DE19616811A1 - Hochdruckgasversorgung - Google Patents
HochdruckgasversorgungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckgas an einem
Verbrauchsort, wobei das Gas verflüssigt mit niedrigem Druck einem Vorratsbehälter
entnommen wird, und weiterhin eine Gasversorgungsanlage für die Bereitstellung von
Hochdruckgas.
Für mehrere industrielle Verfahren wird Gas unter hohem Druck benötigt. Beispiels
weise dient beim Laserschneiden ein entlang des Laserstrahls unter hohem Druck
zugeführtes Inertgas wie Stickstoff zum Ausblasen der Schmelze beim Schneiden
eines Metalls. Beim Gasinnendruckverfahren wird in eine Hohlform Kunststoff
schmelze eingebracht, die anschließend mit einem Gas unter hohem Druck an die
Innenwand des Formteils gepreßt wird, wo sie sich abkühlt. Bei derartigen Verfahren
werden Gase mit Drücken zwischen 30 und 500 bar benötigt, die im gasförmigen oder
im überkritischen Zustandsbereich vorliegen.
Bisher erfolgte die Gasversorgung bei derartigen Verfahren mit Gas aus Flaschenbün
deln oder Druckgasbehältern, in denen das Gas unter hohem Druck vorliegt. Eine an
dere Methode besteht darin, das Gas verflüssigt unter hohem Druck zum Verbrauchs
ort zu fördern, wo es mittels eines Verdampfers verdampft wird. Zur Förderung des
Gases wird ein Teil des verflüssigten Gases aus einem Vorratsbehälter entzogen,
durch einen separaten Verdampfer geführt und anschließend in den Kopfraum des
Vorratsbehälters eingeleitet, um dort den Druck solange zu erhöhen, bis der gewün
schte Druck erreicht ist, mit dem das Gas zum Verbrauchsort gefördert werden soll.
Ein Nachteil dieser Methode ist, daß die Vorratsbehälter mit einem Fassungsver
mögen von beispielsweise 6000 Litern und mehr wiederholt mit verflüssigtem Gas
befüllt werden müssen, wobei diese Betankung gegen einen hohen Druck im Vorrats
behälter erfolgt, was erhebliche Kosten verursacht. Zum anderen findet nach einiger
Zeit der Beaufschlagung des Kopfraumes des Vorratsbehälters mit verdampftem Gas
ein thermischer Ausgleich des verdampften Gases mit dem verflüssigten Gas statt,
wodurch eine klare Phasentrennung verschwindet, die zur effektiven Förderung des
verflüssigten Gases unter Hochdruck notwendig ist. Bei Stickstoff kann beispielsweise
nach einiger Zeit der kritische Punkt (-147°C; 33,9 bar) überschritten werden, so daß
der Stickstoff im überkritischen Zustand im Vorratsbehälter vorliegt, wodurch die
Effektivität der Hochdruckförderung stark beeinträchtigt wird.
Diese Nachteile treten beispielsweise auch bei einem Verfahren gemäß der
EP-0 416 630 auf, in der eine Druckerhöhung in einem Vorratsbehälter, beispiels
weise für verflüssigten Stickstoff, zum einen dadurch vorgesehen ist, daß ein Ver
dampfer in einer Rückführleitung vom Boden zum Kopf des Vorratsbehälters angeord
net ist, zum anderen mittels einer Pumpe verflüssigtes Gas aus dem Vorratsbehälter
abgezogen, durch einen weiteren Verdampfer geführt und das entstehende Hoch
druckgas in Flaschenbündeln gespeichert wird, von denen aus es wieder dem Kopf
raum des Vorratsbehälters für verflüssigtes Gas zur Druckbeaufschlagung zugeführt
werden kann. Neben dem obengenannten Nachteil ist bei einem derartigen Verfahren
eine aufwendige Befüllung von Flaschenbündeln vonnöten, die weitere Zu- und
Ableitungen mit Ventilen, einer Pumpe und einem Verdampfer erforderlich machen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es folglich, ein Verfahren und eine Anlage zur Be
reitstellung von Hochdruckgas an einem Verbrauchsort zu entwickeln, wobei das Gas
verflüssigt mit einem niedrigen Druck einem Vorratsbehälter entnommen wird, bei de
nen die Förderung des Gases mit größerer Effektivität erfolgt und der apparative und
energetische Aufwand gesenkt werden. Zusätzlich sollte das Hochdruckgas am
Verbrauchsort möglichst mit einem vom Verbraucher festgelegten Druck zur Verfü
gung gestellt werden können und einen intermittierenden Gasverbrauch (zeitweise
Benutzung einer Verbraucheranlage) zulassen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß verflüssigtes Gas aus dem
Vorratsbehälter in einen Vorlagebehälter eingeleitet wird, dessen Größe derart
gewählt wird, daß die Zeitspanne zur Entleerung desselbigen kleiner ist als die zum
Erreichen des thermischen Gleichgewichts in dem Vorlagebehälter, und daß der Kopf
raum des Vorlagebehälters mit verdampftem Gas, das außerhalb des Vorlagebe
hälters in einem Verdampfer gewonnen wird, beaufschlagt wird, bis das verflüssigte
Gas mit dem benötigten Hochdruck zum Verbrauchsort gefördert werden kann, und
daß jeweils nach Entleerung des Vorlagebehälters dieser erneut mit verflüssigtem
Gas befüllt wird.
