AT16130U1 - Verfahren zur Nutzbarmachung der Druckenergie eines Hochdruckspeichers für Gase - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzbarmachung der Druckenergie eines Hochdruckspeichers für Gase. Alternative gasförmige Energieträger wie Erdgas oder Wasserstoff werden z.B. in Kraftfahrzeugen typischerweise in verdichteter Form in Druckzylindern (3) bei Nenndrücken bis 700 bar gespeichert und dem Verbraucher bei einem geringen Arbeitsdruck bis ca. 10 bar zur Verfügung gestellt, wobei der Druckregler den Druck des Gases durch Drosselung vom Speicherdruck auf den Arbeitsdruck reduziert. Durch die Drosselung wird die Druckenergie ungenützt in Wärme umwandelt. Die Nutzbarmachung der Druckenergie eines komprimierten Gases aus einem Drucktank (3) erfolgt durch Entspannung des komprimierten Gases vom Speicherdruck auf den Arbeitsdruck in einer Expansionsmaschine (1), wobei ein Teil der Druckenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Durch die Entspannung in der Expansionsmaschine (1) sinkt die Temperatur des Gases und kann zu Kühlung verwendet werden.
Description
Beschreibung
STAND DER TECHNIK [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzbarmachung der Druckenergie eines Hochdruckspeichers für Gase nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Alternative gasförmige Energieträger wie Erdgas oder Wasserstoff werden z.B. in Kraftfahrzeugen typischerweise in verdichteter Form in Druckzylindern bei Nenndrücken bis 700 bar gespeichert und dem Verbraucher bei einem geringen Arbeitsdruck bis ca. 10 bar zur Verfügung gestellt, wobei der Druckregler den Druck des Gases durch Drosselung vom Speicherdruck auf den Arbeitsdruck reduziert. Durch die Drosselung wird die Druckenergie ungenützt in Wärme umwandelt.
TECHNISCHE AUFGABE [0002] Aufgabe der Erfindung ist die Nutzbarmachung der Druckenergie eines komprimierten Gases.
TECHNISCHE LÖSUNG [0003] Die Aufgabe wird durch Entspannung des komprimierten Gases aus einem Drucktank in einer Kraftmaschine erreicht. In der Kraftmaschine wird die Druckenergie des komprimierten Gases aus dem Hochdrucktank durch eine Entspannung des Gases vom Speicherdruck auf den Arbeitsdruck in mechanische Arbeit und Wärme umgewandelt. Die mechanische Energie steht am Abtrieb der Expansionsmaschine zur Verfügung und kann z.B. mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden oder steht als mechanische Antriebsenergie z.B. für Luftkompressor oder einen Klimakompressor zur Verfügung. Durch eine idealerweise isentrope Entspannung in der Expansionsmaschine sinkt die Temperatur des Gases und kann zur Komponentenkühlung oder Klimatisierung verwendet werden. Die Entspannung des Druckgases erfolgt idealerweise isentrop, wenn eine hohe Wärmemenge für Kühlzwecke benötigt wird. Die Entspannung des Druckgases erfolgt idealerweise isotherm, wenn eine hohe mechanische Energie benötigt ist.
AUSFÜHRUNGSFORM [0004] Die Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnungen.
[0005] Fig.1 [0006] Fig.2 [0007] Fig.3 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der Erfindung.
zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Erfindung.
zeigt eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung.
[0008] Fig. 1 zeigt als erste mögliche Ausführungsform eine Kraftmaschine (1) zur Entspannung des Druckgases und einen nachfolgenden Wärmetauscher (2). Das im Drucktank (3) gespeicherte Gas strömt bei geöffnetem Absperrventil (4) zur Kraftmaschine (1) und verrichtet Arbeit durch Volumenvergrößerung, die am Abtrieb (5) der Kraftmaschine (1) zur Verfügung steht. Das durch die bei idealerweise isentroper Entspannung vom Speicherdruck auf den Arbeitsdruck abgekühlte Gas durchströmt einen Wärmetauscher (2) und wird auf ein zur weiteren Nutzung erforderliche Temperaturniveau erwärmt. Die gewonnene Kühlenergie steht am Wärmetauscher (2) zur Verfügung. Die Entspannung erfolgt in einem einstufigen oder in einem mehrstufigen Expansionsvorgang.
[0009] Fig. 2 zeigt als zweite mögliche Ausführungsform eine mehrstufige Kraftmaschine mit mehreren Expansionsstufen (1a, 1b, 1c ...) zur Entspannung des Druckgases und nachfolgenden Wärmetauschern (2a, 2b, 2c,...) nach der Expansionsstufe (1a, 1b, 1c,...). Das im Drucktank (3) gespeicherte Gas strömt bei geöffnetem Absperrventil (4) zur Kraftmaschine (1a, 1b, 1c,...) und verrichtet Arbeit durch Volumenvergrößerung, die am Abtrieb (5) der Kraftmaschine (1a, 1b, 1c,...) zur Verfügung steht. Das durch die bei idealerweise isentroper Entspannung /4
AT 16 130 U1 2019-02-15 österreichisches
Patentamt abgekühlte Gas durchströmt die einzelnen Wärmetauscher (2a, 2b, 2c,...) und wird erwärmt. Die gewonnene Kühlenergie steht am Wärmetauscher (2a, 2b, 2c,...) zur Verfügung. Das durch die Entspannung in der Kraftmaschine (1) abgekühlte Gas wird im letzten Wärmetauscher (2...) auf das zur weiteren Nutzung erforderliche Temperaturniveau erwärmt. Da das Gas nach jeder Expansion auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, wird eine größere mechanische Arbeit erzielt (Annäherung an eine isotherme Entspannung).
