DE102011120289A1

DE102011120289A1 - Hydrostatic gas compressor i.e. variable volume closed container, for adiabatic liquefaction of gas based on Claude method, has compression chamber walls made of non-freezing and non-destructive, expandable and/or deformable material

Info

Publication number: DE102011120289A1
Application number: DE102011120289A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-03
Filing date: 2011-12-03
Publication date: 2013-06-06

Abstract

The compressor has a compression chamber whose walls are made of non-freezing and non-destructive, expandable and/or deformable material. A heat dissipation device is partially provided in the compressor. A pressure multiplier is integrated with the compressor or separately provided for producing pressure on the walls of the compression chamber. A partially non-destructive, deformable outer enclosure (1) i.e. balloon, is made of low thermal conductivity material. A thermally insulated container (2) is attached with an isolatable gas terminal (3).

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Gasverdichter- weiter Gasverdichter genannt nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a hydrostatic gas compressor further called gas compressor according to the preamble of patent claim 1.

Hochverdichtete und flüssige Gase und Gasgemische haben einem breiten Anwendungsspektrum als Produktionsmittel, Kühlmittel oder Brennstoff. In der letzten Zeit wird intensiv nach wirtschaftlich effektiven Methoden der Erdgasverflüssigung gesucht da der Gastransport mittels Pipelines sehr investitionsaufwändig, ab bestimmten Pipelinelängen unrentabel und oftmals technisch unmöglich ist. Hierdurch ist von zunehmender Wichtigkeit die Problematik der kostengünstigen Erzeugung vom flüssigen Erdgas bzw. Kühlmittel für die Tiefkühlung des gasförmigen Erdgases in Erdgasverflüssigungsanlagen.High-density and liquid gases and gas mixtures have a wide range of applications as a means of production, coolant or fuel. Recently, the search for efficient natural gas liquefaction methods has been intensively pursued, since pipelines require a lot of investment in the transport of gas, are unprofitable from certain pipeline lengths and are often technically impossible. As a result, the problem of cost-effective production of liquid natural gas or coolant for the deep-freezing of gaseous natural gas in natural gas liquefaction plants is of increasing importance.

Gegenwärtig erfolg die Gasverdichtung für die Gasverflüssigung durch mehrstufige Verdichtung mittels Kompressoren oder Turbinen und stufenweisen Kühlung des Gases in Wärmetauschern. Dabei wird ein Teil vom bereits verdichteten Gas zu Expansion gebracht und für die Kühlung vom restlichen, verdichteten Gas verwendet.At present gas compression for gas liquefaction is achieved by multi-stage compression by means of compressors or turbines and stepwise cooling of the gas in heat exchangers. In this case, a part of the already compressed gas is brought to expansion and used for the cooling of the remaining, compressed gas.

Das gegenwärtige Verfahren ist wegen hohen Investitionskosten der Anlagen und dessen relativ geringen Wirkungsgrad sehr kostenaufwändig. So z. B. reicht es für die Erdgasverflüssigung aus wenn ca. 08–1 Mj/kg. dessen innerer Energie entzogen ist. In der Praxis betrifft, laut einigen Publikationen die Energieaufnahme einer Erdgasverflüssigungsanlage ca. 10–12 Mj/kg. – praktisch bis zu einen viertel von dessen Heizwert. Dabei fällt das größte Anteil des Energieaufwands auf die Komprimierung, Abfuhr der entstandene dabei Wärme und Energieverluste der Anlagen. Da das verflüssigte Erdgas überwiegend auf Seeweg transportiert und oftmals auch in offenen Gewässern gefördert wird wäre es sinnvoll kostengünstig den hydrostatischen Druck der Gewässern zu nutzen und die entstandene bei der Komprimierung Wärme an das Wasser abzuleiten.The current process is very expensive because of the high investment costs of the plants and their relatively low efficiency. So z. For example, it is sufficient for natural gas liquefaction when about 08-1 Mj / kg. whose inner energy is withdrawn. In practice, according to some publications, the energy intake of a natural gas liquefaction plant is about 10-12 Mj / kg. - practically up to a quarter of its calorific value. The largest part of the energy expenditure falls on the compression, dissipation of the resulting heat and energy losses of the plants. Since the liquefied natural gas is mainly transported by sea and often transported in open waters, it would be sensible to use the hydrostatic pressure of the waters at low cost and to dissipate the resulting heat to the water during compression.

