DE102005016114A1

DE102005016114A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von hochkomprimiertem Gas

Info

Publication number: DE102005016114A1
Application number: DE102005016114A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Bäumer; Dirk Dipl.-Ing. Grulich; Herbert Dr.-Ing. Wiegand
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Zur Erzeugung eines hochkomprimierten Gases wird ein mehrstufiger Hochdruckverdichter benutzt, der mehrere Verdichterstufen (10a, 10b, 10c, 10d) aufweist. Den Verdichterstufen (10a, 10b, 10c, 10d) ist zur Gaskühlung ein Wirbelrohr (20a, 20b, 20c, 20d) nachgeschaltet. Der Druckunterschied zwischen der Druckleitung (4) des Hochdruckverdichters und dem zu füllenden Druckgasbehälter (7) wird dazu genutzt, mit einer Expansionsturbine (5) einen Vorverdichter (2) zur Vorverdichtung des Gases vor Eintritt in die erste Verdichterstufe (10a) anzutreiben. Alternativ hierzu kann zwischen der letzten Verdichterstufe (10d) und dem Druckgasbehälter (7) ein Wirbelrohr zur Gaskühlung angeordnet sein. Die Vorrichtung erlaubt eine Direkt-Betankung eines Druckgasbehälters in der Weise, dass ein nach den technischen Regeln vorgegebener Grenzwert des Druckes im Druckgasbehälter bei einer vorgegebenen Grenztemperatur erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von hochkomprimiertem Gas mit einem einstufigen oder mehrstufigen Verdichter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann neben zahlreichen anderen Anwendungen in einem Gasbetankungssystem zum Betanken von mit Erdgas, Methan oder ähnlichen Gasen sowie mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Problematisch bei Gasen als Energiespeicher im Kraftfahrzeug ist ihr im Vergleich zu flüssigen Energieträgern bei Erdgas um drei Zehnerpotenzen höherer Speichervolumenbedarf bei Umgebungsbedingungen. Deshalb hat man festgelegt, Erdgas mit einem Druck von 250 bar an den Tankstellen zur Verfügung zu stellen, damit ein nach den technischen Regeln vorgegebener Druck von 200 bar im Druckgasbehälter eines Fahrzeugs bei einer Bezugstemperatur von 15°C erreicht und auch nicht überschritten wird. Damit muss wenigstens nur ein etwa 3-faches Speichervolumen im PKW zur Verfügung gestellt werden im Vergleich zum Benzinfahrzeug.

Bei Gasbetankungsanlagen führt die aufzubringende Einschiebearbeit zu einer Erwärmung des Gases im Druckgasbehälter. Der Joule-Thomson-Effekt (Temperaturänderung des Gases durch Drosselung) des realen Gases wirkt dieser Erwärmung im allgemeinen entgegen. Jedoch nur unter sehr günstigen Bedingungen, d.h. bei ausreichend niedriger Temperatur, reicht der Joule-Thomson-Effekt und die Wärmeabgabe an die Umgebung aus, um die durch die Einschiebearbeit des Gases verursachte Erwärmung zu kompensieren. Sind diese günstigen Bedingungen nicht gegeben, so kommt es in Gasbetankungsanlagen ohne Kühlvorrichtung beim Umfüllen zu einer Unterfüllung des Druckgasbehälters. Der Grund hierfür ist, dass sich durch die Einschiebearbeit eine hohe Temperatur und damit ein entsprechend hoher Druck im Druckgasbehälter einstellt, was die zur Verfügung stehende Druckdifferenz für die Befüllung so stark erniedrigt, dass der Betankungsvorgang lange dauert und daher abgebrochen wird, bevor der Druckgasbehälter die nach den technischen Regeln mögliche Gasmasse enthält.

DE 197 05 601 A1 beschreibt ein Erdgas-Betankungsverfahren ohne Kühlung des Gases, bei dem der Betankungsvorgang des Druckgasbehälters solange durchgeführt wird, bis der Druck in der Leitung zum Druckgasbehälter einen Höchstdruck überschreitet. Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass der Betankungsvorgang abgebrochen wird, wenn der Massenstrom einen Grenzwert unterschreitet.

