BE1027533A1

BE1027533A1 - Volumetric expander device

Info

Publication number: BE1027533A1
Application number: BE20195564A
Authority: BE
Inventors: Peter Heirman
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-23
Also published as: JP2021032241A; BE1027533B1; JP6880156B2

Abstract

Volumetrische expanderinrichting voor het expanderen van een gas, welke voorzien is van: - minstens één expanderelement (2) met een inlaat (3) voor te expanderen gas en een uitlaat (4) voor geëxpandeerd gas; - een generator (5) voor het opwekken van elektrische energie, welke generator (5) aangedreven wordt door het expanderelement (2); en - een warmtepomp (7) met een condensor (9) voor het opwarmen van het gas en met een compressor (10); daardoor gekenmerkt dat de compressor (10) van de warmtepomp (7) elektrisch aangedreven wordt door middel van de generator (5).Volumetric expander device for expanding a gas, comprising: - at least one expander element (2) with an inlet (3) for gas to be expanded and an outlet (4) for expanded gas; - a generator (5) for generating electrical energy, which generator (5) is driven by the expander element (2); and - a heat pump (7) with a condenser (9) for heating the gas and with a compressor (10); characterized in that the compressor (10) of the heat pump (7) is electrically driven by means of the generator (5).

Description

Volumetrische expanderinrichting.Volumetric expander device.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een volumetrische expanderinrichting voor het expanderen van een gas, Meer speciaal, is de uitvinding bedoeld voor het expanderen van een gas zoals bijvoorbeeld aardgas, waarbij het gas 3 opgewarmd wordt teneinde de temperatuurdaling van het gas | 10 tijdens de expansie te compenseren, 9 Een te sterke temperatuurdaling van het gas heeft tot | gevoig dat het gas na ezpansie te koud is, waardoor er stroomafwaarts van de expanderinrichting problemen kunnen ontstaan.The present invention relates to a volumetric expander device for expanding a gas. More specifically, the invention is intended for expanding a gas such as, for example, natural gas, heating the gas 3 in order to reduce the temperature of the gas. 10 during the expansion, 9 An excessive temperature drop of the gas has up to | The gas is too cold after expansion, which can cause problems downstream of the expander device.

Men kent reeds inrichtingen zoals bijvoorbeeld een boiler, welke een gedeelte van het aardgas zel verbranden, waarbij de gegenereerde warmte van de verbrandingscassen zal gebruikt worden om het aardgas na expansie cp te warmen.Devices such as, for example, a boiler are already known, which themselves burn a part of the natural gas, whereby the heat generated from the combustion gases will be used to heat the natural gas after expansion.

Aiternatief kent men ock inrichtingen waarbij een gasmotor een Gedesite van het aardgas zal verbranden en daarbij bijvoorbeeld een mechanische belasting zal aandrijven, 23 waarbij de gegenerserde (rest}warmie zal gebruikt worden om het aardgas na expansie op te warmen.Alternatively, installations are known in which a gas engine will burn a site of the natural gas and thereby, for example, drive a mechanical load, 23 whereby the generated (residual) heat will be used to heat up the natural gas after expansion.

De opwarming van het aardgas na expansie kan in beide vocrnoemde gevalien rechtstreeks gebeuren door middel. van bijvoorbeeld een warmtewisselaar, maar het is nietThe warming of the natural gas after expansion can in both of the aforementioned cases take place directly by means. of, for example, a heat exchanger, but it is not

A BE2019/5564 uitgesloten dat er een tusseniliggende kring wordt toegepast, 9 Men kent ook expanderinrichtingen waarbij men met behulp 9 5 van een warmtepomp het gas opwarmt om de voornoemde | temperatuurdaling op te vangen.A BE2019 / 5564 excludes the use of an intermediate circuit, 9 Expander devices are also known in which the gas is heated by means of a heat pump to achieve the aforementioned | to compensate for a drop in temperature.

