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Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Kompressors
mit Verbraucher0 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung
des Wirkungsgrades eines Kompressors mit einem an diesen angeschlossenen Verbraucher
von Druckluft Druckluft ist eine leicht zu handhabende Energie und wird in allen
Bereichen des Handwerks und der Industrie eingesetzt. Zur Erzeugung von Druckluft
mittels eines Kompressors ist ein verhältnismäßig hoher Kraftaufwand erforderlich,
wobei der Wirkungsgrad im allgemeinen bei etwa 75 % lieqt Der Verbraucher kann dabei
ein Einzelverbraucher oder eine Reihe von parallel an den Kompressor angeschlossenen
Einzelverbrauchern, wie pneumatischen
Zylindern, freifliegenden
Kolben, Druckluftmotoren, z0 B. Kolbenmotoren, Drehkolbenmotoren, Zahnradmotoren
od.dgl., sein. Allen diesen Verbrauchern ist gemeinsam, daß die von ihnen verbrauchte
Druckluft in noch nicht ganz entspanntem Zustand ungenutzt in die Atmosphäre ausgestoßen
wird. Die in dieser Abluft noch enthaltene Restenergie wird bisher nicht genutzt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese ungenutzte Restenergie
für die Erhöhung des Wirkungsgrades bzw, der Leistung von Kompressoren auszunUtzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abluft
des Verbrauchers unter Spannung zur Ansaugseite des Kompressors zurückgeleitet wird.
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Damit der Kompressor nicht gegen die Spannung der in seine Ansaugseite
zurückgereiteten Abluft anlaufen muß, wird vorzugsweise die Restspannung der Abluft
gespeichert und die Abluft der Ansaugseite des Kompressors bei vollem Betrieb desselben
zugeführt.
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Durch die geschilderten Maßnahmen der Erfindung kann Wirkungsgrad
bzw Leistung eines Kompressors unabhängig davon, ob es sich um einen ein- oder mehrstufigen
Kompressor handelt, beträchtlich erhöht werden. Da die AS luft des Verbrauchers
unmittelbar an der Abluftöffnung aufgefangen wird, ist darüberhinaus die Geräuschentwicklung
wesentlich geringer, so daß Schalldämpfer überhaupt weggelassen werden können, was
die Herstellung der Verbraucher verbilligt. Zudem entfällt die Druckminderung der
Abluft durch den Schalldämpfer, so daß die dem Kom-.
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pressor wieder zugeführte Restenergie noch größer wird.
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Ein Zahlenbeispiel soll erlhutern, wie groß der durch das erfindungsgemäße
Verfahren erzielbare Gewinn sein kann. Man kann experimentell ermitteln, daß bei
pneumatischen Zylindern oder Kolbenmotoren mit einem Lufteingangsdruck von 5 atü
die Abluft eine Restspannung von 0,5 bis 0,8 atü besitzt. Wird diese Abluft aufgefangen
und beispielsweise einem Zylinder eines zwei zylindrigen Kolbenkompressors mit einem
theoretischen Hubvolumen von 374 1/min und einer tatsächlichen Leistung von 245
1/min bei 5 a. Druck zugeführt, so ergibt sich eine Leistungssteigerung des Kompressors
auf 420 1/min oder 7t,6 % bei einer Mehrstromaufnahme des den Kompressor antreibenden
Elektromotors von etwa 15,9 %.
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Die meisten Verbraucher arbeiten ohne merkbaren Leistungsabfall bei
Ruckführung der gespannten Abluft sum Kompressor, wenn der Druck der Abluft :1.
. atü nicht wesentlich Ubersteigt. Ubersteigt der Druck der Abluft attl, so muß
zur Vermeidung eines Leistungsabfalls des Verbrauchers dieser vom Kompressor-mit
einem höheren Druck beschickt werden, um die Leistungsdifferenz aufzufangen. Da
jedoch bei einem Druck der Abluft von etwa 2 atU die Kompressor leistung nochmals
entscheidend gesteiwext werden kann, fällt diese höhere Druckerzeugung ftir den
Verbraucher nur sehr wenig ins Gewicht Bei dem obigen Zahlenbeispiel ergibt sich
eine Gesamtleistung des Kompressors von 580 1/min bei 5 atU Druck, wenn die Abluft
mit 2 atÜ zurückgeführt wird. Dies entspricht einer Leistungssteigerung. von 137
X bei einer Erhöhung der Stromaufnahme des Elektromotors von etwa 29,7 X.
