DE10297064B4 - Mehrstufiger Verdichter zur Komprimierung von Gasen - Google Patents

Mehrstufiger Verdichter zur Komprimierung von Gasen Download PDF

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Abstract

Mehrstufiger Verdichter (1) zur Komprimierung von Gasen mit einem Niederdruckbereich (7) und einem Hochdruckbereich (4), wobei der Hochdruckbereich (4) zumindest einen über eine Kurbelwelle (5) angetriebenen Hubkolbenverdichter (3) aufweist, und der Niederdruckbereich (7) zumindest einen Niederdruckverdichter (6) mit einem rotierenden Verdränger (8) aufweist, der an die Kurbelwelle (5) des Hubkolbenverdichters (3) gekuppelt ist, wobei mindestens ein Schraubenverdichter (20) als Niederdruckverdichter (6) vorgesehen ist und in der Gasführung (10) zwischen dem Hubkolbenverdichter (3) und dem Schraubenverdichter (20) eine Kühlvorrichtung (14) und ein Kondensatabscheider (15) vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter zur Komprimierung von Gasen mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich, wobei der Hochdruckbereich zumindest einen über eine Kurbelwelle angetriebenen Hubkolbenverdichter aufweist, und der Niederdruckbereich zumindest einen Niederdruckverdichter mit einem rotierenden Verdränger aufweist, der an die Kurbelwelle des Hubkolbenverdichters gekuppelt ist. Zum Antrieb der Kurbelwelle kann beispielsweise ein Elektromotor, eine Verbrennungskraftmaschine, eine Dampfturbine oder dergl. vorgesehen sein.
  • Bei Hubkolbenverdichtern ist die Verdichtung aufgrund der Kompressibilität des zu verdichtenden Mediums im Niederdruckbereich, der mehrere Verdichtungsstufen umfassen kann, nachteilig, da speziell bei der Ansaugung im Bereich von atmosphärischem Druck sehr große Hubkolben bzw. Zylindervolumina erforderlich sind. Derartig große Zylinder sind einerseits wegen des ungünstigen Hub-/Bohrung-Verhältnisses technisch problematisch (da die Kolbenhübe aller Verdichtungsstufen üblicherweise gleich groß sind und der Zylinderdurchmesser in den verschiedenen Druckstufen variiert wird), und andererseits entstehen aufgrund der Größe der Ventile, der Kolbenringe usw. sehr hohe Kosten.
  • Es ist bereits bekannt, zur Verdichtung im Niederdruckbereich von einem nachfolgenden Hubkolbenverdichter unabhängig angetriebene Verdichter (z.B. Schraubenverdichter, Rotationsverdichter, usw.) einzusetzen, welche im Niederdruckbereich im Vergleich zu Hubkolbenverdichtern effizienter arbeiten. Das somit vorverdichtete Medium wird danach in eine erste Verdichtungsstufe in den nachgeschalteten Hubkolbenverdichter weitergeleitet, in dem es weiter verdichtet wird. Im Hinblick auf ein Vakuumpumpsystem ist eine solche Anordnung beispielsweise in dem US-Patent US 4,662,826 beschrieben. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass sich aufgrund der gesonderten Antriebseinheit für den Niederdruckverdichter relativ große, teure Mehrstufenverdichter ergeben.
  • Ein solcher Mehrstufenverdichter ist in der DE 199 32 433 A1 beschrieben. Dort wird frische Luft von einem Vorverdichter, vorzugsweise von einem Kreiselverdichter, durch einen Filter angesaugt. Die auf eine Druckhöhe von 1,5 : 1 bis 2 : 1 oder darüber vorverdichtete und somit erwärmte Luft kann über einen Zwischenkühler beispielsweise zu einem Hubkolbenkompressor geführt werden, mit dessen Hilfe die vorverdichtete Luft auf die geforderte Druckhöhe weiterverdichtet wird, wobei der Hubkolbenkompressor durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Mehrstufenverdichter gemäß der DE 199 32 433 A1 ermöglicht jedoch nur die Erzeugung relativ geringer Drücke, so daß durch Verwendung dortiger Vorrichtung die Erreichung eines hohen Druckniveaus nicht möglich ist.
