WO2019202029A1 - System und verfahren zur verdichtung und überführung von verflüssigtem brennstoff in die gasphase - Google Patents

System und verfahren zur verdichtung und überführung von verflüssigtem brennstoff in die gasphase Download PDF

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WO2019202029A1
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piston
cylinder
piston compressor
fuel
valve
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Steffen KLOEPPEL
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Techinische Universität Dresden
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B23/00—Pumping installations or systems
    • F04B23/04—Combinations of two or more pumps
    • F04B23/06—Combinations of two or more pumps the pumps being all of reciprocating positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B37/18—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use for specific elastic fluids
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    • F04B41/00—Pumping installations or systems specially adapted for elastic fluids
    • F04B41/06—Combinations of two or more pumps

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for the compression and transfer of liquefied fuel in the gas phase.
  • the fuel can be a subsequent process under higher
  • Hydrocarbon compounds which are formed with a few carbon atoms are used.
  • Fuel cells are used. Particularly advantageous is an application in processes in which waste heat from the respective process can be used with.
  • the pressure can be increased by pumping, by evaporation with subsequent compression.
  • a high energy consumption is required, which adversely affects the efficiency.
  • the exergy of the compressed liquid fuel or a system is not used.
  • thermocompressor At a pressure increase using thermal energy, as can be done in particular in a thermocompressor, the
  • waste heat in addition to the exergy incurred in a process waste heat can be advantageously exploited.
  • additional mechanical work for example, to convert kinetic energy into electrical energy and to be able to supply the converted electrical energy to another use.
  • a mechanical pressure increase of the fuel is combined with an external heating.
  • previously applied mechanical work can be recovered. It is particularly advantageous that you for an external heating in a
  • Heat exchanger can use waste heat of a process.
  • a pressure vessel is stored in which liquid fuel stored.
  • the pressure vessel is connected via a first line to a cylinder of a first piston compressor and in the first line, a first valve is arranged.
  • the piston of the first reciprocating compressor is by means of a connecting rod, which is eccentrically mounted on a crank drive rotatably mounted about an axis, translatorily between two reversal points (top and bottom dead center) movable.
  • a second line in which a second valve is arranged, connected and led to a heat exchanger, which is operable with waste heat out.
  • a third line in which a third valve is arranged, connected, which is guided to a consumer for the transferred into the gas phase fuel.
  • a fourth branching line in which a fourth valve is arranged, connected and guided into a cylinder of a second piston compressor, wherein the piston of the second piston compressor by means of a drive also between two reversal points is translationally movable back and forth.
  • a fifth conduit in which a fifth valve is arranged, connected and led to the cylinder of the first piston compressor, so that heated gas-phase transferred fuel with open fourth valve in the cylinder of the first
  • Piston compressor is inserted before an opening of the first valve during a suction movement of the piston has taken place in the direction of bottom dead center of the first piston compressor.
  • the displacement of the second piston compressor should be greater than the dead space of the first piston compressor, preferably at least 50% larger, so that the most complete possible replacement of the cold, compressed gas by hot, compressed gas.
  • the crank mechanism which may be formed in particular with a flywheel, may be connected to a rotary drive and / or an electric generator.
  • the rotary drive for example an electric motor, can be used in particular when the first reciprocating compressor is to be put into operation in a start-up phase and no heated gaseous fuel has yet been returned to the first reciprocating compressor or has been returned.
  • the drive can be switched off if the system has sufficient energy of its own in connection with the thermal energy flowing over it
  • Heat exchanger is supplied, can provide. In this case, taking into account the respective temperature of the first
  • Temperature and the pressure of the flowing from the pressure vessel via the first line into the cylinder of the first piston compressor fuel are influenced.
  • Piston compressor is arranged to be opened.
  • the drive of the second piston compressor can be designed as a cam drive.
  • Piston compressor recirculated when the first valve and the second valve are closed, and the piston of the first piston compressor a Suction movement in the direction of bottom dead center runs and the fifth valve is open.
  • FIG 2 shows the example of Figure 1, in which the piston of the first
  • Figure 3 shows the example in which the piston of the first reciprocating compressor has reached the bottom dead center
  • Figure 6 shows the example in a state in which the piston of the first
  • Piston compressor has not fully reached the top dead center after its compression stroke and all valves are closed.
