DE102004046316A1 - Method and apparatus for compressing a gaseous medium, - Google Patents

Method and apparatus for compressing a gaseous medium,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff. The invention relates to a method and a device for compressing a gaseous medium, in particular of hydrogen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verdichtung (Z1, Z2) des gasförmigen Mediums durch eine Flüssigkeit (D), wobei eine Flüssigkeit (D), in der sich das gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist, verwendet wird. According to the invention the compression (Z1, Z2) of the gaseous medium through a liquid (D), wherein a fluid (D) in which the gaseous medium does not dissolve and / or which is without residue separated from the gaseous medium, is used.
Hierbei kommt als Flüssigkeit (D) eine ionische Flüssigkeit, ein schwer siedendes Hydrauliköl oder eine Flüssigkeit, die einen sehr niedrigen Dampfdruck aufweist, zur Anwendung. Here, comes as a liquid (D) an ionic liquid, a heavy boiling hydraulic oil or a liquid having a very low vapor pressure are used.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff. The invention relates to a method for compressing a gaseous medium, in particular of hydrogen.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff. Furthermore, the invention relates to a device for compressing a gaseous medium, in particular of hydrogen.
  • Bei gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zum Verdichten eines gasförmigen Mediums kommen gegenwärtig im Regelfall Kolbenverdichter bzw. Kolbenverdichtersysteme zur Anwendung. currently piston compressor or reciprocating compressor systems are used as a rule in the generic method and apparatus for compressing a gaseous medium. Kolbenverdichter benötigen entsprechende Abdichtungssysteme, um das zu verdichtende Medium von dem den Kolben antreibenden (Antriebs)Medium, beispielsweise Hydrauliköl, getrennt zu halten. Piston compressors require appropriate sealing systems to keep the medium to be compressed by the piston driving (drive) medium, for example hydraulic oil separately.
  • Insbesondere bei der Verdichtung von Wasserstoff, Erdgas und hochreinen Medien oder wenn aus bestimmten Gründen eine Kontaminierungen des zu verdichtenden Mediums durch das Antriebsmedium verhindert werden muss und/oder unerwünscht ist, sind passgenaue Zylinder mit Kolben und entsprechend wirksame dynamische Dichtsysteme erforderlich; when a contamination of the medium to be compressed must be prevented by the drive medium for specific reasons and / or is particularly undesirable for the compression of hydrogen, natural gas and high-purity media, or, precisely fitting cylinder with piston and correspondingly effective dynamic sealing systems are required; diese Systeme führen im Regelfall jedoch zu hohen Produktions- sowie Wartungskosten. However, these systems normally lead to high production and maintenance costs. Oftmals werden für derartige Anwendungen noch kostenintensivere Verdichtungsvarianten, wie Membranverdichter, schmierungslose Kolbenverdichter, etc., herangezogen. Often, for such applications even more costly compression variants, such as membrane compressor, lubrication-free piston compressor, etc., used.
  • Gattungsgemäße Verfahren sowie Vorrichtungen kommen beispielsweise in Erdgasverdichterstationen, wie sie bei Erdgastankstellen realisiert werden, zur Anwendung. Generic methods and devices are, for example natural gas compressor stations, as they are implemented at gas filling stations, are used.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, anzugeben, das bzw. die die vorgenannten Nachteile vermeiden. The object of the present invention is to provide a generic method and a generic device for compressing a gaseous medium, in particular of hydrogen, indicate that or that avoid the aforementioned drawbacks.
  • Verfahrensseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verdichtung des gasförmigen Mediums durch eine Flüssigkeit erfolgt, wobei eine Flüssigkeit, in der sich das gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist, verwendet wird. The method, this object is achieved in that the compression of the gaseous medium with a liquid in which the gaseous medium does not dissolve and / or which is without residue separated from the gaseous medium, is used is carried out by a liquid.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums ist dadurch gekennzeichnet, dass sie The inventive device for compressing a gaseous medium being characterized in that it
    • a) einen oder mehrere Zylinder, a) one or more cylinders,
    • b) Zu- und Abführleitungen, die der Zu- und Abführung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums in bzw. aus dem oder den Zylindern dienen, b) feed and discharge lines, the supply and discharge of the gaseous medium to be compressed into and from the or serve the cylinders,
    • c) pro Zylinder wenigstens eine Flüssigkeitsleitung, die der Zu- und Abführung der das gasförmige Medium verdichtenden Flüssigkeit in den Zylinder dient, c) per cylinder at least one fluid line which serves for the supply and discharge of the gaseous medium compressed fluid into the cylinder,
    • d) Mittel zum Verändern der Flüssigkeitsmenge in dem oder den Zylindern, d) means for varying the amount of liquid in the cylinder or cylinders,
    • e) wobei die Flüssigkeit eine Flüssigkeit ist, in der sich das zu verdichtende gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist, e) wherein the fluid is a liquid, in which the gaseous medium to be compressed does not dissolve and / or which is without residue separated from the gaseous medium,
    umfasst. includes.
  • Die Erfindung ermöglicht es, bei der Verdichtung eines gasförmigen Mediums auf einen Kolben sowie jegliche (Kolben)Dichtsysteme zu verzichten. The invention makes it possible to dispense with the sealing systems in the compression of a gaseous medium on a piston as well as any (piston). Erreicht wird dies, indem über eine innerhalb eines Zylinders veränderbare Flüssigkeitssäule eine Verdichtung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums realisiert wird. This is achieved by a compression of the gaseous medium to be compressed is realized by a variable fluid column within a cylinder. Die bisher verwendeten Kolben, die aus einem festen Material bestehen, werden durch eine nicht komprimierbare Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule ersetzt. The flask previously used, which consist of a solid material, are replaced by an incompressible fluid or liquid column. Durch ein Auf- und Abbewegen der Flüssigkeitssäule – analog zu der Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens – wird das zu verdichtende gasförmige Medium angesaugt und verdichtet. By an up and down movement of the liquid column - analogous to the upward and downward movement of a piston - that is to be compressed gaseous medium is sucked in and compressed.
  • Um eine optimale Verdichtung auch hochreiner Medien, die nicht durch die verwendete Flüssigkeit kontaminiert werden dürfen, zu erreichen, wird vorzugsweise eine Flüssigkeit gewählt, in der sich das zu verdichtende gasförmige Medium nicht löst und die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist. In order to achieve optimal compression and high-purity media, which must not be contaminated by the used liquid, preferably a liquid is selected in which is to be compressed gaseous medium does not dissolve and which is without residue separable from the gaseous medium.
  • In vorteilhafter Weise wird als Flüssigkeit eine ionische Flüssigkeit, ein schwer siedendes Hydrauliköl oder Flüssigkeiten, die einen sehr niedrigen Dampfdruck aufweisen, wie beispielsweise Vakuumpumpenöle, Salzschmelzen und Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, verwendet. In an advantageous manner, as a liquid is an ionic liquid, a heavy boiling hydraulic oil or liquids having a very low vapor pressure, such as vacuum pump oils, salt melts, and metals having a low melting point used.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen des- bzw. derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. The method of the invention, the device of the invention and additional embodiments DES or the same will be explained in more detail below with reference to the shown in the figure embodiment.
  • Die Figur zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verdichtung in zwei getrennten Zylindern Z1 und Z2 erfolgt. The figure shows a possible embodiment of the invention, in which the compression in two separate cylinders Z1 and Z2 is performed. Alternativ dazu kann die Verdichtung jedoch auch lediglich in einem oder auch in mehr als zwei Zylindern realisiert werden. Alternatively, the compaction may, however, also be realized only in one or in more than two cylinders.
  • Den Zylinder Z1 und Z2 wird über die Leitungen is the cylinder Z1 and Z2 via lines 1 1 , . 1' 1' und and 1'' 1'' das zu verdichtende, gasförmige Medium zugeführt. the fed is to be compressed, gaseous medium. In den vorgenannten Leitungen sind Eintrittsventile a und b angeordnet. In the above lines intake valves a and b are arranged. Nach erfolgter Verdichtung wird das verdichtete gasförmige Medium aus den Zylindern Z1 und Z2 über die Abführleitungen After compression, the compressed gaseous medium from the cylinders Z1 and Z2 on the discharge lines is 2' 2 ' und and 2'' 2 '' , in denen ebenfalls Ventile c und d angeordnet sind, abgezogen. In which valves c and d are arranged also withdrawn.
