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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Havariefällen von Membrankompressoren.
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Membrankompressoren arbeiten ähnlich wie normale Kolbenkompressoren, jedoch mit einer trennenden Membrane zwischen der Gasseite und der Ölseite. Die Ölseite wird durch die übliche Kolben-Zylindereinheit gebildet, deren Arbeits- und Tot-Volumen voll mit Öl gefüllt sind. Auf der Gasseite befinden sich die Gas-Saug- und Druckventile. Durch die oszillierende Bewegung des Kolbens wird das durch ihn verdrängte Volumen auf die Membrane übertragen, die dann ihrerseits das Ansaugen, die Verdichtung und das Ausschieben des Gases übernimmt. Da der Öldruck während des gesamten Hubes dem Saug- und Kompressionsdruckverlauf der Gasseite entspricht, kann man hier auch von der Arbeitsweise eines Kolbenkompressors sprechen.
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Ein geringfügiger Unterschied zum Kolbenkompressor besteht jedoch darin, daß beim Membrankompressor noch ein Sekundärölkreislauf installiert werden muß, um das Lecköl des Kolbens ausgleichen zu können. Zu diesem Zweck wird eine Kompensationspumpe, angetrieben über einen Exzenter auf der Kurbelwelle, verwendet. Diese spritzt somit synchron mit jedem Kolbenhub eine kleine Ölmenge in den Ölraum des Kompressors. Diese Menge muß theoretisch genau so groß sein, wie die Leckage am Kompressorkolben. Da sich dieses technisch nicht realisieren läßt, wird stets eine eingespritzte Ölmenge verwendet, die größer ist, als die der Leckage. Das hat wiederum zur Folge, daß mit jedem Hub des Kompressorkolbens etwas zu viel Öl sich im Ölraum befindet, welches dann im vorderen Totpunkt der Membrane (= Anlage am Deckel) zu einem unkontrollierbaren Öldruckanstieg führen würde. Um dieses zu verhindern, muß noch ein Ölüberströmventil hinzugefügt werden, welches den Öldruck im vorderen Totpunkt des Kolbens auf einen Wert begrenzt, der geringfügig über dem Maximaldruck des Gases liegt.
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Die Relation zwischen dem Gasenddruck und dem Öldruck im vorderen Totpunkt, einjustiert durch das Ölüberströmventil ist der wichtigste Funktionszusammenhang bei einem Membrankompressor. Die sichere Funktion eines Membrankompressors ist nur dann gegeben, wenn der Öldruck im vorderen Totpunkt immer höher als der Gasenddruck ist. Ist dieses nicht der Fall, so wandert der Arbeitsbereich der Membrane immer weiter in den Bereich der Lochplattenkurve. Berührt sie sogar die Lochplatte, so kommt es auf Grund der vorliegenden Flächenverhältnisse zu einem rasanten Öldruckanstieg, der zum Abheben des Deckels führen kann. Ferner treten hohe Belastungsspitzen mit sehr steilen Flanken auf, die sich auf das Kurbeltriebwerk übertragen. Die dabei entstehende Kavitationsbildung wirkt sich negativ auf die Membranstandzeiten aus.
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Somit kommt der Kontrolle und der Regelung der Relation zwischen Gasenddruck und dem Öldruck, eingestellt durch das Ölüberströmventil eine grosse Bedeutung zu.
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Wegen der schnellen Druckwechsel entsprechend der Drehzahl der Kompressoren konnte die Öldruckspitze erst seit kurzer Zeit mit einigen wenigen SPS-Steuerungen erfasst werden. Diese Werte wurden dann mit starr eingegebenen Grenzwerten verglichen, worauf dann bei einem negativen Vergleichsergebnis der Kompressor abgeschaltet wurde. Dabei wurde aber nur der Absolutwert des Öldruckes mit einem Abschaltwert verglichen und nicht die Relation zum augenblicklichen Gasenddruck. Die Erfassung der Relation ist auch insofern wichtig, als man den Gasenddruck nicht als konstante Grösse ansehen darf, sondern dass sich dieser im Anlagenstörfall auch schon mal in verbotene höhere Bereiche bewegen kann oder was noch häufiger auftreten kann, dass durch das Versagen eines Kompressorventiles der Gasenddruck einer Zwischenstufe weit erhöht wird und dieser somit in den Bereich der Öldruckspitze gelangt. Diese Havariemöglichkeit kann durch die starre Überwachung des Öldruck-Absolutwertes nicht kontrolliert werden.
