EP2461033B1 - Multi-stage piston compressor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenverdichter für ein gasförmiges oder tiefkalt verflüssigtes Medium mit mindestens zwei Verdichterstufen, die zum gemeinsamen Antrieb mit einem gemeinsamen Antriebsstrang in Wirkverbindung stehen, wobei jede Verdichterstufe einen mit dem Antriebsstrang mechanisch verbundenen Kolben aufweist, der in einem Verdichterzylinder längsverschiebbar angeordnet ist.The invention relates to a multi-stage piston compressor for a gaseous or cryogenic liquefied medium having at least two compressor stages, which are operatively connected to the common drive with a common drive train, each compressor stage having a piston mechanically connected to the drive train, which is arranged longitudinally displaceable in a compressor cylinder.
Ein gattungsgemäßer mehrstufiger Kolbenverdichter ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
Bei gattungsgemäßen mehrstufigen Verdichtern, bei denen die Kolben der einzelnen Verdichterstufen mit einem gemeinsamen Antriebsstrang in Verbindung stehen und somit die Kolben der einzelnen Verdichterstufen in mechanischer Weise mit dem Antriebsstrang verbunden sind, werden die Kolben der Verdichterstufen gemeinsam von dem Antriebsstrang angetrieben und führen bei betätigtem Antriebsstrang jeweils eine Kolbenbewegung mit konstantem Kolbenhub durch. Jeder Kolben der entsprechenden Verdichterstufe ist von dem in der entsprechenden Verdichterstufe anstehenden Druck des Mediums beaufschlagt. Sofern eine Verdichterstufe ohne Verdichterleistung mitläuft, beispielsweise in einem Teillastbereich oder lastlosen Zustand, entsteht durch den anstehenden Druck des Mediums an dem mitlaufenden und den Kolbenhub durchführenden Kolben ein zusätzlicher Energiebedarf, der über den Antriebsstrang zum Antrieb des Kolbens aufgebracht werden muss. Zudem belastet der mitlaufende Kolben durch den anstehenden Druck den Antriebstrang, wodurch insbesondere im Teillastbetrieb oder im lastlosen Betrieb einer Verdichterstufe der Antriebsstrang ungleichmäßig belastet wird. Weiterhin treten an dem im Teillastbetrieb oder lastlos mitlaufenden Kolben einer Verdichterstufe Belastungen und mechanischer Verschleiß an zugeordneten Bauteilen auf, beispielsweise den Dichtungseinrichtungen zum Abdichten des Kolbens in dem Verdichterzylinder, den Lagerungen des Kolbens sowie dem Saugventil und dem Druckventil des zu verdichtenden Mediums. Darüber hinaus tritt durch die Kolbenhubbewegung des mitlaufenden Kolbens einer Verdichterstufe Verschleiß an den entsprechenden Oberflächen zwischen Kolben und Verdichterzylinder auf.In generic multi-stage compressors in which the pistons of the individual compressor stages are in communication with a common drive train and thus the pistons of the individual compressor stages are mechanically connected to the drive train, the pistons of the compressor stages are driven together by the drive train and lead with actuated drive train one piston movement with a constant piston stroke. Each piston of the corresponding compressor stage is acted upon by the pending in the corresponding compressor stage pressure of the medium. If a compressor stage runs along without compressor power, for example, in a partial load range or no load condition, created by the upcoming pressure of the medium at the follower and the piston stroke piston performing an additional energy needs to be applied via the drive train to drive the piston. In addition, the revolving piston loaded by the impending pressure the drive train, which is particularly unevenly loaded in part-load operation or in no-load operation of a compressor stage of the drive train. Furthermore, occur on the part-load operation or no-load moving piston of a compressor stage Strains and mechanical wear on associated components, such as the sealing means for sealing the piston in the compressor cylinder, the bearings of the piston and the suction valve and the pressure valve of the medium to be compressed. In addition, occurs by the piston stroke of the follower piston of a compressor stage wear on the corresponding surfaces between the piston and the compressor cylinder.
