EP3511569A1 - Verfahren zur verdichtung eines fluids und verdichterbaugruppe - Google Patents

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Publication number
EP3511569A1
EP3511569A1 EP18020012.3A EP18020012A EP3511569A1 EP 3511569 A1 EP3511569 A1 EP 3511569A1 EP 18020012 A EP18020012 A EP 18020012A EP 3511569 A1 EP3511569 A1 EP 3511569A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
pump speed
compressor
fluid
speed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18020012.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Adler
Sascha Dorner
Christoph Nagl
Sarah Gruber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP18020012.3A priority Critical patent/EP3511569A1/de
Publication of EP3511569A1 publication Critical patent/EP3511569A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/22—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by means of valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F04B15/08—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure the liquids having low boiling points
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids

Definitions

  • the invention relates to a method for compressing a fluid and a compressor assembly, in particular for carrying out the method according to the invention.
  • hydraulically driven compressors also known as piston compressors
  • piston compressors have a movable piston in the compressor (also referred to as separator piston), which separates a first compressor chamber from a second compressor chamber.
  • a fluid provided in the first compressor room may be compressed by introducing a hydraulic fluid into the second compressor room by means of a hydraulic fluid pump (for example, an axial piston machine, a radial piston machine or a gear pump) and moving the piston by the introduced hydraulic fluid.
  • a hydraulic fluid pump for example, an axial piston machine, a radial piston machine or a gear pump
  • a first aspect of the invention relates to a method for compressing a fluid, wherein the fluid is provided in a first compressor space, which is separated from a second compressor chamber by means of a movable piston of a compressor, wherein a hydraulic fluid is introduced into the second compressor chamber by means of a pump, so that the piston moves and the fluid in the first compressor space is compressed while reducing the volume of the first compressor space, wherein a pump speed of the pump during the compression of the fluid controlled so, in particular reduced, that the mathematical product of the pump speed and a Pump torque of the pump remains constant or substantially constant, the pump torque depends on the prevailing pressure in the first compressor chamber.
  • the pump torque is the moment which the compressor opposes to a motor driving the pump. This depends (in particular linear) on the back pressure of the hydraulic fluid in the second compressor chamber, wherein the back pressure of the hydraulic fluid in equilibrium corresponds to the pressure of the fluid in the first compressor chamber.
  • the pump torque which is increased when the backpressure increases, is compensated for by a reduction in the pump speed, so that during the method the pump power or the delivery rate of the pump always remains constant.
  • the compressor delivery rate during a compressor stroke ie a movement of the piston in the compressor
  • the engine speed and thus the pump speed is always kept at a maximum (for the relevant backpressure), whereby the maximum power of the engine at the relevant speed point is kept at a maximum.
  • the compaction time can thus be shortened, in particular in hydraulically driven systems. This is possible with only a small additional cost compared to systems with constant speed.
  • the method according to the invention allows the pump to be operated at a maximum pump speed at the beginning of a compressor stroke with a relatively low backpressure. This allows for faster compression than in prior art processes where the pump speed is maintained at a constant lower level throughout the compressor stroke.
  • the fluid is in particular a gas.
  • the fluid may also be formed by a liquid-gas mixture.
  • the pump has a pumping speed rotating or moving component or assembly for compressing the fluid.
  • the pump may be formed as axial piston machine, radial piston machine or gear pump.
  • the pump speed is linearly reduced with time during the compression of the fluid. In this way, with an increase in the back pressure according to the adiabatic equation (assuming isentropic compression), at least approximately a constant product of pump speed and pump torque can always be achieved.
  • the pump speed is kept constant in a precompression phase, the pump speed being reduced in a compression phase following the precompression phase, in particular linear with respect to time.
  • the pressure of the fluid increases only insignificantly according to isentropic compression. Therefore, it is possible at this stage to keep the pump speed constant in this phase.
  • the subsequent compression phase a greater increase in the back pressure, which is compensated by the reduction of the pump speed.
  • the pump speed in the precompression phase corresponds to a maximum pump speed of the pump.
  • the pump is configured during normal use to be operated at the maximum pump speed at most. That is, when the maximum pump speed is exceeded, the pump may e.g. may be damaged, it may be e.g. pose a safety risk to the user or the delivery rate of the pump may e.g. If the maximum speed is exceeded, this can not be increased by design.
  • the pump speed in the compression phase is reduced to a minimum pump speed.
  • the minimum pump speed corresponds in particular to that speed at which, at a maximum pressure (in particular compression end pressure) of the fluid in the first compressor chamber, the (constant) product results from pump torque and pump speed.
  • a freewheel valve is opened, in particular when reaching the minimum speed, so that the load is taken from the pump.
  • the pump speed is maintained at the minimum pump speed in a stop phase subsequent to the compression phase.
  • the pump speed is increased to the maximum pump speed before the precompression phase in a start phase, in particular linear with respect to the time.
  • the pump speed in the starting phase is first increased to the minimum speed, wherein the pump speed is kept constant after reaching the minimum pump speed, and wherein the pump speed is then increased, in particular linear with respect to the time, to the maximum pump speed.
