckerhöhung auf 16 bar
- Die im Pufferbehälter gespeicherte Luftmenge, ist ein Vielfaches der ursprünglichen Puffer-Menge
- • Bei Bedarf wird aus dem Pufferbehälter, geregelt vom Netzdruckregler, in das Druckluftnetz zurückgespeist.
- • Die Logik für alle Steuer- und Regelaufgaben ist in der Verbundsteuerung integriert.
- • Es ist bekannt, dass Schraubenkompressoren mit drehzahlgeregeltem Antrieb (VSD) den besten Wirkungsgrad nicht bei 100%, sondern eher bei 80% haben.
- Die Verbundsteuerung berücksichtigt dies; d.h. wird ein Schraubenkompressor mit VSD-Antrieb für Grundlast genutzt, so wird er bei 80% Drehzahl betrieben.
- • Das Wegschalten eines Kompressors erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit der Position des zentralen Ausblaseventils innerhalb des Regelbereichs.
- • Das Vordruckgebläse wird bevorzugt wie folgt dimensioniert: Maximale Menge der Summe aller Kompressoren. Bei Bedarf können auch zwei oder mehrere, parallel angeordnete, Vordruckgebläse vorgesehen werden.
- • Das gemeinsame Ausblaseventil soll so dimensioniert sein, dass die Menge des größten in das Netz eingebundenen Einzelkompressors mit ca. 30% Sicherheitsreserve abgeblasen werden kann.
-
Zu ergänzenden „patentrechtlichen“ Ausführungen hierzu wird auf die Gebrauchsmusteranmeldungen 202022101072.2 und 202022101073.0 (jeweils vom 24.02.2022) verwiesen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Druckluftsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 2 ein Druckluftsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 3 ein Druckluftsystem gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 4 ein Druckluftsystem gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
Die 1 zeigt ein Druckluftsystem 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Druckluftsystem 10 ist insbesondere für die Druckluftversorgung von zumindest einem hier nicht näher dargestellten Druckluftverbraucher mit schwankendem Bedarf ausgebildet, bevorzugt für eine Mehrzahl von Druckluftverbrauchern mit jeweils oder insgesamt schwankendem Bedarf.
-
Das Druckluftsystem 10 weist eine Mehrzahl von parallel geschalteten Druckluftkompressoren 12 sowie eine Druckerhöhungseinrichtung 14 auf, die zumindest einigen der Druckluftkompressoren 12 zur variablen Erhöhung eines Vordrucks vorgeschaltet ist. Den Druckluftkompressoren 12 ist jeweils eine Rückschlagklappe 16 nachgeschaltet. Durch die Rückschlagklappen 16 kann eine Beschädigung der jeweiligen Druckluftkompressoren 12 verhindert werden, insbesondere bei Stillstand des jeweiligen Druckluftkompressors 12. Zudem wird durch die Rückschlagklappen 16 verhindert, dass über einen stillstehenden Druckluftkompressor 12 Druckluft entweicht.
-
Ferner weist das Druckluftsystem 10 eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 auf, die zur Steuerung und/oder Regelung der Druckerhöhungseinrichtung 12 in Abhängigkeit eines verbraucherseitigen Soll-Drucks und/oder Ist-Drucks eingerichtet ist. Ein verbraucherseitiger Ist-Druck kann von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 beispielsweise in einem Leitungsabschnitt 20 erfasst werden. Dabei kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 dazu eingerichtet sein, die Druckerhöhungseinrichtung 14 zur Erzeugung eines variablen Vordrucks in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs eines verbraucherseitigen Drucks zu steuern und/oder zu regeln, insbesondere eines Soll-Ist-Vergleichs eines verbraucherseitigen Drucks in dem Leitungsabschnitt 20.
-
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 kann bevorzugt dazu eingerichtet sein, einen verbraucherseitigen Ist-Druck, insbesondere in dem Leitungsabschnitt 20, auf einen konstanten Mindestdruck zu steuern und/oder zu regeln, insbesondere durch variable Anpassung des Vordrucks für zumindest einige oder sämtliche Druckluftkompressoren 12 mittels der Druckerhöhungseinrichtung 14. Die Druckerhöhungseinrichtung 14 kann zur variablen Erhöhung des Vordrucks für sämtliche Druckluftkompressoren 12 eingerichtet sein. Die Druckerhöhungseinrichtung 14 kann hierzu sämtlichen Druckluftkompressoren 12 vorgeschaltet sein.
