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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Schraubenverdichteranlage
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb
einer Schraubenverdichteranlage, mit wenigstens einem ölgekühlten Schraubenverdichter,
der in einen mit dem Verbrauchernetz in Verbindung stehenden Druckbehälter fördert,
mit einer die Ansaugmenge des Schraubenverdichters druckabhängig regelnden Einrichtung
und einer Vorrichtung zur gleichfalls druckabhängigen Regelung des motorischen Antriebes
für den Schraubenverdichter.
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Schraubenverdichter der gattungsgemäßen Art sollen in ihrem Betrieb
zweckmäßigerweise so geregelt werden, daß die Liefermenge des Verdichters möglichst
exakt der tatsächlich benötigten Druckluftmenge entspricht. Wenn im Verbrauchernetz
keine Luft oder sehr wenig Luft benötigt wird, dann kann es sich als zweckmäßig
erweisen, den Verdichter bzw. die Verdichteranlage im Leerlauf laufen zu lassen
oder sogar ganz abzuschalten. Die Länge und die Reihenfolge dieser hierbei gewählten
Schaltphasen werden durch die eingesetzte Regelung bestimmt; derartige Regelungsanlagen
sind geeignet, den Betrieb der Verdichteranlage den jeweiligen Bedarfserfordernissen
anzupassen.Bekannt sind im allgemeinen nahezu vollelektronische Regelungsanlagen,
welche den gestellten Erfordernissen des variablen Betriebes gerecht werden.
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Schraubenverdichteranlagen der vorgenannten Art sind nicht nur im
stationären Betrieb einsetzbar, sie können auch in Fahrzeugen installiert werden,
so in Schienenfahrzeugen.Bei einem derartigen
Betrieb existieren
mitunter rauhe Einsatzbedingungen und es sind äußerst hohe Anforderungen an die
Zuverlässigkeit der Regelung bzw.
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des Betriebs gestellt.
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Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, für einen
mit Öleinspritzung arbeitenden Schraubenverdichter der gattungsgemäßen Art eine
Regelung zu schaffen, welche weitgehend rein pneumatisch arbeitet; es soll dennoch
möglich sein, diejenigen Feinregelungen vornehmen zu können, welche im allgemeinen
durch äußerst komplizierte und vergleichbar teure elektronische Bauteile bewerkstelligt
werden müssen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil
des Patensanspruches 1 bzw. Patentanspruches 6.
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Mit Hilfe des Verfahrens zum Betrieb der Verdichteranlage ist es mit
Hilfe im wesentlichen rein pneumatischer, trotzdem in ihrer Kennung bzw. Charakteristik
einstellbarer Mittel ermöglicht, den oder die Schraubenverdichter der Anlage wirtschaftlich
fahren zu lassen, d.h.
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es ist sowohl Betrieb bei Vollast, im Leerlauf und im Stillsetz- bzw.
Aussetzbetrieb ermöglicht. Der Netzdruck-Verbrauch geht im Sinne einer Rückmeldung
direkt sowohl in die Regelung der Ansaugmenge für den Schraubenblock des Verdichters
als auch für die Antriebsregelung des vorzugsweise elektrischen Antriebsmotors ein.
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Die Regelvorrichtung enthält hierbei rein pneumatische wirkende Zeitglieder
im Bereich der Ansaugvorrichtung; mit Hilfe dieser Zeitglieder, welche die Form
von Düsen besitzen, ist es einerseits ermöglicht, eine Druckentlastung des Behälterdruckes
zeitlich gesteuert vorzunehmen, andererseits ist es möglich, während dieser Entlastung
des Behälterdruckes zeitlich gesteuert eine reduzierte Luftmenge in der Ansaugleitung
des Schraubenblocks des Verdichters zur Verfügung zu stellen. Mit Hilfe dieser netzdruckabhängig
gesteuerten Anordnung wird sichergestellt, daß der Elektromotor bzw.
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der Schraubenblock des Verdichters nur mit reduzierter Leistung, also
gegenüber geringerem Widerstand als auch mit geringerer
Ansaugmenge
läuft, wenn der Netzdruck einen vorbestimmten Maximalwert erreicht hat. Es wird
hiermit eine "Verselbständigung" von Behälterdruck und Netzdruck in dem Sinne erzielt,
daß der Netzdruck mit seiner vollen Druckhöhe zur Verfügung steht, während der Behälterdruck
erst dann wieder hochgefahren wird, wenn der Netzdruck den unteren Punkt einer Schaltspanne
erreicht hat.
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Die Rückwirkung des Netzdruckes auf die Ansaugvorrichtung ist rein
pneumatisch; sie bedarf nur einfacher und auch einfach einzustellender bzw. zu wartender
Bauteile. Die Regelung des Antriebes für den Elektromotor des Schraubenblockes geschieht
pneumatisch-elektrisch, vorzugsweise unter Verwendung von Druckschaltern, welche
bei pneumatischer Beaufschlagung einen Erregerstrom für die Motorsteuerung des Antriebsmotors
freigeben bzw. schließen. Im Sinne dieser Regelung ist es auch möglich, die Motorsteuereinheit
rein pneumatisch zu beaufschlagen, wobei die Motorsteuer-Einheit ihrerseits im Sinne
einer Druckschalteinrichtung so ausgestaltet sein kann, daß pneumatische Änderungen
zu Änderungen in elektrischen Regelgrößen führen. Hierdurch ist ein Minimum elektrischer
Schalt- oder Regelteile erforderlich.
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Durch die mit Hilfe des Netzdruckes bei Rückwirkung auf die Ansaugvorrichtung
des Verdichterschraubenblockes erzielbare, zeitlich gesteuerte Druckentlastung des
Druckbehälters der Anlage kann in Verbindung mit einem durch den Behälterdruck beaufschlagten
Druckschalter der elektromotorische Antrieb zum Stillstand gebracht werden, wenn
der Behälterdruck einen vorbestimmten Mindestdruck erreicht. Dies ermöglicht eine
sog. Nachlaufregelung bzw. verzögerte Aussetzregelung, welche sich dadurch kennzeichnet,
daß der motorische Antrieb dann ausgeschaltet wird, und von Leerlauf auf Stillsetzung
übergeht, wenn eine genau einstellbare, der Druckentlastung des Behälterdruckes
auf den Mindestdruck entsprechende Zeit verstrichen ist. Die Leistungsaufnahme des
Elektromotors für den Schraubenblock bestimmt sich also nach Maßgabe der Schalt
spanne für den Netzdruck als auch in Abhängigkeit von
einem zeitlich
gesteuerten Druckabbau im Behälter, wobei der Druckabbau im Behälter als auch der
Druckabbau im Netz miteinander verglichen werden.
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Zusätzlich sind für die Antriebsregelung für den Elektromotor des
Schraubenverdichters Öltemperatur-abhängige Regelgrößen ableitbar, derart, daß der
elektromotorische Antrieb selbst dann noch läuft, wenn die zeitlich gesteuerte Druckentlastung
für den Behälterdruck bereits abgelaufen ist, solange nicht die erforderliche, gleichfalls
vorherbestimmbare Betriebstemperatur für das Öl der Verdichteranlage existiert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den weiteren
Patentansprüchen aufgeführt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
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In dieser zeigen: Fig. 1 ein Schaltschema der Schraubenverdichteranlage
nach der Erfindung; Fig. 2 eine graphische Darstellung der verzögerten Aussetzregelung
bzw. Nachlaufregelung, bei welcher der Behälter- und Netzdruck gegenüber dem aufgenommenen
Motorstrom in Abhängigkeit einer durch den Behälterdruck fest einstellbaren Zeit
aufgezeigt sind; und Fig. 3 eine der Fig. 2 vergleichbare graphische Darstellung,
in welcher zusätzlich die Einflußnahme der Ölmindesttemperatur als Regelgröße für
den elektrischen Antrieb nach der Erfindung aufgezeigt ist.
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Bei der in Fig 1 dargestellten Schraubenkompressor-Anlage sind ein
Schraubenblqck 1 und ein Druckbehälter 3 vorgesehen. Der
Schraubenblock
und der Druckbehälter sind mit einer in das Innere des Druckbehälters führenden
Druckleitung 5 verbunden. An der Lufteinlaßseite des Schraubenblocks 1 ist eine
in einem strichpunktierten Blockbild veranschaulichte Ansaugvorrichtung 7 angeschlossen.
Die zu verdichtende Luft wird über eine Saugleitung 11 gesaugt und gelangt über
die Ansaugvorrichtung 7 in nachfolgend beschriebener Weise in den Schraubenblock
1. Der Schraubenblock 1 wird mit Hilfe eines Elektromotors 13 angetrieben. Des weiteren
sind für vom Druckbehälter in den Schraubenblock zurückzuleitendes Öl ein Ölkühler
15 und ein Olsteuerblock 17 vorgesehen.
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Im Inneren des Druckbehälters 3 befindet sich ein Grobabscheider 19,
gegen welchen aus der Druckleitung 5 ein Gemisch von Druckluft und Öl geleitet wird,
derart, daß eine erste Trennung des Öls von der Druckluft erreicht wird. Aus der
die weitgehend von Öl gereinigte Druckluft enthaltende Kammer des Druckbehälters
führt eine Leitung 21 in einen Feinabscheider 23, in welchem restliches Öl aus der
Druckluft entfernt und mit Hilfe der eine Drossel 25 aufweisenden Leitung 27 in
den Schraubenblock 1 zurückgeleitet wird. Eine weitere Druckleitung 29 führt über
einen Luftkühler 31 zu einem weiteren Druckluftbehälter bzw. zum Verbrauchernetz.
Zwischen dem Feinabscheider 23 und dem Luftkühler 31 ist gemäß Fig. 1 ein Rückschlagventil
33 von an sich bekannter Wirkungsweise vorgesehen; dieses Rückschlagventil ist in
Wirkverbindung mit einem Mindestdruckventil 35. Das Mindesdruckventil 35 sperrt
das Rückschlagventil bis zu einem Behälterdruck von z.B. 3,5 bar (wobei die Sperrung
mechanisch mittels Federkraft geschieht). Ab dem sog.
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Öffnungsdruck von 3,5 bar gibt das Mindestdruckventil 35 das Rückschlagventil
33 frei, d.h. ab 3,5 bar wird der Behälterdruck in die Druckleitung 29 strömungsabwärts
des Rückschlagventils eingespeist und gelangt in das Netz bzw. in einen nachgeschalteten
Druckluftbehälter.
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Ein Sicherheitsventil 37 steht gemäß Fig. 1 über eine Leitung 39 mit
dem
Druckbehälter 3 in Verbindung und wirkt als Sicherheitsorgan, d.h. das Sicherheitsventil
37 öffnet, wenn der Druck im Druckbehälter 3 den Wert von z.B. 11 bar übersteigt.
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Die vorstehend genannte, in einem Blockbild wiedergegebene Ansaugvorrichtung
7 nach Fig. 1 umfaßt ein Rückschlagventil 41, welches sich in der vom Luftfilter
9 zum Schraubenblock 1 erstreckenden Saugleitung 43 befindet. Fernerhin ist der
Ansaugvorrichtung 7 ein Rückschlagventil 45, eine Drossel bzw. Düse 47, ein mit
dem Rückschlagventil 45 in Verbindung stehendes Entlastungsventil 49 und in einer
Bypass-Leitung 51 ein Rückschlagventil 53 und eine Düse 55 zugeordnet. Die Düse
47 und das Rückschlagventil 45 sind in einer Leitung 57 vorgesehen, welche von dem,Feinabscheider
23 zur Saugleitung 43 zwischen dem Luftfilter 9 und dem Rückschlagventil 41 führt.