Sofern bei einem gattungsgemäßen mehrstufigen Verdichter die Verdichterstufen in Reihe als Stufenverdichter geschaltet sind und eine Verdichterstufe ausgangsseitig mit dem Eingang einer nächsten Verdichterstufe verbunden ist, ergibt sich bei einem gattungsgemäßen Verdichter, bei dem die Kolben der Verdichterstufen mit einem gemeinsamen Antriebsstrang mechanisch gekoppelt sind und synchron angetrieben werden, dass der Eingangsdruckbereich und das Verdichtungsverhältnis der jeweiligen Verdichterstufe durch den festen und konstanten Kolbenhub der Kolbens der entsprechenden Verdichterstufe auf einen engen Bereich fixiert sind.If in a generic multi-stage compressor, the compressor stages are connected in series as a stage compressor and a compressor stage output connected to the input of a next compressor stage, resulting in a generic compressor in which the pistons of the compressor stages are mechanically coupled to a common drive train and driven synchronously be that the input pressure range and the compression ratio of the respective compressor stage are fixed by the fixed and constant piston stroke of the piston of the corresponding compressor stage to a narrow range.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen mehrstufigen Verdichter zur Verfügung zu stellen, bei dem die Verdichterstufen unabhängig voneinander betreibbar sind und der hinsichtlich des Verschleißes und der Energieeffizienz verbessert ist.The present invention has for its object to provide a generic multi-stage compressor available in which the compressor stages are independently operable and which is improved in terms of wear and energy efficiency.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolben der jeweiligen Verdichterstufe mit einer in dem Verdichterzylinder angeordneten Flüssigkeitssäule einer inkompressiblen Flüssigkeit in Verbindung steht, die die Kolbenhubbewegung des Kolbens in eine Bewegung eines in dem Verdichterzylinder längsverschiebbar angeordneten Verdichterkolbens wandelt, wobei die Flüssigkeitssäule zur Veränderung des Verdichterhubs des Verdichterkolbens mit einem Ablauf in Verbindung bringbar ist. Erfindungsgemäß steht somit der mechanisch mit dem Antriebsstrang gekoppelte Kolben jeder Verdichterstufe über eine Flüssigkeitssäule einer inkompressiblen Flüssigkeit, beispielsweise einer hydraulischen Flüssigkeit, mit einem Verdichterkolben in Verbindung, der den entsprechenden Verdichterhub zum Verdichten des zu verdichtenden Mediums ausführt. Durch die Verbindung der Flüssigkeitssäule mit einem Ablauf kann in erfindungsgemäßer Weise die Flüssigkeitssäule jeder Verdichterstufe verändert und variiert werden, so dass bei gegebenem konstanten Kolbenhub des mechanisch von dem Antriebsstrang angetriebenen Kolbens derThis object is achieved in that the piston of the respective compressor stage is in communication with an arranged in the compressor cylinder liquid column of an incompressible liquid, which converts the piston stroke of the piston in a movement of a longitudinally displaceably arranged in the compressor cylinder compressor piston, wherein the liquid column to change the Compressor strokes of the compressor piston can be brought into connection with a drain. According to the invention, therefore, the piston of each compressor stage, which is mechanically coupled to the drive train, communicates via a liquid column of an incompressible liquid, for example a hydraulic fluid, with a compressor piston which carries out the corresponding compressor stroke for compressing the medium to be compressed. Through the connection of the liquid column with a drain, the liquid column of each compressor stage can be changed and varied in accordance with the invention, so that given a constant piston stroke of the piston mechanically driven by the drive train
Verdichterhub des dem Kolben zugeordneten Verdichterkolbens unabhängig von dem Kolbenhub gesteuert werden kann. Dadurch wird es ermöglicht, einen Verdichterkolben teilweise oder vollständig trotz angetriebenem Kolbens abzuschalten und somit den Verdichterkolben bewegungslos stillzusetzen bzw. im Verdichterhub zu steuern. Bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter sind somit bei einem gemeinsamen Antriebsstrang unabhängige und individuell betreibbare Verdichterstufen erzielbar. Durch die erfindungsgemäße Verbindung der von dem Kolben angetriebenen Flüssigkeitssäule der hydraulischen Flüssigkeit wird somit auf einfache Weise ein Teillastbetrieb einer entsprechenden Verdichterstufe ermöglicht. Zudem ermöglicht die Verbindung der Flüssigkeitssäule mit einem Ablauf die Abschaltung einer oder mehrerer Verdichterstufen, bei denen die entsprechenden Verdichterkolben bewegungslos stillgesetzt sind und keine Bewegung in den Verdichterzylindern durchführen. Das Stillsetzen bzw. das Verändern des Verdichterhubs der entsprechenden Verdichterkolben führt zu einer verbesserten Energieeffizienz, da keine Antriebsleistung für den stillgesetzten Kolben aufgebracht werden muss bzw. in einem Teillastbereich durch Veränderung des entsprechenden Verdichterhubs des Verdichterkolbens der Antriebsstrang gleichmäßig belastet ist. Zudem wird der mechanische Verschleiß an den Oberflächen zwischen Kolben und Verdichterzylinder, den Dichtungen des Kolbens, dem Ein- und Auslassventil des Mediums einer lastlosen Verdichterstufe durch das Stillsetzen des Verdichterkolbens verringert bzw. vermieden.Compressor stroke of the piston associated compressor piston can be controlled independently of the piston stroke. This makes it possible to turn off a compressor piston partially or completely despite the driven piston and thus immobilize the compressor piston motionless or to control the compressor stroke. In the multistage piston compressor according to the invention, independent and individually operable compressor stages can thus be achieved in a common drive train. As a result of the connection according to the invention of the liquid column of the hydraulic fluid driven by the piston, a partial load operation of a corresponding compressor stage is thus made possible in a simple manner. In addition, the connection of the liquid column with a sequence allows the shutdown of one or more compressor stages, in which the corresponding compressor piston are stopped motionless and perform no movement in the compressor cylinders. Shutting down or changing the compressor stroke of the corresponding compressor piston leads to improved energy efficiency, since no drive power for the stopped piston must be applied or in a part load range by changing the corresponding compressor stroke of the compressor piston, the drive train is evenly loaded. In addition, the mechanical wear on the surfaces between the piston and compressor cylinder, the seals of the piston, the inlet and outlet valve of the medium of a no-load compressor stage by stopping the compressor piston is reduced or avoided.