DE19932433A1

DE19932433A1 - Verfahren zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Verdrängerkompressoren

Info

Publication number: DE19932433A1
Application number: DE1999132433
Authority: DE
Inventors: Karl-Nikolaus Regar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2000-01-27

Abstract

Alle Bauarten von Verdrängerkompressoren (4) sind relativ teuer und verbrauchen relativ viel Energie. Dies wirkt sich auf die Wirtschaftlichkeit der Erzeugung von Druckluft DOLLAR I1 nachteilig aus. Durch die Aufladung von solchen Kompressoren mit Hilfe von Niederdruckverdichtern wird die Wirtschaftlichkeit erheblich verbessert, weil DOLLAR A - die Lieferkapazität eines gegebenen Kompressors bis zur Verdoppelung erhöht werden kann, mit vergleichsweise sehr geringen Kosten, was eine drastische Senkung der spezifischen Kapitaldienstkosten verursacht und weil DOLLAR A - der spezifische Energieverbrauch (kWh/m·3·) deutlich verbessert werden kann und zwar durch die Verwendung von wirkungsgradgünstigeren Kreiselverdichtern (1) zur Aufladung von Verdrängerkompressoren, was zur Senkung der spezifischen Energiekosten DOLLAR I2 des aufgeladenen Kompressors führt. DOLLAR A Der Kreiselverdichter (1) kann entweder vom Antriebsmotor des Kompressors (5) über einem Vielkeilriemen, einer Kupplung und einem Übersetzungsgetriebe (6) oder von einem separaten Motor (10) angetrieben werden. Durch die Einführung einer Einrichtung (9) zur Drosselung des Luftvolumens ins System können bei den beiden Antriebsvarianten energiesparende und kostengünstige Regelungskonzepte, trotz der konstanten Drehzahl der Antriebsmotoren, realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Kompres soren, die zur Erzeugung von Druckluft verwendet werden und die, nach Bauart, der Gruppe der Verdrängerkompressoren zugeordnet werden können, wobei unter Wirtschaft lichkeit das Verhältnis der Summe aller Kosten (vom Anschaffungspreis bis zu Energie kosten) zur gesamten, produzierten Druckluftmenge (/m³) verstanden wird.

Druckluft wird als Energieträger in der Industrie und im Handwerk für viele Anwendungen benötigt, die extrem unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Luftmenge, Druckhöhe, Reinheit, Lärmemission, Verfügbarkeit u. a. stellen. Zur möglichst optimalen Erfüllung dieser Anforderungen werden eine Vielzahl von Baugrößen und Bauarten von Kompressoren eingesetzt. Nach Bauart wird zwischen Strömungs- und Verdrängerkompressoren unter schieden, wobei die Letzteren eine stark dominierende Position am Markt genießen. Sie werden als Hubkolbenkompressoren oder als Rotationskompressoren gebaut. Die Letzteren kennen wiederum eine Mehrzahl von Bauarten, wie: Lamellen-, Roots-, Spiral-, Schrauben kompressoren u.s.w. Darüber hinaus werden sie parallel, zum Erreichen der geforderten Luftmenge, oder seriell, zum Erreichen der erforderlichen Druckhöhe zusammengeschaltet.

Diese extreme Zersplitterung des Marktes führt dazu, daß von jeder Bauart eine relativ kleine Stückzahl abgesetzt werden kann. Deshalb sind alle Bauarten von Verdränger kompressoren, mit Ausnahme der kleinen, mobilen Hubkolbenkompressoren für das Handwerk, die in größeren Stückzahlen hergestellt werden, relativ teuer.

Eine andere Gemeinsamkeit der Verdrängerkompressoren ist der relativ schlechte Wirkungsgrad. Die Ursachen dafür sind unterschiedlich: bei Hubkolbenkompressoren ist beispielsweise der thermodynamische Wirkungsgrad gut, aber der volumetrische und der mechanische Wirkungsgrad schlecht. Anders bei Rotationskompressoren: dort sind der thermodynamische und der volumetrische Wirkungsgrad schlecht, aber dafür ist der mechanische Wirkungsgrad gut, u.s.w. Deshalb ist der gesamte Wirkungsgrad aller Verdrängerkompressoren relativ schlecht und dementsprechend ist der spezifische Energieverbrauch (kWh/m³) relativ hoch.