In der Erfindung JP 5033897 ist ein derartiger, aus einem geschlossenen Zylinder und frei beweglichen Kolben bestehender Gasverdichter beschrieben in welchen die Gaskomprimierung beim Versenken ins Wasser erfolgt. Nachteilig ist dabei dass infolge der Kolbenverschiebung regelmäßiger Wasserkontakt mit der Oberfläche des Innenraumes erfolgt. Wegen organische und unorganische Bestandteile des Gewässers verursacht dies die Kontaminierung der nachfolgenden Gasfüllung, verkürzt die Standhaftigkeit der Bauteile und dadurch wird die erforderliche Dichtheit der Druckkammer nicht immer gewährleistet was zusätzlichen Instandhaltungsaufwand verursacht.In the invention JP 5033897 is such, consisting of a closed cylinder and free moving piston gas compressor described in which the gas compression takes place when sinking into the water. A disadvantage is that occurs due to the piston displacement regular water contact with the surface of the interior. Due to organic and inorganic components of the water body this causes the contamination of the subsequent gas filling, shortens the steadiness of the components and thus the required tightness of the pressure chamber is not always guaranteed which causes additional maintenance costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Gasverdichter mit reibungsfreien beweglichen Komprimierungselementen und effektiven Gaskühlung zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst dass die Wände der Kompressionskammer mindestens teilweise aus einem frostsicheren und zerstörungsfreien dehn- und/oder verformbaren Material bestehen und der Gasverdichter mit mindestens einer Wärmeableitungseinrichtung versehen ist.The invention has for its object to provide a gas compressor with friction-free movable compression elements and effective gas cooling. This object is achieved in that the walls of the compression chamber at least partially made of a frost-proof and non-destructive stretchable and / or deformable material and the gas compressor is provided with at least one heat dissipation device.

Durch diese Lösung wird vorteilhaft erreicht dass beim Sinkvorgang die Komprimierkammer vom Bestandteilen des Gewässer nicht verschmutzt wird, die Bauteile aus gängigen kostengünstigen Materialien ohne besonderen Präzisionsanforderungen kostengünstig angefertigt sein können und der Zeit- und Kostenaufwand der Instandhaltung minimal ist. Dabei entfallen der Investition- und Kostenaufwand für den Bau und Betrieb einer Gaskühlungsanlage.By this solution is advantageously achieved that during the sinking the Komprimierkammer is not polluted by constituents of the waters, the components can be made inexpensively from common inexpensive materials without special precision requirements and the time and cost of maintenance is minimal. This eliminates the investment and cost of construction and operation of a gas cooling system.

Als weitere Ausgestaltung ist vorgesehen dass der Druck auf die verformbaren Wände der Komprimierungskammer von mindesten einen, mit dem Gasverdichter integrierten oder separaten Druckmultiplikator erzeugt wird.As a further embodiment it is provided that the pressure on the deformable walls of the compression chamber of at least one, with the gas compressor integrated or separate pressure multiplier is generated.

Diese Lösung ist vorteilhaft für z. B. Fälle, wenn wegen unzureichender Gewässertiefe der notwendige hydrostatische Druck nicht erzeugt sein kann oder wenn der Bau einer Förderanlage für die Druckerzeugung von extrem hohen Komprimierungsgrad in größeren Tiefen finanziell unattraktiv ist.This solution is advantageous for z. As cases, if due to insufficient depth of water, the necessary hydrostatic pressure can not be generated or if the construction of a conveyor system for the pressure generation of extremely high degree of compression at greater depths is financially unattractive.

