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Verfahren zum Kühlen von Druckgas zwecks Ausscheidung von Schmieröl
und Wasser und zum Wiederanwärmen dieses Gases zwecks Erhöhung »seines Arbeitsvermögens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um mittels eines Strömungsmittels, das im
nachfolgenden auch Kühlströmungsmittel genannt wird, durch Wärmeaustausch ein unter
Druck gesetztes gasförmiges Strömungsmittel, das im nachfolgenden auch Gasströmungsmittel
genannt wird, insbesondere Druckluft, nach der Verdichtung zwecks Ausscheidung von
Schmieröl und Wasser zu kühlen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren, um
das verdichtete und so gekühlte Gas nach der Kühlung zur Erhöhung seines Arbeitsvermögens
wieder zu erwärmen.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Verdichteranlagen, insbesondere Rotationskompressoranlagen
zur Erzeugung von Druckluft, wurde die PreBluft zur Rückgewinnung d-s Schmieröls
bzw. zur Ausscheidung des in der Prellluft enthaltenen Wassergehaltes möglichst
tief heruntergekühlt, um das Schmieröl zur Ausscheidung und den Wasserdampfgehalt
zur Kondensation und Ausscheidung zu bringen. Nach der Rückkühlung heizte man dann
vielfach die Druckluft künstlich durch Fremdwärmezufuhr wieder auf, um sie dann
dem Verwendungszweck zuzuführen. Die Wiederaufheizung diente einmal dazu, die in
der Druckluft enthaltene Energie weitgehend auszunutzen, andererseits, um die bei
der Entspannung im unaufgeheizten Zustand
entstehenden tiefen Temperaturen
und das Einfrieren der - Preßlüftwerkzeuge zu vermeiden. Die zum Wiederaufheizen
dienende Wärmemenge müßte dabei entweder durch eine Feuerungsanlage oder auf einem
anderen Wege eigens erzeugt oder anderen Betriebsmitteln entzogen werden.
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Erfindungsgemäß wird das gasförmige Strömungsmittel zeitlich nacheinander
in zwei hintereinandergeschalteten Stufen gekühlt und zur Kühlung der vorgeschalteten
Gaskühlstufe eines der beiden Strömungsmittel benutzt, nachdem es den Wärmeaustauscher
der nachgeschalteten Gaskühlstufe durchströmt hat.
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Falls die vorgeschaltete Gaskühlstufe von dem Kühlströmungsmittel
gekühlt wird, ergibt sich die an sich bekannte Gegenlaufschaltung. Damit wird bei
gleicher Menge von Kühlströmungsmittel eine Erniedrigung der Temperatur des zu kühlenden
Gases oder bei Gleichhaltung der Kühltemperatur des zu kühlenden Gases eine Verringerung
der Menge des Kühlströmungsmittels erreicht. Wenn jedoch erfindungsgemäß das in
der nachgeschalteten Gaskühlstufe gekühlte Gas zur Kühlung des Gases in der vorgeschalteten
Gaskühlstufe benutzt wird, wird ein Teil der Wärmemenge, die von der Verdichtung
her in dem Druckgas enthalten ist, zur Wiederaufheizung der durch das Kühlströmungsmittel
gekühlten Druckluft benutzt. Auf diese Weise ergibt sich eine erhebliche Wärmeersparnis.
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Vorzugsweise wird das Kühlströmungsmittel nach Kühlung der nachgeschalteten
Gaskühlstufe zur Kühlung des Verdichters und/oder zur Zwischenkühlung des Gases
während der Verdichtung benutzt. Bei bekannten Anlagen dieser Art wird häufig der
Wärmeaustäuscher, der zur Kühlung des Gases zum Zweck der Ausscheidung von Wasser
und Schmieröl dient, wasserseitig dem , Verdichter parallel geschaltet. Bei Kühlwassermangel
bzw. bei hohem Kühlwasserpreis bevorzugt man es hingegen, diesen als Nachkühler
bezeichneten, zum Zweck der Wasser- und Schmierölausscheidung vorgesehenen Wärmeaustauscher
dem Verdichter bzw. dem Zwischenkühler eines .zweistufigen Verdichters so vorzuschalten,
daß das Kühlströmungsmittel niedrigster Zulauftemperatur zunächst dem Nachkühler
und erst von dort aus dem Zwischenkühler und dem Verdichter oder den Verdichterstufen
zugeführt wird. Dies hat aber den Nachteil, daß das dem Zwischenkühler des Verdichters
und dem Kompressor oider dien Kompressorstufen zufließende Xühlströrhunbsmittel
im Nachkühler vorgewärmt wind. - Die im Zwischenkühler erreichbare Rück-#lcüh ltemp-eratur
fällt dadurch: -'höher aus und beeinträcfttigt (den thermischen Wirkungsgrad des
Verdichters. -Die erfindungsgemäße Schaltung hat auch die günstige Wirkung zur Folge,
daß das vom Verdichter kommende vorgewärmte Kühlströmungs-.mittel einen Teil 'der
indem heißen Druckgas enthaltenen Wärme aufzunehmen imstande ist, ohne einen schädlichen-
Einfluß auf den thermischen ;Wirkungsgrad des Verdichters auszuüben. Die gasse.tig
nachgeschaltete Nachkühlerstufe führt dem frisch zuströmenden Kühlströmungsmittel
nur die Restwärme des vorgekühlten Druckgases zu, so daß die Temperaturerhöhung-
des frisch zuströmenden Kühlströmungsmittels wesentlich herabgesetzt wird.
