EP4172538A1 - Verfahren und vorrichtung zur konditionierung eines gases - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur konditionierung eines gases

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Publication number
EP4172538A1
EP4172538A1 EP20739241.6A EP20739241A EP4172538A1 EP 4172538 A1 EP4172538 A1 EP 4172538A1 EP 20739241 A EP20739241 A EP 20739241A EP 4172538 A1 EP4172538 A1 EP 4172538A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
heat exchanger
expansion device
compressor
control valve
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.)
Pending
Application number
EP20739241.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael TIELSCH
Stefan LACHMANN
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.)
Christof Global Impact Ltd
Original Assignee
Christof Global Impact Ltd
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 Christof Global Impact Ltd filed Critical Christof Global Impact Ltd
Publication of EP4172538A1 publication Critical patent/EP4172538A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004—Compression 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for conditioning a gas, in particular combustion air, on a test stand for internal combustion engines or fuel cells, by means of a device which has at least one compressor, a heat exchanger and an expansion device, the gas being fed to the device.
  • the invention also relates to a device for conditioning a gas, wherein the gas can be guided through the device in one flow direction, comprising at least one compressor for compressing the gas and an expansion device for expanding the gas, the expansion device being arranged downstream of the at least one compressor in the flow direction is.
  • test item For a test of internal combustion engines, fuel cells or the like, it is often necessary that a test item is supplied with a well-defined and specially conditioned combustion air. It is important here that various parameters of the combustion air, especially humidity and temperature, are set as precisely as possible.
  • Known devices include, for example, refrigeration dryers for drying compressed air or devices for drying air in an air conditioning system.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the beginning with which combustion air can be conditioned precisely and in a large temperature range at lower operating costs.
  • Another object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset with which combustion air can be conditioned precisely and over a wide temperature range.
  • the first object is achieved according to the invention in that, in a method of the type mentioned at the outset, at least one parameter of the supplied gas, in particular a pressure, a temperature, a humidity and / or a volume, is measured, after which the gas is compressed, after which a first Portion of the compressed gas is passed through the heat exchanger, the first portion being cooled and / or dehumidified in the heat exchanger, after which the cooled and / or dehumidified gas is expanded in an expansion device, after which the expanded gas is led out of the device.
  • at least one parameter of the supplied gas in particular a pressure, a temperature, a humidity and / or a volume
  • the gas preferably combustion air for a test item on a test stand
  • the device is fed to the device.
  • one or more parameters of the supplied gas are first measured. These parameters usually include the pressure, the temperature, the humidity and / or the volume of the supplied gas.
  • other parameters such as a composition of the gas and / or a concentration of individual constituents of the gas, in particular an oxygen content, a nitrogen content and / or a CO 2 content, can be measured. After the parameters have been determined, the gas is compressed, with a temperature of the gas being increased.
  • the air in the heat exchanger can be cooled to a certain intermediate temperature and / or dehumidified.
  • the gas is expanded in the expansion device and thus brought to a desired pressure and / or from the intermediate temperature to a desired or required final temperature.
  • a second portion of the compressed gas is passed past the heat exchanger and mixed with the first portion passed through the heat exchanger.
  • This can, for example, increase the humidity of the gas and / or a higher intermediate temperature can be reached than if the entire gas is passed through the heat exchanger and is consequently cooled and / or dehumidified.
  • the gas can be passed through the heat exchanger completely or, if necessary in various stages, in part.
  • the at least one parameter of the gas in particular the pressure, the temperature, the humidity and / or the volume, is recorded in at least one further process step, possibly after compressing the gas and / or immediately before the expansion of the Gas and / or after releasing the gas.
  • process steps are, for example, between compression and cooling and / or dehumidification, between cooling and / or dehumidification and relaxation, subsequent to relaxation, after mixing the first part with the second part and / or immediately before releasing the conditioned one Gas from the device.
  • such a measurement can take place, for example, between the compressor and the heat exchanger, between the heat exchanger and the expansion device, and / or subsequent to the expansion device.
  • the pressure, the humidity and / or the temperature are measured after the compaction, since it is these parameters in particular that change. It has proven useful if the parameters are also measured after cooling and / or dehumidifying the gas. This can be useful if a certain proportion of the gas is led past the heat exchanger.
  • one or more parameters preferably the pressure, the humidity and / or the temperature, are measured after the first component has been mixed with the second component.
  • the gas is compressed to a pressure of at least 0.2 bar, in particular to a pressure of 0.5 bar to 2 bar.
  • a required increase in the temperature of the gas is achieved.
  • the temperature of the gas can optionally rise to at least 100.degree. C., for example up to 170.degree.
  • a ratio of the first portion to the second portion is advantageously regulated as a function of a desired temperature and / or humidity of the gas, preferably by means of at least one control valve.
  • the first portion can be at least about 5%, 10%,
  • the second portion usually comprises about 95%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5% or 0% of the supplied gas.
  • the first portion can be regulated, for example, by means of a heat exchanger control valve, which is usually arranged upstream of the heat exchanger in the direction of flow.
  • the second component is usually regulated by means of a heat exchanger bypass control valve.
  • the first component and / or the second component is each regulated by a control valve, preferably a flap valve, actuated in particular by a drive means.
  • a control valve preferably a flap valve
  • the drive means for example a stepping motor or a servo motor, to actuate the control valve or the control valves, an at least partial automation of the method can be achieved.
  • a condensate which is separated from the gas in the heat exchanger, is collected in a condensate container, the condensate container being emptied after a certain fill level has been reached, in particular by actuating at least one drain valve.
  • condensate is produced when the gas is dehumidified.
  • it can be collected in a condensate container provided for this purpose and only removed when a certain fill level is reached. This avoids a complex suction or pumping mechanism which would otherwise be required for removing small amounts of the condensate.
  • the collected condensate can be conveyed out of the condensate container by means of an auxiliary fan.
  • the gas in the expansion device is at least partially expanded in a turbine, in particular a speed-regulated turbine, and optionally partially guided past the turbine.
  • the gas can be brought to a desired pressure and / or a desired or required final temperature.
  • the energy released in the process can be used by the turbine and, if necessary, converted into another form of energy.
  • the gas can at least partially be led past the turbine.
  • control valves can be provided with which an amount of gas is controlled that is passed through the turbine or past it. For example, for maintenance work on the turbine or for relieving the load on the turbine, it can also be advantageous to lead the gas completely past the turbine.
  • the turbine is driven by expanding the gas, with electricity being generated, which is optionally supplied to the device, in particular to the at least one compressor.
  • a generator for example, can be driven by means of the turbine.
  • the electrical current obtained by converting the energy released is used, if necessary, to operate the compressor.
  • the device optionally has a frequency converter for this purpose. The method can thereby be carried out in an energy-efficient manner, since an amount of an externally fed-in electric current is reduced. Alternatively, the electricity generated can be fed into an external power grid.
  • ice crystals are separated from the expanded gas, in particular in an ice separator, and are collected in an ice container. When the gas is let down, it cools down, and ice crystals may develop in the gas. It is advantageous here if the ice crystals are separated out in a cyclone separator.
  • the ice crystals are expediently melted by a supply of ambient air, after which they are discharged as liquid condensate. Since the temperature of the ambient air is usually sufficient to melt ice crystals, the ice container can be exposed to the ambient air by means of an auxiliary fan. This makes the ice crystals particularly energy efficient be melted as no additional heating is required. In addition, the now liquid condensate can be removed in a simple manner.
  • the gas preferably the expanded gas
  • a steam generator At least 5 g, in particular 10 g to 20 g, particularly preferably about 16 g of water per kilogram of dehumidified gas can be introduced into the dehumidified gas.
  • the gas in particular the cooled and / or dehumidified gas
  • the cooled and / or dehumidified gas is advantageously heated before it is led past the turbine. In this way, a higher temperature of the gas can be reached and, if necessary, a gas with a higher final temperature can be fed to the test object.
  • the further object is achieved according to the invention in that in a device of the type mentioned at least one measuring device for measuring at least one parameter of the gas and a heat exchanger for cooling and / or dehumidifying the gas are provided, the heat exchanger in the direction of flow between the at least one Compressor and the expansion device is arranged and wherein a main line is provided to lead a first portion of the gas through the heat exchanger.
  • the device is constructed in such a way that the gas can be guided through the device in the direction of flow, the compressor, the heat exchanger and the expansion device being arranged one after the other in the direction of flow.
  • the device expediently has a feed line through which the gas can be fed into the device.
  • the supply line advantageously has a filter, for example a dust filter, in order to filter the supplied gas. This will ensures that no contaminants or only a small amount of contaminants are introduced into the device.
  • a speed-regulated, in particular high-speed, side-channel compressor is preferably provided for compressing the gas.
  • the device has a second compressor, which is normally constructed in the same way as the first compressor, in order to enable a higher throughput if necessary.
  • the compressed gas can at least partially flow through the heat exchanger.
  • the gas cooled and / or dehumidified in the heat exchanger can then flow through the expansion device, in which the gas is expanded again.
  • the gas is led through the main line to the heat exchanger and through it.
  • the device has at least one, as a rule several, measuring devices in order to measure parameters of the supplied gas. At least one initial measuring device is advantageously positioned in the supply line so that at least one parameter of the supplied gas can be measured.
  • the device has at least one further measuring device, in particular a compressor measuring device, a heat exchanger measuring device and an expansion measuring device, which are located downstream of the at least one compressor, the heat exchanger and / or the expansion device. This ensures that several parameters of the gas are recorded in different process steps. At least one parameter of the gas is advantageously detected in at least one, two, three, four or more process steps.
  • the measuring devices can each be designed to measure at least one parameter, the parameter or parameters preferably from a list comprising temperature, pressure, humidity, volume of the supplied gas, volume of a gas flowing through, flow rate, composition of the gas, oxygen content, nitrogen content, C0 2 content and the like are selected.
  • At least one bypass line is provided in order to at least partially lead the gas past the heat exchanger and / or the expansion device, with a heat exchanger bypass line preferably in Direction of flow branches off from the main line before the heat exchanger and opens into the main line in the direction of flow after the heat exchanger and / or an expansion device bypass line branches off from the main line in the direction of flow before the expansion device and opens into the main line in the direction of flow after the expansion device.
  • a heat exchanger bypass line is positioned in such a way that a second portion of the gas can bypass the heat exchanger.
  • the expansion device bypass line is arranged in such a way that the gas can partially bypass the expansion device.
  • a second portion of the gas can flow past the heat exchanger through the heat exchanger bypass line.
  • the bypass line opens into the main line after the heat exchanger, so that the first part and the second part are mixed.
  • At least one measuring device is preferably provided in the area of the mouth so that at least one parameter of the gas, in particular of the combined first and second components, can be measured.
  • the gas can advantageously partially flow past the expansion device through the expansion device bypass line. As a result, a final temperature can be regulated and / or the expansion device can be relieved.
