DE102005006751A1 - Vorrichtung zur Temperaturabsenkung eines Gases - Google Patents

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Abstract

Die Vorrichtung zur Temperaturabsenkung eines Gases weist einen Drallerzeuger (2) auf, dem das Gas aus einem Vorratsbehälter zugeführt wird. An den Drallerzeuger (2) ist ein Wirbelrohr (5) angeschlossen, in dem eine rotierende, sich von dem Drallerzeuger (2) entfernende Drallströmung (21) strömt. Am Ende des Wirbelrohrs (5) befindet sich eine Drallbremse (9). Das Wirbelrohr (5) ist von einer Kühlvorrichtung (30) umgeben. Das Gas strömt von der Drallbremse (9) entlang eines Strömungsweges (22) zu dem Drallerzeuger (2) zurück und durch diesen hindurch in ein Füllrohr (7). Auf diese Weise wird das Gas vor dem Einführen in den Druckgasbehälter gekühlt, so dass der Druckgasbehälter bis zu seinem vorgesehenen Enddruck befüllt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturabsenkung eines Gases aus einem unter Druck stehendem Gas enthaltenden Vorratsbehälter, mit einem zu einem Drallerzeuger führenden Zuführrohr, einem zu dem Druckgasbehälter führenden Füllrohr und einem von dem Drallerzeuger abzweigenden Wirbelrohr zum Leiten einer rotierenden Drallströmung.
  • Ein Gas hat bei höherer Temperatur ein höheres Volumen. Daher ist es aus Platzgründen häufig erforderlich, eine Kühlung des Gases vorzunehmen, da bei vorgegebenem Rauminhalt mehr Gasmasse unterzubringen ist. Ein typischer Anwendungsfall einer Gaskühlung sind Gas-Betankungsvorgänge.
  • Zum schnellen Betanken eines mit Gas betriebenen Kraftfahrzeugs wird eine Betankungsvorrichtung benötigt, die in der Lage ist, ein schnelles Umfüllen von Gas unter hohem Druck von einem Vorratsbehälter in einen Druckgasbehälter vorzunehmen. Solche umzufüllenden Gase können Erdgas oder Methan oder ähnliche Gase umfassen sowie außerdem Gase wie Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Luft oder Wasserstoff.
  • Bei Gasbetankungsvorgängen soll unabhängig von der Umgebungstemperatur eine solche Gasmasse in den Druckgasbehälter eingefüllt werden, dass damit ein nach den technischen Regeln vorgegebener Grenzwert des Drucks im Druckgasbehälter bei einer vorgegebenen Bezugstemperatur nach Möglichkeit erreicht wird. Beispielsweise darf bei Druckgasbehältern für Erdgas nach technischen Regeln ein Druck von 200 bar im Druckgasbehälter bei einer Bezugstemperatur von 15°C nicht überschritten werden. Zur schnellen Durchführung eines Betankungsvorgangs durch Überströmen muss der Vorratsbehälter unter einem hohen Druck stehen, damit die benötigte Gasmasse in den Druckgasbehälter überführt wird.
  • Bei Gasbetankungsanlagen führt die aufzubringende Einschiebearbeit zu einer Erwärmung des Gases im Druckgasbehälter. Der Joule-Thomson-Effekt (Temperaturänderung des Gases durch Drosselung) des realen Gases wirkt dieser Erwärmung im Allgemeinen entgegen. Jedoch nur unter sehr günstigen Bedingungen, d. h. bei ausreichend niedriger Temperatur, reicht der Joule-Thomson-Effekt und die Wärmeabgabe an die Umgebung aus, um die durch Einschiebearbeit des Gases verursachte Erwärmung zu kompensieren. Sind diese günstigen Bedingungen nicht gegeben, so kommt es in Gasbetankungsanlagen ohne Kühlvorrichtung beim schnellen Umfüllen zu einer Unterfüllung des Druckgasbehälters. Der Grund hierfür ist, dass sich durch die Einschiebearbeit eine hohe Temperatur und damit ein entsprechend hoher Druck im Druckgasbehälter einstellt, was die zur Verfügung stehende Druckdifferenz für die Befüllung so stark erniedrigt, dass der Betankungsvorgang lange dauert und daher abgebrochen wird, bevor der Druckgasbehälter die nach den technischen Regeln mögliche Gasmasse enthält.
