EP4689401A1 - Bidirektionales single-screw system und verfahren zur kompression und expansion eines gases - Google Patents

Bidirektionales single-screw system und verfahren zur kompression und expansion eines gases

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EP4689401A1
EP4689401A1 EP24724926.1A EP24724926A EP4689401A1 EP 4689401 A1 EP4689401 A1 EP 4689401A1 EP 24724926 A EP24724926 A EP 24724926A EP 4689401 A1 EP4689401 A1 EP 4689401A1
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EP
European Patent Office
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liquid
screw
gas
pressure line
air end
Prior art date
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Pending
Application number
EP24724926.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Schnarwiler
Linus WALKER
Mario ACKERMANN
Mohameddeq HASSAN
Pablo GASSMANN
Pascal ZÜRCHER
Patrick BAUMANN
Rafik BARHOUMI
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.)
Green Y Energy AG
Original Assignee
Green Y Energy AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
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    • F04C18/50—Rotary-piston pumps with non-parallel axes of movement of co-operating members the axes being arranged at an angle of 90 degrees
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    • F04C29/0092—Removing solid or liquid contaminants from the gas under pumping, e.g. by filtering or deposition; Purging; Scrubbing; Cleaning
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    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/22—Fluid gaseous, i.e. compressible
    • F04C2210/221—Air

Definitions

  • the present invention relates to a bidirectional single-screw system and a method for compression and expansion of a gas according to the preamble of claims 1 and 7 .
  • the single-screw compressor is a proven technology for the compression of a gas.
  • the single-screw compressor can, if required, operate at a higher pressure level of approximately 10 bar with one stage.
  • the nominal speed is low at approximately 3000 rpm, which means that the temperature increase during compression is low despite the high pressure ratio. and thus increases efficiency.
  • Further advantages of single-screw technology are the reduction of noise and vibrations as well as low maintenance requirements.
  • WO 2013078132 Al also shows a bidirectional single-screw machine in which oil is injected directly into the compression or expansion head, the so-called air end, for sealing.
  • CN 112253257 A shows a single-screw expander system which has water injection at the air end for lubrication and sealing. It is a single-stage expander system in which water is injected directly into the air end for lubrication and sealing.
  • Multi-stage single-screw machines are mainly used as compressors.
  • the system according to CN 209510633 U shows a two-stage single-screw compressor, which is operated with a water injection for lubrication and sealing.
  • CN 102352777 B shows a bidirectional, multi-stage single-screw system, which can also be used for application in an energy storage system. The multiple stages are fixed on the same shaft.
  • Efforts to realize bidirectional single-screw machines with water injection and lubrication are disclosed, for example, in CN 111271283 A and CN 102042225 A. Although these are bidirectional, they are primarily designed for compressor operation and are only single-stage.
  • the present invention now has the object of improving a bidirectional single-screw system and a method for compression and expansion of a gas of the type mentioned at the beginning in such a way that the advantages of the known devices and methods are retained, and with a control of the liquid supply and discharge, the temperature, volume and pressure conditions are optimized in such a way that both the compression and the expansion mode can be carried out efficiently and sustainably, and no external measures for temperature regulation and/or the supply/processing of the gas are required.
  • the object of the present invention is to create a bidirectional and oil-free single-screw machine for the compression and expansion of a gas, in which an intelligent fluid management concept ensures the lubrication and sealing of the single-screw machine on the one hand but on the other hand it also enables the control of the internal volume ratio in the air end and the heat transfer between the gas and the liquid.
  • the bidirectionality means that a gas can be compressed and expanded using one and the same machine. This not only significantly expands the field of application, but also roughly halves the investment costs and space requirements.
  • the multi-stage design enables the system to be used not only at low pressure levels, but also at medium and high pressure levels.
  • a system with two stages is shown in particular, but it can be implemented with 1-n stages if required.
  • a typical pressure level for a two-stage system is, for example, 40 bar, with a pressure ratio of just over 6:1 per stage.
  • the lubrication and sealing of the single-screw machine is realized by controlling the liquid supply and discharge to implement an intelligent liquid management concept.
  • the decisive control options are the heat transfer between the gas and the liquid, as well as the internal volume ratio in the air end and the associated sealing or expansion ratio of the single-screw machine.
  • the single-screw machine is completely oil-free. This means that the gas is not contaminated when it passes through the single-screw machine and no complex cleaning and post-processing of the gas is required.
  • the liquid is mixed with the gas upstream of the single-screw machine as required and/or injected directly into the pressure chamber in the single-screw machine itself at different times during compression or expansion. This also allows the sealing effect of the liquid to be adapted and optimized for compression and expansion operations.
  • Another advantage of adding liquid is the possibility of influencing the heat transfer from the gas to the liquid. This allows the heating of the gas during compression or the cooling of the gas during expansion to be changed. A quasi-isothermal compression or expansion pansion is preferred in this case, where the gas only heats up or cools down minimally. This increases efficiency and enables high pressure ratios on one stage without the temperature differences becoming large.
  • the internal volume ratio of the single-screw machine can also be controlled and optimized with a given geometry. Due to the incompressibility of the liquid, less volume remains for the compressible gas during the compression or expansion process when the liquid content is increased, thus increasing the internal volume ratio in the air end. This means that for a given geometry of the single-screw machine, the volume ratio can be adapted to the corresponding application and the desired pressure ratio. This prevents over- and under-compression or over- and under-expansion, and efficiency is also increased. During expansion in particular, the volume ratio can be precisely matched to the pressure ratio, thus avoiding highly inefficient over- and under-expansion.
  • the bidirectionality of the system also enables its application in an energy storage system, in which a gas is compressed to charge the energy storage device, which is then released into the atmosphere at a later stage. can be expanded again at a later point in time to release the energy again.
  • a gas is compressed to charge the energy storage device, which is then released into the atmosphere at a later stage.
  • the gas is compressed and at the same time heat can be generated due to the cooling requirements of the compressed gas.
  • the compressed gas drives the expander, which does the corresponding work, and at the same time cold can be generated due to the heat requirements of the expanded gas.
  • the heat during compression or cold during expansion can be efficiently released through an internal liquid circuit in the single-screw machines via a heat exchanger.
  • FIG. 1 Schematic drawing of a two-stage single-screw
  • FIG. 2 Schematic of the compression operating mode.
  • FIG. 3 Schematic of the expansion operating mode.
  • Fig. 1 shows a two-stage preferred embodiment of the bidirectional single-screw system for the compression and expansion of a gas.
  • the present invention can be implemented with at least one stage, preferably two or more stages.
  • Two single-screw air ends 10, 10' are each driven or braked by a motor/generator unit 30, 30'. This allows a gas to be compressed from a low-pressure reservoir 50 with a lower pressure and transported to a high-pressure reservoir 60 with a higher pressure, or expanded in the opposite direction from the high-pressure reservoir 60 with a higher pressure and transported to a low-pressure reservoir 50 with a lower pressure.
  • the pressure reservoirs are connected to the single-screw air ends 10, 10' via connecting lines, whereby the connecting lines of each stage on the side facing the low-pressure reservoir 50 are referred to as low-pressure lines 15, 15' and the connecting lines on the side facing the high-pressure reservoir 60 are referred to as high-pressure lines 16, 16'.
