EP2594795B1 - Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids, sowie ein Unterseeboot mit solch einer Vorrichtung - Google Patents
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- EP2594795B1 EP2594795B1 EP12190384.3A EP12190384A EP2594795B1 EP 2594795 B1 EP2594795 B1 EP 2594795B1 EP 12190384 A EP12190384 A EP 12190384A EP 2594795 B1 EP2594795 B1 EP 2594795B1
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Definitions
- the invention relates to a device for compressing a gaseous or consisting of gaseous and liquid components fluid having the features specified in the preamble of claim 1 and a submarine.
- reciprocating compressors For compressing gases piston compressors are often used.
- reciprocating compressors generally have a dead space, also referred to as a harmful space, in which compressed gas is present after the compression stroke, which expands during the intake stroke of the reciprocating compressor and thus initially prevents aspiration of new gas.
- a dead space also referred to as a harmful space
- the efficiency of reciprocating compressors is significantly reduced, and this effect increases with increasing compression pressure.
- the compression of gases is polytropic, so that the temperature in compressors increases with the ratio of final pressure / initial pressure. As the temperature increases, the compression work to be performed increases.
- This and the above-mentioned dead space of reciprocating compressors mean that it is generally not possible to compress gases which are to be compressed to a comparatively high pressure in a single-stage process in a reciprocating compressor. Therefore, it is often necessary to gradually increase the pressure of a gas in a plurality of reciprocating piston compressors, wherein the gas is cooled in each case between the compression steps.
- DE 296 367 A and US 2,404,660 are known devices for compressing gases which have a reciprocating drive driven piston compressor, the gas sucks in a compression space and compacted there. In order to avoid dead space in the compression space and to cool the gas in the compression space, water is introduced into the compression space.
- An apparatus for compressing gas which comprises a pressure vessel having a gas inlet, a gas outlet and a liquid inlet, wherein gas in the pressure vessel is compressed by the admission of liquid into the pressure vessel.
- A1 known piston working machine has a piston compressor and means for introducing a cooling liquid in a compression chamber of the reciprocating compressor.
- a piston rod of the reciprocating compressor is motion-coupled with a crank mechanism.
- a known device for compressing a fluid which is intended for use in the field of brewing, is introduced into the compression chamber of a reciprocating compressor by means of a piston pump cooling liquid.
- the reciprocating compressor and the piston pump have a common drive.
- the present invention seeks to provide a device for compressing a gaseous or consisting of gaseous and liquid components fluid, the compression of a gaseous or gaseous and liquid constituents fluid to a relatively high pressure in a single-stage litigation in one Piston compressor allows, with a reciprocating compressor of the device can be adapted quickly to different or changing compaction tasks.
- the inventive device for compressing a gaseous or consisting of gaseous and liquid components fluid has a reciprocating compressor.
- the device has means for introducing a fluid into a compression chamber of the piston compressor during the compression and a piston pump for conveying the fluid.
- conveying means are provided with which a liquid is conveyed from a liquid reservoir into the compression space of the reciprocating compressor.
- control means are provided which actuate the device such that the liquid is introduced during the compression of the fluid in the compression space of the reciprocating compressor.
- the aim of this embodiment of the device according to the invention is, during the compression of the fluid in the compression space of the reciprocating compressor Initiate liquid.
- the fluid in the compression chamber is cooled during the compression process.
- the dead space present in the compression chamber is completely filled with the incompressible liquid with appropriate metering of the quantity of liquid introduced into the compression chamber, so that then there is no more gas in the compression chamber and the dead space is virtually eliminated.
- the adverse effects otherwise associated with the dead space can therefore not occur in the method according to the invention.
- the piston rod of the reciprocating compressor is preferably coupled for movement with a continuously adjustable linear drive.
- a continuously adjustable linear drive is such a linear drive to understand, in which the movement path and the speed of movement of a translationally movable component of the linear drive, which is coupled to the piston rod, can be changed without transition.
- the path traveled by the piston of the reciprocating compressor and its speed are infinitely adjustable on the piston compressor during the suction and compression of the fluid, so that the reciprocating compressor can be adapted quickly to different or changing compaction tasks.
- the compression space of the reciprocating compressor expediently has, in addition to a first inlet for the fluid to be compressed, also a second inlet for introducing the liquid.
- a valve On the input side of the first inlet of the compression chamber, a valve is arranged in the usual way, which prevents the fluid during the compression stroke of the piston compressor can flow out of the compression space.
- a valve with the same task is arranged on the input side of the second inlet of the compression chamber expediently.
- These valves may advantageously be check valves.
