Brennstoff in die Gasphase

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem Brennstoff in die Gasphase.

Bei bestimmten Anwendungen werden Brennstoffe in flüssiger Form bei geringfügig erhöhtem Druck gegenüber dem Umgebungsdruck in

Druckbehältern gespeichert und von dort bestimmten Prozessen zugeführt. Dabei kann der Brennstoff einem nachfolgendem Prozess unter höherem

Druck aber in der Gasphase zugeführt werden. Es soll häufig eine Wandlung von niedrig verdichtetem flüssigen Brennstoff in den unter höherem Druck stehenden und in die Gasphase überführten Brennstoff durchgeführt werden, um eine effektive Nutzung zu ermöglichen. Als Brennstoff können dazu beispielsweise Wasserstoff, Methan oder andere

Kohlenwasserstoffverbindungen, die mit wenigen Kohlenstoffatomen gebildet sind, eingesetzt werden.

Mögliche Anwendungen liegen im Bereich von Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken. Die Erfindung kann aber auch in Verbindung mit

Brennstoffzellen eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist ein Einsatz bei Prozessen, bei denen Abwärme aus dem jeweiligen Prozess mit genutzt werden kann.

Prinzipiell sind drei Möglichkeiten bekannt, mit denen eine Druckerhöhung erreichbar ist. So kann der Druck durch Pumpen, durch Verdampfen mit anschließender Verdichtung erhöht werden. Insbesondere für die Verdichtung ist ein hoher energetischer Aufwand erforderlich, der den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst. Die Exergie des komprimierten flüssigen Brennstoffs oder eines Systems wird nicht genutzt.

Bei einer Druckerhöhung unter Nutzung thermischer Energie, wie sie insbesondere bei einem Thermokompressor erfolgen kann, wird die

Druckerhöhung infolge der Erwärmung eines Gases genutzt. Auch hierbei erfolgt keine Nutzung der durch die Kondensation bei niedriger Temperatur gespeicherten Energie. Mit einem Thermokompressor können aufgrund der geringen erreichbaren thermischen Ausdehnungen des Brennstoffvolumens und unvermeindlicher Totvolumina nur geringfügige Druckerhöhungen erreicht werden, die häufig nicht ausreichend sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Umwandlung gering komprimierter flüssiger

Brennstoffe in einen erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoff, der auf einen höheren Druck komprimiert worden ist, als dies in der flüssigen Phase der Fall war, anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 7 definiert ein Verfahren dazu. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Mit der Erfindung kann neben der Exergie auch bei einem Prozess anfallende Abwärme vorteilhaft ausgenutzt werden. Es besteht die Möglichkeit, zusätzliche mechanische Arbeit zu nutzen um beispielsweise kinetische Energie in Elektroenergie wandeln und die gewandelte elektrische Energie einer anderen Nutzung zuführen zu können.

Bei der Erfindung wird eine mechanische Druckerhöhung des Brennstoffs mit einer externen Erwärmung kombiniert. Dadurch kann zuvor aufgebrachte mechanische Arbeit zurück gewonnen werden. Dabei wirkt es sich besonders vorteilhaft aus, dass man für eine externe Erwärmung in einem

Wärmetauscher Abwärme eines Prozesses nutzen kann.

Durch die Nutzung von externer Wärme mit entsprechender thermischer Energie kann man die zur Verdichtung erforderliche mechanische Energie entsprechend verringern. Je nach ausnutzbarer Temperaturdifferenz und einem bei der Verdichtung des Brennstoffs zu erreichenden maximalen Druck besteht sogar die Möglichkeit kinetische Energie zusätzlich für andere Zwecke, beispielsweise die Umwandlung in elektrische Energie zu nutzen.

Bei dem erfindungsgemäßen System zur Verdichtung und Überführung von verflüssigtem Brennstoff in die Gasphase ist ein Druckbehälter, in dem flüssiger Brennstoff gespeichert ist, vorhanden. Der Druckbehälter ist über eine erste Leitung mit einem Zylinder eines ersten Kolbenverdichters verbunden und in der ersten Leitung ist ein erstes Ventil angeordnet.

