EP2246567B1 - Kolbenverdichter - Google Patents
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- F04B5/00—Machines or pumps with differential-surface pistons
- F04B5/02—Machines or pumps with differential-surface pistons with double-acting pistons
Definitions
- the invention relates to a method for controlling a double-acting single or multi-stage piston compressor and such a piston compressor.
- a two-stage pump with a housing having an inlet and an outlet.
- a pumping device is arranged in the housing.
- a first chamber is in communication with the inlet when the chamber receives a fluid upon movement of the pumping device in a first position.
- a second chamber communicates directly with the outlet.
- a first line is arranged, via which fluid can flow on movement of the pumping device into a second position from the first chamber into the second chamber.
- a second line is provided, via which fluid can flow from the first chamber directly to the outlet.
- the invention has for its object to provide a method that the compression of a reciprocating compressor is improved without much technical effort, and to provide a reciprocating compressor, which is better designed for a control of such a method.
- the method for controlling a double-acting single-stage or multi-stage piston compressor has the advantage that the gas in the second chamber on the side of the cylinder bottom when returning the piston to the bottom dead center Blocking a first valve in a arranged between the first chamber and the second chamber connecting line of a fluidic device compressed and at the same time the first chamber on the side of the cylinder cover is filled with gas from the suction line.
- the first valve in the connecting line of the fluidic device is opened and at the same time a second valve in the suction line is closed.
- the precompressed gas which exceeds the pressure in the suction line, is pushed out of the second chamber via the connecting line and the connected suction line into the first chamber on the side of the cylinder cover.
- Another advantage of the method is the fact that the supply of compressed gas is adjusted to the required volume by regulating the crank-side pre-compression and that the compression heat is reduced by reducing the step pressure ratio.
- a still further advantage of the method is that the gas from the second chamber on the side of the cylinder bottom through the connecting line of the fluidic device to the first chamber on the side of the cylinder cover when moving the piston after passing through the top dead center in the direction of the cylinder bottom and the second chamber on the side of the cylinder bottom is depressurized.
- the gas is compressed in the first chamber of the cylinder during movement of the piston by the piston rod in the cylinder in the direction of the cylinder cover.
- the compressed gas is then pushed out when a predetermined intermediate or final pressure in the arranged in the cylinder cover pressure line.
- a gas is sucked into the second chamber via the suction line attached to the cylinder cover.
- the generated pressure which is higher than the suction pressure in the suction line, is regulated by means of a predetermined pressure measurement via the connecting line.
- a double-acting single-stage or multi-stage piston compressor for carrying out a method according to the invention has the advantage that the first chamber is connected on the side of the cylinder cover via a connecting line of a fluidic device to the second chamber on the side of the cylinder bottom and that at least one in the connecting line first valve is arranged.
- a second valve is mounted in the suction line on the side of the cylinder cover.
- the Fig. I shows a cylinder 01 in which a arranged on a piston rod 03 piston 02 is guided axially parallel between a cylinder cover 04 and a cylinder base 05.
- a connecting line 06 of a fluidic device is connected to a second chamber 12 formed between the cylindrical base 05 and the crank-side surface of the piston 02.
- the connecting line 06 of the fluidic device is connected to a suction line 07, which is arranged on the cylinder cover 04.
- a pressure line 08 is still connected.
- Fig. II partly shows the same elements as Fig. I , which will therefore not be described further.
- a first valve 09 is additionally arranged in the connecting line 06 of the fluidic device.
- a second valve 10 is mounted in the suction line 07 in front of the junction of the connecting line 06 of the fluidic device in the suction line, in the direction of the cylinder cover 04 seen.
- the double-acting single or multi-stage piston compressor thus comprises at least one cylinder 01 with a piston 02 and a piston rod 03 and a cylinder cover 04 and a cylinder bottom 05, wherein between the cylinder cover 04 and the surface of the piston 02, a first chamber 11 and between the cylinder bottom 05 and the crank-side surface of the piston 02, a second chamber 12 is formed.
- the stage pressure ratio on the side of the cylinder cover 04 can be reduced, which reduces the compression temperature.
- the reduction of the compression temperature affects straight with monatomic gases, such as. As helium and argon, with a high isentropic component in the compression of the heat development advantageous.
- the gas is compressed on the side of the cylinder bottom 05 upon retraction of the piston 02 in the bottom dead center, since the gas can not flow through the locked first valve 09 in the connecting line 06 of the fluidic device in the suction line 07 on the side of the cylinder cover 04 ,
- the first chamber 11 is filled on the side of the cylinder cover 04 with gas from the suction line 07.