-
Die Druckerhöhungseinrichtung 14 kann ein Gebläse 22 zur variablen Erhöhung des Vordrucks für mehrere oder sämtliche Druckluftkompressoren 12 aufweisen. Das Gebläse 22 kann durch einen Antriebsmotor 24 angetrieben sein, der von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 angesteuert wird beziehungsweise mit dieser in Verbindung steht. Je nach gewünschtem Soll-Druck und/oder vorherrschendem Ist-Druck auf Verbraucherseite kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 den Antriebsmotor 24 für das Gebläse 22 geeignet ansteuern und damit den Vordruck der Druckluftkompressoren 12 erhöhen oder verringern.
-
Die Druckerhöhungseinrichtung 14, insbesondere das Gebläse 22, kann drehzahlgeregelt und/oder drehzahlgesteuert ausgebildet sein. Eine Drehzahlregelung und/oder Drehzahlsteuerung der Druckerhöhungseinrichtung 14 beziehungsweise des Gebläses 22 kann über die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 bewerkstelligt werden. Ebenso kann hierfür eine gesonderte und hier nicht näher dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein.
-
Die Druckerhöhungseinrichtung 14, insbesondere das Gebläse 22, kann zusätzlich oder alternativ durch eine verstellbare Luftleitvorrichtung 26 regelbar und/oder steuerbar sein. Die Luftleitvorrichtung 26 kann insbesondere als verstellbares Leitgitter ausgebildet sein. Die Luftleitvorrichtung 26 kann durch einen Antriebsmotor 28 angetrieben sein, der wiederum von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 angesteuert wird beziehungsweise mit dieser in Verbindung steht. Je nach gewünschtem Soll-Druck und/oder vorherrschendem Ist-Druck auf Verbraucherseite kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 den Antriebsmotor 28 für die Luftleitvorrichtung 26 geeignet ansteuern und damit den Vordruck der Druckluftkompressoren 12 erhöhen oder verringern. Beispielsweise kann in einer geschlossenen Stellung der Luftleitvorrichtung 26 der Vordruck für die Druckluftkompressoren 12 verringert und in einer geöffneten Stellung Luftleitvorrichtung 26 der Vordruck für die Druckluftkompressoren 12 vergrößert werden.
-
Die Druckerhöhungseinrichtung 14 kann ferner ein Gehäuse 30 aufweisen, das mehreren oder sämtlichen Druckluftkompressoren 12 vorgeschaltet ist. Die Druckerhöhungseinrichtung 14, insbesondere das Gebläse 22 und/oder die Luftleitvorrichtung 16, kann in dem Gehäuse 30 angeordnet sein.
-
Der Druckerhöhungseinrichtung 14 kann ferner ein Ansaugfilter 32 vorgeschaltet sein, insbesondere zur Filterung eines Ansaugstroms für mehrere oder sämtliche Druckluftkompressoren 12. Der Ansaugfilter 32 kann bevorzugt als Bandfilter ausgebildet ist. Der Ansaugfilter 32 kann innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet sein. Stromaufwärts des Ansaugfilters 32 kann schließlich ein Vogelschutzgitter 34 angeordnet sein. Ein solches Vogelschutzgitter 34 kann in einer Öffnung 36 des Gehäuses 30 eingesetzt beziehungsweise in einer Öffnung 36 des Gehäuses 30 positioniert sein.
-
Der Druckerhöhungseinrichtung 14, insbesondere dem Gebläse 22, kann zumindest eine Druckausgleichsvorrichtung 38 parallelgeschaltet sein, bevorzugt mehrere Druckausgleichsvorrichtungen 38. Die Druckausgleichsvorrichtung 38 kann ebenso innerhalb eines Gehäuses 30 angeordnet sein und zusammen mit der Druckerhöhungseinrichtung 14 an einem gemeinsamen Gehäusewandabschnitt 40 angeordnet sein. Die Druckausgleichsvorrichtung 38 kann zur selbsttätigen Öffnung einer Druckausgleichsöffnung 42 ausgebildet sein. Hierzu kann die Druckausgleichsvorrichtung 38 eine durch eine Feder 44 belastete Unterdruckklappe 46 aufweisen, durch welche die Druckausgleichsöffnung 38 verschließbar ist.