  • the connecting line between two single-screw air ends 10, 10' is simultaneously the high-pressure line 16 to the single-screw air end 10 and the low-pressure line 15' to the single-screw air end 10'.
  • the connecting lines 15, 16 between the components are suitable for either a gas, a liquid or a gas-liquid mixture and are generally bidirectional, i.e. the flow direction can be set to both sides are realized.
  • Liquid separators 21, 22 are also provided for separating gas and liquid, which are arranged on the connecting lines 15, 16.
  • the liquid separators 21, 22' which are located closest to the reservoirs 50, 60, are not required depending on the working direction. For example, during compression only the liquid separators 22, 22' are required, as shown in Fig. 2, and conversely during expansion only the liquid separators 21, 21' (Fig. 3).
  • the liquid separator 22/21' which is arranged between two single-screw air ends 10, 10', can be used in both working directions.
  • the liquid separators 21, 22 have an inlet for the gas-liquid mixture, an outlet for the gas, and an additional outlet for the separated liquid.
  • a liquid line 70 connects the outlet of the liquid separator 21 or 22 for the liquid with the single-screw air end 10, i.e. during compression the liquid separator 22 is connected to the single-screw air end 10 via the liquid line 70 and vice versa during expansion the liquid separator 21 is connected to the single-screw air end 10 via the liquid line 70.
  • a controllable injection valve 76 is arranged in front of the single-screw air end 10, which has a second outlet to the connecting line 15 or 16, this outlet being on the inlet side of the single- Screw air-ends 10 open into the connecting line 15 or 16, so that this second outlet of the injection valve 76 is located opposite the air-end 10 on the opposite side of the liquid separator 21 or 22.
  • an additional pump 73 is arranged after the liquid separator 21 so that the liquid can be brought to the necessary pressure in order to be introduced into the single-screw air end 10 or the high-pressure line 16 at the higher pressure.
  • the liquid line 70 passes through a heat exchanger 75 so that the liquid can be heated or cooled as required.
  • the heat exchanger 75 can be used both during compression (Fig. 4) and during expansion (Fig. 5).
  • the heat exchanger 75 can be arranged in the liquid line 70 either before or after the pump.
  • the injection valve 76 is a valve arrangement with one inlet and three outlets, whereby only two outlets are available depending on the operating mode.
  • a directional valve 80 is arranged after the outlet of the liquid separator 22/21' for the separated liquid. Depending on the operating mode, this directional valve 80 directs the liquid capacity either to the heat exchanger 75 (compression) or to the pump 73 (expansion).
  • an inlet valve 74 is arranged in front of the heat exchanger 75, which has two inlets and only one outlet.
  • the liquid comes from the liquid separator 22, which is arranged in the high-pressure line 16, and during expansion from the liquid separator 21, which is arranged in the low-pressure line 15.
  • Each individual single-screw stage has its own liquid circuit, which is connected to at least one liquid separator 21, 21' and has a liquid line 70.
  • the gas-liquid mixture is separated before the liquid can thermally interact with the environment via the heat exchanger 75.
  • Heat exchangers 75, 75' of several stages can also be designed in a coupled manner or, for the operating modes expansion and compression per stage, designed separately for each flow direction 751, 752 (Fig. 6).
  • the liquid of the single-screw stage is mixed with the gas again in the direction of flow before entering the single-screw air end 10 and/or injected directly into the single-screw air end 10 in the compression or expansion chamber.
  • the liquid for lubrication and sealing is then fed to the single-screw air end 10.
  • the injection valve 76 can inject liquid into the single-screw air end 10 alternately or simultaneously.
  • the injection valve 76 is controllable and continuously adjustable so that the amount of liquid in each of the two active outlets can be set as desired and independently of one another.
  • Fig. 2 and Fig. 4 show the compression operating mode, with the components not used not shown.
  • a gas is compressed by a low-pressure reservoir 50 and transported to a high-pressure reservoir 60.
  • the low-pressure reservoir 50 is the ambient air and/or a compressed air line is used instead of the high-pressure reservoir 60.
  • the single-screw air ends 10, 10' rotate in the direction in which the volume of the closed pressure chamber is reduced, which enables compression.
  • the motor/generator units 30, 30' are used as motors to drive the single-screw air ends 10, 10' by absorbing electrical energy. Due to the injection of liquid in the flow direction in front of or directly in the Single-Screw Air-End 10, a gas-liquid mixture is created.
  • the gas-liquid mixture After leaving the single-screw air end 10, the gas-liquid mixture enters the liquid separator 22 where the liquid is separated from the gas. The gas is then passed on to the next stage or, after the last stage, to the high-pressure reservoir 60. The separated liquid is fed to first passed through the heat exchanger 75 in order to thermally interact with the environment or an external circuit before it is added back to the gas through the injection valve 76. In compression mode, the gas and the liquid in the single-screw air end 10 are heated. The absorbed heat is released via the heat exchanger 75 and can be used for heating purposes, for example. The cooled liquid is then mixed back into the gas in the low-pressure line 15 before it enters the single-screw air end 10, and secondly used directly at the single-screw air end 10 for lubrication and sealing or injected directly into the pressure chamber.
  • FIG. 3 and Fig. 5 show the expansion operating mode without those components which are not required for this operation.
  • a gas is expanded from a high-pressure reservoir 60 and conveyed into a low-pressure reservoir 50.
  • the low-pressure reservoir 50 is the ambient air.
  • the single-screw air ends 10, 10' rotate in the opposite direction to that in the compression operating mode.
  • the volume of the closed pressure chamber is increased, which enables expansion.
  • the motor/generator units 30, 30' are used as a generator to brake the single-screw air ends 10, 10' by releasing electrical energy.
  • the gas-liquid mixture is separated in the liquid separator 21.
  • the gas flows into the second expansion stage. expansion stage or after the second expansion stage into the low-pressure reservoir 50.
  • the separated liquid In contrast to the compression operating mode, the separated liquid must now first be brought to the higher pressure level that prevails before the respective stage using a pump 73.
  • the liquid is then conveyed through the heat exchanger 75 in order to interact thermally with the environment or with an external circuit.
  • the liquid is cooled during expansion because heat is transferred to the cooling gas.
  • the liquid can be warmed up again via the heat exchanger 75 and can therefore be used for cooling.
  • the liquid is then mixed back into the gas in the high-pressure line 16 before it enters the single-screw air end 10 via the injection valve 76, and is also used directly at the single-screw air end 10 for lubrication and sealing and injected directly into the pressure chamber so that a quasi-isothermal expansion can be achieved.
  • Fig. 7a shows the corresponding arrangement for a single stage with only one liquid separator 21 for compression.
  • the lines marked with an X in the figure from the low-pressure line 15 to the liquid separator 21 are not required.
  • the pump and the connection for injecting the liquid into the high-pressure line 16 are also not required.
  • the lines from the high-pressure line 16 to the liquid separator 21 and the connection for injecting the liquid into the low-pressure line 15 are not required, as shown in Fig. 7b.
  • two separate heat exchangers 751 , 752 can be used for compression and expansion, as shown in Fig . 6 .