  • At least one control valve is expediently provided to regulate a volume flow through the device, the main line preferably having a heat exchanger control valve and / or an expansion device control valve and / or a bypass line each having a bypass control valve. It has proven useful if the control valve or valves are designed as flap valves. A stepper motor and / or a servomotor are advantageously provided for setting the control valve or valves.
  • the heat exchanger bypass line preferably has a heat exchanger bypass control valve on.
  • the main line generally has a heat exchanger regulating valve in order to regulate the first portion which flows through the heat exchanger.
  • the heat exchanger bypass control valve and / or the heat exchanger control valve are advantageously designed as a flap valve.
  • a stepper motor is particularly preferably provided in each case for setting the heat exchanger bypass control valve and / or the heat exchanger control valve.
  • the expansion device bypass line for regulating the volume flow through it preferably has a control valve or an expansion device bypass control valve.
  • the main line generally has an expansion device control valve in order to regulate a volume flow through the expansion device.
  • the expansion device bypass control valve and / or the expansion device control valve are advantageously designed as a flap valve. It has proven useful if a servomotor is provided for setting the expansion device bypass control valve and / or the expansion device control valve.
  • the heat exchanger has a condensate separator, the condensate separator preferably comprising a condensate container.
  • a condensate accumulates in the heat exchanger, which can be separated with the condensate separator and possibly collected in the condensate container.
  • the device optionally has an auxiliary fan for emptying the condensate container.
  • the condensate container has a level measuring device for detecting a level in the condensate container.
  • the condensate separator advantageously comprises at least one drain valve, which is designed to be openable depending on the fill level.
  • the drain valve opens automatically when a certain fill level in the condensate container is reached and / or exceeded.
  • a control device is provided, if necessary, which compares data from the level measuring device with a predefined threshold value and expediently opens the drain valve when the threshold value is reached and / or exceeded.
  • the expansion device is designed to generate electricity and an electrical connection is preferably provided between the expansion device and the at least one compressor in order to supply a generated electricity to the compressor.
  • the expansion device has a speed-regulated, in particular high-speed, turbine which, if necessary, drives a generator. By converting the energy released during the expansion of the gas into electrical energy or electrical current, the energy efficiency of the device can be improved.
  • a steam generator is advantageously provided which is in fluid connection with the main line after the expansion device in the direction of flow.
  • the device has a steam line which connects the steam generator to the main line.
  • a steam generated with the steam generator can be guided into the main line, preferably via the steam line, in order to humidify the expanded gas.
  • an ice separator is provided which is positioned downstream of the expansion device in the direction of flow. Since the gas usually becomes very cold when the pressure is released and reaches a temperature of, for example, -30 ° C., ice crystals can form, which are normally separated from the gas, especially if there is residual moisture in the gas.
  • the ice separator advantageously comprises an ice container.
  • the ice container is preferably double-walled, with a cavity being provided between an inner wall and an outer wall of the ice container.
  • a fluid for example a heating fluid or ambient air, can be passed through the cavity in order to melt ice collected in the ice container.
  • the ambient air can be conveyed through the cavity with the auxiliary fan.
  • an additional auxiliary fan can be provided in order to convey the ambient air through the cavity.
  • a heating device is provided, which is arranged in the flow direction between the heat exchanger and the expansion device.
  • the heating device is preferably upstream of a branch in the flow direction in the flow direction Expansion device bypass line arranged so that the gas can be heated before it is led past the expansion device or the turbine.
  • the device is designed as a unit, with individual elements, in particular the at least one compressor, the heat exchanger and the expansion device, being mounted on a frame and / or within the frame.
  • the device can be designed to be particularly compact.
  • a profile frame in particular an aluminum profile frame, can be provided for this purpose.
  • Several cover plates can be fixed to the frame as an enclosure.
  • the heat exchanger advantageously includes liquid cooling, a supply for a cooling liquid optionally having a temperature monitoring device.
  • a further regulating valve is preferably provided to control the amount of coolant.
  • the amount of cooling liquid is regulated as a function of the desired temperature and / or humidity of the gas to be conditioned.
  • the liquid cooling is usually designed as a cooling circuit.
  • the device expediently has a discharge line through which the conditioned gas can be guided out of the device, in particular to a test object.
  • a section of the main line at the end is usually referred to as a discharge line.
  • an additional discharge line can be provided which is in fluid connection with the main line.
  • a test item bypass line can be provided, which is designed in such a way that just the amount of gas required for the test is led through the discharge line to the test item, with a remaining gas being led past the test item through the test item bypass line and with an exhaust gas of the DUT is mixed and released into the open air.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for conditioning a gas
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a supplemented device
  • FIG. 3 shows a detailed schematic representation of such a device.
  • a device 1 for conditioning a gas is shown schematically in FIG. 1, the gas being able to be guided through the device 1 in the direction of flow S.
  • the device 1 comprises a compressor 2, a heat exchanger 3 and an expansion device 4.
  • the heat exchanger 3 is arranged downstream of the compressor 2 and the expansion device 4 of the heat exchanger 3 in the direction of flow S.
  • each measuring device 5a, 5b, 5c, 5d comprises several suitable sensors in order to detect several parameters with the respective measuring device 5a, 5b, 5c, 5d.
  • the device 1 can in particular have one, two, three, four or more such measuring devices 5a, 5b, 5c, 5d, which are optionally positioned in different process sections.
  • the device 1 expediently has an initial measuring device 5a, a compressor measuring device 5b, a heat exchanger measuring device 5c and / or an expansion measuring device 5d.
  • the initial measuring device 5a is usually arranged upstream of the compressor 2 in the direction of flow S, this being preferably designed to detect the pressure, the temperature, the humidity and / or the volume of the gas.
  • the compressor measuring device 5b can be positioned in the flow direction S between the compressor 2 and the heat exchanger 3, this being generally designed to detect the pressure and / or the temperature of the gas.
  • the heat exchanger measuring device 5c can be arranged in the flow direction S between the heat exchanger 3 and the expansion device 4, this preferably being designed to detect the temperature and / or the humidity of the gas.
  • the expansion measuring device 5d is usually positioned downstream of the expansion device 4 in the direction of flow S, this usually being designed to detect the pressure and / or the temperature of the gas. If necessary, an end measuring device 5e can be provided in order to detect at least one of the parameters of the gas before the gas flows out of the device 1.
  • the main line 6 is expediently in fluid connection with several components of the device 1, in particular with the compressor 2, the heat exchanger 3 and the expansion device 4.
  • the device 1 can also have two or more compressors 2.
  • the compressed gas is usually brought together in the main line 6 following the compressor 2.
  • the device 1 also has a feed line 7 and a discharge line 8 in order to guide the gas into the device 1 and out of the device 1, respectively.
  • a section of the main line 6 at the beginning in the flow direction S is designated as feed line 7 and an end section of main line 6 is designated as discharge line 8.
  • a separate feed line 7 and / or discharge line 8 can also be provided, which are each connected to the main line 6. All of the lines can each be tubular or hose-shaped.
  • the feed line 7 can have a filter, preferably a dust filter, in particular a dust filter of filter class G3 or G4, in order to filter the supplied gas.
  • the device 1 has a heating device which is optionally arranged between the heat exchanger 3 and the expansion device 4.
  • the device 1 can have one or more bypass lines 9a, 9b.
  • the bypass lines 9a, 9b usually branch out of the main line 6 at a branch, which is upstream of a component to be bypassed in the direction of flow S and open in an orifice, which is located downstream of the component to be bypassed in the direction of flow S, into the main line 6, as is shown schematically in FIG. 2, for example.
  • bypass lines 9a, 9b are provided in the device 1 for conditioning a gas shown in FIG. 2, several, in particular two, bypass lines 9a, 9b are provided.
  • the device 1 here has a heat exchanger bypass line 9 a in order to at least partially guide the gas past the heat exchanger 3.
  • the device 1 can have an expansion device bypass line 9b in order to at least partially lead the gas past the expansion device 4.
  • the heat exchanger bypass line 9a preferably branches off in the flow direction S upstream of the heat exchanger 3 at a heat exchanger junction from the main line 6 and opens in the flow direction S after the heat exchanger 3 in a heat exchanger opening into the main line 6 when the expansion device bypass line 9b branches off in the flow direction S upstream of the expansion device 4 at an expansion device junction from the main line 6 and opens in the flow direction S after the expansion device 4 in an expansion device mouth into the main line 6.
  • control valves 10a, 10b, 10c, 10d can be provided.
  • the control valve or valves 10a, 10b, 10c, 10d are usually arranged upstream of the respective component in the flow direction S, preferably between the respective branch and the component, and / or in the area of the respective bypass line 9a, 9b, usually between the respective junction and the corresponding mouth. It is favorable if the control valves 10a, 10b, 10c, 10d are designed as flap valves.
  • the main line 6 and / or the heat exchanger bypass line 9a each have a control valve 10a, 10b, 10c, 10d.
  • a heat exchanger control valve 10a is preferably between a heat exchanger junction and the Heat exchanger 3 positioned.
  • a heat exchanger bypass control valve 10b is usually arranged between the heat exchanger junction and a heat exchanger outlet.
  • the main line 6 and / or the expansion device bypass line 9b each have a control valve 10a, 10b, 10c, 10d in order to regulate the volume flow through the expansion device 4.
  • an expansion device control valve 10c is positioned between an expansion device branch and the expansion device 4.
  • An expansion device bypass control valve 10d is typically located between the expansion device junction and an expansion device port.
  • a further measuring device for determining at least one parameter of the gas is provided downstream of the mouth or mouths in the direction of flow S, since the parameters generally change when differently treated gas components are mixed.
  • the further measuring device of the heat exchanger opening is preferably designed to detect the temperature and the humidity of the gas.
  • the further measuring device of the expansion device opening is advantageously designed to detect the temperature, the humidity and the pressure.
  • a device 1 for conditioning a gas is shown schematically, wherein several additional functional components are provided.
  • a device 1 has, for example, several, in particular two, compressors 2.
  • the compressor or compressors 2 are generally designed as side channel compressors, which are preferably designed to be speed-controlled and / or high-speed.
  • the compressor or compressors 2 usually each include a fan which rotates at a maximum of 12,500 rpm and which normally has a drive power of approximately 32 kW.
  • An axial fan 11 can be provided for cooling the compressor 2 or the compressor 2.
  • the axial fan 11 is generally arranged in such a way that the compressor or compressors 2 can be acted upon by the axial fan 11 with ambient air. To ensure precise and, if necessary, automatic setting of the
  • the device 1 can have one or more
  • Drive means 12a, 12b for example one or more motors, in particular
  • control valves 10a, 10b, 10c, 10d Preferably each has
  • Control valve 10a, 10b, 10c, 10d have a drive means 12a, 12b. This is advantageous
  • Control valve 10d each have a servomotor 12b for adjustment.
  • the heat exchanger 3 expediently comprises a condensate separator, the condensate separator generally having a condensate container 13.