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Gemäß Fig. 1 sind im Druckbehälter 3 zwei Thermofühler 59 und 61 eingesetzt;
der in der Darstellung untere Thermofühler 59 ist in nachfolgend beschriebener Weise
als Sicherheitselement im Regelkreis vorgesehen und verhindert ein Heißlaufen des
Schraubenblocks 1, während der Thermofühler 61 in gleichfalls nachfolgend beschriebener
Weise wirkt, um den Schraubenblock l im Kaltlauf zu regeln. Die Thermofühler 59
und 61 sind mittels Steuerleitungen 63 und 65 an eine zur Motorsteuer-Einheit 67
führende Steuerleitung 69 angeschlossen. Hierbei ist die Steuerleitung 63 mit einem
UND-Glied 71 verknüpft, während die Steuerleitung 65 mit einem ODER-Glied 73 verknüpft
ist.
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Gemäß Fig. 1 ist fernerhin eine von der Druckleitung 29 abzweigende
Leitung 73 vorgesehen, welche in einen Druckregler 75 einspeist. Der Druckregler
75 arbeitet mit einer Schaltspanne von 8,5 - 10 bar, d.h.,daß er bei einem in der
Leitung 73 anstehenden Druck von 10 bar durchschaltet, um die Verbindung zwischen
der Leitung 73 und der Leitung 77 herzustellen, während er bei einem Absenken des
Druckes
auf 8,5 bar durch Federkraft wirksam wird, um die Verbindung
zwischen der Leitung 73 und der 77 wieder zu unterbrechen. Von der Leitung 77 zweigen
zwei Zweigleitungen 79 und 81 ab. Die Zweigleitung 79 führt zu einem Druckschalter
83, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel von pneumatisch-elektrischer Wirkungsweise
ist. Der Druckschalter 83 ist in der Lage, ein pneumatisches Signal in ein elektrisches
Signal umzuwandeln; hierfür ist der Druckschalter mit einer (nicht dargestellten)
elektrischen Einspeisung versehen und speist die Steuerleitung 85 mit einem elektrischen
Signal, wenn eine in der Zeichnung schematisch wiedergegebene Federeinrichtung den
Schalter entgegen dem pneumatischen Druck in der Zweigleitung 79 in ausreichendem
Maße beaufschlagt. In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Schaltposition dargestellt,
in welcher die Kraft des pneumatischen Druckes in der Zweigleitung 79 größer ist
als die Federkraft, so daß der Druckschalter 83 nicht aktiv ist und folglich die
Steuerleitung 85 keine elektrische Einspeisung erfährt.
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Die von der Leitung 77 gleichfalls abzweigende Zweigleitung 81 steht
als pneumatische Leitung mit dem Entlastungsventil 49 in Verbindung, so daß der
Druck in der Zweigleitung 81 die im Entlastungsventil 49 wirkende Federeinrichtung
zu beaufschlagen vermag, wie nachfolgend im einzelnen erläutert ist. Von der Zweigleitung
81 zweigt eine Nebenleitung 87 ab, welche ihrerseits das Rückschlagventil 41 bei
Beaufschlagung zu sperren vermag, um die Hauptleitungsverbindung zwischen dem Luftfilter
9 und dem Schraubenblock 1 bei einem gegebenen Zustand zu sperren.
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Eine weitere Leitung 89 mit pneumatischer Beaufschlagung führt vom
Druckbehälter 3 zu einem Druckschalter 91, welcher wie der Druckschalter 83 von
pneumatisch-elektrischer Wirkungsweise ist, wobei der Druckschalter über eine (nicht
dargestellte) elektrische Versorgung eine Steuerleitung 93 zu speisen vermag, wenn
die in Fig.
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1 dargestellte Wirkposition besteht. In dieser Position überwindet
der pneumatische Druck in der Leitung 89 die mechanische Wirkung
einer
Federeinrichtung, derart, daß sich der Druckschalter 81 in Schaltposition befindet,
wenn in der Leitung 89 ein ausreichend hoher Druck existiert. Unterhalb eines bestimmten
Druckes, so z.B.
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unterhalb von 4 bar, überwindet die Federeinrichtung den pneumatischen
Druck und der Schalter ist inaktiv. In gleicher Weise ist hierbei die Steuerleitung
93 entregt. Die beiden Steuerleitungen 85 und 93 sind mit einem ODER-Glied 95 verknüpft,
welches die Steuerleitung 69 erregt, wenn nur eine der beiden vorgenannten Steuerleitungen
85 bzw. 93 erregt ist oder wenn beide erregt sind.
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Die Arbeitsweise der vorstehend anhand der Funktionsteile beschriebenen
Schraubenverdichteranlage ist wie folgt: Es sei zunächst angenommen, daß im gesamten
System keinerlei Druck existiert, also weder im Druckbehälter 3 noch im durch die
Druckleitung 29 gespeisten Netz. Ein derartiger Zustand kann nach längerem Stillstand
der Anlage oder nach totaler Entlüftung bestehen. Wird bei entsprechender Betätigung
der Motorsteuer-Einheit 67 die zum Elektromotor 13 führende Stromleitung erregt
und beginnt der Elektromotor 13 zu laufen, dann wird entsprechend das Hauptläufer-Nebenläufer-Paar
des Schraubenblocks 1 in Umdrehung versetzt und es baut sich in der Druckleitung
5 und im Druckbehälter 3 ein gewisser Druck auf.
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Die vom Schraubenblock 1 über die Druckleitung 5 in den Druckbehälter
3 gelangende Luft ist mit dem im Schraubenblock für die Schmierung, Kühlung und
Dichtung dienenden Öl vermengt, so daß ein Trennung von Öl und Druckluft erforderlich
ist. Eine erste Grobabscheidung des Öls von der Druckluft geschieht innerhalb des
Druckluftbehälters 3 mit Hilfe des Grobabscheiders 19 von an sich bekannter Wirkungsweise.
