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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kolbenlosen
Verdichters, der der Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines
kryogenen Mediums, dient und in dessen Zylinder eine Flüssigkeitssäule auf
und ab bewegt wird.
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Unter
dem Begriff "kolbenloser
Verdichter" sei
ein Verdichter bzw. eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums
zu verstehen, wie er bzw. sie bspw. in der PCT-Patentanmeldung PCT/EP2005/008370
offenbart ist. Derartige Vorrichtungen werden als "kolbenlose Verdichter" bezeichnet, da in
ihnen anstelle eines festen Kolbens eine Flüssigkeitssäule auf und ab bewegt wird.
Seit kurzem werden als Flüssigkeiten
für derartige
Verdichter auch ionische Flüssigkeiten
herangezogen. Diese haben eine Vielzahl von Vorteilen, wie sie ebenfalls
in der vorgenannten PCT-Patentanmeldung
offenbart sind. Mit der Zitierung der PCT-Patentanmeldung PCT/EP2005/008370
sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt
der vorliegenden Patentanmeldung integriert. Kolbenlose Verdichter
dienen insbesondere der Verdichtung von Wasserstoff, Sauerstoff,
Helium, Stickstoff, Argon, etc.
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Bei
konventionellen Verdichtern – also
Verdichtern, bei denen ein herkömmlicher
Kolben zur Anwendung kommt – bestand
bisher das Problem, dass der Kolben nur bis zu einem gewissen Punkt
an den theoretisch möglichen
obersten Totpunkt heranfahren konnte. Als Folge davon verbleibt
im Bereich des Zylinderkopfes ein sog. Totraum. Das in diesem Totraum
vorhandene verdichtete Medium entspannt sich während des Saughubes auf den
Saugdruck. Dies führt
dazu, dass die Förderleistung
des Verdichters verringert wird. Darüber hinaus muss dieses Gas beim
nächstfolgenden
Verdichtungstakt erneut verdichtet werden. Dies wiederum hat zur
Folge, dass auch die spezifische Verdichtungsenergie ansteigt.
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Die
Einhaltung eines Totraumvolumens ist jedoch zwingend erforderlich,
da verhindert werden muss, dass der sich nach oben bewegende Kolben den
Zylinderkopf berührt.
Diese Forderung muss auch dann erfüllt werden können, wenn
es zu einer erheblichen thermischen Veränderung des Systems Kolben/Zylinder
kommt.
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Grundsätzlich ähnliche Überlegungen
gelten für
die sog. kolbenlosen Verdichter. In der 1 ist in einer
schematisierten Schnittdarstellung der obere Bereich eines Zylinders 1' eines kolbenlosen
Verdichters dargestellt. Bei diesem wird in dem Zylinder 1' eine Flüssigkeitssäule 2' auf und ab
bewegt. Hat die Flüssigkeitssäule 2' ihren oberen
Totpunkt erreicht, verbleibt ein Totraum 3'. Schematisiert sind ferner dargestellt
eine Zuführleitung 4' sowie eine
Abführleitung 5', die der Zu-
und Abführung
des zu verdichtenden gasförmigen
Mediums in den Zylinder 1' dienen.
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Bei
kolbenlosen Verdichtern spielt die thermische Veränderung
des Kolbenmediums keine Rolle, da der jeweilige Iststand der Flüssigsäule 2' bekannt ist.
Dies hat zur Folge, dass der Totraum 3' – verglichen mit einem herkömmlichen
Verdichter – kleiner
wird. Um jedoch ein Überfördern des
Flüssigkeits-
bzw. Kolbenmediums in die Abführleitung 5' zu verhindern,
muss weiterhin ein definierter Totraum eingehalten werden. Die im
Zusammenhang mit herkömmlichen
Verdichtern beschriebenen Nachteile sind somit weiterhin vorhanden,
wenn auch in geringerem Umfange.
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Wie
in der Figur der vorgenannten PGT-Patentanmeldung PCT/EP2005/008370
gezeigt, ist der Abführleitung
des kolbenlosen Verdichters eine Abtrenneinheit zugeordnet, in der
eine Abtrennung der über
das verdichtete Medium unerwünscht
mitgeführten
Betriebsflüssigkeit
möglich
ist. Derartige Abtrennvorrichtungen dienen bisher jedoch lediglich
dazu, unerwünscht
mitgeführte
Flüssigkeit
aus dem verdichteten Medienstrom abzutrennen. Sie sind daher auf
vergleichsweise geringe Abtrennmengen ausgelegt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Betreiben eines kolbenlosen Verdichters anzugeben, das die vorgenannten
Nachteile vermeidet, insbesondere die Förderleistung eines kolbenlosen
Verdichters erhöht und
die spezifische Verdichtungsenergie minimiert.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben
eines kolbenlosen Verdichters vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass während
des Verdichtungstaktes ein Überfördern eines
Teiles der Flüssigkeit zugelassen
wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben
eines kolbenlosen Verdichters sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – die überförderte Flüssigkeit
von dem verdichteten Medium abgetrennt wird und
- – die
von dem verdichteten Medium abgetrennte überförderte Flüssigkeit in den oder die Zylinder des
Verdichters zurückgeführt wird.
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Ein
Abtrennen der überförderten
Flüssigkeit von
dem verdichteten Medium ist insbesondere dann zweckmäßig oder
erforderlich, wenn die überförderte Flüssigkeit
in einem nachfolgenden Prozess, dem das verdichtete Medium zugeführt wird,
eine unerwünschte
Verunreinigung darstellt. Im Falle der Verwendung von ionischen
Flüssigkeiten
als Betriebsmittel erscheint eine Abtrennung und Rückführung der überförderten
Flüssigkeit
auch aus Kostengründen
sinnvoll. Darüber
hinaus kann u. U. auch der "Verlust" der überförderten
Flüssigkeitsmenge
akzeptiert werden, insbesondere dann, wenn ein Ersetzen der überförderten
Flüssigkeitsmenge
durch neue Betriebsflüssigkeit
erforderlich oder gewünscht
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines kolbenlosen Verdichters sowie weitere Ausgestaltungen
desselben, die Gegenstände
der abhängigen
Patentansprüche
darstellen, seien im Folgenden anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Ebenso
wie bereits die 1 zeigt auch die 2 eine
schematisierte Schnittdarstellung des oberen Bereiches eines Zylinders 1 eines
kolbenlosen Verdichters. In der Abführleitung 5 ist nunmehr eine
Abtrenneinheit 6 vorgesehen, in der aus dem verdichteten
Medienstrom, der über
Leitung 5 aus dem Zylinder 1 ausgedrückt wird,
die überförderte Flüssigkeit – in der 2 in
der Abführleitung 5 schrägschraffiert
dargestellt – abgetrennt
wird. Der von dieser überförderten
Flüssigkeit
befreite verdichtete Medienstrom wird anschließend über Leitung 8 abgezogen,
während
die in der Abtrenneinheit 6 abgetrennte überförderte Flüssigkeit über Leitung 7 abgezogen
wird.
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Die
Abtrenneinheit 6 ist im Vergleich zu herkömmlichen
Abtrenneinheiten auf eine größere Phasenverunreinigung
ausgelegt, da zusätzlich
zur ungewollten Einbringung des (ionischen) Betriebsmittels in den
verdichteten Medienstrom, die gewollte Überförderung abgeschieden werden
muss. Die Abtrenneinheit kann das Zweiphasengemisch Medium/(Ionisches)
Betriebsmittel unter Zuhilfenahme der Gravitation, der Corioliskraft,
eines elektrischen Felds oder einer Kombination aus diesen Trennkräften abscheiden.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr – in vollständiger Abkehr
von der Lehre des bekannten Standes der Technik – während des Verdichtungstaktes bewusst
ein Überfördern eines
Teiles der Flüssigkeit 2 in
die Abführleitung 5 hinein
zugelassen bzw. erzwungen. Hierbei kann mittels der Steuerung der Flüssigkeitssäule 2 eine
definierte Flüssigkeitsmenge
in die Abführleitung 5 überfördert werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
wird erreicht, dass innerhalb des Zylinders 1 kein Totraumvolumen
mehr verbleibt, wodurch die gewünschten, vorgenannten
Vorteile realisiert werden können.
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Es
sind Anwendungsfälle
denkbar, bei denen auf eine Abtrennung der überförderten Flüssigkeit 2 aus dem
verdichteten Medienstrom verzichtet werden kann. Im Regelfall wird
jedoch eine Abtrenneinheit 6 vorgesehen, um die vorgenannte
Abtrennung realisieren zu können.
Sollte eine Abtrennung 6 nicht erforderlich sein, muss
jedoch sichergestellt werden, dass die überförderte Flüssigkeitsmenge 2 im
Zylinder 1 ersetzt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines kolbenlosen Verdichters weiterbildend wird vorgeschlagen,
dass die von dem verdichteten Medium abgetrennte überförderte Flüssigkeit 7 in den
oder die Zylinder 1 des Verdichters zurückgeführt wird.
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Diese
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
macht insbesondere dann Sinn, wenn es sich bei der Flüssigkeit
beispielsweise um eine vergleichsweise teure ionische Flüssigkeit
handelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines kolbenlosen Verdichters weist im Vergleich zu
den zum Stand der Technik zählenden
Verfahren eine höhere
Förderleistung
auf und erfordert darüber
hinaus eine geringere spezifische Verdichtungsenergie.