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Verfahren zur Erhöhung der Liefermenge von mehrstufigen Verdichtern
oder Verdichteranlagen Gegenstand vorliegender Erfindung bildet ein Verfahren, welches
geeignet ist, die Liefermenge von mehrstufigen Verdichtern oder Verdichteranlagen
zu erhöhen, ohne weitgehende und kostspielige bauliche Veränderungen an den Maschinen
vornehmen züi müssen und ohne das Baumaterial zu hochzu beanspruchen oder die Antriebsmaschinen
unzulässig zu überlasten.
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Der Gedanke, dieses Ziel dadurch zu erreichen, daß man den Verdichtern
das Gas in vorverdichtetem Zustande zuführt, liegt nahe. Er ist auch, soweit es
sich um einstufige Verdichter handelt, im allgemeinen ohne weiteres zu verwirklichen,-
da die ent# sprechende Kennlinie der Verdichter, d. h. die Kurve der Verdichtungsleistung
als Funktion des Vordrucks, in ihrem Maximum selten die Leistung der Antriebsmaschine
überschreitet.
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Bei zwei- -oder mehrstufiger Verdichtung liegen die Verhältnisse aber
anders, da hier das Verdichtungsverhältnis der ersten Stufe nicht einfach durch
Anfangs- oder Enddruck gegeben und veränderlich ist, sondern eine durch das Verhältnis
der Hubvolumina der ersten und der zweiten bzw. der weiteren Stufen gegebene und
ohne besondere Maßnahmen unveränderliche Größe besitzt.
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Infolgedessen wird mit dem Vordruck auch der Verdichtungsdruck der
ersten Stufe wachsen und -sehr bald der Punkt erreicht sein, wo der Gestängedruck
eine weitere Steigerung nicht mehr zuläßt. Man könnte daran denken, diese Schwierigkeit
dadurch zu beheben, daß man das Zylindervolumen der zweiten bzw. der höheren Stufen
ver 'größert, und so das Verdichtungsverhältnis der ersten Stufe verkleinert, so
daß der Gestängedruck der ersten Stufe in den zulässigen Grenzen bleiben würde.
Allein diese Maßnahme ist nicht angängig, da nun der Gestängedruck der zweiten bzw.
der weiteren Stufen zu groß und außerdem die Antriebsmaschine bald Überlastet würde,
indem die entsprechende Charakteristik bei zwei- oder mehrstufiger Verdichtung,
also höherem Verdichtungsdruck,
ein Maximum aufweisen kann, welches
weit über der Antriebsfeistung der Maschine liegt. Außerdem würde die Vergrößerung
der Zvlindervolumina nur durch Einbau größerer Zvlinder der zweiten bzw. der weiteren
Stufen zu erreichen sein, was einen tiefgebenden und störenden Eingriff in die Maschine
bedeuten würde.
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Das vorliegende Verfahren stellt nun eiae bessere und brauchbarere
Lösung der ein-"an, gs gestellten Aufgabe dar.
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Es besteht darin, das zu verdichtende Gas in einer besonderen Maschine
vorzuverdichten und der ersten Stufe des Verdichters oder der Anlage in vorverdicbtetem
Zustande zuzuführen, das Verdichtungsverhältnis derselben aber durch Verringerung
des Liefergrades so einzuschränken, daß der Verdichtungsenddruck in den durch die
baulichen Verhältnisse gegebenen Grenzen gehalten Z, el werden kann. Die
technische Durchführuntdes Verfahrens bietet keine besonderen Schwierigkeiten.
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Die Verringerung des Liefergrades der ersten Stufe kann mit Hilfe
eines der be-
kannten Verfahren zur Lieferrnengenregelung von Verdichtern
erreicht werden, also beispielsweise durch teilweisien Ausschub der angesaugten
Gasmenge durch die gest--nert2n und -bis zu einem gewissen Punkt offen gebaltenen
Saugventile.
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Zur Vorverdichtung werden sich, da es sieh um geringe Verdichtungsdrücke,
aber meiet größere Mengen handeln wird, Turboverdichteraggregate besonders eignen;
man wird im allgemeinen, wenn es sich -um eine Anlage mit mehreren Verdichteraggregaten
handelt, die Vorverdichtung durch ein einziges, für alle Verdichter gemeinsames
Aggregat bewerkstelligen.
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Eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage durch den
Arbeitsverlust- des Vorverdichters tritt nicht ein, da er durch den Umstand wieder
ausgeglichen wird, daß die Verdichtung bei den neuen Verfahren dreistufig erfolgt,
also mit besserem Wirkungsgrade als bei der normal-en zweistufigen Verdichtung.