- the piston pump for conveying the liquid is connected to the second inlet of the piston compressor.
- This piston pump which allows a very accurate fluid metering, so that exactly the amount of liquid required to fill the dead space and to cool the fluid can be pumped into the compression chamber of the reciprocating compressor is expediently designed to counteract the compression pressure prevailing in the compression chamber of the reciprocating compressor can.
- the working cycles of the reciprocating compressor and the piston pump are synchronized.
- the reciprocating compressor and / or the piston pump are preferably activated in such a way that when the reciprocating compressor performs a compression stroke, the piston pump simultaneously executes an expulsion cycle and pumps liquid into the compression chamber of the reciprocating compressor and the piston pump then, when the reciprocating compressor sucks the fluid to be compressed, at the same time also performs an intake stroke and sucks in the liquid to be introduced in the compression chamber of the piston compressor from a liquid reservoir.
- an electrically driven screw drive forms the linear drive.
- a threaded spindle of the screw drive is translationally coupled in motion with the piston rod of the reciprocating compressor.
- a screwed on the threaded spindle, axially non-movable component is rotatably coupled to an electric drive motor.
- the screw drive is particularly advantageous a planetary roller screw, which allows the transmission of relatively high forces and high positioning accuracy of the threaded spindle.
- a screw drive can be provided with a translationally movable threaded spindle, wherein the threaded spindle at one end with the piston rod of the reciprocating compressor and at the other End is motion coupled with a piston rod of the piston pump.
- the piston compressor and the piston pump are designed and / or arranged such that in a translational movement of the threaded spindle of the piston compressor performs a compression stroke, while the piston pump performs an exhaust stroke and the piston compressor and the piston pump in a movement of the threaded spindle in the opposite direction in each case one intake stroke To run.
- the invention is particularly suitable for delivering CO 2 from a submarine.
- CO 2 contained in the inner air of the submarine or CO 2 , which accumulates in particular in the exhaled air of the crew of the submarine to bind in a suitable manner and then store in the submarine in designated storage or from the submarine to its external environment dissipate.
- the steam required to separate the CO 2 from the CO 2 binder is typically generated in an evaporator where the water is boiled.
- Advantageously condensate obtained in the evaporator is sucked by a pump and introduced into the compression chamber of the reciprocating compressor during the compression of the fluid from CO 2 and water vapor as the cooling liquid.
- the invention also relates to a submarine comprising at least one device according to one of claims 4 - 10.
- This device is used in the submarine to divert the resulting in the exhaled air of the crew of the submarine inside the submarine CO 2 in the outer environment of the submarine.
- the apparatus shown has a reciprocating compressor 2, in which a piston 4 for sucking and compressing a gaseous or liquid and gaseous components fluid is linearly displaceable in a cylinder 6.
- a supply line 10 opens into a compression chamber 12 of the reciprocating compressor 2. Via the feed line 10 and the inlet 8, a fluid in an intake stroke of the reciprocating compressor 2 can be sucked into its compression chamber 12 and then compressed there.
- FIG. 1 apparatus shown a piston pump 14 with a cylinder 16 in a linearly movable piston 18 arranged on.
- liquid 22 stored in a reservoir 20 is sucked into an abutment space 28 of the piston pump 14 via a supply line 24, which opens at an inlet 26 of the piston pump 14, and then discharged via an outlet 30 into a line 32.
- the line 32 opens at a formed on the compression chamber 12 of the reciprocating compressor 2 inlet 14. D. h., By means of the piston pump 14, liquid 22 is conveyed from the reservoir 20 into the compression chamber 12 of the reciprocating compressor 2, the manner and purpose This measure will be explained in more detail below.
- the reciprocating compressor 2 and the piston pump 14 are driven by a common drive. This is a driven by an electric motor 36 screw drive with a threaded spindle 38.
- the threaded spindle 38 is coupled at a first end with a piston rod 40 of the reciprocating compressor 2 and at the other end with a piston rod 42 of the piston pump 14 coupled in motion.
- the piston rod 42 of the piston pump 14 is guided through the discharge space 28 of the piston pump 14 to the piston 18.
- the volume of the discharge space 28 reduces to an annular gap around the piston rod 42 around.
- the threaded spindle 38 is movable by means of the electric motor 36 in a direction A and a direction B opposite thereto. Accordingly, the piston rod 40 with the piston 4 and the piston rod 42 with the piston 18 can be moved together in the directions A and B.
- the reciprocating compressor 2 and the piston pump 14 are designed and arranged such that they each perform an intake stroke when the threaded spindle 38 moves in the direction A, whereas during a movement of the threaded spindle 38 in the direction B the reciprocating compressor 2 performs a compression stroke and the piston pump 14 Run exhaust stroke.
