DE102008060598A1 - Apparatus and method for compressing or compressing a gas - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder (8, 108) und einen zweiten adiabaten Zylinder (7, 107), der mit dem ersten Zylinder (8, 108) über eine Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie hydraulisch verbunden ist, wobei (a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet; (b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) in den ersten adiabaten Zylinder (8, 108) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) befindet; (d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder (8, 108) in den zweiten adiabaten Zylinder (7, 107) geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr (11) oder Abfuhr (111) von Energie passiert; und (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.The invention relates to a device for compressing or relaxing a gaseous working fluid by means of a hydraulic fluid, comprising a first adiabatic cylinder (8, 108) and a second adiabatic cylinder (7, 107) connected to the first cylinder (8, 108) via a device is hydraulically connected to the supply (11) or discharge (111) of energy, wherein (a) in a first state the gaseous working fluid is in the first adiabatic cylinder (8, 108) and the hydraulic fluid in the second adiabatic cylinder (7 , 107); (B) in a first step, the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder (7, 107) in the first adiabatic cylinder (8, 108) is guided, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying (11) or discharge (111) of energy ; (c) in a second state, the gaseous working fluid is in the second adiabatic cylinder (7, 107) and the hydraulic fluid is in the first adiabatic cylinder (8, 108); (D) in a second step, the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder (8, 108) in the second adiabatic cylinder (7, 107) is guided, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying (11) or discharge (111) of energy ; and (e) repeatedly executing the first step (b) upon reaching the second state and then the second step (d) upon reaching the first state.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verdichtung oder Kompression eines gasförmigen Arbeitsmittels. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Verdichtung oder Kompression eines gasförmigen Arbeitsmittels.The The invention relates to an arrangement for compression or compression a gaseous working medium. It further relates to a method of compaction or compression a gaseous working medium.
Die Kompression oder Expansion von Gasen hat in der Energiewirtschaft eine bereite Anwendung gefunden. Beispielsweise wird die Expansion von Gasen in Verfahren zur Erzeugung von elektrischer oder mechanischer Energie aus anderen Energieformen wie beispielsweise Wärmeenergie verwendet. Bei sogenannten ORC-Prozessen (OCR = Organic Rankine Cycle), wird Wärmeenergie mittels eines gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmittels, mit Ausnahme von Wasser, in elektrische Energie umgewandelt.The Compression or expansion of gases has in the energy industry found a ready application. For example, the expansion of gases in processes for the production of electrical or mechanical Energy from other forms of energy such as heat energy used. In so-called ORC processes (OCR = Organic Rankine Cycle), becomes heat energy by means of a gaseous or liquid Working fluid, with the exception of water, into electrical energy transformed.
Die Kompression von Gasen findet hingegen in Wärmepumpen Anwendung. In den Verdichtereinheiten der Wärmepumpen werden unter anderem Arbeitsmittel mit hohen Verdichtungsenddrücken und/oder großen Druckverhältnissen eingesetzt. Derartige Arbeitsmittel sind insbesondere Kohlendioxid oder Ammoniak. Ferner wird die Kompression von Gasen in einer Verdichtereinheit zur Energiespeicherung genutzt, wie dies beispielsweise in Druckluftspeichern der Fall ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Kompression von Gasen ist die isotherme Verdichtung, bei der Trennung oder Abfuhr der Kompressionswärme erforderlich ist. Überdies werden Gase komprimiert, bei denen eine Explosionsgefährdung besteht.The Compression of gases, on the other hand, is used in heat pumps. In the Compressor units of heat pumps Among other things, work equipment with high compression pressures and / or huge pressures used. Such work equipment is in particular carbon dioxide or Ammonia. Further, the compression of gases in a compressor unit used for energy storage, as for example in compressed air storage the case is. Another application of the compression of Gases is the isothermal compression, during separation or discharge the compression heat is required. moreover Gases are compressed where there is a risk of explosion.
Zur Kompression von Gasen werden im Bereich von kleinen bis mittleren Leistungen vorwiegend Roll- und Hubkolbenverdichter eingesetzt, während im Bereich von mittleren bis großen Leistungen Schrauben- oder Turbomaschinen verwendet werden.to Compression of gases are in the range of small to medium Mainly used roll and reciprocating compressors, while in the range of medium to large power screw or Turbo machines are used.
Bei der Expansion von Gasen werden – insbesondere für OCR-Prozesse – im mittleren Leistungsbereich vorwiegend Hub- oder Drehkolbenmotoren und im großen Lei stungsbereich Turbo- oder Schraubenverdichter eingesetzt. Hingegen sind im kleinen Leistungsbereich, kleiner 10 kW elektrisch, bisher keine wirtschaftlichen Anlagen gebaut worden, bei denen ein ORC-Prozeß angewendet werden konnte. Lediglich auf Basis des Stirlingmotors wurden sogenannte „Mini-Blockheizkraftwerke” gebaut.at the expansion of gases - especially for OCR processes - in the middle Performance range mainly rotary or rotary piston engines and in the large Lei stungsbereich Turbo or screw compressor used. On the other hand, are in small Power range, smaller 10 kW electrical, so far no economic Plants were built, where an ORC process could be applied. Only on the basis of the Stirling engine so-called "mini combined heat and power plants" were built.
Die zur Kompression eingesetzten Vorrichtungen weisen jedoch gewisse Nachteile auf. Bei diesen Maschinen wird aufwendig mechanisch eine Volumenverdrängung durch Kolben erreicht, wozu oftmals der Einsatz von Schmieröl notwendig ist, um zum einen die Mechanik zu schonen und zum anderen eine bessere Dichtheit zwischen Kolben und Zylinderwand zu erreichen. Dies führt zu unnötigen Energieverlusten und Umweltbelastungen und macht solche Verdichter aufwendig und kostenintensiv. Selten erreichen diese Verdichterbauarten einen isentropen Wirkungsgrad von mehr als 75%.The However, devices used for compression have certain Disadvantages. In these machines is mechanically consuming a volume displacement achieved by pistons, which often requires the use of lubricating oil is, on the one hand to protect the mechanics and on the other a better one To achieve tightness between piston and cylinder wall. This leads to unnecessary energy losses and environmental pollution and makes such compressor consuming and expensive. Rarely do these compressor designs reach one isentropic efficiency of more than 75%.