  • DE 102 18 678 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befüllen eines Druckgasbehälters, wobei das in einem Vorratsbehälter unter hohem Druck stehende Gas über ein Wirbelrohr nach Ranque-Hilsch als Kühlvorrichtung geleitet wird. Das Wirbelrohr nutzt den bestehenden hohen Druckunterschied im Betankungssystem aus, um den Gasstrom in einen Heißgasstrom und Kaltgasstrom zu teilen. Der erste wird nach einer Druckerhöhung in einem Hubkolbenverdichter wieder dem Vorratsbehälter, der letztere dem Druckgasbehälter zugeführt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Temperaturabsenkung eines Gases zu schaffen, die kleinformatig herstellbar und einfach im Aufbau ist und eine kurze Ansprechzeit mit hoher Kühlwirkung hat.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelrohr an seiner Außenseite einer Kühlvorrichtung ausgesetzt ist, dass in dem Wirbelrohr eine Drallbremse zum Abbremsen der Drallströmung angeordnet ist und dass von der Drallbremse ein Strömungsweg in das Abführrohr führt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der gesamte Gasstrom nach Temperaturabsenkung der Drallströmung weitgehend drallfrei gemacht und dem Druckgasbehälter zugeführt. Eine Drosseleinrichtung zur Regelung eines Heißgasstromes ist nicht erforderlich. Gegenüber den bekannten Verfahren zur Befüllung von Druckgasbehältern durch Überströmen besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass der Druck der Gasströmung nur bis zu dem augenblicklichen Druck im Druckgasbehälter abgesenkt wird, was energetisch von Vorteil ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Gas bei überkritischem Druckverhältnis, d. h. mit einer dicht unter der Schallgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit, tangential einem Drallerzeuger zugeführt. Dieser leitet eine rotierende Drallströmung in das Wirbelrohr ein. Die Drallströmung breitet sich mit hoher axialer Geschwindigkeit in dem Wirbelrohr aus, wobei sich die Rohrwand stark erwärmt. Die stark turbulente Vermischung bewirkt eine adiabatische Schichtung und der äußere Teil der Drallströmung hat mit dem großen Zentrifugaldruck auch eine höhere statische Temperatur als der innere Teil. Die Drallströmung wird von der außen auf das Wirbelrohr einwirkenden Kühlvorrichtung gekühlt und anschließend durch eine Drallbremse abgebremst. Die Strömung wird dann über einen Strömungsweg dem Füllrohr zugeführt, das zu dem Druckgasbehälter führt. Auf diese Weise gelangt das gesamte dem Vorratsbehälter entnommene Gas in den Druckgasbehälter.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strömungsweg zentrisch durch das Wirbelrohr innerhalb der Drallströmung verläuft. Während die Drallströmung rotiert, bildet sich entlang ihrer Achse eine zentrische Rückströmung aus. Während die äußere Drallströmung sich zunehmend erwärmt, ist die lineare innere Rückströmung wesentlich kälter.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Füllrohr ebenfalls von dem Drallerzeuger abzweigt und dass der Durchmesser des Füllrohres kleiner ist als der Durchmesser des Wirbelrohres. Hierbei gelangt die drallfreie lineare Rückströmung von neuem in den Drallerzeuger und von dort in das Füllrohr.
  • Vorzugsweise besteht die Drallbremse aus einem in dem Wirbelrohr angeordneten Verschluss. Durch diesen wird die Drallströmung in Wandnähe wegen des Ausfalls der Zentrifugalkräfte abgebremst, so dass sich eine radiale Einwärtsströmung ergibt. Aus Kontinuitätsgründen entsteht in axialer Richtung auf diese Weise eine zentrische Rückströmung in Form einer Kernströmung, die entgegengesetzt zu der rotierenden Drallströmung strömt. Die geringere Geschwindigkeit der Rückströmung gegenüber der Drallströmung wirkt sich in einer weiteren Abnahme der Ruhetemperatur der Innenströmung zur umgebenden Drallströmung aus, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Strömungen noch verstärkt wird.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es vorteilhaft ist, die von der Rotationsströmung auf die Rohrwand übertragene Wärme, die sich dort erfahrungsgemäß auf einem hohen Temperaturniveau befindet, abzuführen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein als koaxiales Rohr ausgeführter Wasserkühler nach dem Gegenstromverfahren zur Kühlung der Rohrwand des Wirbelrohres herangezogen. Dadurch wird erreicht, dass durch eine Kühlung der Rohrwand, die um so wirksamer ist, je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Gegenstand und dem Kühlmedium ist, insgesamt über eine Temperaturabsenkung der Rohr-Außenströmung noch eine zusätzliche Temperaturreduzierung der Rohr-Innenströmung erfolgt.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der die Drallbremse bildende Verschluss ein axial in dem Wirbelrohr verstellbarer Kolben ist. Dadurch wird die effektive Länge des Wirbelrohres variabel gestaltet, um in Abhängigkeit von Druck und Temperatur des Gases im Vorratsbehälter den Füllvorgang zu optimieren. Die effektive Länge des Wirbelrohres, d. h. die Länge des wirksamen Wirbelrohrabschnitts, kann durch Verstellen des Kolbens verändert werden, beispielsweise durch eine Gewindestange.
    •
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung zur Temperaturabsenkung von Gasen, und
  • 2 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung zur Verdeutlichung der Zuführung und Verteilung der Gasströmung sowie der Wasserkühlung.
