DE102022109705A1 - Compressor-expander system and method of operating same - Google Patents

Compressor-expander system and method of operating same Download PDF

Info

Publication number
DE102022109705A1
DE102022109705A1 DE102022109705.6A DE102022109705A DE102022109705A1 DE 102022109705 A1 DE102022109705 A1 DE 102022109705A1 DE 102022109705 A DE102022109705 A DE 102022109705A DE 102022109705 A1 DE102022109705 A1 DE 102022109705A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
compressor
heat exchanger
expander
air
compressed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102022109705.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Gerhard Schlegl
Johannes Achneck
Steffen Gau
Salman Chaudhry
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Energy Solutions SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Energy Solutions SE filed Critical MAN Energy Solutions SE
Priority to DE102022109705.6A priority Critical patent/DE102022109705A1/en
Priority to PCT/EP2023/060278 priority patent/WO2023203131A1/en
Publication of DE102022109705A1 publication Critical patent/DE102022109705A1/en
Granted legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/02Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being an unheated pressurised gas
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
    • F02C6/14Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/14Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0056Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using solid heat storage material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/60Application making use of surplus or waste energy
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/207Heat transfer, e.g. cooling using a phase changing mass, e.g. heat absorbing by melting or boiling
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/208Heat transfer, e.g. cooling using heat pipes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/20Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/213Heat transfer, e.g. cooling by the provision of a heat exchanger within the cooling circuit
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/42Storage of energy
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/14Power generation using energy from the expansion of the refrigerant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0034Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material
    • F28D2020/0047Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using liquid heat storage material using molten salts or liquid metals

Abstract

Verdichter-Expander-System (10), mit einem von einer elektrischen Maschine (11) antreibbaren Verdichter (12), der eingerichtet ist, um aus einer Umgebung zu verdichtende Luft anzusaugen, mit einem stromabwärts des Verdichters (12) angeordneten ersten Wärmeübertrager (13), der eingerichtet ist, um thermische Energie von der im Verdichter (12) verdichteten Luft auf ein Speichermedium zu übertragen, mit einem stromaufwärts des Verdichters (12) angeordneten zweiten Wärmeübertrager (14), der eingerichtet ist, um thermische Energie von der über den ersten Wärmeübertrager (13) geführten, verdichteten Luft auf die im Verdichter zu verdichtende Luft zu übertragen, und mit einem Expander (15), der eingerichtet ist, um über den ersten Wärmeübertrager (13) und über den zweiten Wärmeübertrager (14) geführte, verdichtete Luft zu entspannen und in die Umgebung abzuführen. Der zweite Wärmeübertrager (14) weist mehrere in Reihe geschaltete Wärmerohre, nämlich mehrere in Reihe geschaltete Heatpipes (17) oder mehrere in Reihe geschaltete Zwei-Phasen-Thermosiphons, auf. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen den Verdichter (12) und den ersten Wärmeübertrager (13) eine Beheizungseinrichtung (21) geschaltet, die eingerichtet ist, um die im Verdichter verdichtete Luft stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers (13) zu erhitzen.Compressor-expander system (10), with a compressor (12) that can be driven by an electric machine (11) and is set up to suck in air to be compressed from an environment, with a first heat exchanger (13) arranged downstream of the compressor (12). ), which is set up to transfer thermal energy from the air compressed in the compressor (12) to a storage medium, with a second heat exchanger (14) arranged upstream of the compressor (12), which is set up to transfer thermal energy from the above to transfer compressed air guided through the first heat exchanger (13) to the air to be compressed in the compressor, and with an expander (15) which is set up to convey compressed air through the first heat exchanger (13) and via the second heat exchanger (14). To relax air and release it into the environment. The second heat exchanger (14) has several heat pipes connected in series, namely several heat pipes (17) connected in series or several two-phase thermosiphons connected in series. Alternatively or additionally, a heating device (21) is connected between the compressor (12) and the first heat exchanger (13), which is set up to heat the air compressed in the compressor upstream of the first heat exchanger (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichter-Expander-System und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems.The invention relates to a compressor-expander system and a method for operating such a system.

DE 10 2019 133 904 A1 offenbart ein Verdichter-Expander-System mit einem von einer elektrischen Maschine antreibbaren Verdichter und mit einem mit dem Verdichter gekoppelten Expander, wobei über den Verdichter Luft aus einer Umgebung angesaugt werden kann, um die Luft zu verdichten, und wobei über den Expander verdichtete Luft entspannt und in die Umgebung abgeleitet werden kann. Das dort offenbarte Verdichter-Expander-System verfügt ferner über einen in Strömungsrichtung der zu verdichtenden Luft gesehen, stromabwärts des Verdichters angeordneten ersten Wärmeübertrager, um aus der verdichteten Luft Wärme auszukoppeln und thermische Energie auf ein Speichermedium zu übertragen. Ferner ist stromaufwärts des Verdichters ein zweiter Wärmeübertrager vorgesehen, der eingerichtet ist, um thermische Energie von der über dem ersten Wärmeübertrager geführten und verdichteten Luft auf die im Verdichter zu verdichtende Luft zu übertragen. DE 10 2019 133 904 A1 discloses a compressor-expander system with a compressor that can be driven by an electric machine and with an expander coupled to the compressor, wherein air can be sucked in from an environment via the compressor in order to compress the air, and wherein air compressed via the expander expands and can be discharged into the environment. The compressor-expander system disclosed there also has a first heat exchanger, viewed in the flow direction of the air to be compressed, arranged downstream of the compressor in order to extract heat from the compressed air and to transfer thermal energy to a storage medium. Furthermore, a second heat exchanger is provided upstream of the compressor, which is set up to transfer thermal energy from the air guided and compressed over the first heat exchanger to the air to be compressed in the compressor.

Obwohl es mit dem aus der DE 10 2019 133 904 A1 bekannten Verdichter-Expander-System bereits möglich ist, zum Beispiel in einem Kraftwerk überschüssige elektrische Energie zur Erhöhung des Wirkungsgrads zu nutzen, besteht Bedarf daran, ein Verdichter-Expander-System noch effizienter zu betreiben.Although it's with the one from the DE 10 2019 133 904 A1 Known compressor-expander system is already possible, for example in a power plant to use excess electrical energy to increase efficiency, there is a need to operate a compressor-expander system even more efficiently.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verdichter-Expander-System und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems zu schaffen, welches eine hohe Effizienz aufweist.Proceeding from this, the present invention is based on the object of creating a novel compressor-expander system and a method for operating such a system, which has high efficiency.

Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verdichter-Expander-System nach Anspruch 1 gelöst. Hiernach weist der zweite Wärmeübertrager mehrere in Reihe geschaltete Wärmerohre, nämlich mehrere in Reihe geschaltete Heatpipes oder mehrere in Reihe geschaltete Zwei-Phasen-Thermosiphons, auf.According to a first aspect of the invention, this object is achieved by a compressor-expander system according to claim 1. According to this, the second heat exchanger has several heat pipes connected in series, namely several heat pipes connected in series or several two-phase thermosiphons connected in series.

Nach dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst der zweite Wärmeübertrager mehrere in Reihe geschaltete Wärmerohre. Bei den Wärmerohren handelt es sich vorzugsweise um Heatpipes. Hiermit kann ein besonders effizientes Verdichter-Expander-System bereitgestellt werden. Im Bereich des zweiten Wärmeübertragers kann ein besonders effizienter Wärmeübergang bereitgestellt werden.According to the first aspect of the invention, the second heat exchanger comprises a plurality of heat pipes connected in series. The heat pipes are preferably heat pipes. This makes it possible to provide a particularly efficient compressor-expander system. A particularly efficient heat transfer can be provided in the area of the second heat exchanger.

Diese Aufgabe wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung durch ein Verdichter-Expander-System nach Anspruch 3 gelöst. Hiernach ist zwischen den Verdichter und den ersten Wärmeübertrager eine Beheizungseinrichtung geschaltet, die eingerichtet ist, um die im Verdichter verdichtete Luft stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers zu erhitzen.This object is achieved according to a second aspect of the invention by a compressor-expander system according to claim 3. Thereafter, a heating device is connected between the compressor and the first heat exchanger, which is set up to heat the air compressed in the compressor upstream of the first heat exchanger.

Mit dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Effizienz des Verdichter-Expander-Systems ebenfalls gesteigert werden. Sollte nicht ausreichend elektrische Energie für den Antrieb des Verdichters zur Verfügung stehen, so können Stillstandszeiten mithilfe der Beheizungseinrichtung besonders vorteilhaft überbrückt werden.With the second aspect of the invention, the efficiency of the compressor-expander system can also be increased. If there is not enough electrical energy available to drive the compressor, downtimes can be bridged particularly advantageously using the heating device.