Der erfindungsgemäße Einsatz eines im Vergleich zum Vorratsbehälter für verflüs
sigtes Gas wesentlich kleiner dimensionierten Vorlagebehälters ermöglicht im Be
darfsfall eine über eine vom Verbraucher benötigte Zeitspanne kontinuierliche
Versorgung mit Hochdruckgas, wenn dieser Vorlagebehälter in kurzen Zeitabständen
mit verflüssigtem Gas gefüllt und mit verdampftem Hochdruckgas entleert wird. Da die
Zeitspanne zur Entleerung des Vorlagebehälters so gering ist, daß während der
Entleerung das thermische Gleichgewicht nicht erreicht werden kann, ist eine klar
definierte Phasengrenze zwischen verflüssigtem Gas und aufgepreßtem
Hochdruckgas immer vorhanden, wodurch der Wirkungsgrad der Hochdruck
gasförderung beträchtlich erhöht ist. Die Zeitspanne zur Entleerung des
Vorlagebehälters ohne Erreichen eines thermischen Gleichgewichts im Vorlagebe
hälter kann wirksam durch eine Isolierung des Vorlagebehälters gegen Wärmetausch
mit der Umgebung verlängert werden. Externe Speicherbehälter für Hochdruckgas
sind beim erfindungsgemäßen Verfahren überflüssig. Nachdem der Vorlagebehälter
entleert ist, erfolgt sogleich eine Wiederbefüllung, während am Verbrauchsort bei
spielsweise noch anstehendes verflüssigtes Gas verdampft wird. Die Wiederbefüllung
kann in kurzer Zeit erfolgen, z. B. durch Ausnutzung des hydrostatischen Drucks im
Vorratsbehälter für das verflüssigte Gas gegenüber dem Vorlagebehälter.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch zu erzielen, daß
das verflüssigte Gas geregelt verdampft wird und der Druck auf den benötigten
Verbrauchsdruck am Verbrauchsort exakt eingestellt wird.
Die Größe des Vorlagebehälters wird bei gegebenem Volumenstrom des Hochdruck
gases am Verbrauchsort derart gewählt, daß der Inhalt des Vorlagebehälters in einer
Zeitspanne von 1 bis 60 Sekunden, vorzugsweise von 5 bis 45 Sekunden, insbeson
dere 10 bis 30 Sekunden, entleert wird. Bei derartigen Zeitspannen ist sichergestellt,
daß dem System keine Zeit zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts verbleibt.
Geeignete Inhalte des Vorlagebehälters liegen zwischen 1 und 10 Litern, vorzugs
weise zwischen 1 und 5 Litern, insbesondere zwischen 1 und 2 Litern. Mit Vorteil
werden die Größe von Vorlagebehälter und Vorratsbehälter so gewählt, daß das
Verhältnis des Volumens des Vorlagebehälters zum Volumen des Vorratsbehälter
zwischen 1 : 500 und 1 : 50 000, vorzugsweise zwischen 1 : 1000 und 1 : 30 000,
besonders bevorzugt zwischen 1 : 3 000 und 1 : 25 000 liegt. Beim erfindungsgemäßen
Verfahren erfolgt bei Verwendung eines einzigen Vorlagebehälters taktweise eine
kontinuierliche Befüllung und Entleerung dieses Vorlagebehälters.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der Kopfraum des Vorlagebe
hälters mit verdampftem Gas beaufschlagt, das einem Verdampfer am Verbrauchsort
entnommen wird. Wie eingangs erwähnt, wird das verflüssigte Gas unter hohem
Druck zum Verbrauchsort gefördert, wo es meist mittels eines Verdampfers in gas
förmigen Zustand bei einer gewünschten Temperatur übergeführt wird. Es kann
nunmehr ein Teil dieses verdampften Hochdruckgases am Verbrauchsort abgezweigt
und dem Kopfraum des Vorlagebehälters zugeführt werden, um das dort befindliche
verflüssigte Gas zum Verbrauchsort zu fördern. Hierzu muß eine geringe Drucker
höhung des abgezweigten Gases stattfinden.
