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AT511637B1 - Technische anlage zur gasverdichtung mittels temperatur- und druckunterschieden - Google Patents

Technische anlage zur gasverdichtung mittels temperatur- und druckunterschieden Download PDF

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AT511637B1
AT511637B1 ATA898/2011A AT8982011A AT511637B1 AT 511637 B1 AT511637 B1 AT 511637B1 AT 8982011 A AT8982011 A AT 8982011A AT 511637 B1 AT511637 B1 AT 511637B1
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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer technischen Anlage wird Gas auf Basis von Temperatur- und Druckunterschieden in Hochdruckwärmetauschern (A) über einen Pneumatikzylinder (13) und Verdichter (15) komprimiert, wobei das Gas zum Antrieb einer Turbine (17) genutzt wird. Das Gas, das vom Hochdruckgasraum (1) eines ersten Hochdruckwärmetauschers (A) über den Pneumatikzylinder (13) in einen zweiten Hochdruckwärmetauscher (A) geleitet wird, wird auf Grund von Austausch von Wärme und Kälte bei den Hochdruckwärmetauschern (A) durch wechselnden Druckanstieg und Druckabfall des Gases über den Pneumatikzylinder (13) geführt. Durch den Austausch von Wärme und Kälte bei jedem einzelnen Wärmetauscher (A) wird der Einsatz einer Gaspumpe hinfällig.

