CN1197906A - 气体容器充气方法 - Google Patents

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Abstract

通过起初使气体以一低到足以避免使气体突然加热的速率流入容器而对一气体容器进行充气,然后提高充气速率直至达到最大充气速率,当容器到达充满状态时再减少流动速率。

Description

气体容器充气方法
本发明涉及对气体存储容器的气体填充，具体涉及一种在通过压力差对容器进行充气时更精确地对储气的钢瓶填充所需量的气体或气体混合物的方法。
气体存储容器如钢筒或钢瓶通常是通过将气体充入容器内直至达到所需压力来充气的。容器的充气当然希望尽可能快，但将标定数量的气体精确地充入容器也是很重要的。精确地测量一气体容器中气体的数量之所以变得困难，其中一个问题是所包含气体的温度-压力关系。按照气体定律，一定量的气体以恒定体积所作用的压力与其温度成正比。因此，当气体温度升高时，气体压力将相应升高。从而，在通过压力测量来对气体存储容器进行充气时，重要的是该容器中的气体当达到其“充满”状态时应在一预定温度处，以保证将正确数量的气体充入每个待充气的容器。
由于最好是在最短时间内对气体容器进行充气，故通常是立即将充气阀打开到宽打开位置。这就引起气流立即喷进空的容器，从而使充入容器中的气体因撞击容器壁而迅速升温。容器的快速充气在整个充气过程中并不继续引起温度迅速升高，而最初被加热的气体则由于另外的气体充入容器而冷却。但在充气过程中气体温度往往并不会回到预定的温度，故如果没有采取将气体冷却到该预定温度的费时的步骤，则将正确数量的气体充入容器是困难的或不可能的。
当在气体容器中充入气体混合物时，上述问题更为突出。在这种情况下，将第一种气体充入容器，直至该容器包含了所需数量的这种气体，然后再将第二种气体充入容器，直至所需数量的这种气体被充入该容器。重复该过程，直至所有各种气体充入该容器为止。由于气体混合物的成分通常必须符合很严格的规格，重要的是当到达每种成分的充气端点时使气体混合物的温度在很窄的范围内。因此，如在充气过程的早期阶段出现过分加热，则必须在对第一种成分作最后测量之前对该气体加以冷却，并可能必须在该气体混合物的每种成分作最后测量之前加以冷却。
难以将一定数量的气体精确地充入气体容器的另一现象是气体流经的气体管道中的压降与流经管道的气体的速度成正比：当通过管道的气体的流动速率提高时，一定长度管道上的压降即增强。因此，如果一气体容器被充入从一在气体容器的上游具有一压力计的气体管道来的气体，压力计处的压力将高于容器中的实际压力，故如果气体快速流经充气管道并采用压力计确定充气过程的截止点，则气体容器将不能充入正确数量的气体。
由于时间关系，充气的精度是重要的，最好是采用一种在将气体导入一空的容器时不会引起气体温度迅速升高的方法将单纯气体或气体混合物充入空的气体容器，并使由在一充气管道中的压力计处压力与容器中实际压力之差引起的误差消除或达到最低限度。本发明即提供一满足这些目的的方法。
本发明为一种尤其是在充气过程的早期阶段将一种气体或一种气体混合物充入一气体容器并可使待充气容器中的温度突然升高消除或降到最低限度的方法。本发明的一广阔实施例包括以下步骤：
(a)使气体以一初始速率开始流入一空的气体容器；
(b)提高气体流入气体容器的速率，直至达到一预定的最大流动速率；
(c)当测量数量与气体容器中气体的所需最后数量之间的差减少时，降低气体进入气体容器的流动速率；以及
(d)当气体容器包含所需最后气体数量时，使气体进入气体容器的流动终止。
在一较佳实施例中，气体进入气体容器达到预定最大流动速率所需时间在气体总的充气时间的约25-75％范围内。
在另一较佳实施例中，当气体容器包含所需最后气体数量的约为75-95％时开始步骤(c)。
在广阔实施例或较佳实施例中，在步骤(a)中设定的初始流动速率最好足够低，以避免气体容器中气体温度的任何突然升高。与此类似，在宽阔实施例或较佳实施例中，在步骤(b)中流入容器的气体的流动速率最好足够低，以避免气体容器中气体温度的任何突然升高。
