ES2993471T3

ES2993471T3 - Device for compressing gas

Info

Publication number: ES2993471T3
Application number: ES20830235T
Authority: ES
Inventors: Alban Sesmat; Mathieu Assemat; Marc Vanbaleghem; Jérôme Champredonde
Original assignee: GRTgaz SA
Current assignee: GRTgaz SA
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2024-12-30
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: FR3105343B1; EP4078015A1; EP4078015B1; EP4078015C0; WO2021123393A1; FR3105343A1

Abstract

El dispositivo (40) para comprimir un fluido gaseoso recuperando la energía de expansión de un gas entre una red de gas anterior (12) a presión Pa y una red de gas posterior (13) a presión Pb, que es inferior a Pa, comprende: - un servomotor neumático (30) que comprende un pistón libre (11) entre una cámara de expansión (17) y una cámara de compresión (23), - una primera línea de gas (31) entre la red anterior y una entrada de la cámara de expansión, - una segunda línea de gas (32) entre una salida de la cámara de expansión y la red posterior, - una tercera línea de fluido (33) de fluido gaseoso a comprimir que desemboca en una entrada de la cámara de compresión y - una cuarta línea (34) de fluido gaseoso comprimido conectada a una salida de la cámara de compresión. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de compresión de gas

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo de compresión de gas.

Se aplica, en particular, al campo de las estaciones de gas natural vehicular («GNV»), a las redes de gas natural comprimido («GNC») y a los depósitos y redes de aire comprimido.

Estado de la técnica

La expansión de un gas provoca la aparición de una energía fatal, la energía de expansión, que actualmente está poco o mal valorizada y, por lo tanto, se pierde total o mayoritariamente. El documento WO 2019239083 A1 divulga un dispositivo para comprimir un fluido gaseoso mediante recuperación de energía de expansión de un gas entre una red de gas aguas arriba a una presión Pa y una red de gas aguas abajo a una presión Pb inferior a Pa.

Exposición de la invención

La presente invención tiene como objetivo remediar la totalidad o parte de estos inconvenientes.

Para este propósito, la presente invención se refiere a un dispositivo para comprimir un fluido gaseoso mediante recuperación de energía de expansión de un gas entre una red de gas aguas arriba a una presión Pa y una red de gas aguas abajo a una presión Pb inferior a Pa, que incluye:

- un potenciador neumático que incluye un pistón libre entre una cámara de expansión y una cámara de compresión, - un primer conducto de gas entre la red aguas arriba y una entrada de la cámara de expansión,

- un segundo conducto de gas entre una salida de la cámara de expansión y la red aguas abajo,

- un tercer conducto de fluido gaseoso que se ha de comprimir que desemboca en una entrada de la cámara de compresión, y

- un cuarto conducto de fluido gaseoso comprimido conectado a una salida de la cámara de compresión.

Gracias a estas disposiciones, el dispositivo objeto de la invención emplea, para utilizar la energía de expansión de un fluido para comprimir un segundo fluido, un potenciador de pistón libre. El dispositivo objeto de la invención permite, al recuperar la energía de expansión de un gas procedente de una red de gas a la presión Pa y que entra en una red de gas a la presión Pb, donde Pa > Pb, por lo tanto sin gasto de energía, comprimir un fluido gaseoso. Este fluido gaseoso es, por ejemplo, gas procedente de la red aguas arriba, de un depósito de gas o de la atmósfera. Una vez comprimido, este fluido gaseoso alimenta un depósito, por ejemplo, de una estación de gas natural vehicular («GNV») o una red de gas comprimido («GNC» o aire comprimido).

En unos modos de realización:

- el pistón libre incluye una cabeza de expansión y una cabeza de compresión conectadas por un árbol, una abertura pasante que desemboca, por una parte, en la cabeza de expansión en el lado opuesto a la cabeza de compresión y, por otra parte, en una pared lateral del árbol,

- el primer conducto de gas desemboca en la cámara de expansión enfrente del árbol y

- la salida de la cámara de expansión a la que está conectado el segundo conducto se halla en una cara lateral de la cámara de expansión y sólo está obstruida por la cabeza de expansión cuando la abertura pasante no desemboca en la cámara de expansión.

Gracias a estas disposiciones, el potenciador de pistón libre funciona sin partes móviles externas siempre que haya una diferencia de presión entre el primer conducto y el segundo conducto.