9 Teneinde de compressor van de warmtepomp san te drijven, F kan men gebruik maken van een Motor, : 10 9 Het nadeel hiervan is dat er in het geval van een | verbrandingsmoror brandstof nodig is en dat er CO: 9 geproduceerd wordt, Het is ook mogelijk cm een mechanische koppeling tussen de compressor en het expanderelement te realiseren om de warmtepomp aan te drijven. Hierbij zal er weliswaar geen bijkomende energiebron of brandstof nodig zijn omdat de as van de compressor gekoppeld is met het expanderelement, maar er zuilen zich andere technische uitdagingen stellen, omdat er cen as is welke uit de warmtepomp komt. Aangezien de warmtepomp een afgesicten geheel is, moet dergelijke as afgedicht worden.9 In order to drive the compressor of the heat pump san, F one can use a Motor,: 10 9 The disadvantage of this is that in the case of a | combustion moror fuel is required and that CO: 9 is produced. It is also possible to realize a mechanical coupling between the compressor and the expander element to drive the heat pump. Although no additional energy source or fuel will be required because the shaft of the compressor is coupled to the expander element, there are other technical challenges because there is some ash that comes out of the heat pump. Since the heat pump is a complete unit, such ash must be sealed.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voorncemde en andere nadelen een oplossing te bieden, doordat zij voorziet in een volumetrische ezpanderinrichting welke geen bijkomende energie of brandstof vereist,The present invention aims to provide a solution to at least one of the aforementioned and other drawbacks, by providing a volumetric ezpander device which does not require additional energy or fuel,

| De huidige uitvinding heeft een volumetrische expanderinrichting als voorwerp voor het expanderen van een # gas, welke voorzien is van: # - minstens éên expanderelement met een inlaat voor te # 5 expanderen gas en een uitlaat voor geëxpandeerd gas; [ - een generator voor het opwekken van elektrische energie, welke generator aangedreven wordt door het | expanderelement; en 9 - ger warmtepomp met een condensor voor het opwarmen # 10 van het gas en met een compresgor:; 9 met ais kenmerk dat de compressor van de warmtepomp 9 elektrisch aangedreven wordt door middel van de generator, 9 Een voordeel is dat er voor de warmtepomp geen bijkomende energiebron of brandstof nodig is.| The present invention relates to a volumetric expander device for expanding a # gas, comprising: # - at least one expander element having an inlet for # 5 gas to be expanded and an outlet for expanded gas; [- a generator for generating electrical energy, which generator is driven by the | expander element; and 9-ger heat pump with a condenser for heating the gas # 10 and with a compressor :; 9 characterized in that the compressor of the heat pump 9 is electrically driven by means of the generator, 9 An advantage is that no additional energy source or fuel is required for the heat pump.

Dit Le niet alleen milieuvriendelijker, maar zal ook een doorgedreven integratie mogelijk maker van de expanderinrichtina,This will not only be more environmentally friendly, but will also enable a thorough integration of the expanderinrichtina,

In vergelijking met een mechanische koppeling van de compressor met het expandereiement, waarbij er weliswaar eveneens geen bijkomende energiebron of brandstof nodig is omdat de as van de compressor gekoppeld is met het expanderelement, heeft de uitvinding bijkomend als voordeel dat er geen as nodig is welke uit de warmtepomp komt en weike afgedicht moet worden, Bovendien geeït een elektrische koppeling van de compressor 320 van de warmtepomp met de generator meer vrijheid qua cntwerp of design in vergelijking met een mechanischeCompared to a mechanical coupling of the compressor with the expander element, in which case no additional energy source or fuel is required either, because the shaft of the compressor is coupled to the expander element, the invention has the additional advantage that no shaft is required which the heat pump comes and what needs to be sealed, In addition, an electrical coupling of the heat pump's compressor 320 with the generator gives more freedom in terms of design or design compared to a mechanical

{ â BE2019/5564 koppeling met een as tussen de compressor van de warmtepomp en het expanderelement.{â BE2019 / 5564 coupling with a shaft between the heat pump compressor and the expander element.

