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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen und Verteilen
von Druckluft, das mindestens einen Kompressor aufweist, mit dem
ein Saugrohr zum Einlass von Luft und ein Auslassrohr für von dem
mindestens einen Kompressor komprimierte Luft verbunden ist, und
das eine mit dem Auslassrohr verbundene Verteilungsrohranordnung
zum Verteilen von Luft zu Verwendungsstellen aufweist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein z.B. aus der Veröffentlichung
DE-A-2410832 bekanntes System zum
Erzeugen und Verteilen von Druckluft, das mindestens einen Kompressor
aufweist, mit dem eine Vorrichtung zum Einsaugen von Luft und ein
Auslasskanal für
von dem mindestens einen Kompressor komprimierte Luft verbunden
ist, und das eine mit dem Auslasskanal verbundene Verteilungsrohranordnung
zum Verteilen von Luft zu Verwendungsstellen aufweist.
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Die
Vorrichtung betrifft somit industrielle und Instrumenten-Luftsysteme
mit einem herkömmlichen Druckniveau
von 10 bis 15 bar oder weniger, bei denen der der Drucktaupunkt
der Druckluft im Wesentlichen für
den beabsichtigten Zweck geeignet ist, d.h. sogar -40°C betragen
kann, und bei denen die Länge des
Manifold und der Verteilungsrohranordnung mehrere Kilometer betragen
kann.
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Bei
einem herkömmlichen
Druckluftsystem des oben beschriebenen Typs wird die nachbehandelte
Druckluft nach der Verwendung in die Umgebung ausgelassen. Entsprechend
erhalten die Kompressoren zur Verdichtung generell unbehandelte Luft über ein
Saugrohr aus der Umgebung. Da die Saugluft Schmutzpartikel enthält, muss
sie normalerweise zuerst bereits in einem Saugfilter gefiltert werden,
bevor sie in den Kompressor eintritt und verwendet wird. Aufgrund
des Filtervorgangs wird je nach der Feinheit der Filterung und dem
Grad der Filterverschmutzung ein gewisser Negativdruck in dem Saugrohr
erzeugt, der seinerseits den Energiebedarf des Kompressors in einem
gewissen Maß erhöht. Saugluft
enthält
zudem oft kaustische Gaskomponenten, die zusammen mit der Saugluft
in den Kompressor eintreten und eine Korrosion in dem Luftverdichtungsraum
des Kompressors verursachen können, wenn
die Luft während
der Verdichtung erhitzt wird und wenn sich die Konzentration erhöht.
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Eine
besonders nachteilige Situation in dieser Hinsicht existiert in
ungeschmierten Kompressoren, d.h. Schrauben- und Kolben-Kompressoren,
die nicht durch Öl
vor Korrosion geschützt
sind. Zur Beseitigung dieses allgemeinen Problems sind die inneren
Teile dieser Kompressoren aus korrosionsfesten Materialien ausgebildet.
Beispielsweise sind die Schraubeneinheiten eines ungeschmierten
Schraubenkompressors mit Kevlar oder einem anderen Belag beschichtet
oder bestehen aus korrosionsfesten Materialien. Somit ist der Preis
dieser Kompressoren hoch, was z.B. aufgrund der hohen Herstellungskosten
der Scheckenelemente der Fall ist.
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Auch
bei geschmierten Schrauben- und Drehkompressoren können fremde
Gaskomponenten in das umlaufende Kühl- und Dichtöl gelangen, dessen
Eigenschaften abschwächen
und folglich eine Verschlechterung des Schmiereffekts verursachen.
Dies ist der Grund dafür,
dass das Öl
relativ häufig
gewechselt werden muss. Das Öl
ist relativ kostenaufwendig, da es in dieser Funktion zahlreiche spezielle
Eigenschaften aufweisen muss. Aufgrund der oben angeführten Aspekte
verursacht die Erzeugung von Druckluft z.B. bei Verwendung eines Schraubenkompressors
beträchtliche
fixe und variable Kosten.
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Saugluft
enthält
stets Feuchtigkeit, da Luft stets Wasserdampf enthält. Vor
der Verwendung muss das Wasser aus der Druckluft entfernt werden. Ein
Erfordernis kann z.B. darin bestehen, dass der maximale Drucktaupunkt
z.B. -20°C
beträgt,
was bedeutet, dass kein Wasser in der Rohr anordnung kondensiert,
wenn die Druckluft auf einer über
diesem Niveau gelegenen Temperatur verbleibt, und die Rohranordnung
nicht friert. Zu diesem Zweck sind Druckluftsysteme mit Entwässerungssystemen
und verschiedenen Typen von Trocknungsvorrichtungen versehen, um
den gewünschten
Drucktaupunkt zu erzielen. Zu diesem gleichen Zweck wird eine beträchtliche
Anzahl weiterer Komponenten benötigt, wie
z.B. verschiedene Typen von Wasserreduziervorrichtungen, eine Nachkühlungseinheit
zum Absenken der Temperatur des Druckgases und verschiedene Typen
von Filtern, deren Anzahl z.B. von dem Kompressor-Typ abhängt. Die
Menge des entfernten Wassers kann sehr groß sein, wie z.B. 100 Liter
pro 24 Stunden.
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Ölgeschmierte
Kompressoren beispielsweise sind typischerweise stets mit einem
externen (hinter dem Kompressor-Packen) angeordneten Grob- und Fein-Ölabscheidungsfilter
vor dem eigentlichen Adsorptionstrockner versehen. Zusätzlich sind
bei einigen dieser Kompressoren innere Abscheidungsfilter zum Abscheiden
von Tropf- und Aerosol-Öl
in den Kompressor-Packen integriert. In Anschluss an die oft verwendete
Adsorptions-Trocknungsvorrichtung sind
ferner ein Staubabscheidungsfilter und oft auch ein Aktivkohlefilter
und ein bakterieller Filter angeordnet. Ölgeschmierte Schraubenkompressoren
sind ferner mit einem Ölabscheider
versehen, der dazu dient, das Öl,
welches aus dem zum Kühlen
des Kompressors verwendeten Öl
in die Druckluft gelangt ist, und kondensiertes Wasser voneinander
zu trennen. Das Wasserkondensat wird üblicherweise in das Abwassersystem
eingeleitet, obwohl es in dieser Phase noch einen gewissen Ölrückstand
enthält. Ölabscheider
entfernen nicht sämtliche
Wasserverschmutzungen, die möglicherweise
zusammen mit der Saugluft mitgeführt
werden.