- the electric motor 36 is controlled by a control device not shown in the drawing such that the threaded spindle 38 is moved in the direction B.
- the piston compressor 2 then performs a compression stroke, in which the previously sucked fluid is compressed in the compression chamber 12. In this case prevent the check valve 44 and disposed in the line 10 check valve 46, an outflow of the fluid from the compression chamber 12.
- the fluid is discharged via an outlet 48 formed on the compression chamber 12, to which a conduit 50 is connected, wherein a pretensioned check valve 52 is arranged in the conduit 50 only opens at the desired compression pressure.
- the piston pump 14 executes an exhaust stroke at the same time as the compression stroke of the reciprocating compressor 2, the liquid 22 contained in the ejection space 28 of the piston pump 14 is delivered to the compression space 12 of the reciprocating compressor 2 during the compression of the fluid.
- a check valve 54 arranged in the supply line 24 prevents a backflow of the liquid 22 into the supply line 24.
- the fluid in the compression chamber 12 is cooled by the liquid 22, so that the temperature rise during the compression with respect to a piston pump without supply of liquid is considerably lower.
- the liquid 22 fills the entire dead space in the compression space 12 of the reciprocating compressor 2. This and the cooling of the fluid in the compression chamber 12 allow the compression of the fluid to higher compression pressures than would be possible without the introduction of fluid into the compression chamber 12.
- a submarine 56 is shown.
- This submarine 56 has the in Fig. 1 illustrated device for compressing a gaseous or gaseous and liquid constituents fluid.
- a CO 2 binding device 58 is arranged. Via a line 60, the interior air of the submarine is directed into the CO 2 binding device 58.
- the CO 2 contained in the air is bound by a CO 2 binder 62 and the freed from the CO 2 air via a line 64 again directed into the interior of the submarine 56.
- the CO 2 binder 62 is regenerated by means of steam which dissolves the CO 2 from the CO 2 binder 62.
- the water vapor is provided by an evaporator 66 disposed in the submarine 56. Water is introduced into the evaporator 66 via a water inlet 68 and evaporated there. Subsequently, the steam is passed via a line 70 into the CO 2 binding device 58.
- the mixture of CO 2 and water vapor in the reciprocating compressor 2 must be compressed to a pressure which is greater than the ambient pressure of the submarine.
- the generation of such a pressure is made possible by introducing liquid into the compression chamber 12 of the piston compressor 2 during the compression of the mixture of CO 2 and water vapor.
- This condensate is fed to the piston pump 14.
- To drain the condensate from the evaporator 66 in the piston pump 14 which opens into the discharge chamber 28 of the piston pump 14 supply line 24 is connected to the evaporator 66.
- the condensate is sucked from the evaporator 66 and pumped in an exhaust stroke of the piston pump 14 via the line 32 into the compression chamber 12 of the reciprocating compressor 2.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Unterseeboot.
- Zum Verdichten von Gasen werden häufig Kolbenverdichter eingesetzt. Allerdings weisen Kolbenverdichter in der Regel einen auch als schädlicher Raum bezeichneten Totraum auf, in dem sich nach dem Verdichtungstakt komprimiertes Gas befindet, das während des Ansaugtaktes des Kolbenverdichters expandiert und so zunächst ein Ansaugen von neuem Gas verhindert. Hierdurch wird der Wirkungsgrad von Kolbenverdichtern in erheblichem Maße verringert, wobei dieser Effekt mit steigendem Kompressionsdruck zunimmt.
- Zudem verläuft die Verdichtung von Gasen polytrop, so dass die Temperatur in Verdichtern mit dem Verhältnis von Enddruck / Anfangsdruck steigt. Mit steigender Temperatur erhöht sich die zu leistende Verdichtungsarbeit. Dies und der zuvor angesprochene Totraum von Kolbenverdichtern führen dazu, dass es in der Regel nicht möglich ist, Gase, die auf einen vergleichsweise hohen Druck komprimiert werden sollen, in einem einstufigen Prozess in einem Kolbenverdichter zu verdichten. Daher ist es häufig erforderlich, den Druck eines Gases in mehreren hintereinander angeordneten Kolbenverdichtern schrittweise zu erhöhen, wobei das Gas zwischen den Verdichtungsschritten jeweils gekühlt wird.
- Diese Vorgehensweise ist zeitaufwändig und anlagentechnisch aufwöndig.