Mit dem nach jedem Entleerungstakt im Vorlagebehälter vorhandenen Hochdruckgas
kann wie folgt verfahren werden: Der Inhalt kann über ein Entlüftungsventil an die
Umgebung abgegeben werden oder über einen Druckminderer in Niederdruckgas
gewandelt werden, insbesondere wenn ein Niederdruckgasnetz am Verbrauchsort
vorhanden ist, oder Niederdruckgas zu anderen Zwecken benötigt wird. Weiterhin
kann der Inhalt an verdampftem Gas durch Wärmetausch mit dem zum Verbrauchsort
geleiteten verflüssigten Gas abgekühlt und anschließend entspannt werden, wodurch
er sich zum Teil verflüssigt, anschließend kann dieses wiederverflüssigte Gas in den
Kreislauf mit verflüssigtem Gas rückgeleitet werden. Bei letztgenannten Alternative
kühlt sich das verdampfte Hochdruckgas mit dem verflüssigten Gas stark ab, so daß
es bei der anschließenden Entspannung zum großen Teil verflüssigt wird. Dieses ver
flüssigte Gas wird erneut verwendet.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung werden zwei oder mehr parallel geschal
tete Vorlagebehälter verwendet, die zyklisch mit verflüssigtem Gas aus dem Vorrats
behälter befüllt und mittels verdampftem Gas unter Hochdruck entleert werden. Hier
durch wird die Kontinuität der Hochdruckgasversorgung verbessert und Druck
schwankungen verringert.
Sind größere Gasmengen zu fördern, können auch zwei oder mehr parallel geschal
tete Vorlagebehälter gleichzeitig mit verflüssigtem Gas aus dem Vorratsbehälter be
füllt und mittels verdampftem Gas unter Hochdruck entleert werden.
Eine entsprechende Gasversorgungsanlage zur Bereitstellung von Hochdruckgas an
einem Verbrauchsort, bei der ein Vorratsbehälter vorgesehen ist, der den Gasever
brauch über einen größeren Zeitraum deckt und verflüssigtes Gas unter niedrigem
Druck enthält, weist mindestens einen Vorlagebehälter mit erheblich kleinerem Volu
men auf, wobei jeder dieser Vorlagebehälter mit dem Vorratsbehälter über eine
Leitung verbunden ist, weiterhin ist am Kopf eines jeden Vorlagebehälters eine
Zuleitung für verdampftes Gas unter Hochdruck angebracht und am Boden eines
jeden Vorlagebehälters eine Ableitung für verflüssigtes Gas unter Hochdruck zum
Verbrauchsort vorgesehen.
Das erheblich kleinere Volumen des Vorlagebehälters gegenüber dem des Vorratsbe
hälters sichert die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für das erfin
dungsgemäße Verfahren können Vorratsbehälter mit einem Fassungsvermögen von
beispielsweise 6000 Litern oder weniger, aber auch Tanks mit einem Fassungsvermö
gen von 30 000 Litern verwendet werden, je nach Gaseverbrauch am Verbrauchsort.
Im Vergleich hierzu sind die Vorlagebehälter mit einem Inhalt von 1 bis etwa 10 Liter
um mehrere Größenordnungen kleiner dimensioniert.
Zur Erzeugung von Hochdruckgas, das den verflüssigten Gasinhalt aus einem Vorla
gebehälter fördert, ist in einer ersten Ausgestaltungsmöglichkeit vom Boden des
Vorlagebehälters eine Zuleitung zu einem Verdampfer geführt, von dem eine Leitung
zum Kopf des Vorlagebehälters abgeht.
In einer günstigen zweiten Ausführungsform ist in der Ableitung für verflüssigtes Gas
unter Hochdruck zum Verbrauchsort ein Verdampfer angeordnet, dessen Ausgang mit
einer Leitung verbunden ist, die zum Kopf eines oder mehrerer Vorlagebehälter führt,
wobei in dieser Leitung ein Druckerhöhungsmittel vorgesehen ist. In diesem Fall wird
der erwähnte Verdampfer der ersten Ausführungsform eingespart und statt dessen der
bereits vorhandene Verdampfer am Verbrauchsort verwendet, der das verflüssigte
Hochdruckgas verdampft. Durch geringfügige Druckerhöhung mit einem Kompressor,
einer Pumpe oder einem Gebläse, insbesondere mittels eines Pendelkolbenkompres
sors (Delta-bar), läßt sich das Hochdruckgas vom Verbrauchsort abzweigen und in
den Kopfraum des Vorlagebehälters zurückführen.
Zur Entsorgung oder zur Wiederverwertung des Hochdruckgasinhalts in einem jeden
Vorlagebehälter nach dessen Entleerung sind am Kopf eines jeden Vorlagebehälters
eine Ableitung für dieses Hochdruckgas vorgesehen, die entweder über ein Entlüf
tungsventil und einen Schalldämpfer in die Umgebung führt, oder über einen Druck
minderer mit einer Niedriggasdruckleitung in Verbindung steht, oder in einen Gasrück
kühler führt, in dem die Ableitung in einer Entspannungsdüse mündet. Im letzteren
Fall kann der Gasrückkühler mit verflüssigtem Gas aus der Zuleitung zum Ver
brauchsort versorgt werden, wobei dieses verflüssigte Gas dem in den Gasrückkühler
geführten Hochdruckgas Wärme entzieht, so daß dieses beim Erreichen der Entspan
nungsdüse so weit abgekühlt ist, daß es sich durch die anschließende Entspannung
wiederverflüssigt. Zur Wiederverwendung dieses verflüssigten Gases weist der
Gasrückkühler eine Ableitung für verflüssigtes Gas auf, die mit der Zuleitung für ver
flüssigtes Gas in einen oder mehrere Vorlagebehälter verbunden ist.