9 Voor de praktische uitvoering van de uitvinding kan de | S condensor van de warmLepomp, waarmee het gas wordt | opgewarmd, zich zowel stroomcpwaarts van de inlaat van het | expanderelement bevinden, waarbij het te ezpanderen Gas | wordt voorverwarmd aivorens de expansie te ondergaan, als # stroomafwaarts van de uitlaat van het expanderelement, : 10 waarbij het geëspandeerde gas wordt verwarmd.9 For the practical implementation of the invention, the | S condenser of the heat pump, with which the gas | heated up both upstream of the inlet of the | expander element, where the gas to be expanded is preheated prior to undergoing expansion, as downstream of the outlet of the expander element, heating the expanded gas.

9 Een altematieve uitvoering betreft een tweedelige of 9 tweelrraps condenseor, waarbij de condensor twee | deelcondensors of condensordelen Omvat, waarbij stroomopwaarts en strocmafwaarts van de expander een condensordeel wordt ceplaatst. Uiteraard is het ook mogelijk om twee afzonderlijke condensors te voorzien. Door zowel vóòr als na de expansie het gas op te warmen, zal de warmtepomp de temperatuur van het gas minder hoog moeten opvoeren, wat voordeliger en snergie-officiënter is. Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te Lonen, zijn hierna, ais voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van een volumetrische expander volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: fiquur 1 schematisch pen volumetrische expanderinrichting volgens de uitvinding weergeeft;9 An alternative version is a two-part or 9 two-stage condenser, where the condenser has two | partial condensers or condenser parts Includes, where a condenser part is placed upstream and downstream of the expander. It is of course also possible to provide two separate condensers. By heating up the gas both before and after the expansion, the heat pump will have to raise the temperature of the gas less high, which is cheaper and more energy efficient. With the insight to better demonstrate the features of the invention, below, as an example without any limitation, some preferred embodiments of a volumetric expander according to the invention are described, with reference to the accompanying drawings, in which: fiquur 1 schematic pen volumetric expander device according to the invention;

; figuur 2 een alternatieve uitvoeringsvorm weergeeft van een volumetrische expanderinrichting volgens de uitvinding; £iquur 3 nog een alternatieve uitvoeringsvorm | 5 weergeeft van een volumetrische expanderinrichtina : volgens de uitvinding. # De in figuur 1 schematisch weergegeven volumerrische 9 ezpanderinrichting ! omvat een expanderelement 2.; figure 2 shows an alternative embodiment of a volumetric expander device according to the invention; £ iquur 3 another alternative embodiment | 5 shows a volumetric expander device according to the invention. # The volumerric ezpander device shown schematically in Figure 1! includes an expander element 2.

16 Dit expanderelement Z kan bijvoorbeeld een schroefexpanderelement 2 of een tandexpander zijn, Alhoewel in figuur 1 slechts één expanderelement 2 is is weergegeven, ls het niet uitgesloten dat er meerdere expanderelementen Z in serie en/of in parallel geplaatst zijn, Deze in serie geplaatste expanderelementen 2 kunnen gas in verschillende stagpen of ‘trappen’ expanderen.16 This expander element Z can be, for example, a screw expander element 2 or a tooth expander. Although only one expander element 2 is shown in figure 1, it cannot be ruled out that several expander elements Z are placed in series and / or in parallel. 2, gas can expand in different stagpen or 'stages'.

Het expanderelement 2 omvat een inlaat 3 voor te expanderen gas en een uitlaat 4 voor geëxpandeerd gas.The expander element 2 comprises an inlet 3 for gas to be expanded and an outlet 4 for expanded gas.

Tevens omvat de volumetrische expanderinrichting 21 een generator 5 welke door het expanderelement 2 kan worden aangedreven.The volumetric expander device 21 also comprises a generator 5 which can be driven by the expander element 2.

