EP2061974B1

EP2061974B1 - Kolbenloser verdichter

Info

Publication number: EP2061974B1
Application number: EP07818058A
Authority: EP
Inventors: Robert Adler; Helmut Mayer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: CN101523058B; BRPI0716529B1; JP5200021B2; US20100034671A1; KR101422807B1; CN101523058A; CA2661112C; EP2061974A1; US8267670B2; BRPI0716529A2; JP2010503787A; DE102006042918A1; CA2661112A1; WO2008031527A1; KR20090059156A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter zum Verdichten von gasförmigen Medium mit zumindest einem Verdichterzylinder, der mit einer Einlassleitung und einer Auslassleitung für das Medium in Verbindung steht, wobei in dem Verdichterzylinder eine Betriebsflüssigkeit, insbesondere eine ionische Betriebsflüssigkeit, angeordnet ist, die mit einer Verdrängermaschine in Verbindung steht, wobei die Verdrängermaschine als Kolbenmaschine mit zumindest einem Zylinderraum ausgebildet ist und jeder Zylinderraum mit einem Verdichterzylinder in Verbindung steht, und wobei der Auslassleitung des Verdichters eine Abtrennvorrichtung für die Betriebsflüssigkeit zugeordnet ist und die Abtrennvorrichtung zur Zurückführung der Betriebsflüssigkeit mit der Einlassleitung des Verdichters in Verbindung steht.
Derartige Verdichter werden zum Verdichten von gasförmigen Medien, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, eingesetzt. Das Medium wird hierbei mittels der Betriebsflüssigkeit in dem Verdichterzylinder verdrängt, wodurch derartige Verdichter als kolbenlose Verdichter bezeichnet werden. Als Flüssigkeit kann eine ionische Flüssigkeit verwendet werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, Flüssigkeiten mit einem niedrigen Dampfdruck oder Flüssigkeiten mit einer geringen Gaslöslichkeit zu verwenden. Derartigen Flüssigkeiten ist gemeinsam, dass sich diese nicht in dem Medium lösen und von dem Medium rückstandfrei abtrennbar sind, so dass das verdichtete Medium eine hohe Reinheit aufweist.
Ein kolbenloser Verdichter für gasförmige Medien ist aus der US 6 652 243 B2 bekannt. Bei diesem kolbenlosen Verdichter steht die Betriebsflüssigkeit in den Verdichterzylindern mit einer als Hydraulikpumpe ausgebildeten Verdrängermaschine in Verbindung, wobei zur Steuerung des Zuflusses und Abflusses der Betriebsflüssigkeit ein Steuerventil vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsstand der Betriebsflüssigkeit in den Verdichterzylindem, der mittels elektronischer Wegmesssysteme erfasst wird, gesteuert ist. Die Verdichterzylinder sind bevorzugt vertikal angeordnet, um den Abfluss von Betriebsflüssigkeit aus dem Verdrängerzylinder durch die Schwerkraft zu unterstützen. Bei einem derartigen Verdichter kann die Flüssigkeitssäule der Betriebsflüssigkeit nicht über die Erdbeschleunigung beschleunigt werden, so dass die Zyklusgeschwindigkeit des Verdichters durch die Erdbeschleunigung begrenzt ist. Bedingt durch diese hohe Zykluszeit und langen Taktzeiten weisen derartige Verdichter eine hohe Förderstrompulsation des Förderstroms des verdichteten Mediums auf. Sofern ein gleichförmiger Förderstrom von verdichtetem Medium erforderlich ist, beispielsweise zur Betankung von Fahrzeugen, ist ein Zwischenspeicher erforderlich, in den die Verdichterzylinder fördern. Zur Erzielung einer hohen Verdichterleistung sind aufgrund der hohen Zykluszeit große Zylinderabmessungen der Verdichterzylinder erforderlich. Die großen Zylinderabmessungen und der Zwischenspeicher verursachen hohe Herstellkosten und einen hohen Platzbedarf. Zudem ergibt sich durch die elektronischen Wegemesssysteme und das Steuerventil ein hoher Bauaufwand. Darüber hinaus ist durch die großen Zylinderabmessungen eine große Menge an Betriebsflüssigkeit erforderlich, die hohe Herstellkosten und hohe Betriebskosten verursacht. Zum Antrieb der großen Menge an Betriebsflüssigkeit ist eine leistungsfähige Hydraulikpumpe erforderlich, die entsprechend hohe Herstellkosten aufweist und im Betrieb einen hohen Lärmpegel aufweist.
