DE10031155C2 - Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas in einen Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas in einen Behälter, wie sie beispielsweise beim Betanken eines mit Erdgas betriebenen Kraftfahrzeugs benötigt wird.

Sind große Gasmengen in einen Behälter umzufüllen, wie es bei mit Erdgas betriebenen Busen der Fall ist, dann ist ein schnelles und einfaches Umfüllen von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Um die Dauer des Umfüllens von Gasen unter hohem Druck zu verkürzen, bietet es sich an, die Leitungsquerschnitte und Einlassverengungen an dem zu füllenden Behälter so auszulegen, dass sie nicht mehr die begrenzenden Faktoren der Strömungsrate sind. Wird das Behälterventil in dem zu füllenden Behälter angeordnet, so dass sich der die Strömungsrate begrenzende kritische Querschnitt in dem Behälter befindet, so können die adiabate Drosselung und der bei realen Gasen wirksame Joule-Thomson-Effekt genutzt werden. Der expandierende Gasstrahl unterliegt einer starken Abkühlung, so dass es zu einer großen thermischen und mechanischen Belastung der Innenwand des zu befüllenden Behälters kommt. Derartige Behälter bestehen aus Gewichtsgründen häufig aus faserverstärktem Kunststoff-Inliner aus Polyethylen und können durch die beim Füllen entstehende mechanische und thermische Beanspruchung beschädigt werden. Zu Beginn des Füllvorgangs treten bei einem großen Druckverhältnis von Lieferdruck zu Behälterdruck durch die adiabate Entspannung des Gases zunächst sehr tiefe Gastemperaturen im Behälter auf, die Werte von bis zu -80°C annehmen können. Im weiteren zeitlichen Verlauf des Füllvorgangs nimmt dann durch den sich aufbauenden Gegendruck die Einschiebearbeit zu, so dass in der Umgebung des eintretenden Gasstrahles die Gastemperatur Spitzenwerte von über +50°C erreicht. Um eine zu hohe Belastung der Behälterinnenwand durch den Impuls der Gasströmung zu vermeiden, ist es erforderlich die Größe des engsten Durchlassquerschnitts für das Gas zu begrenzen, wodurch jedoch die Füllzeit verlängert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas unter hohem Druck in einen Behälter zu schaffen, die eine geringe mechanische und thermische Belastung der Innenwand des zu füllenden Behälters verursacht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist die am Ende des Zuführrohres vorgesehene sich erweiternde Düse eine Ringspaltdüse mit zentralem Düsenkern und divergierender Umfangswand.

Bei der erfindungsgemäßen Düse wird bei dem durch einen Ringspalt austretenden Gasstrahl eine Strahloberfläche erzeugt, die ein Vielfaches der Oberfläche eines Gasstrahls beträgt, welcher aus einer flächengleichen Bohrung mit Kreisquerschnitt austritt. Je nach Wahl des äußeren und inneren Ringspaltdurchmessers kann die Ausdehnung der Strahloberfläche in weiten Grenzen variiert werden. Durch die große Oberfläche des aus einem Ringspalt in den Behälter einströmenden Gasstrahls wird erreicht, dass dieser sich besonders schnell mit der im Behälter befindlichen Restgasmenge vermischt. Dadurch werden durch die Gasströmung verursachte örtliche Temperaturspitzen an der Behälterwand vermieden, die während des instationären Füllvorgangs ansonsten auftreten würden. Nach Füllende erfolgt aufgrund der guten Durchmischung ein schneller Temperaturausgleich des Gases im Behälter.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der Impuls einer aus einer Ringspaltdüse austretenden Strömung nur einen Bruchteil des Impulses der aus einer vergleichbaren Lochdüse austretenden Strömung beträgt. Dadurch wird zunächst einmal die auf die Behälterwand wirkende mechanische Beanspruchung verringert. Ein weiterer Effekt beruht darauf, dass bei einer Ringspaltdüse die Austrittsströmung eine 10- bis 20-fach größere Oberfläche hat, bezogen auf die aus einer vergleichbaren Lochdüse austretende Strömung. Dabei tritt eine schnellere und bessere Durchmischung des bei der Entspannung abgekühlten Gases mit dem im Behälter befindlichen Restgas ein, so dass es zu einem schnelleren Temperaturausgleich im Behälter kommt. Dadurch werden örtliche thermische Spitzenbelastungen des Behältermaterials vermieden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, relativ große Zuführraten eines unter Druck stehenden Gases zu realisieren und dabei die Beanspruchung des Behälters gering zu halten.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Innenwand der Düse von dem Zuführrohr gebildet. Dies vereinfacht den Aufbau der Vorrichtung. Es wird lediglich ein gerades Zuführrohr benötigt, auf dem die Düse montiert wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zwei nach entgegengesetzten Richtungen weisende Düsen mit demselben Zuführrohr verbunden sind. Hierbei tritt das Gas aus den beiden Düsen in entgegengesetzte Richtungen aus, so dass sich die auf die Zuführeinrichtung wirkenden Impulse gegenseitig kompensieren. Es wird also kein größerer Rückstoß erzeugt, der eine besondere Befestigung des Zuführrohres erfordern würde. Außerdem erfolgt die Gasverteilung in dem Behälter relativ gleichmäßig nach beiden Behälterenden hin. Auch dies trägt zu einer schnellen und gründlichen Vermischung des zugeführten Gases mit dem sich bereits im Behälter befindlichen Gas bei.