De generator 5 zal elektrische energie produceren.The generator 5 will produce electrical energy.

3939

: & BE2019/5564 De generator 5 is via een overbrenging 6 koppeloverdragend verbonden met het expanderelement 2. De overbrenging 6 kan bijvoorbeeld, maar niet noodzakelijk 9 voor de uitvinding, een tandwieloverbrenging zijn.: & BE2019 / 5564 The generator 5 is torque-transmittingly connected to the expander element 2 via a transmission 6. The transmission 6 may be, for example, but not necessarily 9 for the invention, a gear transmission.

Ook een 9 riemoverbrenging, flezibele kopgeling of directe koppeling behoren tot de mogelijkheden. 9 Verder is de expanderinrichting 1 ook voorzien van een : LO warmtepomp 7. De warmtepomp 7 omvat, zoals gekend, een verdamper 8 welke warmte onttrekt van een warmtebron zoals bijvoorbeeld de omgevingslucht, een condensor 3 welke warmte zal kunnen afgeven aan het gas, een compressor 10 om het kcelmedium dat in de warmtecomp 7 circuleert samen te persen an een smoorventiel 11 om het gecondenseerde koelmedium te expanderen,A 9 belt transmission, flexible coupling or direct coupling are also possible. 9 Furthermore, the expander device 1 is also provided with a: LO heat pump 7. The heat pump 7 comprises, as is known, an evaporator 8 which extracts heat from a heat source such as, for example, the ambient air, a condenser 3 which will be able to give off heat to the gas, a compressor 10 to compress the cell medium circulating in the heat pump 7 and a throttle valve 11 to expand the condensed cooling medium,

In dit geval is de voornoemde verdamper B sen lucht- koeimedium warmtewisselaar welke warmte zal onttrekken van de omcevingsliucht. zoals te zien is in figuur 1, bevindt de condensor S zichIn this case, the aforementioned evaporator B is an air-cooling medium heat exchanger which will extract heat from the ambient air. as can be seen in figure 1, the condenser S is located

Eetroomopwvaarts van de inlaat 3 van het expanderelement 2, Volgens de uitvinding wordt de compressor 10 van de warmtepomp 7 elektrisch aangedreven door middel van de generator 53. Dit wil zeggen dat de door de generator 5The flow of flow from the inlet 3 of the expander element 2. According to the invention, the compressor 10 of the heat pump 7 is electrically driven by means of the generator 53. That is to say, the power produced by the generator 5

32 opgewexte elektrische energie deels wordt aangewend om de compressor 10 van de warmtepomp 7 aan te drijven.32 accumulated electrical energy is partly used to drive the compressor 10 of the heat pump 7.

- BE2019/5564 f De compressor 10 kan in dit geval dus beschouwd worden als een compressorinrichting, omvattende net eigenlijke ; compressorelement en een aandrijving, bijvoorbeeld een | > elektrische motor.- BE2019 / 5564. The compressor 10 can therefore be considered in this case as a compressor device, comprising just; compressor element and a drive, for example a | > electric motor.

De in figuur 1 schematisch weergegeven koppeling tussen de compressor 10 en de generator 5 kan met | andere woorden beschouwd worden als een verbinding tussen de generator 5 en de voornoemde elektrische motor. ì 10 De werking van de volumetrische expanderinrichting 1 is 9 zeer eenvoudig en als volot. 9 Het te expanderen gas zal eerst langs de condensor 3 van de : warmtepomp 7 passeren, 15 Hierbij zal de warmtepomp 7, in het bijzonder de compressor van de warmtepomp 7, worden aancedreven door de generator 5, meer bepaald door elektrische energie opgewekt door de generator 5. nn Tijdens de passage vis de condensor 9 zal het te expanderen gas opgewarmd worden.The coupling between the compressor 10 and the generator 5 schematically shown in Figure 1 can be done with | other words can be considered as a connection between the generator 5 and the aforementioned electric motor. The operation of the volumetric expander device 1 is very simple and as volot. 9 The gas to be expanded will first pass along the condenser 3 of the heat pump 7, 15 In this case, the heat pump 7, in particular the compressor of the heat pump 7, will be driven by the generator 5, more specifically by electrical energy generated by the generator 5. nn During the passage vis the condenser 9, the gas to be expanded will be heated up.