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Es ist erfindungsgemäß mit großem Vorteil möglich, die Nachkühlung
des Druckgases in drei Stufen vorzunehmen, indem das Gas in der ersten Stufe durch
dasjenige Druckgas gekühlt wird, das in der dritten Stufe durch frisches Kühlströmungsmittel
gekühlt wurde. Die zweite Gaskühlstufe wird durch das Kühlströmungsmittel gekühlt,
nachdem es die an letzter Stelle geschaltete Gaskühlstufe und den Verdichter und
unter Umständen den Zwischenkühler durchströmt hat.
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Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, und
zwar zeigt Abb. z ein Schaltschema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung,
bei der das aus dem Verdichter austretende Gas zum Zweck der Ausscheidung von Schmieröl
und Wasser nachgekühlt und danach zur Erhöhung des Arbeitsvermögens des Gases erwärmt
wird, Abb. 2 die sich hierbei ergebenden Temperaturen des Gases und des Kühlströmungsmittels
in @ Abhängigkeit von der Rohrlänge, Abb. 3 eine Anordnung, bei der erfindungsgemäß
das Gas in mehreren Stufen zeitlich nacheinander durch Kühlströmungsmittel gekühlt
wird, Abb. q. die sich bei einer Anordnung gemäß Abb. 3 einstellenden Temperaturen
des Gases und des Kühlströmungsmittels in Abhängigkeit von der Rohrlänge, Abb.5
eine Anordnung, bei der gemäß der Erfindung das Druckgas zeitlich nacheinander in
drei Stufen gekühlt wird, Abb. 6 die Temperaturen, die sich bei einer Anordnung
gemäß Abb. 5 für das Druckgas und für das Kühlströmungsmittel ergeben, in Abhängigkeit
von der Rohrlänge.
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Während in den Abb. z, 3 und 5 erfindungsgemäß Anordnungen schematisch
dargestellt sind, zeigen die Abb. 2, q. und 6 die sich dabei ergebenden Temperaturen
in Abhängigkeit von der Rohrlänge. Die luftführenden Rohrleitungen sind als ausgezogene
Linien, die kühlwasserführenden Rohrleitungen als gestrichelte Linien dargestellt.
Die erreichbaren Temperaturen sind nicht im T-S-Diagramm, sondern in Abhängigkeit
von der Länge der Wärmeaustauscherrohre gezeigt. Diese Darstellungsart ist gewählt,
um gleiche Bezugsgröße sowohl für die Kühlwasser- als auch für die Drucklufttemperaturen
zu haben.
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Nach Abb. r wird die von den Kompressorstufen r und 2 durch Motorantrieb
3 erzeugte Druckluft hoher Temperatur zunächst einem Wärmeaustauscher q. zugeführt,
von wo aus sie nach Abgabe eines großen Teiles der Kompressionswärme einem Nachkühler
5 zugeführt wird. Nach dem Verlassen des Nachkühlers, in dem die Druckluft mittels
Kühlwasser möglichst weit heruntergekühlt wird, passiert sie dann die Abscheideranlage
üblicher Bauart 6 und strömt von dort aus dem Wärmeaustauscher 4 wieder zu, in welchem
sie.die von der
Druckluft hoher Temperatur abgegebene Wärme aufnimmt.
Der Nachkühler 5 ist wasserseitig dem Zwischenkühler 7 bzw. den Kompressorstufen
r und 2 vorgeschaltet.