Eine besonders zweckmäßige Konstruktion ergibt sich, wenn das Zuführrohr von einem Außenrohr umgeben ist und zwischen Zuführrohr und Außenrohr ein Sammelraum gebildet ist, der mit dem Inneren des Zuführrohres verbunden ist, und an den sich der Ringspalt anschließt. Hierbei besteht die gesamte Zuführvorrichtung aus dem Innenrohr und dem Außenrohr, und somit aus lediglich zwei Komponenten. Das Zuführrohr bildet zugleich den Düsenkern der Ringspaltdüse.

Die Zuführvorrichtung ist zweckmäßigerweise fester Bestandteil eines Tanks, wobei das Zuführrohr von einem Ende her in einen länglichen Behälter hineinragt. Das Zuführrohr kann am gegenüberliegenden Ende des Behälters abgestützt sein.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt der Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas in einen Behälter,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Verdeutlichung der Zuführung und Verteilung der Gasströmung und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein mit der Vorrichtung versehenen Behälter.

Die Vorrichtung weist ein in einen Behälter hineinragendes zylindrisches Zuführrohr 10 auf, das an einem Ende mit einem Stopfen 11 verschlossen ist. Das Zuführrohr 10 ist mit einem koaxial dazu verlaufenden Außenrohr 20 durch eine Lötverbindung druckdicht verbunden und in axialer Richtung fixiert. Das Gas wird in Richtung des Pfeils 30 zugeführt.

Das Außenrohr 20 bildet mit dem Zuführrohr 10 zwei Ringspaltdüsen 22a und 22b, die nach entgegengesetzten Richtungen weisen und sich jeweils von einem Ringspalt 14a bzw. 14b aus nach außen erweitern. Die Ringspaltdüsen 22a und 22b sind nach entgegengesetzten Richtungen gerichtet, wobei sich die Ringspaltdüse 22a entgegen der durch den 32 bezeichneten Zuführrichtung öffnet, während die Ringspaltdüse 22b sich in Zuführrichtung öffnet bzw. divergiert. Jede der Ringspaltdüsen 22a und 22b wird außen durch eine Umfangsfläche 21a bzw. 21b begrenzt, welche aus der Wand einer kegelstumpfförmigen Bohrung des Außenrohres 20 besteht. Nach innen wird jede Ringspaltdüse von dem Zuführer 10 begrenzt, welches den Düsenkern bildet. Das Zuführrohr 10 überragt das Außenrohr 20 in beiden axialen Richtungen.

Von dem Zuführrohr führen schräg gerichtete radiale Bohrungen 12a, 12b jeweils in einen Sammelraum 13a bzw. 13b, der im Inneren des Außenrohres gebildet ist. An die Sammelräume 13a, 13b schließt sich jeweils ein Ringspalt 14a bzw. 14b an, der zwischen dem Zuführrohr 10 und dem koaxial dazu verlaufenden Außenrohr 20 gebildet ist. Die Ringspalte sind Bestandteil der Ringspaltdüsen 22a und 22b. Die Kontur der jeweiligen. Umfangsfläche 21a bzw. 21b der Ringspaltdüsen ist in Verbindung mit der Außenfläche des Zuführrohres 10 so gestaltet, dass die Ringspaltdüsen bei überkritischem Druckverhältnis als Überschalldüse und bei einem unterkritischen Druckverhältnis als Diffusor wirken. Das Druckverhältnis bestimmt sich als Lieferdruck zu Behälterdruck. Das kritische Druckverhältnis tritt dann ein, wenn das Gas beim Passieren des Ringspalts 14a bzw. 14b Schallgeschwindigkeit erreicht. Bei Beginn des Befüllens eines Behälters ist der Behälterdruck relativ niedrig. Der Lieferdruck ist deutlich größer als der Behälterdruck, der sich im Füllzustand einstellt. Ein typischer Behälterdruck im Füllzustand ist 200 bar, was einem Lieferdruck von etwa 250 bar entspricht. In der Anfangsphase der Befüllung, wenn der Behälterdruck relativ niedrig ist, erfolgt das Einströmen des Gases in den Behälter mit Schallgeschwindigkeit. Erst wenn der Behälterdruck so angestiegen ist, dass ein unterkritisches Druckverhältnis erreicht ist, wirkt die Düse als Diffusor. Bei einem Diffusor wird Geschwindigkeit in Druck umgewandelt und die Strömung erfolgt mit Unterschallgeschwindigkeit.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ringspalts 14b, der Bestandteil der Ringspaltdüse 22b ist, und der zwischen der Außenfläche des Zuführrohres 10 und dem Außenrohr 20 gebildet wird. Der Öffnungswinkel der Ringspaltdüse 22b beträgt zwischen 3° und 8°, insbesondere 6°.

