WO2014161647A1 - Kältemittelverdichter und verfahren zur verdichtung von gas sowie verfahren zur herstellung von flüssigem wasserstoff - Google Patents

Kältemittelverdichter und verfahren zur verdichtung von gas sowie verfahren zur herstellung von flüssigem wasserstoff Download PDF

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WO2014161647A1
WO2014161647A1 PCT/EP2014/000831 EP2014000831W WO2014161647A1 WO 2014161647 A1 WO2014161647 A1 WO 2014161647A1 EP 2014000831 W EP2014000831 W EP 2014000831W WO 2014161647 A1 WO2014161647 A1 WO 2014161647A1
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gas
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hydrogen
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Lutz Decker
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
    • F04D29/122—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/124—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for elastic fluid pumps with special means for adducting cooling or sealing fluid
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    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerant compressor and a method for compressing gas by means of the refrigerant compressor according to the invention.
  • the invention relates to a process for the production of liquid hydrogen with the aid of the method according to the invention for the compression of gas.
  • Hydrogen is considered an energy carrier of the future.
  • Hydrogen must be stored in sufficient quantity.
  • hydrogen is liquefied.
  • existing or produced hydrogen must be cooled very deeply, to temperatures of less than 30 K.
  • refrigerant circuits with hydrogen itself, helium, neon and their mixtures are available as a refrigerant.
  • Conventional refrigeration systems for this purpose have a helium-Brayton circle or a hydrogen Claude circle.
  • the liquefaction requires a very high energy consumption.
  • the main cause of the energy expenditure is the compression of the refrigerant. The compression is
  • a turbocompressor In a turbocompressor is a flowing fluids such. As hydrogen, kinetic energy supplied, whereby the volume flow is increased, so that, when reducing the available space, a corresponding
  • the gas to be compressed flows through the compressor in a direction parallel to the axis of rotation.
  • the gas flows axially into the impeller of the compressor stage and is then deflected radially.
  • Hydrogen as a coolant is sufficiently and cheaply available when used on a hydrogen liquefier. Due to the extremely low molar mass of hydrogen of 2 g / mol, however, only a very small increase in pressure per turbo-compressor stage can be achieved. A correspondingly high number of compressor stages is thus necessary. However, this in turn means a loss of efficiency and / or additional investment costs.
  • Helium as another option for a refrigerant is a relatively rare and therefore expensive noble gas whose losses are to be avoided.
  • For the compression of helium therefore costly hermetically sealed machines are to be used, but due to their special design, however, limitations, such. B. in the range of maximum operating speed, and thus bring the efficiency with it.
  • Since helium also has a relatively low molar mass of 4 g / mol, even with this gas, the turbo-compressor stage only a small compression can be generated, so that here too the overall efficiency is relatively low.
  • neon as another potential refrigerant, which is even more costly than helium. Already for this reason, neon losses must be avoided.
  • the object of the present invention is to provide a refrigerant compressor and a method for compressing gas, by means of which the compression of gas, in particular of a gas mixture containing hydrogen, can be realized in a cost-effective and efficient manner. This object is achieved by the refrigerant compressor according to the invention
  • Claim 1 and solved by the inventive method for compressing gas according to claim 14.
  • Advantageous embodiments of the refrigerant compressor according to the invention are specified in the subclaims 2 to 13.
  • a method for producing liquid hydrogen according to claim 15 is given.
  • the refrigerant compressor comprises a first space and in this first space a compressor rotor. Furthermore, the refrigerant compressor comprises a second space, which is separated from the first space by a first separating element, and a rotary member connected to the compressor rotor, which passes through an opening of the first separating element connecting the first space in fluid communication with the second space, wherein in the first Space a first gas pressure p, prevails and in the second space, a second gas pressure p 2 prevails and the gas pressure pi is less than the gas pressure p. 2 It is provided according to the present invention that the second space is substantially filled with hydrogen.
  • the second space is completely filled with hydrogen.
  • the second space is filled with a gas mixture of hydrogen and a maximum of 5% of another gas. Because the second gas pressure p 2 is higher than the first gas pressure p, a sealing gas seal is realized.