Im folgenden soll in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden
Figuren die erfindungsgemäße Hochdruckgasversorgung detailliert erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Gasversorgungsanlage in einer
Ausführungsform, bei der das zur Förderung des verflüssigten Gases
verwendete verdampfte Hochdruckgas verworfen wird.
Fig. 2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Gasversorgungsanlage, bei der verdampftes Hochdruckgas in ein
Niederdrucknetz eingespeist wird.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der verdampftes Hochdruckgas
wieder verflüssigt und in den Kreislauf rückgeführt wird.
Fig. 4 zeigt schließlich eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasversor
gungsanlage, bei der zwei parallel geschaltete Vorlagebehälter abwechselnd
zur Förderung verflüssigten Hochdruckgases eingesetzt werden.
Eine Gasversorgungsanlage gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem Vor
ratsbehälter 16, in diesem Fall ein Tank für verflüssigten Stickstoff, der über ein Ventil
und eine Rückschlagklappe mit einem gegen ungewollten Wärmetausch mit der
Umgebung isolierten Vorlagebehälter 1 über Leitung 17 verbunden ist. Verflüssigtes
Gas kann aufgrund des im Vorratsbehälter 16 herrschenden Drucks über die
Zuleitung 17 zum Boden des Vorlagebehälters 1 fließen. Gleichzeitig wird bei der
Befüllung des Vorlagebehälters 1 mit verflüssigtem Gas auch der Verdampfer 4 zum
Teil mit verflüssigtem Gas gefüllt. Der Entleerungs- und Befüllungsvorgang wird
mittels einer Einrichtung überwacht, die aus einem Ausgleichsventil 11, einem
Drosselventil 12, einem Flüssig-Druckventil 10 und einem Differenzdrucktransmitter 13
besteht. Diese Einrichtung übermittelt Signale an die Steuereinheit 19, die das in
Leitung 20 vorhandene Druckventil 6 ansteuert, um den Druck des zum Verbrauchsort
geförderten Hochdruckgases einzustellen, und die in der Zuleitung zum Verbrauchsort
das vorhandene Schnellschlußventil 9 ansteuert, um die Gaszuleitung zum Ver
brauchsort im Bedarfs- oder aber Störfall zu unterbrechen.
Nach Befüllung des Vorlagebehälters 1 erfolgt die Inbetriebnahme des Verdampfers
4, der in diesem Fall gasförmigen Stickstoff erzeugt, welcher über das Druckventil 6
durch Leitung 20 in den Kopfraum des Vorlagebehälters 1 strömt. Ist der notwendige
Druck, der am Verbrauchsort gewünscht wird, erreicht, beginnt die Förderung des im
Vorlagebehälter 1 vorhandenen verflüssigten Gases durch Leitung 17 in die Zuleitung
18 zum Verbrauchsort. Der Verdampfer 22 vor dem Verbrauchsort verwandelt das
verflüssigte Hochdruckgas in gasförmiges. Ein Hochdruckspeicher 2, der an die
Leitung 18 angeschlossen ist, sorgt in Kombination mit einem Druckaufbauverdampfer
3, der sowohl mit dem Hochdruckspeicher 2 als auch über ein Überströmventil 14 mit
dem Verdampfer 4 über Leitung 20 in Verbindung steht, für den Ausgleich von
Druckschwankungen in der Zufuhrleitung 18 zum Verbrauchsort.
Sobald der Vorlagebehälter 1 entleert ist, erfolgt bei geschlossenem Druckventil 6 und
geöffnetem Entlüftungsventil 7 die Wiederbefüllung des Vorlagebehälters 1 mit
verflüssigtem Gas aus dem Vorratsbehälter 16. Hierbei wird das im Vorlagebehälter 1
vorhandene verdampfte Hochdruckgas über das Entlüftungsventil 7 und den Schall
dämpfer 5 an die Umgebung abgegeben. Der gesamte Vorgang der Entleerung und
Befüllung nimmt etwa 20 bis 30 Sekunden in Anspruch. Während der Wiederbefüllung
des Vorlagebehälters 1 erfolgt keine Unterbrechung der Hochdruckgasversorgung am
Verbrauchsort, da noch genügend Hochdruckgas in der Zuleitung 18 ansteht.
Während des etwa 20 Sekunden dauernden Entleerungsvorganges des etwa 2 Liter
aufnehmenden Vorlagebehälters ist erfindungsgemäß kein thermischer Ausgleich
zwischen verflüssigtem Gas und in den Kopfraum zugegebenem Hochdruckgas
möglich. Dies bewirkt eine effektive, schnelle Förderung, die kontinuierlich erfolgt,
wobei je nach Größe des Vorratsbehälters 16 das jeweilige Verfahren am Verbrauchs
ort über geraume Zeiten vorgenommen werden kann. Beispielsweise kann der Vor
ratsbehälter 16 ein Stickstofftank mit einem Fassungsvermögen von 30 000 Litern
sein.