-
Dabei kann die Druckausgleichsvorrichtung 38 dazu eingerichtet sein, bei Unterschreiten eines Mindestvordrucks für wenigstens einen Druckluftkompressor 12 beziehungsweise für sämtliche Druckluftkompressoren 12 die Druckausgleichsöffnung 42 zu öffnen, insbesondere selbsttätig und/oder entgegen der Vorspannung der Feder 44 zu öffnen. Ebenso kann die Druckausgleichsvorrichtung 38 dazu eingerichtet sein, bei Ausfall oder Stillstand der Druckerhöhungseinrichtung 14 die Druckausgleichsöffnung 42 zu öffnen, insbesondere selbsttätig und/oder entgegen der Vorspannung der Feder 44 zu öffnen. Das Entstehen eines unerwünschten Unterdrucks innerhalb des Gehäuses 30 beziehungsweise stromaufwärts der Druckluftkompressoren 12 lässt sich hierdurch mit hoher Sicherheit verhindern.
-
Das Druckluftsystem 10 kann ferner mit einer Kühlvorrichtung 48 ausgestattet sein. Die Kühlvorrichtung 48 kann der Druckerhöhungseinrichtung 12 zur Kühlung eines vorverdichteten Luftstroms nachgeschaltet und zumindest einigen der Druckluftkompressoren 12 vorgeschaltet sein. Die Kühlvorrichtung 48 kann zumindest abschnittsweise durch das Gehäuse 30 für die Druckerhöhungseinrichtung 12 verlaufen. Die Kühlvorrichtung 48 kann einen Wärmetauscher, insbesondere einen flüssigkeitsbetriebenen Wärmetauscher, aufweisen oder durch einen Wärmetauscher gebildet sein.
-
Das Druckluftsystem 10 kann weiterhin einen Verteiler 50 aufweisen, der zumindest einigen oder sämtlichen Druckluftkompressoren 12 zur Verteilung eines vorverdichteten Luftstroms auf die jeweiligen Druckluftkompressoren 12 vorgeschaltet ist. Der Verteiler 50 kann der Kühlvorrichtung 48 nachgeschaltet beziehungsweise zwischen der Druckerhöhungseinrichtung 14 und den jeweiligen Druckluftkompressoren 12 und/oder zwischen der Kühlvorrichtung 48 und den jeweiligen Druckluftkompressoren 12 angeordnet sein. Der Verteiler 50 kann ferner als Bestandteil des Gehäuses 30 für die Druckerhöhungseinrichtung 12 ausgebildet beziehungsweise mit dem Gehäuse 30 für die Druckerhöhungseinrichtung 12 integral verbunden oder einstückig ausgebildet sein.
-
Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, kann das Druckluftsystem 10 ferner mit einem gemeinsamen Ausblasventil 52 ausgestattet sein. Das gemeinsame Ausblasventil 52 kann wenigstens einigen oder sämtlichen Druckluftkompressoren 12 zur verbraucherseitigen Druckverringerung nachgeschaltet sein. Das gemeinsame Ausblasventil 52 kann insbesondere als Regelventil ausgebildet sein. Dabei kann das gemeinsame Ausblasventil 52 ebenfalls durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 gesteuert und/oder geregelt sein.
-
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 kann ferner dazu eingerichtet sein, das Ausblasventil 52 in Abhängigkeit eines verbraucherseitigen Soll-Drucks und/oder Ist-Drucks zu steuern und/oder zu regeln. Dabei kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 ferner dazu eingerichtet sein, einen verbraucherseitigen Ist-Druck mittels des gemeinsamen Ausblasventils 52 auf einen konstanten Mindestdruck zu steuern und/oder zu regeln.
-
Wie voranstehend bereits dargelegt kann ein verbraucherseitiger Ist-Druck von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 beispielsweise in einem Leitungsabschnitt 20 erfasst werden. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 kann ferner dazu eingerichtet sein, das Ausblasventil 52 in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs eines verbraucherseitigen Drucks zu steuern und/oder zu regeln, insbesondere eines Soll-Ist-Vergleichs eines verbraucherseitigen Drucks in dem Leitungsabschnitt 20.
-
Die 2 zeigt ein Druckluftsystem 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 in Bezug auf die Ausgestaltung stromabwärts der Druckluftkompressoren 12. Daher ist in der 2 der Bereich des Druckluftsystems 10 stromaufwärts der Druckluftkompressoren 12 nicht näher dargestellt.