WO 97/06383 A1 beschreibt ein Gas-Ladesystem für Hochdruckflaschen. Die Kühlung des Gases erfolgt hier durch Spülung der zu füllenden Hochdruckflasche, wodurch zwei Anschlüsse für Vor- und Rücklauf benötigt werden. Im Spülkreislauf wird das Gas durch einen Wärmetauscher oder durch Vermischen mit dem Gas im Vorratsbehälter gekühlt.

EP 0 653 585 A1 gibt ein System zur Betankung eines Druckgasbehälters an. Darin wird die Durchführung eines Prüfstoßes beschrieben und zu dessen Auswertung die thermische Zustandsgleichung für das reale Gas herangezogen. Es wird auch ein Umschalten auf Vorratsbehälter mit höherem Druck (Mehrbankverfahren) während der Betankung beschrieben. Der Betankungsvorgang erfolgt intermittierend. Es ist keine Kühlvorrichtung für das Gas vorgesehen.

DE 102 18 678 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem das Gas zum Befüllen des Druckgasbehälters aus einem unter hohem Druck stehenden Vorratsbehälter über ein Wirbelrohr als Kühlvorrichtung geleitet wird. Das Wirbelrohr nutzt den bestehenden Druckunterschied im Betankungssystem aus, um den Gasstrom in einen Heißgasstrom und Kaltgasstrom zu teilen. Letzterer wird dann dem Druckgasbehälter zugeführt. Die Funktionsweise dieses Verfahrens basiert darauf, dass das Gas bei einem überkritischen Druckverhältnis einem Drallerzeuger zugeführt wird, der axial zwischen zwei Rohren angeordnet ist, die einen unterschiedlichen Eintrittsdurchmesser haben. Eine Temperaturabsenkung von Gasen mit einem Wirbelrohr gelingt dann und nur dann, wenn überkritische Druckverhältnisse vorliegen. Bei einem kritischen Druckverhältnis für Erdgas von π* = 0,5427 und einem Druck im Vorratsbehälter von p_v = 250 bar, der in der Regel unterschritten wird, wenn mehrere Fahrzeuge kurz hintereinander betankt werden, ist ein unterkritischer Zustand erreicht, wenn im Druckgasbehälter der Druck auf p_D = 135 bar angestiegen ist. Das bedeutet, dass beim Befüllen eines Druckgasbehälters mit Erdgas im Druckbereich zwischen p_D = 135 bar bis p_D = 200 bar unter den durch die technischen Regeln vorgegebenen Voraussetzungen durch den Einsatz eines Wirbelrohres keine Temperaturabsenkung des Gases mehr zu erzielen ist.

Eine Direkt-Betankung ist dort angebracht, wo sich die Errichtung von öffentlich zugänglichen Erdgastankstellen nicht lohnt. Fahrzeuge könnten dort betankt werden – und zwar nicht nur die des Individualverkehrs – wo sie sich während ihrer Stillstandszeit befinden. Dies kann in Industrieparks, Garagen oder Car Boards sein. Sehr viele Haushalte bzw. Gebäude haben Erdgas zu Heizzwecken zur Verfügung. Dieses Erdgas kann in der Garage mit Hilfe eines Kompressors (Erdgasverdichters) während der Nacht vom üblichen Erdgasnetzdruckniveau von 50 mbar auf 200 bar bei einer Referenztemperatur von 15°C komprimiert werden. Damit kann ein Kraftfahrzeug betankt werden.

Eine weitere Möglichkeit, ein derartiges Betankungssystem einzusetzen, wird in der Landwirtschaft gesehen, wo Biogas in großen Mengen anfällt. Anstelle dieses Biogas in ein öffentliches Gasnetz einzuspeisen, könnte dieses an Ort und Stelle verdichtet und zum Betreiben von landwirtschaftlichen Fahrzeugen und Maschinen genutzt werden. Dadurch wäre es zukünftig möglich, den Biodiesel in der Landwirtschaft zu ersetzen.

An diesen Verdichter ist die Forderung zu stellen, dass der Kompressor so beschaffen sein muss, dass eine volle Betankung in einer Nacht (ca. 8 Stunden) bei 200 bar und einer Referenztemperatur von 15°C möglich ist. Das Hauptproblem eines mehrstufigen Hochdruckverdichters ist die Zwischenkühlung und die Kühlung des Gases am Verdichteraustritt, das bei Eintritt in den Druckgasbehälter während der Betankung zu keinem Zeitpunkt 60°C überschreiten darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von hochkomprimiertem Gas zu schaffen, bei der das komprimierte Gas, das sich bei der Kompression erwärmt, in einer Kühlvorrichtung gekühlt wird, welche von einfachem Aufbau ist, eine hohe Kühlleistung erbringt und mit geringen Abmessungen realisiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Erfindungsgemäß ist die der Verdichterstufe nachgeordnete Kühlvorrichtung als Wirbelrohr ausgebildet.