Aus der WO 2006/034748 A1 ist ein kolbenloser Verdichter mit einer als ionische Flüssigkeit ausgebildeten Betriebsflüssigkeit bekannt. Um in das verdichtete Medium geförderte ionische Flüssigkeit aus der Auslassleitung zurückzugewinnen ist eine Abtrennvorrichtung vorgesehen. Mittels einer Einspeiseeinrichtung wird die ionische Flüssigkeit in die Verdichterzylinder eingespeist. Hierzu ist ein Niveaumesssystem vorgesehen, mittels dem das Niveau der Betriebsflüssigkeit in den Verdichterzylindern gemessen wird und bei Unterschreiten eines Referenzwertes über die Einspeiseeinrichtung Betriebsflüssigkeit in den Verdichterzylinder eingespeist wird. Zusätzlich zu den bereits aus der US 6 652 243 B2 bekannten Nachteilen weist ein aus der WO 2006/034748 A1 bekannter Verdichter durch das Niveaumesssystem einen hohen Bauaufwand auf.
Aus der GB 9591 A ist ebenfalls ein gattungsgemäßer Verdichter bekannt, bei dem der Auslassleitung des Verdichters eine Abtrennvorrichtung für die Betriebsflüssigkeit zugeordnet ist, wobei die Abtrennvorrichtung zur Zurückführung der Betriebsflüssigkeit mit der Einlassleitung des Verdichters in Verbindung steht.
Darüber hinaus sind gattungsgemäße Verdichter bekannt, bei denen die Verdrängermaschine als Kolbenmaschine mit zumindest einem Zylinderraum ausgebildet ist und jeder Zylinderraum mit einem Verdichterzylinder in Verbindung steht. Hierdurch wird der Förderstrom an verdichtetem Medium von mehreren Verdichterzylindern erzeugt, die jeweils mit einem Zylinderraum der Kolbenmaschine in Verbindung stehen und nacheinander und somit gleichmäßig in die Auslassleitung fördern, wodurch ein Förderstrom an verdichtetem Medium mit geringer Förderstrompulsation erzielbar ist. Derartige gattungsgemäße Verdichter weisen kurze Taktzeiten und somit eine kurze Zykluszeit auf, wodurch die Zylinderabmessungen der Verdichterzylinder reduziert werden können. Hierdurch ergeben sich ein geringer Bauraumbedarf und ein geringer Herstellaufwand. Zusätzlich kann die Menge an Betriebsflüssigkeit reduziert werden, wodurch sich ebenfalls ein geringer Betriebsaufwand ergibt. Zudem ist weiterhin möglich, die Betriebsflüssigkeit mit annähernd der Erdbeschleunigung zu bewegen, wobei die Kolbenmaschine mit einer hohen Drehzahl betrieben werden kann. Hierdurch kann für eine hohe Verdichterleistung der Bauaufwand und die Lärmbelastung für die als Kolbenmaschine ausgebildete Verdrängermaschine reduziert werden. Bei derartigen gattungsgemäßen Verdichtern ist jedoch aufgrund der kurzen Zykluszeit in den Verdichterzylindern eine exakte Niveaumessung der Betriebsflüssigkeit nicht mehr möglich, wodurch ein sicherer Betrieb des Verdichters mit einer ausreichenden Menge an Betriebsflüssigkeit in den Verdrängerzylindern nicht mehr gewährleistet ist.