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Ferner ist eine ältere Bauart bekannt, bei der der Gasenddruck direkt über einen kleinen Kolben als Federzusatzvorspannkraft oben auf den Federteller des Ölüberströmventiles wirkt. Dabei wird dann die Feder in ihrer Grundeinstellung nur soweit vorgespannt, dass sie damit etwa 30% des max. Gasdruckes abdecken kann. Die weitere Vorspannung erfolgt dann über die Gasdruckzunahme im System. Die Unzulänglichkeiten bei diesem System liegen in der Reibung der Kolbenabdichtung bei sehr hohen Gasenddrücken und der Korrosion, die ein totales Festklemmen des kleinen Kolbens bewirken kann. Ferner ist das System zu langsam, um schnellen Gasdruckanstiegen während der Startphase eines Kompressors mitgehen zu können.
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Die Auswirkungen auf den Kompressor sind fatal, falls es in dem Steuerkolbenantrieb zu einer der beschriebenen Störungen kommt. Dann kommt es zu dem Fall, der eigentlich nie auftreten darf, dass der Öldruck plötzlich innerhalb kürzester Zeit im Gasdruckbereich liegt und es binnen Sekunden durch die Verlagerung des Membranarbeitsbereiches zur Lochplatte hin zu dem gefürchteten Havariefall kommt.
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Mit der
DE 198 26 610 A1 ist eine Membranpumpe beschrieben, die eine Lagesteuerung der Membrane mit verschiedenen Sensoren aufweist. Hier gibt es keine Ermittlung einer Relationsbildung von Drücken, deren Wert in eine Steuerung einfliessen könnte. Auch lässt sich eine Membran-Flüssigkeitspumpe nicht mit einem Membrankompressor vergleichen. Während die Flüssigkeitspumpe immer bei atmosphärischem Druck ansaugt und das Nachfüllen des Membrankopfes mit Druckflüssigkeit durch die Anlage der Membrane an der hinteren Kurvenfläche gesteuert wird, muss die Anlage der Membrane an der hinteren Kurvenfläche bei einem Membran-Kompressor mit seinem hohen Gassaugdruck absolut verhindert werden. Dieser Zustand, käme er zustande, würde die genannten Havariefälle auslösen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, wodurch die Havariefälle, z. B. das Abheben des Deckels vermieden werden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Erfassung der Öldruck-Gasdruckrelation mit je einem elektronischen Druckaufnehmer auf der Ölseite des Membrankopfes und in der Gasdruckleitung auf der Gas-Austrittseite des Membrankopfes, mit einer nachgeschalteten elektronischen Auswertung beider Signale und der daraus ermittelten Relation beider Drücke, sowie der Signalgebung bei der Unterschreitung einer bestimmten Mindestrelation, ferner durch die Möglichkeit der Einhaltung einer bestimmten Relation von Öldruck und einem variablen Gasdruck, kontrolliert und gesteuert über die elektronische Auswertung und der nachfolgend durch diese angesteuerte Entlastungsvorrichtung des Ölüberströmventiles.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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1 zeigt einen kompletten Membrankopf in der Ausführung nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt einen kompletten Membrankopf zusätzlich mit den elektronischen Druckaufnehmern und der nachgeschalteten Auswertung
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3 zeigt das Arbeitsdiagramm während einer Umdrehung als Druck-Zeit-Diagramm
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4 zeigt das federbelastete Ölüberströmventil mit der Entlastungsvorrichtung.