En unos modos de realización, el dispositivo objeto de la invención incluye además una válvula en el primer conducto controlada por un presostato colocado aguas abajo del cuarto conducto.

Gracias a estas disposiciones, un aumento de presión, aguas abajo del cuarto conducto, hace que se detenga la alimentación de gas que se ha de expandir al dispositivo.

En unos modos de realización, el dispositivo objeto de la invención incluye además un regulador de presión tipo todo o nada en el primer conducto, cuya línea de impulso está colocada aguas abajo del cuarto conducto.

En unos modos de realización, el tercer conducto está conectado, en su entrada, a la red aguas arriba, siendo el gas que se ha de comprimir el gas de la red aguas arriba.

Por ejemplo, siendo este gas gas natural, una vez comprimido, alimenta un depósito de una estación de gas natural vehicular («GNV») o una red de gas natural comprimido («GNC»).

En unos modos de realización, el tercer conducto está conectado, en su entrada, a un depósito de gas que se ha de comprimir.

En unos modos de realización, el tercer conducto está conectado, en su entrada, a la atmósfera.

En unos modos de realización, el cuarto conducto conecta la cámara de compresión a un depósito de gas comprimido o a un circuito de gas comprimido.

De este modo, el dispositivo puede alimentar un depósito de aire comprimido o un circuito de aire comprimido. En unos modos de realización, el dispositivo objeto de la invención incluye además un intercambiador de calor configurado para calentar el gas que pasa a través del primer conducto y enfriar el fluido gaseoso comprimido que pasa a través del cuarto conducto.

De este modo, se evitan problemas asociados con el enfriamiento del gas correlativo a su expansión.

En unos modos de realización, el dispositivo objeto de la invención incluye además un regulador de presión en el cuarto conducto.

Este regulador de presión evita los picos de presión en la salida del cuarto conducto.

Breve descripción de las figuras

Otras ventajas, objetivos y características particulares de la invención se deducirán de la siguiente descripción no limitativa de al menos un modo de realización concreto del dispositivo de compresión objeto de la presente invención, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 representa, esquemáticamente, un primer modo de realización concreto del dispositivo objeto de la invención,

- la figura 2 representa, esquemáticamente, un segundo modo de realización concreto del dispositivo objeto de la invención,

- la figura 3 representa, esquemáticamente, un tercer modo de realización concreto del dispositivo objeto de la invención,

- la figura 4 representa, esquemáticamente, un cuarto modo de realización concreto del dispositivo objeto de la invención,

- la figura 5 representa, esquemáticamente, un primer modo de realización concreto de un pistón libre empleado en diferentes modos de realización del dispositivo objeto de la invención,

- la figura 6 representa, esquemáticamente, una primera fase de funcionamiento de un pistón libre con abertura pasante,

- la figura 7 representa, esquemáticamente, una segunda fase de funcionamiento de un pistón libre con abertura pasante,

- la figura 8 representa, esquemáticamente, una tercera fase de funcionamiento de un pistón libre con abertura pasante y

- la figura 9 representa, esquemáticamente, una cuarta fase de funcionamiento de un pistón libre con abertura pasante.

Descripción de los modos de realización

La presente descripción se proporciona con carácter no limitativo, pudiendo cada característica de un modo de realización combinarse con cualquier otra característica de cualquier otro modo de realización de manera ventajosa. Cabe señalar desde ahora que las figuras no están a escala.

El dispositivo objeto de la invención emplea preferentemente, con el fin de utilizar la energía de expansión de un fluido para comprimir un segundo fluido, un potenciador neumático con pistón libre. La versión con un pistón libre es la representada en las figuras 1 a 9. Recordamos que, en un potenciador con pistón libre, el movimiento del pistón responde únicamente a la presión del gas, sin que una biela lo accione o lo retenga. Un experto en la técnica sabe reemplazar fácilmente este pistón libre por un potenciador neumático de membrana, por ejemplo.

En el primer modo realización, figura 1, el dispositivo 10 objeto de la invención permite, al recuperar la energía de expansión de un gas, por lo tanto sin gasto de energía, comprimir gas natural para alimentar una estación de gas natural vehicular («GNV») o una red de gas natural comprimido («GNC»), cerca de una red de gas 12 a la presión Pa y de una red de gas 13 a la presión Pb, donde Pa > Pb.

