[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums mit den
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verdichten eines
Arbeitsmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8.
[0002] Derartige Verdichter sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt
(vgl. z.B. die
US 4,104,008 A).
[0003] Als nachteilig erweist sich jedoch der hohe Energieverbrauch von Verdichtern mit
Gasantrieb.
[0004] Vor diesem Hintergrund setzt sich die Erfindung zum Ziel, den Wirkungsgrad für den
Antrieb des Hochdruckkolbens zu erhöhen.
[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein
Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.
[0006] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums weist zumindest
die folgenden Komponenten auf:
- einen Kompressor zur Kompression eines Antriebsmediums;
- einen Druckübersetzer mit einem mittels des Antriebsmediums betätigbaren Antriebskolben
innerhalb eines ersten Zylinders und mit einem das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolben
innerhalb eines zweiten Zylinders,
- einen Wärmetauscher zwischen dem Kompressor und dem ersten Zylinder des Druckübersetzers
zur Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium.
[0007] Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium
nach der Verdichtung im zweiten Zylinder und dem Antriebsmedium vor dem Eintritt in
den ersten Zylinder des Druckübersetzers eingerichtet. Vorteilhafterweise kann so
die Temperatur des Antriebsmediums im komprimierten Zustand erhöht werden, bevor der
Antriebskolben mit dem Antriebsmedium im komprimierten Zustand beaufschlagt wird.
Dadurch steht eine höhere Arbeitsleistung für den Betrieb des Hochdruckkolbens zur
Verfügung, so dass der Wirkungsgrad des Verdichters gesteigert werden kann.
[0008] Dieses Prinzip kann bei verschiedenen Typen von Verdichtern, insbesondere bei einem
einfach- oder doppeltwirkenden, einstufigen oder zweistufigen Verdichter genutzt werden.
Der Kompressor kann als Kolbenverdichter ebenfalls einfach- oder doppeltwirkend, einstufig
oder zweistufig ausgeführt sein.
[0009] Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben, wie
"vor", "nach", "zwischen", etc., auf die Strömungsrichtung des Antriebsmediums bzw.
des Arbeitsmediums im Verdichterbetrieb.
[0010] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein geschlossener Kreislauf für das Antriebsmedium
mit einer ersten Leitung vom Kompressor zum ersten Zylinder und mit einer zweiten
Leitung vom ersten Zylinder zum Kompressor vorgesehen. In dem Artikel von Andreas
P. Weiß, "Höhere Energieeffizienz - Theoretische Überlegungen zu einem idealen Druckluftsystem
mit geschlossenem Luftkreislauf", O+P 5/2009, wurde in einem anderen Zusammenhang
gezeigt, dass bei einem Druckluftsystem mit einem Druckluftzylinder die Ausbildung
eines geschlossenen Luftkreislaufes die Energieeffizienz gegenüber einem offenen Referenzsystem
ohne Abluftrückführung erhöht.
[0011] Der Wärmetauscher ist bevorzugt als Rekuperator ausgeführt, wobei das komprimierte
Antriebsmedium und das verdichtete Arbeitsmedium mittels zumindest einer Wand voneinander
getrennt sind. Bei einer alternativen Ausführung ist der Wärmetauscher als Regenerator
ausgeführt, wobei eine Wärmespeicherung in einer Wärmetauschermasse vorgesehen ist.
[0012] Als Wärmetauscher kann beispielsweise ein Plattenwärmetauscher oder ein Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher
vorgesehen sein. Es sind jedoch verschiedenste Ausführungen von Wärmetauschern bekannt,
mit welchen der Wärmegehalt des verdichteten Arbeitsmediums auf das komprimierte Antriebsmedium
übertragen werden kann.
[0013] Um die benötigte Antriebsleistung weiter zu verringern, ist es günstig, wenn der
Kompressor vollhermetisch oder halbhermetisch ausgeführt ist.
[0014] Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als "vollhermetischer" Kompressor eine Ausführung
verstanden, bei welcher ein vorzugsweise druckdichtes Gehäuse sowohl einen Antriebsmotor
als auch eine Verdichtereinheit umschließt, wobei das umschließende Gehäuse insbesondere
verschweißt ist und die Medienleitungen durch das Gehäuse durchgeführt sind.