Die bisherigen Nachteile bei der Versorgung mit Hochdruckgas durch den Einsatz
großer, etwa 6000 Liter fassender Vorratsbehälter, wie sie in der Beschreibungseinlei
tung aufgezeigt sind, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschaltet.
Eine kontinuierliche Hochdruckgasversorgung am Verbrauchsort über geraume Zeit
spannen ist möglich, wobei die Versorgung problemlos unterbrochen werden kann,
wenn beispielsweise eine Laseranlage als Verbraucher intermittierend arbeitet oder
für eine bestimmte Zeit nicht in Betrieb ist. Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht
eine geregelte Verdampfung des verflüssigten Gases und ein exaktes Einstellen des
Druckes auf den gewünschten Verbrauchsdruck am Verbrauchsort.
Fig. 2 zeigt eine mit Fig. 1 vergleichbare Ausführungsform einer erfindungsge
mäßen Gasversorgungsanlage, ebenfalls mit einem Vorratsbehälter 16 für verflüs
sigtes Gas unter relativ niedrigem Druck, einem Vorlagebehälter 1, dessen Volumen
um mehrere Dimensionen unter dem des Vorratsbehälters 16 liegt, eine die Befüllung
und Entleerung überwachende Einheit, bestehend aus den Komponenten mit den
Bezugsziffern 10 bis 13, eine weitere Einheit zur Vergleichmäßigung von Druck
schwankungen, bestehend aus dem Hochdruckspeicher 2, dem Druckaufbauver
dampfer 3 und der Drucksteuerung 8, schließlich eine Steuereinheit 19 sowie der
Druckaufbauverdampfer 4 und ein weiterer Verdampfer 22 für verflüssigtes Hoch
druckgas am Verbrauchsort. Im Unterschied zu Fig. 1 ist hier die Einspeisung von
zur Entleerung des Vorlagebehälters 1 verwendeten verdampften Hochdruckgas in
ein Stickstoff-Niederdrucknetz vorgesehen über einen Druckminderer 15 (Nieder
druck-Magnetventil), der in der Ableitung 21 vom Kopfraum des Vorlagebehälters 1
angeordnet ist und von der Steuereinheit 19 jeweils nach einer Entleerungsphase des
Vorlagebehälters 1 geöffnet wird.
Im übrigen ist der Vorgang der Gaseversorgung mit Hochdruckgas am Verbrauchsort
der gleiche, wie bereits in Fig. 1 geschildert.
Auch die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Gasversorgungsanlage ent
spricht im wesentlichen der in den vorigen Figuren besprochenen, jedoch wird das zur
Förderung verwendete Hochdruckgas wieder verflüssigt und dem Kreislauf wieder
zugeführt. Hierzu führt die Ableitung 21 vom Kopfraum des Vorlagebehälters 1 über
das Entlüftungsventil 7 in den Gasrückkühler 24, welcher seinerseits in die Versor
gungsleitung 18 für verflüssigtes Hochdruckgas zum Verbrauchsort integriert ist. Bei
geöffnetem Entlüftungsventil 7 strömt Hochdruckgas aus dem entleerten Vorlage
behälter 1 über die Leitung 21 in den Gasrückkühler 24, in dem ein Wärmeaustausch
mit verflüssigtem Hochdruckgas stattfindet, wodurch es zur starken Abkühlung des
Hochdruckgases kommt. Bei einer Temperatur des gasförmigen Hochdruckgases von
beispielsweise etwa 280 K und einer Temperatur des verflüssigten Hochdruckgases
von etwa 110 K kühlt sich das verdampfte Hochdruckgas auf etwa 120 K ab, wird in
der Entspannungsdüse 25 entspannt, wodurch es sich verflüssigt, und kann im
weiteren Verlauf über eine Rückschlagklappe in der Ableitung 26 vom Gasrückkühler
in die Zuleitung 17 zum Vorlagebehälter 1 wieder zurückgeführt werden. Auch eine
Rückleitung des Gasanteils in den Vorratsbehälter 16 über die Leitung 23 ist möglich.
Die in Fig. 3 dargestellte Gasversorgungsanlage arbeitet als geschlossenes System
ohne jegliche Verluste.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit für eine erfindungsgemäße Gasversorgungs
anlage ist in Fig. 4 dargestellt. Gleiche Vorrichtungsbestandteile sind auch hier mit
gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im Unterschied zu den Gasversorgungsanlagen
der vorhergehenden Figuren sind hier zwei gegen ungewollten Wärmetausch mit der
Umgebung isolierte Vorlagebehälter 1 und 1′ integriert, die zyklisch befüllt und entleert
werden. Ausgehend von einem Vorratstank 16 für verflüssigten Stickstoff erfolgt die
Befüllung eines der beiden Vorlagebehälter 1 bzw. 1′ über Leitung 17 in den Boden
des Vorlagebehälters. Beide Vorlagebehälter 1 und 1′ enthalten jeweils eine am
Kopfraum angebrachte Niveausonde, die den Befüllungsvorgang abschließt. Die
Befüllung eines der beiden Vorlagebehälter 1 und 1′ erfolgt durch geeignete
Einstellung der Umleitanordnung 30 mit den vier dargestellten Rückschlagklappen.