  • a condensate container 13 can have a level sensor, for example. It can thus be provided that measured values of the fill level sensor are compared with a defined threshold value from the fill level switch, the fill level switch opening the drain valve 14 when the threshold value is reached and / or exceeded.
  • the device 1 has an ice separator 16, preferably a cyclone separator, in order to separate out ice crystals which may arise when the gas is released.
  • the ice separator 16 has an, in particular double-walled, ice container 17.
  • a cavity is usually provided between an inner wall and an outer wall, through which a warm ambient air can be guided in order to melt the ice crystals.
  • an auxiliary fan 18 can be provided in order to convey the condensate out of the condensate container 13, usually through a drain 15, and / or the ambient air to the ice container 17 and possibly through the cavity.
  • the device 1 optionally has a steam generator 19 which is in fluid connection with the main line 6 via a steam line 20.
  • the steam line 20 preferably opens into the main line 6 between the expansion device 4 and the ice separator 16.
  • a final measuring device 5e is provided for the final determination of at least one parameter of the gas, in particular the temperature and / or the humidity.
  • the end measuring device 5e is preferably positioned downstream of the ice separator 16 in the direction of flow S.
  • Functional components of the device 1 are usually those components of the device 1 which are suitable for changing at least one parameter of the gas.
  • the functional components include the compressor 2, the heat exchanger 3, the heating device, the expansion device 4, the steam generator 19 and / or the ice separator 16.
  • the gas to be conditioned is generally passed through the device 1 in the direction of flow S.
  • the gas is fed into the device 1 through the feed line 7 and, if necessary, filtered.
  • the pressure, the temperature and / or an amount or the volume of the gas fed in is detected. This is usually done with the initial measuring device 5a.
  • the gas is compressed to a certain pressure, preferably to a pressure of up to 2 bar. It is then advantageous if the pressure and / or the temperature of the compressed gas are measured.
  • the compressed gas is usually passed through the main line 6 on to the heat exchanger 3, in which the compressed gas is at least partially cooled and / or dehumidified.
  • the gas can be partially or completely passed through the heat exchanger 3 and / or past the heat exchanger 3, for example through the heat exchanger bypass line 9a.
  • a first portion of the gas is passed through the heat exchanger 3 and a second portion of the gas is passed through the heat exchanger bypass line 9a.
  • the volume flow through the heat exchanger 3 and / or through the heat exchanger bypass line 9a is usually regulated with control valves 10a, 10b, 10c, 10d, in particular with the heat exchanger control valve 10a and / or with the heat exchanger bypass control valve 10b.
  • a ratio of the first component to the second component is preferably set precisely.
  • a ratio of the first portion to the second portion of 9: 1, 4: 1, 7: 3, 3: 2, 1: 1, 2: 3, 3: 7, 1: 4 or 1: 9 can be set.
  • any desired gradations of the stated ratios can also be set.
  • the heat exchanger 3 generally has a supply for a cooling liquid, for example a cooling water supply.
  • the supply for the cooling liquid advantageously has a temperature monitoring device.
  • the supply for the cooling liquid comprises a cooling valve with which the amount of cooling liquid which is supplied to the heat exchanger 3 can be regulated.
  • the amount of cooling liquid is usually regulated as a function of a desired humidity and / or temperature of the gas passed through the device 1.
  • a condensate that occurs during cooling and / or dehumidification can be separated off by means of a condensate separator and preferably collected in a condensate container 13.
  • the drain valve 14 can be opened automatically by the level switch, if necessary.
  • the condensate can be conveyed out of the condensate container 13 with the auxiliary fan 18.
  • a cooled and / or dehumidified first portion is generally mixed with the second portion that is passed past the heat exchanger 3. This is expediently done in the heat exchanger mouth.
  • the temperature, pressure and / or humidity are recorded again. This is preferably done with the heat exchanger measuring device 5c.
  • the temperature at this point is usually between 5 ° C and 170 ° C.
  • the maximum pressure is 2 bar.
  • the gas is passed through the main line 6 to the expansion device 4, in which the gas is at least partially expanded.
  • the air can be partially or completely passed through the expansion device 4 and / or past the expansion device 4, for example through the expansion device bypass line 9b.
  • the volume flow through the expansion device 4 and / or through the expansion device bypass line 9b is usually regulated with control valves 10a, 10b, 10c, 10d, in particular with the expansion device control valve 10c and / or with the expansion device bypass control valve 10d.
  • a ratio of the gas fed through the expansion device 4 to the gas fed past it of 9: 1, 4: 1, 7: 3, 3: 2, 1: 1, 2: 3, 3: 7, 1: 4 or 1: 9 can be set.
  • any desired gradations of the stated ratios can also be set.
  • the gas is guided completely through the expansion device 4 or completely through the expansion device bypass line 9b.
  • the gas passed through the expansion device 4 is expanded in a preferably speed-controlled, in particular high-speed, turbine.
  • the turbine can turn at up to 25,000 rpm if necessary.
  • any energy released when the gas is released can be converted into electrical energy, which is, for example, sent to the compressor or compressors 2 is supplied and / or fed into the power grid.
  • the expansion device 4 in particular the turbine, drives a generator.
  • the gas can be heated before it is passed through the expansion device bypass line 9b.
  • the device 1 can have a heating device in the flow direction S between the heat exchanger 3 and the expansion device 4, preferably between the heat exchanger opening and the expansion device branch.
  • the expanded gas can be re-humidified by means of a steam generator 19. It can be provided that at least 5 g, in particular 10 g to 20 g, particularly preferably around 16 g, of water per kilogram of dry gas are added.
  • ice crystals are separated from the expanded gas in the ice separator 16.
  • the ice crystals are preferably collected in an ice container 17.
  • the ice crystals can be melted by exposing the ice container 17 to ambient air, after which the melted ice crystals are removed.
  • the gas can thus be conditioned precisely and energy-efficiently so that the gas can be optimized for different areas of application.
  • a gas conditioned with the method and / or by means of the device 1 can finally be conducted via the discharge line 8 from the device 1 and generally to a test item, for example to an internal combustion engine or a fuel cell. If necessary, the conditioned gas can also be fed to a climatic test chamber.
  • a throughput of up to 1450 Sm 3 / h of the gas to be conditioned can be achieved.
  • a standard cubic meter or Sm 3 is usually understood to mean a cubic meter at a temperature of 15 ° C. and a pressure of 1.01325 barA, barA denoting an absolute pressure.
  • the gas can be conditioned in a temperature range from -30 ° C to +150 ° C.
  • a pressure, in particular a relative pressure or overpressure, of 10 mbar to 900 mbar and a humidity of 4 g of water per kg of gas can be achieved with the conditioned gas.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung eines Gases, insbesondere einer Verbrennungsluft an einem Prüfstand für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen, mittels einer Vorrichtung (1), welche zumindest einen Verdichter (2), einen Wärmetauscher (3) und eine Expansionseinrichtung (4) aufweist, wobei das Gas der Vorrichtung (1) zugeführt wird. Um das Gas für verschiedene Einsatzgebiete zu konditionieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Parameter des zugeführten Gases, insbesondere ein Druck, eine Temperatur, eine Feuchte und/oder ein Volumen, gemessen wird, wonach das Gas verdichtet wird, wonach ein erster Anteil des verdichteten Gases durch den Wärmetauscher (3) geführt wird, wobei der erste Anteil im Wärmetauscher (3) gekühlt und/oder entfeuchtet wird, wonach das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas in einer Expansionseinrichtung (4) entspannt wird, wonach das entspannte Gas aus der Vorrichtung (1) geführt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Konditionierung eines Gases, wobei das Gas in einer Strömungsrichtung (S) durch die Vorrichtung (1) führbar ist, umfassend zumindest einen Verdichter (2) zum Verdichten des Gases und eine Expansionseinrichtung (4) zum Entspannen des Gases, wobei die Expansionseinrichtung (4) dem zumindest einen Verdichter (2) in Strömungsrichtung (S) nachgelagert angeordnet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Konditionierung eines Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung eines Gases, insbesondere einer Verbrennungsluft an einem Prüfstand für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen, mittels einer Vorrichtung, welche zumindest einen Verdichter, einen Wärmetauscher und eine Expansionseinrichtung aufweist, wobei das Gas der Vorrichtung zugeführt wird.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Konditionierung eines Gases, wobei das Gas in einer Strömungsrichtung durch die Vorrichtung führbar ist, umfassend zumindest einen Verdichter zum Verdichten des Gases und eine Expansionseinrichtung zum Entspannen des Gases, wobei die Expansionseinrichtung dem zumindest einen Verdichter in Strömungsrichtung nachgelagert angeordnet ist.
Für eine Überprüfung von Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen oder dergleichen ist es häufig erforderlich, dass einem Prüfling eine wohldefinierte und speziell konditionierte Verbrennungsluft zugeführt wird. Hierbei ist es wichtig, dass verschiedene Parameter der Verbrennungsluft, vor allem eine Feuchte und eine Temperatur, möglichst präzise eingestellt werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Konditionierung eines Gases bekannt, wobei das Gas üblicherweise in einem Kreisprozess getrocknet wird.
Bekannte Vorrichtungen umfassen beispielsweise Kältetrockner zur Trocknung von Druckluft oder Vorrichtungen zur Trocknung einer Luft in einer Klimaanlage.
Nachteilig ist bei derartigen Vorrichtungen, dass ein Einsatzgebiet in der Regel auf einen kleinen Temperaturbereich beschränkt ist, wobei die Luft stark verdichtet werden muss, um einen besonders hohen Druck zu erreichen. Ferner ist nachteilig, dass ein Kältemittelkreis und ein zusätzlicher Kälteträgerkreis zu hohen Betriebskosten führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine Verbrennungsluft präzise und in einem großen Temperaturbereich bei geringeren Betriebskosten konditionierbar ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher eine Verbrennungsluft präzise und in einem großen Temperaturbereich konditionierbar ist.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zumindest ein Parameter des zugeführten Gases, insbesondere ein Druck, eine Temperatur, eine Feuchte und/oder ein Volumen, gemessen wird, wonach das Gas verdichtet wird, wonach ein erster Anteil des verdichteten Gases durch den Wärmetauscher geführt wird, wobei der erste Anteil im Wärmetauscher gekühlt und/oder entfeuchtet wird, wonach das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas in einer Expansionseinrichtung entspannt wird, wonach das entspannte Gas aus der Vorrichtung geführt wird.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass die Regelung von Temperatur, Druck und Feuchte kombiniert möglich ist. Bei einem derartigen Verfahren wird das Gas, vorzugsweise eine Verbrennungsluft für einen Prüfling an einem Prüfstand, der Vorrichtung zugeführt. Um das Gas präzise zu konditionieren, werden zunächst ein oder mehrere Parameter des zugeführten Gases gemessen. Diese Parameter umfassen üblicherweise den Druck, die Temperatur, die Feuchte und/oder das Volumen des zugeführten Gases. Darüber hinaus können weitere Parameter, wie beispielsweise eine Zusammensetzung des Gases und/oder eine Konzentration einzelner Bestandteile des Gases, insbesondere ein Sauerstoffgehalt, ein Stickstoffgehalt und/oder ein C02-Gehalt gemessen werden. Nach der Bestimmung der Parameter wird das Gas verdichtet, wobei eine Temperatur des Gases erhöht wird. Abhängig von einer Anforderung an das Gas kann die Luft im Wärmetauscher auf eine bestimmte Zwischentemperatur gekühlt und/oder entfeuchtet werden. Darüber hinaus wird das Gas nach einem Kühlen und/oder Entfeuchten in der Expansionseinrichtung entspannt und so auf einen gewünschten Druck und/oder von der Zwischentemperatur auf eine gewünschte bzw. erforderliche Endtemperatur gebracht.
