DE102004046316A1 - Method and apparatus for compressing a gaseous medium - Google Patents

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Abstract

A method and device for compressing a gaseous medium, specifically hydrogen, is disclosed. Compression of the gaseous medium takes place by way of a fluid, where a fluid is used in which the gaseous medium is not soluble and/or can be separated residue-free from the gaseous medium. An ionic fluid, a high-boiling hydraulic oil, or a fluid which has a very low vapor pressure is used as the fluid.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff.The The invention relates to a method for compressing a gaseous medium, in particular of hydrogen.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff.Further the invention relates to a device for compressing a gaseous medium, in particular of hydrogen.

Bei gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zum Verdichten eines gasförmigen Mediums kommen gegenwärtig im Regelfall Kolbenverdichter bzw. Kolbenverdichtersysteme zur Anwendung. Kolbenverdichter benötigen entsprechende Abdichtungssysteme, um das zu verdichtende Medium von dem den Kolben antreibenden (Antriebs)Medium, beispielsweise Hydrauliköl, getrennt zu halten.at generic method and devices for compressing a gaseous medium are currently in the Normally reciprocating compressors or reciprocating compressor systems for use. Need piston compressor appropriate sealing systems to the medium to be compacted from the piston driving (drive) medium, for example Hydraulic oil, keep separate.

Insbesondere bei der Verdichtung von Wasserstoff, Erdgas und hochreinen Medien oder wenn aus bestimmten Gründen eine Kontaminierungen des zu verdichtenden Mediums durch das Antriebsmedium verhindert werden muss und/oder unerwünscht ist, sind passgenaue Zylinder mit Kolben und entsprechend wirksame dynamische Dichtsysteme erforderlich; diese Systeme führen im Regelfall jedoch zu hohen Produktions- sowie Wartungskosten. Oftmals werden für derartige Anwendungen noch kostenintensivere Verdichtungsvarianten, wie Membranverdichter, schmierungslose Kolbenverdichter, etc., herangezogen.Especially in the compression of hydrogen, natural gas and high-purity media or if for some reason a contamination of the medium to be compressed by the drive medium must be prevented and / or undesirable, are custom-fit Cylinders with pistons and correspondingly effective dynamic sealing systems required; lead these systems as a rule, however, to high production and maintenance costs. Often become for such applications even more costly compression variants, as membrane compressors, lubrication piston compressor, etc., used.

Gattungsgemäße Verfahren sowie Vorrichtungen kommen beispielsweise in Erdgasverdichterstationen, wie sie bei Erdgastankstellen realisiert werden, zur Anwendung.Generic method as well as devices, for example, in natural gas compressor stations, as they are implemented at natural gas filling stations, for use.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, anzugeben, das bzw. die die vorgenannten Nachteile vermeiden.task The present invention is a generic method as well as a generic device for compressing a gaseous Medium, in particular of hydrogen, indicate the or the avoid the aforementioned disadvantages.

Verfahrensseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Verdichtung des gasförmigen Mediums durch eine Flüssigkeit erfolgt, wobei eine Flüssigkeit, in der sich das gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist, verwendet wird.the method, this task is solved by that the compression of the gaseous Medium through a liquid takes place, whereby a liquid, in which the gaseous Medium does not dissolve and / or those of the gaseous Medium residue-free is separable, is used.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums ist dadurch gekennzeichnet, dass sie

  • a) einen oder mehrere Zylinder,
  • b) Zu- und Abführleitungen, die der Zu- und Abführung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums in bzw. aus dem oder den Zylindern dienen,
  • c) pro Zylinder wenigstens eine Flüssigkeitsleitung, die der Zu- und Abführung der das gasförmige Medium verdichtenden Flüssigkeit in den Zylinder dient,
  • d) Mittel zum Verändern der Flüssigkeitsmenge in dem oder den Zylindern,
  • e) wobei die Flüssigkeit eine Flüssigkeit ist, in der sich das zu verdichtende gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist,
umfasst.The device according to the invention for compressing a gaseous medium is characterized in that it
  • a) one or more cylinders,
  • b) supply and discharge lines which serve to supply and discharge the gaseous medium to be compressed into or out of the cylinder (s),
  • c) at least one liquid line per cylinder, which serves to supply and discharge of the gaseous medium-compressing liquid into the cylinder,
  • d) means for varying the amount of liquid in the cylinder or cylinders,
  • e) wherein the liquid is a liquid in which the gaseous medium to be compressed does not dissolve and / or which is separable without residue from the gaseous medium,
includes.