Vorzugsweise kommen beide Aspekte in Kombination miteinander zum Einsatz. Dann, wenn beide Aspekte in Kombination miteinander an einem Verdichter-Expander-System genutzt werden, lässt sich die Effizienz auf besonders vorteilhafte Art und Weise steigern.Both aspects are preferably used in combination with one another. When both aspects are used in combination on a compressor-expander system, efficiency can be increased in a particularly advantageous way.

Vorzugsweise ist ein Bypass zum Verdichter vorgesehen, um am Verdichter vorbei unverdichtete Luft einer als Brenner ausgebildeten Beheizungseinrichtung zuzuführen. Es ist dann vorzugsweise weiter ein Schaltventil vorgesehen, das eingerichtet ist, um über den ersten Wärmeübertrager und über den zweiten Wärmeübertrager geführte, verdichtete Luft entweder über den Expander zu führen oder über einen Kamin in die Umgebung abzuleiten. Vorzugsweise ist ein Ventilator stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers vorgesehen.A bypass to the compressor is preferably provided in order to supply uncompressed air past the compressor to a heating device designed as a burner. A switching valve is then preferably further provided, which is set up to either lead compressed air guided via the first heat exchanger and via the second heat exchanger via the expander or to discharge it into the environment via a chimney. A fan is preferably provided upstream of the first heat exchanger.

Ein befeuerter Brenner wird typischerweise drucklos betrieben. Der Verdichter des Verdichter-Expander-Systems arbeitet in diesem Fall entweder als Ventilator und führt dem Brenner Verbrennungsluft drucklos zu. Alternativ wird die Verbrennungsluft dem Brenner unter Umgehung des Verdichters über den Ventilator zugeführt. In diesem Fall wird dann der Expander vorzugsweise nicht durchströmt, vielmehr wird vorzugsweise die Luft über den Kamin abgeleitet. Dies erfolgt über das Schaltventil.A fired burner is typically operated without pressure. In this case, the compressor of the compressor-expander system works either as a fan and supplies combustion air to the burner without pressure. Alternatively, the combustion air is supplied to the burner via the fan, bypassing the compressor. In this case, the expander is preferably not flowed through, but rather the air is preferably drained away via the chimney. This is done via the switching valve.

Vorzugsweise ist zumindest einer Stufe des Expanders ein Kondensatabscheider zugordnet, und/oder zwischen mindestens zwei Stufen des Expanders ist ein weiterer Wärmeübertrager geschaltet, der eingerichtet ist, um die teilweise entspannte Luft zu erhitzen. Es ist über die Kondensatabscheider möglich, der entspannten oder teilweise entspannten Luft Feuchtigkeit zu entziehen und einer Bildung von Eis entgegenzuwirken.A condensate separator is preferably assigned to at least one stage of the expander, and/or a further heat exchanger is connected between at least two stages of the expander and is set up to heat the partially relaxed air. Using the condensate separator, it is possible to remove moisture from the relaxed or partially relaxed air and to counteract the formation of ice.

Vorzugsweise ist stromabwärts des Expanders eine Kälteauskopplungseinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, um von der entspannten Luft Kälte auszukoppeln. Hiermit ist es möglich, der entspannten Luft nutzbare Kälte zu entziehen und die Effizienz des Verdichter-Expander-Systems weiter zu steigern.Preferably, a cold extraction device is provided downstream of the expander, which is set up to extract cold from the relaxed air. This makes it possible to extract usable cold from the relaxed air to further increase the efficiency of the compressor expander system.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Verdichter-Expander-Systems ist in Anspruch 11 definiert.The method according to the invention for operating the compressor-expander system according to the invention is defined in claim 11.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1: ein erstes erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 2: ein zweites erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 3: ein drittes erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 4: ein viertes erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 5: ein fünftes erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 6: ein sechstes erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 7 ein weiteres erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System,
  • 8: ein Detail des Verdichter-Expander-Systems nach 1, 3, 4, 5, 6und 7,
  • 9: ein P-h-Diagramm zur Verdeutlichung der Erfindung.
Preferred developments of the invention result from the subclaims and the following description. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail using the drawing, without being limited to this. This shows:
  • 1 : a first compressor-expander system according to the invention,
  • 2 : a second compressor-expander system according to the invention,
  • 3 : a third compressor-expander system according to the invention,
  • 4 : a fourth compressor-expander system according to the invention,
  • 5 : a fifth compressor-expander system according to the invention,
  • 6 : a sixth compressor-expander system according to the invention,
  • 7 another compressor-expander system according to the invention,
  • 8th : a detail of the compressor expander system 1 , 3 , 4 , 5 , 6and 7 ,
  • 9 : a Ph diagram to illustrate the invention.

1 zeigt ein Verdichter-Expander-System 10 nach einem ersten Aspekt der hier vorliegenden Erfindung. Das Verdichter-Expander-System 10 verfügt über einen von einer elektrischen Maschine 11 antreibbaren Verdichter 12, der eingerichtet ist, um aus einer Umgebung zu verdichtende Luft LU1 anzusaugen. 1 shows a compressor-expander system 10 according to a first aspect of the present invention. The compressor-expander system 10 has a compressor 12 that can be driven by an electric machine 11 and is set up to suck in air LU1 to be compressed from an environment.

Das Verdichter-Expander-System 10 verfügt stromabwärts des Verdichters 12 über einen ersten Wärmeübertrager 13, der eingerichtet ist, um thermische Energie von der im Verdichter verdichteten Luft LV auf ein Speichermedium SM zu übertragen. Bei dem Speichermedium SM kann es sich zum Beispiel um Flüssigsalz oder Thermoöl oder dergleichen handeln.The compressor-expander system 10 has a first heat exchanger 13 downstream of the compressor 12, which is set up to transfer thermal energy from the air LV compressed in the compressor to a storage medium SM. The storage medium SM can be, for example, liquid salt or thermal oil or the like.

Das Verdichter-Expander-System 10 verfügt stromaufwärts des Verdichters 12 über einen zweiten Wärmeübertrager 14.The compressor-expander system 10 has a second heat exchanger 14 upstream of the compressor 12.

Über den Wärmeübertrager 14 kann einerseits die im Verdichter 12 und über den ersten Wärmeübertrager 13 geleitete verdichtete Luft LV und andererseits die im Verdichter 12 zu verdichtende Luft LU1 geführt werden. Der Verdichter 12 kann einstufig oder mehrstufig sein.On the one hand, the compressed air LV conducted in the compressor 12 and via the first heat exchanger 13 and, on the other hand, the air LU1 to be compressed in the compressor 12 can be conducted via the heat exchanger 14. The compressor 12 can be single-stage or multi-stage.

Dieser zweite Wärmeübertrager 14 ist eingerichtet, um thermische Energie von der über den ersten Wärmeübertrager 13 geführten, verdichteten Luft LV auf die im Verdichter zu verdichtende Luft LU1 zu übertragen.This second heat exchanger 14 is set up to transfer thermal energy from the compressed air LV guided via the first heat exchanger 13 to the air LU1 to be compressed in the compressor.

Das Ansaugen zu verdichtende Luft LU1 kann über einen Schalldämpfer und/oder Luftfilter erfolgen. Schalldämpfer und/oder Luftfilter sind vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters 12, insbesondere stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers 14 angeordnet.The air LU1 to be compressed can be sucked in via a silencer and/or air filter. Silencer and/or air filters are preferably arranged upstream of the compressor 12, in particular upstream of the second heat exchanger 14.

Das Verdichter-Expander-System 10 verfügt weiterhin über einen Expander 15. Der Expander 15 ist eingerichtet, um über den ersten Wärmeübertrager 13 und den zweiten Wärmeübertrager 14 geführte, verdichtete Luft LV zu entspannen und als entspannte Luft LU2 in die Umgebung abzuführen.The compressor-expander system 10 also has an expander 15. The expander 15 is set up to expand compressed air LV guided via the first heat exchanger 13 and the second heat exchanger 14 and to discharge it into the environment as relaxed air LU2.

