BE1017317A3 - Verbeterde compressorinrichting. - Google Patents

Abstract

Verbeterde compressorinrichting voor het samenpersen van gas, welke compressorinrichting (1) in hoofdzaak bestaat uit minstens ÚÚn compressorelement (2-5-28) en ÚÚn of meer aangedreven componenten daardoor gekenmerkt dat minstens ÚÚn component wordt aangedreven door een gesloten arbeidskring (12) met een daarin circulerend medium dat wordt verhit door het samengeperst gas.

Description

Verbeterde compressorinrichting.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een verbeterde compressorinrichting.

Het is bekend dat bij compressorinrichtingen de temperatuur van het samengeperste gas door compressie hoog kan oplopen.

Een groot deel van het vermogen dat nodig is voor het comprimeren van het gas wordt dan ook omgezet in warmte, meer speciaal in latente warmte opgenomen in het samengeperst gas.

Deze omzetting in warmte wordt doorgaans niet nuttig gebruikt en betekent dus een verlies, hetgeen een nadelige invloed heeft op het rendement van de compressorinrichting.

Doorgaans tracht men de ontwikkelde warmte te beperken om het rendement te verbeteren en de compressie zo ideaal mogelijk, namelijk op isotherme wijze, te laten verlopen.

In de praktijk is een isotherme compressie moeilijk te bereiken.

Een bekende oplossing om de, tijdens de compressie van het gas, ontwikkelde warmte binnen de perken te houden, bestaat erin een koelvloeistof met een hoge warmtecapaciteit in het compressorelement van de compressorinrichting in te spuiten. Dit is bijvoorbeeld het geval bij zogenaamde oliegeïnjecteerde en watergeinjecteerde schroefcompressoren.

Bij industriële compressoren van dit type is de interactietijd in het compressorelement echter van zeer korte duur, waardoor de gunstige invloed van de vloeistofinjectie op gebied van rendement minder uitgesproken is.

Een andere bekende oplossing om een isotherme compressie na te streven, bestaat erin om de compressie in meerdere trappen met een steeds toenemende druk te laten verlopen in opeenvolgende, in serie met elkaar verbonden compressorelementen en het samengeperst gas telkens tussen twee opeenvolgende trappen te koelen door middel van een interkoeler.

Een alternatief bestaat erin de latente warmte van het samengeperst gas te recupereren voor andere nuttige doeleinden of toepassingen, bijvoorbeeld voor toepassing voor een verwarmingsinstallatie of dergelijke.

Zulke toepassingen zijn echter ter plaatse niet altijd opportuun of noodzakelijk.

Bovendien wordt door de warmterecuperatie wel een beter totaal rendement bekomen, maar wordt het rendement van de compressorinrichting op zich niet verbeterd.

De huidige uitvinding heeft een compressorinrichting als voorwerp met een verbeterd eigen rendement.

Hiertoe betreft de uitvinding een verbeterde compressorinrichting voor het samenpersen van gas, welke compressorinrichting in hoofdzaak bestaat uit minstens één compressorelement en één of meer aangedreven componenten, waarbij minstens één component wordt aangedreven door een gesloten arbeidskring met een daarin circulerend medium dat wordt verhit door het samengeperst gas.

De latente warmte van het samengeperst gas wordt aldus benut om een component van de compressorinrichting aan te drijven, gebruik makend van een efficiënte arbeidskring, bij voorkeur werkend volgens het zogenaamde Rankine kringproces, waarbij de hete gassen, bijvoorbeeld met een temperatuur van 200 à 250 graden Celsius, uit het hoge druk compressorelement de rol vervullen van warmtebron.

Op deze manier wordt de energie van het samengeperst gas op een energetisch gunstig manier gerecupereerd en aangewend voor de compressorinrichting zelf, waardoor het eigen rendement van de compressorinrichting wordt verbeterd.

Bij voorkeur bevat de compressorinrichting minstens twee compressorelementen die in serie met elkaar zijn verbonden, waarbij minstens één van deze compressorelementen een voornoemde component is die door de gesloten arbeidskring wordt aangedreven.

Zodoende wordt het rendement van de compressie zelf rechtstreeks gunstig beïnvloed.

Het medium in de gesloten arbeidskring wordt door middel van een pomp rondgepompt, achtereenvolgens doorheen een verhitter die wordt gevormd door minstens één warmtewisselaar waar doorheen minstens een gedeelte van het samengeperst gas stroomt; een turbine die door middel van een overbrenging is verbonden met een voornoemde aangedreven component; en een condensor.

