DE1629857A1 - Tiefkuehlung und Gasspeicherung - Google Patents

Tiefkuehlung und Gasspeicherung

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DE1629857A1
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Description

Tiefkühlung und Gasspeicherung
Die Erfindung betrifft die Speicherung von Gasen mit gleichzeitiger Speicherung von Tiefkühlung.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Speicherung während der Perioden geringen Bedarfs an Gasen, die mit einer im wesentlichen konstanten Rate erzeugt werden, und die Lieferung des Gases, wenn höhere Durchfluß- oder Strömungsraten als die konstante Rate erforderlich sind.
Viele Tieftemperaturanlagen zur Trennung und/oder Lieferung von Gasen sind beträchtlichen Bedarfs- oder Anforderungs-'Schwankungen unterworfen. Zum Beispiel haben Betriebe, die Sauerstoff an die Stahlindustrie liefern, häufig einen kontinuierlichen Ausstoß, während der Bedarf der Bessemer-Birnen oder anderer Stahlerzeugungsverfahren sich zu verschiedenen
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Zeiten stark ändert. Andere Gasversorgungssysteme, wie z.B. Naturgasübertragungs- und -vert ei lungs systeme sind ebenfalls Schwankungen in der Nachfrage unterworfen. Es ist offensichtlich eine Verschwendung von Kapitalinvestierung wie auch eine Verschwendung an Energie, eine Anlage zu entwerfen, die eine Kapazität aufweist, welche den Bedarfsspitζen angepaßt ist.
Es wurde bereits eine Speicherung von Gasen in einem Hochdrucksystem "bei Umgebungstemperatur verwendet, jedoch sind deren Kosten hoch, wenn die Spitzen- oder Uiedrigverbrauchsperioden lang sind. Die Kosten einer Niederdruckgasspeicherung sind sogar noch höher. Es ist allgemein anerkannt, daß das billigste Gasspeicherungsverfahren die Speicherung von verflüssigten Gasen in Tiefkühlspeicher systemen ist. Falls jedoch die Flüssigkeit gespeichert und später verdampft wird, bedeutet dieses eine Verschwendung der für die Verflüssigung erforderliche Energie.
Ein Ziel der Erfindung bestellt in der Schaffung eines neuartigen Systems für die Speicherung von Gasen und der Tiefkühlung davon. Weiterhin soll durch die Erfindung in wirksamer Weise Vorsorge getroffen werden für Perioden von hohem und niedrigem Verbraucherbedarf an Gas, welches mit einer konstanten Rate erzeugt wird.
BAD ORIGINAL
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Durch die Erfindung soll weiterhin eine Vorrichtung für eine Tiefkühlspeicherung geschaffen werden, wobei die Kühlung von einem Gasstrom absorbiert wird, der einem Verbraucher von der Speicherung geliefert vrird und die dem Strom erteilt wird vor dessen Speicherung.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Die Speicherung von Gasen gemäß der Erfindung wird bewerkstelligt bei tiefen !Temperaturen unter veränderlichen Drücken in einem Tiefkuhlgefäß. Diese Gase werden in einem flüssigen Zustand oder als Tieftemperatur-komprimierte Dämpfe gespeichert. Wertvolle Tieftemperaturkühlung (latente Wärme· und Eigemirärme dieser Gase) wird in dem System in einer noch zu beschreibenden Weise gespeichert. Während der Bedarfsspitzen übertragen diese Flüssigkeiten und Tieftemperaturdämpfe ihre Kühlung auf das Kühlungsspeichersystem, wenn sie sich erwärmen, und werden aus dem Speichersystem abgeführt. Diese gespeicherte Kühlung wird bei Perioden niedrigeren Bedarfs von den warmen Gasen absorbiert, die während des niedrigeren Bedarfs in das Gas- und Kühlspeicherungssystem strömen.
Folglich wird bei dem'System allgemein während des niedrigeren Bedarfs Gas gespeichert und Kühlung verwendet oder verbraucht.