Eine Ausnahme stellen allerdings Membran- und Turboverdichter dar. Beim Membranverdichter wird eine Membran mechanisch oder hydraulisch angetrieben, welche dann die Volumenverdrängung des Gases hervorruft. Diese Verdichter benötigen kein Schmieröl zur Abdichtung und erreichen durchaus isentrope Wirkungsgrade von 90%. Bei Turboverdichtern wird das zu komprimierende Gas durch ein Schaufelrad beschleunigt und anschließend in einem Diffusor die kinetische Energie in Druck umgewandelt. Dabei kommt selten der Einsatz von Schmieröl vor. Allerdings benötigen die Schaufelräder sehr hohe Drehzahlen, um auf annehmbare Wirkungsgrade zu kommen. Ferner müssen große Volumenströme gefördert werden, was wiederum den Einsatz solcher Maschinen auf große Leistungen einschränkt.A Exceptional, however, are membrane and turbo compressors Membrane compressor becomes a membrane mechanically or hydraulically driven, which then causes the volume displacement of the gas. These compressors do not need any oil for sealing and achieve quite isentropic efficiencies of 90%. In turbocompressors, the gas to be compressed is through a Accelerated paddle wheel and then in a diffuser the kinetic energy converted into pressure. It rarely comes the Use of lubricating oil in front. However, need the paddle wheels very high speeds in order to achieve acceptable efficiencies. Furthermore, must size flow rates promoted which, in turn, makes the use of such machines great on performance limits.
Auch die zur Expansion von Gasen bisher verwendeten Vorrichtungen weisen verschiedene Nachteile auf. Die im kleinen Leistungsbereich eingesetzten Stirling-Blockheizkraftwerke haben zwar gute Wirkungsgrade, allerdings ist bei diesen Anlagen die Leistungsdichte gerade im Niedertemperaturbereich verhältnismäßig schlecht. Aus diesem Grund sind derartige Anlagen oft groß und teuer, was sich wiederum negativ auf deren Wirtschaftlichkeit auswirkt. Bei ORC-Prozessen werden bedingt durch die Turbo- bzw. Schraubenverdichter nur wirtschaftliche Anlagen im mittleren und großen Leistungsbereich betrieben. Dies gilt ebenso bei der Kompression.Also have the devices used for the expansion of gases so far various disadvantages. The used in the small power range Stirling cogeneration Although have good efficiencies, but is in these plants the power density, especially in the low temperature range relatively poor. For this reason, such systems are often large and expensive, which in turn negative impact on their profitability. For ORC processes are due to the turbo or screw compressor only economic Facilities in the middle and large Power range operated. This also applies to compression.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zur Kompression bzw. Expansion eines Gases angegeben werden, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist, kostengünstig realisiert werden kann und eine wirtschaftlich Anwendung insbesondere bei ORC-Prozessen in Anlagen mit kleinen und mittleren Leistungen im Niedertemperaturbereich ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren zur Kompression bzw. Expansion eines Gases angegeben werden.task The invention is to the disadvantages of the prior art remove. It is intended in particular a device for compression or expansion of a gas can be specified, which has a high efficiency has realized cost-effective can be used economically and in particular with ORC processes in plants low and medium power in the low temperature range allows. Furthermore, a method for the compression or expansion of a gas be specified.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 7 und 9 bis 14.These The object is solved by the features of claims 1 and 8. Advantageous embodiments The inventions result from the features of claims 2 to 7 and 9 to 14.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder und einen zweiten adiabaten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch verbunden ist, vorgesehen, wobei
- (a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet;
- (b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert;
- (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder befindet;
- (d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert; und
- (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.
- (a) in a first state, the gaseous working fluid is in the first adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the second adiabatic cylinder;
- (B) in a first step, the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided in the first adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy;
- (c) in a second state, the gaseous working fluid is in the second adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the first adiabatic cylinder;
- (D) in a second step, the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is guided in the second adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy; and
- (E) the first step (b) upon reaching the second state and then the second step (d) are repeatedly executed upon reaching the first state.
Die Erfindung beruht auf der Expansion oder Kompression von Gasen durch Volumenverdrängung mit Hilfe einer Hydraulikflüssigkeit, die im Falle der Kompression durch eine Hydraulikpumpe eine Energiezufuhr infolge einer Druckerhöhung oder im Fall der Expansion durch einen Hydraulikmotor eine Energieabfuhr infolge einer Druckabsenkung erfährt.The Invention is based on the expansion or compression of gases Volume displacement with Help of a hydraulic fluid, which in the case of compression by a hydraulic pump, an energy supply due to an increase in pressure or in the case of expansion by a hydraulic motor, an energy dissipation experiences as a result of a reduction in pressure.
Das gasförmige Arbeitsmittel ist vorzugsweise ein technisches Gas, beispielsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, Luft, Stickstoff, Argon, Ammoniak, Helium, Propan, Wasserstoff und/oder Distickstoffmonoxid. Bevorzugte gasförmige Arbeitsmittel sind Sauerstoff, Luft, Stickstoff und Kohlendioxid. Ein besonders bevorzugtes gasförmiges Arbeitsmittel ist Kohlendioxid. Das gasförmige Arbeitsmittel wird im folgenden auch als Gas bezeichnet.The gaseous Working means is preferably a technical gas, for example Carbon dioxide, oxygen, air, nitrogen, argon, ammonia, helium, Propane, hydrogen and / or nitrous oxide. Preferred gaseous working medium are oxygen, air, nitrogen and carbon dioxide. A special preferred gaseous Work equipment is carbon dioxide. The gaseous working fluid will be described below also referred to as gas.
Die Hydraulikflüssigkeit ist vorzugsweise Wasser. Der erste und zweite Zylinder haben vorzugsweise gleiche Innenvolumina.The hydraulic fluid is preferably water. The first and second cylinders are preferably same interior volumes.