Diese beide Nachteile, d. h. der hohe Anschaffungspreis und der hohe Energieverbrauch, führen zusammen zu einer verbesserungsbedürftigen Wirtschaftlichkeit der Erzeugung von Druckluft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit aller Bauarten von Verdrängerkompressoren erheblich zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 aufgeführte Merkmal, d. h. durch die Aufladung der üblicherweise freisaugenden Verdrängerkompressoren mit Hilfe von Nieder druck-Vorverdichtern, die insbesondere als Kreiselverdichter dargestellt werden, gelöst. Dabei ist zu bemerken, daß die in diesem Zusammenhang genannte Aufladung sich von der im Kompressorenbau wohl bekannten und oft praktizierten zwei- oder mehrstufigen Verdichtung durch zwei wichtige Merkmale unterscheidet:

- Bei der Aufladung geht es vor allem um die bessere Füllung des Ansaugraumes des Kompressors mit frischer Luft und somit um die Erhöhung der gelieferten Luftmenge, während bei der zwei- oder mehrstufigen Verdichtung das Erreichen der geforderten Druckhöhe im Vordergrund steht, denn die Luftmenge ist vom Ansaugvermögen der ersten Stufe bestimmt.
- Bei der Aufladung ist der Anteil des Niederdruck-Vorverdichters am gesamten Druckverhältnis der Anlage erheblich geringer (stark asymmetrisch) als der Anteil der einzelnen Kompressionsstufen von zwei- oder mehrstufigen Kompressoren, bei denen der Anteil jeder Stufe am gesamten Druckverhältnis, aus thermodynamischen und mechani schen Gründen, gleich groß (symmetrisch) ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die von einem üblicherweise nicht aufgeladenen Verdrängerkompressor gelieferte Luftmenge (m³/h) bis zur Verdoppelung und bei Bedarf auch darüber hinaus erhöht werden kann, während die zusätzlichen Kosten zum Aufbau der Aufladung nur einen Bruchteil der Kosten ausmacht, die zur Anschaffung eines zusätzlichen Kompressors (bei vorhandenen Anlagen), oder zur Anschaffung eines größeren Kompressors gleicher Kapazität (bei neuen Anlagen) notwen dig wären. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der spezifischen Kosten zur Herstellung und letztendlich des spezifischen Anschaffungspreises (/m³) und somit zur Minimierung der Kapitaldienstkosten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verlagerung eines Teils der Verdichtungsarbeit auf einen Kreiselverdichter, dessen Wirkungsgrad erheblich besser als der Wirkungsgrad aller Bauarten von Verdrängerkompressoren ist (sh. VDI Berichte 1418, Seite 47 und Bild 4), eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades des aufgeladenen Kompressors stattfindet. Dies führt zu einer entsprechenden Reduzierung des spezifischen Energieverbrauchs (kWh/m³) bzw. der spezifischen Energiekosten (/m³).

Diese beide Verbesserungen, d. h. die erhebliche Senkung der spezifischen Kapitaldienst kosten einerseits und die deutliche Senkung der Energiekosten andererseits, führen zusam men zu einer erheblichen Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der aufgeladenen im Ver gleich zu den derzeit verwendeten, freisaugenden Kompressoren.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau eines aufgeladenen Verdrängerkompressors,

Fig. 2 Einrichtung zur Abschaltung des Vorverdichters,

Fig. 3 Einrichtung zur stufenlosen Regelung der gelieferten Luftmenge,

Fig. 4 Aufbau eines mit getrennt angetriebenem Vorverdichters aufgeladenen Kompressors,

Fig. 5 Aufbau der Aufladung von parallel geschalteten Kompressoren,

Fig. 6 Aufbau der Aufladung von seriell geschalteten Kompressoren,

Fig. 7 Aufbau der Aufladung eines größeren Kompressors durch zwei parallel geschaltete Vorverdichter.

