EP0833059A2 - Verfahren zum Verdichten eines Gases - Google Patents

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EP0833059A2
EP0833059A2 EP97115766A EP97115766A EP0833059A2 EP 0833059 A2 EP0833059 A2 EP 0833059A2 EP 97115766 A EP97115766 A EP 97115766A EP 97115766 A EP97115766 A EP 97115766A EP 0833059 A2 EP0833059 A2 EP 0833059A2
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EP
European Patent Office
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compression
gas
pressure
post
mass flow
Prior art date
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Withdrawn
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EP97115766A
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English (en)
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EP0833059A3 (de
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Bruno Dr.-Ing. Ziegler
Andres Kündig
Lutz Dipl.-Ing. Decker
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
    • F04D23/001—Pumps adapted for conveying materials or for handling specific elastic fluids
    • F04D23/003—Pumps adapted for conveying materials or for handling specific elastic fluids of radial-flow type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control

Definitions

  • the invention relates to a method for compressing a gas with a constant Pressure, constant temperature and time-varying mass flow all in one constant final pressure through dynamic compression using a turbocompressor system, one plant for main compaction and one plant for post-compaction contains.
  • Methods according to the preamble of claim 1 are from the publications of Guy Gisteau-Baguer, "High Power Refrigeration at Temperatures Around 2 K", ICEC (International Cryogenic Engineering Conference) 16, 1996, Kitakyushu, Japan, and by M.Kauschke, C.Haberstroh, H.Quack “Safe and Efficient Operation of Multistage Cold Compressor Systems ", CEC (Cryogenic Engineering Conference) 1995 Columbus, USA, known.
  • High-performance cryogenic refrigeration systems are used on particle accelerators in nuclear research facilities, which are required for cooling superconducting magnets and cavity resonators.
  • the vapor pressure of helium at 2 K is 3129 Pa (31 mbar).
  • helium must be compressed from 31 mbar to atmospheric pressure. This corresponds to a compression ratio of 32: 1.
  • turbocompressors are used for the compression of the large mass flows that occur with high cooling capacity. Usually up to five compressor stages are required.
  • Cold compressors are used in order to be able to use smaller turbocompressors with a correspondingly low volume flow, and the higher density at low temperatures also permits high pressure ratios per stage.
  • the heat exchanger which heats the gas to ambient temperatures, can be made much simpler.
  • turbocompressors are limited a variation of the gas inlet temperature and the mass flow with stable operation enable all compressor stages. This is in contrast to the most requested Operating modes with reduced cooling capacity, with fast load changes and with Chilling the refrigeration system. Changes in the final pressure are common, even at far under atmospheric pressure. This can be in the warm part of the refrigeration system lead to undesired inflow of air into the refrigeration cycle. Become frequent volumetric compressors are also used, which have an increased load at part load Take over pressure ratio, but only suitable for a limited mass flow are. Or the smaller mass flow with reduced cooling capacity is reduced by one additional mass flow supplements, resulting in poor overall efficiency Refrigeration system.
  • the object of the invention is therefore to largely avoid these disadvantages.
  • the dynamic compression in a turbocompressor system is carried out so that the gas at maximum mass flow reaches the final pressure in the main compression and bypasses the post-compression is used for further use.
  • the advantage is the required To achieve final pressure in a main operating case in a thermodynamically favorable manner, where the post-compression need not be in operation. With one opposite the maximum mass flow reduced mass flow, the gas is in the Post-compression passed, there compressed to the final pressure and then for further use fed.
  • the advantage is that the procedure is important for one Part load case can also be designed and operated thermodynamically favorable.
  • the post-compression compresses the pressure over a certain pressure ratio Final pressure. The machines connected below with regard to the pressures suck at lower ones To press.
  • the method according to the invention can be used advantageously if that too compressing gas is present at cryogenic temperatures. Warming up before compression requires additional heat exchangers combined with a warm compressor, which must then be much larger because of the larger volume flow.
