AT525931B1 - Vorrichtung zur Speicherung von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten in Kartuschen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Speicherung von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten bestehend aus einem Füllkörper (1) aus Stahl abgeschlossen mit einem Klöpperboden (2) aus Stahl und einen Klöpperboden mit Ventileinsatz (3), ummantelt mit einer Carbonfaserwicklung (9), wobei der Carbonfasermantel am Boden des Füllkörpers mit einer Kunststoffkappe (4) und am Kopf mit einer Kunststoffkappe (5) geschützt ist, einem Ventilkörpereinsatz (6) mit dem gefederten Ventil (7), einer Schutzkappe (8) und einem Gegenventilkörperblock (10), mit einem beweglichen Riegel (13), der einen Ventilstößel (15) bewegt, einer keramischen porösen Membran (14) und zwei gefederten Anschlüssen (11,12). Mit der Bewegung des beweglichen Riegels kann nun das Fluid in dem Füllkörper (1) über den Gegenventilblock (10) über die gefederten Anschlüsse (11, 12) verteilt werden.

Description

Beschreibung

VORRICHTUNG ZUR SPEICHERUNG VON GASEN, DÄMPFEN UND FLÜSSIGKEITEN IN KARTUSCHEN

[0001] Eine Vorrichtung zur Speicherung von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten bestehend aus einem Füllkörper 1 aus Stahl abgeschlossen mit einem Klöpperboden 2 aus Stahl und einen Klöpperboden mit Ventileinsatz 3, ummantelt mit einer Carbonfaserwicklung 9, wobei der Carbonfasermantel am Boden des Füllkörpers mit einer Kunststoffkappe 4 und am Kopf mit einer Kunststoffkappe 5 geschützt ist, einem Ventilkörpereinsatz 6 mit dem gefederten Ventil 7, einer Schutzkappe 8 und einem Gegenventilkörperblock 10, mit einem beweglichen Riegel 13, der einen Ventilstößel 15 bewegt, einer keramischen porösen Membran 14 und zwei gefederten Anschlüssen 11,12. Mit der Bewegung des beweglichen Riegels kann nun das Fluid in dem Füllkörper 1 über den Gegenventilblock 10 über die gefederten Anschlüsse 11,12 verteilt werden.

[0002] Bewegliche Füllkörper als Versandbehälter sind bei Gasen und Dämpfen bekannt und im Einsatz. In der Regel bestehen die Behälter aus Stahl mit einem Ventileinsatz und werden als zylindrische Behälter stehend eingesetzt. Typische Anwendung ist Flüssiggas in Behälter von 11kg bis 133 kg.

[0003] Andere Behälter umfassen Gase mit einem Druck von 200 bar, stehend mit Ventilkörper für Gase, Schweißgase, Gas zu Prüfzwecken oder zur Inertisierung, wie z.B. Stickstoff, Kohlendioxid, Acetylen.

[0004] Der Nachteil dieser Versandbehälter ist, dass diese aus Stahl sind, in der Regel sehr schwer handzuhaben und schwer zu manipulieren. Für Tanksysteme sind diese Behälter nicht geeignet.

[0005] Die Aufgabe, die nun gestellt wird, besteht darin, einen Füllkörper zu haben, der für Wasserstoff und einem Druck von 700 bar geeignet ist, einen Füllkörper zu haben, der auch für Methan geeignet ist, und einen Füllkörper zu haben der auch für Ammoniak und Methanol als Fluid in flüssiger Phase geeignet ist, der in einen Gegenventil einschraubbar ist, wobei im Rahmen des Einschraubens kein Gas, Dampf oder Flüssigkeitsstrom stattfinden darf, dieser ist erst nach Betätigung eines Riegels möglich, wobei der Riegel gesichert werden muss, bei den Anwendungen für gas oder Dämpfe ist eine poröse Membran als Filter zu verwenden.

