DE102005028200A1

DE102005028200A1 - Kryoverdichter mit Hochdruckphasentrenner

Info

Publication number: DE102005028200A1
Application number: DE102005028200A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-12-21
Also published as: JP2008544135A; EP1915530A1; EP1915530B1; JP4988726B2; US20080213110A1; WO2006133813A1; ATE422026T1; DE502006002758D1

Abstract

Es wird ein Verdichter, insbesondere ein Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saug- und ein Druckventil, die im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind, und einen den Verdichterraum zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeitsraum, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Zylinderwand (1) wenigstens eine Öffnung (2), die mit dem Flüssigkeitsraum (F) korrespondiert, und wenigstens eine Öffnung (3), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum (R) abgeführt werden kann, auf, wobei die Öffnungen (2, 3) an Stellen der Zylinderwand (1) angeordnet sind, die von dem Verdichterkolben (K) überfahren werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saug- und ein Druckventil, die im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind, und einen den Verdichterraum zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeitsraum.
Unter dem Begriff "kryogene Medien" seien nachfolgend sog. tiefkalte Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und andere verflüssigte Gase zu verstehen.

Verdichter jeglicher Art sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ihnen allen ist gemein, dass über ein federbelastetes Saugventil das zu verdichtende Medium in einen Verdichterraum geführt, verdichtet und anschließend über ein Druckventil aus dem Verdichterraum abgezogen wird.

Die Federkraft der für das Schließen eines Saugventiles verwendeten Feder – hierbei handelt es sich vorzugsweise um Schraubenfedern – wird im Regelfall so gewählt, dass ein definiertes Schließen des Saugventiles erreicht wird, das Saugventil also in seinen Ventilsitz gedrückt und dadurch verschlossen wird.

Während des Saugtaktes des Verdichters – dabei wird der Verdichterkolben von der unteren in die obere Endlage bewegt – müssen die Federkraft und in Abhängigkeit von der Anordnung des Saugventiles (zumindest teilweise) dessen Gewichtskraft durch das in den Verdichterraum einströmende Medium überwunden werden.

Insbesondere dann, wenn mittels des Verdichters ein kryogenes Medium, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff, angesaugt wird, kommt es aufgrund der bisher verwendeten Saugventilkonstruktionen zu nicht unerheblichen Verlusten bzgl. der Förderleistung, da das über das Saugventil in den Verdichterraum eintretende Medium beim Überwinden der vorbeschriebenen Kräfte des Saugventiles zumindest teilweise verdampft.

Dies hat zur Folge, dass sich der Flüssiganteil des zu verdichtenden Mediums verringert, woraus eine Verringerung der Förderleistung und eine Erhöhung der spezifischen Verdichterleistung resultieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter, insbesondere einen gattungsgemäßen Verdichter für kryogene Medien, anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßer Verdichter vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zylinderwand wenigstens eine Öffnung, die mit dem Flüssigkeitsraum korrespondiert, und wenigstens eine Öffnung, über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum abgeführt werden kann, aufweist, wobei die Öffnungen an Stellen der Zylinderwand angeordnet sind, die von dem Verdichterkolben überfahren werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters sind dadurch gekennzeichnet, dass

– die Ausbildung der Öffnungen in Form eines und/oder mehrerer Schlitze erfolgt,
– die Öffnung(en), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum abgeführt werden kann, mit einer Gasabführleitung in Wirkverbindung steht bzw. stehen,
– die Öffnungen an Stellen der Zylinderwand angeordnet sind, die erst dann von dem Verdichterkolben freigegeben werden, wenn dieser unmittelbar vor seiner oberen Endlage oder in seiner oberen Endlage angelangt ist.
– das Saugventil auf seiner dem Verdichterkolben zugewandten Fläche wenigstens eine Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung derart ausgebildet ist, dass zwischen dem Saugventil und dem Verdichterkolben ein Unterdruck entsteht.

