WO2013023231A2 - Hochdruck-gas-antriebseinheit - Google Patents

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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a high-pressure gas drive unit, with the gas based on temperature and pressure differences in
  • the invention relates to a method for operating such a high pressure gas drive unit.
  • the invention is based on the object of being able to operate a high-pressure gas drive unit as energy-efficiently as possible.
  • High-pressure heat exchangers are partially gas and liquid and that the compressed gas acts on the liquid that drives the piston of another compressor.
  • the invention aims that in the
  • High-pressure heat exchangers partly gas, partly liquid, wherein the liquid through the compressed gas over the
  • the respective temperature of the two high pressure heat exchanger is not changed; the first high-pressure heat exchanger remains in the high-temperature range and the second high-pressure heat exchanger remains in the high-temperature range
  • oil can be used as the liquid in the context of the invention.
  • Embodiment is shown.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a system according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of another
  • the drive unit in Fig. 1 consists of two
  • High-pressure heat exchangers A and B in Station I where gas and liquid are in the initial state and the same high pressure prevails.
  • the gas 1 and the liquid 3 for example, by solar energy, geothermal,
  • Liquid 4 e.g. low ambient temperature, cooling water, industrial cooling, wind influence, etc., via registers 6 and
  • Double jacket 16 cooled, causing a pressure drop in this
  • Heat exchanger B causes.
  • the two high-pressure heat exchangers A and B are connected to lines and valves 11, 12 and 14, 15.
  • High-pressure heat exchanger A is due to the gas in the overpressure when opening the valves 11 and 15 via another
  • Compressor 7 passed into the high-pressure heat exchanger B at a lower pressure and acts on the piston 8. After completed
  • valves 12 and 14 are opened, whereby the piston 8 moves in the opposite direction.
  • These piston movements are used in a secondary gas circulation 9 and 10 for driving a turbine and also serve by pressing and relaxing the gas for heat generation and cooling. This effect persists until the pressure equalization in both
  • High-pressure heat exchangers A and B enters.
  • the liquid in the high-pressure heat exchanger B is at a higher level than in the high-pressure heat exchanger A, the level compensation of the liquids is restored through the opening of the valve 13 via the high-pressure heat exchanger connecting line.
  • the cycle may begin anew after heating from the high pressure heat exchanger A and cooling from the high pressure heat exchanger B.
  • FIG. 2 is also based on the functional principle described with reference to FIG.
  • a filter 18 is shown in FIG. 2 in the area of the further compressor 7, which filter can also serve for the separation of condensed water.
  • the piston 8 of the compressor 7 is connected in its linear direction of movement on both sides each with a connecting means, for example a rod or a tube, which in turn is each connected to a further piston 16.
  • a connecting means for example a rod or a tube, which in turn is each connected to a further piston 16.
  • air can be sucked in through the one piston 16 in a cylinder 17 and air can be compressed by the other piston 16 in a further cylinder 17.
  • Lanyard can be driven by a linear motor.
  • Rotational movement made to thereby drive a generator.
  • the cylinder 17 may be arranged a liquid jacket.
  • the liquid present in this jacket for example water, is heated by the heat released by the cylinder 17 and can be led to a liquid storage, for example a hot water storage tank WSP.
  • the compressed in the cylinder 17, for example, 200 bar air can be performed via lines 28 at least partially into the gas storage GSP.
  • the compressed in the cylinder 17, for example, 200 bar air can be performed via lines 28 at least partially into the gas storage GSP.
  • the gases in the cylinder 17, for example, 200 bar air can be performed via lines 28 at least partially into the gas storage GSP.
  • compressed air at least partially drive a generator.
  • water or another cooling liquid in the cold water storage KSP can, for example, be used in the context of the invention via a arranged in the cold water tank KSP register to be cooled. This cooling fluid can then be used to cool a
  • High pressure heat exchanger can be used via a line 22.
  • by relaxing at least a portion of the compressed air also directly
  • High pressure heat exchanger for example, in a double jacket of the high pressure heat exchanger to be cooled.
  • the relaxed air can be released to the environment.
  • the heating of a high pressure heat exchanger can be done by a stored in a hot water tank WSP liquid from the hot water tank WSP via a closed circuit 23 to the register or double jacket of the high pressure heat exchanger and back to the hot water tank WSP.
  • High-pressure heat exchangers A is heated and always gas in the second high-pressure heat exchanger B is cooled.
  • gas is heated in the first high-pressure heat exchanger A and gas is cooled in the second high-pressure heat exchanger B and that after pressure equalization, the gas in the first
  • High pressure heat exchanger B is heated.
  • two or more further compressors 7 may be provided.