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Verbindung der Flüssigkeitssäule mit dem Ablauf eine Ventileinrichtung vorgesehen. Mit einer entsprechenden Ventileinrichtung kann auf einfache die Verbindung der von dem mit dem Antriebsstrang trieblich verbundenen Kolben angetriebenen Flüssigkeitssäule mit dem Ablauf gesteuert werden, so dass die Ventileinrichtung die von dem Kolben angetriebene Flüssigkeitssäule zum Ablauf fördert, um den dem Kolben zugeordneten Verdichterzylinder teilweise oder vollständig abzuschalten.According to a preferred embodiment of the invention, a valve device is provided for connecting the liquid column with the drain. With a corresponding valve device, the connection of the liquid column driven by the piston drivingly connected to the drive train can be controlled with the sequence so that the valve device conveys the liquid column driven by the piston to the outlet in order to partially or completely shut off the compressor cylinder associated with the piston ,
Mit besonderem Vorteil stehen gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung die Verdichterzylinder mittels jeweils einer Ablaufzweigleitung mit einer Sammelablaufleitung in Verbindung, wobei in der Ablaufzweigleitung die Ventileinrichtung angeordnet ist. An einem mehrstufigen Kolbenverdichter kann mit einer Sammelablaufleitung und einer entsprechenden mit einer Ventileinrichtung versehenen Ablaufzweigleitung an jeder Verdichterstufe auf einfache Weise die Verbindung der Flüssigkeitssäule der hydraulischen Flüssigkeit jeder Verdichterstufe individuell mit dem Ablauf gesteuert werden, um den entsprechenden Verdichterkolben der Verdichterstufe teilweise oder vollständig abzuschalten.With particular advantage, according to an embodiment of the invention, the compressor cylinders are connected by means of a respective branch branch line to a collection drain line, the valve device being arranged in the drain branch line. On a multi-stage reciprocating compressor can with a collecting drain line and a corresponding with a valve device provided at each compressor stage in a simple manner the connection of the liquid column of the hydraulic fluid of each compressor stage are individually controlled with the sequence to partially or completely shut off the corresponding compressor piston of the compressor stage.
Die Ventileinrichtung ist zweckmäßigerweise als Steuerventil, insbesondere Schieberventil oder Kugelhahn, mit einer Sperrstellung und einer Durchflussstellung ausgebildet. Mit einem derartigen Steuerventil kann auf einfache Weise durch entsprechende Betätigung in Richtung der Durchflussstellung die Flüssigkeitssäule mit dem Ablauf verbunden werden, um zu erzielen, dass der von dem Antriebsstrang angetrieben Kolben die Flüssigkeitssäule zum Ablauf fördert, um die Bewegung und den Verdichterhub des Verdichterkolbens zu steuern.The valve device is expediently designed as a control valve, in particular slide valve or ball valve, with a blocking position and a flow position. With such a control valve can be easily connected by appropriate operation in the direction of the flow position, the liquid column with the drain to achieve that the piston driven by the drive train promotes the liquid column to drain to control the movement and the compressor stroke of the compressor piston ,
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Ventileinrichtung mit einer elektronischen Steuereinrichtung betätigbar ist. Mit einer elektronischen Steuereinrichtung kann durch entsprechende Betätigung der Ventileinrichtungen auf einfache Weise das Verhalten des Verdichters gesteuert werden.Particular advantages arise when the valve device can be actuated with an electronic control device. With an electronic control device can be controlled by appropriate actuation of the valve devices in a simple manner, the behavior of the compressor.
Die Sammelablaufleitung steht zweckmäßigerweise mit einem Behälter, insbesondere einem unter einem Vorspanndruck stehenden Behälter, in Verbindung. Mit einem unter einen Vorspanndruck stehenden Behälter wird erzielt, dass die Flüssigkeitssäule bei geöffneter Ventileinrichtung unter einem bestimmten Gegendruck von dem angetriebenen Kolben zum Behälter gefördert wird. Ein bestimmter Vorspanndruck in der Sammelablaufleitung kann alternativ durch ein Überströmventil in der Sammelablaufleitung erzielt werden.The collecting drain line is expediently connected to a container, in particular a container under a biasing pressure. With a container under a bias pressure is achieved that the liquid column is conveyed with open valve device under a certain back pressure from the driven piston to the container. A certain biasing pressure in the header drain line may alternatively be achieved by an overflow valve in the header drain line.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in der Sammelablaufleitung oder der Ablaufzweigleitung mindestens eine Zusatzventileinrichtung angeordnet ist. Mit Zusatzventileinrichtungen kann auf einfache Weise das Verhalten des Verdichters beeinflusst und/oder gesteuert werden.Particular advantages arise when, according to a development of the invention, at least one additional valve device is arranged in the collecting drain line or the drain branch line. With additional valve devices, the behavior of the compressor can be influenced and / or controlled in a simple manner.
Die Zusatzventileinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Überströmventil, insbesondere Druckbegrenzungsventil, ausgebildet sein. Mit einem Druckbegrenzungsventil in der entsprechenden Ablaufzweigleitung wird auf einfache Weise ermöglicht, den Eingangsdruck und/oder den Ausgangsdruck der entsprechenden Verdichterstufe abzusichern, so dass sich die entsprechende Verdichterstufe einem veränderten Eingangsdruck und/oder Ausgangsdruck anpassen kann.The additional valve device may be formed according to an embodiment of the invention as a relief valve, in particular pressure relief valve. With a pressure relief valve in the corresponding branch line branch is made possible in a simple manner, the inlet pressure and / or the outlet pressure of the secure corresponding compressor stage, so that the corresponding compressor stage can adapt to a changed input pressure and / or output pressure.