  • Die Vorrichtung nach 1 weist ein von einem Vorratsbehälter kommendes Zuführrohr 1 auf, das zu einem Drallerzeuger 2 führt. Dessen funktional wesentliche Teile bestehen aus einem ringförmigen Sammelraum 3, von dem tangentiale Einströmdüsen 4 nach innen gerichtet sind und in das Ende eines Wirbelrohres 5 hineinführen. An das Ende des Wirbelrohres 5 schließt sich in entgegengesetzter Richtung ein Rohrabschnitt 6 an, der mit einem zu dem (nicht dargestellten) Druckgasbehälter führenden Füllrohr 7 verbunden ist. Der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 6 ist deutlich kleiner als derjenige des Wirbelrohres 5. Folglich strömt die in dem Drallerzeuger 2 erzeugte rotierende Wirbelströmung 21 in das Wirbelrohr, um sich dort von dem Drallerzeuger 2 (gemäß 1 nach links) zu entfernen. Die Drosselstelle mit dem engsten durchströmten Querschnitt zwischen dem Vorratsbehälter und dem zu füllenden Druckgasbehälter wird von den Einströmdüsen 4 des Drallerzeugers 2 gebildet. Aus den Einströmdüsen 4 gelangt das Gas bei nahezu Schallgeschwindigkeit als rotierende Drallströmung 21 in das Wirbelrohr 5. Um die von der Wirbelströmung 21 erzeugte Wärme von der Rohrwand des Wirbelrohres 5 abzuführen, ist um das Wirbelrohr 5 eine Kühlvorrichtung 30 angeordnet. Diese weist einen das Wirbelrohr koaxial umgebenden Kühlmantel 31 auf, der mit einem Zulaufrohr 32 und einem Ablaufrohr 33 versehen ist und einen Wasserkühler nach dem Gegenstromverfahren bildet.
  • An dem dem Drallerzeuger 2 abgewandten Ende ist das Wirbelrohr 5 mit einer Drallbremse 9 versehen. Diese besteht aus einem in dem Wirbelrohr angeordneten und dieses abdichtend verschließenden Kolben 10, der axial verstellbar ist. Zum Verstellen des Kolbens 10 dient eine Spindel 11, die von Hand gedreht werden kann. Die Drallströmung 21 wird an dem Verschluss 10 abgebremst, so dass aus Kontinuitätsgründen in axialer Richtung eine rückfließende Kernströmung entlang eines Strömungsweges 22 entsteht, die in entgegengesetzter Richtung zu der Drallströmung 21 strömt. Der Strömungsweg 22 verläuft koaxial innerhalb der Drallströmung 21. Die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenströmung in dem Wirbelrohr 5 wirkt sich dahingehend aus, dass die entlang des inneren Strömungsweges 22 strömende Kernströmung durch den Rohrabschnitt 6 in das Füllrohr 7 strömt, das mit dem zu füllenden Druckgasbehälter verbunden ist.
  • Die in 2 dargestellte perspektivische Ansicht gibt den Strömungsverlauf des Gases in der Vorrichtung wieder, wobei die Gaszuführung durch das Zuführrohr 1 in Richtung der Pfeile 20 erfolgt. Von hier aus gelangt das Gas, z. B. Erdgas, über den Sammelraum 3 und die Einströmdüsen 4 des Drallerzeugers 2 bei überkritischem Druckverhältnis mit Schallgeschwindigkeit in das Wirbelrohr 5. Dort bildet sich mit Hilfe des in dem Drallerzeuger 2 erzeugten Dralls die Rotationsströmung 21 aus. Diese Rotationsströmung wird am festen Grund des durch den Verschluss 10 geschlossenen Wirbelrohres in Wandnähe wegen des Ausfalls der Zentrifugalkräfte so weit abgebremst, dass sich eine in entgegengesetzter Richtung verlaufende Kernströmung 22 ausbildet. Letzere wird dann über den Rohrabschnitt 6 dem Druckgasbehälter zugeführt.

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Temperaturabsenkung eines unter Druck stehenden Gases, mit einem zu einem Drallerzeuger (2) führenden Zuführrohr (1) und einem von dem Drallerzeuger (2) abzweigenden Wirbelrohr (5) zum Leiten einer rotierenden Drallströmung (21), dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelrohr (5) an seiner Außenseite einer Kühlvorrichtung (30) ausgesetzt ist, dass in dem Wirbelrohr (5) eine Drallbremse (9) zum Abbremsen der Drallströmung (21) angeordnet ist und dass von der Drallbremse (9) ein Strömungsweg (22) in das Füllrohr (7) führt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (22) zentrisch durch das Wirbelrohr (5) innerhalb der Drallströmung (21) verläuft.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllrohr (7) ebenfalls von dem Drallerzeuger (2) abzweigt und dass der Durchmesser des Füllrohres (7) kleiner ist als der Durchmesser des Wirbelrohres (5).
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallbremse (9) aus einem in dem Wirbelrohr (5) angeordneten Verschluss (10) besteht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (10) ein axial in dem Wirbelrohr verstellbarer Kolben ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (30) einen das Wirbelrohr (5) umgebenden Kühlmantel (31) aufweist, der von einem Kühlmedium durchflossen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zum Befüllen eines Druckgasbehälters.
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