Des Weiteren ergibt sich bei gattungsgemäßen Verdichtern das Problem, dass aufgrund von unvermeidbaren Leckagen der Kolbenmaschine eine bestimmte Leckagemenge an Betriebsflüssigkeit während des Betriebs verloren geht; insbesondere im Falle vergleichsweise teurer Betriebsflüssigkeiten, wie sie bspw. ionische Flüssigkeiten darstellen, stellt dies eine nicht akzeptable Situation dar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei dem mit geringem Bauaufwand ein Verlust an Betriebsflüssigkeit aufgrund von Leckagen der Kolbenmaschine wirkungsvoll verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Behälter, der mittels einer Leckageleitung mit der Kolbenmaschine in Verbindung steht, und eine Speisepumpe, die eingangsseitig mit dem Behälter und ausgangsseitig mit der Einlassleitung des Verdichters in Verbindung steht, vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß kann die aufgrund von Leckagen aus der Kolbenmaschine austretende Betriebsflüssigkeit nunmehr aufgefangen und - sofern gewünscht - erneut dem Verdichter über dessen Einlassleitung zugeführt werden. Die Erfindung schafft somit die Möglichkeit, mit geringem technischen sowie regelungstechnischen Aufwand austretende Betriebsflüssigkeit in das Verdichtersystem zurückzuführen, so dass die Verluste an Betriebsflüssigkeit minimiert oder gar auf Null reduziert werden können. Mittels der vorzusehenden Speisepumpe kann die aufgefangene Betriebsflüssigkeit der Einlassseite des Verdichters zugeführt werden, wodurch der Verdichter mit einer konstanten Menge an Betriebsflüssigkeit betreibbar ist.
Die Speisepumpe kann hierbei ständig oder zyklisch betrieben werden.
Die Speisepumpe ist gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung in Abhängigkeit von der im Behälter befindlichen Menge an Betriebsflüssigkeit steuerbar. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Menge an Betriebsflüssigkeit im Verdichter konstant zu halten, um einen sicheren Betrieb des Verdichters zu erzielen.
Zweckmäßigerweise ist hierbei der Behälter mit einem Niveaumesssystem versehen, wobei die Speisepumpe in Abhängigkeit von dem Niveaumesssystem steuerbar ist. Mit einem die Menge an Betriebsflüssigkeit im Behälter erfassenden Niveaumesssystem kann mit geringem Bauaufwand die Menge an Betriebsflüssigkeit in den Verdichterzylindern konstant gehalten werden.
Die Kolbenmaschine kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Radialkolbenmaschine ausgebildet ist. Mit einer Radialkolbenmaschine, wobei jeder Zylinderraum der Radialkolbenmaschine mit einem Verdichterzylinder in Verbindung steht, kann bei geringem Bauaufwand und Platzbedarf ein Förderstrom an verdichtetem Medium mit geringer Förderstrompulsation erzielt werden. Zudem weisen Radialkolbenmaschine eine hohe Lebensdauer auf, wodurch für den Verdichter eine hohe Lebensdauer erzielbar ist.
Die Kolbenmaschine kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ebenfalls als Axialkolbenmaschine ausgebildet sein. Mit einer Axialkolbenmaschine, bei der jeder Zylinderraum mit einem Verdichterzylinder in Verbindung steht, kann ebenfalls ein Förderstrom an verdichtetem Medium mit geringer Förderstrompulsation bei geringem Bauaufwand und Platzbedarf sowie eine hohe Lebensdauer des Verdichters erzielt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur ist ein Schaltplan eines erfindungsgemäßen Verdichters 1 dargestellt. Der Verdichter 1 weist eine Verdrängermaschine auf, die als Kolbenmaschine 2, beispielsweise Radialkolbenmaschine ausgebildet ist, die mit mehreren Zylinderräumen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e versehen ist. Jeder Zylinderraum 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, in dem jeweils ein nicht mehr dargestellter Kolben verschiebbar gelagert ist, steht mittels einer Verbindungsleitung 3a, 3b, 3c, 3d, 3e mit einem Verdichterzylinder 4a, 4b, 4c, 4d, 4e in Verbindung. In den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e befindet sich als ionische Flüssigkeit ausgebildete Betriebsflüssigkeit 5, die mittels der Kolbenmaschine 2 bewegbar ist.
Die Verdichterzylinder 4a, 4b, 4c, 4d, 4e stehen eingangsseitig über jeweils ein Einlassventil 6a, 6b, 6c, 6d, 6e mit einer Einlassleitung 6 für zu verdichtendes Medium, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, in Verbindung. Der Einlassleitung 6 kann zur Erhöhung des Eingangsdruckes und somit der Ausgangsleistung ein Vorverdichter zugeordnet werden. Ausgangsseitig sind die Verdichterzylinder 4a, 4b, 4c, 4d, 4e über jeweils ein Auslassventil 7a, 7b, 7c, 7d, 7e an eine Auslassleitung 7 angeschlossen.