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Die vorstehenden Ausführungen sollen an Hand eines Beispieles näher
erläutert werden. -E ' s werde ein doppelt wirkender, zweistu,-figer Kolbenverdichter
betrachtet, dessen normales Verdichtungsverhältnis in jeder Stufe z# 3 :
I beträgt: das Verhältnis der wirksamen Kolbenflächen ist dann beli gleichem Hub
auch 3 : I . Maßgebend für die Beurteilung ist die Veränderung der
Beanspruchung dus Triebwerkes, und zwar im vorderen Totpunkt; sie ergibt sich aus
den resultierenden Kolbenkräften. In der Zeichnung ist die Wirkungsweise k# der
nach dem neuen Verfahren arbeitenden Maschine im Vergleich mit der normal arbeitenden
und der nur mit erhöhtem Vordruck arbeitenden Maschine durch die Fil,'r. i bis
3 dargestellt. Fig. i zeigt das p7,-Di,-gramm der normal mit dem Vordruck
i ata arbeitenden Maschine, und zwar ist a 1) c -!
das Diagramm
der ersten, b e f c das d,--izweiten Stufe. Die Verdichtungslinien
siad der Einfachheit halber als Isothermen 1-e zeichnet, weil es ja für die Betrachtung
der Endzustände gleichgülti 'g ist, ob die Verdiclitun 1- isothermisch
oder adiabatisch mit vollstä,ndiger Rückkülilung erfolgt. Der DrucK-unterschied
am Niederdruckkolben beträgt im Totpunkt 3 - i = 2 und der am Hochdrucl,-kolben
9- 3 = 6, oder auf den Niederdruckkolben bezogen :2 1.:g/CM2, so daß die
Gesamtbelastung des Triebwerkes bei Reihenanordnung 2 + 2 #
4 kg/cm-' mal Fläche des Niederdruckkolbens beträgt (s. auch die Tabelle).
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Fig. 2 zeigt das Diagramm derselben Maschin#e bei reiner Vordruckerhöhung
von i auf 1,5 ata, also einer Vergrößerung der Liefermenge um 5o '/" mit der gleichen
Bezeichnung der Stufen wie vorher. Man sieht. daß der Verdichtungsünddruck der ersten
Stufe, also der Zwischendruck, von 3 auf 4,; ata stei 'gt, so daß der Druckunterschied
am Niederdruckkolben nunmehr 4,5-1,5#3 beträgt, also 5o % mehr als vorher,
während der Druckunterschied am Hochdruckkolbeu 2
.auf 9-4,5
= 4,5 I<g/cm" oder auf 1,5 1,1g/cm ,
bezogen auf den Niederdruckkoll>en,
also um 25 '/, zurück-gegangen ist. Die Gesamtbeel lastun- des Triebwerkes
beträgt sonach bei Reihenanordnung 3 + 1,5#= 4,5 1,9/em-, ist also
gegenüber der normal arbeitenden Maschine um 12,5 % gestiegen. Desgleichen
di,:# des Rahmens usw.
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Fib-. 3 zeigt nun das Diagramm der Maschine nach dem neuen
Verfahren, und zwar ebenfalls bei 5o % Liefermengenerhöhung. Es ist
a, b c d e das Diagrainra der ersteli, c f g d
das der zweiten Stufe. Der Vordruck beträgt hier - ata; von dem angesaugten
Volumen werien aber 25 % mit Hilfe el der gesteuerten Saugventile oder einer
anderen bekannten Vorrichtung wieder ausgeselioben, bevor die Verdichtun- erfolgt,
so daß der Verdichtungsenddruck der ersten Stufe an sich derselbe bleibt ivie in
Fig g. 2 bei reiner Vorverdichtung, nämlich 4,5o ata. Der Druckunterschied am Niederdruckkolben
beträgt jetzt nur noch 4,5-2=2,5, also nur noch 25 '/, mehr als bei
der normal arbeitenden Maschine, während der am Hochdruckkolben wie vorher 9-4,5=4,5,
oder auf den Niederdruckkolben bezogen = 1,5 ist. Bei
Reihenanordnung
beträgt sonach jetzt die Gesamtbelastung des Triebwerkes usw. 2,5 + 1,5 #
4 1<9/,cm2, #d. h. sie ist gegen Über der normal ' arbeitenden Maschine
überhaupt nicht'gestiegen.
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Zur Ergänzung 'sind in den Fig. 2 und 3
noch die Diagramme für
eine Erhöhung der Liefermenge um ioo 0/, gestrichelt angedeutet; die #zugehörigen
Werte sind auch aus der Tabelle zu entnehmen. Man sieht, daß hier die Beanspruchung
des Triebwerkes usw. bei reiner Yorverdichtung schon um 25 '10 steigt, wArend
sie bei dem neuen Verfahreln unverändert bleibt.