Wirbelrohre sind für ultrakurzzeitige Absenkungen der Temperatur besonders gut geeignet. Diese Temperaturabsenkungen lassen sich außerdem im Gegensatz zu üblichen Gaskühlern auf kürzester Weglänge realisieren. Ferner geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass das Druckverhältnis in den Verdichterstufen des Hochdruckverdichters größer als 3 ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Wirbelrohre in sämtlichen Verdichterstufen im überkritischen Bereich liegen werden, was für eine einwandfreie Funktionsweise der Wirbelrohre wesentlich ist.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, bei einer Direktbetankung die Bezugstemperatur von 15°C bei einem Druck von 200 bar in dem zu befüllenden Druckgasbehälter auch dann einzuhalten, wenn dazu die Absenkung der Gastemperatur in den Wirbelrohren bei ungünstigen Rand- und Umgebungsbedingungen nicht mehr ausreicht. Zweckmäßigerweise wird dazu nach der letzten Verdichterstufe mit anschließender Drosselstelle das Gas nicht in den zu befüllenden Druckgasbehälter eingeleitet, sondern nach einer adiabaten Drosselung (Joule-Thomson-Effekt) wieder dem Verdichtereingang zugeführt. In dem geschlossenen Gaskreislauf erfährt das Gas dann bei isotroper Verdichtung und adiabater Drosselung (Kälteerzeugung durch adiabate Drosselung, bewirkt durch den Joule-Thomson-Effekt bei realen Gasen) eine stetige Temperaturabsenkung. Erfindungsgemäß bleibt der Gaskreislauf dann solange geschlossen, bis die zur Befüllung des Druckgasbehälters nach den technischen Regeln erforderliche Temperaturabsenkung erreicht ist.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die in den Wirbelrohren entstehende Wärme einer Nutzung zur Erwärmung von Brauchwasser oder für eine Gebäudebeheizung zuzuführen.

Zweckmäßigerweise wird der Ausgangsdruck eines mehrstufigen Verdichters so hoch gelegt, dass dieser Druck über dem kritischen Druck des zu befüllenden Druckgasbehälters liegt. Im Gegensatz zu dem Befüllen eines Druckgasbehälters durch Überströmen aus einem Vorratsbehälter, in dem der Gasdruck nach den technischen Regeln beim Erdgas auf einen Wert von 250 bar begrenzt ist, gelten diese Vorschriften bei der Direkt-Betankung mit einem Hochdruckverdichter nicht, sofern die gesetzlichen Bedingungen für den Druckgasbehälter eingehalten werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der aus der Endstufe des Hockdruckverdichters austretende Gasstrom über eine Expansionsturbine durch Drosselung auf den im Druckbehälter zulässigen Druck gebracht. Die an der Expansionsturbine anfallende mechanische Arbeit wird dazu genutzt, einen Verdichter zur Vorverdichtung des aus dem Gasnetz entnommenen Gases anzutreiben.

Mit Hilfe der Vorverdichtung kann über den Eingangsdruck am Hochdruckverdichter der Ausgangsdruck am Verdichter variiert werden. Durch Drosselung eines vorzugebenden Ausgangsdruckes kann damit auf die Umgebungsbedingungen bei Betanken eingegangen und indirekt auf die Gastemperatur im Druckgasbehälter eingewirkt werden.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft an einem vierstufigen Hochdruckverdichter anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen schematischen Überblick über das Gasbetankungssystem mit einem Hochdruckverdichter unter Verwendung eines Wirbelrohres nach Ranque-Hilsch zur Temperaturabsenkung des Gases nach der Kompression, wobei in dem Wirbelrohr eine Trennung in Kaltgas und Heißgas erfolgt,
2 das gleiche Gasbetankungssystem wie in 1, jedoch unter Nutzung der Druckenergie mit ihrem Arbeitsvermögen bei einem adiabaten Drosselvorgang nach der letzten Verdichterstufe in einer Expansionsturbine,
3 das gleiche Gasbetankungssystem wie in 2, jedoch unter Nutzung der in dem Heißgas enthaltenen Wärme zur Brauch- und/oder Heizwassererwärmung über einen Wärmetauscher,
4 das gleiche Gasbetankungssystem wie in 3, hier jedoch unter Verwendung eines Wirbelrohres ohne Gastrennung, bei welchem das Wirbelrohr von außen gekühlt wird und die im Kühlwasser enthaltene Wärme wiederum für eine Brauch- und/oder Heizwassererwärmung zur Verfügung steht.
