BE1027533B1 - Volumetrische expanderinrichting - Google Patents

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).

Description

Volumetrische expanderinrichting.

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.

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.

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.

De opwarming van het aardgas na expansie kan in beide vocrnoemde gevalien rechtstreeks gebeuren door middel. van bijvoorbeeld een warmtewisselaar, maar het is niet

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.

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.

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,

| 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.

Dit Le niet alleen milieuvriendelijker, maar zal ook een doorgedreven integratie mogelijk maker van de 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 mechanische

{ â BE2019/5564 koppeling met een as tussen de compressor van de warmtepomp en het expanderelement.

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 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;

; 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.

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.

Het expanderelement 2 omvat een inlaat 3 voor te expanderen gas en een uitlaat 4 voor geëxpandeerd gas.

Tevens omvat de volumetrische expanderinrichting 21 een generator 5 welke door het expanderelement 2 kan worden aangedreven.

De generator 5 zal elektrische energie produceren.

39

: & 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.

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,

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 zich

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 5

32 opgewexte elektrische energie deels wordt aangewend om de compressor 10 van de warmtepomp 7 aan te drijven.

- 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.

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.

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.

| & 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,

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,

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.

Bovendien is er Dok minder elektriciteit nodig voor de warmtepcmp 7 omdat het gas al deels opgewarmd is.

Als er voldoende vraag is naar koude of koeling, kan dit netto zelfs resulteren in meer elektriciteit geproduceerd cer geëxpandesrde massa 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,

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.

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,

Claims (7)

1. î 11 BE2019/5564 Conclusies, | iT Volumetrische expanderinrichting voor het expanderen | & van sen gas, welke voorzien is van: | - minstens éen expanderelement {2} met een inlaat (3) 9 voor te expanderen gas en een uitlaat {4} voor geëxpandeerd | gas: { - een generator {5} voor het opwekken van elektrische 9 10 energie, welke generator (5) aangedreven wordt door het | cxpanderelement (23: en “ pen warmtecomp {7} met een condensor {98} voor het opwarmen van het gas en met een compressor {10}; daardoor gekenmerkt dat de compressor {103 van de warmtepomp {7} elektrisch aangedreven wordt door middel van de generator (53.
2. 2.- Volumetrische expanderinrichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de generator (5) via een 29 overbrenging {6} gekoppeld is met het expanderelement {2},
3. 3.- Volumetrische expanderinrichting volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de condensor {9} van de warmtepomp (7) zich strcomopwaarts van de inlaat {3} van het expanderelement {2} bevindt.
4. 4. Volumetrische expanderinrichting volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de condensor {9} van de warmtepomp {7) zich stroomafwaarts van de uitlaat {4} van het ezpanderelement (2) bevindt,
5. { 3.- Volumetrische expanderinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de condensor {3} twee deelcondensors omvat, waarbij één deelcondensor 9 zich stroomopwaarts an Gen deelcondensor zich | 5 stroomafwaarts van het expanderelement (23 bevindt of dat er Lwee warmtepompen (7) met elk een condensor (9) zijn | voorzien, waarbij één condensor (8) zich stroomopwaarte en 9 Gen condensor {3} zich stroomafwaarts van het | expanderelement {2} bevindt, 9 5.
6. Volumetrische expanderinrichting volgens en van de voorgaande conciusies, daardoor gekenmerkt dat er meerdere expanderelementen (2) zijn welke in serie en/of in parallel gopiaatst zijn,
7. 7. Volumetrische expanderinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt gat de expanderinrichting {1} verder voorzien is van een of meerdere warmtewisselaars (12) voor het cowvarmen van het gas, welke strcomopwaarts en/of stroomafwaarts van de condensor {5} van de warmtepomp (7) is geplaatst.