  • a heat exchanger 751 is used, which extracts the heat from the liquid, thus cools it and releases heat to the environment.
  • a heat exchanger 752 can be used, which heats the liquid again, thus cools the environment. This is particularly advantageous if different requirements and/or external circuits are used due to the use of heat or cold.
  • the heat released during compression can be used, for example, for room heating, hot water, as process heat (low temperature) or for preheating in an industrial process.
  • cooling water can be provided for a machine, or the cold can be used directly for server or machine cooling.
  • the injection valves 76, 76', the inlet valves 74, 74' and the directional valves 80, as well as the motor/generator units 30, 30' can be controlled by a central control system and, depending on the operating mode, can be adjusted according to predefined criteria or automatically.
  • various sensors and measuring devices are arranged in the individual components. These can be, for example, pressure sensors in the low-pressure lines 15, 15', the high-pressure lines 16, 16' and/or in the liquid separators 21, 22 and single-screw air- Ends 10, 10' to check the pressure ratio.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bidirektionales Single-Screw System für die Kompression und Expansion eines Gases, mit mindestens einem Single-Screw Air-End (10), welches auf einer Seite eine Tiefdruckleitung (15) und auf der anderen Seite eine Hochdruckleitung (16) aufweist. Eine Motor/Generator Einheit (30), welche mit dem Single-Screw Air-End (10) gekoppelt ist, befördert und komprimiert im Kompressionsmodus ein Gas von der Tiefdruckleitung (15) in die Hochdruckleitung (16), mittels Antrieb des Single-Screw Air-Ends (10), und erzeugt im Expansionsmodus elektrische Energie wenn das Gas von der Hochdruckleitung (16) zurück in die Tiefdruckleitung (15) befördert wird. Ein Flüssigkeitsabscheider (21), welcher mit der Tiefdruckleitung (15) oder der Hochdruckleitung (16) verbunden ist, trennt in Fliessrichtung nach dem Air-End (10) das Gas und eine Flüssigkeit, wobei letztere über eine Flüssigkeitsleitung (70) wieder zurück zum Single-Screw Air-End (10) geführt wird. Mit einem in der Flüssigkeitsleitung (70) angeordneten Einspritzventil (76) mit zwei Ausgängen, wird eine zweite Verbindung zur Tiefdruckleitung (15) oder zur Hochdruckleitung (16) geschaffen.

Description

Bidirektionales Single-Screw System und Verfahren zur
Kompression und Expansion eines Gases
[ 1 ] Die vorliegende Erfindung betri f ft ein bidirektionales Single- Screw System und ein Verfahren zur Kompression und Expansion eines Gases gemäss Oberbegri f f der Patentansprüche 1 und 7 .
[ 2 ] Durch die Umkehrung der Drehrichtung einer Single-Screw Kompressor Maschine kann dieselbe Maschine zur Kompression und Expansion eines Gases verwendet werden . Um einen grösseren Bereich von Druckunterschieden zu ermöglichen, können mehrere Single-Screw Maschinen in Serie mehrstufig ausgeführt werden . Die Schmierung der Maschine erfolgt häufig mit Öl oder anderen umweltschädlichen Flüssigkeiten . Idealerweise wird eine Flüssigkeit verwendet , welche eine Nachbearbeitung des Gases beim Austritt aus der Maschine hinfällig macht , was auch die Nachhaltigkeit des Systems steigert . Die Flüssigkeit wird beim Prozess beigefügt , um die Schmierung und gleichzeitig auch die Dichtung der Maschine sicherzustellen .
[ 3 ] Der Single-Screw Kompressor ist eine bewährte Technologie für die Kompression eines Gases . Im Gegensatz zu anderen rotativen Kompressor Technologien wie z . B . Turbo oder Twin-Screw Kompressoren, kann der Single-Screw Kompressor mit einer Stufe bei Bedarf bereits ein höheres Druckniveau von ungefähr l Obar bedienen . Zudem ist die Nenndrehzahl tief bei ungefähr 3000rpm, was trotz grossem Druckverhältnis den Temperaturanstieg bei der Kompression tief hält und somit die Effizienz steigert. Weitere Vorteile der Sin- gle-Screw Technologie sind die Reduktion von Lärm und Vibrationen sowie ein geringer Wartungsaufwand.
[4] Aus dem Stand der Technik ist bereits seit 1974 (US 3945778 A) eine Single-Screw Maschine bekannt, welche sowohl als Kompressor sowie auch als Expander verwendet werden kann.
[5] WO 2013078132 Al zeigt ebenfalls eine bidirektionale Single- Screw Maschine, bei der zur Abdichtung Öl direkt in den Kompressi- ons- bzw. Expansionskopf, das sogenannte Air-End, eingespritzt wird.
[6] CN 112253257 A zeigt ein Single-Screw Expander System, welches eine Wassereinspritzung beim Air-End für die Schmierung und Dichtung aufweist. Es handelt sich dabei um ein einstufiges Expander- System, bei welchem Wasser für die Schmierung und Dichtung direkt ins Air-End eingespritzt wird.
[7] Mehrstufige Single-Screw Maschinen werden hauptsächlich als Kompressoren eingesetzt. Das System nach CN 209510633 U zeigt einen zwei-stufigen Single-Screw Kompressor, welcher mit einer Wassereinspritzung für die Schmierung und Dichtung betrieben wird.
[8] In CN 102352777 B wird ein bidirektionales, mehrstufiges Single-Screw System gezeigt, welches auch für die Anwendung in einem Energiespeichersystem eingesetzt werden kann. Die mehreren Stufen sind auf der gleichen Welle fixiert. [ 9 ] Bemühungen bidirektionale Single-Screw Maschinen mit einer Wassereinspritzung und -Schmierung zu realisieren, werden beispielsweise in CN 111271283 A und CN 102042225 A of fenbart . Diese sind zwar bidirektional , j edoch in erster Linie für den Kompressor Betrieb ausgelegt und nur einstufig ausgeführt .
[ 10 ] Die aus dem Stand der Technik öl freien Single-Screw Maschinen, sind meist einstufig ausgeführt und für den Kompressionsbetrieb optimiert . Wird das System bidirektional ausgeführt , ergibt sich aufgrund der physikalischen Anordnung und Dimensionen im Air-End oft die Problematik der Über-/Unterkompression beziehungsweise der Über-/Unterexpansion, welche zu Energieverlusten führen kann . Eine Überkompression liegt vor, wenn das interne Volumenverhältnis im Air-End grösser als das geforderte Druckverhältnis ist , was dazu führt , dass der Ausgangsdruck grösser als der Zieldruck ist . Umgekehrt liegt eine Unterkompression vor, wenn das interne Volumenverhältnis im Air-End kleiner als das geforderte Druckverhältnis ist , was dazu führt , dass der Ausgangsdruck kleiner als der Ziel druck ist . Bei der Expansion liegt analog dazu Uberexpansion vor, wenn das interne Volumenverhältnis im Air-End grösser als das geforderte Druckverhältnis ist, was dazu führt , dass der Ausgangs druck kleiner als der Zieldruck ist . Umgekehrt liegt eine Unterexpansion vor, wenn das interne Volumenverhältnis im Air-End kleiner als das geforderte Druckverhältnis ist , was dazu führt , dass der Ausgangsdruck grösser als der Zieldruck ist . [ 11 ] Auch die mit der Kompression beziehungsweise Expansion zusammenhängenden Temperaturunterschiede sind bei einem bidirektionalen System oft problematisch und können zur Überhitzung oder der Unterkühlung der Maschine führen . Dies kann dazu führen, dass die Maschine nicht mehr richtig funktioniert , oder falls Wasser für die Schmierung und Dichtung eingesetzt wird, bei der Unterkühlung Eis gebildet wird . Um diese Probleme zu vermeiden, müssen externe Massnahmen zur Temperaturregulierung ergri f fen werden, oder dem Gas beziehungsweise der Flüssigkeit Zusatzstof fe , z . B . Gefrierschutzmittel , beigefügt werden .