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BeiÆ mehr als 2 atU Druck der Abluft ist ein merklicher Rückgang der
Leistung des Verbrauchers festzustellen.
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Es dürfte daher nicht sonnvoll sein, den Kompressor mit Abluft zu
beschicken, die unter höherem Druck steht.
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Die einfachste AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Durchführung des geschilderten Verfahrens besteht darin, daß die Abluftöffnung des
Verbrauchers über eine cruck Luf trück lei tung mit der Ansaugöffnung des Kompressors
verbunden ist. Der Kompressor kann ein Kolbenkompressor beliebiger Bauart, ein Kreisel-
oder Turbokompressor oder auch ein Strahiverdichter sein.
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Zwischen dem Kompressor und dem Verbraucher, deren gemeinsamer Wirkungsgrad
durch die Erfindung erhöht wird, können weitere Kompressorstufen beliebiger Bauart
eingeschaltet seine Bevorzugt wird für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Kolbenkompressor mit mindestens zwei Zylindern, wobei die Druckluftrückleitung
an die Ansaugöffnung nur eines Zylinders angeschlossen ist.
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Ein solcher Kompressor läuft gegen den Druck der rUckgeleiteten Abluft
nur sehr schwer an und es werden daher in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
Maßnahmen vorgeschlagen, diese Schwierigkeit zu beheben. So wird gemäß einem weiteren
Vorschlag in die Druckluftrückleitung ein kleiner Druckkessel eingesetzt, der die
rückgeführte Abluft etwas abpuffert. Vorzugsweise ist der Einlaß des Druckkessels
mit einem Rückschlagventil versehen, so daß in diesem Kessel bis zu etwa 2 atü Druck
gespeichert und sodann bei vollem Betrieb des Kompressors dte Abluft seinem Zylinder
desselben zugeführt werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das zwischen Druckkessel
und Kompressor gelegene Stück der Druckluftrückleitung an ein sich zur Atmosphäre
öffnendes Rückschlagventil angeschlossen, wodurch verhindert wird, daß die zugeführte
Abluft zur Atmosphäre statt in den Zylinder abstomen kann, andererseits trotzdem
eine freie Ansaugung des Zylinders über das Rückschlagventil aus der Atmosphäre
möglich ist, wenn keine Abluft zu strömt.
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Ferner ist es zweckmäßig, daß Druckkessel oder Druck luftrückleitung
mit einem Entlüftungsventil verbunden sind0 Durch dieses Entlüftungsventil wird
in sehr einfacher Weise der Druck in dem als Puffer vorgeschalteten Druckkessel
auf einem vorbestimmten Wert unterhalb etwa 2 atü gehalten.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann der Druckkessel über
ein pneumatisches Steuerventil mit dem Schieber des Entlüftungsventils verbunden
sein, dessen Einlaß mit der Druckluftrückleitung verbunden ist. Durch das Steuerventil
wird beim Erreichen des vorbestimmten Drucks im Druckkessel das Entlüftungsventil
geöffnet, so daß der Druck in der Druckluftrückleitung entspannt wird.
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Zur geregelten Zuführung der Abluft aus dem Druckkessel zum Kompressor
wird gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung eine besonders einfache Einrichtung
vorgesehen, die die Zufuhr selbsttätig jeweils sperrt, wenn der Kompressor abgeschaltet
ist oder gerade anläuft, und die die Zufuhr öffnet, wenn der Kompressor in vollem
Betrieb ist. Sie besteht darin, daß in das zwischen Druckkessel
und
Kompressor gelegene Stück der Druckluftrückleitung ein bei Uberschreiten eines vorbestimmten
Drucks zwischen Kompressor und Verbraucher selbsttätig steuerbares Sperrorgan eingesetzt
ist. Dieses Sperrorgan kann beiptelswexe in Form eines einfachen Sperrschiebers
od.dgl. ausgeführt sein.