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Die Hauptbestandteile eines Membrankompressors bestehen gemäß 1 aus dem Flansch mit Zylinder (1), dem Deckel (2), der Lochplatte (3), der Membrane (4), dem Kolben (5), den Ventilen Saug (6) und Druck (7), dem Rückschlagventil (8) und dem Ölüberströmventil (9). Das mit Ölraum bezeichnete Volumen erstreckt sich zwischen dem Kolben (5) und der Membrane (4). Das mit Gasraum bezeichnete Volumen erstreckt sich von der Membrane (4) bis zum Deckel (2). Das Membranhubvolumen ist auf das Kolbenhubvolumen (Fläche × Hub) abgestimmt, so daß die Wirkungsweise der eines Kolbenkompressors entsteht. Die Membrane läuft volumensynchron mit dem Kolben, saugt das Gas über das Saugventil (6) an, verdichtet es und schiebt es durch das Druckventil (7) aus. Dabei wird das Membranhubvolumen stets etwas grösser gewählt, als das des Kolbenhubvolumens.
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Die Ölleckage am Kolben (5) muß durch eine äußere Pumpe wieder ausgeglichen werden. Hierzu wird eine durch einen Exzenter angetriebene kleine Kolbenpumpe verwendet, die mit jedem Hub eine kleine Ölmenge über das Rückschlagventil (8) in den Ölraum spritzt. Dadurch, daß der Exzenter direkt auf der Kurbelwelle sitzt, findet synchron mit jedem Hub des Hauptkolbens (5) eine genau dosierte Einspritzung der Kompensationspumpe statt. Da diese eingespritzte Ölmenge aus Gründen der Betriebssicherheit stets größer sein muß, als die Leckage am Kolben (5), ist noch ein Ölüberströmventil (9) erforderlich, welches die zuviel eingespritzte Ölmenge im vorderen Totpunkt von Kolben (5) und Membrane (4) abströmen lassen kann. Die Einstellung des Ölüberströmventiles legt den max. Öldruck fest und sollte beispielsweise 10% über den max. zu erwartenden Gasdruck liegen. Dabei ist die Einstellung des federbelasteten Ölüberströmventiles der einer Einstellung eines Sicherheitsventiles vergleichbar.
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Für die Kontrolle der so wichtigen Gasdruck-Öldruckrelation von hier beispielsweise 10% werden in 2 je ein elektronischer Druckaufnehmer auf der Ölseite (10) und auf der Gasdruckseite (11) des Membrankopfes angeordnet. Diese gehen mit ihren Signalen in die nachfolgende Auswertung (12), die vorzugsweise aus einer schnellen SPS-Einheit besteht. In der SPS werden über schnelle Scan-Verfahren die max. Werte der Signale festgestellt und diese mit der festgelegten Relation verglichen. Wird der vorgegeben Relations-Mindestwert unterschritten, werden ein Alarmsignal oder auch ein Signal zur Abschaltung des Kompressors ausgegeben. Bei diesem Verfahren wird die Korrekte Relation zwischen dem Gasdruck und der Öldruckspitze kontrolliert und ausgewertet. Hierzu dienen die Erklärungen mit Hilfe des Arbeitsdiagrammes der 3.
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In diesem ist der komplette Arbeitszyklus dargestellt. Im Verdichtungshub wird zunächst das eingeströmte Gas verdichtet (a). Mit dem Erreichen des äusseren Gasdruckes öffnet sich das Kompressor-Druckventil und das Gas wird unter dem Enddruck ausgeschoben (b). Mit der vollständigen Anlage der Membrane am Deckel (c) beginnt der zusätzliche Öldruckaufbau (d) mit Hilfe der zuviel eingespritzten Ölmenge und dem Einstelldruck des Ölüberströmventiles (e). Im Saughub findet zunächst die Rückexpansion des Gases aus den Toträumen und der Ölmenge des Kopfes statt (f) und geht danach mit Erreichen des Saugdruckes in die Ansaugphase (g) über.