Die Erfindung ermöglicht es, bei der Verdichtung eines gasförmigen Mediums auf einen Kolben sowie jegliche (Kolben)Dichtsysteme zu verzichten. Erreicht wird dies, indem über eine innerhalb eines Zylinders veränderbare Flüssigkeitssäule eine Verdichtung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums realisiert wird. Die bisher verwendeten Kolben, die aus einem festen Material bestehen, werden durch eine nicht komprimierbare Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule ersetzt. Durch ein Auf- und Abbewegen der Flüssigkeitssäule – analog zu der Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens – wird das zu verdichtende gasförmige Medium angesaugt und verdichtet.The Invention allows it, during the compression of a gaseous medium on a piston as well to dispense with any (piston) sealing systems. This is achieved by over a variable within a cylinder liquid column compression of the zu compacting gaseous Medium is realized. The previously used pistons, the a solid material are made by a non-compressible liquid or liquid column replaced. By moving up and down the liquid column - analogous to the up and down movement of a piston - will the gaseous to be compressed Medium sucked and compressed.

Um eine optimale Verdichtung auch hochreiner Medien, die nicht durch die verwendete Flüssigkeit kontaminiert werden dürfen, zu erreichen, wird vorzugsweise eine Flüssigkeit gewählt, in der sich das zu verdichtende gasförmige Medium nicht löst und die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist.Around optimal compression of even high-purity media that is not through the liquid used may be contaminated, to achieve, a liquid is preferably selected in which does not dissolve the gaseous medium to be compressed and the from the gaseous Medium residue-free separable is.

In vorteilhafter Weise wird als Flüssigkeit eine ionische Flüssigkeit, ein schwer siedendes Hydrauliköl oder Flüssigkeiten, die einen sehr niedrigen Dampfdruck aufweisen, wie beispielsweise Vakuumpumpenöle, Salzschmelzen und Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, verwendet.In Advantageously, as a liquid ionic liquid, a heavy boiling hydraulic oil or liquids, which have a very low vapor pressure, such as Vacuum pump oils, Molten salts and low melting point metals.

Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen des- bzw. derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The inventive method, the device according to the invention and further embodiments of the same or the following are explained in more detail with reference to the embodiment shown in the figure.

Die Figur zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verdichtung in zwei getrennten Zylindern Z1 und Z2 erfolgt. Alternativ dazu kann die Verdichtung jedoch auch lediglich in einem oder auch in mehr als zwei Zylindern realisiert werden.The Figure shows a possible embodiment the invention in which the compression in two separate cylinders Z1 and Z2 take place. Alternatively, however, the compression can also be realized only in one or more than two cylinders.

Den Zylinder Z1 und Z2 wird über die Leitungen 1, 1' und 1'' das zu verdichtende, gasförmige Medium zugeführt. In den vorgenannten Leitungen sind Eintrittsventile a und b angeordnet. Nach erfolgter Verdichtung wird das verdichtete gasförmige Medium aus den Zylindern Z1 und Z2 über die Abführleitungen 2' und 2'', in denen ebenfalls Ventile c und d angeordnet sind, abgezogen.The cylinders Z1 and Z2 are connected via the pipes 1 . 1' and 1'' supplied to be compressed, gaseous medium. In the aforementioned lines inlet valves a and b are arranged. After compression, the compressed gaseous medium from the cylinders Z1 and Z2 via the discharge lines 2 ' and 2 '' , in which also valves c and d are arranged, deducted.