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Ferner wird zweckmäßigerweise das zwischen Sperrorgan und Kompressor
gelegene Stück der Druckluftrückleitung an ein bei Überschreiten eines vortestimmten
Druckes zwischen Kompressor und Verbraucher selbsttätig steuerbares Entlüftungsventil
angeschlossen. Dadurch kann selbsttätig zunächst das Sperrorgan geschlossen und
sodann das Entlüftungsventil geöffnet werden, so daß auf der Ansaugöffnung des einen
Zylinders des Kompressors kein Druck mehr steht. Somit ist ein einwandfreies und
leichtes Anlaufen des Kompressors gewährleistet.
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Sowohl das Sperrorgan als auch das Entlüftungsventil können jeweils
an ein elektrisch-pneumatisches Steuerventil angeschlossen sein, das Uber eine Drucksteuerleitung
mit einem in etne Druckleitung zwischen der Druckseite des Kompressors und dem Verbraucher
eingesetzten Druckvorratskessel und über eine elektrische steuerleitung mit einem
elektrischen Steuergerät in Verbindung steht. Ein solcher Druckvorratskessel und
auch elektrische Steuergeräte dieser Art sind an sich bekannt. Neu ist dagegen die
Steuerung des erfindungsgemäß verwendeten Sperrorgans und Entlüftungsventils einerseits
mittels des Drucks im Druckvorratskessel und andererseits mittels eines geeignet
programmierbaren steuergeräts.
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Besonders zeigt sich der Vorteil der Erfindung in einer größeren Anlage,
bei der der Verbraucher aus mehreren parallel zueinander swischen Druckleitung und
Druckluftrückleitung eingesetzten Einzelverbrauchern besteht, deren Abluftdruck
sich im Pufferkessel summiert, so daß in diesem kleinen Druckkessel schnell der
erwünschte Wert, bei einem einstufigen Kompressor mit zwei Zylindern etwa 2 atü,
erreicht wird.
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Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert. Es zeigt Fig 1 eine schematische Schrägansicht einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem an einen zweizylindrigen Kolbenkompressor
angeschlossenen Airless-Farbspritzgerät als Verbraucher; Fig. 2 ein pneumatisches
Schaltbild der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung und Fig. 3 ein elektro-pneumatisches
Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
mehreren Einzelverbrauchern.
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Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsform weist einen an
sich bekannten Kolbenkompressor 10 mit zwei Zylindern 12 und 14, einem elektrischen
Antriebsmotor 16 und einem in nicht näher gezeigter Weise über ein Rückschlagventil
an die Druckseite der Zylinder 12 und 14 angeschlossenen Druckvorratskessel 18 auf.
Der
Druckvorratskessel 18 ist Uber-einen Absperrhahn 20 und eine
Druckleitung 22 mit dem ein Manometer 24 tragenden Drucklufteinlaß 26 des Luftmotors
28 eines allgemein mit 30 bezeichneten Airless-Farbspritzgerätes verbunden. Das
Farbspritzgerät ist auf einem Gestell 32 gelagert und ragt mit einem Saugstutzen
34 in einen Farbbehälter 36 zum Ansaugen der Farbe. Das Farbspritzgerät 30 ist andererseits
ber ein Filter 38 und einen Farbdruckschlauch 40 mit einer Spritzpistole 42 verbunden.
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Die bisher geschilderten Teile dieser Ausführungsform sind an sich
bekannt. Erfindungsgemäß ist nunmehr der Abluftauslaß 44 des Luftmotors 28 des Farbspritzgeräts
über eine Druckluftrückleitung 46 mit einem kleinen Druckkessel oder Pufferkessel
48 verbunden, der andererseits über einen zweiten Teil 50 der Druckluftrückleitung
mit der Ansaugöffnung 52 des einen Zylinders 14 des Kompressors 10 verbunden ist.