- the first valve 09 is opened in the connecting line 06 of the fluidic device and at the same time the second valve 10 is closed in the suction line 07.
- the gas pre-compressed in the second chamber 12 on the side of the cylinder bottom 05 becomes gas in the first chamber 11 on the side of the cylinder cover 04 pushed and lifted the pressure on the suction side of the cylinder deck 04 against an unregulated suction pressure.
- the supply quantity of the compressed gas is adjusted by the control of the crank-side pre-compression and at the same time reduces the heat of compression by reducing the step pressure ratio.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines doppeltwirkenden ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichters und einen solchen Kolbenverdichter.
- Aus der
DE 10 2004 052 168 A1 ist eine Maschine eines Kolbenverdichters bekannt, der ein- oder doppelstufig ausgebildet ist und durch einen Linearmotor als Linearantrieb angetrieben wird. Dabei werden über Sensoren die Drücke und Temperaturen des Kolbenverdichters erfasst. Über die erfassten Messdaten und die Kompressorregelung wird eine Regelung des Kolbenverdichters durchgeführt. - Weiter ist aus der
EP 1 538 052 A2 eine zweistufige Pumpe mit einem Gehäuse bekannt, das einen Einlass und einen Auslass aufweist. In dem Gehäuse ist eine Pumpeinrichtung angeordnet. Dabei steht eine erste Kammer mit dem Einlass in Verbindung, wenn die Kammer ein Fluid bei Bewegung der Pumpeinrichtung in eine erste Position aufnimmt. Eine zweite Kammer steht mit dem Auslass direkt in Verbindung. Weiterhin ist eine erste Leitung angeordnet, über die Fluid bei Bewegung der Pumpeinrichtung in eine zweite Position von der ersten Kammer in die zweite Kammer strömen kann. Dabei ist eine zweite Leitung vorgesehen, über die Fluid von der ersten Kammer direkt zum Auslass strömen kann. Der Gegenstand der Patentansprüche 1 und 6 ist in zweiteiliger Fassung gegenüber dieser Druckschrift abgegrenzt. - Weiter ist aus
US 4,293,286 eine zweistufige Pumpe bekannt, die einen Kolben mit zwei Durchmessern aufweist. Dabei ermöglicht die eine Seite des Kolbens, einen großen Volumenstrom mit einem niedrigen Druck zu liefern, um eine fluidbetriebene Presse schnell zu bewegen, bis eine Last oder Belastung festgestellt wird, bei der das Fluid mit einem kleinen Volumen bei hohem Druck zum Betrieb der Presse abgegeben wird. Dazu sind Strömungsregeleinrichtungen in einem Kolbengehäuse angeordnet, und zwar unabhängig von dem Kolben. - Wird bei einem doppeltwirkenden Kolbenverdichter zur Reduzierung der Liefermenge von komprimiertem Gas konstruktiv nur eine Kolbenseite, z. B. die Kolbendeckelseite, zur Förderung genutzt, muss die entgegengesetzte Seite, in dem Fall die Kolbenbodenseite, zur Atmosphäre wie bei doppelseitiger Verdichtung mittels einer Kolbenstangendichtung abgedichtet werden. Kolbenbodenseitig sind keine Arbeitsventile vorhanden. Das Gas wird beim Rücklauf des Kolbens nicht ausgeschoben und somit komprimiert. Durch einen vorgesehenen Ausgleichsraum in der Größe des Hubvolumens wird eine Verdichtung des Gases reduziert.
- Einerseits besteht bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung ein Nachteil im großen technischen Aufwand, andererseits besteht bei dem Verfahren der Nachteil in der Erwärmung des Gases im Ausgleichsraum, weil hier kein Gasaustausch stattfindet.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, dass die Verdichtung eines Kolbenverdichters ohne großen technischen Aufwand verbessert wird, und einen Kolbenverdichter anzugeben, der für eine Regelung eines solchen Verfahrens besser ausgestaltet ist.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Kolbenverdichter nach den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
- Das Verfahren zur Regelung eines doppeltwirkenden ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichters hat den Vorteil, dass das Gas in der zweiten Kammer auf der Seite des Zylinderbodens beim Zurückfahren des Kolbens in den unteren Totpunkt durch Sperren eines ersten Ventils in einer zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer angeordneten Verbindungsleitung einer fluidischen Vorrichtung verdichtet und gleichzeitig die erste Kammer auf der Seite des Zylinderdeckels mit Gas von der Saugleitung gefüllt wird. Ganz nach Position des Kolbens oder einer vorbestimmten Vorverdichtung wird das erste Ventil in der Verbindungsleitung der fluidischen Vorrichtung geöffnet und zeitgleich ein zweites Ventil in der Saugleitung geschlossen. Dabei wird das vorverdichtete Gas, das den Druck in der Saugleitung übersteigt, aus der zweiten Kammer über die Verbindungsleitung und die verbundene Saugleitung in die erste Kammer auf der Seite des Zylinderdeckels geschoben.