- Aus
DE 296 367 A ,DE 357 858 A undUS 2,404,660 sind Vorrichtungen zum Verdichten von Gasen bekannt, die einen von einem Schubkurbeltrieb angetriebenen Kolbenverdichter aufweisen, der Gas in einen Verdichtungsraum ansaugt und dort verdichtet. Zur Vermeidung eines Totraums in dem Verdichtungsraum und zur Kühlung des in dem Verdichtungsraum befindlichen Gases wird in den Verdichtungsraum Wasser eingeführt. - In
DE 10 2009 040 379 B3 ist eine Vorrichtung zum Verdichten von Gas beschrieben, die einen Druckbehälter mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass sowie eine Flüssigkeitseinlass aufweist, wobei in dem Druckbehälter befindliches Gas durch das Einlassen von Flüssigkeit in den Druckbehälter verdichtet wird. - Eine aus
DE 10 2006 053 923 A1 bekannte Kolbenarbeitsmaschine weist einen Kolbenverdichter und Mittel zum Einleiten einer Kühlflüssigkeit in einen Verdichtungsraum des Kolbenverdichters auf. Eine Kolbenstange des Kolbenverdichters ist mit einem Kurbeltrieb bewegungsgekoppelt. - Aus
DE 10 2004 052 168 A1 ist es bekannt, eine Kolbenmaschine anstelle eines Kurbeltriebs mit einem Linearantrieb anzutreiben. - Bei einer aus
GB 455,829 A - Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids zu schaffen, die die Verdichtung eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids auf einen vergleichsweise hohen Druck bei einstufiger Prozessführung in einem Kolbenverdichter ermöglicht, wobei ein Kolbenverdichter der Vorrichtung schnell an unterschiedliche oder sich ändernde Verdichtungsaufgaben angepasst werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Hierbei können gemäß der Erfindung die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale jeweils für sich oder in geeigneter Kombination die Vorrichtung nach Anspruch 1 weiter ausgestalten.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids weist einen Kolbenverdichter auf. Um das Fluid in dem Kolbenverdichter einstufig auf einen vergleichsweise hohen Druck verdichten zu können, weist die Vorrichtung Mittel zum Einleiten einer Flüssigkeit in einen Verdichtungsraum des Kolbenverdichters während des Verdichtens und eine Kolbenpumpe zum Fördern der Flüssigkeit auf. Demnach sind Fördermittel vorgesehen, mit der eine Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsreservoir in den Verdichtungsraum des Kolbenverdichters gefördert wird. Darüber hinaus sind Steuermittel vorgesehen, die die Vorrichtung derart ansteuern, dass die Flüssigkeit während des Verdichtens des Fluids in den Verdichtungsraum des Kolbenverdichters eingeleitet wird.
- Ziel dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, während des Verdichtens des Fluids in den Verdichtungsraum des Kolbenverdichters Flüssigkeit einzuleiten. Durch diese Maßnahme wird das in dem Verdichtungsraum befindliche Fluid während des Verdichtungsvorgangs gekühlt. Gleichzeitig wird nach dem Ende der Fluidverdichtung der in dem Verdichtungsraum vorhandene Totraum bei entsprechender Dosierung der in den Verdichtungsraum eingeleiteten Flüssigkeitsmenge vollständig mit der inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt, so dass sich dann kein Gas mehr in dem Verdichtungsraum befindet und der Totraum quasi eliminiert ist. Die mit dem Totraum ansonsten verbundenen nachteiligen Effekte können daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auftreten. Durch die mit dem Einleiten der Flüssigkeit in den Verdichtungsraum bedingte Kühlung und die Eliminierung des Totraums ist es möglich, Gase in dem Kolbenverdichter in einem einstufigen Prozess auf einen vergleichsweise hohen Druck zu verdichten.
- Gemäß der Erfindung ist die Kolbenstange des Kolbenverdichters vorzugsweise mit einem stufenlos einstellbaren Linearantrieb bewegungsgekoppelt. Unter einem stufenlos einstellbaren Linearantrieb ist ein solcher Linearantrieb zu verstehen, bei dem der Bewegungsweg und die Bewegungsgeschwindigkeit eines translatorisch bewegbaren Bauteils des Linearantriebs, welches mit der Kolbenstange gekoppelt ist, übergangslos verändert werden können. Demzufolge sind an dem Kolbenverdichter während des Ansaugens und Verdichtens des Fluids auch der von dem Kolben des Kolbenverdichters zurückgelegte Weg und dessen Geschwindigkeit stufenlos einstellbar, so dass der Kolbenverdichter schnell an unterschiedliche oder sich ändernde Verdichtungsaufgaben angepasst werden kann.