Das Gemisch aus Öl und Druckluft prallt hierbei gegen ein Plattenelement, wobei
sich das abgetrennte Öl im Unterteil des Druckbehälters sammelt, und die Druckluft,
oberhalb des Niveaus des Öls befindlich, mit einem bestimmten Druck in die Leitung
21 gelangt und innerhalb des in Fig. 1 dargestellten Feinabscheiders 23 von an sich
bekannter
Wirkungsweise einer weiteren Abtrennung von Öl unterworfen
wird. Das im Feinabscheider 23 abgetrennte Ö1, welches dem Druck des Behälters unterliegt,
wird mit Hilfe der Leitung 27 und der in der Leitung befindlichen Düse 25, welche
zur Druckreduzierung dient, in den Schraubenblock 1 zurückgeleitet; dort dient das
Ö1 wiederum zur Schmierung des Schraubenpaares mit seinen Lagern. Die Hauptmenge
von Ö1, welches sich im Druckbehälter 3 ansammelt, wird über eine Leitung 97 in
den Ölsteuerblock 17 eingeleitet und gelangt über eine Leitung 99 direkt oder auf
indirekte Weise über den Ölkühler 15 zurück in den Schraubenblock 1. innerhalb des
Ölsteuerblocks 17 können sich ein von der Leitung 97 gespeister Öl filter 101 und
ein nachgeschaltetes Thermoventil 103 befinden. Das Thermoventil 103 vermagt in
an sich bekannter Weise den unter einem bestimmten Druck stehenden Ölstrom, umzuleiten,
derart, daß er entweder über den Ölkühler 15 oder direkt in den Schraubenblock 1
geleitet wird. Dies hängt jeweils von der für die Einleitung in den Schraubenblock
1 zulässigen Öltemperatur ab.
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Die unter einem bestimmten Druck stehende Druckluft steht innerhalb
der Druckleitung 29 am Rückschlagventil 33 an, welches mit dem Mindestdruckventil
35 in Wirkverbindung steht. Das Mindestdruckventil 35 ist mittels Federkraft so
eingestellt, daß es das Rückschlagventil 33 zum Beispiel bis zu einem Druck von
3,5 bar, dem Öffnungsdruck, sperrt, so daß der Druck aus dem Druckbehälter 3 bis
zu einem Druck von 3,5 bar nicht in das Netz freigegeben wird.
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Steigt der Druck im Druckbehälter 3 auf einen Wert von oberhalb 3,5
bar an, dann wird das Mindestdruckventil 35 in bekannter Weise außer Funktion gesetzt
und das Rückschlagventil 33 ist in normaler Weise wirksam. Die Druckluft gelangt
ab diesem Druck in das Netz, d.h. es steht dem Verbraucher zur Verfügung, wobei
die Druckluft vorteilhafterweise durch einen Luftkühler 31 geleitet wird und nachfolgend
in einen Hauptluftbehälter oder dergleichen gelangt. Der in der Druckleitung 29
vorherrschende Druck von mehr als 3,5 bar wirkt in vorstehend beschriebener Weise
auf das Mindestdruckventil 35
derart ein, daß dieses gegen die
Kraft der Feder in geöffneter Lage gehalten wird, d.h. daß das Mindestdruckventil
35 bei einem Druckabfall unterhalb von 3,5 bar sofort wirksam wird und das Rückschlagventil
33 in diesem Fall wieder sperrt In der Leitung 73 (Fig.l) existiert der Druck der
Druckleitung 29 und wirkt entsprechend auf den Druckregler 75 ein. Dieser Druckregler
ist so aufgebaut, daß er bei einem Druck von beispielsweise 10 bar gegen die Wirkung
von Federkraft öffnet und "durchschaltet", derart, daß eine Leitungsverbindung zwischen
der Leitung 73 und der Leitung 77 hergestellt wird. Folglich wirkt der in der Leitung
73 existierende Druck bei diesem Durchschalten auch in der Leitung 77 und in den
abzweigenden Zweigleitungen 79 un 81.
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Sinkt im Verlaufe des Betriebs des Verdichters der Druck in der Leitung
73 bis auf 8,5 bar wieder ab, dann überwiegt die Kraft der vorgesehenen Federeinrichtung
und der Druckregler 75 unterbricht die Verbindung zwischen der Leitung 73 und der
Leitung 77.
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In Fig. 2 ist der Anlauf des Schraubenverdichters anhand des Druckverlaufes
im Netz und im Druckbehälter, als auch anhand des Motorstromes dargestellt. Ausgehend
vom Zeitpunkt Null erhöht sich bei einem Anlaufen des Motors bzw. des Schraubenblocks
der Druck im Behälter bis zu einem Wert von 3,5 bar, wobei dieser Wert nach der
Zeit t erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt öffnet das n Rückschlagventil 33, wie vorstehend
erläutert ist, so daß nunmehr der Druck im Netz gleichfalls ansteigt. Es wird auf
den Druckverlauf in in Fig. 2 hingewiesen. Ist das Netz soweit gefüllt, daß gleichfalls
ein Druck von 3,5 bar im Netz existtiert, dann steigen die Drücke im Behälter und
im Netz mit gleicher Steigung bis zu einem Druck von 10 bar an, d.h. nach einer
Zeit von t 0 entsprechend dem sog. Anlauf ist sowohl im Behälter als auch im Netz
der Druck von 10 bar erreicht. Nach einer anfänglichen Spitze besitzt der Motorstrom
I den mit Vollast in Fig. 2 bezeichneten horizontalen Leerlauf, d.h. der Motorstrom
verbleibt im wesentlichen konstant auf Vollast, bis der Druck im Behälter und im
Netz den
Maximalwert von 10 bar erreicht hat. Bei einem Druck von
10 bar öffnet der Druckregler 75 auf Durchgang, so daß der Druck von 10 bar sowohl
in der Leitung 77 als auch in den Zweigleitungen 79 und 81 vorherrscht. Der Druck
in der Zweigleitung 81 beaufschlagt im Bereich der Ansaugvorrichtung 7 das Entlastungsventil
49 entgegen der Kraft der schematisch dargestellten Federeinrichtung, was zur Folge
hat, daß die Wirkung des Entlastungsventils 49 aufgehoben wird und das Rückschlagventil
45 öffnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel steht das Rückschlagventil 45 über
eine Leitung 105 mit der Saugleitung 43 für den Schraubenblock in Verbindung. Die
Leitung 105 kann jedoch auch ins Freie führen. Als Folge dieser Rückführung in die
Saugleitung 43 bzw. des Abblasens in die Außenluft wird der Druck in der Leitung
57, im Feinabscheider 23 und dempach im Druckbehälter 3 abgebaut, wie dies der steile
Kurvenverlauf in Fig. 2 der Zeichnung erkennen läßt. In der Verbindung zwischen
dem Druckbehälter 3 und dem Rückschlagventil ist, wie vorstehend erwähnt wurde,
die Düse 47 eingeschaltet. Diese wirkt als Zeitglied in dem Sinne, daß das Abblasen
der Druckluft, d.h. die Druckentlastung, zeitlich gesteuert stattfindet. Im einzelnen
wird hierzu nachfolgend im Verlaufe der Beschreibung eingegangen.