  • FIG 1 an example of a system according to the invention is shown, in which a piston 5 of a first piston compressor 1, which is eccentrically mounted by a crank drive with a flywheel 7, to which a connecting rod 6, in its top dead center position in the cylinder 4 of the first
  • Piston compressor 1 has been moved.
  • Fuel with a pressure of 0.1 MPa and a temperature of -253.15 ° C is connected via the first line 2 to the cylinder 4.
  • a first valve 3 is arranged, that is closed in this position of the piston 5.
  • the first piston compressor 1 has a displacement of 75cm 3 and a stroke of 72.5 mm.
  • the first valve 3 can be opened when the piston of the first piston compressor 1 moves in the direction of bottom dead center for aspirating liquid fuel into the cylinder 4 of the first piston compressor 1. At least the valves 9 and 20 are closed during suction.
  • Piston compressor 1 the cylinder 4 is filled with fuel, as is apparent from Figure 3. It can also be seen from FIG. 3 that during the movement of the piston 17 of the second reciprocating compressor 15 in the direction of its top dead center, a compression of the heated and compressed fuel transferred into the gas phase in the cylinder 16 is achieved. The fifth valve 20 is still closed.
  • FIG. 5 is intended to illustrate how, shortly before the top dead center is reached during the movement of the piston 5 of the first piston compressor 1, the first valve 3 and the third valve 12 are closed.
  • fuel transferred into the gas phase can flow out of the cylinder 16 of the second piston compressor 15 into the cylinder 4 of the first piston compressor, thereby achieving flushing of the cylinder 4 of the first piston compressor 1.
  • the fifth valve 20 is opened when the piston 5 of the first piston compressor 1 has reached the last quarter of its movement until it reaches its top dead center.
  • Both the fuel, which from the pressure vessel, as well as the fuel, which has passed from the cylinder 16 of the second piston compressor 15 in the cylinder 4 of the first piston compressor 1 is conveyed through the opened second valve 9 to the heat exchanger 10. With the recirculated from the heat exchanger 10 from the cylinder 16 of the second piston compressor 15
  • Fuel can be achieved additional heating and compression of the flowing from the pressure vessel into the cylinder 4 of the first piston compressor 1 fuel and thus an increased energy stored therein.

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Abstract

Bei dem System zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem Brennstoff in die Gasphase, der in einem Druckbehälter gespeichert ist, ist der Druckbehälter über eine erste Leitung mit einem Zylinder eines ersten Kolbenverdichters verbunden und in der ersten Leitung ein erstes Ventil angeordnet. Der Kolben des ersten Kolbenverdichters ist mittels einer Pleuelstange translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten bewegbar. An den Zylinder ist eine zweite Leitung, in der ein zweites Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zu einem Wärmetauscher geführt. An den Wärmetauscher ist eine dritte Leitung, in der ein drittes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zu einem Verbraucher für den Brennstoff geführt. An die dritte Leitung ist eine vierte abzweigende Leitung, in der ein viertes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und in einen Zylinder eines zweiten Kolbenverdichters geführt. Der Kolben des zweiten Kolbenverdichters ist mittels eines Antriebs zwischen zwei Umkehrpunkten bewegbar. An den Zylinder des zweiten Kolbenverdichters ist eine fünfte Leitung, in der ein fünftes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zum Zylinder des ersten Kolbenverdichters geführt.

Description

System und Verfahren zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem
Brennstoff in die Gasphase
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem Brennstoff in die Gasphase.
Bei bestimmten Anwendungen werden Brennstoffe in flüssiger Form bei geringfügig erhöhtem Druck gegenüber dem Umgebungsdruck in
Druckbehältern gespeichert und von dort bestimmten Prozessen zugeführt. Dabei kann der Brennstoff einem nachfolgendem Prozess unter höherem
Druck aber in der Gasphase zugeführt werden. Es soll häufig eine Wandlung von niedrig verdichtetem flüssigen Brennstoff in den unter höherem Druck stehenden und in die Gasphase überführten Brennstoff durchgeführt werden, um eine effektive Nutzung zu ermöglichen. Als Brennstoff können dazu beispielsweise Wasserstoff, Methan oder andere
Kohlenwasserstoffverbindungen, die mit wenigen Kohlenstoffatomen gebildet sind, eingesetzt werden.
