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Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung eines verflüssigten Gases in Druckgas.
Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Ausbildung des Verfahrens nach der deutschen Patentschrift Nr. 634204 zur Erzeugung von Druckgasen beliebig hoher Drücke aus verflüssigten Gasen mit tiefliegendem Siedepunkt, wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff u. dgl.
Bei dem Verfahren nach der vorgenannten Patentschrift wird ebenfalls der Druck der umgefüllten Flüssigkeit durch Vermischen mit dem Gasrest einer früheren Umfüllung gesteigert. Das Verfahren besteht darin, dass das verflüssigte Gas nacheinander in zwei oder mehrere zwischen dem Sammel-oder Transportbehälter und dem Vergaser eingeschaltete Gefässe umgefüllt und das Restgas des zu füllenden nachgeschalteten Gefässes durch die Flüssigkeit des zu entleerenden vorgeschalteten Gefässes hindurchgeleitet und dadurch teilweise verflüssigt wird und dass das Umfüllen des Inhaltes eines Gefässes in das nächstfolgende und des Endgefässes in den Vergaser durch je eine Druckausgleichleitung zwischen den beiden Gefässen und zwischen dem Endgefäss und dem Vergaser unterstützt wird.
Bei dem Verfahren nach dieser Patentschrift ist das Abblasen des vorgeschalteten Umfüllbehälters notwendig, wenn er neu gefüllt werden soll, während beim erfindungsgemässen Verfahren dieses Abblasen durch Entspannen des abgekühlten Restgases in den Vorratsbehälter oder in einen besonderen Behälter vermieden wird. Ausserdem sind die zur Ausführung der bisher bekanntgewordenen Verfahren benötigten Anlagen sperrig. Die Zahl der Arbeitsstufen ist verhältnismässig gross, so dass die Verfahren nur verhältnismässig langsam zur Durchführung gelangen, und es sind schliesslich die bei den Anordnungen benötigten Regelungsvorrichtungen umständlich ausgebildet und zu betätigen.
Alle diese Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt, indem die Restgase des einen Umfüllgefässes zuerst in einem Wärmeaustauscher in mittelbaren Wärmeaustausch mit der aus dem andern Umfüllgefäss zum Vergaser strömenden Flüssigkeit gebracht und dann in den Sammelbehälter hinein entspannt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das vor Beginn eines jeden Kreislaufes des Betriebes und des Entleerens eines bestimmten Gefässes erfolgende Abblasen beendet ist, ehe die endgültige Entleerung der Flüssigkeit aus einem andern derartigen Gefäss erfolgt, wodurch die zur Betätigung eines Systems erforderliche Zeitspanne verringert und die Leistungsfähigkeit der Einrichtung gesteigert wird.
Die Anordnung des Wärmeaustauschers zwischen den Umfüllgefässen hat den Zweck, das Kältepotential der Flüssigkeit in dem System zurückzuhalten, um die sonst durch Abblasen eintretenden Verluste zu vermeiden.
Auf den beifolgenden Zeichnungen sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und es ist Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens im Schnitt, Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Wärmeaustauschers, Fig. 3 die Draufsicht auf ein Ende des Wärmeaustauschers und Fig. 4 der Querschnitt einer abgeänderten Ausführungsform des Wärmeaustauschers.
In Fig. 1 ist mit 10 ein isolierter Aufbewahrungsbehälter für das verflüssigte Gas bezeichnet.
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Die Flüssigkeitsentnahmerohre für die Gefässe sind mit 16, 16'bezeichnet, in die Ventile 16 a, 16 b eingebaut sind. Diese Verbindungsrohre haben einen gemeinsamen Auslaufstutzen 17, welcher
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mit dem Einlass des Flüssigkeitskanals der mit 18 bezeichneten Regeneratoreinrichtung verbunde ! ist. Von dem Auslass des Flüssigkeitskanals führt ein Verbindungsrohr 19 zur Heizschlange der mit 20 bezeichneten Vergasereinrichtung, die in ein Rohr 21 endet, durch das das verdampfte Material mit hohem Druck an die Verbrauchsstelle geleitet wird.
Ein Umlaufrohr zweigt von den Entnahmerohren 16 und 16'ab und ist mit dem Rohr 19 verbunden. Der Umlauf ist normalerweise durch einen Dreiwegehahn 28 c geschlossen, der an der Verbindungsstelle der beiden Rohre eingebaut ist, um die zum Regenerator 18 führende Zweigleitung 19 zu sperren, wenn die Verbindung zwischen den Leitungen 28 und 19 hergestellt ist.
Um ein Abblasen des Gases aus dem Umfüllgefäss durch einen Regenerator zu dem AufL bewahrungsraum gemäss der Erfindung zu ermöglichen, führt eine Leitung 30 zu dem Gaseinlasskanal des Regenerators 18. Dieser Einlass befindet sich in der Nähe des Flüssigkeitsauslasses. Die Verbindungsleitung 30 ist so ausgebildet, dass sie eine wahlweise Verbindung mit den Umfüllgefässen durch eine Sammelleitung 31 ermöglicht, zu welchem Zweck Ventile.'31 a und 31 b vorgesehen sind.