  • Das verdichtete gasförmige Medium wird in einer Abtrennvorrichtung A von aus den Zylindern Z1 und Z2 ggf. mitgeführter Flüssigkeit, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, befreit und anschließend über Leitung The compressed gaseous medium is in a separation of A from the cylinders Z1 and Z2 optionally entrained liquid, to which will be discussed in greater detail below, free and then via line 2 2 seiner weiteren Verwendung und/oder Zwischenspeicherung zugeführt. supplied to its further use and / or intermediate storage.
  • Innerhalb der Zylinder Z1 und Z2 ist eine geeignete Flüssigkeit D, die der Verdichtung des gasförmigen Mediums dient, vorgesehen. Within the cylinders Z1 and Z2 is a suitable liquid D, which serves for the compression of the gaseous medium, is provided. Die Zylinder Z1 und Z2 sind über die Leitungen The cylinders Z1 and Z2 are connected via the lines 3 3 bis to 6 6 sowie die Hydraulikpumpe X, die von einem elektrischen Motor M angetrieben wird, verbunden. and the hydraulic pump X, which is driven by an electric motor M, connected.
  • Mittels der Hydraulikpumpe X werden die Flüssigkeitsstände D in den Zylindern Z1 und Z2 derart variiert, dass einer der Zylinder das zu verdichtende Medium ansaugt, während zeitgleich bzw. im Wesentlichen zeitgleich in dem anderen Zylinder eine Verdichtung des gasförmigen Mediums erfolgt. By means of the hydraulic pump X are the liquid levels D in the cylinders Z1 and Z2 varies such that one of the cylinder sucks the medium to be compressed, while at the same time or substantially at the same time is carried out in the other cylinder, a compression of the gaseous medium. Hierbei kommt vorzugsweise eine Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibensteuerung zum Einsatz, wobei durch eine einfache Verstellung der Taumelscheibe Fördermenge und/oder Förderrichtung verändert werden können. Here, preferably an axial piston pump with a swash plate control is used, which can be changed by a simple adjustment of the swash plate flow rate and / or direction of conveyance.
  • Die Erfindung besitzt gegenüber dem Stand der Technik ferner den Vorteil, dass über die Flüssigkeit D eine zumindest teilweise Abführung der bei der Verdichtung entstehenden (Verdichtungs)Wärme erfolgen kann. The invention has the further advantage that via the liquid D is an at least partially discharge generated during the compaction (compression) can be carried heat over the prior art. Hierzu sind, wie in der Figur dargestellt, Wärmetauscher bzw. Kühler K1 und K2 vorgesehen, über die die in den Zylindern Z1 und Z2 bei der Verdichtung entstehende Wärme beispielsweise an die Umgebung und/oder ein anderes geeignetes Medium abgeführt werden kann. For this purpose, heat exchanger or condenser as shown in the figure, K1 and K2 are provided, via which the resulting in the cylinders Z1 and Z2 in the heat of compression can be dissipated, for example to the environment and / or another suitable medium. Bei einer vollständigen Abführung der Verdichtungswärme über die Flüssigkeit D sowie die Wärmetauscher bzw. Kühler K1 und K2 kann eine isotherme, einstufige Verdichtung realisiert werden. In a complete dissipation of the heat of compression over the liquid D and the heat exchanger or cooler K1 and K2 an isothermal, single-stage compression can be realized.
  • Zwischen den Kühlern K1 und K2 und der Hydraulikpumpe X sind Ventile e bzw. g angeordnet; Between the radiators K1 and K2 and the hydraulic pump X valves are arranged or e g; diese so genannten Stillstandsventile bewirken, dass im Stillstand an der Hydraulikpumpe X kein Anlagendruck anliegt. these so-called shutdown valves cause a standstill of the hydraulic pump X bears no system pressure.
