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Dreistufiger Hoch-druckgaskompressor mit einer Kolbendichtung Die
Verfahren der chemischen Hochdrucksynthesen benötigen zur Erzeugung der hohen Drücke
mehrstufige Kompressoren. Es werden beispielsweise Sechsstufenverdichter mit nachgeschalteten
Zusatzverdichtern angewendet.
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Besonders schwierig ist bei diesen Hochdruckkompressoren die Abdichtung
der Kolben. Hierbei ist für die Standzeit der Abdichtung und für die Menge der verlorenen
Leckgase die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten einer Dichtung maßgebend.
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Das Verhältnis der Ausstoßdrücke zweier nebeneinanderliegender Stufen
ist bei Mehrstufenverdichtern mit Enddrücken zwischen 300 und 4000 atii über
alle Stufen etwa konstant. Es bewegt sich zwischen den Werten 2,0 und
3,2. Daher ergeben sich für die Endstufen hoheDifferenzdrücke, welche in
den Dichtungen aufgenommen werden müssen. Eine weitere Erschwerung der Abdichtung
bzw. Erhöhung der Druckdifferenz zu beiden Seiten einer Dichtung wird durch die
Anordnung der Stufen verursacht.
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Zum Ausgleich der Stangenkräfte bzw. der Arbeitsleistung beim Hin-
und Hergang der Stufenkolben werden die Stufen in einer Reihenfolge angeordnet,
die keineswegs der direkten Folge mit wachsenden Drücken entspricht. Daraus folgt,
daß der Kolben der Endstufe nicht gegen die vorhergehende, sondern gegen eine Stufe
vor dieser oder gegen eine noch tiefer liegende Stufe abgedichtet werden muß. Daher
kann das Verhältnis der Drücke zu beiden Seiten der Dichtung Werte zwischen 4 und
5 annehmen, wodurch sich hohe Unterschiede der abzudichtenden Drücke ergeben.
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Man hat bisher in Kompressoren die Kolben mit Kolbenringpackungen
abgedichtet. Diese bestehen aus mehreren hintereinander angeordneten, federnden
Kolbenringen. Die Kolbenringe werden durch Distanz- und Tragringe umschlossen -und
dichten die Zylinderbüchse an der Lauffläche ab. Die Zahl der Kolbenringe und damit
die Länge der Kolbenringpackung wird nach der Höhe des abzudichtenden Druckgefälles
und den als tragbar zugelassenen Leckgasverlusten entsprechend den Betriebserfahrungen
gewählt.
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Kolbenringpackungen haben bei metallischen Ringen eine höhere Verschleißfestigkeit;
sie können mit einem Differenzdruck von über 1000 atü belastet werden und
sind einfach in der Konstruktion und leicht austauschbar. Bei hohen Drücken besitzen
sie aber schwerwiegende Nachteile.
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Ein Nachteil ist die durch das hohe Druckgefälle erzwungene große
Anzahl der Kolbenringe. Die Zahl der Kolbenringe bestimmt die Länge der Pakkung
und damit die Länge des Austragsweges der durch den Verschleiß abgetragenen Stoffmenge.
Die Verschleißstoffmenge wird in Richtung des Druckgefälles bzw. des Leckgasstromes
ausgetragen, und zwar entlang der Lauffläche der Zylinderbüchse. Zum Teil wird diese
Stoffmenge aber auch durch die seitlichen Laufspiele der Kolbenringe transportiert
und teilweise in dem Raum für den Federweg der Ringe unter den Kolbenringen festgehalten.
Wie die Beobachtung zeigt, gehen die Kolbenringe in den meisten Fällen dadurch zu
Brach, daß die.für die Federung notwendigen Räume sich mit dem Verschleißstoff füllen,
wodurch die Kolbenringe ihre Beweglichkeit verlieren und starke Verklemmungen und
zusätzlichen Abrieb erleiden.