-
Das Druckluftsystem 10 gemäß 2 ist mit zumindest einer Expansionsturbine 54 ausgestattet. Die Expansionsturbine 54 kann dem gemeinsamen Ausblasventil 52 nachgeschaltet sein. Über das Ausblasventil 52 kann ausgeblasene Druckluft der Expansionsturbine 54 zugeführt werden. Die Expansionsturbine 54 kann ferner mit einem Generator 56 zur Stromerzeugung verbunden sein. Überschüssige Druckluft kann mithin über das gemeinsame Ausblasventil 52 ausgeblasen und der Expansionsturbine 54 zugeleitet werden, welche den Generator 56 zur Stromerzeugung antreiben kann.
-
Zwischen dem gemeinsamen Ausblasventil 52 und der Expansionsturbine 54 kann ferner ein Zuführventil 58 für die Druckluftzufuhr zur Expansionsturbine 54 geschaltet sein. Das Zuführventil 58 kann als Schaltventil und/oder AUF-/ZU-Ventil ausgebildet sein. Ein solches Schaltventil beziehungsweise AUF-/ZU-Ventil kann zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Stellung geschaltet werden, wobei der dauerhafte Verbleib in Zwischenstellungen ausgeschlossen sein kann. Ist das Zuführventil 58 in eine AUF-Stellung geschaltet, kann die Regulierung der Druckluftzufuhr zur Expansionsturbine 54 über das geregelte oder gesteuerte Ausblasventil 52 vorgenommen werden.
-
Das Druckluftsystem 10 kann, wie ferner in 2 dargestellt, ein Auslassventil 60 aufweisen, das einigen oder sämtlichen Druckluftkompressoren 12 zur Druckluftabfuhr in die Atmosphäre nachgeschaltet ist. Das Auslassventil 60 kann ebenso als Schaltventil und/oder AUF-/ZU-Ventil ausgebildet sein. Ist das Auslassventil 60 in eine AUF-Stellung geschaltet, kann die Regulierung der Druckluftabfuhr in die Atmosphäre über das geregelte oder gesteuerte Ausblasventil 52 vorgenommen werden. Hierzu kann das Auslassventil 60 dem gemeinsamen Ausblasventil 52 nachgeschaltet sein.
-
Das Druckluftsystem 10 gemäß 2 kann ferner einen Pufferspeicher 62 zur Druckluftspeicherung aufweisen. Der Pufferspeicher 62 kann dem gemeinsamen Ausblasventil 52 nachgeschaltet sein. Über das gemeinsame Ausblasventil 52 ausgeblasene Druckluft kann dem Pufferspeicher 62 zuführbar sein. Ferner kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 ein Druckerhöher 64 zur Erhöhung des Drucks der in den Pufferspeicher 62 ausgeblasenen Druckluft dem Pufferspeicher 62 vorgeschaltet sein. Der Druckerhöher 64 kann hierzu dem gemeinsamen Ausblasventil 52 nachgeschaltet sein, mithin zwischen dem gemeinsamen Ausblasventil 52 und dem Pufferspeicher 62 angeordnet sein.
-
Wie der 2 weiterhin zu entnehmen ist, kann dem Pufferspeicher 62 ein Einspeiseventil 66 zur verbraucherseitigen Drucklufteinspeisung nachgeschaltet sein. Je nach Betriebssituation des Druckluftsystems 10 kann über das Einspeiseventil 66 gespeicherte Druckluft aus dem Pufferspeicher 62 eingespeist werden, nämlich in den verbraucherseitigen Leitungsabschnitt 20. Das Einspeiseventil 66 kann als Schaltventil und/oder AUF-/ZU-Ventil ausgebildet sein. Ebenso kann das Einspeiseventil 66 als geregeltes oder gesteuertes Ventil ausgebildet sein, mithin auch zur Einstellung in Zwischenstellungen zwischen einer vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Stellung ausgebildet sein.
-
Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 kann dazu eingerichtet sein, das Auslassventil 60 und/oder das Zuführventil 58 und/oder das Einspeiseventil 66 zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 kann mithin dazu eingerichtet sein, sämtliche Ventilstellungen und/oder den Betrieb der Druckluftkompressoren 12 und/oder der in 2 nicht näher dargestellten Druckerhöhungseinrichtung 14 aufeinander abzustimmen.
