WO2013182456A1 - Dichtanordnung zur abdichtung einer hin- und hergehenden kolbenstange eines kolbenkompressors - Google Patents

Dichtanordnung zur abdichtung einer hin- und hergehenden kolbenstange eines kolbenkompressors Download PDF

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WO2013182456A1
WO2013182456A1 PCT/EP2013/061004 EP2013061004W WO2013182456A1 WO 2013182456 A1 WO2013182456 A1 WO 2013182456A1 EP 2013061004 W EP2013061004 W EP 2013061004W WO 2013182456 A1 WO2013182456 A1 WO 2013182456A1
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WO
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sealing
pressure
medium
sealing medium
recess
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PCT/EP2013/061004
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French (fr)
Inventor
Christian Hold
Tino Lindner-Silwester
Christian Kernbichler
Bernhard Spiegl
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Hoerbiger Kompressortechnik Holding Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/002—Sealings comprising at least two sealings in succession
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/40—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid
    • F16J15/406—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid by at least one pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/441—Free-space packings with floating ring

Definitions

  • Sealing arrangement for sealing a reciprocating piston rod of a reciprocating compressor
  • the subject invention relates to a sealing arrangement for sealing a reciprocating piston rod of a reciprocating compressor having a first and second sealing telement axially spaced in a recess of the sealing arrangement, wherein in the sealing arrangement connected to the recess supply line for a pressurized standing sealing medium is provided and the pressure of the sealing medium is greater than the pressure to be sealed and the sealing elements are arranged by the pressure of the sealing medium respectively at an axial end of the recess and the piston rod fitting so that the sealing medium through the sealing elements with the pressure in the recess (included.
  • the high pressure space e.g. the working pressure in the cylinder of the compressor
  • a space with low pressure e.g. the atmospheric pressure in the crankcase of the compressor to seal along the piston rod.
  • pressure packs are used, which seal between the reciprocating piston rod of the reciprocating compressor and a stationary machine part, usually the compressor housing.
  • a sealing pack comprises a plurality of packing rings or packing ring combinations arranged axially one behind the other. Most commonly, combinations of a radially cut and a tangentially cut packing ring are used, such as e.g. from EP 1 146 264 A2.
  • Such gaskets or seals are also normally cooled, for example, by circulating cooling medium through the sealing packing to cool the piston rod indirectly via the cooling of the packing.
  • Similar seals are known for sealing the piston rod of a Stirling engine forth, for example, from US 4,222,575 A or DE 28 39 243 A1. In this case, a leakage return is provided with the undesirable leakage of sealing medium can be recirculated without pressure into a sealing medium reservoir.
  • WO 201 1/062484 A1 discloses a seal of a rotor shaft of a propeller, in which two pressure chambers are provided, through which a sealing medium is circulated.
  • the pressure of the sealing medium in the pressure chamber is smaller here than the pressure to be sealed.
  • the two pressure chambers use different sealing media, wherein the pressure in both pressure chambers is determined by the pressure of a supplied sealing medium and a throttle. Pumps in the sealing medium circuits serve to recirculate the sealing medium.
  • a seal in the form of a sealing medium barrier in addition to an unavoidable leakage of sealing medium, but also some problems. Due to the small volume of sealing medium in the sealing medium barrier, the sealing medium easily reaches temperatures of up to 200 ° C and above due to friction-induced heat input (due to the friction between the fast reciprocating piston rod and the sealing medium). The selection of possible usable sealing media is already limited from the outset. Due to the high temperatures but it also leads to a rapid thermal aging of the sealing medium, whereby the sealing function can suffer. Due to the temperature rise, however, there is also an increase in pressure in the seal, which may undesirably lead to increased leakage of sealing medium from the seal.
  • the sealing elements of the sealing medium barrier are of course also excessively stressed, which can ultimately lead to the failure of the sealing elements.
  • hydraulic components in the standard version are only designed for temperatures of typically 80 ° C. Hydraulic components, the higher temperatures, especially such high temperatures as possible here dominate, are correspondingly expensive. In addition, these high temperatures also require sufficient cooling of the seal. Last but not least, contamination, e.g. from abrasion or process-related dirt, which can also impair the function of the seal.
  • This object is achieved by providing a discharge for the sealing medium is provided, which is connected to the recess and further provided a Umicalzein- direction, the sealing medium while maintaining the pressure of the sealing medium in the recess on the supply and discharge by the recess circulated.
  • the circulation of sealing medium through the recess ensures that the temperature of the sealing medium is kept within reasonable limits without impairing the sealing function, thus reducing the associated problems, such as increase in pressure in the seal, thermal aging of the sealing medium, cooling of the sealing arrangement be at least significantly reduced. In addition, this also any contamination is removed from the seal, which also disturbing deposits of dirt or abrasion are reduced. Another significant added benefit of this revolution is to be seen in the fact that thereby the cooling of the sealing arrangement can be omitted and at the same time the piston rod is cooled directly, which was previously possible only by expensive constructions.
  • the desired pressure of the sealing medium can be adjusted in a simple manner, if a pressure control unit is arranged in the discharge.
  • a first and / or a second shut-off valve can be arranged in the discharge, which can also serve for venting the seal.
  • a biased check valve is arranged in the supply line, it can be prevented in a simple manner that, in the event of a fault or in the switched-off state, working medium of the compressor flows back into the sealing medium container.
  • a vent line may be automatically opened or closed when the second check valve is actuated by the pressure in front of the preloaded check valve. This can also be prevented that sealing medium is lost through the vent line.
  • a temperature control of the hydraulic system by a temperature sensor is provided at the discharge, which is connected to a control unit for controlling the circulation device.
  • the temperature of the sealing medium can be regulated or limited to the top.