  • the refrigerant compressor is used to compress a gaseous refrigerant. Due to that, the second one
  • Gas pressure p 2 is higher than the first gas pressure pi is ensured that the gas or gas mixture in the first space can not flow through the opening of the first separator. Due to this seal gas seal, the additional hermetic seal of the compressor is not required. As a result, the compressor can be operated at high speed and / or overall high efficiency.
  • the necessary due to the use of hydrogen explosion protection can be set up in a conventional manner.
  • the rotational element connected to the compressor rotor is a shaft, in particular a drive shaft of the compressor.
  • the present compressor is not limited to this construction, but it may also be a rotation member which is formed as a revolving axis.
  • the second space is formed by a fluid conduit, by means of which the opening of the first separation element
  • the first space is substantially filled with a gas mixture of hydrogen and neon. This means that a mixture of hydrogen and neon is compressed by means of the refrigerant compressor.
  • the first space substantially with a
  • Gas mixture of hydrogen, neon and helium is filled. Again, by the overflow of hydrogen from the second space in the first room will be recorded only a slight shift in the proportions of said gases in the gas mixture.
  • the gas mixture in the first space should have a minimum molar mass of from 6 g / mol to 12 g / mol, in particular from 7 g / mol to 9 g / mol.
  • the compressor to be used is preferably a radial compressor. Depending on
  • Alignment of the compressor rotor with respect to serving as the drive shaft rotation element can be arranged in the opening in the first separator on the side of the compressor rotor, at which the lower pressure or higher pressure is applied.
  • an axial compressor can be used.
  • the second gas pressure p 2 is preferably higher than the ambient air pressure. That is, the pressure of hydrogen in the second space is preferably greater than . the air pressure in the environment of the refrigerant compressor. This prevents unwanted gases from entering the second space.
  • the refrigerant compressor comprises a third space, which is separated from the second space by a second separating element.
  • Rotary element of the compressor passes through a second space
  • the third gas pressure p 3 is lower than the second gas pressure p 2 . This ensures that between the second space filled with hydrogen and the environment is still a third room is arranged, the gas realized an additional seal of the second room and thus also the first room against the environment. In addition, it can be used to minimize unwanted outflow of hydrogen into the environment.
  • the third gas pressure p 3 should be higher than that
  • a supply and / or storage unit for supplying and / or storing hydrogen.
  • hydrogen can flow into the second room or is held there by a storage unit.
  • the second space can form the memory unit itself.
  • the refrigerant compressor comprises a control and / or regulating device with which the volume fraction of at least one component of the gas in the first room can be determined and the second gas pressure p 2 in the second space in dependence on the determined volume fraction is adjustable.
  • a control and / or regulating device is used to produce a desired gas ratio in the first room in case of leakage-related fluctuations of the hydrogen content in the first room by increasing the second pressure p 2 in the second room.
  • the control and / or regulating device can be configured such that with it, the third pressure p 3 can be set in the third room.
  • Figure 1 shows the schematic side view of a compressor according to the invention with a plurality of seals.
  • the refrigerant compressor 10 comprises a compressor rotor 1 1, which is preferably designed as a radial compressor.
  • a rotary member 12 is connected, which preferably serves as a drive shaft.
  • the compressor rotor 1 1 and the rotary member 12 rotate about the common axis of rotation 13.
  • the compressor rotor 1 1 is arranged in a first space 20.
  • a gas mixture 21 preferably consisting of hydrogen and neon or also consisting of hydrogen, neon and helium introduced.
  • This gas mixture 21 is compressed by the compressor rotor 1 1 and discharged on the side of the larger diameter as a gas volume flow 22. Since a drive device of the compressor rotor 1 1 is to be arranged outside the first space 20, therefore, designed as a drive shaft
  • Rotation element 12 are guided from the outside into the first space 20.
  • the rotary member 12 penetrates a first, at least partially delimiting the first space 20 separating element 30.
  • the rotary member 12 extends through an opening 31 of the first separating element.
  • On the first room opposite side of the first separation element 30 is a second space 40, which is predominantly and preferably completely filled with hydrogen 41.
  • the second space 40 is delimited on the side opposite the first separating element 30 by a second separating element 50.
  • the rotation element 12 also extends through an opening 51 of the second separating element.