Das in 1 dargestellte Gasbetankungssystem weist eine Entnahmeleitung 1 auf, die zu den in Reihe geschalteten Verdichterstufen 10a, l0b, 10c und 10d führt. Vor jeder Verdichterstufe ist in der Rohrleitung 1 ein Rückschlagventil 11a, 11b, 11c, 11d angeordnet. Von dem Rückschlagventil führt eine Einlassleitung 12a, 12b, 12c, 12d zu der nachfolgenden Verdichterstufe. Der Auslass der Verdichterstufe ist über eine Entnahmeleitung 13a, 13b, 13c, 13d mit dem Einlass eines Wirbelrohres 20a, 20b, 20c, 20d verbunden. Die Wirbelrohre sind generell in der Weise ausgebildet wie in DE 102 18 678 A1 beschrieben, so dass sich eine detaillierte Erläuterung des Aufbaus der Wirbelrohre erübrigt. Die Wirbelrohre 20a, 20b, 20c, 20d dienen zum Absenken der Gastemperatur nach der vorausgegangenen Kompression.
Die nach dem Gegenstromverfahren arbeitenden Wirbelrohre 20a, 20b, 20c, 20d sind über die Entnahmeleitungen 13a, 13b, 13c, 13d mit den Verdichterstufen 10a, 10b, 10c, 10d verbunden. Durch die Entnahmeleitungen 13a, 13b, 13c, 13d gelangt die Gasströmung zu den Einströmdüsen, die den engsten durchströmten Querschnitt 21a, 21b, 21c, 21d zwischen zwei Verdichterstufen bilden. Aus den Einströmdüsen gelangt das Gas bei Schallgeschwindigkeit als Drallströmung in das zentrale Rohr des Wirbelrohres, in dem die Trennung in einen Kaltgasstrom und Heißgasstrom erfolgt. An einem Ende des zentralen Rohres wird der kalte Kern des sich ausbildenden Wirbels als Kaltgasströmung 22a, 22b, 22c, 22d abgenommen und der folgenden Verdichterstufe über die Einlassleitungen 12b, 12c, 12d zugeführt. Am gegenüberliegenden Ende des zentralen Rohres wird die Heißgasströmung 23a, 23b, 23c, 23d abgenommen und über die Rohrleitungen 24a, 24b, 24c, 24d abgeführt. Die in den Rohrleitungen 24a, 24b, 24c, 24d befindlichen Drosselstellen 25a, 25b, 25c, 25d dienen zur Voreinstellung des Massenverhältnisses zwischen Kaltgas- und Heißgasanteil. Nach den Drosselstellen 25a, 25b, 25c, 25d strömt der Heißgasstrom über die Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c, 26d in dieselbe Verdichterstufe zurück, aus der das Gas entnommen wurde. Durch die Rückschlagventile 27a, 27b, 27c, 27d in den Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c, 26d und den Rückschlagventilen 11a, 11b, 11c, 11d in den Einlassleitungen 12a, 12b, 12c, 12d wird erreicht, dass das Gas von den Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c, 26d in die Einlassleitungen 12a, 12b, 12c, 12d gelangt.
Jedes Wirbelrohr erzeugt aus dem zugeführten Gas eine Heißgasströmung 23a, 23b, 23c, 23d und eine Kaltgasströmung 22a, 22b, 22c, 22d. Die Heißgasströmung 23a, 23b, 23c, 23d wird zu der jeweiligen Verdichterstufe 10a, 10b, 10c, l0d zurückgeführt. Die Kaltgasströmung 22a, 22b, 22c, 22d wird dagegen der nächstfolgenden Verdichterstufe zugeführt. Die Rückschlagventile 11a, 11b, 11c, 11d verhindern, dass rückgeführtes Gas in den Kaltgasauslass des vorhergehenden Wirbelrohres eindringt. Durch die Rückschlagventile 27a, 27b, 27c, 27d wird vermieden, dass das Kaltgas des vorhergehenden Wirbelrohres nicht in die Rückführleitung des Heißgases des nachfolgenden Wirbelrohres gelangt.