  • the pressure of the sealing medium can also be regulated by providing at the discharge a pressure sensor which is connected to a control unit for controlling the circulation device. This can be set by appropriate setpoint specifications in a simple manner different sealing medium pressures.
  • a changeover valve which acts on a first pressure relief valve or a second pressure relief valve, wherein a higher switching pressure than the second pressure relief valve is set for the first pressure relief valve.
  • any existing cooling system of the sealing arrangement can be used in a simple manner, if in the supply line branches off a cooling line, which is connected to a cooling system of the sealing arrangement.
  • the sealing arrangement and indirectly, the piston rod can be additionally cooled by the sealing medium, but at the same time external additional units can be saved to circulate a separate cooling medium.
  • FIG. 1 shows a sealing arrangement according to the invention with circulation of the sealing medium
  • FIG. 2 shows a hydraulic diagram of the circulation of the sealing medium
  • Fig. 6 is a hydraulic diagram for two sealing arrangements.
  • a known sealing arrangement 1 for sealing an axially reciprocating piston rod 3 of a reciprocating compressor with respect to a sealed pressure p d of a working medium, for example, the cylinder pressure is shown.
  • the sealing arrangement 1 is arranged in a fixed housing part 2 of the compressor, such as the compressor housing, and seals between this housing part 2 and the moving piston rod 3.
  • the sealing arrangement 1 is eg used as well known in the preassembled state in the housing part 2 and fixed, eg by means of a number of screws distributed over the circumference.
  • the sealing arrangement 1 comprises two L-shaped chamber disks 4, 5, which are separated axially by a separating disk 6 in the exemplary embodiment shown.
  • a flange can also be provided radially on the outside, by means of which the sealing arrangement 1 can be fastened to the housing part 2.
  • the chamber discs 4, 5 and optionally the cutting disc 6 can be held together in a known manner by a continuous bolt. This arrangement results between the L-shaped chamber discs 4, 5, optionally the cutting disc 6 and the piston rod 3, a recess 10.
  • a first and second sealing element 8, 9 are arranged, wherein the sealing elements 8, 9 by the acting Pressure of a in the recess 10 via a supply line 7 supplied sealing medium in each case at the axial ends of the recess 10, so the radial limbs of the L-shaped chamber discs 4, 5, rest, and are arranged axially separated from each other (the Orien- tions "axial” and "radial” are based on the orientation of the piston rod 3).
  • the first and second sealing element 8, 9 are spaced apart radially from the chamber discs 4, 5, that is, from the axial limbs of the chamber discs 4, 5, and lie radially inwardly against the sealing surface on the piston rod 3.
  • the sealing medium such as an oil
  • the sealing medium is fed into the recess 10 at a pressure ⁇ ⁇ which is greater than the pressure p d to be sealed.
  • the sealing medium is thus enclosed by the sealing elements 8, 9 in the recess 10 and acts radially outward and axially on the sealing elements 8, 9, thus by the pressure p oi
  • sealing elements 8, 9 either known hydraulic sealing rings, such as e.g. a lip seal ring or a compact sealing ring, with a sealing lip resting against the piston rod 3, or else well-known rigid, cut or segmented packing rings or packing ring combinations, such as e.g. a combination of a radially and tangentially cut packing ring can be used.
  • Hydraulic sealing rings can be known to be designed so that sealing medium, which is pressed through a stroke by the sealing lip, "sucked back" during the counter stroke by the sealing lip, so that in total no or only a slight leakage of sealing medium by the hydraulic sealing ring.
  • packing rings or packing ring combinations there is usually a slight leakage of sealing medium through the seal, which, however, is usually not a problem.
  • sealing arrangement 1 could also be constructed differently or consist of other and / or additional components, such as e.g. in WO 2010/079227 A1 or AT 510171 A1 described in detail.
  • a discharge line 1 1 is now connected, can be derived from the recess 10 via the sealing medium.
  • the discharge line 1 1 is preferably, but not necessarily, arranged diametrically opposite the mouth of the supply line 7 into the recess 10 in order to achieve a good flow through the recess 10.
  • This sealing medium can be circulated through the recess 10, as explained in more detail with reference to FIG.
  • the sealing arrangement 1 is supplied with a sealing medium flow V via the supply line 7 and is led away via the discharge line 11.
  • the circulation of the sealing medium via a sealing medium container 14, from which sucks the circulation pump 13 and in which the sealing medium is returned again.
  • is set via a pressure control unit 12.
  • the sealing arrangement 1 could additionally also have a cooling-sealing medium flow V K branched off from the sealing medium flow V, which flow via a
  • Cooling line 16 of the sealing assembly 1 is supplied, are cooled, as shown in Fig.2 dashed lines.
  • a device 15 for regulating the cooling-sealing medium flow V K could be provided before or after the sealing arrangement 1, such as a pressure regulating device or volume flow regulating device.
  • the circulation takes place with constant sealing medium flow V const .
  • is set via the pressure control unit 12, here eg adjustable pressure relief valve.
  • Such a sealing arrangement 1 is operated, for example, with a pressure p oi
  • 30-250bar and a sealing medium flow V const of 300 l / day to 1500 l / day.
  • the shut-off valve 18 is actuated via a control line, eg, as here proceeding from the discharge line 1 1. If there is no pressure p oi
  • a vent line 19 may be provided in which a second shut-off valve 20, such as, for example, as here a lockable check valve or a hydraulically controlled ball valve, may be arranged. This is the second shut-off valve
  • venting pressure is preferably less than 4bar.
  • vent line 19 may be simply vented outside, but may be connected to torch lines, for example, to flare off the leakage gas.