Die Zusatzventileinrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung als Druckregelventil und/oder als Durchflussbegrenzungsventil ausgebildet sein. Mit einer derartigen Zusatzventileinrichtung kann auf einfache Weise eine Teillastabschaltung der entsprechenden Verdichterstufe ermöglicht werden.The additional valve device may be formed according to a further embodiment of the invention as a pressure control valve and / or as a flow control valve. With such an additional valve device, a partial load shutdown of the corresponding compressor stage can be made possible in a simple manner.
Der Antriebsstrang umfasst gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung eine von einem Antriebsmotor angetriebene Kurbel- oder Exzenterwelle, wobei die Kolben mittels jeweils einer Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden sind. Der Kolbenverdichter kann hierbei als Linearverdichter ausgebildet sein, bei dem die Kolben eine reine Linearbewegung in dem Verdichterzylinder ausführen und die Pleuelstange mittels einer Lagerung an der Kurbelwelle angeordnet ist. Alternativ kann der erfindungsgemäße Verdichter in Schwenkkolbenbauweise ausgebildet werden, bei dem die Kolben eine Pendelbewegung in dem Verdichterzylinder durchführen und die Pleuelstange an einer Kurbel- oder Excenterwelle starr befestigt werden kann.The drive train according to an advantageous embodiment of the invention comprises a driven by a drive motor crank or eccentric shaft, wherein the pistons are connected by means of a connecting rod to the crankshaft. The piston compressor can in this case be designed as a linear compressor, in which the pistons execute a pure linear movement in the compressor cylinder and the connecting rod is arranged by means of a bearing on the crankshaft. Alternatively, the compressor according to the invention can be formed in a rotary piston construction, in which the pistons perform a pendulum motion in the compressor cylinder and the connecting rod can be rigidly secured to a crank or eccentric shaft.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Flüssigkeitssäule mit einer Versorgungsquelle in Verbindung bringbar. Mit einer Versorgungsquelle kann auf einfache Weise die Flüssigkeitssäule der entsprechenden Verdichterstufe wiederaufgefüllt werden, um eine Zuschaltung der Verdichterstufe zu ermöglichen. Mit einer Versorgungsquelle kann weiterhin auf einfache Weise ein Austausch der Hydraulikflüssigkeit und eine Entlüftung der Flüssigkeitssäule ermöglicht werden.According to a preferred development of the invention, the liquid column can be brought into contact with a supply source. With a supply source, the liquid column of the corresponding compressor stage can be replenished in a simple manner, in order to enable a connection of the compressor stage. With a supply source can continue to be easily a replacement of the hydraulic fluid and a venting of the liquid column allows.
Die Versorgungsquelle umfasst zweckmäßigerweise eine mit dem Behälter in Verbindung stehende Versorgungspumpe, die in eine Versorgungsleitung fördert, wobei die Verdichterzylinder mittels jeweils der Versorgungszweigleitung mit einer Versorgungsleitung in Verbindung stehen, wobei in der Versorgungszweigleitung jeweils eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Mit einer Ventileinrichtung in entsprechenden Versorgungszweigleitungen kann auf einfache Weise die Wiederauffüllung der Flüssigkeitssäule der zugeordneten Verdichterstufe über die in die Versorgungsleitung führende Versorgungspumpe ermöglicht werden.The supply source expediently comprises a supply pump connected to the container, which feeds into a supply line, wherein the compressor cylinders are in each case connected to a supply line by means of the supply branch line, a respective valve device being arranged in the supply branch line. With a valve device in corresponding supply branch lines, the refilling of the liquid column of the associated compressor stage can be made possible in a simple manner via the supply pump leading into the supply line.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind bei einem erfindungsgemäßen Kolbenverdichter die Verdichterstufen in Reihe geschaltet. Mit einem Stufenverdichter, bei dem zumindest zwei Verdichterstufen in Reihe geschaltet sind, wobei eine Verdichterstufe ausgangsseitig mit dem Eingang einer weiteren Verdichterstufe verbunden ist, kann durch die erfindungsgemäße Verbindung einer oder aller Verdichterstufen mit dem Ablauf ein Teillastbetrieb einer Verdichterstufe auf einfache Weise ermöglicht werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Belastung des Antriebsstrangs erzielt. Zudem wird es ermöglicht, dass sich die entsprechende Verdichterstufe an unterschiedliche Eingangs- bzw. Ausgangsdrücke anpassen kann, wodurch der erfindungsgemäße Kolbenverdichter in einer weiten Bandbreite von Eingangs- und Ausgangsdrücken betrieben werden kann.According to a possible embodiment of the invention, the compressor stages are connected in series in a piston compressor according to the invention. With a stage compressor in which at least two compressor stages are connected in series, wherein a compressor stage is connected on the output side to the input of a further compressor stage, a partial load operation of a compressor stage can be made possible in a simple manner by connecting one or all compressor stages according to the invention. As a result, a uniform load of the drive train is achieved. In addition, it is possible that the corresponding compressor stage can adapt to different input and output pressures, whereby the piston compressor according to the invention can be operated in a wide range of input and output pressures.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung sind die Verdichterstufen parallel geschaltet. Bei einem derartigen Kolbenverdichter, bei dem jede Verdichterstufe einen separaten Verdichter bildet und eine entsprechenden Förderleistung des verdichteten Medium zur Verfügung stellt, kann durch die erfindungsgemäße teilweise oder vollständige Abschaltung der einzelnen Verdichterstufen auf einfache Weise eine variable und anpassbare Förderleistung zur Verfügung gestellt werden. Mit der erfindungsgemäßen Verbindung der entsprechenden Flüssigkeitssäule der zugeordneten Verdichterstufe kann auf einfache Weise eine multiple Verdichterlösung für variable Förderleistung mit einem gemeinsamen Antriebsstrang realisiert werden. Dabei bilden die teilweise oder vollständig abgeschalteten Verdichterstufen jeweils separate eigenständige Verdichter. Sofern bei einem derartigen mehrstufigen Kolbenverdichter eine höhere Förderleistung benötigt wird, können nacheinander die Verdichterstufen dazugeschaltet werden. Zudem ermöglicht der erfindungsgemäße Verdichter, die installierte Motorleistung des Antriebsmotors optimal auszunutzen. Sofern der ausgangsseitige Gegendruck des verdichteten Mediums niedrig ist, können mehrere Verdichterstufen gleichzeitig betrieben werden. Bei höherem ausgangsseitigen Gegendruck bzw. bei einem Boosterbetrieb können die einzelnen Verdichterstufen auf einfache Weise weggeschaltet werden, um eine Anpassung an die Motorleistung zu ermöglichen.According to another possible embodiment of the invention, the compressor stages are connected in parallel. In such a reciprocating compressor, in which each compressor stage forms a separate compressor and provides a corresponding delivery rate of the compressed medium, a variable and adjustable delivery rate can be provided in a simple manner by means of the inventive partial or complete deactivation of the individual compressor stages. With the connection according to the invention of the corresponding liquid column of the associated compressor stage, a multiple compressor solution for variable delivery with a common drive train can be realized in a simple manner. The partially or completely shut off compressor stages each form separate independent compressors. If a higher delivery rate is required in such a multi-stage reciprocating compressor, the compressor stages can be connected one after the other. In addition, the compressor according to the invention allows to optimally utilize the installed engine power of the drive motor. If the output side back pressure of the compressed medium is low, several compressor stages can be operated simultaneously. At higher output side back pressure or at a booster operation, the individual compressor stages can be easily switched off to allow adaptation to the engine performance.
Durch die erfindungsgemäße Verbindung der Flüssigkeitssäule der entsprechenden Verdichterstufe mit dem Ablauf wird weiterhin bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter ermöglicht, dass ausgewählte Verdichterstufen einzeln betrieben werden können. Dadurch wird ein Betrieb ausgewählter Verdichterstufen ermöglicht, ohne dass die anderen Verdichterstufen lauffähig sein müssen, beispielsweise bei einem Störfall einer Verdichterstufe. Bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter können bei einem Störfall oder einem Ausfall einer oder mehrere Verdichterstufen die betroffenen Verdichterstufen abgeschaltet und der Verdichter mit den funktionsfähigen Verdichterstufen weiterbetrieben werden.Due to the connection according to the invention of the liquid column of the corresponding compressor stage with the outlet, furthermore, in a multi-stage compressor according to the invention, it is possible to select selected compressor stages individually can be operated. As a result, an operation of selected compressor stages is made possible without the other compressor stages having to be able to run, for example in the event of a malfunction of a compressor stage. In the case of a multistage compressor according to the invention, in the case of an accident or a failure of one or more compressor stages, the compressor stages concerned can be switched off and the compressor can continue to be operated with the functional compressor stages.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter kann derart ausgebildet sein, dass die mittels der Flüssigkeitssäule betriebenen Verdichterkolben mit dem zu verdichtenden Medium direkt in Kontakt stehen und das Medium verdichten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Verdichter als ionischer Verdichter ausgebildet, wobei der Verdichterkolben der entsprechenden Verdichterstufe mit einer in dem Verdichterzylinder angeordneten Flüssigkeitssäule einer ionischen Betriebsflüssigkeit in Kontakt steht, die zur Verdichtung des Medium dient. Derartige ionische Verdichter, bei denen das zu verdichtende Medium von der ionischen Flüssigkeitssäule in dem Verdrängerzylinder verdrängt wird, werden bevorzugt zur Verdichtung von gasförmigen Medien, beispielsweise Wasserstoff, verwendet.The piston compressor according to the invention may be designed such that the compressor pistons operated by means of the liquid column are in direct contact with the medium to be compressed and compact the medium. According to a preferred development of the invention, the compressor is designed as an ionic compressor, the compressor piston of the corresponding compressor stage being in contact with a liquid column of an ionic operating fluid arranged in the compressor cylinder, which serves to compress the medium. Such ionic compressors, in which the medium to be compressed is displaced from the ionic liquid column in the displacement cylinder, are preferably used for the compression of gaseous media, for example hydrogen.
Bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter wird ermöglicht, dass durch die Verbindung der Flüssigkeitssäule mit dem Ablauf eine Verdichterstufe oder mehrere Verdichterstufen bei weiterlaufendem Antriebsstrang teilweise oder vollständig abgeschaltet werden können. Die teilweise Abschaltung einzelner Verdichterstufen ermöglicht auf einfache Weise einen Teillastbetrieb ausgewählter Verdichterstufen. Die vollständige Abschaltung einzelner Verdichterstufen ermöglicht die Anpassung der Verdichterleistung an die installierte Motorleistung des Antriebsmotors des Antriebsstranges und/oder die Erzielung einer variablen Verdichterleistung. Zudem wird durch die vollständige Abschaltung einzelner Verdichterstufen ein Weiterbetrieb des Verdichters bei einer gestörten oder funktionsunfähigen Verdichterstufe ermöglicht.In a multi-stage reciprocating compressor according to the invention, it is made possible by the connection of the liquid column with the outlet that a compressor stage or several compressor stages can be partially or completely shut off when the drive train continues to run. The partial shutdown of individual compressor stages allows a simple way a partial load operation of selected compressor stages. The complete shutdown of individual compressor stages allows the adjustment of the compressor power to the installed engine power of the drive motor of the drive train and / or the achievement of a variable compressor power. In addition, the complete shutdown of individual compressor stages, a continued operation of the compressor in a disturbed or inoperable compressor stage is made possible.
Zudem wird bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter ermöglicht, dass durch die Verbindung der Flüssigkeitssäulen aller Verdichterstufen mit dem Ablauf eine Notabschaltung des Verdichters bei weiterlaufendem Antriebsstrang erzielbar ist. Bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter kann durch die gleichzeitige Verbindung aller Flüssigkeitssäulen der Verdichterstufen mit dem Ablauf ein Notlastabwurf realisiert werden, bei dem alle Verdichterstufen abgeschaltet werden ohne dass der Antriebsstrang sofort zum Stehen gebracht werden müsste.In addition, in a multistage piston compressor according to the invention it is made possible that an emergency shutdown of the compressor with further running of the drive train can be achieved by the connection of the liquid columns of all compressor stages with the sequence. In a multi-stage piston compressor according to the invention can be achieved by the simultaneous connection of all liquid columns of the compressor stages with the Expiration emergency dump be realized, in which all compressor stages are switched off without the drive train would have to be brought to a stop immediately.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
Figur 1- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichters und
- Figur 2
- eine Weiterbildung der Erfindung.
- FIG. 1
- a schematic representation of a multi-stage piston compressor according to the invention and
- FIG. 2
- a development of the invention.
In der
Jede Verdichterstufe A, B, C, D umfasst einen in einem Verdichterzylinder 2A, 2B, 2C, 2D längsverschiebbar angeordneten Kolben 3A, 3B, 3C, 3D. Zum gemeinsamen Antrieb der Kolben 3A-3D stehen die Kolben 3A-3D mit einem gemeinsamen Antriebsstrang 4 in trieblicher Verbindung.Each compressor stage A, B, C, D comprises a piston 3A, 3B, 3C, 3D arranged longitudinally displaceably in a
Der Antriebsstrang 4 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer von einem Antriebsmotor 5, beispielsweise einem Elektromotor oder Verbrennungsmotor, angetriebenen Kurbel- bzw. Exzenterwelle 6, wobei die Kolben 3A-3D jeweils mittels einer Pleuelstange 7A-7D mit der Kurbelwelle 6 in mechanischer Verbindung stehen. In der Anlenkung der Pleuelstange 7A-7D an der Kurbel- bzw. Exzenterwelle 6 kann eine Lagerung 8A-8D ausgebildet werden.In the exemplary embodiment shown, the
Erfindungsgemäß steht jeder Kolben 3A-3D mittels einer Flüssigkeitssäule 9A-9D aus einem inkompressiblen Medium, beispielsweise einer Hydraulikflüssigkeit, in dem Verdichterzylinder 2A-2D mit einem in dem Verdichterzylinder 2A-2D längsverschiebbaren Verdichterkolben 10A-10D in Verbindung, der direkt oder unter Zwischenschaltung einer Flüssigkeitssäule einer ionischen Betriebsflüssigkeit 30A-30D zur Verdichtung des zu verdichtenden Mediums M dient, beispielsweise gasförmigen oder flüssigen Wasserstoffs. Zur Abdichtung des Kolbens 3A-3D gegenüber dem entsprechenden Verdichterzylinder 2A-2D sind schematisch dargestellte Dichtungseinrichtungen vorgesehen.According to the invention, each piston 3A-3D is connected by means of a liquid column 9A-9D made of an incompressible medium, for example a hydraulic fluid, in the
Die Kinematik der Kurbelwelle 6 und der Pleuelstange 7A-7D führt bei einem angetriebenen Antriebsstrang 4 zu einem vorgegeben, konstanten Kolbenhub KH zwischen einem oberen unteren Totpunkt der entsprechenden Kolben 2A-2D der jeweiligen Verdichterstufen A-D.The kinematics of the crankshaft 6 and the connecting
Erfindungsgemäß ist weiterhin die jeweilige Flüssigkeitssäule 9A-9D der zugeordneten Verdichterstufe A-D mit einem Ablauf 15 verbindbar.According to the invention, furthermore, the respective liquid column 9A-9D of the associated compressor stage A-D can be connected to a
Hierzu ist eine zu einem Behälter 20 geführte Sammelablaufleitung 21 vorgesehen, an die die jeweiligen Verdichterzylinder 2A-2D mittels jeweils einer entsprechenden Ablaufzweigleitung 22A-22D angeschlossen sind. Zur Steuerung der Verbindung der Flüssigkeitssäule 9A-9D mit der Sammelablaufleitung 21 und somit zum entsprechenden Ablassen von Hydraulikflüssigkeit der zugeordneten Flüssigkeitssäule 9A-9D ist in jeder Ablaufzweigleitung 22A-22D eine Ventileinrichtung 23A-23D angeordnet. Der Behälter 20 kann unter einer geringen Vorspannung stehen.For this purpose, a
Die Ventileinrichtung 23A-23D kann als Schieberventil oder Kugelhahn ausgebildet sein, die zwischen einer Durchflussstellung und einer Sperrstellung betätigbar ist.The
Zum Wiederauffüllen von Hydraulikflüssigkeit aus dem Behälter 20 in die entsprechende Flüssigkeitssäule 9A-9D der Verdichterstufen A-D ist eine Versorgungsquelle 25 vorgesehen, die eine Versorgungspumpe 26 aufweist, die saugseitig mit dem Behälter 20 in Verbindung steht und förderseitig in eine Versorgungsleitung 27 fördert. Die Verdichterzylinder 2A-2D stehen mittels jeweils einer Versorgungszweigleitung 28A-28D mit der Versorgungsleitung 27 in Verbindung. In den Versorgungsleitungen 28A-28D ist zum entsprechenden Auffüllen von Hydraulikflüssigkeit der zugeordneten Flüssigkeitssäule 9A-9D jeweils eine Ventileinrichtung 29A-29D angeordnet. Die Ventileinrichtung 29A-29D kann als Schieberventil oder Kugelhahn ausgebildet sein, die zwischen einer Durchflussstellung und einer Sperrstellung betätigbar ist.For replenishing hydraulic fluid from the
Durch entsprechende Betätigung der Ventileinrichtung 23A-23D kann Hydraulikflüssigkeit aus der entsprechenden Flüssigkeitssäule 9A-9D abgelassen werden, so dass bei einem vorgegeben und konstanten Kolbenhub KH des zugeordneten Kolbens 3A-3D nach in der
Durch die erfindungsgemäße Verbindung der Flüssigkeitssäule 9A-9D der jeweiligen Verdichterstufe A-D mit dem Ablauf 15 wird somit ermöglicht, den Verdichterhub VH jedes Verdichterkolbens 10A-10D unabhängig von dem konstanten Kolbenhub KH des zugeordneten Kolbens 3A-3D zu variieren und zu verändern, wobei weiterhin ermöglicht wird, den Verdichterkolben 10A-10D vollständig stillzusetzen mit Verdichterhub VH Null. Die Steuerung der Flüssigkeitssäule 9A-9D mit dem Ablauf 15 und somit dem Behälter 20 ermöglicht es somit, einen Verdichterzylinder 10A-10B teilweise oder vollständig abzuschalten. Durch individuelle Ansteuerung der Ventileinrichtung 23A-23D kann weiterhin der Verdichterhub VH jedes Verdichterkolbens 10A-10D unabhängig von dem Verdichterhub der anderen Verdichterkolben der weiteren Verdichterstufen gesteuert und verändert werden.The connection according to the invention of the liquid column 9A-9D of the respective compressor stage AD with the
In der
Gemäß der
In der
Gemäß der
Bei einem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter 1 ergeben sich eine Reihe von Vorteilen.In a
Bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter 1 sind bei einem gemeinsamen Antriebsstrang 4 mit einem einzigen Antriebsmotor 5 unabhängige Verdichterstufen A-D erzielbar. Bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter 1 mit einem gemeinsamen Antriebsstrang 4 können einzelne Verdichterstufen A-D teilweise oder vollständig abgeschaltet werden und somit im Teillastbetrieb oder lastlos betrieben bzw. einzelne Verdichterkolben bewegungslos geschaltet werden. Dadurch werden eine verbesserte Energieeffizienz und eine verringerte Belastung des Antriebes bei abgeschalteter Verdichterstufe erzielt. Zudem wird bei einem bewegungslos geschalteten Verdichterkolben einer Verdichterstufe eine verringerte Belastung und ein verringerter mechanischer Verschleiß erzielt, beispielsweise an den Dichtungen des Verdichterkolbens und den Oberflächen des Verdichterkolbens sowie des Verdichterzylinders und den Ventilen der Verdichterstufe.In the
Durch die teilweise oder vollständige Abkopplung einzelner Verdichterstufen vom Antriebsstrang ergibt sich weiterhin eine erhöhte Energieeffizienz im Teillastbetrieb. Zudem kann hierdurch die Belastung des Antriebsstranges gleichmäßig gehalten werden.The partial or complete decoupling of individual compressor stages from the drive train further results in increased energy efficiency in partial load operation. In addition, this allows the load of the drive train to be kept uniform.
Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße individuelle Abschaltung der einzelnen Verdichterstufen erzielt, dass sich der Verdichter 1 an veränderte Ein- bzw. Ausgangdrücke des zu verdichtenden Mediums anpassen kann. Bei einem als Stufenverdichter ausgebildeten erfindungsgemäßen mehrstufigen Kolbenverdichter wird somit ein Betrieb in einem vergrößerten Eingangsdruckbereich und ein variables Verdichtungsverhältnis an den entsprechenden Verdichterstufen ermöglicht.Furthermore, it is achieved by the inventive individual shutdown of the individual compressor stages that the
Durch die Anordnung einer oder mehrer Zusatzventileinrichtungen in den Ablaufzweigleitungen der entsprechenden Verdichterstufe ist es möglich, das Verhalten des Verdichters auf einfache Weise zu beeinflussen und/oder zu steuern. Durch Anordnung eines Überströmventils, beispielsweise eines Druckbegrenzungsventils, und/oder eines Regelventils, beispielsweise eines Druckregelventils oder eines Durchflussregelventils, in die entsprechende Ablaufzweigleitung einer Verdichterstufe können auf einfache Weise ein oder mehrere Abschaltungsvarianten (Teillast, Druckbegrenzung, Komplettabschaltung) der entsprechenden Verdichterstufe ermöglicht werden.By arranging one or more additional valve devices in the outlet branch lines of the corresponding compressor stage, it is possible to influence the behavior of the compressor in a simple manner and / or to control. By arranging an overflow valve, for example a pressure relief valve, and / or a control valve, for example a pressure control valve or a flow control valve, in the corresponding branch line branch of a compressor stage one or more Abschaltungsvarianten (partial load, pressure limiting, complete shutdown) of the corresponding compressor stage can be easily made possible.