[0015] Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als "halbhermetischer" Kompressor eine Ausführung
verstanden, bei welcher ein Antriebsmotor mit einem Verdichtergehäuse druckdicht und
lösbar verbunden ist.
[0016] Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein offener Kompressor vorgesehen. Für die
Zwecke dieser Offenbarung wird als "offener" Kompressor eine Ausführung verstanden,
bei welcher aus wenigstens einer Seite einer Verdichtereinheit ein Wellenzapfen oder
ein anderes Lastübertragungsmittel ragt, über das Arbeitsleistung in die Verdichtereinheit
eingebracht werden kann.
[0017] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Kompressor und der geschlossene
Kreislauf für das Antriebsmedium dazu eingerichtet, das Antriebsmedium bei höherem
Druck als Umgebungsdruck im Kreis zu führen.
[0018] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in der zweiten Leitung des geschlossenen
Kreislaufes ein Kühler zur Kühlung des Antriebsmediums zwischen dem ersten Zylinder
des Druckübersetzers und dem Kompressor angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird
die Temperatur des Antriebsmediums bei der Rückführung vom ersten Zylinder zum Kompressor
gesenkt. Auf diese Weise kann die Temperatur des Antriebsmediums nach der Komprimierung
durch Wärmeaustausch mit dem verdichteten Arbeitsmedium erhöht werden, ohne dass die
Temperatur im geschlossenen Kreislauf insgesamt immer weiter gesteigert werden würde.
Vorteilhafterweise wird das Arbeitsmedium daher im geschlossenen Kreislauf auf verschiedenen
Temperaturstufen geführt, um einen optimalen Wirkungsgrad beim Antrieb des Hochdruckkolbens
zu erzielen.
[0019] Um die Temperatur des Antriebsmediums in der Rückleitung vom Verdichter gezielt auf
das passende Niveau abzusenken, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform weiters
vorgesehen:
- ein Temperaturmesselement in der zweiten Leitung,
- eine Steuereinheit, welche einerseits mit dem Temperaturmesselement und andererseits
mit dem Kühler verbunden ist, um den Kühler in Abhängigkeit von der Temperatur des
Antriebsmediums in der zweiten Leitung zu steuern.
[0020] Zum Ausgleich von Druckspitzen bzw. Druckschwankungen ist bevorzugt ein erster Pufferspeicher
zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher und/oder ein zweiter Pufferspeicher
zwischen dem Kühler und dem Kompressor vorgesehen.
[0021] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Kompressor und dem ersten
Zylinder ein Steuerschieber vorgesehen, welcher zwischen einer ersten Stellung und
einer zweiten Stellung umschaltbar ist, um den ein erstes Volumen des ersten Zylinders
gegenüber einem zweiten Volumen des ersten Zylinders abdichtenden Antriebskolben mittels
des Antriebsmediums hin- und her zu bewegen. In der ersten Stellung verbindet der
Steuerschieber die erste Leitung mit einem ersten Volumen des ersten Zylinders und
die zweite Leitung mit einem zweiten Volumen des ersten Zylinders. In der zweiten
Stellung verbindet der Steuerschieber die erste Leitung mit dem zweiten Volumen des
ersten Zylinders und die zweite Leitung mit dem ersten Volumen des ersten Zylinders.
[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums weist zumindest
die folgenden Schritte auf:
- Komprimierung eines Antriebsmediums in einem Kompressor;
- Bewegen eines Antriebskolbens mittels des komprimierten Antriebsmediums innerhalb
eines ersten Zylinders;
- Bewegen eines das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolbens mittels des Antriebskolbens
innerhalb eines zweiten Zylinders, und
- eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium
vor dem Eintritt des komprimierten Antriebsmediums in den ersten Zylinder des Antriebskolbens.
[0023] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiters den
Schritt
- Leiten des Antriebsmediums in einem geschlossenen Kreislauf vom Kompressor über den
ersten Zylinder zurück zum Kompressor.
[0024] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Antriebsmedium im Kompressor
von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck komprimiert, wobei der Eingangsdruck
größer als ein Umgebungsdruck ist.