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— ■ -B
si
Während des Spitzenbedarfs wird Gas verwendet und Kühlung gespeichert. Bei niedrigem Gasbedarf strömt das überschüssige Gas in das Tieftemperaturspeichersystem und wird, während es strömt, abgekühlt, indem es die Kühlung absorbiert, welche in dem System während der vorhergehenden Spitzenperiode sich akkumulierte. Während der nachfolgenden Bedarfsspitze strömt das Gas aus dem System, die in dem Gas enthaltene Kühlung wird jedoch in dem System gespeichert zurückgelassen. Die Kühlquelle ist ein Tieftemperaturregenerator, der mit einem Material angefüllt ist, welches eine hohe Wärmekapazität pro Volumeneinheit aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Systems, die
Figuren 2A und 2B zwei Arten von Bedarfskurven, wobei in Figur 2A lange niedrige Bedarfsspitζen, denen Perioden mit niedrigem Bedarf von etwa derselben Zeitlänge folgen, und in Figur 2B sehr hohe Bedarfsspitζen von kurzer Dauer, denen längere Perioden mit niedrigem Bedarf folgen, dargestellt sind,
BAD ORiG/NAL
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Figur 3 eine schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform des in Figur 1 gezeigten Systems, bei der für eine ausreichende Lieferung Sorge getragen ist, wenn ein Bedarf von dem in Figur 2B gezeigten Typ für Zeitperioden berücksichtigt wird, die in Figur 2A gezeigten, während die Größe oder Abmessung des erforderlichen Speichertanks reduziert ist, und
Figur 4 eine Anordnung, die bei einem Tieftemperaturregenerator verwendet werden könnte.
Die Gasquelle 1, z.B. eine Tieftemperatur-Gastrennanlage erzeugt einen kontinuierlichen Strom 2 eines gasförmigen Produktes und einen kleinen Strom eines verflüssigten Gasproduktes 17.
Der Kompressor 3 verdichtet die Gasfraktion auf einen Druck, der größer ist als der erforderliche Druck in der Versorgungsoder Lieferleitung 6, unter der Steuerung eines Drucksteuerventils 5. ■
Bei niedrigem Bedarf in der Versorgungsleitung 6 wird das verfügbare überschüssige Gas 7 durch einen Kompressor 8 auf einen höheren Druck verdichtet und strömt durch den Tieftemperaturregenerator 10, das Regulier- oder Rückschlagventil 12 und wird unter der ifrXÜseigktit 1$ in den Speichertank 14 geleitet oder
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Das Gefäß 14· ist ein übliches Tief temperatur speichergefäß, welches so ausgelegt ist, daß es "bei veränderlichen Drücken arbeitet. Ein Teil des gespeicherten Gases kondensiert und wird als Flüssigkeit gespeichert. Ein weiterer Teil des Gases wird als verdichteter Tief temperaturdampf gespeichert. Die Dampftemperaturen und -drücke erreichen ein Gleichgewicht mit der in dem Tank gespeicherten Flüssigkeit. Eine sehr große Menge an Dampf kann auf diese Weise gespeichert werden; die Menge ist proportional der Flüssigkeitsmasse in dem Tank und dem maximalen Arbeitsdruck.
Während der Bedarfs spit ζ en, wie sie in Figur 2A gezeigt sind, strömt der Dampf aus dem Dampf raum 15 des Tanks. Eine zusätzliche Dampf menge verdampft dann von der Flüssigkeit 14, die sich mit dem darüber befindlichen Dampfdruck im Gleichgewicht befindet. Dieser Tieftemperaturdampf, der aus dem Tank strömt, überträgt seine Kühlung auf den Regenerator 10.
Der kalte Dampf strömt durch das Regulier« oder Rückschlagventil 16 und dann durch den Regenerator 10. Das Ventil 19 steuert den Druck in der Lief erleitung und den Strom des Gases von dem Regenerator.
Der in der Ausführungsform nach Figur 3 gezeigte Kompressor 20 ermöglicht die Reduzierung des Speichertankdruckes auf niedrigere Pegel, wodurch die Gaßspeicla?kapazität des Systems erhöht wird.
109811 /0272 bad original
Bei einigen Anlagen könnte ein einziger Kompressor mit geeigneter Rohrleitung und Steuerung anstelle der beiden in
8 und 20 Figur 3 gezeigten Ladekompressoren 38 verwendet werden. Dieser Kompressor würde das in den oder aus dem Regenerator strömende Gas verdichten. Bei niedrigem Bedarf ist die Leistung und Wirkungsweise des in Figur 3 gezeigten Systems dieselbe wie die des in Figur 1 dargestellten Systems. Bei Bedarfsspitzen weist das System nach Figur 3 zwei verschiedene Richtungen für das aus dem Regenerator strömende Gas auf.