-
Insbesondere kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 dazu eingerichtet sein, das Auslassventil 60 und/oder das Zuführventil 58 und/oder das Einspeiseventil 66 in Abhängigkeit eines verbraucherseitigen Soll-Drucks und/oder Ist-Drucks und/oder in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs des verbraucherseitigen Drucks zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, mittels des Auslassventils 60 und/oder des Zuführventils 58 und/oder des Einspeiseventils 66 einen verbraucherseitigen Ist-Druck auf einen konstanten Mindestdruck zu steuern und/oder zu regeln.
-
Die 3 zeigt ein Druckluftsystem 10 gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in der 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 in Bezug auf die Ausgestaltung beziehungsweise Anordnung der Expansionsturbine 54. In 3 ist der Bereich des Druckluftsystems 10 stromaufwärts der Druckluftkompressoren 12 hierzu näher dargestellt, wie auch in 1.
-
In dem Ausführungsbeispiel des Druckluftsystems 10 gemäß 3 ist die Expansionsturbine 54 mit dem Antriebsmotor 24 für die Druckerhöhungseinrichtung 14 verbunden. Zwischen dem Antriebsmotor 24 und der Expansionsturbine 54 kann ein zwischengeschaltetes Getriebe 68 vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen dem Antriebsmotor 24 und der Expansionsturbine 54 ein hier nicht näher dargestellter Freilauf vorgesehen sein.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 kann überschüssige Druckluft über das gemeinsame Ausblasventil 52 und über das Zuführventil 58 der Expansionsturbine 54 zugeleitet werden. Die Expansionsturbine 54 kann über das Getriebe 68 und/oder über den nicht näher dargestellten Freilauf den Antriebsmotor 24 antreiben. Hierdurch kann ein energiesparender Betrieb der Druckerhöhungseinrichtung 14 erreicht werden, da Energie überschüssiger Druckluft für den Antrieb der Druckerhöhungseinrichtung 14 nutzbar ist.
-
Die 4 zeigt ein Druckluftsystem 10 gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in der 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 in Bezug auf die Ausgestaltung beziehungsweise Anordnung der Expansionsturbine 54. In 4 ist der Bereich des Druckluftsystems 10 stromaufwärts der Druckluftkompressoren 12 hierzu näher dargestellt, wie auch in 1 und 3.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist keine Druckerhöhungseinrichtung gezeigt. Jedoch kann auch das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel mit einer Druckerhöhungseinrichtung, wie in 1 und 3 dargestellt, ausgestattet sein.
-
In dem Ausführungsbeispiel des Druckluftsystems 10 gemäß 4 ist die Expansionsturbine 54 mit zumindest einem Antriebsmotor 70 für einen Druckluftkompressor 12 verbunden. Insbesondere können gemäß 4 mehrere Expansionsturbinen 54 vorgesehen sein, die jeweils mit einem Antriebsmotor 70 für einen Druckluftkompressor 12 verbunden sind. Zwischen dem Antriebsmotor 70 des jeweiligen Druckluftkompressors 12 und der jeweiligen Expansionsturbine 54 kann ein zwischengeschaltetes Getriebe 68 vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen dem Antriebsmotor 70 der jeweiligen Expansionsturbine 54 und der jeweiligen Expansionsturbine 54 ein hier nicht näher dargestellter Freilauf vorgesehen sein. Für jede der Expansionsturbinen 54 kann ein eigenes Zuführventil 58 vorgesehen sein, über welches Druckluft der jeweiligen Expansionsturbine 54 zugeleitet werden kann.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 kann mithin überschüssige Druckluft über das gemeinsame Ausblasventil 52 und über das jeweilige Zuführventil 58 der nachgeschalteten Expansionsturbine 54 zugeleitet werden. Die Expansionsturbine 54 kann über ein Getriebe 68 und/oder über einen nicht näher dargestellten Freilauf den Antriebsmotor 70 des jeweiligen Druckluftkompressors 12 antreiben. Hierdurch kann ein energiesparender Betrieb der jeweiligen Druckluftkompressoren 12 erreicht werden, da Energie überschüssiger Druckluft für den Antrieb der Druckluftkompressoren 12 nutzbar ist.
