DE2715610A1

DE2715610A1 - Druckluft-kompressoranlage mit fluessigkeitseinspritzung

Info

Publication number: DE2715610A1
Application number: DE19772715610
Authority: DE
Inventors: Robert A Brink; Michael Gene Herschler; Roger L Post
Original assignee: Gardner Denver Inc
Current assignee: Gardner Denver Inc
Priority date: 1976-04-26
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1977-10-27
Also published as: MX4165E; SE7614142L; ZA766856B; JPS52131205A; GB1557296A; CA1034932A; AU1973676A; AU504600B2

Description

Dip! -l„₉. W. D₀MU ^r 271561Q

t 6.

5060 Bensberg-Refrath

Gardner-Denver Company Dallas, Texas / USA

Druckluft-Kompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung

Die Frfindung betrifft eine Druckluft-Kompreseoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung, bestehend aus einem Schraub-Druckluftkompressor mit einem Gehäuse, einer Ansaugöffnung und einer Drucköffnung, zwei ineinandergreifenden schraubverzahnten Rotoren, die im Gehäuse sitzen und zum Verdichten durch die Ansaugöffnung in das Gehäuse gelangender atmosphärischer Luft drehbar gelagert sind, und einem Kanal zum Zuleiten von Flüssigkeit in das Gehäuse zum Kühlen der zu verdichtenden Luft, einem Gas-Flüssigkeits-Kessel, der zur Aufnahme eines Druckluft-Flüssigkeitsgemisches angeordnet ist, das vom Kompressor kommt, und einer Leitung zum Leiten von Flüssigkeit aus dem Kessel zum Kanal.

Gaskompressoren mit Flüssigkeitseinspritzung sind bekannt und werden

7098M3/0786 -2-

im großen Umfange zur Verdichtung von Luft für industrielle Anwendungsfälle, für Dampfverdichtungs-Kühlsysteme und verschiedene andere Gasverdichtungsverfahren eingesetzt. Verdrängungs-Schraubverdichter sind bekannt, die so eingerichtet sind, daß Flüssigkeit direkt in das Gehäuse eingespritzt wird, das die ineinandergreifenden Schraubrotoren enthält, um mit dem Gas vermischt zu werden, das verdichtet wird. Flüssigkeiten wie bestimmte der herkömmlichen Schmiermittel für Kraftfahrzeugmotoren oder automatische Getriebe werden gewöhnlich verwendet. Die Flüssigkeit wirkt als Schmiermittel und Abdichtungemittel sowie als Medium zum Absorbieren der Wärme des Verdichtungsvorgangs. Die Flüssigkeit wird vom Druckgas hinter dem Verdichter getrennt, gekühlt und im wesentlichen kontinuierlich während des Laufs des Kompressors umgewälzt.

Aus der US-PS 3 073 514 ist bekannt, daß das Einspritzen von Flüssigkeit in Schraubverdichter entsprechend dem Massendurchfluß des Gases, das verdichtet wird, variiert werden kann, um einen guten Kompressorlauf zu erreichen. Aue dieser Druckschrift ist außerdem bekannt, daß die Menge der Flüssigkeitseinspritzung als Prozentsatz des Massendurchflueses von Gas, das verdichtet wird, in einem Verhältnis zur höher werdenden Rotordrehzahl des Kompressors verringert werden kann, um den Wirkungsgrad des Kompressors auf ein Optimum zu bringen.

Während die Menge an eingespritzter Flüssigkeit in bezug auf den Gasmassendurchfluß des Kompressors und der Drehzahl der Kompressorrotoren berücksichtigt werden muß, ist es außerdem wichtig, die Temperatur

709843/0786 " ³ "

der Flüssigkeit zu regeln, die in den Kompressor eingespritzt wird, um den Druckgasdurchsatz und den Wirkungsgrad des Kompressors zu verbessern. Ferner kann auch die Menge an Flüssigkeit, die direkt in den Kompressor eingespritzt wird, primär so geregelt werden, daß die Temperatur des Gas-Flüssigkeitsgemisches begrenzt wird, das den Kompressor verläßt. Entsprechend kann die Kompressor-Einspritzflüssigkeit so geregelt werden, daß der Durchfluß nur gerade ausreicht, um die Kompressortemperatur an der Druckseite daran zu hindern, einen bestimmten Maximalwert zu überschreiten, der eine chemische Zersetzung oder eine verringerte Schmiereigenschaft und Abdichtbarkeit der Einspritzflüesigkeit bewirkt. Bei Kompressoren, die atmosphärische Luft unter Umgebungebedingungen ansaugen, kann der Kompressorwirkungsgrad bzw. der spezifische Leistungsverbrauch für einen großen Bereich an Umgebungsluft-Ansaugtempera türen sowie für einen Lauf des Kompressors mit relativ hohen Rotordrehzahlen verbessert werden.

Sie Erfindung besteht in einerGaskftmpressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung, bei der die Temperatur der Flüssigkeit, die in den Kompressor zum Vermischen mit dem zu verdichtenden Gas eingespritzt wird, so geregelt wird, daß sie proportional zur An saug temperatur des Gases ist, derart, daß ein exzessives Vorwärmen des Ansauggases vermieden wird und daß der Druckgasdurchsatz und der Kompressorwirkungsgrad bzw. der spezifische Leistungsverbrauch für einen großen Bereich an Gas-Ansaugtemperaturen verbessert werden.