[0025] Der Eingangsdruck des Antriebsmediums am Eingang des Kompressors beträgt bevorzugt
zwischen 0,5 bar und 50 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 30 bar. Der Ausgangsdruck
des Antriebsmediums am Ausgang des Kompressors beträgt bevorzugt zwischen 1 bar und
100 bar, insbesondere zwischen 5 bar und 40 bar.
[0026] Für die Zwecke dieser Offenbarung sollen sämtliche Druckwerte als Absolutdrucke verstanden
werden.
[0027] Zur Temperaturabsenkung des Antriebsmediums vor dem Kompressor wird bevorzugt eine
Kühlung des aus dem ersten Zylinder austretenden Antriebsmediums mittels eines Kühlers
vorgenommen.
[0028] Das Antriebsmedium ist vorzugsweise von dem Arbeitsmedium verschieden. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Antriebsmedium gasförmig, wobei als
Antriebsmedium vorzugsweise eines von Luft, Stickstoff, CO
2, Argon oder Krypton oder eine Mischung daraus vorgesehen ist. Die herkömmlichen Verdichter
mit Gasantrieb haben einen hohen Energiebedarf, um die benötigte Antriebsleistung
für den Antrieb des Hochdruckkolbens zur Verfügung zu stellen. Durch den geschlossenen
Kreislauf des Antriebsmediums einerseits und die Wärmeübertragung vom verdichteten
Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium andererseits kann der Wirkungsgrad
beim Betrieb des Antriebskolbens wesentlich erhöht werden.
[0029] Bei einer besonders bevorzugten Anwendung ist das Arbeitsmedium gasförmig, wobei
als Arbeitsmedium vorzugsweise molekularer Wasserstoff vorgesehen ist. Bevorzugt wird
der Druck des Arbeitsmediums von einem Anfangsdruck, insbesondere zwischen 3 bar und
500 bar, auf einen Enddruck, insbesondere zwischen 100 bar und 1500 bar, insbesondere
zwischen 700 bar und 1000 bar, angehoben. Diese Werte sind wiederum jeweils als Absoluter
Druck zu verstehen.
[0030] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels
weiter erläutert.
[0031] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums
mittels eines Hochdruckkolbens, wobei eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium
auf das komprimierte Antriebsmedium für den Antriebskolben durchgeführt wird.
[0032] In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Arbeitsmediums,
vorzugsweise molekularer Wasserstoff, gezeigt. Die Vorrichtung 1 weist einen Kompressor
2 zur Kompression eines gasförmigen Antriebsmediums, vorzugsweise Luft, auf. Im Stand
der Technik sind verschiedenste Typen von Kompressoren 2 bekannt. Beispielsweise kann
der Kompressor 2 als Kolben- oder Schraubenverdichter ausgeführt sein. Der Kompressor
kann genau eine Stufe oder mindestens zwei Stufen aufweisen. Der Kompressor 2 erhöht
den Druck des Antriebsmediums von einem Eingangsdruck an einem Eingang 2a des Kompressors
2 auf einen Ausgangsdruck an einem Ausgang 2b des Kompressors 2.
[0033] Wie aus der Zeichnung weiters ersichtlich, wird das komprimierte Antriebsmedium zum
Antrieb eines Druckübersetzers 3 verwendet. Der Druckübersetzer 3, auch als Druckumwandler
bezeichnet, weist einen Antriebskolben 4 auf, welcher innerhalb eines ersten Zylinders
5 zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition hin- und her bewegt
wird. Für den Antrieb des Antriebskolbens 4 wird das Antriebsmedium in den ersten
Zylinder 5 geleitet. Der Antriebskolben 4 dichtet ein erstes Volumen 6 des ersten
Zylinders 5 gegenüber einem zweiten Volumen 7 des ersten Zylinders 5 ab. Der Druckübersetzer
3 weist zudem einen Hochdruckkolben 8 auf, mit welchem das Arbeitsmedium von einem
Anfangsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird. Der Hochdruckkolben 8 ist innerhalb
eines zweiten Zylinders 9 zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung
hin- und her bewegbar. Dafür ist der Hochdruckkolben 8 mit dem Antriebskolben 4 derart
verbunden, dass die Bewegung des Antriebskolbens 4 auf den Hochdruckkolben 8 übertragen