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Die den einzelnen Verdichtermeßstellen entsprechenden Temperaturen
sind in den Abb. i und 2 übereinstimmend eingetragen. Aus der Abb. 2 ist deutlich
zu erkennen, daß durch den Einfluß des Wärmeaustauschers 5 die dem Kühlwasser im
wasserseitig dem Kompressor vorgeschalteten Nachkühler zugeführte Wärme geringer
ist als bei voller Abgabe der Verdichtungswärme an das Kühlwasser.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsart ist es möglich, einen sehr
großen Anteil derKompressions-Wärme zurückzugewinnen, ohne den Abscheideeffekt an
ausgeschiedenem Wasser und ausgeschiedenem Schmiermittel zu beeinträchtigen. Ferner
ist dies möglich bei gleichzeitiger Ersparnis an Kühlwasser bzw. unter Verbesserung
des Kompressorwirkungsgrades durch bessere Kühlung.
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In den Abb. 3 und :I ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
dargestellt und verdeutlicht. Die Bezugszeichen sind die gleichen wie die Bezugszeichen
der Abb. i. Es sind wiederum zwei Nachkühler vorgesehen, von denen beide jedoch
dazu dienen, die Druckluft mittels Kühlwasser zu kühlen. Der eine mit Frischwasser
tiefster Zulauf temperatur beschickte Kühler 8 wird wasserseitig dem Zwischenkühler
7 des Kompressors und den Kompressorstufen i und 2 vorgeschaltet, während der zweite
dem Kompressor i, 2 wasserseitig nachgeschaltet wird, so daß das Kühlwasser nach
Durchströmen des Zwischenkühlers 7 und der Kompressorstufen i, 2 dem zweiten Nachkühler
5 zugeführt wird. Die vom Kompressor kommende heiße Druckluft wird zunächst dem
mit Kompressorabwasser beschickten Nachkühler 5 zugeführt und strömt von dort aus
zum mit Frischwasser beschickten Nachkühler B. An Stelle zweier Nachkühler 5 und
8 kann man auch einen einzigen inwendig unterteilten Nachkühler aufstellen, in dem
die Luft- und Kühlwasserströme sinngemäß geteilt geführt sind.
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Die Abb. q. zeigt die Temperaturen in dergleichen Darstellung wie
die Abb. 2.
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Die Temperaturzunahme des Kiihlwassers vom Eintritt in den Zwischenkühler
Tw2 bis zum Ablauf aus den Kompressorstufen Tw4 ist in Abb...1 deutlich erkennbar.
Auch ist aus dieser Abbildung erkennbar, daß die Ablauftemperatur Tw4 zur Kühlung
der heißen Preßluft von der Temperatur T11 auf die Temperatur T12 durchaus geeignet
ist. Schließlich ist aus Abb. q. erkennbar, um welche Temperatur die Zulauftemperatur
zum Zwischenkühler des Kompressors höher ausfallen würde, wenn die gesamte Verdichtungswärme
in einem Nachkühler an das zuströmende Frischwasser abgegeben würde.
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An Hand der Abb.5 Mist eine Anlage dargestellt, die die Schaltungen
der Aibb. i und 3 vereinigt. Die Abb.6 zeigt wiederum die sich dabei ergebenden
Temperaturen. Die Bezugszeichen sind wiederum die gleichen wie die in den Abb. i
und 3, und zwar sind an Stelle eines Nachkühlers drei Nachkühler 4., 5 und 8 vorgesehen,
von dcnen die Nachkühler 5 und 8 durch Kühlwasser gekühlt werden, während der Nachkühler
.4 durch Gas gekühlt wird und so gleichzeitig als Wärmeaustauscher zum Wiedererwärmen
des Gases dient. Das aus der zweiten Verdichterstufe austretende Gas strömt zuerst
durch den Wärmeaustaüscher 4, durch den von der Temperatur T1 aus die Temperatur
T2 gekühlt wird. Danach strömt das Gas durch die beiden Nachkühler 5 und 8, wo es
durch Kühlwasser von der Temperatur Tw. auf die Temperatur Tw, gekühlt wird. Schließlich
strömt das Gas durch die Vorrichtung 6 zum Ausscheiden von Schmieröl und Wasser
und von dort durch den Wärmeaustauscher 4., in dem das Gas wieder auf die. Temperatur
T5 angewärmt wird. Das Kühlwasser strömt zuerst durch den nachgeschalteten Nachkühler
8, von dortdurch Iden Zwischenkühler 7 und die beiden Verdlichterstufen i und 2
und: schließlich durch den vorgeschalteten Nachkühler 5, der im Sinne der Gasnachkühlung
an der mittleren Stelle eingeschaltet ist.
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Die Abb. 6 zeigt die sich dabei ergebenden Temperaturen in Abhängigkeit
von der Rohrlänge der verschiedenen Wärmeaustauscher :I, 5 und B. llan erreicht
auf diese Weise einerseits eine zum mindesten teilweise Rückgewinnung der Verdichtungswärme
und andererseits eine günstigere Kühlwassertemperatur.