  • the method according to the invention can be used advantageously if the pressure of the gas to be compressed in the vacuum range between the boiling pressure of the gas and the atmospheric pressure.
  • this pressure range with principally high ones
  • volume flows are the area of application through least limited available size of the compressors.
  • the multi-stage execution of the main compression of the method according to the invention enables, especially when using intercoolers, an improvement in Efficiency of compression.
  • the post-compression can be carried out with only one compressor stage be performed.
  • the additional investment for operation at part load is then particularly low.
  • the turbocompressor system can advantageously in the method according to the invention between successive turbocompressor stages intermediate cooler or reheater contain. This allows the operation of the system through adjustment and Temperature regulation can be kept stable. With intercooling can also the number of turbocompressor stages required for economical operation and whose size can be reduced. In addition, the thermodynamic improves Efficiency of the compression system.
  • the main compression preferably the first stage of the multi-stage version Main compression, can be advantageous in the method according to the invention with a speed control be equipped. This enables, especially when operating with more than two modes of operation, during load changes and dynamic Operation setting and control to a constant final pressure.
  • the gas to be compressed can also be helium in the process according to the invention.
  • This gas can be used, in particular, when using the method in a helium refrigeration system or in a helium liquefaction plant during compression both very low initial temperatures as well as very low initial pressures occur for which, as described above, the method according to the invention is particularly useful well suited.
  • the disadvantages, as in the case of methods according to the prior art technology have occurred in the same application.
  • the invention is explained in more detail using an embodiment with a figure.
  • the Figure shows schematically the execution of the method according to the invention using the example an application in a helium refrigeration system.
  • the method is part of a helium refrigeration system, not shown in the figure, and is designed as a turbo compressor system. It consists of a main compression C1 to C4 with intermediate cooling 3 after the turbocompressor stage C2, a post-compression with the turbocompressor stage C5 and a bypass 6 of this stage C5.
  • the cryogenic Helium stream 1 arrives with a mass flow of 100 g / s at a pressure of 31 mbar and a temperature of 2 K in the first turbocompressor stage C1, then in the second turbocompressor stage C2 and via line 2 at an intermediate pressure of about 6 mbar in the intercooler 3, with the help of which also a stable intermediate temperature can be adjusted.
  • the helium stream 4 becomes the third and fourth turbocompressor stages C3 and C4, compressed to a final pressure of 1 bar, via the bypass 5 at the post-compression with the turbocompressor stage C5 passed and, what is not shown in the figure, as a helium stream 6 to the refrigeration circuit fed to the helium refrigeration system.
  • a partial load operation with a mass flow of 80 g / s corresponds to the operating characteristics of the turbo compressor stages C1 and C2 in the helium stream 4 a reduced intermediate pressure of ⁇ 6 mbar.
  • a pressure of ⁇ 1 bar is reached in the turbocompressor stages C3 and C4 and in the Turbo compressor stage C5 compresses the helium flow to the final pressure of 1 bar.
  • the first turbocompression stage C1 of the main compression is with a speed control equipped.
  • the transition to partial load operation and dynamic Operation of the helium refrigeration system the constant final pressure of the helium flow 6 regulated to 1 bar.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gases mit konstantem Druck, konstanter Temperatur und zeitlich veränderlichem Massenstrom auf einen konstanten Enddruck durch dynamische Kompression mit Hilfe einer Turboverdichteranlage, die eine Anlage zur Hauptverdichtung und eine Anlage zur Nachverdichtung enthält. Erfindungsgemäß erreicht das Gas bei maximalem Massenstrom bei der Hauptverdichtung den Enddruck und wird unter Umgehung der Nachverdichtung einer Weiterverwendung zugeführt. Bei gegenüber dem maximalen Massenstrom reduziertem Massenstrom wird das Gas von der Hauptverdichtung in die Nachverdichtung geleitet, dort auf den Enddruck verdichtet und dann der Weiterverwendung zugeführt. Das zu verdichtende Gas kann bei kryogenen Temperaturen und bei Drücken unterhalb des Umgebungsdruckes vorliegen. Vorzugsweise ist die Hauptverdichtung mehrstufig ausgeführt und die Nachverdichtung enthält nur eine Turboverdichterstufe. Die Turboverdichteranlage kann zwischen aufeinanderfolgenden Stufen Zwischenkühler oder Zwischenerhitzer enthalten. Vorteilhafterweise besitzt die Hauptverdichtung, bei mehrstufer Ausführung bevorzugt die erste Turboverdichterstufe, eine Drehzahlregelung. Das zu verdichtende Gas kann Helium sein. Das Verfahren wird bevorzugt in einer Heliumkälteanlage oder Heliumverflüssigungsanlage eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gases mit konstantem Druck, konstanter Temperatur und zeitlich veränderlichem Massenstrom auf einen konstanten Enddruck durch dynamische Kompression mit Hilfe einer Turboverdichteranlage, die eine Anlage zur Hauptverdichtung und eine Anlage zur Nachverdichtung enthält.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus den Druckschriften von Guy Gisteau-Baguer, "High Power Refrigeration at Temperatures Around 2 K", ICEC (International Cryogenic Engineering Conference) 16, 1996, Kitakyushu, Japan, und von M.Kauschke, C.Haberstroh, H.Quack "Safe and Efficient Operation of Multistage Cold Compressor Systems", CEC (Cryogenic Engineering Conference) 1995 Columbus, USA, bekannt.
An Teilchenbeschleunigern kerntechnischer Forschungseinrichtungen werden kryogene Kälteanlagen großer Leistung eingesetzt, die zur Kühlung von supraleitenden Magneten und Hohlraumresonatoren benötigt werden. Die Kühlung erfolgt bei Temperaturen unter dem Lambdapunkt (Tλ = 2,17 K) von Helium, also beispielsweise bei 2 K. Der Dampfdruck von Helium bei 2 K beträgt 3129 Pa (31 mbar). In solchen Heliumkälteanlagen muß Helium von 31 mbar auf Atmosphärendruck verdichtet werden. Dies entspricht einem Kompressionsverhältnis von 32:1. Für die Verdichtung der bei großer Kälteleistung auftretenden großen Massenströme werden nach dem Stand der Technik Turboverdichter eingesetzt. Benötigt werden in der Regel bis fünf Verdichterstufen. Es werden kalte Verdichter eingesetzt, um bei entsprechend geringem Volumenstrom kleinere Turboverdichter einsetzen zu können, auch läßt die höhere Dichte bei tiefer Temperatur hohe Druckverhältnisse pro Stufe zu. Zudem kann bei kalter Verdichtung der Wärmeaustauscher, der das Gas auf Umgebungstemperaturen aufwärmt, wesentlich einfacher gestaltet werden.
Die Hauptschwierigkeit dabei ist, daß Turboverdichter nur in beschränktem Ausmaß eine Variation der Gaseintrittstemperatur und des Massenstromes bei stabilem Betrieb aller Verdichterstufen ermöglichen. Dies steht im Gegensatz zu den meist geforderten Betriebsarten bei verminderter Kälteleistung, bei schnellen Laständerungen und beim Kaltfahren der Kälteanlage. Häufig werden Änderungen des Enddruckes, auch auf weit unter Atmosphärendruck, in Kauf genommen. Dies kann im warmen Teil der Kälteanlage zu unerwünschtem Einströmen von Luft in den Kältekreislauf führen. Häufig werden auch volumetrisch wirkende Kompressoren eingesetzt, die bei Teillast ein erhöhtes Druckverhältnis übernehmen, aber nur für einen begrenzten Massenstrom geeignet sind. Oder der bei verminderter Kälteleistung kleinere Massenstrom wird um einen zusätzlichen Massenstrom ergänzt, was einen schlechten Gesamtwirkungsgrad der Kälteanlage zur Folge hat.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Nachteile weitgehend zu vermeiden.
Kennzeichnend an der Erfindung ist, daß die dynamische Verdichtung in einer Turboverdichteranlage so vorgenommen wird, daß das Gas bei maximalem Massenstrom bei der Hauptverdichtung den Enddruck erreicht und unter Umgehung der Nachverdichtung einer Weiterverwendung zugeführt wird. Der Vorteil besteht darin, den erforderlichen Enddruck bei einem Hauptbetriebsfall thermodynamisch günstig zu erreichen, bei dem die Nachverdichtung nicht in Betrieb zu sein braucht. Bei einem gegenüber dem maximalen Massenstrom reduzierten Massenstrom wird das Gas in die Nachverdichtung geleitet, dort auf den Enddruck verdichtet und dann der Weiterverwendung zugeführt. Der Vorteil besteht darin, daß das Verfahren für einen wichtigen Teillastfall ebenfalls thermodynamisch günstig ausgelegt und betrieben werden kann. Die Nachverdichtung verdichtet hierbei über ein bestimmtes Druckverhältnis auf den Enddruck. Die bezüglich der Drücke unten anschließenden Maschinen saugen bei tieferen Drücken.
Das erfindungsgmeäße Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das zu verdichtende Gas bei kryogenen Temperaturen vorliegt. Ein Anwärmen vor der Verdichtung erfordert zusätzliche Wärmeaustauscher kombiniert mit einem warmen Verdichter, der wegen des größeren Volumenstromes dann wesentlich größer sein muß.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn der Druck des zu verdichtenden Gases im Unterdruckbereich zwischen dem Siededruck des Gases und dem Atmosphärendruck liegt. In diesem Druckbereich mit prinzipiell hohen Volumenströmen ist beim Einsatz von Turboverdichtern der Einsatzbereich durch die verfügbare Baugröße der Verdichter am wenigsten eingeschränkt.
Die mehrstufige Ausführung der Hauptverdichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, insbesondere beim Einsatz von Zwischenkühlern, eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Verdichtung.
Die Nachverdichtung kann in vielen Ausgestaltungen der Erfindung mit nur einer Verdichterstufe durchgeführt werden. Die Zusatzinvestition für den Betrieb bei Teillast ist dann besonders gering.
Die Turboverdichteranlage kann vorteilhafterweise beim erfindungsgemäßen Verfahren zwischen aufeinanderfolgenden Turboverdichterstufen Zwischenkühler oder Zwischenerhitzer enthalten. Dadurch kann der Betrieb der Anlage durch Anpassung und Regelung der Temperatur stabil gehalten werden. Mit Zwischenkühlung kann zudem die Anzahl der für einen wirtschaftlichen Betrieb benötigten Turboverdichterstufen und deren Baugröße verringert werden. Außerdem verbessert sich der thermodynamische Wirkungsgrad der Verdichtungsanlage.
Die Hauptverdichtung, bei mehrstufiger Ausführung vorzugsweise die erste Stufe der Hauptverdichtung, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft mit einer Drehzahlregelung ausgestattet werden. Diese ermöglicht, insbesondere beim Betrieb mit mehr als zwei Betriebsarten, während der Laständerungen und beim dynamischen Betrieb die Einstellung und Regelung auf einen konstanten Enddruck.
Das zu verdichtende Gas kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auch Helium sein. Bei diesem Gas können insbesondere bei der Anwendung des Verfahrens in einer Heliumkälteanlage oder in einer Heliumverflüssigungsanlage bei der Verdichtung sowohl sehr niedrige Anfangstemperaturen als auch sehr niedrige Anfangsdrücke auftreten, für die sich, wie weiter oben dargestellt, das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut eignet. Insbesondere werden die Nachteile, wie sie bei Verfahren nach dem Stand der Technik bei der gleichen Anwendung aufgetreten sind, vermieden.
Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsform mit einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer Anwendung in einer Heliumkälteanlage.
Das Verfahren ist Teil einer in der Figur nicht dargestellten Heliumkälteanlage und ist als Turboverdichteranlage ausgeführt. Sie besteht aus einer Hauptverdichtung C1 bis C4 mit Zwischenkühlung 3 nach der Turboverdichterstufe C2, einer Nachverdichtung mit der Turboverdichterstufe C5 und einer Umgehung 6 dieser Stufe C5. Der tiefkalte Heliumstrom 1 gelangt mit einem Massenstrom von 100 g/s bei einem Druck von 31 mbar und einer Temperatur von 2 K in die erste Turboverdichterstufe C1, dann in die zweite Turboverdichterstufe C2 und über die Leitung 2 bei einem Zwischendruck von etwa 6 mbar in den Zwischenkühler 3, mit dessen Hilfe auch eine stabile Zwischentemperatur eingestellt werden kann. Von dort wird der Heliumstrom 4 in die dritte und vierte Turboverdichterstufe C3 und C4 geleitet, auf einen Enddruck von 1 bar verdichtet, über die Umgehung 5 an der Nachverdichtung mit der Turboverdichterstufe C5 vorbeigeleitet und, was in der Figur nicht dargestellt ist, als Heliumstrom 6 dem Kältekreis der Heliumkälteanlage zugeführt. Bei einem Teillastbetrieb mit einem Massenstrom von 80 g/s stellt sich entsprechend den Betriebskennlinien der Turboverdichterstufen C1 und C2 im Heliumstrom 4 ein reduzierter Zwischendruck von < 6 mbar ein. In den Turboverdichterstufen C3 und C4 wird ein Druck < 1 bar erreicht und in der Turboverdichterstufe C5 wird der Heliumstrom auf den Enddruck von 1 bar verdichtet.
Die erste Turboverdichterstufe C1 der Hauptverdichtung wird mit einer Drehzahlregelung ausgerüstet. Hierdurch wird beim Übergang auf den Teillastbetrieb und beim dynamischen Betrieb der Heliumkälteanlage der konstante Enddruck des Heliumstromes 6 auf 1 bar geregelt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Verdichten eines Gases mit konstantem Druck, konstanter Temperatur und zeitlich veränderlichem Massenstrom auf einen konstanten Enddruck durch dynamische Kompression mit Hilfe einer Turboverdichteranlage, die eine Anlage zur Hauptverdichtung und eine Anlage zur Nachverdichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas bei maximalem Massenstrom bei der Hauptverdichtung den Enddruck erreicht und unter Umgehung der Nachverdichtung einer Weiterverwendung zugeführt wird und daß das Gas bei einem gegenüber dem maximalen Massenstrom reduzierten Massenstrom von der Hauptverdichtung in die Nachverdichtung geleitet, dort auf den Enddruck verdichtet und dann der Weiterverwendung zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdichtende Gas bei kryogenen Temperaturen vorliegt und kalt verdichtet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des zu verdichtenden Gases im Unterdruckbereich zwischen dem Siededruck des Gases und dem Atmosphärendruck liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverdichtung mehrstufig ausgeführt ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverdichtung eine Turboverdichterstufe enthält.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turboverdichteranlage zwischen aufeinanderfolgenden Stufen Zwischenkühler oder Zwischenerhitzer enthält.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverdichtung, bei mehrstufiger Ausführung vorzugsweise die erste Turboverdichterstufe, eine Drehzahlregelung besitzt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdichtende Gas Helium ist.
  9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 7 in einer Heliumkälteanlage oder Heliumverflüssigungsanlage.
EP97115766A 1996-09-27 1997-09-10 Verfahren zum Verdichten eines Gases Withdrawn EP0833059A3 (de)

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