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Sowohl der Druckvorratskessel 18 als auch der kleine Druckkessel 48
weisen je ein Manometer 54 bzw. 56 zur Messung des Innendrucks und ein Sicherheitsventil
58 bzw. 60 auf. Das Manometer 24 ist vorzugsweise als Druckregler für den Luftmotor
28 ausgebildet.
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In Figo 2 sind der Elektromotor 16 und einige andere für die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Vorrichtung unwesentliche Teile, wie Einzelheiten des Farbspritzgeräts
sowie die Farbspritzpistole 42, weggelassen.
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Dagegen sind aus Fig. 2 einige Teile der Vorrichtung ersichtlich,
die aus Pig. 1 nicht deutlich oder gar nicht zu ersehen sind. So weist jeder Zylinder
12, 14 vor seiner Ansaugöffnung ein Ansaugfilter 62 bzw. 64 auf, wobei dem Ansaugfilter
64 des Zylinders 14 ein Rückschlagventil 66 nachgeschaltet ist. Das Rückschlag ventil
66 verhindert, daß die durch die Druckluftrückleitung 50 zugeführte Abluft des Luftmotors
28 zur Atmosphäre abströmt. Das Rückschlagventil 66 öffnet sich erst, wenn der Druck
an der Ansaugöffnung 52 geringer wird als der äußere Atmosphärendruck.
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Zwischen Druckvorratskessel 18 und Airless-Farbspritzgerät 30 ist
ferner noch ein Druckregler 68 mit eingebautem Wasserabschneider eingeschaltet6
Dem Druckvorratskessel 18 ist ein Rückschlagventil 70 in der vom Kompressor 10 kommenden
Druckleitung 72 vorgeschaltet, welches durch einen Nebenkreis 74 überbrückt ist,
der ein Entlüftungsventil 76 und ein elektro-pneumatisches Steuerventil 78 zur Steuerung
des Entlüftungsventils enthEltw Die beschriebene Ausführungsform arbeitet so, daß
zunächst beim Anlaufen des Kompressors 10 über das Ansaugfilter 64 und das Rückschlagventil
66 Luft in den Zylinder 14 undüber das Ansaugfilter 62 in den Zylinder 12
angesaugt
wird. Die unter Druck gesetzte Luft wird ueber die Druckleitung 72 und das Rückschlagventil
70 im Druckvorratskessel 18 gespeichert. Der Absperrhahn 20 wird geöffnet, sobald
am Manometer 54 ein ausreichender Druck angezeigt wird. Sodann wird über den zweiten
Teil 22 der Druckleitung und den Druckregler 24 dem Luftmotor 28 des Airless-Farbspritzgeräts
30 Druckluft zugeführt, so daß dieses über die nicht gezeigte Farbspritzpistole
in Gang gesetzt werden kann. Die Abluft des Luftmotors 28 wird über die Druckluftrückleitung
46 dem keinen Druckkessel 48 und von dort über den Teil 50 derbruckluftrückleitung
zur Ansaug8fEnung 52 des Zylinders 14 geleitet. Das Rückschlagventil 66 schließt
sich, sobald genügend Abluft über den Leitungsabschnitt 50 nachgeliefert wird Damit
der Druck im Druckvorratskessel 18 auf dem vorbestimmten Wert bleibt, ist das Rückschlagventil
70, welches sich normalerweise bei Abschalten des Kompressors PO schließt, durch
das pneumatische Steuerventil 78 und das Entlüftungsventil 76 überbrückt.
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Einige Teile der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung decken sich mit den entsprechenden Teilen der oben beschriebenen Ausführungsform,
Für diese Teile werden daher gleiche Bezugszeichen verwendet wR e In den Figuren
1 und 2. Die Ausfuhrungsform gemäß Fig 3 weist ebenfalls einen Kolbenkompraseor
10 mit zwei Zylindern 12 und 14 sowie einen Elektromotor 16 auf. Ferner ist auch
bei dieseri'Ausführungsform ein an den ersten Teil 72 der Druckleitung angeschlossener
Druckvorratskessel 18 mit einem vorgeschalteten Rückschlagventil 70 undeinem das
Rückschlagventii 70 Uberbrückenden,
das EntlÜftungsventil 76.und.
in diesem Fall ein elektropneumatisches Steuerventil. 80 enthaltenden Nebenstromkreis
74 vorgesehen. Den beiden Zylindern 12 und 14. sind ebenfalls Ansaugfilter 62 bzw.