[0006] Die in dem Patent EP 2163325 A1 dargestellte Vorrichtung besteht aus Deckel aus Edelstahl, tiefgezogen und einem Blech zu einem Zylinder gerollt und mit einer Längsnaht verschweißt. Die Deckel sind an den Zylinder angeschweißt. Der Nachteil dieser Erfindung ist die Verwendung Edelstahl, da Edelstahl ein sehr geringes Bruchzähigkeitsverhalten aufweist. Ein weiterer Nachteil ist das Kaltumformen der Deckteile, wonach hohe Restspannungen und Eigenspannungen im Deckel enthalten sind, und ein weiterer Nachtteil ist die Längsnaht, die eine Bruchstelle darstellt und für Druckbehälter im Höchstdruckbereich ungeeignet ist.

[0007] Die in dem Patent DE 10 2011 105 426 A1 dargestellte Vorrichtung besteht aus Edelstahl und einer Glasfaserverstärkten Umwicklung zur Aufnahme von kryogenen Flüssigkeiten. Damit hat man sehr tiefe Temperaturen und geringe Drücke. Der Edelstahl hat in dieser Erfindung antikorrosive Eigenschaften. Die Ummantelung dient dazu die bei sehr tiefen Temperaturen geringe Kaltbruchzähigkeit zu verbessern. Die hier vorgelegte Erfindung eines Behälters wird immer für Temperaturen größer als 0°C eingesetzt und bei sehr hohen Drücken bis zu 700 bar.

[0008] Die in dem Patent US 4 884 708 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Edelstahlbehälter, der für Drück bis maximal 200 bar eingesetzt wird. Der Nachteil ist das geringe Kaltzähigkeitsverhalten des Edelstahls und bei sehr hohen Drücken ergibt es sehr hohe Wandstärken. Daher werden solche Behälter in der Regel bis maximal 200 bar Behälterdruck eingesetzt. Ein weiterer Nachteil ist das extreme Gewicht des Behälters.

[0009] Die in dem Patent WO 02 053966 A1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Druckbehälter mit integrierter Druckeregelvorrichtung. Der Nachteil dieser Erfindung ist die integrierte

im Druckbehälter eingebaute Gasdruckregelvorrichtung. Der erhebliche Nachteil dieser Erfindung ist Prüfung der eingebauten mechanischen Regler. Die hier vorgelegte Erfindung verwendet Bauteile, die ausgebaut werden können und die einer wiederkehrenden Prüfung unterzogen werden können.

[0010] Die Erfindung umfasst einen Füllkörper 1 aus Stahl, der in der Regel deshalb aus Stahl ist, um für Gase wie Wasserstoff, Methan und für Flüssigkeiten wie Ammoniak und Methanol dicht zu sein. Es ist bekannt, dass Kunststoffe bei sehr hohen Drücken wie 400 bar oder 700 bar bei Gasen und Dämpfen nur bedingt dicht sind. Die Ursache liegt in dem Geflecht von Polymerfasern.

[0011] Um das Gewicht des Füllkörpers gering zu halten, wird die Wandstärke des Stahlbehälters geringgehalten. In der Regel hat der Füllkörper eine Wandstärke aus 1mm bis 10 mm.

[0012] Der Werkstoff für den Füllkörper aus Stahl ist ein Werkstoff, der sehr hohe Festigkeit und eine sehr hohe Kaltzähigkeit verfügt. Die Eigenschaft der Kaltzähigkeit ist notwendig, da die Verwendung von mobilen Füllkörper immer eine Beladung und Entladung mit einem Fluid mit sich bringt. Dieses Laden und Entladen wird als Lastwechsel verstanden, um die Lebensdauer der Behälter hoch zu halten ist Kaltzähigkeit von besonderer Bedeutung.

[0013] Als Werkstoffe für den Stahl kommen in Frage Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt L290NB, L2360NB, L425NB für zylindrische Körper, und für Ventilblöcke Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N.

[0014] Carbonfasern 9 werden verwendet, um den Stahlkörper zu festigen. Die Fasern werden aufgewickelt und mit Harz verklebt und bilden so eine feste Ummantelung, sodass der Druck im Stahlbehälter erheblich gesteigert werden kann. So eine Sandwichkonstruktion ermöglicht es Wasserstoff mit einem Druck von 700 bar zu speichern, oder Methan mit einem Druck von 400 bar. Beide Gase sind bei den geforderten hohen Drücken von 400 bar bis 700 bar gasförmig.