  • Weiters ist ein Prototyp eines mehrstufigen Hubkolbenverdichters der Firma Bauer Kompressoren GmbH bekannt, der bei der Gastec-Messe 1995, in Wien, ausgestellt wurde. Bei diesem Mehrstufenverdichter ist ein gesonderter Hubkolbenverdichter direkt an die Kurbelwelle eines nachgeschalteten mehrstufigen Hubkolbenverdichters gekuppelt. Der direkt an die Kurbelwelle des nachgeschalteten mehrstufigen Hubkolbenverdichters gekuppelte Hubkolbenverdichter dient hierbei lediglich zum Leerschöpfen des Triebwerks des nachgeschalteten mehrstufigen Hubkolbenverdichters. Die vorstehend angeführten Nachteile des Hubkolbenverdichters im Niederdruckbereich werden hierdurch jedoch nicht beseitigt.
  • Zudem ist aus der GB 597 437 A ein Luftverdichter für Flugzeugmotoren bekannt, bei dem in einem Niederdruckbereich ein Rotationsverdichter vorgesehen ist, und die vom Rotationsverdichter vorkomprimierte Luft sodann einem mehrstufigen Hubkolbenverdichter zugeführt wird. Der Rotationsverdichter und die Hubkolbenverdichter werden beide über eine gemeinsame Kurbelwelle angetrieben. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass mit dem Rotationsverdichter mit Trocken-Lamellen jedoch lediglich eine Vorverdichtung von maximal 2,5 bar erreicht werden kann.
  • In der GB 540 580 A ist ebenfalls ein Luftverdichter gezeigt, bei dem ein Roots-Gebläse zum Vorverdichten von Luft vorgesehen ist, die danach in einen Hubkolbenverdichter zur weiteren Verdichtung geleitet wird. Bei diesem mehrstufigen Verdichter sind die Kurbelwellen der Hubkolbenverdichter nicht direkt mit der Antriebswelle des Roots-Gebläses gekoppelt, sondern über einen Riemen. Auch hierbei ist jedoch die Vorverdichtung durch das Roots-Gebläse (maximal 2 bar) sehr gering.
  • Ferner ist aus der DE 43 13 573 A1 ein Verfahren zur Verringerung der Kondensation von Wasserdampf und zum Austreiben von Wasserdampfkondensat aus dem Schmieröl bei der Erzeugung von hochkomprimierter Luft mit Hilfe von ölgeschmierten Schraubenkompressoren in Hochdruckverbundanlagen bekannt. Dort sind zwischen den Kompressorstufen und hinter der letzten Kompressorstufe jeweils ein Kühler und ein Abscheider für Kondensat angeordnet, wobei an jeden Abscheider eine Kondensatableitung angeschlossen ist, so daß die Hochdruckverbundanlage gemäß der DE 43 13 573 A1 eine äußerst aufwendige und insofern teure und volumenintensive Anlage zur Komprimierung von Luft darstellt.
    •
  • Ziel der Erfindung ist es nun einen mehrstufigen Verdichter, insbesondere einen stationären Verdichter, zu schaffen, der eine kompakte Bauweise aufweist und zugleich für eine verhältnismäßig hohe Verdichtung geeignet ist, wobei bereits in der Niederdruckverdichtung ein höheres Druckniveau als bisher bekannt erreicht werden soll. Zudem soll der mehrstufige Verdichter aufgrund seiner kompakten Bauweise relativ kostengünstig herzustellen sein.
  • Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen mehrstufigen Verdichter gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen mehrstufigen Verdichter der eingangs angeführten Art ist als Niederdruckverdichter zumindest ein Schraubenverdichter vorgesehen. Durch die Kupplung des Schraubenverdichters an die Kurbelwelle des nachgeschalteten Hubkolbenverdichters wird nun ein mehrstufiger Verdichter geschaffen, bei dem eine eigene Antriebseinheit für den Niederdruckverdichter entfallen kann, und gleichzeitig eine verhältnismäßig hohe Vorverdichtung im Niederdruckbereich bis ca. maximal 40 bar erreicht werden kann.
  • Da bei Schraubenverdichtern eine innere Verdichtung des angesaugten Gases erfolgt, wodurch Druck und Temperatur des Gases ansteigt, ist in der Gasführung zwischen dem Hubkolbenverdichter und dem Schraubenverdichter eine Kühlvorrichtung vorgesehen da somit der Temperaturanstieg begrenzt wird und die erforderliche Verdichtungsarbeit vermindert wird.
  • Bei der Verdichtung feuchter Gase, somit insbesondere bei der Verdichtung von Luft, kondensiert bei einer Zwischenkühlung eine bestimmte Menge des kondensierbaren Gasanteils. Demzufolge ist in der Gasführung zwischen dem Hubkolbenverdichter und dem Schraubenverdichter ein Kondensatabscheider vorgesehen.
  • Hinsichtlich einer besonders kompakten, konstruktiv einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters ist es günstig, wenn der Verdränger des Schraubenverdichters direkt an die Kurbelwelle des Hubkolbenverdichters gekuppelt ist. Durch die direkte Kupplung Schraubenverdichter/Hubkolbenverdichter kann nicht nur eine Besondere Antriebseinheit für den Schraubenverdichter entfallen, sondern der Schraubenverdichter kann – bei entsprechender Drehzahl der Kurbelwelle – ohne Zwischenschaltung eines Getriebes direkt von der Kurbelwelle des Hubkolbenverdichters angetrieben werden.
  • Bei besonderen Anwendungen des mehrstufigen Verdichters ist es hinsichtlich einer flexiblen Anordnung des Schraubenverdichters in Bezug auf die Kurbelwelle des Hubkolbenverdichters von Vorteil, wenn der Verdränger des Schraubenverdichters mittels einer das Drehmoment der Kurbelwelle übertragenden Kupplungsvorrichtung an die Kurbelwelle des Hubkolbenverdichters gekuppelt ist. Hierbei ist es meistens günstig, wenn einfacherweise eine die Drehzahl der Kurbelwelle 1:1 übertragende Kupplungsvorrichtung vorgesehen ist. Eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Kupplung zwischen Verdränger der Niederdruckstufe und Kurbelwelle der Hochdruckstufe ist gegeben, wenn als Kupplungsvorrichtung ein Kettentrieb oder Riementrieb vorgesehen ist.
  • Für eine Über- bzw. Untersetzung der Drehzahl der Kurbelwelle zur Drehzahl des Verdrängers des Schraubenverdichters ist es vorteilhaft, wenn als Kupplungsvorrichtung ein Zahnradgetriebe vorgesehen ist. Ebenso kann es hinsichtlich des modularen Einsatzes verschiedener vorgeschalteter Schraubenverdichter günstig sein, wenn eine trennbare Kupplungsvorrichtung vorgesehen ist.
  • Hinsichtlich einer besonders kompakten Ausgestaltung des mehrstufigen Verdichters, einer zuverlässigen Ansaugung bei Umgebungsdruck und insbesondere hinsichtlich günstiger Lagerungsverhältnisse der Antriebs- bzw. Kurbelwelle ist es vorteilhaft, wenn der Schraubenverdichter auf der von einer Antriebseinheit des mehrstufigen Verdichters abgewandten Seite des Hubkolbenverdichters angeordnet ist.
  • Um die Verdichtungsendtemperatur in einer Verdichterstufe auf einen zulässigen Wert zu begrenzen, ist es von Vorteil, wenn der Niederdruckverdichter mehrere Verdichterstufen aufweist, da somit eine Arbeitsersparnis im Vergleich zu einer einstufigen Verdichtung erlangt wird, der Liefergrad verbessert wird und Triebwerkkräfte reduziert werden. Wenn der Hubkolbenverdichter mehrere Verdichterstufen aufweist, ergeben sich ebenso die vorstehend genannten Vorteile.
  • Um eine effiziente Verdichtung von relativ großen Gasmengen zu bewirken, ist es günstig, wenn in einer Verdichterstufe des Niederdruckverdichters bzw. Hubkolbenverdichters mehrere Verdichterkammern parallel vorgesehen sind.