Zuerst, wenn der Druck in dem Speichersystem 10 und 15 höher ist als der erforderliche Druck in der Lieferleitung 6, wird die Strömung durch das Regulier- oder Rückschlagventil 21 und das Steuerventil 19 stattfinden. Wenn der Druck in dem System kleiner wird als der erforderliche Druck in der Lief er leitung, wird der Kompressor 20 die erforderliche Strömung und den Druck zu der Lieferleitung aufrechterhalten.
Ein weiteres Merkmal dieses in Figur 3 gezeigten Systems besteht in der Möglichkeit, auch den Regenerator als Flüssigkeit s verdampf er au verwenden, um Gas nach längeren Spitzenbedarfsperioden au liefern» Ein Steuerventil 23 öffnet den Flüssigkeitsstrom, wenn der Druck auf einen gewissen Pegel . abfällt. Ein großer 1SeIl der Kühlung von der Flüssigkeitsverdampfung kann in dem Regenerator gespeichert werden und
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später zur Verflüssigung der lier einströmend en Hochdruckdämpfe während der folgenden Niedrigbedarfsperiode verwendet werden. · Ein zusätzlicher dampfgeheizter Wärmeaustauscher 22 kann ver-
re
wendet werden, um zu niedrige/Temperaturen in der Lieferleitung
nach längeren Spitzehbedarfsperioden zu verhindern.
Ein kleiner Anteil des Anlagenausstoßes in flüssigem Zustand . wird durch eine Übertragungspumpe 18 zu dem Speichertank übertaagen. Diese kleine Menge an Flüssigkeit ist erforderlich, um Kühlungsverluste auszugleichen, die aufgrund einer geringeren als der perfekten Leistungsfähigkeit oder Wirksamkeit entstehen, und sie kann durch den Strom 17 zugeführt werden und/oder von einer anderen Anlage zugeleitet werden.
Der Turm oder Tieftemperaturregenerator 10 ist mit einem Material von höher Wärmekapazität pro Volumeneinheit gefüllt. Die Füllmaterialien sind vorzugsweise preiswerte Materialien mit hoher Dichte und spezifischer Wärme. Verschiedene Arten von Schotter können als Füllung bei diesem üblichen Regenerator verwendet werden, bei dem nur die Eigenwärme der Füllung ver— wendet wird zur Speicherung der Kühlung.
Eine erhebliche Vergrößerung der Kühlungsspeicherkapazität pro Volumeneinheit wird erzielt bei Regeneratoren einer speziellen Konstruktion, die noch im einzelnen beschrieben
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Figur 4 zeigt einen bevorzugten Schnitt oder Abschnitt eines Regenerators mit speziellem Aufbau, bei dem die latente Schmelzwärme von Substanzen mit Schmelzpunkttemperaturen bei verschiedenen Pegeln verwendet wird. Übliche Regeneratoren verwenden nur die Eigenwärme des IHillmaterials für die Speicherung der Kühlung. !Diese Art von Regenerator speichert eine größere Menge an Kühlung pro Volumeneinheit als die üblichen Arten und eifwird mit Substanzen mit Schmelzpunkten bei verschiedenen Temperaturpegeln gefüllt.
Diese Substanzen werden ausgewählt von verschiedenen preiswerten Materialien mit ausreichender Schmelzpunkttemperatur, hoher latenter Schmelzwärme, hoher spezifischer Wärme," hoher Dichte und niedrigem Dampfdruck bei Raumtemperatur.
Während der Bedarfsspitzen strömt der kalte Dampf von dem Speicher bei 33 (Figur 4) ein und erwärmt sich durch Übertragung seiner Kühlung zuerst auf eine Substanz im Abschnitt 39 Diit einer Erstarrungs- oder Gefrierpunkttemperatur nahe dem Siedepunkt des Dampfes. Dann überträgt er seine Kühlung auf andere Substanzen mit aufeinanderfolgend höheren Erstarrungsoder Gefrierpunkten, die in den Abschnitten 38, 37» 36, 35 und 34· des Regenerators gespeicherb sind. Das Gas sbrömt bei 32 aus, nachdem es sich auf einen Punkt nahe Raumtemperatur erwärmt hat. In der nachfolgenden Tabelle sind Substanzen, aufgeführt;, die in Jedem Abschnitt; verwendet werden körmben. Die
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in der Tabelle aufgeführten Substanzen sind selbstverständlich lediglich als Beispiel angegeben.
