WO2013124202A1 - Flüssigkolbenanordnung mit plattentauscher für die quasi-isotherme verdichtung und entspannung von gasen - Google Patents

Flüssigkolbenanordnung mit plattentauscher für die quasi-isotherme verdichtung und entspannung von gasen Download PDF

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Iván CYPHELLY
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Cyphelly Ivan J
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F04B39/0011—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons liquid pistons

Definitions

  • the invention relates to a liquid piston arrangement with plate exchanger for the quasi-isothermal compression and expansion of gases.
  • High-pressure air storage uses the energy contained in compressed air. For example, at times when more power is produced than consumed, the excess energy can be used to pump air under pressure into a storage tank. When power is needed in the
  • Compressed air stored energy back into other forms of energy eg. As electric power, converted or machines or vehicles are driven directly.
  • Screw compressors, scroll compressors or liquid piston compressors limit the temperature fluctuations, where the heat first passes to the drops and then passes to an external exchanger.
  • the return of the spray precipitate from the high-pressure region is technically complicated.
  • motorized operation laxation
  • an additional fluid circuit must ensure the spray, which in turn must be discarded in the exhaust to return to the circuit.
  • the invention is therefore based on the object to provide a liquid piston arrangement for approximately isothermal processes in the higher pressure range.
  • the problem underlying the invention is solved by the features of claim 1.
  • Advantageous developments and refinements of the invention are specified in the subclaims.
  • Claim 15 describes a method for compressing and relaxing gases. Further, in claims 16, 17 and 18 further advantageous liquid piston arrangements are mentioned.
  • FIG. 1 shows a liquid piston arrangement with two liquid pistons, two hydrostatic control units and a low pressure generator or expander; 2A to 2D, the liquid piston assembly of FIG. 1 during the
  • FIG. 4 shows a section through a laminated core from FIG. 3A
  • FIG. 6 shows the torque curve as a result of the combined operation of the liquid piston arrangement of FIG. 5;
  • FIGS 7A to 7D show a liquid piston assembly with a single point valve during operation; and Fig. 8 shows a part of a liquid piston arrangement with a heat exchanger roller.
  • the liquid piston arrangements described below and shown schematically in the figures have liquid pistons which each contain a laminated core with fixed distances between the sheets.
  • the laminated core fills the entire rectangular liquid piston working space.
  • the free surface of the liquid between the sheets embodies the piston.
  • the laminated core is displaceable in order to move the valve cone fastened to the upper package side surface without clearance in the metal sheets and to guide it for a gap-free circuit between low-pressure chamber and high-pressure chamber. When closed, therefore, no air dream remains in the high-pressure chamber.
  • the laminated core absorbs the heat generated during the work cycles.
  • the laminated core Since the laminated core is completely lapped at each stroke, it remains close to the temperature of the liquid. From the liquid, the heat is released through a heat exchanger to the environment.
  • the rectangular high-pressure chamber is arranged obliquely, whereby the low-pressure valve cone can shut off the working space of a low-pressure piston with the high-pressure chamber in the closed position dead volume and enforces the position of the high-pressure valve flap at the upper corner of the laminated core a funnel-like inflow during compression and thus prevents swirling cross currents.
  • liquid piston arrangements described here prevent any dead space, make high-pressure heat exchangers superfluous and ensure process-oriented switching accuracy.
  • the plate exchangers described below are inserted in a respective kinematic chain whose losses wave / air or electricity / air does not negate the achieved efficiency again.
  • There are topological designs are provided which avoid in particular air pockets by turbulence and high accelerations, friction by lateral forces and aging, by means of harmonious interaction of the elements of the "liquid connecting rod".
  • liquid piston arrangements shown in FIGS. 1 to 8 in particular satisfy one or more or even all of the following conditions:
  • the circuit in air should be leak-free, preferably by means of seat valves between the high pressure cylinder and Vordruckraum and the pressure side to the memory, and also remain completely dead space, to avoid turbulence.
  • a reduction between shaft and piston movement should be ensured, since the stroke frequency 1 to 2 Hz is not exceeded and the shaft should have at least 1500 rpm.
  • the connecting rod / piston volume should be periodically circulated through a tank without pressure, so that bubbles, dust and moisture can be removed.
  • the outer exchanger should be connected to the low pressure side, since the lowest possible temperature differences with the environment are sought, which can hardly be achieved with a reasonable effort on high-pressure tube exchanger. In addition, therefore, a single outdoor exchanger can also serve Schokolbige systems.
  • the piston movement reversal should be done with low accelerations, primarily according to a predetermined speed curve, which allows smoothing the pressure or torque pulsations in composite arrangements.
  • FIG. 1 shows schematically a liquid piston arrangement 1 for the quasi-isothermal compression and expansion of gases with two liquid pistons 2 a, 2 b. Due to the same structure of the two liquid pistons 2 a, 2 b, the mutually corresponding elements of the liquid piston 2 a, 2 b, such. As high pressure spaces, laminated cores, etc., with number words ("first element” or "second element") are provided, as is the case in the following claims. For the sake of clarity, however, the description of the number words is omitted.
  • the liquid pistons 2 a, 2 b each include a high-pressure chamber 3 a, 3 b and a laminated core 4 a, 4 b stored in the high-pressure chamber 3 a, 3 b.
  • the laminated cores 4a, 4b each consist of a plurality of sheets, which are arranged in particular parallel to each other. Further, the sheets of a laminated core 4a, 4b may be arranged equidistantly and in particular have a distance between two adjacent sheets in the range of 0.3 to 0.8 mm.
  • a liquid level 5a, 5b in the respective high-pressure chambers 3a, 3b and between the sheets of the sheet metal packets 4a, 4b represents the respective piston.
  • the laminated cores 4a, 4b are slidably mounted in the high-pressure chambers 3a, 3b in order to forcibly control the low-pressure poppets 6a, 6b fastened to their upper sides, as a result of which low-pressure valves 7a, 7b are opened or closed.
  • the undersides of the laminated cores 4a, 4b are fastened to spring-loaded control pistons 8a, 8b, by means of which the laminated cores 4a, 4b can be displaced in the high-pressure spaces 3a, 3b.
  • the liquid piston assembly 1 further comprises a low pressure generator or expander 10, the z. B. can be configured as a reversible scroll unit or rotor rotor.
  • the low-pressure generator or expander 10 is connected via an air line 1 1 with the low-pressure valves 7a, 7b in order to create a form in the high-pressure chambers 3a, 3b can.
  • the other connection of the low pressure generator or expander 10 is equipped with a suction filter and / or muffler 12.
  • the low-pressure generator or expander 10 is mounted on a shaft 13 and is driven by this.
  • two variable, working in push-pull hydrostatic units 14a and 14b are provided, which can also be driven by the shaft 13 or can drive the shaft 13 during engine operation.
  • the hydrostatic units 14a, 14b are connected via lines 15a, 15b to the high-pressure chambers 3a, 3b, so that they can feed or remove liquid into the high-pressure chambers 3a, 3b.
  • the hydrostatic unit 14a controls the spool 8b via a pipe
  • the hydrostatic unit 14b controls the spool 8a via a pipe 16b.
  • a speed command 21 can be input, from which the actuator 20 together with the respective speed co of the shaft 13 and the delivery volume setting of the hydrostatic units 14a, 14b, the effective liquid feed or -dnähme calculated by the lines 15a, 15b the attack of the respective
  • the hydrostatic units 14 a, 14 b are connected to a container 22 via filters 23 a, 23 b, an outer heat exchanger 24 and check valves 25.
  • high-pressure valves 30a, 30b are arranged on the high-pressure chambers 3a, 3b.
  • the high-pressure valves 30a, 30b consist of high-pressure valve flaps 31a, 31b which are located in cavities 32a, 32b are arranged and can be controlled by magnetic coils 33a, 33b. Connections from the high-pressure valves 30a, 30b to a storage space 35 are provided via lines 34a, 34b.
  • the mode of operation of the liquid-piston arrangement 1 is explained below with reference to FIGS. 2A to 2D, wherein a distinction is made between two operating modes of the liquid-piston arrangement 1. In a first mode of operation, which is schematically illustrated in FIGS. 2A and 2B, gas is compressed by application of energy. In a second mode of operation, which is shown schematically in FIGS. 2C and 2D, the gas is expanded again and the energy released thereby is converted into a movement of the shaft 13.
  • FIGS. 2A to 2D as well as all other figures, triangles symbolize the flow direction of the liquid in the respective lines. Filled triangles indicate a high pressure area, unfilled triangles a low pressure area. Flowless lines are shown in dashed lines.
  • a pre-pressure in the respective high-pressure chamber 3a, 3b is initially created with the aid of the pressure provided by the low-pressure generator or expander 10. Subsequently, this pressure is increased by pumping liquid into the high-pressure chamber 3a, 3b.
  • the high-pressure valve 30a, 30b opens and an increase in pressure in the storage space 35 can be achieved.
  • FIGS. 2A and 2B show the two positions of the laminated cores 4a, 4b controlled by the control pistons 8a, 8b.
  • the laminated core 4a in the upper position, so that the low-pressure valve 7a is closed, whereas the laminated core 4b is in the lower position and the low-pressure valve 7b is opened accordingly.
  • the positions of the laminated cores 4a, 4b are exactly reversed.
  • FIG. 2A shows that the hydrostatic unit 14a conveys liquid from the container 22 via the filter 23a and pumps the liquid further into the high-pressure space 3a, which results in a rising liquid level 5a there.
  • the hydrostatic unit 14a conveys liquid from the container 22 via the filter 23a and pumps the liquid further into the high-pressure space 3a, which results in a rising liquid level 5a there.
  • the low pressure generator or expander 10 a form of z. B. 1 to 6 bar generated. Due to the rising liquid level 5a, this pressure now increases successively.
  • the high-pressure valve 30a opens and a feed into the storage space 35 can take place.
  • the liquid contained in the high pressure space 3b is pumped from the hydrostatic unit 14b via the heat exchanger 24 into the tank 22. Since the low-pressure valve 7b is opened, prevails in the high pressure chamber 3b of the low pressure generator or expander 10 generated form.
  • control pistons 8a, 8b are switched so that the positions of the sheet metal pawls 4a, 4b and thus the low-pressure poppet 7a, 7b as shown in Fig. 2B result.
  • the liquid level 5b rises due to the liquid supplied from the tank 22 from the hydrostatic unit 14b.
  • the high pressure valve 30b opens and the gas in the storage space 35 is further compressed.
  • the cycle consisting of the two working phases shown in Figs. 2A and 2B is repeated, whereby a desired pressure in the storage space 35 in the range of, for example, 200 to 300 bar can be generated.
  • the energy that has been used to generate this pressure can be converted into a movement of the shaft 13 in the so-called motor operation.
  • FIGS. 2C and 2D The two operating phases of the engine operation are shown in FIGS. 2C and 2D.
  • the spool 8a urges the laminated core 4a to the upper position, so that the low-pressure valve 7a is closed, whereas the laminated core 4b is in the lower position and the low-pressure valve 7b is opened accordingly.
  • the positions of the laminated cores 4a, 4b are exactly reversed.
  • the shaft 13 is driven via the hydrostatic unit 14a by the high pressure generated in the high-pressure chamber 3a.
  • the liquid which is thereby pressed out of the high-pressure space 3a flows via the hydrostatic unit 14a and the outer heat exchanger 24 into the container 22.
  • the hydrostatic unit 14b pumps liquid from the container 22 into the high-pressure space 3b in which the low-pressure generator or expander 10 generates the form via the opened low-pressure valve 7b.
  • the energy that is used to operate the hydrostatic unit 14b and the low-pressure generator or expander 10 ultimately comes from the energy that has been transferred from the hydrostatic unit 14a to the shaft 13.
  • other machines can be driven by the shaft 13, for example, a generator for power generation.
  • the functionalities of the two liquid pistons 2a, 2b are exactly the opposite as in FIG. 2C.