In der Auslassleitung 7 ist eine beispielsweise als Flüssigkeitsabscheider ausgebildete Abtrennvorrichtung 8 angeordnet, mittels der von den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e in die Auslassleitung 7 geförderte Betriebsflüssigkeit 5 abgetrennt werden kann. Die Abtrennvorrichtung 8 steht erfindungsgemäß mit einer Rückführleitung 9 in Verbindung, die an die Einlassleitung 6 angeschlossen ist. In der Rückführleitung 9 ist eine Ventileinrichtung 10 angeordnet. Mittels der Rückführleitung 9 kann von der Abtrennvorrichtung 8 aus der Auslassleitung 7 abgetrennte Betriebsflüssigkeit 5 zu der Einlassleitung 6 zurückgefördert werden. Hierdurch ist auf einfache Weise möglich, die Menge an Betriebsflüssigkeit 5 in den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e konstant zu halten.
Die Kolbenmaschine 2 steht mit einer Leckageleitung 11 in Verbindung, die zu einem Behälter 12 geführt ist. Die im Betrieb der Kolbenmaschine 2 auftretende Leckagemenge an Betriebsflüssigkeit 5 strömt hierbei über die Leckageleitung 11 zum Behälter 12. Der Behälter 12 ist mit einem Niveaumesssystem 15 versehen. Mittels einer Speisepumpe 13, die eingangsseitig mit dem Behälter 12 verbunden ist und ausgangsseitig über eine Speiseleitung 14 mit der Einlassleitung 6 verbunden ist, kann die über die Leckageleitung 11 in den Behälter 12 strömende Leckagemenge an Betriebsflüssigkeit 5 der Kolbenmaschine 2 zur Einlassleitung 6 gefördert werden. Die Speisepumpe 13 kann hierbei in Abhängigkeit von dem Niveaumesssystem 15 betrieben werden. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Menge an Betriebsflüssigkeit 5 in den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e konstant zu halten.
Im Betrieb des Verdichters 1 wird von der Kolbenmaschine 2 die in den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e befindliche Betriebsflüssigkeit mit nahezu der Erdbeschleunigung derart bewegt, dass in den Verdrängerzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e zu verdichtendes Medium aus der Einlassleitung 6 angesaugt und verdichtetes Medium in die Auslassleitung 7 gefördert wird. Die Verdichterzylinder 4a, 4b, 4c, 4d, 4e fördern hierbei mit geringer Taktzeit und somit hoher Zyklusgeschwindigkeit nacheinander in die Auslassleitung 7, wodurch ein Förderstrom an verdichtetem Medium mit geringer Förderstrompulsation erzielt wird. Die Menge an Betriebsflüssigkeit 5 in den Verdrängerzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e ist hierbei derart bemessen, dass ständig eine Überförderung von Betriebsflüssigkeit 5 in die Auslassleitung 7 auftritt. Hierdurch wird erzielt, dass aus der Einlassleitung 6 angesaugtes Medium vollständig verdichtet und in die Auslassleitung 7 gefördert wird, wodurch Totvolumen und somit Förderverluste des zu verdichtenden Mediums verringert werden.
Die von dem Verdichter 1 hierbei in die Auslassleitung 7 geförderte Betriebsflüssigkeit 5 wird mittels der Abtrennvorrichtung 8 aus dem verdichteten Medium abgeschieden. Über die Rückführleitung 9 und die Ventileinrichtung 10 kann hierbei ständig oder zyklisch die abgetrennte Menge an Betriebsflüssigkeit 5 zu der Einlassleitung 6 zurückgefördert werden und somit die Menge an Betriebsflüssigkeit in den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e konstant gehalten werden.
