DE963155C

DE963155C - Verfahren zur Energierueckgewinnung bei der Kuehlung von ein- oder mehrstufig verdichteten Gasen in Waermeaustauschern, die den Verdichtungsstufen nachgeschaltet sind

Info

Publication number: DE963155C
Application number: DER17081A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Fritz Horn
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1955-07-21
Filing date: 1955-07-21
Publication date: 1957-05-02

Description

Verfahren zur Energierückgewinnung bei der Kühlung von ein-oder mehrstufig verdichteten Gasen in Wärmeaustauschern, die den Verdichtungsstufen nachgeschaltet sind Die Kühlung von verdichteten Gasen in den Verdichtern nachgeschalteten Wärmeaustauschern erfolgt meistens mittels Kühlwasser, das im Falle der Notwendigkeit seiner Wiederverwendung als Kühlwasser häufig in Kühltürmen gekühlt wird und dabei seine Wärme nutzlos an die Atmosphäre abgibt. Man hat äuch die Verdichtungswärme in Wärmeaustauschern zur Vorwärmung von Verbrennungsluft, zur Erhöhung des natürlichen Abwetterzuges in Gruben, zu Heizungs-, Trocknungs-und anderen Wärmezwecken ausgenutzt. Bei einer derartigen Ausnutzung der Verdichtungswärme zur Gewinnung fühlbarer Wärme ergibt sich häufig der Nachteil, daß der Verbrauch der gewonnenen Wärme sich mit dem Anfallen dieser Wärme nicht zeitlich deckt, so daß die Verdichtungswärme nur teilweise gewinn- und verwertbar ist, andererseits fehlt, wenn der Verdichterbetrieb ruht.
Es ist auch bekannt, die von einem Kühlmittel für Generatoren, Transformatoren, Verbrennungskraftmaschinen u. dgl. aufgenommene Wärme dadurch auszunutzen, daß die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme zur Verdampfung eines einen geschlossenen Kreislauf durchlaufenden Stoffes mit einem bei Atmosphärendruck zwischen -f- r und -f- 4o° C liegenden Siedepunkt verwendet und der auf diese Weise erzeugte Dampf des betreffenden Stoffes in einer Kraft abgebenden Maschine entspannt und hierauf kondensiert wird.
Gemäß der Erfindung erfolgt nun die Kühlung von ein- oder mehrstufig verdichteten Gasen in Wärmeaustauschern, die den Verdichtungsstufen nachgeschaltet sind, in der Weise, daß in den Wärmeaustauschern als Kühlmittel ein Dampf verwendet wird, der vorzugsweise einen niedrigen kritischen Punkt und geringe Verdampfungswärme hat, daß das Kühlmittel bei einem über dem kritischen liegendenDruck denWärmeaustauschern zugeleitet wird, daß in den Wärmeaustauschern wenigstens im wesentlichen eine solcheÜberhitzung des Kühlmittels stattfindet, daß das überhitzte Kühlmittel, das einer Expansionsmaschine zugeleitet wird, in dieser vorzugsweise nur innerhalb des Gebietes der Überhitzung Arbeit leistend expandiert, hierauf entweder einem Kondensator mit nachgeschalteter Pumpe, in der das kondensierte Kühlmittel vorzugsweise hoch über den kritischen Druck hinaus gespannt wird, oder einem Gaskühler mit nachgeschaltetem Verdichter, in dem das gekühlte, aber noch gasförmige Kühlmittel vorzugsweise hoch über den kritischen Druck hinaus verdichtet wird, zugeleitet und von der Pumpe bzw. dem Verdichter in die Wärmeaustauscher geleitet wird.
.Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es möglich, den Kreislauf des Kühlmittels unter hohen Drücken durchzuführen und wegen der damit verbundenen kleinen Dampfvolumina des Kühlmittels mit entsprechend kleinen Apparaturen und Entspannungsmaschinen auszukommen, insbesondere aber einen hohen Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung zu erreichen.