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Das Verfahren der Kontrolle der Relation zwischen dem Gasenddruck (b) und dem max. Öldruck (e) registriert dabei die negativen Auswirkungen sowohl eines Absinkens des Öldruckes (e), als auch die einer Erhöhung des Gasdruckes (b). In beiden Fällen würde die vorgegebene Mindestrelation unterschritten und eine entsprechende Signalausgabe zum Alarm oder zu einer Abschaltung kommen, falls bei der Auswertung zwei Überwachungsgrenzwerte eingerichtet wurden.
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Bei Kompressoren, die mit einem stark variablen Enddruck betrieben werden, wie beispielsweise bei einem Füllvorgang von Gasflaschenbatterien treten ebenso stark schwankende Relationen von Gasdruck und Öldruck auf, wobei stets die vorgegebene Mindestrelation überwacht wird. Andererseits gibt es längere Perioden, in denen dem momentanen niedrigen Gasdruck ein stets auf den maximalen Gasdruck ausgerichteter Öldruck gegenübersteht. Auch diese Betriebsweise der sehr hohen aber sicheren Gasdruck-Öldruckrelation besitzt gewisse Nachteile, wenn auch nicht, wie beschrieben, so gravierend, wie die einer zu geringen Relation. Bei diesem Betriebszustand wird sich die hohe Druckdifferenz zwischen Gasdruck und Öldruck negativ auf die Membranstandzeit auswirken. Ferner geht die Ölkompressibilität des vorhandenen Ölvolumens negativ in die Förderleistung des Kompressors ein. Das bedeutet, wenn der Öldruck bei niedrigerem Gasdruck entsprechend abgesenkt werden kann, so lässt sich hierdurch der Förderstrom des Kompressors erhöhen. In diesem Falle würde eine konstante Gasdruck-Öldruckrelation bevorzugt, die über einen Regelkreis realisiert wird, in dem eine Entlastungsvorrichtung für das Ölüberströmventil als Stellglied arbeiten würde. Auch in dieser Regelkreisfunktion wird ebenso eine Mindestrelation überwacht und per Signalausgabe ausgewertet. Diese wird dann aktiviert, sobald die Stellgliedverstellung gleichzeitig an ihre Endposition gestossen ist.
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In 4 ist die Entlastungsvorrichtung (13) zusammen mit dem Ölüberströmventil dargestellt. Vorgeschaltet ist noch ein I/P-Wandler (14), der das analoge Strom-Stellwertsignal in ein entsprechendes Drucksignal umwandelt. Dieses wirkt von unten auf den Kolben oder die Membrane (15) der Entlastungsvorrichtung (13), so daß dadurch eine Zugkraft auf die Ventilspindel (16) ausgeübt wird, somit die vorgespannte Ventilfeder (17) entlastet und den Öldruck dadurch mehr oder weniger herabsetzt. Durch eine beispielsweise bevorzugte P/I-Regelcharakteristik erfolgt dann eine relativ schnelle Angleichung an die eingestellte Gasdruck-Öldruckrelation.
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Wird das Stellsignal mit einem Nullwert beaufschlagt, so wird über die in diesem Falle vollwirkende Federkraft der max. Öldruck eingestellt, der wiederum die Sollrelation zum max. vorgesehenen Gasdruck herstellt. Hieraus ist auch zu erkennen, dass bei einem Ausfall der Steuerluft für den I/P-Wandler (14) das Ölüberströmventil auf seinen max. Druck gesetzt wird und der Kompressor durch die Gewährleistung der Mindestrelation auch im Störungsfall stets im sicheren Betriebsbereich verbleibt.
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Die sichere Kontrolle der Gasdruck-Öldruckrelation machen den Membrankompressor zu einem Anlagenteil, der die Forderungen nach einem vollautomatischen Betrieb in jeder Beziehung erfüllt.