Der Fig. 1, die den Patentansprüchen 1 + 2 entspricht, ist zu entnehmen, daß die frische Luft von einem Vorverdichter (1), vorzugsweise von einem Kreiselverdichter, durch einen Filter (2) angesaugt wird. Die auf einer Druckhöhe von 1,5 : 1 bis 2 : 1 oder darüber vorver dichtete und somit erwärmte Luft kann über einen Zwischenkühler (3) beispielsweise zu einem Hubkolbenkompressor (4) geführt werden, mit dessen Hilfe die vorverdichtete Luft auf die geforderte Druckhöhe weiter verdichtet wird. Der Antrieb des Hubkolbenkompres sors erfolgt durch einen Elektromotor (5), der in der Regel mit konstanter Drehzahl arbeitet.

Der gleiche Motor treibt gleichzeitig auch den Kreiselverdichter an. Um eine Druckhöhe von 2 : 1 oder mehr erzeugen zu können und gleichzeitig einen geringen Bauraum zu beanspru chen und niedrige Zusatzkosten zu verursachen, muß der Kreiselverdichter mit viel höheren Drehzahlen als der Antriebsmotor arbeiten. Die dafür erforderliche Übersetzung wird teil weise durch ein Getriebe (6) und teilweise durch die Einrichtung (7), die gleichzeitig zur Übertragung der Leistung von der Welle des Motors zur Eingangswelle des Obersetzungs getriebes verwendet wird, realisiert. Diese Einrichtung kann ein Keil- oder Vielkeilriemen, bzw. eine Kette mit den dazugehörigen An- und Abtriebsrad, sowie mit der nötigen Spannungs- und Dämpfungsvorrichtung sein.

Ein Kolbenkompressor, der bei dem geforderten Druckverhältnis (von beispielsweise 10 : 1) eine bestimmte Luftmenge im freisaugenden Betrieb liefert, wird durch die Aufladung in die Lage versetzt, eine drastisch erhöhte Luftmenge liefern zu können. Die erreichbare Erhö hung der Lieferkapazität wird hauptsächlich vom ausgewählten Druckverhältnis des Kreisel verdichters bestimmt. Bei einem Druckverhältnis des Kreiselverdichters von beispielsweise 2 : 1 und einem gegebenen gesamten Druckverhältnis des aufgeladenen Kompressors von 10 : 1 ist mit einer Verdoppelung der gelieferten Luftmenge zu rechnen, denn die anderen Faktoren, wie die Temperatur der Ladeluft, das geringer gewordene Expansionsverhältnis der im "toten Raum" eingeschlossenen Druckluft, die geringeren volumetrischen Kompres sionsverluste u. a.m., wirken teils positiv und teils negativ auf die gelieferte Luftmasse (kg/h). Die Summe aller zusätzlichen Einflüsse bleibt verhältnismässig gering.

Der Leistungsbedarf des Motors zum Antrieb des Kompressors und des Kreiselverdichters wird jedoch nicht wie die gelieferte Luftmenge verdoppelt, sondern er bleibt in diesem Fall um ca. 20% geringer als bei freisaugenden Kompressoren mit gleicher Luftlieferkapazität. Grund dafür ist der erheblich höhere Wirkungsgrad des Kreiselverdichters, der sich in der Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades des aufgeladenen Kompressors bemerkbar macht. Dementsprechend sinkt auch der spezifische Energieverbrauch des aufgeladenen Kompressors um einen ähnlichen Prozentsatz.

Fig. 2 veranschaulicht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß des Patentanspruchs 3. Sie besteht darin, daß der Kreiselverdichter mit Hilfe einer Kupplung (8), in der Regel eine elektromagnetische Kupplung, abgeschaltet werden kann und zwar dann, wenn der momentane Druckluftbedarf unterhalb der Lieferfähigkeit des Kompressors beim freisaugenden Betrieb absinkt und der Antriebsmotor nur mit konstanter Drehzahl arbeiten kann. Dadurch kann eine kostengünstige verlustarme Zweipunktregelung der Liefermenge verwirklicht werden.