Der Kolben des ersten Kolbenverdichters ist mittels einer Pleuelstange, die exzentrisch an einem Kurbelantrieb um eine Achse drehbar befestigt ist, translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten (oberer und unterer Totpunkt) bewegbar.

An den Zylinder ist eine zweite Leitung, in der ein zweites Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zu einem Wärmetauscher, der mit Abwärme betreibbar ist, geführt.

An den Wärmetauscher ist eine dritte Leitung, in der ein drittes Ventil angeordnet ist, angeschlossen, die zu einem Verbraucher für den in die Gasphase überführten Brennstoff geführt ist. An die dritte Leitung ist eine vierte abzweigende Leitung, in der ein viertes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und in einen Zylinder eines zweiten Kolbenverdichters geführt, wobei der Kolben des zweiten Kolbenverdichters mittels eines Antriebs ebenfalls zwischen zwei Umkehrpunkten translatorisch hin und her bewegbar ist.

An den Zylinder des zweiten Kolbenverdichters ist eine fünfte Leitung, in der ein fünftes Ventil angeordnet ist, angeschlossen und zum Zylinder des ersten Kolbenverdichters geführt, so dass erwärmter in die Gasphase überführter Brennstoff bei geöffnetem vierten Ventil in den Zylinder des ersten

Kolbenverdichters einführbar ist, bevor ein Öffnen des ersten Ventils während einer Ansaugbewegung des Kolbens in Richtung unterer Totpunkt des ersten Kolbenverdichters erfolgt ist.

Der Hubraum des zweiten Kolbenverdichters sollte größer als der Schadraum des ersten Kolbenverdichters, bevorzugt mindestens 50 % größer sein, so dass ein möglichst vollständiger Austausch des kalten, verdichteten Gases durch warmes, verdichtetes Gas erfolgt.

Der Kurbeltrieb, der insbesondere mit einer Schwungscheibe gebildet sein kann, kann mit einem Drehantrieb und/oder einem elektrischen Generator verbunden sein. Der Drehantrieb, beispielsweise ein Elektromotor kann insbesondere dann genutzt werden, wenn der erste Kolbenverdichter in einer Anlaufphase in Betrieb genommen werden soll und noch kein erwärmter gasförmiger Brennstoff in den ersten Kolbenverdichter zurück geführt wird bzw. rückgeführt worden ist.

Der Antrieb kann ausgeschaltet werden, wenn das System ausreichend eigene Energie in Verbindung mit der thermischen Energie, die über den

Wärmetauscher zugeführt wird, bereit stellen kann. In diesem Fall kann unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperatur des in den ersten

Kolbenverdichter rückgeführten gasförmigen Brennstoffes, seiner Menge und des Druckes auch bei der Bewegung des Kolbens des ersten Kolbenverdichters vorhandene kinetische Energie über die Rotationsbewegung am Kurbeltrieb, an dem besonders bevorzugt eine rotierende Schwungscheibe vorhanden ist, in elektrische Energie mittels eines durch die Rotationsbewegung betreibbaren Generators gewandelt werden kann. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Systems weiter erhöhen. Dazu kann die

Schwungscheibe mit einem in einen Generatorbetrieb umschaltbaren Elektromotor verbunden und temporär antreibbar und nach Umschaltung temporär als elektrischer Generator nutzbar sein.

Mindestens eines der Ventile des Systems sollte dabei zwangsgesteuert sein. Diese Steuerung kann dabei mechanisch oder vorteilhafterweise an eine elektronische Steuerung angeschlossen sein. Die elektronische Steuereinheit kann so ausgebildet sein, dass das/die Ventil(e) in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebssituation des Systems geöffnet oder geschlossen werden. Das Öffnen und Schließen von Ventilen kann in Abhängigkeit des momentanen Hubes, insbesondere des Kolbens des ersten Kolbenverdichters, der Menge,

Temperatur und dem Druck des Teils des aus dem Wärmetauscher mittels des zweiten Kolbenverdichters in den ersten Kolbenverdichter rückgeführten erwärmten und gasförmigen Brennstoffs und/oder der Menge, der

Temperatur und dem Druck des aus dem Druckbehälter über die erste Leitung in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters einströmenden Brennstoffs beeinflusst werden.