Zwei Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung' sind in der schematischen Darstellung der Zeichnung veranschaulicht. Darin bedeuten die stark ausgezogene Linie den Weg des verdichteten Gases, die strichpunktierte Linie den Weg des Kühlmittels, i und 2 die hintereinandergeschalteten Gasverdichter, i" und 2" die diesen nachgeschalteten Wärmeaustauscher, 3 einen als Wärmeaustauscher ausgebildeten Tiefkühler, q. eine von einem Elektromotor angetriebehe Kondensatpumpe, 5 eine Expansionsmaschine, 6 einen von Kühlwasser gekühlten Kondensator für das Kühlmittel des verdichteten Gases, 7 eine Drosseldüse, 8 .einen elektrischen Antriebsmotor für die Verdichter, 9 einen Kühlmittelverdichter, io einen als Wärmeaustauscher ausgebildeten Vorkühler.
Der -Antriebsmotor 8, die Expansionsmaschine 5, die Verdichter i und 2 und der Kühlmittelverdichter 9 sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Hierdurch fallen alle mechanischen Verluste der Übertragung fort.
Die Wirkungsweise der schematisch dargestellten Anlage ist folgende: Das zu verdichtende Gas, z. B. Ferngas, strömt durch den Verdichter i (erste Stufe des Verdichters), wird im Wärmeaustauscher i, gekühlt, im Verdichter 2 weiterverdichtet, im Wärmeaustauscher 2" wieder gekühlt, im Tiefkühler 3 in: weiter unten erläuterter Weise tiefgekühlt, wobei die bei der Tiefkühlung kondensierten Bestandteile abgeschieden werden, danach im Vorkühler io wieder erwärmt, wobei es das dem Tiefkühler zufließende Gas vorkühlt. Das Kühlmittel, z. B. C F, C12, fließt unter einem über dem kritischen liegenden Druck von der KondensatPumPe q. in die Wärmeaustauscher i" und 2, wird darin infolge seiner geringen Nerdampfungswärme schnell verdampft und danach hoch überhitzt, fließt dann durch die Expansionsmaschine 5, in der es Arbeit leistend expandiert, .wobei die Expansion vorzugsweise nur im Gebiet der Überhitzung sich vollzieht, wird dann in dem wassergekühlten Kondensator 6 verflüssigt und fließt von dort in die Kondensatpumpe 4. zurück. Ein Teil des Kondensates fließt durch die Drosseldüse 7, in der es unter starker Temperaturerniedrigung entspannt, sodann durch den als Wärmeaustauscher ausgebildeten Tiefkühler 3, wo es das verdichtete Gas tiefkühlt und in den gasförmigen Zustand übergeführt wird, und durch den Kühlmittelverdichter 9, in dem es auf den Expansionsenddruck der Expansionsmaschine wieder verdichtet wird, wieder in die Kühlmittelzuleitung des Kondensators 6.
Falls eine Tiefkühlung des Gases nicht zu erfolgen braucht, fallen die Drosseldüse 7, der Tiefkühler 3, der Kühlmittelverdichter 9 und die diese Teile verbindendeKühlmittelleitung sowie derVorkühler io fort.
. Das Verfahren nach der Erfindung ergibt eine außerordentlich hohe Ausnutzung der Verdichtungswärme, die in erster Linie darauf beruht, daß das Kühlmittel in den Wärmeaustauschern i, und 2, hoch überhitzt wird und anschließend seine Wärmeenergie in einer vorzugsweise nur im Gebiet der Überhitzung sich vollziehenden Expansion als mechanische Energie in der Expansionsmaschine gewonnen wird.