[ 12 ] Die vorliegende Erfindung stellt sich nunmehr die Aufgabe ein bidirektionales Single-Screw System und ein Verfahren zur Kompression und Expansion eines Gases der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Vorteile der bekannten Vorrichtungen und Verfahren erhalten bleiben, und mit einer Steuerung der Flüssig- keits zu- und -abfuhr, die Temperatur- , die Volumen- und die Druckverhältnisse derart optimiert werden, damit sowohl der Kompressi - ons- als auch der Expansionsmodus ef fi zient und nachhaltig durchgeführt werden können, keine externen Massnahmen zur Temperaturregulierung und/oder der Zu-/Aufbereitung des Gases benötigt werden .
[ 13 ] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bidirektionale und öl freie Single-Screw Maschine für die Kompression und Expansion eines Gases zu schaf fen, bei welcher mit einem intelligenten Flüssigkeitsmanagement Konzept einerseits die Schmierung und Dichtung der Single-Screw Maschine sichergestellt wird, andererseits aber auch die Steuerung des internen Volumenverhältnis im Air-End und des Wärmeüberganges zwischen dem Gas und der Flüssigkeit ermöglicht wird .
[ 14 ] Eine weitere Aufgabe ist die Optimierung des Single-Screw Systems um deren Ef fi zienz zu steigern .
[ 15 ] Durch die Bidirektionalität kann mit ein und derselben Maschine ein Gas komprimiert sowie expandiert werden . Dadurch wird einerseits das Anwendungsgebiet deutlich erweitert , andererseits werden aber auch die Investitionskosten sowie der Platzbedarf ungefähr halbiert .
[ 16 ] Die mehrstufige Aus führung ermöglicht die Anwendung nicht nur bei tiefen Druckniveaus , sondern auch für mittlere und hohe Druckniveaus . In der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen wird insbesondere ein System mit zwei Stufen gezeigt , es kann j edoch bei Bedarf mit 1-n Stufen realisiert werden . Ein typisches Druckniveau für ein zweistufiges System ist beispielsweise 40 bar, bei dem pro Stufe ein Druckverhältnis von etwas über 6 : 1 vorliegt .
[ 17 ] Mit einer Steuerung der Flüssigkeits zu- und -abfuhr zur Umsetzung eines intelligenten Flüssigkeitsmanagement-Konzepts wird die Schmierung und Dichtung der Single-Screw Maschine realisiert . Zusätzlich werden die entscheidenden Steuerungsmöglichkeiten vom Wärmeübergang zwischen dem Gas und der Flüssigkeit , sowie vom internen Volumenverhältnis im Air-End und dem damit verbundenen Ver- dichtungs- respektive Expansionsverhältnis der Single-Screw Maschine umgesetzt .
[ 18 ] Durch die Verwendung einer Flüssigkeit , insbesondere Wasser, für die Schmierung und Dichtung ist die Single-Screw Maschine komplett öl frei . Somit wird das Gas beim Durchlaufen der Single-Screw Maschine nicht verunreinigt und es wird somit keine aufwändige Reinigung und Nachbearbeitung des Gases benötigt .
[ 19 ] Durch den Einsatz einer Flüssigkeit werden auch die Nachteile von trocken laufenden Maschinen beseitigt , welche normalerweise für die öl freie Druckgas Bereitstellung eingesetzt werden . Solche Maschinen weisen aufgrund der fehlenden Schmierung und Dichtung eine geringe Ef fi zienz auf , benötigen hohe Drehzahlen und erzeugen dabei viel Lärm und Vibrationen .
[ 20 ] Die Flüssigkeit wird dabei bedarfsweise vor der Single-Screw Maschine dem Gas beigemischt und/oder in der Single-Screw Maschine selbst während der Kompression beziehungsweise Expansion zu verschiedenen Zeitpunkten direkt in die Druckkammer eingespritzt . Damit kann auch die Dichtwirkung der Flüssigkeit für den Kompressi- ons- sowie den Expansionsbetrieb angepasst und optimiert werden .
[ 21 ] Ein weiterer Vorteil der Beimischung der Flüssigkeit ist die Möglichkeit den Wärmeübergang vom Gas auf die Flüssigkeit zu beeinflussen . So kann die Erwärmung des Gases bei der Kompression beziehungsweise die Abkühlung des Gases bei der Expansion verändert werden . Eine quasi-isotherme Kompression beziehungsweise Ex- pansion ist vorliegend bevorzugt, bei der sich das Gas nur minimal erwärmt beziehungsweise abkühlt. Dies steigert die Effizienz und ermöglicht hohe Druckverhältnisse auf einer Stufe, ohne dass die Temperaturdifferenzen gross werden.
[22] Ohne die Beimischung einer Flüssigkeit verläuft die Kompression beziehungsweise die Expansion nahezu adiabat mit einem Polytropen-Exponent von k=l,4. Damit resultiert bei einer Kompression mit einem Druckverhältnis von 6:1 und einer Starttemperatur von 20°C eine Austrittstemperatur von 216°C:
[23] Durch die Beimischung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, wird der Wärmeübergang zwischen Gas und Flüssigkeit ermöglicht, womit der Prozess quasi-isotherm mit einem Polytropen-Exponenten von beispielsweise k=l,04 ablaufen kann. Damit resultiert bei einer Kompression mit den gleichen Bedingungen eine wesentlich niedrigere Austrittstemperatur von 41°C:
[24] Die bei der Kompression entstehende Wärme beziehungsweise bei der Expansion entstehende Kälte bewegen sich damit auf einem unkritischen, steuerbaren und nutzbaren Temperaturniveau.
[25] Die kleine Temperaturdifferenz bei der Expansion erlaubt den Prozess über dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit zu betreiben, so dass weder eine Vorheizung des Druckgases noch die Beimischung von Gefrierschutzmittel nötig ist . Dies ist insbesondere dann von Bedeutung wenn als Flüssigkeit Wasser eingesetzt wird .
[ 26 ] Die Ef fi zienz wird mit der Beimischung von Flüssigkeit ebenfalls gesteigert , da beispielsweise für die Kompression auf ein gewisses Druckniveau nach der Abkühlung im adiabaten Prozess mehr Arbeit benötigt wird als beim quasi-isothermen Prozess .