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Der Behälterdruck und der Netzdruck "verselbständigen" sich, wie die
abfallenden Druckverläufe in Fig. 2 der Zeichnung erkennen lassen, nachdem der Maximaldruck
erreicht wurde. Der Behälterdruck sinkt also stärker bzw. schneller ab als der Netzdruck,
da der Netzdruck, bedingt durch die Wirkung des Rückschlagventils 33, nicht in den
Luftbehälter 3 rückwirken kann. Das Absenken des Netzdruckes hängt folglich einzig
und allein vom jeweils bestehenden Verbrauch bzw.
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von Undichtigkeiten ab. Sinkt also der Netzdruck PN bei immer noch
geöffnetem Rückschlagventil 45, so nähert er sich gemäß Fig. 2 dem Druck von 8,5
bar. Bei einem derartigen Druck ist der untere Schaltpunkt des Druckreglers 75 wieder
erreicht, d.h. daß der Druckregler 75 mechanisch in eine Position geschaltet wird,
in welcher die Verbindung zwischen der Leitung 73 und der Leitung 77
unterbunden
ist. Der Druck in der Leitung 77, welcher auch in der Zweigleitung 81 und in der
Nebenleitung 87 ansteht, baut sich nunmehr über eine Außenluftverbindung im Druckregler
75 ab. Durch die Druckentlastung in der Zweigleitung 81 wird die mechanische Verriegelung
des Entlastungsventils 49 wieder wirksam, derart, daß das Rückschlagventil 45 geschlossen
und demnach die Außenluftverbindung der Leitung 57 unterbunden wird. In gleicher
Weise ist der Druck nicht mehr gegenüber dem Rückschlagventil 41 wirksam, d.h. das
Rückschlagventil 41 öffnet unter Einwirkung einer Federeinrichtung, so daß die ungedrosselte
Ansaugverbindung im Bereich der Ansaugvorrichtung 7 wieder hergestellt ist. Die
Auswirkungen der vorbeschriebenen Druckänderungen des Behälterdruckes und des Netzdruckes
auf die Motorsteuerung sind wie folgt: Der Elektromotor 13 läuft im Bereich der
Anlaufphase des Schraubenverdichters auf Vollast, wie durch die Darstellung des
Motorstroms I ersichtlich ist. Die Motorsteuer-Einheit 67 ist während -dieses Zeitabschnitts
aktiviert, da sich der Druckschalter 83 bei druckloser Leitung 77 in der Schaltposition
befindet, in welcher eine (nicht dargestellte) elektrische Verbindung in die Steuerleitung
85 existiert. Ist die Steuerleitung 85 erregt, dann gilt dies gemäß Fig. 2 auch
für die Steuerleitung 69. Gibt das UND-Glied die Verbindung zur Motorsteuer-Einheit
67 in nachfolgend beschriebener Weise frei, dann erfolgt durch Einspeisung über
die Leitung 97 (Fig.2) die entsprechende Aktivierung des Elektromotors 13, so daß
dieser mit Vol]ast läuft. Erreicht der Netzdruck PN den oberen Schaltpunkt des Druckreglers
75 von 10 bar, dann schaltet der Druckregler 75, wie vorstehend dargelegt wurde,auf
Durchgang, d.h.
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daß der Druck aus der Leitung 73 auch in der Leitung 77 ansteht und
nunmehr der Druckschalter 83 entgegen der Wirkung einer mechanischen Federeinrichtung
ausgeschaltet wird. Dies bedeutet analog dem vorstehend beschriebenen, daß die Steuerleitung
85 nunmehr entregt ist. Wie vorstehend ausgeführt wurde, steht in der Leitung 89
der
Druck des Druckbehälters 3 an und wirkt auf den Druckschalter
91 ein. Der Druckschalter 91 ist in seinem Aufbau dem Druckschalter 83 vergleichbar,
er arbeitet jedoch mit umgekehrter Wirkungsweise. Der Druckschalter 91 schließt,
solange in der Leitung 89 ein Druck von mehr als 4 bar existiert und öffnet unter
der Wirkung einer schematisch dargestellten Federeinrichtung, wenn der Druck im
Druckbehälter 3 unter den Druckwert von 4 bar abfällt. Ist der Druckschalter 83
infolge des Durchschaltens des Druckreglers 75 erregt, wie dies beispielhaft in
Fig. 1 wiedergegeben ist, dann kann gleichwohl die Steuerleitung 69 für die Motorsteuer-Einheit
67 erregt sein, wenn sich der Druckschalter 91 in der gleichfalls in Fig. 1 dargestellten
Lage befindet, in welcher ein Druck von oberhalb 4 bar im Druckbehälter 3 besteht
und infolgedessen ein Akt;ivieren bzw. Betätigen des Druckschalters 91 mit entsprechender
Erregung der Steuerleitung 93 herbeigeführt ist. Da die Steuerleitung 85 und die
Steuerleitung 93 beide mit dem ODER-Glied 95 verknüpft sind, wird die Steuerleitung
69 in jedem Fall erregt, falls eine der beiden vorgenannten Steuerleitungen 85 oder
93 erregt ist. In Anwendung auf die Situation der Regelung zwischen dem oberen Schaltpunkt
von 10 bar und dem unteren Schaltpunkt von 8,5 bar des Druckreglers 75 bedeutet
dies: Zwischen den Druckwerten 10 bar und 8,5 bar im Netz ist zwar die Steuerleitung
85 entregt, da der Druckschalter 83 deaktiviert ist, gleichwohl wird der Elektromotor
13 bei erregter Steuerleitung 93 zum Zwecke des Antriebes mit Strom versorgt. Er
läuft während dieser Zeit, der Zeit tl gemäß Fig. 2 im Leerlauf, da der Schraubenblock
1 während dieser Zeitspanne mit geringerer Leistung gefahren werden kann. Vorstehen
wurde erläutert, daß der in der Zweigleitung 81 während der Zeit tl herrschende
Druck auf das Entlastungsventil 49 einwirkt, um das Rückschlagventil 45 zu entsperren,
derart, daß das Rückschlagventil zu öffnen vermag, solange der Druck im Druckbehälter
3 nicht unter einen Wert von unter z.B. 4,5 oder 4 bar absinkt. In der geöffneten
Position des Rückschlagventils 45 gelangt die während der Zeit t1 das Rückschlagventil
passierende Druckluft ins Freie (nicht dargestellt) bzw. wird über die Leitung 105
(Fig. 1) zurück zur
Saugleitung 43 geführt. Gleichzeitig wirkt
die in der abzweigenden Nebenleitung 87 existierende Druckluft während der Zeit
tl auf das Rückschlagventil 41 in dem Sinne ein, daß dieses sperrt und folglich
die anzusaugende Luft nur über die Bypass-Leitung 51 zum Schraubenblock 1 gelangt.