  • Für eine effiziente Regelung des gesamten mehrstufigen Ver dichters ist es günstig, wenn zwischen den einzelnen Verdichterstufen zumindest eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, wobei als Regeleinrichtung beispielsweise Abblaseventile, Bypassventile, verstellbare Schadräume, Drehzahlregler und andere beliebige Armaturen vorgesehen sein können. Insbesondere können zur Steuerung bzw. Regelung des mehrstufigen Verdichters verschiedene mechanische, pneumatische, hydraulische, elektrische oder elektronische Komponenten eingesetzt werden, wodurch sowohl eine Steuerung bzw. Regelung vor Ort als auch im Fernbetrieb ermöglicht wird.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines mehrstufigen Verdichters mit einem Hubkolbenverdichter im Hochdruckbereich und einem Schraubenverdichter;
  • 2 eine schematische Ansicht des mehrstufigen Verdichters gemäß 1, jedoch mit einer Kupplungsvorrichtung zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter;
  • 3 schematisch einen Querschnitt eines Schraubenverdichters;
  • 4 einen Schnitt gemäß der Linie VI-VI in 1.
  • In 1 ist eine schematische Ansicht eines mehrstufigen Verdichters 1 gezeigt, bei dem über einen Motor 2 der Hubkolbenverdichter 3 eines Hochdruckbereichs 4 angetrieben wird. An den Antrieb des Hubkolbenverdichters 3 ist als Niederdruckverdichter 6 ein Schraubenverdichter 20 (vgl. 3) im Niederdruckbereich 7 gekoppelt, wobei ein rotierender Verdränger 8 des Schraubenverdichters 20 direkt an die Kurbelwelle 5 des Hubkolbenverdichters 3 gekuppelt ist. Durch die direkte Kupplung der Kurbelwelle 5 des Hubkolbenverdichters 3 mit dem Verdränger 8 des Schraubenverdichters 20 ergibt sich eine äußerst kompakte Bauweise des mehrstufigen Verdichters 1, und es kann zudem eine gesonderte Antriebseinheit für die Vorverdichtung des in dem Hubkolbenverdichter 3 nachfolgend hoch verdichteten Gases auf einfache Weise mit Hilfe eines Schraubenverdichters 2O mit einem rotierenden Verdränger 8 erlangt werden. Schraubenverdichter weisen insbesondere bei der Ansaugung von Gas 9 bei niedrigem Druck eine im Vergleich zu Hubkolbenverdichtern kompakte kleine und somit kostengünstige Bauweise auf; und trotzdem kann mit dem Schraubenverdichter 20 eine Vorverdichtung von bis zu 40 bar erzielt werden.
  • Das im Schraubenverdichter 20 komprimierte Gas wird danach über eine Gasleitung 10 in eine erste Verdichterstufe 11 (vgl. 4) des Hubkolbenverdichters 3 geleitet, wobei zwischen der letzten Verdichterstufe im Niederdruckbereich und einer ersten Verdichterstufe im Hochdruckbereich des Hubkolbenverdichters sowie einzelnen Verdichterstufen, z.B. 11, 12, 13 (vgl. 4) beliebige Regeleinrichtungen vorgesehen sein können.
  • Insbesondere ist in 1 eine Kühlvorrichtung 14 zwischen dem als Schraubenverdichter 20 (s. 3) ausgebildeten Niederdruckverdichter 6 und dem Hubkolbenverdichter 3 gezeigt, wodurch ein bestimmter Gasanteil des im Niederdruckverdicliter 6 komprimierten Gases kondensiert, welcher mit Hilfe eines Abscheiders 15 vom Gas getrennt werden kann. Zusätzlich ist ein Ventil 16 ersichtlich, über welches Massenströme zwischen den einzelnen Verdichterstufen zu- bzw. abgeleitet werden können.
  • In 2 ist ein mehrstufiger Verdichter 1 ähnlich 1 gezeigt, jedoch ist zwischen der Kurbelwelle 5 des Hubkolbenverdichters 3 und einer Antriebswelle 5' des Verdrängers 8 (s.