Mögliche Anwendungen liegen im Bereich von Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken. Die Erfindung kann aber auch in Verbindung mit
Brennstoffzellen eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist ein Einsatz bei Prozessen, bei denen Abwärme aus dem jeweiligen Prozess mit genutzt werden kann.
Prinzipiell sind drei Möglichkeiten bekannt, mit denen eine Druckerhöhung erreichbar ist. So kann der Druck durch Pumpen, durch Verdampfen mit anschließender Verdichtung erhöht werden. Insbesondere für die Verdichtung ist ein hoher energetischer Aufwand erforderlich, der den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst. Die Exergie des komprimierten flüssigen Brennstoffs oder eines Systems wird nicht genutzt.
Bei einer Druckerhöhung unter Nutzung thermischer Energie, wie sie insbesondere bei einem Thermokompressor erfolgen kann, wird die
Druckerhöhung infolge der Erwärmung eines Gases genutzt. Auch hierbei erfolgt keine Nutzung der durch die Kondensation bei niedriger Temperatur gespeicherten Energie. Mit einem Thermokompressor können aufgrund der geringen erreichbaren thermischen Ausdehnungen des Brennstoffvolumens und unvermeindlicher Totvolumina nur geringfügige Druckerhöhungen erreicht werden, die häufig nicht ausreichend sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Umwandlung gering komprimierter flüssiger
Brennstoffe in einen erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoff, der auf einen höheren Druck komprimiert worden ist, als dies in der flüssigen Phase der Fall war, anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 7 definiert ein Verfahren dazu. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Mit der Erfindung kann neben der Exergie auch bei einem Prozess anfallende Abwärme vorteilhaft ausgenutzt werden. Es besteht die Möglichkeit, zusätzliche mechanische Arbeit zu nutzen um beispielsweise kinetische Energie in Elektroenergie wandeln und die gewandelte elektrische Energie einer anderen Nutzung zuführen zu können.
Bei der Erfindung wird eine mechanische Druckerhöhung des Brennstoffs mit einer externen Erwärmung kombiniert. Dadurch kann zuvor aufgebrachte mechanische Arbeit zurück gewonnen werden. Dabei wirkt es sich besonders vorteilhaft aus, dass man für eine externe Erwärmung in einem
Wärmetauscher Abwärme eines Prozesses nutzen kann.
Durch die Nutzung von externer Wärme mit entsprechender thermischer Energie kann man die zur Verdichtung erforderliche mechanische Energie entsprechend verringern. Je nach ausnutzbarer Temperaturdifferenz und einem bei der Verdichtung des Brennstoffs zu erreichenden maximalen Druck besteht sogar die Möglichkeit kinetische Energie zusätzlich für andere Zwecke, beispielsweise die Umwandlung in elektrische Energie zu nutzen.
Bei dem erfindungsgemäßen System zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem Brennstoff in die Gasphase ist ein Druckbehälter, in dem flüssiger Brennstoff gespeichert ist, vorhanden. Der Druckbehälter ist über eine erste Leitung mit einem Zylinder eines ersten Kolbenverdichters verbunden und in der ersten Leitung ist ein erstes Ventil angeordnet.
Der Kolben des ersten Kolbenverdichters ist mittels einer Pleuelstange, die exzentrisch an einem Kurbelantrieb um eine Achse drehbar befestigt ist, translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten (oberer und unterer Totpunkt) bewegbar.
An den Zylinder ist eine zweite Leitung, in der ein zweites Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zu einem Wärmetauscher, der mit Abwärme betreibbar ist, geführt.
An den Wärmetauscher ist eine dritte Leitung, in der ein drittes Ventil angeordnet ist, angeschlossen, die zu einem Verbraucher für den in die Gasphase überführten Brennstoff geführt ist. An die dritte Leitung ist eine vierte abzweigende Leitung, in der ein viertes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und in einen Zylinder eines zweiten Kolbenverdichters geführt, wobei der Kolben des zweiten Kolbenverdichters mittels eines Antriebs ebenfalls zwischen zwei Umkehrpunkten translatorisch hin und her bewegbar ist.