-
In einzelnen oder sämtlichen Ausführungsbeispielen des Druckluftsystems 10 gemäß 1 bis 4 können zumindest einige oder sämtliche der Druckluftkompressoren 12 als ungeregelte Fixkompressoren ausgebildet sein. Fixkompressoren im Sinne der vorliegenden Erfindung können entweder angeschaltet oder ausgeschaltet sein und im angeschalteten Zustand mit einer vordefinierten Leistung betrieben werden.
-
Ebenso ist es möglich, dass wenigstens einer der Druckluftkompressoren 12 als geregelter Druckluftkompressor 12 ausgebildet ist, insbesondere mehrere Druckluftkompressoren 12 als geregelte Druckluftkompressoren 12 ausgebildet sind. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können geregelte Druckluftkompressoren 12 im eingeschalteten Zustand zwischen unterschiedlichen Leistungsniveaus eingestellt werden, sodass unterschiedliche Förderleistungen realisierbar sind. Der Regelbereich eines geregelten Druckluftkompressors 12 kann größer sein als die Förderkapazität eines weiteren Druckluftkompressors 12 oder eines Fixkompressors, insbesondere größer sein als die Förderkapazität eines Druckluftkompressors 12 oder Fixkompressors mit der größten Förderkapazität.
-
In einzelnen oder sämtlichen Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 dazu eingerichtet sein, einen verbraucherseitigen Ist-Druck frei von einem Druckband auf einen konstanten Mindestdruck zu steuern und/oder zu regeln.
-
Ferner kann in einzelnen oder sämtlichen Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit eines verbraucherseitigen Soll-Drucks und/oder Ist-Drucks und/oder in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleichs eines verbraucherseitigen Drucks einzelne oder mehrere Druckluftkompressoren 12 zu- und/oder abzuschalten und/oder deren Betriebszustand, insbesondere die Förderleistung, zu steuern und/oder zu regeln. Dabei kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 18 weiterhin dazu eingerichtet sein, bei Zu- und/oder Abschaltung einzelner oder mehrerer Druckluftkompressoren 12 eine variable Anpassung des Vordrucks für zumindest einige oder sämtliche Druckluftkompressoren 12 mittels der Druckerhöhungseinrichtung 14 zu erzeugen.
-
Ein durch die Druckerhöhungseinrichtung 14 realisierter Steuer- und/oder Regelbereich kann größer sein als die Förderkapazität zumindest eines Druckluftkompressors 12, insbesondere des Druckluftkompressors 12 oder Fixkompressors mit der größten Förderkapazität.
-
Schließlich kann in einzelnen oder sämtlichen Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 das gemeinsame Ausblasventil 52 und/oder das Auslassventil 60 dazu ausgebildet und/oder dimensioniert sein, die Förderkapazität zumindest einer der Druckluftkompressoren 12, insbesondere des Druckluftkompressors 12 oder Fixkompressors mit der größten Förderkapazität, auszublasen, bevorzugt mit einer Reserve von mindestens 10%, mindestens 20%, mindestens 30% oder mehr als 30%.
-
Bei den Druckluftkompressoren 12 kann es sich beispielsweise um Kolbenkompressoren, Schraubenkompressoren, Lamellenkompressoren, Turbokompressoren, Membrankompressoren oder Scrollkompressoren handeln. Die voranstehend beschriebenen Druckluftsysteme 10 können auch unterschiedliche Typen von Druckluftkompressoren 12 aufweisen.
-
Durch ein voranstehend beschriebenes Druckluftsystem 10 sind nennenswerte Energieeinsparungen, beispielsweise Energieeinsparungen von über 10% realisierbar. Für den Betrieb der Druckluftkompressoren 12 ergeben sich deutlich weniger Schaltungen, was sich auf die Instandhaltungskosten positiv auswirkt. Die Vorverdichtung mittels der Druckerhöhungseinrichtung 14 ermöglicht es, gezielt Einfluss auf das Fördervolumen der Druckluftkompressoren 12 zu nehmen, ohne einzelne Druckluftkompressoren 12 zu- oder wegzuschalten oder deren Förderleistung beziehungsweise Betriebsdrehzahl zu verändern.
-
Ein voranstehend beschriebenes Druckluftsystem 10 kann einerseits durch eine vollständige Neuinstallation oder aber auch durch Nachrüstung einzelner Systemkomponenten realisiert werden und mithin die Energie- und Betriebseffizienz bestehender Druckluftsysteme verbessern.