  • the pump speed is set on the basis of a predetermined speed curve over time.
  • the pressure of the fluid in the first compressor space is determined or measured, the pump speed being set as a function of the determined or measured pressure.
  • the determination of the pressure may e.g. by direct pressure measurement in the first compression chamber or alternatively by measuring the pressure of the hydraulic fluid in the second compression chamber or in a hydraulic fluid line downstream of the pump.
  • a second aspect of the invention relates to a compressor assembly, in particular for carrying out the method according to the first aspect, comprising a compressor having a piston movable in the compressor, which can be arranged in the compressor so that it separates a first compressor chamber from a second compressor chamber, a hydraulic fluid reservoir for receiving a hydraulic fluid communicable with the second compressor chamber, a pump configured to deliver the hydraulic fluid from the hydraulic fluid reservoir and introduce it into the second compressor chamber so that the piston moves and in the first compressor chamber compressed fluid, wherein the compressor assembly comprises a controller configured to control a pump speed of the pump during the compression of the fluid so that the mathematical product of the pump speed and a pump torque of the pump constant or remains substantially constant, wherein the pump torque depends on the pressure prevailing in the first compressor chamber.
  • the pump has a pumping speed rotating or moving component or assembly for compressing the fluid.
  • the pump may be formed as axial piston machine, radial piston machine or gear pump.
  • control device is configured to adjust the pump speed based on a predetermined time pump speed curve.
  • This speed curve can be stored for example in a memory unit of the control device.
  • the compressor assembly has at least one pressure sensor for determining or measuring the pressure of the fluid in the first compressor chamber, wherein the controller is configured to adjust the pump speed as a function of the determined or measured pressure.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a compressor assembly 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the compressor assembly 1 has a compressor 3 with a piston 30, which separates a first compressor chamber 31 of the compressor 3 for receiving a fluid F from a second compressor chamber 32 of the compressor 3 for receiving a hydraulic fluid H.
  • the compressor assembly 1 further comprises a hydraulic fluid H partially filled hydraulic fluid reservoir 9 and a pump 11 which is configured to convey the hydraulic fluid H from the hydraulic fluid reservoir 9 and to introduce via a hydraulic valve 6 in the second compressor chamber 32 of the compressor 3.
  • the piston 30 is movably arranged in the compressor 3, so that the piston 30 in the illustration of Fig. 1 can move to the right when the hydraulic fluid H is introduced into the second compressor chamber 32.
  • the volume of the second compressor chamber 32 increases and the volume of the first compressor chamber 31 decreases correspondingly, so that fluid F in the first compressor chamber 31 is at such a movement of the piston 30 due to the reduction of the volume of the first Compressor space 31 is compressed.
  • the second compressor chamber 32 is further connected via the hydraulic valve 6 and a hydraulic return valve 8 to the hydraulic fluid reservoir 9, so that upon movement of the piston 30 to the left as shown in FIG Fig. 1 (For example, when the first compressor chamber 31 is filled with the fluid F) the hydraulic fluid H displaced from the second compressor chamber 32 by means of the piston 30 can flow back into the hydraulic fluid container 9 via the hydraulic valve 6 and the hydraulic return valve 8.
  • a broken line represents an exemplary level of the hydraulic fluid H in the hydraulic fluid reservoir 9. Further, the arrows indicate the flow direction of the hydraulic fluid.
  • the pump 11 is designed in particular as an axial piston machine, radial piston machine or gear pump, thus has rotating components with a pump speed n (which can be given in the unit s -1 , for example), the delivery rate of the pump 11 is greater, the higher the pump speed n is.
  • pump 11 (or its rotating components) are driven by a motor 10.
  • the motor 10 thus sets the said rotating components of the pump 11 in rotary motion.
  • the motor 10 is connected to a control device 12, so that by means of the control device 12, the speed of the motor 10 and thus the pump speed n of the pump 11 is controllable.
  • hydraulic fluid H is introduced by means of the pump 11 from the hydraulic fluid reservoir 9 in the second compressor chamber 32 of the compressor 3, so that the piston 30 as shown in the Fig. 1 moved to the right, whereby the volume V of the first compressor chamber 31 is reduced and thus the fluid contained in the first compressor chamber 31 F is compressed.
  • the FIG. 2 shows a common time / pump speed and time / pressure diagram.
  • the abscissa of the graph represents the time t and the ordinate of the graph represents the pump speed n of the pump 11 with respect to a pump speed curve n (M) and the pressure p of the fluid F with respect to a pressure curve p (V, ⁇ ) first compressor chamber 31 of the compressor 3 during the process according to the invention as a function of time t.
  • speed curve n (M) shows that in the example of the method shown here, the pump speed n is controlled so that during a start phase t start the pump speed n is first increased linearly from zero to a minimum pump speed n min (minimum operating speed) (wherein said linear increase is also referred to as a launch ramp or first ramp), then held constant for a period of time at the minimum pump speed n min (also referred to as a first plateau) and subsequently linearly increased to the maximum pump speed n max (also referred to as second ramp).