An den Zylinder des zweiten Kolbenverdichters ist eine fünfte Leitung, in der ein fünftes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zum Zylinder des ersten Kolbenverdichters geführt, so dass erwärmter in die Gasphase überführter Brennstoff bei geöffnetem vierten Ventil in den Zylinder des ersten
Kolbenverdichters einführbar ist, bevor ein Öffnen des ersten Ventils während einer Ansaugbewegung des Kolbens in Richtung unterer Totpunkt des ersten Kolbenverdichters erfolgt ist.
Der Hubraum des zweiten Kolbenverdichters sollte größer als der Schadraum des ersten Kolbenverdichters, bevorzugt mindestens 50 % größer sein, so dass ein möglichst vollständiger Austausch des kalten, verdichteten Gases durch warmes, verdichtetes Gas erfolgt.
Der Kurbeltrieb, der insbesondere mit einer Schwungscheibe gebildet sein kann, kann mit einem Drehantrieb und/oder einem elektrischen Generator verbunden sein. Der Drehantrieb, beispielsweise ein Elektromotor kann insbesondere dann genutzt werden, wenn der erste Kolbenverdichter in einer Anlaufphase in Betrieb genommen werden soll und noch kein erwärmter gasförmiger Brennstoff in den ersten Kolbenverdichter zurück geführt wird bzw. rückgeführt worden ist.
Der Antrieb kann ausgeschaltet werden, wenn das System ausreichend eigene Energie in Verbindung mit der thermischen Energie, die über den
Wärmetauscher zugeführt wird, bereit stellen kann. In diesem Fall kann unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperatur des in den ersten
Kolbenverdichter rückgeführten gasförmigen Brennstoffes, seiner Menge und des Druckes auch bei der Bewegung des Kolbens des ersten Kolbenverdichters vorhandene kinetische Energie über die Rotationsbewegung am Kurbeltrieb, an dem besonders bevorzugt eine rotierende Schwungscheibe vorhanden ist, in elektrische Energie mittels eines durch die Rotationsbewegung betreibbaren Generators gewandelt werden kann. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Systems weiter erhöhen. Dazu kann die
Schwungscheibe mit einem in einen Generatorbetrieb umschaltbaren Elektromotor verbunden und temporär antreibbar und nach Umschaltung temporär als elektrischer Generator nutzbar sein.
Mindestens eines der Ventile des Systems sollte dabei zwangsgesteuert sein. Diese Steuerung kann dabei mechanisch oder vorteilhafterweise an eine elektronische Steuerung angeschlossen sein. Die elektronische Steuereinheit kann so ausgebildet sein, dass das/die Ventil(e) in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebssituation des Systems geöffnet oder geschlossen werden. Das Öffnen und Schließen von Ventilen kann in Abhängigkeit des momentanen Hubes, insbesondere des Kolbens des ersten Kolbenverdichters, der Menge,
Temperatur und dem Druck des Teils des aus dem Wärmetauscher mittels des zweiten Kolbenverdichters in den ersten Kolbenverdichter rückgeführten erwärmten und gasförmigen Brennstoffs und/oder der Menge, der
Temperatur und dem Druck des aus dem Druckbehälter über die erste Leitung in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters einströmenden Brennstoffs beeinflusst werden.
Bevorzugt sollte die elektronische Steuereinheit so ausgebildet sein, dass flüssiger Brennstoff erst in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters eintreten kann, wenn der Kolben des ersten Kolbenverdichters während des Ansaugens einen vorbestimmten Weg zurück gelegt und/oder im Zylinder des ersten Kolbenverdichters ein bestimmter vorgegebener Innendruck und/oder eine bestimmte vorgegebene Menge an mittels des Wärmetauschers erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs mittels des zweiten Kolbenverdichters in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters rückgeführt worden ist. Sind die entsprechenden Parameter erreicht, kann das erste Ventil, das zwischen dem Druckbehälter und dem Zylinder des ersten
Kolbenverdichters angeordnet ist, geöffnet werden.
Während des Arbeitshubes des ersten Kolbenverdichters, bei dem sich der Kolben in Richtung oberer Totpunkt bewegt, sollte das erste Ventil geschlossen sein. Der Antrieb des zweiten Kolbenverdichters kann als Nockenantrieb ausgebildet sein.
Der Antrieb des ersten und des zweiten Kolbenverdichters sollten mit der gleichen Drehzahl betrieben werden. Dazu können der Kurbeltrieb des ersten Kolbenverdichters und der Antrieb des zweiten Kolbenverdichters
miteinander verbunden sein. Dazu kann ein geeignetes Getriebe genutzt werden.