Durch die Anwendung dieser Lösung wird erfindungsgemäß erreich dass bei geringen Investitionssteigerung man auch in relativ flachen Gewässern im Gasverdichter beliebig hohen Druck erzeugen kann.By applying this solution is achieved according to the invention that at low investment increase can produce any high pressure in relatively shallow waters in the gas compressor.

In Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhang schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following three embodiments of the invention will be explained in more detail schematic drawings. Show it:

1 Schematische Darstellung in Längsschnitt vom ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasverdichters mit teilweise zerstörungsfrei verformbarer Außenhülle. 1 Schematic representation in longitudinal section of the first embodiment of the gas compressor according to the invention with partially non-destructively deformable outer shell.

2 Schematische Darstellung in Längsschnitt vom zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gasverdichters mit starrer wärmeleitenden, druckbeständigen Außenhülle und zerstörungsfrei verformbaren Membrane 2 Schematic representation in longitudinal section of the second embodiment of the gas compressor according to the invention with a rigid heat-conducting, pressure-resistant outer shell and non-destructively deformable membrane

3 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des hydrostatischen Druckmultiplikators. 3 Schematic representation of an embodiment of the hydrostatic pressure multiplier.

Auf 1 dargestellter Gasverdicher ist für die adiabatische Gasverflüssigung nach Claude-Verfahren gedacht. Er besteht aus einer verformbaren Außenhülle (1) in Form eines Ballons die aus Material mit geringen Wärmeleitfähigkeit angefertigt ist, einem wärmeisolierten Sammelbehälter (2) mit absperrbaren Gasanschluss (3), frostbeständigen Durchlaufwärmetauscher (4) am Eingang (5) dessen ein durch Schwerkraft wirkender Verschluss (6) angebracht ist.On 1 gas compressor is used for adiabatic gas liquefaction according to Claude Thought process. It consists of a deformable outer shell ( 1 ) in the form of a balloon which is made of material with low thermal conductivity, a heat-insulated collecting container ( 2 ) with lockable gas connection ( 3 ), frost-resistant continuous heat exchanger ( 4 ) at the entrance ( 5 ) of which a gravitational closure ( 6 ) is attached.