Es kann vorgesehen sein, daß in den adiabaten Zylindern die Hydraulikflüssigkeit und das gasförmige Arbeitsmittel voneinander getrennt sind, um das Lösen des gasförmigen Arbeitsmittels in der Hydraulikflüssigkeit zu verhindern. Für diese Trennung kann in den Zylindern jeweils ein Trennelement, beispielsweise ein Kolben oder eine Membran, vorgesehen sein. Das Trennelement, das das gasförmige Arbeitsmittel vollständig von der Hydraulikflüssigkeit trennt, ist in dem Zylinder entlang der Längsachse beweglich, so daß sich dessen Position in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Zylinder verändern kann.It can be provided that in the adiabatic cylinders, the hydraulic fluid and the gaseous working fluid are separated from each other to the dissolution of the gaseous working fluid in the hydraulic fluid to prevent. For this separation can in the cylinders each have a separating element, for example a piston or a membrane may be provided. The separator, the gaseous one Work equipment completely from the hydraulic fluid is movable in the cylinder along the longitudinal axis, so that its Position in dependence from the pressure ratios change in the cylinder can.
Unter einem adiabaten Zylinder wird hier ein Zylinder verstanden, der keinen oder einen möglichst geringen Wärmeaustausch mit der Umgebung aufweist. Dies kann durch eine Isolierung der Zylinder erreicht werden. In den Zylindern kann die Arbeitsgastemperatur durch Einbringung von Wärmeübertragern begrenzt werden.Under an adiabatic cylinder is here understood a cylinder that none or as small as possible heat exchange with the environment. This can be achieved by insulating the cylinders become. In the cylinders, the working gas temperature can be increased by introduction of heat exchangers be limited.
Die Begriffe „Kompression” und „Verdichtung” werden hier synonym verwendet. Ebenso werden die Begriffe „Expansion” und „Entspannung” synonym verwendet.The Terms "compression" and "compression" are used used synonymously here. Similarly, the terms "expansion" and "relaxation" become synonymous used.
Unter einem vollständig gefüllten Zylinder wird ein Zylinder verstanden, der entweder vollständig oder zumindest zu 98% mit dem gasförmigen Arbeitsmittel oder der Hydraulikflüssigkeit bei einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck gefüllt ist.Under one completely filled Cylinder is understood as a cylinder that is either complete or at least 98% with the gaseous Working fluid or hydraulic fluid at a given Temperature and a predetermined pressure is filled.
Die Vorrichtung weist einen vergleichsweise einfachen Aufbau auf, da alle verwendeten Komponenten Massenartikel und demnach kostengünstig beschaffbar sind. Ferner ist ein einfacher Umbau von der Vorrichtung zur Expansion eines Gases (= Expansionsmaschine) zur Vorrichtung zur Verdichtung eines Gases (= Kompressionsmaschine) oder umgekehrt möglich.The Device has a comparatively simple structure, since All components used mass-produced and therefore inexpensive to buy are. Furthermore, a simple conversion of the device for expansion a gas (= expansion machine) to the device for compression of a Gases (= compression machine) or vice versa possible.
Bei Anwendung von Wasserhydraulik wird eine Belastung durch Öl oder andere Schmier- und Arbeitstoffe vermieden. Mittels der Dimensionierung der beiden Zylinder sind unter Beachtung der Arbeitspunkte von Hydraulikpumpe bzw. Hydraulikmotor beliebige Druckverhältnisse wählbar. Es werden sehr gute maschinelle Wirkungsgrade von 90 bis 95% erreicht.at Application of water hydraulics becomes a burden of oil or others Lubricants and working materials avoided. By sizing the Both cylinders are in compliance with the operating points of hydraulic pump or hydraulic motor arbitrary pressure conditions selectable. It will be very good achieved machine efficiencies of 90 to 95%.
Die Erfindung ermöglicht erstmals eine wirtschaftliche Anwendung der Expansion von Gasen bei ORC-Prozessen mit kleiner und mittlerer Leistung im Niedertemperaturbereich (>= 200°C) bei Verwendung von Kohlendioxid (R744) als Arbeitsmittel. Unter kleiner Leistung werden hier ≤ 50 kW elektrisch, unter mittlerer Leistung : 51 kW ≥ Leistung elektrisch ≤ 500 kW verstanden.The Invention allows for the first time an economic application of the expansion of gases ORC processes with low and medium power in the low temperature range (> = 200 ° C) when used of carbon dioxide (R744) as working fluid. Under low power here ≤ 50 kW electric, under average power: 51 kW ≥ electric power ≤ 500 kW understood.
Vorrichtung zur Verdichtung eines Gases (Kompressionsmaschine)Device for compressing a gas (Compression engine)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei der
- – der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann (die erste Leitung wird im Zusammenhang mit der Verdichtung eines Gases auch als Druckleitung bezeichnet);
- – der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömen kann (die zweite Leitung wird im Zusammenhang mit der Verdichtung eines Gases auch als Saugleitung bezeichnet);
- – der
zweite adiabate Zylinder über
ein drittes Ventil mit der ersten Leitung (Druckleitung) verbunden
ist, in die verdichtetes gasförmiges
Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder (
7 ) strömen kann; - – der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil mit der zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – die Einrichtung zur Zufuhr von Energie eine Hydraulikpumpe ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe passiert, erhöht; wobei
- – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
- – in
dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten
Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel
in dem ersten adiabaten Zylinder (
8 ) auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder erreicht ist, das vierte Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus der zweiten Leitung (Saugleitung) in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und - – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder erreicht ist, das zweite Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus der zweiten Leitung (Saugleitung) in den ersten adiabaten Zylinder strömt.
- - The first adiabatic cylinder is connected via a first valve to a first conduit into which compressed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder can flow (the first conduit is in connection with the compaction tion of a gas also referred to as a pressure line);
- - The first adiabatic cylinder is connected via a second valve to a second line from which relaxed gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder can flow (the second conduit is also referred to as suction in connection with the compression of a gas);
- - The second adiabatic cylinder is connected via a third valve to the first line (pressure line), in the compressed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder (
7 ) can flow; - - The second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve to the second line (suction line), can flow from the relaxed gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder;
- The means for supplying energy is a hydraulic pump which increases the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic pump; in which
- - In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- In the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided into the first adiabatic cylinder, (i) the gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder (
8th ) is compressed to a predetermined pressure, wherein, once the gaseous working fluid has reached the predetermined pressure, the first valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first conduit (pressure line); and (ii) the pressure in the second adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the second adiabatic cylinder is reached, the fourth valve opens so that expanded gaseous working fluid from the second conduit (suction conduit) enters the second adiabatic cylinder flows; and - - In the second step, in which the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is fed into the second adiabatic cylinder, (i) the gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous working fluid exceeds the predetermined Pressure has reached, the third valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first line (pressure line); and (ii) the pressure in the first adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the first adiabatic cylinder is reached, the second valve opens so that expanded gaseous working fluid from the second conduit (suction conduit) enters the first adiabatic cylinder flows.
Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird zweckmäßigerweise über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die beiden Dreiwegeventile werden gleichzeitig umgeschaltet, um die Strömungsrichtung zu ändern.The flow direction the hydraulic fluid is conveniently about two Three-way valves intended in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder are arranged. The two three-way valves are simultaneously switched to the flow direction to change.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The First, second, third and fourth valves are expediently Check valves.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The Control of the first, second, third and fourth valve and the Three-way valves can over a control unit.
Vorzugsweise
ist die erste Leitung (Druckleitung), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein
Expansionsventil mit der zweiten Leitung (
In einer Ausführungsform kann zumindest einem, vorzugsweise beiden Zylindern der Vorrichtung zum Verdichten eines Gases jeweils ein Wärmetauscher zugeordnet sein. Diese Ausführungsform ermöglicht eine isotherme Verdichtung des Gases. Die Hydraulikflüssigkeit, die aus einem Zylinder in den anderen Zylinder strömt, passiert den Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Anschließend wird sie über eine Düse in den Zylinder geleitet und dort versprüht. Auf diese Weise kann die Hydraulikflüssigkeit die bei der Verdichtung des Gases entstehende Kompressionswärme aufnehmen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit nur geringfügig. Das Gas nimmt lediglich den Anteil an Druckenergie auf und speichert diesen. Es nimmt nur einen geringen Teil der Kompressionswärme auf. Nach der Umschaltung der Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit passiert die Hydraulikflüssigkeit auf dem Weg von dem einen Zylinder zu dem anderen Zylinder erneut einen Wärmetauscher, in dem der Hydraulikflüssigkeit die Kompressionswärme wieder entzogen wird.In an embodiment can at least one, preferably both cylinders of the device for Compressing a gas to be assigned in each case a heat exchanger. This embodiment allows an isothermal compression of the gas. The hydraulic fluid, which flows from one cylinder into the other cylinder, happens the heat exchanger and is cooled down there. Subsequently she will over a nozzle passed into the cylinder and sprayed there. In this way, the Hydraulic fluid the absorb compression heat generated during the compression of the gas. It warms up the hydraulic fluid only slightly. The gas only absorbs the proportion of pressure energy and stores this. It absorbs only a small part of the heat of compression. After switching the flow direction the hydraulic fluid happens the hydraulic fluid on the way from one cylinder to the other cylinder again a heat exchanger, in the hydraulic fluid the compression heat is withdrawn again.
Vorrichtung zur Entspannung eines Gases (Expansionsmaschine)Device for relaxing a gas (Expander)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei der
- – der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil und ein erstes Dreiwegeventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den erste adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil und ein zweites Dreiwegeventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil und das erste Dreiwegeventil mit der ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil und das zweite Dreiwegeventil mit der zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – die Einrichtung zur Abfuhr von Energie ein Hydraulikmotor ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor passiert, verringert; wobei
- – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
- – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung in den zweiten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) ent spanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder über das geöffnete zweite Ventil in die zweite Leitung strömt;
- – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder über das geöffnete vierte Ventil in die zweite Leitung strömt.
- - The first adiabatic cylinder is connected via a first valve and a first three-way valve with a first line from which compressed gaseous working fluid can flow into the first adiabatic cylinder;
- - The first adiabatic cylinder via a second valve and a second three-way valve is connected to a second line, can flow into the relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- The second adiabatic cylinder is connected via a third valve and the first three-way valve is connected to the first line, from which compressed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- The second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve and the second three-way valve is connected to the second line, into which relaxed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- The means for dissipating energy is a hydraulic motor which reduces the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic motor; in which
- - In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- - In the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided into the first adiabatic cylinder, (i) via the opened third valve compressed gaseous working fluid from the first conduit into the second adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from is displaced from the second adiabatic cylinder and flows into the first adiabatic cylinder; and (ii) entrained gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder flows via the opened second valve into the second conduit;
- In the second step, in which the hydraulic fluid is conducted from the first adiabatic cylinder into the second adiabatic cylinder, i) compressed gaseous working medium via the opened first valve flows into the first adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is displaced and flows into the second adiabatic cylinder; and (ii) relaxed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder flows via the opened fourth valve into the second conduit.
Zweckmäßigerweise wird die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung zum ersten adiabaten Zylinder oder zum zweiten adiabaten Zylinder wird durch das erste Dreiwegeventil bestimmt. Die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder oder dem zweiten adiabaten Zylinder in die zweite Leitung wird durch das zweite Dreiwegeventil bestimmt. Diese vier Dreiwegeventile werden vorzugsweise synchron geschaltet, so daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit sowie die Zufuhr von verdichtetem Arbeitsmittel und die Abfuhr von entspanntem Arbeitsmittel gleichzeitig geändert werden.Conveniently, becomes the flow direction the hydraulic fluid over two Three-way valves intended in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder are arranged. The flow of the compressed gaseous Working fluid from the first line to the first adiabatic cylinder or to the second adiabatic cylinder is through the first three-way valve certainly. The flow of the relaxed gaseous Working fluid from the first adiabatic cylinder or the second adiabatic Cylinder into the second line is through the second three-way valve certainly. These four three-way valves are preferably synchronous switched so that the flow direction the hydraulic fluid and the supply of compressed working fluid and the removal of relaxed work equipment at the same time.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The First, second, third and fourth valves are expediently Check valves.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The Control of the first, second, third and fourth valve and the Three-way valves can over a control unit.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung, in der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über eine Hydraulikpumpe mit der ersten Leitung verbunden, in dem das ent spannte gasförmige Arbeitsmittel verdichtet wird, so daß das gasförmige Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.Preferably is the second line, flows in the relaxed gaseous working fluid, over a Hydraulic pump connected to the first line in which the ent spanned gaseous Working fluid is compressed, so that the gaseous working fluid in the circulation guided becomes.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Verdichtung oder Entspannung eines gasförmigen Arbeitsmittels mittels einer Hydraulikflüssigkeit in einer Vorrichtung, umfassend einen ersten adiabaten Zylinder und einen zweiten adiabaten Zylinder, der mit dem ersten Zylinder über eine Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie hydraulisch verbunden ist, vorgesehen, wobei
- (a) sich in einem ersten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem ersten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet;
- (b) in einem ersten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert;
- (c) sich in einem zweiten Zustand das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder befindet und sich die Hydraulikflüssigkeit in dem ersten adiabaten Zylinder befindet;
- (d) in einem zweiten Schritt die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, wobei die Hydraulikflüssigkeit die Einrichtung zur Zufuhr oder Abfuhr von Energie passiert; und
- (e) der erste Schritt (b) unter Erreichen des zweiten Zustandes und anschließend der zweite Schritt (d) unter Erreichen des ersten Zustandes wiederholt ausgeführt werden.
- (a) in a first state, the gaseous working fluid is in the first adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the second adiabatic cylinder;
- (B) in a first step, the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided in the first adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy;
- (c) in a second state, the gaseous working fluid is in the second adiabatic cylinder and the hydraulic fluid is in the first adiabatic cylinder;
- (D) in a second step, the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is guided in the second adiabatic cylinder, wherein the hydraulic fluid passes through the means for supplying or dissipating energy; and
- (E) the first step (b) upon reaching the second state and then the second step (d) are repeatedly executed upon reaching the first state.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt.The inventive method is preferably carried out with the device according to the invention.
Verfahren zur Verdichtung eines Gases mittels einer KompressionsmaschineMethod for compressing a gas by means of a compression machine
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei dem
- – der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil mit einer ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil mit einer zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil mit der ersten Leitung (Druckleitung) verbunden ist, in die verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil mit der zweiten Leitung (Saugleitung) verbunden ist, aus der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – die Einrichtung zur Zufuhr von Energie eine Hydraulikpumpe ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, die die Hydraulikpumpe passiert, erhöht; wobei
- – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
- – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmit tel in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das erste Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung strömt; und (ii) der Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem zweiten adiabaten Zylinder erreicht ist, das vierte Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und
- – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) das gasförmige Arbeitsmittel in dem zweiten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Druck verdichtet wird, wobei sich, sobald das gasförmige Arbeitsmittel den vorgegebenen Druck erreicht hat, das dritte Ventil öffnet, so daß das verdichtete gasförmige Arbeitsmittel isobar in die erste Leitung (Druckleitung) strömt; und (ii) der Druck in dem ersten adiabaten Zylinder auf einen vorgegebenen Wert sinkt, wobei sich, sobald der vorgegebene Druck in dem ersten adiabaten Zylinder erreicht ist, das zweite Ventil öffnet, so daß entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt.
- - The first adiabatic cylinder is connected via a first valve to a first line (pressure line), can flow into the compressed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- - the first adiabatic cylinder over a second Valve with a second line (suction line) is connected, can flow from the relaxed gaseous working fluid in the first adiabatic cylinder;
- - The second adiabatic cylinder is connected via a third valve to the first line (pressure line), can flow into the compressed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder;
- - The second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve to the second line (suction line), can flow from the relaxed gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder;
- The means for supplying energy is a hydraulic pump which increases the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic pump; in which
- - In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- - In the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is fed into the first adiabatic cylinder, (i) the gaseous Arbeitsmit tel in the first adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, wherein, as soon as the gaseous working fluid has reached predetermined pressure, the first valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first conduit; and (ii) the pressure in the second adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the second adiabatic cylinder is reached, the fourth valve opens so that expanded gaseous working fluid flows into the second adiabatic cylinder; and
- - In the second step, in which the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is fed into the second adiabatic cylinder, (i) the gaseous working fluid in the second adiabatic cylinder is compressed to a predetermined pressure, as soon as the gaseous working fluid exceeds the predetermined Pressure has reached, the third valve opens, so that the compressed gaseous working fluid isobarically flows into the first line (pressure line); and (ii) the pressure in the first adiabatic cylinder decreases to a predetermined value, and as soon as the predetermined pressure in the first adiabatic cylinder is reached, the second valve opens so that expanded gaseous working fluid flows into the first adiabatic cylinder.
Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird zweckmäßigerweise über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die beiden Dreiwegeventile werden gleichzeitig umgeschaltet, um die Strömungsrichtung zu ändern.The flow direction the hydraulic fluid is conveniently about two Three-way valves intended in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder are arranged. The two three-way valves are simultaneously switched to the flow direction to change.
Das erste, zweite, dritte und vierte Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The First, second, third and fourth valves are expediently Check valves.
Die Steuerung des ersten, zweiten, dritten und vierten Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The Control of the first, second, third and fourth valve and the Three-way valves can over a control unit.
Vorzugsweise
ist die erste Leitung (Druckleitung), in der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über ein
Expansionsventil mit der zweiten Leitung (
Das
Verfahren zur Verdichtung des gasförmigen Arbeitsmittels wird
nachfolgend ausführlicher
beschrieben:
Das gasförmige
Arbeitsmittel, welches den ersten adiabaten Zylinder vollständig füllt, wird
durch eine Hydraulikflüssigkeit
komprimiert, bis sich ein gewünschter
Druck aufbaut. Gleichzeitig wird aus dem zweiten adiabaten Zylinder,
welcher hydraulisch mit dem ersten adiabaten Zylinder verbunden
ist, die Hydraulikflüssigkeit
entnommen. Dadurch sinkt der Druck im zweiten adiabaten Zylinder
auf einen gewünschten
Wert. Ist dieser erreicht, öffnet
sich das zweite Rückschlagventil
und läßt Gas aus
einer Saugleitung in den zweiten Zylinder einströmen. Die entnommene Hydraulikflüssigkeit
fließt
durch Leitungen zu einer Hydraulikpumpe, erfährt dort durch Energiezufuhr
eine Druckerhöhung
und wird anschließend
dem ersten Zylinder wieder zugeführt.The method of compressing the gaseous working fluid is described in more detail below:
The gaseous working fluid, which completely fills the first adiabatic cylinder, is compressed by a hydraulic fluid until a desired pressure builds up. At the same time, the hydraulic fluid is taken from the second adiabatic cylinder, which is hydraulically connected to the first adiabatic cylinder. This reduces the pressure in the second adiabatic cylinder to a desired value. When this is reached, the second check valve opens and allows gas to flow from a suction line into the second cylinder. The extracted hydraulic fluid flows through lines to a hydraulic pump, where it undergoes an increase in pressure by supplying energy and is then fed back to the first cylinder.
Ist im ersten Zylinder der gewünschte Druck erreicht, öffnet sich das dritte Rückschlagventil und läßt das komprimierte Gas isobar in eine Druckleitung entweichen. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, stellen die beiden 3-Wege-Ventile die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit nun so um, das nun aus dem vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten ersten Zylinder die Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, über die Hydraulikpumpe fließt und in den zweiten Zylinder einströmt.is in the first cylinder the desired Pressure reached, opens the third check valve and leaves that compressed Gas isobar escaping into a pressure line. If this process is completed, ask the two 3-way valves the flow direction of the hydraulic fluid now so around, now out of the complete with hydraulic fluid filled first cylinder the hydraulic fluid is taken over the hydraulic pump flows and flows into the second cylinder.
Das in den zweiten Zylinder zuvor eingeströmte Gas aus der Saugleitung wird im zweiten Zylinder nun durch die Hydraulikflüssigkeit komprimiert. Dabei schließt sich das zweite Rückschlagventil an der Saugleitung. Wenn wieder ein gewünschter Druck erreicht ist, öffnet sich das erste Rückschlagventil am zweiten Zylinder und läßt das komprimierte Gas wiederum isobar entweichen. Gleichzeitig sinkt im ersten Zylinder, welchem die Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, der Druck, bis sich ein viertes Rückschlagventil an der Saugleitung öffnet und Gas in den ersten Zylinder einströmen läßt.The in the second cylinder previously flowed gas from the suction line is now in the second cylinder by the hydraulic fluid compressed. It concludes the second check valve at the suction line. When a desired pressure is reached again, it opens the first check valve on the second cylinder, leaving the compressed gas again isobar escape. At the same time, in the first cylinder, which removed the hydraulic fluid is the pressure until a fourth check valve opens on the suction line and Gas flows into the first cylinder.
Ist der zweite Zylinder vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, stellen wieder die beiden 3-Wege-Ventile die Strömungsrichtung um, so daß nun wieder die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten Zylinder entnommen wird und in den ersten Zylinder einströmt. Damit schließt sich der Zyklus und eine fortwährende Komprimierung eines Gases ist damit gewährleistet.Is the second cylinder completely Hy? filled draulikflüssigkeit, again set the two 3-way valves, the flow direction, so that now again the hydraulic fluid is removed from the second cylinder and flows into the first cylinder. This closes the cycle and a constant compression of a gas is guaranteed.
In einer Ausführungsform ist zumindest einem, vorzugsweise beiden Zylindern der Vorrichtung zum Verdichten eines Gases jeweils ein Wärmetauscher zugeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine isotherme Verdichtung des Gases. Die Hydraulikflüssigkeit, die in aus einem Zylinder in den anderen Zylinder strömt, passiert den Wärmetauscher und wird dort abgekühlt. Anschließend wird sie über Düse in den Zylinder geleitet und dort versprüht. Auf diese Weise kann die Hydraulikflüssigkeit die bei der Verdichtung des Gases entstehende Kompressionswärme aufnehmen. Dabei erwärmt sich die Hydraulikflüssigkeit nur geringfügig. Das Gas nimmt lediglich den Anteil an Druckenergie auf und speichert diesen. Es nimmt nur einen geringen Teil der Kompressionswärme auf. Nach der Umschaltung der Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit passiert die Hydraulikflüssigkeit auf dem Weg von dem einen Zylinder zu dem anderen Zylinder erneut einen Wärmetauscher, in dem der Hydraulikflüssigkeit die Kompressionswärme wieder entzogen wird.In an embodiment is at least one, preferably two cylinders of the device for Compressing a gas each associated with a heat exchanger. These embodiment allows an isothermal compression of the gas. The hydraulic fluid, which flows in from one cylinder into the other cylinder, happens the heat exchanger and is cooled down there. Subsequently will she over the nozzle in the Cylinder passed and sprayed there. In this way, the hydraulic fluid absorb the compression heat generated during the compression of the gas. It warms up the hydraulic fluid only slightly. The gas only absorbs the proportion of pressure energy and stores this. It absorbs only a small part of the heat of compression. After switching the flow direction the hydraulic fluid happens the hydraulic fluid on the way from one cylinder to the other cylinder again a heat exchanger, in that of the hydraulic fluid the compression heat is withdrawn again.
Verfahren zur Entspannung eines Gases (Expansionsmaschine)Process for relaxing a gas (Expander)
In einer Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Entspannung des gasförmigen Arbeitsmittels gerichtet, bei dem
- – der erste adiabate Zylinder über ein erstes Ventil und ein erstes Dreiwegeventil mit einer ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den erste adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der erste adiabate Zylinder über ein zweites Ventil und ein zweites Dreiwegeventil mit einer zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der zweite adiabate Zylinder über ein drittes Ventil und das erste Dreiwegeventil mit der ersten Leitung verbunden ist, aus der verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – der zweite adiabate Zylinder über ein viertes Ventil und das zweite Dreiwegeventil mit der zweiten Leitung verbunden ist, in die entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel in den zweiten adiabaten Zylinder strömen kann;
- – die Einrichtung zur Abfuhr von Energie ein Hydraulikmotor ist, die den Druck der Hydraulikflüssigkeit, der den Hydraulikmotor passiert, verringert; wobei
- – in dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand das erste, zweite, dritte und vierte Ventil der beiden Zylinder geschlossen ist;
- – in dem ersten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder in den ersten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete dritte Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel aus der ersten Leitung in den zweiten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem zweiten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den ersten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem ersten adiabaten Zylinder über das geöffnete zweite Ventil in die zweite Leitung strömt;
- – in dem zweiten Schritt, in dem die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder in den zweiten adiabaten Zylinder geführt wird, (i) über das geöffnete erste Ventil verdichtetes gasförmiges Arbeitsmittel in den ersten adiabaten Zylinder strömt, so daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten adiabaten Zylinder verdrängt wird und in den zweiten adiabaten Zylinder strömt; und (ii) entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel aus dem zweiten adiabaten Zylinder über das geöffnete vierte Ventil in die zweite Leitung strömt.