  • the targeted opening and closing of the high-pressure valve 30b creates a high-pressure in the high-pressure space 3b, which presses back the liquid previously pumped by the hydrostatic unit 14b into the high-pressure chamber 3b.
  • the hydrostatic unit 14b converts a part of the energy stored in the storage space 35 into a movement of the shaft 13. A portion of this energy in turn is used by the hydrostatic unit 14a and the low pressure generator or expander 10 to pump liquid from the container 22 in the high-pressure chamber 3a and the form in the high-pressure chamber 3a to create.
  • the cycle consisting of the work phases shown in Figs. 2C and 2D is repeated.
  • the laminated cores 4a, 4b in the high-pressure chambers 3a, 3b act as heat exchangers and ensure an approximately isothermal operation even in higher pressure ranges.
  • the resulting in the compression and relaxation temperature fluctuations are transmitted in the high-pressure chambers 3a, 3b of the air to the metal plates of the laminated cores 4a, 4b and from these to the liquid that flows around the laminated cores 4a, 4b. From the liquid, the temperature fluctuations are finally discharged via the outer heat exchanger 24 to the environment.
  • the liquid piston arrangement 1 shown in FIG. 1 is a basic version of a push-pull circuit which fulfills all of the abovementioned conditions without a volumetric flask, but with two hydrostatic units 14a, 14b and with the separate low-pressure generator or expander 10, which is not the case in terms of price and efficiency Optimum represents (in combined operation, it would be four hydrostatic units, with a single low pressure generator or expander would suffice). From this basic version, all further liquid piston arrangements described below can be derived.
  • FIG. 3A schematically shows a liquid piston arrangement 50 with two volumetric flasks as entrainment of a pilot pressure piston, whereby a second hydrostatic unit and the low pressure generator or expander are dispensed with, but with the aid of a reversing valve and a circulating pump in the treatment unit, as will be described below.
  • Various operating states of the liquid piston assembly 50 are shown in Figs. 3A to 3D.
  • the liquid piston arrangement 50 has two liquid pistons 51a, 51b, each comprising a high-pressure chamber 52a, 52b and a laminated core 53a, 53b mounted in the high-pressure chamber 52a, 52b.
  • the laminated cores 53a, 53b of sheet stacks which are mounted by means of spring-loaded control piston 54a, 54b in the longitudinal axis slidably in the high-pressure chambers 52a, 52b.
  • the movement of the laminations 53a, 53b determines the movement of low pressure poppets 55a, 55b and thus the opening and closing of low pressure valves 56a, 56b because the low pressure poppets 55a, 55b are fixedly connected to the respective stack of laminations on the upper stacking surface.
  • the sheet metal plates of the laminated cores 53a, 53b can be provided with a spacing coupling 57a, 57b or other inserts, by means of which the distance between the metal sheets is predetermined.
  • the distances between two adjacent sheet metal plates in the laminated cores 53a, 53b may be constant.
  • the metal plates can be aligned parallel to each other, and the distance between adjacent metal plates is in particular between 0.3 and 0.8 mm.
  • the laminated cores 53a, 53b may be in the form of a rectangular prism, as shown schematically in FIG. 4, which is a section of the laminated core 53a in the cylinder block 58a along the line A-A 'shown in FIG. 3A, ie, a vertical section to the longitudinal axis of the laminated core 53a, shows.
  • the laminated cores 53a, 53b fill the respective high-pressure chamber 52a, 52b perpendicular to the longitudinal axis, ie in the plane shown in FIG.
  • the low-pressure valves 56a, 56b mutatis mutandis connect the pre-pressure chambers 59a, 59b of the pilot pressure piston 60 with the respective high-pressure chambers 52a, 52b.
  • the high-pressure valve flaps 65a, 65b are arranged in a respective cavity 67a, 67b together with holding magnet coils 68a, 68b and are guided coaxially therefrom.
  • the respective liquid piston mirror 70a, 70b is moved by a measuring piston 72a, 72b coupled to the liquid connection 71a, 71b, which also carries the preliminary pressure piston 60 (the measuring pistons 72a, 72b and the priming piston 60 are connected to one another via a rod) and at each stroke a complete flushing of the respective laminated core 53a, 53b causes and thus an indirect exchange with an outer measuring piston 72a, 72b coupled to the liquid connection 71a, 71b, which also carries the preliminary pressure piston 60 (the measuring pistons 72a, 72b and the priming piston 60 are connected to one another via a rod) and at each stroke a complete flushing of the respective laminated core 53a, 53b causes and thus an indirect exchange with an outer
  • Heat exchanger 75 This flow passes through a 7/2-way diverter valve 76a, 76b, which operates a non-pressurized circuit with the outer heat exchanger 75, a filter 77 and a reservoir 78.
  • This arrangement allows a perfect replacement of the piston fluid at each stroke, as it flows depending on the direction either directly from - as shown in Fig. 3A on the left side exemplified - sheet stack 53a to the volumetric flask 72a via an exchange volume 80a and a check valve 81a, when moving of the volumetric flask 72a to the left (low pressure compression), corresponding to the illustrated slide position of the 7/2-way switch valve 76a, or high-pressure compression - as shown in Fig.
  • a suction / exhaust valve 86a arranged dream-free on the admission-pressure chamber 59a is closed in order to generate the required admission pressure in the admission-pressure chamber 59a.
  • a suction / exhaust valve 86b arranged dead-space-free on the pre-pressure space 59b is opened so that a pressure equalization in the pre-compression space 59b with the environment can take place.
  • the suction / exhaust valves 86a, 86b are each opened and closed by means of a control piston.
  • the volumetric pistons 72a, 72b are inserted in the respective hydraulic path between the controllable hydrostatic unit 87 and the 7/2-way diverter valve 76a, 76b and thus obey the mechanically or electronically impressed modified sine velocity profiles, which increase the acceleration of the liquid piston mirrors 70a, 70b limit.
  • the operating fluid should preferably have a very low vapor pressure, such as.
  • a very low vapor pressure such as.
  • water or an ionic liquid from the methyl imidazolium group and in particular the hydrophobic ionic liquid l-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethyl-sulfonyl) amide (EMIM BTA) since this the solubility of air under pressure minimal is and the condensation is easily separated out.
  • Exhaust valve 86a, 86b is introduced via its control piston by reversing the direction of the measuring piston 72a, 72b or the reversal of the flow of a hydrostatic unit 87 at the dead centers.
  • the hydrostatic unit 87 is controlled by a control unit 88, which in turn is controlled by running on a processor or other processing unit software.
  • the high pressure valve flaps 65a, 65b perform a complex task, especially in the case of engine operation, because here the switching point is not tied to the dead centers and must be determined in the motor case by means of computers and sensors. Indeed, working with a liquid piston allows fixing the upper delivery dead point of the respective volumetric flask 72a, 72b over the valve seat plane, the liquid will only bypass the high pressure valve flap 65a, 65b and partially fill the cavity 67a, 67b.
  • Control of the magnetic retaining coils 68a, 68b is performed by a control unit, such as the processor.
  • FIG. 3A shows how a high pressure is generated in the high pressure space 52b in the compression of the gas
  • the high pressure compression of the gas in the high pressure space 52a is shown in FIG. 3B (the storage space in which the compressed gas is stored is in FIG Figures 3A to 3D are not shown for clarity, but the ports for the reservoir are shown on the high pressure valves 66a, 66b).
  • the control pistons 54a, 54b are driven such that the low pressure valve 56a is closed, i.e., closed. That is, the laminated core 53a is in the upper position, and the low-pressure valve 56b is opened, that is, it is in the upper position. h., the laminated core 53b is in the lower position.
  • the liquid located in the right chamber of the volumetric flask 72a is pumped by the hydrostatic unit 87 via the check valve 82a into the high-pressure space 52a, whereby a high pressure is generated there.
  • the liquid in the high-pressure chamber 52b is conveyed via the 7/2 way valve.
  • Switch valve 76b and the check valve 81b promoted in the left chamber of the volumetric flask 72b.
  • the suction / exhaust valve 86a is opened so that a pressure equalization in the pre-pressure space 59a with the Environment can take place.
  • the suction / exhaust valve 86b is closed to produce the required pre-pressure in the pre-compression space 59b.
  • the liquid contained in the exchange volume 80a is circulated by the pump 85 in FIG. 3B. In this case, for example, the exchange volume 80a is emptied into the reservoir 78 and new liquid pumped from the reservoir 78 in the exchange volume 80a.
  • 3C and 3D show the two operating phases in the expansion of the gas, ie the engine operation, in which the stored energy in the compressed gas from the hydrostatic unit 87 or units connected thereto in other forms of energy, eg. As electrical energy or mechanical work is converted.
  • Fig. 3C shows a working phase in which the low pressure valve 56a is opened and the low pressure valve 56b is closed. Further, the suction / exhaust valves 86a, 86b are closed and opened, respectively.
  • the high-pressure space 52b which is initially filled with the liquid, is acted upon by the pressure present in the storage space via the opened high-pressure valve 66b.
  • liquid is passed from the high-pressure chamber 52b via the 7/2-way switch valve 76b, the exchange volume 80b and the check valve 81b into the left-hand chamber of the volumetric flask 72b.
  • the volumetric flask 72b thus moves to the right and drives the hydrostatic unit 87.
  • the liquid from the right chamber of the volumetric flask 72a is pumped via the 7/2-way diverter valve 76a and the check valve 82a into the high-pressure chamber 52a, via the opened low-pressure valve 56a is generated by means of the likewise coupled to the volumetric flask 72b Vordruckkolbens 60 of the form.
  • the liquid contained in the exchange volume 80a is circulated by the pump 85 in FIG. 3C.
  • Fig. 3D the second working phase is shown in the engine operation.
  • the low-pressure valve 56a is closed, and the low-pressure valve 56b is opened.
  • the suction / exhaust valves 86a, 86b are opened and closed, respectively.
  • About the open high-pressure valve 66a of the first filled with liquid high-pressure chamber 52a is acted upon by the pressure present in the storage space.
  • liquid is pressed from the high-pressure space 52a via the 7/2-way diverter valve 76a, the exchange volume 80a and the check valve 81a into the right-hand chamber of the volumetric flask 72a.
  • the volumetric flask 72 a thus moves to the left and drives the hydrostatic unit 87.
  • the liquid from the left chamber of the volumetric flask 72b is pumped via the check valve 82b into the high-pressure chamber 52b, in which the pre-pressure is generated via the opened low-pressure valve 56b by means of the pre-pressure piston 60 likewise coupled to the volumetric flask 72a becomes.
  • the liquid in the exchange volume 80b is circulated by the pump 85 in FIG. 3D.
  • 3A with a simple volumetric flask is more suitable for small systems, since only two liquid points, two volumetric flasks with intermediate intermediate pressure piston and a circulation pump must be added to the two liquid piston to form an autonomous push-pull element by doubling a low-pulsation composite unit.
  • two volumetric flasks with intermediate intermediate pressure piston and a circulation pump must be added to the two liquid piston to form an autonomous push-pull element by doubling a low-pulsation composite unit.
  • a liquid piston assembly with four liquid piston as shown schematically in Fig. 5.
  • the four pistons provide a compact speed controllable unit with low torque pulsations, the characteristics of which are evident in the diagram shown in FIG.
  • the liquid piston arrangement comprises two push-pull elements 101 and 101 'with volumetric flasks 102a, 102b, 102a', 102b ', which are hydraulically connected to a common shaft 15 by means of a respective variable hydrostatic unit 103, 103'.
  • Each of the push-pull elements 101, 101 ' contains two liquid pistons, which are operated in push-pull.
  • the two displacement volume curves Q (vi) and Q (V2) are shifted by half a stroke in push-pull against each other.
  • the individual torque of the respective unit M (vi), M (V2) and by the sum of the shifted individual torques arises analogously to the course of torque M.
  • the hyperbolic pressure peak is due to the displacement volume curve Q (v) 5 also shows the versatility of the switch valve concept with the arrangement of a single processing unit 105 in conjunction with the respective switch valve housings 106, 106 'and the replacement containers 107, 107' the four liquid piston housings 108a, 108b, 108a ', 108b'.
