EP0618361B1

EP0618361B1 - Method and apparatus for compressing a gas

Info

Publication number: EP0618361B1
Application number: EP94250063A
Authority: EP
Inventors: Harald Wenzel
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2014-03-11
Also published as: DE59401627D1; DE4310100C2; EP0618361A1; DE4310100A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for compressing a gaseous medium, in particular air, according to the preamble of claim 1.

Für den Anwendungsbereich im Baugewerbe werden häufig mobile Kompressoranlagen eingesetzt, deren flüssigkeitsgekühltes oder trockenlaufendes Verdichteraggregat durch die Nutzseite eines Antriebsaggregates beispielsweise Diesel- oder Elektromotor angetrieben wird. Die Druckgasqualität muß hinsichtlich ihrer relativen Feuchte oft als zu nass bezeichnet werden, unabhängig davon, ob die Feuchtigkeit über das angesaugte Gas direkt oder indirekt über die für die Kühlung und Schmierung des Verdichters eingespritzte Flüssigkeit eingebracht wird. Bei Verdichteranlagen für spezielle Anwendungen wird das Gas nach der Verdichtung zurückgekühlt und das ausfallende Kondensat in geeigneten Abscheidesystemen, z.B. Zyklonabscheider getrennt und von dem Druckgas abgeschieden. Das Druckgas hat nach diesem Abscheidevorgang eine relative Feuchte von 100 %, d. h. das Druckgas ist mit Dampfanteilen gesättigt. Wird das Druckgas ohne weitere Behandlung zu den Verbrauchsstellen geleitet und kühlt es sich auf diesem Wege weiter ab, so fällt sofort wieder Kondensat aus. Dieser Kondensatanfall kann in bestimmten Anwendungsfällen störend sein, beispielsweise beim Sandstrahlen zur Bausanierung, weil es dadurch zum Verkleben des Sandes kommt. Das Problem des Anfalls von Kondensat im Bereich der Verbrauchsstelle tritt aber auch dann auf, wenn das verdichtete Gas vor Abgabe nicht rückgekühlt wird. Bei herkömmlichen Verdichteranlagen, wie sie üblicherweise im Baugewerbe genutzt werden, ist in den meisten Fällen das anfallende Kondensat nicht schädlich, solange es nicht zum Vereisen kommt. Insbesondere bei Preßluftwerkzeugen führt eine Vereisung zu einer starken Funktionseinschränkung.For the area of application in the construction industry, mobile compressor systems are often used, whose liquid-cooled or dry-running compressor unit is driven by the useful side of a drive unit, for example a diesel or electric motor. The compressed gas quality often has to be described as too wet with regard to its relative humidity, regardless of whether the moisture is introduced directly or indirectly via the gas injected for cooling and lubricating the compressor. In compressor systems for special applications, the gas is cooled back after compression and the condensate that precipitates is separated in suitable separation systems, eg cyclone separators, and separated from the compressed gas. After this separation process, the compressed gas has a relative humidity of 100%, ie the compressed gas is saturated with vapor components. If the compressed gas is directed to the consumption points without further treatment, it cools down in this way further down, condensate will precipitate again immediately. This accumulation of condensate can be disruptive in certain applications, for example when sandblasting for building renovation, because it causes the sand to stick together. The problem of the accumulation of condensate in the area of the point of consumption also arises if the compressed gas is not recooled before being released. In conventional compressor systems, such as those commonly used in the construction industry, the condensate that accumulates in most cases is not harmful as long as it does not freeze. In the case of compressed air tools in particular, icing leads to severe functional restrictions.