- Der Verdichtungsraum des Kolbenverdichters weist zweckmäßigerweise neben einem ersten Einlass für das zu verdichtende Fluid auch einen zweiten Einlass zum Einleiten der Flüssigkeit auf. Eingangsseitig des ersten Einlasses des Verdichtungsraumes ist in üblicher Weise ein Ventil angeordnet, welches verhindert, dass das Fluid während des Verdichtungstaktes des Kolbenverdichters aus dessen Verdichtungsraum ausströmen kann. In ähnlicher Weise ist eingangsseitig des zweiten Einlasses des Verdichtungsraumes zweckmäßigerweise ein Ventil mit der gleichen Aufgabe angeordnet. Bei diesen Ventilen kann es sich vorteilhaft um Rückschlagventile handeln.
- Vorteilhaft ist an dem zweiten Einlass des Kolbenverdichters die Kolbenpumpe zum Fördern der Flüssigkeit angeschlossen. Diese Kolbenpumpe, die eine sehr genaue Flüssigkeitsdosierung ermöglicht, so dass in den Verdichtungsraum des Kolbenverdichters exakt die zum Auffüllen des Totraums und zur Kühlung des Fluids geforderte Flüssigkeitsmenge gepumpt werden kann, ist zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass sie dem in dem Verdichtungsraum des Kolbenverdichters herrschenden Verdichtungsdruck entgegenwirken kann.
- Vorteilhaft sind die Arbeitstakte des Kolbenverdichters und der Kolbenpumpe synchronisiert. D. h. der Kolbenverdichter und/oder die Kolbenpumpe werden vorzugsweise derart angesteuert, dass die Kolbenpumpe dann, wenn der Kolbenverdichter einen Verdichtungstakt ausführt, zeitgleich einen Ausstoßtakt ausführt und Flüssigkeit in den Verdichtungsraum des Kolbenverdichters pumpt und die Kolbenpumpe dann, wenn der Kolbenverdichter das zu verdichtende Fluid ansaugt, zeitgleich ebenfalls einen Ansaugtakt ausführt und die in dem Verdichtungsraum des Kolbenverdichters einzuführende Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsreservoir ansaugt.
- Vorzugsweise bildet ein elektrisch angetriebener Gewindetrieb den Linearantrieb. Hierbei ist eine Gewindespindel des Gewindetriebs translatorisch mit der Kolbenstange des Kolbenverdichters bewegungsgekoppelt. Ein auf der Gewindespindel aufgeschraubtes, axial nicht bewegbares Bauteil ist drehbeweglich mit einem elektrischen Antriebsmotor gekoppelt. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Gewindetrieb um einen Planetenrollengewindetrieb, der die Übertragung vergleichsweise hoher Kräfte und eine hohe Positioniergenauigkeit der Gewindespindel ermöglicht.
- Erfindungsgemäß weisen der Kolbenverdichter und die Kolbenpumpe einen gemeinsamen Antrieb auf. So kann beispielsweise ein Gewindetrieb mit einer translatorisch bewegbaren Gewindespindel vorgesehen sein, wobei die Gewindespindel an einem Ende mit der Kolbenstange des Kolbenverdichters und an dem anderen Ende mit einer Kolbenstange der Kolbenpumpe bewegungsgekoppelt ist. Hierbei sind der Kolbenverdichter und die Kolbenpumpe so ausgebildet und/oder angeordnet, dass bei einer translatorischen Bewegung der Gewindespindel der Kolbenverdichter einen Verdichtungstakt ausführt, während die Kolbenpumpe einen Ausstoßtakt ausführt und der Kolbenverdichter und die Kolbenpumpe bei einer Bewegung der Gewindespindel in entgegengesetzter Richtung jeweils einen Ansaugtakt ausführen.
- Die Erfindung eignet sich besonders zum Ausbringen von CO2 aus einem Unterseeboot. In Unterseebooten ist es erforderlich, während einer Tauchfahrt das in der Innenluft des Unterseeboots enthaltene Kohlendioxid bzw. CO2, das insbesondere in der Ausatemluft der Mannschaft des Unterseeboots anfällt, in geeigneter Weise zu binden und dann in dem Unterseeboot in hierfür vorgesehenen Speichern zu speichern oder aus dem Unterseeboot an dessen Außenumgebung abzuführen.