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Der
gesamte oben beschriebene Vorgang wird als Nachbehandlung der Druckluft
bezeichnet, bei der Festpartikel, Öl und Wasser aus der Druckluft entfernt
werden. Die entsprechende Apparatur wird als Druckluft-Nachbehandlungssystem
bezeichnet. Das umfangreichste Nachbehandlungssystem findet sich
in den weithin verwendeten ölgedichteten Schraubenkompressorsystemen,
bei denen die essentiell vorrangig wichtige Komponente des Nachbehandlungssystems
in der Trocknungsvorrichtung besteht, wobei jedoch auch mehrere
Filter und andere Apparateteile für das Entfernen des Öls verwendet werden.
Das Maß der
Abscheidung, das in dem jeweiligen Fall während der Nachbehandlung erfolgt, hängt von
der erforderlichen Druckluftqualitätsklasse gemäß der Norm
ISO 8573 ab.
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Die
Nachbehandlung von Druckluft macht ungefähr 25% der Kosten der Druckluft
aus. Dazu zählen
auch die Fixkosten, jedoch handelt es sich bei den Kosten hauptsächlich um
variable Kosten, bei denen der energiebedingte Anteil signifikant
ist. Die Filter beispielsweise verursachen typischerweise je nach
ihrem Verschmutzungsgrad einen Gesamt-Druckverlust von 1.500 kPa,
wodurch die zum Erzeugen von Druckluft erforderliche Energie um
nahezu 10% zunimmt, da die Kompressoren mit einem Zuführdruck
arbeiten müssen,
der um das Maß dieses
Druckverlustes erhöht
ist. Die Nachbehandlungsapparatur erfordert einen beträchtlichen
Bedienungs- und Wartungsaufwand, was auch die variablen Kosten erhöht.
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Bei
geschmierten Kompressoren, insbesondere bei ölgedichteten Schrauben- und
Drehkompressoren, kann die Temperatur der Druckluft nicht unter
ein bestimmtes Niveau abgesenkt werden, da dann bei Drehung der
Rotoren die zusammen mit der Druckluft aus dem Saugrohr kommende
feuchte Luft in dem Kompressor zu Wasser kondensieren würde und
das zum Kühlen
und Abdichten verwendete Öl mit
dem Wasser zu einer Emulsion verquirlt würde. Diese Emulsion würde als
pastenartige Substanz ein Verstopfen der Filter verursachen, und
der Ölabscheider
würde nicht
wie gewünscht
arbeiten, da Öl und
Wasser eine Mischung bilden, die mit derzeitigen Vorrichtungen nicht
getrennt werden kann. Mit der Zeit führt dies, falls keine Gegenmaßnahmen
getroffen werden, zu einem Stopp des Drucklufterzeugungsvorgangs,
was eine Unterbrechung der Produktion der Industrieanlage verursachen
kann.
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Aus
diesem Grund muss bei diesen Kompressoren die Temperatur der Saugluft
und der aus dem Kompressor ausgegebenen Luft generell auf mindestens
+60°C gehalten
werden, je nach der Temperatur der Saugluft. Dies wiederum führt zu dem Erfordernis
einer Steuerung des Kühlens
der Druckluft, d.h. der Temperatur und/oder des Volumenstroms des
in den Raum zwischen den Rotoren gesprühten kalten Kühlöls, damit
die Temperatur der zu verdichtenden Luft nicht zu weit abfällt. Dies
bedeutet ferner, dass der Verdichtungsvorgang in dem Kompressor
isentrop mit einem Isentrop-Exponenten von nahezu 1,3 ist. Die Verdichtung
ist weit entfernt von einem idealen Verdichtungsvorgang, der die
geringstmögliche
Energiemenge benötigt
und bei einer konstanten Temperatur erfolgt, d.h. einem isothermen
Verdichtungsvorgang. Dies bedeutet, dass der spezifische Energieverbrauch
des Kompressors hoch ist. Der isotherme Wirkungsgrad dieser Kompressoren
liegt wahrscheinlich im Bereich von 70%, so dass in dem Kompressor
ungefähr
30% mehr Energie verbraucht wird als im Fall einer idealen Verdichtung
bei konstanter Temperatur.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckluftsystem zu schaffen,
bei dem die oben erwähnten
Probleme zumindest teilweise beseitigt sind. Dies wird durch die
Merkmale von Anspruch 1 erzielt.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein Teil
der in dem System verwendeten Luft in dem System verbleibt und folglich
nach mehreren Verdichtungsvorgängen
nicht getrocknet zu werden braucht. Dies resultiert in einer unmittelbaren
Kostenersparnis. Je größer die
Menge an Systemluft ist, die in dem System gehalten werden kann, desto
größer ist
die Ersparnis.
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Bei
dem Druckluftsystem gemäß der Erfindung
wird die in der Verteilungssystem verwendete getrocknete Druckluft
zu dem Kompressor als (Kompressor-)Saugluft rückgeführt. Diese zu komprimierende
Luft ist getrocknet und von hoher Qualität, und das Entfernen von Verdichtungswärme aus ölgedichteten
und ölgekühlten Schrauben-
und Drehkompressoren kann problemlos bis zu einem derartigen Maß verbessert
werden, dass die Verdichtung nahezu isotherm in dem Kompressor erfolgt,
da die Feuchtigkeit in der Saugluft keine Probleme bei der Verdichtungsöl-Abscheidung
verursachen kann. In dieser Weise wird eine Ersparnis von bis zu
20% bei dem zu Erzeugung von Druckluft erforderlichen Energieverbrauch
erzielt. Zu den weiteren Vorteilen zählen eine signifikante Verbesserung
der Ölabscheidung
bei den Schrauben- und Drehkompressoren, die ein internes Ölabscheidungssystem
aufweisen, da Öl,
das bei einer niedrigeren Verdichtungstemperatur gesprüht wird,
im Tropfen- oder Aerosol-Format verbleibt und somit leichter aus
der bereits im Kompressor befindlichen Druckluft entfernt werden
kann. In derzeitigen Kompressoren, bei denen die Verdichtung isentrop
erfolgt und die verdichtete Luft somit heiß ist, tritt Öl als Dampf
in die Rohranordnung, und es ist nicht möglich, das Öl vollständig zu entfernen, und selbst
das Reduzieren der Menge erfordert spezielle Filtersysteme.