Wird ein Kühlmittel verwendet, bei dem die Energiewirtschaft nicht dadurch verbessert wird, daß das die Expansionsmaschine verlassende Kühlmittel vor der Wiederverdichtung in den flüssigen Zustand übergeführt wird, wird der Kondensator 6 durch einen als Wärmeaustauscher ausgebildeten Gaskühler, den das Kühlmittel im gasförmigen Zustand wieder verläßt, und die Kondensatpumpe-4 durch einen Gasverdichter ersetzt. Eine etwa erwünschte Tiefkühlung des Gases wird mit einem Teilstrom des Kühlmittels nach dem vorher beschriebenen Verfahren bewirkt.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es, bei einem vergleichsweise geringfügigen Mehr aufwand an Anlagekosten, der schon teilweise durch die Verkleinerung der Antriebsmaschine für die Verdichter kompensiert wird, eine dauernde Verringerung des für die Gasverdichtung benötigten Energieaufwandes zu erzielen, die auf keine andere bisher bekannte Weise möglich erscheint.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Energierückgewinnung bei der Kühlung von ein- oder mehrstufig verdichteten Gasen in Wärmeaustauschern, die den Verdichtungsstufen nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wärmeaustauschern (1a, 2a) als Kühlmittel ein Dampf verwendet wird, der vorzugsweise einen niedrigen kritischen Punkt und geringe Verdampfungswärme hat, daß das Kühlmittel bei einem über dem kritischen liegenden Druck den Wärmeaustauschern zugeleitet wird, daß in den Wärmeaustauschern wenigstens im wesentlichen eine solche Überhitzung des Kühlmittels stattfindet, daß das überhitzte Kühlmittel, das einer Expansionsmaschine (5) zugeleitet wird, in dieser vorzugsweise nur innerhalb des Gebietes der Überhitzung Arbeit leistend expandiert, hierauf entweder einem Kondensator (6) mit nachgeschalteter Pumpe (4), in der das kondensierte Kühlmittel vorzugsweise hoch über den kritischen Druck hinaus gespannt wird, oder einem Gaskühler mit nachgeschaltetem Verdichter, in dem das gekühlte gasförmige Kühlmittel vorzugsweise hoch über den kritischen Druck hinaus verdichtet wird, zugeleitet und von der Pumpe (4) bzw. dem Verdichter in die Wärmeaustauscher (i", ad) geleitet wird. a. Verfahren nach Anspruch i, bei dem das die Expansionsmaschine verlassende Kühlmittel einem Kondensator zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kondensator (6) verlassendeKühlmittel wenigstens zumTeil einer Drosseldüse (7) zugeleitet wird, in dieser entspannt, sodann durch einen als Tiefkühler für das verdichtete Gas dienenden Wärmeaustauscher (3) hindurchgeleitet und in den gasförmigen Zustand übergeführt wird, danach durch einen Verdichter (9) in die Zuleitung zum Kondensator (6) gedrückt wird, und daß vorzugsweise das den Tiefkühler (3) verlassende tiefgekühlte Gas in einem in der Gaszuleitung des Tiefkühlers angeordneten, als Wärmeaustauscher ausgebildeten Vorkühler (io) das dem Tiefkühler (3) zufließende Gas kühlt. 3. Verfahren nach Anspruch i, bei dem das die Expansionsmaschine verlassendeKühlmittel einem Gaskühler zugeleitet wird; dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verdichtung des gasförmigen Kühlmittels ein Teilstrom in einem Kondensator verflüssigt, in einer Drosseldüse entspannt, sodann durch einen als Tiefkühler für das verdichtete Gas dienenden Wärmeaustauscher hindurchgeleitet und in den gasförmigen Zustand übergeführt wird und danach durch einen Verdichter in die Zuleitung zum Kondensator gedrückt wird. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kreislauf des Kühlmittels liegende Expansionsmaschine (5) und die Gasverdichter (r, z), gegebenenfalls noch derKühlmittelverdichter (9) sämtlich oder teilweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet oder über ein Getriebe oder eine Kupplung miteinander verbunden sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (5) mit einer Arbeitsmaschine, z. B. einem Elektrogenerator, verbunden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 17a 83i.