- Aus
DE 10 2006 048 716 B3 ist eine Vorgehensweise bekannt, bei der das in einer CO2-Bindeeinrichtung gebundene CO2 in der CO2-Bindeeinrichtung mittels Wasserdampf von einem CO2-Bindemittel getrennt wird und anschließend nach Lösung in Wasser aus dem Unterseeboot abgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise dafür vorgesehen sein, dass das nach der Trennung des CO2 von dem Bindemittel anfallende Fluid aus CO2 und Wasserdampf direkt, also ohne vorherige Lösung in Wasser, gasförmig aus dem Unterseeboot abzuführen. Hierzu wird das Fluid von dem Kolbenverdichter in dessen Verdichtungsraum angesaugt und dort verdichtet, wobei in den Verdichtungsraum während des Verdichtens Flüssigkeit eingeführt wird. Durch das Einführen der Flüssigkeit kann das Fluid in dem Kolbenverdichter einstufig auf ein solches Druckniveau verdichtet werden, dass es gegen den bei Tauchfahrt in der Außenumgebung des Unterseeboots herrschenden Wasserdruck aus dem Unterseeboot herausgedrückt werden kann. - Der zum Trennen des CO2 von dem CO2-Bindemittel erforderliche Wasserdampf wird in der Regel in einem Verdampfer erzeugt, in dem das Wasser zum Sieden gebracht wird. Vorteilhaft wird in dem Verdampfer anfallendes Kondensat von einer Pumpe angesaugt und in den Verdichtungsraum des Kolbenverdichters während des Verdichtens des Fluids aus CO2 und Wasserdampf als Kühlflüssigkeit eingeleitet.
- Insofern betrifft die Erfindung auch ein Unterseeboot, das mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 10 aufweist. Diese Vorrichtung dient in dem Unterseeboot dazu, das in der Ausatemluft der Mannschaft des Unterseeboots im Inneren des Unterseeboots entstehende CO2 in die Außenumgebung des Unterseeboots abzuleiten.
- Nachfolgend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- Fig. 1
- eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids in einer schematisch stark vereinfachten Prinzipskizze und
- Fig. 2
- ein Unterseeboot mit der Vorrichtung nach
Fig. 1 in einer schematisch stark vereinfachten Prinzipskizze. - Die in
Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Kolbenverdichter 2 auf, bei dem in einem Zylinder 6 ein Kolben 4 zum Ansaugen und Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids linear verschiebbar ist. An einem Einlass 8 mündet eine Zuführleitung 10 in einen Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2. Über die Zuführleitung 10 und den Einlass 8 kann ein Fluid in einem Ansaugtakt des Kolbenverdichters 2 in dessen Verdichtungsraum 12 angesaugt werden und dort anschließend verdichtet werden. - Des Weiteren weist die in
Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eine Kolbenpumpe 14 mit einem in einem Zylinder 16 linear verfahrbar angeordneten Kolben 18 auf. Mit der Kolbenpumpe 14 wird in einem Reservoir 20 gespeicherte Flüssigkeit 22 über eine Zuführleitung 24, die an einem Einlass 26 der Kolbenpumpe 14 mündet, in einen Anstoßraum 28 der Kolbenpumpe 14 angesaugt und anschließend über einen Auslass 30 in eine Leitung 32 ausgestoßen. - Die Leitung 32 mündet an einem an dem Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 ausgebildeten Einlass 14. D. h., mittels der Kolbenpumpe 14 wird Flüssigkeit 22 aus dem Reservoir 20 in den Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 gefördert, wobei die Art und Weise sowie der Zweck dieser Maßnahme im weiteren Verlauf näher erläutert wird.
- Der Kolbenverdichter 2 und die Kolbenpumpe 14 werden von einem gemeinsamen Antrieb angetrieben. Hierbei handelt es sich um einen von einem Elektromotor 36 angetriebenen Gewindetrieb mit einer Gewindespindel 38. Die Gewindespindel 38 ist an einem ersten Ende mit einer Kolbenstange 40 des Kolbenverdichters 2 bewegungsgekoppelt und an dem anderen Ende mit einer Kolbenstange 42 der Kolbenpumpe 14 bewegungsgekoppelt.
- Die Kolbenstange 42 der Kolbenpumpe 14 wird durch den Ausstoßraum 28 der Kolbenpumpe 14 zu dem Kolben 18 geführt. Hierdurch und aufgrund des vergleichsweise großen Durchmessers der Kolbenstange 14 verringert sich das Volumen des Ausstoßraumes 28 auf einen Ringspalt um die Kolbenstange 42 herum.