Vervolgens zal het te expanderen gas via de inlaat 3 in het expanderelement 2 terechtkomen, Het door het expanderelement 2 geëxpandeerde vas zal een temperatuurdaling ondergaan.Subsequently, the gas to be expanded will enter the expander element 2 via the inlet 3. The vas expanded by the expander element 2 will undergo a temperature drop.

| & BE2019/5564 Tijdens het expansieproces zel het expanderelement 2 de generator 5 aandrijven, waarbij elektrische energie wordt | Ocgewekt door de generator, 3 Wanneer het gas via de uitlaat 4 het expanderelement 2 9 veriaat, zal het de expanderinrichting 1 vervolgens 9 veriaten. 9 Door de condensor 3 stroomopwaarts van de inlaat 3 van het 9 Là expanderelement zZ Le plaatsen, wordt de meeste 9 elektriciteit geproduceerd per geëxpandeerde massa gas, Cf | anders gezegd, door het gas op te warmen voor het expansie ondergaat, zal er meer energie per massa geëxpandeerd gas gerecuperserd kunnen worden,| & BE2019 / 5564 During the expansion process, the expander element 2 itself drives the generator 5, generating electrical energy | Generated by the generator, 3 When the gas leaves the expander element 29 via the outlet 4, it will subsequently leave the expander device 1. 9 By placing the condenser 3 upstream of the inlet 3 of the 9 Là expander element zZ Le, most of the 9 electricity is produced per expanded mass of gas, Cf | in other words, by heating the gas before it undergoes expansion, more energy per mass of expanded gas will be recovered,

In figuur 2 is een variante weergegeven volgens fiquur 1, waarbij in dit geval de condensor 9 van de warmtecomg 7 zich stroomafwaarts van de uitlaat à van het expandereiement 2 bevindt,Figure 2 shows a variant according to fiquur 1, in which case the condenser 9 of the heat comg 7 is located downstream of the outlet à of the expander element 2,

De expanderinrichting !1 is verder cok voorzien van een wermtewisselaar 12 voor het opwarmen van het gas, welke stroomopwaarts van de condensor 5 van de warmtepomp 7 is geplaatst, maar stroomafwaarts van de uitlaat 4 van het expanderelement 2. De warmtewisselaar 12 heeft als voordeel dat in dit geval bijkomende xceling beschikbaar komt zonder bijkomend energieverbruik, welke toegepast kan worden voor een xoelcel voor diepvriesproducten, voor het koelen van een datacenter met servers, voor airconditioning van gebouwen { en dergelijke. 9 Voor de rest is de expanderinrichting 1 en de werking ervan | 5 identiek aan deze uit figuur 1. 9 Met behulp van de voornoemde warmtewisselaar 12 kan het gas voorverwarmd worden, waarbij de warmtepomp 7 nog bijkomend { het gas kan verwarmen, | Alhoewel er in het voorbeeld van figuur 2 minder elektriciteit geproduceerd wordt door de generator 4, kan er via de warmtewisselaar ontstane koude nuttig benut worden, waardoor er elektriciteit bespaard kan worden die anders nodig was on de koude of koeling Le genereren.The expander device 1 is furthermore provided with a heat exchanger 12 for heating the gas, which is placed upstream of the condenser 5 of the heat pump 7, but downstream of the outlet 4 of the expander element 2. The heat exchanger 12 has the advantage that in this case additional xceling becomes available without additional energy consumption, which can be used for a cold store for frozen products, for cooling a data center with servers, for air-conditioning of buildings {and the like. 9 For the rest, the expander device 1 and its operation | 5 identical to that of figure 1. 9 With the aid of the aforementioned heat exchanger 12, the gas can be preheated, while the heat pump 7 can additionally heat the gas, | Although less electricity is produced by the generator 4 in the example of figure 2, the cold generated via the heat exchanger can be utilized usefully, so that electricity can be saved that would otherwise be needed to generate the cooling or cooling Le.

