EP1999382A1 - Totraumoptimierung bei kolbenlosen verdichtern - Google Patents

Totraumoptimierung bei kolbenlosen verdichtern

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Publication number
EP1999382A1
EP1999382A1 EP07723057A EP07723057A EP1999382A1 EP 1999382 A1 EP1999382 A1 EP 1999382A1 EP 07723057 A EP07723057 A EP 07723057A EP 07723057 A EP07723057 A EP 07723057A EP 1999382 A1 EP1999382 A1 EP 1999382A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
compressor
piston
cylinder
medium
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.)
Withdrawn
Application number
EP07723057A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Adler
Georg Siebert
Helmut Mayer
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP1999382A1 publication Critical patent/EP1999382A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/06Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a piston-less compressor which serves to compress a gaseous medium, in particular a cryogenic medium, and in the cylinder of which a liquid column is moved up and down.
  • the term "piston-free compressor” is to be understood as meaning a compressor or a device for compressing a gaseous medium, as disclosed, for example, in PCT patent application PCT / EP2005 / 008370. Such devices are referred to as “pistonless compressors” because in them instead of a solid piston, a liquid column is moved up and down. Recently, as liquids for such compressors and ionic liquids are used. These have a number of advantages, as are also disclosed in the aforementioned PCT patent application. With the citation of the PCT patent application PCT / EP2005 / 008370, the disclosure content is wholly in the
  • Pistonless compressors are used in particular for the compression of hydrogen, oxygen, helium, nitrogen, argon, etc.
  • Piston is used - was previously the problem that the piston could approach only to a certain point to the theoretically possible top dead center. As a result of this, a so-called dead space remains in the area of the cylinder head. The compressed medium present in this dead space expands during the suction stroke to the suction pressure. This results in that the capacity of the compressor is reduced. In addition, this gas must be compressed again at the next compression stroke. This in turn means that the specific compaction energy increases as well.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of the upper region of a cylinder 1 'of a piston-less compressor. In this, a liquid column 2 'is moved up and down in the cylinder 1'. If the liquid column 2 'has reached its top dead center, a dead space 3' remains. Schematome are also shown a supply line 4 'and a discharge line 5', which serve to supply and discharge of the gaseous medium to be compressed in the cylinder 1 '.
  • the discharge line of the pistonless compressor is associated with a separation unit in which separation of the operating fluid undesirably entrained via the compressed medium is possible. So far, however, such separation devices only serve to separate unwanted entrained liquid from the compressed media stream. They are therefore designed for comparatively low removal rates.
  • the object of the present invention is to specify a generic method for operating a piston-less compressor which avoids the aforementioned disadvantages, in particular increases the delivery rate of a piston-less compressor and minimizes the specific compaction energy.
  • the überorialte liquid is separated from the compressed medium and
  • the over-conveyed liquid separated from the compressed medium is returned to the cylinder or cylinders of the compressor.
  • Separating the over-conveyed liquid from the compressed medium is particularly useful or necessary when the over-conveyed liquid is an undesirable impurity in a subsequent process to which the compressed medium is supplied.
  • a separation and recycling of the liquid conveyed also makes sense for cost reasons.
  • u. U. also the "loss" of the über panten amount of liquid to be accepted, especially if a replacement of the über panten amount of liquid required or desired by new operating fluid.
  • FIG. 2 also shows a schematic sectional illustration of the upper region of a cylinder 1 of a pistonless one
  • the separation unit 6 is designed in comparison to conventional separation units to a larger phase contamination, since in addition to unwanted introduction of (ionic) equipment in the compressed media stream, the desired over-promotion must be deposited.
  • the separation unit may deposit the two-phase medium / (ionic) resource mixture with the aid of gravity, Coriolis force, an electric field or a combination of these separation forces.
  • the overflowed liquid 7 separated from the compressed medium be returned to the cylinder or cylinders 1 of the compressor.
  • This embodiment of the method according to the invention makes sense, in particular, when the liquid is, for example, a comparatively expensive ionic liquid.
  • the method according to the invention for operating a pistonless compressor has a higher delivery capacity compared to the prior art methods and moreover requires a lower specific compaction energy.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines kolbenlosen Verdichters, der der Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines kryogenen Mediums, dient und in dessen Zylinder eine Flüssigkeitssäule auf und ab bewegt wird, beschrieben. Erfindungsgemäß wird während des Verdichtungstaktes ein Überfördern eines Teiles der Flüssigkeit (2) zugelassen.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines kolbenlosen Verdichters, der der Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere eines kryogenen Mediums, dient und in dessen Zylinder eine Flüssigkeitssäule auf und ab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verdichtungstaktes ein Überfördern eines
Teiles der Flüssigkeit (2) zugelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die überförderte Flüssigkeit (5) von dem verdichteten Medium abgetrennt wird (6).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem verdichteten Medium abgetrennte überförderte Flüssigkeit (7) in den oder die Zylinder (1) des Verdichters zurückgeführt wird.
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