wird. Um eine Druckübersetzung von der Niederdruck- zur Hochdruckseite zu erzielen,
weist der Hochdruckkolben 8 eine geringere Kolbenfläche als der Antriebs- bzw. Niederdruckkolben
4 auf. In der gezeigten Ausführung ist der Antriebskolben 4 doppeltwirkend mit einem
weiteren Hochdruckkolben 10 innerhalb eines Hochdruckzylinders 11 auf der vom Hochdruckkolben
8 abgewandten Seite des Antriebskolbens 4 ausgebildet. Das Arbeitsmedium wird mit
dem Anfangsdruck über eine erste Zuleitung 12 dem zweiten Zylinder 9 und über eine
zweite Zuleitung 13 dem Hochdruckzylinder 11 zugeführt. Nach der Verdichtung wird
das Arbeitsmedium mit dem Enddruck über eine erste Ableitung 14 vom zweiten Zylinder
9 und über eine zweite Ableitung 15 vom Hochdruckzylinder 11 abgeleitet. In den Zu-
und Ableitungen sind Ventile 12a, 13a, 14a, 15a vorgesehen. In der gezeigten Ausführung
werden die erste Ableitung 14 und die zweite Ableitung 15 in einer gemeinsamen Ableitung
16 zusammengeführt. Bei einer einfachwirkenden Ausführung des Antriebskolbens 4 (nicht
gezeigt) ist lediglich die erste Ableitung 14 vorgesehen.
[0034] Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, wird das Arbeitsmedium in einem geschlossenen
Kreislauf 17 geführt. Der geschlossene Kreislauf 17 weist eine erste Leitung 18 vom
Ausgang 2a des Kompressors 2 zum ersten Zylinder 5 und eine zweite Leitung 19 (Rückführung)
vom ersten Zylinder 5 zurück zum Eingang 2b des Kompressors 2 auf. Zudem ist eine
Steuervorrichtung, insbesondere ein Steuerschieber 20, zur Änderung der Strömungsrichtung
des Antriebsmediums im ersten Zylinder 5 vorgesehen. Dadurch kann der Antriebskolben
4 je nach Stellung der Steuervorrichtung von der einen Seite oder von der anderen
Seite unter Druck gesetzt werden, so dass das Umschalten der Steuervorrichtung die
Hin- und Her-Bewegung des Antriebskolbens 2 bewirkt. In der gezeigten Ausführung ist
der Kompressor 2 vollhermetisch oder halbhermetisch ausgeführt. Vorteilhafterweise
können so Gasleckagen reduziert werden.
[0035] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Antriebsmedium in Strömungsrichtung 21 des Antriebsmediums
gesehen zwischen dem Kompressor 2 und dem ersten Zylinder 5 des Druckübersetzers 3
über einen Wärmetauscher 22 geführt, in welchem ein Wärmeaustausch mit dem verdichteten
Arbeitsmedium durchgeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 22 mit der
ersten Ableitung 14 und/oder mit der zweiten Ableitung 15, im Fall des gezeigten doppeltwirkenden
Verdichters mit der gemeinsamen Ableitung 16, verbunden. Somit kann der Wärmegehalt
des Arbeitsmediums nach der Verdichtung im zweiten Zylinder 9 zur Temperaturerhöhung
des Antriebsmediums vor dem Eintritt in den ersten Zylinder 5 für den Antriebskolben
4 erhöht werden. Aus der idealen Gasgleichung (p*V=n*R*T) ergibt sich, dass das Produkt
p*V erhöht wird, wenn die Temperatur des komprimierten Antriebsmediums erhöht wird.
Die erbringbare Arbeit und folglich Leistung am Druckumsetzer wird dadurch erhöht.
Somit wird für die gleiche Arbeit im Vergleich zu einem herkömmlichen System weniger
(elektrische) Antriebsenergie für den Kompressor 2 benötigt.
[0036] In der gezeigten Ausführung ist zudem ein Kühler 23 in der zweiten Leitung 19 angeordnet,
um eine Kühlung des Antriebsmediums am Weg vom ersten Zylinder 5 des Druckübersetzers
3 zurück zum Kompressor 2 zu erzielen. Der Kühler 23 kann als weiterer Wärmetauscher
mit einem Ventilator 23a ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführung ist zudem ein
Temperaturmesselement 26 in der zweiten Leitung 19 vorgesehen, welches die Temperatur
des Arbeitsmediums an eine Steuereinheit 27 übermittelt, welche den Ventilator 23a
in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung 19 ansteuert.