Die Erfindung findet besondere Anwendung bei einem Luft-Kompressorsy-

709843/0786

system mit Flüssigkeitseinspritzung, bei dem die Temperatur und der Durchfluß von Einspritzflüssigkeit zum Kompressor in bezug auf die Umgebungslufttemperatur geregelt werden, bei der es sich im wesentlichen auch um die Luft-Ansaugtemperatur des Kompressors handelt, und zwar für einen großen Bereich dieser Temperaturen. Indem die Flüssigkeitstemperatur und der Durchfluß entsprechend der Luft-Ansaugtemperatur geregelt werden, kann der spezifische Leiβtungsverbrauch des Kompressoraggregats unter den eines herkömmlichen Kompressoraggregats mit Flüssigkeitseinspritzung gesenkt werden, bei dem die Flüssigkeitseinspritztemperatur und der Durchfluß für den Bereich an Luft-Ansaugtemperaturen konstant oder im wesentlichen konstant sind, die normalerweise bei industriellen Luftkompressoraggregaten auftreten.

Die Erfindung besteht ferner in einer Kompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung mit einem Wärmeaustauscher von Flüssigkeit auf Luft oder mit einem Flüssigkeitekühler, der in das Flüssigkeitsumwälzsystem eingebaut ist, wobei mindestens ein Teil der umgewälzten Flüssigkeit immer durch den Wärmeaustauscher umgewälzt wird. Auf diese Weise werden plötzliche Unterbrechungen im Flüssigkeitszufluß zum Verdichter vermieden, die bei herkömmlichen Flüssigkeitsumwälzsystemen für Kompressoren durch Überkühlung und die damit einhergehende Erhöhung der Flüssigkeitsviskosität der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher verursacht werden können.

Die Erfindung besteht schließlich in einem Gaskompressorsystem Mit Flüssigkeitseinspritzung, bei dem der Zufluß von Einspritzflüssigkeit in den Kompressor ständig entsprechend der Temperatur des Gas-Flüssig-

709843/0786 _₅_

keitsgeaisches geregelt wird, das aus dem Kompressor kommt, so daß nur die Menge an Flüssigkeit in die Kompressorkammer eingespritzt wird, die erforderlich ist, um ein exzessives Erwärmen und eine Zersetzung der Flüssigkeit zu verhindern und einen Lauf des Kompressors mit dem (größten Wirkungsgrad zu erreichen.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Gaskompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schnitt durch das Flüssigkeitetemperaturregelventil, das in der Kompressoranlage nach Fig. 1 benutzt wird,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Flüssigkeitstemperatur- und

FlieBcharakterietiken einer Luftkompressoranlage nach der Erfindung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Gaskompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Gaskompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung in schematischer Form gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Kompressoranlage 10 ist durch einen Verdrängunga-Drehechraubverdichter 12 in einer Bauart bestimmt, die bekannt ist. Eine Beschreibung der Einzelheiten des Kompressors 12 entfällt deshalb. Der Kompressor 12 enthält die Grundelemente, die der in der US-PS 3 073 314 beschrie-

709843/0788 "⁶ "

bene Kompressor hat, nämlich ein Gehäuse I4 mit einer Kammer 16, die aus zwei parallelen, sich schneidenden Bohrungen gebildet ist, eine Gasansaugöffnung 18 und eine Drucköffnung 20. Der Kompressor weist ferner zwei ineinandergreifende bzw. kämmende schraubverzahnte Rotoren 22 und 24 auf, die in der von den genannten Bohrungen gebildeten Kammer sitzen. Der Kompressor 12 weist ferner Kanäle 26 im Gehäuse I4 auf, die in die Kammer 16 öffnen, um Flüssigkeit direkt in die Verdichtungsräume einzuspritzen, die in bekannter Weise durch die miteinander kämmenden Botoren gebildet sind. Die Flüssigkeit wird gründlich mit dem Gas vermischt, das von den miteinander kämmenden Rotoren verdichtet wird, und sie wird durch die Drucköffnung 20 mit dem Druckgas aus dem Kompressor herausgepumpt. Die Flüssigkeit wird den Kanälen 26 durch eine Sammelleitung 28 im Gehäuse I4 zugeleitet. Geeignete Leitungen im Kompressor 12, die nicht gezeigt sind, können zum Leiten von Flüssigkeit zum Schmieren der Kompressorlager vorgesehen sein. Der Kompressor 12 wird von einem geeigneten Motor 29 angetrieben, der treibend mit einem der Rotoren 22 oder 24 verbunden ist.

Die Kompressoranlage 10 weist ferner einen Druckgaskessel und Flüssigkeitsvorratstank 50 auf. Der Kessel 30 ist mit dem Kompressor 12 mittels einer Leitung 51 verbunden, die mit der Drucköffnung 20 in Verbindung steht. Der Kessel 30 weist ein Separatorelement 32 auf, das sich in diesem befindet und das für eine abschließende Trennung der Flüssigkeit sorgt, die im Gasstrom mitgeführt wird. Flüsaigkeitsfreies Gas wird durch eine Sammelleitung 34 und eine Leitung 36 zum Prozeßgeschehen oder im Falle eines Betriebsluftkompressors zum Betriebsrohrnetz geleitet. Ein Großteil der Flüssigkeit, die in den Kessel 30