  • a biased check valve 21 may be provided to under a certain pressure p oi
  • the preloaded check valve 21 preferably has two functions. First, it prevents working medium of the compressor from flowing back into the sealing medium container 14 in the event of a fault or in the switched-off state. Secondly, when the hydraulic unit is switched on, it can be used to generate a pressure in the control line of the shut-off valve 20, which branches off the supply line 7 upstream of the check valve 21 in the flow direction, which actuates the shut-off valve 20, ie closes before the sealing medium can get to the shut-off valve 20. If the shut-off valve 20 were not yet closed, sealing medium would escape via the open vent line 19. Therefore, it is advantageous that the check valve
  • shut-off valve 20 is biased. In case of failure, so if there is no more pressure in the supply line 7, the shut-off valve 20 then opens automatically and the leakage gas can be removed via the vent line 19 again, as in conventional packages.
  • activation pressure for the check valve 21 a pressure of about 5 bar can preferably be set. Due to the circulation of the sealing medium, no separate venting of the sealing medium lines is required in normal operation.
  • V is temperature controlled.
  • T max 80 ° C
  • a temperature control and a pressure control can be provided, as shown in Figure 5.
  • a throttle device 26 such as a diaphragm, arranged and it is measured for example in the derivative 1 1, the current pressure of the sealing medium from a pressure sensor 25 and fed to a control unit 23.
  • the control unit 23 controls the circulation pump 13 so that a predetermined pressure p oi
  • FIG. 6 shows an embodiment in which two sealing arrangements 1 are supplied with a hydraulic unit, whereby, of course, more than two sealing arrangements 1 could also be operated by a hydraulic unit.
  • a hydraulic unit 30 with all components necessary for the hydraulic supply, and a hydraulic control block 31, with all necessary for the operation of hydraulic components provided.
  • the special feature here is that can be switched via a switching valve 32 between a normal operation and a standstill operation. Switching can be done manually or automatically. About the switching valve 32, depending on the position, a first pressure relief valve 33 and a second pressure relief valve 34 is acted upon, the first pressure relief valve 33 has a higher switching pressure, eg 250bar, set as the second pressure relief valve 34, eg 150bar.
  • be set. In normal operation, ie when the compressor is running, the low pressure p oN is set. If the compressor is switched off, it is possible to switch to standstill mode and thus to the higher pressure p oi
  • flow measuring units 35 are arranged here. Instead of the flow measuring units 35 and pressure switch could be provided.
  • check valves can be installed before the flow measuring units 35 or pressure switches.
  • a pressure switch 36 may be provided in the supply line to trigger pressure-dependent actions, for example, in order not to energize the drive motor of the circulation pump 13 in the event of a fault.
  • a leakage return of sealing medium from the sealing arrangement 1, as described, for example, in AT 510171 A1, could be returned via a leakage line 17 from the sealing arrangement 1 into the sealing medium container 14, as shown for example in FIG.
  • the seal medium leakage could also be passed into the crankcase of the compressor. In the crankcase, an overflow can then be provided, wherein the overflow is in turn recycled into the sealing medium container 14.

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Abstract

In einer hydraulischen Dichtmediumbarriere zur Abdichtung einer Kolbenstange eines Kolbenkompressors ergeben sich hohe Temperaturen des Dichtmediums und es besteht die Gefahr, dass sich Schmutz und Abrieb ablagern und damit die Funktion der Abdichtung beeinträchtigen. Um das zu verhindern, ist erfindungsgemäß eine Dichtanordnung (1) vorgeschlagen, die zur Umwälzung von Dichtmedium eine Ableitung (11) für Dichtmedium, die mit der Ausnehmung (10) verbunden ist, und eine Umwälzeinrichtung (13) vorsieht, mit der Dichtmedium unter Aufrechterhaltung des Drucks (p0n) des Dichtmediums über die Zu- und Ableitung (7, 11) durch die Ausnehmung (10) umgewälzt wird.

Description

Dichtanordnung zur Abdichtung einer hin- und hergehenden Kolbenstange eines Kolbenkompressors
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Dichtanordnung zur Abdichtung einer hin- und hergehenden Kolbenstange eines Kolbenkompressors mit einem ersten und zweiten Dich- telement, die in einer Ausnehmung der Dichtanordnung axial beabstandet angeordnet sind, wobei in der Dichtanordnung eine mit der Ausnehmung verbundene Zuleitung für ein unter Druck stehendes Dichtmedium vorgesehen ist und der Druck des Dichtmediums größer als der abzudichtende Druck ist und die Dichtelemente durch den Druck des Dichtmediums jeweils an einem axialen Ende der Ausnehmung und an der Kolbenstange anliegend angeord- net sind, sodass das Dichtmedium durch die Dichtelemente mit dem Druck in der Ausnehmung (eingeschlossen ist.
In einem Kolbenkompressor ist der Raum mit hohem Druck, z.B. der Arbeitsdruck im Zylinder des Kompressors, gegenüber einem Raum mit niedrigem Druck, z.B. der Atmosphärendruck im Kurbelgehäuse des Kompressors, entlang der Kolbenstange abzudichten. Dazu werden bekannter Weise sogenannte Druckpackungen eingesetzt, die zwischen der hin- und herbewegten Kolbenstange des Kolbenkompressors und einem feststehenden Maschinenteil, in der Regel das Kompressorgehäuse, abdichten. Eine solche Dichtpackung umfasst in der Regel mehrere axial hintereinander angeordnete Packungsringe bzw. Packungsring- Kombinationen. Am häufigsten werden Kombinationen aus einem radial geschnittenen und einem tangential geschnittenen Packungsring verwendet, wie z.B. aus der EP 1 146 264 A2 hervorgehend. Daneben werden auch segmentierte Ringdesigns, bei denen ein Packungsring aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt wird, eingesetzt, wie z.B. aus der US 4 350 349 A bekannt. Solche Abdichtungen sind jedoch keine zu 100% dichten Systeme, sondern weisen immer eine gewisse Leckagemenge auf, die durch die Abdichtung entweicht. Um das Problem der Leckage zu reduzieren wurde in der WO 2010/079227 A1 bereits vorgeschlagen, als Abdichtung zwei axial beabstandete Dichtelemente zu verwenden, zwischen denen ein Dichtmedium, z.B. Öl, mit hohem Druck eingebracht wird, wodurch die Dichtelemente zur Abdichtung gegen vorgesehene Dichtflächen in der Dichtpackung gepresst werden. Auf diese Weise wird eine Dichtmediumbarriere geschaffen, die die Leckage des Ar- beitsmedium des Kompressors, wie z.B. Luft oder Erdgas, entlang der Kolbenstange zumindest reduziert, im Idealfall sogar eliminiert.