  • the gas pressure p 2 in the second space 40 is higher than the gas pressure in the first space 20. This ensures that hydrogen 41 can flow from the second space 40 through the opening 31 of the first separation element 30 in the first space 20, but no gas the gas mixture 21 in the first space 20 through the opening 31 of the first separation element 30 can flow out. This ensures that the valuable components of the gas mixture 21 in the first room, such. B. neon or helium can not flow. In FIG. 1, this is indicated by the hydrogen stream 42 present in the opening 31 of the first separating element 30. However, this hydrogen stream 42 is harmless for the refrigerant compressor 10, since it only leads to a slight shift in the proportions of the gases in the gas mixture 21.
  • the invention is, for example, furthermore with a second separating element 50
  • Rotary element 12 passes.
  • This opening 51 of the second separating element 50 leads to a third space 60, from the second space 40 through the second
  • Separating element 50 is separated.
  • the third space 60 is nitrogen 61.
  • the pressure p 3 of the nitrogen 61 in the third space 60 is higher than that
  • Ambient pressure in the environment 80 As a result, a nitrogen flow 62 is generated from the third space 60 into the environment 80.
  • the nitrogen stream 62 extends through an opening 71 in the third separation element 70.
  • the pressure p 2 in the second space 40 is set higher than the pressure p 3 in the third space 60. This ensures that no nitrogen 61 from the third space 60 in the second Room 40 flows and thus there is no danger that this nitrogen can flow into the first space 20.
  • the refrigerant compressor according to the invention may also have an illustrated control and / or regulating device 90, with which the proportion of at least one gas of the gas mixture 21 in the first space 20 can be determined, and in case of deviation of the proportion of a certain, preset setpoint range, the gas pressure p 2 in the second space 40 is correspondingly modifiable.
  • the present invention is not limited to the illustrated structural design, in which the realized gas seals are arranged on the side of the compressor rotor 1 1, at which a higher pressure prevails, but the
  • Gas seals or the rotary member 12 and the separating elements 30, 50, 70 may also be arranged on the side of the compressor rotor 1 1, at which the gas mixture 21 is supplied and a lower pressure prevails.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter (10), umfassend einen ersten Raum (20) und in diesem ersten Raum (20) einen Verdichter-Rotor (11), einen zweiten Raum (40), der von dem ersten Raum (20) durch ein erstes Trennelement (30) abgetrennt ist, sowie ein an den Verdichter-Rotor (11) angeschlossenes Rotationselement (12), dass durch eine den ersten Raum (20) strömungstechnisch mit dem zweiten Raum (40) verbindende Öffnung (31) des ersten Trennelementes (30) verläuft. Im ersten Raum (20) herrscht ein erster Gasdruck p1 und im zweiten Raum (40) herrscht ein zweiter Gasdruck p2, wobei der Gasdruck p1 geringer ist als der Gasdruck p2. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Raum (40) im Wesentlichen mit Wasserstoff (41) gefüllt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verdichtung von Gas, insbesondere eines Wasserstoff-Neon-Gemischs, und ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Wasserstoff mittels des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters.

Description

Beschreibung
Kältemittelverdichter und Verfahren zur Verdichtung von Gas sowie Verfahren zur
Herstellung von flüssigem Wasserstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter sowie ein Verfahren zur Verdichtung von Gas mittels des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters. Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Wasserstoff unter Zurhilfenahme des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdichtung von Gas.
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft. Um chemische Energie des
Wasserstoffes vorhalten zu können, muss dieser in ausreichender Menge gespeichert werden. Zu diesem Zweck wird Wasserstoff verflüssigt. Dafür muss vorhandener oder hergestellter Wasserstoff sehr tief gekühlt werden, auf Temperaturen von kleiner als 30 K. Dazu stehen nur Kältekreisläufe mit Wasserstoff selbst, Helium, Neon und deren Mischungen als Kältemittel zur Verfügung. Übliche Kälteanlagen zu diesem Zweck weisen einen Helium-Brayton-Kreis oder auch einen Wasserstoff-Claude-Kreis auf. Die Verflüssigung bedarf eines sehr hohen Energieaufwandes. Hauptursache für den Energieaufwand ist die Verdichtung des Kältemittels. Die Verdichtung wird
üblicherweise mittels Kolben- oder Schrauben-Verdichtern vorgenommen. Allerdings lassen sich höhere Wirkungsgrade in der Verdichtung durch den Einsatz von Turbo- Verdichtern gewährleisten. Zur Effizienzsteigerung wurde vorgeschlagen, Helium- Neon-Kältemittelkreise zu verwenden, um die Effizienz der Kältemittelverdichter, die üblicherweise den gesamten Wirkungsgrad mindern, zu erhöhen.