  • minimum pump speed n min minimum operating speed
  • n max also referred to as second ramp
  • the precompression of the fluid F follows, the pump speed n constantly corresponding to the maximum pump speed n max (also referred to as the second plateau). It can be seen from the pressure curve p (V, ⁇ ) that the pressure p in the first compression chamber 31 remains virtually constant during the precompression phase t predverd .
  • the pump speed n during a compression phase t Verd in particular proportional to the pressure prevailing in the first compression chamber 31 back pressure p, is reduced, so that there is an at least approximately linear relationship between time and pump speed n for the compression phase t Verd .
  • the product of pump torque M and pump speed n remains constant according to the invention, so that in each case the maximum pump output at the current counter-pressure results.
  • the minimum pump speed n min (the minimum pump speed also depends on manufacturer-specific information, these usually relate to a rotation-induced minimum lubrication), which occurs simultaneously with the achievement of the maximum back pressure p max in the first compressor chamber 31 is, for example by opening a Freewheel valve, the load taken from the pump 11. Subsequently, the pump speed n is kept constant in a stop phase t stop at the minimum pump speed n min . After the end of the stop phase t Stop , the pump speed n is reduced to 0 in a further ramp.
  • V 1 denotes the maximum volume of the first compressor chamber 31 of the compressor 3 and V2 denotes the maximum volume of the first compressor chamber 31 minus the number of pump revolutions (N pump ) multiplied by the volumetric displacement of the pump 11 (V pump ).
  • p 1 denotes the back pressure of the fluid F in the first compression space 31 at the volume V 1 and p 2 denotes the back pressure of the fluid F in the first compression space 31 at the volume V2.
  • p ⁇ V ⁇ const
  • V 2 V 1 - N pump ⁇ V pump
  • the individual times or phases t start , t predverd , t Verd and t stop can be calculated.
  • the control of the pump speed n can, for example, based on a predetermined speed curve (such as in Fig. 2 shown).
  • a predetermined speed curve such as in Fig. 2 shown.
  • the back pressure of the hydraulic fluid H or the pressure of the fluid F in the first compressor chamber 31 may be measured during the process, with the pump speed n being set as a function of the measured pressure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung eines Fluids (F), wobei das Fluid (F) in einem ersten Verdichterraum (31) bereitgestellt wird, der mittels eines bewegbaren Kolbens (30) eines Verdichters (3) von einem zweiten Verdichterraum (32) getrennt ist, wobei mittels einer Pumpe (11) ein Hydraulikfluid (H) in den zweiten Verdichterraum (32) eingeleitet wird, so dass sich der Kolben (30) bewegt und das Fluid (F) in dem ersten Verdichterraum (31) verdichtet wird, wobei eine Pumpendrehzahl (n) der Pumpe (11) während der Verdichtung des Fluids (F) so gesteuert wird, dass das Produkt aus der Pumpendrehzahl (n) und einem Pumpenmoment (M) der Pumpe (11) konstant bleibt, wobei das Pumpenmoment (M) von dem in dem ersten Verdichterraum (31) herrschenden Druck (p) abhängt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verdichterbaugruppe (1), insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung eines Fluids sowie eine Verdichterbaugruppe, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Aus dem Stand der Technik sind z.B. hydraulisch angetriebene Verdichter (auch als Kolbenverdichter bezeichnet) bekannt. Diese weisen einen in dem Verdichter bewegbaren Kolben (auch als Trennerkolben bezeichnet) auf, der einen ersten Verdichterraum von einem zweiten Verdichterraum trennt. Ein Fluid, das in dem ersten Verdichterraum zur Verfügung gestellt wird, kann durch Einleiten eines Hydraulikfluids in den zweiten Verdichterraum mittels einer Hydraulikfluidpumpe (z.B. einer Axialkolbenmaschine, einer Radialkolbenmaschine oder einer Zahnradpumpe) und Bewegen des Kolbens durch das eingeleitete Hydraulikfluid verdichtet werden.
  • Nach dem Stand der Technik sind außerdem Fahrzeuge bekannt, die mit gasförmigen Treibstoffen, z.B. Wasserstoff, Erdgas oder Methan, antreibbar sind. Entsprechende Tankstellen für diese Treibstoffe sind ebenfalls bekannt.
  • Die Infrastruktur für solche Gastankstellen (z.B. Wasserstofftankstellen) ist aktuell in den meisten Regionen noch nicht so stark ausgebaut, dass sich der Umstieg für den Großteil der Bevölkerung ohne Nachteile ergeben würde. Heimbefüllsysteme für gasförmige Treibstoffe wie Wasserstoff nach dem Stand der Technik erlauben lediglich geringe Durchflussmengen, wodurch die Einhaltung herstellerspezifischer Vorgaben unter diesen Umständen nicht erfolgen würde.