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Da
das Druckluftsystem der Erfindung vollständig geschlossen sein kann,
besteht, sofern keine Lecks in ihm vorhanden sind, auch die Möglichkeit, als
Medium andere Gase als die Außenluft
zu verwenden, wie z.B. getrocknetes Stickstoffgas. Sämtliche
Kompressortypen sind in der Lage, Stickstoffgas zu verdichten. Falls
Lecks in dem System existieren, können sie leicht detektiert
und gemessen werden. Lecks können
auf zahlreiche Arten kompensiert werden, z.B. durch Verwendung eines
kleinen Kompressors, der trockene Luft erzeugt, oder, falls andere Quellen
trockener Luft existieren, durch Entnehmen der Ersatzluft aus diesen
Quellen. Der Umlauf von Trockenluft wird selbst dann in dem System
aufrechterhalten.
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Da
anders als bei herkömmlichen
offenen Druckluftsystemen keine Feuchtigkeit zusammen mit der Saugluft
in das System eintritt, ist bei einem robusten leckfreien System
keine Nachbehandlungsapparatur erforderlich.
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Bei ölgedichteten
Schraubenkompressoren wird der Ölabscheider
ebenfalls unnötig.
Deshalb kann der Kompressor unter Verwendung eines niedrigeren Drucks
betrieben werden, da in der Nachbehandlungsapparatur kein Druckverlust
auftritt, der bei einem herkömmlichen
industriellen Drucksystem sogar 1.500 kPa betragen kann. Dies würde bedeuten, dass
die Kompressor-Ausgangsleistung um ungefähr 10% abnimmt, da die spezifische
Energie stark abnimmt, wenn der Zufuhrdruck des Kompressors abnimmt.
Ferner entfallen der stark energieverbrauchende Betrieb der Adsorptions-Trocknungsvorrichtungen
oder, im Falle einer Kühlungs-Trocknungsvorrichtung,
die zum Betreiben des Kühlkompressors
erforderliche Energie.
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Ferner
benötigt
das Rücklaufrohr,
das mit der Saugluftverbindung des Kompressors verbunden sein kann,
offensichtlich keinen Saugluftfilter, um mechanische Partikel zu
entfernen, und treten keine kaustischen Gase zusammen mit der Saugluft
in das System ein, so dass die inneren Teile des Kompressors nicht
korrodieren. Die Kompressoren können dann
in Form kostengünstiger
Kompressoren mit nicht korrosionsgeschützten Verdichtungs- und Verschiebungsräumen vorgesehen
sein. Auch das Geräuschaufkommen,
das aus dem Saugrohr in die Umgebung übertragen wird, ist reduziert.
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Die
Saugluft eines Druckluftkompressors wird normalerweise einem Raum
entnommen, in dem Luft mit bestmöglicher
Qualität
vorhanden ist: minimales Maß an
Staub, keine kaustischen Gase, keine Verbrennungsmotor-Abgase, etc.
Das Saugrohr ist am besten an der nach Süden oder Osten weisenden Seite
angeordnet, wo die Temperatur während
des Sommers so niedrig wie möglich
ist. Diese Faktoren begrenzen die Wahl des Orts des Kompressors
oder Zentrums des Kompressors. Bei dem Druckluftsystem der Erfindung
existieren keine derartigen Limitationen, und die Kompressoren können an
beliebiger Stelle angeordnet sein, z.B. im Freien. Es besteht sogar
bei Frost keine Gefahr eines Versagens, falls luftbetätigte Wärmeaustauscher
verwendet werden. Es ist in diesem Fall zu erwarten, dass der Taudruckpunkt
der zu verdichtenden Luft hinreichend niedrig ist; anders ausgedrückt sollte
die Luft so trocken sein, dass selbst bei sehr niedrigen Temperaturen
unter dem Nullpunkt kein Wasser aus der verdichteten Luft kondensieren
und frieren kann.
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Bei
herkömmlichen
Druckluftsystemen werden die folgenden Druckluftbehandlungsvorrichtungen
in der angegebenen Reihenfolge benötigt, z.B. wenn das Drucktaupunkt-Erfordernis
bei -40°C
liegt, wie etwa bei pneumatischen Instrumentensystemen, und wenn
ein ölgedichteter
Kompressor verwendet wird: die eigentliche Kompressoreinheit, die
in den gleichen Packen integriert einen Saugluftfilter, die eigentliche
Druckerzeugungs-Schraubeneinheit und eine Zwei-Phasen-Ölabscheidungs-Zyklon-
und Filter-Kombination enthält;
einen Drucklufttank; einen Ölabscheidungsfilter;
einen Fein-Ölabscheidungsfilter;
eine Adsorptions-Trocknungsvorrichtung; einen Staubfilter; und in
manchen Fällen
sogar einen Aktivkohlefilter und einen Bakterienfilter. Zusätzlich wird auch
ein Ölabscheider
benötigt.
Das Druckluftsystem der vorliegenden Erfindung erfordert nicht den
Saugluftfilter, den Drucklufttank oder die anderen druckseitigen
Filter, falls eine Verwendung in dem speziellen Fall erfolgt, in
dem der Kompressor ein ölgedichteter
Schraubenkompressor ist und die Saugluft derart behandelt wird,
dass ihr Drucktaupunkt hinreichend niedrig ist und die Saugluft
keine mechanischen Verunreinigungen enthält. Die Adsorptionsschicht
und der Ölabscheider
sind dann ebenfalls unnötig.