- - The first adiabatic cylinder is connected via a first valve and a first three-way valve with a first line from which compressed gaseous working fluid can flow into the first adiabatic cylinder;
- - The first adiabatic cylinder is connected via a second valve and a second three-way valve to a second line, can flow into the relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder;
- The second adiabatic cylinder is connected via a third valve and the first three-way valve is connected to the first line, from which compressed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- The second adiabatic cylinder is connected via a fourth valve and the second three-way valve is connected to the second line, into which relaxed gaseous working fluid can flow into the second adiabatic cylinder;
- The means for dissipating energy is a hydraulic motor which reduces the pressure of the hydraulic fluid passing through the hydraulic motor; in which
- - In the first state and the second state, the first, second, third and fourth valve of the two cylinders is closed;
- - In the first step, in which the hydraulic fluid from the second adiabatic cylinder is guided into the first adiabatic cylinder, (i) via the opened third valve compressed gaseous working fluid from the first conduit into the second adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from is displaced from the second adiabatic cylinder and flows into the first adiabatic cylinder; and (ii) relaxed gaseous working fluid from the first adiabatic cylinder flows via the opened second valve into the second conduit;
- In the second step, in which the hydraulic fluid is conducted from the first adiabatic cylinder into the second adiabatic cylinder, i) compressed gaseous working medium via the opened first valve flows into the first adiabatic cylinder, so that the hydraulic fluid from the first adiabatic cylinder is displaced and flows into the second adiabatic cylinder; and (ii) relaxed gaseous working fluid from the second adiabatic cylinder flows via the opened fourth valve into the second conduit.
Zweckmäßigerweise wird die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit über zwei Dreiwegeventile bestimmt, die in der hydraulischen Verbindung zwischen dem ersten adiabaten Zylinder und dem zweiten adiabaten Zylinder angeordnet sind. Die Strömung des verdichteten gasförmigen Arbeitsmittels aus der ersten Leitung zum ersten adiabaten Zylinder oder zum zweiten adiabaten Zylinder wird durch das erste Dreiwegeventil bestimmt. Die Strömung des entspannten gasförmigen Arbeitsmittels aus dem ersten adiabaten Zylinder oder dem zweiten adiabaten Zylinder in die zweite Leitung wird durch das zweite Dreiwegeventil bestimmt. Diese vier Dreiwegeventile werden vorzugsweise synchron geschaltet, so daß die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit sowie die Zufuhr von verdichtetem Arbeitsmittel und die Abfuhr von entspanntem Arbeitsmittel gleichzeitig geändert werden.Conveniently, becomes the flow direction the hydraulic fluid over two Three-way valves intended in the hydraulic connection between the first adiabatic cylinder and the second adiabatic cylinder are arranged. The flow of the compressed gaseous Working fluid from the first line to the first adiabatic cylinder or to the second adiabatic cylinder is through the first three-way valve certainly. The flow of the relaxed gaseous Working fluid from the first adiabatic cylinder or the second adiabatic Cylinder into the second line is through the second three-way valve certainly. These four three-way valves are preferably synchronous switched so that the flow direction the hydraulic fluid and the supply of compressed working fluid and the removal of relaxed work equipment at the same time.
Das ersten, zweiten, dritten und vierten Ventil sind zweckmäßigerweise Rückschlagventile.The First, second, third and fourth valves are expediently Check valves.
Die Steuerung des erste, zweite, dritte und vierte Ventils und der Dreiwegeventile kann über eine Steuereinheit erfolgen.The Control of the first, second, third and fourth valves and the three-way valves can over a control unit.
Vorzugsweise ist die zweite Leitung, in der entspanntes gasförmiges Arbeitsmittel strömt, über eine Hydraulikpumpe mit der ersten Leitung verbunden, in dem das entspannte gasförmige Arbeitsmittel verdichtet wird, so daß das gasförmige Arbeitsmittel im Kreislauf geführt wird.Preferably is the second line, flows in the relaxed gaseous working fluid, over a Hydraulic pump connected to the first line in which the relaxed gaseous Working fluid is compressed, so that the gaseous working fluid in the circulation guided becomes.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigenThe The invention is described below by means of embodiments which illustrate the invention do not restrict are explained in more detail with reference to the drawings. Show
Beispiel 1example 1
Die
in
Zustand vor Schritt 1a und 1bCondition before step 1a and 1b
Vor
den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder
Schritt 1aStep 1a
In
einen vollständig
mit CO2 gefüllten ersten Zylinder
Schritt 1bStep 1b
Gleichzeitig
mit Schritt 1a wird dem zweiten Zylinder
Zustand nach Schritt 1a und 1bCondition after step 1a and 1b
Nach
den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder
Schritt 2aStep 2a
In
diesen Zustand ändern
nun die beiden 3-Wegeventile
Schritt 2bStep 2b
Gleichzeitig
mit Schritt 2a fällt
im ersten Zylinder
Zustand nach Schritt 2a und 2bCondition after step 2a and 2b
Nach
den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder
Abkühlung und Entspannung des CO2 Cooling and relaxation of CO 2
Das
in den Schritten 1a und 2a in Druckleitung
Nachdem
das CO2 im Gaskühler
Verdampfen und Erwärmen des CO2 Evaporation and heating of CO 2
In
Saugleitung
Nachdem
das CO2 vollständig im Verdampfer
LeistungszahlenCOPs
Mit dieser Wärmepumpe lassen sich Wärmepumpenleistungszahlen von 4,3 realisieren (21 kW/4,8 kW = 4,3). Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher unter gleichen Bedingungen lediglich eine Leistungszahl von ca. 3,5 erreicht. Des Weiteren kann vollständig auf den Einsatz von Schmieröl verzichtet werden.With this heat pump heat pump performance figures can be of 4.3 (21 kW / 4.8 kW = 4.3). This is in contrast to the prior art, which under the same conditions only achieved a figure of merit of about 3.5. Furthermore, it can be completely up the use of lubricating oil be waived.