Het medium wordt in de verhitter verdampt tot een gas met hoge energie dat de turbine en dus ook het daarmee gekoppelde lage druk compressorelement aandrijft, waarbij het gas in de turbine een expansie ondergaat, waarna het gasvormig medium dat de turbine verlaat bij lage druk in de condensor terug vloeibaar wordt gemaakt om vervolgens, met een verhoogde druk, door de pomp opnieuw door de verhitter te worden gestuurd en aldus een nieuwe cyclus in de gesloten kring aan te vatten.

Op deze wijze kan de turbine aan zeer hoge snelheden worden aangedreven, hetgeen toelaat op gunstige wijze bijvoorbeeld een turbocompressor toe te passen als compressorelement dat door de turbine wordt aangedreven.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van een verbeterde compressorinrichting volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch een verbeterde compressorinrichting volgens de uitvinding weergeeft; figuren 2 en 3 een variante weergeven van figuur 1.

De compressorinrichting 1 van figuur 1 bestaat in hoofdzaak uit twee compressorelementen, respectievelijk een lage druk compressorelement 2 met een inlaat 3 en een uitlaat 4 en een hoge druk compressorelement 5 eveneens met een inlaat 6 en een uitlaat 7.

De compressorelementen 2 en 5 zijn in serie met elkaar verbonden door middel van een leiding 8 die de uitlaat 4 van het lage druk compressorelement 2 verbindt met de inlaat 6 van het hoge druk compressorelement 5.

Het hoge druk compressorelement 5 wordt aangedreven door een motor 9 en is in dit geval via een persleiding 10 verbonden met een gebruikersnet 11 of dergelijke.

Het lage druk compressorelement 2 is in dit geval een component van de compressorinrichting 1 die volgens de uitvinding wordt aangedreven door een gesloten arbeidskring 12 die werkt volgens het principe van een Rankine kringproces.

De arbeidskring 12 bestaat in het weergegeven voorbeeld uit een gesloten kringleiding 13 waarin een medium, zoals pentaan, water, C02 of ieder ander daarvoor geschikt medium in een bepaalde stromingsrichting 14 wordt rondgepompt, bijvoorbeeld door middel van een pomp 15 die door een motor 16 wordt aangedreven.

In de kringleiding 13 bevinden zich achtereenvolgens in de stromingsrichting 14 van het medium een verhitter in de vorm van een warmtewisselaar 17, een turbine 18 en een condensor 19.

Doorheen de warmtewisselaar (17) stromen de hete gassen die afkomstig zijn van het hoge druk compressorelement 5, waartoe de warmtewisselaar (17) is opgenomen in de persleiding 10.

De turbine 18 is voorzien van een inlaat 20 en een uitlaat 21 voor het medium en is door middel van overbrenging 22 verbonden met de ingaande as van het lage druk compressorelement 2.

In het weergegeven voorbeeld zijn, zowel het lage druk compressorelement 2, als de turbine 18 van het turbotype, waardoor de overbrenging 22 een rechtstreekse koppeling door middel van een as kan zijn. Het is echter niet uitgesloten dat andere types compressorelementen of turbines worden toegepast, zoals van het spiraaltype, schroeftype of dergelijke.

De condensor 19 is een warmtewisselaar voor het koelen van het medium dat erdoor stroomt en dat in dit geval wordt verwezenlijkt door een luchtkoeling die wordt opgewekt door een uitwendige ventilator 23 met aandrijving 24.

De werking van de verbeterde compressorinrichting 1 is eenvoudig en als volgt.

Het hoge druk compressorelement 5 wordt aangedreven door de motor 9 en levert een bepaald debiet samengeperst gas dat via de persleiding 10 en de warmtewisselaar 17 van de verhitter aan het verbruikersnet 11 wordt geleverd.

Het samengeperst gas van het hoge druk compressorelement 5 bezit bijvoorbeeld een temperatuur van 200 à 250 graden Celsius.

Gelijktijdig met het compressorelement 5 wordt ook de pomp 15 aangedreven door middel van de motor 16 om het medium in de kringleiding 13 in de richting 14 rond te pompen, waarbij het medium door de pomp 15 op een verhoogde druk van bijvoorbeeld 10 bar wordt gebracht.

Het medium stroomt in vloeibare toestand de warmtewisselaar 17 van de verhitter binnen en wordt door de warmteoverdracht in de verhitter 17 verdampt tot een gasfase.

Het gevormd gas stroomt de turbine 18 binnen met een relatief hoge druk en temperatuur.

In de turbine 18 ondergaat de gasfase van het medium een expansie, waardoor de turbine 18 aan een hoge snelheid wordt aangedreven, waardoor deze turbine 18 op haar beurt het lage druk compressorelement 2 zal aandrijven.

Hierdoor wordt het samen te persen gas via de inlaat 3 aangezogen en in het lage druk compressorelement 2 samengeperst tot een bepaalde intermediaire druk.