  • the liquid piston arrangement is also suitable, on the basis of purely mechanical elements, for the speed adjustment with "impressed pressure” (this is the speed control from the pressure source, the torque against the load determines the speed) during engine operation, specifically with the aid of steam engine linkage 6 is determined by scanning a cam profile 110, which is transmitted to the rocker 12 by the movement of the piston rod 11, whereby the amplitude of the transmission to the displacement volume adjustment 104 is determined by the height adjustment of the engagement engagement of the rod 1 13 by means of screw hand wheel 1 14.
  • the curve Q (v) can thus be modulated up to the reversal of the direction of rotation as soon as the height adjustment reaches beyond the pivot point of the rocker 1 12.
  • Fig. 7A shows schematically a liquid piston assembly 150 with a simplified switch valve concept.
  • the liquid piston assembly 150 works with only one switch valve 151 which controls two measuring pistons 152a, 152b of this push-pull element as a function of the pressure difference across the hydrostatic unit 153, which occurs between the lines 154a, 154b and acts on the switch valve 151.
  • the other elements of this simplified piston measuring push-pull element are two liquid pistons 165a, 165b with valves and control piston and a storage space 166. Connecting lines 167a, 167b lead from the liquid piston 165a, 165b to the storage space 166.
  • a liquid tank 168 is a maintenance unit with filter and
  • a computer actuator 169 moves the displacement volume adjustment of the hydrostatic unit 153 in response to the feedback 170 of the piston position and the setpoint input 171, wherein the possibility of a direct coupling of Vordruckkolben 172 a, 172 b is indicated by dashed lines.
  • FIGS. 7A to 7D Various operating states of the liquid piston assembly 150 are shown in Figs. 7A to 7D, with Figs. 7A and 7B showing the compression of the gas using energy, and Figs. 7C and 7D showing the expansion of the gas.
  • the hydrostatic unit 153 pumps liquid into the left chamber of the volumetric flask 152a.
  • the right chamber of the volumetric flask 152a is emptied into the liquid tank 168. Further, the liquid is pumped from the right chamber of the measuring piston 152b into the liquid piston 165a.
  • the liquid piston 165b is drained. In this case, the air in the liquid piston 165a is compressed until the pressure is high enough for the high-pressure valve of the liquid piston 165a to open.
  • Fig. 7B the second position of the switch valve 151 is shown.
  • the hydrostatic unit 153 pumps liquid into the right chamber of the measuring piston 152b, and the left chamber of the measuring piston 152b is discharged into the liquid tank 168.
  • the volumetric flask 152a pumps liquid into the liquid piston 165b while the liquid piston 165a is being emptied. Thereby, the pressure in the storage space 166 is increased via the liquid piston 165b.
  • liquid from the liquid piston 165b is pumped by the pressure of the gas from the storage space 166 into the left chamber of the measuring piston 152a.
  • the liquid from the right chamber of the volumetric flask 152a is pumped into the liquid piston 165a.
  • the volumetric flask 152b drives, via its right-hand chamber, the hydrostatic unit 153 and the shaft connected thereto.
  • the switch valve 151 shown in Fig. 7D are the
  • the liquid piston 165a transfers the high pressure from the storage space 166 to the measuring piston 152b, whereby the measuring piston 152a drives the hydrostatic unit 153, which converts the energy into a movement of the shaft.
  • FIGS. 1 to 7 exclusively as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the topmost tip.
  • FIGS. 1 to 7 also as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the topmost tip.
  • FIGS. 1 to 7 also as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the topmost tip.
  • FIGS. 1 to 7 exclusively as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the topmost tip.
  • FIGS. 1 to 7 exclusively as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the topmost tip.
  • FIGS. 1 to 7 exclusively as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the topmost tip.
  • FIGS. 1 to 7 exclusively as a tilted rectangular prism for receiving the laminated core, with the high-pressure valve at the top
  • the (heat) exchanger roller 181 is embedded in the cylinder body 182, whose oblique parting line 183 with the piston block 184 produces a convergence towards the high pressure valve 185, similar to the prismatic laminated core 53a, 53b of FIG. 3A.
  • the (heat) exchanger roller 181 is wound around a cylinder body 186 of the piston block 184.
  • the (heat) exchanger roller 181, together with the cylinder body 186, is penetrated laterally from below by a pin-shaped seat valve body 187, so that the connection between the admission pressure chamber 189 and the liquid piston space in the (heat) exchanger roller 181 can be connected via a cone 188 ,
  • the cone 188 is moved to open or close the connection between the pressure chamber 189 and the liquid piston space in the (heat) exchanger roller 181.
  • the movement of the cone 188 is effected by acting on a control piston 190 via a connection nipple 191, whereby a retaining spring 192 is compressed.
  • FIG. 8 the elements already known from FIG. 3A are provided in FIG. 8, such as intake / exhaust valve, volumetric flask, pilot pressure piston, hydraulic fluid, etc., which ensure friction-free operation.
  • the roller part including control valves can of course also be operated without a volumetric flask, in the sense of FIG. 1 with separate low-pressure generator or expander.
  • the exchanger roller 181 including control valves shown in FIG. 8 can also be inserted into the liquid piston arrangements shown in FIGS. 1, 3, 5 and 7.
  • the indirect exchanger made of sheet metal plates with fine and fixed distances between the plates is inserted in push-pull circuits with adjustable hydrostatic units for the purpose of low-loss kinematic connection with a fast-rotating shaft. Attention is paid to the rigorous cyclic exchange of the liquid, so that optimum heat removal with continuous treatment (degassing, decanting, water separation) in a pressureless sump tank is possible. Different types of push-pull elements are possible (with two hydrostatic units and external pre-pressure generation, with turnout valves).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkolbenanordnung zur Verdichtung und Entspannung von Gasen. Die Flüssigkolbenanordnung umfasst einen Flüssigkolben, der durch einen von einer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsspiegel in einem Hochdruckraum verkörpert wird, und ein Blechpaket mit voneinander beabstandeten Blechplatten, das in dem Hochdruckraum gelagert ist und von der Flüssigkeit umspült wird.

Description

Flüssijgkolbenanordnunjg mit Plattentauscher für die quasi-isotherme Verdichtung und Entspannung von Gasen
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkolbenanordnung mit Plattentauscher für die quasi-isotherme Verdichtung und Entspannung von Gasen.
Die Hochdruck-Luftspeicherung ist seit dem 19. Jahrhundert bekannt, konnte sich bislang aber nur in spezifischen Anwendungen durchsetzen. In letzter Zeit ist jedoch das Interesse an dieser Technologie gestiegen, da nach Wegen gesucht wird, erneuerbare Energien in dezentraler Anordnung zu nutzen und die bestehenden Netze mit lokalen Speichern zu stützen.
Herkömmliche Anordnungen zur Verdichtung und Entspannung von Gasen sind aus folgenden Druckschriften bekannt:
DE 34 08 633 AI ,
US 586 100 A,
- EP 2 273 1 19 Bl ,
- Eidgenössisches Department für Umwelt, Verkehr, Energie und
Kommunikation UVEK, Bundesamt für Energie BFE, Schlussbericht
Mai 2004, Einsatz von Druckluftspeichersystemen, I. Cyphelly, A.
Rufer, Ph. Brückmann, W. Menhardt, A. Reller, Cyphelly & Co, Champ de Rive, CP 18, 2416 Les Brenets, DIS-Projekt Nr. 100406,
DIS-Vertrags Nr. 150504, - Eidgenössisches Department für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK, Bundesamt für Energie BFE, Jahresbericht
2004, 27. Dezember 2004, Projekt Machbarkeit des Druckluftspeicherkonzeptes BOP-B, Philipp Brückmann, Ivan Cyphelly, Markus Lindegger, Bahnhofstr. 17, 7260 Davos Dorf, BFE-Projekt-Nr.
100985, BFE-Vertrag-Nr. 151 155,
- Eidgenössisches Department für Umwelt, Verkehr, Energie und
Kommunikation UVEK, Bundesamt für Energie BFE, Jahresbericht
2005, 2. Dezember 2005, Projekt Machbarkeit des Druckluftspei- cherkonzeptes BOP-B, Philipp Brückmann, Ivan Cyphelly, Markus
Lindegger, Bahnhofstr. 17, 7260 Davos Dorf, BFE-Projekt-Nr.
100985, BFE-Vertrag-Nr. 151 155, und
- Eidgenössisches Department für Umwelt, Verkehr, Energie und
Kommunikation UVEK, Bundesamt für Energie BFE, Druckluftspei - cherung: Optimierung/Ausmessung bestehendes Projektmuster,
Schlussbericht, 01.06.2007, Philipp Brückmann, Brückmann Eleko- tronik (Projektleitung), Bahnhofstr. 17, 7260 Davos Dorf, Ivan Cyphelly, Cyphelly & Cie (Versuche und Bericht), POB18, 2416 Les Brenets.
Die Hochdruck-Luftspeicherung nutzt die Energie, die in komprimierter Luft steckt. Zu Zeiten, zu denen beispielsweise mehr Strom produziert als verbraucht wird, kann mit der überschüssigen Energie Luft unter Druck in einen Speicher gepumpt werden. Bei Strombedarf wird die in der
Druckluft gespeicherte Energie wieder in andere Formen von Energie, z. B. elektrischen Strom, umgewandelt oder aber es werden Maschinen oder Fahrzeuge direkt angetrieben.
Verdichtung und Entspannung in höheren Druckbereichen (100 bis 300 bar) sind nach wie vor verlustbehaftete Vorgänge, da die Koppelung zwi- sehen Erwärmung und Druckerhöhung (bzw. zwischen Abkühlung und Druckabbau) einen effizienten Betrieb verhindert und nur abschnittweise zwischengekühlte adiabatische Vorgänge aneinandergereiht werden können. Die mehrstufigen Kompressoren mit einer Vielzahl von Ventilen und topologisch bedingten Toträumen erreichen demzufolge energetische Wirkungsgrade, die 50 % kaum überschreiten, und dies mit erheblichem Aufwand, wie z. B. mit hochdrucktauglichen Wärmetauschern für jede einzelne Stufe. Diese niedrigen Wirkungsgrade erschweren die Technik von Kompression und Entspannung zwecks Energiespeicherung in Hoch- druckbehältern .