Claims (18)
- Multiple-stage piston compressor (1) for a gaseous or cryogenically liquefied medium (M) having at least two compressor stages (A, B, C, D) which are operatively connected for joint driving with a common drive train (4), each compressor stage (A, B, C, D) having a piston (3A, 3B, 3C, 3D) which is connected mechanically to the drive train (4) and is arranged longitudinally displaceably in a compressor cylinder (2A, 2B, 2C, 2D), characterized in that the piston (3A; 3B; 3C; 3D) of the respective compressor stage (A; B; C; D) is connected to a liquid column (9A; 9B; 9C; 9D) of an incompressible liquid which is arranged in the compressor cylinder (2A; 2B; 2C; 2D) and converts the reciprocal piston movement of the piston (3A; 3B; 3C; 3D) into a movement of a compressor piston (10A; 10B; 10C; 10D) which is arranged longitudinally displaceably in the compressor cylinder (2A; 2B; 2C; 2D), it being possible for the liquid column (9A; 9B; 9C; 9D) to be connected to an outflow (15) in order to change the compressor stroke (VH) of the compressor piston (10A; 10B; 10C; 10D).
- Multiple-stage piston compressor according to Claim 1, characterized in that a valve device (23A; 23B; 23C; 23D) is provided for connecting the liquid column (9A; 9B; 9C; 9D) to the outflow (15).
- Multiple-stage piston compressor according to Claim 2, characterized in that the compressor cylinders (2A; 2B; 2C; 2D) are connected by means of in each case one outflow branch line (22A; 22B; 22C; 22D) to a collecting outflow line (21), the valve device (23A; 23B; 23C; 23D) being arranged in the outflow branch line (22A; 22B; 22C; 22D).
- Multiple-stage piston compressor according to Claim 2 or 3, characterized in that the valve device (23A; 23B; 23C; 24D) is configured as a control valve, in particular a slide valve or ball cock, with a shut position and a throughflow position.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the valve device (23A; 23B; 23C; 23D) can be actuated by way of an electronic control device (41).
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 3 to 5, characterized in that the collecting outflow line (21) is connected to a container (20), in particular a container under a preload pressure.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 3 to 6, characterized in that at least one additional valve device (50A) is arranged in the collecting outflow line (21) or in the outflow branch line (22A; 22B; 22C; 22D).
- Multiple-stage piston compressor according to Claim 7, characterized in that the additional valve device (50A) is configured as an overflow valve (51A), in particular a pressure limiting valve.
- Multiple-stage piston compressor according to Claim 7 or 8, characterized in that the additional valve device (50A) is configured as a control valve (52A), in particular a pressure control valve.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 7 to 9, characterized in that the additional valve device (50A) is configured as a throughflow limiting valve.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the drive train (4) comprises a crankshaft or eccentric shaft (6) which is driven by a drive motor (5), the pistons (3A; 3B; 3C; 3D) being connected by means of in each case one connecting rod (7A; 7B; 7C; 7D) to the crankshaft or eccentric shaft (6).
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the liquid column (9A; 9B; 9C; 9D) can be connected to a supply source (25).
- Multiple-stage piston compressor according to Claim 12, characterized in that the supply source (25) comprises a supply pump (26) which is connected to the container (20) and delivers into a supply line (27), the compressor cylinders (2A; 2B; 2C; 2D) being connected by means of in each case one supply branch line (28A; 28B; 28C; 28D) to the supply line (27), in each case one valve device (29A; 29B; 29C; 29D) being arranged in the supply branch line (28A; 28B; 28C; 28D).
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the compressor stages (A; B; C; D) are connected in series.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the compressor stages (A; B; C; D) are connected in parallel.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the compressor (1) is configured as an ionic compressor, the compressor piston (10A; 10B; 10C; 10D) of the corresponding compressor stage (A; B; C; D) being in contact with a liquid column, arranged in the compressor cylinder (2A; 2B; 2C; 2D), of an ionic operating liquid (30A; 30B; 30C; 30D) which serves to compress the medium (M).
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 16, characterized in that, as a result of the connection of the liquid column (9A; 9B; 9C; 9D) to the outflow (15), a compressor stage (A; B; C; D) or a plurality of compressor stages (A, B, C, D) can be switched off partially or completely while the drive train (4) continues to run.
- Multiple-stage piston compressor according to one of Claims 1 to 16, characterized in that, as a result of the connection of the liquid columns (9A, 9B, 9C, 9D) of all the compressor stages (A, B, C, D) to the outflow (15), an emergency switch-off of the compressor (1) is made possible while the drive train (4) continues to run.
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