Somit sind sämtliche
Nachbehandlungsvorrichtungen ebenfalls unnötig. Ferner kann der vom Kompressor
durchgeführte
Verdichtungsvorgang nahezu isotherm gemacht werden, indem die Ölkühlung, die
auf die zwischen den Schraubenelementen komprimierte Luft abzielt,
auf einen hinreichenden Grad verbessert wird. Dies ist möglich, da
keine Feuchtigkeit in der Saugluft vorhanden ist. Die innere Ölabscheidung
im Kompressor-Packen ist dann derart verbessert, dass praktisch
das gesamte Öl
abgeschieden wird, da aufgrund der niedrigen Verdichtungstemperatur
kein Öldampf
erzeugt wird. Falls zur Energieersparnis ein über dem atmosphärischen Druck
liegender Druck in dem Saugrohr verwendet werden soll, kann bei
einem Standard-Prozessor und in einer Situation, in welcher der
Umlauf-Kompressor ein Booster-Kompressor – d.h. ein Druckerhöhungs- Kompressor – ist, die
Druckbelastbarkeit auf der Ansaugseite problemlos verändert werden.
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Falls
das gemäß der Erfindung
ausgebildete System leckfrei ist, besteht auch die Möglichkeit,
darin andere Gase als Luft ökonomisch
zu verwenden. Ein derartiges Gas ist Stickstoff. In einem geschlossenen
System wie dem hier beschriebenen System werden Vorrichtungen zum
Trocknen des Gases nicht benötigt.
Nur wenn das System in Betrieb genommen wird, ist es erforderlich,
entweder getrocknete Luft oder eine separate Vorrichtung zum Trocknen
der in das System eingeführten
Luft zu verwenden.
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An
den Verwendungsstellen, von denen die verdichtete Luft in die Rücklaufrohranordnung
geführt
wird, ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
auch einen Vorgang, bei dem im Anschluss an die Verwendungsstelle
der Luftdruck nicht der normale atmosphärische Druck ist, sondern sogar
signifikant höher
als dieser ist. Dieser Typ von Verdichtungsluftantrieb, der mit
einem Rückführungskreislauf
verbunden ist, kann somit derart ausgelegt sein, dass er zuerst
einen Druck von 10 bar und anschließend einen Druck von 3 bar
aufweist, wobei in diesem Fall die Druckdifferenz über den
Antrieb hinweg 7 bar beträgt.
Je nach den Eigenschaften des Kompressors ist ungefähr 40% weniger
Energie erforderlich, um den Luftdruck von 3 bar auf 10 bar zu erhöhen, als
um den Druck der verdichteten Luft von 0 auf 7 bar zu erhöhen. Somit
werden durch die Verwendung eines über dem normalen atmosphärischen Druck
liegenden Druckniveaus hinter der Einheit und folglich in dem Saugrohr
des Kompressors auch die Betriebskosten des Systems gesenkt. Dies
ist möglich,
weil z.B. die Kraft eines Zweiwege-Zylinders in beiden Fällen die
gleiche ist.
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Falls
das System aufgrund der Druckluftantriebe, bei denen es sich z.B.
um Blas-, Farbsprüh- oder
pneumatische Rohrantriebe handeln kann, bei denen keine Rückgewinnung
der Luft möglich
ist, nicht vollständig
geschlossen ausgebildet sein kann, muss das System mit einer Vorrichtung
zum Ersetzen der entfernten Luft versehen sein. Bei einer derartigen
Vor richtung kann es sich um ein zweites Saugrohr handeln, das mit
dem mindestens einen Kompressor verbunden ist, um Ersatzluft zuzuführen, wobei
die Ersatzluft entweder unbehandelte feuchte Außenluft oder getrocknete und
im Wesentlichen feuchtigkeitsfreie Luft sein kann. Falls feuchte
Luft verwendet wird, benötigt
das System eine Trocknungsvorrichtung, durch die diese feuchte Ersatzluft
hindurchgeführt
wird, um den gewünschten
Taupunkt zu erreichen. Auch in diesem Fall braucht nur ein Teil
der Luft in dem System ersetzt und getrocknet zu werden, und somit
darf die Trocknungskapazität
des Systems signifikant niedriger sein als bei herkömmlichen Druckluftsystemen.
Die Eingabe von Ersatzluft kann auch periodisch vorgesehen sein,
d.h. es kann vorgesehen sein, dass sie nur dann erfolgt, wenn der Druck
in dem Rücklaufrohr
zu sehr abfällt.
In diesem Fall braucht auch das Trocknen nur periodisch zu erfolgen,
was in einer beträchtlichen
Einsparung von Betriebskosten resultiert.
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Gemäß einer
weiteren Alternative, insbesondere falls ein großer Bedarf an Ersatzluft besteht, wird
die von den Blasantriebsvorrichtungen benötigte Luft mittels der Original-Kompressoren
zugeführt,
die mit Trocknungsvorrichtungen versehen sind. Deren eigenes geschlossenes
System, das mit einem Umlaufkompressor ausgerüstet ist, kann dann als Antriebsvorrichtung
verwendet werden, in dem die Abluft rückgewonnen wird. Da sich dieses
zweite System in der Verteilungsrohranordnung in einem Bereich befindet,
in dem die Luft bereits trocken ist, wird in diesem System keine
Trocknungsvorrichtung benötigt.
Das Füllen
des Systems und eine mögliche Kompensierung
von Lecks in diesem System können problemlos
unter Verwendung der Verteilungsrohranordnung des vorherigen Systems
durchgeführt
werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird das gemäß der Erfindung vorgesehene
System zum Erzeugen und Verteilen von Druckluft anhand der beigefügten Zeichnung
detaillierter beschrieben, wobei in der Zeichnung folgendes gezeigt
ist:
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1 zeigt
eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des
Systems gemäß der Erfindung,
und
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2 zeigt
eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
des Systems gemäß der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In 1 ist
als Beispiel eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer
ersten Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung
gezeigt. Die schematische Darstellung enthält nur diejenigen Komponenten
eines Druckluftsystems, die für die
Erfindung wesentlich sind. Somit sind aus Gründen der Übersicht herkömmliche
und teilweise erforderliche Vorrichtungen von Druckluftsystemen
nicht gezeigt, wie beispielsweise Nachbehandlungsvorrichtungen für die in
dem Kompressor erzeugte Luft, z.B. eine Nachkühlungsvorrichtung, oder ein
Drucklufttank, eine Trocknungsvorrichtung, Ölabscheider oder Abscheidungsvorrichtungen
für andere,
feste Partikel.