Wie bereits ausgeführt, ist der Verdichter 12 von der elektrischen Maschine 11 antreibbar, um zum Beispiel überschüssige elektrische Energie zu nutzen. Verdichter 12 und Expander 15 sind über eine Welle 16 gekoppelt. Zwischen Verdichter 12 und Expander 15 kann eine Kupplung (siehe 7) und/oder ein Getriebe geschaltet sein. Bei der Entspannung der Luft LV1 im Expander 15 anfallende mechanische Energie kann so zum Antreiben des Verdichters genutzt werden. Stromabwärts des Expander 15 kann ein Schalldämpfer angeordnet sein.As already stated, the compressor 12 can be driven by the electrical machine 11, for example to use excess electrical energy. Compressor 12 and expander 15 are coupled via a shaft 16. A clutch can be installed between compressor 12 and expander 15 (see 7 ) and/or a gearbox. When the air LV1 is expanded in the expander 15, the mechanical energy generated can be used to drive the compressor. A silencer can be arranged downstream of the expander 15.

Nach dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst der zweite Wärmeübertrager 14 mehrere in Reihe geschaltete Wärmerohre, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Heatpipes 17 ausgebildet sind.According to the first aspect of the invention, the second heat exchanger 14 comprises a plurality of heat pipes connected in series, which are designed as heat pipes 17 in the exemplary embodiment shown.

Alternativ kann es sich bei den Wärmerohren auch um Zwei-Phasen-Thermosiphons handeln.Alternatively, the heat pipes can also be two-phase thermosiphons.

8 zeigt den zweiten Wärmeübertrager 14 mit mehreren Heatpipes 17 in größerem Detail. Die Heatpipes 17 sind in Reihe geschaltet. 8th shows the second heat exchanger 14 with several heat pipes 17 in greater detail. The heat pipes 17 are connected in series.

Über die mehreren in Reihe geschalteten Heatpipes 17 wird der Wärmeübertrag von der verdichteten Luft LV1 in die zu verdichtende Luft LU1 bewerkstelligt. Über solche Heatpipes 17 ist ein sehr effizienter Wärmeübergang möglich.The heat transfer from the compressed air LV1 into the air to be compressed LU1 is accomplished via the several series-connected heat pipes 17. A very efficient heat transfer is possible via such heat pipes 17.

Bei dem Heatpipes handelt es sich um mit einem Kältemittel gefüllte Rohre, wobei als Kältemittel zum Beispiel Wasser genutzt werden kann. Auf der heißen Seite, also im Bereich der verdichteten Luft LV1, wird das Kältemittel verdampft.Heat pipes are pipes filled with a refrigerant, for example water can be used as the refrigerant. On On the hot side, i.e. in the area of compressed air LV1, the refrigerant is evaporated.

Das verdampfte Kältemittel steigt in den Heatpipes 17 auf und gibt Wärme als Kondensationsenergie im oberen Bereich an die zu verdichtende Luft LU1 ab. Im oberen Bereich ist die jeweilige Heatpipe 17 gasgefüllt.The evaporated refrigerant rises in the heat pipes 17 and releases heat as condensation energy in the upper area to the air LU1 to be compressed. In the upper area, the respective heat pipe 17 is filled with gas.

Ein die verdichtete, heiße Luft LV führender Luftkanal 18 ist dabei unterhalb des die kalte, zu verdichtende Luft LU1 führenden Luftkanals 19 positioniert.An air duct 18 carrying the compressed, hot air LV is positioned below the air duct 19 carrying the cold air LU1 to be compressed.

Außenseiten der Heatpipes 17 sind für den besseren Wärmeübergang zwischen den Heatpipes 17 und der jeweiligen Luft LV, LU1 mit Lamellen 20 bestückt.Outer sides of the heat pipes 17 are equipped with fins 20 for better heat transfer between the heat pipes 17 and the respective air LV, LU1.

2 zeigt ein Verdichter-Expander-System 10 nach einem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei zu Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, wie in 1. Nachfolgend wird auf solche Details eingegangen, durch die sich das Verdichter-Expander-System 10 der 2 vom Verdichter-Expander-System 10 der 1 unterscheidet. 2 shows a compressor-expander system 10 according to a second aspect of the invention, in which the same reference numbers are used for the same assemblies to avoid unnecessary repetition, as in 1 . The details that make up the compressor-expander system 10 will be discussed below 2 from the compressor expander system 10 of the 1 differs.

Im Ausführungsbeispiel der 2 ist der zweite Wärmeübertrager 17 nicht von mehreren in Reihe geschalteten Wärmerohren, insbesondere Heatpipes 17, gebildet, sondern vielmehr von einem konventionellen Wärmetauscher.In the exemplary embodiment 2 the second heat exchanger 17 is not formed by several series-connected heat pipes, in particular heat pipes 17, but rather by a conventional heat exchanger.

Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Verdichter 12 des Verdichter-Expander-Systems 10 und den ersten Wärmeübertrager 13 eine Beheizungseinrichtung 21 geschaltet ist. Die Beheizungseinrichtung 21 ist eingerichtet, um die im Verdichter 12 verdichtete Luft LV1 stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers 13 zu erhitzen.According to the second aspect of the invention, it is provided that a heating device 21 is connected between the compressor 12 of the compressor-expander system 10 and the first heat exchanger 13. The heating device 21 is set up to heat the air LV1 compressed in the compressor 12 upstream of the first heat exchanger 13.

Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die Beheizungseinrichtung 21 als Brenner ausgebildet. Mit einem solchen Brenner 13 kann zum Beispiel dann, wenn nicht ausreichend elektrische Energie zur Verfügung steht, um über die elektrische Maschine 11 den Verdichter 12 anzutreiben, der Betrieb des Verdichter-Expander-Systems 10 aufrechterhalten werden.In the exemplary embodiment 2 the heating device 21 is designed as a burner. With such a burner 13, for example, if there is not enough electrical energy available to drive the compressor 12 via the electrical machine 11, the operation of the compressor-expander system 10 can be maintained.

Dabei ist in 2 die als Brenner ausgebildete Beheizungseinrichtung 21 in einen sich zwischen dem Verdichter 12 und dem ersten Wärmeübertrager 13 erstreckenden Luftkanal integriert, beim Brenner handelt es sich dann um einen sogenannten Duct-Brenner.This is in 2 the heating device 21 designed as a burner is integrated into an air duct extending between the compressor 12 and the first heat exchanger 13; the burner is then a so-called duct burner.

Der Brenner erzeugt einen Temperaturhub, der im Normaltrieb über die Verdichtung im Verdichter 12 entsteht.The burner generates a temperature rise, which occurs in normal operation via the compression in the compressor 12.

Der Einsatz der als Brenner ausgebildeten Beheizungseinrichtung 21 erfolgt drucklos. Der Verdichter 12 arbeitet in diesem Fall entweder als Ventilator oder steht still. Vorzugsweise ist ein Bypass 22 vorhanden, der eingerichtet ist, um aus der Umgebung Luft LU1 am Verdichter 12 vorbei in Richtung auf die als Brenner ausgebildete Beheizungseinrichtung 21 zu führen.The heating device 21 designed as a burner is used without pressure. In this case, the compressor 12 either works as a fan or is at a standstill. A bypass 22 is preferably present, which is set up to lead air LU1 from the environment past the compressor 12 in the direction of the heating device 21 designed as a burner.

Dann, wenn das Verdichter-Expander-System 10 die als Brenner ausgebildete Beheizungseinrichtung 21 aufweist, verfügt das Verdichter-Expander-System 10 vorzugsweise weiterhin über ein Schaltventil 23 in einem sich ausgehend von dem ersten Wärmeübertrager 13 in Richtung auf den Expander 15 erstreckenden Luftkanal.Then, when the compressor-expander system 10 has the heating device 21 designed as a burner, the compressor-expander system 10 preferably also has a switching valve 23 in an air duct extending from the first heat exchanger 13 in the direction of the expander 15.

Abhängig von der Schaltstellung dieses Schaltventils 23 kann die über den ersten Wärmeübertrager 13 geführte und verdichtete Luft entweder über den Expander 15 geführt werden oder in einen Kamin 24 abgeleitet werden. Wird demnach die als Brenner ausgebildete Beheizungseinrichtung 21 betrieben, so wird über das Schaltventil 23 die Luft LV1 vorzugsweise in den Kamin 24 abgeleitet und nicht über den Expander 15 geführt.Depending on the switching position of this switching valve 23, the air guided and compressed via the first heat exchanger 13 can either be guided via the expander 15 or discharged into a chimney 24. If the heating device 21 designed as a burner is operated, the air LV1 is preferably diverted into the chimney 24 via the switching valve 23 and is not guided via the expander 15.