  • Nach dem Stand der Technik bekannte Fluidverdichtungsverfahren mittels Hydraulikfluidpumpen (die das Hydraulikfluid durch rotierende bzw. sich bewegende Komponenten fördern) haben den Nachteil, dass die maximale Pumpleistung der Hydraulikfluidpumpe nicht ausgenutzt werden kann, da während des Verfahrens durch das verdichtete Fluid ein zu hoher Gegendruck auftritt.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches bezüglich der zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie die Verdichterbaugruppe nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Die Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung eines Fluids, wobei das Fluid in einem ersten Verdichterraum bereitgestellt wird, der mittels eines bewegbaren Kolbens eines Verdichters von einem zweiten Verdichterraum getrennt ist, wobei mittels einer Pumpe ein Hydraulikfluid in den zweiten Verdichterraum eingeleitet wird, so dass sich der Kolben bewegt und das Fluid in dem ersten Verdichterraum unter Verringerung des Volumens des ersten Verdichterraums verdichtet wird, wobei eine Pumpendrehzahl der Pumpe während der Verdichtung des Fluids so gesteuert, insbesondere verringert, wird, dass das mathematische Produkt aus der Pumpendrehzahl und einem Pumpenmoment der Pumpe konstant bzw. im Wesentlichen konstant bleibt, wobei das Pumpenmoment von dem in dem ersten Verdichterraum herrschenden Druck abhängt.
  • Als Pumpenmoment wird das Moment bezeichnet, welches der Verdichter einem die Pumpe antreibenden Motor entgegensetzt. Dieses hängt (insbesondere linear) vom Gegendruck des Hydraulikfluids im zweiten Verdichterraum ab, wobei der Gegendruck des Hydraulikfluids im Gleichgewicht dem Druck des Fluids in dem ersten Verdichterraum entspricht.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das bei steigendem Gegendruck erhöhte Pumpenmoment durch eine Verringerung der Pumpendrehzahl kompensiert, so dass während des Verfahrens die Pumpenleistung bzw. die Förderleistung der Pumpe stets konstant bleibt. Damit kann die Verdichterförderleistung während eines Verdichterhubs (also einer Bewegung des Kolbens in dem Verdichter) stets auf einem Maximum gehalten werden. Mit anderen Worten: die Motordrehzahl und damit die Pumpendrehzahl wird stets auf einem Maximum (für den betreffenden Gegendruck) gehalten, wodurch das Leistungsmaximum des Motors im betreffenden Drehzahlpunkt auf einem Maximum gehalten wird. Im Vergleich zu Verdichtungsverfahren nach dem Stand der Technik kann somit die Verdichtungsdauer verkürzt werden, insbesondere in hydraulisch angetriebenen Systemen. Dies ist bei nur geringen Mehrkosten im Vergleich zu Systemen mit konstanter Drehzahl möglich.
  • Insbesondere erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, am Anfang eines Verdichterhubs bei relativ geringem Gegendruck die Pumpe bei einer maximalen Pumpendrehzahl zu betreiben. Dies ermöglicht eine schnellere Verdichtung als bei Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen die Pumpendrehzahl während des gesamten Verdichterhubs auf einem konstanten geringeren Wert gehalten wird.
  • Das Fluid ist insbesondere ein Gas. Weiterhin kann das Fluid auch durch ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch gebildet sein.
  • Die Pumpe weist zum Verdichten des Fluids eine mit einer Pumpendrehzahl rotierende bzw. sich bewegende Komponente oder Baugruppe auf. Z.B. kann die Pumpe als Axialkolbenmaschine, Radialkolbenmaschine oder Zahnradpumpe ausgebildet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl während der Verdichtung des Fluids bezüglich der Zeit linear verringert. Auf diese Weise lässt sich bei einem Ansteigen des Gegendrucks entsprechend der Adiabatengleichung (bei Annahme einer isentropen Verdichtung) stets zumindest näherungsweise ein konstantes Produkt aus Pumpendrehzahl und Pumpenmoment erreichen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl in einer Vorverdichtungsphase konstant gehalten, wobei die Pumpendrehzahl in einer sich an die Vorverdichtungsphase anschließenden Verdichtungsphase, insbesondere linear bezüglich der Zeit, verringert wird. In der ersten Phase der Verdichtung steigt der Druck des Fluids gemäß einer isentropen Verdichtung nur unwesentlich an. Daher ist es in dieser Phase möglich, die Pumpendrehzahl in dieser Phase konstant zu lassen. In der anschließenden Verdichtungsphase erfolgt ein stärkerer Anstieg des Gegendrucks, der durch die Verringerung der Pumpendrehzahl kompensiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht die Pumpendrehzahl in der Vorverdichtungsphase einer maximalen Pumpendrehzahl der Pumpe.
  • Die Pumpe ist dabei beim bestimmungsgemäßen Gebrauch dazu konfiguriert, höchstens bei der maximalen Pumpendrehzahl betrieben zu werden. Das heißt, bei Überschreiten der maximalen Pumpendrehzahl kann die Pumpe z.B. beschädigt werden, es kann sich z.B. ein Sicherheitsrisiko für den Benutzer ergeben oder die Förderleistung der Pumpe kann z.B. bei Überschreiten der maximalen Drehzahl konstruktionsbedingt nicht weiter erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl in der Verdichtungsphase bis auf eine minimale Pumpendrehzahl verringert.
  • Die minimale Pumpendrehzahl entspricht insbesondere derjenigen Drehzahl, bei der sich bei einem maximalen Druck (insbesondere Verdichtungsenddruck) des Fluids in dem ersten Verdichterraum das (konstant gehaltene) Produkt aus Pumpenmoment und Pumpendrehzahl ergibt.
  • Dabei wird insbesondere bei Erreichen der Mindestdrehzahl ein Freilaufventil geöffnet, so dass die Last von der Pumpe genommen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl in einer sich an die Verdichtungsphase anschließenden Stopphase auf der minimalen Pumpendrehzahl gehalten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl vor der Vorverdichtungsphase in einer Startphase, insbesondere linear bezüglich der Zeit, auf die maximale Pumpendrehzahl erhöht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl in der Startphase zunächst auf die minimale Drehzahl erhöht, wobei die Pumpendrehzahl nach Erreichen der minimalen Pumpendrehzahl konstant gehalten wird, und wobei die Pumpendrehzahl anschließend, insbesondere linear bezüglich der Zeit, auf die maximale Pumpendrehzahl erhöht wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Pumpendrehzahl anhand eines vorgegebenen zeitlichen Drehzahlverlaufs eingestellt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Druck des Fluids in dem ersten Verdichterraum, insbesondere direkt oder indirekt, bestimmt oder gemessen, wobei die Pumpendrehzahl als Funktion des bestimmten oder gemessenen Drucks eingestellt wird. Die Bestimmung des Drucks kann z.B. durch direkte Druckmessung im ersten Verdichtungsraum oder alternativ durch Messung des Drucks des Hydraulikfluids im zweiten Verdichtungsraum oder in einer Hydraulikfluidleitung stromab der Pumpe erfolgen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verdichterbaugruppe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt, aufweisend einen Verdichter, der einen im Verdichter bewegbaren Kolben aufweist, der so in dem Verdichter anordenbar ist, dass er einen ersten Verdichterraum von einem zweiten Verdichterraum trennt, einen Hydraulikfluidbehälter zur Aufnahme eines Hydraulikfluids, der mit dem zweiten Verdichterraum in Strömungsverbindung bringbar ist, eine Pumpe, die dazu konfiguriert ist, das Hydraulikfluid aus dem Hydraulikfluidbehälter zu fördern und in den zweiten Verdichterraum einzuleiten, so dass sich der Kolben bewegt und in dem ersten Verdichterraum bereitgestelltes Fluid verdichtet wird, wobei die Verdichterbaugruppe eine Steuerungseinrichtung aufweist, die dazu konfiguriert ist, eine Pumpendrehzahl der Pumpe während der Verdichtung des Fluids so zu steuern, dass das mathematische Produkt aus der Pumpendrehzahl und einem Pumpenmoment der Pumpe konstant bzw. im Wesentlichen konstant bleibt, wobei das Pumpenmoment von dem in dem ersten Verdichterraum herrschenden Druck abhängt.
  • Die Pumpe weist zum Verdichten des Fluids eine mit einer Pumpendrehzahl rotierende bzw. sich bewegende Komponente oder Baugruppe auf. Z.B. kann die Pumpe als Axialkolbenmaschine, Radialkolbenmaschine oder Zahnradpumpe ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert, die Pumpendrehzahl anhand eines vorgegebenen zeitlichen Pumpendrehzahlverlaufs einzustellen. Dieser Drehzahlverlauf kann z.B. in einer Speichereinheit der Steuerungseinrichtung gespeichert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verdichterbaugruppe mindestens einen Drucksensor zur Bestimmung oder Messung des Drucks des Fluids in dem ersten Verdichterraum auf, wobei die Steuerungseinrichtung dazu konfiguriert ist, die Pumpendrehzahl als Funktion des bestimmten bzw. gemessenen Drucks einzustellen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Verdichterbaugruppe mit einer Steuerungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Fig. 2
    ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Pumpendrehzahl und des Drucks des Fluids in dem ersten Verdichterraum während des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verdichterbaugruppe 1 im Längsschnitt. Die Verdichterbaugruppe 1 weist einen Verdichter 3 mit einem Kolben 30 auf, der einen ersten Verdichterraum 31 des Verdichters 3 zur Aufnahme eines Fluids F von einem zweiten Verdichterraum 32 des Verdichters 3 zur Aufnahme eines Hydraulikfluids H trennt.
  • Die Verdichterbaugruppe 1 weist weiterhin einen mit Hydraulikfluid H teilweise gefüllten Hydraulikfluidbehälter 9 und eine Pumpe 11 auf, die dazu konfiguriert ist, das Hydraulikfluid H aus dem Hydraulikfluidbehälter 9 zu fördern und über ein Hydraulikventil 6 in den zweiten Verdichterraum 32 des Verdichters 3 einzuleiten.
  • Der Kolben 30 ist bewegbar in dem Verdichter 3 angeordnet, so dass der Kolben 30 sich in der Darstellung der Fig. 1 nach rechts bewegen kann, wenn das Hydraulikfluid H in den zweiten Verdichterraum 32 eingeleitet wird. Durch die Bewegung des Kolbens 30 vergrößert sich dabei das Volumen des zweiten Verdichterraums 32 und das Volumen des ersten Verdichterraums 31 verkleinert sich entsprechend, so dass in dem ersten Verdichterraum 31 befindliches Fluid F bei einer solchen Bewegung des Kolbens 30 aufgrund der Verkleinerung des Volumens des ersten Verdichterraums 31 verdichtet wird.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der zweite Verdichterraum 32 weiterhin über das Hydraulikventil 6 sowie ein Hydraulikrücklaufventil 8 mit dem Hydraulikfluidbehälter 9 verbunden, so dass bei einer Bewegung des Kolbens 30 nach links gemäß der Darstellung der Fig. 1 (z.B. wenn der erste Verdichterraum 31 mit dem Fluid F gefüllt wird) das aus dem zweiten Verdichterraum 32 mittels des Kolbens 30 verdrängte Hydraulikfluid H über das Hydraulikventil 6 und das Hydraulikrücklaufventil 8 zurück in den Hydraulikfluidbehälter 9 fließen kann.
  • Eine gestrichelte Linie stellt einen beispielhaften Pegel des Hydraulikfluids H in dem Hydraulikfluidbehälter 9 dar. Weiterhin geben die Pfeile die Fließrichtung des Hydraulikfluids an.
  • Die Pumpe 11 ist insbesondere als Axialkolbenmaschine, Radialkolbenmaschine oder Zahnradpumpe ausgeführt, weist also mit einer Pumpendrehzahl n (die z.B. in der Einheit s-1 angegeben werden kann) rotierende Komponenten auf, wobei die Förderleistung der Pumpe 11 desto größer ist, je höher die Pumpendrehzahl n ist.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe 11 (bzw. deren rotierende Komponenten) sind durch einen Motor 10 angetrieben. Der Motor 10 versetzt also die besagten rotierenden Komponenten der Pumpe 11 in Drehbewegung.
  • Der Motor 10 ist mit einer Steuerungseinrichtung 12 verbunden, so dass mittels der Steuerungseinrichtung 12 die Drehzahl des Motors 10 und somit die Pumpendrehzahl n der Pumpe 11 steuerbar ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Hydraulikfluid H mittels der Pumpe 11 aus dem Hydraulikfluidbehälter 9 in den zweiten Verdichterraum 32 des Verdichters 3 eingeleitet, so dass sich der Kolben 30 gemäß der Darstellung der Fig. 1 nach rechts bewegt, wodurch das Volumen V des ersten Verdichterraums 31 verringert wird und somit das in dem ersten Verdichterraum 31 befindliche Fluid F verdichtet wird.
  • Die Figur 2 zeigt ein gemeinsames Zeit/Pumpendrehzahl- und Zeit/Druck-Diagramm. Dabei stellt die Abszisse des Diagramms die Zeit t dar und die Ordinate des Diagramms stellt bezüglich einer Pumpendrehzahlkurve n(M) die Pumpendrehzahl n der Pumpe 11 und bezüglich einer Druckkurve p(V,κ) den Druck p des Fluids F in dem ersten Verdichterraum 31 des Verdichters 3 während des erfindungsgemäßen Verfahrens in Abhängigkeit der Zeit t dar.
  • Anhand der Druckkurve p(V,κ) ist ersichtlich, dass der Druck p des Fluids F in dem ersten Verdichterraum 31 bei einer Verringerung des Volumens V des ersten Verdichterraums 31 nichtlinear bis auf einen maximalen Druck pmax ansteigt. Die in Fig. 2 gezeigte Druckkurve p(V,κ) lässt sich unter Annahme einer isentropen Verdichtung aus der Adiabatengleichung p ⋅ V κ = const
    Figure imgb0001
     herleiten, wobei p den Druck des Fluids F in dem ersten Verdichterraum 31 bezeichnet, und wobei V das Volumen des ersten Verdichterraums 31 bezeichnet, und wobei κ den Adiabatenexponenten des Fluids F bezeichnet.
  • Die in Fig. 2 dargestellte Drehzahlkurve n(M) zeigt, dass bei dem hier dargestellten Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die Pumpendrehzahl n so gesteuert wird, dass während einer Startphase tStart die Pumpendrehzahl n zunächst linear von Null bis auf eine minimale Pumpendrehzahl nmin (Mindestbetriebsdrehzahl) erhöht wird (wobei die besagte lineare Erhöhung auch als Startrampe oder erste Rampe bezeichnet wird), anschließend für einen Zeitabschnitt konstant auf der minimalen Pumpendrehzahl nmin gehalten wird (auch als erstes Plateau bezeichnet) und daran anschließend linear bis auf die maximale Pumpendrehzahl nmax erhöht wird (auch als zweite Rampe bezeichnet). Während einer Vorverdichtungsphase tVorverd folgt anschließend die Vorverdichtung des Fluids F, wobei die Pumpendrehzahl n konstant der maximalen Pumpendrehzahl nmax entspricht (auch als zweites Plateau bezeichnet). Anhand der Druckkurve p(V,κ) ist ersichtlich, dass während der Vorverdichtungsphase tVorverd der Druck p in dem ersten Verdichtungsraum 31 nahezu konstant bleibt.
  • Anschließend wird die Pumpendrehzahl n während einer Verdichtungsphase tVerd, insbesondere proportional zu dem im ersten Verdichtungsraum 31 herrschenden Gegendruck p, verringert, so dass sich für die Verdichtungsphase tVerd ein zumindest annähernd linearer Zusammenhang zwischen Zeit und Pumpendrehzahl n ergibt. In der Verdichtungsphase bleibt das Produkt aus Pumpenmoment M und Pumpendrehzahl n erfindungsgemäß konstant, so dass sich jeweils die bei dem aktuellen Gegendruck maximale Pumpenleistung ergibt.
  • Sobald die minimale Pumpendrehzahl nmin (die minimale Pumpendrehzahl ist ferner von herstellerspezifischen Angaben abhängig, wobei diese meist eine rotationsinduzierte Mindestschmierung betreffen) erreicht ist, was gleichzeitig mit dem Erreichen des maximalen Gegendrucks pmax im ersten Verdichterraum 31 eintritt, wird, z.B. durch Öffnen eines Freilaufventils, die Last von der Pumpe 11 genommen. Anschließend wird die Pumpendrehzahl n in einer Stopphase tStop konstant auf der minimalen Pumpendrehzahl nmin gehalten. Nach Ende der Stopphase tStop wird die Pumpendrehzahl n in einer weiteren Rampe auf 0 reduziert.
  • Durch eine z.B. vom Motorenhersteller zur Verfügung gestellte Leistungskurve des Motors 10, der die Pumpe 11 antreibt, lässt sich die bei einem gegebenen aktuellen Gegendruck maximal von dem Motor 10 erzeugbare Pumpendrehzahl n anhand der folgenden Gleichung beschreiben: P = M ⋅ ω ⋅ η Pumpe
    Figure imgb0002
     Dabei bezeichnet P die Pumpenleistung der Pumpe 11, M das vom Gegendruck (insbesondere linear) abhängige Pumpenmoment der Pumpe 11, ω die Winkelgeschwindigkeit der Pumpe 11 und ηPumpe den Pumpenwirkungsgrad der Pumpe 11.
  • Die Winkelgeschwindigkeit ω lässt sich mit der Beziehung ω = 2π · n in die Pumpendrehzahl n umwandeln, so dass sich folgende Gleichung ergibt: P = M ⋅ 2 π ⋅ n ⋅ η Pumpe
    Figure imgb0003
  • Diese Gleichung lässt wie folgt nach der Pumpendrehzahl n umstellen: n = P 2 π ⋅ M ⋅ η Pumpe
    Figure imgb0004
  • Über den Zusammenhang der isentropen Verdichtung lässt sich die Anzahl der Pumpenumdrehungen wie im Folgenden beschrieben als Funktion des Verdichtungsenddrucks (maximaler Druck pmax) darstellen. Dabei bezeichnet im Folgenden V1 das maximale Volumen des ersten Verdichterraums 31 des Verdichters 3 und V2 bezeichnet das maximale Volumen des ersten Verdichterraums 31 abzüglich der Anzahl der Pumpenumdrehungen (NPumpe) vervielfacht um das volumetrische Hubvolumen der Pumpe 11 (VPumpe). p1 bezeichnet dabei den Gegendruck des Fluids F in dem ersten Verdichtungsraum 31 bei dem Volumen V1 und p2 bezeichnet den Gegendruck des Fluids F in dem ersten Verdichtungsraum 31 bei dem Volumen V2. p ⋅ V κ = const
    Figure imgb0005
     V 2 = V 1 − N Pumpe ⋅ V Pumpe
    Figure imgb0006
  • Aus Gleichung (5) ergibt sich: p 1 ⋅ V 1 κ = p 2 ⋅ V 2 κ
    Figure imgb0007
  • Setzt man Gleichung (6) in Gleichung (7) ein, erhält man: p 1 ⋅ V 1 κ = p 2 ⋅ Ω 1 − Ν Pumpe ⋅ V Pumpe κ
    Figure imgb0008
  • Gleichung (8) lässt sich wie folgt umstellen: V 1 − p 1 p 2 1 κ ⋅ V 1 = N Pumpe ⋅ V Pumpe
    Figure imgb0009
     N Pumpe = V 1 − V 1 ⋅ p 1 p 2 1 κ V Pumpe
    Figure imgb0010
  • Entsprechend der Drehzahlkurve lassen sich die einzelnen Zeiten bzw. Phasen tStart, tVorverd, tVerd und tStop errechnen.