In der Bypass-Leitung 51 sind ein Rückschlagventil 53 und eine Drossel bzw. Düse
55 vorgesehen. Da das Rückschlagventil 41 während des zuvor genannten Zustandes
verriegelt ist, bestimmt sich die Menge der in den Schraubenblock 1 angesaugten
Luft nach Maßgabe der Charakteristiken des Rückschlagventils 53 und der Düse 55.
Andererseits arbeitet der Schraubenblock 1 nur gegen einen ungleich geringeren Widerstand,
da die von ihm geforderte Druckluft auf dem Wege über den Druckbehälter 3, den Feinabscheider
23 , die Düse 47 und das Rückschlagventil 45 in die Außenluft gelangt bzw. im Kurzschluß
wieder in die Saugleitung zurückgeführt wird. Dieser verminderte Leistungsbedarf
des Elektromotors spiegelt sich in einem Motorstrom wieder, welcher dem sog. Leerlauf
des Schraubenverdichters entspricht ( Fig.2).
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Dieser Leerlauf bei verringertem Leerlaufstrom dauert während der
Zeit tl an, also solange, bis der untere Einschaltpunkt des Druckreglers 75 (8,5bar)
erreicht ist. Da der Druckregler 75 bei einem derartigen Druck sperrt, also nicht
mehr durchschaltet, wird die Leitung 77 bei mittels des Druckreglers 75 vorgenommener
Entlüftung drucklos, was in gleichem Maße für die Zweigleitung 81 und die Nebenleitung
87 gilt. Im Bereich der Ansaugvorrichtung 7 wird folglich aus der Leerlaufphase
in die Vollastphase umgeschaltet, d.h. das Rückschlagventil 41 wird entriegelt,
so daß die Hauptverbindung über die Saugleitung 43 besteht und das Entlastungsventil
49 sperrt mittels der mechanischen, schematisch dargestellten Federeinrichtung das
Rückschlagventil 45, wodurch die zuvor genannte Entlastungsverbindung der Leitung
57 blockiert ist.
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Der Elektromotor 13 treibt nunmehr den Schraubenblock 1 wieder mit
Vollast und entsprechendem Motorstrom I während der Zeit t2 an (Fig. 2).Der Schraubenblock
1 beginnt also wieder mit Vollast zu laufen, wenn der Netzdruck PN in der Darstellung
nach Fig. 2 die Horizontale
entsprechend dem Druck von 8,5 bar
schneidet. Da das Rückschlagventil 45 zu diesem Zeitpunkt schließt, beginnt sich
der Behälterdruck PB sofort wieder zu erhöhen. Der Netzdruck PN sinkt auch während
der Zeit t2 zunächst noch ab, da der Netzdruck erst dann wieder steigen kann, wenn
der Behälterdruck und der Netzdruck gleich sind. Nach der Differenzzeit A tl sind
gemäß Fig. 2 Netzdruck und Behälterdruck gleich, sie betragen z.B. 8,2 bar, wonach
während der verbleibenden Zeit des Vollastbetriebes der Behälterdruck und der Netzdruck
mit gleicher Steigung ansteigen, bis wieder der Netzdruck (und folglich auch der
Behälterdruck) den oberen Schaltpunkt von 10 bar erreicht hat. Dieser Vorgang wiederholt
sich, d.h. es findet ein Wechsel zwischen Leerlaufbetrieb und Vollastbetrieb während
der Zeiten t3, t4 etc. statt. Im zeiFhnerisch in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Zeiten tl, t2, t3 und t4 gleich groß bemessen, ohne daß dies zwingend gilt.
Natürlich kann die Zeit t2 auch länger sein, also einen längeren horizontalen Abschnitt
umfassen als die Zeit tl.
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Dies gilt bei einem langsameren Aufladen des Netzdruckes, also z.B.
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bei gleichzeitig stärkerem Verbrauch.
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Es wurde vorstehend die Regelung des Schraubenverdichters zwischen
den Betriebszuständen Vollast und Leerlauf erläutert; im Leerlauf arbeitet der Elektromotor
mit einer geringeren Leistungsaufnahme, welche dem niedrigeren horizontalen Verlauf
in Fig. 2 entspricht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Verdichteranlage ist
darüber hinaus geeignet, den Antrieb für den Verdichter vollständig auszuschalten,
d.h. den Stillstand herbeizuführen, falls die Bedingungen im Netz und im Behälter
hierfür gegeben sind. Da der Stillstand des Motors, also der Aussetzbetrieb, nach
Maßgabe einer zeitlichen Vorgabe durch den Druckabbau im Druckbehälter der Anlage
erfolgt, wird hier von einer verzögerten Aussetzregelung bzw.