Von dem Auslass des Gaskanals des Regenerators 18 führt ein Verbindungsrohr 32 zu dem Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Aufbewahrungsbehälters 10. Die Entleerung in diesem Raum geschieht bei einer Temperatur und unter einem Druck, die beträchtlich tiefer sind als diejenigen des Umfüllgefässes, das das Gasmaterial liefert, wobei die Druckverminderung durch Drosselung erzielt wird. Eine derartige Drosselvorriehtung ist mit 33 bezeichnet, die eine Bohrung 33'an einer Stelle unterhalb des Punktes besitzt, wo die Regulierung bewirkt wird. Eine Hilfskontrollvorrichtung 34 ist in dem Rohr 32 eingeschaltet. Der Aufbewahrungsbehälter besitzt einen Füllstutzen 35 und eine Sicherheitsvorrichtung 35 x.
Die Arbeitsweise der veranschaulichten Einrichtung ist folgende : Eine vorher bestimmte Menge des flüssigen Gases wird aus dem Behälter 10 abgezogen und durch Öffnen des Ventils 13 a in das entlüftet Umfüllgefäss 14 geleitet. Die Entlüftung wird kurz vor Beginn des Füllens durch Öffnen des Ventils 15 a bewirkt. Das Gefäss 14'ist mit Material in der Gasphase gefüllt, das von der vorhergehenden Füllung zurückgeblieben ist. Die Ventile 15 a und 13 a werden nach Beendigung des Füllens geschlossen, worauf die Entleerung in den Verdampfer erfolgen kann.
Sobald die Entleerung begonnen hat, wird Material in der Gasphase unter hohem Druck aus dem Gefäss 14'durch den Gaskanal des Regenerators 18 geleitet. Dies geschieht durch Öffnen des Ventils 31 b. Das so befreite Gas strömt in den Gasraum des Behälters 10 durch das Reduzierventil 33 hindurch, während Ventil. S normalerweise geöffnet ist. Das Überleiten wird fortgesetzt, bis die in den Gefässen 14'und 10 herrschenden Drücke ausgeglichen sind oder bis es notwendig wird, mit dem Füllen des Gefässes 14'zu beginnen, wobei ein Entlüften durch Öffnen des Ventils 15 b erfolgt, nachdem Ventil 31 b geschlossen worden ist. Mit dem entlüfteten Gefäss 14'wird der Arbeitskreislauf durch Füllen und Entleeren dieses Gefässes wiederholt ; auf diese Weise ist eine verhältnismässig ununterbrochene Arbeitsweise der Anlage möglich.
Während praktisch irgendwelche Gegenstromregeneratoren angewendet werden können, die getrennte Kanäle und die erforderliche Heizfähigkeit besitzen, hat sieh in der Praxis gezeigt, dass Regeneratoren, die den durchgehenden Gasstrom in ein Vielfaches kleiner Ströme teilen, die von der Flüssigkeitsmasse umgeben sind und in der andern Richtung strömen, die Wärmeübertragung beschleunigen.
Eine zweckmässige Anordnung dieser Art ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 1 angedeutet. Eine Anzahl kleiner Röhren 36, durch die das Gas strömt, ist zwischen Hauben 37 angeordnet. Jedes Rohr 36 befindet sich innerhalb eines Rohres 38, wobei die Gruppe der letztgenannten Röhren zwischen Hauben 39 sich befinden, die parallel zu den Hauben 37 angeordnet sind und durch die Flüssigkeit strömt. Eine andere Form eines anzuwendenden Regenerators ist in Fig. 4 veranschaulicht und besteht aus einem äusseren Metallgehäuse 38'für den Flüssigkeitsdurchgang, innerhalb dessen eine Mehrzahl kleiner Röhren 36'eingeschlossen ist, die in Hauben endigen, die sich in den Gehäuseenden befinden. Die Röhren werden zweckmässig in einem gewünschten Abstand durch Drahtumwicklung.'37 37 B auseinandergehalten.
Je grösser die Anzahl der verwendeten Röhren, desto grösser ist die Wärmeübertragung, da dadurch die Wärmeleitfläehe, welche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit liegt, vergrössert wird.
Der Regenerator bewirkt den Austausch eines verhältnismässig grossen Teiles der Wärme des Hochdruckgases, das in dem Umfüllgefäss bei Beendigung einer Flüssigkeitsentleerungsperiode zurückbleibt mit dem Kältepotential der aus dem andern Gefäss entleerten Flüssigkeit, ungeachtet, ob die Temperatur- und Druckverhältnisse für den Wärmeaustausch ein Optimum in dem Gas bleiben und Flüssigkeit während dieses Zeitraumes in den Austauscher strömt, und ungeachtet, ob die beiden immer gleichzeitig strömen.