709843/0786 -7-

gelangt, wird durch Trägheit und Schwerkraft bei Eintritt in den Kessel abgeschieden und zum Kompressor zurückgeleitet. Eine Leitung 38, die nit dem Kessel 30 verbunden ist, leitet Flüssigkeit zu einem auf Temperatur ansprechenden Regelventil 40. Das Ventil 40 ist mit einer Leitung 42 verbunden, die zu einem Wärmeaustauscher von Flüssigkeit auf Luft oder zu einem Flüssigkeitskühler 44 führt. Der Wärmeaustauscher 44 kann in bekannter Rippen- und Röhrenbauart ausgeführt sein* bei dem Umgebungsluft über Wärmeaustauschflächen am Wärmeaustauscher durch ein motorbetriebenes Gebläse 46 geblasen wird. Flüssigkeit, die durch Umwälzen durch den Wärmeaustauscher gekühlt worden ist, wird dann durch eine Leitung 48 zurück zur Sammelleitung 28 gefördert, um erneut in den Kompressor 12 eingespritzt zu werden. Das Regelventil ist auch ait der Leitung 48 über eine Leitung 30 verbunden, so daß unter bestimmten Betriebsbedingungen ein Teil der Flüssigkeit, die von Kessel 30 zum Kompressor 12 umwälzt, den Wärmeaustauscher 44 im Nebenstrom passiert und sich mit der Flüssigkeit vermischt, die vom Wärmeaustauscher zum Kompressor fließt. Eine den Druchfluß drosselnde Blende 52 sitzt in der Leitung 30.

Die Flüssigkeit wird ständig durch die in Fig. 1 gezeigte Anlage durch den Mediumdruck im Kessel 30 umgewälzt, der höher als der Druck in der Kompreesorkammer 16 an der Stelle ist, an der sich die Kanäle 26 in die Kammer öffnen. Ein Mindestdruckventil 54 ist in die Leitung 36 hinter dem Kessel 30 eingebaut, um für einen ausreichenden Druck im Kessel zu sorgen, damit ein ständiges Umwälzen von Flüssigkeit sichergestellt wird. Das Ventil 54 kann in einer Ausführung vorgesehen

709843/0786

eein, wie sie aus der US-PS 3 763 882 bekannt ist. Der Kompressor 12 ist so eingerichtet, daß er für eine Verdichtung von Luft bei atmosphärischem Druck oder Umgebungsdruck und bei entsprechenden Temperaturverhältnissen sorgt. Der Kompressor 12 weist ein Ansaugluft-Drosselventil 56 auf, um den Gasdurchsatz des Kompressors entsprechend dem Druck im Kessel 30 zu regeln. Ansaugluft gelangt in das Innere des Ventils 56 durch einen geeigneten Filterdämpfer 57· Eine Leitung 58 verbindet die Sammelleitung 34 mit dem Ansaugluft-Drosselventil 56, das ein auf Druck ansprechendes Stellglied in bekannter Ausführung enthalten kann. Ein auf Druck ansprechendes Ventil 60 ist in die Leitung 58 eingebaut, um Druckmittel zum Schließen des Drosselventils 56 bei einem Solldruck zu leiten, der in der Sammelleitung gemessen wird.

Eine Leitung 61 ist mit dem Kessel 30 verbunden und öffnet in die Kammer 16, um kleine Mengen an Flüssigkeit vom Separatorelement 32 zum Kompressor 12 zurückzuleiten. Die Menge an Flüssigkeit, die durch die Leitung 61 fließt, ist in bezug auf den Durchfluß durch die Leitung 48 unerheblich.

Gemäß Fig. 2 ist das Temperaturregelventil 40 durch ein Gehäuse 62 bestimmt, das eine Einlaßkammer 64 hat, welche mit der Leitung 38 in Verbindung steht. Die Kammer 64 ist durch eine Innenwand 66 im Gehäuse 62 begrenzt, die auch zum Teil eine Kammer 68 bildet. Eine zweite Innenwandpartie 70 bildet zum Teil die Kammer 68 und eine Kammer 72. Die Kammern 68 und 72 stehen jeweils mit der Leitung 42 bzw. 50 in Verbindung. Die Innenwand 66 weist eine öffnung 74 zwischen den Kam-

709843/0786 "⁹ "

mem 64 und 68 auf, wodurch diese Kammern immer miteinander in Verbindung stehen. Sas Gehäuse 62 hat ferner eine Bohrung 76, die durch die Wände 66 und 70 führt. Ein zylindrisches Schließglied 78 ist verschiebbar in der Bohrung 76 angeordnet und blockiert in der dargestellten Lage den Durchfluß von Flüssigkeit aus der Kammer 64 zur Kammer 68 durch die Bohrung. Das Schließglied 78 ist mit Längskanälen 80 versehen, die so wirken können, daß Flüssigkeit aus der Kammer 64 in die Kammer 72 geleitet wird, außer wenn das Schließglied in die Endpartie 77 der Bohrung bewegt wird, wie das durch die gestrichelten Linien dargestellt ist.

Das Schließglied 78 ist so betätigbar, daß der Flüssigkeitsstrom in veränderlichen Mengen zu den Kammern 68 und 72 entsprechend der Temperatur der Flüssigkeit geleitet wird, die in die Kammer 64 gelangt.

Das Schließglied 78 ist mit einem auf Temperatur ansprechenden Stellglied 82 verbunden, das sich in der Kammer 64 befindet. Das Stellglied 82 ist in bekannter Ausführung vorgesehen und weist ein Gehäuse mit einem federbelasteten Kolben und einem auf Temperatur ansprechenden Material auf, das auf den Kolben mit der Ausdehnung des Materials einwirkt, was durch eine Erhöhung der Temperatur des Materials hervorgerufen wird. Entsprechend kann das Stellglied 82 so eingerichtet sein, daß es das Schließglied 78 veranlaßt, den Flüssigkeitsstrom so zu regeln, daß mit der Erhöhung der Temperatur der in die Kammer 64 fließenden Flüssigkeit ein größerer Teil der Flüssigkeit veranlaßt wird, in die Kammer 68 und zum Wärmeaustauscher zu fließen. Bei einer be-

7ObOA3/078 6

stimmten Höchsttemperatur wird das Schließglied so bewegt, daß der gesamte Durchfluß durch die Nebenstromleitung 50 abgesperrt wird. Nach der Erfindung wird mindestens ein Teil der Flüssigkeit, die vom Kessel 30 zur Sammelleitung 28 fließt, immer durch den Wärmeaustauscher 44 geleitet,und mit der Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit wird eine proportional größere Menge an Flüssigkeit durch den Wärmeaustauscher geleitet.