Bei einem Turboverdichter wird einem strömenden Fluide wie z. B. Wasserstoff, kinetische Energie zugeführt, wodurch dessen Volumenstrom vergrößert wird, so dass, bei Verringerung des zur Verfügung stehenden Raumes, eine entsprechende
Verdichtung realisiert wird. Bei Axial-Verdichtern strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Drehachse durch den Verdichter. Im Radial-Verdichter strömt das Gas dagegen axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird danach radial ausgelenkt.
Wasserstoff als Kühlmittel steht bei Anwendung an einem Wasserstoffverflüssiger ausreichend und billig zur Verfügung. Auf Grund der extrem niedrigen molaren Masse von Wasserstoff von 2 g/mol kann jedoch nur ein sehr geringer Druckanstieg je Turbo- Verdichterstufe erreicht werden. Eine entsprechend hohe Anzahl von Verdichterstufen ist damit notwendig. Dies bedeutet jedoch wiederum einen Wirkungsgradverlust und/oder zusätzliche Investitionskosten.
Helium als eine weitere Option für ein Kältemittel ist ein relativ seltenes und damit teures Edelgas, dessen Verluste zu vermeiden sind. Zur Verdichtung von Helium sind demzufolge kostenintensive hermetisch abgedichtete Maschinen zu verwenden, die auf Grund Ihrer speziellen Konstruktion jedoch Limitierungen, z. B. im Bereich der maximalen Betriebsdrehzahl, und damit des Wirkungsgrades mit sich bringen. Da auch Helium eine relativ niedrige molare Masse von 4 g/mol aufweist, kann auch mit diesem Gas die Turbo-Verdichterstufe nur eine geringe Verdichtung erzeugt werden, so dass auch hier der Wirkungsgrad insgesamt relativ gering ist. Ähnliches trifft auf Neon als weiteres potentielles Kältemittel zu, welches noch kostenintensiver ist als Helium. Bereits aus diesem Grund müssen Neon-Verluste zwingend vermieden werden. Deshalb ist für eine Verdichtung von Neon ebenfalls eine hermetische Abdichtung erforderlich, so dass die daraus bereits beschriebenen Wirkungsgradverluste resultieren. Allerdings kann Neon auf Grund seiner molaren Masse von 20 g/mol effizient bei Umgebungstemperatur in Turbo-Verdichtern über wenige Stufen komprimiert werden.
Zum Ausgleich der genannten Nachteile ist bereits vorgeschlagen worden, als
Kältemittel ein Helium-Neon-Gemisch mit einer molaren Masse > 7 g/mol zu
verwenden. Allerdings ist auch bei diesem Gasgemisch am Turbo-Verdichter eine hermetische Abdichtung zu realisieren, die sich drehzahlmindernd sowie auch wirkungsgradsenkend auswirkt. Aus demselben Grund wurden Kältemittelmischungen von Wasserstoff und Neon bisher explizit ausgeschlossen. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Kältemittelverdichter sowie ein Verfahren zur Verdichtung von Gas zur Verfügung zu stellen, mittels derer in kostengünstiger und effizienter Weise die Verdichtung von Gas, insbesondere eines Wasserstoff enthaltenen Gasgemisches, realisierbar ist. Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter nach
Anspruch 1 sowie durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Verdichtung von Gas nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 angegeben. Ergänzend wird ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Wasserstoff nach Anspruch 15 angegeben.