Beim Betrieb des Systems wird der in einem Druckbehälter gespeicherte flüssige Brennstoff über eine erste Leitung in einen Zylinder eines ersten Kolbenverdichters über die erste Leitung, in der das erste Ventil angeordnet ist, bei geöffnetem ersten Ventil eingeführt, wenn der Kolben des ersten Kolbenverdichters bei einer Ansaugbewegung in Richtung unterer Totpunkt einen vorgebbaren Weg zurück gelegt hat und/oder im Zylinder des ersten Kolbenverdichters eine bestimmte vorgegebene Menge an mittels eines Wärmetauschers erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs mittels eines zweiten Kolbenverdichters in den Zylinder des ersten
Kolbenverdichters rückgeführt worden ist.
Dabei wird bei einer Bewegung des Kolbens des ersten Kolbenverdichters in Richtung oberer Totpunkt, die zu einer Verdichtung des im Zylinder des ersten Kolbenverdichters enthaltenen Brennstoffs führt, ein zweites Ventil, das in einer zweiten Leitung, die zu dem Wärmetauscher, der mit Abwärme betrieben wird, geführt ist, geöffnet, so dass bei geöffnetem zweiten Ventil in die Gasphase überführter Brennstoff durch den Wärmetauscher und ein Teil des mittels des Wärmetauschers erwärmten Brennstoffs über eine dritte Leitung zu einem Verbraucher und ein Teil des mittels des Wärmetauschers erwärmten Brennstoffs durch eine vierte Leitung in den Zylinder eines zweiten Kolbenverdichters strömt.
Der Teil des erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs, der in den zweiten Kolbenverdichter geführt wird, wird bei einem Verdichtungshub des Kolbens des zweiten Kolbenverdichters in den Zylinder des ersten
Kolbenverdichters rückgeführt, wenn das erste Ventil und das zweite Ventil geschlossen sind, und der Kolben des ersten Kolbenverdichters eine Ansaugbewegung in Richtung unterer Totpunkt ausführt sowie das fünfte Ventil geöffnet ist.
Die Energie des Teils des in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters rückgeführten, mit dem zweiten Kolbenverdichter komprimierten und mit dem Wärmetauscher erwärmten Brennstoffs kann zur Verdichtung und Vorwärmung des aus dem Druckbehälter in den Zylinder des ersten
Kolbenverdichters einströmenden dabei expandierenden flüssigen
Brennstoffs genutzt werden, wodurch die zur Verdichtung des vorab flüssigen Brennstoffs im ersten Kolbenverdichter erforderliche Leistung reduziert und dabei externe Wärme, die dem Wärmetauscher zugeführt wird und die Exergie des Systems ausgenutzt werden können, um den
Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen.
Beim Ansaugen des flüssigen Brennstoffs über eine erste Leitung in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters sollte der Brennstoff infolge der Mischung mit dem wärmeren, expandierten Brennstoff teilweise, aber nicht vollständig verdampft werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen
Systems, bei dem der Kolben eines ersten Kolbenverdichters in seinem oberen Totpunkt angeordnet ist;
Figur 2 das Beispiel nach Figur 1, bei dem sich der Kolben des ersten
Kolbenverdichters zum Ansaugen in Richtung unterem Totpunkt bewegt;
Figur 3 das Beispiel, bei dem der Kolben des ersten Kolbenverdichters den unteren Totpunkt erreicht hat;
Figur 4 das Beispiel, bei dem sich der Kolben des ersten Kolbenverdichters zum Verdichten in Richtung oberer Totpunkt bewegt; Figur 5 das Beispiel, bei dem der Kolben des ersten Kolbenverdichters bei der Bewegung zum Verdichten seinen oberen Totpunkt noch nicht erreicht hat, aber verdichteter Brennstoff aus dem Zylinder des ersten Kolbenverdichters in einen Wärmetauscher ausströmt und der Beginn des Einströmens eines Teils an Brennstoff, der mit dem Wärmetauscher erwärmt und mit dem zweiten Kolbenverdichter verdichtet in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters rück geführt wird, und
Figur 6 das Beispiel in einem Zustand, bei dem der Kolben des ersten
Kolbenverdichters den oberen Totpunkt im Anschluss an seinen Verdichtungstakt noch nicht ganz erreicht hat und alle Ventile geschlossen sind.