Von dem Wirbelrohr 20d der letzten Verdichterstufe 10d gelangt die Kaltgasströmung 22d in die Druckleitung 4. Liegt dort die Gastemperatur, die mit einer Temperaturmesseinrichtung 100 gemessen wird, über einem vorgegebenen Referenzwert, dann werden, durch ein Messsignal ausgelöst, die Dreiwegehähne 101, 102 betätigt. Im Normalfalle sind diese so eingestellt, dass die Gasströmung aus der Entnahmeleitung 1 zu den in Reihe geschalteten Verdichterstufen 10a, 10b, 10c, 10d führt und die Kaltgasströmung 22d über die Druckleitung 6 in den Druckgasbehälter 7 eingeleitet wird. Hat die Kaltgastemperatur an der Messstelle 100 einen vorgegebenen Grenzwert überschritten, dann wird die Kaltgasströmung 22d mit Hilfe des Dreiwegehahns 101 über die Sammelrückflussleitung 104 umgeleitet. Bevor die Kaltgasströmung durch die Sammelrückflussleitung 104 über den Dreiwegehahn 102 und die Einlassleitung 12a wieder der ersten Verdichterstufe 10a zugeführt wird, erfährt die Kaltgasströmung an der Drosselstelle 103 eine weitere Temperaturabsenkung. Der Dreiwegehahn 102 wird gleichzeitig mit dem Dreiwegehahn 101 betätigt, so dass keine Gaszufuhr mehr über die Entnahmeleitung 1 stattfindet und ein geschlossener Gaskreislauf nach Betätigung der Dreiwegehähne 101,102 entstanden ist. In diesem geschlossenen System erzielt man durch adiabates Drosseln (Joule-Thomson-Effekt) im Heißgasstrom 23a, 23b, 23c, 23d an den Drosselstellen 25a, 25b, 25c, 25d und im Kaltgasstrom 22d an der Drosselstelle 103 eine Absenkung der Gastemperatur. Infolge des Joule-Thomson-Effekts ist bei einem realen Gas wie Erdgas die Temperaturabsenkung durch Drosseln größer als die Temperaturzunahme des Gases durch die vorausgegangene Kompression in den Verdichterstufen 10a, 10b, 10c, 10d. Dadurch lässt sich bei geschlossenem Gaskreislauf durch Kompression und adiabates Drosseln die Gastemperatur absenken. Sobald mit der Temperaturmesseinrichtung festgestellt wird, dass die Temperatur in der Kaltgasströmung 22d einer vorgegebenen Referenztemperatur entspricht, wird ein Messsignal ausgelöst, mit dem die Dreiwegehähne 101, 102 betätigt werden, so dass die Entnahmeleitung 1 wieder mit den Verdichterstufen 10a, 10b, 10c, 10d verbunden ist und die Kaltgasströmung 22d über die Druckleitung 6 in den Druckgasbehälter 7 eingeleitet wird.
Das in 2 dargestellte Gasbetankungssystem weist gegenüber demjenigen in 1 einen Vorverdichter 2 auf, der an die Entnahmeleitung 1 angeschlossen ist. Von dem Vorverdichter 2 führt eine Rohrleitung 3 zu den in Reihe geschalteten Verdichterstufen 10a, 10b, 10c, 10d. Vor jeder Verdichterstufe ist in der Rohrleitung 3 ein Rückschlagventil 11a, 11b, 11c angeordnet. Die letzte Verdichterstufe 10d ist nicht mit einem Rückschlagventil ausgestattet. Von dem Rückschlagventil führt eine Einlassleitung 12a, 12b, 12c zu der nachfolgenden Verdichterstufe. Der Auslass der Verdichterstufe ist über eine Entnahmeleitung 13a, 13b, 13c mit dem Einlass eines Wirbelrohrs 20a, 20b, 20c verbunden.
Von der letzten Verdichterstufe 10d führt eine Druckleitung 4 zu einer Expansionsturbine 5. In der Expansionsturbine erfährt die Gasströmung nach der letzten Verdichterstufe 10d eine Temperaturabsenkung, bevor das Gas in den Druckbehälter 7 eingeleitet wird. Im Normalfall ist der Dreiwegehahn 101 so eingestellt, dass die Druckleitung 6a, 6b durchgängig verbunden ist. Gleichzeitig wird der Gasströmung in der Expansionsturbine 5 mechanische Arbeit entnommen, die zum Antrieb des Vorverdichters 2 genutzt wird. Die Expansionsturbine 5 treibt den Vorverdichter 2 an.
Das Gas, das in dem Vorverdichter 2 komprimiert wurde, wird durch die Rohrleitung 3 der ersten Verdichterstufe 10a über die mit dem Rückschlagventil 11a versehene Einlassleitung 12a zugeführt. Die nach dem Gegenstromverfahren arbeitenden Wirbelrohre 20a, 20b, 20c sind über die Entnahmeleitungen 13a, 13b, 13c mit den Verdichterstufen 10a, 10b, 10c verbunden. Durch die Entnahmeleitungen 13a, 13b, 13c gelangt die Gasströmung zu den Einströmdüsen, die den engsten Querschnitt 21a, 21b, 21c zwischen den Verdichterstufen bilden. Die Kaltgasströmung 22a, 22b, 22c der Wirbelrohre 20a, 20b, 20c wird der folgenden Verdichterstufe über die Einlassleitungen 12b, 12c, 12d zugeführt und die Heißgasströmung 23a, 23b, 23c über die Rohrleitungen 24a, 24b, 24c abgeführt. Die in den Rohrleitungen 24a, 24b, 24c befindlichen Drosselstellen 25a, 25b, 25c dienen zur Voreinstellung des Massenverhältnisses zwischen Kaltgas- und Heißgasanteil. Nach den Drosselstellen 25a, 25b, 25c strömt der Heißgasstrom 23a, 23b, 23c über die Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c in dieselbe Verdichterstufe zurück, aus der das Gas entnommen wurde. Durch die Rückschlagventile 27a, 27b, 27c in den Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c und den Rückschlagventilen 11a, 11b, 11c in den Einlassleitungen 12a, 12b, 12c wird erreicht, dass das Gas von den Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c in die Einlassleitungen 12a, 12b, 12c gelangt.
Jedes Wirbelrohr erzeugt aus dem zugeführten Gas eine Heißgasströmung 23a, 23b, 23c und eine Kaltgasströmung 22a, 22b, 22c. Die Heißgasströmung 23a, 23b, 23c wird zu der jeweiligen Verdichterstufe 10a, 10b, 10c zurückgeführt. Die Kaltgasströmung 22a, 22b, 22c wird dagegen der nächst folgenden Verdichterstufe zugeführt. Die Rückschlagventile 11a, 11b, 11c verhindern, dass rückgeführtes Gas in den Kaltgasauslass des vorhergehenden Wirbelrohres eindringt. Durch die Rückschlagventile 27a, 27b, 27c wird vermieden, dass das Kaltgas des vorhergehenden Wirbelrohres nicht in die Rückführleitung des Heißgases des nachfolgenden Wirbelrohres gelangt.
Wie aus 2 weiter zu entnehmen ist, kann der geschlossene Gaskreislauf entsprechend dem in 1 beschriebenen gestaltet werden, um beim Überschreiten der Gastemperatur an der Temperaturmessstelle 100 gegenüber einer vorgegebenen Referenztemperatur eine Temperaturabsenkung des Gases einzuleiten.
Das Ausführungsbeispiel von 3 unterscheidet sich von demjenigen von 2 dadurch, dass die Heißgasströmung 23a, 23b, 23c der Wirbelrohre an jeweils einer Rückflussleitung 26b, 26c, 26d zugeführt wird, die zu der Einlassleitung 12a, 12b, 12c der Verdichterstufe 10a, 10b, 10c zurückführt. Die Rückflussleitungen 26a, 26b, 26c enthalten jeweils einen Gaskühler 30a, 30b, 30c, um dem Gas Wärme zu entziehen. Im Strömungsweg hinter jedem Gaskühler ist eine Drosselstelle 25a, 25b, 25c in die Rückflussleitung eingebaut.