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Nachlaufregelung gesprochen. Wie anhand von Fig. 2 erkennbar ist,
sinkt der Netzdruck PN während der Zeit t5 nur allmählich ab, d.h. es besteht nur
ein geringer Verbrauch. Während der Zeit t5 wäre es unwirtschaftlich, den Verdichterblock
in Vollast oder im
Leerlauf arbeiten zu lassen, dies ungeachtet
der Tatsache, daß es nach Ablauf der Zeit t5 erforderlich ist, die Anlage aus dem
Stillstand heraus gegen einen vergleichsweisen hohen Widerstand hochzufahren. Ein
derartiger vollständiger Stillstand des Antriebes ist bei Abwägung eines wirtschaftlichen
Betriebes dann möglich und nötig, wenn die Schalthäufigkeit nicht zu hoch liegt.
Wie die Fig. 2 erkennen läßt, schneidet die Linie des Behälterdruckes PN die Horizontale
von 8,5 bar nach Ablauf der Zeit t5. Zu diesem Zeitpunkt wird der Motor wieder mit
Vollast gefahren, so daß der Behälterdruck entsprechend dem relativ steilen Verlauf
ansteigt und der Netzdruck zunächst noch während der Zeit ß t2 absinkt, bis Netzdruck
und Behälterdruck gleiche Größe besitzen und gemeinsam wieder ansteigen. Der Zeitpunkt,
zu welchem von Leerlaufbetrieb auf Sti,llstand übergegangen wird, ist gemäß der
Erfindung abhängig vom Netzdruck als auch vom Behälterdruck. Anhand von Fig.lwurde
vorstehend erläutert, daß der Druckregler 75 bei Erreichen des Netzdruckes von 10
bar durchsteuert, mit der Folge, daß der Druckschalter 83 ausgeschaltet und die
Steuerleitung 85 entregt wird. Während der Zeit t5 existiert diese Deaktivierung
der Steuerleitung 85, d.h. zwischen dem oberen Schaltpunkt (10 bar) und dem unteren
Schaltpunkt (8,5 bar) des Druckreglers 75 bleibt die Steuerleitung 85 entregt. Gleichzeitig
ist jedoch die vom Druckschalter 91 gespeiste Steuerleitung 93 erregt, solange wahrend
der Zeit t6 (Fig.2) der auf den Druckschalter 91 einwirkende Behälterdruck höher
liegt als 4 bar. Als Folge der ODER-Verknüpfung der beiden Druckschalter 83 und
91 bleibt demgemäß die Steuerleitung 69 und somit der elektromotorische Antrieb
für den Schraubenblock 1 erregt, d.h. der Antrieb läuft während der Zeit t6 solange
im Leerlauf, bis der Behälterdruck den Wert von 4 bar unterschreitet und der Druckschalter
91 inaktiv wird. Der Antrieb des Elektromotors arbeitet also mit einer gewissen
Verzögerung, bis tatsächlich der Stillstand des Antriebes herbeigeführt wird. Da
die Verzögerung vom Druckabbau im Druckbehälter abhängt, kann sie in dem Maße zeitlich
gesteuert werden, in welchem der Behälterdruck über die Düse 47 und das Rückschlagventil
45 abgebaut wird. Die Düse 47 wirkt somit als
Zeitglied, welches
die Verzögerung für die endgültige Stillsetz- oder Aussetzregelung des Antriebes
vorherbestimmt.
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Natürlich kann die Düse 47 für diesen Zweck einstellbar ausgeführt
sein, derart, daß der jeweils eingestellte Düsendurchsatz diejenige Zeit bestimmt,
welche für den entsprechenden Druckabbau im Druckbehälter erforderlich ist. Vorstehend
wurde erläutert, daß das Rückschlagventil 45 mit einem gewissen Schließdruck arbeitet.
Dieser Schließdruck von z.B. 4 bar bestimmt bei durch den Netzdruck entriegeltem
Entlastungsventil 49 den Zeitpunkt, bei welchem das Rückschlagventil 45 nicht mehr
öffnet, also keine Druckentlastung mehr zuläßt. Es wird auf diese Weise sichergestellt,
daß der Behälterdruck während der Stillstandzeit des elektromotorischen Antriebes,
also während der Zeit t5 - t6 nicht weiter absinkt.
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Def Behälterdruck PB verbleibt bei nunmehr geschlossenem Rückschlagventil
45 im wesentlichen konstant und nimmt den in Fig.2 dargestellten horizontalen Druckverlauf
ein. Wird der Motor, ausgehend vom Stillstand, wieder hochgefahren, dann wird von
einem Behälterdruck von 4 bar aus verdichtet, ein vollständiges Hochfahren des Druckes
ist also nicht erforderlich, was einen weiteren wirtschaftlichen Faktor für den
Betrieb der Anlage darstellt.
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Die vorstehend beschriebene verzögerte Aussetzregelung bzw.
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Nachlaufregelung kann gemäß Fig.3 eine weitere Überlagerung durch
eine Regelgröße erfahren, welche von der Öltemperatur im Druckbehälter abhängt.
Wie anhand von Fig.l erläutert wurde, erstrecken sich in den im Druckbehälter 3
befindlichen Öl sumpf Thermofühler 59 und 61. Der Thermofühler 59 ist mit dem Regelkreis
über ein UND-Glied 71 verknüpft, d.h., daß die zur Motorsteuer-Einheit 67 führende
Steuerleitung 69 in jedem Falle entregt ist, falls die Steuerleitung 63 ihrerseits
entregt ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Temperatur des abgeschiedenen Öls
im Druckbehälter höher als zum Beispiels 1000 Celsius liegt und der Thermofühler
59 entsprechend anspricht. Unterhalb von 1000 Celsius
spricht der
Thermofühler 59 im Sinne der Erregung der Steuerleitung 63 an, wodurch der elektromotorische
Antrieb für den Schraubenblock in jedem Fall dann aktivierbar ist, wenn die zweite
Steuerleitung, d.h. die Steuerleitung 69 ihrerseits aktiviert ist.