In Figur 1 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems gezeigt, bei dem ein Kolben 5 eines ersten Kolbenverdichters 1, der von einem Kurbelantrieb mit einer Schwungscheibe 7, an der eine Pleuelstange 6 exzentrisch befestigt ist, in seine obere Totpunktstellung im Zylinder 4 des ersten
Kolbenverdichters 1 bewegt worden ist.
Ein nicht dargestellter Druckbehälter in dem flüssiger Wasserstoff als
Brennstoff mit einem Druck von 0,1 MPa und einer Temperatur von -253,15 °C enthalten ist, ist über die erste Leitung 2 mit dem Zylinder 4 verbunden. In der ersten Leitung 2 ist ein erstes Ventil 3 angeordnet, dass in dieser Stellung des Kolbens 5 geschlossen ist.
Der erste Kolbenverdichter 1 hat einen Hubraum von 75cm3 und einen Hub von 72.5 mm.
An den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 ist eine zweite Leitung 8, in der das zweite Ventil 9 angeordnet ist, angeschlossen und zu dem
Wärmetauscher 10 geführt. Das zweite Ventil 9 ist in dieser Stellung des Kolbens 5 ebenfalls geschlossen.
Der Wärmetauscher 10 wird mit externer Abwärme, beispielsweise Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen oder Umgebungswärme betrieben (ebenfalls nicht dargestellt).
An der anderen Seite des Wärmetauschers 10 ist eine dritte Leitung 10 angeschlossen, in der das dritte Ventil 12 angeordnet und die zu einem nicht dargestellten Verbraucher geführt ist. Von der dritten Leitung zweigt in Strömungsrichtung vor dem dritten Ventil 12 eine vierte Leitung 13, in der das vierte Ventil 14 angeordnet ist, ab. Die vierte Leitung 13 ist in den Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 geführt.
Der Kolben 17 des zweiten Kolbenverdichters 15 wird mit dem Nockenantrieb 18 zwischen seinen zwei Totpunkten translatorisch hin und her bewegt, wenn der Nockenantrieb 18 durch entsprechende Rotationsbewegung aktiviert wird.
Vom Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 ist eine fünfte Leitung, in der das fünfte Ventil 20 angeordnet ist, in den Zylinder 4 des ersten
Kolbenverdichters 1 geführt.
In der Darstellung von Figur 1 sind alle Ventile 3, 9, 12, 14 und 20 geschlossen.
Wie aus Figur 2 entnommen werden kann, kann das erste Ventil 3 geöffnet werden, wenn sich der Kolben des ersten Kolbenverdichters 1 in Richtung unterer Totpunkt zum Ansaugen von flüssigem Brennstoff in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 bewegt. Zumindest die Ventile 9 und 20 sind während des Ansaugens geschlossen.
Bei diesem Ansaugtakt des ersten Kolbenverdichters 1 kann die mittels der mit der Schwungscheibe 7 gespeicherte kinetische Energie für den Antrieb der Bewegung der Kolben 5 und 17 des ersten und des zweiten Kolbenverdichters 1 und 15 genutzt werden, ohne dass zusätzliche Energie für den jeweiligen Drehantrieb zugeführt werden muss, wenn dass System im normalen
Betriebszustand ist.
Bei der Bewegung des Kolbens 17 des zweiten Kolbenverdichters 15, wie sie den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, gelangt ein Teil des mittels des Wärmetauschers 10 erwärmten in die Gasphase überführten Brennstoffs durch Ansaugen in den Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15, wenn das vierte Ventil 13 offen und das fünfte Ventil 20 geschlossen sind.
Nach Erreichen des unteren Totpunktes des Kolbens 5 des ersten
Kolbenverdichters 1 ist der Zylinder 4 mit Brennstoff gefüllt, wie dies aus Figur 3 hervorgeht. Figur 3 kann man auch entnehmen, dass bei der Bewegung des Kolbens 17 des zweiten Kolbenverdichters 15 in Richtung seines oberen Totpunktes eine Verdichtung des erwärmten und komprimierten in die Gasphase überführten Brennstoffs im Zylinder 16 erreicht wird. Das fünfte Ventil 20 ist dabei noch geschlossen.