Um diese Problematik zu beseitigen, bedarf es eines Wärmetausches während der Druckänderung, damit ein annähernd isothermes Verhalten erzwungen werden kann, und dies noch kombiniert mit einer Ausschal - tung der Toträume. Es sind diesbezüglich Problemlösungen bekannt, die dank mittelbarem Wärmetausch durch Sprühnebeleinspritzung in
Schraubenkompressoren, Scrollkompressoren oder Flüssigkolbenkompressoren die Temperaturschwankungen begrenzen, wobei hier die Wärme zuerst auf die Tropfen übergeht und anschließend an einen außenstehen- den Tauscher gelangt. Die Rückführung der Sprühnebel-Ausfällung aus dem Hochdruckbereich ist jedoch technisch aufwändig. Im motorischen Betrieb (Entspannung) muss noch ein zusätzlicher Flüssigkeitskreislauf die Sprühung sicherstellen, die wiederum im Auspuff ausgesondert werden muss, um in den Kreislauf zurückzukommen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkolbenanordnung für annähernd isotherme Vorgänge im höheren Druckbereich zu schaffen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Im Anspruch 15 ist ein Verfahren zum Verdichten und Entspannen von Ga- sen beschrieben. Ferner sind in den Ansprüchen 16, 17 und 18 weitere vorteilhafte Flüssigkolbenanordnungen genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine Flüssigkolbenanordnung mit zwei Flüssigkolben, zwei hydrostatischen Regeleinheiten und einem Niederdruckgenerator bzw. Entspanner; Fig. 2A bis 2D die Flüssigkolbenanordnung aus Fig. 1 während des
Betriebs;
Fig. 3A bis 3D eine Flüssigkolbenanordnung mit Messkolben als Mit- nähme eines Vordruckkolbens während des Betriebs;
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Blechpaket aus Fig. 3A;
Fig. 5 eine Flüssigkolbenanordnung mit zwei Gegentaktelemen- ten im Verbundbetrieb;
Fig. 6 den Drehmomentverlauf als Resultat des Verbundbetriebs der Flüssigkolbenanordnung aus Fig. 5;
Fig. 7A bis 7D eine Flüssigkolbenanordnung mit einem einzigen Weichenventil während des Betriebs; und Fig. 8 einen Teil einer Flüssigkolbenanordnung mit einer Wärmetauscherrolle . Die im Folgenden beschriebenen und in den Figuren schematisch dargestellten Flüssigkolbenanordnungen weisen Flüssigkolben auf, die jeweils ein Blechpaket mit festen Abständen zwischen den Blechen enthalten. Insbesondere füllt das Blechpaket den ganzen rechteckigen Flüssigkolben- Arbeitsraum aus. Die freie Oberfläche der Flüssigkeit zwischen den Ble- chen verkörpert dabei den Kolben. Das Blechpaket ist verschiebbar, um den an der oberen Paketseitenfläche befestigten Ventilkegel ohne Freiraum in den Blechen zu bewegen und zu führen für eine totraumfreie Schaltung zwischen Niederdruckraum und Hochdruckraum. Im geschlossenen Zustand bleibt folglich kein Luft-To träum im Hochdruckraum. Das Blechpa- ket nimmt die während den Arbeitszyklen entstehende Wärme auf. Da das Blechpaket bei jedem Hub vollständig umspült wird, bleibt es annähernd auf der Temperatur der Flüssigkeit. Von der Flüssigkeit wird die Wärme über einen Wärmetauscher an die Umwelt abgegeben. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der rechteckige Hochdruckraum schräg angeordnet ist, wodurch der Niederdruck-Ventilkegel den Arbeitsraum eines Niederdruckkolbens mit dem Hochdruckraum in geschlossener Stellung totvolumenfrei absperren kann und die Stellung der Hochdruckventilklappe an der oberen Ecke des Blechpakets ein trichterartiges Zufließen bei Verdichtung erzwingt und somit aufwirbelnde Querströme verhindert.
Insbesondere verhindern die hier beschriebenen Flüssigkolbenanordnungen jeglichen Totraum, machen Hochdruck-Wärmetauscher überflüssig und sichern eine prozessgerechte Schaltgenauigkeit. Die im Folgenden beschriebenen Plattentauscher sind in eine jeweilige kinematische Kette eingefügt, deren Verluste Welle/Luft oder Strom/Luft den erreichten Wirkungsgrad nicht wieder zunichtemachen. Es sind dabei topologische Ausgestaltungen vorgesehen, die insbesondere Lufteinschlüsse durch Verwirbelung und hohe Beschleunigungen, Reibungen durch Querkräfte und Alterung vermeiden, und zwar mittels harmonischem Zusammenspiel der Elemente des„flüssigen Pleuels".
Die in den Fig. 1 bis 8 gezeigten Flüssigkolbenanordnungen genügen insbesondere einer oder mehreren oder gar allen der folgenden Bedingungen:
Die Schaltung in Luft soll leckfrei sein, vorzugsweise mittels Sitzventilen zwischen Hochdruckzylinder und Vordruckraum sowie druckseitig zum Speicher, und außerdem vollständig totraumfrei bleiben, um Verwirbelungen zu vermeiden.
Die Integrierung eines Niederdruckzylinders oder einer anderen Vordruckerzeugung sollen vorgesehen sein, denn eine ununterbrochene Kompression/ Entspannung von 1 bar auf 200 bar würde gewaltige Ausmaße bedingen (diese einstufige Ausführung ist jedoch dank Platten-Tauscheffekt durchaus möglich).
Eine Untersetzung zwischen Welle und Kolbenbewegung soll gesichert sein, da die Hubfrequenz 1 bis 2 Hz nicht überschritten wird und die Welle mindestens 1500 Upm aufweisen sollte.
4. Die Untersetzung sowie die Hubbewegung sollen auf Lösungen verzichten, die Querkräfte und große Lagerkräfte bedingen (bei den langsamen Bewegungen der Kolben würde schon bei bescheidenen Leistungen die Wälzlager überfordert) .
Um die Flüssigkeit im Betrieb aufzubereiten, soll das Pleuel/ Kolben- Volumen periodisch über einen Tank drucklos umgewälzt werden, damit Blasen, Staub und Feuchtigkeit entfernt werden können.
Der Außentauscher soll niederdruckseitig angeschlossen sein, da geringstmögliche Temperaturdifferenzen mit der Umwelt angestrebt werden, die über Hochdruck-Rohrtauscher kaum mit vernünftigem Aufwand zu erzielen sind. Außerdem kann somit ein einziger Außentauscher auch mehrkolbige Anlagen bedienen.
Die Kolben-Bewegungsumsteuerung soll mit geringen Beschleunigungen geschehen, vornehmlich gemäß einer vorgegebenen Geschwindigkeitskurve, die eine Glättung der Druck- bzw. Drehmomentpulsationen bei Verbundanordnungen ermöglicht.
Es soll verhindert werden, dass bei Lösungen mit hin- und hergehenden Kolben ein Totraum entsteht, der im Betrieb nicht genügend durchspült wird und somit Verunreinigungen und Wärme speichert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Flüssigkolbenanordnung 1 für die quasiisotherme Verdichtung und Entspannung von Gasen mit zwei Flüssigkol- ben 2a, 2b. Aufgrund des gleichen Aufbaus der beiden Flüssigkolben 2a, 2b können die einander entsprechenden Elemente der Flüssigkolben 2a, 2b, wie z. B. Hochdruckräume, Blechpakete usw., mit Zahlwörtern („erstes Element" bzw.„zweites Element") versehen werden, wie dies in den nachfolgenden Patentansprüchen der Fall ist. Der Übersichtlichkeit halber wird jedoch in der Beschreibung auf die Zahlwörter verzichtet. Die Flüssigkolben 2a, 2b umfassen jeweils einen Hochdruckraum 3a, 3b sowie ein in dem Hochdruckraum 3a, 3b gelagertes Blechpaket 4a, 4b. Die Blechpakete 4a, 4b bestehen jeweils aus einer Mehrzahl von Blechen, die insbesondere parallel zueinander angeordnet sind. Ferner können die Bleche eines Blechpakets 4a, 4b äquidistant angeordnet sein und insbesondere einen Abstand zwischen zwei benachbarten Blechen im Bereich von 0,3 bis 0,8 mm aufweisen. Ein Flüssigkeitsspiegel 5a, 5b in den jeweiligen Hochdruckräumen 3a, 3b und zwischen den Blechen der Blechpake- te 4a, 4b verkörpert den jeweiligen Kolben.
Die Blechpakete 4a, 4b sind in den Hochdruckräumen 3a, 3b verschiebbar gelagert, um die an ihren Oberseiten befestigten Niederdruck- Ventilkegel 6a, 6b zwangszusteuern, wodurch Niederdruckventile 7a, 7b geöffnet oder geschlossen werden. Die Unterseiten der Blechpakete 4a, 4b sind an federbelasteten Steuerkolben 8a, 8b befestigt, durch welche die Blechpakete 4a, 4b in den Hochdruckräumen 3a, 3b verschoben werden können. Die Flüssigkeitskolbenanordnung 1 umfasst ferner einen Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10, der z. B. als reversierbare Scroll-Einheit oder Kreiselläufer ausgestaltet sein kann. Der Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 ist über eine Luftleitung 1 1 mit den Niederdruckventilen 7a, 7b verbunden, um in den Hochdruckräumen 3a, 3b einen Vordruck er- zeugen zu können. Der andere Anschluss des Niederdruckgenerators bzw. Entspanners 10 ist mit einem Saugfilter und/ oder Schalldämpfer 12 bestückt. Der Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 ist auf eine Welle 13 montiert und wird von dieser angetrieben. Des Weiteren sind zwei variable, im Gegentakt arbeitende hydrostatische Einheiten 14a und 14b vorgesehen, die ebenfalls von der Welle 13 angetrieben werden können oder aber im motorischen Betrieb die Welle 13 antreiben können. Die hydrostatischen Einheiten 14a, 14b sind über Lei- tungen 15a, 15b mit den Hochdruckräumen 3a, 3b verbunden, so dass sie Flüssigkeit in die Hochdruckräume 3a, 3b einspeisen bzw. diesen entnehmen können. Darüber hinaus steuert die hydrostatische Einheit 14a den Steuerkolben 8b über eine Leitung, und die hydrostatische Einheit 14b steuert den Steuerkolben 8a über eine Leitung 16b. Wenn die Steuer- kolben 8a, 8b über die Leitungen mit einem Hochdruck beaufschlagt werden, drücken diese die Blechpakete 4a, 4b nach unten und öffnen dadurch die Niederdruckventile 7a, 7b. Demgegenüber haben nicht beaufschlagte Leitungen aufgrund der in den Steuerkolben 8a, 8b enthaltenen Federn geschlossene Niederdruckventile 7a, 7b zur Folge.
In ein Stellglied 20 kann eine Drehzahlvorgabe 21 eingegeben werden, aus welcher das Stellglied 20 zusammen mit der jeweiligen Drehzahl co der Welle 13 und der Fördervolumeneinstellung der hydrostatischen Einheiten 14a, 14b die effektive Flüssigkeitseinspeisung bzw. -entnähme durch die Leitungen 15a, 15b berechnet, wobei der Anschlag der jeweiligen
Hochdruckventilklappe 31a, 31b auf die Magnetspule 33a bzw. 33b das unentbehrliche Synchronisierungssignal („reset" ) liefert.
Wie Fig. 1 zeigt sind die hydrostatischen Einheiten 14a, 14b mit einem Behälter 22 über Filter 23a, 23b, einen äußeren Wärmetauscher 24 und Rückschlagventile 25 verbunden.
Neben den Niederdruckventilen 7a, 7b sind Hochdruckventile 30a, 30b an den Hochdruckräumen 3a, 3b angeordnet. Die Hochdruckventile 30a, 30b bestehen aus Hochdruckventilklappen 31a, 31b, die in Hohlräumen 32a, 32b angeordnet sind und von Magnetspulen 33a, 33b gesteuert werden können. Über Leitungen 34a, 34b bestehen Verbindungen von den Hochdruckventilen 30a, 30b zu einem Speicherraum 35. Die Funktionsweise der Flüssigkolbenanordnung 1 wird nachfolgend anhand der Fig. 2A bis 2D erläutert, wobei zwischen zwei Betriebsmodi der Flüssigkolbenanordnung 1 unterschieden wird. In einem ersten Betriebsmodus, der schematisch in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, wird Gas unter Aufbringung von Energie verdichtet. In einem zweiten Betriebsmo- dus, der schematisch in den Fig. 2C und 2D dargestellt ist, wird das Gas wieder entspannt und die dabei freigesetzte Energie in eine Bewegung der Welle 13 umgesetzt.
In den Fig. 2A bis 2D wie auch allen anderen Figuren symbolisieren Drei- ecke die Flussrichtung der Flüssigkeit in den jeweiligen Leitungen. Ausgefüllte Dreiecke kennzeichnen einen Hochdruckbereich, nicht- ausgefüllte Dreiecke einen Niederdruckbereich. Durchflusslose Leitungen sind gestrichelt dargestellt. Bei der in den Fig. 2A und 2B gezeigten Verdichtung des Gases, beispielsweise Luft, wird zunächst mit Hilfe des von dem Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 bereitgestellten Drucks ein Vordruck in dem jeweiligen Hochdruckraum 3a, 3b geschaffen. Anschließend wird dieser Druck erhöht, indem Flüssigkeit in den Hochdruckraum 3a, 3b gepumpt wird. Sobald der in dem Speicherraum 35 herrschende Druck erreicht ist, öffnet sich das Hochdruckventil 30a, 30b und es kann eine Druckerhöhung in dem Speicherraum 35 erzielt werden.