Der Gasverdichter funktioniert folgendermaßen: Der Innenraum wird durch den Anschluss (3) mit Gas gefüllt und danach auf bekannte Art z. B. mittels einer Förderanlage bekannter Art in das Gewässer versenkt, wobei der Sinkverdichter bei diesem Vorgang so positioniert wird dass der Eingang (5) nach unten gerichtet ist. Dabei öffnet sich durch Schwerkraft der Verschluss (6). Beim Versenken wird durch zunehmenden hydrostatischen Druck auf die verformbare Außenhülle (1) das Gas verdichtet und dessen Temperatur stets von, durch den Durchlaufwärmetauscher (4) durchströmendes Wasser auf ungefähr die Temperatur des Wassers- ca. 4–15°C gebracht und gehalten. Es erfolgt im Grunde eine isotherme Verdichtung. Die Versenkungstiefe sollte so gewählt sein dass die Voraussetzungen für die Verflüssigung bei adiabatischer Expansion während der Rückführung des Gasverdichters an die Wasseroberfläche erfüllt sind. Nach dem der Gasverdichter den tiefsten Punkt erreich hat wird er so positioniert dass der Eingang (5) nach oben gerichtet ist. Dies erfolgt im Grunde automatisch wenn z. B. der Gasverdichter an dem Förderseil oder Förderkette einer Förderanlage mit unterer Umlenkrolle sinngemäß unbeweglich angebracht ist. Durch Scherkraft wird der Eingang (5) vom Verschluss (6) abgesperrt und der Durchfluss im Durchlaufwärmetauscher (4) gehemmt. Bei Rückförderung des Gasverdichters an die Wasseroberfläche erfolgt infolge der hydrostatischen Drucksenkung auf die verformbare Außenhülle (1) die Gasexpansion. Man kann diesen Vorgang als adiabatische Expansion bezeichnen da es keinen oder nur geringen Wärmeaustausch mit dem umgebenden Wasser gibt. Dadurch sinkt die Temperatur des Gases soweit, dass das Gas zum kondensieren kommt und durch Eigengewicht im wärmeisolierten Sammelbehälter (2) fließt. Nach dem der Gasverdichter die Wasseroberfläche erreicht hat wird das flüssige Gas auf bekannter Art aus dem Gasverdichter entnommen und für einen neuen Sinkvorgang mit Gas gefüllt.The gas compressor works as follows: The interior is replaced by the connection ( 3 ) filled with gas and then in a known manner z. B. sunk by means of a conveyor of a known type in the water, the sink compressor is positioned in this process so that the input ( 5 ) is directed downwards. The shutter opens by gravity ( 6 ). When sinking is due to increasing hydrostatic pressure on the deformable outer shell ( 1 ) the gas is compressed and its temperature is always from, through the continuous heat exchanger ( 4 ) was brought to about the temperature of the water - about 4-15 ° C and maintained. There is basically an isothermal compression. The burial depth should be such that the conditions for liquefaction during adiabatic expansion during the return of the gas compressor to the water surface are met. After the gas compressor has reached the lowest point, it is positioned so that the input ( 5 ) is directed upwards. This is basically automatically when z. B. the gas compressor is attached to the hoisting rope or conveyor chain of a conveyor with lower guide roller mutatis mutandis immobile. Shearing force causes the entrance ( 5 ) from the closure ( 6 ) and the flow in the continuous heat exchanger ( 4 ) inhibited. When the gas compressor is returned to the water surface due to the hydrostatic reduction in pressure on the deformable outer shell ( 1 ) the gas expansion. This process can be called adiabatic expansion because there is little or no heat exchange with the surrounding water. As a result, the temperature of the gas drops so far that the gas comes to condense and by self-weight in the heat-insulated collecting container ( 2 ) flows. After the gas compressor has reached the water surface, the liquid gas is removed from the gas compressor in a known manner and filled with gas for a new sinking process.

Auf 2 dargestellte Ausführung besteht aus hochwärmeleifähigen Metall angefertigten, gerippten, druckbeständigen, mit einem versperrbaren Gasanschluss (7) versehenen oberen Hälfte (8) und einer ebenfalls aus hochwärmeleifähigen Metall angefertigten, gerippten, druckbeständigen, mit gesteuertes Rückschlagventil (9) versehenen unteren Hälfte (10) welche miteinander hermetisch verbunden sind und zwischen welchen eine dehn- und/oder faltbare Membrane (11) dessen Fläche in gedehnten bzw. entfalteten Zustand der Innenoberfläche der flächengrößten Hälfte zu mindestens gleicht, luftdicht befestigt ist. Der Raum oberhalb der Membrane (11) dient als Komprimierungskammer (12), der Raum unterhalb der Membrane (11) als Druckkammer (13)On 2 illustrated embodiment consists of hochwärmeleifähigen made of metal, ribbed, pressure-resistant, with a lockable gas connection ( 7 ) provided upper half ( 8th ) and also made of hochwärmeleifähigen metal, ribbed, pressure-resistant, with controlled check valve ( 9 ) provided lower half ( 10 ) which are hermetically connected to each other and between which a stretchable and / or foldable membrane ( 11 ) whose surface in stretched or unfolded state of the inner surface of the largest surface equal to at least equal, is hermetically attached. The space above the membrane ( 11 ) serves as a compression chamber ( 12 ), the space below the membrane ( 11 ) as a pressure chamber ( 13 )