WASSERSTOFF Temperature Pressure Density Enthalpy Entropy (°C) (bar) (kg/m®) (kJ/kg) (kJ/kg-K) 25,00 10,00 0,81 3935,70 43,93 25,00 100,00 7,67 3978,30 34,35 25,00 500,00 30,81 4233,90 27,54 25,00 700,00 39,22 4381,80 26,12 Tabelle 1: Thermodynamische Eigenschaften von Wasserstoff METHAN Temperature Pressure Density Enthalpy Entropy (°C) (bar) (kg/m?) (kJ/kg) (kJ/kg-K) 25 1 0,64828 909,97 6,6813 25 10 6,5848 901,12 5,4663 25 100 75,992 809,53 4,0416 25 400 248,18 680,58 2,9864

Tabelle 2: Thermodynamische Eigenschaften von Methan

[0015] Die Erfindung umfasst auch einen Ventilhalter 6, der in den Ventilsitz 3 des Füllkörpers eingesetzt wird. Der Ventilhalter besitzt zudem ein Außengewinde, über das der Füllkörper mit dem Gegenventilblock 10 kraftschlüssig verbunden wird.

[0016] In dem Ventilhalter 6 befindet sich Ventileinsatz 7, der aus einem gefederten Stößel besteht, über den das Gas oder der Dampf in den Gegenventilblock 10 eintreten kann.

[0017] Eine wichtige Eigenschaft dieser Erfindung ist der Umstand, dass man den Füllkörper in den Gegenventilblock einschrauben kann, bis ein Kraftschluss vorhanden ist. Trotzdem bleiben durch die gefederten Ventileinsätze die beiden Öffnungen geschlossen, sodass weder Gas noch Dampf strömen kann.

[0018] Die Schutzkappe 8 dient erfindungsgemäß dazu, das Außengewinde des Ventilhalters 6 vor Beschädigungen zu schützen.

[0019] Die Erfindung umfasst auch einen Gegenventilblock 10, der die Aufgabe hat, dass der Füllkörper verschraubt werden kann, sodass ein mechanischer Kraftschluss gegeben ist. Zudem wird über den Gegenventilblock 10, der Gas- und Dampfstrom über die gefederten Drosselventile 11,12 verteilt.

[0020] Um einen Gasfluss, bzw. einen Dampffluss zu ermöglichen muss der Sicherungsbügel 13 in Richtung des Füllkörpers 1 bewegt werden. Der Sicherungsbügel ist drehbar gelagert und übt Druck auf den gefederten Ventilstößel 15 aus. Der Ventilstößel 15 wird axial bewegt drückt so den Ventilstößel 7 nach innen, sodass Gas oder Dampf strömen kann.

[0021] Um mögliche mechanische Partikel abhalten zu können, wird ein keramischer Filter in Form einer porösen zylindrischen Membran 14 verwendet. Diese Membran dient dazu, die Ventilsitze vor Schäden von mechanischen Partikeln zu schützen.

[0022] Verwendet man Flüssigkeiten wie Ammoniak oder Methanol, dann wird im Füllkörper ein zusätzliches Drosselventil 17 verwendet, das mit Stickstoff druckmäßig beaufschlagt wird. Damit kann der Druck im Füllkörper konstant gehalten werden. Damit kann eine vollständige Entleerung ermöglicht werden.

[0023] Die Anwendung dieser Erfindung findet bei Tanksystemen von Maschinen und Anlagen statt, wie z. B. Gabelstappler, die mit Wasserstoff oder Methan oder Ammoniak betrieben werden, anstelle des Flüssiggases. Eine andere Anwendung ist die Verwendung als mobile modulare Tanksystem für Cargo (Last)-drohnen, oder für Fahrzeuge, die anstelle mit elektrischer Energie mit Hilfe von Wasserstoff oder Methan oder Ammoniak betrieben werden. Eine besondere Eigenschaft dieser mobilen Füllbehälter ist der Umstand, dass damit eine neue einfache Form des Tankens von Maschinen erfolgen kann, die man über Versand erwerben kann. Damit ergibt sich eine Alternative zur klassischen Tankstelle wie wir das heute kennen.