- Die Gewindespindel 38 ist mittels des Elektromotors 36 in eine Richtung A und eine hierzu entgegengesetzte Richtung B verfahrbar. Entsprechend sind die Kolbenstange 40 mit dem Kolben 4 und die Kolbenstange 42 mit dem Kolben 18 gemeinsam in die Richtungen A und B verfahrbar. Der Kolbenverdichter 2 und die Kolbenpumpe 14 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass sie bei einer Bewegung der Gewindespindel 38 in Richtung A beide jeweils einen Ansaugtakt ausführen, während bei einer Bewegung der Gewindespindel 38 in Richtung B der Kolbenverdichter 2 einen Verdichtungstakt und die Kolbenpumpe 14 einen Ausstoßtakt ausführen.
- Die Funktionsweise der in
Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist wie folgt: - Wird die Gewindespindel 38 von dem Elektromotor 36 in Richtung A angetrieben, führt der Kolbenverdichter 2 einen Ansaugtakt aus, bei dem ein gasförmiges oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehendes Fluid in den Verdichtungsraum 12 der Kolbenpumpe 14 über die Leitung 10 angesaugt wird. Hierbei wird der an dem Verdichtungsraum 12 ausgebildete zweite Einlass 34 von einem in der Leitung 30 angeordneten Rückschlagventil 44 verschlossen. Gleichzeitig führt die Kolbenpumpe 14 einen Ansaugtakt aus, bei dem die in dem Reservoir 20 befindliche Flüssigkeit 22 in den Ausstoßraum 28 der Kolbenpumpe gesaugt wird.
- Anschließend wird der Elektromotor 36 von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung derart angesteuert, dass die Gewindespindel 38 in Richtung B bewegt wird. Der Kolbenverdichter 2 führt dann einen Verdichtungstakt aus, bei dem das zuvor angesaugte Fluid in dem Verdichtungsraum 12 verdichtet wird. Hierbei verhindern das Rückschlagventil 44 und ein in der Leitung 10 angeordnetes Rückschlagventil 46 ein Ausströmen des Fluids aus dem Verdichtungsraum 12. Sobald sich in dem Verdichtungsraum 12 ein gewünschter Verdichtungsdruck eingestellt hat, wird das Fluid über einen an dem Verdichtungsraum 12 ausgebildeten Auslass 48, an dem eine Leitung 50 angeschlossen ist, abgelassen, wobei in der Leitung 50 ein vorgespanntes Rückschlagventil 52 angeordnet ist, das erst bei dem gewünschten Verdichtungsdruck öffnet.
- Da die Kolbenpumpe 14 zeitgleich mit dem Verdichtungstakt des Kolbenverdichters 2 einen Ausstoßtakt ausführt, wird die in dem Ausstoßraum 28 der Kolbenpumpe 14 befindliche Flüssigkeit 22 während des Verdichtens des Fluids in den Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 gefördert. Hierbei verhindert ein in der Zuführleitung 24 angeordnetes Rückschlagventil 54 ein Zurückströmen der Flüssigkeit 22 in die Zuführleitung 24.
- Indem dem Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 während des Verdichtungstaktes die Flüssigkeit 22 zugeführt wird, wird das in dem Verdichtungsraum 12 befindliche Fluid von der Flüssigkeit 22 gekühlt, so dass der Temperaturanstieg während des Verdichtens gegenüber einer Kolbenpumpe ohne Zuführung von Flüssigkeit erheblich geringer ausfällt. Darüber hinaus füllt die Flüssigkeit 22 nach dem Öffnen des Rückschlagventils 52, wenn sich der Kolben 4 in seinem Totpunkt befindet, den gesamten Totraum in dem Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 auf. Dies und die Kühlung des in dem Verdichtungsraum 12 befindlichen Fluids ermöglichen die Verdichtung des Fluids auf höhere Verdichtungsdrücke, als es ohne die Einleitung von Flüssigkeit in den Verdichtungsraum 12 möglich wäre.
- In
Fig. 2 ist schematisch stark vereinfacht ein Unterseeboot 56 dargestellt. Dieses Unterseeboot 56 weist die inFig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids auf. Daneben ist in dem Unterseeboot 56 eine CO2-Bindeeinrichtung 58 angeordnet. Über eine Leitung 60 wird die Innenluft des Unterseeboots in die CO2-Bindeeinrichtung 58 geleitet. Dort wird das in der Luft enthaltene CO2 von einem CO2-Bindemittel 62 gebunden und die von dem CO2 befreite Luft über eine Leitung 64 wieder in den Innenraum des Unterseebootes 56 geleitet. - Das CO2-Bindemittel 62 wird mittels Wasserdampf, der das CO2 von dem CO2-Bindemittel 62 löst, regeneriert. Der Wasserdampf wird von einem in dem Unterseeboot 56 angeordneten Verdampfer 66 bereitgestellt. Über einen Wassereinlass 68 wird Wasser in den Verdampfer 66 eingeleitet und dort verdampft. Anschließend wird der Wasserdampf über eine Leitung 70 in die CO2-Bindeeinrichtung 58 geleitet.