- Ein weiterer Vorteils des Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die Regelung der kurbelseitigen Vorverdichtung die Liefermenge des komprimierten Gases an das geforderte Volumen angepasst wird und dass durch die Verringerung des Stufendruckverhältnisses die Verdichtungswärme reduziert wird.
- Ein noch weiterer Vorteil bei dem Verfahren besteht darin, dass das Gas aus der zweiten Kammer auf der Seite des Zylinderbodens durch die Verbindungsleitung der fluidischen Vorrichtung zur ersten Kammer auf der Seite des Zylinderdeckels beim Bewegen des Kolbens nach Durchfahren des oberen Totpunktes in Richtung des Zylinderbodens geführt und die zweite Kammer auf der Seite des Zylinderbodens druckentspannt wird.
- Bei dem Verfahren ist es weiterhin vorteilig, dass das Gas in der ersten Kammer des Zylinders beim Bewegen des Kolbens durch die Kolbenstange im Zylinder in Richtung des Zylinderdeckels verdichtet wird. Das verdichtete Gas wird dann beim Überschreiten eines vorbestimmten Zwischen- oder Enddruckes in die im Zylinderdeckel angeordnete Druckleitung ausgeschoben. Gleichzeitig wird über die am Zylinderdeckel angebrachte Saugleitung ein Gas in die zweite Kammer gesaugt. Außerdem ist es bei dem Verfahren noch von Vorteil, dass der erzeugte Druck, der höher als der Saugdruck in der Saugleitung ist, mittels eines durch eine Druckmessung vorbestimmten Druckes über die Verbindungsleitung geregelt wird.
- Ein doppeltwirkender ein- oder mehrstufiger Kolbenverdichter zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens weist den Vorteil auf, dass die erste Kammer auf der Seite des Zylinderdeckels über eine Verbindungsleitung einer fluidischen Vorrichtung mit der zweiten Kammer auf des Seite des Zylinderbodens verbunden ist und dass in der Verbindungsleitung zumindest ein erstes Ventil angeordnet ist. Ein zweites Ventil ist in der Saugleitung auf der Seite des Zylinderdeckels angebracht.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.
- Dabei zeigt:
-
Fig. I einen Schnitt eines Kolbenverdichters mit einer fluidischen Vorrichtung zur kurbelseitigen Druckentlastung des Zylinderinnendrucks; und -
Fig. II einen Schnitt des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters mit einer fluidischen Vorrichtung und einer Anordnung von Ventilen zur saugseitigen Druckerhöhung des Gases und damit zur Reduzierung des Stufendruckverhältnisses. - Die
Fig. I zeigt einen Zylinder 01, in dem ein an einer Kolbenstange 03 angeordneter Kolben 02 achsparallel zwischen einem Zylinderdeckel 04 und einem Zylinderboden 05 geführt ist. Eine zwischen dem Zylinderdeckel 04 und der Oberfläche des Kolbens 02 gebildete erste Kammer 11 ist über eine Verbindungsleitung 06 einer fluidischen Vorrichtung mit einer zwischen dem Zylindeboden 05 und der kurbelseitigen Oberfläche des Kolbens 02 gebildeten zweiten Kammer 12 verbunden. Weiterhin ist die Verbindungsleitung 06 der fluidischen Vorrichtung mit einer Saugleitung 07 verbunden, die am Zylinderdeckel 04 angeordnet ist. An dem Zylinderdeckel 04 ist weiterhin eine Druckleitung 08 angeschlossen. - Die
Fig. II zeigt teilweise die gleichen Elemente wieFig. I , die daher nicht weiter beschrieben werden. In der Verbindungsleitung 06 der fluidischen Vorrichtung ist zusätzlich ein erstes Ventil 09 angeordnet. Weiterhin ist ein zweites Ventil 10 in der Saugleitung 07 vor der Einmündung der Verbindungsleitung 06 der fluidischen Vorrichtung in die Saugleitung angebracht, und zwar in Richtung auf den Zylinderdeckel 04 gesehen. - Der doppeltwirkende ein- oder mehrstufige Kolbenverdichter umfasst also wenigstens einen Zylinder 01 mit einem Kolben 02 und einer Kolbenstange 03 sowie einen Zylinderdeckel 04 und einen Zylinderboden 05, wobei zwischen dem Zylinderdeckel 04 und der Oberfläche des Kolbens 02 eine erste Kammer 11 und zwischen dem Zylinderboden 05 und der kurbelseitigen Oberfläche des Kolbens 02 eine zweite Kammer 12 gebildet wird.