在上述任何实施例中，在步骤(b)过程中流入容器的气体流动的提高速率可以是恒定的或由于预定最大流动速率与测量的流动速率的差降低而提高。与此类似，在上述任何实施例中，在步骤(c)过程中流入容器的气体流动的降低速率可以是恒定的或由于所述气体在所述气体容器中的实际数量与所述气体在所述气体容器中所需最后数量之间的差减少而下降。
在本发明的较佳方面，气体在气体容器中的实际数量和该气体在容器中的所需最后数量取决于包含在该气体容器中的气体的部分压力。
本发明也可用于以两种或多种不同气体的混合物对一气体容器进行充气。可采用上述任一个实施例的方法将一种或多种混合物气体充入气体容器。本发明也可用于以这样一种工艺将这种混合物充入气体容器，在此工艺中该气体混合物的成分被顺序地充入该气体容器，每种成分均通过上述任一个宽阔实施例的方法被充入所述容器，并对两种或多种气体的每一种重复步骤(a)-(d)。
在本发明的一最佳实施例中，当气体容器包含待充入该容器的气体的所需最后数量的约85-95％时即开始步骤(c)。
本发明的过程尤其适于通过压力测量对集气钢瓶进行充气。
在另一实施例中，气体在充气方法各个步骤过程中的流动速率取决于一预先选择的程序。
附图示出一用于通过本发明方法对集气钢瓶充气的系统。为简化本发明的描述，附图中略去了对理解本发明不是必需的辅助设备，包括压缩机、热交换器和阀。
本发明的一个特点是具有这样一个事实的优点，即气体在开始时以快速率充入一空的容器时因气体与空容器的壁撞击且热量无法散出，因而迅速加热，但如容器已包含足够气体来缓冲进入容器的气体的力，则气体并不经受快速升温。本发明的另一个特点是具有这样一个事实的优点，即在一气体管道中的压降与通过该管道的气体的流动速率成反比。因此，可通过一具有一气体压力计的充气管道将精确数量的气体快速充入一气体容器，即首先慢慢将气体导入容器，直至该容器中包含的气体足以防止容器中气体迅速升温，然后逐步提高将气体导入容器的速率，直至充气阀宽打开，当容器中的气体数量达到所需量时，逐步降低气体导入容器的速率，以降低压力计处充气管道中的压力与容器本身中压力的差，从而使该压力差引起的误差在充气步骤终止时消除或降到最小。
可通过附图进一步理解本发明，该附图示出了一用于通过压力测量对集气钢瓶进行充气的系统。该系统包括一组需充气的集气钢瓶，将气体从气源传递到所述集气钢瓶的管道，一压力传感装置A和一用于控制充气速率的控制装置C。该系统可用于将从存储源(未示)经管道2、4和6供给系统的单一气体或气体混合物充入集气钢瓶。阀8、10和12分别控制通过管道2、4和6的流量。从管道2、4和6来的气体流入装有流量控制器16的管道14，该流量控制器可以是用于控制通过管道14的流量的任何装置，例如一可变节流孔。流量控制器16根据通过控制环路18从控制装置C接受的的信号动作。控制装置C典型地为一计算机，该计算机对从压力传感装置A接受的信号进行分析并向流量控制器16发出一信号。以在必要时对通过管道14的流量进行调节。管道14在流量控制器16下游被连接到钢瓶充气岐管20，该岐管20依次分别通过阀28、30和32与集气钢瓶22、24和26连接。压力传感装置A通过一与压力传感管道34连接的管道开关对管道14中的压力进行测量。压力传感装置A通过一控制环路36向控制装置C发出一信号。
现在根据在如图所示的系统中以所选择的一种单一的气体从一通过管道2与系统连接的气源对集气钢瓶22充气描述本发明的实践。将阀8和28打开并将流量控制器16设置为提供一低于阈值流量速率的初始气体流量速率，阈值流量速率处因进入气体在空集气钢瓶22的壁上撞击而在集气钢瓶中出现很大的峰值温度。当将足够的气体导入集气钢瓶以提供防止钢瓶22中气体迅速升温的缓冲时，流动速率在充气过程的第一阶段中逐步提高，提高的速率为避免待充气钢瓶内气体加热太快。当然，希望尽可能快地使通过管道14的流量达到最大值，这是与不引起钢瓶中气体过分加热的本发明目的一致的。流动速率可以一恒定速率或一可变动速率提高。由于充气过程的进展，气体流动速率通常可以更迅速地提高。换句话说，由于钢瓶中气体压力与管道14中的气体压力差减小，气体充气速率的敏感性大大降低。因此，由于充气过程的进展，通常最好是更快地增加通过管道14的气体流量。最好是当钢瓶充气约为将充入钢瓶的气体总量的5-25％、较佳为5-15％时达到最大气体流动速率，用压力传感器A作为压力测量。