- Nach dem Regenerieren des CO2-Bindemittels 62 befindet sich in der CO2-Bindeeinrichtung 58 ein Gemisch aus CO2 und Wasserdampf. Dieses Gemisch wird über die an der CO2-Bindeeinrichtung 58 angeschlossene Zuführleitung 10 bei einem Ansaugtakt des Kolbenverdichters 2 in dessen Verdichtungsraum 12 geleitet, dort verdichtet und über die Leitung 50 in eine seewasserdurchflutete Leitung 72 geleitet. Von dort gelangt das Gemisch aus CO2 und Wasserdampf in die Außenumgebung des Unterseebootes 56.
- Um das Gemisch aus CO2 und Wasserdampf bei Tauchfahrt des Unterseebootes 56 aus diesem auslassen zu können, muss das Gemisch aus CO2 und Wasserdampf in dem Kolbenverdichter 2 auf einen Druck verdichtet werden, der größer als der Umgebungsdruck des Unterseebootes ist. Die Erzeugung eines solchen Druckes wird dadurch möglich, dass während des Verdichtens des Gemisches aus CO2 und Wasserdampf Flüssigkeit in den Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 eingeführt wird. Als Flüssigkeit wird ein Kondensat verwendet, das sich am Boden des Verdampfers 66 sammelt. Dieses Kondensat wird der Kolbenpumpe 14 zugeführt. Zum Ableiten des Kondensats aus dem Verdampfer 66 in die Kolbenpumpe 14 ist die in den Ausstoßraum 28 der Kolbenpumpe 14 mündende Zuführleitung 24 an den Verdampfer 66 angeschlossen. Mittels der Kolbenpumpe 14 wird das Kondensat aus dem Verdampfer 66 angesaugt und in einem Ausstoßtakt der Kolbenpumpe 14 über die Leitung 32 in den Verdichtungsraum 12 des Kolbenverdichters 2 gepumpt.
-
- 2
- - Kolbenverdichter
- 4
- - Kolben
- 6
- - Zylinder
- 8
- - Einlass
- 10
- - Zuführleitung
- 12
- - Verdichtungsraum
- 14
- - Kolbenpumpe
- 16
- - Zylinder
- 18
- - Kolben
- 20
- - Reservoir
- 22
- - Flüssigkeit
- 24
- - Zuführleitung
- 26
- - Einlass
- 28
- - Ausstoßraum
- 30
- - Auslass
- 32
- - Leitung
- 34
- - Einlass
- 36
- - Elektromotor
- 38
- - Gewindespindel
- 40
- - Kolbenstange
- 42
- - Kolbenstange
- 44
- - Rückschlagventil
- 46
- - Rückschlagventil
- 48
- - Auslass
- 50
- - Leitung
- 52
- - Rückschlagventil
- 54
- - Rückschlagventil
- 56
- - Unterseeboot
- 58
- - CO2-Bindeeinrichtung
- 60
- - Leitung
- 62
- - CO2-Bindemittel
- 64
- - Leitung
- 66
- - Verdampfer
- 68
- - Wassereinlass
- 70
- - Leitung
- 72
- - Leitung
- A
- - Richtung
- B
- - Richtung
Claims (5)
- Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen oder aus gasförmigen und flüssigen Bestandteilen bestehenden Fluids, mit einem Kolbenverdichter (2), mit Mitteln zum Einleiten einer Flüssigkeit (22) in einen Verdichtungsraum (12) des Kolbenverdichters (2) während des Verdichtens, und mit einer Kolbenpumpe (14) zum Fördern der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (40) des Kolbenverdichters (2) mit einem stufenlos einstellbaren Linearantrieb bewegungsgekoppelt ist, wobei der Linearantrieb den Kolbenverdichter (2) gemeinsam mit der Kolbenpumpe (14) antreibt.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterraum (12) einen ersten Einlass (8) für das zu verdichtende Fluid und einen zweiten Einlass (34) zum Einleiten der Flüssigkeit (22) aufweist.
- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Einlass (34) des Kolbenverdichters (2) die Kolbenpumpe (14) zum Fördern der Flüssigkeit angeschlossenen ist.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch angetriebener Gewindetrieb den Linearantrieb bildet.
- Unterseeboot (56), dadurch gekennzeichnet, dass das Unterseeboot (56) mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Abführen eines gasförmigen Fluids aus dem Unterseeboot (56) aufweist.
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-
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