64 vorgeschaltet und der Ansaugöffnung 52 des Zylinders s 14 ist auch bei dieser
Ausführungsform ein Rückschlagventil 66 vorgeschaltet.
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Der Druckvorratskessel 18 ist über den zweiten Teil 22 der Druckleitung
an vier parallel an die Druckleitung angeschlossene Druckluftverbraucher 82 angeschlossen,
deren Abluftbffnungen 84 getneinsam an eine Druckluftrückleitung 46 angeschlossen
sind, die über ein Rückschlagventil 86 mit dem kleinen Druckkessel 48 verbunden
ist.
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Druckvorratskessel 18 und Druckkessel 48 weisen auch hier je ein Sicherheitsventil
58 bzw. 60 auf.
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Das Rückschlagventil 86 am Druckkessel 48 ist ebenfalls durch eine
Nebenstromleitung .S8 überbrückt, der wiederum ein Entlüftungsventil 90 und in Reihe
damit ein pnumatisches Steuerventil 92 enthält.
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den zwischen Druckkessel 48 und Ansaugdffnung 52 des Kompressors gelegenen
Teil 50 der Druckluftrückleitung ist bei dieser Ausfthrungsform ein Sperrorgan 94,
beispielsweise ein Sperrschieber od.dgl., eingesetzt, welcher über ein elektro-pneumatisches
Steuerventil 96 betätigbar ist.
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Das Steuerventil 96 ist über eine pneumatische Leitung 98 mit einer
pneumatischen Steuerleitung i00 verbunden, die einer,seits mit dem Druckvorratskessel
18 und andererseits mit einem Druckschalter 102 in Verbindung steht.
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Ferner ist der zwischen dem Sperrorgan 94 und der ansaugöffnung 52
gelegene Teil der Druckluftrückleitung 104 an ein Entlüftungsventil 106 angeschlossen,
das seinerseits an das Steuerventil 96 angeschlossen ist und somit gleichzeitig
mit dem Sperrorgan 94 betätigt wird.
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Die elektro-pneumatiSchen Steuerventile 80 und 96, der Elektromotor
16 und der Druckschalter 102 sind jeweils über Leitungen 108, 110, 112 bzw 114 mit
einem gemeinsamen elektrischen Steuergerät 116 verbunden.
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Im wesentlichen arbeitet die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform
ähnlich wie die oben geschilderte gemäß den Figuren 1 und 2. Zusätzlich verhindert
hier das Sperrorgan 94 und das Entlüftungsventil 106, daß nach einer Abschaltperiode
der Elektromotor 16 den Kompressor 10 gegen den Druck der im Leitungsabschnitt 104
befindlichen Abluft arbeiten muß. Außerdem erfolgt hier eine Druckregelung im Druckkessel
48 über das Steuerventil 92 und das Entlüftungsventil 90 und es ist ein RUckschlagventil
86 vorgeshen, damit der Druck im Druckkessel 48 erhalten bleibt, wenn sämtliche
Verbraucher oder wenigstens ein Großteil derselben abgeschaltet wird.
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Schließlich ist ein gemeinsames Steuergerät 116 sorge eher, welches
selbsttätig für die Druckregelung im Druckvorratskessel 18 über das Ste;terventil
80 sowie für die Entlüftung des Abschnitts 104 der Druckluftrückleitung über das
Steuerventil 96 sowie für die Abschaltung des Motors 16 mittels des Druckschalters
102 und des Steuergeräts 116 beim Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Druckvorratskessel
18 sorgt.
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Über die gezeigten Einzelverbrauche 82 hinaus kdnnen ei dieser Ausführungsform
natürlich beliebig viele weitere Verbraucher an die Druckleitung 22 parallel angeschlossen
werden.