DER0017081MA

DER0017081MA -

Info

Publication number: DER0017081MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 20. Juli 1955 Bekanntgemacht am 15. November 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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 auch die Verdichtungswärme in Wärmeaustauschern zur Vorwärmung von Verbrennungsluft, zur Erhöhung des natürlichen Abwetterzuges in Gruben, zu Heizungs-, Trocknungsund 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, SO¹ 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 + ι und + 40⁰ 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

6» 707/116'

R 17081 Ia/14h

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 liegenden Druck den Wärmeaustauschern zugeleitet wird, daß in den Wärmeaustauschern wenigstens im wesentlichen eine solche Überhitzung des Kühlmittels stattfindet, daß das überhitzte

ίο 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, 1 und 2 die hintereinandergeschalteten Gasverdichter, i„ und 2_a die diesen nachgeschalteten Wärmeaustauscher, 3 einen als Wärmeaustauscher ausgebildeten Tiefkühler, 4 eine von einem Elektromotor angetriebene 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, 10 einen als Wärmeaustauscher ausgebildeten Vorkühler.

Der Antriebsmotor 8, die Expansionsmaschine 5, die Verdichter 1 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 1 (erste Stufe des Verdichters), wird im . Wärmeaustauscher i_a gekühlt, im Verdichter 2 weiterverdichtet, im Wärmeaustauscher 2_a wieder gekühlt, im Tiefkühler 3 in weiter unten erläuterter Weise tiefgekühlt, wobei die bei der Tiefkühlung kondensierten Bestandteile abgeschieden werden, danach im Vor kühler 10 wieder erwärmt, wobei es das dem Tiefkühler zufließende Gas vorkühlt.

Das Kühlmittel, z. B. CF₂Cl₂, fließt unter einem über dem kritischen liegenden Druck von der Kondensatpumpe 4 in die Wärmeaustauscher \_a und 2_a, wird darin infolge seiner geringen Verdampfungswärme 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 verbindende Kühlmittelleitung sowie der Vorkühler 10 fort.

Das Verfahren nach der Erfindung ergibt eine außerordentlich hohe Ausnutzung der Verdichtungs- go wärme, die in erster Linie darauf beruht, daß das Kühlmittel in den Wärmeaustauschern i_a und 2_a 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 no es, bei einem vergleichsweise geringfügigen Mehraufwand an Anlagekosten, der schon teilweise durch die \^erkleinerung 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 (i_ß, 2_S) als Kühlmittel ein Dampf

R 17081 Ia/14h

verwendet wird, der vorzugsweise einen niedrigen kritischen Punkt und geringe Verdampfungswärme hat, daß das Kühlmittel bei einem über dem kritischen liegenden Drück 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

ίο 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 (i₀, 2_a) geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das die ' Expansionsmaschine verlassende Kühlmittel einem Kondensator zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kondensator

(6) verlassende Kühlmittel wenigstens zum Teil 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 (10) das dem Tiefkühler (3) zufließende Gas kühlt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das die Expansionsmaschine verlassende Kühlmittel 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 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kreislauf des Kühlmittels liegende Expansionsmaschine (5) und die Gasverdichter (1, 2), gegebenenfalls noch der-Kühlmittelverdichter (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. 172 831.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 707/116 11.56