[0010] Fig. 3 zeigt als dritte mögliche Ausführungsform eine Kraftmaschine (1) zur Entspannung des Druckgases mit einem nachfolgendem Wärmetauscher (2) und einer Drossel (6) vor der Kraftmaschine (1). Das im Drucktank (3) gespeicherte Gas strömt bei geöffnetem Absperrventil (4) über eine Drossel (6) zur Kraftmaschine (1) und verrichtet Arbeit durch Volumenvergrößerung, die am Abtrieb (5) der Kraftmaschine (1) zur Verfügung steht. Das durch die Entspannung in der Kraftmaschine abgekühlte Gas durchströmt einen Wärmetauscher (2) und wird auf das zur weiteren Nutzung erforderliche Temperaturniveau erwärmt. Die gewonnene Kühlenergie steht am Wärmetauscher (2) zur Verfügung. Durch die erste Entspannung in der Drossel (6) wird die Druckbelastung der Expansionsmaschine (1) verringert.
[0011] Wahlweise kann nach der Drossel (6) ein Wärmetauscher zur Kühlung oder Erwärmung des gedrosselten Gases angeordnet werden. Wahlweise kann eine weitere Drossel (7) nach der Expansionsmaschine (1) oder dem Wärmetauscher (2) angeordnet werden. Wahlweise kann statt der Drossel (6, 7) ein Druckregler (8) eingesetzt werden. Wahlweise kann vor der Expansionsmaschine (1) ein Wärmetauscher (9) zur Erwärmung des Gases aus dem Drucktank (3) eingesetzt werden. Wahlweise erfolgt die Entspannung beim Speicherdruck oder einem beliebigen Druck unter dem Speicherdruck. Wahlweise endet die Entspannung beim Arbeitsdruck oder einem beliebigen Druck unter oder über dem Arbeitsdruck. Wahlweise kann ein Latentwärmespeicher (10) zur Aufnahme der „Kälte als Energiereservoir eingesetzt werden. Wahlweise besteht der Drucktank (1) aus einem oder mehreren Druckbehältern zur Speicherung des komprimierten Druckgases.
[0012] Als Kraftmaschine (1) zur Entspannung des im Drucktank (3) gespeicherten Gases kann jede beliebige Expansionsmaschine z.B. Rotations-, Hubkolben- oder Linearkolbenmotor, Schraubenexpander, Expansionsturbine,... verwendet werden. Wahlweise kann die Druckenergie des Gases aus dem Hochdrucktank direkt mittels Kolben, Membran oder dgl. an ein anderes Medium wie z.B. Luft (Luftkreislauf), Wasser (Wasserkreislauf), Klimagas (Klimakreislauf) übertragen werden.
[0013] Mit der Gasentnahme sinkt der Gasdruck im Druckbehälter und es steht weniger Druckenergie zur Umwandlung in mechanische Arbeit zur Verfügung. Da durch die Gasentnahme die Temperatur im Drucktank sinkt, steht bei idealerweise isentroper Expansion auch bei geringen Speicherdrücken eine hohe Wärmeenergie für Kühlzwecke zur Verfügung. Vorteilhaft ist u.U. auch die direkte Nutzung der niedrigen Temperatur im Drucktank mit Hilfe eines geeigneten Wärmetauschers im Drucktank, wobei durch diese Anordnung der Druckbehälter samt nachfolgender Komponenten vor tiefen Temperaturen geschützt wird.
[0014] Wahlweise kann der Wärmetauscher (2, 2a, 2b, 2c,...) in die Kraftmaschine (1, 1a, 1b, 1c,...) integriert werden. Wahlweise kann das durch die Entspannung abgekühlte Gas direkt den zu kühlenden Bauteil umströmen. Wahlweise kann die Kälteenergie ohne Nutzung an die Umgebung abgeführt werden.
[0015] Weitere Ausführungsformen entstehen durch Kombination der beschriebenen Ausführungsformen.
Claims (4)
- Ansprüche1. Verfahren zur Nutzbarmachung der Druckenergie von komprimiertem Wasserstoff oder Erdgas aus einem Drucktank (3), dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Wasserstoffgas oder Erdgas aus einem Drucktank (3) vor der Nutzung durch einen Verbraucher in einer Kraftmaschine (1, 1a, 1b, 1c,...) auf den Arbeitsdruck oder einem beliebigen Druck unter oder über dem Arbeitsdruck entspannt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kraftmaschine (1, 1a, 1b, 1c,...) abgekühlte Gas in einem nachfolgendem Wärmetauscher (2, 2a, 2b, 2c,...) erwärmt wird.
- 3. Verfahren nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas aus dem Drucktank (1) in einer Drossel (6) und nachfolgend einer Kraftmaschine (1, 1a, 1b, 1c,...) entspannt wird.
- 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas aus dem Drucktank (3) in einem Druckregler (8) und nachfolgend einer Kraftmaschine (1, 1a, 1b, 1c,...) entspannt wird.
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