El gas de la red aguas arriba 12 se extrae a través de un primer conducto 31 hasta una entrada 18 de una cámara de expansión de un potenciador 30 con pistón libre 11. Una vez que el gas se ha expandido, se une a la red de gas aguas abajo 13 a través de un segundo conducto 32. Por medio de una válvula 15 de entrada de gas procedente de la red aguas arriba 12 a través de un tercer conducto 33, en una cámara de compresión 23 del potenciador 30, y de una válvula 16 de salida de gas en un cuarto conducto 34, el gas se comprime a una presión Pc mayor que Pa. El gas comprimido se inyecta en el depósito 14 de una estación de GNV o una red de GNC.

Se describen dos modos de realización del potenciador 30 con pistón libre con referencia a las figuras 5, por una parte, y 6 a 9, por otra parte.

En unos modos de realización, tales como el ilustrado en la figura 2, se añaden elementos para automatizar el funcionamiento del dispositivo 40 objeto de la invención.

Cabe señalar que la expansión del gas provoca una disminución de su temperatura, lo que puede resultar problemático. Un intercambiador de calor 41 colocado tanto en el primer conducto 31 como en el cuarto conducto 34 está configurado para calentar el gas que pasa a través del primer conducto 31 y enfriar el fluido gaseoso comprimido que pasa a través del cuarto conducto 34.

Se usa un regulador de presión 47 en el cuarto conducto, aguas arriba del depósito 44, para que la presión y la temperatura al nivel del intercambiador 41 sean constantes.

Una válvula 45 controlada por un presostato 46 y colocada en el primer conducto 31 detiene el funcionamiento del dispositivo 40 cuando el depósito 44 de la estación de GNV está suficientemente lleno, es decir, cuando su presión interna es igual a un valor límite superior. Una vez que la presión del depósito 44 de la estación de GNV alcanza un valor límite inferior, por ejemplo, como resultado de un consumo por parte de un cliente de la estación, el presostato 46 controla la apertura de la válvula 45, que reinicia el funcionamiento del dispositivo 40.

Cabe señalar que el conjunto que consiste en la válvula 45 y el presostato 46 puede sustituirse por un dispositivo mecánico, sustituyéndose entonces la válvula 45 por un regulador de presión de tipo todo o nada colocado en el primer conducto 31, cuya línea de impulso se coloca en el depósito 44.

El caudal en la salida del segundo conducto 32 del dispositivo 40 es constante durante su funcionamiento debido al hecho de que el potenciador neumático tiene un pistón libre. Un regulador de presión aguas abajo 48 se usa para regular la presión de la red aguas abajo 13 durante las variaciones en el consumo de los clientes en la red aguas abajo 13. La válvula 45 controlada por un presostato 49 colocado en la red aguas abajo 13, por lo tanto aguas abajo del cuarto conducto 34, detiene el funcionamiento del dispositivo 40 cuando el caudal de consumo de los clientes en la red aguas abajo 13 es inferior al caudal en la salida del dispositivo 40.

Cabe señalar que el conjunto que consiste en la válvula 45 y el presostato 49 puede sustituirse por un dispositivo mecánico, sustituyéndose entonces la válvula 45 por un regulador de presión de tipo todo o nada cuya línea de impulso se coloca en la red aguas abajo 13.

Cabe señalar que esta sustitución se puede llevar a cabo de forma acumulativa con la sustitución del presostato 46 mencionado anteriormente. Por ejemplo, se emplean dos reguladores de acción directa colocados en serie, teniendo cada uno de estos reguladores un valor de ajuste específico. Según otro ejemplo, se emplea un único regulador de presión con acción controlada por dos controladores puestos en serie, teniendo cada uno de estos controladores un valor de ajuste diferente.

En los modos de realización ilustrados en las figuras 3 y 4, el dispositivo 50 y 60, respectivamente, permite, sin gasto de energía, comprimir cualquier fluido, por ejemplo, aire para alimentar una red de aire comprimido, que puede estar contenido en un depósito, en las proximidades de una red de gas 12 a la presión Pa y de una red de gas 13 a la presión Pb, donde Pa > Pb. Nuevamente, la energía de expansión de un gas que pasa de una de estas redes a la otra se utiliza para comprimir otro fluido gaseoso.