Sobald das Steuerventil 23 die Verbindung zum Kamin 24 öffnet, ist im Verdichter-Expander-System 10 kein Gegendruck mehr vorhanden und das System 10 mit der als Brenner ausgebildeten Beheizungseinrichtung 21 wird atmosphärisch oder annähernd atmosphärisch betrieben.As soon as the control valve 23 opens the connection to the chimney 24, there is no longer any back pressure in the compressor-expander system 10 and the system 10 with the heating device 21 designed as a burner is operated atmospherically or approximately atmospherically.

2 zeigt ein weiteres Schaltventil 25. Dieses ist in die sich zwischen dem Verdichter 12 und dem ersten Wärmeübertrager 13 verlaufende Luftleitung integriert. Abhängig von der Schaltstellung dieses Schaltventils 25 ist der Bypass 22 entweder freigegeben oder verschlossen. 2 shows another switching valve 25. This is integrated into the air line running between the compressor 12 and the first heat exchanger 13. Depending on the switching position of this switching valve 25, the bypass 22 is either released or closed.

2 zeigt weiterhin einen Ventilator 26. Für den Fall, dass die Luft beim Einsatz der als Brenner ausgebildeten Beheizungseinrichtung 21 nicht über den Verdichter 12 geführt werden kann, kann der Ventilator 26 eine ausreichende Luftströmung zum Brenner gewährleisten. 2 also shows a fan 26. In the event that the air cannot be guided over the compressor 12 when using the heating device 21 designed as a burner, the fan 26 can ensure sufficient air flow to the burner.

3 zeigt ein Verdichter-Expander-System 10, welches die Aspekte der 1 und 2 miteinander kombiniert, bei welchem also der zweite Wärmeübertrager 14 mehrere in Reihe geschaltete Wärmerohre, nämlich mehrere in Reihe geschaltete Heatpipes 17 oder Zwei-Phasen-Thermosiphons, aufweist, und bei welchem zwischen den Verdichter 12 und den ersten Wärmeübertrager 13 eine Beheizungseinrichtung 21 geschaltet ist, die eingerichtet ist, um die im Verdichter 12 verdichtete Luft stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers 13 zu erhitzen. 3 shows a compressor-expander system 10, which has the aspects of 1 and 2 combined with each other, in which the second heat exchanger 14 has several heat pipes connected in series, namely several heat pipes 17 or two-phase thermosiphons connected in series, and in which a heat exchanger is located between the compressor 12 and the first heat exchanger 13 tongue device 21 is connected, which is set up to heat the air compressed in the compressor 12 upstream of the first heat exchanger 13.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System 10 zeigt 4. Das Verdichter-Expander-System 10 der 4 ist eine Weiterbildung des Verdichter-Expander-Systems 10 der 1, weshalb wiederum für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden. Nachfolgend wird wiederum auf solche Details eingegangen, durch die sich das Ausführungsbeispiel der 4 vom Ausführungsbeispiel der 1 unterscheidet.Another compressor-expander system 10 according to the invention shows 4 . The compressor-expander system 10 of the 4 is a further development of the compressor expander system 10 1 , which is why the same reference numbers are used for the same assemblies. The details that make up the exemplary embodiment will be discussed below 4 from the exemplary embodiment of 1 differs.

Im Ausführungsbeispiel der 4 ist ebenso wie in den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 zwischen dem Verdichter 12 und dem ersten Wärmeübertrager 13 eine Beheizungseinrichtung 21 geschaltet, die jedoch nicht als Brenner ausgebildet ist, sondern als elektrischer Heizer oder konventioneller Wärmetauscher. Es ist so möglich, die Temperatur der Luft stromaufwärts der ersten Wärmeübertrager 13 auf einen Soll-Wert zu regeln.In the exemplary embodiment 4 is the same as in the exemplary embodiments 2 and 3 A heating device 21 is connected between the compressor 12 and the first heat exchanger 13, which, however, is not designed as a burner, but rather as an electric heater or conventional heat exchanger. It is thus possible to regulate the temperature of the air upstream of the first heat exchanger 13 to a target value.

So kann wiederum der verdichteten Luft LV nach der Verdichtung im Verdichter 12 Wärme zugeführt werden. Dies kann erforderlich sein, um stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers 13 ein höheres Temperaturniveau zu erreichen als unmittelbar am Austritt des Verdichters 12.In this way, heat can again be supplied to the compressed air LV after compression in the compressor 12. This may be necessary in order to achieve a higher temperature level upstream of the first heat exchanger 13 than immediately at the outlet of the compressor 12.

Ein weiterer Unterschied des Ausführungsbeispiels der 4 gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht darin, dass im Ausführungsbeispiel der 4 der Expander 15 zwei Expanderstufen 15a und 15b aufweist. Dabei ist zwischen die beiden Expanderstufen 15a und 15b ein weiterer Wärmeübertrager 27 geschaltet. Dem Prozess kann dabei zwischen den beiden Stufen 15a und 15b des Expanders 15 Abwärme oder Umgebungswärme zugeführt werden. An der Stelle zwischen den beiden Expanderstufen 15a und 15b kann auch eine zusätzliche Wärmezufuhr über eine Wärmepumpe oder eine Wärmezufuhr von Abwärme oder Umgebungswärme vorgesehen werden, um die Effizienz des Expanders 15 zu erhöhen und/oder um die Austrittstemperatur der Luft stromabwärts des Expanders 15 zu regeln. Dies kann zum Beispiel bei einem Abtaubetrieb in Intervallen oder als dauerhafte Temperaturregelung erfolgen. Es ist so möglich, die Temperatur der Luft stromabwärts des Expanders 15 auf einen Soll-Wert zu regeln.Another difference in the exemplary embodiment 4 compared to the exemplary embodiment 1 is that in the exemplary embodiment the 4 the expander 15 has two expander stages 15a and 15b. A further heat exchanger 27 is connected between the two expander stages 15a and 15b. The process can be supplied with waste heat or ambient heat between the two stages 15a and 15b of the expander 15. At the point between the two expander stages 15a and 15b, an additional heat supply via a heat pump or a heat supply from waste heat or ambient heat can also be provided in order to increase the efficiency of the expander 15 and/or to regulate the outlet temperature of the air downstream of the expander 15 . This can be done, for example, during defrosting at intervals or as a permanent temperature control. It is thus possible to regulate the temperature of the air downstream of the expander 15 to a target value.

In der Luft enthaltenes Wasser kann unter bestimmten Betriebszuständen zu Vereisungen am Austritt des Expanders 15 führen. In 4 wirkt mit beiden Stufen 15a und 15b des Expanders 15 jeweils ein Kondensatabscheider 28 zusammen. Über den jeweiligen Kondensatabscheider 28 kann Kondensat abgeführt werden, um bei tiefen Temperaturen einer Eisbildung entgegenzuwirken.Water contained in the air can lead to icing at the outlet of the expander 15 under certain operating conditions. In 4 A condensate separator 28 interacts with both stages 15a and 15b of the expander 15. Condensate can be removed via the respective condensate separator 28 in order to counteract ice formation at low temperatures.

Um einer Vereisung oder Eisbildung entgegenzuwirken, sind in auch andere Maßnahmen möglich, die in allen Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen können. So ist eine Regelung der Austrittstemperatur am Expander 15 über eine Leitschaufelverstellung des Expanders 15 möglich. Alternativ oder zusätzlich kann eine Beheizung von durch eine Vereisung gefährdeten Bauteilen wie z.B. einem Expander-Gehäuse, Diffusor, Schalldämpfer und/oder Luftkanal erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Austritt des Expanders 15 eine Abtaustrecke und/oder Mischkammer vorgesehen sein, um Eis abzuscheiden, wieder aufzutauen und/oder gegebenenfalls warme Luft beizumischen.In order to counteract icing or ice formation, other measures are also possible, which can be used in all exemplary embodiments. This makes it possible to regulate the outlet temperature at the expander 15 by adjusting the guide vane of the expander 15. Alternatively or additionally, components at risk from icing, such as an expander housing, diffuser, silencer and/or air duct, can be heated. Alternatively or additionally, after the expander 15 exits, a defrosting section and/or mixing chamber can be provided in order to separate ice, thaw it again and/or, if necessary, mix in warm air.

Alternativ kann auch Eisbildung zugelassen und in Intervallen ein Abtaubetrieb gefahren werden.Alternatively, ice formation can be allowed and defrosting can be carried out at intervals.

