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DE102005028200A1 - Cryo-compressor with high-pressure phase separator - Google Patents

Cryo-compressor with high-pressure phase separator Download PDF

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DE102005028200A1 DE102005028200A DE102005028200A DE102005028200A1 DE 102005028200 A1 DE102005028200 A1 DE 102005028200A1 DE 102005028200 A DE102005028200 A DE 102005028200A DE 102005028200 A DE102005028200 A DE 102005028200A DE 102005028200 A1 DE102005028200 A1 DE 102005028200A1
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Abstract

An apparatus and method for compressing a cryogenic media is disclosed. A compressor includes a compressor chamber surrounded by a cylinder wall in which a compressor piston is moved in a linear manner, a suction valve and a pressure valve, which are arranged in the region of the lower end position of the compressor piston, and a liquid chamber which at least partially surrounds the compressor chamber. The cylinder wall defines at least one opening, which corresponds to the liquid chamber, and at least one opening, via which the gaseous medium can be extracted from the compressor chamber, where the openings are located at points on the cylinder wall that are passed by the compressor piston.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saug- und ein Druckventil, die im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind, und einen den Verdichterraum zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeitsraum.The The invention relates to a compressor, in particular a compressor for cryogenic Media, preferably for liquid Hydrogen comprising a compressor chamber surrounded by a cylinder wall, in which a compressor piston is moved linearly, a suction and a Pressure valve, which is in the range of the lower end position of the compressor piston are arranged, and at least partially the compressor room surrounding liquid space.

Unter dem Begriff "kryogene Medien" seien nachfolgend sog. tiefkalte Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und andere verflüssigte Gase zu verstehen.Under the term "cryogenic Media "are below so-called deep-frozen liquids, especially liquid Hydrogen, liquefied Natural gas, more liquid Nitrogen, more liquid Oxygen and other liquefied To understand gases.

Verdichter jeglicher Art sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ihnen allen ist gemein, dass über ein federbelastetes Saugventil das zu verdichtende Medium in einen Verdichterraum geführt, verdichtet und anschließend über ein Druckventil aus dem Verdichterraum abgezogen wird.compressor Any kind are well known in the art. All of them are mean that over a spring-loaded suction valve to be compacted medium in a Compressor room, compacted and then over a Pressure valve is withdrawn from the compressor room.

Die Federkraft der für das Schließen eines Saugventiles verwendeten Feder – hierbei handelt es sich vorzugsweise um Schraubenfedern – wird im Regelfall so gewählt, dass ein definiertes Schließen des Saugventiles erreicht wird, das Saugventil also in seinen Ventilsitz gedrückt und dadurch verschlossen wird.The Spring force of for the closing a spring used spring - this is preferably around coil springs - will as a rule, chosen that a defined closing of the Suction valve is achieved, the suction valve so in its valve seat depressed and thereby closed.

Während des Saugtaktes des Verdichters – dabei wird der Verdichterkolben von der unteren in die obere Endlage bewegt – müssen die Federkraft und in Abhängigkeit von der Anordnung des Saugventiles (zumindest teilweise) dessen Gewichtskraft durch das in den Verdichterraum einströmende Medium überwunden werden.During the Suction stroke of the compressor - here the compressor piston is moved from the lower to the upper end position - must Spring force and depending from the arrangement of the suction valve (at least partially) Weight is overcome by the medium flowing into the compressor chamber become.

Insbesondere dann, wenn mittels des Verdichters ein kryogenes Medium, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff, angesaugt wird, kommt es aufgrund der bisher verwendeten Saugventilkonstruktionen zu nicht unerheblichen Verlusten bzgl. der Förderleistung, da das über das Saugventil in den Verdichterraum eintretende Medium beim Überwinden der vorbeschriebenen Kräfte des Saugventiles zumindest teilweise verdampft.Especially when, by means of the compressor, a cryogenic medium such as liquid hydrogen, is sucked in, it comes because of the previously used Saugventilkonstruktionen to not insignificant losses in terms of the delivery, since that on the Suction valve in the compressor room entering medium when overcoming the prescribed forces the suction valve at least partially evaporated.