Der Gasverdichter wird, so an der Förderanlage angebracht dass der versperrbare Gasanschluss (7) immer nach oben gerichtet ist. Die Komprimierungskammer (12) wird beim geöffneten Rückschlagventil (9) mit Gas gefüllt, der versperrbare Gasanschluss (7) und der Rückschlagventil (9) werden verschlossen. Danach wird der Gasverdichter in den Tiefen des Gewässers befördert. Sobald der hydrostatischer Druck des Gewässer den Druck in der Komprimierungskammer (12) übersteig dringt das Wasser durch den Rückschlagventil (9) in die Druckkammer (13) hinein und bewegt die Membrane (10) nach oben wodurch das Gas komprimiert und die entstehende dabei Wärme durch die Wände oberen Hälfte (8) an das Umgebungswasser abgeleitet wird. Sobald der Gasverdichter den unteren Totpunkt erreicht hat schließt der Rückschlagventil (9). Nach der Rückbeförderung des Gasverdichters an die Wasseroberfläche ergeben sich für das komprimierte Gas zwei Entspannungsoptionen:

1. Durch Ansteuerung des Rückschlagventils (9) wird das Wasser wegen dem Druck in der Komprimierungskammer und Eigengewicht (12) aus der Druckkammer (13) herausgedrückt und in der Komprimierungskammer (12) erfolgt adiabatische Expansion infolge welcher das Gas rasch abkühlt und zum flüssigen Zustand wechselt. Nach diesem Vorgang wird das Gas durch zusätzliche, auf der Zeichnung nicht dargestellte, dem Stand der Technik bekannter Vorrichtung auf bekannte Art aus dem Gasverdichter zur Weiterverwertung entnommen. Danach wird der Vorgang wiederholt.
2. Das hochkomprimierte Gas wird durch öffnen des versperrbaren Gasanschlusses (7) mittels angeschlossene an ihm Gasleitung aus dem Gasverdichter entnommen. Nachdem das Gas entnommen ist wird die Druckkammer (13) durch Ansteuerung des Rückschlagventils (9) entleert, die Komprimierungskammer (12) erneut mit Gas gefüllt und der Prozess wird wiederholt.

The gas compressor is attached to the conveyor system so that the lockable gas connection ( 7 ) is always upwards. The compression chamber ( 12 ) is opened when the check valve ( 9 ) filled with gas, the lockable gas connection ( 7 ) and the check valve ( 9 ) are closed. Thereafter, the gas compressor is transported in the depths of the water. As soon as the hydrostatic pressure of the water reaches the pressure in the compression chamber ( 12 ) over the water penetrates through the check valve ( 9 ) into the pressure chamber ( 13 ) and moves the membrane ( 10 ) upwards causing the gas to compress and the resulting heat passing through the walls upper half ( 8th ) is discharged to the ambient water. As soon as the gas compressor reaches bottom dead center, the check valve closes ( 9 ). After returning the gas compressor to the surface of the water, the compressed gas will have two expansion options:

1. By controlling the check valve ( 9 ), the water is due to the pressure in the compression chamber and dead weight ( 12 ) from the pressure chamber ( 13 ) and in the compression chamber ( 12 ) Adiabatic expansion occurs as a result of which the gas cools rapidly and changes to the liquid state. After this process, the gas is removed by additional, not shown in the drawing, known in the prior art device in a known manner from the gas compressor for further use. Thereafter, the process is repeated.
2. The highly compressed gas is released by opening the lockable gas connection ( 7 ) taken by means connected to him gas line from the gas compressor. After the gas is removed, the pressure chamber ( 13 ) by controlling the check valve ( 9 ), the compression chamber ( 12 ) again filled with gas and the process is repeated.

Auf 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Druckmultiplikators besteht aus einem Gehäuse (14) das von einer Stirnseite einen Boden ausweist an dem eine Luftleitung (15) angebracht ist welche den Innenraum vom Gehäuse (14) mit der Atmosphäre verbindet. Am anderen Ende vom Gehäuse ist eine, nach innen verlaufende Faltmembrane (16) hermetisch angebracht am anderen Ende welcher ein Führungskolben (17) hermetisch befestigt ist. Am Gehäuse ist, mit Druckmedium gefüllter Druckerzeuger (18) integriert dessen Kolben (19) mit dem Führungskolben (15) mittels einer Teleskopstange (20) verbunden ist und der Druckerzeugeranschluss (21) ist an dem Rückschlagventil (9) des Gasverdichters (22) angeschlossen. Vorausgesetz dabei ist sinngemäß dass die Querschnittfläche vom Gehäuse (14) wesentlich höher als der die Querschnittfläche des Druckerzeugers (18) ist, als Druckmedium hitze- und frostbeständige Flüssigkeit verwenden wird und dass das maximale Arbeitsvolumen des Druckerzeugers (19) dem gesamten Innenvolumen des Gasverdichters (22) gleich oder höher ist.On 3 illustrated embodiment of the pressure multiplier consists of a housing ( 14 ) that identifies a floor from an end face on which an air line ( 15 ) which is the interior of the housing ( 14 ) connects to the atmosphere. At the other end of the housing is an inwardly extending folding diaphragm ( 16 ) hermetically attached at the other end which a guide piston ( 17 ) is hermetically fixed. The housing is filled with pressure medium pressure generator ( 18 ) integrates the piston ( 19 ) with the guide piston ( 15 ) by means of a telescopic rod ( 20 ) and the pressure generator connection ( 21 ) is on the check valve ( 9 ) of the gas compressor ( 22 ) connected. The preliminary law is analogously that the cross-sectional area of the housing ( 14 ) substantially higher than the cross-sectional area of the pressure generator ( 18 ) is used as a pressure medium heat and frost-resistant liquid and that the maximum working volume of the pressure generator ( 19 ) the total internal volume of the gas compressor ( 22 ) is equal to or higher.

Beim Versinken des Druckmultiplikators mittels einer Förderanlage bewegt sich, infolge des steigenden hydrostatischen Druckes das Führungskolben (17), da es dank Luftleitung (15) innerhalb dem Gehäuse (14) kein Druck aufgebaut wird in nach innen und gibt mittels der Stange (20) die erzeugte Energie an das Kolben (19) weiter wodurch Arbeitsfluid aus dem Druckerzeuger (18) in die Druckkammer (13) des Gasverdichters (22) gedrängt wird und den Druck in ihm erhöht. Dabei gleicht der Druck in den Gasverdichter (22), den hydrostatischen Druck das Gewässer multipliziert auf das Verhältnis der Fläche von Führungskolben (17) zu Fläche des Kolbens (19). Nach der Rückbeförderung der Druckmultiplikators zur Wasseroberfläche wird der Rückschlagventil (9) vor/oder nach der Gasentnahme geöffnet und das komprimierte Gas entnommen. Infolge der Öffnung des Rückschlagventils (9) fließt das Druckmedium durch Schwerkraft und/oder durch Druck im Gasverdichter (22) in Druckerzeuger zurück und der Druckmultiplikator ist für den nächsten Arbeitsvorgang bereit.When sinking the pressure multiplier by means of a conveyor moves, due to the increasing hydrostatic pressure, the guide piston ( 17 ), because thanks to air duct ( 15 ) within the housing ( 14 ) no pressure builds up in and gives by means of the rod ( 20 ) the energy generated to the piston ( 19 ) further whereby working fluid from the pressure generator ( 18 ) into the pressure chamber ( 13 ) of the gas compressor ( 22 ) and increases the pressure in it. The pressure in the gas compressor ( 22 ), the hydrostatic pressure of the water multiplied by the ratio of the area of the guide piston ( 17 ) to surface of the piston ( 19 ). After the return of the pressure multiplier to the water surface, the check valve ( 9 ) before / or after the gas is removed and the compressed gas removed. As a result of the opening of the check valve ( 9 ), the pressure medium flows by gravity and / or by pressure in the gas compressor ( 22 ) in the pressure generator and the pressure multiplier is ready for the next operation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 5033897 [0005]

Claims

Hydrostatic gas compressor in the form of a variable volume closed container with a closable filling and emptying device characterized in that the walls of the compression chamber at least partially made of a frost-proof and non-destructive stretchable and / or deformable material and the gas compressor is provided with at least one heat dissipation device. Sinking compressor according to claim 1, characterized in that the pressure on the deformable walls of the compression chamber of at least one, with the gas compressor integrated or separate pressure multiplier is generated.