Im Ausführungsbeispiel der 4 ist stromabwärts des Expanders 15 eine Kälteauskopplungseinrichtung 29 vorgesehen. Über die Kälteauskopplungseinrichtung 29 kann aus der entspannten Luft vor Ableitung derselben in die Umgebung Kälte ausgekoppelt werden. Bei der Kälteauskopplungseinrichtung 29 handelt es sich dabei um einen Wärmeübertrager, der eingerichtet ist, um der im Expander 15 entspannten Luft nutzbare Kälte zu entziehen.In the exemplary embodiment 4 A cold extraction device 29 is provided downstream of the expander 15. Via the cold extraction device 29, cold can be extracted from the relaxed air before it is discharged into the environment. The cold extraction device 29 is a heat exchanger which is set up to extract usable cold from the expanded air in the expander 15.

Ferner ist in 4 stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers 14 ein Wärmeübertrager 30 vorgesehen, um der Luft stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers 14 Wärme zuzuführen. Hierdurch kann der Luft Wärme am Prozesseintritt zugeführt werden. Es ist so möglich, die Temperatur der Luft am Prozesseintritt, also stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers 14, auf einen Soll-Wert zu regeln.Furthermore, in 4 A heat exchanger 30 is provided upstream of the second heat exchanger 14 in order to supply heat to the air upstream of the second heat exchanger 14. This allows heat to be supplied to the air at the process inlet. It is thus possible to regulate the temperature of the air at the process inlet, i.e. upstream of the second heat exchanger 14, to a target value.

5 zeigt eine Abwandlung des Verdichter-Expander-Systems 10 der 1, in welchem der erste Wärmeübertrager 13 Bestandteil eines Wärmespeichersystems 31 ist, welches in das Verdichter-Expander-System 10 stromabwärts des Verdichters 12 integriert ist. In 5 erfolgt die Wärmeauskopplung direkt in das Wärmespeichersystems 31, welches den ersten Wärmeübertrager 13 und einen Wärmespeicher 32 umfasst. 5 shows a modification of the compressor-expander system 10 of 1 , in which the first heat exchanger 13 is part of a heat storage system 31, which is integrated into the compressor-expander system 10 downstream of the compressor 12. In 5 the heat is extracted directly into the heat storage system 31, which includes the first heat exchanger 13 and a heat storage 32.

Bevorzugt ist der Wärmespeicher 32 als Feststoffwärmespeicher aus Beton, Vulkangestein, Schüttung etc. ausgeführt. In einem solchen sensiblen Feststoffwärmespeicher ist das feste Speichermaterial mit Rohren durchsetzt ist. Über die Medien in den Rohren wird das feste Speichermaterial erwärmt und abgekühlt. Die Wärmeeinspeicherung in den und Wärmeausspeicherung und aus dem Wärmespeicher 32 kann bei einer Schüttung auch direkt von der Luft auf das feste Speichermaterial erfolgen, wenn die Schüttung von Prozessluft durchströmt wird.The heat storage 32 is preferably designed as a solid heat storage made of concrete, volcanic rock, fill, etc. In such a sensitive solid heat storage, the solid storage material is interspersed with tubes. The solid storage material is heated and cooled via the media in the pipes. The heat storage in and out of the heat storage 32 can also be done directly from the air onto the solid storage material occur when process air flows through the bed.

Das Erwärmen des festen Speichermaterials zum Einspeichern thermischer Energie erfolgt über die im Verdichter 12 verdichtete Luft LV. Das Abkühlen des festen Speichermaterials zum Ausspeichern thermischer Energie erfolgt über ein Nutzmedium NM. Das Nutzmedium NM kann Dampf, Luft, Thermoöl oder dergleichen sein. Über das Nutzmedium NM kann Nutzwärme in einem Temperaturbereich zwischen insbesondere 100°C und 400°C ausgekoppelt werdenThe solid storage material is heated to store thermal energy via the air LV compressed in the compressor 12. The solid storage material is cooled to store thermal energy via a useful medium NM. The useful medium NM can be steam, air, thermal oil or the like. Useful heat can be extracted via the useful medium NM in a temperature range between, in particular, 100°C and 400°C

In 5 sind für den Wärmespeicher 32 zwei getrennte Rohrsysteme dargestellt, ein Rohrsystem für die im Verdichter 12 verdichtete Luft LV zum Einspeichern thermischer Energie und ein Rohrsystem für das Nutzmedium NM zum Ausspeichern thermischer Energie. Denkbar ist oder sind auch ein einziges Rohrsystem ausschließlich für die Luft LV oder drei Rohrsysteme, ein Rohrsystem für die Luft LV zur Wärmeeinspeicherung und zwei weiterer Rohrsysteme zur Wärmeeinspeicherung und Wärmeausspeicherung.In 5 Two separate pipe systems are shown for the heat storage 32, a pipe system for the air LV compressed in the compressor 12 for storing thermal energy and a pipe system for the useful medium NM for storing thermal energy. Also conceivable is or are a single pipe system exclusively for the air LV or three pipe systems, a pipe system for the air LV for heat storage and two further pipe systems for heat storage and heat extraction.

Der Wärmespeicher 32 kann auch als Latent-Wärmespeicher ausgeführt sein, mit einem Speichermaterial wie zum Beispiel einem Salz, Metall oder dergleichen, welche in einem Temperaturbereich zwischen insbesondere 100°C und 300°C einen Phasenübergang bei konstanter Temperatur vollziehen.The heat storage 32 can also be designed as a latent heat storage, with a storage material such as a salt, metal or the like, which completes a phase transition at a constant temperature in a temperature range between, in particular, 100 ° C and 300 ° C.

6 zeigt eine Weiterbildung des Verdichter-Expander-Systems 10 der 5, bei welchem ebenso wie die Verdichter-Expander-Systeme 10 der 2 und 3 zwischen den Verdichter 12 und den ersten Wärmeübertrager 13 bzw. das den ersten Wärmeübertrager 13 aufweisende Wärmespeichersystem 31 die Beheizungseinrichtung 21 geschaltet ist, die als Brenner ausgeführt ist. Ferner weist das Verdichter-Expander-Systems 10 der 6 in dem sich ausgehend von dem ersten Wärmeübertrager 13 bzw. von dem den ersten Wärmeübertrager 13 aufweisenden Wärmespeichersystem 31 in Richtung auf den Expander 15 erstreckenden Luftkanal das Schaltventil 23 auf. 6 shows a further development of the compressor expander system 10 5 , in which just like the compressor-expander systems 10 of 2 and 3 Between the compressor 12 and the first heat exchanger 13 or the heat storage system 31 having the first heat exchanger 13, the heating device 21 is connected, which is designed as a burner. Furthermore, the compressor-expander system 10 has 6 in the air duct extending from the first heat exchanger 13 or from the heat storage system 31 having the first heat exchanger 13 in the direction of the expander 15, the switching valve 23 opens.

In Verbindung mit der als Brenner ausgebildeten Beheizungseinrichtung 21 kann ein Backup bereitgestellt werden, um die Wärmeversorgung der Wärmespeichersystems 31 bei Stromknappheit sicherzustellen. Beim Einsatz des Brenners verläuft der Prozess annähernd atmosphärisch, die Zuluft wird vorzugsweise über den Verdichter 12 im Leerlauf zugeführt, alternativ über einen Verdichter 12 mit Bypass 22 und Ventilator 26 analog zu 2 und 3. Das Abgas wird im Brennerbetrieb vor dem Expander 15 über das Schaltventil 23 oder eine Klappe zum Kamin 24 abgeleitet.In conjunction with the heating device 21 designed as a burner, a backup can be provided to ensure the heat supply to the heat storage system 31 in the event of a power shortage. When using the burner, the process is approximately atmospheric; the supply air is preferably supplied via the compressor 12 at idle, alternatively via a compressor 12 with bypass 22 and fan 26 in the same way 2 and 3 . During burner operation, the exhaust gas is diverted in front of the expander 15 via the switching valve 23 or a flap to the chimney 24.

7 zeigt eine Weiterbildung des Verdichter-Expander-Systems 10 der 5 oder 6. So ist in 7 zwischen den Verdichter 12 und den Expander 15 in die Welle 16 eine Kupplung 33 geschaltet. Der erste Wärmeübertrager 13 ist als Schüttgutspeicher ausgebildet. Ferner zeigt 7 einen weiteren Wärmeübertrager 34, weitere Schaltventile 35, 36 und 39, eine optionale Beheizungseinrichtung 37 und einen optionalen Filter 38. Mit dem Verdichter-Expander-Systems 10 der 7 können verschiedenen Betriebsmodi vorteilhaft bereitgestellt werden. 7 shows a further development of the compressor expander system 10 5 or 6 . That's how it is 7 A clutch 33 is connected between the compressor 12 and the expander 15 in the shaft 16. The first heat exchanger 13 is designed as a bulk material storage. Furthermore shows 7 a further heat exchanger 34, further switching valves 35, 36 and 39, an optional heating device 37 and an optional filter 38. With the compressor-expander system 10 of 7 Different operating modes can be advantageously provided.