Die Gaskühler 30a, 30b, 30c sind wassergekühlte Wärmetauscher. Das Wasser wird durch eine von der Expansionsturbine 5 angetriebene Umwälzpumpe 8 im Zwangsumlauf über eine Leitung 31 zu den Gaskühlern 30a, 30b, 30c gefördert, die parallel an entsprechende Zulaufleitungen 31a, 31b, 31c angeschlossen sind. Von den Gaskühlern fließt das Kühlmedium in Rücklaufleitungen 32a, 32b, 32c, die sich in einer Sammelrücklaufleitung 32 vereinigen. Die Sammelrücklaufleitung 32 führt zu einem Wärmetauscher 33. Hier gibt das Kühlmedium, das als Wärmeträger fungiert, seine in den Gaskühlern aufgenommene Wärme an ein zweites Wärmeträgermedium ab, das in einem Zulauf 34-1 des Sekundärkreislaufs zugeführt wird und durch einen Ablauf 34-2 aus dem Wärmetauscher austritt. Das im Sekundärkreislauf geförderte Wärmeträgermedium kann Brauchwasser und/oder Heizwasser für eine Gebäudebeheizung sein. Nach Austritt aus dem Wärmetauscher 33 gelangt das im Primärkreislauf geförderte Wärmeträgermedium über eine Rohrleitung 35 zurück zur Ansaugseite der Umwälzpumpe 8.
Bei dem in 4 dargestellten Gasbetankungssystem kommt ein Wirbelrohr zur Anwendung, das ohne Gastrennung arbeitet. Das aus der Entnahmeleitung 1 entnommene Gas wird in einem Vorverdichter 2, der durch die Expansionsturbine 5 angetrieben wird, auf ein höheres Druckniveau gebracht. Über die Rohrleitung 3 wird das vorverdichtete Gas der Einlassleitung 12a der ersten Verdichterstufe 10a des Hochdruckverdichters zugeführt. Nach der Kompression in der ersten Verdichterstufe 10a gelangt das Gas durch die Entnahmeleitung 13a zur Absenkung der Gastemperatur in das Wirbelrohr 40a. Das Gleiche gilt für die folgenden Verdichterstufen 10b, 10c mit den Entnahmeleitungen 13b, 13c und den Wirbelrohren 40b, 40c.
Die Wirbelrohre 40a, 40b, 40c sind über die Entnahmeleitungen 13a, 13b, 13c mit den Verdichterstufen 10a, 10b, 10c verbunden. Durch die Entnahmeleitungen 13a, 13b, 13c gelangt die Gasströmung zu den Einströmdüsen, die den engsten durchströmten Querschnitt 41a, 41b, 41c zwischen zwei Verdichterstufen bilden. Aus den Einströmdüsen gelangt das Gas bei Schallgeschwindigkeit als Drallströmung in das zentrale Rohr der Wirbelrohre 40a, 40b, 40c, die an einem Ende 43a, 43b, 43c geschlossen sind. Am festen Boden des am Ende geschlossenen Rohres wird die Strömung in Wandnähe wegen des Ausfalls der Zentrifugalkräfte abgebremst, so dass in Bodennähe am Ende sich eine radiale Einwärtsströmung ergibt. Aus Kontinuitätsgründen entsteht in axialer Richtung auf diese Weise eine aufsteigende Strömung, die als Kernströmung in die entgegengesetzte Richtung wie die Rotationsströmung strömt und an den gegenüberliegenden Enden 42a, 42b, 42c der geschlossenen Rohre in die Einlassleitungen 12a, 12b, 12c abströmt.
Die Zunahme der Ruhetemperatur außen und ihre Abnahme innen hat zwangsläufig unterschiedliche Temperaturen zwischen der Rohrinnen- und Rohraußenströmung zur Folge. Insgesamt wird durch eine Temperaturabsenkung der Rohraußenströmung durch Kühlung der Rohrwand eine zusätzliche Temperaturreduzierung der Rohrinnenströmung erreicht. Daher sind die Wirbelrohre 40a, 40b, 40c mit Wasserkühlern 44a, 44b, 44c ausgestattet, die das zentrale Rohr der Wirbelrohre 40a, 40b, 40c umschließen und im Gegenstromverfahren zur Kühlung der Rohraußenwand herangezogen werden.
Wie aus 4 weiter zu entnehmen ist, kann der Primär- und Sekundärkreislauf entsprechend dem in 3 beschriebenen Kühlkreislauf gestaltet werden.