Die Fig. 2A und 2B zeigen die beiden Stellungen der durch die Steuerkol- ben 8a, 8b gesteuerten Blechpakete 4a, 4b. In Fig. 2A ist das Blechpaket 4a in der oberen Position, so dass das Niederdruckventil 7a geschlossen ist, wohingegen sich das Blechpaket 4b in der unteren Position befindet und das Niederdruckventil 7b dementsprechend geöffnet ist. In Fig. 2B sind die Positionen der Blechpakete 4a, 4b genau vertauscht.
Fig. 2A zeigt, dass die hydrostatische Einheit 14a über den Filter 23a Flüssigkeit aus dem Behälter 22 fördert und die Flüssigkeit weiter in den Hochdruckraum 3a pumpt, was dort einen steigenden Flüssigkeitsspiegel 5a zur Folge hat. In der vorangehenden Arbeitsphase war im Hochdruck- räum 3a mittels des Niederdruckgenerators bzw. Entspanners 10 ein Vordruck von z. B. 1 bis 6 bar erzeugt worden. Aufgrund des steigenden Flüssigkeitsspiegels 5a erhöht sich nun dieser Druck sukzessive. Sobald in dem Hochdruckraum 3a der gleiche Druck wie im Speicherraum 35 herrscht, öffnet sich das Hochdruckventil 30a und es kann eine Einspei- sung in den Speicherraum 35 stattfinden.
Zur gleichen Zeit wird die in dem Hochdruckraum 3b enthaltene Flüssigkeit von der hydrostatischen Einheit 14b über den Wärmetauscher 24 in den Behälter 22 gepumpt. Da das Niederdruckventil 7b geöffnet ist, herrscht in dem Hochdruckraum 3b der von dem Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 erzeugte Vordruck.
Anschließend werden die Steuerkolben 8a, 8b umgeschaltet, so dass sich die Positionen der Blechpakte 4a, 4b und damit der Niederdruck- Ventilkegel 7a, 7b wie in Fig. 2B dargestellt ergeben.
Während der in Fig. 2B dargestellten Arbeitsphase wird die zuvor in den Hochdruckraum 3a gepumpte Flüssigkeit von der hydrostatischen Einheit 14a wieder abgepumpt und fließt über den Wärmetauscher 24 in den Behälter 22. Über das geöffnete Niederdruckventil 7a erzeugt der Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 den Vordruck im Hochdruckraum 3a.
Im Hochdruckraum 3b steigt währenddessen der Flüssigkeitsspiegel 5b aufgrund der von der hydrostatischen Einheit 14b aus dem Behälter 22 zugeführten Flüssigkeit. Sobald im Hochdruckraum 3b der Druck des Speicherraums 35 erreicht ist, öffnet sich das Hochdruckventil 30b und das Gas im Speicherraum 35 wird weiter verdichtet. Danach wird der aus den beiden in den Fig. 2A und 2B gezeigten Arbeitsphasen bestehende Zyklus wiederholt, wodurch ein gewünschter Druck im Speicherraum 35 im Bereich von beispielsweise 200 bis 300 bar erzeugt werden kann. Die Energie, die zum Erzeugen dieses Drucks aufgewendet worden ist, kann im sogenannten motorischen Betrieb in eine Bewegung der Welle 13 umgewandelt werden.
Die beiden Arbeitsphasen des motorischen Betriebs sind in den Fig. 2C und 2D dargestellt. In Fig. 2C drückt der Steuerkolben 8a das Blechpaket 4a in die obere Position, so dass das Niederdruckventil 7a geschlossen ist, wohingegen sich das Blechpaket 4b in der unteren Position befindet und das Niederdruckventil 7b dementsprechend geöffnet ist. In Fig. 2D sind die Positionen der Blechpakete 4a, 4b genau vertauscht.
An den Rücken der Hochdruckventilklappen 31a, 31b sind Stahlscheiben angebracht, durch welche sich die Hochdruckventile 30a, 30b mit Hilfe der Magnetspulen 33a, 33b beeinflussen lassen und zwar so, dass solange über die Anschlussdrähte der Magnetspulen 33a, 33b ein Strom fließt, die Hochdruckventilklappen 31a, 31b nach dem Öffnen in offener Stellung gehalten werden zwecks Erhaltung des Vordruckes mittels genauer Dosie- rung. Im motorischen Betrieb kann durch das gezielte Öffnen und Schließen der Hochdruckventile 30a, 30b der zuvor im Speicherraum 35 erzeugte Druck den Hochdruckräumen 3a, 3b zugeführt werden. Wie Fig. 2C zeigt, wird durch den im Hochdruckraum 3a erzeugten Hochdruck die Welle 13 über die hydrostatische Einheit 14a angetrieben. Die Flüssigkeit, die dabei aus dem Hochdruckraum 3a gedrückt wird, fließt über die hydrostatische Einheit 14a und den äußeren Wärmetauscher 24 in den Behälter 22. Zur gleichen Zeit pumpt die hydrostatische Einheit 14b Flüssigkeit aus dem Behälter 22 in den Hochdruckraum 3b, in dem der Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 über das geöffnete Niederdruckventil 7b den Vordruck erzeugt. Die Energie, die zum Betrieb der hydrostatischen Einheit 14b und des Niederdruckgenerators bzw. Entspanners 10 aufgewendet wird, stammt dabei letztlich aus der Energie, die von der hydrostatischen Einheit 14a auf die Welle 13 übertragen worden ist. Ferner können weitere Maschinen von der Welle 13 angetrieben werden, beispielsweise ein Generator zur Stromerzeugung.
Während der in Fig. 2D gezeigten Arbeitsphase sind die Funktionalitäten der beiden Flüssigkolben 2a, 2b genau umgekehrt wie in Fig. 2C. Durch das gezielte Öffnen und Schließen des Hochdruckventils 30b wird ein Hochdruck im Hochdruckraum 3b geschaffen, welcher die von der hydrostatischen Einheit 14b zuvor in den Hochdruckraum 3b gepumpte Flüssigkeit wieder zurückpresst. Dadurch wandelt die hydrostatische Einheit 14b einen Teil der im Speicherraum 35 gespeicherten Energie in eine Bewegung der Welle 13 um. Ein Teil dieser Energie wiederum wird von der hydrostatischen Einheit 14a und dem Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10 verwendet, um Flüssigkeit aus dem Behälter 22 in den Hochdruckraum 3a zu pumpen und um den Vordruck im Hochdruckraum 3a zu erzeugen. Anschließend wird der aus den in den Fig. 2C und 2D gezeigten Arbeitsphasen bestehende Zyklus wiederholt.
Die Blechpakete 4a, 4b in den Hochdruckräumen 3a, 3b fungieren als Wärmetauscher und gewährleisten einen annähernd isothermen Betrieb auch in höheren Druckbereichen. Die bei der Verdichtung und Entspannung entstehenden Temperaturschwankungen werden in den Hochdruckräumen 3a, 3b von der Luft auf die Blechplatten der Blechpakete 4a, 4b übertragen und von diesen auf die Flüssigkeit, die die Blechpakete 4a, 4b umspült. Von der Flüssigkeit werden schließlich die Temperaturschwankungen über den äußeren Wärmetauscher 24 an die Umwelt abgegeben.
Die in Fig. 1 gezeigte Flüssigkolbenanordnung 1 ist eine Basisausführung einer Gegentaktschaltung, die ohne Messkolben alle oben genannten Be- dingungen erfüllt, allerdings mit zwei hydrostatischen Einheiten 14a, 14b und mit dem separaten Niederdruckgenerator bzw. Entspanner 10, was bezüglich Preis und Wirkungsgrad nicht das Optimum darstellt (im Verbundbetrieb wären es vier hydrostatische Einheiten, wobei ein einziger Niederdruckgenerator bzw. Entspanner genügen würde) . Aus dieser Ba- sisausführung lassen sich alle weiteren im Folgenden beschriebenen Flüssigkolbenanordnungen ableiten.
Fig. 3A zeigt schematisch eine Flüssigkolbenanordnung 50 mit zwei Messkolben als Mitnahme eines Vordruckkolbens, wodurch eine zweite hydro- statische Einheit und der Niederdruckgenerator bzw. Entspanner entbehrlich werden, allerdings unter Zuhilfenahme eines Umsteuerventils und einer Umwälzpumpe in der Aufbereitungseinheit, wie nachfolgend beschrieben wird. Verschiedene Betriebszustände der Flüssigkolbenanordnung 50 sind in den Fig. 3A bis 3D dargestellt. Ähnlich wie die Flüssigkolbenanordnung 1 aus Fig. 1 weist die Flüssigkolbenanordnung 50 zwei Flüssigkolben 51a, 51b auf, die jeweils einen Hochdruckraum 52a, 52b sowie ein in dem Hochdruckraum 52a, 52b gelagertes Blechpaket 53a, 53b umfassen.
In der vorliegenden Ausgestaltung bestehen die Blechpakete 53a, 53b aus Blechstapeln, die mittels federbelasteten Steuerkolben 54a, 54b in der Längsachse verschiebbar in den Hochdruckräumen 52a, 52b gelagert sind. Die Bewegung der Blechpakete 53a, 53b bestimmt die Bewegung von Niederdruck-Ventilkegeln 55a, 55b und somit das Öffnen und Schließen von Niederdruckventilen 56a, 56b, da die Niederdruck-Ventilkegel 55a, 55b fest mit dem jeweiligen Blechstapel an der oberen Stapelfläche verbunden sind. Die Blechplatten der Blechpakete 53a, 53b können mit einer Ab- standsnoppelung 57a, 57b oder sonstigen Einlagen versehen sein, durch die der Abstand zwischen den Blechplatten vorgegeben wird. Insbesondere können die Abstände zwischen zwei jeweils benachbarten Blechplatten in den Blechpaketen 53a, 53b konstant sein. Die Blechplatten können paral- lel zueinander ausgerichtet sein, und der Abstand zwischen benachbarten Blechplatten beträgt insbesondere zwischen 0,3 und 0,8 mm. Die Blechpakete 53a, 53b können die Form eines Rechteck- Prismas haben, wie dies schematisch in Fig. 4 gezeigt ist, die einen Schnitt des Blechpakets 53a im Zylinderblock 58a entlang der in Fig. 3A eingezeichneten Linie A-A', d. h. einen Schnitt senkrecht zur Längsachse des Blechpakets 53a, zeigt. Die Blechpakete 53a, 53b füllen den jeweiligen Hochdruckraum 52a, 52b senkrecht zur Längsachse, d. h. in der in Fig. 4 gezeigten Ebene, vollständig aus. Die Niederdruckventile 56a, 56b verbinden sinngemäß die Vordruckräume 59a, 59b des Vordruckkolbens 60 mit den jeweiligen Hochdruckräumen 52a, 52b. Die Zylinderblöcke 58a, 58b, in denen sich die jeweiligen Hochdruckräume 52a, 52b befinden, beinhalten auch den Sitz der Hochdruck- ventilklappen 65a, 65b der Hochdruckventile 66a, 66b. Die Hochdruckventilklappen 65a, 65b sind in einem jeweiligen Hohlraum 67a, 67b zusammen mit Haftmagnetspulen 68a, 68b angeordnet und werden von diesen koaxial geführt. Der jeweilige Flüssigkolbenspiegel 70a, 70b wird durch einen am Flüssig- keitsanschluss 71a, 71b angekoppelten Messkolben 72a, 72b bewegt, der auch den Vordruckkolben 60 mitnimmt (die Messkolben 72a, 72b und der Vordruckkolben 60 sind über eine Stange miteinander verbunden) und bei jedem Hub ein vollständiges Umspülen des jeweiligen Blechpakets 53a, 53b bewirkt und somit einen mittelbaren Tausch mit einem äußeren
Wärmetauscher 75. Dieser Strom fließt durch ein 7/2-Wege-Weichenventil 76a, 76b, das einen drucklosen Kreis mit dem äußeren Wärmetauscher 75, einem Filter 77 und einem Vorratsbehälter 78 bedient. Diese Anordnung erlaubt einen einwandfreien Austausch der Kolbenflüssigkeit bei jedem Hub, da diese je nach Fließrichtung entweder direkt vom - wie in Fig. 3A auf der linken Seite beispielhaft gezeigt - Blechstapel 53a zum Messkolben 72a über ein Austauschvolumen 80a und ein Rückschlagventil 81a strömt, bei Bewegung des Messkolbens 72a nach links (Niederdruckverdichtung), entsprechend der dargestellten Schieberstellung des 7/2-Wege-Weichenventils 76a, oder bei Hochdruckverdichtung - wie in Fig. 3B auf der rechten Seite beispielhaft gezeigt - vom Messkolben 72b zurück in den Hochdruckraum 52b über ein Rückschlagventil 82b, wobei der Schieber des 7/2-Wege-Weichenventils 76b in die druckseitige Sperrstellung für das Austauschvolumen 80b geschoben wird und hiermit eine Pumpe 85 dank der Freigabe der entsprechenden Anschlüsse während dieses Hubes die Flüssigkeit des Austauschvolumens 80b umwälzen kann (das Umwälzen der in einem der Austauschvolumen 80a, 80b enthaltenen Flüssigkeit mittels der Pumpe 85 ist in den Fig. 3A bis 3D durch mit gestrichelten Linien ausgefüllte Dreiecke dargestellt.).