[ 27 ] Mit der Beimischung von Flüssigkeit vor der Single-Screw Maschine kann zudem das interne Volumenverhältnis der Single-Screw Maschine mit vorgegebener Geometrie gesteuert und optimiert werden . Aufgrund der Inkompressibilität der Flüssigkeit bleibt während dem Kompressions- beziehungsweise Expansionsprozesses für das kompressible Gas bei Erhöhung des Flüssigkeitsanteils weniger Volumen übrig, womit also das interne Volumenverhältnis im Air-End erhöht wird . Somit kann für eine vorgegebene Geometrie der Single- Screw Maschine das Volumenverhältnis auf den entsprechenden Anwendungs fall und das gewünschte Druckverhältnis angepasst werden . Dadurch können Über- und Unterkompression beziehungsweise Uber- und Unterexpansion verhindert werden und die Ef fi zienz wird zusätzlich gesteigert . Insbesondere bei der Expansion kann das Volumenverhältnis exakt auf das Druckverhältnis abgestimmt werden und somit die höchst inef fi zienten Uber- und Unterexpansionen vermieden werden .
[ 28 ] Die Bidirektionalität des Systems ermöglicht auch die Anwendung in einem Energiespeichersystem, bei welchem zum Laden des Energiespeichers ein Gas komprimiert wird, welches zu einem späte- ren Zeitpunkt wieder expandiert werden kann, um die Energie wieder freizugeben . Dabei wird bei der Kompression unter Leistung von Arbeit der Kompressor angetrieben, das Gas verdichtet und gleichzei tig kann aufgrund des Kühlbedarfs des komprimierten Gases Wärme erzeugt werden . Umgekehrt treibt bei der Expansion das Druckgas den Expander an, welcher entsprechend Arbeit leistet , wobei gleichzeitig Kälte erzeugt werden kann, aufgrund des Wärmebedarfs des expandierten Gases . Die Wärme bei der Kompression beziehungsweise Kälte bei der Expansion können durch einen internen Flüssigkeitskreislauf der Single-Screw Maschinen über einen Wärmetauscher ef fizient abgegeben werden .
[ 29 ] Bei einer Umgebungstemperatur von 20 ° C sind die Temperaturniveaus von Wärme und Kälte bei der Single-Screw Technologie mit Flüssigkeitseinspritzung aufgrund der quasi-isothermen Kompression und Expansion auf einem unkritischen und direkt nutzbaren Niveau von ungefähr 30- 80 ° C bei der Wärme (Kompression) und 0- 15 ° C bei der Kälte (Expansion) . Die Wärme- und Kältenutzung fällt somit besonders ef fi zient aus , da die Temperaturniveaus direkt dem Bedarf für Raumkühlung oder Hei zung entsprechen . Die Ef fi zienz des Gesamtsystems wird durch die direkte Nutzung der Wärme und Kälte entsprechend noch zusätzlich gesteigert .
[ 30 ] Weitere Anwendungen ergeben sich in anderen Bereichen mit Bedarf an öl freiem beziehungsweise reinem Druckgas . Aufgrund der Öl freiheit der vorliegenden Erfindung ist dabei keine aufwändige Nachbearbeitung des Druckgases notwendig . [ 31 ] Diese Aufgabe löst ein bidirektionales Single-Screw System und ein Verfahren zur Kompression und Expansion eines Gases mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 . Weitere Merkmale und Ausführungsbeispiele gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor und deren Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert .
Z ei chnungen
Fig. 1 Schematische Zeichnung eines zweistufigen Single-Screw
Systems für die Kompression und Expansion eines Gases.
Fig. 2 Schema des Betriebsmodus Kompression.
Fig. 3 Schema des Betriebsmodus Expansion.
Fig. 4 Schema des Betriebsmodus Kompression mit Wärmetauscher.
Fig. 5 Schema des Betriebsmodus Expansion mit Wärmetauscher.
Fig. 6 Schema mit zwei Wärmetauschern pro Stufe.
Fig. 7a Schema mit nur einem Flüssigkeitsabscheider pro Stufe im
Betriebsmodus Kompression
Fig. 7b Schema mit nur einem Flüssigkeitsabscheider pro Stufe im
Betriebsmodus Expansion
Die Figuren stellen mögliche Ausführungsbeispiele dar, welche in der nachfolgenden Beschreibung erläutert werden.
Beschreibung
[ 32 ] Fig . 1 zeigt eine zweistufige bevorzugte Aus führungs form des bidirektionalen Single-Screw Systems für die Kompression und Expansion eines Gases . Die vorliegende Erfindung kann mit mindestens einer Stufe , bevorzugterweise zwei oder mehr Stufen ausgeführt werden . Zwei Single-Screw Air-Ends 10 , 10 ' werden j eweils von einer Motor/Generator Einheit 30 , 30 ' angetrieben beziehungsweise gebremst . Dadurch kann ein Gas von einem Tiefdruckreservoir 50 mit tieferem Druck komprimiert und in ein Hochdruckreservoir 60 mit höherem Druck befördert werden, beziehungsweise in umgekehrter Richtung von dem Hochdruckreservoir 60 mit höherem Druck expandiert und in ein Tiefdruckreservoir 50 mit tieferem Druck befördert werden . Die Druckreservoirs sind über Verbindungsleitungen mit den Single-Screw Air-Ends 10 , 10 ' verbunden, wobei die Verbindungsleitungen j eder Stufe auf der dem Tiefdruckreservoir 50 zugewandten Seite als Tiefdruckleitungen 15 , 15 ' und die Verbindungsleitungen auf der dem Hochdruckreservoir 60 zugewandten Seite als Hochdruckleitungen 16 , 16 ' bezeichnet werden . Die Verbindungsleitung zwischen zwei Single-Screw Air-Ends 10 , 10 ' ist gleichzeitig die Hochdruckleitung 16 zum Single-Screw Air-End 10 und die Tiefdruckleitung 15 ' zum Single-Screw Air-End 10 ' . Die Verbindungsleitungen 15 , 16 zwischen den Komponenten sind entweder für ein Gas , eine Flüssigkeit oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch geeignet und generell bidirektional , das heisst die Fliessrichtung kann auf beide Seiten realisiert werden.
[33] Weiter sind Flüssigkeitsabscheider 21, 22 zur Separation von Gas und Flüssigkeit vorgesehen, welche an den Verbindungsleitungen 15, 16 angeordnet sind. Die Flüssigkeitsabscheider 21, 22', welche sich am nächsten bei den Reservoirs 50, 60 befinden, werden je nach Arbeitsrichtung nicht benötigt. So werden bei der Kompression bloss die Flüssigkeitsabscheider 22, 22' benötigt, wie in Fig. 2 abgebildet und umgekehrt bei der Expansion bloss die Flüs- sigkeitsabscheider 21, 21' (Fig. 3) . Der Flüssigkeitsabscheider 22/21', welcher zwischen zwei Single-Screw Air-Ends 10, 10' angeordnet ist, kann in beide Arbeitsrichtungen verwendet werden. Die Flüssigkeitsabscheider 21, 22 haben einen Eingang für das Gas- Flüssigkeits-Gemisch, einen Ausgang für das Gas, sowie einen zusätzlichen Ausgang für die separierte Flüssigkeit. Eine Flüssigkeitsleitung 70 verbindet den Ausgang des Flüssigkeitsabscheiders 21 oder 22 für die Flüssigkeit mit dem Single-Screw Air- End 10, also bei der Kompression ist der Flüssigkeitsabscheider 22 über die Flüssigkeitsleitung 70 mit dem Single-Screw Air-End 10 und umgekehrt bei der Expansion ist der Flüssigkeitsabscheider 21 über die Flüssigkeitsleitung 70 mit dem Single-Screw Air-End 10 verbunden. In Fliessrichtung vom Flüssigkeitsabscheider 21 oder 22 zum Single-Screw Air-End 10, ist jeweils vor dem Single-Screw Air- End 10 ein steuerbares Einspritzventil 76 angeordnet, welches einen zweiten Ausgang zur Verbindungsleitung 15 oder 16 aufweist, wobei dieser Ausgang jeweils auf der Eingangsseite des Single- Screw Air-Ends 10 in die Verbindungsleitung 15 oder 16 mündet, so dass dieser zweite Ausgang des Einspritzventils 76 gegenüber dem Air-End 10 auf der gegenüberliegenden Seite des Flüssigkeitsabscheiders 21 oder 22 liegt.
[34] Für die Arbeitsrichtung Expansion (Fig. 3) wird nach dem Flüs- sigkeitsabscheider 21 zusätzlich eine Pumpe 73 angeordnet, damit die Flüssigkeit auf den nötigen Druck gebracht werden kann um mit dem höheren Druck in das Single-Screw Air-End 10 beziehungsweise der Hochdruckleitung 16 eingebracht werden zu können.
[35] In einer bevorzugten Ausführungsvariante führt die Flüssigkeitsleitung 70 durch einen Wärmetauscher 75, so dass die Flüssigkeit nach Bedarf erwärmt oder abgekühlt werden kann. Der Wärmetauscher 75 kann sowohl bei der Kompression (Fig. 4) als auch bei der Expansion (Fig. 5) eingesetzt werden. Der Wärmetauscher 75 kann in der Flüssigkeitsleitung 70 entweder vor oder nach der Pumpe angeordnet sein.
[36] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Einspritzventil 76 eine Ventilanordnung mit einem Eingang und drei Ausgängen, wobei je nach Betriebsmodus jeweils nur zwei Ausgänge zur Verfügung stehen. Damit der Flüssigkeitsabscheider 22/21' bei einem zwei- oder mehrstufigen System sowohl bei der Kompression als auch bei der Expansion verwendet werden kann, ist vorgesehen, dass ein Richtungsventil 80 nach dem Ausgang des Flüssigkeitsabscheiders 22/21' für die separierte Flüssigkeit angeordnet ist. Dieses Richtungsventil 80 führt je nach Betriebsmodus die Flüssig- keit entweder dem Wärmetauscher 75 (Kompression) oder der Pumpe 73 (Expansion) zu . Vor dem Wärmetauscher 75 ist in dieser Konfiguration ein Zulaufventil 74 angeordnet , welches zwei Eingänge und nur einem Ausgang hat . Bei der Kompression kommt die Flüssigkeit vom Flüssigkeitsabscheider 22 , welcher in der Hochdruckleitung 16 angeordnet ist , und bei der Expansion vom Flüssigkeitsabscheider 21 , welcher in der Tiefdruckleitung 15 angeordnet ist .
[ 37 ] Jede einzelne Single-Screw Stufe verfügt über einen eigenen Flüssigkeitskreislauf , der j eweils mit mindestens einem Flüssigkeitsabscheider 21 , 21 ' verbunden ist und eine Flüssigkeitslei tung 70 aufweist . Beim Austritt aus dem Single-Screw Air-End 10 wird das Gas-Flüssigkeits-Gemisch separiert , bevor die Flüssigkeit über den Wärmetauscher 75 thermisch mit der Umgebung interagieren kann . Wärmetauscher 75 , 75 ' von mehreren Stufen können auch gekoppelt ausgeführt werden oder für die Betriebsmodi Expansion und Kompression pro Stufe für j ede Fliessrichtung separat 751 , 752 ausgeführt werden ( Fig . 6 ) . Nach dem Wärmetauscher 75 wird die Flüssigkeit der Single-Screw Stufe wieder in Fliessrichtung vor dem Eintritt in das Single-Screw Air-End 10 dem Gas beigemischt und/oder direkt im Single-Screw Air-End 10 in der Kompressionsbeziehungsweise Expansionskammer eingespritzt . Weiter wird die Flüssigkeit für die Schmierung und Dichtung dem Single-Screw Air- End 10 zugeführt . Das Einspritzventil 76 kann j e nach Konfiguration abwechslungsweise oder gleichzeitig Flüssigkeit in das Single-
Screw Air-End 10 , und bei der Kompression in die Tiefdrucklei - tung 15 , beziehungsweise bei der Expansion in die Hochdruckleitung 16 , einspritzen, um das Volumenverhältnis vor dem Eintritt in das Air-End 10 zu verändern . In der bevorzugten Aus führungsvariante ist das Einspritzventil 76 steuerbar und stufenlos einstellbar, damit die Flüssigkeitsmenge der j eweils zwei aktiven Ausgänge beliebig und unabhängig voneinander eingestellt werden können .
[ 38 ] Fig . 2 und Fig . 4 zeigen den Betriebsmodus Kompression, wobei die nicht verwendeten Komponenten nicht dargestellt sind . In diesem Arbeitsmodus wird ein Gas von einem Tiefdruckreservoir 50 komprimiert und in ein Hochdruckreservoir 60 befördert . In einer besonderen Aus führungsvariante ist das Tiefdruckreservoir 50 die Umgebungsluft und/oder anstelle des Hochdruckreservoirs 60 kommt eine Druckluftleitung zum Einsatz . Die Single-Screw Air- Ends 10 , 10 ' drehen dabei in die Richtung, bei der das Volumen der geschlossenen Druckkammer verkleinert wird, was eine Kompression ermöglicht . Die Motor/Generator Einheiten 30 , 30 ' werden dabei als Motoren eingesetzt um die Single-Screw Air-Ends 10 , 10 ' unter Aufnahme von elektrischer Energie anzutreiben . Aufgrund der Einspritzung von Flüssigkeit in Fliessrichtung vor beziehungsweise direkt im Single-Screw Air-End 10 entsteht ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch .
[ 39 ] Nach dem Austritt aus dem Single-Screw Air-End 10 gelangt das Gas-Flüssigkeits-Gemisch in den Flüssigkeitsabscheider 22 wo die Flüssigkeit vom Gas separiert wird . Das Gas wird weiter in die nächste Stufe beziehungsweise nach der letzten Stufe weiter ins Hochdruckreservoir 60 geführt . Die separierte Flüssigkeit wird zu- erst durch den Wärmetauscher 75 geführt , um thermisch mit der Umgebung beziehungsweise einem externen Kreislauf zu interagieren, bevor sie wieder durch das Einspritzventil 76 dem Gas zugefügt wird . Im Betriebsmodus Kompression wird das Gas und die Flüssigkeit im Single-Screw Air-End 10 erwärmt . Die aufgenommene Wärme wird über den Wärmetauscher 75 abgegeben und kann zum Beispiel für Hei zzwecke verwendet werden . Danach wird die abgekühlte Flüssigkeit einerseits wieder dem Gas in der Tiefdruckleitung 15 vor dem Eintritt in das Single-Screw Air-End 10 beigemischt , und andererseits direkt beim Single-Screw Air-End 10 für die Schmierung und Dichtung verwendet beziehungsweise direkt in die Druckkammer eingespritzt .