Der letzten Verdichterstufe 10d wird das Gas über die Einlassleitung 12d zugeführt. In der Expansionsturbine 5 erfährt der Gasstrom nach der Verdichterstufe 10d eine weitere Temperaturabsenkung, bevor das Gas in den Druckgasbehälter 7 eingeleitet wird. Gleichzeitig wird dem Gasstrom in der Expansionsturbine 5 mechanische Arbeit entnommen, die zum Antrieb des Vorverdichters 2 und der Umwälzpumpe 8 genutzt wird.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von hochkomprimiertem Gas, mit einem einstufigen oder mehrstufigen Verdichter (10a, 10b, 10c, 10d) und einer Kühlvorrichtung hinter mindestens einer Verdichterstufe, wobei die Kühlvorrichtung als Wirbelrohr (20a, 20b, 20c, 20d; 40a, 40b, 40c, 40d) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Hochdruckverdichter (10a–10d), wobei hinter mindestens einer Verdichterstufe ein Wirbelrohr (20a, 20b, 20c, 20d; 40a, 40b, 40c, 40d) angeordnet ist, und zwischen dem Hochdruckverdichter und einem zu befüllenden Druckgasbehälter (7) eine Expansionsturbine (5) angeordnet ist, die einen Vorverdichter (2) zur Verdichtung des Gases vor Eintritt in die erste Verdichterstufe (10a) antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrstufigen Hochdruckverdichter zwischen der letzten Verdichterstufe (10d) und einem Druckgasbehälter (7) das Wirbelrohr angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelrohre (20a, 20b, 20c, 20d) einen Kaltgasauslass (22a, 22b, 22c, 20d) und einen Heißgasauslass (24a, 24b, 24c, 24d) aufweisen, wobei das Gas von dem Kaltgasauslass der nachfolgenden Verdichterstufe zugeführt und das Gas von dem Heißgasauslass durch Drosselung des Heißgasstromes in seiner Temperatur abgesenkt und in die betreffende Verdichterstufe zurückgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelrohre zwischen den einzelnen Verdichterstufen (10a, 10b,10c, 10d) überkritisch und mit gleichem Druckverhältnis betrieben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung mit Drosselstellen (25a, 25b, 25c, 25d) erfolgt, die so bemessen sind, dass ein vorgegebenes Massenverhältnis zwischen Kaltgas und Heißgas eingehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltgas (22d) durch eine Umschaltvorrichtung (101) in die erste Verdichterstufe (10a) umgeleitet wird, wodurch die Kaltgasströmung einer weiteren Drosselung und damit einer zusätzlichen Temperaturabsenkung unterzogen wird, wenn die Temperatur des Kaltgases eine vorgegebene Temperatur zur Befüllung des Druckgasbehälters (7) übersteigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der letzten Verdichterstufe (10d) des mehrstufigen Verdichters mit einem Wirbelrohr (20d) verbunden ist, dessen Kaltgasauslass über eine Rückführleitung (104) mit dem Einlass der ersten Verdichterstufe (10a) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (104) eine Drossel (103) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Ausgangs der letzten Verdichterstufe (10d) mit dem Eingang der ersten Verdichterstufe (10a) in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur in der Kaltgasströmung (22d) des Wirbelrohres (20d) der letzten Verdichterstufe (10d) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorverdichter (2) eine Vorverdichtung zwischen 0,5 bar und 2,0 bar erfolgt, wobei der Ausgangsdruck des Hochdruckverdichters in einem weiten Bereich frei wählbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vorgabe des Ausgangsdrucks des mehrstufigen Hochdruckverdichters die Temperaturabsenkung durch Drosselwirkung und den Joule-Thomson-Effekt beim Befüllen des Druckgasbehälters (7) der Umgebungstemperatur angepasst wird, so dass unabhängig von der Umgebungstemperatur ein Druck von 200 bar im Druckgasbehälter (7) bei einer Bezugstemperatur von 15°C erreicht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Gas zur Kühlung über einen mit Wasser als Kühlmedium betriebenen Kühler (33) geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige der Wirbelrohre (40a, 40b, 40c, 40d) durch eine Kühlvorrichtung (44a, 44b, 44c, 44d) von außen gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Wasser über einen Wärmetauscher (33) seine Wärme zur Erhitzung von Brauchwasser und/oder Heizwasser für eine Raumbeheizung abgibt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (5) eine Pumpe (8) zur zusätzlichen Umwälzung des Wassers im Primärkreislauf des Wärmetauschers (33) antreibt.