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Ein weiterer Nachteil der bisherigen Kolbenringpackungen sind die
hohen Differenzdrücke, durch welche die Kolbenringe beim Saug- und Druckhub abwechselnd
beansprucht -werden. Der Differehzdruck bestimmt die Höhe äes Anpreßdruckes der
Kolbenringe an die Zylinderlaufbüchse und die Tragringe. Aus diesen Kräften und
aus der Reibungskraft an der ZylinderlaÜfbüchse und an der Stützfläche der Tragringe
in Abhängigkeit von den Schmierstoffgleitbedingungen. Der Hub des Kolbens und der
Federweg ergeben schließlich als Produkt mit der Reibungskraft die Reibungsarbeit
des einzelnen Kolbenringes, welche dessen Verschleiß bestimmt.
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Ein weiterer Nachteil der Kolbenringpackungen sind die Verluste, die
bei der Entspannung und Ab-
führung der Leckgase auf den Gasometerdruck vor
der Maschine entstehen. Hierbei geht der ganze
Wert der bei der
Kompression der Leckg4se aufgewendeten Arbeit durch Entspannung verlor6h.' Bekannt
sind Nutringpackungen, welche aus mehreren hintereinander angeordneten Nutringen
gebildet werden, die mit Dichtlippen ver,s#ßhen"sind. Die Nutringe b,#sehen,gus.Kunststoff
oder Kunststoffmischungen auf der Basis von Polyamiden oder synthetischem Gummi,
-wobei die Verbesserung der Gleiteigenschaften duzch- Zusätze bekannter Art erreicht
werden kanri# Nutringdichtungen der genannten Form sind bisher bei Kompressoren
nur in Sonderfällen angewendet worden. In der Regel werden sie jedoch bei Kolhdüüüiü-p#ii
ffiit7-Flü§sigkeitsförderuiig ' angewendet.
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Diese-- - Dichtungen . dichten, bei - gu#s##ichender
Schmierung gut ab, so däß'die Leckgasmenge auch über lange Standzeiten uhbeachtlich
klein bleibt. Außerdem sind die Reibungsbeiwerte von Nutringen aus Poly-amiden-
geHfflr, vGri Nutringen aus anderen Werkstoffen meist nicht sehr unterschiedlich,
von den Werten, die ' für gute Metalldichtunäen gelten. Aus diesem
* i5raiide* erfordern #'Nutringpaäkuiigen eine geringere R:eibüngsärbbi#
und ergeben kleiPere Verschleißmenp,en.- Packunp-en dieser Art haben bei 'kon s-ta-n-
t- Drücken,# welche" Über 500 at liegen können, lange Standzeiten.
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Infolge des Auffangehs'der Leckgase bei einem höheren Druck als er
bei Kolbenringpackuhgen möglich ist, wird'-dez,Ciesamtverlust an Kompres-,sionsenergie
verkleinert. Ein weiterer Vorteil dieser Packungen ist die leichte Austauschbarkeit
und die Uhempfindlichkeit' -g'e'-g-e-nüber kleinen Änderungen des Stangen- oder
Plungerqerschnitts. Sie sind unempfindlich gegen geringe Verschmutzung und benötigen
nur geringe .«Kosten für Herstellung und Einbau. Nutringpackungen benötigen keine
Einlaufzeiten.
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Der größte Nachteil von Nutringpackungen besteht aber darin,' daß
sie nur niedrige Temperaturen vertragen. Bei Nutringen aus Polyamiden sind Betriebstemperaturen
von höchstens 160 bis 120' C
anwendbar. Ferner körmen alle Dichtdrücke
nur in einer Richtung aufgenommen werden. Pulsierende Drücke können nur mit geringer
Amplitude aufgenommen werden, wei 1 sie am Werkstoff Deformationsarbeit bzw.