Bei der in Fig. 3A dargestellten Arbeitsphase ist ein an dem Vordruckraum 59a to traumfrei angeordnetes Saug- /Auspuffventil 86a geschlossen, um den benötigten Vordruck im Vordruckraum 59a zu erzeugen. Zur gleichen Zeit ist ein an dem Vordruckraum 59b totraumfrei angeordnetes Saug- /Auspuffventil 86b geöffnet, damit ein Druckausgleich in dem Vordruckraum 59b mit der Umgebung stattfinden kann. Die Saug- /Auspuffventile 86a, 86b werden jeweils mittels eines Steuerkolbens geöffnet und geschlossen. Die Messkolben 72a, 72b sind in den jeweiligen hydraulischen Pfad zwischen der steuerbaren hydrostatischen Einheit 87 und dem 7/2-Wege- Weichenventil 76a, 76b eingefügt und gehorchen somit den mechanisch oder elektronisch eingeprägten modifizierten Sinus- Geschwindigkeitsprofilen, welche die Beschleunigung der Flüssigkolben - spiegel 70a, 70b begrenzen.
Die Betriebsflüssigkeit soll vorzugsweise einen sehr geringen Dampfdruck aufweisen, wie z. B. Wasser oder eine ionische Flüssigkeit aus der Methyl- imidazolium-Gruppe und insbesondere die hydrophobe ionische Flüssig- keit l-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethyl-sulfonyl)amid (EMIM BTA) , da hiermit die Löslichkeit von Luft unter Druck minimal ist und das Kondenswasser problemlos ausgesondert wird.
Da in der in Fig. 3A gezeigten Topologie (unechte Zweistufigkeit ohne Zwi- schendruckraum) die Hochdruckräume 53a, 53b immer unter Druck blei- ben (bei Niederdruckverdichtung oder Entspannung zwischen 1 bar und dem Volumenverhältnis von Niederdruckraum 59a, 59b zu Hochdruckraum 53a, 53b, bei Hochdruckverdichtung oder Entspannung zwischen eben diesem Verhältnis und dem Speicherdruck) ist die Umwälzung mit- tels Weichenventil praktisch unumgänglich (bis auf die Lösung mit zwei hydrostatischen Einheiten) , da ansonsten ein eingeschlossenes Volumen hin und her pendeln würde ohne Entlüftungs- und Reinigungsmöglichkeit und mit einem Wärmetausch nur durch die Wand von Hochdruckrohren, was ja ein Nachteil der mehrstufigen teiladiabatischen Kompressoren ist.
Die hier gewählte pseudo-Zweistufigkeit vereinfacht die Ventiltechnik maßgeblich, müssen doch im motorischen Betrieb nur noch die Hochdruckventile 66a, 66b in Abhängigkeit mehrerer Betriebsparameter angesteuert werden, wogegen die Schaltung der Niederdruckventile 56a, 56b über die Steuerkolben 54a, 54b synchron mit dem jeweiligen Saug-
/Auspuffventil 86a, 86b über seinen Steuerkolben durch die Richtungsumkehr des Messkolbens 72a, 72b bzw. die Umkehrung des Stromes einer hydrostatischen Einheit 87 an den Totpunkten eingeleitet wird. Mit dieser Anordnung lassen sich also höchste Drücke mit nur zwei„unechten" Stu- fen bewältigen (bzw. mit einer kleinen Vorstufe von 5 bis 6 bar und der Hauptstufe von 200 bis 300 bar, wobei das jeweilige Blechpaket 53a, 53b immer in Verbindung mit beiden Arbeitsräumen bleibt) , was eine markante Wirkungsgradverbesserung gegenüber den üblichen 4- oder 5-kolbigen Maschinen bedeutet.
Die hydrostatische Einheit 87 wird von einer Steuereinheit 88 angesteuert, welche wiederum von einer auf einem Prozessor oder einer anderen Recheneinheit ablaufenden Software gesteuert wird. Die Hochdruckventilklappen 65a, 65b erfüllen eine komplexe Aufgabe, insbesondere im Falle des motorischen Betriebs, denn hier ist der Schaltpunkt nicht an die Totpunkte gebunden und muss im motorischen Fall mittels Rechner und Sensoren ermittelt werden. Das Arbeiten mit einem Flüssigkolben erlaubt ja die Festsetzung des oberen Fördertotpunkts des jeweiligen Messkolbens 72a, 72b über die Ventilsitzebene hinweg, die Flüssigkeit wird lediglich die Hochdruckventilklappe 65a, 65b umspülen und den Hohlraum 67a, 67b teilweise auffüllen. Damit die Flüssigkeit nach dem Totpunkt wieder abfließen kann, muss die Schließung der je- weiligen Hochdruckventilklappe 65a, 65b derart verzögert werden, dass der Flüssigkolbenspiegel 70a, 70b die Sitzebene genau in dem Augenblick passiert, in dem die Hochdruckventilklappe 65a, 65b auf ihren Sitz auftrifft. Somit wird ein totvolumenfreier Verdichterbetrieb garantiert, der technisch relativ einfach realisierbar ist, indem man die Hochdruckventil- klappen 65a, 65b schwimmbar gestaltet, was die gewünschte Verzögerung automatisch herbeiführt. Anders sieht es beim motorischen Betrieb aus, denn hier muss nach der Öffnung der jeweiligen Hochdruckventilklappe 65a, 65b, die durch den versetzten Flüssigkolbentotpunkt mittels Anhe- bung eingeleitet wird, der Durchgang eine Weile frei bleiben, nachdem der Flüssigkolbenspiegel 70a, 70b die Sitzebene passiert hat (Verschiebevolu- men-Einspeisung). Dies wird dadurch erreicht, dass die am Rücken der jeweiligen Hochdruckventilklappe 65a, 65b angebrachte Stahlscheibe, die nach dem Öffnen am Haftmagnet anliegt, und die Haftkraft die Hochdruckventilklappe 65a, 65b in offener Stellung halten, solange über die Anschlussdrähte der Haftmagnetspule 68a, 68b ein Strom fließt. Die
Steuerung der Haftmagnetspulen 68a, 68b wird von einer Steuereinheit vorgenommen, beispielsweise dem Prozessor.
Wohl sind andere Betätigungsarten an dieser Stelle denkbar, aber der Weg über den Haftmagneten erlaubt zusätzlich die genaue Erfassung des Öff- nungszeitpunkts dank der Veränderung des Spulenstromes im Augenblick des Anschlags der Stahlscheibe auf die jeweilige Haftmagnetspule 68a, 68b, die als Signal zwecks genauer Bestimmung des aktiven Flüssigkeitsüberschusses und entsprechender Steuerung dienen kann, und zwar über die Messung der Zeitspanne zwischen Anschlag und Totpunkt. Außerdem ist diese Lösung energetisch außerordentlich sparsam trotz schnellem Ventilschließen. Diese Vorteile werden allerdings durch die Notwendigkeit erkauft, beim Start jeweils einige Kompressorhübe auszuführen, bevor der motorische Betrieb eingeleitet wird.
Während in Fig. 3A gezeigt ist, wie bei der Verdichtung des Gases ein Hochdruck im Hochdruckraum 52b erzeugt wird, ist in Fig. 3B die Hochdruckverdichtung des Gases im Hochdruckraum 52a dargestellt (der Speicherraum, in dem das verdichtete Gas gespeichert wird, ist in den Fig. 3A bis 3D der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, jedoch sind die Anschlüsse für den Speicherraum an den Hochdruckventilen 66a, 66b gezeigt). Während der in Fig. 3B gezeigten Arbeitsphase werden die Steuerkolben 54a, 54b derart angesteuert, dass das Niederdruckventil 56a geschlossen ist, d. h., das Blechpaket 53a befindet sich in der oberen Positi- on, und das Niederdruckventil 56b geöffnet ist, d. h., das Blechpaket 53b befindet sich in der unteren Position. Die in der rechten Kammer des Messkolbens 72a befindliche Flüssigkeit wird von der hydrostatischen Einheit 87 über das Rückschlagventil 82a in den Hochdruckraum 52a gepumpt, wodurch dort ein Hochdruck erzeugt wird. Gleichzeitig wird die im Hochdruckraum 52b befindliche Flüssigkeit über das 7/2-Wege-
Weichenventil 76b und das Rückschlagventil 81b in die linke Kammer des Messkolbens 72b gefördert.
Bei der in Fig. 3B dargestellten Arbeitsphase ist das Saug- /Auspuffventil 86a geöffnet, damit ein Druckausgleich in dem Vordruckraum 59a mit der Umgebung stattfinden kann. Zur gleichen Zeit ist das Saug- /Auspuffventil 86b geschlossen, um den benötigten Vordruck im Vordruckraum 59b zu erzeugen. Die in dem Austauschvolumen 80a befindliche Flüssigkeit wird in Fig. 3B von der Pumpe 85 umgewälzt. Dabei wird beispielsweise das Austauschvolumen 80a in den Vorratsbehälter 78 entleert und neue Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 78 in das Austauschvolumen 80a gepumpt. Die Fig. 3C und 3D zeigen die beiden Arbeitsphasen bei der Entspannung des Gases, d. h. dem motorischen Betrieb, bei dem die in dem verdichteten Gas gespeicherte Energie von der hydrostatischen Einheit 87 oder daran angeschlossenen Einheiten in andere Energieformen, z. B. elektrische Energie oder mechanische Arbeit, umgewandelt wird.
Fig. 3C zeigt eine Arbeitsphase, bei der das Niederdruckventil 56a geöffnet ist und das Niederdruckventil 56b geschlossen ist. Ferner sind die Saug- /Auspuffventile 86a, 86b geschlossen bzw. geöffnet. Über das geöffnete Hochdruckventil 66b wird der zunächst mit der Flüssigkeit gefüllte Hoch- druckraum 52b mit dem im Speicherraum vorliegenden Druck beaufschlagt. Dadurch wird Flüssigkeit aus dem Hochdruckraum 52b über das 7/2-Wege-Weichenventil 76b, das Austauschvolumen 80b und das Rückschlagventil 81b in die linke Kammer des Messkolbens 72b geführt. Der Messkolben 72b bewegt sich somit nach rechts und treibt die hydrostati- sehe Einheit 87 an.
Durch die Kopplung des Messkolbens 72a an den Messkolben 72b wird die Flüssigkeit aus der rechten Kammer des Messkolbens 72a, über das 7/2-Wege-Weichenventil 76a und das Rückschlagventil 82a in den Hoch- druckraum 52a gepumpt, in dem über das geöffnete Niederdruckventil 56a mittels des ebenfalls an den Messkolben 72b gekoppelten Vordruckkolbens 60 der Vordruck erzeugt wird.