Mit weiterer Drehung des Kurbelantriebs 7 bewegt sich der Kolben 5 des ersten Kolbenverdichters 1 in Richtung seines oberen Totpunktes und im Zylinder 4 enthaltener Brennstoff wird entsprechend verdichtet. Ab Erreichen eines vorgebbaren Weges und/oder Innendrucks im Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 wird da zweite Ventil 9 geöffnet und komprimierter Brennstoff strömt aus dem Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 über die zweite Leitung 8 in den Wärmetauscher 10. Mit dem Wärmetauscher 10 wird der nunmehr gasförmige Brennstoff um 125 K weiter erwärmt, so dass er eine Mindesttemperatur von 160 K erreicht hat.
Der auf diese Temperatur erwärmte und auf einen Druck von 1 MPa komprimierte Brennstoff kann bei geöffnetem dritten Ventile 12 zu dem Verbraucher strömen, wie man dies Figur 4 entnehmen kann. Das erste Ventil 3 ist dabei geschlossen.
Mit Figur 5 soll verdeutlicht werden, wie kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes bei der Bewegung des Kolbens 5 des ersten Kolbenverdichters 1 da erste Ventil 3 und das dritte Ventil 12 geschlossen sind. Dafür kann durch das geöffnete fünfte Ventil 20 in die Gasphase überführter Brennstoff aus dem Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters einströmen und dadurch ein Spülen des Zylinders 4 des ersten Kolbenverdichters 1 erreicht werden. Das fünfte Ventil 20 wird geöffnet, wenn der Kolben 5 des ersten Kolbenverdichters 1 das letzte Viertel seiner Bewegung bis zum Erreichen seines oberen Totpunktes erreicht hat. Sowohl der Brennstoff, der aus dem Druckbehälter, wie auch der Brennstoff, der aus dem Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 gelangt ist, wird durch das geöffnete zweite Ventil 9 zum Wärmetauscher 10 gefördert. Mit dem vom Wärmetauscher 10 aus dem Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 rückgeführten
Brennstoffs kann eine zusätzliche Erwärmung und Verdichtung des aus dem Druckbehälter in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 strömenden Brennstoffs und somit eine erhöhte darin gespeicherte Energie erreicht werden.
Bei dem Zustand des Systems, wie es in Figur 6 gezeigt ist, sind zumindest das erste Ventil 3 und das zweite Ventil 9 geschlossen und der Kolben 5 des ersten Kolbenverdichters 1 befindet sich kurz vor seiner oberen Totpunktstellung.

Claims

Patentansprüche
1. System zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem Brennstoff in die Gasphase, der in einem Druckbehälter gespeichert ist, bei dem der Druckbehälter über eine erste Leitung (2) mit einem Zylinder (4) eines ersten Kolbenverdichters (1) verbunden und in der ersten Leitung (2) ein erstes Ventil (3) angeordnet ist, und der Kolben (5) des ersten Kolbenverdichters mittels einer Pleuelstange (6), die exzentrisch an einem Kurbelantrieb um eine Achse drehbar befestigt ist, translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten bewegbar ist und an den Zylinder (4) eine zweite Leitung (8), in der ein zweites Ventil (9) angeordnet ist, angeschlossen und zu einem Wärmetauscher (10), der mit Ab- oder Umgebungswärme betreibbar ist, geführt ist und an den Wärmetauscher (10) eine dritte Leitung (11) in der ein drittes Ventil (12) angeordnet ist, angeschlossen ist, die zu einem Verbraucher für den in die Gasphase überführten Brennstoff geführt ist, und an die dritte Leitung (11) eine vierte abzweigende Leitung (13), in der ein viertes Ventil (14) angeordnet ist, angeschlossen und in einen Zylinder (16) eines zweiten Kolbenverdichters (15) geführt ist, wobei der Kolben (17) des zweiten Kolbenverdichters (15) mittels eines Antriebs (18) zwischen zwei Umkehrpunkten translatorisch hin und her bewegbar ist und an den Zylinder (16) des zweiten Kolbenverdichters (15) eine fünfte Leitung (19), in der ein fünftes Ventil (20) angeordnet ist,
angeschlossen und zum Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) geführt ist, so dass erwärmter in die Gasphase überführter Brennstoff bei geöffnetem vierten Ventil in den Zylinder (4) des ersten
Kolbenverdichters (1) einführbar ist, bevor ein Öffnen des ersten Ventils (3) während einer Ansaugbewegung des Kolbens (5) des ersten Kolbenverdichters (1) erfolgt ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubraum des zweiten Kolbenverdichters (15) größer als der Schadraum des ersten Kolbenverdichters (1), bevorzugt mindestens 50 % größer ist.