  • Die in der Abtrennvorrichtung A von dem verdichteten Medium abgetrennte, aus den Zylindern Z1 und Z2 stammende Flüssigkeit wird über Leitung The separated in separator A of the compressed medium, originating from the cylinders Z1 and Z2 liquid is fed via line 9 9 , in der ein Absperrventil e angeordnet ist, einem optional vorzusehenden Zwischenspeicherbehälter S zugeführt. In which a shut-off valve E, is arranged fed to an intermediate storage container optionally to be provided S. Aus diesem kann die Flüssigkeit entsprechend dem Bedarf in den Zylindern Z1 und Z2 über die Leitungen For this, the liquid may according to the needs in the cylinders Z1 and Z2 via lines 7 7 und and 8 8th sowie die beiden Absperrventile f und h den Zylindern Z1 und/oder Z2 zugeführt werden. and the two shut-off valves F and H the cylinders Z1 and / or Z2 are supplied.
  • Neben der anhand der Figur erläuterten Ausführungsform der Erfindung sind Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar, bei der lediglich ein Zylinder oder drei und mehr Zylinder vorgesehen sind. In addition to the explained with reference to FIG embodiment of the invention, embodiments of the inventive method and the inventive device can be realized, are provided in only one cylinder or three or more cylinders. Während mit lediglich einem Zylinder keine hinsichtlich des Verdichtungsdruckes kontinuierliche Abgabe des verdichteten Mediums möglich ist, ist eine derartige, oftmals gewünschte Abgabe des verdichteten Mediums bei zwei oder mehr Zylindern möglich. While only one cylinder with no continuous with respect to the compression pressure release of the compressed medium is possible, such often desired delivery of the compressed medium with two or more cylinders is possible.
  • Durch den Entfall fester Kolben sowie dynamischer Dichtungssysteme kommt es zu einer erheblichen Einsparung an Investitionskosten. The elimination of solid pistons and dynamic sealing systems, there is a considerable saving in investment costs. Zusätzlich verringern sich die Wartungskosten, da sich die Wartungsintervalle, verglichen mit denjenigen herkömmlicher Verdichter, verlängern. In addition to reducing maintenance costs, since the maintenance intervals, compared with those of conventional compressors extend.
  • Die Erfindung eignet sich für eine Verdichtung von gasförmigen Medien bis auf Drücke von zur Zeit realisierbaren 1000 bar. The invention is suitable for compression of gaseous media up to pressures of feasible at present 1000 bar. Es sei jedoch betont, dass im Prinzip auch beliebig höhere Drücke erreichbar sind. However it should be emphasized that, in principle, any higher pressures are attainable. Die Erfindung ermöglicht ferner eine Verdichtung auf Höchstdruck mit lediglich einer einzigen Verdichtungsstufe. The invention further enables a compression to high pressure with only a single compression stage. Des Weiteren kann die Fördermenge beliebig variiert werden. Furthermore, the delivery rate can be varied as desired. Insbesondere im Hinblick auf die Verdichtung hochreiner Medien schafft die Erfindung eine kostengünstige Möglichkeit, derartige Medien auch auf sehr hohe Drücke zu verdichten. Particularly with regard to the compression of high purity media, the invention provides an inexpensive way to compress such media on very high pressures.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet , dass die Verdichtung (Z1, Z2) des gasförmigen Mediums durch eine Flüssigkeit (D) erfolgt, wobei eine Flüssigkeit (D), in der sich das gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist, verwendet wird. A method for compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, characterized in that the compression (Z1, Z2) of the gaseous medium through a liquid (D), wherein a liquid (D) in which the gaseous medium does not dissolve and / or is used without residue separated from the gaseous medium.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (D) eine ionische Flüssigkeit, ein schwer siedendes Hydrauliköl oder eine Flüssigkeit, die einen sehr niedrigen Dampfdruck aufweist, verwendet wird. A method according to claim 1, characterized in that as a liquid (D) an ionic liquid, a heavy boiling hydraulic oil or a liquid having a very low vapor pressure, is used.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Flüssigkeit (D) eine zumindest teilweise Abführung der Verdichtungswärme erfolgt. The method of claim 1 or 2, characterized in that via the liquid (D) is carried out an at least partial dissipation of the heat of compression.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem verdichteten Medium ( Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the compacted from the medium ( 2' 2 ' , . 