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Abstract

In einer Hochdruck-Gas-Antriebseinheit ist Gas (1, 2) auf Basis von Temperatur- und Druckunterschieden in Hochdruckwärmetauschern (A, B) über einen ersten Verdichter (9, 10) komprimierbar, wobei das Gas (1, 2) dem Antrieb einer Turbine sowie der Wärme- und Kälteerzeugung dient. In den Hochdruckwärmetauschern (A, B) befinden sich teilweise Gas (1, 2) und Flüssigkeit (3, 4), wobei das komprimierte Gas (1) auf die Flüssigkeit (3) wirkt, die den Kolben (8) eines weiteren Verdichters (7) antreibt. Bei erfolgtem Druckausgleich in den beiden Hochdruckwärmetauschern (A, B) gleicht sich das Niveau der Flüssigkeit (4), das im zweiten Hochdruckwärmetauscher (B) angestiegen ist, und das Niveau der Flüssigkeit (3) im ersten Hochdruckwärmetauscher (A) durch Öffnen eines Ventils (13) in einer Verbindungsleitung der beiden Hochdruckwärmetauscher (A, B) aus.

Description

Hochdruck-Gas-Antriebseinheit
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Gas-Antriebseinheit, mit der Gas auf Basis von Temperatur- und Druckunterschieden in
Hochdruckwärmetauschern über einen ersten Verdichter
komprimierbar ist, wobei das Gas dem Antrieb einer Turbine sowie der Wärme- und Kälteerzeugung dient. Des. weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hochdruck- Gas-Antriebseinheit.
Aus der US 5 259 363 A und der AT 210 966 B ist eine Anlage zur Solargewinnung bekannt. Darin wird eine Vorrichtung zum
Verdichten eines Gases mittels Sonnenenergie und/oder
Umgebungswärme beschrieben, wobei ein erster Wärmetauscher auf hohem Temperaturniveau und ein zweiter Wärmetauscher auf
niedrigem Temperaturniveau und dazwischen eine Turbine zur Abgabe mechanischer Energie vorgesehen ist. Nach erfolgtem
Druckausgleich wird das Gas durch eine Pumpe, die zusätzlich Energie verbraucht, rückgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hochdruck-Gas- Antriebseinheit möglichst energieeffizient betreiben zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Hochdruck- Gas-Antriebseinheit, welche die Merkmale des Anspruches 1
aufweist.
Des weiteren wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruches 5 aufweist.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich in den
Hochdruckwärmetauschern teilweise Gas und Flüssigkeit befinden und dass das komprimierte Gas auf die Flüssigkeit wirkt, die den Kolben eines weiteren Verdichters antreibt. Die Erfindung zielt darauf ab, dass sich in den
Hochdruckwärmetauschern teils Gas, teils Flüssigkeit befindet, wobei die Flüssigkeit durch das komprimierte Gas über den
weiteren Verdichter in den zweiten Hochdruckwärmetauscher geleitet wird. Der Vorteil besteht darin, dass sich bei erfolgtem Druckausgleich in den beiden Hochdruckwärmetauschern das Niveau der Flüssigkeit, das im zweiten Hochdruckwärmetauscher
angestiegen ist, und das Niveau der Flüssigkeit im ersten
Hochdruckwärmetauscher durch Öffnen eines Ventils in einer
Verbindungsleitung der beiden Hochdruckwärmetauscher ausgleicht. Der Niveauausgleich der Flüssigkeiten in den beiden
Hochdruckwärmetauschern wird wieder hergestellt, wobei das Gas nicht wie in AT 410 966 B beschrieben nach erfolgtem
Druckausgleich durch eine Pumpe - die zusätzlich Energie
verbraucht - rückgeführt werden muss. Weiters wird die jeweilige Temperatur der beiden Hochdruckwärmetauscher nicht gewechselt; der erste Hochdruckwärmetauscher bleibt im Hochtemperaturbereich und der zweite Hochdruckwärmetauscher im
Niedrigtemperaturbereich, was zusätzliche Energieeinsparung bringt .
Als Flüssigkeit kann im Rahmen der Erfindung insbesondere Öl verwendet werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung, in welcher eine bevorzugte
Ausführungsform dargestellt ist.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage.
Die Antriebseinheit in Fig. 1 besteht aus zwei
Hochdruckwärmetauschern A und B in Station I, in denen sich Gas und Flüssigkeit befinden und im Ausgangszustand gleich hoher Druck herrscht. Im ersten Wärmetauscher A wird das Gas 1 und die Flüssigkeit 3 beispielsweise durch Sonnenenergie, Erdwärme,
Industriewärme und dergleichen, über Register 5 und Doppelmantel 16 erwärmt, was zu einem Druckanstieg in diesem Wärmetauscher A führt. Im zweiten Wärmetauscher B wird das Gas 2 und die
Flüssigkeit 4 z.B. durch geringe Umgebungstemperatur, Kühlwasser, Industriekühlung, Windeinfluss usw., über Register 6 und
Doppelmantel 16 abgekühlt, was einen Druckabfall in diesem
Wärmetauscher B bewirkt.