  • Die Steuerung der Pumpendrehzahl n kann z.B. anhand einer vorgegebenen Drehzahlkurve (wie z.B. in Fig. 2 dargestellt) erfolgen. Alternativ dazu kann der Gegendruck des Hydraulikfluids H bzw. der Druck des Fluids F in dem ersten Verdichterraum 31 während des Verfahrens gemessen werden, wobei die Pumpendrehzahl n als Funktion des gemessenen Drucks eingestellt wird. Bezuqszeichenliste
    1 Verdichterbaugruppe
    3 Verdichter
    6 Hydraulikventil
    8 Hydraulikrücklaufventil
    9 Hydraulikfluidbehälter
    10 Motor
    11 Pumpe
    12 Steuerungseinrichtung
    30 Kolben
    31 Erster Verdichterraum
    32 Zweiter Verdichterraum
    F Fluid
    H Hydraulikfluid
    κ Adiabatenexponent
    N Pumpendrehzahl
    nmin Minimale Pumpendrehzahl
    nmax Maximale Pumpendrehzahl
    M Pumpenmoment
    P Druck
    pmax Maximaler Druck
    t Zeit
    tstart Startphase
    tVorverd Vorverdichtungsphase
    tVerd Verdichtungsphase
    tStop Stopphase
    V Volumen

Claims (9)

  1. Verfahren zur Verdichtung eines Fluids (F), wobei das Fluid (F) in einem ersten Verdichterraum (31) bereitgestellt wird, der mittels eines bewegbaren Kolbens (30) eines Verdichters (3) von einem zweiten Verdichterraum (32) getrennt ist, wobei mittels einer Pumpe (11) ein Hydraulikfluid (H) in den zweiten Verdichterraum (32) eingeleitet wird, so dass sich der Kolben (30) bewegt und das Fluid (F) in dem ersten Verdichterraum (31) verdichtet wird, wobei eine Pumpendrehzahl (n) der Pumpe (11) während der Verdichtung des Fluids (F) so gesteuert wird, dass das Produkt aus der Pumpendrehzahl (n) und einem Pumpenmoment (M) der Pumpe (11) konstant bleibt, wobei das Pumpenmoment (M) von dem in dem ersten Verdichterraum (31) herrschenden Druck (p) abhängt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pumpendrehzahl (n) bezüglich der Zeit (t) linear verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpendrehzahl (n) in einer Vorverdichtungsphase (tVorverd) konstant gehalten wird, und wobei die Pumpendrehzahl (n) in einer sich an die Vorverdichtungsphase (tVorverd) anschließenden Verdichtungsphase (tVerd) verringert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Pumpendrehzahl (n) in der Vorverdichtungsphase (tVorverd) einer maximalen Pumpendrehzahl (nmax) der Pumpe (11) entspricht.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Pumpendrehzahl (n) in der Verdichtungsphase (tVerd) bis auf eine minimale Pumpendrehzahl (nmin) verringert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Pumpendrehzahl (n) in einer sich an die Verdichtungsphase (tVerd) anschließenden Stopphase (tstop) auf der minimalen Pumpendrehzahl (nmin) gehalten wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Pumpendrehzahl (n) vor der Vorverdichtungsphase (tVorverd) in einer Startphase (tStart) auf die maximale Pumpendrehzahl (nmax) erhöht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Pumpendrehzahl (n) in der Startphase (tstart) zunächst auf die minimale Pumpendrehzahl (nmin) erhöht wird, und wobei die Pumpendrehzahl (n) nach Erreichen der minimalen Pumpendrehzahl (nmin) konstant gehalten wird, und wobei die Pumpendrehzahl (n) anschließend auf die maximale Pumpendrehzahl (nmax) erhöht wird.
  9. Verdichterbaugruppe (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend
    - einen Verdichter (3), der einen im Verdichter (3) bewegbaren Kolben (30) aufweist, der so in dem Verdichter (3) anordenbar ist, dass er einen ersten Verdichterraum (31) von einem zweiten Verdichterraum (32) trennt,
    - einen Hydraulikfluidbehälter (9) zur Aufnahme eines Hydraulikfluids (H), der mit dem zweiten Verdichterraum (32) in Strömungsverbindung bringbar ist,
    - eine Pumpe (11), die dazu konfiguriert ist, das Hydraulikfluid (H) aus dem Hydraulikfluidbehälter (9) zu fördern und in den zweiten Verdichterraum (32) einzuleiten, so dass sich der Kolben (30) bewegt und in dem ersten Verdichterraum (31) bereitgestelltes Fluid (F) verdichtet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verdichterbaugruppe (1) eine Steuerungseinrichtung (12) aufweist, die dazu konfiguriert ist, eine Pumpendrehzahl (n) der Pumpe (11) während der Verdichtung des Fluids (F) so zu steuern, dass das Produkt aus der Pumpendrehzahl (n) und einem Pumpenmoment (M) der Pumpe (11) konstant bleibt, wobei das Pumpenmoment (M) von dem in dem ersten Verdichterraum (31) herrschenden Druck (p) abhängt.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29816811U1 (de) * 1998-09-21 1999-10-07 Wiedemann, Helmut, Dr.-Ing., 66280 Sulzbach System zur Speicherung von brennbaren Kraftgasen wie z.B. Erdgas und Wasserstoff in einem volumenveränderlichen Speicher zum Zwecke der Betankung von mobilen Behältern für Kraftfahrzeugantriebe
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