Fig. 3 entspricht dem Patentanspruch 4 und gibt den Aufbau eines aufgeladenen Kom pressors wieder, welcher um eine stufenlose und verlustarme Regeleinrichtung der geliefer ten Luftmenge bei konstanter Drehzahl des Antriebsmotors ergänzt wird. Diese Einrichtung (9) besteht im wesentlichen aus einer Drosselklappe zur Drosselung des vom Kreiselver dichter erzeugten Druckluftstromes. Sie kann pneumatisch oder elektrisch betätigt und pas siv oder aktiv geregelt werden. Durch eine geschickte Auswahl des Betriebspunktes des Kreiselverdichters bei Vollast in seinem Betriebskennfeld wird die Voraussetzung geschaf fen, daß die kontinuierliche Betätigung der Drosselkappe in Richtung "Schließen" eine stufenlose und verlustarme Verringerung der vom Kreiselverdichter gelieferten Luftmenge zur Folge hat, trotz der konstant bleibenden Drehzahl des Antriebsmotors. Deshalb bekommt der Kompressor kontinuierlich weniger Luft mit kontinuierlich absinkendem Druckverhältnis. Im Grenzfall entspricht die Luftmenge und der Luftdruck nach der Dros selklappe genau den Werten des freisaugenden Betriebes. Deshalb kann der Kreiselver dichter abgeschaltet werden, denn die momentan geforderte Luftmenge vom Kompressor allein erzeugt werden kann. Durch eine weitere Betätigung der Drosselklappe in Richtung "Schließen" kann die vom Kompressor allein gelieferte Luftmenge nach der, bei freisaugen den Kompressoren angewandten Methode weiter verringert werden. Diese sehr wirksame Art der Regelung der Luftmenge ist zwar bezogen auf dem Vollastpunkt verlustarm, aber nicht verlustfrei. Sie kann dennoch in vielen Fällen eine wirtschaftlichere Lösung als die teuere Regelung durch Variation der Drehzahl des Antriebsmotors abgeben, denn auch diese ist bei Teillast nicht verlustfrei und darüber hinaus sehr teuer. Ihre Anwendung im Kombination mit der Konfiguration nach Anspruch 1 oder 1 + 2 bedarf deshalb einer sorg fältigen, fallbezogenen Analyse der Betriebskennfeldern des Motors und des Kompressors in Übereinstimmung mit dem aus dem Bedarfsprofil resultierenden Lastkollektiv der Anlage und seiner Komponenten. Dadurch können die Kosten für Energie über die Lebensdauer und die Kapitaldienstkosten für beiden Alternativen ermittelt und verglichen, was letztend lich zur fundierten Auswahl der wirtschaftlicheren Lösung beiträgt.

Fig. 4 bezieht sich auf der Anspruch 5 und gibt den Aufbau einer Anlage wieder, bei der, der Kreiselverdichter nicht mehr vom Antriebsmotor des Kompressors, sondern vom einem zusätzlichen Motor (10) angetrieben wird. Dieser Aufbau ist insbesondere für vorhandene Kompressoranlagen vorteilhaft, bei welchen der vorhandene Antriebsmotor aus Kosten- oder Platzgründen nicht durch einen stärkeren Motor ersetzt werden kann oder darf. Die unter dieser Einschränkung erreichbare Erhöhung der Luftmenge liegt allerdings bei etwa 50%. Diese Begrenzung kommt in diesem Fall nicht vom Kompressor selbst, sondern von der installierten Motorleistung her, denn diese wird bei einer Steigerung der Luftmenge um 50 bis 60%, trotz der Halbierung des Druckverhältnisses des Kompressors, weitgehend aus geschöpft und somit einen eigenen Motor zum Antrieb des Kreiselverdichters erforderlich macht. Dieser Motor darf sowohl mit konstanter, als auch mit variabler Drehzahl arbeiten. Auch dieser Aufbau kann bei Bedarf um einer Kupplung nach Anspruch 2 und/oder einer Drosseleinrichtung nach Anspruch 3 ergänzt werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung entsprechend dem An spruch 6, die darin besteht, daß mit Hilfe eines einzigen Kreiselverdichters mehrere kleine re parallel geschaltete Kompressoren aufgeladen werden, wobei der Vorverdichter durch einen eigenen Motor oder durch den entsprechend dimensionierten Motor eines der paral lel geschalteten Kompressoren angetrieben wird. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die Kapazität einer Anlage zu verdoppeln oder bei gegebener Kapazität die Anzahl der Kom pressoren zu halbieren. Dieser Aufbau ist beispielsweise bei trockenlaufenden, ölfreien Kompressoren besonders wirtschaftlich.