Das verdichtete gasförmige Medium wird in einer Abtrennvorrichtung A von aus den Zylindern Z1 und Z2 ggf. mitgeführter Flüssigkeit, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, befreit und anschließend über Leitung 2 seiner weiteren Verwendung und/oder Zwischenspeicherung zugeführt.The compressed gaseous medium is freed in a separation device A from the cylinders Z1 and Z2 possibly entrained liquid, which will be discussed in more detail below, and then via line 2 its further use and / or caching supplied.

Innerhalb der Zylinder Z1 und Z2 ist eine geeignete Flüssigkeit D, die der Verdichtung des gasförmigen Mediums dient, vorgesehen. Die Zylinder Z1 und Z2 sind über die Leitungen 3 bis 6 sowie die Hydraulikpumpe X, die von einem elektrischen Motor M angetrieben wird, verbunden.Inside the cylinders Z1 and Z2, a suitable liquid D, which serves for the compression of the gaseous medium, is provided. The cylinders Z1 and Z2 are above the pipes 3 to 6 and the hydraulic pump X, which is driven by an electric motor M, connected.

Mittels der Hydraulikpumpe X werden die Flüssigkeitsstände D in den Zylindern Z1 und Z2 derart variiert, dass einer der Zylinder das zu verdichtende Medium ansaugt, während zeitgleich bzw. im Wesentlichen zeitgleich in dem anderen Zylinder eine Verdichtung des gasförmigen Mediums erfolgt. Hierbei kommt vorzugsweise eine Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibensteuerung zum Einsatz, wobei durch eine einfache Verstellung der Taumelscheibe Fördermenge und/oder Förderrichtung verändert werden können.through the hydraulic pump X, the fluid levels D in the cylinders Z1 and Z2 varies such that one of the cylinders to be compacted Medium sucks while at the same time or substantially simultaneously in the other cylinder a compression of the gaseous Medium takes place. This is preferably an axial piston pump with swashplate control, whereby by a simple Adjustment of the swash plate flow rate and / or conveying direction changed can be.

Die Erfindung besitzt gegenüber dem Stand der Technik ferner den Vorteil, dass über die Flüssigkeit D eine zumindest teilweise Abführung der bei der Verdichtung entstehenden (Verdichtungs)Wärme erfolgen kann. Hierzu sind, wie in der Figur dargestellt, Wärmetauscher bzw. Kühler K1 und K2 vorgesehen, über die die in den Zylindern Z1 und Z2 bei der Verdichtung entstehende Wärme beispielsweise an die Umgebung und/oder ein anderes geeignetes Medium abgeführt werden kann. Bei einer vollständigen Abführung der Verdichtungswärme über die Flüssigkeit D sowie die Wärmetauscher bzw. Kühler K1 und K2 kann eine isotherme, einstufige Verdichtung realisiert werden.The Invention has opposite the prior art also has the advantage that on the liquid D at least partially removal the (compression) heat generated during compression takes place can. For this purpose, as shown in the figure, heat exchangers or cooler K1 and K2 provided over the resulting in the cylinders Z1 and Z2 in the compression Heat for example be discharged to the environment and / or other suitable medium can. In a complete discharge of Compaction heat over the liquid D and the heat exchanger or cooler K1 and K2 can realize an isothermal, one-stage compression become.

Zwischen den Kühlern K1 und K2 und der Hydraulikpumpe X sind Ventile e bzw. g angeordnet; diese so genannten Stillstandsventile bewirken, dass im Stillstand an der Hydraulikpumpe X kein Anlagendruck anliegt.Between the coolers K1 and K2 and the hydraulic pump X valves e and g are arranged; these so-called standstill valves cause that at a standstill the hydraulic pump X no system pressure is applied.

Die in der Abtrennvorrichtung A von dem verdichteten Medium abgetrennte, aus den Zylindern Z1 und Z2 stammende Flüssigkeit wird über Leitung 9, in der ein Absperrventil e angeordnet ist, einem optional vorzusehenden Zwischenspeicherbehälter S zugeführt. Aus diesem kann die Flüssigkeit entsprechend dem Bedarf in den Zylindern Z1 und Z2 über die Leitungen 7 und 8 sowie die beiden Absperrventile f und h den Zylindern Z1 und/oder Z2 zugeführt werden.The liquid separated from the compressed medium in the separating device A and originating from the cylinders Z1 and Z2 is sent via line 9 , in which a shut-off valve e is arranged, an optionally provided intermediate storage tank S supplied. For this, the liquid can be supplied via the lines according to the demand in the cylinders Z1 and Z2 7 and 8th and the two shut-off valves f and h are fed to the cylinders Z1 and / or Z2.