In einem ersten Betriebsmodus des Verdichter-Expander-Systems 10 der 7, der einem ersten Wärmepumpenbetrieb entspricht, kann über den ersten Wärmeübertrager 13, der als Schüttgutspeicher ausgebildet ist, vorteilhaft Wärme in das Speichermedium SM bzw. Schüttgut des Schüttgutspeichers eingespeichert werden. Hierbei ist das Schaltventil 35 so geöffnet, dass der Austritt des Verdichters 12 mit einer Heißseite des Schüttgutspeichers verbunden ist, die in 7 oben gezeigt ist. In 7 ist zwischen den Verdichter 12 und das Schaltventil 35 die optionale Beheizungseinrichtung 37 geschaltet, die als elektrischer Heizer oder konventioneller Wärmetauscher ausgebildet ist. Das Schaltventil 36 verbindet dann eine Kaltseite des Schüttgutspeichers, die in 7 unten gezeigt ist, mit dem zweiten Wärmeübertrager 14, der die Heatpipes 17 aufweist. Das Schaltventil 36 verschließt hierbei eine Austrittsseite des weiteren Wärmeübertragers 34, der dann nicht durchströmt ist. Das Schaltventil 39 ist dann geschlossen. Das Schaltventil 23 verbindet dann den zweiten Wärmeübertrager 14 mit dem Expander 15, die Verbindung zum Kamin 24 ist dann geschlossen.In a first operating mode of the compressor-expander system 10 the 7 , which corresponds to a first heat pump operation, heat can advantageously be stored in the storage medium SM or bulk material of the bulk material storage via the first heat exchanger 13, which is designed as a bulk material storage. Here, the switching valve 35 is opened so that the outlet of the compressor 12 is connected to a hot side of the bulk material storage, which is in 7 is shown above. In 7 The optional heating device 37, which is designed as an electric heater or conventional heat exchanger, is connected between the compressor 12 and the switching valve 35. The switching valve 36 then connects a cold side of the bulk material storage, which is in 7 is shown below, with the second heat exchanger 14, which has the heat pipes 17. The switching valve 36 closes an outlet side of the further heat exchanger 34, which is then not flowed through. The switching valve 39 is then closed. The switching valve 23 then connects the second heat exchanger 14 to the expander 15, and the connection to the chimney 24 is then closed.

In einem zweiten Betriebsmodus des Verdichter-Expander-Systems 10 der 7, der einem zweiten Wärmepumpenbetrieb entspricht, erfolgt eine direkte Wärmenutzung. In diesem Fall ist das Schaltventil 35 so geöffnet, dass der Austritt des Verdichters 12 mit einer Eintrittsseite des weiteren Wärmeübertragers 34 verbunden ist. Das Schaltventil 36 verbindet dann die Austrittsseite weiteren Wärmeübertragers 34, bei welchem es sich insbesondere um einen Dampferzeuger handelt, mit dem zweiten Wärmeübertrager 14, der die Heatpipes 17 aufweist. Das Schaltventil 36 versperrt dann die Kaltseite des Schüttgutspeichers. Der als Schüttgutspeicher ausgebildete erste Wärmeübertrager 13 wird dann nicht durchströmt. Das Schaltventil 39 ist dann geschlossen. Das Schaltventil 23 verbindet dann den zweiten Wärmeübertrager 14 mit dem Expander 15, die Verbindung zum Kamin 24 ist dann geschlossen.In a second operating mode of the compressor-expander system 10 the 7 , which corresponds to a second heat pump operation, heat is used directly. In this case, the switching valve 35 is opened so that the outlet of the compressor 12 is connected to an inlet side of the further heat exchanger 34. The switching valve 36 then connects the outlet side of another heat exchanger 34, which is in particular a steam generator, with the second heat exchanger 14, which has the heat pipes 17. The switching valve 36 then blocks the cold side of the bulk material storage. The first heat exchanger 13, designed as a bulk material storage, is then not flowed through. The switching valve 39 is then closed. The switching valve 23 then connects the second heat exchanger 14 to the expander 15, and the connection to the chimney 24 is then closed.

Über eine Regelung des Schaltventil 36 können der erste Betriebsmodus und der zweiten Betriebsmodus in einem Mischbetrieb auch gleichzeitig genutzt werden.By controlling the switching valve 36, the first operating mode and the second operating mode can also be used simultaneously in a mixed operation.

In einem dritten Betriebsmodus des Verdichter-Expander-Systems 10 der 7 kann über den ersten Wärmeübertrager 13 vorteilhaft Wärme aus dem Schüttgut ausgespeichert werden. In diesem Fall arbeitet der Verdichter 12 als Ventilator, der Expander 15 ist bei geöffneter Kupplung 33 entkoppelt. In diesem Fall ist das Schaltventil 35 so geöffnet, dass der Austritt des Verdichters 12 mit der Kaltseite des Schüttgutspeichers verbunden ist. Das Schaltventil 36 verbindet dann den Austritt des weiteren Wärmeübertragers 34 mit dem Eintritt des Verdichters 12, wobei das Schaltventil 39 dann geöffnet ist. Der zweite Wärmeübertrager 14, der die Heatpipes 17 aufweist, wird umgangen und die Luft zirkuliert im Kreis. Das Schaltventil 23 verbindet dann vorzugsweise den zweiten Wärmeübertrager 14 mit dem Expander 15, die Verbindung zum Kamin 24 ist dann geschlossen, dies ist jedoch für den dritten Betriebsmodus nicht relevant.In a third operating mode of the compressor-expander system 10 the 7 Heat can advantageously be removed from the bulk material via the first heat exchanger 13. In this case, the compressor 12 works as a fan, the expander 15 is decoupled when the clutch 33 is open. In this case, the switching valve 35 is opened so that the outlet of the compressor 12 is connected to the cold side of the bulk material storage. The switching valve 36 then connects the outlet of the further heat exchanger 34 to the inlet of the compressor 12, the switching valve 39 then being opened. The second heat exchanger 14, which has the heat pipes 17, is bypassed and the air circulates in a circle. The switching valve 23 then preferably connects the second heat exchanger 14 to the expander 15, the connection to the chimney 24 is then closed, but this is not relevant for the third operating mode.

In einem vierten Betriebsmodus des Verdichter-Expander-Systems 10 der 7, einem sogenannten Notbetrieb, arbeitet der Verdichter 12 wiederum als Ventilator, der Expander 15 ist bei geöffneter Kupplung 33 entkoppelt. Die als Brenner ausgeführt Beheizungseinrichtung 21 erhitzt die Luft. In diesem Fall ist das Schaltventil 35 so geöffnet, dass der Austritt des Verdichters 12 mit der Kaltseite des Schüttgutspeichers verbunden ist. Das Schaltventil 36 verbindet dann den Austritt des weiteren Wärmeübertragers 34 mit dem zweiten Wärmeübertrager 14, der die Heatpipes 17 aufweist. Das Schaltventil 39 ist dann geschlossen. Das Schaltventil 23 verbindet dann den zweiten Wärmeübertrager 14 mit dem Kamin 24, die Verbindung zum Expander 15 ist dann geschlossen. Abgase, die bei Betrieb des Brenners entstehen, können in den Kamin 24 abgeführt werden.In a fourth operating mode of the compressor-expander system 10 the 7 , a so-called emergency operation, the compressor 12 again works as a fan, the expander 15 is decoupled when the clutch 33 is open. The heating device 21, designed as a burner, heats the air. In this case, the switching valve 35 is opened so that the outlet of the compressor 12 is connected to the cold side of the bulk material storage. The switching valve 36 then connects the outlet of the further heat exchanger 34 with the second heat exchanger 14, which has the heat pipes 17. The switching valve 39 is then closed. The switching valve 23 then connects the second heat exchanger 14 to the chimney 24, and the connection to the expander 15 is then closed. Exhaust gases that arise when the burner is in operation can be discharged into the chimney 24.

Die erste Wärmeübertrager 34 ist in 7 ein Schüttgutspeicher, in dem als Schüttgut vorzugsweise Beton oder Kies oder Gestein enthalten ist.The first heat exchanger 34 is in 7 a bulk material storage in which the bulk material preferably contains concrete or gravel or rock.

Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter-Expander-System 10 handelt es sich um ein offenes System, welches besonders effizient betrieben werden kann. Insbesondere kann Wärme auf Hochtemperaturniveau in einem Temperaturbereich zwischen 200 °C und 600 °C bereitgestellt werden. Die Erfindung ist eine Power-To-Heat-Anwendung, um überschüssige elektrische Energie in Wärme zu wandeln und in einem Speichermedium SM zu speichern.The compressor-expander system 10 according to the invention is an open system which can be operated particularly efficiently. In particular, heat can be provided at a high temperature level in a temperature range between 200 °C and 600 °C. The invention is a power-to-heat application to convert excess electrical energy into heat and store it in a storage medium SM.

Für das Verdichter-Expander-System 10 der 1 zeigt 9 ein Druck (P)-Enthalpie (h)-Diagramm, wobei 9 der offene Kreisprozess entnommen werden kann. Die Pfeile der 9 verdeutlichen die Erwärmung der unverdichteten Luft LU1 im zweiten Wärmeübertrager 14, die Verdichtung derselben im Verdichter 12, die schrittweise Abkühlung derselben im Bereich des ersten Wärmeübertragers 13 und des zweiten Wärmeübertragers 14 sowie die anschließende Entspannung derselben im Expander 15. Das Temperaturniveau der entspannten, in die Umgebung abgeleiteten Luft LU2 ist dabei geringer als das Temperaturniveau der aus der Umgebung angesaugten, zu verdichtenden Luft LU1.For the compressor expander system 10 1 shows 9 a pressure (P)-enthalpy (h) diagram, where 9 the open cycle process can be seen. The arrows of the 9 illustrate the heating of the uncompressed air LU1 in the second heat exchanger 14, the compression of the same in the compressor 12, the gradual cooling of the same in the area of the first heat exchanger 13 and the second heat exchanger 14 and the subsequent expansion of the same in the expander 15. The temperature level of the relaxed air in the The air LU2 derived from the environment is lower than the temperature level of the air LU1 that is sucked in from the environment and is to be compressed.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, um ein erfindungsgemäßes Verdichter-Expander-System 10 zu betreiben. Dabei betrifft das Verfahren insbesondere den Betrieb des Verdichter-Expander-Systems 10 der 2, 3, in welchen die zwischen den Verdichter 12 und den ersten Wärmeübertrager 13 geschaltete Beheizungseinrichtung 21 als Brenner ausgeführt ist. Wird der Brenner 21 betrieben, so wird demselben vorzugsweise über den Bypass 22 Luft zugeführt und die verdichtete Luft über das Schaltventil 23 in den Kamin 24 abgeleitet. Wird der Brenner hingegen nicht betrieben, so ist der Bypass 22 vorzugsweise geschlossen, der Verdichter 12 wird betrieben und die verdichtete Luft wird stromabwärts des zweiten Wärmeübertragers 14 vom Schaltventil 23 dem Expander 15 zugeführt.The invention further relates to a method for operating a compressor-expander system 10 according to the invention. The method relates in particular to the operation of the compressor-expander system 10 2 , 3 , in which the heating device 21 connected between the compressor 12 and the first heat exchanger 13 is designed as a burner. If the burner 21 is operated, air is preferably supplied to it via the bypass 22 and the compressed air is drained into the chimney 24 via the switching valve 23. However, if the burner is not operated, the bypass 22 is preferably closed, the compressor 12 is operated and the compressed air is fed to the expander 15 from the switching valve 23 downstream of the second heat exchanger 14.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
Verdichter-Expander-SystemCompressor expander system
1111
elektrischen Maschineelectric machine
1212
Verdichtercompressor
1313
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
1414
zweiter Wärmeübertragersecond heat exchanger
1515
Expanderexpander
15a15a
ExpanderstufeExpander stage
15b15b
ExpanderstufeExpander stage
1616
WelleWave
1717
HeatpipeHeatpipe
1818
LuftkanalAir duct
1919
LuftkanalAir duct
2020
Lamellelamella
2121
BeheizungseinrichtungHeating device
2222
Bypassbypass
2323
Schaltventilswitching valve
2424
KaminChimney
2525
Schaltventilswitching valve
2626
Ventilatorfan
2727
WärmeübertragerHeat exchanger
2828
KondensatabscheiderCondensate separator
2929
KälteauskopplungseinrichtungCold extraction device
3030
WärmeübertragerHeat exchanger
3131
WärmespeichersystemHeat storage system
3232
WärmespeicherHeat storage
3333
Kupplungcoupling
3434
WärmeübertragerHeat exchanger
3535
Schaltventilswitching valve
3636
Schaltventilswitching valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102019133904 A1 [0002, 0003]DE 102019133904 A1 [0002, 0003]

Claims (11)