Fig. 6 bezieht sich auf den Anspruch 7 und betrifft seriell geschaltete Kompressoren, bzw. Kompressoren mit zwei- oder mehrstufiger Verdichtung. Auch hier kann die erforderliche Aufladung der ersten Stufe des Verdichters durch einen Aufbau gemäß dem Anspruch 1, den Ansprüchen 1 bis 3, dem Anspruch 6, den Ansprüchen 6 + 2 + 3 u.s.w. mit ähnlichen posi tiven Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit erfolgen.

Fig. 7 verdeutlicht die Möglichkeit, größere Kompressoren mit Hilfe von zwei parallel geschalteten Kreiselverdichtern gemäß dem Anspruch 8 aufzuladen. Dadurch läßt sich die kostenintensive Entwicklung eines größeren Kreiselverdichters, der wegen geringere Stückzahlen auch teurer als zwei kleinere Verdichtern sein kann, vermeiden.

Alle Patentansprüche können nicht nur bei Hubkolbenkompressoren wirtschaftlich vorteil haft, sondern bei allen derzeit verwendeten Verdängerkompressoren angewendet werden, sowohl bei vorhandenen als auch bei neuen Druckluftanlagen.

Daraus folgt, daß die Anwendung der Aufladung bei den üblicherweise freisaugenden Kompressoren ein äußerst flexibles Verfahren zur erheblichen Verbesserung der Wirt schaftlichkeit der Erzeugung von Druckluft darstellt, das auf zwei Säulen aufgebaut ist

1. starke Senkung der spezifischen Fertigungskosten durch eine drastische und kostengünstige Erhöhung der gelieferten Luftmenge, und
2. deutliche Senkung des spezifischen Energieverbrauchs und somit der Energiekosten durch die Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades des aufgeladenen Kompres sors.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Verdrängerkompressoren aller bekannten Bauarten, dadurch gekennzeichnet, daß die üblicherweise freisaugenden Kompressoren mit Hilfe von Niederdruck-Vorverdichtern, insbesondere Kreiselverdich tern, aufgeladen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter vom Antriebsmotor des Kompressors über eine Einrichtung zur Übertragung der Leistung und ein Übersetzungsgetriebe angetrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter mit Hilfe einer Kupplung zu- und abgeschaltet werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1 + 2 oder 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kreiselverdichter und dem Kompressor eine verstellbare Drosselklappe angeordnet ist, die zur stufenlosen und energiesparenden Regelung der vom Kreiselverdichter geliefer ten Luftmenge und des von diesem erzeugten Druckverhältnisses bei konstant bleiben der Drehzahl des Antriebsmotors benützt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 1 + 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter von einem eigenen Motor mit konstanter oder variabler Drehzahl angetrieben wird und daß, die Anpassung der Übersetzung zwischen dem Motor und dem Kreiselverdichter über ein Getriebe erfolgt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter gleichzeitig zwei oder mehrere, parallel geschaltete Kompressoren mit vorverdichteter Luft versorgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüchen von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverdichter die erste Stufe eines mehrstufigen Kompressors oder einer Anlage von seriell geschalteten Kompressoren mit vorverdichteter Luft versorgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein größerer Kompressor mit Hilfe von zwei kleineren, parallel geschalteten Vorverdichtern aufgeladen wird.