[ 40 ] Die Beimischung der inkompressiblen Flüssigkeit in der Tiefdruckleitung 15 vor dem Eintritt ins Single-Screw Air-End 10 ermöglicht das Vergrössern des internen Volumenverhältnisses im Air- End 10 . Jedoch wird dadurch auch der Fördervolumenstrom des Gases durch das Single-Screw Air-End 10 verringert . Bei einer Unterkompression, also falls das Volumenverhältnis kleiner als das benötigte Druckverhältnis ist , wird der Druck beim Ausschieben aus der Druckkammer auf das nötige Druckniveau gebracht , was zusätzliche Energie benötigt . Andererseits wird bei einer Uberkompression ein unnötig hohes Druckniveau erreicht , was zu Ef fi zienzverlusten führt . Daher ist wichtig eine Uberkompression zu vermeiden und das Single-Screw Air-Ends 10 idealerweise in einer leichten Unterkompression zu betreiben . Dies bedeutet , dass die Beimischung der Flüssigkeit in der Tiefdruckleitung 15 vor dem Eintritt ins Sin- gle-Screw Air-End 10 für das Vergrössern des internen Volumenverhältnis nur in speziellen Konfigurationen sinnvoll ist , zum Bei spiel um den Gasmassenstrom zu reduzieren, damit eine grosse Unterkompression verhindert werden kann . Hingegen ist es sinnvoll , zusätzlich zur Schmierung und Dichtung die Flüssigkeit direkt dem Single-Screw Air-End 10 bei zugeben, beziehungsweise in die Druckkammer einzuspritzen, um den Wärmeübergang zwischen Gas und Flüssigkeit zu steuern, damit eine quasi-isotherme Kompression erreicht werden kann .
[ 41 ] Fig . 3 und Fig . 5 zeigen den Betriebsmodus Expansion ohne diej enigen Komponenten, welche bei diesem Arbeitsvorgang nicht benötigt werden . Dabei wird ein Gas von einem Hochdruckreservoir 60 expandiert und in ein Tiefdruckreservoir 50 befördert . In einer besonderen Aus führungsvariante ist das Tiefdruckreservoir 50 die Umgebungsluft . Die Single-Screw Air-Ends 10 , 10 ' drehen dabei in der entgegengesetzten Richtung als im Betriebsmodus Kompression . Dabei wird das Volumen der geschlossenen Druckkammer vergrössert , was eine Expansion ermöglicht . Die Motor/Generator Einheiten 30 , 30 ' werden dabei als Generator eingesetzt um die Single- Screw Air-Ends 10 , 10 ' unter Abgabe von elektrischer Energie zu bremsen .
[ 42 ] Nach dem Austritt aus dem Single-Screw Air-End 10 wird das Gas-Flüssigkeits-Gemisch im Flüssigkeitsabscheider 21 separiert . Das Gas fliesst nach der ersten Expansions-Stufe in die zweite Ex- pansions-Stuf e beziehungsweise nach der zweiten Expansions-Stufe weiter ins Tiefdruckreservoir 50 . Im Unterschied zum Betriebsmodus Kompression muss die separierte Flüssigkeit nun zuerst mit einer Pumpe 73 auf das höhere Druckniveau gebracht werden, welches vor der j eweiligen Stufe herrscht . Danach wird die Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 75 befördert , um thermisch mit der Umgebung beziehungsweise mit einem externen Kreislauf zu interagieren . Im Betriebsmodus Expansion wird die Flüssigkeit während der Expansion gekühlt , weil Wärme auf das sich abkühlende Gas übertragen wird . Uber den Wärmetauscher 75 kann die Flüssigkeit wieder aufgewärmt werden und folglich zur Kühlung eingesetzt werden . Danach wird die Flüssigkeit durch das Einspritzventil 76 einerseits wieder dem Gas in der Hochdruckleitung 16 vor dem Eintritt in das Single-Screw Air-End 10 beigemischt , und andererseits direkt beim Single-Screw Air-End 10 für die Schmierung und Dichtung verwendet und direkt in die Druckkammer eingespritzt , damit eine quasi-isotherme Expansion erreicht werden kann .
[ 43 ] Die Beimischung der inkompressiblen Flüssigkeit in der Hochdruckleitung 16 vor dem Eintritt ins Single-Screw Air-End 10 ermöglicht das Vergrössern des Volumenverhältnisses in der Hochdruckleitung 16 . Dies ist beim Betriebsmodus Expansion wichtig, weil dadurch die inef fi ziente Unterexpansion verhindert wird . Eine Unterexpansion tritt ein, falls das Volumenverhältnis kleiner als das benötigte Druckverhältnis ist . Andererseits gilt es auch die Uberexpansion zu verhindern, also den Fall wo das interne Volumen- Verhältnis grösser als das benötigte Druckverhältnis ist . Somit kann über das Steuern der Beimischung der Flüssigkeit das Volumenverhältnis und die Expansion optimiert werden . Weiter wird Flüs sigkeit für die Schmierung und Dichtung direkt dem Single-Screw Air-End 10 beigegeben und direkt in die Druckkammer eingespritzt , um den Wärmeübergang zwischen Gas und Flüssigkeit zu steuern .
[ 44 ] In der Anordnung gemäss Fig . 1 wird bei der Kompression der Flüssigkeitsabscheider 21 und bei der Expansion der Flüssigkeitsabscheider 22 ' nicht benötigt . Um die Kosten und den Platzbedarf dieser unnötigen Komponente zu vermeiden ist in einer weiteren Aus führungsvariante vorgesehen, dass für j ede Stufe nur ein Flüs- sigkeitsabscheider 21 benötigt wird . In Fig . 7a wird die entsprechende Anordnung für eine einzelne Stufe mit nur einem Flüssigkeitsabscheider 21 für die Kompression gezeigt . Dabei werden die in der Figur mit X markierten Leitungen von der Tiefdruckleitung 15 zum Flüssigkeitsabscheider 21 nicht benötigt . Ebenfalls nicht benötigt werden die Pumpe und die Verbindung zum Einspritzen der Flüssigkeit in die Hochdruckleitung 16 . Umgekehrt werden bei der Expansion die Leitungen von der Hochdruckleitung 16 zum Flüs- sigkeitsabscheider 21 und die Verbindung zum Einspritzen der Flüssigkeit in die Tiefdruckleitung 15 nicht benötigt , wie in Fig . 7b abgebildet .