- In einem Arbeitstakt wird der Kolben 02 durch die Kolbenstange 03 in dem Zylinder 01 in Richtung des Zylinderdeckels 04 bewegt. Dabei wird das Gas in dem Zylinder 01 in der ersten Kammer 11 auf der Seite des Zylinderdeckels 04 verdichtet und beim Überschreiten eines vorbestimmten Zwischen- oder Enddruckes über die Druckleitung 08 ausgeschoben, die an dem Zylinderdeckel 04 angebracht ist. Gleichzeitig wird über die Saugleitung 07 auf der Seite des Zylinderdeckels 04 ein Gas in die zweite Kammer 12 auf der Seite des Zylinderbodens 05 gesaugt.
- Bewegt sich der Kolben 02 in einem nächsten Arbeitstakt nach Durchfahren des oberen Totpunktes in Richtung des Zylinderbodens 05, wird das Gas aus der zweiten Kammer 12 auf der Seite des Zylinderbodens 05 über die Verbindungsleitung 06 der fluidische Vorrichtung zur ersten Kammer 11 auf der Seite des Zylinderdeckels 04 geführt und die zweite Kammer 12 auf der Seite des Zylinderbodens 05 somit druckentspannt.
- Weiterhin kann durch die Nutzung eines Vordruckes das Stufendruckverhältnis auf der Seite des Zylinderdeckels 04 reduziert werden, wodurch sich die Verdichtungstemperatur verringert. Die Reduzierung der Verdichtungstemperatur wirkt sich gerade bei einatomigen Gasen, wie z. B. Helium und Argon, mit einem hohen Isentropenexponenten bei der Kompression vorteilhaft auf die Wärmeentwicklung aus.
- Weiter wirkt sich eine Vorverdichtung des Gases zur Liefermengenregelung vorteilhaft aus. Hierbei wird das Gas auf der Seite des Zylinderbodens 05 beim Zurückfahren des Kolbens 02 in den unteren Totpunkt verdichtet, da das Gas durch das gesperrte erste Ventil 09 in der Verbindungsleitung 06 der fluidischen Vorrichtung nicht in die Saugleitung 07 auf der Seite des Zylinderdeckels 04 fließen kann.
- Gleichzeitig wird die erste Kammer 11 auf der Seite des Zylinderdeckels 04 mit Gas von der Saugleitung 07 gefüllt. Je nach Position des Kolbens 02 und damit einer vorbestimmten Vorverdichtung wird das erste Ventil 09 in der Verbindungsleitung 06 der fluidischen Vorrichtung geöffnet und zeitgleich das zweite Ventil 10 in der Saugleitung 07 geschlossen. Dadurch wird das in der zweiten Kammer 12 auf der Seite des Zylinderbodens 05 vorverdichtete Gas in die erste Kammer 11 auf der Seite des Zylinderdeckels 04 geschoben und der Druck auf der Saugseite des Zylinderdeckes 04 gegenüber einem ungeregelten Saugdruck angehoben.
- Dabei wird durch die Regelung der kurbelseitigen Vorverdichtung die Liefermenge des komprimierten Gases angepasst und gleichzeitig durch die Verringerung des Stufendruckverhältnisses die Verdichtungswärme reduziert.