Um die Konditionierung des Gases über einen großen Parameterbereich zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Anteil des verdichteten Gases an dem Wärmetauscher vorbeigeführt und mit dem durch den Wärmetauscher geführten ersten Anteil vermischt wird. Dadurch kann beispielsweise eine höhere Feuchte des Gases und/oder eine höhere Zwischentemperatur erreicht werden, als wenn das gesamte Gas durch den Wärmetauscher geführt und folglich gekühlt und/oder entfeuchtet wird. Je nach Anforderung kann das Gas vollständig oder, gegebenenfalls in verschiedenen Abstufungen, teilweise durch den Wärmetauscher geführt werden.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der zumindest eine Parameter des Gases, insbesondere der Druck, die Temperatur, die Feuchte und/oder das Volumen, in zumindest einem weiteren Prozessschritt erfasst wird, gegebenenfalls nach einem Verdichten des Gases und/oder unmittelbar vor dem Entspannen des Gases und/oder nach dem Entspannen des Gases. Um eine präzise Konditionierung des Gases zu gewährleisten, kann es günstig sein, wenn mehrere Parameter des Gases in einem oder mehreren weiteren Prozessschritten erneut gemessen werden. Derartige Prozessschritte sind beispielsweise zwischen dem Verdichten und dem Kühlen und/oder Entfeuchten, zwischen dem Kühlen und/oder Entfeuchten und dem Entspannen, anschließend an das Entspannen, nach dem Vermischen des ersten Anteils mit dem zweiten Anteils und/oder unmittelbar vor einem Entlassen des konditionierten Gases aus der Vorrichtung. Räumlich kann eine derartige Messung beispielsweise zwischen dem Verdichter und dem Wärmetauscher, zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionseinrichtung, und/oder anschließend an die Expansionseinrichtung erfolgen. Üblicherweise werden der Druck, die Feuchte und/oder die Temperatur nach dem Verdichten gemessen, da sich vor allem diese Parameter hierbei verändern. Es hat sich bewährt, wenn die Parameter nach dem Kühlen und/oder Entfeuchten des Gases ebenfalls gemessen werden. Dies kann dann zweckmäßig sein, wenn ein bestimmter Anteil des Gases am Wärmetauscher vorbeigeführt wird. In diesem Fall werden ein oder mehrere Parameter, vorzugsweise der Druck, die Feuchte und/oder die Temperatur, nach dem Vermischen des ersten Anteils mit dem zweiten Anteil gemessen.
Es kann günstig sein, wenn das Gas auf einen Druck von zumindest 0,2 bar, insbesondere auf einen Druck von 0,5 bar bis 2 bar, verdichtet wird. Dadurch wird ein erforderlicher Anstieg der Temperatur des Gases erreicht. Hierbei kann die Temperatur des Gases gegebenenfalls auf zumindest 100 °C, beispielsweise bis zu 170 °C, ansteigen. Mit Vorteil wird ein Verhältnis des ersten Anteils zum zweiten Anteil in Abhängigkeit einer gewünschten Temperatur und/oder Feuchte des Gases reguliert, vorzugsweise mittels zumindest eines Regelventils. Dadurch kann die erwünschte Zwischentemperatur und/oder Feuchte und folglich auch die am Prüfstand erforderliche Endtemperatur und/oder Feuchte erreicht werden. Der erste Anteil kann zumindest etwa 5 %, 10 %,
20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 100 % des zugeführten Gases umfassen. Andererseits umfasst der zweite Anteil üblicherweise etwa 95 %, 90 %, 80 %, 70 %, 60 %, 50 %, 40 %, 30 %, 20 %, 10 %, 5 % oder 0 % des zugeführten Gases. In der Regel addieren sich der erste Anteil und der zweite Anteil zu 100 %, sodass das zugeführte Gas im Wesentlichen vollständig durch die Vorrichtung geführt wird. Der erste Anteil kann beispielsweise mittels eines Wärmetauscher-Regelventils, welches in der Regel dem Wärmetauscher in Strömungsrichtung vorgeordnet ist, reguliert werden. Üblicherweise wird der zweite Anteil mittels eines Wärmetauscher-Bypass-Regelventils reguliert.
Um eine präzise Einstellung des Regelventils oder der Regelventile zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass der erste Anteil und/oder der zweite Anteil jeweils durch ein, insbesondere mit einem Antriebsmittel betätigtes, Regelventil, vorzugsweise ein Klappenventil, reguliert wird. Darüber hinaus kann durch den Einsatz des Antriebsmittels, beispielsweise eines Schrittmotors oder eines Servomotors, zur Betätigung des Regelventils oder der Regelventile eine zumindest teilweise Automatisierung des Verfahrens erreicht werden.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass ein Kondensat, welches im Wärmetauscher aus dem Gas abgeschieden wird, in einem Kondensat-Behälter gesammelt wird, wobei der Kondensat-Behälter nach einem Erreichen eines bestimmten Füllstandes, insbesondere durch Betätigen von zumindest einem Entleerungsventils, entleert wird. In der Regel fällt Kondensat beim Entfeuchten des Gases an. Um ein effizientes Abführen des Kondensats zu gewährleisten, kann dieses in einem hierfür vorgesehenen Kondensat-Behälter gesammelt und erst beim Erreichen eines bestimmten Füllstandes abgeführt werden. Dadurch wird ein aufwändiger Absaug- oder Pumpmechanismus vermieden, welcher anderenfalls für das Abführen von geringen Mengen des Kondensats erforderlich wäre. Optional kann das gesammelte Kondensat mittels eines Hilfsgebläses aus dem Kondensat-Behälter befördert werden. Mit Vorteil wird das Gas in der Expansionseinrichtung zumindest teilweise in einer, insbesondere drehzahlgeregelten, Turbine entspannt und optional teilweise an der Turbine vorbeigeführt. Dadurch kann das Gas auf einen gewünschten Druck und/oder eine gewünschte bzw. erforderliche Endtemperatur gebracht werden. Darüber hinaus kann eine dabei frei werdende Energie durch die Turbine genutzt und gegebenenfalls in eine andere Energieform umgewandelt werden. Optional kann das Gas an der Turbine zumindest teilweise vorbeigeführt werden. Hierfür können Regelventile vorgesehen sein, mit welchen eine Gasmenge geregelt wird, die durch die Turbine bzw. an dieser vorbeigeführt wird. Es kann beispielsweise für Wartungsarbeiten an der Turbine oder zur Entlastung der Turbine weiter vorteilhaft sein, das Gas vollständig an der Turbine vorbeizuführen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Turbine durch eine Entspannung des Gases angetrieben wird, wobei Strom erzeugt wird, welcher optional der Vorrichtung, insbesondere dem zumindest einen Verdichter, zugeführt wird. Hierfür kann mittels der Turbine beispielsweise ein Generator angetrieben werden. Der durch Umwandlung der frei werdenden Energie gewonnene elektrische Strom wird gegebenenfalls für einen Betrieb des Verdichters genutzt. Optional weist die Vorrichtung hierfür einen Frequenzumrichter auf. Das Verfahren kann dadurch Energieeffizient durchgeführt werden, da eine Menge von einem extern eingespeisten elektrischen Strom reduziert wird. Alternativ dazu kann der gewonnene elektrische Strom in ein externes Stromnetz eingespeist werden.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass Eiskristalle aus dem entspannten Gas, insbesondere in einem Eisabscheider, abgeschieden und in einem Eisbehälter gesammelt werden. Beim Entspannen des Gases kühlt dieses ab, wobei gegebenenfalls Eiskristalle im Gas entstehen können. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Eiskristalle in einem Zyklonabscheider abgeschieden werden.
Zweckmäßigerweise werden die Eiskristalle durch eine Zufuhr von einer Umgebungsluft geschmolzen, wonach diese als flüssiges Kondensat abgeführt werden. Da die Temperatur der Umgebungsluft üblicherweise ausreichend ist, um Eiskristalle zu schmelzen, kann der Eisbehälter mittels eines Hilfsgebläses mit der Umgebungsluft beaufschlagt werden. Dadurch können die Eiskristalle besonders energieeffizient geschmolzen werden, da keine zusätzliche Heizung erforderlich ist. Darüber hinaus kann das nunmehr flüssige Kondensat in einfacher Art und Weise abgeführt werden.
Um bei einer höheren Temperatur, beispielsweise bei einer höheren Endtemperatur, eine höhere Feuchte zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das Gas, vorzugsweise das entspannte Gas, mit einem Dampferzeuger befeuchtet wird. Hierbei können zumindest 5 g, insbesondere 10 g bis 20 g, besonders bevorzugt etwa 16 g Wasser pro Kilogramm entfeuchtetem Gas in das entfeuchtete Gas eingebracht werden.
Es ist günstig, wenn das Gas, insbesondere das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas, erwärmt wird, bevor dieses an der Expansionseinrichtung vorbeigeführt wird. Mit Vorteil wird das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas erwärmt bevor dieses an der Turbine vorbeigeführt wird. Somit kann eine höhere Temperatur des Gases erreicht und gegebenenfalls ein Gas mit einer höheren Endtemperatur dem Prüfling zugeführt werden.
Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zumindest eine Messeinrichtung zur Messung von zumindest einem Parameter des Gases und ein Wärmetauscher zum Kühlen und/oder Entfeuchten des Gases vorgesehen sind, wobei der Wärmetauscher in Strömungsrichtung zwischen dem zumindest einen Verdichter und der Expansionseinrichtung angeordnet ist und wobei eine Hauptleitung vorgesehen ist, um einen ersten Anteil des Gases durch den Wärmetauscher zu führen.
Ein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass die Regelung von Temperatur, Druck und Feuchte eines Gases kombiniert und bei vergleichsweise geringem Druck möglich ist. Hierbei ist die Vorrichtung so aufgebaut, dass das Gas in Strömungsrichtung durch die Vorrichtung führbar ist, wobei der Verdichter, der Wärmetauscher und die Expansionseinrichtung in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind.