Der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter umfasst einen ersten Raum und in diesem ersten Raum einen Verdichter-Rotor. Weiterhin umfasst der Kältemittelverdichter einen zweiten Raum, der vom ersten Raum durch ein erstes Trennelement abgetrennt ist, sowie ein an den Verdichter-Rotor angeschlossenes Rotationselement, das durch einen den ersten Raum strömungstechnisch mit dem zweiten Raum verbindende Öffnung des ersten Trennelementes verläuft, wobei im ersten Raum ein erster Gasdruck p, herrscht und im zweiten Raum ein zweiter Gasdruck p2 herrscht und der Gasdruck pi geringer ist als der Gasdruck p2. Es ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der zweite Raum im Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt ist.
Vorzugsweise ist der zweite Raum vollständig mit Wasserstoff gefüllt. Alternativ ist der zweite Raum mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff und maximal 5 % eines anderen Gases gefüllt. Dadurch, dass der zweite Gasdruck p2 höher ist als der erste Gasdruck p wird eine Sperrgasdichtung realisiert. Der Kältemittelverdichter wird zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels eingesetzt. Auf Grund dessen, dass der zweite
Gasdruck p2 höher ist als der erste Gasdruck pi ist abgesichert, dass das Gas bzw. Gasgemisch im ersten Raum nicht durch die Öffnung des ersten Trennelementes strömen kann. Auf Grund dieser Sperrgasdichtung ist die zusätzliche hermetische Abdichtung des Verdichters nicht erforderlich. Demzufolge kann der Verdichter mit hoher Drehzahl und/oder insgesamt hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Der auf Grund des Einsatzes von Wasserstoff notwendige Explosionsschutz kann in herkömmlicher Weise eingerichtet sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das an dem Verdichter-Rotor angeschlossene Rotationselement eine Welle, insbesondere eine Antriebs-Welle des Verdichters ist. Der vorliegende Verdichter ist jedoch nicht auf diese Konstruktion eingeschränkt, sondern er kann auch ein Rotationselement sein, welches als umlaufende Achse ausgebildet ist. In spezieller Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zweite Raum durch eine Fluid- Leitung ausgebildet ist, mittels derer der Öffnung des ersten Trennelementes
Wasserstoff zuführbar ist. In dieser Ausgestaltung ist der zweite Raum
dementsprechend gering dimensioniert, nämlich lediglich in Form einer Rohrleitung oder eines Schlauches zum Transport des Wasserstoffs.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der erste Raum im Wesentlichen mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Neon gefüllt ist. Das heißt, dass hier mittels des Kältemittelverdichters ein Gemisch aus Wasserstoff und Neon verdichtet wird.
Dadurch, dass von dem zweiten Raum durch die Öffnung des ersten Trennelementes gegebenenfalls Wasserstoff in den ersten Raum überströmen kann, wird keine Verunreinigung des Gasgemisches im ersten Raum realisiert, sondern lediglich eine akzeptable Verschiebung der Gasmengenanteile im Gasgemisch. Alternativ ist vorgesehen, dass der erste Raum im Wesentlichen mit einem
Gasgemisch aus Wasserstoff, Neon und Helium gefüllt ist. Auch hier wird durch das Überströmen von Wasserstoff vom zweiten Raum in den ersten Raum lediglich eine geringfügige Verschiebung der Anteile der genannten Gase im Gasgemisch zu verzeichnen sein.
Zur effizienten Verdichtung sollte das Gasgemisch im ersten Raum eine minimale molare Masse von 6 g/mol bis 12 g/mol, insbesondere von 7 g/mol bis 9 g/mol aufweisen. Der einzusetzende Verdichter ist vorzugsweise ein Radialverdichter. Je nach
Ausrichtung des Verdichter-Rotors im Bezug zum als Antriebswelle dienenden Rotationselement kann dabei die Öffnung im ersten Trennelement auf der Seite des Verdichter-Rotors angeordnet sein, an der der geringere Druck oder der höhere Druck anliegt. Alternativ ist jedoch auch ein Axial-Verdichter einsetzbar.