Nach Befüllung eines Vorlagebehälters wird von dem in Betrieb befindlichen
Verdampfer 22 am Verbrauchsort vorhandenes Gas unter Hochdruck abgezweigt und
über die Leitung 27 zurück in den Kopfraum des jeweiligen Vorlagebehälters geleitet.
Hierbei erfolgt eine Druckerhöhung durch das Gebläse 28, für das insbesondere ein
Pendelkolbenkompressor eingesetzt werden kann. Die Zuleitung des rückgeführten
verdampften Hochdruckgases in den jeweiligen Vorlagebehälter 1 oder 1′ erfolgt über
den Umschaltblock 29 über die beiden dargestellten Dreiwegeventile. Eine
Initialbefüllung des Verdampfers 22 kann bei geöffnetem Bypassventil 31 und
geschlossener Umleitanordnung 30 erfolgen, um das System starten zu können. Das
Gebläse 28 sorgt für eine Druckerhöhung von 0,5 bis 2 bar, die erforderlich ist, um
das Hochdruckgas zurück in den Kopfraum des jeweiligen Vorlagebehälters 1 oder 1′
zurückzuleiten. Über die Umleitanordnung 30 mit ihren Rückschlagklappen gelangt
auf diese Weise verflüssigtes Gas unter hohem Druck in die Leitung 18, die zum
Verdampfer 22 am Verbrauchsort führt.
Beide Vorlagebehälter 1 und 1′ sind erfindungsgemäß in ihrem Volumen um mehrere
Dimensionen kleiner als das Volumen des Vorratsbehälters 16, der üblicherweise eine
beim Verbraucher installierte Tankanlage für flüssiges Gas darstellt mit einem Fas
sungsvermögen von mehreren tausend Litern. In diesem Ausführungsbeispiel werden
für die Vorlagebehälter 1 und 1′ jeweils ein Fassungsvolumen von 1,8 Litern verwen
det. Die Zeit zur Entleerung eines jeden Vorlagebehälters 1 und 1′ beträgt etwa 20
Sekunden, wodurch erfindungsgemäß sichergestellt ist, daß die zum Erreichen des
thermischen Gleichgewichts des Systems notwendige Zeitspanne unterschritten
bleibt. Hierdurch ist während des gesamten Entleerungsvorgangs eine klare Phasen
grenze zwischen verflüssigtem Gas und aufgedrücktem Hochdruckgas gesichert, die
für eine schnelle Entleerung des jeweiligen Vorlagebehälters unter hohem Druck
sorgt. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird, während der zweite Vorlage
behälter 1 bzw. 1′ mit verflüssigtem Gas über Leitung 17 aus dem Vorratsbehälter 16
gefüllt wird, aus dem anderen Vorlagebehälter 1′ bzw. 1 das gasförmige Hochdruck
gas über den Umschaltblock 29, das Entlüftungsventil 7 und den Schalldämpfer 5 in
die Umgebung entlassen. Selbstverständlich können auch die anderen in Fig. 2 und
3 besprochenen Ausgestaltungen herangezogen werden, um das Hochdruckgas
weiter zu nutzen.
Im übrigen sei darauf hingewiesen, daß sämtliche Größenverhältnisse in den Fig.
1 bis 4 nicht maßstabsgetreu sind, es sich also vielmehr um rein schematische
Skizzen zur Illustration der Erfindung handelt.
Bei der in Fig. 4 gewählten Ausführungsform erspart die Leitung 27 mit dem Gebläse
28 den Einsatz eines eigenen Verdampfers für den jeweiligen Vorlagebehälter. Insbe
sondere für die Versorgung mit überkritischem Stickstoff, mit hohen Drücken etwa bei
Raumtemperatur, läßt sich eine erfindungsgemäße Gasversorgungsanlage mit Vorteil
einsetzen. Das System ist enorm kostensparend und läßt sich je nach Größe des Vor
ratsbehälters 16 über sehr lange Zeiträume hinweg kontinuierlich einsetzen. Insbe
sondere lassen sich unwirtschaftliche Hochdruckgaseinheiten am Verbrauchsort
einsparen.
Es können bei den in Fig. 1 bis 4 dargestellten Anlagen neben dem Vorlage
behälter 1 bzw. den Vorlagebehältern 1 und 1′ auch die übrigen Behälter und
Leitungen mit einer Wärmeisolierung ausgestattet werden. Dies wirkt sich
insbesondere vorteilhaft aus, wenn der Verbraucher abgeschaltet ist und kein
Hochdruckgas benötigt wird.