Die in Fig. 3 dargestellte perspektivische Ansicht gibt den Strömungsverlauf des Gases in der Vorrichtung wieder, wobei die Gaszuführung durch das Zuführrohr 10 in Richtung des Pfeils 30 erfolgt. Von hier aus gelangt das Gas, z. B. Erdgas, durch die radialen Bohrungen 12a, 12b in die strömungsmäßig voneinander getrennten Sammelräume 13a, 13b. In den Ringspalten 14a, 14b bildet sich dann in Abhängigkeit davon, ob ein überkritisches oder unterkritisches Druckverhältnis vorliegt, eine Ringspaltströmung im Überschall oder Unterschall aus. Die ringförmigen Strömungen 31a, 31b treten in entgegengesetzten Richtung aus den beiden Ringspaltdüsen aus.

Fig. 4 zeigt einen Behälter 40, der aus einem Epoxidharz besteht, das mit Kohlefasern verstärkt ist. Der Behälter 40 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist in einer Stirnwand einen rohrförmigen Ansatz 41 auf, durch den das Zuführrohr 10 abdichtend hindurchgeführt ist. An dem Ende des Zuführrohres 10 befindet sich ein Einfüllstutzen 42, an den die (nicht dargestellte) Lieferquelle angeschlossen werden kann. Die in dem Außenrohr 20 enthaltene Düsenanordnung ist so positioniert, dass die beiden Ringspaltdüsen sich auf der Behälteraxe befinden und im Abstand von der jeweiligen Behälterstirnwand angeordnet sind. Erforderlichenfalls kann das freie Ende des Zuführrohrs 10 durch eine (nicht dargestellte) Stützvorrichtung an dem gegenüberliegenden Ende des Behälters abgestützt sein. Die Impulse der in entgegengesetzten Richtungen weisenden ringförmigen Gasstrahlen heben sich gegenseitig auf.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas in einen Behälter (40), mit einem Zuführrohr (10), das mit einer Düse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse eine Ringspaltdüse (22a, 22b) mit zentralem Düsenkern und divergierender Umfangswand (21a, 21b) ist.

2. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkern der Ringspaltdüse (22a, 22b) von dem Zuführrohr (10) gebildet ist.

3. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwei nach entgegengesetzten Richtungen weisende Ringspaltdüsen (22a, 22b) mit demselben Zuführrohr (10) verbunden sind.

4. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführrohr (10) von einem Außenrohr (20) umgeben ist und dass zwischen Zuführrohr (10) und Außenrohr (20) ein Sammelraum (13a, 13b) gebildet ist, der mit dem Inneren des Zuführrohres (10) verbunden ist und an den sich die Ringspaltdüse (22a, 22b) anschließt.

5. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführrohr (10) durchgehend zylindrisch ist und die Umfangswand (21a, 21b) jede der beiden Ringspaltdüsen (22a, 22b) in Ausströmrichtung überragt.

6. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspaltdüse (22a, 22b) so dimensioniert ist, dass sie bei unterkritischem Druckverhältnis als Diffusor und bei überkritischem Druckverhältnis als Überschalldüse wirkt.

7. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das stromabliegende Ende des Zuführrohres (10) verschlossen ist.

8. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der Ringspaltdüse (22a, 22b) zwischen 3 und 8 beträgt, insbesondere 6°.

9. Vorrichtung zum schnellen Einleiten von Gas nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführrohr (10) von einem Ende her in einen länglichen Behälter (40) hineinragt und am gegenüberliegenden Ende des Behälters abgestützt ist.