zusätzliche Erwärmung verur-. sachen. Schließlich ist der Belastungsbereich von
Nutringpackungen enger begrenzt, weil die Festigkeit der Kunststoffe, aus denen
Nutringe im Spritzguß hergestellt werden, nur etwa ein Fünftel bis ein Zehntel der
Festigkeit vergleichbarer Metalle beträgt Um die auf die einzelnen Packungsringe
wirkenden Drücke zu vermindern, ist vorgeschlagen worden, die Räume zwischen
den Ringen mit dem Innern des Zylinders durch Rohrleitungen mit unterschiedlichem
Widerstand zu verbinden. Hierdurch sollte die gewünschte Druckabstutung in den Räumen
zwischen den einzelnen Ringen erzielt werden. Dies ist aber nur dann möglich, wenn
die Ringe Gas durchlassen, was vermieden werden soll. Bleiben die Ringe dicht, so
baut sich in kurzer Zeit der volle Innendruck auch in den Räumen zwischen den Ringen
auf, und die. Anordnung wird daher wirkungslos.
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Als Verbesserung dieses Vorschlages ist eine Einrichtung bekanntgeworden,
bei der die nach außen führenden Leitungen mit Ventil versehen und einzeln abschließbar
sind., Die. Leitungen führen zu einem Raum niedrigeren Druckes, z. B. zu der Ansaugleitung.
- Nachteilig bei- dieser Einrichtung ist, daß,die Ventile dauernd unter Beobachtung
der den jeweiligen Druck anzeigenden Manometef geöffnet oder geschlossen werden
sollen, so daß ein sicheres und* vot allem selbständiges Arbeiten nicht gewährleistet
-ist. # Die Erfindung bezieht sich auf einen dreistufigen Hochdruckgaskompressor
mit einem Gehäuse, in dem die Zylinder der zweiten und dritten Stufe auf
je einer Seite des Zylinders der doppeltwirkenden ersten Stufe angeordnet
sind, einem Stufenkolben, Kolbenringpackungen im Kolben, einer Nutringpackung, Saug-
und Druckstutzen im Gehäuse und zwischen den Nutringen'der Nutring#acküng angeordneten
und zu den unter niedrigerem Druck stehenden Innenräumen der Zylinder führenden
Leckgasstutzen bzw. Leitungen.
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- Der erfindungsgemäße Hochdruckgaskompre5sor ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenringpackung und die aus- zwei Nutringen bestehende Nutringpackung
in der dritten Stufe angeordnet Sind und daß der Raum zwischen der Kolbenringpackung
-und dem ersten Nutring mit dem Druckstutzen der zweiten Stufe und der Raum zwischen
dem ersten und zweiten Nutring mit dem Saugstutzen der zweiten Stufe über
je eine Leitung verbunden sind, in die jeweils ein die Strömung zu dem betreffenden
Raum- verhinderndes Rückschlagventil angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Packung verbindet infolge ihrer Ausführungsform
und ihrer Anordnung die Vorteile der metallischen Kolbenringpackung mit denen der
Nutringpackung bezüglich Belastungsart und Höhe, Verschleiß, Leckgasführung und
Art der Werkstoffe, während die Nachteile dieser Packungsarten bezüglich der Höhe
der abzudichtenden Druckdifferenz, der Belastungsrichtung, des Verschleißes und
der Leckgasmenge verringert werden.
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In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen undAnordnungdes
erfindungsgemäßen Kompressors mit der Packung dargestellt, und zwar zeigt F i
g. 1 die Anordnung bei einem Stufenverdichter und F i g. 2 eine Nutringpackung
im Ausschnitt.
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In F i g. 1 ist die Anwendung der Erfindung in der Endstufe
eines Sechsstufenverdichters dargestellt, wie er bei der Kompression von Synthesegasen
verwendet wird.
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Der Kompressor besteht in seinem zweiten Teil aus einem Niederdruckzylinder
1, einem Mitteldruckzylinder 2 und einem Hochdruckzylinder 3.
Die Zylinder
besitzen Saug- und Druckventile, und zwar der Niederdruckzylinder zwei Saugventile
4 und 5 und zwei Druckventile 6 und 7, der Mitteldruckzylinder
ein Saugventil 8 und ein Druckventil 9
und der Hochdruckzylinder ein
Saugventil 10 und ein Druckventil 11.
