Spôsob na rekuperáciu energie pri stláčaní plynu kompresorom

0001 Tento vynález sa týka spôsobu na rekuperáciu energie.0002 Presnejšie sa vynález týka spôsobu rekuperácie energie keď je plyn stláčaný kompresorom s dvoma alebo viacerými tlakovými stupňami, s každým stupňom vytvoreným kompresorovým prvkom, a v každom prípade je po prúde od aspoň dvoch vyššie uvedených kompresorových prvkov výmenník tepla s primárnou a sekundárnou časťou, presnejšie primárnou časťou, cez ktorú je vedený stlačený plyn z tlakovej časti proti prúdu od výmenníka tepla, a sekundárnou časťou, cez ktorú je vedené chladivo na rekuperáciu časti kompresného tepla zo stlačeného plynu. Takýto spôsob je odvoditeľný napr. z dokumentu EP 1 591 644 A 1.0003 Je známe, že teplota plynu na vstupe tlakového stupňa má dôležitý vplyv na spotrebu energie kompresora.0004 Je teda žiadúce aby bol plyn medzi nasledujúcimi stupňami chladený.0005 Tradične je plyn medzi dvoma nasledujúcimi stupňami chladený vedením plynu cez primárnu časť výmenníka tepla, pričom cez sekundárnu časť prúdi chladivo, všeobecne voda.0006 Celkový tok privádzaného chladiva je tým rozdelený a rozvádzaný medzi niekolko použitých výmennikov tepla. lnými slovami, chladivo je vedené súbežne cez sekundárne časti výmennikov tepla.0007 V nasledujúcom sa predpokladá, že chladivo vstupuje do rôznych výmennikov tepla s rovnakou teplotou.0008 Pri prechode cez výmenníky tepla sa chladivo zohrieva. Pri výstupe z výmennikov tepla, je zohriate chladivo opäť zozbierané. Pri podmienkach bežnej konštrukcie, je toto zohrievanie dosť limitované za účelom účinného chladenia pri obmedzenej chladiacej ploche.0009 Avšak, ak má byť uložené teplo užitočne využité, je pre toto chladivo žiadúce aby bolo zohrievanie väčšie, čo predpokladá to, že prietok chladiva musí byť priškrtený.0010 Nevýhodou tohto priškrtenia je to, že rýchlosť chladiva pretekajúceho cez výmenníky tepla je značne znížená, takže môže v rôznych výmenníkoch tepla dôjsť k vápenateniu.0011 Ďalšou nevýhodou je to, že obmedzená rýchlosť chladiva v rôznych výmenníkoch tepla ide proti optimálnemu prenosu tepla vo vyššie uvedených výmenníkoch tepla.0012 Cielom tohto vynálezu je poskytnúť riešenie jednej alebo viacerých uvedených nevýhod a/alebo iných nevýhod poskytnutím spôsobu rekuperácie energie pri stláčaní plynu kompresorom s dvoma alebo viacerými tlakovými stupňami, s každým stupňom tvoreným kompresorovým prvkom, pričom v každom prípade je po prúde od aspoň dvoch vyššie uvedených kompresorových prvkov výmenník tepla s primárnou časťou a sekundárnou časťou, presnejšie primárnou časťou, cez ktorú je vedený stlačený plyn z tlakovej časti proti prúdu od príslušného výmenníka tepla a sekundárnou časťou, cez ktorú je vedené chladivo na rekuperáciu časti kompresného tepla zo stlačeného plynu, pričom chladivo je postupne po sebe vedené cez sekundárnu časť aspoň dvoch výmennikov tepla, pričom postupnosť,ktorou je chladivo vedené cez výmenníky tepla je zvolená tak, že teplota na vstupe primárnej časti aspoň jedného nasledujúceho výmenníka tepla je vyššia alebo rovná teplote na vstupe primárnej časti predchádzajúceho výmenníka tepla, v zmysle smeru prúdenia chladiva, a pričom aspoň jeden výmenník tepla je opatrený terciárnou časťou pre chladivo.0013 Výhodou je to, že