Der erfindungsgemäße Verdichter mit Hochdruckphasentrenner sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigt eine seitliche schematisierte Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters mit Hochdruckphasentrenner.
Innerhalb eines Verdichtergehäuses V ist ein von einer Zylinderwand 1 umgebener Verdichterraum R vorgesehen: In diesem wird ein Verdichterkolben K linear hin und her bzw. auf und ab bewegt. Die beiden Umkehrpunkte des Verdichterkolbens K werden nachfolgend als untere und obere Endlage des Verdichterkolbens K bezeichnet.
Am Boden des Verdichterraumes R ist ein mittels einer Feder 5 belastetes Saugventil S und ein – lediglich schematisch dargestelltes – federbelastetes Druckventil D angeordnet. Beide Ventile werden über die mittels der Federn erzeugten Kräfte in ihre Ventilsitze gedrückt und dadurch geschlossen. Der Verdichterraum R bzw. die Zylinderwand 1 sind zumindest teilweise von einem Flüssigkeitsraum F, der durch das zu verdichtende, flüssige Medium gebildet wird, umgeben. Oberhalb dieses Flüssigkeitsraumes F ist ein Gasvolumen bzw. -raum G ausgebildet.
Zum Stand der Technik zählende Verdichterkonstruktionen weisen die in der Figur dargestellten Öffnungen 2 und 3 nicht auf. Während des Saugtaktes – dabei bewegt sich der Verdichterkolben K aus der unteren in die obere Endlage – strömt über das Saugventil S flüssiges Medium aus dem Flüssigkeitsraum F in den Verdichterraum R, wobei das flüssige Medium – wie eingangs erläutert – zumindest teilweise verdampft.
Erfindungsgemäß sind nunmehr wenigstens zwei Öffnungen 2 und 3 vorgesehen. Hierbei korrespondiert eine der Öffnungen 2 mit dem Flüssigkeitsraum, während über die andere Öffnung 3 gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum R abgeführt werden kann. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdichters erfolgt dieses Abführen des gasförmigen Mediums aus dem Verdichterraum R über eine Gasabführleitung 4. Das durch den Ansaugvorgang über die Öffnung 2 entstandene Gas kann nunmehr den Verdichterraum R über die Öffnung 3 verlassen und durch nachströmendes, flüssiges Medium ersetzt werden. Dies führt zu einer Steigerung der Förderleistung und einer Senkung der spezifischen Verdichtungsarbeit.
Das mittels des Kolbens K verdichtete Gas verlässt den Verdichterraum R bei geöffnetem Druckventil D über die Gasabführleitung 6 und wird anschließend über eine Hochdruckleitung einem Verbraucher zugeführt.
Die beiden Öffnungen 2 und 3 sind entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters vorzugsweise in Form eines und/oder mehrerer Schlitze ausgebildet.
Die Öffnungen 2 und 3 sind vorzugsweise an Stellen der Zylinderwand 1 angeordnet, die erst dann von dem Verdichterkolben K überfahren sind bzw. werden, wenn dieser unmittelbar vor seiner oberen Endlage oder in seiner Endlage angelangt ist.
In der Figur sei der Verdichterkolben K in seiner oberen Endlage dargestellt. Die beiden Öffnungen 2 und 3 sind nunmehr freigegeben, so dass über die Öffnung 2 zu verdichtendes, flüssiges Medium aus dem Flüssigkeitsraum F in den Verdichterraum R einströmen kann (dargestellt durch die parallel gezeichneten Pfeile). Dieses einströmende flüssige Medium ergänzt die bereits im Verdichterraum R befindliche Flüssigkeitsmenge F', die aus dem über das Saugventil S während des Saugtraktes einströmenden flüssigen Medium resultiert.
Über die Öffnung 3 bzw. die Gasabführleitung 4 kann das während des Saugtaktes gebildete gasförmige Medium G' aus dem Verdichterraum R entweichen. Dieses Entweichen des gasförmigen Mediums wird durch das über die Öffnung 2 einströmende flüssige Medium unterstützt, da durch das einströmende flüssige Medium das im Verdichterraum R befindliche gasförmige Medium G' aus dem Verdichterraum R verdrängt wird.
Im Gegensatz zu den bis dato bekannten Verdichterkonstruktionen muss der zwangsläufig entstehende Gasanteil G' des zu verdichtenden Mediums nunmehr nicht mehr mitverdichtet werden, da er vor der Verdichtung aus dem Verdichterraum R abgeführt werden kann. Durch das Vorsehen der Öffnung 2, die mit dem Flüssigkeitsraum F korrespondiert, wird nunmehr sicher gestellt, dass der Verdichterraum R vor der Verdichtung vollständig mit flüssigem Medium F' befüllt wird.
In der Figur nicht dargestellt ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters, gemäß der das Saugventil S auf seiner dem Verdichterkolben K zugewandten Fläche wenigstens eine Vertiefung aufweist; diese ist hierbei derart ausgebildet, dass zwischen dem Saugventil S und dem Verdichterkolben K ein Unterdruck entsteht.
Bewegt sich der Verdichterkolben K nunmehr während des Saugtaktes nach oben, wird das Saugventil S aufgrund des entstandenen Unterdruckes zwischen ihm und dem Verdichterkolben K von diesem bewegt bzw. angehoben.
Die Form der auf der dem Verdichterkolben K zugewandten Fläche des Saugventiles S vorzusehenden Vertiefungen) kann im Prinzip beliebig gewählt werden; entscheidend ist letztendlich nur, dass es zur Ausbildung eines Unterdruckes zwischen Saugventil S und Verdichterkolben K kommt. Auch können lediglich eine oder aber auch mehrere Vertiefungen vorgesehen werde.
Mittels der vorbeschriebenen Erfindung wird erreicht, dass der Flüssiganteil im Verdichterraum ansteigt, woraus eine höhere Förderleistung des erfindungsgemäßen Verdichters resultiert. Somit kann eine Verringerung der spezifischen Verdichterleistung bezogen auf die Menge des geförderten bzw. verdichteten Mediums erzielt werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verdichter verbundenen Vorteile werden durch eine gegenüber dem Stand der Technik geringfügig kompliziertere Verdichterkonstruktion erkauft; die mit ihr verbundenen Mehrkosten werden jedoch durch die erreichten Vorteile mehr als kompensiert.