充气过程的第二阶段包括将气体以该最大速率充入钢瓶。继续该阶段直至钢瓶充气约为将充入钢瓶的气体总量的75-95％、较佳为85-95％，再次用压力传感器A作为压力测量。然后进入充气过程的第三阶段。
在充气过程的第三阶段，逐步降低进入已充气钢瓶内的气体的流动速率，以减少在控制环路34进入管道14点处的压力与集气钢瓶22内压力的差。由于用传感器A测量的压力与标定压力的差减少，充气速率继续降低，故流动速率将在达到所需端点的时间之前低到足以使管道34进入管道14的点处的压力与钢瓶22内压力的差无意义，而由传感器A测量的压力将精确地反映钢瓶22内的压力。当传感到的压力达到所需端点时控制装置C使流量控制器16关闭，从而使气体向钢瓶22的流动停止。当通过以上过程对钢瓶22、24和26的每一个充气时，每个钢瓶的充气量将基本相同。
当将该过程用于将气体混合物充入集气钢瓶时，可通过以任何希望的次序将阀8、10和12打开，对该混合物的每种气体成分重复以上过程。通常最好是首先将最轻的气体充入钢瓶，以在钢瓶内提供更快的气体混合。如果在制备气体混合物时，充入钢瓶的第一成分的量多到足以在其它成分充入钢瓶时防止集气钢瓶中温度升高，流量控制器16的开口比例并不重要，可将该流量控制器迅速打开而温度并不显著升高。然而，如导入钢瓶的第一成分很少，则可能必须将第一成分慢慢导入并慢慢开始第二成分(以及可能的以下的其他成分)的流动，直至将总量足够的气体导入钢瓶以提供一足以防止温度在剩下的充气过程中迅速变动的缓冲。
以上过程是将本发明方法采用反馈技术进行实践来描述的。如前所述，该方法也可采用前馈程序进行实践。在后一种情况下，例如可通过一预定程序对本方法各阶段中的气体流动速率加以控制。
应当理解，可在本发明的范围内利用传统设备对系统内气体的流量进行监控和自动调节，故可充分自动化并以一有效方式连续运行。
本发明将通过以下的实例作进一步的描述，其中，除非另有说明，部分、百分比和比例均以容积为基础。
                     实例1
对附图所示的系统加以修改，以对14个集气钢瓶同时充气，其中每个钢瓶具有约50升水的容积，在一参考温度21.1℃处以一包括98克分子％氩气和2克分子％氧气的气体混合物充气至最后为182.02巴(bara)。将氧气供应连接到管道2，并将氩气供应连接到管道4。两种气体成分均以206巴(bara)的压力供应。在充气之前，先将诸钢瓶通风并抽空至一大约为0.4巴(bara)的初始压力。在此期间，将节流孔控制阀16和钢瓶阀保持打开，以抽空阀16上游的管道。
为产生所要求的气体混合物，在21.1℃的钢瓶温度处必须有3.85巴(bara)的标定的氧气部分压力。
通过关闭阀16并打开阀8开始充气过程。所有钢瓶阀保持打开。然后将流量控制阀16打开到其最大开口的约1％。这在管道20中产生约0.48巴的初始压力跳动。控制器C调节阀16中的节流孔大小以使压力提高的速率为大约0.69巴/分。当钢瓶中的部分压力达到3.85巴(bara)时，阀8关闭。将阀16中的节流孔再次调到最大开口的1％，并打开氩气供应阀10。对节流孔进行控制以允许压力提高速率约为10巴/分。流动速率在低于最后压力(182.02巴(bara)@21.1℃)5.5巴处降低到1.7巴/分，而在低于最后压力1.4巴处减少到0.69巴/分。当达到总压力182.02巴(bara)@21.1℃时，供应阀10和所有钢瓶的阀关闭。对钢瓶中的气体混合物进行分析并发现包含有平均为1.86％的氧气。