Die in dem Austauschvolumen 80a befindliche Flüssigkeit wird in Fig. 3C von der Pumpe 85 umgewälzt.
In Fig. 3D ist die zweite Arbeitsphase im motorischen Betrieb gezeigt. Hier ist das Niederdruckventil 56a geschlossen, und das Niederdruckventil 56b ist geöffnet. Ferner sind die Saug- /Auspuffventile 86a, 86b geöffnet bzw. geschlossen. Über das geöffnete Hochdruckventil 66a wird der zunächst mit Flüssigkeit gefüllte Hochdruckraum 52a mit dem im Speicherraum vorliegenden Druck beaufschlagt. Dadurch wird Flüssigkeit aus dem Hochdruckraum 52a über das 7/2-Wege-Weichenventil 76a, das Austauschvolumen 80a und das Rückschlagventil 81a in die rechte Kammer des Messkolbens 72a gepresst. Der Messkolben 72a bewegt sich somit nach links und treibt die hydrostatische Einheit 87 an.
Durch die Kopplung des Messkolbens 72b an den Messkolben 72a wird die Flüssigkeit aus der linken Kammer des Messkolbens 72b über das Rückschlagventil 82b in den Hochdruckraum 52b gepumpt, in dem über das geöffnete Niederdruckventil 56b mittels des ebenfalls an den Messkolben 72a gekoppelten Vordruckkolbens 60 der Vordruck erzeugt wird.
Die in dem Austauschvolumen 80b befindliche Flüssigkeit wird in Fig. 3D von der Pumpe 85 umgewälzt.
Anschließend wird der Zyklus, wie in den Fig. 3C und 3D dargestellt, wiederholt. Die Einfachheit der in Fig. 1 gezeigten Grundschaltung wird durch die Komplexität der Erfassung des Hubverlaufs und durch den zusätzlichen Einsatz einer hydrostatischen Einheit samt Niederdruckgenerator bzw. Entspanner erkauft, was preislich und wirkungsgradmäßig Nachteile bringen kann, obschon bei größeren Anlagen, die aus vielen Hochdruck- Flüssigkolbenräumen in parallelen Strängen zusammengesetzt werden, ein einziger Vordruckapparat alle Stränge bedienen kann. Insofern ist das in Fig. 3A dargestellte Gegentaktelement mit einfachem Messkolben eher für kleine Systeme geeignet, da lediglich zu den zwei Flüssigkolben zwei Hydroweichen, zwei Messkolben mit dazwischenliegendem Vordruckkolben und einer Umwälzpumpe addiert werden müssen, um ein autonomes Gegentaktelement zu bilden, das durch Verdoppelung zu einer pulsati- onsarmen Verbundeinheit wird. Obschon zumindest für Verdichtungszwecke der Einsatz eines einzigen
Kolbenaufbaus gemäß Fig. 1 sinnvoll sein kann, empfiehlt sich für motorische Zwecke (Entspannungsbetrieb) eine Flüssigkolbenanordnung mit vier Flüssigkolben, wie sie schematisch in Fig. 5 gezeigt ist. Die vier Kolben ermöglichen eine kompakte drehzahlsteuerbare Einheit mit geringen Drehmomentpulsationen, deren Charakteristiken sich in dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm offenbaren.
Die Flüssigkolbenanordnung umfasst zwei Gegentaktelemente 101 und 101' mit Messkolben 102a, 102b, 102a', 102b', die über Kreuz mit je einer variablen hydrostatischen Einheit 103, 103' an einer gemeinsamen Welle 1 15 hydraulisch verbunden sind. Jedes der Gegentaktelemente 101 , 101' enthält zwei Flüssigkolben, die im Gegentakt betrieben werden. Die Gegentaktelemente 101 , 101' erzeugen durch Rückkoppelung der Schluckvolumenverstellungen 104, 104' zum Messkolbenhub einen in Fig. 6 gezeig- ten Schluckvolumenverlauf Q(vi) + Q(V2) , der einer leicht modifizierten Si- nuskurve entspricht. Die beiden Schluckvolumenverläufe Q(vi) und Q(V2) sind um einen halben Hub im Gegentakt gegeneinander verschoben. Über die Druckbeaufschlagung p( j des Schluckvolumens entsteht sinngemäß das Einzeldrehmoment der jeweiligen Einheit M(vi) , M(V2) und durch die Summe der verschobenen Einzeldrehmomente der Drehmomentverlauf M. Wir sehen also, dass sich durch den Schluckvolumenverlauf Q(v) die Hyperbeldruckspitze„herausfiltern" lässt, was ja ein bekanntes Hindernis bei Druckluftantrieben darstellt. Fig. 5 zeigt außerdem die Vielseitigkeit des Weichenventil-Konzepts mit der Anordnung einer einzigen Aufbereitungseinheit 105 in Verbindung mit den jeweiligen Weichenventilgehäusen 106, 106' und den Austauschbehältern 107, 107' an den vier Flüssigkolbengehäusen 108a, 108b, 108a', 108b'.
Die Flüssigkolbenanordnung ist außerdem geeignet, anhand rein mechanischen Gliedern die Drehzahlverstellung mit„eingeprägtem Druck" (so nennt man die Drehzahlregelung ab Druckquelle, wobei das Drehmoment gegen die Last die Drehzahl bestimmt) im motorischen Betrieb zu erläu- tern, und zwar mit Hilfe von Dampfmaschinengestänge: der Schluckvolumenverlauf Q(v) der Fig. 6 wird durch Abtasten eines Nockenprofiles 1 10 bestimmt, das durch die Bewegung der Kolbenstange 1 1 1 auf die Schwinge 1 12 übertragen wird, wobei sich die Amplitude der Übertragung auf die Schluckvolumenverstellung 104 durch die Höheneinstellung des Kulisse- neingriffs der Stange 1 13 mittels Schraubenhandrad 1 14 ergibt. Die Kurve Q(v) kann somit moduliert werden bis hin zur Drehrichtungsumkehr, sobald die Höheneinstellung über den Drehpunkt der Schwinge 1 12 reicht.
Fig. 7A zeigt schematisch eine Flüssigkolbenanordnung 150 mit einem vereinfachten Weichenventilkonzept. Die Flüssigkolbenanordnung 150 kommt mit nur einem Weichenventil 151 aus, das zwei Messkolben 152a, 152b dieses Gegentaktelements ansteuert und zwar in Abhängigkeit von der Druckdifferenz an der hydrostatischen Einheit 153, die zwischen den Leitungen 154a, 154b auftritt und das Weichenventil 151 beaufschlägt.
Die weiteren Elemente dieses vereinfachten Messkolben- Gegentaktelements sind zwei Flüssigkolben 165a, 165b mit Ventilen und Steuerkolben sowie ein Speicherraum 166. Verbindungsleitungen 167a, 167b führen von den Flüssigkolben 165a, 165b zu dem Speicherraum 166. Ein Flüssigkeitstank 168 ist als Wartungseinheit mit Filter und
Wärmetauscher vorgesehen, wobei hier keine Umwälzpumpe erforderlich ist. Ein Rechnerstellglied 169 bewegt die Schluckvolumenverstellung der hydrostatischen Einheit 153 in Abhängigkeit von der Rückmeldung 170 der Kolbenstellung und der Sollwerteingabe 171 , wobei die Möglichkeit einer direkten Ankoppelung von Vordruckkolben 172a, 172b durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
Verschiedene Betriebszustände der Flüssigkolbenanordnung 150 sind in den Fig. 7A bis 7D dargestellt, wobei die Fig. 7A und 7B die Verdichtung des Gases unter Aufwendung von Energie und die Fig. 7C und 7D die Entspannung des Gases zeigen.
Bei der in Fig. 7A dargestellten ersten Stellung des Weichenventils 151 pumpt die hydrostatische Einheit 153 Flüssigkeit in die linke Kammer des Messkolbens 152a. Die rechte Kammer des Messkolbens 152a wird in den Flüssigkeitstank 168 entleert. Ferner wird die Flüssigkeit aus der rechten Kammer des Messkolbens 152b in den Flüssigkolben 165a gepumpt. Der Flüssigkolben 165b wird entleert. Dabei wird die Luft im Flüssigkolben 165a verdichtet, bis der Druck groß genug ist, dass sich das Hochdruck- ventil des Flüssigkolbens 165a öffnet. In Fig. 7B ist die zweite Stellung des Weichenventils 151 dargestellt. Hier pumpt die hydrostatische Einheit 153 Flüssigkeit in die rechte Kammer des Messkolbens 152b, und die linke Kammer des Messkolbens 152b wird in den Flüssigkeitstank 168 entleert. Der Messkolben 152a pumpt Flüssigkeit in den Flüssigkolben 165b, während der Flüssigkolben 165a entleert wird. Dadurch wird der Druck im Speicherraum 166 über den Flüssigkolben 165b erhöht. Im motorischen Betrieb, d. h. der Entspannung des in dem Speicherraum 166 enthaltenen Gases, wird in der in Fig. 7C dargestellten Stellung des Weichenventils 151 Flüssigkeit aus dem Flüssigkolben 165b durch den Druck des Gases aus dem Speicherraum 166 in die linke Kammer des Messkolbens 152a gepumpt. Die Flüssigkeit aus der rechten Kammer des Messkolbens 152a wird in den Flüssigkolben 165a gepumpt. Da die beiden Messkolben 152a und 152b miteinander gekoppelt sind, treibt der Messkolben 152b über seine rechte Kammer die hydrostatische Einheit 153 und die damit verbundene Welle an. Bei der in Fig. 7D gezeigten Stellung des Weichenventils 151 sind die
Funktionalitäten vertauscht. Der Flüssigkolben 165a überträgt den Hochdruck aus dem Speicherraum 166 auf den Messkolben 152b, wodurch der Messkolben 152a die hydrostatische Einheit 153 antreibt, welche die Energie in eine Bewegung der Welle umsetzt.
In der vorliegenden Beschreibung sind alle Welle/ Flüssigkeitswandler mit gutem Grund als reversierbare hydrostatische 4-Quadranten-Einheiten dargestellt, denn damit kann der Hubverlauf verlustarm vorgegeben werden. Dies schließt andere Antriebslösungen nicht aus, allerdings sind die bekannten Lösungen problembehaftet. So scheitert beispielsweise die mechanische Anordnung mit Pleuel und Kolben - obschon mit einigermaßen brauchbarem Kurvenverlauf mit Verlangsamung an den Hubenden - an den Lagerkräften, die bei höherer Leistung und niedrigen Drehzahlen auftreten, abgesehen von den dazu erforderlichen Reduktionsgetrieben.
Des Weiteren wird der Tauscherkolben-Arbeitsraum in den Fig. 1 bis 7 ausschließlich als gekipptes Rechteck- Prisma zur Aufnahme des Blechpaketes dargestellt, mit dem Hochdruckventil an der obersten Spitze. Auch hier sind andere Lösungen denkbar, z. B. als Blechrolle wie nachfolgend beschrieben. Jedoch hat die Trichterwirkung des gekippten Rechteck- Prismas das günstigste Verhalten bezüglich der Stabilität des Flüssigkeitsspiegels bei schnellen Bewegungen, so dass diese Struktur vermutlich sogar für die Sprühtauschung geeignet wäre. Fig. 8 zeigt schematisch einen Teil einer Flüssigkolbenanordnung 180 mit einer (Wärme-) Tauscherrolle 181 als Alternative zum Rechteck- Prisma. Die Tauscherrolle 181 besteht aus einem zusammengerollten Stück Blech. Die (Wärme-) Tauscherrolle 181 ist im Zylinderkörper 182 eingelassen, dessen schräge Trennfuge 183 mit dem Kolbenblock 184 eine Konvergenz zum Hochdruckventil 185 hin erzeugt, ähnlich wie bei dem prismatischen Blechpaket 53a, 53b der Fig. 3A. Die (Wärme-) Tauscherrolle 181 ist dabei um einen Zylinderkörper 186 des Kolbenblocks 184 gewickelt. Die (Wärme-) Tauscherrolle 181 wird samt Zylinderkörper 186 von einem stiftför- migen Sitzventilkörper 187 seitlich von unten nach oben durchdrungen, so dass über einen Kegel 188 die Verbindung zwischen Vordruckraum 189 und dem Flüssigkolbenraum in der (Wärme-) Tauscherrolle 181 geschaltet werden kann.