Abschnitt Schmelzpunkt
39 -182°C ( - 295°F
38 -160°C ( - 2560F
37 -135°C ( - 2110F
36 · _ 940C ( - 1370F
35 - 63°C (- 820F
34- - 24-0C ( - 120F
Substanz
Freon 13 Freon 22 Freon 21 Freon 114-Chloroform
UaCl + BaCl0 (in d Eis)
Bei niedrigem Bedarf strömt das Gas in das Speichersystem bei 32 ein und wird abgekühlt durch Absorbierung der Kühlung, die in den gefrorenen Substanzen in den Abschnitten 34-, 35» 36, 37* 38 und 39 gespeichert ist, und strömt aus dem Regenerator bei mit Temperaturen aus, die nahe dem Siedepunkt des Dampfes sind, und wird unter die Flüssigkeit in den Speichertank 14 eingeblasen oder eingeleitet.
Wenn Bezug genommen wird auf Sauerstoff und Stickstoff, so ist dieses nur als Beispiel gedacht. Dasselbe Tieftemperaturspeichersystem und die gleichen Prinzipien treffen auch auf andere Kühl*- dämpfe und Flüssigkeiten zu, die sich bei verschiedenen Temperaturpegeln verflüssigen. Außerdem, wenn Bezug genommen wurde auf
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spezielle Typen von Regeneratoren oder andere Ausrüstungen oder spezielle Ausrüstungs- und Steuerungsanordnungen, ist es selbstverständlich, daß dieses System, welches beispielsweise in der Zeichnung dargestellt ist, Abwandlungen erfahren
von kann, die erforderlich sind, um es für die Speicherung vielen Arten von Strömungsmitteln "bei verschiedaaen Bedingungen und Zuständen und veränderlichen Kapazitäten und Bedarfslcurven anzupassen. Die Erfindung ist folglich nicht auf irgendeine Ausrüstung, Vorrichtung, ein System oder ein "Verfahren "beschränkt, welches hier beschrieben ist.
- Patentansprüche -
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Claims (14)

Pat entansprüche
1. Tieftemperaturgasspeicherverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil eines Gases, welches in einem stetigen Zustand "von einer Produktionsanlage erzeugt wird, während der Perioden niedrigen Verbraucherbedarfs in einem Speichertank gespeichert wird, daß dieser Teil vor der Speicherung durch einen Tieftemperaturregeneüsfctir hindurchgeleitet wird, daß während der Perioden mit hohem Verbraucherbedarf Dampf aus dem Speichertank geleitet wird, daß der geleitete Dampf durch den Regenerator zirkuliert wird und daß der Dampf, der von dem Speichertank durch den Regenerator geleitet wird, dem Verbraucher zugeführt wird.
2. Tieftemperaturgasspeicherverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß Wärme von dem Teil, das durch den Regenerator geleitet wird, an aufeinanderfolgenden Pegeln, in dem Regenerator absorbiert wird und' daß die Wärme von den aufeinanderfolgenden Pegeln des Regenerators zu dem Dampf geleitet wird, der durch den Regenerator zir-r kuliert, und dann dem Verbraucher zugeführt wird.
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3. Verfahren zur Verwendung oder Ausnutzung und Speicherung von Kühlung von einem Gas, welches mit einer konstanten Rate geliefert, jedoch von dem Verbraucher mit veränderlicher Rate von niedrigem bis hohem Bedarf angefordert wird, dadurch geke.nnz eichnet, daß während der Perioden mit niedrigem Bedarf das Gas durch einen Tieftemperaturregenerator in einen Speichertank geleitet wird, daß das Gas in dem Tieftemperaturregenerator abgekühlt wird, daß während der Perioden mit hohem Bedarf das Gas aus dem Flüssigkeitsspeiehertank zu dem Regenerator göleitet wird, daß der Regenerator mit dem Tieftemperaturgas von dem Tank, gekühlt wird und daß dann das Gas von dem Regenerator dem Verbraucher zugeleitet wird.
4. Tieftemperaturgasspeicherverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennz eichnet, daß das Gas in dem Speichertank in einem Gleichgewichts-Flüssigkeits- und Gaszustand gehalten wird.