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Das
generell in 1 gezeigte System weist einen
Kompressor 1 auf, mit dem ein Saugrohr 2 und ein
Ausgangsrohr 3 verbunden sind. Das Ausgangsrohr 3 ist
mit einer Druckluft-Verteilungsrohranordnung 4 verbunden,
die zu Vorrichtungen 5 führt, von denen her Auslassluft
rückgewonnen
werden kann. Von den Vorrichtungen 5 führt ein Rücklaufrohr 7 zu einem
Lufttank 8, der seinerseits mit dem Saugrohr 2 des
Kompressors 1 verbunden ist. Der Tank 8 wird jedoch
in dem System nicht unbedingt benötigt, insbesondere falls das
Volumen des Rücklaufrohrs
an sich ausreichend ist. Falls das System keine Antriebsvorrichtung
wie z.B. eine Blasantriebsvorrichtung oder dgl. enthält, bei
der die Luft nicht rückgewonnen
werden kann, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet und durch
das Bezugszeichen 6 gekennzeichnet ist, kann das System
vollständig
geschlossen ausgebildet sein. Dann wird sämtliche zu Verwendungsstellen 5 geführte Druckluft
unter Einführung
in das Rücklaufrohr 7 rückgewonnen
und kann in den Kompressor 1 rückgeführt werden. Dieser Typ von
System kann auch leicht in den derzeit verwendeten Druckluftantriebsvorrichtungen
implementiert werden. Beispielsweise besteht die Möglichkeit,
die Luft, welche aus den Steuerventilen von Regeleinheiten austritt, aus
denen die Luft nach einer Druckreduzierung ausgegeben wird, an das
Rücklaufrohr
eines Umlaufkompressors zu leiten. In 1 repräsentiert
die Vorrichtung 9 die Druckluft-Nachbehandlungsvorrichtung mit sämtlichen
möglichen
Trocknungsvorrichtungen, durch welche die Druckluft, falls erforderlich, im
Zusammenhang mit der Nachbehandlung hindurchgeleitet werden kann;
bei Bedarf kann die Druckluft-Nachbehandlungsvorrichtung auch umgangen
werden. Das Rücklaufrohr 7,
d.h. die Vorrichtung zum Empfangen der einer Druckreduzierung unterzogenen
Luft an einer oder mehreren Verwendungsstellen 5 und zum
Rückführen der
Luft zu mindestens einem Kompressor, leitet die Luft somit zu der
Eingangsseite des Kompressors zurück, d.h. direkt oder indirekt
zu dem Saugrohr. Das Saugrohr bildet die Vorrichtung zum Zuleiten
der Saugluft zu dem Kompressor. In 1 gelang
die in dem Rücklaufrohr 7 befindliche
Luft durch den Tank 8 zu dem Saugrohr, und dementsprechend
kann z.B. eine Implementierung verwendet werden, bei welcher der
Rücklauf
der Rücklaufluft
in dem Rücklaufrohr über einen
zwischenliegenden Drucktank zwischen der ersten und der zweiten
Kompressorphase zu der Ansaugseite der zweiten Kompressorphase erfolgt,
falls der Kompressor ein Zwei-Phasen-Kompressor
ist.
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Die
Erfindung kann auch in einem System zum Erzeugen und Verteilen von
Druckluft vorgesehen sein, das mindestens einen Kompressor 1 oder 21 aufweist,
mit dem eine Vorrichtung 2 oder 22 zum Einlass
von Saugluft und ein Ausgabekanal 3 oder 23 für in dem
mindestens einen Kompressor verdichtete Luft verbunden sind, wobei
mit dem Ausgabekanal 3 oder 23 eine Verteilungsrohranordnung 4 oder 26 zum
Verteilen der Luft zu den Verwendungsstellen 5, 6 oder 26 verbunden
ist. Das System weist ferner eine Rücklaufvorrichtung 7 oder 27 auf,
um Luft, deren Druck an der Verwendungsstelle reduziert worden ist,
aufzunehmen und sie an den mindestens einen Kompressor 1 oder 21 rückzuführen. Die
Vorrichtung 2 oder 22 für den Einlass von Saugluft
weist ein Saugrohr 2 oder 22 auf, und die Rücklaufvorrichtung weist
ein Rücklaufrohr 7 oder 27 auf.
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Falls
das System vollständig
geschlossen ist und keine Luft von außen benötigt, tritt keine externe Feuchtigkeit
in das System ein, und das System benötigt keine Trocknungsvorrichtung,
vorausgesetzt, dass beim Füllen
des Systems hinreichend trockene Luft verwendet wird. Eine Befüllung mit
Trockenluft kann mittels eines separaten Füllsystems vorgenommen werden,
das eine geeignete Trocknungsvorrichtung enthält, oder durch Verwendung von
Druckluft, die bei ihrer Erzeugung hinreichend getrocknet worden
ist, um keine Feuchtigkeit mehr zu enthalten. Obwohl das in 1 gezeigte
System in seiner herkömmlichsten
Form Luft als Druckgas enthält,
ermöglicht
seine geschlossene Struktur auch die Verwendung eines anderen Gases
wie z.B. Stickstoff, falls dies anderweitig vorteilhaft ist, insbesondere aufgrund
der Struktur der Antriebsvorrichtungen wie z.B. der Regeleinheiten.
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Da
das System gemäß 1 im
Prinzip keine Trocknungsvorrichtung aufweist und kein Bedarf an
einer Trocknungsvorrichtung besteht, kann im Vergleich mit einem
herkömmlichen
System, das keinen Umlauf aufweist und bei dem sämtliche im System verwendete
Luft stets getrocknet werden muss, ein beträchtlicher Anteil, wie z.B.
ein Viertel, der Drucklufterzeugungskosten gespart werden.