Het medium verlaat de turbine 18 met een sterk verminderde druk en temperatuur en wordt in de condensor 19 gekoeld om te condenseren en terug vloeibaar te worden, waardoor het vloeibaar geworden medium opnieuw door de pomp 15 kan aangezogen en rondgepompt worden voor een volgende arbeidcyclus.

Al naargelang de toepassing en de betrokken vermogens kunnen de samenstellende onderdelen worden aangepast voor het beste resultaat.

Voor een hoge druk compressorelement 5 met een opgeslorpt vermogen van om en bij de 24 0 kW en een capaciteit van de grootteorde van 1000 liter/seconde en een compressieverhouding van 4,5, werden bijvoorbeeld gunstige resultaten behaald met een arbeidskring op basis van pentaan met een turbine 18 met een expansieverhouding van ongeveer 100, alleszins groter dan 50, die een vermogen ontwikkelde van de grootteorde van 60 kW voor het aandrijven van het lage druk compressorelement 2 met een compressieverhouding van ongeveer 1,8.

In plaats van pentaan kan eventueel een ander medium zoals water of CO2 worden toegepast, bij voorkeur een medium met een relatief laag kookpunt dat lager is dan 150 graden Celsius.

Als compressor kunnen uiteraard allerhande types compressoren worden toegepast als hoge druk compressoreleraent, zoals schroefcompressoren, olievrije compressoren en dergelijke.

Ook de turbine 18 en het lage druk compressorelement 2 dienen niet noodzakelijk van het turbotype te zijn, maar kunnen bijvoorbeeld ook van het schroeftype of van het spiraaltype zijn, waarbij zij trouwens elk van hetzelfde, dan wel van een verschillend type, kunnen zijn.

De verhitter 17 en de turbine 18 zijn bij voorkeur hoog rendement componenten die met een klein temperatuursverschil kunnen functioneren.

Het is niet uitgesloten dat het medium in de arbeidskring 12 door de thermodynamische werking van het kringproces vanzelf circuleert zonder dat hiervoor een pomp 15 nodig is.

In figuur 2 is een variante weergegeven van een verbeterde compressorinrichting volgens de uitvinding die verschilt van de uitvoeringsvorm van figuur 2 in het feit dat de verhitter in de gesloten arbeidskring 12 een bijkomende warmtewisselaar 25 bevat die stroomopwaarts van de warmtewisselaar 17 in de arbeidskring 12 is opgenomen.

Deze warmtewisselaar 25 is uitgevoerd als een tussenkoeler die is opgenomen in de leiding 8 die het lage druk compressorelement 2 verbindt met het hoge druk compressorelement 5.

Door toepassing van deze tussenkoeler 25 wordt het gas, dat in het hoge druk compressorelement 5 wordt samengeperst, voorafgaandelijk afgekoeld, hetgeen een gunstige invloed heeft op het rendement van het hoge druk compressorelement 5 en bovendien voor een bijkomende warmtebron zorgt die energie aan het medium in de arbeidskring 12 kan afstaan.

De motor 9 voor de aandrijving van het hoge druk compressorelement 5 is in dit geval een thermische motor waarvan de uitlaatgassen via een uitlaatleiding 26 doorheen een bijkomende warmtewisselaar 27 worden gestuurd, welke warmtewisselaar 27 eveneens als verhitter is opgenomen in de kringleiding 13 voor het verhitten van het medium in deze kringleiding 13.

De werking van deze variant is verder analoog aan deze van figuur 1.

Het is duidelijk dat het debiet samengeperst gas dat door de warmtewisselaars 17, 25 en 27 wordt gestuurd niet noodzakelijk het volledig debiet moet zijn dat door de compressorelementen 2-5 wordt geleverd.

Als alternatieve uitvoering kan de verhitter enkel bestaan uit één van de warmtewisselaars 17, 25 of 27.

Afhankelijk van het feit dat de temperatuur van de uitlaatgassen in de uitlaatleiding 26 hoger of lager zijn dan de temperatuur van samengeperste gassen in de persleiding 10 kan de warmtewisselaar 27 stroomopwaarts, dan wel stroomafwaarts van de warmtewisselaar 17 in de kringleiding 13 worden opgenomen.

In figuur 3 is een variant weergegeven van een dergelijke compressorinrichting volgens de uitvinding waarin de warmtewisselaar 27 stroomafwaarts van de warmtewisselaar is geplaatst.

In figuur 3 is de uitvinding toegepast op een meertraps compressorinrichting 1 met een bijkomend compressorelement 28 dat in serie is geplaatst tussen het lage druk compressorelement 2 en het hoge druk compressorelement 5 en waarbij de warmtewisselaar 25 is uitgevoerd als een tussenkoeler om het door de compressor 28 samengeperst gas af te koelen alvorens het door het hoge druk compressorelement 5 wordt aangezogen voor verdere compressie.