Die im Betrieb der Kolbenmaschine 2 als Leckagemenge anfallende Betriebsflüssigkeit 5 strömt über die Leckageleitung 11 in den Behälter 12. Mittels des Niveaumesssystems 15 wird die anfallende Leckagemenge an Betriebsflüssigkeit 5 im Behälter 12 gemessen und die Speisepumpe 13, beispielsweise frequenzgeregelt, in Anhängigkeit von der gemessenen Leckagemenge an Betriebsflüssigkeit 5 im Behälter 12 gesteuert, wodurch als Leckage der Kolbenmaschine 2 anfallende Betriebsflüssigkeit 5 aus dem Behälter 12 zur Einlassleitung 6 gefördert wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass in den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e eine konstante Menge an Betriebsflüssigkeit 5 vorhanden ist.
Der erfindungsgemäßen Verdichter 1 eignet sich durch die geringen Taktzeiten, die hohe Zyklusgeschwindigkeit und die geringen Förderstrompulsationen für Verbraucher, die einen konstanten und gleichmäßigen Förderstrom von verdichtetem Medium erfordern, beispielsweise zur Betankung von Fahrzeugen.
Durch die Überförderung der Betriebsflüssigkeit 5 in die Auslassleitung 7 und die Zurückförderung der Betriebsflüssigkeit 5 über die Abtrennvorrichtung 8 zur Einlassleitung 6 des Verdichters 1 und die Rückführung der Leckagemenge der Kolbenmaschine 2 mittels der Speisepumpe 13 zur Einlassleitung 6 des Verdichters 1 kann auf einfache Weise eine ausreichende Menge an Betriebsflüssigkeit 5 in den Verdichterzylindern 4a, 4b, 4c, 4d, 4e sichergestellt werden. Zur Steuerung der Speisepumpe 13 ist hierbei lediglich ein einfach aufgebautes Niveaumesssystem 15 erforderlich. Zudem werden durch die Überförderung der Betriebsflüssigkeit 5 in die Auslassleitung 7 Totraumverluste und somit Förderverluste vermieden. Hierdurch ist ein hoher Wirkungsgrad des Verdichters 1 erzielbar.
Die Kolbenmaschine 2 kann hierbei mit hoher Drehzahl betrieben werden, wodurch bei geringer Menge an Betriebsflüssigkeit 5, geringem Bauraum und geringer Lärmentwicklung eine hohe Förderleistung des Verdichters 1 erzielbar ist.

Claims

Verdichter (1) zum Verdichten von gasförmigen Medium mit zumindest einem Verdichterzylinder (4a, 4b, 4c, 4d, 4e), der mit einer Einlassleitung (6) und einer Auslassleitung (7) für das Medium in Verbindung steht, wobei in dem Verdichterzylinder eine Betriebsflüssigkeit (5), insbesondere eine ionische Betriebsflüssigkeit, angeordnet ist, die mit einer Verdrängermaschine (2) in Verbindung steht, wobei die Verdrängermaschine als Kolbenmaschine mit zumindest einem Zylinderraum (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) ausgebildet ist und jeder Zylinderraum mit einem Verdichterzylinder in Verbindung steht und wobei der Auslassleitung (7) des Verdichters (1) eine Abtrennvorrichtung (8) für die Betriebsflüssigkeit (5) zugeordnet ist und die Abtrennvorrichtung (8) zur Zurückführung der Betriebsflüssigkeit (5) mit der Einlassleitung (6) des Verdichters (1) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter (12), der mittels einer Leckageleitung (11) mit der Kolbenmaschine (2) in Verbindung steht, und eine Speisepumpe (13), die eingangsseitig mit dem Behälter (12) und ausgangsseitig mit der Einlassleitung (6) des Verdichters (1) in Verbindung steht, vorgesehen sind.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisepumpe (13) in Abhängigkeit von der im Behälter (12) befindlichen Menge an Betriebsflüssigkeit (5) steuerbar ist.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (12) mit einem Niveaumesssystem (15) versehen ist, wobei die Speisepumpe (13) in Abhängigkeit von dem Niveaumesssystem (15) steuerbar ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (8) mittels einer Rückführleitung (9) mit der Einlassleitung (6) verbunden ist, wobei in der Rückführleitung (9) eine Ventileinrichtung (10) angeordnet ist. ,
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine (2) als Radialkolbenmaschine ausgebildet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine (2) als Axialkolbenmaschine ausgebildet ist.