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Schwingkompressor Zum Verdichten von Luft oder Gasen werden für kleinere
Fördermengen und mittlere Drücke im allgemeinen einstufig arbeitende Kolbenkompressoren
verwendet, deren Kolben von einem umlaufenden Motor über einen Kurbeltrieb bewegt
werden. Um den Werkstoffaufwand und die Fertigungskosten zu verringern, ist man
in neuerer Zeit bestrebt, den Kolben durch unmittelbar hin und her gehende Antriebe
zu bewegen. Hierzu eignen sich vorzüglich elektromagnetische oder elektrodynamische
Antriebssysteme, deren Anker mit dem Kompressorkolben die eine Masse eines Schwinggebildes
darstellen. Die zweite Masse wird durch den Zylinder des Kompressors und den stehenden
Teil des Antriebssystems sowie ein Gehäuse oder einen Rahmen gebildet, in das bzw.
in den diese beiden Teile eingebaut sind. Eine Feder verbindet diese beiden Massen
schwingfähig miteinander.
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Die Durchführung dieses einfachen Antriebsprinzips stößt nun auf erhebliche
Schwierigkeiten, die durch die praktischen Betriebsbedingungen entstehen, und zwar
durch wechselnden Gegendruck und durch Spannungsschwankungen im Netz. Der Gegendruck
kann zwischen Null und dem Höchstwert schwanken, die Spannung im allgemeinen etwa
um 5 bis - ro % der Netzspannung. Zunahme des Gegendruckes bewirkt entsprechend
der größeren verlangten Nutzleistung stärkere mechanische Bremsung oder Dämpfung
des Schwinggebildes, Abnahme der Spannung hat eine Abnahme der elektrodynamischen
oder elektromagnetischen
Antriebskraft zur Folge, und zwar im quadratischen
Verhältnis der Spannung. Beide Einflüsse haben eine Abnahme der .Schwingweite des
Schwinggebildes, die gleich dem Kolbenhub ist, zur Folge, da Zwanglauf des Kolbens
wie bei einem Kurbeltrieb fehlt und- die Schwingweite sich aus dem Kräftegleichgewicht
des Schwinggebildes selbsttätig einstellt. Hierin liegt ein grundsätzlicher Nachteil
des Schwingkompressors gegenüber einem Kompressor mit Kurbeltrieb, weil der veränderliche
Kolbenhub entsprechende Änderungen des :Ausschubweges, damit auch des schädlichen
Raumes, des Lieferungsgrades und der Fördermenge zur Folge hat. Versuche mit einem
-Schwingkompressor mit elektromagnetischem Antrieb haben gezeigt, daß selbst bei
konstanter Netzspannung die Lieferungsmenge bereits bei einem Gegendruck von 3 atü
auf Null abfällt, wenn für Gegendruck Null die Betriebsspannung auf die größtmögliche
Schwingweite eingestellt wird, bei der noch kein Anschlagen des Kolbens am .Zylinderdeckel
eintritt.
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Um diesem ungünstigen Betriebsverhalten, das die praktische Verwendung
eines solchen Kompressors ausschließt, abzuhelfen, hat man bereits besondere Hilfsmittel
angewendet. Das bezüglich Druckschwankungen naheliegendste Mittel ist eine Drosselvorrichtung,
die den Druck hinter dem Kompressor auf konstanter Höhe hält, ohne Rücksicht auf
den wirklich nutzbaren Gegendruck, wobei die elektrische Auslegung dem durch die
Drosselvorrichtung eingestellten Druck angepaßt wird. Hiermit ist zwar eine erhebliche
Erweiterung des Gegendruckbereiches um einige Atmosphären erreichbar, jedoch mit
dem Nachteil, daß die aufzuwendende. Leistung bei kleinem nutzbarem Gegendruck wesentlich
höher und die Liefermenge erheblich geringer ist, als diesem Nutzdruck ohne Drosselung
entsprechen würde.
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Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, eine bei Überschreitung der
höchstzulässigen Schwingweite selbsttätig einsetzende mechanische Pufferung vorzusehen,
die es ohne Gefahr des Anschlagens des Kolbens gestattet, für Gegendruck Null eine
überhöhte elektrische Leistung zuzuführen, die ausreicht, um den höheren Leistungsbedarf
bei höherem Gegendruck zu decken. Eine derartige Pufferung kann z. B. durch eine
vom Kolben gesteuerte Absperrung eines Restvolumens des Kompressionsraumes bewirkt
werden. Jedoch sind auch hiermit gewisse Drosselungsverluste verbunden, und der
Kolbenhub kann nicht voll ausgenutzt werden; auch ist es hiermit nicht möglich,
den Gegendruckbereich bis auf 8 oder zo atü zu erweitern, wie er z. B. zur Betätigung
von bruckluftschaltern oder für Kühlschränke notwendig ist.