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Man erkennt also aus den vorstehenden Beispiel-en, daß es mit Hilfe
des neuen Verfahrens möerlich ist, den Verdichtungsendz# 2n druck bzw. das Verdichtungsverhältnis
der ersten Stufe so zu beeinflussen, daß die durch den Verdichtungsenddruck verursachten
Beanspruchungen des Triebwerkes und des Rahmens usw. nicht über die durch die baulichen
Verhältnisse gegebenen Grenzen hinausgehen.
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In der nachfolgenden Zahlentafel sind die Betriebsdaten der Maschine
für 3 verschiedene Fälle dargestellt, nämlich i. für normal-en Betrieb, 2.
für Betrieb mit reiner Vorverdichtung und 3. für Betrieb mit Vorverdichtung
und verringertem Liefergrade der ersitein Stufe, und zwar je für
50 und iooo/o Liefermengenerhöhung.
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Die Vorteile des neuen Verfahrens ergeben sich -auf der Zahlentafel
ohne jede weitere Erläuterung, wobei zu bemerken ist, daß die zugrunde gelegten
Annahmen noch nicht die günstigs-t,en sind.
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Besonders zu erwähnen ist noch, daß die Anwendun
'g des neu-en
Verfahrens gegenüber der Installation neuer Aggregate neben der Kostenverringerung
auch eine ganz erhebliche Materialersparnis mit sich bringt.
| Normaler Betrieb mit reiner Betrieb mit Vorverdichtung |
| Betrieb Vorverdichtung und verringertem Liefergrad |
| Erhöhung der Liefer- |
| menge ............ 50 ioo 50 ioo « 0/0 |
| Vordruck ........... 1,00 1,50 2,00 2,00 3,00
ata |
| Verminderung des |
| Liefergrade# der |
| i. Stufe ........... - - - 25,00 33,00 |
| Druck hinter der |
| i. Stufe .......... 3,00 4,50 6,oo 4,50 6,oo
ata |
| Druck hinter der |
| 2. Stufe .......... g,oo g,oo g,oo g,oo g,oo ata |
| Verdichtungsverhältnis |
| in der i. Stufe .... 1:3 1:3 1:3 1 2,225 1:2 |
| Verdichtungsverhältnis |
| in der 2. Stufe .... 1.-3 1: 2 1: 1,5
1 2 1: 1,5 |
| Druckunterschied- am |
| Kolben der i. Stufe 2,00 3,90 4,00 2,50 3,00
ata |
| Druckunterschied am |
| Kolben der 2. Stufe 6,oo 4,50 3,00 4,50 3,00
ata |
| oder auf die Kolben- |
| fläche der i. Stufe |
| bezogen ........... 2,00 1,50 1,00 1,50
1,00 ata |
| Summe der Druck- |
| unterschiede ........ 4,00 4,50 5,00 4,00 4,00
ata |
| Änderung der Bean- |
| spruchung in der |
| i. Stufe ........... 0,00 + 50,00 +IOD,00 + 25,00 + 50,00
0/0 |
| Änderung der Bean- |
| spruchung in der |
| ?- Stufe ........... 0,00 - 25,00 - 50,00 - 25,00
- 50,00 |
| Änderung der Gesamt- |
| beanspruchung bei |
| Reihenanordnung |
| (außer Kolben) . ..., 0,00 + 12,50 + ?,5,00 0,00
0,00 |
| Normaler Betrieb mit reiner Betrieb mit Vorverdichtung |
| Betrieb Vorverdichtung und verringertem Liefergrad |
| Adiabatische Verdich- |
| tungsleistung in der |
| i. Stufe ............ 48 72 96 49 1 55 PS/i
000 m3 |
| Adiabatische Verdich- |
| tungsleistung in der |
| 2. Stufe ........... 48 42 32 42 31 PS/iooo
in3 |
| Summe der Verdich- |
| tungsleistungen im |
| Verdichter ........ 96 114 128 gi 86 PS/1000M3 |
| ÄnderungderBelastung |
| derAntriebsmaschine - + 18,8o + 33,30 -5,20 10,40
0/0 |
| Adiabatische Verdich- |
| tungsleistung im Vor- - |
| verdichter . . ....... - 23 56 42 96 PS/i 000 m3 |
| Summe aller Verdich- |
| tungsleistungen .... - 137 184 133 182 PS/i 000 m3 |
| Verdichtungsleistung |
| bei normaler zwei- |
| stufiger Verdichtung |
| der erhöhten Liefer- |
| menge ............ - 144 192 144 192 ;PS/IOOOM3 |
| Leistungsgewinn ...... - 4,85 4,17 7,65 5,22 |