与上述情况相反，当在开始将氧气导入各钢瓶时将管道14中的节流孔充分打开时，压力跳动在打开阀8的第一秒钟期间大于13.8巴，即压力超过21.1℃处3.85巴(bara)的标定值。
虽然已具体参照一定的设备配置和一定的实例对本发明作了描述，但这些只是本发明的示例而已，可据此作出许多变形。例如可通过本发明的过程对与集气钢瓶不同的容器进行充气，且本发明中也可采用其他的设备配置。与此类似，也可用包含三种以上成分的混合物对气体容器进行充气。本发明的范围仅由所附权利要求的宽度加以限定。

Claims (15)

1.一种以一气体对一气体容器进行充气的方法，包括以下步骤：
(a)所述气体以一初始速率开始流入所述气体容器；
(b)提高所述气体流入所述气体容器的速率，直至达到一预定的最大流动速率；
(c)当测量数量与所述气体容器中所述气体的所需最后数量之间的差减少时，降低所述气体进入所述气体容器的流动速率；以及
(d)当所述气体容器包含所需最后所述气体数量时，所述气体进入所述气体容器的流动终止。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于所述气体进入所述气体容器的流动速率达到所述预定最大流动速率所需的时间为所述气体总充气时间的约25-75％的范围。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)当所述气体容器包含所述气体所需最后数量的约75-95％时开始。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述开始速率低到足以使气体在所述气体容器中避免任何突然升温。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体流入所述容器的提高速率低到足以使气体在所述气体容器中避免任何突然升温。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体在所述步骤(b)中流入所述气体容器的提高速率是恒定的。
7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体在所述步骤(b)中流入所述气体容器的速率在预定最大流动速率与测量的流动速率的差减少时提高。
8.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体在所述步骤(c)中流入所述气体容器的降低速率是恒定的。
9.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体在所述步骤(c)中流入所述气体容器的速率在所述气体在所述气体容器中的实际数量与所述气体在所述气体容器中的所需最后数量之间的差减少时下降。
10.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体在所述气体容器中的实际数量与所述气体在所述气体容器中的所需最后数量取决于所述气体容器中包含的所述气体的部分压力。
11.一种以一由两种或多种气体形成的混合物对一气体容器进行充气的过程，其特征在于，所述混合物的至少一种成分由权利要求1-3中任一项所述的方法充入所述气体容器。
12.如权利要求11所述的过程，其特征在于，通过对所述成分重复步骤(a)-(d)而将所述混合物的成分依次充入所述气体容器。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)当所述气体容器包含所述气体所需最后数量的约85-95％时开始。
14.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述气体容器为一集气钢瓶。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体在步骤(a)至(d)期间的流动速率取决于一预先选择的程序。
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