DE102020000326A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung mit geringem Energieeinsatz - Google Patents

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Abstract

Herkömmliche Verfahren zur Gasverflüssigung haben einen hohen Energieverbrauch. Ziel dieser Patentschrift ist es, diesen deutlich zu senken. Es wird vorgeschlagen, Verdichtung und Entspannung des Gases in einer Maschine ablaufen zu lassen. Damit wird ein Teil der zur Verdichtung des Gases aufgewendeten Energie wieder zurückgewonnen. Die Ventile des Verdichters bzw. der Entspannungsmaschine werden elektronisch-pneumatisch angetrieben. Dadurch lassen sie sich steuern und es kann von Verdichtung auf Entspannung und umgekehrt umgeschaltet werden. Mit der Wärme des verdichteten Gases wird ein zweiter Kältemittelkreislauf betrieben und es wird Strom erzeugt.

Description

  • Der Nachteil der heutigen Verflüssigungsverfahren ist, dass die Energie der hochkomprimierten Luft nicht genutzt wird, indem die Entspannung in einer feststehenden Düse erfolgt. Im Patent DE 10 2018 001 524 A1 wird beschrieben, wie ein kleiner Teil der zur Verdichtung aufgewendeten Energie zurückgewonnen wird, indem das hoch verdichtete und abgekühlte Gas in einem Düsenrad entspannt. Es wird hier vorgeschlagen, das Gas im Verdichter zu entspannen. Damit wird ein größerer Teil der zur Verdichtung des Gases aufgewendeten Energie wieder zurückgewonnen.
  • Beschreibung
  • Hochverdichtetes und gekühltes Gas kann man nicht so ohne weiteres in einem Verdichter entspannen lassen, da die sich einstellenden mittleren Wandtemperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen. Das für die Funktion der Kolben wichtige Schmieröl würde bei diesen Temperaturen seine schmierenden Eigenschaften verlieren.
  • Deshalb wird vorgeschlagen, in den Zylindern die Verdichtung und die Entspannung des Gases stattfinden zu lassen. Bei der Verdichtung erwärmen sich die Zylinderwände und bei der Entspannung kühlen sie sich ab. Folgen auf einen Entspannungstakt oder auf mehreren Entspannungstakten ein Verdichtungstakt oder mehrere Verdichtungstakte, so wird sich eine mittlere Wandtemperatur einstellen die bei ca. 0 °C liegt. Damit behält das Schmieröl für die Kolben die schmierenden Eigenschaften.
  • Im Verdichtungstakt gelangt das Gas durch einen Kondensator (1) (s. Zeichnung 1) und einen Filter (2) und wird hier von allen Verunreinigungen befreit, bevor es in den großen Zylinder Z1 zur Verdichtung erster Stufe strömt. Das verdichtete Gas erster Stufe wird im Wärmetauscher (Wt1) abgekühlt. Der Druckbehälter (D1) gleicht Druckschwankungen aus. Das Gas wird danach im kleinen Zylinder (Z2) zur zweiten Stufe verdichtet und im Wärmetauscher (Wt2) abgekühlt. Druckschwankungen werden durch den angeschlossenen Druckbehälter (D2) ausgeglichen.
  • Im Entspannungstakt wird das im Wärmtauscher (Wt2) gekühlte Gas hohen Druckes im Zylinder (Z2) zur ersten Stufe entspannt und wird ausgeschoben. Ein Druckbehälter (D3) gleicht Druckschwankungen aus. Das Gas strömt nun in den Zylinder (Z1) zur Entspannung zweiter Stufe. Um zu verhindern, dass die Verflüssigung des gesamten Gases im Zylinder stattfindet, wird nicht bis auf Atmosphärendruck entspannt. Das aus dem Verdichter ausgestoßene Gas vom Druck > 1 bar wird in einem Ölfilter (14) gereinigt und im Wärmetauscher (Wt3) von dem nicht verflüssigten Gas weiter abgekühlt und passiert danach eine Düse (4) nach der es weiter entspannt und sich verflüssigt. Der Druckbehälter (D4) gleicht Druckschwankungen aus. Das flüssige Gas wird im Behälter (3) gesammelt.
  • Zur Erwärmung der Zylinderwände kann das verdichtete Gas hoher Temperatur in einer um den Zylinder angeordneten Rohrschlange strömen bevor es zu den Wärmetauschern (Wt1, Wt2) geleitet wird.