Bevorzugt sollte die elektronische Steuereinheit so ausgebildet sein, dass flüssiger Brennstoff erst in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters eintreten kann, wenn der Kolben des ersten Kolbenverdichters während des Ansaugens einen vorbestimmten Weg zurück gelegt und/oder im Zylinder des ersten Kolbenverdichters ein bestimmter vorgegebener Innendruck und/oder eine bestimmte vorgegebene Menge an mittels des Wärmetauschers erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs mittels des zweiten Kolbenverdichters in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters rückgeführt worden ist. Sind die entsprechenden Parameter erreicht, kann das erste Ventil, das zwischen dem Druckbehälter und dem Zylinder des ersten

Kolbenverdichters angeordnet ist, geöffnet werden.

Während des Arbeitshubes des ersten Kolbenverdichters, bei dem sich der Kolben in Richtung oberer Totpunkt bewegt, sollte das erste Ventil geschlossen sein. Der Antrieb des zweiten Kolbenverdichters kann als Nockenantrieb ausgebildet sein.

Der Antrieb des ersten und des zweiten Kolbenverdichters sollten mit der gleichen Drehzahl betrieben werden. Dazu können der Kurbeltrieb des ersten Kolbenverdichters und der Antrieb des zweiten Kolbenverdichters

miteinander verbunden sein. Dazu kann ein geeignetes Getriebe genutzt werden.

Beim Betrieb des Systems wird der in einem Druckbehälter gespeicherte flüssige Brennstoff über eine erste Leitung in einen Zylinder eines ersten Kolbenverdichters über die erste Leitung, in der das erste Ventil angeordnet ist, bei geöffnetem ersten Ventil eingeführt, wenn der Kolben des ersten Kolbenverdichters bei einer Ansaugbewegung in Richtung unterer Totpunkt einen vorgebbaren Weg zurück gelegt hat und/oder im Zylinder des ersten Kolbenverdichters eine bestimmte vorgegebene Menge an mittels eines Wärmetauschers erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs mittels eines zweiten Kolbenverdichters in den Zylinder des ersten

Kolbenverdichters rückgeführt worden ist.

Dabei wird bei einer Bewegung des Kolbens des ersten Kolbenverdichters in Richtung oberer Totpunkt, die zu einer Verdichtung des im Zylinder des ersten Kolbenverdichters enthaltenen Brennstoffs führt, ein zweites Ventil, das in einer zweiten Leitung, die zu dem Wärmetauscher, der mit Abwärme betrieben wird, geführt ist, geöffnet, so dass bei geöffnetem zweiten Ventil in die Gasphase überführter Brennstoff durch den Wärmetauscher und ein Teil des mittels des Wärmetauschers erwärmten Brennstoffs über eine dritte Leitung zu einem Verbraucher und ein Teil des mittels des Wärmetauschers erwärmten Brennstoffs durch eine vierte Leitung in den Zylinder eines zweiten Kolbenverdichters strömt.

Der Teil des erwärmten und in die Gasphase überführten Brennstoffs, der in den zweiten Kolbenverdichter geführt wird, wird bei einem Verdichtungshub des Kolbens des zweiten Kolbenverdichters in den Zylinder des ersten

Kolbenverdichters rückgeführt, wenn das erste Ventil und das zweite Ventil geschlossen sind, und der Kolben des ersten Kolbenverdichters eine Ansaugbewegung in Richtung unterer Totpunkt ausführt sowie das fünfte Ventil geöffnet ist.

Die Energie des Teils des in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters rückgeführten, mit dem zweiten Kolbenverdichter komprimierten und mit dem Wärmetauscher erwärmten Brennstoffs kann zur Verdichtung und Vorwärmung des aus dem Druckbehälter in den Zylinder des ersten

Kolbenverdichters einströmenden dabei expandierenden flüssigen

Brennstoffs genutzt werden, wodurch die zur Verdichtung des vorab flüssigen Brennstoffs im ersten Kolbenverdichter erforderliche Leistung reduziert und dabei externe Wärme, die dem Wärmetauscher zugeführt wird und die Exergie des Systems ausgenutzt werden können, um den

Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen.