Bovendien is er Dok minder elektriciteit nodig voor de warmtepcmp 7 omdat het gas al deels opgewarmd is.In addition, less electricity is needed for heat pcmp 7 because the gas has already been partly heated.

Als er voldoende vraag is naar koude of koeling, kan dit netto zelfs resulteren in meer elektriciteit geproduceerd cer geëxpandesrde massa gas.If there is sufficient demand for cold or cooling, this net can even result in more electricity produced in expanded mass gas.

In figuur 3 is nog een andere variante weergegeven volgens figuur 1, waarbij in dit geval twee warmtepompen 7 zijn voorzien, waarbij de condensor 93 van één van de warmteponpen 7 zich stroomopwaarts van de inlaat 2 van het expanderelement 2 bevindt en de condensor 9 van de andere warmtepomp 7 zich stroomafwaarts van de uitlaat 4 van het expanderelement 2 bevindt,Figure 3 shows yet another variant according to Figure 1, in which case two heat pumps 7 are provided, the condenser 93 of one of the heat pump 7 being located upstream of the inlet 2 of the expander element 2 and the condenser 9 of the another heat pump 7 is located downstream of the outlet 4 of the expander element 2,

Door zowel vóór als na de expansies het gas op te warmen, | zal elke warmtepomp 7 de temperatuur van het gas minder { hoog moeten opvoeren, wat voordeliger en energier | efficiénter is.By heating the gas both before and after the expansions, | each heat pump 7 will have to raise the temperature of the gas less {high, which is cheaper and more energy-efficient | is more efficient.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als 9 voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven | uitvoeringsvormen, doch een volumetrische ezpander volgens : de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden 9 18 verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te | reden,The present invention is by no means limited to the example described and shown in the figures embodiments, but a volumetric ezpander according to the invention can be realized in all shapes and sizes without departing from the scope of the invention. reason,

Claims

î 11 BE2019 / 5564 Conclusions, | iT Volumetric expander for expanding | & van sen gas, which is provided with: | - at least one expander element {2} with an inlet (3) 9 for gas to be expanded and an outlet {4} for expanded | gas: {- a generator {5} for generating electrical 9 10 energy, which generator (5) is driven by the | cxpander element (23: and “a heat pump {7} with a condenser {98} for heating the gas and with a compressor {10}, characterized in that the compressor {103 of the heat pump {7} is electrically driven by means of the generator (53.

Volumetric expander device according to claim 1, characterized in that the generator (5) is coupled to the expander element {2} via a transmission {6},

Volumetric expander device according to claim 1 or 2, characterized in that the condenser {9} of the heat pump (7) is located upstream of the inlet {3} of the expander element {2}.

Volumetric expander device according to claim 1 or 2, characterized in that the condenser {9} of the heat pump {7) is located downstream of the outlet {4} of the ezpander element (2),

{3.- Volumetric expander device according to any one of the preceding claims, characterized in that the condenser {3} comprises two sub-condensers, one sub-condenser 9 located upstream of the sub-condenser | 5 downstream of the expander element (23) or that there are two heat pumps (7) each with a condenser (9) | with one condenser (8) upstream and 9 Gen condenser {3} downstream of the | expander element {2 }, 9 5.

Volumetric expander device according to one of the preceding claims, characterized in that there are several expander elements (2) which are arranged in series and / or in parallel,

Volumetric expander device according to any one of the preceding claims, characterized in that the expander device {1} is further provided with one or more heat exchangers (12) for co-heating the gas, which flow upstream and / or downstream of the condenser {5}. the heat pump (7) has been installed.