WO2006128581A1 - Kryoverdichter mit seitlich angeordnetem druckventil - Google Patents

Kryoverdichter mit seitlich angeordnetem druckventil Download PDF

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WO2006128581A1
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    • F04B53/10Valves; Arrangement of valves

Definitions

  • the invention relates to a compressor, in particular compressors for cryogenic media, preferably for liquid hydrogen, comprising a cylinder wall surrounded by a compressor chamber in which a compressor piston is moved linearly, a suction valve and a pressure valve, wherein both valves arranged in the region of the lower end position of the compressor piston are.
  • cryogenic media are to be understood below as cryogenic liquids, in particular liquid hydrogen, liquefied natural gas, liquid nitrogen, liquid oxygen and other liquefied gases.
  • Compressors of any kind are well known in the art. They all have in common that passed through a spring-loaded suction valve, the medium to be compressed in a compressor room, compressed and then withdrawn via a spring-loaded pressure valve from the compressor room.
  • FIG. 1 shows in a laterally schematic sectional illustration a generic compressor construction belonging to the prior art.
  • a compressor piston K is moved linearly back and forth or up and down within a compressor chamber R surrounded by a cylinder wall Z.
  • the two reversal points of the compressor piston K ' are referred to below as the lower and upper end position of the compressor piston K'.
  • a suction valve S and a pressure valve D 1 are arranged on the underside of the cylinder chamber.
  • About the suction valve S occurs during the suction cycle - while the compressor piston K 1 moves from its lower end into its upper end position, in the present case from bottom to top - the liquid medium to be compressed in the compressor chamber R.
  • the compressor piston K 1 moves from its upper again to its lower end position, which is shown in the figure 1 - the compressed medium via the pressure valve D 'from the compressor chamber R is pushed or ejected , Especially during the liquid compression of a liquid cryogenic medium, a gas phase G inevitably occurs during compaction.
  • Cylinder space Z to lead and thus reduce the dead space or "eliminate". This is due to the fact that the dead space of compressors is optimized. Due to the length expansions during cooling, a certain dead space can not be prevented. If no dead space was provided, the valves could not be integrated into the compressor.
  • Object of the present invention is to provide a generic compressor, in particular a generic compressor for cryogenic media, specify, in which the aforementioned disadvantages can be avoided.
  • a generic compressor is proposed, which is characterized in that the pressure valve in the region of the lower end position of the compressor piston is arranged laterally on the cylinder wall and the head of the compressor piston has a conical shape.
  • Figure 2 shows - as already the figure 1 - a lateral schematic sectional view through a possible embodiment of the compressor according to the invention.
  • the compressor piston K is now in its lower end position at the end of the pressure or compression cycle - as shown in FIG. 2 - the remaining dead space G filled with gaseous medium is now substantially smaller than that shown in FIG compressor design. Furthermore, because of the conical shape x of the compressor piston K, there is or is a "connection" to the pressure valve D, so that the compressed cryogenic medium can be expelled from the dead space via the pressure valve D.
  • compressor according to the invention it is achieved that the gas content in the compressor chamber at the end of the pressure or compression cycle is completely eliminated or at least largely reduced; this results in a higher capacity compared to known compressor designs.
  • a reduction of the specific compressor capacity relative to the amount of the conveyed or compressed medium can be achieved.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verdichter, insbesondere Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saugventil und ein Druckventil, wobei beide Ventile im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind, beschrieben. Erfindungsgemäß ist das Druckventil (D) im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens (K) seitlich an der Zylinderwand (Z) angeordnet und der Kopf des Verdichterkoibens (K) weist eine konische Form (x) auf.

Description

Beschreibung
Kryoverdichter mit seitlich angeordnetem Druckventil
Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saugventil und ein Druckventil, wobei beide Ventile im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind.
Unter dem Begriff "kryogene Medien" seien nachfolgend sog. tiefkalte Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und andere verflüssigte Gase zu verstehen.
Verdichter jeglicher Art sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ihnen allen ist gemein, dass über ein federbelastetes Saugventil das zu verdichtende Medium in einen Verdichterraum geführt, verdichtet und anschließend über ein federbelastetes Druckventil aus dem Verdichterraum abgezogen wird.
Die Figur 1 zeigt in einer seitlich schematisierten Schnittdarstellung eine gattungsgemäße, zum Stand der Technik zählende Verdichterkonstruktion.
Innerhalb eines von einer Zylinderwand Z umgebenen Verdichterraumes R wird ein Verdichterkolben K" linear hin und her bzw. auf und ab bewegt. Die beiden Umkehrpunkte des Verdichterkolbens K' werden nachfolgend als untere und obere Endlage des Verdichterkolbens K' bezeichnet.
Auf der Unterseite des Zylinderraumes sind ein Saugventil S und ein Druckventil D1 angeordnet. Über das Saugventil S tritt während des Saugtaktes - dabei bewegt sich der Verdichterkolben K1 aus seiner unteren in seine obere Endlage, im vorliegenden Fall also von unten nach oben - das zu verdichtende flüssige Medium in den Verdichterraum R ein. Während des nachfolgenden Druck- bzw. Verdichtungstaktes - der Verdichterkolben K1 bewegt sich dabei von seiner oberen wieder in seine untere Endlage, die in der Figur 1 dargestellt ist - wird das verdichtete Medium über das Druckventil D' aus dem Verdichterraum R gedrückt bzw. ausgeschoben. Insbesondere bei der Flüssigverdichtung eines flüssigen kryogenen Mediums kommt es zwangsläufig während der Verdichtung zur Ausbildung einer Gasphase G. Verbleibt diese nach dem Druck- bzw. Verdichtungstakt in dem nicht zu vermeidenden Totraum des Verdichterraumes R, so kommt es während des nachfolgenden Saugtaktes zu einer Entspannung des gasförmigen Mediums innerhalb des Verdichterraumes R. Während dieser Entspannung kann kein neues, flüssiges kryogenes Medium über das Saugventil S in den Verdichterraum R angesaugt werden. Dies hat somit zur Folge, dass die Förderleistung des Verdichters wesentlich reduziert wird.
Wäre der Totraum am Ende des Druck- bzw. Verdichtungstaktes ausschließlich mit Flüssigkeit befüllt, könnte die vorgeschriebene, unerwünschte Entspannung des gasförmigen Mediums verhindert werden. Bei allen bekannten Verdichterkonstruktionen sitzen Saug- S und Druckventil D1 an der Unterseite des Zylindergehäuses Z. Dies hat zur Folge, dass durch den Verdichterkolben K' zunächst die Flüssigphase F über das Druckventil D' aus dem Verdichterraum R gedrückt bzw. ausgeschoben wird, während im verbleibenden Totraum zwangsläufig eine Gasphase G verbleibt.
Es ist grundsätzlich nicht möglich, den Verdichterkolben K1 bis zum Boden des
Zylinderraumes Z zu führen und damit den Totraum zu verringern bzw. zu "beseitigen". Dies hat seine Ursache darin, dass der Totraum von Verdichtern optimiert ist. Durch die Längenausdehnungen bei der Abkühlung kann ein gewisser Totraum nicht verhindert werden. Wäre kein Totraum vorgesehen, könnten auch die Ventile nicht in den Verdichter integriert werden.
Die in dem Totraum zwangsläufig verbleibende Gasphase G dehnt sich jedoch nach der Verdichtung aus und verhindert dadurch das Einströmen von "frischer", zu verdichtender Flüssigkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter, insbesondere einen gattungsgemäßen Verdichter für kryogene Medien, anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßer Verdichter vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckventil im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens seitlich an der Zylinderwand angeordnet ist und der Kopf des Verdichterkolbens eine konische Form aufweist.
Der erfindungsgemäße Verdichter sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien anhand des in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Auch die Figur 2 zeigt - wie bereits die Figur 1 - eine seitliche schematisierte Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters.
Bei dem in der Figur 2 dargestellten Verdichterkolben K weist dessen Kopf eine konische Form - Bereich x - auf. Des Weiteren ist das Druckventil D nunmehr im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens K seitlich an der Zylinderwand Z angeordnet.
Befindet sich der Verdichterkolben K nunmehr am Ende des Druck- bzw. Verdichtungstaktes in seiner unteren Endlage - wie dies in der Figur 2 dargestellt ist -, ist der verbleibende, mit gasförmigem Medium gefüllte Totraum G nunmehr wesentlich kleiner als bei der in der Figur 1 dargestellten Verdichterkonstruktion. Des Weiteren ent- bzw. besteht aufgrund der konischen Form x des Verdichterkolbens K eine "Verbindung" zu dem Druckventil D, so dass das verdichtete kryogene Medium über das Druckventil D aus dem Totraum ausgeschoben werden kann.
Am Ende des Druck- bzw. Verdichtungstaktes verbleibt jedoch eine Flüssigphase F, die durch den sich in die untere Endlage bewegenden Verdichterkolben K nicht vollständig über das Druckventil D ausgedrückt bzw. -schoben werden kann.
Dies hat zur Folge, dass zu Beginn des nachfolgenden Saugtaktes eine deutlich verringerte Gasmenge entspannt werden muss - wenn nicht sogar der verbleibende Totraum vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist -, bevor erneut flüssiges kryogenes Medium über das Saugventil S angesaugt werden kann. Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass in den Figuren 1 und 2 die ggf. zwischen dem Verdichterkolben K1 bzw. K und der Zylinderwand Z vorzusehenden Dichtungsmittel der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
Mittels des vorbeschriebenen, erfindungsgemäßen Verdichters wird erreicht, dass der Gasanteil im Verdichterraum am Ende des Druck- bzw. Verdichtungstaktes gänzlich beseitigt oder zumindest weitgehend reduziert ist; daraus resultiert eine gegenüber bekannten Verdichterkonstruktionen höhere Förderleistung. Somit kann eine Verringerung der spezifischen Verdichterleistung bezogen auf die Menge des geförderten bzw. verdichteten Mediums erzielt werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verdichter verbundenen Vorteile werden durch eine gegenüber dem Stand der Technik geringfügig kompliziertere Verdichterkonstruktion erkauft; die mit ihr verbundenen Mehrkosten werden jedoch durch die erreichten Vorteile mehr als kompensiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter, insbesondere Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saugventil und ein Druckventil, wobei beide Ventile im Bereich der unteren Endlage des
Verdichterkolbens angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (D) im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens (K) seitlich an der Zylinderwand (Z) angeordnet ist und der Kopf des Verdichterkolbens (K) eine konische Form (x) aufweist.
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