Description

österreichisches Patentamt AT511 637B1 2013-08-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine technische Anlage, mit der Gas auf Basis von Temperatur-und Druckunterschieden in Hochdruckwärmetauschern über einen Pneumatikzylinder und Verdichter Gas komprimierbar ist, wobei das Gas zum Antrieb einer Turbine dient. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage.
[0002] Aus der US 5 259 363 A und der AT 410 966 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. Nachteilig ist dabei, dass nach erfolgtem Druckausgleich das Gas durch eine Pumpe, die zusätzlich Energie verbraucht, rückgeführt werden muss.
[0003] Aus der US 2005/0198960 A1 (D2) ist eine gattungsgemäße Anlage bekannt, bei der jeder Hochdruckwärmetauscher jeweils nur mit einer Kammer des Pneumatikzylinders verbunden ist. Vom ersten Hochdruckwärmetauscher führt eine Leitung in die erste Kammer des Pneumatikzylinders. Vom zweiten Hochdruckwärmetauscher führt eine Leitung in die zweite Kammer des Pneumatikzylinders. Im ersten Hochdruckwärmetauscher wird Gas erhitzt, wodurch der Gasdruck steigt. Im zweiten Hochdruckwärmetauscher wird Gas gekühlt, wodurch der Gasdruck fällt. Ein Ventil in der vom ersten Hochdruckwärmetauscher ausgehenden Leitung wird geöffnet, wodurch Gas mit erhöhtem Druck vom ersten Hochdruckwärmetauscher in die erste Kammer des Pneumatikzylinders strömt und den Kolben in eine Richtung bewegt. Gleichzeitig wird ein Ventil in der vom zweiten Hochdruckwärmetauscher ausgehenden Leitung geöffnet, wodurch Gas mit niedrigerem Druck vom zweiten Hochdruckwärmetauscher in die zweite Kammer des Pneumatikzylinders strömt und den Kolben in die selbe Richtung bewegt. Nach maximalem Hub des Kolbens werden diese beiden Ventile geschlossen. Anschließend wird der zweite Hochdruckwärmetauscher erhitzt und der erste Hochdruckwärmetauscher gekühlt. Die Ventile werden wieder geöffnet, wodurch nun Gas mit erhöhtem Druck vom zweiten Hochdruckwärmetauscher in die zweite Kammer des Pneumatikzylinders strömt und Gas mit niedrigerem Druck von der ersten Kammer des Pneumatikzylinders in den ersten Hochdruckwärmetauscher. Der Kolben des Pneumatikzylinders wird dadurch in die andere Richtung bewegt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine technische Anlage zur Verfügung zu stellen, die möglichst energieeffizient unter Einsparung einer Pumpe betrieben werden kann.
[0005] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer technischen Anlage, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
[0006] Des weiteren wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruches 5 aufweist.
[0007] Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0008] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jeder Hochdruckwärmetauscher über je eine Leitung derart mit beiden Kammern verbunden ist, dass von jedem Hochdruckwärmetauscher Gas mit erhöhtem Druck für einen Kolbenhub in die eine Kammer geführt wird und Gas mit niedrigerem Druck bei dem Rückhub des Kolbens von der anderen Kammer in den entsprechenden Hochdruckwärmetauscher rückgeführt wird.
[0009] Die Erfindung zielt darauf ab, dass das Gas, das vom ersten Hochdruckwärmetauscher über den Pneumatikzylinder in den zweiten Hochdruckwärmetauscher geleitet wird, nicht wie in Patent AT 410 966 B beschrieben nach erfolgtem Druckausgleich durch eine Pumpe - die zusätzlich Energie verbraucht - rückgeführt werden muss, sondern durch Austausch von Wärme und Kälte bei jedem einzelnen Hochdruckwärmetauscher durch wechselnden Druckanstieg und Druckabfall des Gases über den Verdichter geführt wird. 1 /6 österreichisches Patentamt AT 511 637 B1 2013-08-15 [0010] Weiters wird durch eingebaute Register im Hochdruckwärmetauscher (Tertiärkreislauf), in denen Warmwasser oder Kaltwasser zirkuliert, das Gas im Hochdruckgasraum (Primärkreislauf) erwärmt oder abgekühlt. Zusätzlich wird dieser Effekt durch Zuführung von Heißgas oder Kaltgas über den Doppelmantel der Hochdruckwärmetauscher in einem Sekundärkreislauf erzielt. Durch diese Anordnung kann der Primärkreislauf im geschlossenen System einfacher gesteuert werden.
[0011] 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.
[0012] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anlage.
[0013] Die Anlage besteht aus mindestens zwei Hochdruckwärmetauschern A, in denen im Ausgangszustand primärseitig gleich hoher Druck herrscht. In einem ersten Wärmetauscher A wird Gas beispielsweise durch Sonnenenergie, Erdwärme, Industriewärme und dergleichen, erwärmt, was zu einem Druckanstieg bis 250 bar in diesem Wärmetauscher A führt. In einem zweiten Wärmetauscher A wird Gas z.B. durch geringere Umgebungstemperatur, Kühlwasser, Industriekühlung, Windeinfluss usw., abgekühlt, was einen Druckabfall in diesem Wärmetauscher bewirkt.
[0014] Die Hochdruckwärmetauscher A sind mit Register 3 und Doppelmantel 2 ausgestattet. Die Register 3 werden von den Energiespeichern, nämlich dem Warmwasserwasserspeicher 5 und dem Kühlwasserspeicher 6, mit Warmwasser und Kaltwasser über Rohrleitungen gespeist (Tertiärkreislauf). Der Hochdruckgasraum 1 (Primärkreislauf) im Hochdruckwärmetauscher A wird durch wechselseitiges Öffnen und Schließen von Ventilen 7, 8 über die Register 3 entweder aufgeheizt oder abgekühlt, was zum erforderlichen Druckanstieg oder Druckabfall des Gases führt.
[0015] Das unter erhöhtem Druck stehende Gas aus dem erwärmten Hochdruckwärmetauscher A wird über einen Pneumatikzylinder 13 zum abgekühlten Hochdruckwärmetauscher A geleitet. Diese Verbindung wird durch Öffnen und Schließen von Ventilen 4 geregelt, bis der Druckausgleich stattfindet. Durch den Gasdruck im Pneumatikzylinder 13 wird ein Kolben 14 bewegt, der einen weiteren Kolben in einem Verdichter 15 durch die Ansaugöffnung 16 Gas ansaugen und komprimieren lässt. Das unter erhöhtem Druck stehende Gas im Verdichter 15 wird zu einer Turbine 17, die mechanische Energie erzeugt, geleitet und zu deren Antrieb genutzt. Nach Austritt des Gases aus der Turbine 17 entspannt sich das Gas und kühlt stark ab. Dieses abgekühlte Gas wird in einen Speicher 11, von dort in den Doppelmantel 2 eines entsprechenden Hochdruckwärmetauschers A, in dem die Abkühlung des Gases im Primärkreislauf zum Druckabfall erforderlich ist, und schließlich über ein Ventil 18 ins Freie geleitet (Sekundärkreislauf).
[0016] Durch eine zweite Leitung aus dem Verdichter 15 gelangt komprimiertes Gas in einen Speicher 9 und führt dort zu starker Erwärmung. Dieses erwärmte Gas wird in den Doppelmantel 2 eines entsprechenden Hochdruckwärmetauschers A geführt, in dem Wärme im Primärkreislauf zum Druckanstieg erforderlich ist (Sekundärkreislauf).
[0017] Nachdem bei einem Wärmetauscherpaar der Druckausgleich stattgefunden hat, wird durch Öffnen und Schließen von Ventilen 4 auf ein weiteres Wärmetauscherpaar umgeschaltet, wodurch der Zyklus von Neuem beginnt.
[0018] Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt dargestellt werden: [0019] Die Anlage enthält mindestens zwei Hochdruckwärmetauscher A, in denen im Ausgangszustand primärseitig gleich hoher Druck herrscht. Im ersten Wärmetauscher A wird der Gasdruck durch sekundär- und tertiärseitige Zuführung von Wärme bis 250 bar erhöht. Im zweiten Wärmetauscher A wird der Gasdruck durch sekundär- und tertiärseitige Abkühlung vermindert. Durch den Austausch von Wärme und Kälte bei jedem einzelnen Wärmetauscher A wird der Einsatz einer Gaspumpe hinfällig. 2/6 österreichisches Patentamt AT511 637B1 2013-08-15 [0020] Der Druckunterschied in den beiden Hochdruckwärmetauscher bewirkt eine Verschiebung des Kolbens 14 im Pneumatikzylinder, der Gas in einem Verdichter 15 komprimiert. Die dadurch entstehende Kompressionswärme wird in einen Speicher 9 und von dort sekundärseitig in den Doppelmantel 2 der Hochdruckbehälter 1 und über Entlüftungsventile 18 ins Freie geleitet. Das komprimierte Gas aus dem Verdichter 15 wird zum Antrieb einer Turbine 17 genutzt und nach Verlassen der Turbine entspannt. Das durch die Entspannung stark abgekühlte Gas wird in den Speicher 11 und zu den sekundärseitigen Doppelmanteln 2 der Hochdruckbehälter und über Entlüftungsventile 18 ins Freie geleitet. 3/6