Neben der anhand der Figur erläuterten Ausführungsform der Erfindung sind Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar, bei der lediglich ein Zylinder oder drei und mehr Zylinder vorgesehen sind. Während mit lediglich einem Zylinder keine hinsichtlich des Verdichtungsdruckes kontinuierliche Abgabe des verdichteten Mediums möglich ist, ist eine derartige, oftmals gewünschte Abgabe des verdichteten Mediums bei zwei oder mehr Zylindern möglich.Next the explained with reference to the figure embodiment The invention are embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention feasible, with only one cylinder or three and more Cylinders are provided. While with only one cylinder no in terms of the compression pressure continuous delivery of the compressed medium is possible, is one such, often desired Delivery of the compressed medium with two or more cylinders possible.

Durch den Entfall fester Kolben sowie dynamischer Dichtungssysteme kommt es zu einer erheblichen Einsparung an Investitionskosten. Zusätzlich verringern sich die Wartungskosten, da sich die Wartungsintervalle, verglichen mit denjenigen herkömmlicher Verdichter, verlängern.By the elimination of solid pistons and dynamic sealing systems comes it leads to a considerable saving in investment costs. Additionally reduce the maintenance costs, as compared to the maintenance intervals with those of conventional Compressor, extend.

Die Erfindung eignet sich für eine Verdichtung von gasförmigen Medien bis auf Drücke von zur Zeit realisierbaren 1000 bar. Es sei jedoch betont, dass im Prinzip auch beliebig höhere Drücke erreichbar sind. Die Erfindung ermöglicht ferner eine Verdichtung auf Höchstdruck mit lediglich einer einzigen Verdichtungsstufe. Des Weiteren kann die Fördermenge beliebig variiert werden. Insbesondere im Hinblick auf die Verdichtung hochreiner Medien schafft die Erfindung eine kostengünstige Möglichkeit, derartige Medien auch auf sehr hohe Drücke zu verdichten.The Invention is suitable for a compression of gaseous Media except for pressures of currently realizable 1000 bar. It should be stressed, however, that in principle also any higher pressures are reachable. The invention also allows compaction at maximum pressure with only a single compression level. Furthermore, can the flow rate can be varied as desired. Especially with regard to compaction high purity media, the invention provides a cost effective way to compress such media to very high pressures.

Claims (12)

