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Dokumentenidentifikation DE10115648B4 18.03.2004
Titel Zweistufige Schraubenkompressoranlage und Verfahren zu ihrer Steuerung
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Nishimura, Hitoshi, Tokio/Tokyo, JP;
Ohta, Hiroshi, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Anmeldedatum 30.03.2001
DE-Aktenzeichen 10115648
Offenlegungstag 08.05.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.2004
IPC-Hauptklasse F04C 23/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine zweistufige Schraubenkompressoranlage, deren Niederdruckstufe und deren Hochdruckstufe jeweils einen mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressor aufweist, sowie ein Verfahren zu ihrer Steuerung.

Aus der DE 28 47 311 A1 ist eine zweistufige Schraubenkompressoranlage bekannt, die einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter aufweist, die beide Schraubenverdichter sind und von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Der Förderauslass des Niederdruckverdichters ist mit einer Saugöffnung des Hochdruckverdichters über eine Leitung verbunden. Die aus dem Hochdruckverdichter austretende verdichtete Luft wird durch eine Förderleitung zu einem Behälter gefördert. Mit der Förderleitung ist eine Druckentlastungsleitung verbunden, die zu einer Ventilkammer führt, die mit einem zur Atmosphäre offenen Entlastungsrohr in Verbindung steht. Ferner ist in der Ventilkammer ein Druckentlastungsventil angeordnet, das die Verbindung zwischen der Druckentlastungsleitung und dem Entlastungsrohr regelt.

Bei einer ähnlichen, aus der US 5 613 843 A bekannten zweistufigen Schraubenkompressoranlage werden ein Niederdruckkompressor und ein Hochdruckkompressor über ein Getriebe von einem gemeinsamen Motor angetrieben. Die vom Niederdruckkompressor verdichtete Luft wird über einen Zwischenkühler in den Hochdruckkompressor geführt, von dem aus die verdichtete Luft zu einem Nachkühler geführt wird. An die Leitung zwischen dem Nachkühler und dem Hochdruckkompressor ist eine Leitung zum Abführen von Luft im lastfreien Betrieb der Kompressoren angeordnet.

Bei einer herkömmlichen zweistufigen Schraubenkompressoranlage, wie sie beispielsweise in der JP 10-82391 A offenbart ist, sind die mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe hintereinandergeschaltet, wobei zwischen den Schraubenkompressoren ein Kühler vorgesehen ist. Der Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und der Schraubenkompressor der Hochdruckstufe sind mit einem Motor verbunden, der durch einen Inverter bzw. Wechselrichter mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Wenn bei einer so gebauten Schraubenkompressoranlage der Durchsatz klein ist, drehen sowohl der Schraubenkompressor der Niederdruckstufe als auch der Schraubenkompressor der Hochdruckstufe mit niedriger Drehzahl, so dass eine innere Leckagemenge nicht vernachlässigt werden kann. Deshalb ist über ein Auslassrohr ein Ausblasventil angeschlossen, über das eine Ausblassteuerung durchgeführt wird, während der Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und der Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei niedrigster Drehzahl arbeiten.

Bei der bekannten zweistufigen Schraubenkompressoranlage ist der Leistungsverbrauch ohne Last geringer als der bei voller Last verglichen mit einem einstufigen ölfreien Schraubenkompressor. Auch wenn das vorstehend offenbarte Verfahren zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs angewendet wird, ergibt sich der Nachteil, dass der Leistungsverbrauch verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren nicht verringert wird, bei welchem über ein Ansaugdrosselventil gedrosselt wird.

Zur Lösung dieser Probleme besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer mit variabler Drehzahl arbeitenden, eine Niederdruckstufe und eine Hochdruckstufe aufweisenden Schraubenkompressoranlage, bei welcher der Leistungs- bzw. Stromverbrauch sowohl unbelastet als auch bei niedriger Last verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine zweistufige Schraubenkompressoranlage gelöst, deren Niederdruckstufe und deren Hochdruckstufe jeweils einen mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressor aufweist und eine Ausblaseinrichtung zum Ablassen von Druckluft an die Atmosphäre in der Mitte eines Rohres hat, welches zwischen den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geschaltet ist. Dabei sind vorzugsweise ein Zwischenkühler und eine Ausblaseinrichtung in der Mitte des Rohres vorgesehen, welches zwischen den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geschaltet ist, während ein Nachkühler an der Förderseite des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe vorgesehen ist. Zwischen dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und einem Rückschlagventil kann auch ein weiteres Abblasventil zum Ausblasen von Druckluft, die von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe gefördert wird, vorgesehen werden, wobei die Druckluft durch das Ausblasventil und das weitere Ausblasventil zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs oder des Betriebs mit niedriger Last ausgeblasen wird.

Auf der Förderseite des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe kann ein Detektor zum Feststellen des Drucks der Druckluft, die von der Hochdruckstufe gefördert wird, und eine Steuereinrichtung vorgesehen werden, die ein Förderdrucksignal erhält, das von dem Druckdetektor festgestellt wird, und ein Steuersignal zum Steuern der Ausblaseinrichtung abgibt. Ferner kann die Schraubenkompressoranlage einen Elektromotor für den Drehantrieb sowohl des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe als auch des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe und einen Inverter bzw. Wechselrichter zum Antrieb des Elektromotors aufweisen, wobei die Steuereinrichtung den Inverter basierend auf einem Signal des Förderdrucks steuert, das von dem Druckdetektor gemessen wird.

Vorzugsweise ist auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe ein Drosselventil und auf der Förderseite des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe eine weitere Ausblaseinrichtung vorgesehen, die in Verbindung mit dem Ansaugdrosselventil steht.

Die erwähnte, der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen Schraubenkompressoranlage gelöst, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während sich die Drehzahl eines Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und eines Schraubenkompressors der Hochdruckstufe ändert, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, einen Lastbetrieb durchzuführen, um die Drehzahlen des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe in einem Bereich zu ändern, in welchem das Volumen verbrauchter Luft basierend auf einem Druck, der von einem Druckdetektor gemessen wird, der auf einer Förderseite vorgesehen ist, von einem maximalen Luftvolumen bis zu einem vorher eingestellten Luftvolumen reicht, den Schraübenkompressor der Niederdruckstufe und den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei unteren Grenzedrehzahlen arbeiten zu lassen, die bei jedem Schraubenkompressor für einen lastfreien Betrieb vorher eingestellt wurden, bei dem ein Volumen verbrauchter Luft im wesentlichen Null ist, Druckluft aus der Ausblaseinrichtung auszublasen, die in einem Rohr vorgesehen ist, welches zwischen den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geschaltet ist, und den Lastbetrieb und den lastfreien Betrieb zu wiederholen, wenn das. Volumen verbrauchter Luft gleich einem eingestellten Luftvolumen oder kleiner als dieses ist.

Vorzugsweise werden während des Lastbetriebs die Drehzahlen der Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe im wesentlichen proportional zum Volumen verbrauchter Luft geändert. Während des lastfreien Betriebs wird vorzugsweise von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe geförderte Druckluft ausgeblasen.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe dient ferner ein Verfahren zum Steuern einer zweistufigen Schraubenkompressoranlage, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während die Drehzahlen eines Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und eines, Schraubenkompressors der Hochdruckstufe geändert werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, in Betriebsarten einschließlich dem lastfreien Betrieb unter Ausblasen von Druckluft aus Ausblaseinrichtungen zu arbeiten, die in einem Rohr vorgesehen sind, welches zwischen den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geschaltet ist, wenn ein Volumen verbrauchter Luft, basierend auf einem von einem Druckdetektor auf der Förderseite gemessenen Druck, ein vorher eingestelltes Luftvolumen nicht überschreitet und der Druck der von der Niederdruckstufe geförderten Druckluft wenigstens Atmosphärendruck ist.

Ein auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe vorgesehenes Ansaugdrosselventil kann so ausgestaltet werden, dass es mit der Ausblaseinrichtung für von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe verdichtete Druckluft so gekoppelt ist, dass die Drosselung des Ansaugdrosselventils gesteuert wird, wenn ein Volumen verbrauchter Luft ein eingestelltes Luftvolumen nicht überschreitet.

Die erfindungsgemäße zweistufige Schraubenkompressoranlage kann Druckluft in die Atmosphäre zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs von einer Stelle zwischen der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe ausblasen, so dass der Leistungsverbrauch der Schraubenkompressoranlage im lastfreien Betrieb merklich verringert werden kann. Außerdem ist es möglich, den Leistungsverbrauch auch zum Zeitpunkt des Betriebs mit niedriger Last zu reduzieren, wobei der lastfreie Betrieb und der Lastbetrieb mit der eingestellten niedrigen Grenzdrehzahl wiederholt werden.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schraubenkompressoranlage,

2 ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebsablaufs der Schraubenkompressoranlage von 1,

3 ein Diagramm zur Darstellung der Leistungsverbrauchskennlinien der Schraubenkompressoranlage von 1,

4 schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schraubenkompressoranlage und

5 ein Diagramm, das die Druckkennlinien der Schraubenkompressoranlage von 4 zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs zeigt.

Die in 1 gezeigte Schraubenkompressoranlage 100 hat einen Schraubenkompressor 1 einer Niederdruckstufe und einen Schraubenkompressor 2 einer Hochdruckstufe. Der Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe hat ein Rotorpaar bestehend aus einem weiblichen Rotor und einem männlichen Rotor, die in einem Gehäuse aufgenommen sind, das an seinem Außenumfang mit einem Kühlmantel versehen ist. Das Rotorpaar wird synchron durch Eingriff von Steuerzahnrädern gedreht, die an den Wellenenden der jeweiligen Rotoren angebracht sind. An einem Ende der Welle 1a des einen Rotors ist ein Ritzel 6 gegenüber dem Ende angebracht, an dem das Steuerzahnrad sitzt. In gleicher Weise ist bei dem Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe ein Rotorpaar bestehend aus einem männlichem und einem weiblichen Rotor in einem Gehäuse aufgenommen, das an seinem Außenumfang mit einem Kühlmantel versehen ist. Das Paar von Rotoren wird synchron durch Eingriff mit Steuerzahnrädern gedreht, die an den Wellenenden der jeweiligen Rotoren sitzen. An einem Ende einer Welle 2a des einen Rotors ist ein Ritzel 7 angebracht, während an dem gegenüberliegenden Ende das Steuerzahnrad sitzt.

Die beiden Ritzel 6 und 7 kämmen mit einem großen Antriebszahnrad 5, das auf einer Hauptwelle sitzt, die mit einer Welle 4a eines Motors 4 kuppelbar ist. Der Motor 4 ist ein von einem Inverter 8 angetriebener Motor in einer Bauweise für variable Drehzahl. Die Ritzel 6 und 7 und das Hauptzahnrad 5 sitzen in einem Getriebegehäuse 3. Der untere Teil des Getriebegehäuses 3 bildet einen Ölsumpf aus Schmieröl, welches die Lager der Schraubenkompressoren 1 und 2, des Hauptzahnrads 5 und der Ritzel 6 und 7 schmiert.

In dem Ansaugweg des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe ist ein Filter 14 angeordnet, um Umgebungsluft zu filtern und dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe zuzuführen. An der Stromabseite des Filters 14 ist ein Saugkanal 14A ausgebildet. Zwischen der Förderseite des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und der Saugseite des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe ist ein Zwischenkühler 10 angeordnet, der mit dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe über ein Luftrohr 9 und mit dem Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe durch ein Luftrohr 9A verbunden ist. Mit einer Stromabseite des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe ist ein Nachkühler 13 durch ein Luftrohr 11 über ein Rückschlagventil 12 verbunden.

Von dem Rohr 9, welches den Zwischenkühler 10 und den Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe verbindet, zweigt dazwischenliegend ein Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ab. Das Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ist mit einem Zweiwegeventil 21 versehen. Von der Stromaufseite des Rückschlagventils 12 und zwischen dem Nachkühler 13 und dem Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe zweigt an dem sie verbindenden Luftrohr 11 in gleicher Weise ein Ausblasrohr 15 für die Hochdruckstufe ab. Das Ausblasrohr 15 für die Hochdruckstufe ist mit einem Zweiwegeventil 16 versehen. Um die Verbraucherseite mit vom Nachkühler 13 gekühlter Druckluft zu versorgen, ist auf der Stromabseite des Nachkühlers 13 ein Förderluftrohr 23 vorgesehen. In dem Förderluftrohr 23 ist ein Druckdetektor 17 angeordnet, um den Druck der von der Schraubenkompressoranlage 100 geförderten Druckluft zu messen. Der von dem Druckdetektor 17 gemessene Druck wird in eine Steuereinrichtung 18 eingegeben.

Wenn der Motor 4 läuft, wird sein Drehmoment auf den Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe und auf den Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe über das Hauptzahnrad 5 und die Ritzel 6 und 7 übertragen. Dadurch werden die Rotorpaare des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe synchron gedreht und komprimieren die das Arbeitsgas bildenden Luft. Die durch den Ansaugkanal 14A angesaugte Umgebungsluft wird in dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe verdichtet, wodurch ihre Temperatur und ihr Druck erhöht werden. Die komprimierte Luft mit hoher Temperatur wird in den Zwischenkühler 10 durch das Luftrohr 9 eingeführt und dort gekühlt. Die vom Zwischenkühler 10 abgekühlte Luft wird in den Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe über das Luftrohr 9A eingeführt, wo Temperatur und Druck auf vorgegebene Förderwerte erhöht werden.

Die eine hohe Temperatur aufweisende Druckluft wird in den Nachkühler 13 durch ein Luftrohr 11 eingeführt, darin abgekühlt und der Verbraucherseite über das Förderluftrohr 23 zugeführt.

Wenn das Volumen verbrauchter Luft auf der Verbraucherseite abnimmt, steigt der von dem Druckdetektor 17 gemessene Förderdruck. Der gemessene Förderdruck wird in die Steuereinrichtung 18 eingegeben. Wenn der Förderdruck steigt, gibt die Steuereinrichtung 18 ein Befehlsignal an den Inverter 8, um die Drehzahl des Motors 4 zu verringern. Wenn sich die Drehzahl des Motors 4 verringert, nehmen die Drehzahlen der Rotoren der Schraubenkompressoren 1 und 2 der Niederdruckstufe bzw. der Hochdruckstufe ab, wodurch das Volumen der von der Schraubenkompressoranlage 100 geförderten Luft abnimmt.

Wenn das Volumen verbrauchter Luft abnimmt und man das Volumen der von der Schraubenkompressoranlage 100 geförderten Luft 100% bis etwa 50% des vorgegebenen Volumens der Förderluft werden lässt, steuert die Steuereinrichtung 18 die Drehzahl des Motors 4 proportional zum geförderten Luftvolumenverhältnis, wie es in 2 (Betriebsbereich D) gezeigt ist, um den Förderdruck konstant zu machen. Wenn man im Gegensatz dazu das Volumen der geförderten Luft etwa 50% des vorgegebenen Volumens der Förderluft oder weniger werden lässt, befiehlt die Steuereinrichtung 18 zur Drucksenkung einen Ausblasvorgang. Das bedeutet konkret, dass, wenn der von dem Druckdetektor 17 gemessene Förderdruck einen in der Steuereinrichtung 18 vorher eingestellten oberen Grenzdruck überschreitet, gibt die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8 eine eingestellte untere Grenzdrehzahl aufrecht zu erhalten. Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 18 einen Öffnungsbefehl an das Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe. Durch Öffnen des Zweiwegeventils 16 kann in der Hochdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre freigegeben werden, ohne dass sie in den Nachkühler 13 eingeführt wird.

Bei dieser Ausführungsform zweigt das Luftrohr 20 von dem Luftrohr 9 auf der Förderseite des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe ab. Das Ausblasrohr 20 der Niederdruckstufe ist aus folgendem Grund mit dem Zweiwegeventil 21 für das Ausblasen versehen. Ein Bereich, bei welchem ein von der Schraubenkompressoranlage 100 gefördertes Luftvolumen 100 bis etwa 50% des vorgegebenen Volumens der Förderluft beträgt, ist ein Lastbetriebsbereich. Da in diesem Lastbetriebsbereich das gesamte Volumen der verdichteten Luft der Verbraucherseite zugeführt werden soll, gibt die Steuereinrichtung 18 an das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe den Befehl, das Zweiwegeventil 21 zu schließen. Dadurch wird das gesamte Volumen der in der Niederdruckstufe verdichteten Luft der Hochdruckstufe zugeführt.

Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn der Verbrauch an Druckluft auf der Verbraucherseite abnimmt und es nicht mehr erforderlich ist, der Verbraucherseite Druckluft zuzuführen, gibt die Steuereinrichtung 18 an den Inverter 8 den Befehl, die Drehzahl des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe auf die unteren Grenzwerte zu setzen. Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 18 einen Öffnungsbefehl an das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe, wodurch ein Teil der in der Niederdruckstufe verdichteten Luft an die Atmosphäre abgegeben wird. Wenn das Volumen der der Verbraucherseite zugeführten Luft kleiner ist, d.h. zum Zeitpunkt des Betriebs mit niedriger Last, bei dem das Volumen der Förderluft etwa 50% oder weniger des spezifizierten bzw. vorgegebenen Volumens der Förderluft beträgt, gibt die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8, die Drehzahl sowohl des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe als auch des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe höchstens auf die unteren Grenzwerte zu setzen. Die Steuereinrichtung 18 steuert das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe und das Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe so, dass der oben beschriebene lastfreie Betrieb und Lastbetrieb wiederholt werden. Bei jeder der beschriebenen Arbeitsweisen wird ein Volumen verbrauchter Druckluft basierend auf einem Druck bestimmt, der von dem Druckdetektor 17 erfasst wird, der sich in dem Förderluftrohr 23 befindet.

3 zeigt eine Änderung des Leistungsverbrauchs der Schraubenkompressoranlage 100, wenn die Steuereinrichtung 18 den Inverter 8, das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe und das Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe, wie oben erwähnt, steuert. In 3 sind auf der Abszisse die Werte aufgetragen, die durch Teilen eines Förderluftvolumens der Schraubenkompressoranlage durch ein genutztes Förderluftvolumen erhalten werden, während auf der Ordinate der Leistungsverbrauch der Schraubenkompressoranlage 100 aufgetragen ist, mit der Annahme, dass der Leistungsverbrauch 100% ist, wenn das Förderluftvolumen einem benutzten Luftvolumen entspricht. Eine in 3 zum Vergleich gezogene Linie F zeigt Änderungen im Leistungsverbrauch für den Fall, bei welchem ein herkömmliches Kapazitätssteuerverfahren verwendet wird, bei dem ein Ansaugdrosselventil, das abhängig von der Last öffnet und schließt, auf der Saugseite des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe vorgesehen ist. Bei diesem Steuerverfahren werden sowohl der Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe als auch der Schraubenkompressor 2 der Hochdruckstufe mit Drehzahlen beaufschlagt, die konstant sind, und es wird Druckluft im lastfreien Betrieb abgeblasen. Ein Punkt f zeigt den Leistungsverbrauch zu dem Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn das herkömmliche Kapazitätssteuerverfahren bzw. Mengenregelungsverfahren verwendet wird.

Ein in 3 zum Vergleich mit der Erfindung gezogene Linie G zeigt Änderungen des Leistungsverbrauchs einer mit variabler Drehzahl arbeitenden ölfreien Schraubenkompressoranlage ohne ein Ausblas-Zweiwegeventil der Niederdruckstufe, jedoch mit nur einem Ausblas-Zweiwegeventil 16 der Hochdruckstufe. Diese herkömmliche Schraubenkompressoranlage hat einen Schraubenkompressor in der Niederdruckstufe und einen Schraubenkompressor in der Hochdruckstufe, von denen jeder von einem inverterbetriebenen Motor angetrieben wird. Ein Punkt g zeigt den Leistungsverbrauch zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, wenn das herkömmliche Drehzahlsteuerverfahren verwendet wird.

In 3 zeigt eine Linie H die Leistungsverbrauchseigenschaften einer Schraubenkompressoranlage 100, bei der das erfindungsgemäße Steuerverfahren angewendet wird. Wenn das Förderluft-Volumenverhältnis 100 bis 50% beträgt, ändert sich der Leistungsverbrauch proportional zu dem Förderluft-Volumenverhältnis. Wenn das Förderluft-Volumenverhältnis 50% oder weniger beträgt, verläuft die Änderung flacher als zum Zeitpunkt großer Durchsätze (100 bis 50%), jedoch ist der Leistungsverbrauch geringer als der im Falle der Linien F und G nach dem Stand der Technik. Darüber hinaus befindet sich ein Punkt h, der den Leistungsverbrauch zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs anzeigt, deutlich unterhalb der Punkte f und g.

Der Leistungsverbrauch einer Schraubenkompressoranlage ist die Summe der Leistungen, die für das Verdichten von Luft und für mechanische Verluste erforderlich ist, die an den Lagern oder dergleichen erzeugt werden. Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs wird die Drehzahl des Schraubenkompressors einer Stufe so gesteuert, dass sie annähernd die Hälfte der Drehzahl zum Zeitpunkt des Vollastbetriebs ist, so dass der mechanische Verlustanteil gering ist und der größte Teil des Leistungsverbrauchs der Verdichtung der Luft zuzuordnen ist. Da bei dieser Ausführung ein Teil der Druckluft, die von der Niederdruckstufe verdichtet wird, an die Atmosphäre zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs abgeblasen wird, nimmt das Volumen der der Hochdruckstufe zugeführten Druckluft um das Volumen der ausgeblasenen Luft ab. Da die durch die Luftverdichtung verbrauchte Leistung im wesentlichen proportional zu dem durch den Kompressor der Stufe angesaugten Luftvolumen ist, beträgt der Leistungsverbrauch auch aufgrund der Luftverdichtung in der Hochdruckstufe etwa die Hälfte unter der Annahme, dass 50% der von der Niederdruckstufe verdichteten Luft ausgeblasen wird. Wenn der Leistungsverbrauch aufgrund von Luftverdichtung in der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe im Vollastbetrieb im wesentlichen der gleiche ist, kann der Leistungsverbrauch aufgrund der Luftverdichtung in der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe um 25% reduziert werden, wenn 50% der von der Niederdruckstufe verdichteten Luft ausgeblasen wird.

Da eine zweistufige Kompressoranlage insgesamt höher im lastfreien Wirkungsgrad als ein einstufiger Kompressor ist, ist der Leistungsverbrauch der zweistufigen Kompressoranlage ohne Last relativ kleiner als der des einstufigen Kompressors. Deshalb wird die Differenz zwischen dem Leistungsverbrauch bei keiner Last bei dem herkömmlichen Kapazitätssteuerverfahren (Punkt f) und der Leistungsverbrauch ohne Last im Drehzahlsteuerverfahren (Punkt g) sehr klein. Andererseits wird gemäß dieser Ausführungsform in einem Bereich, in welchem das Volumen der Förderluft klein ist, wie in 3 gezeigt ist, die von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre ausgeblasen, um die Verdichtungsarbeit der Hochdruckstufe zu verringern, damit der Leistungsverbrauch reduziert wird. Wenn eine zweistufige Schraubenkompressoranlage mit einer Niederdruckstufe und einer Hochdruckstufe, deren Schraubenkompressoren mit konstanter Drehzahl drehen, dem Kapazitätssteuerverfahren unter Verwendung eines Ansaugdrosselventils unterworfen wird, wird zudem der Druck der von der Niederdruckstufe verdichteten Luft negativ, so dass es schwierig ist, von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre auszublasen.

Die Ausführungsform von 4 unterscheidet sich von der von 1 dadurch, dass ein Ansaugdrosselventil 31 in einem Ansaugkanal des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe, ein Ausblasventil 32 für eine Kopplung mit dem Öffnen und Schließen des Ansaugdrosselventils 31 anstelle des Ausblas-Zweiwegeventils 16 der Hochdruckstufe und ein Ausblasschalldämpfer 33 auf der Sekundärseite des Ausblasventils 32 vorgesehen sind.

Zum Zeitpunkt des Lastbetriebs, bei welchem Druckluft der Verbraucherseite zugeführt wird, gibt bei dieser Ausführungsform die Steuereinrichtung 18 einen Befehl an den Inverter 8, die Drehzahl des Motors 4 so einzustellen, dass die Schraubenkompressoranlage ein Luftvolumen zuführen kann, das auf der Verbraucherseite benötigt wird, und das basierend auf dem Förderdruck erhalten wird, der durch den Druckdetektor 17 gemessen wird. Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 18 einen Befehl zum Öffnen des Ansaugdrosselventils 31.

Zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs, in welchem keine Druckluft zur Verbraucherseite gefördert wird, gibt die Steuereinrichtung 18 den Befehl, das Ansaugdrosselventil 31 zu schließen, und den Befehl an den Inverter 8, die Drehzahl des Motors 4 auf eine untere Grenzdrehzahl zu setzen. Ferner gibt die Steuereinrichtung 18 den Befehl, das Ausblasventil 32 zu öffnen. Da die Drehzahl des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe auf die untere Grenzdrehzahl zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs gesetzt ist, nimmt der Ansaugdruck des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe auf der Sekundärseite des Ansaugdrosselventils 31 ab, wenn das von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe angesaugte Luftvolumen abnimmt. Da ein groß bemessenes Ansaugdrosselventil 31 von 22 kW, beispielsweise für 100 kW, in der zweistufigen Kompressoranlage üblicherweise benutzt wird, nimmt der Druck auf der Ansaugseite extrem ab, auch wenn das Ansaugventil 31 gedrosselt ist. Als Folge kann der Förderdruck der Niederdruckstufe, der einen Wert annimmt, der durch Multiplizieren des Ansaugdrucks mit dem Druckverhältnis erhalten wird, positiv werden. Dadurch kann von der Niederdruckstufe verdichtete Luft an die Atmosphäre ausgeblasen werden, wenn das Ausblas-Zweiwegeventil 21 der Niederdruckstufe geöffnet wird. Dies hat zur Folge, dass das der Hochdruckstufe zugeführte Druckluftvolumen verringert werden kann. Wenn das Ansaugdrosselventil 31 an die Nennleistung angepasst ist, muss es zusätzlich so gesteuert werden, dass verhindert wird, dass der Förderdruck der Niederdruckstufe negativ wird.

Wenn nur ein kleines Volumen von Druckluft der Verbraucherseite während des Betriebs mit niedriger Last zugeführt wird, gibt die Steuereinrichtung 18 den Befehl an der Inverter 8, dass die Drehzahlen des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors 2 der Hochdruckstufe niedrige Grenzwerte annehmen. Die Steuereinrichtung 18 steuert auch das Ansaugdrosselventil 31 und die Ausblas-Zweiwegeventile 21 und 32 so, dass der oben erwähnte lastfreie Betrieb und Lastbetrieb wiederholt werden.

Das Diagramm von 5 zeigt Änderungen des Förderdrucks, wenn die ölfreie Schraubenkompressoranlage 100 von 4 mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten gelassen wird. 5 zeigt also Drücke der jeweiligen Abschnitte der ölfreien Schraubenkompressoranlage und einen Zustand zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs. Auf der Abszisse sind die Verhältnisse bezüglich der Nenndrehzahl aufgetragen. Es hat sich gezeigt, dass, wenn die Drehzahl des Schraubenkompressors 1 der Niederdruckstufe etwa 60% oder weniger des Nennwerts wird, der Druck der von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe geförderten Druckluft den Atmosphärendruck überschreitet. Dadurch ergibt sich, dass während des lastfreien Betriebs, bei welchem die Drehzahl auf 50% der Nenndrehzahl eingestellt ist, von dem Schraubenkompressor 1 der Niederdruckstufe verdichtete Druckluft an die Atmosphäre ausgeblasen werden kann.


Anspruch[de]
  1. Zweistufige Schraubenkompressoranlage (100)

    – mit einem ölfreien Schraubenkompressor (1) für die Niederdruckstufe und einem ölfreien Schraubenkompressor (2) für die Hochdruckstufe, die mit variabler Drehzahl antreibbar sind, und

    – mit einer Ausblaseinrichtung (21) zum Ausblasen von Druckluft an die Atmosphäre aus einem die beiden Schraubenkompressoren (1, 2) verbindenden Rohr (9A, 9) auf etwa halbem Weg zwischen den Schraubenkompressoren (1, 2).
  2. Anlage nach Anspruch 1 mit einem Zwischenkühler (10) und einer Ausblaseinrichtung (21), die auf etwa halbem Weg des Rohres (9, 9A) vorgesehen sind, das den Schraubenkompressor (1, 2) der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe verbindet, und mit einem Nachkühler (13), der auf der Förderseite des Schraubenkompressors (2) der Hochdruckstufe vorgesehen ist.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Druckdetektor (17), der auf der Förderseite des Schraubenkompressors (2) der Hochdruckstufe zum Messen des Drucks der geförderten Luft vorgesehen ist, und mit einer Steuereinrichtung (18) für den Empfang des Signals des von dem Druckdetektor (17) gemessenen Förderdrucks und für die Abgabe eines Steuersignals zur Steuerung der Ausblaseinrichtung (21).
  4. Anlage nach Anspruch 3 mit einem Elektromotor (4) für den Drehantrieb der Schraubenkompressoren (1, 2) der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe und mit einem Inverter (8) für den Antrieb des Elektromotors (4), wobei die Steuereinrichtung (18) den Inverter (8) basierend auf dem Signal des Förderdrucks steuert, der von dem Druckdetektor (17) gemessen wird.
  5. Anlage nach Anspruch 3 mit einem Ansaugdrosselventil (31) auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors (1) der Niederdruckstufe und mit einer weiteren Ausblaseinrichtung (32) auf der Förderseite des Schraubenkompressors (2) der Hochdruckstufe, wobei die weitere Ausblaseinrichtung (32) mit dem Ansaugdrosselventil (31) gekoppelt ist.
  6. Anlage nach Anspruch 1 mit einem weiteren Ausblasventil (16), das zwischen dem Schraubenkompressor (2) der Hochdruckstufe und einem Rückschlagventil (12) zum Ausblasen der von dem Schraubenkompressor (2) der Hochdruckstufe geförderten Druckluft vorgesehen ist, wobei durch das Ausblasventil (21) und das weitere Ausblasventil (16) zum Zeitpunkt des lastfreien Betriebs und des Betriebs mit niedriger Last Druckluft ausgeblasen wird.
  7. Verfahren zum Steuern einer zweistufigen ölfreien Schraubenkompressoranlage, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während die Drehzahlen eines ölfreien Schraubenkompressors einer Niederdruckstufe und eines ölfreien Schraubenkompressors einer Hochdruckstufe geändert werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist,

    – einen Lastbetrieb auszuführen, um die Drehzahlen des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe und des Schraubenkompressors der Hochdruckstufe in einem Bereich zu ändern, in welchem das Volumen verbrauchter Luft basierend auf einem Druck, der von einem Druckdetektor gemessen wird, der auf einer Förderseite vorgesehen ist, von einem maximalen Luftvolumen bis zu einem vorher eingestellten Luftvolumen reicht,

    – den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe und den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe bei unteren Grenzdrehzahlen arbeiten zu lassen, die bei jedem Schraubenkompressor für einen lastfreien Betrieb vorher eingestellt wurden, bei welchem das Volumen verbrauchter Luft im wesentlichen Null ist,

    – Druckluft aus den Ausblaseinrichtungen auszublasen, die in einem Rohr vorgesehen sind, das die Schraubenkompressoren der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe verbindet, und

    – den Lastbetrieb und den lastfreien Betrieb zu wiederholen, wenn das Volumen verbrauchter Luft gleich einem eingestellten Luftvolumen oder kleiner als dieses ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem während des Lastbetriebs die Drehzahlen der Schraubenkompressoren der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe im wesentlichen proportional zum Volumen verbrauchter Luft geändert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe geförderte Druckluft während des lastfreien Betriebs ausgeblasen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe geförderte Druckluft während des lastfreien Betriebs ausgeblasen wird.
  11. Verfahren zum Steuern einer zweistufigen Schraubenkompressoranlage, die in Übereinstimmung mit einem Volumen verbrauchter Luft auf einer Verbraucherseite arbeitet, während die Drehzahlen eines Schraubenkompressors einer Niederdruckstufe und eines Schraubenkompressors einer Hochdruckstufe geändert werden, wobei das Verfahren die Schritte aufweist,

    – in Betriebsarten, einschließlich dem lastfreien Betrieb unter Ausblasen von Druckluft aus Ausblaseinrichtungen zu arbeiten, die in einem Rohr vorgesehen sind, das den Schraubenkompressor der Hochdruckstufe und den Schraubenkompressor der Niederdruckstufe verbindet, wenn ein Volumen verbrauchter Luft basierend auf einem Druck, der von einem Druckdetektor gemessen wird, der auf der Förderseite vorgesehen ist, höchstens ein vorher festgelegtes Luftvolumen beträgt und der Druck der von dem Schraubenkompressor der Niederdruckstufe geförderten Luft wenigstens dem Atmosphärendruck entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem ein Ansaugdrosselventil, das auf der Ansaugseite des Schraubenkompressors der Niederdruckstufe vorgesehen ist, mit einer Ausblaseinrichtung für Druckluft gekoppelt wird, die von dem Schraubenkompressor der Hochdruckstufe verdichtet wird, um das Ansaugdrosselventil zu steuern, wenn das Volumen verbrauchter Luft höchstens ein eingestelltes Luftvolumen ausmacht.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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