rýchlosť dodávaného chladiva môže byť lepšie udržovaná poslaním chladiva cez výmenníky tepla sériovo a nie, ako je známe, rozdelením medzi rôzne výmenníky tepla.0014 Výhoda s týmto spojená je tá, že v dôsledku vyššej rýchlosti chladiva v rôznych výmenníkoch tepla je podstatne znížené riziko vápenatenia.0015 Ďalšia výhoda je tá, že vyššia prietoková rýchlosť chladiva vo výmenníkoch tepla umožňuje lepší prenos tepla medzi stlačeným plynom na jednej strane a chladivom na druhej.0016 Poslaním chladiva cez rôzne výmenníky tepla podľa vyššie uvedenej postupnosti, má chladivo po prechode výmenníkmi tepla vyššiu teplotu v porovnaní s jestvujúcimi spôsobmi na rekuperáciu energie.0017 Týmto spôsobom môže byt získané viac energie v porovnaní s jestvujúcimi spôsobmi rekuperácie energie.0018 Podľa ďalšieho výhodného znaku vynálezu, je chladivo postupne vedené cez všetky výmenníky tepla kompresora.0019 Pretože chladivo je poslané cez všetky výmenníky tepla, môže byť získané maximum energie.0020 Ďalší výhodný znak vynálezu je ten, že rýchlosť jedného alebo viacerých kompresorových prvkov je regulovaná podľa predpisaného kritéria.0021 Prevádzkové parametre sú s výhodou nastavené tak, že každý kompresorový prvok kompresora dosahuje najväčšiu možnú účinnosť. Toto nie je ľahké, nakoľko sú rôzne kompresorové prvky zapojené v sérii. Avšak, ak jeden kompresorový prvok pracuje v podmienkach, ktoré nie sú optimálne alebo naviac negatívne na účinnosť vyššie uvedeného kompresorového prvku, potom toto má vplyv na všetky nasledujúce kompresorové prvky kompresora.0022 Je dôležité aby po sebe nasledujúce kompresorové prvky boli vzájomne zladené tak aby kompresor ako celok mohol dosiahnuť maximálnu účinnosť.0023 Pre kompresor s ovládateľnými relatívnymi rýchlosťami tlakových stupňov(napríklad priamo poháňaný viacstupňový kompresor), môže byť toto vzájomné zladenie kompresorových prvkov uskutočnené v spôsobe podľa vynálezu,reagovaním na postupnosť v ktorej je chladivo vedené cez rozdielne výmenníky tepla a rozdiel relatívnej rýchlosti rýchlostí otáčania po sebe nasledujúcich kompresorových prvkov.0024 Rýchlosť otáčania jedného alebo viacerých kompresorových prvkov je teda ovládaná podľa zadaného kritéria. Presnejšie, rýchlosť otáčania jedného alebo viacerých kompresorových prvkov je s výhodou upravená tak, že rozdielne kompresorové prvky sú vzájomne zladené optimálnym spôsobom tak, že kompresor ako celok dosahuje najvyššiu možnú účinnosť.0025 Podľa konkrétneho aspektu vynálezu, sú rýchlosti otáčania tlakových stupňov ovládané tak, že zmena pracovnej oblasti tlakového stupňa ako výsledok vyššie uvedenej rekuperácie energie je aspoň čiastočne neutralizovaná.0026 Toto môže byť uskutočnené napríklad ovládaním relatívnych rýchlostí tak, že tlakové stupne, ktoré sú najviac negatívne ovplyvnené dopadom vyššie uvedenej rekuperácie energie, preberajú menšiu časť celkovej záťaže, zatiaľ čo tlakové stupne, ktoré sú menej negatívne ovplyvnené vyššie uvedeným dopadom, preberajú väčší podiel celkovej záťaže.0027 Pre turbokompresor je účinnost determinovaná okrem iného výskytom javu pulzácie alebo pumpovania, takže sa môže vyskytnúť obrátenie toku plynu cez kompresorový prvok, ked kompresorový prvok prechádza do stavov mimo jeho pracovnej oblasti teploty, tlaku a rýchlosti. Podobne, pre