[ 45 ] In einer besonderen Aus führungs form können für die Kompression und die Expansion zwei separate Wärmetauscher 751 , 752 eingesetzt werden, wie in Fig . 6 gezeigt . Für die Kompression kommt so z . B . ein Wärmetauscher 751 zum Einsatz, der der Flüssigkeit die Wärme entzieht, diese also kühlt und dafür Wärme an die Umgebung abgibt. Umgekehrt kann bei der Expansion ein Wärmetauscher 752 eingesetzt werden, welcher die Flüssigkeit wieder erwärmt, also die Umgebung abkühlt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aufgrund der Nutzung der Wärme, beziehungsweise der Kälte unterschiedliche Anforderungen und/oder externe Kreisläufe zum Einsatz kommen. Die bei der Kompression freiwerdende Wärme kann zum Beispiel für Raumheizung, Warmwasser, als Prozesswärme (Niedertemperatur) oder für die Vorheizung bei einem industriellen Prozess verwendet werden. Bei der Expansion kann z.B. ein Data Center, Lebensmittel Kühllager oder ein sonstiger Raum gekühlt werden, es kann Kühlwasser für eine Maschine bereitgestellt werden, oder die Kälte wird zur Server- oder Maschinenkühlung direkt verwendet.
[46] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspritzventile 76, 76', die Zulaufventile 74, 74' und die Richtungsventile 80, sowie die Motor/ Generator Einheiten 30, 30' von einer zentralen Steuerung kontrolliert und, entsprechend dem Betriebsmodus, gemäss vordefinierten Kriterien oder automatisch eingestellt werden können. Zur Optimierung der Kompression und der Expansion ist zudem vorgesehen, dass verschiedene Sensoren und Messgeräte in den einzelnen Komponenten angeordnet sind. Dies können zum Beispiel Drucksensoren in den Tiefdruckleitungen 15, 15', den Hochdruckleitungen 16, 16' und/ oder in den Flüssigkeitsabscheidern 21, 22 und Single-Screw Air- Ends 10, 10' sein, um das das Druckverhältnis zu überprüfen. Auch Temperatursensoren oder Sensoren zur Durchflussmessung, welche vor und nach den Air-Ends 10, 10' und/oder den Wärmetauschern 75, 75' angeordnet sind, können von Vorteil sein, um die Temperaturveränderungen zu kontrollieren. Durch eine intelligente Steuerung der Drehzahlen der Motor/Generator Einheiten 30, 30', der Pumpen 73, 73' und der Einspritzventile 76, 76' in Abhängigkeit der Druck-, Temperatur- und Durchflussmessungen kann so eine Optimierung im jeweiligen Arbeitsmodus erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Bidirektionales Single-Screw System für die Kompression und
Expansion eines Gases, umfassend mindestens ein Single-Screw Air-End (10) , welches auf einer Seite eine Tiefdruckleitung (15) und auf der anderen Seite eine Hochdruckleitung (16) aufweist, sowie einer Motor/Generator Einheit (30) , welche mit dem Single- Screw Air-End (10) gekoppelt ist, wobei mittels Antrieb des Single-Screw Air-Ends (10) durch die Motor/Generator Einheit (30) ein Gas von der Tiefdruckleitung (15) in die Hochdruckleitung (16) beförderbar und komprimierbar ist und in der umgekehrten Richtung mittels Expansion des Gases durch die Motor/Generator Einheit (30) elektrische Energie erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Flüssigkeitsabscheider (21) mit der Tiefdruckleitung (15) und/oder der Hochdruckleitung (16) verbunden ist, und eine Flüssigkeitsleitung ( 70 ) zum Transport einer Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (21) und dem Single-Screw Air-End (10) besteht, und zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (21) und dem Single-Screw Air-End (10) ein Einspritzventil (76) angeordnet ist, welches mindestens eine zweite Verbindung zur Tiefdruckleitung (15) oder zur Hochdruckleitung (16) aufweist.
2. Single-Screw System gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher (75) zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (21) und dem Einspritzventil (76) angeordnet ist.
3 Single-Screw System gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Pumpe (73) zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (21) und dem Einspritzventil (76) angeordnet ist.
4 Single-Screw System gemäss Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten des Single-Screw Air-Ends (10) ein Flüssigkeitsabscheider (21,22) angeordnet ist, und die Pumpe (73) zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (21) an der Tiefdruckleitung (15) und dem Einspritzventil (76) beziehungsweise dem Wärmetauscher (75) angeordnet ist. Single-Screw System gemäss Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Air-Ends (10, 10' ) ein mehrstufiges System bilden, wobei der Flüssigkeitsabscheider (22) , welcher bei der Kompression für die Separierung der Flüssigkeit in einer ersten Stufe verwendet wird, bei der Expansion als Flüssigkeitsabscheider (21' ) einer zweiten Stufe zum Einsatz kommt, und nach dem Ausgang des Flüssigkeitsabscheiders (22/21' ) ein Richtungsventil (80) angeordnet ist, welches die Flüssigkeit bei der Kompression in die Flüssigkeitsleitung (70) der ersten Stufe und bei der Expansion in die Flüssigkeitsleitung (70' ) der zweiten Stufe führt, und ein Zulaufventil (74) zwischen der Pumpe (73) , dem Richtungsventil (80) und dem Einspritzventil (76) beziehungsweise dem Wärmetauscher (75) angeordnet ist. Single-Screw System gemäss Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (76) sowohl eine Verbindung zur Tiefdruckleitung (15) als auch zur Hochdruckleitung (16) aufweist . Verfahren zur Kompression und Expansion eines Gases wobei das Gas mittels einer bidirektionalen Single-Screw Maschine von einem Tiefdruckreservoir (50) in ein Hochdruckreservoir (60) oder umgekehrt befördert wird, die Single-Screw Maschine umfasst mindestens ein Single-Screw Air-End (10) , welches auf einer Seite über eine Tiefdruckleitung (15) mit dem Tiefdruckreservoir (50) und auf der anderen Seite über eine Hochdruckleitung (16) mit dem Hochdruckreservoir (60) verbunden ist, sowie einer Motor/Generator Einheit (30) , welche mit dem Single- Screw Air-End (10) gekoppelt ist, wobei mittels Antrieb des Single-Screw Air-End (10) durch die Motor/Generator Einheit (30) das Gas von der Seite des Tiefdruckreservoirs (50) auf die Seite des Hochdruckreservoirs (60) befördert und komprimiert wird, und in der umgekehrten Richtung mittels Expansion des Gases durch die Motor/Generator Einheit (30) elektrische Energie erzeugt wird, wobei das Single-Screw Air-End (10) mittels einer Flüssigkeit geschmiert und abgedichtet wird, und dem Gas in Fliessrichtung vor dem Single-Screw Air-End (10) und direkt im Single-Screw Air-End (10) eine Flüssigkeit beigemischt wird. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Luft verwendet wird. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerung die Beimischung der Flüssigkeit derart geregelt wird, dass der Kompressions- bzw. Expansionsprozess quasi-isotherm erfolgt. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerung die Beimischung der Flüssigkeit derart geregelt wird, dass das interne Volumenverhältnis im Air- End (10) gesteuert wird um eine Über-/Unterkompression bzw. Über-/Unterexpansion zu verhindern.
EP24724926.1A 2023-04-03 2024-04-02 Bidirektionales single-screw system und verfahren zur kompression und expansion eines gases Pending EP4689401A1 (de)

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CH000360/2023A CH720684A1 (de) 2023-04-03 2023-04-03 Bidirektionales Single-Screw System und Verfahren zur Kompression und Expansion eines Gases
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