Beispiel 2Example 2
Die
in
Die
in
Die Rückschlagventile öffnen oder schließen nur wenn eine Druckdifferenz zwischen den Komponenten besteht zwischen denen sie eingebaut sind. Bei Strömungswechsel, infolge der beiden 3-Wege-Ventile, schließen die Rückschlagventile, da die Druckdifferenz zusammenbricht.The Open check valves or just close if there is a pressure difference between the components between which they are installed. When flow changes, as a result of the two 3-way valves, close the check valves, because the pressure difference collapses.
Erwärmung und Kompression von CO2 Heating and compression of CO 2
In
einer Hydraulikpumpe
Anschließend wird
das CO2 in Leitung
Zustand vor Schritt 1a und 1bCondition before step 1a and 1b
Vor
den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder
Schritt 1aStep 1a
Vom
Wärmeaustauscher
Schritt 1bStep 1b
Gleichzeitig
mit Schritt 1a füllt
das im Hydraulikmotor
Zustand nach Schritt 1a und 1bCondition after step 1a and 1b
Nach
den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder
Schritt 2aStep 2a
Sobald
der erste Zylinder
Schritt 2bStep 2b
Gleichzeitig
mit Schritt
Zustand nach Schritt 2a und 2bCondition after step 2a and 2b
Nach
den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder
Abkühlung und Verflüssigung des CO2 Cooling and liquefaction of CO 2
Über Leitung
Beispiel 2 zeigt, daß ein ORC-Prozeß, welcher mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur Expansion eines Gases betrieben wird, durchaus im kleinen und mittleren Leistungsbereich und relativ niedrigen Temperaturen mit einfachen Mitteln technisch und wirtschaftlich realisierbar ist.example 2 shows that a ORC process which with the inventive arrangement operated for the expansion of a gas, quite small and medium power range and relatively low temperatures with simple means technically and economically feasible.
Beispiel 3Example 3
Die
in
Zustand vor Schritt 1a und 1bCondition before step 1a and 1b
Vor
den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder
Schritt 1aStep 1a
In
einen vollständig
mit Luft gefüllten
ersten Zylinder
Sobald
der erste vorgegebene Druck im ersten Zylinder
Schritt 1bStep 1b
Gleichzeitig
mit Schritt 1a wird dem zweiten Zylinder
In
Wärmetauscher
Während der
Entnahme der Hydraulikflüssigkeit
sinkt der Druck in dem zweiten Zylinder
Zustand nach Schritt 1a und 1bCondition after step 1a and 1b
Nach
den Schritten 1a und 1b ist der zweite Zylinder
Schritt 2aStep 2a
In
diesen Zustand ändern
nun die beiden 3-Wegeventile
In
Wärmetauscher
Die
Kompressionswärme
wird von der mittels Düse
Schritt 2bStep 2b
Gleichzeitig
mit Schritt 2a fällt
im ersten Zylinder
Zustand nach Schritt 2a und 2bCondition after step 2a and 2b
Nach
den Schritten 2a und 2b ist der zweite Zylinder
Weitere Bestandteile der dritten Ausführungsform der ErfindungOther components of the third embodiment the invention
Die übrigen Bestandteile
und Verfahrensschritte sind in den Abschnitten „Abkühlung und Entspannung des CO2” und „Verdampfen
und Erwärmen des
CO2” des
Beispiels 1 und in
- 11
- Druckleitungpressure line
- 22
- Saugleitungsuction
- 33
- erstes Rückschlagventilfirst check valve
- 44
- zweites Rückschlagventilsecond check valve
- 55
- viertes Rückschlagventilfourth check valve
- 66
- drittes Rückschlagventilthird check valve
- 77
- zweiter Zylindersecond cylinder
- 88th
- erster Zylinderfirst cylinder
- 99
- 3-Wege-Ventil3-way valve
- 1010
- 3-Wege-Ventil3-way valve
- 1111
- Hydraulikpumpehydraulic pump
- 1212
- Elektromotorelectric motor
- 1313
- Gaskühlergas cooler
- 1414
- innerer Wärmeübertragerinternal Heat exchanger
- 1515
- Expansionsventilexpansion valve
- 1616
- VerdampferEvaporator
- 1717
- Verbraucherconsumer
- 1818
- BrunnenFountain
- 1919
- Rückschlagventilcheck valve
- 2020
- Wärmetauscherheat exchangers
- 2121
- Abwärmequellewaste heat source
- 2222
- Rückschlagventilcheck valve
- 2323
-
Düse im zweiten
Zylinder
7 Nozzle in the second cylinder7 - 2424
- Rückschlagventilcheck valve
- 2525
- Wärmetauscherheat exchangers
- 2626
- Rückschlagventilcheck valve
- 2727
-
Düse im zweiten
Zylinder
8 Nozzle in the second cylinder8th - 101101
- erste Leitungfirst management
- 102102
- zweite Leitungsecond management
- 103103
- erstes Rückschlagventilfirst check valve
- 104104
- zweites Rückschlagventilsecond check valve
- 105105
- viertes Rückschlagventilfourth check valve
- 106106
- drittes Rückschlagventilthird check valve
- 107107
- zweiter Zylindersecond cylinder
- 108108
- erster Zylinderfirst cylinder
- 109109
- 3-Wege-Ventil3-way valve
- 110110
- 3-Wege-Ventil3-way valve
- 111111
- Hydraulikmotorhydraulic motor
- 112112
- Generatorgenerator
- 113113
- Kondensatorcapacitor
- 114114
- KühlwasserturmCooling tower
- 115115
- Hydraulikpumpehydraulic pump
- 116116
- Elektromotorelectric motor
- 117117
- Wärmetauscherheat exchangers
- 118118
- Abwärmequellewaste heat source
- 119119
- zweites 3-Wege-Ventilsecond 3-way valve
- 120120
- erstes 3-Wege-Ventilfirst 3-way valve
Claims (14)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200810060598 DE102008060598A1 (en) | 2008-12-05 | 2008-12-05 | Apparatus and method for compressing or compressing a gas |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200810060598 DE102008060598A1 (en) | 2008-12-05 | 2008-12-05 | Apparatus and method for compressing or compressing a gas |
Publications (1)
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