Die beiden Hochdruckwärmetauscher A und B sind mit Leitungen und Ventilen 11, 12 und 14, 15 verbunden. Die Flüssigkeit im
Hochdruckwärmetauscher A wird durch das im Überdruck befindliche Gas bei Öffnung der Ventile 11 und 15 über einen weiteren
Verdichter 7 in den Hochdruckwärmetauscher B mit geringerem Druck geleitet und wirkt dabei auf den Kolben 8. Nach erfolgtem
Arbeitsgang des Kolbens 8 werden die Ventile 12 und 14 geöffnet, wodurch sich der Kolben 8 in die Gegenrichtung bewegt. Diese Kolbenbewegungen werden in einem Sekundär-Gaskreislauf 9 und 10 zum Antrieb einer Turbine genutzt und dienen zudem durch Pressen und Entspannen des Gases zur Wärmeerzeugung und Kühlung. Dieser Effekt besteht solange, bis der Druckausgleich in beiden
Hochdruckwärmetauschern A und B eintritt.
Da sich die Flüssigkeit im Hochdruckwärmetauscher B auf einem höheren Niveau als im Hochdruckwärmetauscher A befindet, wird durch die Öffnung des Ventils 13 über die Hochdruckwärmetauscher- Verbindungsleitung der Niveauausgleich der Flüssigkeiten wieder hergestellt.
Der Zyklus kann nach Erwärmung vom Hochdruckwärmetauscher A und Abkühlung vom Hochdruckwärmetauscher B von Neuem beginnen.
Die kontinuierliche Fortsetzung des Arbeitsganges des Kolbens 8 wird in der Zwischenzeit von Station II bzw. mehreren
nachgeschalteten Stationen sichergestellt. Der in Fig. 2 dargestellten Anlage liegt ebenfalls das zu Fig. 1 beschriebene Funktionsprinzip zu Grunde. Es sind drei Paare von Hochdruckwärmetauschern A, B dargestellt, wobei im Rahmen der Erfindung - je nach Größe der Anlage - eine beliebige Anzahl an Paaren von Hochdruckwärmetauschern A, B vorgesehen sein kann.
Zusätzlich zur in Fig. 1 dargestellten Anlage ist in Fig. 2 im Bereich des weiteren Verdichters 7 ein Filter 18 dargestellt, der auch zum Abscheiden von Kondenswasser dienen kann. Der Kolben 8 des Verdichters 7 ist in seiner linearen Bewegungsrichtung auf beiden Seiten je mit einem Verbindungsmittel, beispielsweise eine Stange oder ein Rohr, verbunden, welches wiederum je mit einem weiteren Kolben 16 verbunden ist. Durch die Bewegung des Kolbens 8 des weiteren Verdichters 7 kann somit durch den einen Kolben 16 in einem Zylinder 17 Luft angesaugt werden und durch den anderen Kolben 16 in einem weiteren Zylinder 17 Luft komprimiert werden.
Durch die lineare Bewegung des vom Kolben 8 ausgehenden
Verbindungsmittels kann ein Linearmotor angetrieben sein. Im Rahmen der Erfindung kann auch eine Translation der linearen Bewegung des Kolbens 8 durch geeignete Mittel 24 in eine
Drehbewegung erfolgen, um dadurch einen Generator anzutreiben.
Um die Zylinder 17 kann ein Flüssigkeitsmantel angeordnet sein. Die in diesem Mantel befindliche Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, erwärmt sich durch die vom Zylinder 17 abgegebene Wärme und kann zu einem Flüssigkeitsspeicher, beispielsweise einem Warmwasserspeicher WSP, geführt werden.
Die im Zylinder 17 beispielsweise auf 200 bar komprimierte Luft kann über Leitungen 28 zumindest teilweise in den Gasspeicher GSP geführt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die
komprimierte Luft zumindest teilweise einen Generator antreiben.
Durch das Entspannen zumindest eines Teils der im Zylinder 17 komprimierten Luft kann im Rahmen der Erfindung Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit im Kaltwasserspeicher KSP, beispielsweise über ein im Kaltwasserspeicher KSP angeordnetes Register, gekühlt werden. Diese Kühlflüssigkeit kann dann zum Kühlen eines
Hochdruckwärmetauschers über eine Leitung 22 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können durch das Entspannen zumindest eines Teils der komprimierten Luft auch direkt
Hochdruckwärmetauscher, beispielsweise in einem Doppelmantel des Hochdruckwärmetauschers, gekühlt werden. Die entspannte Luft kann an die Umgebung abgegeben werden.