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Eine durchgreifende Abhilfe wäre an sich mittels eines vom Gegendruck
abhängigen Spannungsreglers denkbar, der bei steigendem Gegendruck der Arbeitswicklung
des Antriebes eine entsprechend höhere Spannung zuführt. Ein solcher Regler könnte
außerdem so gebaut werden, daß er auch die Schwankungen der Netzspannung auszuregeln
vermag. Für Schwingkompressoren kleinerer Leistung würde aber ein besonderer Regler
wirtschaftlich nicht tragbar sein und die durch den vereinfachten Antrieb erreichbare
Kostensenkung wieder aufheben.
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Die Erfindung geht davon aus, daß Schwankungen der iSchwingweite entsprechend
demAntriebsprinzip unvermeidlich sind und daß es daher bei Schwingkompressoren unmöglich
ist, im ganzen Betriebsbereich mit einem schädlichen Raum von nur wenigen Prozenten
des Hubvolumens zu arbeiten, wie er bei Kurbelkompressoren auch kleinerer Leistung
ohne weiteres eingehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird der nachteilige Einfluß
der unvermeidlichen Schwingweiten- und Hubänderung dadurch in zulässigen Grenzen
gehalten, daß grundsätzlich auch fürSchwingkompressoren kleiner Leistung und für
Gegendrücke von etwa 2 atü an aufwärts zweistufige Kompression angewendet wird.
Der Versuch hat gezeigt, daß hierdurch der Gegendruckbereich bis 8 oder zo atü auch
mit einem Schwingkompressor beherrscht werden kann, wobei die verbleibenden Änderungen
der Liefermenge etwa in der Größenordnung wie bei einstufigen Kurbelkompressoren
gleicher Leistung liegen, also in Kauf genommen werden können. Die durch die zweistufige
Bauart von Zylinder und Kolben bedingte Verteuerung ist gering im Vergleich zu den
Aufwendungen, die sonst für einen besonderen Regler notwendig würden.
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Aus dem Vergleich der für ein- und zweistufige Kompression in der
Zeichnung dargestellten Weg-Druck-Schaulinien geht der Fortschritt, der bei einem
Schwingkompressor durch Übergang zu zweistufiger Kompression erreicht wird, klar
hervor.
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Abb. z zeigt die Verhältnisse bei einstufiger, Abb.2 die bei zweistufiger
Kompression, und zwar beispielsweise für einen Endüberdruck von 8 atü. Wird nach
Abb. r der Hub s1 durch Regelung der Spannung so eingestellt, daß ein schädlicher
Raum von 5 0/0 entsprechend dem Resthub so i eingehalten und der durch die voll
gezeichnete Kurve dargestellte Verlauf von Kompression und Rückexpansion mit einem
Ausschubweg s", erreicht wird, so hat eine geringe Abnähme der Schwingweite von
s1 auf s2, wie sie durch eine Spannungsabnahme um etwa 5 % eintritt, bereits eine
Verminderung des Ausschubweges auf sag zur Folge, d. h. mit den beispielsweisen
Werten auf 0,43.s 01. Hiermit fällt auch die Liefermenge auf 43 0/a der früheren.
Die Rückexpansion aus dem viel größeren schädlichen Raum entsprechend sog ist in
dem gleichen Verhältnis größer, so daß für den Ansaugvorgang nur ein entsprechend
kleiner Teil des Saughubes zur Verfügung steht. Die hierdurch bedingte unvollständige
Füllung des Zylinders ist in der Abbildung nicht berücksichtigt, würde aber in Wirklichkeit
die Liefermenge weiter verringern.
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Demgegenüber wird bei zweistufiger Kompression nach Abb.2, für die
gleiche Hubverhältnisse wie in Abb. z und für die Nieder- und Hochdruckstufe gleiches
Druckverhältnis angenommen sind, eine Verminderung des Ausschubweges von sai auf
sag
gleich o,78 - s" i eintreten, also eine entsprechende
Verminderung
der Liefermenge um 22 % gegenüber 57 % bei einstufiger Kompression. Entsprechend
ist auch bei einer durch wachsenden Gegendruck verursachten Verminderung des Hubes
die Verminderung der Liefermenge ebenfalls wesentlich geringer als bei einstufiger
Kompression, so daß es jetzt möglich ist, einen Schwingkompressor bis zu einem Gegendruck
von io atü ohne Zuhilfenahme besonderer Regler zu bauen.
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Die zweistufige Kompression hat bezüglich der Schwingweitenänderung
noch eine weitere günstige Wirkung dadurch, daß der Niederdruckkolben, der den Hochdruckzylinder
entweder durch unmittelbare Überströmkanäle oder über einen Zwischenaufnehmer auffüllt,
stets gegen einen zwar schwankenden, aber nie auf Null fallenden Zwischendruck arbeitet.
Daher tritt ein völliger Leerlauf des Schwinggebildes überhaupt nicht mehr auf,
so daß die Schwankungen der erforderlichen Antriebsleistung in engeren Grenzen liegen
als bei einstufiger Kompression ohne Drosselung. Die Erfindung ist nicht nur für
Kompressoren mit geradlinig hin und her schwingenden Kolben anwendbar, sondern mit
gleicher Wirkung auch für Kompressoren, deren Kolben eine Drehschwingung ausführt
und durch einen Drehschwingantrieb angetrieben wird.