Claims

Verdichter, insbesondere Verdichter für kryogene Medien, vorzugsweise für flüssigen Wasserstoff, aufweisend einen von einer Zylinderwand umgebenen Verdichterraum, in dem ein Verdichterkolben linear bewegt wird, ein Saug- und ein Druckventil, die im Bereich der unteren Endlage des Verdichterkolbens angeordnet sind, und einen den Verdichterraum zumindest teilweise umgebenden Flüssigkeitsraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwand (1) wenigstens eine Öffnung (2), die mit dem Flüssigkeitsraum (F) korrespondiert, und wenigstens eine Öffnung (3), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum (R) abgeführt werden kann, aufweist, wobei die Öffnungen (2, 3) an Stellen der Zylinderwand (1) angeordnet sind, die von dem Verdichterkolben (K) überfahren werden.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2, 3) in Form eines und/oder mehrerer Schlitze ausgebildet sind.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen) (3), über die gasförmiges Medium aus dem Verdichterraum (R) abgeführt werden kann, mit einer Gasabführleitung (4) in Wirkverbindung steht bzw. stehen.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (2, 3) an Stellen der Zylinderwand (1) angeordnet sind, die erst dann von dem Verdichterkolben (K) freigegeben werden, wenn dieser unmittelbar vor seiner oberen Endlage oder in seiner oberen Endlage angelangt ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (S) auf seiner dem Verdichterkolben (K) zugewandten Fläche wenigstens eine Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefung derart ausgebildet ist, dass zwischen dem Saugventil (S) und dem Verdichterkolben (K) ein Unterdruck entsteht.