každý kompresorový prvokskrutkového typu. jestvuje určitá pracovná oblasť teploty, tlaku a rýchlosti, mimo ktorej nemôže byt kompresorový prvok použitý.0028 Vynález teda ponúka možnost použit kompresorový prvok v rámci jeho optimálnej pracovnej oblasti reagovaním na postupnosť chladenia, v spojitosti s ovládaním rýchlosti.0029 Týmto spôsobom môže kompresor pracovat bližšie k limitom jeho pracovnej oblasti bez ohľadu na dôležitú bezpečnú oblasť v blízkosti tohto limitu.0030 Výhodne, v spôsobe podľa vynálezu, sú relativne rýchlosti tlakových stupňov zmenené v závislosti na zmenách teplôt na ich príslušných vstupoch.0031 Tiež sú výhodne použité rúrkové výmenníky tepla s rúrkami, ktoré sú umiestnené v skrini so vstupom a výstupom pre prvé médium, ktoré prúdi cez rúrky a vstupom a výstupom pre druhé médium, ktoré prúdi okolo rúrok, a pričom v tomto pripade, avšak nie nevyhnutne, chladivo prúdi cez rúrky a plyn pozdĺž rúrok.0032 Vedenim plynu pozdĺž rúrok výmenníka tepla, je pokles tlaku plynu pri prechode cez výmenník tepla Iimitovaný. Toto má samozrejme priaznivý vplyv na účinnost kompresora.0033 Za účelom lepšieho ukázania vlastnosti vynálezu, je ďalej pomocou prikladu opísaný výhodný spôsob podľa vynálezu, bez obmedzujúceho charakteru, s odkazom na sprievodné výkresy, kdeobrázok 1 schematicky znázorňuje zariadenie na uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu na rekuperáciu energie.obrázok 2 znázorňuje variant zariadenia na uskutočnenie spôsobu podľa vynálezu. obrázok 3 znázorňuje variant podľa obrázka 2.0034 Obrázok 1 znázorňuje kompresor 1 na stláčanie plynu, napríklad vzduchu, s dvoma tlakovými stupňami v tomto pripade zapojenými do série. Každý tlakový stupeň je tvorený kompresorovým prvkom turbínového typu, resp. nizkotlakovým kompresorovým prvkom 2 a vysokotlakovým kompresorovým prvkom 3.0035 V tomto konkrétnom príklade, teplota výstupu prvého nizkotlakového kompresorového prvku 2 je vyššia ako teplota výstupu druhého vysokotlakového kompresorového prvku 3. i 0036 V tomto pripade je po prúde od každého kompresorového prvku 2 a 3 výmenník tepla, presnejšie prvý výmenník 4 tepla alebo medzichladič po prúde od nizkotlakového kompresorového prvku 2, a druhý výmenník 5 tepla alebo medzichladič po prúde od vysokotlakového kompresorového prvku 3.0037 Nizkotlakový kompresorový prvok 2 je pripojený na prvý hriadeľ 6, ktorý je poháňaný prvým motorom 7 s ovládačom 8 motora.0038 Vysokotlakový kompresorový prvok 3 je pripojený na druhý hriadeľ 9, ktorý je poháňaný druhým motorom 10, tiež opatreným ovládačom 11 motora. Nie je potrebné uvádzať, že vynález nie je Iimitovaný na použitie dvoch ovládačov 8 a 11 motora, ale motory 7 a 10 tiež môžu byť ovládané prostredníctvom jedného ovládača motora alebo viac ako dvoch ovládačov motorov.0039 Každý výmenník 4 a 5 tepla obsahuje primárnu časť, cez ktorú je vedený plyn z tlakového stupňa proti prúdu od výmenníka tepla, a sekundárnu časť, cez ktorú je vedené chladivo. V tomto pripade je medzichladič 4 tiež opatrený terciárnou časťou. Toto umožňuje to, aby bolo chladivo poslané cez medzichladič až dvakrát. Takáto terciárna časť môže byt tiež vytvorená v inom výmenniku tepla v zariadeni na vykonávanie spôsobu podľa vynálezu.0040 Potrubie 12 dodáva chladivo a vedie chladivo v určitej postupnosti cez rôzne výmenníky 4 a 5 tepla. V tomto prípade chladivo tvorí voda, ale môže byť nahradené iným chladivom ako je kvapalina alebo plyn, bez vybočenia z rozsahu vynálezu. 