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung eine Zuleitung auf, durch welche das Gas in die Vorrichtung geführt werden kann. Mit Vorteil weist die Zuleitung einen Filter auf, beispielsweise einen Staubfilter, um das zugeführte Gas zu filtern. Dadurch wird gewährleistet, dass keine Verunreinigungen oder nur eine geringe Menge an Verunreinigungen in die Vorrichtung eingebracht werden.
Zum Verdichten des Gases ist vorzugsweise ein drehzahlgeregelter, insbesondere hochdrehender, Seitenkanalverdichter vorgesehen. Optional weist die Vorrichtung einen zweiten Verdichter auf, welcher normalerweise gleich wie der erste Verdichter aufgebaut ist, um gegebenenfalls einen höheren Durchsatz zu ermöglichen.
Nach dem Verdichten kann das verdichtete Gas zumindest teilweise durch den Wärmetauscher strömen. Das im Wärmetauscher gekühlte und/oder entfeuchtete Gas kann dann durch die Expansionseinrichtung strömen, in welcher das Gas wieder entspannt wird. Hierbei wird das Gas durch die Hauptleitung zum Wärmetauscher und durch diesen geführt.
Die Vorrichtung weist zumindest eine, in der Regel mehrere, Messeinrichtungen auf, um Parameter des zugeführten Gases zu messen. Mit Vorteil ist zumindest eine Anfangsmesseinrichtung in der Zuleitung positioniert, sodass zumindest ein Parameter des zugeführten Gases messbar ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zumindest eine weitere Messeinrichtung, insbesondere eine Verdichter- Messeinrichtung, eine Wärmetauscher-Messeinrichtung und eine Expansionsmesseinrichtung, aufweist, welche dem zumindest einen Verdichter, dem Wärmetauscher und/oder der Expansionseinrichtung nachgelagert sind. So ist gewährleistet, dass mehrere Parameter des Gases in verschiedenen Prozessschritten erfasst werden. Eine Erfassung von zumindest einem Parameter des Gases erfolgt mit Vorteil in zumindest einem, zwei, drei, vier oder mehreren Prozessschritten. Die Messeinrichtungen können jeweils zur Messung von zumindest einem Parameter ausgebildet sein, wobei der oder die Parameter bevorzugt aus einer Liste umfassend Temperatur, Druck, Feuchte, Volumen des zugeführten Gases, Volumen eines durchströmenden Gases, Strömungsgeschwindigkeit, Zusammensetzung des Gases, Sauerstoffgehalt, Stickstoffgehalt, C02-Gehalt und dergleichen ausgewählt sind.
Zweckmäßig ist es, wenn zumindest eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, um das Gas zumindest teilweise an dem Wärmetauscher und/oder der Expansionseinrichtung vorbeizuführen, wobei vorzugsweise eine Wärmetauscher-Bypass-Leitung in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher aus der Hauptleitung abzweigt und in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher in die Hauptleitung mündet und/oder eine Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung in Strömungsrichtung vor der Expansionseinrichtung aus der Hauptleitung abzweigt und in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung in die Hauptleitung mündet. In der Regel ist die Wärmetauscher- Bypass-Leitung so positioniert, dass ein zweiter Anteil des Gases an dem Wärmetauscher vorbeiführbar ist. Analog dazu ist die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung so angeordnet, dass das Gas teilweise an der Expansionseinrichtung vorbeiführbar ist.
Um eine bestimmte, insbesondere höhere Zwischentemperatur zu erreichen, kann ein zweiter Anteil des Gases durch die Wärmetauscher-Bypass-Leitung am Wärmetauscher vorbeiströmen. Je höher die gewünschte Temperatur und/oder je höher die gewünschte Feuchte ist, desto größer kann der zweite Anteil sein, welcher am Wärmetauscher vorbeiströmt. Üblicherweise ist vorgesehen, dass die Bypass-Leitung anschließend an den Wärmetauscher in die Hauptleitung mündet, sodass der erste Anteil und der zweite Anteil vermischt werden. Bevorzugt ist im Bereich der Mündung zumindest eine Messeinrichtung vorgesehen, sodass zumindest ein Parameter des Gases, insbesondere des zusammengeführten ersten und zweiten Anteils, messbar ist.
Mit Vorteil kann das Gas teilweise durch die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung an der Expansionseinrichtung vorbeiströmen. Dadurch kann eine Endtemperatur reguliert und/oder die Expansionseinrichtung entlastet werden.
Zweckmäßigerweise ist zumindest ein Regelventil vorgesehen, um einen Volumenstrom durch die Vorrichtung zu regulieren, wobei vorzugsweise die Hauptleitung ein Wärmetauscher-Regelventil und/oder ein Expansionseinrichtungs-Regelventil und/oder jeweils eine Bypass-Leitung ein Bypass-Regelventil aufweisen. Es hat sich bewährt, wenn das oder die Regelventile als Klappenventil ausgebildet sind. Mit Vorteil sind ein Schrittmotor und/oder ein Servomotor zur Einstellung des oder der Regelventile vorgesehen.
Zur Regulierung des zweiten Anteils, welcher am Wärmetauscher vorbeiströmt, bzw. eines Volumenstroms durch die Wärmetauscher-Bypass-Leitung, weist die Wärmetauscher-Bypass-Leitung vorzugsweise ein Wärmetauscher-Bypass-Regelventil auf. Darüber hinaus weist die Hauptleitung in der Regel ein Wärmetauscher-Regelventil auf, um den ersten Anteil, welcher durch den Wärmetauscher strömt, zu regulieren. Je geringer die gewünschte Temperatur und/oder je geringer die gewünschte Feuchte ist, desto größer kann der erste Anteil sein, welcher durch den Wärmetauscher strömt. Das Wärmetauscher-Bypass-Regelventil und/oder das Wärmetauscher-Regelventil sind mit Vorteil als Klappenventil ausgebildet. Besonders bevorzugt ist jeweils ein Schrittmotor zur Einstellung des Wärmetauscher-Bypass-Regelventils und/oder des Wärmetauscher- Regelventils vorgesehen.
Darüber hinaus weist die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung zur Regulierung des Volumenstroms durch diese vorzugsweise ein Regelventil bzw. ein Expansionseinrichtungs-Bypass-Regelventil auf. Ferner weist die Hauptleitung in der Regel ein Expansionseinrichtungs-Regelventil auf, um einen Volumenstrom durch die Expansionseinrichtung zu regulieren. Das Expansionseinrichtungs-Bypass-Regelventil und/oder das Expansionseinrichtungs-Regelventil sind mit Vorteil als Klappenventil ausgebildet. Es hat sich bewährt, wenn jeweils ein Servomotor zur Einstellung des Expansionseinrichtungs-Bypass-Regelventils und/oder des Expansionseinrichtungs- Regelventils vorgesehen ist.
Günstig ist es, wenn der Wärmetauscher einen Kondensat-Abscheider aufweist, wobei der Kondensat-Abscheider vorzugsweise einen Kondensat-Behälter umfasst. In der Regel fällt im Wärmetauscher ein Kondensat an, welches mit dem Kondensat-Abscheider abgeschieden und gegebenenfalls im Kondensat-Behälter gesammelt werden kann. Zum Entleeren des Kondensat-Behälters weist die Vorrichtung optional ein Hilfsgebläse auf. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Kondensat-Behälter eine Füllstands- Messeinrichtung zur Erfassung eines Füllstandes im Kondensat-Behälter aufweist. Mit Vorteil umfasst der Kondensat-Abscheider zumindest ein Entleerungsventil, welches abhängig von dem Füllstand öffenbar ausgebildet ist. Besonders bevorzugt, ist vorgesehen, dass das Entleerungsventil automatisch öffnet, wenn ein bestimmter Füllstand im Kondensat-Behälter erreicht und/oder überschritten wird. Hierfür ist gegebenenfalls eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche Daten der Füllstands- Messeinrichtung mit einem vordefinierten Schwellenwert abgleicht und zweckmäßigerweise beim Erreichen und/oder Überschreiten des Schwellenwertes das Entleerungsventil öffnet. Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Expansionseinrichtung zur Erzeugung von Strom ausgebildet und vorzugsweise eine elektrische Verbindung zwischen der Expansionseinrichtung und dem zumindest einen Verdichter vorgesehen ist, um einen erzeugten Strom dem Verdichter zuzuführen. In der Regel weist die Expansionseinrichtung eine drehzahlgeregelte, insbesondere hochdrehende, Turbine auf, welche gegebenenfalls einen Generator antreibt. Durch eine Umwandlung von bei der Expansion des Gases frei werdender Energie in elektrische Energie bzw. elektrischen Strom, kann eine Energieeffizienz der Vorrichtung verbessert werden.
Mit Vorteil ist ein Dampferzeuger vorgesehen, welcher in Strömungsrichtung nach der Expansionseinrichtung mit der Hauptleitung in Fluidverbindung steht. In der Regel weist die Vorrichtung eine Dampfleitung auf, welche dem Dampferzeuger mit der Hauptleitung verbindet. Ein mit dem Dampferzeuger erzeugter Dampf ist, vorzugsweise über die Dampfleitung, in die Hauptleitung führbar, um das entspannte Gas zu befeuchten.
Zum Abscheiden von Eiskristallen aus dem entspannten Gas ist es günstig, wenn ein Eisabscheider vorgesehen ist, welcher der Expansionseinrichtung in Strömungsrichtung nachgeordnet positioniert ist. Da das Gas beim Entspannen üblicherweise sehr kalt wird und eine Temperatur von beispielsweise bis zu -30 °C erreicht, können sich, insbesondere bei einer Restfeuchtigkeit im Gas, Eiskristalle bilden, welche aus dem Gas normalerweise abgeschieden werden. Mit Vorteil umfasst der Eisabscheider einen Eisbehälter. Vorzugsweise ist der Eisbehälter doppelwandig aufgebaut, wobei ein Hohlraum zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des Eisbehälters vorgesehen ist. Durch den Hohlraum kann ein Fluid, beispielsweise eine Heizflüssigkeit oder eine Umgebungsluft, führbar sein, um ein im Eisbehälter gesammeltes Eis zu schmelzen. Zum Abführen des geschmolzenen Eises aus der Vorrichtung kann die Umgebungsluft mit dem Hilfsgebläse durch den Hohlraum befördert werden. Alternativ dazu kann ein zusätzliches Hilfsgebläse vorgesehen sein, um die Umgebungsluft durch den Hohlraum zu befördern.