Bezugszeichenliste
1 Vorlagebehälter
1′ Vorlagebehälter
2 Hochdruckspeicher
3 Druckaufbauverdampfer
4 Verdampfer
5 Schalldämpfer
6 Druckventil
7 Entlüftungsventil
8 Drucksteuerung
9 Schnellschlußventil
10 Flüssig-Druckventil
11 Ausgleichsventil
12 Drosselventil
13 Differenzdrucktransmitter
14 Überströmventil
15 Druckminderer
16 Vorratsbehälter/-tank
17 Leitung
18 Leitung
19 Steuereinheit
20 Leitung
21 Ableitung
22 Verdampfer
23 Leitung
24 Gasrückkühler
25 Entspannungsdüse
26 Leitung
27 Leitung
28 Gebläse
29 Umschaltblock
30 Umleitanordnung
31 Bypassventil
1′ Vorlagebehälter
2 Hochdruckspeicher
3 Druckaufbauverdampfer
4 Verdampfer
5 Schalldämpfer
6 Druckventil
7 Entlüftungsventil
8 Drucksteuerung
9 Schnellschlußventil
10 Flüssig-Druckventil
11 Ausgleichsventil
12 Drosselventil
13 Differenzdrucktransmitter
14 Überströmventil
15 Druckminderer
16 Vorratsbehälter/-tank
17 Leitung
18 Leitung
19 Steuereinheit
20 Leitung
21 Ableitung
22 Verdampfer
23 Leitung
24 Gasrückkühler
25 Entspannungsdüse
26 Leitung
27 Leitung
28 Gebläse
29 Umschaltblock
30 Umleitanordnung
31 Bypassventil
Claims (26)
1. Verfahren zur Bereitstellung von Hochdruckgas an einem Verbrauchsort, wobei
das Gas verflüssigt mit niedrigem Druck einem Vorratsbehälter (16) entnommen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß verflüssigtes Gas aus dem Vorratsbehälter
in einen Vorlagebehälter (1; 1′) eingeleitet wird, dessen Größe derart gewählt
wird, daß die Zeitspanne zur Entleerung desselbigen kleiner ist als die zum
Erreichen des thermischen Gleichgewichts in dem Vorlagebehälter (1; 1′)
notwendige, und daß der Kopfraum des Vorlagebehälters (1; 1′) mit verdampftem
Gas, das außerhalb des Vorlagebehälters (1; 1′) in einem Verdampfer (4; 22)
gewonnen wird, beaufschlagt wird, bis das verflüssigte Gas mit dem benötigten
Hochdruck zum Verbrauchsort gefördert werden kann, und daß jeweils nach
Entleerung des Vorlagebehälters (1; 1′) dieser erneut mit verflüssigtem Gas
befüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte Gas
geregelt verdampft wird und der Druck auf den benötigten Verbrauchsdruck am
Verbrauchsort exakt eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein gegen Wärmetausch mit der Umgebung isolierter Vorlagebehälter (1, 1′)
verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Größe des Vorlagebehälters (1; 1′) bei gegebenem Volumenstrom des
Hochdruckgases am Verbrauchsort derart gewählt wird, daß der Inhalt des
Vorlagebehälters (1; 1′) in einer Zeitspanne von 1 bis 60 Sekunden, vorzugsweise
von 5 bis 45 Sekunden, insbesondere 10 bis 30 Sekunden, entleert wird.
5. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Inhalt des Vorlagebehälters (1; 1′) je nach vorgegebenem Volumenstrom des
Hochdruckgases am Verbrauchsort zwischen 1 und 10 Liter, vorzugsweise
zwischen 1 und 5 Liter, insbesondere zwischen 1 und 2 Liter, gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Vorlagebehälter (1; 1′) und ein Vorratsbehälter (16) eingesetzt werden, wobei das
Verhältnis des Volumens des Vorlagebehälters (1; 1′) zum Volumen des
Vorratsbehälter (16) zwischen 1 : 500 und 1 : 50 000, vorzugsweise zwischen
1 : 1000 und 1 : 30 000, besonders bevorzugt zwischen 1 : 3 000 und 1 : 25 000 liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kopfraum des Vorlagebehälters (1; 1′) mit verdampftem Gas beaufschlagt wird,
das von einem Verdampfer (22) am Verbrauchsort entnommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des ver
dampften Gases bei der Zuleitung zum Kopfraum des Vorlagebehälters (1; 1′) er
höht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Entleerung des Vorlagebehälters (1; 1′) dessen Inhalt an verdampftem
Hochdruckgas über ein Entlüftungsventil (7) an die Umgebung abgegeben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Entleerung des Vorlagebehälters (1; 1′) dessen Inhalt an verdampftem
Hochdruckgas über einen Druckminderer (15) in Niederdruckgas gewandelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Entleerung des Vorlagebehälters (1; 1′) dessen Inhalt an verdampftem
Hochdruckgas durch Wärmetausch mit dem zum Verbrauchsort geleiteten
verflüssigten Gas abgekühlt wird und anschließend entspannt wird, wodurch er
sich zum Teil verflüssigt, und daß dieses wiederverflüssigte Gas in den Kreislauf
mit verflüssigtem Gas rückgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei oder mehr parallel geschaltete Vorlagebehälter (1, 1′) verwendet werden, die
zyklisch mit verflüssigtem Gas aus dem Vorratsbehälter (16) befüllt und mittels
verdampftem Gas unter Hochdruck entleert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei oder mehr parallel geschaltete Vorlagebehälter (1; 1′) verwendet werden, die
gleichzeitig mit verflüssigtem Gas aus dem Vorlagebehälter (16) gefüllt und
mittels verdampftem Gas unter Hochdruck entleert werden.