Solche Dichtpackungen oder Abdichtungen sind im Normalfall auch gekühlt, z.B. indem Kühlmedium durch die Dichtpackung umgewälzt wird, um die Kolbenstange indirekt über die Kühlung der Dichtpackung zu kühlen. Das verursacht aber natürlich zusätzlichen konstrukti- ven und betrieblichen Aufwand. Ähnliche Abdichtungen sind zur Abdichtung der Kolbenstange eines Stirling-Motors her bekannt, z.B. aus der US 4,222,575 A oder der DE 28 39 243 A1 . Dabei ist auch eine Leckagerückführung vorgesehen, mit der an sich unerwünschte Leckage von Dichtmedium drucklos in ein Dichtmediumreservoir rückgeführt werden kann.
Aus der WO 201 1/062484 A1 ist eine Abdichtung einer Rotorwelle einer Schiffsschraube offenbart, in der zwei Druckkammern vorgesehen sind, durch die ein Dichtmedium umgewälzt wird. Der Druck des Dichtmediums in der Druckkammer ist hier aber kleiner, als der abzudichtende Druck. Die beiden Druckkammern verwenden unterschiedliche Dichtmedien, wobei der Druck in beiden Druckkammern vom Druck eines zugeführten Dichtmediums und einer Drossel bestimmt wird. Pumpen in den Dichtmedienkreisläufen dienen der Rezirkulati- on des Dichtmediums.
Allerdings weist eine Abdichtung in Form einer Dichtmediumbarriere, neben einer unvermeidbaren Leckage an Dichtmedium, doch auch gewisse Probleme auf. Aufgrund des geringen Dichtmediumvolumens in der Dichtmediumbarriere erreicht das Dichtmedium durch rei- bungsbedingten Wärmeeintrag (durch die Reibung zwischen schnell hin- und hergehender Kolbenstange und dem Dichtmedium) leicht Temperaturen von bis zu 200°C und darüber. Die Auswahl an möglichen einsetzbaren Dichtmedien ist dadurch von vornherein schon eingeschränkt. Durch die hohen Temperaturen kommt es aber auch zu einer raschen thermischen Alterung des Dichtmediums, wodurch die Dichtfunktion leiden kann. Durch den Tem- peraturanstieg kommt es aber gleichzeitig auch zu einem Druckanstieg in der Abdichtung, was unerwünschter Weise dazu führen kann, dass verstärkt Dichtmedium aus der Abdichtung austritt. Zusätzlich werden durch den erhöhten Druck natürlich auch die Dichtelemente der Dichtmediumbarriere übermäßig belastet, was letztendlich zum Versagen der Dichtelemente führen kann. Dazu kommt, dass hydraulische Komponenten in der Standardausfüh- rung nur bis Temperaturen von typischer Weise 80°C ausgelegt sind. Hydraulische Komponenten, die höhere Temperaturen, insbesondere derart hohe Temperaturen wie hier möglich, beherrschen, sind entsprechend teuer. Zusätzlich bedingen diese hohen Temperaturen auch eine ausreichende Kühlung der Abdichtung. Nicht zuletzt kann sich in der Abdichtung auch Verschmutzung, z.B. aus Abrieb oder prozessbedingter Schmutz, ansammeln, der die Funk- tion der Abdichtung ebenfalls beeinträchtigen kann.
Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, die oben genannten Probleme mit Dichtmediumbarrieren als Abdichtung in einem Kolbenkompressor zu beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem eine Ableitung für das Dichtmedium vorgesehen ist, die mit der Ausnehmung verbunden ist und weiters eine Umwälzein- richtung vorgesehen ist, die das Dichtmedium unter Aufrechterhaltung des Drucks des Dichtmediums in der Ausnehmung über die Zu- und Ableitung durch die Ausnehmung um- wälzt. Durch die Umwälzung von Dichtmedium durch die Ausnehmung wird ohne Beeinträchtigung der Dichtfunktion dafür gesorgt, dass die Temperatur des Dichtmediums in vertretbaren Bereichen gehalten wird, womit die damit in Zusammenhang stehenden Probleme, wie Druckanstieg in der Abdichtung, thermische Alterung des Dichtmediums, Kühlung der Dicht- anordnung zumindest erheblich vermindert werden. Darüber hinaus wird dadurch auch eine allfällige Verschmutzung aus der Abdichtung abgeführt, womit auch störende Ablagerungen von Schmutz oder Abrieb reduziert werden. Ein weiterer erheblicher Zusatznutzen dieser Umwälzung ist aber darin zu sehen, dass dadurch die Kühlung der Dichtanordnung entfallen kann und aber gleichzeitig auch die Kolbenstange direkt gekühlt wird, was bisher nur durch aufwendige Konstruktionen möglich war.
Der gewünschte Druck des Dichtmediums kann auf einfache Weise eingestellt werden, wenn in der Ableitung eine Druckregeleinheit angeordnet ist.
Um im Stillstand des Kompressors und/oder im Störfall ein Rückströmen von Arbeitsmedium des Kompressors in den Dichtmediumbehälter zu verhindern, kann in der Ableitung ein ers- tes und/oder ein zweites Absperrventil angeordnet sein, das auch zum Entlüften der Abdichtung dienen kann.