Die Erwärmung eines Hochdruckwärmetauschers kann durch eine in einem Warmwasserspeicher WSP gespeicherte Flüssigkeit, die vom Warmwasserspeicher WSP über einen geschlossenen Kreislauf 23 zum Register oder Doppelmantel des Hochdruckwärmetauschers und wieder zum Warmwasserspeicher WSP führt, erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass immer Gas im ersten Hochdruckwärmetauscher A eines Paares von
Hochdruckwärmetauschern A erhitzt wird und immer Gas im zweiten Hochdruckwärmetauscher B gekühlt wird. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass Gas im ersten Hochdruckwärmetauscher A erhitzt und Gas im zweiten Hochdruckwärmetauscher B gekühlt wird und dass nach erfolgtem Druckausgleich das Gas im ersten
Hochdruckwärmetauscher A gekühlt und Gas im zweiten
Hochdruckwärmetauscher B erhitzt wird.
Im Rahmen der Erfindung können auch zwei oder mehrere weitere Verdichter 7 vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche :
Hochdruck-Gas-Antriebseinheit, mit der Gas (1, 2) auf Basis von Temperatur- und Druckunterschieden in
Hochdruckwärmetauschern (A, B) über einen ersten Verdichter (9, 10) komprimierbar ist, wobei das Gas (1, 2) dem Antrieb einer Turbine sowie der Wärme- und Kälteerzeugung dient, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den
Hochdruckwärmetauschern (A, B) teilweise Gas (1, 2) und Flüssigkeit (3, 4) befinden und dass das komprimierte Gas (1) auf die Flüssigkeit (3) wirkt, die den Kolben (8) eines weiteren Verdichters (7) antreibt.
Hochdruck-Gas-Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckwärmetauscher (A, B) durch eine Leitung mit einem Ventil (13) verbunden sind, das bei Öffnung einen Druck- und Niveauausgleich von Gas (1, 2) und Flüssigkeit (3, 4) ermöglicht.
Hochdruck-Gas-Antriebseinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hochdruckwärmetauscher (A) ein Register (5) zum Erwärmen des Gases (1) und der
Flüssigkeit (3) aufweist und ein kontinuierlich wärmender Hochdruckwärmetauscher (A) ist und dass und dass der zweite Hochdruckwärmetauscher (B) ein Register (6) zum Kühlen des Gases (1) und der Flüssigkeit (3) aufweist und ein
kontinuierlich kühlender Hochdruckwärmetauscher (B) ist.
Hochdruck-Gas-Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei
Stationen (I, II) mit Hochdruckwärmetauschern (A, B)
aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Gas-Antriebseinheit, mit der Gas (1, 2) auf Basis von Temperatur- und
Druckunterschieden in Hochdruckwärmetauschern (A, B) über einen ersten Verdichter (9, 10) komprimiert wird, wobei das Gas (1, 2) zum Antrieb einer Turbine sowie der Wärme- und Kälteerzeugung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Hochdruckwärmetauschern (A, B) teilweise Gas (1, 2) und Flüssigkeit (3, 4) befinden und dass das komprimierte Gas (1) derart auf die Flüssigkeit (3) wirkt, dass mit der Flüssigkeit (3) der Kolben (8) eines weiteren Verdichters (7) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (1) und die Flüssigkeit (3) im ersten
Hochdruckwärmetauscher (A) durch ein Register (5) erwärmt werden und das Gas (2) und die Flüssigkeit (4) im zweiten Hochdruckwärmetauscher (B) durch ein Register (6) gekühlt wird .
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hochdruckwärmetauscher (A) kontinuierlich wärmend und der zweite Hochdruckwärmetauscher (B) kontinuierlich kühlend betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) aus dem ersten Hochdruckwärmetauscher (A) durch das komprimierte Gas (1) über den weiteren Verdichter (7) in den zweiten
Hochdruckwärmetauscher (B) .geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hochdruckwärmetauscher (A, B) durch eine Leitung mit einem Ventil (13) verbunden sind und dass die Flüssigkeits- und Druckniveaus in den beiden
Hochdruckwärmetauschern (A, B) durch Öffnen des Ventils (13) ausgeglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Gas-Antriebseinheit wenigstens zwei Stationen (I, II) mit Hochdruckwärmetauschern (A, B) aufweist und dass der Kolben (8) des weiteren Verdichters (7) mit der Flüssigkeit aus dem ersten Hochdruckverdichter (A) der einen Station I angetrieben wird während das Flüssigkeits- und Druckniveau in den beiden Hochdruckwärmetauschern (A, B) der weiteren Station II ausgeglichen wird.
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