Um das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas zu erwärmen, ist es günstig, wenn eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche in Strömungsrichtung zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionseinrichtung angeordnet ist. Bevorzugt ist die Heizeinrichtung in Strömungsrichtung in Strömungsrichtung vor einer Abzweigung der Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung angeordnet, sodass das Gas erwärmbar ist, bevor dieses an der Expansionseinrichtung bzw. der T urbine vorbeigeführt wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung als Einheit ausgebildet ist, wobei einzelne Elemente, insbesondere der zumindest eine Verdichter, der Wärmetauscher und die Expansionseinrichtung, an einem Rahmen und/oder innerhalb des Rahmens montiert sind. Dadurch kann die Vorrichtung besonders kompakt ausgebildet sein. Darüber hinaus oder alternativ dazu können die Hilfsgebläse, die Ventile, wie etwa die Regelventile und/oder die Entleerungsventile, der Kondensat-Abscheider, der Eisabscheider, elektrotechnische Komponenten, Leitungen, beispielsweise die Bypass-Leitungen und/oder die Hauptleitung, am oder innerhalb des Rahmens montiert sein. Hierfür kann ein Profilrahmen, insbesondere ein Aluminiumprofilrahmen, vorgesehen sein. Als Einhausung können am Rahmen mehrere Abdeckbleche fixiert sein.
Mit Vorteil umfasst der Wärmetauscher eine Flüssigkeitskühlung, wobei eine Zufuhr für eine Kühlflüssigkeit optional eine Temperaturüberwachungseinrichtung aufweist. Zur Steuerung der Kühlflüssigkeitsmenge ist vorzugsweise ein weiteres Regelventil vorgesehen. In der Regel wird die Kühlflüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur und/oder Feuchte des zu konditionierenden Gases geregelt.
Die Flüssigkeitskühlung ist in der Regel als Kühlkreislauf ausgebildet.
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung eine Ableitung auf, durch welche das konditionierte Gas aus der Vorrichtung, insbesondere zu einem Prüfling, führbar ist. Üblicherweise wird ein endseitiges Teilstück der Hauptleitung als Ableitung bezeichnet. Alternativ kann eine zusätzliche Ableitung vorgesehen sein, welche mit der Hauptleitung in Fluidverbindung steht.
Ferner kann eine Prüfling-Bypass-Leitung vorgesehen sein, welche so ausgebildet ist, dass gerade eine zur Prüfung erforderliche Gasmenge durch die Ableitung zum Prüfling geführt wird, wobei ein restliches Gas durch die Prüfling-Bypass-Leitung am Prüfling vorbeigeführt und mit einem Abgas des Prüflings vermischt ins Freie entlassen wird. Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Konditionierung eines Gases;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ergänzten Vorrichtung;
Fig. 3 eine detaillierte schematische Darstellung einer derartigen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Konditionierung eines Gases schematisch dargestellt, wobei das Gas in Strömungsrichtung S durch die Vorrichtung 1 führbar ist. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Verdichter 2, einen Wärmetauscher 3 und eine Expansionseinrichtung 4. Üblicherweise sind der Wärmetauscher 3 dem Verdichter 2 und die Expansionseinrichtung 4 dem Wärmetauscher 3 in Strömungsrichtung S nachgelagert angeordnet.
Darüber hinaus sind mehrere Messeinrichtungen 5a, 5b, 5c, 5d vorgesehen, welche zur Erfassung von zumindest einem Parameter des zugeführten Gases ausgebildet sind. Zu erfassende Parameter können aus einer Liste, umfassend Druck, Temperatur, Feuchte, Volumen, Zusammensetzung, Sauerstoffgehalt, Stickstoffgehalt, C02-Gehalt und/oder dergleichen, ausgewählt sein. Es kann vorgesehen sein, dass jeweils eine Messeinrichtung 5a, 5b, 5c, 5d mehrere geeignete Sensoren umfasst, um mit der jeweiligen Messeinrichtung 5a, 5b, 5c, 5d mehrere Parameter zu erfassen. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere eine, zwei, drei, vier, oder mehrere derartige Messeinrichtungen 5a, 5b, 5c, 5d aufweisen, welche gegebenenfalls in verschiedenen Prozessabschnitten positioniert sind.
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung 1 eine Anfangsmesseinrichtung 5a, eine Verdichter-Messeinrichtung 5b, eine Wärmetauscher-Messeinrichtung 5c und/oder eine Expansionsmesseinrichtung 5d auf. Üblicherweise ist die Anfangsmesseinrichtung 5a dem Verdichter 2 in Strömungsrichtung S vorgelagert angeordnet, wobei diese bevorzugt zur Erfassung des Drucks, der Temperatur, der Feuchte und/oder des Volumens des Gases ausgebildet ist. Die Verdichter-Messeinrichtung 5b kann in Strömungsrichtung S zwischen dem Verdichter 2 und dem Wärmetauscher 3 positioniert sein, wobei diese in der Regel zur Erfassung des Drucks und/oder der Temperatur des Gases ausgebildet ist. Überdies kann die Wärmetauscher-Messeinrichtung 5c in Strömungsrichtung S zwischen dem Wärmetauscher 3 und der Expansionseinrichtung 4 angeordnet sein, wobei diese bevorzugt zur Erfassung der Temperatur und/oder der Feuchte des Gases ausgebildet ist. Üblicherweise ist die Expansionsmesseinrichtung 5d der Expansionseinrichtung 4 in Strömungsrichtung S nachgelagert positioniert, wobei diese in der Regel zur Erfassung des Drucks und/oder der Temperatur des Gases ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann eine Endmesseinrichtung 5e vorgesehen sein, um zumindest einen der Parameter des Gases zu erfassen, ehe das Gas aus der Vorrichtung 1 strömt.
Darüber hinaus steht die Hauptleitung 6 zweckmäßigerweise in Fluidverbindung mit mehreren Komponenten der Vorrichtung 1, insbesondere mit dem Verdichter 2, dem Wärmetauscher 3 und der Expansionseinrichtung 4. Optional kann die Vorrichtung 1 auch zwei oder mehrere Verdichter 2 aufweisen. Hierbei wird das verdichtete Gas in der Regel im Anschluss an die Verdichter 2 in die Hauptleitung 6 zusammengeführt.
Ferner weist die Vorrichtung 1 eine Zuleitung 7 und eine Ableitung 8 auf, um das Gas in die Vorrichtung 1 bzw. aus der Vorrichtung 1 zu führen. Üblicherweise wird ein in Strömungsrichtung S anfangsseitiger Abschnitt der Hauptleitung 6 als Zuleitung 7 und ein endseitiger Abschnitt der Hauptleitung 6 als Ableitung 8 bezeichnet. Alternativ kann auch eine separate Zuleitung 7 und/oder Ableitung 8 vorgesehen sein, welche mit der Hauptleitung 6 jeweils in Verbindung stehen. Sämtliche Leitungen können jeweils rohrförmig oder schlauchförmig ausgebildet sein. Überdies kann die Zuleitung 7 einen Filter, vorzugsweise einen Staubfilter, insbesondere einen Staubfilter der Filterklasse G3 oder G4 aufweisen, um das zugeführte Gas zu filtern.
Optional kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 eine Heizeinrichtung aufweist, welche gegebenenfalls zwischen dem Wärmetauscher 3 und der Expansionseinrichtung 4 angeordnet ist.
Um das Gas an funktionellen Komponenten der Vorrichtung 1, wie beispielsweise dem Wärmetauscher 3 und/oder der Expansionseinrichtung 4, vorbeizuführen, kann die Vorrichtung 1 eine oder mehrere Bypass-Leitungen 9a, 9b aufweisen. Die Bypass- Leitungen 9a, 9b zweigen üblicherweise an einer Abzweigung, welche einer jeweils zu umgehenden Komponente in Strömungsrichtung S vorgelagert ist, aus der Hauptleitung 6 ab und münden in einer Mündung, welche der jeweils zu umgehenden Komponente in Strömungsrichtung S nachgelagert ist, in die Hauptleitung 6, wie dies beispielsweise in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung 1 zur Konditionierung eines Gases sind mehrere, insbesondere zwei, Bypass-Leitungen 9a, 9b vorgesehen. Die Vorrichtung 1 weist hierbei eine Wärmetauscher-Bypass-Leitung 9a auf, um das Gas zumindest teilweise am Wärmetauscher 3 vorbeizuführen. Optional kann die Vorrichtung 1 eine Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b aufweisen, um das Gas zumindest teilweise an der Expansionseinrichtung 4 vorbeizuführen.
Vorzugsweise zweigt die Wärmetauscher-Bypass-Leitung 9a in Strömungsrichtung S vor dem Wärmetauscher 3 an einer Wärmetauscher-Abzweigung aus der Hauptleitung 6 ab und mündet in Strömungsrichtung S nach dem Wärmetauscher 3 in einer Wärmetauscher-Mündung in die Hauptleitung 6. Analog dazu ist es vorteilhaft, wenn die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b in Strömungsrichtung S vor der Expansionseinrichtung 4 an einer Expansionseinrichtungs-Abzweigung aus der Hauptleitung 6 abzweigt und in Strömungsrichtung S nach der Expansionseinrichtung 4 in einer Expansionseinrichtungs-Mündung in die Hauptleitung 6 mündet.
Zur Regulierung des Volumenstroms durch die funktionellen Komponenten der Vorrichtung 1 und/oder durch die zumindest eine Bypass-Leitung 9a, 9b zu regulieren, können ein oder mehrere Regelventile 10a, 10b, 10c, 10d vorgesehen sein. Das oder die Regelventile 10a, 10b, 10c, 10d sind üblicherweise der jeweiligen Komponente in Strömungsrichtung S vorgelagert angeordnet, vorzugsweise zwischen der jeweiligen Abzweigung und der Komponente, und/oder im Bereich der jeweiligen Bypass- Leitung 9a, 9b, in der Regel zwischen der jeweiligen Abzweigung und der korrespondierenden Mündung. Günstig ist es, wenn die Regelventile 10a, 10b, 10c, 10d als Klappenventile ausgebildet sind.
Um den Volumenstrom durch den Wärmetauscher 3 und/oder die Wärmetauscher- Bypass-Leitung 9a zu regulieren, weisen die Hauptleitung 6 und/oder die Wärmetauscher- Bypass-Leitung 9a jeweils ein Regelventil 10a, 10b, 10c, 10d auf. Ein Wärmetauscher- Regelventil 10a ist vorzugsweise zwischen einer Wärmetauscher-Abzweigung und dem Wärmetauscher 3 positioniert. Darüber hinaus ist ein Wärmetauscher-Bypass- Regelventil 10b in der Regel zwischen der Wärmetauscher-Abzweigung und einer Wärmetauscher-Mündung angeordnet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Hauptleitung 6 und/oder die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b jeweils ein Regelventil 10a, 10b, 10c, 10d aufweisen, um den Volumenstrom durch die Expansionseinrichtung 4 zu regulieren. Üblicherweise ist ein Expansionseinrichtungs-Regelventil 10c zwischen einer Expansionseinrichtungs-Abzweigung und der Expansionseinrichtung 4 positioniert. Ein Expansionseinrichtungs-Bypass-Regelventil 10d ist in der Regel zwischen der Expansionseinrichtungs-Abzweigung und einer Expansionseinrichtungs-Mündung angeordnet.
Zweckmäßigerweise ist der oder den Mündungen in Strömungsrichtung S nachgelagert jeweils eine weitere Messeinrichtung zur Bestimmung von zumindest einem Parameter des Gases vorgesehen, da sich die Parameter beim Vermischen unterschiedlich behandelter Gasanteile in der Regel verändern. Vorzugsweise ist die weitere Messeinrichtung der Wärmetauscher-Mündung zur Erfassung der Temperatur und der Feuchte des Gases ausgebildet. Mit Vorteil ist die weitere Messeinrichtung der Expansionseinrichtungs-Mündung zur Erfassung der Temperatur, der Feuchte und des Drucks ausgebildet.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung 1 zur Konditionierung eines Gases schematisch dargestellt, wobei mehrere zusätzliche funktionelle Komponenten vorgesehen sind. Eine derartige Vorrichtung 1 weist beispielsweise mehrere, insbesondere zwei Verdichter 2 auf. Der oder die Verdichter 2 sind in der Regel als Seitenkanalverdichter ausgeführt, welche vorzugsweise drehzahlgeregelt und/oder hochdrehend ausgebildet sind. Zum Verdichten umfassen der oder die Verdichter 2 üblicherweise jeweils ein Gebläse, welches sich mit maximal 12.500 U/min dreht und welches normalerweise eine Antriebsleistung von etwa 32 kW aufweist.
Zur Kühlung des Verdichters 2 oder der Verdichter 2, kann ein Axialgebläse 11 vorgesehen sein. Das Axialgebläse 11 ist in der Regel so angeordnet, dass der oder die Verdichter 2 durch das Axialgebläse 11 mit einer Umgebungsluft beaufschlagbar sind. Um eine präzise und gegebenenfalls automatische Einstellung der
Regelventile 10a, 10b, 10c, 10d zu ermöglichen, kann die Vorrichtung 1 ein oder mehrere
Antriebsmittel 12a, 12b, beispielsweise einen oder mehrere Motoren, insbesondere
Schrittmotoren 12a und/oder Servomotoren 12b, zum Betätigen der
Regelventile 10a, 10b, 10c, 10d aufweisen. Vorzugsweise weist jedes
Regelventil 10a, 10b, 10c, 10d ein Antriebsmittel 12a, 12b auf. Mit Vorteil weisen das
Wärmetauscher-Regelventil 10a und das Wärmetauscher-Bypass-Regelventil 10b zur
Einstellung jeweils einen Schrittmotor 12a auf. Ferner können das
Expansionseinrichtungs-Regelventil 10c und das Expansionseinrichtungs-Bypass-
Regelventil 10d zur Einstellung jeweils einen Servomotor 12b aufweisen.
Zweckmäßigerweise umfasst der Wärmetauscher 3 einen Kondensat-Abscheider, wobei der Kondensat-Abscheider in der Regel einen Kondensat-Behälter 13 aufweist. Zum Entleeren des Kondensat-Behälters 13 ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Entleerungsventil 14 vorgesehen ist. Überdies kann ein Füllstandsschalter vorgesehen sein, welcher zumindest ein Entleerungsventil 14 öffnet, wenn ein bestimmter Füllstand im Kondensat-Behälter 13 erreicht ist. Hierfür kann der Kondensat-Behälter 13 beispielsweise einen Füllstandssensor aufweisen. So kann vorgesehen sein, dass Messwerte des Füllstandssensors mit einem definierten Schwellenwert vom Füllstandsschalter abgeglichen werden, wobei der Füllstandsschalter das Entleerungsventil 14 öffnet, wenn der Schwellenwert erreicht und/oder überschritten wird.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung 1 einen Eisabscheider 16, vorzugsweise einen Zyklonabscheider, aufweist, um Eiskristalle abzuscheiden, welche beim Entspannen des Gases gegebenenfalls entstehen. Es kann vorgesehen sein, dass der Eisabscheider 16 einen, insbesondere doppelwandigen, Eisbehälter 17 aufweist. Bei einem doppelwandigen Eisbehälter 17 ist üblicherweise ein Hohlraum zwischen einer Innenwand und einer Außenwand vorgesehen, durch welchen eine warme Umgebungsluft führbar ist, um die Eiskristalle zu schmelzen. Ferner kann ein Hilfsgebläse 18 vorgesehen sein, um das Kondensat aus dem Kondensat-Behälter 13, in der Regel durch einen Abfluss 15, und/oder die Umgebungsluft zum Eisbehälter 17 und gegebenenfalls durch den Hohlraum zu befördern. Optional weist die Vorrichtung 1 einen Dampferzeuger 19 auf, welcher über eine Dampfleitung 20 in Fluidverbindung mit der Hauptleitung 6 steht. Vorzugsweise mündet die Dampfleitung 20 zwischen der Expansionseinrichtung 4 und dem Eisabscheider 16 in die Hauptleitung 6. Durch ein Zuführen von Dampf aus dem Dampferzeuger 19 kann die Feuchte des entspannten Gases zusätzlich erhöht werden.
Es kann weiter zweckmäßig sein, wenn eine Endmesseinrichtung 5e zur finalen Bestimmung von zumindest einem Parameters des Gases, insbesondere der Temperatur und/oder der Feuchte, vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Endmesseinrichtung 5e dem Eisabscheider 16 in Strömungsrichtung S nachgelagert positioniert.
Als funktionelle Komponenten der Vorrichtung 1 werden üblicherweise jene Komponenten der Vorrichtung 1 bezeichnet, welche zur Veränderung von zumindest einem Parameter des Gases geeignet sind. Die funktionellen Komponenten umfassen unter anderem den Verdichter 2, den Wärmetauscher 3, die Heizeinrichtung, die Expansionseinrichtung 4, den Dampferzeuger 19 und/oder den Eisabscheider 16.
Bei einem Verfahren zur Konditionierung des Gases, wie beispielsweise bei der Konditionierung von einer Verbrennungsluft für einen Prüfling, wird das zu konditionierende Gas in der Regel in Strömungsrichtung S durch die Vorrichtung 1 geführt. Hierbei wird das Gas durch die Zuleitung 7 in die Vorrichtung 1 geführt und gegebenenfalls gefiltert. Bevor das Gas in den oder die Verdichter 2 geführt wird, ist es zweckmäßig, wenn der Druck, die Temperatur und/oder eine Menge bzw. das Volumen des zugeführten Gases erfasst werden. Dies geschieht üblicherweise mit der Anfangsmesseinrichtung 5a.
Im Verdichter 2 oder in den Verdichtern 2 wird das Gas auf einen bestimmten Druck verdichtet, vorzugsweise auf einen Druck von bis zu 2 bar. Anschließend ist es vorteilhaft, wenn der Druck und/oder die Temperatur des verdichteten Gases gemessen werden.
Dies geschieht in der Regel in der Verdichter-Messeinrichtung 5b. Beim Verdichten steigt die Temperatur des Gases üblicherweise auf bis zu 170 °C an.
Das verdichtete Gas wird in der Regel durch die Hauptleitung 6 weiter zum Wärmetauscher 3 geführt, in welchem das verdichtete Gas zumindest teilweise abgekühlt und/oder entfeuchtet wird. Je nach Anforderung an die Temperatur und/oder die Feuchte des konditionierten Gases kann das Gas anteilsweise oder vollständig durch den Wärmetauscher 3 und/oder am Wärmetauscher 3 vorbei, beispielsweise durch die Wärmetauscher-Bypass-Leitung 9a, geführt werden. In der Regel werden hierbei ein erster Anteil des Gases durch den Wärmetauscher 3 und ein zweiter Anteil des Gases durch die Wärmetauscher-Bypass-Leitung 9a geführt. Der Volumenstrom durch den Wärmetauscher 3 und/oder durch die Wärmetauscher-Bypass-Leitung 9a wird üblicherweise mit Regelventilen 10a, 10b, 10c, 10d, insbesondere mit dem Wärmetauscher-Regelventil 10a und/oder mit dem Wärmetauscher-Bypass- Regelventil 10b, geregelt. Hierbei wird vorzugsweise ein Verhältnis des ersten Anteils zum zweiten Anteil präzise eingestellt. Abhängig von der gewünschten Temperatur und/oder Feuchte des Gases kann beispielsweise ein Verhältnis des ersten Anteils zum zweiten Anteil von 9 : 1, 4 : 1, 7 : 3, 3 : 2, 1 : 1, 2 : 3, 3 : 7, 1 : 4 oder 1 : 9 eingestellt werden. Selbstverständlich können auch beliebige Abstufungen der genannten Verhältnisse eingestellt werden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Gas vollständig durch den Wärmetauscher 3 oder vollständig durch die Wärmetauscher-Bypass- Leitung 9a geführt wird.
Der durch den Wärmetauscher 3 geführte erste Anteil des Gases wird im Wärmetauscher 3 gekühlt und gegebenenfalls entfeuchtet. Hierfür weist der Wärmetauscher 3 in der Regel eine Zufuhr für eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise eine Kühlwasserzufuhr, auf. Mit Vorteil weist die Zufuhr für die Kühlflüssigkeit eine Temperaturüberwachungseinrichtung auf. Ferner umfasst die Zufuhr für die Kühlflüssigkeit ein Kühlerventil, mit welchem die Menge an Kühlflüssigkeit, welche dem Wärmetauscher 3 zugeführt wird, regelbar ist. Üblicherweise wird die Menge an Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von einer gewünschten Feuchte und/oder Temperatur des durch die Vorrichtung 1 geführten Gases geregelt. Ein beim Kühlen und/oder Entfeuchten anfallendes Kondensat kann mittels Kondensat-Abscheider abgeschieden und vorzugsweise in einem Kondensat-Behälter 13 gesammelt werden. Zum Entleeren des Kondensat-Behälters 13 kann das Entleerungsventil 14, gegebenenfalls automatisch durch den Füllstandsschalter geöffnet werden. Mit dem Hilfsgebläse 18 kann das Kondensat aus dem Kondensat-Behälter 13 befördert werden. Ein gekühlter und/oder entfeuchteter erster Anteil wird in der Regel mit dem am Wärmetauscher 3 vorbeigeführten zweiten Anteil vermischt. Zweckmäßigerweise erfolgt dies in der Wärmetauscher-Mündung.
Nach dem Kühlen und/oder Entfeuchten des Gases und gegebenenfalls nach dem Vermischen des ersten Anteils mit dem zweiten Anteil ist es zweckmäßig, wenn die Temperatur, der Druck und/oder die Feuchte erneut erfasst werden. Dies geschieht vorzugsweise mit der Wärmetauscher-Messeinrichtung 5c. An dieser Stelle beträgt die Temperatur üblicherweise etwa zwischen 5 °C und 170 °C. Der Druck beträgt maximal 2 bar.