Bei herkömmlichen Luft- und Gaskompressoranlagen mit Flüssigkeitseinspritzung ist ein auf Temperatur ansprechendes Regelventil gewöhnlich so installiert, daß die gesamte Flüssigkeit, die zum Kompressor zurückfließt, am Flüssigkeitskühler vorbeigeleitet wird, bis eine bestimmte Flüssigkeitstemperatur erreicht wird, und daraufhin beginnt das Regelventil die Flüssigkeit durch den Kühler fließen zu lassen, um die Temperatur der in den Kompressor fließenden Flüssigkeit auf dem Sollwert zu halten. Bei Kompressoren, die Umgebungsluft verdichten, wird eine erhebliche Vorwärmung der Ansaugluft durch Vermischen der Einspritzflüssigkeit mit der Luft hervorgerufen, die bei bekannten Anlagen in den Kompressor fließt. Bei relativ niedriger Umgebungsluftemperatur bewirkt die Vorwärmung der Ansaugluft eine Verringerung des Wirkungsgrads des Kompressors und eine Verringerung des Druckluftdurchsatzes durch den Kompressor. In diesem Zusammenhang kann der Kompressorwirkungsgrad oder die spezifische Leistung als die Leistung verstanden werden, die erforderlich ist, um einen bestimmten Durchfluß an durch den Kompressor zu verdichten, ausgedrückt in Kilowatt pro 100 m pro Sekunde. Demgemäß kann eine Anlage, bei der die Temperatur der

70 9 843/0786 " ¹¹ ~

Einepritzflüssigkeit so geregelt wird, daß sie proportional zur Ansauggastemperatur ist, einen besseren Wirkungsgrad haben und zu Einsparungen in der Gesamtleistung führen, die für eine bestimmte Menge an Druckgas verbraucht wird, das vom Kompressor geliefert wird.

Es ist festgestellt worden, daß geeignete Flüssigkeiten zur Verwendung in Kompressorenlagen mit Flüssigkeitseinspritzung eines der Hydrauliköle oder Motor- oder Getriebeöle für Kraftfahrzeuge auf Kohlenwasserstoff basis sein können. Diese Flüssigkeiten sorgen für eine geeignete Schmierung der Kompressorlager und der miteinander kämmenden Rotoren. Die Rotoren, die in Kompressoren ohne synchronisierende Zahnräder benutzt werden, können so konstruiert sein, daß die Antriebskräfte zwischen den miteinander kämmenden Zähnen auf ein Minimum reduziert werden, jedoch ist eine Flüssigkeit mit guten Schmiereigenschaften trotzdem wünschenswert, besonders dann, wenn sie auch als ein Lagerschmiermittel benutzt wird. Die Flüssigkeit dient auch dazu, die kleinen Spielräume zwischen den Rotoren und ζwisch« den Rotoren und dem Gehäuse abzudichten, um ein Lecken von Druckgas aus den Kammern auf ein Minimum zu reduzieren, die von den miteinander kämmenden Rotoren gebildet werden. Das Vorhandensein der Flüssigkeit in den Arbeitekammern des Kompressors erfordert Kraft zum Pumpen der Flüssigkeit aus der Drucköffnung des Kompressors und zur Oberwindung der Reibung an den Rotoren wegen der Scherwirkung an der Flüssigkeit in den Spielräumen. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität sind wünschenswert, um das Gaslecken auf ein Minimum zu reduzieren, jedoch können die Leistungzverbeseerungen auf Grund eines verringerten Leckens durch die erhöhte Leistung

- 12 -

709843/0786

aufgehoben werden , die erforderlich ist, um die Reibung zuüberwinden, die von der viskoseren Flüssigkeit hervorgerufen wird. Die Viskosität der Öle, die normalerweise in den Flüssigkeitseinspritzsystemen von Kompressoren benutzt werden, erhöht sich mit fallender Temperatur, und folglich können die Leistungseinsparungen wegen der erhöhten Abdichtbarkeit und der verringerten Vorwärmung oder Dichteverringerung der Ansaugluft durch den erhöhten Leistungsbedarf aufgehoben werden, der erforderlich ist, um die Reibung wegen der zähflüssigeren Flüssigkeit zu überwinden. Demgemäß kann eine Kühlung der Flüssigkeit in bezug auf die Temperatur des Ansauggases ohne Änderung dee Zuflusses an Flüssigkeit in den Kompressor nicht zu einer so hohen Energieeinsparung führen, wie das verwirklicht werden kann, indem auch die Durchflußrate in bezug auf die Gasansaugtemperatur geändert wird, wenn eine Flüssigkeit veränderlicher Viskosität im Einspritzsystem benutzt wird.