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Der weitere Thermofühler 61, der sich in den Ölsumpf erstreckt, regelt
den Antrieb des Elektromotors 13 für den Schaubenblock 1 in dem Sinne, daß der Elektromotor
unterhalb von zum Beispiel 700 Celsius, also unterhalb der Mindesttempereratur,
in jedem Fall läuft, da die vom Thermofühler 61 gespeiste Steuerleitung 65 dann
aktiviert ist, wenn die Temperatur im ölsumpf niedriger als 700 Celsius liegt. Die
Steuerleitung 65 ist über das ODER-Glied 72 mit der Steuerleitung 69 verknüpft,
d.h., daß die Erregung durch die Steuerleitung 65 allein ausreicht, um den Elektromotor
13 dann laufen zu lassen, wenn die Temperatur im Öl sumpf unterhalb von 70" Celsius
liegt. Unabhängig davon bestimmt der sich verselbständigende Netzdruck, ob für den
Elektromotor eine Leistungsaufnahme entsprechend Leerlauf oder entsprechend Vollast
vorliegt. Maßgebend hierfür ist die Rckmeldung des Verbraucherdruckes auf die Ansaugvorrichtung
7, wie vorstehend beschrieben ist. Aus dem Vorstehenden kann ferner gefolgert werden,
daß die temperaturabhängige Erregung des elektromotorischen Antriebes auch unbeeinflußt
bleibt vom Mindestdruck im Druckbehälter 3; unterhalb von 700 Celsius läuft der
Motor selbst dann, wenn an und für sich die Voraussetzungen für den Stillstand des
motorischen Antriebes gegeben sind. An die durch den Druckabbau im Druckbehälter
verursachte Verzögerung entsprechend der Zeit t6 schließt sich eine weitere Verzögerung
entsprechend der Zeit t7 an. Mit Hilfe dieser Regelungsart wird sichergesstellt,
daß der Motor erst dann zum Stillstand gebracht ist, wenn zuvor im wesentlichen
optimale Betriebstemperaturen erreicht sind. Eine derartige Regelung ist also bevorzugt
während der Zeit des Anlaufs der Anlage erforderlich, da die Betriebstemperaturen
während der Vollast und während des Leerlaufs im allgemeinen ausreichend hoch liegen,
es sei denn, es tritt der entgegengesetzte Extremfall ein, daß die Temperatur im
Ölsumpf
beispielsweise den Wert von 1000 Celsius übersteigt, wodurch durch Entregung der
Steuerleitung 63 der sofortige Stillstand des elektromotorischen Antriebes herbeigeführt
wird. Dieses Stillsetzen des Motors ist selbstverständlich zu jedem Zeitpunkt während
des Betriebs möglich und auch erforderlich, so könnte es beispielsweise nötig werden,
den Motor nach dem Ablauf der Zeit t4 oder während dieser Zeit vollständig auf Stillstand
zu setzen, falls sich die Temperatur zu diesem Zeitpunkt über 100" Celsius erhöht
hat.
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Kurzfassunng Bei einer durch eingespritztes Öl gekühlten Schraubenverdichteranlage,
bei welcher sowohl die Luft-Ansaugmenge des Schraubenverdichters als auch dessen
vorzugsweise elektromotorischer Antrieb druckabhängig geregelt werden, sind rein
pneumatisch wirkende Mittel vorgesehen, welche bei Erreichen eines vorherbestimmbaren
Netz-Maximaldruckes das Ansaugvolumen zu reduzieren vermögen; der Maximaldruck des
Netzes dient gleichzeitig und innerhalb einer durch ihn selbst begrenzten Schaltspanne
zur Ableitung einer pneumatisch-elektrischen Regelgröße für den Schraubenverdichterantrieb,
derart, daß der Schraubenverdichter unterhalb des Netz-Maximaldruckes mit Vollast,
und bei Erreichen des Netz-Maximaldruckes und nachfolgender Druckabsenkung innerhalb
der Schaltspanne in Leerlauf arbeitet, wobei im Leerlauf die Reduzierung des Ansaugvolumens
im Zusammenwirken mit einer Druckentlastung des Druckbehälters zu einem zeitlich
bestimmbaren Aussetzen des Antriebes benutzt werden. Eine zusätzliche Sicherheitseinrichtung
ist in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Druckluft getrennten Öls wirksam
und verhindert unterhalb einer vorherbestimmbaren Öl temperatur den Ubergang vom
Leerlaufbetrieb in den Stillstand.
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Bezugszeichenliste 1 Schraubenblock 3 Druckbehälter 5 Druckleitung
7 Ansaugvorrichtung 9 Luftfilter 11 Saugleitung 13 Elektromotor 15 t Ölkühler 17
Ölsteuerblock 19 Grobabscheider 21 Leitung 23 Feinabscheider 25 Drossel 27 Leitung
29 Druckleitung 31 Luftkühler 33 Rückschlagventil 35 Mindestdruckventil 37 Sicherheitsventil
39 Leitung 41 Rückschlagventil 43 Saugleitung 45 Rückschlagventil 47 Düse 49 Entlastungsventil
51 Bypassleitung 53 Rückschlagventil 55 Düse 57 Leitung
59 Thermofühler
61 Thermofühler 63 Steuerleitung 65 Steuerleitung 67 Motorsteuer-Einheit 69 Steuerleitung
71 UND-Glied 72 ODER-Glied 73 Leitung 75 Druckregler 77 Leitung 79 Zweigleitung
81 Zweigleitung 83 Druckschalter 85 Steuerleitung 87 Nebenleitung 89 Leitung 91
Druckschalter 93 Steuerleitung 95 ODER-Glied 97 Leitung 99 Leitung 101 Öl filter
103 Thermoventil