2'' 2 '' ) mitgeführte Flüssigkeit von dem verdichteten Medium ( ) Entrained liquid (from the compressed medium 2' 2 ' , . 2'' 2 '' ) abgetrennt wird (A). ) Is separated (A).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem verdichteten Medium ( A method according to claim 4, characterized in that the compacted from the medium ( 2' 2 ' , . 2'' 2 '' ) abgetrennte Flüssigkeit ( ) Separated liquid ( 9 9 , . 8 8th ) wieder in die Verdichtung (Z1, Z2) zurückgeführt wird, wobei die abgetrennte Flüssigkeit vor der Rückführung zwischengespeichert (S) werden kann. ) Is fed back into the compression (Z1, Z2), wherein the separated liquid before recycling cached (S) can be.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (Z1, Z2) eine Verdichtung des gasförmigen Mediums um einen Faktor 1000 ermöglicht. Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the compression (Z1, Z2) allows compression of the gaseous medium by a factor 1000th
  7. Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst a) einen oder mehrere Zylinder (Z1, Z2), b) Zu- ( Device for compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, characterized in that the device comprises a) one or more cylinders (Z1, Z2), b) supply ( 1 1 , . 1' 1' , . 1'' 1'' ) und Abführleitungen ( () And discharge lines 2 2 , . 2' 2 ' , . 2'' 2 '' ), die der Zu- und Abführung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums in bzw. aus dem oder den Zylindern (Z1, Z2) dienen, c) pro Zylinder (Z1, Z2) wenigstens eine Flüssigkeitsleitung ( are used) that the supply and discharge of the gaseous medium to be compressed into and out of the cylinder or cylinders (Z1, Z2), c) (per cylinder Z1, Z2) at least one liquid conduit ( 3 3 , . 5 5 ), die der Zu- und Abführung der das gasförmige Medium verdichtenden Flüssigkeit (D) in den Zylinder (Z1, Z2) dient, d) Mittel zum Verändern der Flüssigkeitsmenge (D) in dem oder den Zylindern (Z1, Z2), e) wobei die Flüssigkeit eine Flüssigkeit (D) ist, in der sich das zu verdichtende gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist. ), Which serves for the supply and discharge of the gaseous medium compressed liquid (D) in the cylinder (Z1, Z2) d) means for varying the amount of liquid (D) in the or (the cylinders Z1, Z2), e) wherein the liquid is a liquid (D), in which the gaseous medium to be compressed does not dissolve and / or which is without residue separable from the gaseous medium.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verändern der Flüssigkeitsmenge in dem oder den Zylindern (Z1, Z2) als eine Flüssigkeitspumpe, Hydraulikpumpe, Axialkolbenpumpe, Schieberpumpe oder Zahnradpumpe ausgebildet sind. Device according to claim 7, characterized in that the means for varying the amount of liquid in the cylinder or cylinders (Z1, Z2) are formed as a liquid pump, hydraulic pump, axial piston pump, vane pump or gear pump.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den pro Zylinder (Z1, Z2) vorgesehenen Flüssigkeitsleitungen ( Apparatus (according to claim 7 or 8, characterized in that the per cylinder (Z1, Z2) provided fluid lines 3 3 , . 5 5 ) ein Wärmetauscher (K1, K2), der der Abführung der Verdichtungswärme dient, zugeordnet ist. ) Associated with a heat exchanger (K1, K2), which serves to dissipate the heat of compression.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abtrennvorrichtung (A) in der oder den Abführleitungen ( Device according to one of the preceding claims 7 to 9, characterized in that at least one separation device (A) in the discharge lines or the ( 2 2 , . 2' 2 ' , . 2'' 2 '' ) des verdichtenden gasförmigen Mediums, angeordnet ist, wobei die Abtrennvorrichtung (A) der Abtrennung der mit dem verdichteten Medium ( ) Of the compressed gaseous medium is arranged, wherein the separation device (A) the separation of the (with the compressed medium 2' 2 ' , . 2'' 2 '' ) mitgeführten Flüssigkeit dient. ) Entrained liquid is used.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (A) strömungsmäßig ( Device in terms of flow (according to claim 10, characterized in that the separation device (A) 9 9 , . 8 8th ) mit wenigstens einem der Zylinder (Z1, Z2) verbunden oder verbindbar ist. ) Is connected to at least one of the cylinders (Z1, Z2) or connectable.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrennvorrichtung (A) eine Flüssigkeits-Speichervorrichtung (S) zugeordnet ist. Device according to claim 10 or 11, characterized in that the separation device (A) is associated with a fluid storage device (S).
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