Die Zuflußrate der Einspritzflüssigkeit sowie die Temperatur der Flüssigkeit beim Einspritzen in den Kompressor wird normalerweise auch so geregelt, daß die Abgabetemperatur des Gas-Flüssigkeitsgemisches begrenzt wird, um eine chemische Zersetzung oder Zerstörung der Flüssigkeit selbst zu verhindern. Es ist jedoch festgestellt worden, daß bei höheren Rotordrehzahlen die Flüssigkeitszuflußraten in bezug auf den Gasdurchsatz verringert werden können, d.h. daß die spezifische Flüssigkeitseinspritzung, ausgedrückt als Flüssigkeitsströmungsvolumen bei einem bestimmten Gasdurchsatz (Liter pro Kubikmeter pro Sekunde), mit höher werdender Rotordrehzahl verringert werden kann, um einen bestimmten Kompreseorwirkungsgrad beizubehalten oder den Kompressor-

709843/0786 " ¹⁵ "

wirkungsgrad zu erhöhen. Solange die Kompressorabgabetemperatur einen sicheren Grenzwert nicht überschreitet, um eine Zersetzung der Flüssigkeit oder eine andere Schädigung zu verhindern, kann die Flüssigkeitseinspritzrate in bezug auf die höher werdende Rotordrehzahl verringert werden. Wenn ein Kompressor mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl läuft, beispielsweise bei Kompressoren mit Elektromotoroder Turbinenantrieb, kann die Flüssigkeitseinspritzrate ferner so geregelt werden, daß eine bestimmte maximale Abgabetemperatur des Gas-Flüseigkeitsgemisches aufrechterhalten wird, das den Kompressor verläßt.

Bei der Kompressoranlage nach Fig. 1 zur Verdichtung von Umgebungsansaugluft als das zu verdichtende Gas und unter Kühlung der Einspritzflüssigkeit mittels des Wärmeaustauschers 44 von Flüssigkeit auf Luft, bei dem Umgebungsluft als das Kühlmittel benutzt wird, kann die Einspritzflüssigkeit direkt in bezug auf die Ansauglufttemperatur des Kompressors gekühlt werden. Ein Wärmeaustauscher von Flüssigkeit auf Luft, der von ier Umgebungsluftemperatur abhängig ist, beispielsweise ein Wassersystem im geschlossenen Kreislauf mit einem Verdampfungskühlturm, zeigt entsprechende Charakteristika. In der Anlage nach Fig. 1 ändert sich der Zufluß von Einspritzflüssigkeit zum Kompressor in bezug auf die Umgebungsluftemperatur. Diese Charakteristik basiert auf der Verwendung einer Flüssigkeit, die normalerweise eine Viskosität hat, die sich mit abfallender Flüssigkeitstemperatur erhöht. Bei abfallender Umgebungstemperatur wird deshalb die Temperatur der Einspritzflüssigkeit proportional verringert, und auch die Zuflußrate verringert

7098A3/0786 " ¹⁴ "

sich proportional. Weil die Kompressoranlage nach Fig. 1 auf einer relativ konstanten Druckdifferenz fußt, um ein Fließen der Einepritzflüssigkeit in die Kompressor zu bewirken, führt der größere Widerstand gegen ein Fließen der stärker viskosen Flüssigkeit zu einer Zuflußrate, die sich entsprechend der Flüssigkeitstemperatur ändert. Der verringerte Fluß stärker viskoser Flüssigkeit führt zu Einsparungen im Energieverbrauch, und die Flüssigkeit niedrigerer Temperatur verringert die Vorwärmung der Ansaugluft des Kompressors, und das verringert auch die spezifische Leistung und führt zu einer Energieeinsparung für eine bestimmte Menge an Arbeitsmedium (Luft), das verdichtet wird. Die Erhöhung der Viskosität der Flüssigkeit kann zu einer geringen oder gar keinen Änderung in der Abdichtungsfunktion der Flüssigkeit wegen der geringeren Durchflußrate führen.

Der Grad der Kühlung der Einspritzflüssigkeit wird natürlich durch die Kühlfähigkeit des Wärmeaustauschers beeinflußt, und in der Anlage nach Fig. 1 auch durch das Regelventil 40, das so arbeitet, daß mindestens ein Teil der Einspritzflüsaigkeit am Wärmeaustauscher vorbeigeleitet wird, bis eine bestimmte Temperatur der Flüssigkeit erreicht ist, die in die Kammer 64 fließt. Das Regelventil 40 sorgt auch für ein Vorbeileiten mindestens eines Teils der Flüssigkeit am Wärmeaustauscher 44, um den Flüssigkeitsstrom beim Kaltstarten des Kompressors zu erhöhen und damit eine adäquate Flüssigkeitseinspritzung und ein schnelles Warmlaufen in einen konstanten Laufzustand sicherzustellen. Der Grad der Kühlung und das Maß des Zuflusses an Rinspritzflüssigkeit kann auch durch die Größe der Öffnung 74 und der Blende 52 geregelt werden, und

7 Π Ί B A 11 0 7 8 6

zwar sowohl bezüglich deren effektive Durchfluß-Querschnittsflächen als auch bezüglich deren relative effektive Durchfluß-Querechnitteflachen. Die relativen Durchfluß-Querschnittsflächen und die Länge der Fltiesigkeitsleitungen 38, 42 und 50 in Kombination mit dem Fließwiderstand, der im Wärmeaustauscher 44 entsteht, können auch zur Bestimmung des Durchflusses und entsprechend der Temperaturcharakteristiken benutzt werden, die die in den Kompressor 12 eingespritzte Flüssigkeit hat. Ferner kann das Regelventil 40 so abgewandelt werden, daß für einen Zufluß zu den Leitungen 42 und 50 in solcher Weise gesorgt wird, daß die gewünschten Betriebscharakteristiken bewahrt bleiben.