Verfahren zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (Z1, Z2) des gasförmigen Mediums durch eine Flüssigkeit (D) erfolgt, wobei eine Flüssigkeit (D), in der sich das gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist, verwendet wird.Method for compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, characterized in that the compression (Z1, Z2) of the gaseous medium is carried out by a liquid (D), wherein a liquid (D) in which the gaseous medium does not dissolve and / or which is separable without residue from the gaseous medium is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (D) eine ionische Flüssigkeit, ein schwer siedendes Hydrauliköl oder eine Flüssigkeit, die einen sehr niedrigen Dampfdruck aufweist, verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that as a liquid (D) an ionic liquid, a heavy boiling hydraulic oil or a liquid, which has a very low vapor pressure is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die Flüssigkeit (D) eine zumindest teilweise Abführung der Verdichtungswärme erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that over the liquid (D) an at least partial discharge the heat of compression he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem verdichteten Medium (2', 2'') mitgeführte Flüssigkeit von dem verdichteten Medium (2', 2'') abgetrennt wird (A).Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the of the compressed medium ( 2 ' . 2 '' ) entrained liquid from the compressed medium ( 2 ' . 2 '' ) is separated (A). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem verdichteten Medium (2', 2'') abgetrennte Flüssigkeit (9, 8) wieder in die Verdichtung (Z1, Z2) zurückgeführt wird, wobei die abgetrennte Flüssigkeit vor der Rückführung zwischengespeichert (S) werden kann.A method according to claim 4, characterized in that the of the compressed medium ( 2 ' . 2 '' ) separated liquid ( 9 . 8th ) is returned to the compression (Z1, Z2), whereby the separated liquid can be intermediately stored (S) before recycling. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (Z1, Z2) eine Verdichtung des gasförmigen Mediums um einen Faktor 1000 ermöglicht.Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the compression (Z1, Z2) a compression of the gaseous Medium by a factor of 1000 allows. Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst a) einen oder mehrere Zylinder (Z1, Z2), b) Zu- (1, 1', 1'') und Abführleitungen (2, 2', 2''), die der Zu- und Abführung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums in bzw. aus dem oder den Zylindern (Z1, Z2) dienen, c) pro Zylinder (Z1, Z2) wenigstens eine Flüssigkeitsleitung (3, 5), die der Zu- und Abführung der das gasförmige Medium verdichtenden Flüssigkeit (D) in den Zylinder (Z1, Z2) dient, d) Mittel zum Verändern der Flüssigkeitsmenge (D) in dem oder den Zylindern (Z1, Z2), e) wobei die Flüssigkeit eine Flüssigkeit (D) ist, in der sich das zu verdichtende gasförmige Medium nicht löst und/oder die von dem gasförmigen Medium rückstandsfrei trennbar ist.Device for compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, characterized in that the device comprises a) one or more cylinders (Z1, Z2), b) supply (a) 1 . 1' . 1'' ) and discharge lines ( 2 . 2 ' . 2 '' ), which serve to supply and discharge of the gaseous medium to be compressed into or out of the cylinder or cylinders (Z1, Z2), c) per cylinder (Z1, Z2) at least one fluid line ( 3 . 5 ), which serves to supply and discharge the gaseous medium-compressing liquid (D) into the cylinder (Z1, Z2), d) to change the amount of liquid (D) in the cylinder or cylinders (Z1, Z2), e) wherein the liquid is a liquid (D) in which the gaseous medium to be compressed does not dissolve and / or which is separable without residue from the gaseous medium. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verändern der Flüssigkeitsmenge in dem oder den Zylindern (Z1, Z2) als eine Flüssigkeitspumpe, Hydraulikpumpe, Axialkolbenpumpe, Schieberpumpe oder Zahnradpumpe ausgebildet sind.Device according to claim 7, characterized in that that means to change the amount of fluid in the cylinder or cylinders (Z1, Z2) as a liquid pump, hydraulic pump, axial piston pump, Slider pump or gear pump are formed. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den pro Zylinder (Z1, Z2) vorgesehenen Flüssigkeitsleitungen (3, 5) ein Wärmetauscher (K1, K2), der der Abführung der Verdichtungswärme dient, zugeordnet ist.Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the per cylinder (Z1, Z2) provided liquid lines ( 3 . 5 ) is associated with a heat exchanger (K1, K2), which serves to dissipate the heat of compression. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abtrennvorrichtung (A) in der oder den Abführleitungen (2, 2', 2'') des verdichtenden gasförmigen Mediums, angeordnet ist, wobei die Abtrennvorrichtung (A) der Abtrennung der mit dem verdichteten Medium (2', 2'') mitgeführten Flüssigkeit dient.Device according to one of the preceding claims 7 to 9, characterized in that at least one separating device (A) in the discharge line (s) ( 2 . 2 ' . 2 '' ) of the compressed gaseous medium, wherein the separating device (A) of the separation with the compressed medium ( 2 ' . 2 '' ) entrained liquid is used. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (A) strömungsmäßig (9, 8) mit wenigstens einem der Zylinder (Z1, Z2) verbunden oder verbindbar ist.Apparatus according to claim 10, characterized in that the separating device (A) fluidly ( 9 . 8th ) is connected or connectable with at least one of the cylinders (Z1, Z2). Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrennvorrichtung (A) eine Flüssigkeits-Speichervorrichtung (S) zugeordnet ist.Device according to claim 10 or 11, characterized in that the separating device (A) is a liquid storage device (S) is assigned.
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