Claims (7)
- Verfahren zur Regelung eines doppeltwirkenden ein- oder mehrstufigen Kolbenverdichters, der mindestens einen Zylinder (01) mit einem Kolben (02) und einer Kolbenstange (03) und einen Zylinderdeckel (04) sowie einen Zylinderboden (05) mit einer hindurchgeführten Kolbenstange (03) umfasst, eine zwischen dem Kolben (02) und dem Zylinderdeckel (04) gebildete erste Kammer (11) und eine zwischen dem Kolben (02 und dem Zylinderboden (05) gebildete zweite Kammer (12) aufweist, die miteinander verbunden sind, und eine Saugleitung (07) und eine Druckleitung (08) einschließt, die an dem Zylinderdeckel (04) angeschlossen sind,dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas in der zweiten Kammer (12) auf der Seite des Zylinderbodens (05) beim Zurückfahren des Kolbens (02) in den unteren Totpunkt durch Sperren eines ersten Ventils (09) in einer zwischen der ersten Kammer (11) und der zweiten Kammer (12) angeordneten Verbindungsleitung (06) einer fluidischen Vorrichtung verdichtet wird, dass gleichzeitig die erste Kammer (11) auf der Seite des Zylinderdeckels (04) mit Gas aus der Saugleitung (07) gefüllt wird, dass nach Position des Kolbens oder einer vorbestimmten Vorverdichtung das erste Ventil (09) in der Verbindungsleitung (06) der fluidischen Vorrichtung geöffnet und zeitgleich ein zweites Ventil (10) in der Saugleitung (07) geschossen wird und dass das vorverdichtete Gas, das den Druck in der Saugleitung (07) übersteigt, aus der zweiten Kammer (12) über die Verbindungsleitung (06) und die verbundene Saugleitung (07) in die erste Kammer (11) auf der Seite des Zylinderdeckels (04) geschoben wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelung der kurbelseitigen Vorverdichtung die Liefermenge des komprimierten Gases an das geforderte Volumen angepasst wird und dass durch die Verringerung des Stufendruckverhältnisses die Verdichtungswärme reduziert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas aus der zweiten Kammer (12) auf der Seite des Zylinderbodens (05) über die Verbindungsleitung (06) der fluidischen Vorrichtung zur ersten Kammer (11) auf der Seite des Zylinderdeckels (04) beim Bewegen des Kolbens (02) nach Durchfahren des oberen Totpunktes in Richtung des Zylinderbodens (05) geführt und die zweite Kammer (12) auf der Seite des Zylinderbodens (05) druckentspannt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in der ersten Kammer (11) des Zylinders (01) beim Bewegen des Kolbens (02) durch die Kolbenstange (03) im Zylinder (01) in Richtung des Zylinderdeckels (04) verdichtet wird, dass das verdichtete Gas beim Überschreiten eines vorbestimmten Zwischen- oder Enddruckes in die am Zylinderdeckel (04) angeordnete Druckleitung (08) ausgeschoben wird und dass gleichzeitig über die am Zylinderdeckel (04) angebrachte Saugleitung (07) ein Gas in die zweite Kammer (12) gesaugt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Druck, der höher als der Saugdruck in der Saugleitung (07) ist, mittels eines über eine Druckmessung vorbestimmten Druckes über die Verbindungsleitung (06) geregelt wird.
- Doppeltwirkender ein- oder mehrstufiger Kolbenverdichter, der mindestens einen Zylinder (01) mit einem Kolben (02) und einer Kolbenstange (03) und einen Zylinderdeckel (04) sowie einen Zylinderboden (05) mit einer hindurchgeführten Kolbenstange (03) umfasst, eine zwischen dem Kolben (02) und dem Zylinderdeckel (04) gebildete erste Kammer (11) und eine zwischen dem Kolben (02) und dem Zylinderboden (05) gebildete zweite Kammer (12) aufweist, die miteinander verbunden sind, und eine Saugleitung (07) und eine Druckleitung (08) einschließt, die an dem Zylinderdeckel angeschlossen sind, zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (11) auf der Seite des Zylinderdeckels (4) über eine Verbindungsleitung (06) einer fluidischen Vorrichtung mit der zweiten Kammer (12) auf der Seite des Zylinderbodens (05) verbunden ist dass in der Verbindungsleitung (06) der fluidischen Vorrichtung zumindest ein erstes Ventil (09) angeordnet ist und dass in der Saugleitung (07) auf der Seite des Zylinderdeckels (04) zumindest ein zweites Ventil (10) angeordnet ist.
- Kolbenverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (10) in der Saugleitung (07) auf der Seite vor der Einmündung der Verbindungsleitung (06) der fluidischen Vorrichtung in die Saugleitung (07) in Richtung auf den Zylinderdeckel (04) gesehen angebracht ist.
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