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Das
System gemäß 1 bietet
auch die Möglichkeit,
die Druckpegel der Antriebsvorrichtungen zu erhöhen, sofern die Strukturen
der An triebsvorrichtungen für
den höheren
Druck geeignet sind. Beispielsweise ist es möglich, das System derart zu verwenden,
dass der Druck in der Verteilungsrohranordnung hinter dem Kompressor
z.B. 14 bar beträgt, und
der Druck in dem Rücklaufrohr
hinter der Antriebsvorrichtung 7 bar beträgt. Die von dem Kompressor
des Systems benötigte
Energie beträgt
dann nur ungefähr
30% der Energie, die benötigt
würde, falls
das System derart verwendet würde,
dass der Druck hinter dem Kompressor 7 bar betrüge und der Druck in dem Rücklaufrohr
0 bar betrüge,
d.h. gleich dem atmosphärischen
Druck wäre.
Bei den genannten numerischen Werten handelt es sich nur um Beispiele
für das
Maß an
Kostenersparnis, das durch Erhöhen
des generellen Druckniveaus des Systems erzielt werden kann. Es
ist eher wahrscheinlich, dass die Druckpegel niedriger als oben
angegeben gehalten werden müssen,
was insbesondere aufgrund der Tatsache der Fall ist, dass herkömmliche
Druckluftantriebsvorrichtungen nicht für die Verwendung bei den oben
angeführten
Drücken
geeignet sind. In jedem Fall wird durch die Erzielung einer normalen
Betriebsdruck-Differenz dahingehend, dass ein vorbestimmter Gegendruck
auch hinter der Antriebsvorrichtung herrscht, eine beträchtliche
Kostenersparnis erreicht.
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Mit
der gestrichelten Linie in 1 ist eine Druckluft-Antriebsvorrichtung 6 angedeutet,
bei der hier angenommen wird, dass es sich um eine Blasantriebsvorrichtung
handelt, d.h. eine Antriebsvorrichtung, bei keine Rückgewinnung
von Druckluft möglich
ist. Somit entweicht Luft aus dem System. Zum Ersetzen der entwichenen
Luft ist der Kompressor 1 mit einem zweiten Einlass 10 versehen,
der in gestrichelter Linie angedeutet ist. Falls normale Luft, d.h. Feuchtigkeit
enthaltende Luft, durch diesen Einlass eingelassen wird, muss das
System mit einer in gestrichelter Linie angedeuteten Nachbehandlungsvorrichtung 9 versehen
sein, die Trocknungsvorrichtungen enthält, um die in der Ersatzluft
enthaltene Feuchtigkeit zu entfernen. Ein ebenfalls in gestrichelter
Linie angedeutetes Ventil 14 schließt dann die direkte Rohrverbindung 3.
Falls dem Einlass 10 vorgetrocknete Luft zugeführt wird,
wird die Trocknungsvorrichtung natürlich nicht benötigt, oder
sie kann umgangen werden. In jedem Fall kann die Nachbehandlungsvor richtung 9 in
ihrer Kapazität
und in ihrer Feuchtigkeitsentfernungsfähigkeit wesentlich reduzierter
ausgelegt sein, da sie nur diejenige Luft zu trocknen braucht, die
von der Blasantriebsvorrichtung 6 benötigt wird. Die Nachbehandlungsvorrichtung 9 kann
auch derart verwendet werden, dass nur dann Luft durch sie hindurchgeleitet
wird, wenn Antriebsvorrichtungen, die Luft aus dem System entweichen
lassen, in Betrieb sind. Die Nachbehandlungsvorrichtung braucht
somit nicht in fortlaufendem Betrieb zu sein, wodurch ebenfalls
Energie gespart wird. In einem derartigen Fall tritt kein Druckverlust
auf, da Luft an Nachbehandlungsvorrichtung 9 vorbei passieren
kann.
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Die
Blasantriebsvorrichtung 6 kann alternativ dahingehend aufgefasst
werden, dass sie Lecks repräsentiert,
die in den meisten Druckluftsystemen existieren. Falls das System
anderweitig voll geschlossen ist, können bei dem System gemäß 1 Lecks
im System sehr leicht und zuverlässig
detektiert werden, und ihre Größe kann
gemessen werden. Falls nämlich
Rohr-Lecks existieren, führt
dies zu einem unmittelbaren Druckabfall an der Ansaugseite des Kompressors 1,
falls der Kompressor-Zuführdruck
konstant gehalten wird. Dieser Druckabfall kann leicht gemessen
werden, und somit kann die Menge des aus dem System entwichenen
Luft gemessen werden, wenn das kombinierte Volumen des Saugrohrs 7 und
des Tanks 8 bekannt ist. Das leichte Messen eines möglichen
Leckbetrags oder Leckflusses bildet einen weiteren signifikanten
Vorteil des geschlossenen Systems der Erfindung gegenüber einem
herkömmlichen
offenen Druckluftsystem.
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Eine
Kompensation möglicher
Lecks kann entweder in der oben beschriebenen Weise, bei welcher
der Kompressor mit einem zweiten Einlass 10 versehen ist,
oder dadurch erfolgen, dass nachbehandelte und trockene Luft in
die Verteilungsrohranordnung eingegeben wird. In 1 ist
diese Zufuhr durch gestrichelte Linien 11 und 12 angedeutet.
Der Einlass 11 ist vor den Verwendungsstellen 5 mit
der Verteilungsrohranordnung verbunden, und der Einlass 12 wiederum
ist mit der Rücklaufrohranordnung 7 verbunden.
Sämtliche
der oben erwähnten
Ersatzluftzuführwege 10, 11 und 12 sind
ferner mit einer Einheit 13 verbunden, bei der es sich
um eine Mess vorrichtung handelt, die den Luftvolumenstrom und/oder
die Luftmenge misst, der bzw. die durch die Einheit hindurchgeführt wird,
und somit eine direkte Information über den Leckfluss des Systems
oder den Betrag des Leckflusses oder den Volumenstrom oder Luftbetrag
liefert, den die Lecks und die Antriebsvorrichtungen, in denen keine
Luft rückgewonnen
werden kann, zusammen verbrauchen. Die Einheit 13 kann
auch ein Rückschlagventil,
Druckreduzierungsventil oder Druckregelventil enthalten, mittels
dessen die Verbindung zu einer externen Druckquelle wie gewünscht geöffnet oder
geschlossen werden oder Ersatzluft automatisch in das System eingelassen
werden kann, falls dies erforderlich ist. Zur Kompensation von Lecks
sollte das System mit einer der in 1 durch
gestrichelte Linien angedeuteten Alternativen versehen sein. Wenn
der Einlass 10 verwendet wird, ist der Einlass 2 z.B.
mittels eines Ventils 50 geschlossen.