[0037] Weiters ist ein erster Pufferspeicher 24 zwischen dem Kompressor 2 und dem Wärmetauscher
22 und ein zweiter Pufferspeicher 25 zwischen dem Kühler 23 und dem Kompressor 2 vorgesehen.
[0038] Der besseren Übersicht halber sind in der Zeichnung lediglich die für das Verständnis
der gezeigten Ausführungsform benötigten Komponenten dargestellt. Selbstverständlich
kann die Verdichter-Vorrichtung 1 verschiedenste zusätzliche Komponenten und Modifikationen
gegenüber der gezeigten Ausführungsform aufweisen.
1. Vorrichtung (1) zum Verdichten eines Arbeitsmediums aufweisend:
- einen Kompressor (2) zur Kompression eines Antriebsmediums;
- einen Druckübersetzer (3) mit einem mittels des Antriebsmediums betätigbaren Antriebskolben
(4) innerhalb eines ersten Zylinders (5) und mit einem das Arbeitsmedium verdichtenden
Hochdruckkolben (8) innerhalb eines zweiten Zylinders (9);
gekennzeichnet durch
- einen Wärmetauscher (22) zwischen dem Kompressor (2) und dem ersten Zylinder (5)
des Druckübersetzers (3) zur Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das
komprimierte Antriebsmedium.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
- einen geschlossenen Kreislauf (17) für das Antriebsmedium mit einer ersten Leitung
(18) vom Kompressor (2) zum ersten Zylinder (5) und mit einer zweiten Leitung (19)
vom ersten Zylinder (5) zum Kompressor (2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (2) vollhermetisch, halbhermetisch oder offen ausgeführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (2) und der geschlossene Kreislauf (17) für das Antriebsmedium dazu
eingerichtet sind, das Antriebsmedium bei höherem Druck als Umgebungsdruck im Kreis
zu führen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch
- einen Kühler (23) zur Kühlung des Antriebsmediums in der zweiten Leitung (19) zwischen
dem ersten Zylinder (5) des Druckübersetzers (3) und dem Kompressor (2).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
- ein Temperaturmesselement (26) in der zweiten Leitung (19),
- eine Steuereinheit (27), welche einerseits mit dem Temperaturmesselement (26) und
andererseits mit dem Kühler (23) verbunden ist, um den Kühler (23) in Abhängigkeit
von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung (19) zu steuern.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch
- einen ersten Pufferspeicher (24) zwischen dem Kompressor (2) und dem Wärmetauscher
(22) und/oder einem zweiten Pufferspeicher (25) zwischen dem Kühler (23) und dem Kompressor
(2).
8. Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums aufweisend:
- Komprimierung eines Antriebsmediums in einem Kompressor (2);
- Bewegen eines Antriebskolbens (4) mittels des komprimierten Antriebsmediums innerhalb
eines ersten Zylinders (5);
- Bewegen eines das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolbens (8) mittels des Antriebskolbens
(2) innerhalb eines zweiten Zylinders (9),
gekennzeichnet durch
- eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium
vor dem Eintritt des komprimierten Antriebsmediums in den ersten Zylinder (5) des
Antriebskolbens (4).
9. Verfahren nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch:
- Leiten des Antriebsmediums in einem geschlossenen Kreislauf (18) vom Kompressor
(2) über den ersten Zylinder (5) zurück zum Kompressor (2).
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium im Kompressor (2) von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck
komprimiert wird, wobei der Eingangsdruck größer als ein Umgebungsdruck ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsdruck zwischen 0,5 bar und 50 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 30
bar, beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
gekennzeichnet durch:
- Kühlung des aus dem ersten Zylinder (5) austretenden Antriebsmediums mittels eines
Kühlers (23).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium gasförmig ist, wobei als Antriebsmedium vorzugsweise eines von
Luft, Stickstoff, CO2, Agron oder Krypton oder eine Mischung daraus vorgesehen ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium gasförmig ist, wobei als Arbeitsmedium vorzugsweise molekularer
Wasserstoff vorgesehen ist.