EP2522857B1

EP2522857B1 - Verfahren zur intelligenten Regelung einer Kompressoranlage mit einer Wärmerückgewinnung

Info

Publication number: EP2522857B1
Application number: EP12164183.1A
Authority: EP
Inventors: Frank Klaus
Original assignee: Compair Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH
Current assignee: Compair Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: DE102011017433B4; EP2522857A3; CN102777365B; EP2522857A2; US9366247B2; US20120315158A1; CN102777365A; ES2733429T3; DE102011017433C5; DE102011017433A1

Description

Aufgrund der generellen Verknappung der weltweiten Energieresourcen und aufgrund der Klimadiskussion in Bezug auf die CO₂ - Emission ist heutzutage ein genereller Trend nach effizienter Energieausnutzung und Energieeinsparung festzustellen. Auch in der Kompressorindustrie sind die Bemühungen groß, sparsamer mit den natürlichen Ressourcen umzugehen.
Die nachfolgende Erfindung betrifft ein Verfahren zur intelligenten Regelung einer Kompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung, welche mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet ist mit dem Ziel der Effizienzmaximierung.
Aus der chinesischen Veröffentlichung CN 101 43 5420 (A ) ist ein System zur Wärmerückgewinnung und Zirkulation an einem Luftverdichter gezeigt. Hierbei wird ein System offenbart, welches die Kühlung des Luftverdichters mittels Kühlwasser bewirkt umfassend einen Fluidkreislauf des einzuspritzenden Fluids, wobei dieses Fluid zumindest einen Wärmetauscher zur WRG durchläuft, wobei vor dem Verdichter der Kompressoranlage ein Regelventil und hinter dem Wärmetauscher der WRG ein WRG-seitiges Regelventil angeordnet ist und eine elektronische Regeleinheit mittels eines Algorithmus zumindest eines der beiden Regelventile regelt und die erforderlichen Temperaturen für die Stoffströme der WRG der Regeleinheit als Parameter eingegeben werden können. Es ist hierbei Ziel dieser Offenbarung, eine Steuerung der Temperatur des Kühlwassers vorzunehmen und so eine gute Wärmerückgewinnung zu realisieren.
Das vor dem Verdichter angeordnete Regelventil ist hierbei allerdings unmittelbar am Kühler angebracht und kann somit nicht als ein im Kompressor angeordnetes, durch eine elektronische Regeleinheit geregeltes Regelventil angesehen werden. Die hier offenbarte Kompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung ist daher zwar mit einer Wärmerückgewinnung ausgestattet, es ist allerdings keine intelligenten Regelung mit dem Ziel der Effizienzmaximierung möglich.
Hierbei liegt das Augenmerk auf der effektiven Kühlung des Luftverdichters, wobei durch die Erfindung lediglich eine bessere Wärmerückgewinnung erreicht werden soll, wobei die hierzu verwendeten Mittel offen bleiben. Der Schwerpunkt bleibt die Kühlung des Luftverdichters. Es soll lediglich verwirklicht werden, dass die abgeführte Energie auch sinnvoll genutzt wird. Trotz alledem richtet sich das System weiterhin lediglich an den Erfordernissen zum idealen Betrieb des Luftverdichters aus.
Aus der Veröffentlichung CN 2677669 ist ein öleingespitzter Verdichter mit Wärmerückgewinnung beschrieben. Es wird hierbei offenbart, dass die Wärmerückgewinnung das verwendete Öl nach dessen Abscheidung vorgekühlt, um so negative Wirkungen von Hochtemperaturöl zu vermeiden im Bezug auf den Verdichter und insbesondere auf die Lebensdauer des verwendeten Öls. Es wird zudem offenbart, dass durch diese Wärmeabfuhr aus dem erhitzten Öl eine sinnvolle Nutzung der Abwärme des Verdichters erreicht wird und somit ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet wird.
Konstruktiv ist hierfür ein Öltemperatur-Regelventil vorgesehen, das zwar als kompressor-internes Ventil angesehen werden kann, hierbei aber nicht elektronisch gesteuert wird. Auf diese Weise läßt sich aber nicht einer Regelung zur Wärmerückgewinnung im Sinne der vorliegenden Erfindung verwirklichen, die sowohl auf eine Kühlung des Kompressors, als auch auf eine möglichst große Energieeinsparung des Gesamtsystems gerichtet ist.
Auch hier erschöpft sich die Ausrichtung der Anlage in dessen Grundgedanken auf den idealen Betriebszustand des Verdichters, wobei das eingespritzte Öl einen Temperaturanstieg abhängig vom Lastzustand des Verdichters erfährt, der sinnvollerweise durch eine Wärmerückgewinnung dem Öl wieder entzogen wird. Es soll somit in dieser Veröffentlichung sowohl die Lebensdauer des Öl durch eine gleichmäßigere Temperatur wie auch des Verdichters erreicht werden und gleichzeitig ein Beitrag zum Klimaschutz geleistet werden.
Allerdings beantwortet dies auch in diesem Fall nicht die Frage, ob die Wärmerückgewinnung in irgendeiner Form optimiert wird, bzw. ob diese auf einem konstanten Niveau ablaufen kann. Es geht vielmehr nur darum, das Öl und somit die Betriebsparameter über die Wärmerückgewinnung in einem bestimmten Niveau zu halten.
Das Dokument CN 201401311Y offenbart eine Verdichteranlage mit Wärmerückgewinnung mit einem Ventil vor der Einspritzung in den Verdichter und einem Ventil nach dem Wärmetauscher. Damit offenbart es die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Im Folgenden wird bereits mit den genannten Bezugszeichen auf die beigefügte schematische Darstellung der Anlage Bezug genommen. Bekannter weise wird das zur Schmierung und Kühlung in einer Verdichterstufe [13] eingespritzte Fluid [1] (Öl oder Wasser) nach der Verdichtung der Luft auf der Druckseite aus der Druckluft abgeschieden. Ein Abscheider [8] trennt hierbei die Druckluft vom Fluid, wobei das abgeschiedene Fluid in einem Kreislauf wieder zur Saugseite des Verdichters zurückgeführt wird. Dabei wird das Fluid bei Anlagen ohne WRG in einem internen Wärmetauscher [10] (wasser- oder luftgekühlt) auf das gewünschte Temperaturniveau zur erneuten Einspritzung zurückgekühlt.
Ein kompressorseitiges Regelventil [6] regelt dabei die Fluid-Einspritztemperatur [1] auf den gewünschten festen Wert. Hierfür werden im Stand der Technik beispielsweise Öltemperaturregler als 3/2-Wege-Ventile verwendet, in denen ein durch ein Wachselement betätigter Schieber den Zufluss regelt. Der Öltemperaturregler regelt die Temperatur des Öles innerhalb eines festeingestellten Temperaturintervalls und führt dem Kühler immer nur soviel Öl zu, wie zur Erreichung der gewünschten Öltemperatur vor der Einspritzung erforderlich ist.
Bei einem fluideingespritzen Verdichtungssystem nach dem Stand der Technik wird hierbei versucht, das Fluid möglichst kalt in die Verdichterstufe [13] einzuspritzen, um deren Leistungsaufnahme zu senken. Das heißt, es wird primär auf die Leistungsoptimierung der Kompressoranlage abgehoben.
Betrachtet man jedoch die erfindungsgemäße Kompressoranlage mit WRG, so wird nun die Leistungsaufnahme der Verdichterstufe [13] nicht mehr alleine bewertet, sondern es wird das gesamte System bestehend aus Kompressor und Wärmerückgewinnung betrachtet. Es wurde hierbei festgestellt, daß es durchaus Sinn machen kann, den Kompressor nicht im leistungsmäßig optimalen Punkt zu betreiben. Um die Energiebilanz der Anlage insgesamt zu optimieren.
Die Temperatur des eingespritzten Fluids beeinflusst außer dem Wirkungsgrad der Verdichterstufe noch die Temperatur der verdichteten Luft im Abscheidebehälter [8] und gleichzeitig die Temperatur des Fluides nach der Verdichtung [2]. Bei Kompressoranlagen mit WRG wird dieses durch den Verdichtungsprozess aufgeheizte Fluid [2] zum Erwärmen eines Stoffstromes [4, 5] einem externen Wärmetauscher [9] zugeführt und hierdurch selbst wieder abgekühlt.
Um ein möglicherweise zu starkes Abkühlen des Fluides und somit des Kompressors durch die WRG zu verhindern, wird zusätzlich zum kompressorseitigen Regelventil [6] die Austrittstemperatur des Fluides [3] aus dem Wärmetauschers [9] der WRG mit einem separaten WRG-seitigen Regelventil [7] nach unten hin begrenzt. Dabei müssen kompressorseitiges und WRG-seitiges Regelventil [6 und 7] aufeinander abgestimmt werden um zu verhindern, dass die Fluidtemperatur nach der WRG [3] unterhalb der gewünschten Fluid-Einspritztemperatur [1] absinkt. Wird die WRG nicht benötigt, übernimmt der interne Wärmetauscher [10] die Kühlfunktion des Kompressors.
In der Praxis werden heutzutage zum Regeln der Fluid-Einspritztemperatur [1] fest eingebaute Regelventile [6,7] mit fest definierten Regeltemperaturen eingesetzt.
In der Praxis kommt es nun zu einer Situation, in der die Temperatur des Fluides nach der Verdichtung [2] für die WRG entweder zu gering oder zu hoch ist, da die Anforderungen an eine WRG sehr stark von den Anforderungen und den Einsatzbedingungen des Nutzers abhängen, d.h. jeder Nutzer benötigt unterschiedliche Eintritts [4]- und Austrittstemperaturen [5] für seinen Stoffstrom, z.B. für eine Brauchwassererwärmung. Diese gewünschten Temperaturen können sich dann auch noch zeitlich ändern bzw. sind oftmals erst bei Installation des Kompressors beim Nutzer bekannt.
Bei drehzahlgeregelten Kompressoren verringert sich die Temperatur des Fluides nach der Verdichtung [2] in einem erheblichen Maße (15 - 20°C) bei geringeren Drehzahlen bzw. der Grad der Erwärmung des Fluids beim Verdichtungsprozeß nimmt deutlich ab, weshalb unter Umständen die für die gewünschte WRG benötigen Fluidtemperaturen nach Verdichtung nur unter Vollastbedingungen zur Verfügung stehen.
So wird im Betrieb der Kompressoranlage abhängig von den hier genannten Einflussparametern das Temperaturniveau des Fluides nach der Verdichtung [2], welches für die WRG benötigt wird, je nach Lastbetrieb des Verdichters in einem erheblichen Maße von der erforderlichen Temperatur abweichen bzw. stark variieren. Bei zu geringer Fluidtemperatur nach der Verdichtung und vor der WRG wird somit im realen Betrieb der Kompressoranlage nur ca. 35 - 90% der möglichen Energie zurückgewonnen.
Eine andererseits zu hohe Fluidtemperatur [2], die für das gewünschte Temperaturniveau der WRG nicht benötigt wird, führt zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der Verdichterstufe von lediglich ca. 2 - 5%, da durch die WRG das Fluid vor Eintritt in den Verdichtungsprozeß nicht adäquat heruntergekühlt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, bei dem die für den Nutzer erforderlichen Temperaturen für die Stoffströme [4,5] der WRG einer Regeleinheit [11] als Parameter eingegeben werden können.
Ein in der Regeleinheit hinterlegter Algorithmus steuert über zumindest je ein Regelorgan [6, 7] die Fluid-Austrittstemperatur nach der Verdichtung [2] und die Fluid-Austrittstemperatur nach der WRG [3] in der Form, dass genau das Temperaturniveau erreicht wird, welches der Kunde benötigt, um die gewünschte Wärmemenge der Anlage zurückzugewinnen. Das Plus an Wärmeenergie (10 - 65%) liegt dabei deutlich höher als der etwas erhöhte Leistungsbedarf der Verdichterstufe (ca. 2 - 5%) aufgrund einer erhöhten Fluid-Einspritztemperatur [1].
Andererseits kann beispielsweise das Temperaturniveau wieder abgesenkt werden, wenn zeitweise keine Wärme durch die WRG abgenommen wird, um die Leistung des Verdichters wieder zu reduzieren.
Die durch diese intelligente Regelung erreichbare Einergieeinsparung liegt in einer Größenordnung von 2 - 60%.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung oder auch in einem ergänzenden 2. Schritt ist es zweckmäßig, auch die Regelung der Stoffströme der WRG des Nutzers in Hinblick auf eine maximale Effizienz in das System mit einzubinden. Dabei könnte alternativ zur Fluid-Austrittstemperatur nach der Verdichtung [2] als Regelgröße direkt die gewünschte Austrittstemperatur des Kunden-Stoffstromes [5] geregelt werden. Außerdem ist eine Volumenstrom-Regelung des Kundenstoffstromes durch ein Regelorgan [12] beispielsweise ein Drosselventil vorstellbar, der ein gleichbleibendes Temperaturniveau sicherstellt.
Die angestrebte Temperatur (5) des durch die WRG erwärmten Mediums in der Regeleinheit (11) wird als Ausgangsparameter für die Regelung der Temperatur des Fluides nach der Verdichtung [2] genutzt. Die Solltemperatur des Fluides nach der Verdichtung [2] wird somit bspw. durch die gewünschte Kühlwassertemperatur des Nutzers festgelegt. Soll dieses Kühlwasser z.B. eine Solltemperatur von 95°C erreichen, so berechnet sich der Sollwert der Fluidtemperatur nach der Verdichtung [2] auf 95°C + ca. 5°C = 100°C.
Die Tabelle der Figur 1 zeigt beispielhaft einen Vergleich der Energierückgewinnung einer konventionell geregelten WRG und der erfindungsgemäßen intelligent geregelten WRG.
Bei der konventionell geregelten WRG können in dem hier gerechneten Beispiel 35% bzw. 68% der technisch nutzbaren Energie zurückgewonnen werden, bei einer intelligenten Regelungen sind es 100%.
Im folgenden wird eine Beispielkalkulation einer möglichen zusätzlichen Kostenersparnis durch eine intelligent geregelte WRG angestellt.
Ausgangspunkt ist ein öleingespritzter Schraubenkompressor mit 90kW Nennleistung mit einer technisch maximal möglich zurückgewinnbare Wärme bei ca. 80% der Nennleistung von 0,8 x 90kW = 72kW.
Die jährliche Kosteneinsparung bei 100% Wärmerückgewinnung durch die erfindungsgemäße intelligent geregelte WRG berechnet sich mit den folgenden Parametern
4000Bh/a
0,6 Euro/Liter Heizöl
Heizungswirkungsgrad:75%
oberer Heizwert Heizöl: 10,57 kWh/l) $\frac{72 kW \times 40000 Bh / a \cdot 0,6 Euro / l}{(10,57 kWh / l \cdot 0,75)} = 21.798 Euro / a$
Die jährliche Kosteneinsparung bei 35% Wärmerückgewinnung durch eine konventionell geregelte WRG berechnet sich $0,35 \times 21.798 Euro / a = 7.629 Euro / a$
Die zusätzliche Einsparung durch eine intelligente Regelung WRG beträgt demnach in diesem Beispielsfall etwa 14.168 Euro/Jahr.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand zweier schematischer Zeichnungen in zwei Bauformen näher erläutert werden.
In der schematischen Darstellung der Figur 2 ist zum einen auf der linken Seite der Kompressor 13 dargestellt, in welchen ein Fluid im Betriebszustand 1 eingespritzt wird. Nach der Kompression wird dieses Fluid in einem Abscheider 8 vom Kompressionsmedium getrennt und als Fluid im Betriebszustand 2 nach der Verdichtung in den zweiten rechts dargestellten Bereich des Systems überführt, nämlich in dem der Wärmerückgewinnung (WRG).
In diesem Abschnitt tritt das durch den Verdichtungsprozess erhitzte Fluid im Betriebszustand 2 in erhöhter Temperatur gegenüber dem Betriebszustand 1 ein, da je nach Lastzustand des Kompressors eine definierte Erwärmung des eingespritzten Fluids beim Verdichtungsprozess erfolgt. Dieses erhitzte Fluid wird nun einer Wärmerückgewinnung in einem Wärmetauscher 9 zugeführt, wodurch es nach Durchlaufen dieses Wärmerückgewinnungsprozesses im Betriebszustand 3 nach Wärmerückgewinnung abgekühlt um einen bestimmten zu definierenden Wert wieder austritt.
In der schematischen Darstellung ergibt sich somit auf der rechten Seite ein Wärmerückgewinnungsbereich und auf der linken Seite ein Verdichtungsbereich des erfindungsgemäßen Systems. Hierbei ist auf der Kompressorseite der interne Wärmetauscher 10 zur Regulierung der Temperatur des Fluids vor der Einspritzung mit dem auf der WRG-Seite angeordneten Wärmetauscher 9 in Reihe angeordnet. Innerhalb der Wärmerückgewinnung ist nun dem Wärmetauscher 9 nachgeschaltet ein Regelventil 7 in der dargestellten Ausführungsform vorgesehen, durch welches das nach der Wärmerückgewinnung abgekühlte Fluid durchgeführt wird.
Dieses Ventil ist erfindungsgemäß elektrisch steuerbar, beispielsweise durch einen elektrischen Schrittmotor, der an die Stelle des herkömmlichen Dehnstoffelements tritt, und weist zwei Eingänge A und B auf. Eingang A ist hierbei ein Eingang, durch den das Fluid im Betriebszustand 2 unter Umgehung der Wärmerückgewinnung zugeführt werden kann zur Regulierung der Temperatur des Fluids im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung.
Eingang B ist ein Eingang ins Regelventil 7, durch den das Fluid nach der Wärmerückgewinnung im abgekühlten Zustand eintritt. Das heisst über das Regelventil 7 ist eine Mischung der Fluida im Betriebszustand 2, das heißt mit erhöhter Temperatur und im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung möglich um so die Temperatur zur steuern, welche das Fluid im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung aufweist.
Der Wärmetauscher 9 weist somit ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser auf, welches im Betriebszustand 4 vor Eintritt in den Wärmetauscher 9 in den Betriebszustand 5 mit erhöhter Temperatur nach Durchlaufen des Wärmetauschers 9 vorliegt.
In der dargestellten schematischen Form ist zudem ein zusätzliches Regelorgan 12, bspw. ein Drosselventil, im Zulauf des Wärmetauschers 9 vorgesehen, durch welches der Durchfluss des Wärmetauschers 9 mit dem zu erwärmenden Medium gesteuert werden kann. Auch dies dient zur Regelung der Austrittstemperatur des Fluids im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung. Es liegt bei Reduzierung der Durchflussrate des Kühlmediums im Wärmetauscher 9 eine höhere Austrittstemperatur im Fluid nach der Wärmerückgewinnung vor.
Das Fluid im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung wird nun der Kompressorseite des Systems wieder zugeführt, da es zur neuerlichen Einspritzung in den Verdichter 13 in einem Kreislauf geführt ist. Vor der Einspritzung in den Verdichter 13 ist ein weiteres Regelventil 6 Teil des Systems, welches ebenfalls elektrisch gesteuert wird. Dieses Regelventil 6 kann nun je nach gewünschter Eintrittstemperatur 1 des Fluids bei der Einspritzung in den Verdichter 13 entweder das Fluid in der Temperatur im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung weiterleiten oder eine Regelung zur Verringerung der Temperatur vornehmen.
Wie das Regelventil 7 weist auch das Regelventil 6 hierfür zwei Eingänge auf, nämlich den Eingang A, durch den das Fluid im Betriebszustand 3 in einem bestimmten Temperaturniveau nach der Wärmerückgewinnung zugeführt wird und so der Einspritzung zugeführt wird.
Dem zweiten Eingang B ist ein Kühler 10 vorgeschaltet, durch den das Fluid in einem definierten Niveau in seiner Temperatur verringert werden kann. Durch definierte Öffnung der Eingänge A und B kann somit ein Mischungsverhältniss des Fluids zwischen der höheren Temperatur im Betriebszustand 3 und der abgekühlteren Temperatur nach Durchlaufen des Kühlers 10 eingestellt werden und so das Fluid im Betriebszustand der Einspritzung 1 exakt auf eine gewünschte Temperatur einzustellen.
Es können so für verschiedene Betriebszustände des Systems über die Regelung der Ventile 6 und 7 entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Bei generellem Betrieb der Wärmerückgewinnung bestehen jeweils die Möglichkeiten, das Ventil 7 ausschließlich über den Eingang B oder aus einer Mischung der Eingänge A und B zu betreiben und so die Ausgangstemperatur 3 des Fluids nach der Wärmerückgewinnung zu bestimmen.
Gleichzeitig gelten ebenfalls beide Betriebszustände des Ventils 6 bei Nutzung der Wärmerückgewinnung, nämlich ein ausschließlicher Durchfluss durch den Eingang A oder ein Zuschalten des Eingangs B und somit eine definierte Abkühlung des Fluids vor der Einspritzung in den Kompressor 13.
Wird die Wärmerückgewinnung zeitweise nicht betrieben, kann das Fluid 2 nach der Verdichtung komplett durch Eingang B oder auch in einer Mischforum durch Eingang A und B oder auch komplett unter Umgehung der Wärmegewinnung ausschließlich durch Eingang A geführt werden, da die Wärmerückgewinnung keine Temperatur entzieht und somit die Temperatur nach der Wärmerückgewinnung unabhängig von der Ventilstellung des Regelventils 7 gleichbleibend ist. In diesem Regelfall kann das Regelventil 6 in der Benutzungsstellung beider geöffneter Ventile A und B oder in der ausschließlichen Öffnung des Eingangs B betrieben werden, da in der Regel eine Kühlung des Fluids im Falle eine nicht statt findenden Wärmerückgewinnung grundsätzlich erforderlich sein wird.
Weitere Ventilstellungen ergeben sich aus den Betriebszuständen einer Wärmerückgewinnung, die in der Nutzungstemperatur angehoben oder je nach Bedarf auch gesenkt werden soll. Bei einer angestrebten Anhebung der Nutzungstemperatur der Wärmerückgewinnung ist es zweckmäßig, die Stellung der Eingänge A und B im Ventil 6 vor der Einspritzung hin zu einem vermehrten Durchfluss durch Eingang A in Ventil 6 zu Regulieren, da so die Einspritztemperatur des Fluids im Betriebszustand 1 vor dem Verdichter durch eine Umgehung des Kühlers 10 angehoben wird. Durch die erhöhte Einspritztemperatur des Fluids ergibt sich eine höhere Fluidtemperatur 2 nach der Verdichtung und somit eine höhere Eintrittstemperatur vor der Wärmerückgewinnung, wodurch der Wärmerückgewinnung eine höhere Temperatur zugeführt werden kann.
Es ist eine weitere Steuerungskomponente alternativ oder ergänzend dadurch erreichbar, dass gleichzeitig mit einer Verschiebung hin zum Einlass A in das Ventil 6 bzw. zu einem ausschließlichen Leiten des Fluids im Betriebszustand 3 über den Eingang A des Ventils 6 eine Drosselung des Kühlmediums im Drosselventil 12 bei der Wärmerückgewinnung 9 erfolgt. Durch die Reduzierung der Durchflussrate durch die Wärmerückgewinnung kann auch so dem zu erwärmenden Medium ein höheres Temperaturniveau zugeordnet werden.
Umgekehrt würde eine Absenkung der Nutzungstemperatur der Wärmerückgewinnung dadurch erreicht werden können, dass im Regelventil 6 vor der Einspritzung eine Verschiebung hin zum Eingang B des Ventils erfolgt, das heisst, mehr des Fluids im Betriebszustand 3 nach der Wärmerückgewinnung über den Kühler 10 geleitet wird und somit die Temperatur vor der Einspritzung des Fluids 1 abgesenkt wird. Durch die abgesenkte Einspritztemperatur 1 ergibt sich auch eine Reduzierung der Temperatur 2 nach der Abscheidung im Abscheider 8 nach der Verdichtung vor der Wärmerückgewinnung 9. Das heisst, das Fluid tritt bereits mit geringerer Temperatur in den Wärmetauscher 9 ein, wodurch hier das Temperaturniveau im zu kühlenden Medium im Ausgang 5 reduziert werden kann.
Auch hier ist alternativ bzw. ergänzend die Nutzung eines Drosselventils 12 vor dem Eintritt in die Wärmerückgewinnung möglich, wobei in diesem Fall durch eine höhere Durchflussrate des zu kühlenden Mediums durch die Wärmerückgewinnung 9 ein geringeres Temperaturniveau beim Ausgang 5 erreicht werden kann.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße System auf Änderungen im Lastbetrieb des Kompressors 13 reagieren, um die angestrebte Nutzung der Wärmerückgewinnung auf einem definierten Niveau halten zu können. Es ist hierbei zentrales Anliegen der Erfindung, die Wärmerückgewinnung energetisch optimal zu gestalten und so eine deutlich bessere Energieausbeute des Systems aus Verdichter und Wärmerückgewinnung zu erreichen.
Wird der Lastbetrieb des Kompressors 13 heruntergefahren bewirkt dies, dass die Erhöhung der Fluidtemperatur beim Verdichtungsprozess abnimmt. Nach Abscheidung des Arbeitsmediums im Abscheider 8 ergibt sich somit eine niedrigeren Fluidtemperatur 2 nach der Verdichtung. Um nun die Temperatur für die Wärmerückgewinnung optimal nutzen zu können ist es erforderlich, den Eingang A des Regelventils 6 weiter zu öffnen, da das Fluid im Regelkreis grundsätzlich eine geringere Temperatur hat und somit keiner Abkühlung über den Kühler 10 und somit den Eingang B des Regelventils 6 bedarf.
Durch das Umgehen des Kühlers 10 ist beim Eingang 1 des Fluids in den Verdichter 13 eine höhere Temperatur zu erreichen. Der Wärmerückgewinnungsprozess im Wärmetauscher 9 soll hierbei dennoch eine gewünschte Wärme des zu erwärmenden Mediums nach Durchlauf der Wärmerückgewinnung in Zustand 5 bewirken. Deshalb wird das Fluid vollständig der Wärmerückgewinnung zugeführt und nicht im Bypass über Eingang A des Regelventils 7 um die Wärmerückgewinnung herum geführt. Es soll die maximale Wärmenutzung für die Wärmerückgewinnung so ermöglicht werden.
Um das zu erwärmende Medium im Betriebszustand 5 in seiner Temperatur konstant zu halten kann zudem in einer vorteilhaften Bauform das Drosselventils 12 betätigt werden, um die Durchflussmenge des zu wärmenden Mediums durch den Wärmetauscher 9 derart zu reduzieren, dass die Temperatur im Zustand 5 nach der Wärmerückgewinnung den gewünschten Wert erreicht.
Umgekehrt bewirkt ein Hochfahren des Lastbetriebs des Kompressors 13 einen Temperaturanstieg des Verdichterfluids nach der Verdichtung 2 und nach der Abscheidung im Abscheider 8. Das Fluid im Betriebszustand 2 weist somit eine höhere Temperatur auf, evtl. höher als für die Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher 9 erforderlich. Es ist daher wie im vorherigen Beispielfall nicht zweckmäßig, den Einlass über Eingang A des Regelventils 7 zu nutzen, da so die Wärmeabfuhr des Fluids durch die Wärmerückgewinnung nicht erfolgt. Ein erhöhter Durchfluss des zu erwärmenden Mediums über das Drosselventil 12 durch den Wärmetauscher 9 ist zweckmäßig, um so beim austritt 5 aus dem Wärmetauscher 9 das Medium im Zustand 5 in seiner Temperatur anzupassen.
Ein entscheidender Regelpunkt in diesem Betriebszustand ist die Stellung des Regelventils 6, da hier durch eine erhöhte Umleitung des Fluids im Betriebszustand 3 über den Kühler 10 und somit in den Eingang B des Regelventils 6 die Eingangtemperatur des Fluids auf einen gewünschten Wert im Betriebszustand 1 vor der Verdichtung einstellbar ist. Das heißt, durch die Kühlung des Fluids vor der Einspritzung 1 in den Verdichter wird eine bestimmte Temperatur des Fluids nach der Verdichtung im Betriebszustand 2 eingestellt, die genau den Vorgaben entspricht, um die gewünschte Temperatur des Arbeitsmediums nach Durchlaufen des Wärmetauschers 9 im Betriebszustand 5 zu erreichen.
Zeichnerisch nicht dargestellt sind Messglieder, die für die Versorgung der Regeleinheit mit den benötigten Betriebsparametern erforderlich sind. Temperaturmessglieder sind hierbei zumindest vorgesehen für die Fluidtemperatur 2 nach der Verdichtung und die Fluidtemperatur 3 nach der WRG. Weiterhin ist es zweckmäßig, die Wassertemperatur 5 nach der WRG zu messen, da diese einen angestrebten Wert einhalten soll. Sollte die Eingangstemperatur 4 vor der WRG ebenfalls variabel sein, sollte auch hier ein Messglied vorliegen.
In Figur 3 ist eine alternative Bauform der Anlage dargestellt, bei der nun der zuvor als intern auf der Kompressorseite angeordnete Wärmetauscher 10 nicht mehr in Reihe zum Wärmetauscher 9 geschaltet ist, sondern eine parallele Anordnung zum Wärmetauscher 9 aufweist. Das heisst, das Fluid 2 nach der Verdichtung und mit der durch den Kompressionsvorgang erhöhten Temperatur durchläuft für die Wärmerückgewinnung den Wärmetauscher 9 wie zuvor beschrieben, kann aber auch zur Regelung der Einspritztemperatur 1 bzw. der Fluidtemperatur 2 den zweiten Wärmetauscher 10 durchlaufen und dem Regelventil 7 durch Eingang A zugeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Fluid 3 nach der Wärmerückgewinnung nochmals abzukühlen je nach gewünschten Betriebsparametern.
Es ist in dieser Bauform beim Regelventil 6 vorgesehen, dass diesem zum einen wie bereits zuvor das Fluid 3 im Temperaturzustand nach der Wärmerückgewinnung zugeführt wird. Diesmal ist hierfür Eingang B ins Regelventil vorgesehen im Gegensatz zur vorherigen Bauform. Eingang A kann zur Regelung der Einspritztemperatur des Fluids 1 in den Kompressor mit dem Fluid 2 mit der Temperatur nach der Verdichtung direkt nach dem Abscheider angesteuert werden, wodurch in den Eingang A Fluid einer deutlich höheren Temperatur zugemischt werden kann als das Fluid 3 nach der Wärmerückgewinnung.
Aus diesem alternativen Anlagentyp würde sich insofern die Funktion der Regelventile 6 und 7 gegenüber der vorherigen Beschreibung ändern, dass nun das Regelventil 6 die Aufgabe übernimmt, ein Auskühlen des Kompressors durch eine zu niedrige Temperatur des Fluids 1 zum Zeitpunkt der Einspritzung zu verhindern. Dies würde durch die zuvor beschriebene Zufuhr von Fluid 2 auf dem Temperaturniveau nach der Verdichtung durch den Eingang A verwirklicht. Regelventil 7 regelt die Fluidtemperatur 3 nach Wärmerückgewinnung, wobei hiervon auch wiederum die Temperatur des Fluids vor der Einspritzung 1 sowie nach der Verdichtung 2 abhängig ist.
Auch in dieser Anlagenbauform kann alternativ oder auch ergänzend ein Regelventil 12 vorgesehen sein, welches den Durchfluss des Mediums durch den Wärmertauscher 9 regelt. Durch diese Regelung kann ebenfalls die Wärmeentnahme aus dem Fluid und somit der Temperaturunterschied zwischen dem Fluid nach der Verdichtung 2 und dem Fluid nach Wärmerückgewinnung 3 reguliert werden. Insofern besteht auch hier die Möglichkeit, in einer alternativen Bauform auf ein Regelventil im System zu verzichten. In dieser Bauform wäre hier ein Verzicht auf Regelventil 6 möglich, sofern über das Regelventil 12 ebenfalls eine Steuerung der Fluideinspritztemperatur vorgenommen würde.

Claims

Kompressoranlage mit Flüssigkeitseinspritzung umfassend einen Fluidkreislauf des einzuspritzenden Fluids, wobei im Fluidkreislauf angeordnet sind:
- ein Verdichter (13);

- ein Wärmetauscher (9), welcher vom Fluid zur Wärmerückgewinnung durchlaufen wird;

- eine Regelventilanordnung mit zwei oder drei Regelventilen (6, 7, 12) zur Regelung der Einspritztemperatur des Fluids und der Temperatur des Fluids nach der Wärmerückgewinnung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei oder drei Regelventile ausgewählt sind aus nachfolgender Liste:
a) ein kompressorseitiges Regelventil (6) zur Regelung der Einspritztemperatur des Fluids, welches derart im Fluidkreislauf angeordnet ist, dass es von dem Fluid vor dessen Einspritzung in den Verdichter (13) passiert wird;

b) ein wärmerückgewinnungsseitiges Regelventil (7) zur Regelung der Temperatur des Fluids nach der Wärmerückgewinnung, welches derart im Fluidkreislauf angeordnet ist, dass es von dem Fluid nachdem es den Wärmetauscher (9) durchlaufen hat, passiert wird;

c) ein Regelventil (12) zur Regelung des Durchflusses eines Mediums durch den Wärmetauscher (9), welches im Medium-Zulauf des Wärmetauschers (9) angeordnet ist;
und dadurch, dass

- eine elektronische Regeleinheit (11) vorgesehen ist, welche mittels eines Algorithmus zumindest eines der Regelventile (6,7, 12) regelt, wobei die erforderlichen Temperaturen für die Stoffströme (4, 5) der Wärmerückgewinnung der Regeleinheit (11) als Parameter eingegeben werden.
Kompressoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventilanordnung zusätzlich zur Regelung des Durchflusses eines Mediums durch den Wärmetauscher (9) dient.
Kompressoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventilanordnung das kompressorseitige Regelventil (6) zur Regelung der Einspritztemperatur des Fluids und das wärmerückgewinnungsseitigeRegelventil (7) zur Regelung der Temperatur des Fluids nach der Wärmerückgewinnung umfasst.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventilanordnung das kompressorseitiges Regelventil (6), das wärmerückgewinnungsseitiges Regelventil (7) und das Regelventil (12) zur Regelung des Durchflusses des Mediums durch den Wärmetauscher (9) umfasst.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturmessglieder zur Erfassung zumindest der Fluidtemperatur nach der Verdichtung und der Fluidtemperatur nach der Wärmerückgewinnung im Fluidkreislauf angeordnet sind, die der Regeleinheit (11) Messdaten zuführen.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Temperaturmessglieder zur Erfassung der Temperatur des Mediums nach der Wärmerückgewinnung und/oder der Eingangstemperatur des Mediums vor der Wärmerückgewinnung im Fluidkreislauf angeordnet sind, die der Regeleinheit (11) Messdaten zuführen.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die angestrebte Temperatur des durch die Wärmerückgewinnung erwärmten Mediums in der Regeleinheit (11) als Ausgangsparameter für die Regelung der Temperatur des Fluides nach der Verdichtung genutzt wird.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem wärmerückgewinnungsseitigen Regelventil (7) nach der Wärmerückgewinnung zum einen das Fluid nach der Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher (9) über einen ersten Eingang B und zum anderen das Fluid im Zustand nach einem Abscheider (8) über einen Bypass und einen zweiten Eingang A unter Umgehung des Wärmetauschers (9) zugeführt wird, wobei im Bypass alternativ ein weiterer Wärmetauscher (10) angeordnet sein kann.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem kompressorseitigen Regelventil (6) vor der Einspritzung des Fluids in den Verdichter (13) zum einen das Fluid nach der Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher (9) über einen ersten Eingang A und zum anderen das Fluid über einen Bypass mit einem Wärmetauscher (10) in einen zweiten Eingang B zugeführt wird, zur Regulierung der Einspritztemperatur.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem kompressorseitigen Regelventil (6) vor der Einspritzung des Fluids in den Verdichter (13) zum einen das Fluid nach der Wärmerückgewinnung im Wärmetauscher (9) über einen ersten Eingang B und zum anderen das Fluid auf dem höheren Temperaturniveau nach dem Abscheider (8) unter Umgehung der Wärmerückgewinnung in einem zweiten Eingang A zugeführt wird, zur Regulierung der Einspritztemperatur.
Kompressoranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als kompressorseitiges und wärmerückgewinnungsseitiges Regelventil (6, 7) Schiebeventile mit Schrittmotoren verwendet werden, die über die elektronische Regeleinheit (11) angesteuert werden.