Dementsprechend ist die Metallmasse, aus der das Röhrensystem für den Gasstrom besteht, ein bedeutender Faktor, da es erwünscht ist, hinreichend Metall in den Röhren zu haben, um von dem Augenblick an, wo Flüssigkeit aufhört, aus einem Gefäss zu strömen und das Strömen aus einem andern beginnt, die von dem Gas absorbierte Wärme aufzuspeichern, oder um Kälte aus der Flüssigkeit von dem Augenblick an aufzuspeichern, wo Gas aus einem Behälter zu
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strömen aufhört, bis es einen andern Behälter zu durchströmen beginnt.
Während es erwünscht ist, dass genug Metall vorhanden ist, um den Regenerator die erwünschte Aufnahmefähigkeit zu geben und Rücksicht auf diese Zwischenräume zu nehmen, ist es ebenso wichtig, dass ein Übermass von Metall vermieden wird, um zu verhindern, dass die Vorrichtung ein unerwünscht hohes Gewicht erreicht.
Unter den Faktoren, durch die die Materialmenge bestimmt wird, die für den Regenerator erforderlich ist, sind die Mengen der erlaubten Abblaseverluste massgebend, ferner die Wärme, die in der Flüssigkeitsmasse unausgeglichen ist, und die Gasmengen, die durchgeleitet werden, ausserdem die Grösse der Temperaturschwankung zwischen Anfangs-und Endbedingungen. Während es erwünscht ist, ein geringes Gewicht zu erzielen und die Masse des Regenerators verhältnismässig gering zu halten, bewirkt jede Verminderung der Menge des verwendeten Metalls eine Steigerung der aus nicht kondensiertem Gasmaterial sich ergebenden Verluste. Folglich wird durch wirtschaftliches Arbeiten die
Grenze der in Verbindung mit dem Regenerator verwendeten Metallmenge herabgesetzt.
In Veibindung mit dem Nichtausgleich der Wärme zwischen der Gasmasse und der durchströmenden Flüssigkeit gibt es keine schnelle Regulierung, um ein Optimum von Wärmeübertragungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Unter diesen Umständen muss das Übermass von Wärme, die das Abblasgas liefert, oder das Übermass an Kältewirkung, das aus der durchströmenden Flüssigkeit herausgenommen wird, ausgeglichen werden. Das Metall des Regenerators muss deshalb genügend Wärmekapazität haben, um dieses Übermass aufzunehmen, und es wirkt gewissermassen als ein thermisches Schwungrad, das ein Übermass an Wärme während eines Teiles des Kreislaufes aufnimmt und es während eines andern Teiles wieder abgibt. Die Menge der unausgeglichenen Wärmeübertragung bestimmt deshalb in grossem Masse die obere Grenze der für den Regenerator benötigten Masse.
Bezüglich der Grösse der Temperaturschwankung muss unter den besten Gegenstromverhältnissen die entleerte Flüssigkeit aus dem Regenerator bei stetig abnehmenden Temperaturen ausströmen, so dass bei Beendigung des Kreislaufes die Temperatur so niedrig wie die der eintretenden Flüssigkeit ist. Wenn die Masse des Regenerators ausreicht, bleibt die Aussentemperatur der entleerten Flüssigkeit nahezu konstant. Dies hat eine grössere Ausnutzung der für die Kältewirkung verfügbaren niederen Temperaturen zur Folge.
Während der Durchmesser der Röhren zweckmässig klein gehalten wird, ist er jedoch nicht so gering, dass der sich ergebende Reibungswiderstand die Wirkung einer schnellen Wärmeübertragung oder den Vorteil aufhebt, der durch den grösseren Wärmeaustauschkoeffizienten erzielt wurde, der sich aus der hier angewendeten Anordnung der Röhren ergibt. Da die Länge den Druckabfall bestimmt, so bestimmt sie praktisch die untere Grenze des Durchmessers der Röhre, die nutzbar angewendet werden kann. Ein Ausgleich dieser Faktoren innerhalb der Grenzen einer vernunftmässigen Wirtschaftlichkeit ist eine Sache, die der Gewandtheit des Konstrukteurs vorbehalten bleiben muss.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umwandlung eines verflüssigten Gases in Druckgas, bei dem das verflüssigte Gas aus einem Sammelbehälter über zwei parallelgeschaltete, abwechselnd gefüllte und entleerte Umfüllgefässe in einen Vergaser fällt, wobei das Restgas des einen Umfüllgefässes durch die Kälte der unter niedrigerem Druck stehenden Flüssigkeit des andern Umfüllgefässes abgekühlt wird und bei dem das Umfüllen durch Einleiten von Druckgas unterstützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgase des einen Umfüllgefässes zuerst in einem Wärmeaustauscher in mittelbaren Wärmeaustausch mit der aus dem andern Umfüllgefäss zum Vergaser strömenden Flüssigkeit gebracht und dann in den Sammelbehälter hinein entspannt werden.