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In dem Kompressor bewegt sich ein Mehrstufenkolben für die Kompression
in der ersten (Niederdruck, Zylinder 1), zweiten (Mitteldruck, Zylinder 2)
und dritten (Hochdruck, Zylinder 3) Stufe. Der Mehrstufenkolben besteht aus
vier Teilen: einer Kolbenstange 13, einem Niederdruckkolben 14, einem Mitteldruckkolben
15 und einem Hochdruckkolben
16. Die drei Kolben
14 -bis 16 sind mit Kolbenringpackungen 17 bis 19 versehen.
Zum Ausgleich der Stangenkräfte ist der Zylinder3 der sechsten Stufe direkt neben
dem Zylinderl der vierten Stufe angeordnet. In dem Hochdruckzylinder3 ist eine Nutringpackung20
angebracht. Diese besteht (F i g. 2-) aus den beiden -Nutringen 21 und 22.
Die Packungsräume auf der Lippenseite der Nutringe sind im Sinne des Druckgefälles
mittels Leitungen mit ölabscheidern verbunden, und zwar der Raum 23 über
eine Leitung 25 mit einem Ölabscheider 27 der zweiten Stufe, und der
Raum 24 über eine Leitung 26 mit einem Ölabscheider 28 der ersten Stufe.
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Zur Verhinderung einer Strömung von den ölabscheidem 27 bzw.
- 28 in die Räume 23- bzw. 24 sind in den Leitungen 25 bzw.
26 Rückschlagventile 29 bzw. 30 eingeschaltet. Manometer
31 und 32 in den Leitungen dienen zum Anzeigen des-wir-m kenden Druckes.
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Die Leitungen 25 und 26 haben die Aufgabe, die Leckgase
der Kolbenringpackung 19 abzuleiten und das Druckgefälle für die beiden Nutringe
21 und 22 zu begrenzen. Je nach dem thermodynamischen Verhalten der Leckgase werden
Kühleinrichtungen 33 und 34 in den Leitungen 25 und 26 angeordnet.
Außerdem befinden sich auch Kühleinrichtungen 35 und 36 in den Leitungen
zwischen den Ölabscheidern 27 und 28 und den Druckventilen
6 und 9.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Packung zeigt ein Vergleich
der Differenzdrücke ohne bzw. mit eingebauter Nutringpackung 20.
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Die Druckerhöhung der drei Stufen 1 bis 3 ist die folgende:
In der ersten Stufe (Niederdruckzylinder) wird von 26 auf 75 at, in
der zweiten Stufe (Mitteldruckzylinder) von 75 auf 170 at und in der
dritten Stufe (Hochdruckzylinder) von 170 auf 325 at komprimiert.
Ohne Nutringpackung 20 würde demnach die in der Kolbenringpackung abzudichtende
Druckdifferenz beim Ansaugen 170 - 26 = 144 at, beim Ausstoßen
325 - 75 = 250 at betragen. Dadurch, daß in der Leitung 25 immer der
Druck des Mitteldruckzylinders und in der Leitung 26 der Druck des Niederdruckzylinders
herrscht, verringert sich die Differenz der Drücke vor und hinter der Kolbenringpackung
von 144 bzw. 250 at auf 0 bzw. 155 at.
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Die Kolbenringpackung 19 wird während des Saughubes demnach
vollständig entlastet, und zwar bis auf den Ausflußwiderstand der Leck- und Verdrängergase.
Diese gleichen sich über die Leitung 25 aus. Die Entlastung der Kolbenringpackung
19
bringt den Vorteil mit sich, daß Schmiermittel unter die dauernd und gleichsinnig
belasteten seitlichen Oberflächen der Kolbenringe eindringen kann. Außerdem ermöglicht
der seiner Höhe nach geringere Differenzdruck eine Verringerung der Anzahl der Kolbenringe
bzw. eine Verkürzung der Kolbenringpackung 19. Hierdurch wird Raum für die
Anordnung der Nutringpackung frei.