Es sind nun einige Verfahren bekannt, bei denen durch eine nachträgliche Erwärmung des Gases die relative Feuchte abgesenkt wird. Eine der Möglichkeiten besteht darin (DE-GM 75 22 395; DE-GM 86 01 519) das Druckgas mit der thermischen Energie des Abgases einer Wärmekraftmaschine zu beaufschlagen. Diese Lösung ist konstruktiv sehr aufwendig und es werden für die das heiße Abgas führende Bauteile hochwarmfeste Werkstoffe mit guter Korrosionsbeständigkeit benötigt. Diese Werkstoffe sind sehr teuer und schwer zu verarbeiten. Weiterhin ist bei diesem Verfahren ein aufwendiges Überwachungssystem notwendig, welches das Druckgas temperaturmäßig kontrolliert und bei Erreichen einer kritischen Betriebstemperatur regelungstechnisch in das Abgassystem und/oder das Druckgassystem eingreifen muß.Some methods are now known in which the relative humidity is reduced by subsequent heating of the gas. One of the possibilities is to apply (DE-GM 75 22 395; DE-GM 86 01 519) the compressed gas with the thermal energy of the exhaust gas from a heat engine. This solution is structurally very complex and high-temperature-resistant materials with good corrosion resistance are required for the components carrying the hot exhaust gas. These materials are very expensive and difficult to process. Furthermore, this method requires a complex monitoring system which controls the temperature of the compressed gas and, when a critical operating temperature is reached, has to intervene in the exhaust system and / or the compressed gas system in terms of control technology.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere Luft, anzugeben, mit dem ein relativ trocknes Gas erzeugt wird und bei dem auf ein aufwendiges Überwachungssystem verzichtet werden kann.The object of the invention is to provide a method for compressing a gaseous medium, in particular air, with which a relatively dry gas is generated and with which a complex monitoring system can be dispensed with.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen des Anspruches 1 oder 3 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1 or 3 specified in the characterizing part.

Vorteilhafte Weiterbildungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren sind Bestandteil von Unteransprüchen.Advantageous further developments and devices for carrying out the method are part of subclaims.

Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Idee, die thermische Energie der in einer Verdichteranlage verwendeten Kühlflüssigkeit für die Erwärmung des gekühlten Druckgases zu verwenden. Diese Kühlflüssigkeiten können beispielsweise das Schmieröl bzw. die Kühlflüssigkeit der den Verdichter antreibenden Wärmekraftmaschine sein. Auch die für die Kühlung und Schmierung eines einspritzgekühlten Verdichters verwendete Flüssigkeit, beispielsweise Öl oder Wasser kann dafür genutzt werden. Der Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Wärmeübertragung beim Übergang von einer Flüssigkeit auf das Druckgas relativ einfach und recht genau bestimmbar ist. Außerdem kann der für die Wärmeübertragung erforderliche Wärmetauscher einfach und kompakt sein. Vorzugsweise ist dieser als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Die Temperaturverhältnisse der genutzten Flüssigkeit liegen in einem günstigen Niveau, so daß im Regelfall keine zusätzlichen Regelungs- und Überwachungssysteme erforderlich sind. Einzige Ausnahme kann im ungünstigsten Fall die Verwendung des Schmieröles der Wärmekraftmaschine sein, da diese bei bis zu etwa 130 Grad Celsius liegen kann. Da die maximal zulässige Verdichtungsendtemperatur für mit Öl gekühlte Verdichter in Deutschland bei 100 Grad Celsius liegt, ist ein einfacher Begrenzungsschalter ausreichend, um auch bei Anlagen mit strenger Auflage hinsichtlich der maximalen Verdichtungsendtemperatur ein Überschreiten dieser Maximaltemperatur zu vermeiden.The proposed method is based on the idea of using the thermal energy of the cooling liquid used in a compression system for heating the cooled compressed gas. These cooling liquids can be, for example, the lubricating oil or the cooling liquid of the heat engine driving the compressor. The liquid used for cooling and lubricating an injection-cooled compressor, for example oil or water, can also be used for this. The advantage of the method can be seen in the fact that the heat transfer during the transition from a liquid to the compressed gas can be determined relatively easily and quite precisely. In addition, the heat exchanger required for heat transfer can be simple and compact. This is preferably designed as a tube bundle heat exchanger. The temperature conditions of the liquid used are at a favorable level, so that, as a rule, no additional control and monitoring systems are required. The only exception can be in the worst case, the use of the lubricating oil of the heat engine, since this can be up to about 130 degrees Celsius. Since the maximum permissible compression end temperature for oil-cooled compressors in Germany is 100 degrees Celsius, a simple limit switch is sufficient to avoid exceeding this maximum temperature even in systems with strict requirements with regard to the maximum compression end temperature.