Claims (10)

  1. österreichisches Patentamt AT511 637 B1 2013-08-15 Patentansprüche 1. Technische Anlage, mit der Gas auf Basis von Temperatur- und Druckunterschieden in Hochdruckwärmetauschern (A) über einen Pneumatikzylinder (13) und Verdichter (15) komprimierbar ist, wobei das Gas zum Antrieb einer Turbine (17) dient, wobei das Gas, das vom Hochdruckgasraum (1) eines ersten Hochdruckwärmetauschers (A) über den Pneumatikzylinder (13) in einen zweiten Hochdruckwärmetauscher (A) strömt, auf Grund von Austausch von Wärme und Kälte bei den Hochdruckwärmetauschern (A) durch wechselnden Druckanstieg und Druckabfall des Gases über den Pneumatikzylinder (13) geführt ist, und wobei der Pneumatikzylinder (13) zwei durch einen Kolben getrennte Kammern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hochdruckwärmetauscher (A) über je eine Leitung mit beiden Kammern verbunden ist.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in den Hochdruckgasräumen (1) in einem geschlossenem Primärkreislauf geführt ist und dass Heiß- oder Kaltgas über einen Doppelmantel (2) der Hochdruckwärmetauscher (A) in einem Sekundärkreislauf geführt ist.
  3. 3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Primärkreislauf im Hochdruckwärmetauscher (A) durch den Doppelmantel (2) der Hochdruckwärmetauscher (A) im Sekundärkreislauf erwärmbar oder abkühlbar ist.
  4. 4. Technische Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Warm- und Kaltwasser durch in den Hochdruckwärmetauschern (A) angeordneten Registern (3) und Energiespeichern in einem Tertiärkreislauf geführt ist und dass das Gas im Primärkreislauf im Hochdruckwärmetauscher (A) durch ein Register (3) im Tertiärkreislauf erwärmbar oder abkühlbar ist.
  5. 5. Verfahren zum Betreiben einer technischen Anlage, mit der Gas auf Basis von Temperatur-und Druckunterschieden in Hochdruckwärmetauschern (A) über einen Pneumatikzylinder (13) und Verdichter (15) Gas komprimiert wird, wobei das Gas zum Antrieb einer Turbine (17) genutzt wird, wobei das Gas, das vom Hochdruckgasraum (1) eines ersten Hoch-druckwärmetauschers (A) über den Pneumatikzylinder (13) in einen zweiten Hochdruckwärmetauscher (A) geleitet wird, auf Grund von Austausch von Wärme und Kälte bei den Hochdruckwärmetauschern (A) durch wechselnden Druckanstieg und Druckabfall des Gases über den Pneumatikzylinder (13) geführt wird, und wobei der Pneumatikzylinder (13) zwei durch einen Kolben getrennte Kammern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hochdruckwärmetauscher (A) über je eine Leitung derart mit beiden Kammern verbunden ist, dass von jedem Hochdruckwärmetauscher (A) Gas mit erhöhtem Druck für einen Kolbenhub in die eine Kammer geführt wird und Gas mit niedrigerem Druck bei dem Rückhub des Kolbens von der anderen Kammer in den entsprechenden Hochdruckwärmetauscher (A) rückgeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in den Hochdruckgasräumen (1) in einem geschlossenem Primärkreislauf geführt wird und dass Heiß- oder Kaltgas über einen Doppelmantel (2) der Hochdruckwärmetauscher (A) in einem Sekundärkreislauf geführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Primärkreislauf im Hochdruckwärmetauscher (A) durch den Doppelmantel (2) der Hochdruckwärmetauscher (A) im Sekundärkreislauf erwärmt oder abgekühlt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Warm- und Kaltwasser durch in den Hochdruckwärmetauschern (A) angeordneten Registern (3) und Energiespeichern in einem Tertiärkreislauf geführt wird und dass das Gas im Primärkreislauf im Hochdruckwärmetauscher (A) durch ein Register (3) im Tertiärkreislauf erwärmt oder abgekühlt wird. 4/6 österreichisches Patentamt AT511 637 B1 2013-08-15
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Führen des Gases zwischen den zwei Hochdruckwärmetauschern (A) durch Öffnen und Schließen von Ventilen (4) geregelt wird, bis ein Druckausgleich stattfindet.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Öffnen und Schließen der Ventile (4) auf ein weiteres Wärmetauscherpaar umgeschaltet wird, nachdem bei einem vorhergehenden Hochdruckwärmetauscherpaar der Druckausgleich stattgefunden hat. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6
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