  • 3) des Schraubenverdichters 20 ein Zahnradgetriebe 17 als Kupplungsvorrichtung 18 zwischen den beiden Wellen 5, 5' vorge sehen. Somit kann mit Hilfe des Getriebes 17 eine Über- bzw. Untersetzung der Drehzahl der Kurbelwelle 5 zur Drehzahl der den. Verdränger 8 des Schraubenverdichters 20 antreibenden Welle 5' erfolgen.
  • In 3 ist schematisch der Schraubenverdichter 20 im Detail gezeigt, mit dem eine Vorverdichtung mit Hilfe eines direkt an die Kurbelwelle 5 des Hubkolbenverdichters 3 gekoppelten Verdrängers 8 bis ca. 40 bar erfolgen kann.
  • In der Schnittdarstellung gemäß 4 ist ersichtlich, dass der Hubkolbenverdichter 3 mehrere Verdichterstufen 11, 12, 13 aufweist, wobei das Volumen des Zylinders der ersten Verdichterstufe 11, der mit dem vom als Niederdruckverdichter 6 vorgesehenen Schraubenverdichter 20 vorverdichteten Gas beschickt wird, am größten ist und sich das Volumen der nachfolgenden Zylinder der Verdichterstufen 12, 13 mit steigender Verdichtung verringert. Zwischen den einzelnen Verdichterstufen 11, 12, 13 können beliebige Armaturen (nicht gezeigt) zur Abblassteuerung und anderem sowie auch zur Drehzahlregelung vorgesehen sein. Wesentlich ist hierbei, dass die Kurbelwelle 5 des Hubkolbenverdichters 3 direkt bzw. über eine Kupplungsvorrichtung mit dem Rotor 8 eines Niederdruckverdichters 6 gekuppelt ist.

Claims (12)

  1. Mehrstufiger Verdichter (1) zur Komprimierung von Gasen mit einem Niederdruckbereich (7) und einem Hochdruckbereich (4), wobei der Hochdruckbereich (4) zumindest einen über eine Kurbelwelle (5) angetriebenen Hubkolbenverdichter (3) aufweist, und der Niederdruckbereich (7) zumindest einen Niederdruckverdichter (6) mit einem rotierenden Verdränger (8) aufweist, der an die Kurbelwelle (5) des Hubkolbenverdichters (3) gekuppelt ist, wobei mindestens ein Schraubenverdichter (20) als Niederdruckverdichter (6) vorgesehen ist und in der Gasführung (10) zwischen dem Hubkolbenverdichter (3) und dem Schraubenverdichter (20) eine Kühlvorrichtung (14) und ein Kondensatabscheider (15) vorgesehen sind.
  2. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (8) des Schraubenverdichters (20) direkt an die Kurbelwelle (5) des Hubkolbenverdichters (3) gekuppelt ist.
  3. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (8) des Schraubenverdichters (20) mittels einer das Drehmoment der Kurbelwelle (5) übertragenden Kupplungsvorrichtung (18) an die Kurbelwelle (5) des Hubkolbenverdichters (3) gekuppelt ist.
  4. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Drehzahl der Kurbelwelle (5) 1:1 übertragende Kupplungsvorrichtung (18) vorgesehen ist.
  5. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplungsvorrichtung (18) ein Kettentrieb oder Riementrieb vorgesehen ist.
  6. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplungsvorrichtung (18) ein Zahnradgetriebe (17) vorgesehen ist.
  7. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine trennbare Kupplungsvorrichtung (18) vorgesehen ist.
  8. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenverdichter (20) auf der von einer Antriebseinheit (2) des mehrstufigen Verdichters (1) abgewandten Seite des Hubkolbenverdichters (3) angeordnet ist.
  9. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckverdichter (6) mehrere Verdichterstufen aufweist.
  10. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubkolbenverdichter (3) mehrere Verdichterstufen (11, 12, 13) aufweist.
  11. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Verdichterstufe des Niederdruckverdichters (6) bzw. Hubkolbenverdichters (3) mehrere Verdichterkammern parallel vorgesehen sind.
  12. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Verdichterstufen zumindest eine Regeleinrichtung (16) vorgesehen ist.
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