5· Tief temperaturgasspeicherverf ahren nach Anspruch 3> da durch gekennz eichnet, daß das Gas in dem Regenerator während der Niedrigbedarfsperioden verflüssigt wird, wenn das Gas in den Speichertank geleitet wird, und daß die Flüssigkeit von dem Speichertank verdampft wird, wenn sie durch den Regenerator während des Spitzenbedarfs hindurchgeht. 109811/0272
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennze i c h n e t, daß verlorengegangene Kühlung erneuert oder ergänzt wird, indem Flüssigkeit dem Speichertank zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß Flüssigkeit von dem Speichertank dem Regenerator zugeleitet wird, um, von diesem dem Verbraucher während Perioden mit hohem Verbraucherbedarf zuzuführen.
8. Verfahren zur Verwendung eines Regenerators mit einer Füllung zum Speichern von Kühlung von einem Dampf eines verflüssigten Gases, dadurch gekennz e i chnet, daß ein kalter Dampf von einer Speichereinrichtung geleitet wird,.daß der Kühlungswert von dem kalten Dampf an die Regeneratorfüllung übertragen wird, wenn der kalte Dampf erwärmt wird, daß der Dampf von dem Regenerator dem Verbraucher zugeleitet wird, daß das von einer Produktionsanlage gelieferte Gas dem Regenerator zugeleitet wird, daß der Dampf mit dem Kühlungswert abgekühlt wird, der in dem Regenerator gespeichert wird, wenn die Regeneratorfüllung erhitzt wird, und daß der gekühlte Dampf der Speichereinrichtung zugeleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet», daß der Kühlungswert von und zu der Füllung in einer Reihe von Schritten übertragen wird in Abhängigkeit von der sich ständig verändernden Kühlungsspeicherungskapazität der Füllung. 109811/0 272
BAD ORIGINAL
10. Tieftemperaturgasspeicher- und Versorgungssystem, welches verwendet wird in Gemeinschaft mit einer Anlage, die ein Gas bei stetigen Zustandsbedingungen liefert, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um das Gas dem Verbraucher zuzuleiten, daß zusätzliche Einrichtungen vorgesehen sind, um wenigstens ein Teil des Gases von den ersten Einrichtungen zu leiten und zu speichern, wenn der Verbraucherbedarf niedriger ist als die stetige Zustandserzeugung, und daß zusätzliche Einrichtungen vorgesehen sind, die Regeneratormittel, Speichermittel, Mittel, um die Regeneratormittel und Speichermittel untereinander zu verbinden, und Mittel aufweisen um die Regeneratormittel mit den ersterwähnten Einrichtungen zu verbinden, um das Gas durch den Regenerator zu den Speichermitteln zu leiten zum Speichern während der Perioden mit niedrigem Bedarf und von den Speichermitteln durch den Regenerator zu dem Verbraucher zur Versorgung während der Perioden mit hohem Bedarf.
11. System nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η ζ eichn e t, daß die Eegeneratormittel Füllmittel aufweisen, welche wenigstens mehrere Pegel von Füllmaterial umfassen, von denen jeder aufeinanderfolgende KühlungsSpeicherkapazitäten mit einem niedrigeren Temperaturpegel hat.
10 9 811/0272 SAD
12. System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel für eine unabhängige Lieferung von Flüssigkeit zu den Speichermitteln.
13. System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zur unabhängigen Lieferung von Flüssigkeit von den Speichermitteln zu den Regeneratormitteln zur Zuführung zu dem Verbraucher.
14. Regeneratoreinrichtung mit einer Kolonne, dadurch g e kennz eichnet, daß die Kolonne wenigstens mehrere aufeinanderfolgende Schichten von Füllmaterial aufweist, daß jede Schicht von Füllmaterial eine abnehmende Schmelzpunkttemperatur aufweist, so daß die aufeinanderfolgenden Schichten von Füllmaterial wirksam Kühlung bei bestimmten Temperaturpegeln von einem kalten Dampf absorbieren, der hindurchgeht auf seinem Weg zu einem Verbraucher von der Speicherung, wenn der Dampf von der vorhergehenden Schicht von Füllmaterial ankommt, und daß die aufeinanderfolgenden Schichten von Material den Dampf auf aufeinanderfolgende niedrigere Temperaturpegel kühlen, wenn er durch den Regenerator zu der Speicherung hindurchgeht.
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