In der Regel wird das Gas durch die Hauptleitung 6 weiter zur Expansionseinrichtung 4 geführt, in welcher das Gas zumindest teilweise entspannt wird. Je nach Anforderung an die Parameter des konditionierten Gases kann die Luft anteilsweise oder vollständig durch die Expansionseinrichtung 4 und/oder an der Expansionseinrichtung 4 vorbei, beispielsweise durch die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b, geführt werden. Der Volumenstrom durch die Expansionseinrichtung 4 und/oder durch die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b wird üblicherweise mit Regelventilen 10a, 10b, 10c, 10d, insbesondere mit dem Expansionseinrichtungs- Regelventil 10c und/oder mit dem Expansionseinrichtungs-Bypass-Regelventil 10d, geregelt. Abhängig von der gewünschten Temperatur und/oder Feuchte des Gases kann beispielsweise ein Verhältnis des durch die Expansionseinrichtung 4 geführten Gases zum an dieser vorbeigeführten Gas von 9 : 1, 4 : 1, 7 : 3, 3 : 2, 1 : 1, 2 : 3, 3 : 7, 1 : 4 oder 1 : 9 eingestellt werden. Selbstverständlich können auch beliebige Abstufungen der genannten Verhältnisse eingestellt werden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Gas vollständig durch die Expansionseinrichtung 4 oder vollständig durch die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b geführt wird.
Üblicherweise wird das durch die Expansionseinrichtung 4 geführte Gas in einer vorzugsweise drehzahlgeregelten, insbesondere hochdrehenden, Turbine entspannt. Bei der Entspannung kann sich die Turbine gegebenenfalls mit bis zu 25.000 U/min drehen.
Im Zuge der Entspannung des Gases kann eine Temperatur von bis zu -30 °C erreicht werden. Eine beim Entspannen des Gases frei werdende Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden, welche beispielsweise dem oder den Verdichtern 2 zugeführt und/oder in das Stromnetz eingespeist wird. Hierfür kann vorgesehen sein, dass die Expansionseinrichtung 4, insbesondere die Turbine, einen Generator antreibt.
Um eine höhere Temperatur zu erreichen, kann das Gas erwärmt werden, bevor dieses durch die Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung 9b geführt wird. Die Vorrichtung 1 kann hierfür in Strömungsrichtung S zwischen dem Wärmetauscher 3 und der Expansionseinrichtung 4, vorzugsweise zwischen der Wärmetauscher-Mündung und der Expansionseinrichtungs-Abzweigung, eine Heizeinrichtung aufweisen.
Gegebenenfalls, insbesondere bei hohen Temperaturen, kann das entspannte Gas mittels Dampferzeuger 19 nachbefeuchtet werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass zumindest 5 g, insbesondere 10 g bis 20 g, besonders bevorzugt etwa 16 g Wasser je Kilogramm trockenem Gas beigemengt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass Eiskristalle aus dem entspannten Gas im Eisabscheider 16 abgeschieden werden. Die Eiskristalle werden vorzugsweise in einem Eisbehälter 17 gesammelt. Zum Abführen können die Eiskristalle durch Beaufschlagung des Eisbehälters 17 mit Umgebungsluft geschmolzen werden, wonach die geschmolzenen Eiskristalle abgeführt werden.
Mit dem Verfahren kann das Gas somit präzise und energieeffizient konditioniert werden, sodass das Gas für verschiedene Einsatzgebiete optimiert werden kann. Ein mit dem Verfahren und/oder mittels der Vorrichtung 1 konditioniertes Gas kann schließlich über die Ableitung 8 aus der Vorrichtung 1 und in der Regel zu einem Prüfling, beispielsweise zu einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geführt werden. Gegebenenfalls kann das konditionierte Gas auch einer Klimaprüfkammer zugeführt werden.
Mit einer derartigen Vorrichtung 1 bzw. einem derartigen Verfahren kann ein Durchsatz von bis zu 1450 Sm3/h des zu konditionierenden Gases erreicht werden. Unter einem Standardkubikmeter bzw. Sm3 wird üblicherweise ein Kubikmeter bei einer Temperatur von 15 °C und einem Druck von 1,01325 barA verstanden, wobei barA einen absoluten Druck bezeichnet. Darüber hinaus kann das Gas in einem Temperaturbereich von -30 °C bis +150 °C konditioniert werden. Ferner kann mit dem konditionierten Gas ein Druck, insbesondere ein Relativdruck bzw. Überdruck, von 10 mbar bis 900 mbar und eine Feuchte von 4 g Wasser pro kg Gas erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Konditionierung eines Gases, insbesondere einer Verbrennungsluft an einem Prüfstand für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen, mittels einer Vorrichtung (1), welche zumindest einen Verdichter (2), einen Wärmetauscher (3) und eine Expansionseinrichtung (4) aufweist, wobei das Gas der Vorrichtung (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Parameter des zugeführten Gases, insbesondere ein Druck, eine Temperatur, eine Feuchte und/oder ein Volumen, gemessen wird, wonach das Gas verdichtet wird, wonach ein erster Anteil des verdichteten Gases durch den Wärmetauscher (3) geführt wird, wobei der erste Anteil im Wärmetauscher (3) gekühlt und/oder entfeuchtet wird, wonach das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas in einer Expansionseinrichtung (4) entspannt wird, wonach das entspannte Gas aus der Vorrichtung (1) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Anteil des verdichteten Gases an dem Wärmetauscher (3) vorbeigeführt und mit dem durch den Wärmetauscher (3) geführten ersten Anteil vermischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Parameter des Gases, insbesondere der Druck, die Temperatur, die Feuchte und/oder das Volumen, in zumindest einem weiteren Prozessschritt erfasst wird, gegebenenfalls nach einem Verdichten des Gases und/oder unmittelbar vor dem Entspannen des Gases und/oder nach dem Entspannen des Gases.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas auf einen Druck von zumindest 0,2 bar, insbesondere auf einen Druck von 0,5 bar bis 2 bar, verdichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des ersten Anteils zum zweiten Anteil in Abhängigkeit einer gewünschten Temperatur und/oder Feuchte des Gases reguliert wird, vorzugsweise mittels zumindest eines Regelventils (10a, 10b, 10c, 10d).
6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anteil und/oder der zweite Anteil jeweils durch ein, insbesondere mit einem Antriebsmittel (12a, 12b) betätigtes, Regelventil (10a, 10b, 10c, 10d), vorzugsweise ein Klappenventil, reguliert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensat, welches im Wärmetauscher (3) aus dem Gas abgeschieden wird, in einem Kondensat-Behälter (13) gesammelt wird, wobei der Kondensat-Behälter (13) nach einem Erreichen eines bestimmten Füllstandes, insbesondere durch Betätigen von zumindest einem Entleerungsventils (14), entleert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in der Expansionseinrichtung (4) zumindest teilweise in einer, insbesondere drehzahlgeregelten, Turbine entspannt und optional teilweise an der Turbine vorbeigeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine durch eine Entspannung des Gases angetrieben wird, wobei Strom erzeugt wird, welcher optional der Vorrichtung (1), insbesondere dem zumindest einen Verdichter (2), zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Eiskristalle aus dem entspannten Gas, insbesondere in einem Eisabscheider (16), abgeschieden und in einem Eisbehälter (17) gesammelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eiskristalle durch eine Zufuhr von einer Umgebungsluft geschmolzen werden, wonach diese als flüssiges Kondensat abgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, vorzugsweise das entspannte Gas, mit einem Dampferzeuger (19) befeuchtet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, insbesondere das gekühlte und/oder entfeuchtete Gas, erwärmt wird, bevor dieses an der Expansionseinrichtung (4) vorbeigeführt wird.
14. Vorrichtung (1) zur Konditionierung eines Gases, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Gas in einer Strömungsrichtung (S) durch die Vorrichtung (1) führbar ist, umfassend zumindest einen Verdichter (2) zum Verdichten des Gases und eine Expansionseinrichtung (4) zum Entspannen des Gases, wobei die Expansionseinrichtung (4) dem zumindest einen Verdichter (2) in Strömungsrichtung (S) nachgelagert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Messeinrichtung (5a, 5b, 5c, 5d) zur Messung von zumindest einem Parameter des Gases und ein Wärmetauscher (3) zum Kühlen und/oder Entfeuchten des Gases vorgesehen sind, wobei der Wärmetauscher (3) in Strömungsrichtung (S) zwischen dem zumindest einen Verdichter (2) und der Expansionseinrichtung (4) angeordnet ist und wobei eine Hauptleitung (6) vorgesehen ist, um einen ersten Anteil des Gases durch den Wärmetauscher (3) zu führen.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bypass-Leitung (9a, 9b) vorgesehen ist, um das Gas zumindest teilweise an dem Wärmetauscher (3) und/oder der Expansionseinrichtung (4) vorbeizuführen, wobei vorzugsweise eine Wärmetauscher-Bypass-Leitung (9a) in Strömungsrichtung (S) vor dem Wärmetauscher (3) aus der Hauptleitung (6) abzweigt und in Strömungsrichtung (S) nach dem Wärmetauscher (3) in die Hauptleitung (6) mündet und/oder eine Expansionseinrichtungs-Bypass-Leitung (9b) in Strömungsrichtung (S) vor der Expansionseinrichtung (4) aus der Hauptleitung (6) abzweigt und in Strömungsrichtung (S) nach der Expansionseinrichtung (4) in die Hauptleitung (6) mündet.
16. Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Regelventil (10a, 10b, 10c, 10d) vorgesehen ist, um einen Volumenstrom durch die Vorrichtung (1) zu regulieren, wobei vorzugsweise die Hauptleitung (6) ein Wärmetauscher-Regelventil (10a) und/oder ein Expansionseinrichtungs-Regelventil (10c) und/oder jeweils eine Bypass-Leitung (9a, 9b) ein Bypass-Regelventil (10b, 10d) aufweisen.
17. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) einen Kondensat-Abscheider aufweist, wobei der Kondensat-Abscheider vorzugsweise einen Kondensat-Behälter (13) umfasst.
18. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (4) zur Erzeugung von Strom ausgebildet und vorzugsweise eine elektrische Verbindung zwischen der Expansionseinrichtung (4) und dem zumindest einen Verdichter (2) vorgesehen ist, um einen erzeugten Strom dem Verdichter (2) zuzuführen.
19. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampferzeuger (19) vorgesehen ist, welcher in Strömungsrichtung (S) nach der Expansionseinrichtung (4) mit der Hauptleitung (6) in Fluidverbindung steht.
20. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eisabscheider (16) vorgesehen ist, welcher der Expansionseinrichtung (4) in Strömungsrichtung (S) nachgeordnet positioniert ist.
21. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche in Strömungsrichtung (S) zwischen dem Wärmetauscher (3) und der Expansionseinrichtung (4) angeordnet ist.
22. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) als Einheit ausgebildet ist, wobei einzelne Elemente, insbesondere der zumindest eine Verdichter (2), der Wärmetauscher (3) und die Expansionseinrichtung (4), an einem Rahmen und/oder innerhalb des Rahmens montiert sind.
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