3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb, der insbesondere mit einer Schwungscheibe (7) gebildet ist, mit einem Drehantrieb und/oder einem elektrischen Generator verbunden ist.
4. System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungscheibe (7) mit einem in einen Generatorbetrieb umschaltbaren Elektromotor verbunden und temporär antreibbar und nach Umschaltung temporär als elektrischer Generator nutzbar ist.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens eines der Ventile (3, 9, 12, 13 und 20) an eine elektronische Steuerung angeschlossen ist.
6. System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit so ausgebildet ist, dass flüssiger Brennstoff erst in den Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) eintreten kann, wenn
der Kolben (5) des ersten Kolbenverdichters während des Ansaugens einen vorbestimmten Weg zurück gelegt und/oder
im Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) ein bestimmter vorgegebener Innendruck und/oder
eine bestimmte vorgegebene Menge an mittels des Wärmetauschers (10) erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs mittels des zweiten Kolbenverdichters (15) in den Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) rückgeführt worden ist.
7. Verfahren zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem
Brennstoff in die Gasphase, bei dem der in einem Druckbehälter gespeicherte flüssige Brennstoff über eine erste Leitung (2) in einen Zylinder (4) eines ersten Kolbenverdichters (1) über die erste Leitung
(2), in der erstes Ventil (3) angeordnet ist, bei geöffnetem ersten Ventil
(3) eingeführt wird, wenn der Kolben (5) des ersten Kolbenverdichters (1) bei einer
Ansaugbewegung einen vorgebbaren Weg in Richtung unterer
Totpunkt zurück gelegt hat und im Zylinder (4) des ersten
Kolbenverdichters (1) eine bestimmte vorgegebene Menge an mittels eines Wärmetauschers (10) erwärmten und in die Gasphase
überführten Brennstoffs mittels eines zweiten Kolbenverdichters (15) in den Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) rückgeführt und arbeitsleistend expandiert worden ist; wobei
bei einer Bewegung des Kolbens (5) des ersten Kolbenverdichters (1), in Richtung oberer Totpunkt, die zu einer Verdichtung des im Zylinder
(4) des ersten Kolbenverdichters (1) enthaltenen Brennstoffs führt, ein zweites Ventil (9), das in einer zweiten Leitung (8), die zu dem
Wärmetauscher (10), der mit Ab- oder Umgebungswärme betrieben wird, geführt ist, geöffnet wird, so dass bei geöffnetem zweiten Ventil (9) in die Gasphase überführter
Brennstoff durch den Wärmetauscher (10) und ein Teil des mittels des Wärmetauschers (10) erwärmten Brennstoffs über eine dritte Leitung (11) zu einem Verbraucher und durch eine vierte Leitung (13) ein Teil des mit dem Wärmetauscher (10) erwärmten Brennstoffs in den Zylinder (16) eines zweiten Kolbenverdichters (15) strömt und dieser Teil des erwärmten und in die Gasphase überführten
Brennstoffs bei einem Verdichtungshub des Kolbens (17) des zweiten Kolbenverdichters (15) in den Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) rückgeführt wird, wenn das erste Ventil (3) und das zweite Ventil (9) geschlossen sind, und der Kolben (5) des ersten Kolbenverdichters (1) eine Ansaugbewegung in Richtung unterer Totpunkt ausführt.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass maximal 50 % des mit dem Wärmetauscher (10) erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs in den Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) rückgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das fünfte Ventil (20) geöffnet wird, wenn der Kolben (5) des ersten Kolbenverdichters (1) das letzte Viertel seines Weges bis zum Erreichen seines oberen Totpunktes erreicht hat.
10. Verfahren nacheinem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ansaugen des flüssigen Brennstoffs über eine erste Leitung (2) in den Zylinder (4) des ersten Kolbenverdichters (1) der Brennstoff infolge der Mischung mit dem wärmeren, expandierten Brennstoff teilweise, aber nicht vollständig verdampft wird.
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