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Vorstehend
wurde beschrieben, wie Lecks in einem geschlossenen System gemessen
werden können.
Das gleiche Prinzip kann auch angewandt werden zum Messen des Druckluftbetrags
oder Volumenstroms, die von den Blasantriebsvorrichtungen und möglichen
Lecks zusammen verbraucht werden. Falls der von den Blasantriebsvorrichtungen
verlangte Volumenstrom bekannt ist – wobei dieser leicht mittels
herkömmlicher
Volumenstromsensoren bestimmt werden kann – kann der Rohr-Leckstrom aus dem
Gesamtvolumen erhalten werden, indem der von den Blasantriebsvorrichtungen
verlangte Volumenstrom subtrahiert wird. Dementsprechend kann, falls
bekannt ist, dass das System keine Rohrlecks aufweist, das Verfahren
zum Bestimmen des Druckluft-Volumenstroms oder -betrags verwendet
werden, der von Antriebsvorrichtungen ohne Luftrückgewinnung gebraucht wird.
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2 zeigt
als Beispiel eine sehr generelle schematische Darstellung einer
zweiten Ausführungsform
des Systems der Erfindung. In dieser Figur sind die Verwendungsstellen
des Systems durch das Bezugszeichen 25 gekennzeichnet.
An diesen Stellen kann sämtliche
Luft rückgewonnen
werden. Bei diesem System gemäß 2 ist
ein System, das im Wesentlichen dem System gemäß 1 entspricht, um
die Antriebsvorrichtungen 25 herum ausgebildet, wodurch eine Luft-Rückgewinnung
ermöglicht
wird. Das System weist mindestens einen Kompressor 21, der
mit einem Saugrohr 22 und einem Ausgaberohr 23 zum
Zuführen
von Druckluft durch die Verteilungsrohranordnung 26 zu
den Antriebsvorrichtungen 25 versehen ist, und ein Rücklaufrohr 27 auf,
das die Antriebsvorrichtungen mit dem Saugrohr 22 des Kompressors 21 verbindet.
Das Saugrohr 22 ist mit der Druckluftverteilungs-Rohranordnung 20 einer
Industrieanlage verbunden, z.B. mittels einer Vorrichtung 24,
die mindestens ein Ventil enthält,
das ein Druckreduzierungsventil oder Druckregelventil sein kann
und durch das, falls erforderlich, zusätzliche Luft in das Saugrohr 22 hinein
ausgelassen werden kann.
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Die
Druckluftverteilungs-Rohranordnung 20 gehört zu einem
Drucklufterzeugungssystem, das bei Bedarf auf hinreichendem Hockdruck – wie z.B.
auf 8 bar – befindliche
nachbehandelte Druckluft mit hinreichend niedrigem Taupunkt liefert.
Mittels der Vorrichtung 24 kann diese Druckluft in das
Saugrohr 22 des Kompressors 21 eingelassen werden,
entweder zum Füllen
des Systems oder zum Kompensieren möglicher Lecks. Die Vorrichtung 24 kann
somit ein Rückschlagventil,
Druckreduzierungsventil oder Druckregelventil enthalten, mittels
dessen das Druckniveau des Saugrohrs 22 z.B. auf 2 bar
gesetzt werden kann. Die Vorrichtung 24 kann auch mit einem
Strömungsmesser
versehen sein, mit dessen Hilfe der Bedarf an Ersatzluft, d.h. das
Maß an
Lecks in dem geschlossenen Kreislauf, der den Kompressor 21 enthält, direkt
festgestellt werden kann. Falls der im Saugrohr 22 herrschende
Druck wie oben erwähnt
2 bar beträgt
und der Zuführdruck
des Kompressors 21 auf 9 bar liegt, herrscht an den Verwendungsstellen 25 ein
Druck von über
7 bar.
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Da
die Luft in der Rohranordnung 20 bereits trocken ist, ist
in diesem geschlossenen Zweig, der durch die Vorrichtung 24 angeschlossen
ist, keine separate Trocknungsvorrichtung erforderlich, und aus dem
Kompressor 21 kommende Luft kann direkt den Antriebsvorrichtungen 25 zugeführt werden,
wodurch eine Luft-Rückgewinnung
ermöglicht
wird. Durch das Rückführen der
druckreduzierten Trockenluft über die
Rücklaufrohranordnung 27 zu
dem Saugrohr 22 entfällt
die Notwendigkeit eines erneuten Trocknens der mittels der Antriebsvorrichtungen 25 in
Umlauf befindlichen Luft. Mit dem System gemäß 2 werden
somit aufgrund der Rückgewinnung
aus den Antriebsvorrichtungen 25 die gleichen Einsparungen
erzielt, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem System gemäß 1 beschrieben
wurden.
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Das
System gemäß 2 ist
ferner mit Komponenten versehen, die in der in gestrichelten Linien angedeuteten
Weise mit ihm verbunden sind und die eine Situation betreffen, in
welcher der Kompressor 1 aus irgendeinem Grund keine Druckluft
erzeugt. Falls ein durchgehender Betrieb der Antriebsvorrichtungen 25 gewährleistet
sein soll, sind Sicherheitsvorkehrungen erforderlich. Dies hat mit
der sogenannten Primär-Netzwerk-Implementierung
für wichtige
Verwendungsstellen 25 zu tun. Die Verfügbarkeit von Druckluft für die Verwendungsstellen 25 ist
dann selbst in einer Situation gesichert, in der der Kompressor 21 keine
Druckluft erzeugen kann. Die Option einer Primär-Netzwerk-Lösung bildet
einen weiteren Vorteil des geschlossenen Systems gemäß der Erfindung gegenüber dem
herkömmlichen
offenen Druckluftsystem. Falls der Kompressor 21 beschädigt ist,
wird der Druck des Netzes 20 direkt zu dem Auslassrohr 23 des
Kompressors geleitet, indem der Kompressor 21 über eine
Umgehungsleitung 28 und ein in dieser angeordnetes Ventil 30 umgangen
wird und indem die Vorrichtung 24 derart gesteuert wird,
dass eine direkte Verbindung zu dem industriellen Luft-Netz 20 geöffnet wird.