0041 Podľa význaku neznázorneného na výkresoch, môžu byt po prúde od jedného alebo viacerých výmenníkov 4 a/alebo 5 tepla umiestnené odlučovače vody,ktoré umožňujú oddelenie kondenzátu, ktorý sa môže vyskytnúť na primárnej strane výmenníkov tepla.0042 Spôsob podľa vynáiezu je veľmi jednoduchý a nasledovný.0043 Plyn, v tomto prípade vzduch, je nasávaný cez vstup nízkotlakového kompresorového prvku 2, aby bol potom stlačený v kompresorovom pNku 2 na určitý tlak.0044 Pred odoslaním vzduchu , do druhého tlakového stupňa po prúde od nízkotlakového stupňa, je vzduch vedený cez primárnu časť prvého výmenníka 4 tepla vo forme medzichladiča, pričom je vyššie uvedený vzduch ochladený. Napokon je dôležité ochladiť vzduch medzi po sebe nasledujúcimi stupňami, keďže toto podporuje účinnosť kompresora 1.0045 Po tom ako vzduch prešiel cez vyššie uvedený prvý výmenník 4 tepla, je vzduch potom vedený cez vysokotlakový kompresorový prvok 3 a dochladzovač 5. 0046 Po tom ako vzduch opustil kompresor 1, je stlačený vzduch použitý v aplikácii nachádzajúce sa po prúde, napríklad na poháňanie zariadenia alebo podobne, alebo môže byť v prvom rade privedený do zariadenia na následnú úpravu ako je filtračné a/alebo sušiace zariadenie.0047 Chladivo, napríklad voda, je vedené postupne cez sekundárnu časť medzichladiča 4 a dochladzovača 5 aby nakoniec prešlo cez terciárnu časť medzichladiča 4. Voda chladí stlačený vzduch medzi po sebe nasledujúcimi stupňami.0048 V doterajšom stave techniky je voda používaná na chladenie stlačeného vzduchu medzi po sebe nasledujúcimi stupňami. Rekuperácia energie, vo forme horúcej vody je minimálna, keďže voda je nedostatočne zohriata pri tom ako prúdi cez výmenníky tepla.0049 Spôsob podľa vynáiezu sa vyznačuje tým, že chladivo je použité nielen na chladenie stlačeného plynu, ale tiež je ohriate do takej miery, že vyššie uvedené teplo môže byť užitočne rozvedené. V tomto konkrétnom prípade, je voda s výhodou ohriata na asi 90 °C.0050 Ohriatie chladiva na dostatočnú mieru je uskutočnené podľa vynáiezu vedením chladiva postupne cez výmenníky 4 a 5 tepla v sérii. Naviac, postupnosť s ktorou chladivo prúdi cez rôzne výmenníky 4 a 5 tepla je s výhodou určená tak, že chladivo, po tom ako prešlo cez rôzne výmenníky 4 a 5 tepla, má najvyššiu možnú teplotu.0051 Ako je znázornené na obrázku 1, v tomto prípade voda v prvom rade prúdi cez medzichladič 4 a potom cez dochladzovač 5 a opäť cez medzichladič 4.0052 V tomto prípade je teplota stlačeného plynu na vstupe do medzichladiča 4 podstatne vyššia ako je teplota vzduchu na vstupe dochladzovača 5, a preto v poslednom rade je voda vedená cez medzichladič 4.0053 Inými slovami postupnosť, ktorou je chladivo vedené cez výmenníky tepla je s výhodou zvolená tak, že teplota na vstupe primárnej časti aspoň jedného nasledujúceho výmenníka tepla je vyššia alebo rovná teplote na vstupe primárnej časti predchádzajúceho výmenníka tepla, v zmysle smeru prúdu chladiva.0054 Podľa veľmi výhodného znaku vynáiezu, vyššie uvedený nasledujúci výmenník tepla je tvorený posledným výmenníkom tepla, cez ktorý chladivo prúdi.