  • Die Ventile des Verdichters bzw. der Entspannungsmaschine werden elektronisch-pneumatisch angetrieben. Dadurch lassen sie sich steuern. In jedem Zylinder (Z1, Z2) sind vier Ventile (V1, V2, V3, V4) angeordnet. Zwei Ventile (V1, V3) öffnen sich unterhalb der Zylinderoberkante (7) und zwei Ventile (V2, V4) öffnen sich oberhalb der Zylinderoberkante (7). Die Ventile (V1) und (V2) arbeiten im Verdichtungstakt und die Ventile (V4) und (V3) im Entspannungstakt. Die Ventile sind von Ventilräumen (6) umgeben von denen die Druckleitungen zu den Wärmetauschern und Druckbehältern abgehen.
  • Durch eine angemessene Drehzahl muss verhindert werden, dass sich das in den Zylindern (Z1) und (Z2) entspannende Gas durch intensiven Wärmeaustausch mit der Zylinderwand stark erwärmt.
  • Zur zuverlässigen Kühlung des Gases und zur Energieeinsparung kann, wie im Patent DE 10 2018 001 524 A1 beschrieben, ein zweiter Kältemittelprozess mit einem Kältemittel, das eine höhere Verflüssigungstemperatur als das zu verflüssigende Gas hat, angeschlossen werden (s. Zeichnung 2). Die bei der Verdichtung des Gases (z. B. Luft) entstehende Wärme kann für diesen Prozess genutzt werden. Das Kältemittel aus dem Behälter (5) (z.B. flüssiges Methan) wird von einer Hochdruckpumpe in die Hochdruckleitung (15) gedrückt und strömt durch die Wärmetauscher (Wt3), (Wt2) und (Wt1). Hier wird es von verdichtetem Gas erwärmt und verdampft. Der Dampf hohen Druckes wird im Wärmetauscher (Wt4) gekühlt und danach im Düsenrad (9), das den Generator (G) antreibt, entspannt und verflüssigt. Die Flüssigkeit des Kältemittels fließt in den Behälter (5). Zur Erhöhung der Stromausbeute wird der Hochdruck nicht von der Hochdruckpumpe sondern, wie in der am 7.1.2020 eingereichten Patentanmeldung „Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Stromerzeugung mit Hilfe der Umgebungswärme“ beschrieben, in mit vier Ventilen abschließbaren Füllräumen (8) erzeugt. Die nacheinander ablaufenden Vorgänge zur Füllung der Füllräume (8) werden durch Betätigung der entsprechenden Ventile ermöglicht. Kältemitteldampf hohen Druckes strömt aus den Füllräumen (8) über die Niederdruckleitung (16) ab und wird im Wärmetauscher (Wt4) gekühlt und in der Düse (4) entspannt und verflüssigt. Das flüssige Kältemittel wird im Behälter (5) gesammelt. Bei niedrigem Druck werden die Füllräume (8) mit flüssigem Kältemittel aus dem Behälter (5) von der Pumpe (10) gefüllt. Der Kompressor (12) verdrängt danach das flüssige Kältemittel aus den Füllräumen (8) mit dem aus der Hochdruckleitung (15) entnommenem Kältemitteldampf. Mit mehreren Füllräumen (8) entsteht in der Hochdruckleitung (15) ein nahezu konstanter Kältemittelstrom. Nicht verflüssigtes Kältemittel wird vom Kompressor (13) aus dem Behälter (5) in die Hochdruckleitung (15), die durch den Wärmetauscher Wt4 läuft und zum Düsenrad (9) führt, gedrückt. Zur Kühlung des zum Düsenrad (9) strömenden Kältemittels hohen Druckes wird von der Pumpe (11) Flüssiggas aus dem Behälter (3) durch den Wärmetauscher (Wt4) gepumpt. Das sich bildende Gas wird zur Ansaugleitung nach Kondensator (1) und Filter (2) geführt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filter
    2
    Kondensator
    3
    Behälter für flüssiges Gas
    4
    Düse
    5
    Behälter für flüssiges Kältemittel
    6
    Ventilraum
    7
    Zylinderoberkante
    8
    Behälter für flüssiges Kältemittel
    9
    Düsenrad
    10
    Pumpe
    11
    Pumpe
    12
    Kompressor
    13
    Kompressor
    14
    Ölfilter
    15
    Hochdruckleitung für Kältemittel
    16
    Niederdruckleitung für Kältemittel
    Wt1, Wt2, Wt3, Wt4
    Wärmetauscher
    Z1, Z2
    Zylinder
    D1, D2, D3, D4
    Druckbehälter
    V1, V2, V3, V4
    Ventile
    G
    Generator
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018001524 A1 [0001, 0009]