Eine wichtige Funktion des Regelventils 40 erbringt die Öffnung 74» die sicherstellt, daß mindestens ein Teil der Flüssigkeit durch den Wärmeaustauscher 44 bei im wesentlichen allen Betriebsbedingungen und besonders beim Starten unter relativ niedrigen Umgebungslufttemperaturbedingungen fließt. Bei bekannten Kompressoren mit Flüssigkeitseinspritzung, die mit einem Wärmeregelventil arbeiten, das den gesamten Flüssigkeitsstrom am Wärmeaustauscher vorbeileitet, bis die Flüssigkeit eine Solltemperatur erreicht, kann die Flüssigkeit, die im Wärmeaustauscher steht, zu kalt werden und zu viskos werden, um überhaupt zu fließen, wenn sich das Ventil öffnet, um den Strom in den Wärmeaustauscher zuleiten. Unter solchen Bedingungen fließt nicht genügend Flüssigkeit in den Kompressor, was zu einer überhitzung und zum Stillstand des Kompressors oder zu einer Beschädigung der Kompressorrotoren und -lager führt.

- 16 -

709843/0786

Fig. 3 zeigt die Betriebscharakteristiken einer Schraubverdichteranlage für Luft mit Flüssigkeitsaninspritzung nach Fig. 1. In der in Fig. 3 dargestellten Kurve gibt die waagrechte Skala die atmosphärische Umgebungslufttemperatur in Grad Celsius an. Die linke vertikale Skala zeigt den Flüesigkeitszufluß zum Kompressor zum Einspritzen in dessen Arbeitskammer an. Die obere rechte Skala zeigt die prozentuale Verringerung in der spezifischen Leistungsaufnahme für eine Kompressoranlage nach Fig. 1 im Vergleich zu einer entsprechenden Kompressoranlage mit einer konstanten Flüssigkeitseinspritztemperatur und einer konstanten Zuflußrate an, wenn als Beispiel ein Kompressor zugrundegelegt wird, der nominell für 373 kW Leistungsaufnahme aufgelegt ist, wenn er Umgebung8luft von atmosphärischem Druck auf einen überdruck von 689 kPa verdichtet.

Die Kurve F ist unter Bezugnahme auf die waagrechte Skala eingezeichnet, und auf die untere rechte vertikale Skala, und sie zeigt an, daß der Flüssigkeitszufluß zum Kompressor 12 mit der Umgebungsluftemperatur und in direkter Beziehung dazu variiert. Für die angegebenen Werte des Flüssigkeitszuflusses und die damit einhergehende Fließ-Temperaturcharakteristik wurde als Einspritzflüssigkeit Öl für automatische Getriebe von Kraftfahrzeugen benutzt. Andere Öle auf Kohlenwasserstoffbasis sowie synthetische Hydraulikflüssigkeiten können in der Kompresaoranlage nach der Erfindung benutzt werden. Die Kurve T in Fig. 3 zeigt die Änderung in der Temperatur an. Demgemäß kann eine Kompressoranlage, die allgemein den Aufbau nach Fig. 1 hat, für eine Temperatur und eine Zuflußrate der Einspritzflüssigkeit sorgen, welche im wesent-

709843/0786 " ^1? "

lichen proportional zur TJmgebungslufttemperatür mindestens über einen Bereich von -29 bis 38 Grad Celsius sind. Die Differenz zwischen der Temperatur der Einspritzflüssigkeit und der aus dem Wärmeaustauscher 44 ale Folge der Vermischung der durch den Wärmeaustauscher fließenden Flüssigkeit mit der durch die Leitung 50 fließenden Flüssigkeit ausströmenden Flüssigkeit kann durch den relativen Fließwiderstand der Flüssigkeit durch die Leitung 50 und den Wärmeaustauscher 44 und die zugehörigen Leitungen bestimmt werden. Die Fließwiderstände, die die Öffnung 74 und die Blende 52 ausüben« können so bestimmt sein, daß die Keigung der Kurve T geändert wird. Die Temperaturcharakteristik der Einepritzflüssigkeit verläuft mehr nach der gestrichelten Linie bsv. Kurve U, wenn der gesamte Flüssigkeitsstrom durch den Wärmeaustaucher 44 geht. Bei vielen Kompressoranlagen tritt jedoch ein starker Widerstand gegen ein Fließen von Flüssigkeit durch den Wärmeaustauscher auf, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und wenn der gesamte Durchfluß durch den Wärmeaustauscher ständig durchgeleitet wird.

Die Kurve U stellt die Kühlfähigkeit eines Wärmeaustauschers in einer bestimmten Größe dar. Die Kühlfähigkeit des Wärmeaustauschers kann größer als die sein, die durch die Kurve TJ wiedergegeben ist, es müssen jedoch praktische Grenzwerte bezüglich der Größe und der Kosten der Kühleinrichtung berücksichtigt werden, ebenso der Einfluß auf die Abgabetemperatur des Gas-Flüssigkeitsgemisches. Die Temperatur des Gemisches, das in den Kessel gelangt, muß über dem Taupunkt für die Umgebungsluft bei Verdichtung auf den Betriebsüberdruck gehalten werden.

Die gestrichelte Kurve V stellt die Temperatur der Einspritzflüssig-

709 8 A 3/0786 . ₁₈ -

keit bei herkömmlichen Kompressoranlagen mit Flüssigkeitseinspritzung dar, bei denen die Temperatur so geregelt wird, daß sie über einen großen Bereich an Umgebungstemperaturbedingungen im wesentlichen konstant ist. Die Temperatur von ca. 54 Grad Celsius wird üblicherweise zugrundegelegt.