Wenn in der Zuleitung ein vorgespanntes Rückschlagventil angeordnet ist, kann auf einfache Weise verhindert werden, dass im Störfall oder im abgeschalteten Zustand Arbeitsmedium des Kompressors in den Dichtmediumbehälter zurückströmt.
Eine Entlüftungsleitung kann selbsttätig geöffnet oder geschlossen werden, wenn das zweite Absperrventil durch den Druck vor dem vorgespannten Rückschlagventil betätigt ist. Damit kann auch verhindert werden, dass Dichtmedium durch die Entlüftungsleitung verloren geht.
Es kann auch auf einfache Weise eine Temperaturführung des hydraulischen Systems realisiert werden, indem an der Ableitung ein Temperatursensor vorgesehen wird, der mit einer Regelungseinheit zum Regeln der Umwälzeinrichtung verbunden ist. Damit kann die Temperatur des Dichtmediums geregelt bzw. nach oben begrenzt werden.
Der Druck des Dichtmediums kann auch geregelt werden, indem an der Ableitung ein Drucksensor vorgesehen wird, der mit einer Regelungseinheit zum Regeln der Umwälzeinrichtung verbunden ist. Damit können durch entsprechende Sollwertvorgaben auf einfache Weise verschiedene Dichtmediumdrücke eingestellt werden.
Um zwei Betriebsmodi, z.B. Stillstand und Normalbetrieb, einstellen zu können, kann in der Ableitung ein Umschaltventil vorgesehen sein, das ein erstes Druckbegrenzungsventil oder ein zweites Druckbegrenzungsventil beaufschlagt, wobei für das erste Druckbegrenzungsventil einen höheren Schaltdruck als für das zweite Druckbegrenzungsventil eingestellt ist. Auf diese Weise kann z.B. im Stillstand des Kompressors ein höherer Dichtmediumdruck in der Dichtanordnung eingestellt werden, um ein Ausströmen von Arbeitsmedium des Kompressors durch die Dichtanordnung sicher zu unterbinden.
Ein eventuell vorhandenes Kühlsystem der Dichtanordnung kann auf einfache Weise genutzt werden, wenn in der Zuleitung eine Kühlleitung abzweigt, die mit einem Kühlsystem der Dichtanordnung verbunden wird. Damit kann die Dichtanordnung und indirekt auch die Kolbenstange durch das Dichtmedium zusätzlich gekühlt werden, wobei aber gleichzeitig externe zusätzliche Aggregate zur Umwälzung eines eigenen Kühlmediums eingespart werden können.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigt
Fig.1 eine erfindungsgemäße Dichtanordnung mit Umwälzung des Dichtmediums, Fig.2 ein Hydraulikschema der Umwälzung des Dichtmediums,
Fig.3 ein Hydraulikschema mit konstantem Volumenstrom,
Fig.4 ein Hydraulikschema mit auf Temperatur geregeltem Volumenstrom,
Fig.5 ein Hydraulikschema mit auf Druck geregeltem Volumenstrom und
Fig. 6 ein Hydraulikschema für zwei Dichtanordnungen.
In Fig. 1 ist eine bekannte Dichtanordnung 1 zur Abdichtung einer axial hin- und hergehenden Kolbenstange 3 eines Kolbenkompressors gegenüber einen abzudichtenden Druck pd eines Arbeitsmediums, z.B. der Zylinderdruck, dargestellt. Die Dichtanordnung 1 ist in einem feststehenden Gehäuseteil 2 des Kompressors, wie z.B. dem Kompressorgehäuse, angeordnet und dichtet zwischen diesem Gehäuseteil 2 und der bewegten Kolbenstange 3. Die Dichtanordnung 1 wird z.B. wie hinlänglich bekannt im vormontierten Zustand in das Gehäuseteil 2 eingesetzt und fixiert, z.B. mittels einer Anzahl von über dem Umfang verteilten Schrauben. Die Dichtanordnung 1 umfasst im gezeigten Beispiel zwei L-förmige Kammer- Scheiben 4, 5, die im dargestellten Ausführungsbeispiel axial durch eine Trennscheibe 6 getrennt sind. Es sind aber natürlich auch andere Ausführungen, z.B. mit T-förmigen Trennscheiben, denkbar. An einer Kammerscheibe 5 kann radial außen auch ein Flansch vorgesehen sein, mittels dem die Dichtanordnung 1 am Gehäuseteil 2 befestigt werden kann. Die Kammerscheiben 4, 5 und gegebenenfalls die Trennscheibe 6 können in bekannter Weise durch einen durchgehenden Bolzen zusammengehalten werden. Durch diese Anordnung entsteht zwischen den L-förmigen Kammerscheiben 4, 5, gegebenenfalls der Trennscheibe 6 und der Kolbenstange 3 eine Ausnehmung 10. In dieser Ausnehmung 10 sind ein erstes und zweites Dichtelement 8, 9 angeordnet, wobei die Dichtelemente 8, 9 durch den wirkenden Druck eines in die Ausnehmung 10 über eine Zuleitung 7 zugeführten Dichtmediums jeweils an den axialen Enden der Ausnehmung 10, also an den radialen Schenkeln der L-förmigen Kammerscheiben 4, 5, anliegen und axial voneinander getrennt angeordnet sind (die Orien- tierungen„axial" und„radial" sind auf die Orientierung der Kolbenstange 3 bezogen). Das erste und zweite Dichtelement 8, 9 sind radial außen beabstandet von den Kammerscheiben 4, 5, also von den axialen Schenkeln der Kammerscheiben 4, 5, angeordnet und liegen radial innen an der Dichtfläche an der Kolbenstange 3 an. Das Dichtmedium, wie z.B. ein Öl, wird unter einem Druck ροΝ, der größer ist als der abzudichtende Druck pd, in die Ausnehmung 10 zugeführt. Das Dichtmedium ist somit durch die Dichtelemente 8, 9 in der Ausnehmung 10 eingeschlossen und wirkt radial außen und axial auf die Dichtelemente 8, 9, die somit durch den Druck poi| radial nach innen an die Kolbenstange 3 und axial an die Kammerscheiben 4, 5 gedrückt werden und somit abdichten. Dadurch entsteht eine Dichtmedi- umbarriere, die eine Leckage des abzudichtenden gasförmigen Arbeitsmediums des Kompressors verhindert.
Als Dichtelemente 8, 9 können entweder bekannte hydraulische Dichtringe, wie z.B. ein Lip- pendichtring oder ein Kompaktdichtring, mit einer an der Kolbenstange 3 anliegenden Dichtlippe, oder aber auch hinlänglich bekannte starre, geschnittene oder segmentierte Packungs- ringe oder Packungsring-Kombinationen, wie z.B. eine Kombination aus einem radial und tangential geschnittenen Packungsring, eingesetzt werden. Hydraulische Dichtringe können bekanntermaßen auch so ausgeführt sein, dass Dichtmedium, das bei einem Hub durch die Dichtlippe durchgepresst wird, beim Gegenhub durch die Dichtlippe wieder„zurückgesaugt" wird, sodass in Summe keine oder nur eine geringe Leckage von Dichtmedium durch den hydraulischen Dichtring entsteht. Bei der Verwendung von Packungsringen oder Packungsring-Kombinationen entsteht gewöhnlich eine geringe Leckage von Dichtmedium durch die Abdichtung, die aber in der Regel kein Problem darstellt.
Selbstverständlich könnte die Dichtanordnung 1 auch anders aufgebaut oder aus anderen und/oder zusätzlichen Komponenten bestehen, wie z.B. in der WO 2010/079227 A1 oder der AT 510171 A1 ausführlich beschrieben.
Mit der Ausnehmung 10 ist nun eine Ableitung 1 1 verbunden, über die Dichtmedium aus der Ausnehmung 10 abgeleitet werden kann. Die Ableitung 1 1 ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, diametral gegenüber der Mündung der Zuleitung 7 in die Ausnehmung 10 angeordnet, um eine gute Durchströmung der Ausnehmung 10 zu erreichen. Selbstverständ- lieh könnten auch mehrere Zuleitungen 7 und/oder Ableitungen 1 1 vorgesehen sein. Damit kann Dichtmedium durch die Ausnehmung 10 umgewälzt werden, wie anhand der Fig.2 näher erläutert.
Über eine Umwälzeinrichtung, hier z.B. eine Umwälzpumpe 13, wird der Dichtanordnung 1 ein Dichtmediumstrom V über die Zuleitung 7 zugeführt und über die Ableitung 1 1 abge- führt. Die Umwälzung des Dichtmediums erfolgt über einen Dichtmediumbehälter 14, aus dem die Umwälzpumpe 13 ansaugt und in die das Dichtmedium wieder rückgeführt wird. Der für die Abdichtung benötigte Druck poi| wird über eine Druckregeleinheit 12 eingestellt.
Durch die Umwälzung von Dichtmedium durch die Dichtanordnung 1 bzw. durch die Ausnehmung 10 wird einerseits sichergestellt, dass die Temperatur des Dichtmediums nicht zu hoch ansteigt. Zusätzlich erfolgt dadurch auch eine direkte Kühlung der Kolbenstange 3, da die Kolbenstange 3 vom Dichtmedium umspült wird. Damit ergibt sich ein erheblicher Zusatznutzen, wenn durch die direkte Kühlung der Kolbenstange 3 auf eine aufwendige Kühlung der Dichtanordnung 1 verzichtet werden kann. Ebenso kann durch die Umwälzung allfällige Verschmutzung aus der Ausnehmung 10 ausgespült werden bzw. können Ablagerun- gen von prozessbedingtem Abrieb oder Schmutz in der Ausnehmung 10 unterbunden werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante könnte die Dichtanordnung 1 zusätzlich auch über einen vom Dichtmediumstrom V abgezweigten Kühl-Dichtmediumstrom VK , der über eine
Kühlleitung 16 der Dichtanordnung 1 zugeführt wird, gekühlt werden, wie in Fig.2 strichliert dargestellt. Dazu könnte vor oder nach der Dichtanordnung 1 auch eine Einrichtung 15 zum Regeln des Kühl-Dichtmediumstromes VK vorgesehen sein, wie z.B. eine Druckregeleinrichtung oder Volumenstromregeleinrichtung. Damit könnte ein eventuell vorhandenes Kühlungsystem der Dichtanordnung 1 genutzt werden, die dafür vorgesehenen externen Aggregate zur Umwälzung eines eigenen Kühlmediums aber eingespart werden. Das kann insbesonde- re bei einer Umrüstung eines bestehenden Kompressors interessant sein.
In der Ausgestaltung nach der Fig.3 erfolgt die Umwälzung mit konstantem Dichtmediumstrom Vkonst . Der zur Abdichtung benötigte Druck poi| wird über die Druckregeleinheit 12, hier z.B. einstellbares Druckbegrenzungsventil, eingestellt. Eine solche Dichtanordnung 1 wird z.B. mit einem Druck poi|= 30 - 250bar und einem Dichtmediumstrom Vkonst von 300I/Tag bis 1500 I/Tag betrieben.