Claims (7)

  1. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung dadurch gekennzeichnet, dass in den Zylindern des Verdichters sowohl die Verdichtung als auch die Entspannung des Gases stattfindet derart, dass auf einen Entspannungstakt oder auf mehreren Entspannungstakten ein Verdichtungstakt oder mehrere Verdichtungstakte folgen.
  2. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder des Verdichters vier elektronisch steuerbare Ventile besitzt, wobei die Ventile V1 und V2 bei der Verdichtung und die Ventile V4 und V3 bei der Entspannung des Gases betätigt werden.
  3. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung nach Punkt 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das in einem Kondensator 1 und einem Filter 2 von Staub, Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen befreite Gas nach der Verdichtung erster Stufe in einem Wärmetauscher Wt1 gekühlt wird und nach der Verdichtung zweiter Stufe im Wärmetauscher Wt2 gekühlt wird und dieses zweistufig verdichtete und gekühlte Gas in den gleichen Zylindern Z2 und Z1 des Verdichters zweistufig entspannt wird bis zu einem Druck, dass sich das Gas bei der Entspannung zweiter Stufe in dem Zylinder Z1 noch nicht verflüssigt und dass das Gas nach Verlassen des Zylinders 1 zur Düse 4 strömt, sich hier weiter entspannt und sich verflüssigt und dass das flüssige Gas im Behälter 3 gesammelt wird.
  4. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung nach Punkt 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Gases in den Wärmetauschern Wt2 und Wt1 mit einem Kältemittel erfolgt, das eine höhere Verflüssigungstemperatur als das zu verflüssigende Gas hat und dass das flüssige Kältemittel einen Kreislauf durchläuft indem es aus dem Behälter 5 in die Hochdruckleitung 15 gelangt in ihr durch die Wärmetauscher Wt2 und Wt1 strömt, sich hier erwärmt und verdampft und weiter zur Kühlung durch den Wärmetauscher Wt4 strömt und danach zum Düsenrad 9, das einen Generator G antreibt, hier entspannt und sich verflüssigt und das das flüssige Kältemittel im Behälter 5 gesammelt wird.
  5. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung nach Punkt 4 dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kältemittel von einer Hochdruckpumpe aus dem Behälter 5 in die Hochdruckleitung 15 gepumpt wird.
  6. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung nach Punkt 4 dadurch gekennzeichnet, dass Füllräume 8 bei niedrigem Druck mit flüssigem Kältemittel aus dem Behälter 5 gefüllt werden und dass danach von einem Kompressor 12 bewegter aus der Hochdruckleitung entnommener Hochdruckkältemitteldampf das flüssige Kältemittel aus den Füllräumen 8 in die Hochdruckleitung 15 drückt.
  7. Verfahren und Vorrichtung zur Gasverflüssigung nach Punkt 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der in der Hochdruckleitung 15 zum Düsenrad 9 strömende Hochdruckkältemitteldampf im Wärmetauscher Wt4 von flüssigem Gas aus dem Behälter 3 gekühlt wird.
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