Die Kurve D in Fig. 3 ist in bezug auf die linke vertikale Skala und die waagrechte Skala eingezeichnet und zeigt die Temperatur des Druckluft-Flüssigkeitsgemisches an, das den Kompressor in der Anlage 10 in Fig. 1 verläßt. Diese Temperaturcharakteristik liegt erheblich über der Taupunkttemperatür für gesättigte Luft bei einem Oberdruck von 689 kPa im Bereich der Umgebungstemperatur, der dargestellt ist. Folglich kann eine Kondensation von Wasserdampf in der Kompressoranlage 10 vermieden werden, auch wenn die Temperatur des Gas-Flüssigkeitsgemisches, das den Kompressor verläßt, relativ zur Umgebungslufttemperatür über einen großen Bereich an Umgebungslufttemperatüren variiert.

In Fig. 3 ist die Kurve S in bezug auf die waagrechte Skala und die obere rechte vertikale Skala eingezeichnet und soll die Verringerung der spezifischen Leistungsaufnahme für einen Kompressor zeigen, der unter Flüssigkeitseinspritzbedingungen nach den Kurven T und F arbeitet, ausgedrückt als ein Prozentsatz der spezifischen Leistungsaufnahme einer allgemein gleichen Kompressoranlage mit konstanter Flüssigkeitseinspritztemperatur, dargestellt durch die Kurve 7, und einer im wesentlichen konstanten Flüssigkeitszuflußrate von 0,090 Kubikmeter pro Minute.

709843/0786 - 19 -

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei handelt es sich um eine schematische Darstellung einer Schraubkompressoranlage 90 für Luft mit Flüssigkeitseinspritzung, die in mancher Hinsicht der Kompressoranlage 10 entspricht, und entsprechende Teile haben die gleichen Bezugszahlen erhalten. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 können das Regelventil 40 und die Hebenstromleitung 30 weggelassen sein, wie das dargestellt ist, obgleich die Beibehaltung dieser Elemente einige der vorstehend beschriebenen Vorteile bietet. Ferner weist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ein kraftbetätigtes Drosselventil 92 auf, das in die Flüssigkeitsleitung 48 eingebaut ist, die den Kompressor 12 mit dem Wärmeaustauscher 44 verbindet. Das Ventil 92 kann als Alternativanordnung auch in die Leitung 38 eingebaut sein. Dieses Ventil $2 weist einen Motorregler 94 auf, der auf ein Temperaturmeßelement 96 anspricht, dae so angeordnet ist, daß die Temperatur des Gas-Flüssigkeitsgemisches gemessen wird, das den Kompressor verläßt. Das Temperatürmeßeleeent 96 ist als ein Thermoelement dargestellt, das durch eine geeignete Signalgeberleitung 93 mit dem Motorregler 94 verbunden ist. Der Metorregler 94 und das Meßelement 96 können jedoch auch in einer von mehreren Ausführungen kommerziell erhältlicher Regelvorrichtungen vorgesehen sein, die zur Betätigung des Ventile 92 eingerichtet sind, um den Flüssigkeitszufluß zum Kompressor 12 entsprechend der Temperatur des Mediumgemisches zu regeln, das den Kompressor verläßt.

Das Regelventil 92 ist zur Regelung des Zuflusses von Flüssigkeit zum Kompressor 12 eingerichtet, um die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-

709843/0786 "²°~

gemisches zu regulieren, das den Kompressor verläßt, und zwar derart, daß sie konstant ist, unabhängig von der Änderung in der Temperatur des Ansauggasea. Wenn der Kompressor Luft bei Umgebungsansaugtemperaturbedingungen verdichtet und der Wärmeaustauscher 44 von Umgebungslufttempera türen abhängig ist, variiert die Flüssigkeitseinspritztemperatur in Beziehung zur Umgebungslufttemperatur und hat eine Charakteristik ähnlich der Kurve T in Fig. 3· Weil die Temperatur des Gas-Flüesigkeitsgemisches, das den Kompressor 12 in Fig. 4 verläßt, etwa proportional zur Kompressoransauglufttemperatur und zur Flüssigkeitseinspritztemperatur ist, regelt ein Regelventil 92, wie es beschrieben worden ist, den Flüssigkeitszufluß so, daß er sich in bezug auf die Umgebungsansauglufttemperatur in einer Weise ändert, die der Flüssigkeitszuflu6charakteristik entspricht, welche durch die Kurve F in Fig. 5 dargestellt ist. Indem entsprechend dieser Flüssigkeitszufluß so geregelt wird, daß eine konstante Temperatur des Mediumgemisches beibehalten wird, das den Kompressor verläßt, kann eine Erhöhung des Kompressorwirkungsgrads verwirklicht werden, der sich im Vergleich zu herkömmlichen Kompressoranlagen mit konstantem Zufluß und konstanter Flüssigkeitseinspritztemperatur entsprechend den Umgebungβlufttemperaturbedingungen ändert. Die in Fig. 4 gezeigte Anlage weist eine Nebenstromleitung 98 auf, in der sich eine Blende 100 befindet, um sicherzustellen, daß eine Mindestsollmenge an Flüssigkeit unter extremen Niedrigtemperaturbedingungen oder bei Ausfall des Ventils 92 eingespritzt wird. Bei Luftkompressoren mit relativ großer Grundlast oder bei Luftkompressoren für Dauerbetrieb, die unter klimatischen

709843/0786

Bedingungen arbeiten, bei denen große Temperaturschwankungen auftreten» kann eine erhebliche Einsparung in der Energie pro Betriebszeit verwirklicht werden, die vom Kompressor aufgenommen wird.