Da der Umlauf-Kompressor nicht in Betrieb ist, wird druckreduzierte
Luft hinter den Antriebsvorrichtungen 25 durch einen Auslass 29 ausgelassen,
indem dessen Ventil 32 geöffnet wird. Ferner muss der
Ausgang der Vorrichtung 24 von der Rücklaufleitung 27 abgekoppelt
werden, indem ein in dieser angeordnetes Ventil 31 geschlossen
wird, um zu verhindern, dass der Druck des Netzes 20 durch
den Ausgang 29 austritt. Das System ist dann offen, da Luft
aus den Antriebsvorrichtungen nicht zwecks Umlaufens rückgewonnen
wird, sondern durch das Rohr 29 und das Ventil 32 nach
außen
geleitet wird. Der Druck des Druckluftnetzes 20 wirkt dann
auf die Druckluft-Antriebsvorrichtung 25, so dass keine
Unterbrechung des Betriebs erfolgt.
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Das
System gemäß 2 ist
auch insofern interessant, als es eine sehr vorteilhafte Möglichkeit bietet,
die Kapazität
des Druckluftsystems zu erhöhen,
entweder wenn dem System eine neue Verwendungsstelle hinzugefügt wird,
bei der die druckreduzierte Druckluft rückgewonnen werden kann, oder falls
das System bereits derartige Verwendungsstellen aufweist, aus denen
eine Rückgewinnung
in einfacher Weise bewerkstelligt werden kann. Falls die Kapazität eines
herkömmlichen
Druckluftsystems nahezu vollständig
benutzt wird, sind möglicherweise sehr
hohe Investitionen erforderlich, um die Produktions- und Nachbehandlungs-Kapazitäten der
Kompressoren zu erhöhen.
Eine derartige aufwendige Investition kann durch Verwendung der
Lösung
gemäß 2 vermieden
werden, da die Kapazität
des Grundsystems 20 dann nicht vergrößert zu werden braucht, falls
die Antriebsvorrichtungen 25 von dem System getrennt sind
und dabei ihre eigenen geschlossenen Kreisläufe bilden, oder falls ihnen
neue Antriebsvorrichtungen 25 hinzugefügt werden, da diese Antriebsvorrichtungen 25,
die in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind, in keiner Weise
die von dem Grundsystem 20 benötigte Luftmenge erhöhen. In
dieser Weise kann eine kostenaufwendige Kapazitätserhöhung des Grundsystems durch
einen kostengünstigen
zusätzlichen
Kompressor 21 ersetzt werden, der noch nicht einmal eine Nachbehandlungsvorrichtung
benötigt.
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Falls
man generell ein Druckluftsystem der Erfindung untersucht, das nachbehandelte
Druckluft verlangt (das maximale Taupunkt-Erfordernis beträgt z.B.
+2°C, -20°C oder -40°C), und das
Drucklufterzeugungssystem ölgeschmierte
Schrauben- oder Drehkompressoren erfordert, wird die Nachbehandlungsvorrichtung
in der Praxis nicht benötigt
und verursacht somit keinen Energieverlust, so dass die Energieersparnis
ungefähr
15% beträgt.
Ferner ist es möglich,
eine nahezu isotherme Verdichtung zu verwenden, was eine Energieersparnis
von 25% bedeutet. Falls ein Druck von 2 bar in dem Saugrohr (=Rücklaufrohr)
besteht und der Zuführdruck
des Kompres sors 9 bar beträgt,
um einen Druck von 7 bar an der Verwendungsstelle zu erzeugen, wird
eine Energieersparnis von über
15% erzielt. Falls sämtliche der
oben erwähnten
Einsparungen in dem gleichen System vereinigt werden können, beträgt die Gesamt-Einsparung über 50%.
Bei anderen Kompressor-Typen beträgt die Energieersparnis ungefähr 25%,
da ihr Verdichtungsvorgang nicht in der gleichen Weise verbessert
werden kann wie derjenige bei ölgeschmierten
Schrauben- und Drehkompressoren. Auch in diesem Fall ist das Nachbehandlungssystem
unnötig.
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Falls
der Taupunkt keinen Anforderungen unterliegt und es sich bei den
Kompressoren um ölgeschmierten
Schrauben- oder Drehkompressoren handelt, wird das gleiche Ergebnis
wie oben erzielt. Auch in diesem Fall sollte getrocknete Saugluft
verwendet werden, um einen nahezu isothermen Verdichtungsvorgang
in dem Kompressor zu erreichen. Die Energieersparnis ist die gleiche
wie oben. Wenn andere Kompressor-Typen verwendet werden, braucht
keine trockene Luft im Umlauf verwendet zu werden, und feuchte Luft
ist ebenfalls geeignet. Das Entfernen kondensierten Wassers aus
einer derartigen Ersatzluft kann auf elementare Weise vorgenommen
werden, z.B. mittels herkömmlicher
Wasserreduziervorrichtungen, falls gewünscht und erforderlich. Die
Energieersparnis beträgt
dann ungefähr 25%.
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Ferner
ist anzumerken, dass der Umlauf in jedem Druckluftsystem auf irgendeinem
Niveau getätigt
werden kann, indem entweder ein existierender Kompressor verwendet
wird oder ein neuer Kompressor (mehrere neue Kompressoren) in Betrieb
genommen werden, die für
den Umlauf vorgesehen sind. Die Möglichkeiten und das Ausmaß der Anwendung
der Erfindung richten sich je nach der Struktur und dem Typ des
Systems.
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Das
gemäß der Erfindung
vorgesehene System zum Erzeugen und Herstellen von Druckluft wurde
oben lediglich anhand einer Ausführungsbeispiele beschrieben,
und es wird darauf hingewiesen, dass diese Systeme modifiziert werden
können,
ohne von dem in den beigefügten
Ansprüchen
definierten Schutzumfang abzuweichen.