En el dispositivo 50 ilustrado en la figura 3 se encuentran los elementos ilustrados en la figura 1, con la excepción de la válvula de entrada 15 de gas en la cámara de compresión 23, que está conectada, mediante el tercer conducto 33, a un depósito 51 de gas que se ha de comprimir o a una entrada (no representada) de aire ambiente. Por su parte, el depósito 14 puede sustituirse por una red de gas o de aire comprimido.

En el dispositivo 60 ilustrado en la figura 4 se encuentran los elementos ilustrados en la figura 2, con la excepción de la entrada 15 de gas en la cámara de compresión 23, que está conectada, mediante el tercer conducto 33, a un depósito 61 de gas que se ha de comprimir o a una entrada (no representada) de aire ambiente. Por su parte, el depósito 44 puede sustituirse por una red de gas o de aire comprimido.

La figura 5 representa un potenciador, es decir, un par expansor 70, a la izquierda, y un compresor 72, a la derecha, con pistón libre. El expansor 70 incluye una cámara 75 provista de una entrada de gas a alta presión procedente del primer conducto 31 y una salida de gas a baja presión en el segundo conducto 32. En la cámara 75, un pistón de expansión 74 se pone en movimiento por la presión del gas y transmite esta presión, a través de un árbol 76, a un pistón de compresión 77 que comprime el fluido en una cámara 78. El conjunto de los pistones 74 y 77 y el árbol 76 constituye un pistón libre.

Unas válvulas 15 y 16 aseguran la estanqueidad y la dirección de desplazamiento del fluido desde el tercer conducto 33 de entrada de fluido gaseoso a baja presión hasta el cuarto conducto 34 de salida de fluido a alta presión. El sistema de control de la entrada de gas en la cámara 75 y de salida de gas de la cámara 75 no se describe aquí, ya que es bien conocido por los expertos en la técnica.

Por lo tanto, el gas desplaza en una primera cámara 75 un pistón libre, que comprime el fluido en una segunda cámara 78. El accionamiento del compresor por la turbina se realiza con pérdidas mecánicas muy limitadas, lo que aumenta el rendimiento de la estación de expansión. Cabe señalar que la presión del fluido en la salida del compresor puede ser mayor que la presión del gas en la entrada de la estación de expansión, dependiendo de la relación de las superficies de los pistones 74 y 77.

Como variante, el pistón libre se sustituye por membranas, como en los potenciadores de membrana de tipos conocidos.

En el modo de realización ilustrado en las figuras 6 a 10, un potenciador con pistón libre 11. Las flechas en líneas discontinuas representan los movimientos del gas. La flecha en líneas continuas representa los movimientos del pistón libre.

El pistón libre 11 incluye una cabeza de expansión 20 y una cabeza de compresión 22 conectadas por un árbol. Una abertura pasante 24 desemboca, por una parte, en la cabeza de expansión 20 en el lado opuesto a la cabeza de compresión 22 y, por otra parte, en una pared lateral del árbol. El primer conducto de gas 31 desemboca en la parte 21 de la cámara de expansión 17 enfrente del árbol. En consecuencia, la desembocadura de la abertura pasante 24 se halla en la parte 21 sólo cuando el volumen libre de la cámara de compresión 23 es máximo. La salida de la cámara de expansión 17 a la que está conectado el segundo conducto 32 se halla en una cara lateral de la cámara de expansión 17 y sólo está obstruida por la cabeza de expansión 20 cuando la abertura pasante 24 no desemboca en la parte 21 de la cámara de expansión 17. Más particularmente, la salida de la cámara de expansión está obstruida por la cabeza de expansión, excepto en la posición del pistón libre donde el volumen libre de la cámara de compresión es mínimo.