Beim Ansaugen des flüssigen Brennstoffs über eine erste Leitung in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters sollte der Brennstoff infolge der Mischung mit dem wärmeren, expandierten Brennstoff teilweise, aber nicht vollständig verdampft werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel eines erfindungsgemäßen

Systems, bei dem der Kolben eines ersten Kolbenverdichters in seinem oberen Totpunkt angeordnet ist;

Figur 2 das Beispiel nach Figur 1, bei dem sich der Kolben des ersten

Kolbenverdichters zum Ansaugen in Richtung unterem Totpunkt bewegt;

Figur 3 das Beispiel, bei dem der Kolben des ersten Kolbenverdichters den unteren Totpunkt erreicht hat;

Figur 4 das Beispiel, bei dem sich der Kolben des ersten Kolbenverdichters zum Verdichten in Richtung oberer Totpunkt bewegt; Figur 5 das Beispiel, bei dem der Kolben des ersten Kolbenverdichters bei der Bewegung zum Verdichten seinen oberen Totpunkt noch nicht erreicht hat, aber verdichteter Brennstoff aus dem Zylinder des ersten Kolbenverdichters in einen Wärmetauscher ausströmt und der Beginn des Einströmens eines Teils an Brennstoff, der mit dem Wärmetauscher erwärmt und mit dem zweiten Kolbenverdichter verdichtet in den Zylinder des ersten Kolbenverdichters rück geführt wird, und

Figur 6 das Beispiel in einem Zustand, bei dem der Kolben des ersten

Kolbenverdichters den oberen Totpunkt im Anschluss an seinen Verdichtungstakt noch nicht ganz erreicht hat und alle Ventile geschlossen sind.

In Figur 1 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems gezeigt, bei dem ein Kolben 5 eines ersten Kolbenverdichters 1, der von einem Kurbelantrieb mit einer Schwungscheibe 7, an der eine Pleuelstange 6 exzentrisch befestigt ist, in seine obere Totpunktstellung im Zylinder 4 des ersten

Kolbenverdichters 1 bewegt worden ist.

Ein nicht dargestellter Druckbehälter in dem flüssiger Wasserstoff als

Brennstoff mit einem Druck von 0,1 MPa und einer Temperatur von -253,15 °C enthalten ist, ist über die erste Leitung 2 mit dem Zylinder 4 verbunden. In der ersten Leitung 2 ist ein erstes Ventil 3 angeordnet, dass in dieser Stellung des Kolbens 5 geschlossen ist.

Der erste Kolbenverdichter 1 hat einen Hubraum von 75cm ³ und einen Hub von 72.5 mm.

An den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 ist eine zweite Leitung 8, in der das zweite Ventil 9 angeordnet ist, angeschlossen und zu dem

Wärmetauscher 10 geführt. Das zweite Ventil 9 ist in dieser Stellung des Kolbens 5 ebenfalls geschlossen.

Der Wärmetauscher 10 wird mit externer Abwärme, beispielsweise Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen oder Umgebungswärme betrieben (ebenfalls nicht dargestellt).

An der anderen Seite des Wärmetauschers 10 ist eine dritte Leitung 10 angeschlossen, in der das dritte Ventil 12 angeordnet und die zu einem nicht dargestellten Verbraucher geführt ist. Von der dritten Leitung zweigt in Strömungsrichtung vor dem dritten Ventil 12 eine vierte Leitung 13, in der das vierte Ventil 14 angeordnet ist, ab. Die vierte Leitung 13 ist in den Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 geführt.

Der Kolben 17 des zweiten Kolbenverdichters 15 wird mit dem Nockenantrieb 18 zwischen seinen zwei Totpunkten translatorisch hin und her bewegt, wenn der Nockenantrieb 18 durch entsprechende Rotationsbewegung aktiviert wird.

Vom Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 ist eine fünfte Leitung, in der das fünfte Ventil 20 angeordnet ist, in den Zylinder 4 des ersten

Kolbenverdichters 1 geführt.

In der Darstellung von Figur 1 sind alle Ventile 3, 9, 12, 14 und 20 geschlossen.

Wie aus Figur 2 entnommen werden kann, kann das erste Ventil 3 geöffnet werden, wenn sich der Kolben des ersten Kolbenverdichters 1 in Richtung unterer Totpunkt zum Ansaugen von flüssigem Brennstoff in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 bewegt. Zumindest die Ventile 9 und 20 sind während des Ansaugens geschlossen.