Bei der Verwendung der thermischen Energie der rückgeführten Kühl- bzw. Schmierflüssigkeiten bei flüssigkeitsgekühlten Verdichtern zur Erwärmung des Druckgases wird die Flüssigkeit bereits etwas abgekühlt, so daß in der Rückkühlleitung weniger Kühlleistung benötigt wird. Dies hat zur Folge, daß entweder die Kühleinrichtung klein gebaut werden kann oder bei gleichgroßer Kühlerleistung eine Freigabe des Verdichteraggregates für höher liegende Umgebungstemperaturen möglich ist.When using the thermal energy of the recirculated cooling or lubricating liquids in liquid-cooled compressors to heat the compressed gas, the liquid is already cooled somewhat, so that less cooling power is required in the recooling line. This has the consequence that either the cooling device can be built small or with the same cooling capacity, the compressor unit can be released for higher ambient temperatures.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Kompaktheit des eingesetzten Wärmetauschers eine große Freiheit hinsichtlich der Plazierung dieser Vorrichtung in der Anlage liegt. Nicht vergessen werden soll auch der daraus sich ergebende Kostenvorteil, da die flüssigkeitsbeaufschlagte Wärmetauscherlösung kostenmäßig weit unterhalb der bisher bekannten Abgaserwärmung liegt.Another advantage of the method according to the invention can be seen in the fact that the compactness of the heat exchanger used gives great freedom with regard to the placement of this device in the system. The resulting cost advantage should not be forgotten either, since the cost of the liquid heat exchanger solution is far below the previously known exhaust gas heating.

In der Zeichnung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.In the drawing, the method according to the invention is explained in more detail using some exemplary embodiments.

Es zeigen:

Figur 1: in einem Funktionsschaubild eine erste Ausführungsform mit einem trockenlaufenden Verdichteraggregat und einer Wärmekraftmaschine als Antriebsaggregat
Figur 2: wie Figur 1 mit einem flüssigkeitsgekühlten Verdichteraggregat
Figur 3: ähnlich Figur 2, jedoch mit einem in der Rückführleitung angeordneten Wärmetauscher
Figur 4: wie Figur 2, jedoch ohne Nachkühler

Show it:

Figure 1: in a functional diagram, a first embodiment with a dry-running compressor unit and a heat engine as the drive unit
Figure 2: like Figure 1 with a liquid-cooled compressor unit
Figure 3: Similar to Figure 2, but with a heat exchanger arranged in the return line
Figure 4: like Figure 2, but without aftercooler

In Figur 1 ist in einem Funktionsschaubild eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage dargestellt. Gemäß dieser Figur 1 wird das zu verdichtende Gas, insbesondere Luft, über einen Ansaugfilter 10 gereinigt und über eine Ansaugleitung 11 dem trockenlaufenden Verdichteraggregat 40' zugeführt. Als Antrieb des Verdichteraggregates 40' dient hier eine Wärmekraftmaschine 20, beispielsweise ein Dieselmotor. Das verdichtete Gas gelangt aus dem Verdichteraggregat 40' über eine Leitung 12 zum Druckbehälter 50. Dieser Druckbehälter 50 wird durch ein Sicherheitsventil 51 überwacht. Aus dem Druckbehälter 50 gelangt das verdichtete Gas über ein in der Leitung 71 angeordnetes Druckhalte-Rückschlagventil 52 zu einem Nachkühler 60, der mit einem Kondensatabscheider 61 gekoppelt ist. Nach der Kondensatabscheidung beträgt die relative Feuchte im Druckgas 100 %. Um diese Feuchte auf einen vorgegebenen Wert senken zu können, wird das Druckgas über eine Leitung 76 durch einen Wärmetauscher 65 geführt, wo es mittels der dem Wärmetauscher 65 zugeführten thermischen Energie der Wärmekraftmaschine 20 erwärmt wird. Dazu ist die Wärmekraftmaschine 20 über Leitungen 73,74 mit dem Wärmetauscher 65 verbunden. Diese Leitungen 73,74 sind Teil des Schmier- und/oder Kühlkreislaufes der Wärmekraftmaschine 20. Nach der Erwärmung wird das Druckgas über eine Leitung 77 den Entnahmehähnen 53 zugeführt.1 shows a first embodiment of the system according to the invention in a functional diagram. According to this FIG. 1, the gas to be compressed, in particular air, is cleaned via an intake filter 10 and fed to the dry-running compressor unit 40 'via an intake line 11. A heat engine 20, for example a diesel engine, serves to drive the compressor unit 40 ′. The compressed gas comes out of the compressor assembly 40 ' via a line 12 to the pressure vessel 50. This pressure vessel 50 is monitored by a safety valve 51. The compressed gas passes from the pressure vessel 50 via a pressure-holding check valve 52 arranged in the line 71 to an aftercooler 60 which is coupled to a condensate separator 61. After the condensate separation, the relative humidity in the compressed gas is 100%. In order to be able to lower this humidity to a predetermined value, the compressed gas is led via a line 76 through a heat exchanger 65, where it is heated by means of the thermal energy of the heat engine 20 supplied to the heat exchanger 65. For this purpose, the heat engine 20 is connected to the heat exchanger 65 via lines 73, 74. These lines 73, 74 are part of the lubrication and / or cooling circuit of the heat engine 20. After the heating, the compressed gas is fed to the taps 53 via a line 77.

Figur 2 zeigt in einem gleichen Funktionsschaubild wie Figur 1 eine andere Ausführungsform, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind. Das zu verdichtende Gas wird über einen Ansaugfilter 10 gereinigt und über eine Ansaugleitung 11 einem flüssigkeitsgelkühlten Verdichteraggregat 40 zugeführt. Als Antrieb des Verdichters 40 wird hier ebenfalls eine Wärmekraftmaschine 20 verwendet. Das verdichtete Gas-Flüssigkeitsgemisch gelangt aus dem Verdichter 40 über eine Leitung 12 zum Abscheider 55. Der Abscheider 55 wird druckmäßig durch ein Sicherheitsventil 51 überwacht. Das noch feuchte Druckgas gelangt über eine Leitung 71 und einem darin angeordneten Druckhalte-Rückschlagventil 52 zu einem Nachkühler 60, der mit einem Kondensatabscheider 61 gekoppelt ist. Der weitere Weg des Druckgases entspricht der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform. Die im Abscheider 55 abgeschiedene Flüssigkeit wird aus dem Flüssigkeitssumpf über die Leitung 15,16,18 dem Verdichter 40 wieder rückgeführt. Die Rückführung erfolgt über den im Abscheider 55 herrschenden Systemdruck.FIG. 2 shows another embodiment in the same functional diagram as FIG. 1, the same reference numerals being used for the same parts. The gas to be compressed is cleaned via an intake filter 10 and fed to a liquid-gel-cooled compressor unit 40 via an intake line 11. A heat engine 20 is also used here to drive the compressor 40. The compressed gas-liquid mixture passes from the compressor 40 via a line 12 to the separator 55. The separator 55 is monitored in terms of pressure by a safety valve 51. The still moist compressed gas passes through a line 71 and a pressure-holding check valve 52 arranged therein to an aftercooler 60 which is coupled to a condensate separator 61. The further path of the compressed gas corresponds to the embodiment shown in FIG. 1. The liquid separated in the separator 55 is returned to the compressor 40 from the liquid sump via the line 15, 16, 18. The return takes place via the system pressure prevailing in the separator 55.

In der Rückführleitung 15,16,18 ist ein Filter 41 und ein Öl- oder Flüssigkeitskühler 44 angeordnet.A filter 41 and an oil or liquid cooler 44 are arranged in the return line 15, 16, 18.

In Figur 3 ist in einem vergleichbaren Funktionsschaubild wie Fig. 2 eine weitere Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zu den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen wird in diesem Beispiel die thermische Energie der rückgeführten Kühl- und Schmierflüssigkeit für die Erwärmung des Druckgases genutzt. Dazu ist in der Rückführleitung 15,16,17,18 ein Wärmetauscher 42 zwischen dem Filter 41 und dem Öl- oder Flüssigkeitskühler 44 angeordnet. Auf der Gasseite ist dieser Wärmetauscher 42 über Leitungen 76,77 mit dem Druckgassystem verbunden. Je nach Auslegung der Anlage kann der Öl- oder Flüssigkeitskühler 44 gleich groß gewählt werden wie bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform oder alternativ auch kleiner, da ein Teil der erforderlichen Rückkühlung über den in der Rückführleitung 16,17 angeordneten Wärmetauscher 42 erfolgt. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist die Art des Antriebsaggregates für den Verdichter 40 frei, da dieses für die Erwärmung des Druckgases nicht genutzt wird. Es kann wie hier dargestellt ein Elektromotor, aber ebenso alternativ ein Dieselmotor entsprechend der Darstellung in den Figuren 1 oder 2 sein bzw. ein anderes Antriebsaggregat.FIG. 3 shows a further embodiment in a functional diagram comparable to FIG. 2. In contrast to the embodiments shown in FIGS. 1 and 2, the thermal energy of the returned cooling and lubricating liquid is used in this example for heating the compressed gas. For this purpose, a heat exchanger 42 is arranged in the return line 15, 16, 17, 18 between the filter 41 and the oil or liquid cooler 44. On the gas side, this heat exchanger 42 is connected to the compressed gas system via lines 76, 77. Depending on the design of the system, the oil or liquid cooler 44 can be chosen to be the same size as in the embodiment shown in FIG. 2 or alternatively also smaller, since part of the required recooling takes place via the heat exchanger 42 arranged in the return line 16, 17. In the embodiment shown in Figure 3, the type of drive unit for the compressor 40 is free, since this is not used for heating the compressed gas. As shown here, it can be an electric motor, but also, alternatively, a diesel engine as shown in FIGS. 1 or 2 or another drive unit.

Figur 4 zeigt eine weitere Variante der Ausführungsform gemäß Figur 2. Im Unterschied dazu ist in der Druckleitung 71 zwischen Druckbehälter 55 und Wärmetauscher 65 kein Nachkühler 60 vorgesehen und das verdichtete Gas wird vor Abgabe an die Verbrauchsstellen 53 durch die Schmier- und/oder Kühlflüssigkeit der Wärmekraftmaschine 20 erwärmt.FIG. 4 shows a further variant of the embodiment according to FIG. 2. In contrast to this, no aftercooler 60 is provided in the pressure line 71 between the pressure vessel 55 and the heat exchanger 65 and the compressed gas is released by the lubricating and / or cooling liquid before being delivered to the consumption points 53 Heat engine 20 warmed.

Claims

A method for compressing a gaseous medium, in particular air, in which gas drawn in by means of a compressor (40, 40') driven by the useful side of a thermal engine (20) is compressed from a low starting pressure, in particular atmospheric pressure, to a final pressure preset in a pressure vessel (50, 55), and after removal from the pressure vessel and before being delivered to the consumption points (53) is heated using the thermal energy of the thermal engine by means of a heat exchanger (65),
characterised in that in order to produce a gas having a low relative moisture content the heat exchanger is acted upon by the thermal energy of a liquid, namely that of the lubricant and/or cooling circuit of the thermal engine.
An apparatus for performing the method according to Claim 1, comprising a compressor (40, 40') which is connected to the useful side of a thermal engine (20) and the pressure joint of which is connected via a line to a pressure vessel and a subsequent heat exchanger to the consumption points (53) and the heat exchanger (65) is connected thermally via a line to the thermal engine,
characterised in that the connecting lines (73, 74) between the liquid/gas heat exchanger (65) and the thermal engine (20) are part of the lubricating and/or cooling circuit of the thermal engine (20).
A method for compressing a gaseous medium, in particular air, in which gas drawn in by means of a liquid-cooled compressor (40) driven by the useful side of a drive unit (30) is compressed from a low starting pressure, in particular atmospheric pressure, to a predetermined final pressure, and is heated before being delivered to the consumption points (53), the heating being preceded by subsequent cooling of the compressed gas and the liquid separated off in the separator (55) is recycled to the compressor (40) and is cooled before injection into the compressor (40),
characterised in that the cooled, compressed gas is acted upon by the thermal energy of a liquid, namely the liquid recycled from the separator (55).
An apparatus for performing the method according to Claim 3, comprising a liquid-cooled compressor (40) which is connected to the useful side of a drive unit (30) and the pressure joint of which is connected via a line to a separator (55) and the liquid sump of the separator is connected to the compressor (40) via a recycling line (15, 16, 17, 18), in which a filter (41) and a cooler (44) are located, and a cooler (60) and a condensate separator (61) and a heat exchanger (42) are arranged between the separator (55) and the consumption points (53),
characterised in that the liquid/gas heat exchanger (42) is located in the recycling line (16, 17) between the filter (41) and subsequent cooler (44).