Al inicio del ciclo de funcionamiento del potenciador, como se ilustra en la figura 6, el volumen libre de la cámara de compresión es intermedio entre sus valores extremos. La presión en la parte 17 de la cámara de expansión opuesta a la cámara de compresión 23 está en el valor Pb de la red aguas abajo 13. El gas procedente del primer conducto 31 entra en la parte intermedia 21 de la cámara de expansión, a una presión Pa. La relación de las presiones Pa/Pb es mayor que la relación de las superficies de la cabeza de expansión 20 en la parte 17 y en la parte 21. Por lo tanto, el pistón libre 11 se desplaza hacia la izquierda, como se ilustra en la figura 7. Este movimiento del pistón libre 11 provoca la aspiración de fluido gaseoso procedente del tercer conducto 33 a través de la válvula de entrada 15. Cuando el volumen libre de la cámara de compresión 23 es máximo, la abertura pasante 24 desemboca en la parte 21 de la cámara de expansión y el gas procedente del primer conducto 31 pasa a través de la cabeza de expansión. La presión en la parte 17 de la cámara de expansión alcanza entonces Pa, lo que hace que el pistón libre 11 se mueva hacia la cámara de compresión 23, como se ilustra en la figura 8. Este movimiento obstruye la abertura pasante 24 y comprime el fluido gaseoso presente en la cámara de compresión 23. El fluido gaseoso comprimido pasa a través de la válvula de salida 16 y luego a través del cuarto conducto 34. Cuando el volumen libre de la cámara de compresión 23 es mínimo, la parte 17 de la cámara de expansión se conecta neumáticamente al segundo conducto 32, como se ilustra en la figura 9. Tras el aumento del volumen de la parte 17, la presión en la parte 17 de la cámara de expansión cae hasta alcanzar el valor Pb. Entonces, el ciclo vuelve a empezar.

Como se puede entender a partir de la lectura anterior, este potenciador con pistón libre 11 funciona sin partes móviles externas y siempre que haya una diferencia de presión suficiente entre el primer conducto y el segundo conducto.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (10, 40, 50, 60) para comprimir un fluido gaseoso mediante recuperación de energía de expansión de un gas entre una red de gas aguas arriba (12) a una presión Pa y una red de gas aguas abajo (13) a una presión Pb inferior a Pa, caracterizado por que incluye:

- un potenciador neumático (30, 70, 72) que incluye un pistón libre (11, 74, 76, 77) entre una cámara de expansión (17, 75) y una cámara de compresión (23, 78),

- un primer conducto (31) de gas entre la red aguas arriba y una entrada de la cámara de expansión, - un segundo conducto (32) de gas entre una salida de la cámara de expansión y la red aguas abajo, - un tercer conducto (33) de fluido gaseoso que se ha de comprimir que desemboca en una entrada de la cámara de compresión, y

- un cuarto conducto (34) de fluido gaseoso comprimido conectado a una salida de la cámara de compresión.

2. Dispositivo (10, 40, 50, 60) según la reivindicación 1, en el que:

- el pistón libre (11) incluye una cabeza de expansión (20) y una cabeza de compresión (22) conectadas por un árbol, una abertura pasante que desemboca, por una parte, en la cabeza de expansión en el lado opuesto a la cabeza (24) de compresión y, por otra parte, en una pared lateral del árbol,

- el primer conducto (31) de gas desemboca en la cámara de expansión (17) enfrente del árbol y

- la salida de la cámara de expansión a la que está conectado el segundo conducto (32) se halla en una cara lateral de la cámara de expansión y sólo está obstruida por la cabeza de expansión cuando la abertura pasante no desemboca en la cámara de expansión.

3. Dispositivo (40, 60) según una de las reivindicaciones 1 o 2, que incluye además una válvula (45) en el primer conducto (31) controlada por un presostato (46, 49) colocado aguas abajo del cuarto conducto (34).

4. Dispositivo (40, 60) según una de las reivindicaciones 1 o 2, que incluye además un regulador de presión tipo todo o nada en el primer conducto (31), cuya línea de impulso está colocada aguas abajo del cuarto conducto (34).

5. Dispositivo (10, 40) según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el tercer conducto (33) está conectado, en su entrada, a la red aguas arriba (12), siendo el gas que se ha de comprimir el gas de la red aguas arriba.

6. Dispositivo (50, 60) según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el tercer conducto (33) está conectado, en su entrada, a un depósito (51,61) de gas que se ha de comprimir.

7. Dispositivo (50, 60) según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el tercer conducto (33) está conectado, en su entrada, a la atmósfera.

8. Dispositivo (10, 40, 50, 60) según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el cuarto conducto (34) conecta la cámara de compresión (23) a un depósito de gas comprimido (14, 44) o a un circuito de gas comprimido.

9. Dispositivo (40, 60) según una de las reivindicaciones 1 a 8, que incluye además un intercambiador de calor (41) configurado para calentar el gas que pasa a través del primer conducto (31) y enfriar el fluido gaseoso comprimido que pasa a través del cuarto conducto (34).

10. Dispositivo (40, 60) según una de las reivindicaciones 1 a 9, que incluye además un regulador de presión (47) en el cuarto conducto (34).