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Bei der besprochenen Ausführung wird der Nutring 21 mit einer konstanten
Druckdifferenz von 170 - 75 = 95 at belastet, der Nutring 22 mit einer kleineren
Druckdifferenz zwischen 0 und 49 at.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Schaltung der Packungen mittels
der vorgesehenen Leitungen wird erreicht, daß die wechselnden Drücke, die entsprechend
dem Druck im Zylinder zwischen Saugdruck und Ausstoßdruck pulsieren#-von den Kolbenringpackungen
übernommen werden. Dagegen wird die Abdichtung nach der vorliegenden Stufe hin durch
die Nutringpackung übernommen. Hierbei werden aber die Nutringe nur durch das kleinere
Druckgefälle, das durch den Saugdruck in der Stufe und den Saugdruck vor dieser-
Stufe bestimmt ist, belastet.
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Die erfindungsg'ernäße Anordnung der Nutring-Kolbenring-Packung bringt
gegenüber den bisherigen Ausführungen für- die- Kolbenringpackung. folgende Vorteile:
Die -Differenz der Dichtungsdrücke wird während des Druckhubes auf etwa die
Hälfte,. während des Saughubes auf- 0 at vermindert. Die Anzahl der Kolbenringe
-wird # auf etwa die Hälfte vermindert. Die Einbaulänge, für die Kolbenringpackung
wird auf etwa die Hälfte verkürzt; außer metallischen Werkstoffen;- wie Bronze,
können Polyamide mit geringei-Festigkeit, aber guten Gleiteigenschaften als-Gleiteinlage
in den federnden Kolbenringen aus Gußeisen verwendet werden. die niedrigen Reibungszahlen
der Polyamide oder anderer Kunststoffe können ausgenutzt werden. Standzeit und Lebensdauer
der Kolbenringpackung werden wesentlich erhöht. Der Austragweg der durch Verschleiß
von der Zylinderwand und den Kolbenringen abgetragenen Stoffmengen wird verkürzt.
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Die Reibungskräfte, die auf die Kolbenringe Wirken, werden vermindert,
und zwar der Größe nach auf etwa die Hälfte und bezüglich ihrer zeitlichen Wirkung
auf die Dauer des Druckhubes. Dadurch werden die als Verlust einzusetzende Reibungsarbeit
und die durch den Verschleiß abgetragene Stoffmenge verringert. Die Entlastung der
Kolbenringe hat den Vorteil, daß Schmierstoffe die Kolbenringe allseitig erreichen
können.
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Schließlich wird die Leckgasmenge der Kolbenringpackung vermindert,
und zwar bezüglich der Menge auf etwa die Hälfte, weil das Laval-Druckverhältnis
nur während eines Teiles des Druckhubes voll erreicht wird, und bezüglich der Zeitdauer
auf den Druckhub, weil sich während des Saughubes kein Druckgefälle aufbauen kann.
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Für die Nutringpackung ergeben sich durch den Einbau der vorgeschalteten
Kolbenringpackung und durch den Anschluß an die Druckabscheider gleichfalls Vorteile.
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Die Belastung erfolgt durch ein der Höhe nach begrenztes und konstant
bleibendes Druckgefälle, welches durch die Kompressionsstufen vorgegeben ist. Es
gibt weder hohe noch wechselnde Dichtdruckdifferenzen. Hohe Temperaturen, die dem
Kompressionsvorgang entsprechen, werden durch die vorgeschaltete Kolbenringpackung
von den Nut, ringen abgehalten.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Nutring-Kolbenring-Packung ergibt
außerdem kleinere Verluste an Kompressionsarbeit der unter Druck gesetzten Gase
und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Alle diese Vorteile zusammen ergeben beim Komprimieren von Gasen auf
hohe Drücke, eine Verminderung der Belastung und damit eine Verbesserung der Laufbedingungen
der beiden Packungen. Dies wird durch die neue Anordnung der beiden nebeneinanderliegenden
Packungen und durch eine zweckmäßige Schaltung und Verbindung der Innenräume der
Packungen mit den Druckabscheidegefäßen
erreicht; dadurch wird
die Standzeit der gesamten Packung erheblich erhöht.