Bijkomend is in de compressorinrichting 1 van figuur 3 een stroomgenerator 29 voorzien die door middel van een transmissie 30 door de turbine 18 wordt aangedreven en stroom levert voor de aandrijving van andere componenten van de compressorinrichting zoals de motor 16 en de aandrijving 24 respectievelijk van de pomp 15 en de ventilator 23, of van bijvoorbeeld een bijkomende luchtdroger of bijkomende ventilatoren voor de warmtewisselaars 17, 25 en/of 27.

Volgens een alternatieve uitvoeringsvorm die niet in de figuren is weergegeven, wordt de turbine 18 uitsluitend gebruikt voor de aandrijving van de stroomgenerator 29.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een verbeterde compressorinrichting volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (16)

1. Verbeterde compressorinrichting voor het samenpersen van gas, welke compressorinrichting (1) in hoofdzaak bestaat uit minstens één compressorelement (2-5-28) en één of meer aangedreven componenten daardoor gekenmerkt dat minstens één component wordt aangedreven door een gesloten arbeidskring (12) met een daarin circulerend medium dat wordt verhit door het samengeperst gas.

2. Compressorinrichting volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat zij minstens twee compressorelementen (2—5— 28) bevat die in serie met elkaar zijn verbonden, waarbij minstens één van deze compressorelementen (2) een voornoemde component is die door de gesloten arbeidskring (12) wordt aangedreven.

3. Compressorinrichting volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat van de minstens twee compressorelementen (2-5-28) het lage druk compressorelement (2) wordt aangedreven door de gesloten arbeidskring (12).

4. Compressorinrichting volgens conclusie één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het medium in de gesloten arbeidskring (12) door middel van een pomp (15) wordt rondgepompt achtereenvolgens doorheen een verhitter die wordt gevormd door minstens één warmtewisselaar (17-27-25) waar doorheen minstens een gedeelte van het samengeperst gas stroomt; een turbine (18) die door middel van een overbrenging (22) is verbonden met een voornoemde aangedreven component; en een condensor (19) .

5. Compressorinrichting volgens conclusie 4, daardoor gekenmerkt dat minstens één warmtewisselaar (17) van de verhitter in de gesloten arbeidskring (12) is opgenomen in de persleiding (10) van het laatste hoge druk compressorelement (5).

6. Compressorinrichting volgens conclusie 4 of 5, daardoor gekenmerkt dat minstens één warmtewisselaar (25) van de verhitter in de gesloten arbeidskring (12) ) is uitgevoerd als een tussenkoeler (25) voor het koelen van het samengeperst gas in de leiding (8) die twee compressorelementen (2-5) met elkaar verbindt..

7. Compressorinrichting volgens één van de conclusies 4 tot 6, daardoor gekenmerkt dat zij een aandrijving bevat in de vorm van een thermische motor (9) met een uitlaatleiding (26) voor de uitlaatgassen en dat de verhitter in de gesloten arbeidskring (12) een bijkomende warmtewisselaar (27) bevat die is opgenomen in de voornoemde uitlaatleiding (26).

8. Compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het medium in de arbeidskring (12) een medium is met een laag kookpunt, bij voorkeur lager dan 150 graden Celsius.

9. Compressorinrichting volgens één van de conclusies 4 tot 8, daardoor gekenmerkt dat de turbine (18) en/of het door de turbine (18) aangedreven compressorelement (2) van het turbotype zijn.

10. Compressorinrichting volgens één van de conclusies 4 tot 8, daardoor gekenmerkt dat de turbine (18) en/of het door de turbine (18) aangedreven compressorelement (2) van het schroeftype zijn.

11. Compressorinrichting volgens één van de conclusies 4 tot 8, daardoor gekenmerkt dat de turbine (18) en/of het door de turbine (18) aangedreven compressorelement (2) van het spiraaltype zijn.

12. Compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat minstens één compressorelement (2-5-28) van het olievrije type is.

13. Compressorinrichting volgens één van de conclusies 4 tot 12, daardoor gekenmerkt dat het door de turbine (18) aangedreven compressorelement (2) een compressieverhouding heeft van de orde van grootte van 1,8.

14. Compressorinrichting volgens één van de conclusies 4 tot 13, daardoor gekenmerkt dat de turbine (18) een hoge expansieverhouding heeft die bij voorkeur groter is dan 50.

15. Compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het hoge druk compressorelement (5) een compressieverhouding heeft van de orde van grootte van 4 à 5.

16.- Compressorinrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat minstens één component, die door de arbeidskring (12) wordt aangedreven, eenstroomgenerator is.