Zusätzlich kann in der Rücklaufleitung zum Dichtmediumbehälter 14 noch ein erstes Absperrventil 18, wie z.B. ein entsperrbares Rückschlagventil oder wie hier ein hydraulisch gesteuerter Kugelhahn, vorgesehen sein, um im Störfall die Rückströmung von Gas in den Dichtmediumbehälter 14 zu unterbinden. Dazu wird das Absperrventil 18 über eine Steuerlei- tung, z.B. wie hier ausgehend von der Ableitung 1 1 , angesteuert. Liegt in der Ableitung 1 1 kein Druck poi| an, so schließt das Absperrventil 18 selbsttätig. Auf das Absperrventil 18 kann aber auch verzichtet werden, da die Druckregeleinheit 12 diese Funktion ebenfalls übernehmen kann. Die Druckregeleinheit 12 schließt bei sehr geringen Drücken automatisch und verhindert das Einströmen von Gasleckage in den Dichtmediumbehälter 14. Ebenso könnte in der Ableitung 1 1 auch eine Entlüftungsleitung 19 vorgesehen sein, in der ein zweites Absperrventil 20, wie z.B. wie hier ein sperrbares Rückschlagventil oder ein hydraulisch gesteuerter Kugelhahn, angeordnet sein kann. Dazu wird das zweite Absperrventil
20 über eine Steuerleitung, z.B. wie hier ausgehend von der Zuleitung 7, angesteuert. Falls in der Zuleitung 7 kein Druck poi| anliegt, öffnet das zweite Absperrventil 20, um das Leckagegas abzuführen. Der Gasentlüftungsdruck ist vorzugsweise kleiner als 4bar. Die Entlüftungsleitung 19 kann z.B. einfach ins Freie geleitet werden, kann aber z.B mit Fackelleitungen verbunden sein, um das Leckagegas abzufackeln.
Weiters kann in der Zuleitung 7 auch ein vorgespanntes Rückschlagventil 21 vorgesehen sein, um unter einem bestimmten Druck poi| die Zuleitung 7 zu schließen. Das vorgespannte Rückschlagventil 21 hat vorzugsweise zwei Funktionen. Erstens verhindert es, dass im Störfall oder im abgeschalteten Zustand Arbeitsmedium des Kompressors in den Dichtmediumbehälter 14 zurückströmt. Zweitens kann es benutzt werden, um beim Einschalten des Hydraulikaggregates einen Druck in der Steuerleitung des Absperrventils 20, die in Strömungs- richtung vor dem Rückschlagventil 21 von der Zuleitung 7 abzweigt, zu erzeugen, welches das Absperrventil 20 betätigt, also schließt, bevor das Dichtmedium zum Absperrventil 20 gelangen kann. Wäre das Absperrventil 20 noch nicht geschlossen würde Dichtmedium über die offene Entlüftungsleitung 19 entweichen. Daher ist vorteilhaft, dass das Rückschlagventil
21 vorgespannt ist. Im Störfall, wenn also kein Druck mehr in der Zuleitung 7 anliegt, öffnet sich das Absperrventil 20 dann wieder automatisch und das Leckagegas kann wieder über die Entlüftungsleitung 19 abgeführt werden, wie bei herkömmlichen Packungen. Als Aktivierungsdruck für das Rückschlagventil 21 kann vorzugsweise ein Druck von ca. 5bar eingestellt werden. Durch die Umwälzung des Dichtmediums wird keine eigene Entlüftung der Dichtmediumleitungen im Normalbetrieb benötigt.
Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die Abdichtung nur über den hydraulischen Druck poii gesteuert wird, womit eine sehr robuste und einfache Abdichtung realisierbar ist.
Ebenso können natürlich an geeigneten bzw. benötigten Stellen noch andere Komponenten, wie z.B. Manometer, Temperaturanzeigen, Filter, etc., vorgesehen sein, wie in Fig.3 dargestellt.
Die Ausgestaltung der Fig.4 unterscheidet sich von der Fig.2 im Wesentlichen dadurch, dass nun kein konstanter Dichtmediumstrom Vkonst vorgesehen ist, sondern der Dichtmediumstrom
V temperaturgeregelt ist. Dazu ist an der Ableitung 1 1 ein Temperatursensor 22 vorgesehen, der die aktuelle Temperatur T des Dichtmediums am Austritt aus der Dichtanordnung an eine Regeleinheit 23 liefert, die wiederum die Umwälzpumpe 13 ansteuert, um eine be- stimmte voreingestellte Temperatur des Dichtmediums, z.B. Tmax=80°C, einzuhalten. Als Absperrventil 20 kommt hier ein hydraulisch gesteuerter Kugelhahn, der z.B. vom Druck vor dem vorgespannten Rückschlagventil 21 angesteuert wird, zum Einsatz und die Entlüftungsleitung 19 ist hier nach der Druckregeleinheit 12 vorgesehen.
Anstatt einer Temperaturregelung kann auch eine Druckregelung vorgesehen sein, wie in Fig.5 dargestellt. Dazu wird in der Ableitung 1 1 eine Drosseleinrichtung 26, wie z.B. eine Blende, angeordnet und es wird z.B. in der Ableitung 1 1 der aktuelle Druck des Dichtmediums von einem Drucksensor 25 gemessen und einer Regeleinheit 23 zugeführt. Die Regeleinheit 23 steuert die Umwälzpumpe 13 so an, dass ein vorgegebener Druck poi| in der Dichtanordnung 1 erreicht wird.
Fig.6 zeigt eine Ausgestaltung, in der mit einer hydraulischen Einheit zwei Dichtanordnungen 1 versorgt werden, wobei natürlich auch mehr als zwei Dichtanordnungen 1 von einer hydraulischen Einheit betrieben werden könnten. Hier ist ein Hydraulikaggregat 30, mit allen für die hydraulische Versorgung notwendigen Komponenten, und ein hydraulischer Steuerblock 31 , mit allen für den Betrieb notwendigen hydraulischen Bauteilen, vorgesehen. Das Besondere hierbei ist, dass über ein Umschaltventil 32 zwischen einem Normalbetrieb und einem Stillstandsbetrieb umgeschaltet werden kann. Die Umschaltung kann manuell oder automatisch erfolgen. Über das Umschaltventil 32 wird, je nach Stellung, ein erstes Druckbegrenzungsventil 33 und ein zweites Druckbegrenzungsventil 34 beaufschlagt, wobei das erste Druckbegrenzungsventil 33 einen höheren Schaltdruck, z.B. 250bar, eingestellt hat, als das zweite Druckbegrenzungsventil 34, z.B. 150bar. Somit kann je nach Stellung des Umschalt- ventils 32 der Druck poi| eingestellt werden. Im Normalbetrieb, also wenn der Kompressor läuft, wird der niedrige Druck poN eingestellt. Wird der Kompressor abgeschaltet, kann auf Stillstandsbetrieb und damit auf den höheren Druck poi| umgeschaltet werden, um sicher zu verhindern, dass Arbeitsmedium des Kompressors in die Dichtanordnung 1 gepresst wird. Bei Stillstand kann es nämlich in seltenen Fällen, z.B. wenn das Druckventil des Kompres- sors undicht ist, zu einem Druckanstieg im Kompressorzylinder kommen (bis zum Enddruck des Kompressors). Bei Stillstand des Kompressors kann nun z.B. der Druck des Dichtmediums auf Kompressor Enddruck (oder darüber) eingestellt werden, um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium in die Dichtanordnung 1 gepresst wird.
In den Ableitungen 1 1 sind hier auch noch Durchflussmesseinheiten 35 angeordnet. Anstelle der Durchflussmesseinheiten 35 könnten auch Druckschalter vorgesehen sein. Um ein
Rückströmen von Dichtmedium zwischen den Dichtanordnungen zu verhindern, können vor den Durchflussmesseinheiten 35 oder Druckschaltern auch noch Rückschlagventile eingebaut werden. Ebenso kann in der Zuleitung ein Druckschalter 36 vorgesehen sein, um druckabhängige Aktionen auszulösen, z.B., um bei einer Störung den Antriebsmotor der Umwälzpumpe 13 nicht weiter zu bestromen. Bei einer Dichtanordnung 1 wie oben beschrieben, kommt es zu einer kleinen Leckage von Dichtmedium durch die Dichtelemente 8, 9 bzw. zwischen Dichtelemente 8, 9 und Kolbenstange. Diese Leckage ist vorzugsweise aus der Dichtanordnung abzuführen. Eine Leckagerückführung von Dichtmedium aus der Dichtanordnung 1 , wie z.B. in der AT 510171 A1 be- schrieben, könnte über eine Leckageleitung 17 aus der Dichtanordnung 1 in den Dichtmediumbehälter 14 rückgeführt werden, wie z.B. in Fig.2 dargestellt. Anstelle einer solchen Leckageleitung 17 könnte die Dichtmediumleckage aber auch in den Kurbelkasten des Kompressors geleitet werden. Im Kurbelkasten kann dann ein Überlauf vorgesehen sein, wobei der Überlauf wiederum in den Dichtmediumbehälter 14 rückgeführt wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Dichtanordnung zur Abdichtung einer hin- und hergehenden Kolbenstange (3) eines Kolbenkompressors mit einem ersten und zweiten Dichtelement (8, 9), die in einer Ausnehmung (10) der Dichtanordnung (1 ) axial beabstandet angeordnet sind, wobei in der Dichtanordnung (1 ) eine mit der Ausnehmung (10) verbundene Zuleitung (7) für ein unter Druck (poi|) stehendes Dichtmedium vorgesehen ist und der Druck (poi|) des Dichtmediums größer als der abzudichtende Druck (pd) ist und die Dichtelemente (8, 9) durch den Druck (poi|) des Dichtmediums jeweils an einem axialen Ende der Ausnehmung (10) und an der Kolbenstange (3) anliegend angeordnet sind, sodass das Dichtmedium durch die Dichtelemente (8, 9) mit dem Druck (poii) in der Ausnehmung (10) eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ableitung (1 1 ) für Dichtmedium vorgesehen ist, die mit der Ausnehmung (10) verbunden ist und eine Umwälzeinrichtung (13) vorgesehen ist, die das Dichtmedium unter Aufrechterhaltung des Drucks (p0ü) des Dichtmediums in der Ausnehmung (10) über die Zu- und Ableitung (7, 1 1 ) durch die Ausnehmung (10) umwälzt.
2. Dichtanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Ableitung (1 1 ) eine Druckregeleinheit (12) angeordnet ist.
3. Dichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ableitung (1 1 ) ein erstes und/oder ein zweites Absperrventil (18, 20) angeordnet ist.
4. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung ein vorgespanntes Rückschlagventil (21 ) angeordnet ist.
5. Dichtanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Absperrventil (20) durch den Druck vor dem vorgespannten Rückschlagventil (21 ) betätigt ist.
6. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ableitung (1 1 ) ein Temperatursensor (22) vorgesehen ist, der mit einer Regelungseinheit (23) zum Regeln der Umwälzeinrichtung (13) verbunden ist.
7. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ableitung (1 1 ) ein Drucksensor (25) vorgesehen ist, der mit einer Regelungseinheit (23) zum Regeln der Umwälzeinrichtung (13) verbunden ist.
8. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ableitung (1 1 ) ein Umschaltventil (32) vorgesehen ist, das ein erstes Druckbegrenzungsventil (33) oder ein zweites Druckbegrenzungsventil (34) beaufschlagt, wobei für das erste Druckbegrenzungsventil (33) ein höherer Schaltdruck als für das zweite Druckbegrenzungsventil (34) eingestellt ist.
9. Dichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (7) eine Kühlleitung (16) abzweigt, die mit einem Kühlsystem der Dichtanordnung (1 ) verbunden ist.
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