ABBILDUNGEN [0024] Abbildung 1

In der Abbildung 1 wird zylindrischer Füllkörper aus Stahl 1 dargestellt mit einem Klöpperboden 2 aus Stahl und einem Klöpperboden mit Ventilhalter 3 aus Stahl, einem Ventileinsatz 6, mit dem gefederten Ventilstößel 7, einer Schutzkappe 8, wie einem Carbonfasermantel 9, sowie einer Schutzkappe auf Kunststoff 4 am Boden des Füllkörpers und einer Schutzkappe aus Kunststoff 5 am Kopf des Füllkörpers.

[0025] Abbildung 2

In der Abbildung 2 wird ein Gegenventilblock 10 dargestellt, der einen beweglichen Sicherungsbügel 13 besitzt, einen Stößelhalter 16, einen gefederten beweglichen Stößel 14, eine keramische Membran 15 sowie die Drosselventile 11,12. Der Füllkörper wird in den Gegenventilblock eingeschraubt und erst mit Betätigung des drehbar gelagerten Sicherungsbügel wird der Stößel 14 bewegt und damit der gefederte Ventilstößel 7 nach innen gedrückt und so der Gas- und Dampffluss vom Füllkörper 1 möglich gemacht.

[0026] Abbildung 3

In der Abbildung 3 wird ein Drosselventilanschluss 17 dargestellt, der eine Beaufschlagung mit Stickstoff möglich macht. Dieser Drosselventilanschluss 17 wird bei Flüssigkeiten wie Ammoniak und Methanol benötigt, um einen Druck innerhalb des Füllkörpers 1 aufrecht zu erhalten.

ZEICHEN UND SYMBOLE

1 zylindrischer Füllkörper aus Stahl 2 Klöpperboden aus Stahl

3 Klöpperboden mit Ventileinsatz aus Stahl 4 Kunststoffmanschette für den Füllkörper - Boden 5 Kunststoffmanschette für den Füllkörper - Kopf

6 Ventilträger

7 Ventileinsatz

8 Schutzkappe mit Gewinde 9 Carbonfaserhülle

10 Gegenventilblock

11 Drosselventil gefedert 12 Drosselventil gefedert 13 Verriegelungsbügel

14 Ventilstößel

15 keramische Membran 16 Ventilstößelhalter

17 Drosselventil (Stickstoff)

Claims (1)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Speicherung von Gas, Dämpfe wie Wasserstoff oder Methan in einem Füllkörper (1), umfassend folgende Komponenten

- Füllkörper (1) bestehend aus einem Klöpperboden (2) verschweißt mit einem zylinderischen Rohr wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 102161/2 bevorzugt L290NB, L2360NB, L425NB Verwendung findet, und verschweißt mit einem Klöpperboden (3) mit einem Ventilhalter (6), wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N Verwendung findet, das Volumen des Füllkörpers minimal 1L, maximal 200 L hat, der Druck im Füllkörper minimal 1bar, maximal 1000 bar hat, die Temperatur minimal 1°C, maximal 85°C hat, wobei der Füllkörper aus Stahl (1) von einer Umwicklung aus Carbonfasern (9) unterstützt ist, wobei der Durchmesser einen Wert minimal 50 mm, maximal 500 mm hat, wobei die Länge des zylindrischen Körpers einen Wert minimal 200 mm, maximal 2500 mm hat, wobei die Dicke der Carbonfaserumwicklung einen Wert minimal 5 mm, maximal 50 mm hat,

- Ventilhalter (6) zur Aufnahme eines Ventileinsatzes (7) mit Hilfe eines Gewindes dient, wobei das Innengewinde ein NPT Gewinde ist und minimal 1 Zoll, maximal 2 Zoll hat, wobei der Ventilhalter in den Klöpperboden (3) eingeschweißt ist und eine Rundung mit einem Radius minimal 10 mm, maximal 50 mm hat, wobei der Ventilhalter (6) ein Außengewinde als NPT Gewinde hat, das minimal 2 Zoll, maximal 3 Zoll hat,

- Ventileinsatz (7) aus einem gefederten Stößel, der den Füllkörper gasdicht abschließt, wobei die Feder einen Druck von minimal 1bar maximal 10 bar erzeugt, der Ventileinsatz (7) mit einem NPT Gewinde in den Ventilkörper (6) eingeschraubt ist und ein Gewinde minimal 1 Zoll, maximal 2 Zoll hat, wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N Verwendung findet,