Die Koapressoranlage 90 kann besonders gut zur Verwendung in Verbindung mit Einspritzflüssigkeiten geeignet sein, die eine im wesentlichen konstante Viskosität oder eine sehr geringe Änderung in der Viskosität Innerhalb des normalen Betriebstemperaturbereichs des Kompressors haben. Ein Beispiel ist, wenn der Kompressor 12 zum Arbeiten mit Wasser als der Einspritzflüssigkeit ausgelegt ist. Die Kompressorabgabetemperatur,die vom Regelventil 92 aufrechterhalten wird, kann so gewählt sein, daß sie im Einklang mit den Temperaturgrenzen der Flüssigkeit ateht, die die gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften aufrechterhalten.

7098A3/0786

, it.

L e e r s e

Claims

Patentansprüche 2715610

J Druckluft-Kompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung, bestehend aus einem Schraub-Druckluftkompressor mit einem Gehäuse, einer Ansaugöffnung und einer Drucköffnung, zwei ineinandergreifenden schraubverzahnten Rotoren, die im Gehäuse sitzen und zum Verdichten durch die Ansaugöffnung in das Gehäuse gelangender atmosphärischer Luft drehbar gelagert sind, und einem Kanal zum Zuleiten von Flüssigkeit in das Gehäuse zum Kühlen der zu verdichtenden Luft, einem Gas-Flüssigkeits-Kessel, der zur Aufnahme eines Druckluft-Flüssigkeitsgemisches angeordnet ist, das vom Kompressor kommt, und einer Leitung zum Leiten von Flüssigkeit aus dem Kessel zum Kanal, gekennzeichnet durch einen in die Leitung (38, 48) eingeschalteten Wärmeaustauscher (44) zum Kühlen der Flüssigkeit vor dem Einspritzen in den Kompressor (12), eine Nebenstromleitung (50), die mit der Leitung (38, 48) in Verbindung steht und zum Leiten von Flüssigkeit am Wärmeaustauscher (44) vorbei direkt zum Verdichter (12) vorgesehen ist, und ein Regelventil (40) in der Leitung (38), das mit der Nebenstromleitung (50) in Verbindung steht und so betätigbar ist, daß Flüssigkeit dem Wärmeaustauscher (44) und der Nebenstromleitung (50) so zugeleitet wird, dafi eine Änderung der Temperatur der in den Kompressor (12) eingespritzten Flüssigkeit in Relation zur Umgebungsluftemperatur innerhalb eines Bereichs an Umgebungslufttemperatüren bewirkt wird, der einen unteren Grenzwert von etwa -29 Grad Celsius und einen oberen Grenzwert von etwa 26 Grad Celsius hat.

2. Kompressoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

7098 4-3/0786 ~²~

ORIGINAL INSPECTED

zeichnet, daß das Regelventil (40) ein Gehäuse (62) und ein im Gehäuse sitzendes Schließglied (78) aufweist, das in Erwiderung auf die Temperatur der aus dem Kessel fließenden Flüssigkeit so bewegbar ist, daß ein Teil der Flüssigkeit durch die Nebenstromleitung (50) geleitet wird, wenn die Temperatur der zum Regelventil (40) fließenden Flüssigkeit unter einem Sollmaximum liegt.

3· Kompressoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kessel führende Leitung (38) mit einer ersten Kammer (64) im Gehäuse (62) in Verbindung steht, die zum Wärmeaustauscher (44) führende Leitung (42) mit einer zweiten Kammer (68) in Verbindung steht und die Nebenstromleitung (50) mit einer dritten Kammer (72) in Verbindung steht, das Schließglied (78) so betätigbar ist, daß ein Fließen von Flüssigkeit zur zweiten (68) und zur dritten Kammer (72) in sich ändernden Verhältnissen entsprechend der Temperatur von Flüssigkeit bewirkt wird, die vom Kessel fließt, und das Regelventil (40) einen Kanal (74) aufweist, der für ein Fließen von Flüssigkeit vom Kessel zum Wärmeaustauscher (44) sorgt, gleichgültig, welche Temperatur die Flüssigkeit hat.

4· Kompressoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit dem Kompressor (12) mit einer Rate zugeleitet wird, die sich in Relation zur Umgebungslufttemperatür ändert.

5. Kompressoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

709843/0786 " ³ "

zeichnet» daß die Rate der in das Gehäuse eingespritzten Flüssigkeit in Erwiderung auf eine Zunahme bzw. Abnahme der Umgebungslufttemperatur innerhalb eines Bereichs an Umgebungslufttemperaturen zunimmt bzw. abnimmt, der einen unteren Grenzwert von etwa -29 Grad Celsius und einen oberen Grenzwert von etwa 26 Grad Celsius hat.

6. Kompressoren lage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Viskosität hat, die sich in Relation zur Temperatur der Flüssigkeit ändert.

7· Kompressoranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszufluß zum Kompressor (12) von Kessel von der Differenz im Mediumdruck zwischen dem Kessel und dem Inneren des Gehäuses (14) an der Stelle des Kanals (26) abhängig ist.

Θ. Kompressoranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Öl auf Kohlenwasserstoffbasis ist.

9. Kompressoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daB sie ein in die Leitung (48) eingebautes Regelventil (92) aufweist, das so betätigbar ist, daß der Zufluß von Flüssigkeit zum Kompressor (12) in Erwiderung auf die Temperatur des Druckluft-Flüssigkeitsgemisches geregelt wird, das vom Kompressor zum Kessel fließt.

709843/0786

-A-

10. Kompressoranlage nach Anspruch 9 t dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (92) ein Stellglied (94) aufweist und die Kompressoranlage (90) ein Temperaturmeßelement (96) aufweist, das in einer Wirkverbindung mit dem Stellglied (94) steht und zum Messen der Temperatur des Gemisches angeordnet ist, das den Kompressor (12) verläßt.

709843/0786