14. Gasversorgungsanlage zur Bereitstellung von Hochdruckgas an einem Ver
brauchsort, wobei ein Vorratsbehälter vorgesehen ist, der den Gaseverbrauch
über einen größeren Zeitraum deckt und verflüssigtes Gas unter niedrigem Druck
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Vorlagebehälter (1, 1′)
mit erheblich kleinerem Volumen als der Vorratsbehälter (16) mit diesem über
eine Leitung (17) verbunden ist, daß am Kopf eines jeden Vorlagebehälters (1,1′)
eine Zuleitung (20) für verdampftes Gas von einem Verdampfer (4; 22) unter
Hochdruck angebracht ist, und daß am Boden eines jeden Vorlagebehälters (1,
1′) eine Ableitung (17, 18) für verflüssigtes Gas unter Hochdruck zum
Verbrauchsort angebracht ist.
15. Gasversorgungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der
Vorlagebehälters (1; 1′) gegen Wärmetausch mit der Umgebung isoliert ist.
16. Gasversorgungsanlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Inhalt des Vorlagebehälters (1; 1′) je nach vorgegebenem Volumenstrom
des Hochdruckgases am Verbrauchsort zwischen 1 und 10 Liter, vorzugsweise
zwischen 1 und 5 Liter, insbesondere zwischen 1 und 2 Liter, beträgt.
17. Gasversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des Vorlagebehälters (1; 1′)
zur Größe des Vorratsbehälter (16) zwischen 500 und 50 000, vorzugsweise
zwischen 1000 und 30 000, besonders bevorzugt zwischen 3 000 und 25 000
beträgt.
18. Gasversorgungsanlage einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß vom Boden des Vorlagebehälters (1; 1′) eine Zuleitung (17)
zu einem Verdampfer (4) geführt ist, von dem eine Leitung (20) zum Kopf des
Vorlagebehälters abgeht.
19. Gasversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel (10, 11, 12, 13) zur Überwachung des Entleerungs-
und Befüllungsvorganges vorgesehen sind, die in Wirkverbindung mit einer
Steuereinheit (19) zur Übermittlung von Signalen und Mitteln (6) zur Druck
steuerung (6) stehen, um den Druck des zum Verbrauchsort geförderten
Hochdruckgases einzustellen.
20. Gasversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel (9) zur Unterbrechung der Gasleitung zum Ver
brauchsort vorhanden sind, die gegebenenfalls über die Steuereinheit (19)
steuerbar sind.
21. Gasversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß vom Kopf des Vorlagebehälters (1; 1′) eine Ableitung (21)
für Hochdruckgas vorgesehen ist, die über ein Entlüftungsventil (7) und einen
Schalldämpfer (5) in die Umgebung führt.
22. Gasversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß vom Kopf des Vorlagebehälters (1; 1′) eine Ableitung (21)
für Hochdruckgas vorgesehen ist, die über einen Druckminderer (15) mit einer
Niedriggasdruckleitung in Verbindung steht.
23. Gasversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß vom Kopf des Vorlagebehälters (1; 1′) eine Ableitung (21)
für Hochdruckgas vorgesehen ist, die in einen Gasrückkühler (24) führt, in dem
diese Ableitung (21) in eine Entspannungsdüse (25) mündet.
24. Gasversorgungsanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gasrückkühler (24) eine Ableitung (21) für verflüssigtes Gas aufweist, die mit der
Zuleitung (26) für verflüssigtes Gas in den Vorlagebehälter (1; 1′) verbunden ist.
25. Gasversorgungsanlage nach den Ansprüchen 14 bis 24, dadurch gekennzeich
net, daß in der Ableitung (18) für verflüssigtes Gas unter Hochdruck zum Ver
brauchsort ein Verdampfer (22) angeordnet ist, dessen Ausgang mit einer Leitung
(27) verbunden ist, die zum Kopf eines oder mehrerer Vorlagebehälter (1, 1′)
führt, wobei in dieser Leitung (27) ein Druckerhöhungsmittel (28) vorgesehen ist.
26. Gasversorgungsanlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das
Druckerhöhungsmittel (28) ein Pendelkolbenkompressor (28) ist.
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