Der zweite Gasdruck p2 ist vorzugsweise höher als der Umgebungsluftdruck. Das heißt, dass der Druck von Wasserstoff im zweiten Raum vorzugsweise größer ist als. der Luftdruck in der Umgebung des Kältemittelverdichters. Dies verhindert ein Eindringen unerwünschter Gase in den zweiten Raum. In besonderer Ausgestaltung umfasst der Kältemittelverdichter einen dritten Raum, der vom zweiten Raum durch ein zweites Trennelement abgetrennt ist. Das
Rotationselement des Verdichters verläuft durch eine den zweiten Raum
strömungstechnisch mit dem dritten Raum verbindende Öffnung des zweiten
Trennelementes. Im dritten Raum herrscht ein dritter Gasdruck p3,~ wobei der dritte Raum im Wesentlichen mit Stickstoff gefüllt ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der dritte Gasdruck p3 geringer ist als der zweite Gasdruck p2. Dadurch wird erreicht, dass zwischen dem mit Wasserstoff gefüllten zweiten Raum und der Umgebung noch ein dritter Raum angeordnet ist, dessen Gas eine zusätzliche Abdichtung des zweiten Raumes und somit auch des ersten Raumes gegen die Umgebung realisiert. Außerdem kann damit eine unerwünschte Abströmung von Wasserstoff in die Umgebung minimiert werden. In dieser Ausgestaltung sollte der dritte Gasdruck p3 höher sein als der
Umgebungsluftdruck pa.
Zur strömungstechnischen Zuführung von Wasserstoff in den zweiten Raum sollte an diesem eine Zufuhr- und/oder Speichereinheit zur Zuführung und/oder Speicherung von Wasserstoff angeschlossen sein. Das bedeutet, dass Wasserstoff in den zweiten Raum strömen kann oder dort von einer Speichereinheit vorgehalten wird. Der zweite Raum kann dabei selbst die Speichereinheit ausbilden.
In günstiger Vervollständigung der Erfindung umfasst der Kältemittelverdichter eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, mit der der Volumenanteil wenigstens eines Bestandteils des Gases im ersten Raum ermittelbar ist und der zweite Gasdruck p2 im zweiten Raum in Abhängigkeit vom ermittelten Volumenanteil einstellbar ist. Vorzugsweise ist dabei eine automatische Einstellbarkeit möglich. Diese Steuer- und/oder Regelungseinrichtung dient dazu, bei undichtigkeitsbedingten Schwankungen des Wasserstoff-Anteils im ersten Raum durch eine Erhöhung des zweiten Drucks p2 im zweiten Raum ein gewünschtes Gasanteilsverhältnis im ersten Raum herzustellen. Gegebenenfalls kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung derart ausgestaltet sein, dass mit ihr auch der dritte Druck p3 im dritten Raum eingestellt werden kann. Es wird des Weiteren erfindungsgemäß ein Verfahren zur Verdichtung von Gas, insbesondere eines Wasserstoff-Neon-Gemisches, zur Verfügung gestellt, bei dem das Gas mittels des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters verdichtet wird, wobei in dem zweiten Raum ein derartiger Gasdruck p2 eingestellt wird, dass dieser größer ist als der Gasdruck p-, im ersten Raum.
Ergänzend wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Wasserstoff zur Verfügung gestellt, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Verdichtung von Gas durchgeführt wird..
Insgesamt lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter ein Gemisch aus Wasserstoff und Neon komprimieren, ohne dabei Verluste von Neon hinnehmen zu müssen bzw. geringe Betriebsdrehzahlen akzeptieren zu müssen. Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Figur 1 zeigt die schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters mit mehreren Dichtungen.
Der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter 10 umfasst einen Verdichter-Rotor 1 1 , der vorzugsweise als Radial-Verdichter ausgeführt ist. An den Verdichter-Rotor 1 1 ist ein Rotationselement 12 angeschlossen, welches vorzugsweise als Antriebswelle dient. Der Verdichter-Rotor 1 1 sowie das Rotationselement 12 rotieren dabei um die gemeinsame Rotationsachse 13. Der Verdichter-Rotor 1 1 ist in einem ersten Raum 20 angeordnet. In diesen Raum wird ein Gasgemisch 21 , vorzugsweise bestehend aus Wasserstoff und Neon oder auch bestehend aus Wasserstoff, Neon und Helium, eingeführt. Dieses Gasgemisch 21 wird vom Verdichter-Rotor 1 1 komprimiert und an der Seite des größeren Durchmessers als Gas-Volumenstrom 22 abgegeben. Da eine Antriebseinrichtung des Verdichter-Rotors 1 1 außerhalb des ersten Raumes 20 anzuordnen ist, muss demzufolge das als Antriebswelle ausgestaltete
Rotationselement 12 von außen in den ersten Raum 20 geführt werden. Dabei durchdringt das Rotationselement 12 ein erstes, den ersten Raum 20 zumindest teilweise begrenzendes Trennelement 30. Das Rotationselement 12 verläuft dabei durch eine Öffnung 31 des ersten Trennelementes. Auf der dem ersten Raum gegenüberliegenden Seite des ersten Trennelementes 30 befindet sich ein zweiter Raum 40, der überwiegend und vorzugsweise vollständig mit Wasserstoff 41 gefüllt ist. Der zweite Raum 40 ist auf der dem ersten Trennelement 30 gegenüberliegenden Seite durch ein zweites Trennelement 50 abgegrenzt. Das Rotationselement 12 verläuft ebenfalls durch eine Öffnung 51 des zweiten Trennelementes.
Der Gasdruck p2 im zweiten Raum 40 ist höher als der Gasdruck im ersten Raum 20. Dadurch wird erreicht, dass Wasserstoff 41 aus dem zweiten Raum 40 durch die Öffnung 31 des ersten Trennelementes 30 in den ersten Raum 20 strömen kann, jedoch kein Gas aus dem Gasgemisch 21 im ersten Raum 20 durch die Öffnung 31 des ersten Trennelementes 30 herausströmen kann. Dadurch wird gewährleistet, dass die wertvollen Bestandteile des Gasgemisches 21 im ersten Raum, wie z. B. Neon oder Helium nicht abströmen können. In Fig. 1 ist dies durch den in der Öffnung 31 des ersten Trennelementes 30 vorhandenen Wasserstoffstrom 42 angedeutet. Dieser Wasserstoffstrom 42 ist jedoch für den Kältemittelverdichter 10 unschädlich, da er lediglich zu einer geringfügigen Verschiebung der Anteile der Gase im Gasgemisch 21 führt.
Die Erfindung ist beispielshaft weiterhin mit einem zweiten Trennelement 50
ausgestaltet, welches ebenfalls eine Öffnung 51 aufweist, durch welche das
Rotationselement 12 hindurchführt. Diese Öffnung 51 des zweiten Trennelementes 50 führt zu einem dritten Raum 60, der vom zweiten Raum 40 durch das zweite
Trennelement 50 abgetrennt ist. Im dritten Raum 60 befindet sich Stickstoff 61 . Der Druck p3 des Stickstoffs 61 im dritten Raum 60 ist dabei höher als der
Umgebungsdruck in der Umgebung 80. Dadurch wird ein Stickstoffstrom 62 vom dritten Raum 60 in die Umgebung 80 erzeugt. Der Stickstoffstrom 62 verläuft dabei durch eine Öffnung 71 im dritten Trennelement 70. Der Druck p2 im zweiten Raum 40 ist höher einzustellen als der Druck p3 im dritten Raum 60. Dadurch wird gewährleistet, dass kein Stickstoff 61 vom dritten Raum 60 in den zweiten Raum 40 strömt und somit keine Gefahr besteht, dass dieser Stickstoff bis in den ersten Raum 20 strömen kann.
Der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter kann außerdem eine dargestellte Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 90 aufweisen, mit der der Anteil wenigstens eines Gases des Gasgemisches 21 im ersten Raum 20 feststellbar ist, und bei Abweichung des Anteils von einem bestimmten, voreingestellten Sollwertebereich der Gasdruck p2 im zweiten Raum 40 entsprechend modifizierbar ist.
Die vorliegende Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellte konstruktive Ausführung eingeschränkt, bei der die realisierten Gasdichtungen auf der Seite des Verdichter- Rotors 1 1 angeordnet sind, an der ein höherer Druck herrscht, sondern die
Gasdichtungen bzw. das Rotationselement 12 sowie die Trennelemente 30, 50, 70 können auch an der Seite des Verdichter-Rotors 1 1 angeordnet sein, an der das Gasgemisch 21 zugeführt wird und ein geringerer Druck herrscht.