Bei diesem Ansaugtakt des ersten Kolbenverdichters 1 kann die mittels der mit der Schwungscheibe 7 gespeicherte kinetische Energie für den Antrieb der Bewegung der Kolben 5 und 17 des ersten und des zweiten Kolbenverdichters 1 und 15 genutzt werden, ohne dass zusätzliche Energie für den jeweiligen Drehantrieb zugeführt werden muss, wenn dass System im normalen

Betriebszustand ist.

Bei der Bewegung des Kolbens 17 des zweiten Kolbenverdichters 15, wie sie den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, gelangt ein Teil des mittels des Wärmetauschers 10 erwärmten in die Gasphase überführten Brennstoffs durch Ansaugen in den Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15, wenn das vierte Ventil 13 offen und das fünfte Ventil 20 geschlossen sind.

Nach Erreichen des unteren Totpunktes des Kolbens 5 des ersten

Kolbenverdichters 1 ist der Zylinder 4 mit Brennstoff gefüllt, wie dies aus Figur 3 hervorgeht. Figur 3 kann man auch entnehmen, dass bei der Bewegung des Kolbens 17 des zweiten Kolbenverdichters 15 in Richtung seines oberen Totpunktes eine Verdichtung des erwärmten und komprimierten in die Gasphase überführten Brennstoffs im Zylinder 16 erreicht wird. Das fünfte Ventil 20 ist dabei noch geschlossen.

Mit weiterer Drehung des Kurbelantriebs 7 bewegt sich der Kolben 5 des ersten Kolbenverdichters 1 in Richtung seines oberen Totpunktes und im Zylinder 4 enthaltener Brennstoff wird entsprechend verdichtet. Ab Erreichen eines vorgebbaren Weges und/oder Innendrucks im Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 wird da zweite Ventil 9 geöffnet und komprimierter Brennstoff strömt aus dem Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 über die zweite Leitung 8 in den Wärmetauscher 10. Mit dem Wärmetauscher 10 wird der nunmehr gasförmige Brennstoff um 125 K weiter erwärmt, so dass er eine Mindesttemperatur von 160 K erreicht hat.

Der auf diese Temperatur erwärmte und auf einen Druck von 1 MPa komprimierte Brennstoff kann bei geöffnetem dritten Ventile 12 zu dem Verbraucher strömen, wie man dies Figur 4 entnehmen kann. Das erste Ventil 3 ist dabei geschlossen.

Mit Figur 5 soll verdeutlicht werden, wie kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes bei der Bewegung des Kolbens 5 des ersten Kolbenverdichters 1 da erste Ventil 3 und das dritte Ventil 12 geschlossen sind. Dafür kann durch das geöffnete fünfte Ventil 20 in die Gasphase überführter Brennstoff aus dem Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters einströmen und dadurch ein Spülen des Zylinders 4 des ersten Kolbenverdichters 1 erreicht werden. Das fünfte Ventil 20 wird geöffnet, wenn der Kolben 5 des ersten Kolbenverdichters 1 das letzte Viertel seiner Bewegung bis zum Erreichen seines oberen Totpunktes erreicht hat. Sowohl der Brennstoff, der aus dem Druckbehälter, wie auch der Brennstoff, der aus dem Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 gelangt ist, wird durch das geöffnete zweite Ventil 9 zum Wärmetauscher 10 gefördert. Mit dem vom Wärmetauscher 10 aus dem Zylinder 16 des zweiten Kolbenverdichters 15 rückgeführten

Brennstoffs kann eine zusätzliche Erwärmung und Verdichtung des aus dem Druckbehälter in den Zylinder 4 des ersten Kolbenverdichters 1 strömenden Brennstoffs und somit eine erhöhte darin gespeicherte Energie erreicht werden.

Bei dem Zustand des Systems, wie es in Figur 6 gezeigt ist, sind zumindest das erste Ventil 3 und das zweite Ventil 9 geschlossen und der Kolben 5 des ersten Kolbenverdichters 1 befindet sich kurz vor seiner oberen Totpunktstellung.