Verdichter-Expander-System (10), mit einem von einer elektrischen Maschine (11) antreibbaren Verdichter (12), der eingerichtet ist, um aus einer Umgebung zu verdichtende Luft anzusaugen, mit einem stromabwärts des Verdichters (12) angeordneten ersten Wärmeübertrager (13), der eingerichtet ist, um thermische Energie von der im Verdichter (12) verdichteten Luft auf ein Speichermedium zu übertragen, mit einem stromaufwärts des Verdichters (12) angeordneten zweiten Wärmeübertrager (14), der eingerichtet ist, um thermische Energie von der über den ersten Wärmeübertrager (13) geführten, verdichteten Luft auf die im Verdichter (12) zu verdichtende Luft zu übertragen, mit einem Expander (15), der eingerichtet ist, um über den ersten Wärmeübertrager (13) und über den zweiten Wärmeübertrager (14) geführte, verdichtete Luft zu entspannen und in die Umgebung abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager (14) mehrere in Reihe geschaltete Wärmerohre, nämlich mehrere in Reihe geschaltete Heatpipes (17) oder mehrere in Reihe geschaltete Zwei-Phasen-Thermosiphons, aufweist.Compressor-expander system (10), with a compressor (12) that can be driven by an electric machine (11) and is set up to suck in air to be compressed from an environment, with a first heat exchanger (13) arranged downstream of the compressor (12). ), which is set up to transfer thermal energy from the air compressed in the compressor (12) to a storage medium, with a second heat exchanger (14) arranged upstream of the compressor (12), which is set up to transfer thermal energy from the above to transfer the compressed air guided by the first heat exchanger (13) to the air to be compressed in the compressor (12), with an expander (15) which is set up to be guided via the first heat exchanger (13) and via the second heat exchanger (14). to relax compressed air and discharge it into the environment, characterized in that the second heat exchanger (14) has several heat pipes connected in series, namely several heat pipes (17) connected in series or several two-phase thermosiphons connected in series. Verdichter-Expander-System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe nach einem der Ansprüche 3 bis 7 weitergebildet ist.Compressor expander system (10). Claim 1 , characterized in that the same according to one of the Claims 3 until 7 is further trained. Verdichter-Expander-System (10), mit einem von einer elektrischen Maschine (11) antreibbaren Verdichter (12), der eingerichtet ist, um aus einer Umgebung zu verdichtende Luft anzusaugen, mit einem stromabwärts des Verdichters (12) angeordneten ersten Wärmeübertrager (13), der eingerichtet ist, um thermische Energie von der im Verdichter (12) verdichteten Luft auf ein Speichermedium zu übertragen, mit einem stromaufwärts des Verdichters (12) angeordneten zweiten Wärmeübertrager (14), der eingerichtet ist, um thermische Energie von der über den ersten Wärmeübertrager (13) geführten, verdichteten Luft auf die im Verdichter (12) zu verdichtende Luft zu übertragen, mit einem Expander (15), der eingerichtet ist, um über den ersten Wärmeübertrager (13) und über den zweiten Wärmeübertrager (14) geführte, verdichtete Luft zu entspannen und in die Umgebung abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verdichter (12) und den ersten Wärmeübertrager (13) eine Beheizungseinrichtung (21) geschaltet ist, die eingerichtet ist, um die im Verdichter (12) verdichtete Luft stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers (13) zu erhitzen.Compressor-expander system (10), with a compressor (12) that can be driven by an electric machine (11) and is set up to suck in air to be compressed from an environment, with a first heat exchanger (13) arranged downstream of the compressor (12). ), which is set up to transfer thermal energy from the air compressed in the compressor (12) to a storage medium, with a second heat exchanger (14) arranged upstream of the compressor (12), which is set up to transfer thermal energy from the above to transfer the compressed air guided by the first heat exchanger (13) to the air to be compressed in the compressor (12), with an expander (15) which is set up to be guided via the first heat exchanger (13) and via the second heat exchanger (14). to relax compressed air and discharge it into the environment, characterized in that a heating device (21) is connected between the compressor (12) and the first heat exchanger (13), which is set up to heat the air compressed in the compressor (12) upstream of the first heat exchanger (13). Verdichter-Expander-System (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizungseinrichtung (21) als ein Brenner oder als ein Elektroheizer oder als ein dritter Wärmeübertrager ausgebildet ist.Compressor expander system (10). Claim 3 , characterized in that the heating device (21) is designed as a burner or as an electric heater or as a third heat exchanger. Verdichter-Expander-System (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Bypass (22) zum Verdichter (12), um am Verdichter (12) vorbei unverdichtete Luft der als Brenner ausgebildeten Beheizungseinrichtung (21) zuzuführen, ein Schaltventil (23), das eingerichtet ist, um über den ersten Wärmeübertrager (13) und über den zweiten Wärmeübertrager (14) geführte, verdichtete Luft entweder über den Expander (15) zu führen oder über einen Kamin (24) in die Umgebung abzuleiten.Compressor expander system (10). Claim 4 , characterized by a bypass (22) to the compressor (12) in order to supply uncompressed air past the compressor (12) to the heating device (21) designed as a burner, a switching valve (23) which is set up to operate via the first heat exchanger (13 ) and compressed air guided via the second heat exchanger (14) either via the expander (15) or discharged into the environment via a chimney (24). Verdichter-Expander-System (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch durch einen Ventilator (26) stromaufwärts des zweiten Wärmeübertragers (14).Compressor-expander system (10) according to one of the Claims 3 until 5 , thereby by a fan (26) upstream of the second heat exchanger (14). Verdichter-Expander-System (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet, dass dasselbe nach Anspruch 1 weitergebildet ist.Compressor-expander system (10) according to one of the Claims 3 until 6 , marked that the same after Claim 1 is further trained. Verdichter-Expander-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (15) mehrstufig ausgebildet ist, wobei zumindest einer Stufe (15a) des Expanders (15) ein Kondensatabscheider (28) zugordnet ist, und/oder wobei zwischen mindestens zwei Stufen (15a, 15b) des Expanders ein weiterer Wärmeübertrager (27) geschaltet ist, der eingerichtet ist, um die teilweise entspannte Luft zu erhitzen.Compressor-expander system (10) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the expander (15) is designed in multiple stages, with a condensate separator (28) being assigned to at least one stage (15a) of the expander (15), and/or with a condensate separator (28) being assigned between at least two stages (15a, 15b) of the expander Another heat exchanger (27) is connected, which is set up to heat the partially relaxed air. Verdichter-Expander-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine stromabwärts des Expanders (15) positionierte Kälteauskopplungseinrichtung (29), die eingerichtet ist, um von der entspannten Luft Kälte auszukoppeln.Compressor-expander system (10) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized by a cold extraction device (29) positioned downstream of the expander (15), which is set up to extract cold from the relaxed air. Verdichter-Expander-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager (13) Bestandteil eines Wärmespeichersystems (31) ist, welches in das Verdichter-Expander-System (10) stromabwärts des Verdichters (12) integriert ist.Compressor-expander system (10) according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the first heat exchanger (13) is part of a heat storage system (31) which is integrated into the compressor-expander system (10) downstream of the compressor (12). Verfahren zum Betreiben eines Verdichter-Expander-System (10) zumindest nach Anspruch 5, bei Betrieb des Brenners die unverdichtete Luft am Verdichter (12) vorbei über den Bypass (22) in Richtung auf den Brenner geführt und die über den ersten Wärmeübertrager (13) und über den zweiten Wärmeübertrager (14) geführte, verdichtete Luft über das Schaltventil (23) in den Kamin (24) geleitet wird, bei Nicht-Betrieb des Brenners die Luft über den Verdichter (12) in Richtung auf den Brenner geführt und die über den ersten Wärmeübertrager (13) und über den zweiten Wärmeübertrager (14) geführte, verdichtete Luft über das Schaltventil (23) in den Expander (15) geleitet wird.Method for operating a compressor-expander system (10) at least according to Claim 5 , when the burner is in operation, the uncompressed air passes the compressor (12) via the bypass (22) in Rich The device is guided onto the burner and the compressed air guided via the first heat exchanger (13) and via the second heat exchanger (14) is passed into the chimney (24) via the switching valve (23). When the burner is not in operation, the air passes over the compressor (12) is guided in the direction of the burner and the compressed air guided via the first heat exchanger (13) and via the second heat exchanger (14) is conducted into the expander (15) via the switching valve (23).
DE102022109705.6A 2022-04-21 2022-04-21 Compressor-expander system and method of operating same Granted DE102022109705A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022109705.6A DE102022109705A1 (en) 2022-04-21 2022-04-21 Compressor-expander system and method of operating same
PCT/EP2023/060278 WO2023203131A1 (en) 2022-04-21 2023-04-20 Compressor-expander system and method for operating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022109705.6A DE102022109705A1 (en) 2022-04-21 2022-04-21 Compressor-expander system and method of operating same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022109705A1 true DE102022109705A1 (en) 2023-10-26

Family

ID=86282295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022109705.6A Granted DE102022109705A1 (en) 2022-04-21 2022-04-21 Compressor-expander system and method of operating same

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022109705A1 (en)
WO (1) WO2023203131A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011088380A1 (en) 2011-12-13 2013-06-13 Siemens Aktiengesellschaft Energy storage device with open charging circuit for storing seasonal excess electrical energy
DE102019133904A1 (en) 2019-12-11 2021-06-17 Man Energy Solutions Se Method for loading a high-temperature thermal storage system using a compressor-expander system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9897336B2 (en) * 2009-10-30 2018-02-20 Gilbert S. Staffend High efficiency air delivery system and method
EP2687702A1 (en) * 2012-07-20 2014-01-22 Alstom Technology Ltd Energy storage system and method for energy storage

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011088380A1 (en) 2011-12-13 2013-06-13 Siemens Aktiengesellschaft Energy storage device with open charging circuit for storing seasonal excess electrical energy
DE102019133904A1 (en) 2019-12-11 2021-06-17 Man Energy Solutions Se Method for loading a high-temperature thermal storage system using a compressor-expander system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROHSENOW, W.; HARTNETT, J.; GANIC, E.: Handbook of Heat Transfer Applications. 2. Auflage. New York : McGraw-Hill, 1985. S. 5-1 bis 5-13. - ISBN 0-07-053553-1

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023203131A1 (en) 2023-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1451031B1 (en) Air-conditioning unit with additional heat transfer unit in the refrigerant circuit
EP1591644B1 (en) Device for the exploitation of waste heat from compressors
EP1483483B1 (en) Thermal power process
EP1483490A1 (en) Power generating system
DE112009004531B4 (en) System for supplying machine gas to dry gas and method for providing clean dry gas for gas seals in machinery
EP3159506B1 (en) Functional synergies in the integration of orc systems in combustion engines
WO1999019608A1 (en) Gas and steam turbine installation and method for operating an installation of this type
DD141049A5 (en) GAS TURBINE PLANT
DE102014019684A1 (en) Arrangement for converting thermal energy from heat loss of an internal combustion engine
WO2000020728A1 (en) Gas and steam turbine installation
DE102007026869B4 (en) Cooling device for a liquid-cooled internal combustion engine of a motor vehicle and method for operating such a cooling device
WO2014048525A1 (en) Fuel cell system
DE102014206474A1 (en) Plant for providing heat energy for heat consumers
EP1510676B1 (en) Gas turbine plant
EP1076761B1 (en) Gas and steam turbine installation
CH702376A2 (en) Geothermal heat exchanger system for use in a gas turbine power plant.
DE102022109705A1 (en) Compressor-expander system and method of operating same
EP2485002B1 (en) Heat exchanger
EP0981681A1 (en) Gas and steam turbine system, and refrigeration of the coolant intended for the gas turbine in such a system
DE10203311B4 (en) Fuel cell system and method for operating the same
WO2011000548A2 (en) Method for operating a power plant using a gas turbine system
WO2008017431A1 (en) Heat pump
EP1609958A1 (en) Gasturbine with compressor and recuperator
EP3775518A1 (en) Expanded gas turbine process with natural gas regasification
EP3759330B1 (en) Extended gas turbine process having an expander

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division