Mittels der (Wärme-) Tauscherrolle 181 ist eine totvolumenfreie Schaltung ohne Bewegung des Blechtauscher möglich. Anstelle des Blechtauschers wird hier der Kegel 188 bewegt, um die Verbindung zwischen Vordruckraum 189 und dem Flüssigkolbenraum in der (Wärme-) Tauscherrolle 181 zu öffnen oder zu schließen. Die Bewegung des Kegels 188 erfolgt durch Beaufschlagung eines Steuerkolbens 190 über einen Anschlussnippel 191 , wodurch eine Haltefeder 192 zusammengedrückt wird.
Ansonsten sind in Fig. 8 die schon aus Fig. 3A bekannten Elemente vorgesehen, wie Saug- /Auspuffventil, Messkolben, Vordruckkolben, Hydrowei- che usw., die einen reibungsfreien Betrieb sichern. Der Rollenteil samt Steuerventilen kann selbstverständlich auch ohne Messkolben betrieben werden, im Sinne der Fig. 1 mit separatem Niederdruckgenerator bzw. Entspanner. Die in Fig. 8 gezeigte Tauscherrolle 181 samt Steuerventilen kann auch in die in den Fig. 1 , 3, 5 und 7 gezeigten Flüssigkolbenanordnungen eingefügt werden.
Abschließend ist zu unterstreichen, dass rund um den isothermen Flüssigkolben - sei es mit Platten oder Sprühung - ein komplexes Umfeld mit reibungsfrei zusammenwirkenden Organen erforderlich ist, die in der Funktion innig verzahnt sind.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der mittelbare Tauscher aus Blechplatten mit feinen und festen Abständen zwischen den Blechen in Gegentakt-Schaltkreise mit verstellbaren hydrostatischen Einheiten zwecks verlustarmer kinematischer Verbindung mit einer schnell drehenden Welle eingefügt wird. Dabei wird auf den rigorosen zyklischen Austausch der Flüssigkeit geachtet, damit eine optimale Wärmeabfuhr mit ununterbrochener Aufbereitung (Entgasung, Dekantierung, Wasserab- scheidung) in einem drucklosen Sumpfbehälter möglich wird. Es sind verschiedene Bauarten von Gegentaktelementen möglich (mit zwei hydro- statischen Einheiten und fremder Vordruckerzeugung, mit Weichenventi- len und Messkolben zwecks Mitnahme eines Vordruckkolbens, mit einem einzigen zentralen Weichenventil für beide Messkolben und Mischungen dieser Varianten) , wobei ein Verbund von zwei phasenverschobenen Ge- gentaktelementen ein pulsationsarmes Gerät möglich macht, das als schwungradloser Luft /Welle-Transformator mit variabler Drehzahl zusammen mit einem Hochdruck-Luftbehälter einen flexiblen Energiespeicher darstellt, der gegenüber elektrochemischen Batterien den Vorteil hat, direkt ab Welle Maschinen oder Fahrzeuge antreiben zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkolbenanordnung (1) zur Verdichtung und Entspannung von Gasen, umfassend
- einen ersten Flüssigkolben (2a) , der durch einen von einer Flüssigkeit gebildeten ersten Flüssigkeitsspiegel (5a) in einem ersten Hochdruck- räum (3a) verkörpert wird, und
- ein erstes Blechpaket (4a) mit voneinander beabstandeten Blechplatten, das in dem ersten Hochdruckraum (3a) gelagert ist und von der Flüssigkeit umspült wird, wobei die Blechplatten insbesondere in Flussrichtung der Flüssigkeit ausgerichtet sind, wobei
- an dem ersten Blechpaket (4a) ein Niederdruck-Ventilkegel (6a) befestigt ist, und
- das erste Blechpaket (4a) in dem ersten Hochdruckraum (3a) verschiebbar gelagert ist, um den Niederdruck-Ventilkegel (6a) zwangszu- steuern und dadurch ein Niederdruck-Ventil (7a) wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
2. Flüssigkolbenanordnung (50) nach Anspruch 1 , ferner umfassend - einen Vordruckraum (59a) , der an das Niederdruck-Ventil (56a) geschaltet ist, und
- einen in dem Vordruckraum (59a) gelagerten Vordruckkolben (60) zur Erzeugung eines Vordrucks.
3. Flüssigkolbenanordnung (50) nach Anspruch 2, ferner umfassend - einen Messkolben (72a) , der Flüssigkeit wahlweise aus dem Hochdruckraum (52a) entnimmt oder dem Hochdruckraum (52a) zuführt, wobei
- der Messkolben (72a) über eine Stange mit dem Vordruckkolben (60) verbunden ist.
Flüssigkolbenanordnung (50) nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Weichenventil (76a), das in einer ersten Stellung ein Austauschvolumen (80a) zwischen den ersten Hochdruckraum (52a) und den Messkolben (72a) schaltet und in einer zweiten Stellung das Austauschvolumen (80a) mit einem Vorratsbehälter (78) verbindet.
5. Flüssigkolbenanordnung (50) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend
- ein Saug- /Auspuffventil (86a) zur Verbindung des Vordruckraums (59a) mit der Umgebung, wobei das Saug- /Auspuffventil (86a) insbesondere totraumfrei in eine Wand des Vordruckraums (59a) eingelassen ist.
6. Flüssigkolbenanordnung (1 ) nach Anspruch 1. ferner umfassend
- einen an das Niederdruck-Ventil (7a) geschalteten Scroll-Verdränger, Schraubenverdränger oder Kreiselläufer ( 10) zur Erzeugung eines Vordrucks.
7. Flüssigkolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend - einen zweiten Flüssigkolben (2b) , der durch einen von der Flüssigkeit gebildeten zweiten Flüssigkeitsspiegel (5b) in einem zweiten Hochdruckraum (3b) verkörpert wird, und
- ein zweites Blechpaket (4b) mit voneinander beabstandeten Blechplatten, das in dem zweiten Hochdruckraum (3b) gelagert ist und von der Flüssigkeit umspült wird, wobei
- der erste Flüssigkolben (2a) und der zweite Flüssigkolben (2b) während des Betriebs der Flüssigkolbenanordnung (1) im Gegentakt betrieben werden.
8. Flüssigkolbenanordnung (150) nach Anspruch 7, ferner umfassend
- genau ein Weichenventil (151) zur Steuerung des ersten Flüssigkolbens (165a) und des zweiten Flüssigkolbens (165b).
9. Flüssigkolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend
- ein am oberen Ende des ersten Hochdruckraums (3a) angeordnetes Hochdruckventil (30a), wobei eine Hochdruckventilklappe (31a) des Hochdruckventils (30a) schwimmbar ausgestaltet ist.
10. Flüssigkolbenanordnung (1) nach Anspruch 9, ferner umfassend
- eine am Rücken der Hochdruckventilklappe (31a) befestigte Stahlscheibe, und
- eine Magnetspule (33a), die derart ausgestaltet ist, dass die am Rücken der Hochdruckventilklappe (65a) angebrachte Stahlscheibe nach dem Öffnen an dem mittels der Magnetspule (33a) gebildeten Haftmagneten anliegt und die Haftkraft die Hochdruckventilklappe (65a) in offener Stellung hält.
1 1. Flüssigkolbenanordnung (1) nach Anspruch 10, wobei
- die Magnetspule (33a) als Signalgeber für den Öffnungszeitpunkt des Hochdruckventils (30a) dient.
12. Flüssigkolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der erste Hochdruckraum (3a) relativ zum Lot verkippt angeordnet ist, und
- der erste Hochdruckraum (3a) am oberen Ende trichterförmig zuläuft.
13. Flüssigkolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Flüssigkeit eine ionische Flüssigkeit aus der Methylimidazolium- Gruppe ist und insbesondere l-Ethyl-3-methylimidazolium
bis(trifluoro methyl-sulfonyl)amid (EMIM BTA) ist.
14. Flüssigkolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend
- einen federbelasteten Steuerkolben (8a) , der mit dem ersten Blechpaket (4a) verbunden ist und dazu ausgelegt ist, dass erste Blechpaket (4a) zu verschieben.
15. Verfahren zum Verdichten und Entspannen von Gasen, wobei
- ein Gas in einem Hochdruckraum (3a) mittels eines Flüssigkolbens (2a) verdichtet oder entspannt wird,
- der Flüssigkeitsspiegel (5a) einer Flüssigkeit in dem Hochdruckraum (3a) den Flüssigkolben (2a) verkörpert,
- ein Blechpaket (4a) mit voneinander beabstandeten Blechplatten in dem Hochdruckraum (3a) gelagert ist und von der Flüssigkeit umspült wird, wobei die Blechplatten insbesondere in Flussrichtung der Flüssigkeit ausgerichtet sind, und
- das Blechpaket (4a), an dem ein Niederdruck-Ventilkegel (6a) befestigt ist, in dem Hochdruckraum (3a) verschoben wird, um den Nieder- druck-Ventilkegel (6a) zwangszusteuern und dadurch ein Niederdruck-
Ventil (7a) wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
16. Flüssigkolbenanordnung (1) zur Verdichtung und Entspannung von Gasen, umfassend
- einen Flüssigkolben (2a), der durch einen von einer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsspiegel (5a) in einem Hochdruckraum (3a) verkörpert wird, und
- ein am oberen Ende des Hochdruckraums (3a) angeordneten Hochdruckventil (30a), wobei eine Hochdruckventilklappe (31a) des Hoch- druckventils (30a) schwimmbar ausgestaltet ist.
17. Flüssigkolbenanordnung (180) zur Verdichtung und Entspannung von Gasen, umfassend
- einen Flüssigkolben, der durch einen von einer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsspiegel in einem Hochdruckraum verkörpert wird,
- eine Blechrolle (181), die in dem Hochdruckraum als Wärmetauscher gelagert ist und von der Flüssigkeit umspült wird,
- einen Niederdruckventilkegel (188) zur Verbindung des Hochdruckraums mit einem Niederdruckraum (189), und
- eine Steuerung (187) des Niederdruckventilkegels (188), die sich durch den Hochdruckraum erstreckt.
18. Flüssigkolbenanordnung zur Verdichtung und Entspannung von Gasen, umfassend - ein erstes Gegentaktelement (101), das einen ersten Flüssigkolben und einen zweiten Flüssigkolben aufweist, wobei der erste und der zweite Flüssigkolben im Gegentakt betrieben werden, und
- ein zweites Gegentaktelement (101'), das einen dritten Flüssigkolben und einen vierten Flüssigkolben aufweist, wobei der dritte und der vierte Flüssigkolben im Gegentakt betrieben werden, wobei
- die Flüssigkolben jeweils durch einen von einer Flüssigkeit gebildeten Flüssigkeitsspiegel in einem jeweiligen Hochdruckraum verkörpert werden, und
- das erste Gegentaktelement (101) und das zweite Gegentaktelement (101') phasenverschoben betrieben werden.
19. Flüssigkolbenanordnung nach Anspruch 18, ferner umfassend
- eine erste hydrostatische Einheit (103'), die an das erste Gegentakte- lement (101) geschaltet ist,
- eine zweite hydrostatische Einheit (103), die an das zweite Gegentaktelement (101') geschaltet ist, und
- eine gemeinsame Welle (1 15), die mit der ersten und der zweiten hydrostatischen Einheit (103, 103') verbunden ist.
20. Flüssigkolbenanordnung nach Anspruch 18 oder 19, wobei
- das erste Gegentaktelement (101) und das zweite Gegentaktelement (101') mit einer Phasenverschiebung von 90° betrieben werden.
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