Bezugszeichenliste
Kältemittelverdichter 10
Verdichter-Rotor 11
Rotationselement 12
Rotationsachse 13 erster Raum 20
Gasgemisch 21
Gas-Volumenstrom 22 erstes Trennelement 30
Öffnung des ersten Trennelements 31 zweiter Raum 40
Wasserstoff 41
Wasserstoffstrom 42
Zweites Trennelement 50
Öffnung des zweiten Trennelements 51 dritter Raum 60
Stickstoff 61
Stickstoffstrom 62 drittes Trennelement 70
Öffnung des dritten Trennelements 71
Umgebung 80
Steuer- und/ oder Regelungseinrichtung 90

Claims

Patentansprüche
1. Kältemittelverdichter (10), umfassend einen ersten Raum (20) und in diesem
ersten Raum (20) einen Verdichter-Rotor (1 1 ), einen zweiten Raum (40), der von dem ersten Raum (20) durch ein erstes Trennelement (30) abgetrennt ist, sowie ein an den Verdichter-Rotor (1 1 ) angeschlossenes Rotationselement (12), dass durch eine den ersten Raum (20) strömungstechnisch mit dem zweiten Raum (40) verbindende Öffnung (31 ) des ersten Trennelementes (30) verläuft, wobei im ersten Raum (20) ein erster Gasdruck p-i herrscht und im zweiten Raum (40) ein zweiter Gasdruck p2 herrscht und der Gasdruck pi geringer ist als der Gasdruck p2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Raum (40) im Wesentlichen mit Wasserstoff (41 ) gefüllt ist.
Kältemittelverdichter (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das an den Verdichter-Rotor (1 1 ) angeschlossene Rotationselement (12) eine Welle des Verdichters ist.
Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Raum (40) durch eine Fluid-Leitung ausgebildet ist, mittels derer der Öffnung (31 ) des ersten Trennelementes (30) Wasserstoff (41 ) zuführbar ist.
Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Raum (20) im Wesentlichen mit einem
Gasgemisch (21 ) aus Wasserstoff und Neon gefüllt ist.
Kältemittelverdichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Raum (20) im Wesentlichen mit einem
Gasgemisch (21 ) aus Wasserstoff, Neon und Helium gefüllt ist.
Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (21 ) eine minimale molare Masse von 6 g/mol bis 12 g/mol aufweist.
7. Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein Radialverdichter ist.
8. Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gasdruck p2 höher ist als der
Umgebungsluftdruck pa.
9. Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter weiterhin einen dritten Raum (60) umfasst, der vom zweiten Raum (40) durch ein zweites Trennelement (50) abgetrennt ist und das Rotationselement ( 2) des Verdichters durch eine den zweiten Raum (40) strömungstechnisch mit dem dritten Raum (60) verbindende Öffnung (51 ) des zweiten Trennelementes (50) verläuft, wobei im dritten Raum (60) ein dritter Gasdruck p3 herrscht und der dritte Raum (60) im Wesentlichen mit Stickstoff (61) gefüllt ist.
10. Kältemittelverdichter (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Gasdruck p3 geringer ist als der zweite Gasdruck p2. 1 1. Kältemittelverdichter (10) nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der dritte Gasdruck p3 höher ist als der Umgebungsluftdruck
Pa-
12. Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Raum (40) eine Zuführ- und/ oder
Speichereinheit zur Zuführung und/ oder Speicherung von Wasserstoff (41 ) strömungstechnisch angeschlossen ist.
13. Kältemittelverdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdichter eine Steuer- und/ oder
Regelungseinrichtung (90) umfasst, mit der der Volumenanteil wenigstens eines Bestandteils des Gases im ersten Raum (20) ermittelbar ist und der zweite Gasdruck p2 im zweiten Raum (40) in Abhängigkeit vom ermittelten Volumenanteil einstellbar ist.
14. Verfahren zur Verdichtung von Gas, insbesondere eines Wasserstoff-Neon- Gemischs, bei dem das Gas mittels des Kältemittelverdichters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verdichtet wird, wobei in dem zweiten Raum (40) ein derartiger zweiter Gasdruck p2 eingestellt wird, dass dieser größer ist als der erste Gasdruck pi im ersten Raum (20).
15. Verfahren zur Herstellung von flüssigem Wasserstoff, umfassend das Verfahren zur Verdichtung von Gas nach Anspruch 14.
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