Dies hat zur Folge, dass sich der Flüssiganteil des zu verdichtenden Mediums verringert, woraus eine Verringerung der Förderleistung und eine Erhöhung der spezifischen Verdichterleistung resultieren.This As a result, the liquid content of the medium to be compressed, resulting in a reduction the delivery rate and an increase the specific compressor capacity result.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter, insbesondere einen gattungsgemäßen Verdichter für kryogene Medien, anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können.task the present invention is a generic compressor, in particular a generic compressor for cryogenic Media to specify, in which avoided the aforementioned disadvantages can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßer Verdichter vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zylinderwand wenigstens eine Öffnung, die mit dem Flüssigkeitsraum korrespondiert, und wenigstens eine Öffnung, über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum abgeführt werden kann, aufweist, wobei die Öffnungen an Stellen der Zylinderwand angeordnet sind, die von dem Verdichterkolben überfahren werden.to solution this task a generic compressor is proposed characterized in that the cylinder wall at least an opening, which corresponds to the fluid space, and at least one opening over the gaseous Medium can be removed from the compressor room, the openings are arranged at locations of the cylinder wall, run over by the compressor piston become.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – die Ausbildung der Öffnungen in Form eines und/oder mehrerer Schlitze erfolgt,
  • – die Öffnung(en), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum abgeführt werden kann, mit einer Gasabführleitung in Wirkverbindung steht bzw. stehen,
  • – die Öffnungen an Stellen der Zylinderwand angeordnet sind, die erst dann von dem Verdichterkolben freigegeben werden, wenn dieser unmittelbar vor seiner oberen Endlage oder in seiner oberen Endlage angelangt ist.
  • – das Saugventil auf seiner dem Verdichterkolben zugewandten Fläche wenigstens eine Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung derart ausgebildet ist, dass zwischen dem Saugventil und dem Verdichterkolben ein Unterdruck entsteht.
Further advantageous embodiments of the compressor according to the invention are characterized in that
  • The formation of the openings takes place in the form of one or more slots,
  • The opening (s), via which gaseous medium can be removed from the compressor chamber, is in operative connection with a gas discharge line,
  • - The openings are arranged at points of the cylinder wall, which are only released from the compressor piston when it has arrived immediately before its upper end position or in its upper end position.
  • - The suction valve has on its surface facing the compressor piston at least one recess, wherein the recess is formed such that between the suction valve and the compressor piston, a negative pressure.

Der erfindungsgemäße Verdichter mit Hochdruckphasentrenner sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigt eine seitliche schematisierte Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters mit Hochdruckphasentrenner.Of the inventive compressor with high-pressure phase separator and further embodiments thereof, things the dependent claims represent, are based on the embodiment shown in the figure explained in more detail. The FIG. 1 shows a lateral schematic sectional view through a possible Embodiment of the inventive compressor with high pressure phase separator.

Innerhalb eines Verdichtergehäuses V ist ein von einer Zylinderwand 1 umgebener Verdichterraum R vorgesehen: In diesem wird ein Verdichterkolben K linear hin und her bzw. auf und ab bewegt. Die beiden Umkehrpunkte des Verdichterkolbens K werden nachfolgend als untere und obere Endlage des Verdichterkolbens K bezeichnet.Within a compressor housing V is one of a cylinder wall 1 provided in this compressor space R is a compressor piston K linearly reciprocated or moved up and down. The two reversal points of the compressor piston K are referred to below as the lower and upper end position of the compressor piston K.

Am Boden des Verdichterraumes R ist ein mittels einer Feder 5 belastetes Saugventil S und ein – lediglich schematisch dargestelltes – federbelastetes Druckventil D angeordnet. Beide Ventile werden über die mittels der Federn erzeugten Kräfte in ihre Ventilsitze gedrückt und dadurch geschlossen. Der Verdichterraum R bzw. die Zylinderwand 1 sind zumindest teilweise von einem Flüssigkeitsraum F, der durch das zu verdichtende, flüssige Medium gebildet wird, umgeben. Oberhalb dieses Flüssigkeitsraumes F ist ein Gasvolumen bzw. -raum G ausgebildet.At the bottom of the compressor chamber R is a by means of a spring 5 loaded suction valve S and a - Only schematically illustrated - spring-loaded pressure valve D arranged. Both valves are pressed by the forces generated by the springs in their valve seats and thereby closed. The compressor chamber R or the cylinder wall 1 are at least partially surrounded by a liquid space F, which is formed by the liquid medium to be compressed. Above this liquid space F, a gas volume or space G is formed.

Zum Stand der Technik zählende Verdichterkonstruktionen weisen die in der Figur dargestellten Öffnungen 2 und 3 nicht auf. Während des Saugtaktes – dabei bewegt sich der Verdichterkolben K aus der unteren in die obere Endlage – strömt über das Saugventil S flüssiges Medium aus dem Flüssigkeitsraum F in den Verdichterraum R, wobei das flüssige Medium – wie eingangs erläutert – zumindest teilweise verdampft.Prior art compressor designs have the apertures shown in the figure 2 and 3 not up. During the suction cycle - while the compressor piston K moves from the lower to the upper end position - flows via the suction valve S liquid medium from the liquid space F in the compressor chamber R, the liquid medium - as explained above - at least partially evaporated.

Erfindungsgemäß sind nunmehr wenigstens zwei Öffnungen 2 und 3 vorgesehen. Hierbei korrespondiert eine der Öffnungen 2 mit dem Flüssigkeitsraum, während über die andere Öffnung 3 gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum R abgeführt werden kann. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdichters erfolgt dieses Abführen des gasförmigen Mediums aus dem Verdichterraum R über eine Gasabführleitung 4. Das durch den Ansaugvorgang über die Öffnung 2 entstandene Gas kann nunmehr den Verdichterraum R über die Öffnung 3 verlassen und durch nachströmendes, flüssiges Medium ersetzt werden. Dies führt zu einer Steigerung der Förderleistung und einer Senkung der spezifischen Verdichtungsarbeit.According to the invention now at least two openings 2 and 3 intended. Here one of the openings corresponds 2 with the fluid space while over the other opening 3 gaseous medium from the compressor chamber R can be removed. In the embodiment of the compressor according to the invention shown in the figure, this discharge of the gaseous medium takes place from the compressor chamber R via a gas discharge line 4 , This through the suction through the opening 2 Resulting gas can now the compressor chamber R through the opening 3 leave and be replaced by inflowing, liquid medium. This leads to an increase in the delivery rate and a reduction in specific compaction work.

Das mittels des Kolbens K verdichtete Gas verlässt den Verdichterraum R bei geöffnetem Druckventil D über die Gasabführleitung 6 und wird anschließend über eine Hochdruckleitung einem Verbraucher zugeführt.The gas compressed by means of the piston K leaves the compressor chamber R with the pressure valve D open via the gas discharge line 6 and is then fed via a high-pressure line to a consumer.

Die beiden Öffnungen 2 und 3 sind entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters vorzugsweise in Form eines und/oder mehrerer Schlitze ausgebildet.The two openings 2 and 3 are formed according to an advantageous embodiment of the compressor according to the invention preferably in the form of one and / or more slots.

Die Öffnungen 2 und 3 sind vorzugsweise an Stellen der Zylinderwand 1 angeordnet, die erst dann von dem Verdichterkolben K überfahren sind bzw. werden, wenn dieser unmittelbar vor seiner oberen Endlage oder in seiner Endlage angelangt ist.The openings 2 and 3 are preferably in places of the cylinder wall 1 arranged, which are only then run over by the compressor piston K or, if this has arrived immediately before its upper end position or in its end position.

In der Figur sei der Verdichterkolben K in seiner oberen Endlage dargestellt. Die beiden Öffnungen 2 und 3 sind nunmehr freigegeben, so dass über die Öffnung 2 zu verdichtendes, flüssiges Medium aus dem Flüssigkeitsraum F in den Verdichterraum R einströmen kann (dargestellt durch die parallel gezeichneten Pfeile). Dieses einströmende flüssige Medium ergänzt die bereits im Verdichterraum R befindliche Flüssigkeitsmenge F', die aus dem über das Saugventil S während des Saugtraktes einströmenden flüssigen Medium resultiert.In the figure, the compressor piston K is shown in its upper end position. The two openings 2 and 3 are now released, so that over the opening 2 to be compressed, liquid medium from the liquid space F in the compressor chamber R can flow (shown by the parallel drawn arrows). This inflowing liquid medium supplements the liquid quantity F 'already in the compressor chamber R, which results from the liquid medium flowing in via the suction valve S during the suction tract.

Über die Öffnung 3 bzw. die Gasabführleitung 4 kann das während des Saugtaktes gebildete gasförmige Medium G' aus dem Verdichterraum R entweichen. Dieses Entweichen des gasförmigen Mediums wird durch das über die Öffnung 2 einströmende flüssige Medium unterstützt, da durch das einströmende flüssige Medium das im Verdichterraum R befindliche gasförmige Medium G' aus dem Verdichterraum R verdrängt wird.About the opening 3 or the gas discharge line 4 For example, the gaseous medium G 'formed during the suction cycle can escape from the compressor chamber R. This escape of gaseous medium is through the opening 2 inflowing liquid medium supports, as is located in the compressor chamber R gaseous medium G 'is displaced from the compressor chamber R by the inflowing liquid medium.

Im Gegensatz zu den bis dato bekannten Verdichterkonstruktionen muss der zwangsläufig entstehende Gasanteil G' des zu verdichtenden Mediums nunmehr nicht mehr mitverdichtet werden, da er vor der Verdichtung aus dem Verdichterraum R abgeführt werden kann. Durch das Vorsehen der Öffnung 2, die mit dem Flüssigkeitsraum F korrespondiert, wird nunmehr sicher gestellt, dass der Verdichterraum R vor der Verdichtung vollständig mit flüssigem Medium F' befüllt wird.In contrast to the previously known compressor designs, the inevitably resulting gas fraction G 'of the medium to be compressed no longer needs to be compressed, since it can be removed from the compressor chamber R before compression. By providing the opening 2 , which corresponds to the liquid space F, is now ensured that the compressor chamber R is completely filled with liquid medium F 'before the compression.

In der Figur nicht dargestellt ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters, gemäß der das Saugventil S auf seiner dem Verdichterkolben K zugewandten Fläche wenigstens eine Vertiefung aufweist; diese ist hierbei derart ausgebildet, dass zwischen dem Saugventil S und dem Verdichterkolben K ein Unterdruck entsteht.In the figure is not shown, a further advantageous embodiment the compressor according to the invention, according to the Suction valve S on its the compressor piston K facing surface at least having a recess; this is designed here in such a way that between the suction valve S and the compressor piston K, a negative pressure arises.

Bewegt sich der Verdichterkolben K nunmehr während des Saugtaktes nach oben, wird das Saugventil S aufgrund des entstandenen Unterdruckes zwischen ihm und dem Verdichterkolben K von diesem bewegt bzw. angehoben.Emotional the compressor piston K now up during the suction cycle, is the suction valve S due to the resulting negative pressure between him and the compressor piston K of this moves or raised.

Die Form der auf der dem Verdichterkolben K zugewandten Fläche des Saugventiles S vorzusehenden Vertiefungen) kann im Prinzip beliebig gewählt werden; entscheidend ist letztendlich nur, dass es zur Ausbildung eines Unterdruckes zwischen Saugventil S und Verdichterkolben K kommt. Auch können lediglich eine oder aber auch mehrere Vertiefungen vorgesehen werde.The Form of the compressor piston K facing surface of the Suction valves S recesses to be provided) can in principle arbitrary chosen become; Ultimately it is only decisive that it is for training a negative pressure between the suction valve S and the compressor piston K comes. Also can only one or more wells would be provided.

Mittels der vorbeschriebenen Erfindung wird erreicht, dass der Flüssiganteil im Verdichterraum ansteigt, woraus eine höhere Förderleistung des erfindungsgemäßen Verdichters resultiert. Somit kann eine Verringerung der spezifischen Verdichterleistung bezogen auf die Menge des geförderten bzw. verdichteten Mediums erzielt werden.through the above-described invention is achieved that the liquid fraction increases in the compressor room, resulting in a higher capacity of the compressor according to the invention results. Thus, a reduction in specific compressor performance based on the amount of subsidized or compressed medium can be achieved.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verdichter verbundenen Vorteile werden durch eine gegenüber dem Stand der Technik geringfügig kompliziertere Verdichterkonstruktion erkauft; die mit ihr verbundenen Mehrkosten werden jedoch durch die erreichten Vorteile mehr als kompensiert.The advantages associated with the compressor according to the invention are opposed by one the prior art purchased slightly more complicated compressor design; However, the additional costs associated with it are more than compensated for by the benefits achieved.

Claims (5)

Verdichter, insbesondere Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saug- und ein Druckventil, die im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind, und einen den Verdichterraum zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeitsraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwand (1) wenigstens eine Öffnung (2), die mit dem Flüssigkeitsraum (F) korrespondiert, und wenigstens eine Öffnung (3), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum (R) abgeführt werden kann, aufweist, wobei die Öffnungen (2, 3) an Stellen der Zylinderwand (1) angeordnet sind, die von dem Verdichterkolben (K) überfahren werden.Compressor, in particular compressors for cryogenic media, preferably for liquid hydrogen, comprising a cylinder wall surrounded by a compressor chamber in which a compressor piston is moved linearly, a suction and a pressure valve, which are arranged in the region of the lower end position of the compressor piston, and a Compressor space at least partially surrounding liquid space, characterized in that the cylinder wall ( 1 ) at least one opening ( 2 ), which corresponds to the liquid space (F), and at least one opening ( 3 ), via which gaseous medium can be discharged from the compressor chamber (R), the openings ( 2 . 3 ) in places of the cylinder wall ( 1 ) are arranged, which are run over by the compressor piston (K). Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2, 3) in Form eines und/oder mehrerer Schlitze ausgebildet sind.Compressor according to claim 1, characterized in that the openings ( 2 . 3 ) are formed in the form of one and / or a plurality of slots. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen) (3), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum (R) abgeführt werden kann, mit einer Gasabführleitung (4) in Wirkverbindung steht bzw. stehen.Compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the openings) ( 3 ), can be removed via the gaseous medium from the compressor chamber (R), with a Gasabführleitung ( 4 ) is in active connection or stand. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2, 3) an Stellen der Zylinderwand (1) angeordnet sind, die erst dann von dem Verdichterkolben (K) freigegeben werden, wenn dieser unmittelbar vor seiner oberen Endlage oder in seiner oberen Endlage angelangt ist.Compressor according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the openings ( 2 . 3 ) in places of the cylinder wall ( 1 ) are arranged, which are only released from the compressor piston (K) when it has arrived immediately before its upper end position or in its upper end position. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (S) auf seiner dem Verdichterkolben (K) zugewandten Fläche wenigstens eine Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung derart ausgebildet ist, dass zwischen dem Saugventil (S) und dem Verdichterkolben (K) ein Unterdruck entsteht.Compressor according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the suction valve (S) on its the Compressor piston (K) facing surface has at least one recess, wherein the recess is formed such that between the suction valve (S) and the compressor piston (K) creates a negative pressure.
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