- Umwicklung des Füllkörper (9), wobei die Dicke der Umwicklung dem Druck im Füllkörper angepasst ist, wobei die Carbonfasern mit Epoxyharz verklebt sind, wobei die Umhüllung für eine Temperatur minimal 1°C, maximal 85°C ausgelegt ist,

- Kartuschenboden (4) aus Kunststoff, wobei als Kunststoff Polyamid 66 Verwendung findet, wobei der Kartuschenboden (2) auf den Füllkörper (9) mit Epoxyharz verklebt ist, wobei in dem Kartuschenboden ein Handgriff enthalten ist, mit dem die Kartusche in einen Ventilblock eingeschraubt ist,

- Kartuschenkopf (5) aus Kunststoff, wobei als Kunststoff Polyamid 66 Verwendung findet, wobei der Kartuschenkopf (3) auf den Füllkörper (9) mit Epoxyharz verklebt ist, wobei in dem Kartuschenkopf ein Sicherungsring enthalten ist, mit dem der drehbar gelagerte Sicherungsbügel (13) des Ventilblockes (10) verriegelt und gesichert ist, und so ein unbeabsichtigtes Öffnen des Sicherungsbügel (13) verhindert,

- Schutzkappe aus Kunststoff (8), wobei als Kunststoff Polyamid 66 Ver, wobei die Kappe auf der Innenseite ein NPT Gewinde minimal 2 Zoll, maximal 3 Zoll hat, das auf den Ventilhalter (6) aufgeschraubt ist,

- Ventilgegenblock (10) aus Stahl, wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N Verwendung findet, wobei der Ventilblock (10) ein NPT Innengewinde minimal 2 Zoll, maximal 3 Zoll hat, wobei die Länge des Innengewinde minimal 30 mm, maximal 60 mm hat, wobei ein axial beweglicher gefederter Ventilstößel (14), ein Verriegelungsbügel (13) und zwei Drosselventilanschlüsse (11,12) im Ventilblock (10) enthalten sind,

- Gasmembrane im Ventilgegenblock (14), aus poröser Aluminiumkeramik (Al-Os) besteht, wobei die Porengröße minimal 10 um, maximal 1000 um hat, die Form der Gasmembrane ein zylindrischer Köper ist, wobei die Dicke minimal 1mm, maximal 10 mm hat, wobei die Länge minimal 10 mm, maximal 60 mm hat, wobei der Druckverlust einen Wert minimal 0,1 bar, maximal 1 bar hat, wobei die Temperatur einen Wert minimal 1 °C, maximal 85°C hat,

- Verriegelungsbügel im Ventilgegenblock (13), wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N Verwendung fin-

det, der Riegel im Block (10) drehbar gelagert ist, und einen Drehwinkel minimal 10°, maximal 90° aufweist, wobei der Ventilstößel (14) minimal 10 mm, maximal 30 mm axial bewegbar ist, wobei nach Einschrauben der Kartusche im Ventilgegenblock (10), erst mit der Betätigung des Verriegelungsbügels (13) ein Gas oder Dampffluss möglich ist,

- Ventilstößel (14) im Ventilgegenblock (10), wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N ‚, der Stößel (14) gefedert gelagert ist, wobei die Feder einen Druck minimal von 1 bar, maximal 10 bar aufbaut, wobei der Federweg einen Wert minimal 5 mm, maximal 40 mm hat,

- Drosselventilanschluss (11,12) im Ventilblock (10) mit einem NPT Gewinde minimal 1/8 Zoll, maximal 1 Zoll, wobei die Gewindelänge minimal 10 mm, maximal 30 mm hat, wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N Verwendung findet,

2, Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Speicherung von Flüssigkeiten Ammoniak oder Methanol in einer Kartusche umfassend folgende Komponenten - Drosselventilanschluss am Kartuschenboden (17) mit einem NPT Gewinde minimal 1/8 Zoll, maximal 1/2 Zoll, wobei die Gewindelänge minimal 5 mm, maximal 15 mm hat, wobei als Werkstoff Stahl mit kaltzähen Eigenschaften nach der EN 10216-1/2 bevorzugt P355N, P420N, P450N Verwendung findet,

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen