DE102016004118A1

DE102016004118A1 - Trennkolben für Konstantdruckspeicher

Info

Publication number: DE102016004118A1
Application number: DE102016004118.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Sarah Gruber; Christoph Nagl; Michael Stefan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Verfahren zur Trennung von zwei Bereichen in einem Konstantdruckspeicher (4), mit einem beweglichen Trennkolben (3) wobei der Trennkolben (3) mindestens eine erste Dichtung (6) aufweist, um einen Gasbereich von einem Zwischenraum (7) abzutrennen, und mindestens eine zweite Dichtung (5) umfasst, um den Flüssigkeitsbereich von diesem Zwischenraum (7) abzutrennen und dass der Druck im Zwischenraum (7) dem Umgebungsdruck entspricht. Weiterhin entspricht der Druck im ersten und zweiten Bereich des Konstantdruckspeichers (4) einem Betriebsdruck zwischen 300 und 900 bar. Zudem wird der Abstand zwischen den Dichtungen (5, 6) so berechnet wird, dass eine Spannung (S) in der Wand des Konstantdruckspeichers (4) im Zwischenraum (7) maximal zwischen 0 und 25% geringer ist als in der Wand im ersten (2) oder zweiten Bereich (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines ersten Bereiches, einem Gasbereich, von einem zweiten Bereich, einem Flüssigkeitsbereich, in einem Konstantdruckspeicher mit einem beweglichen Trennkolben.
Konstantdruckspeicher sind dazu vorgesehen Verbrauchern ein Gas mit einem bestimmten, konstanten Druck zur Verfügung zu stellen und zählen so zur Gruppe der Gasdruckspeicher. In der Regel ist der Druck in einem Gasspeicher abhängig von dessen Füllstand und der Druck muss beispielsweise über Verdichter bei der Abgabe an den Verbraucher angepasst werden. Die Abgabe von Gas mit einem konstanten Druck ist vor allem bei Betankungsvorgängen, also dem befüllen kleinerer, mobiler oder stationärer Speichertanks hilfreich. Der Tankvorgang ist einfacher bei konstanten Druckverhältnissen auslegbar. Zudem kann ein Druck gewählt werden, bei dem ein einfaches Überströmen des Gases realisiert werden kann. Konstantdruckspeicher sind deshalb vor allem in einem Druckbereich bis 300 bar für die Speicherung und/oder Abgabe von Erdgas oder Autogas bekannt. Die Konstantdruckspeicher selbst können durch mobile Einrichtungen, wie zum Beispiel durch entsprechende Tankfahrzeuge oder auch stationär, beispielsweise durch Druckerhöhungsanlagen, in einer Einspeicherphase befüllt werden.
Das Prinzip eines Konstantdruckspeichers beruht darauf, dass während einer Einspeicherphase der Druck des Gases im ersten Bereich durch Vergrößerung des Volumens im ersten Bereich konstant gehalten wird, dadurch, dass sich der Trennkolben verschiebt und das Volumen des zweiten Bereiches kleiner wird. Während der Ausspeicherphase wird das Volumen des ersten Bereiches verkleinert in dem mehr Flüssigkeit in den zweiten Bereich gefördert wird und das Volumen des zweiten Bereiches so vergrößert wird, so dass wiederum der Druck im ersten Bereich konstant gehalten wird.
Konstantdruckspeicher sind häufig zu mehreren in einer Konstantdruckspeichereinheit zusammengefasst. Die Konstantdruckspeichereinheit selbst kann stationär aufgebaut sein, und insbesondere als Teil einer Tankstelle oder mobil als Teil auf einem Tankfahrzeug installiert sein. Eine Konstantdruckspeichereinheit umfasst im Allgemeinen neben einem oder mehreren Konstantdruckspeichern, eine Flüssigkeitsversorgung, also mindestens eine Flüssigkeitspumpe und mindestens einen Speicherbehälter für die Flüssigkeit und gegebenenfalls eine Gaskonditioniereinheit zur Anpassung des Gases an die Anforderungen an den Verbraucher. Es versteht sich, dass außerdem unterschiedliche Ventile, Regler und Sensoren zum Betrieb der Anlage vorhanden sind. Bei der Verwendung von Konstantdruckspeichern kann auf Verdichter oder Kompressoren zwischen dem Konstantdruckspeicher und dem Verbraucher verzichtet werden. Investitions- und Wartungskosten können so gesenkt werden.
Herkömmliche Druckspeichereinrichtungen durchlaufen beim Entleeren und Befüllen viele Lastwechsel. Gerade bei der Speicherung von gasförmigem Treibstoff, insbesondere von Wasserstoff, werden die Speicherkapazitäten vor allem dadurch erhöht, dass größere Speicherdrücke verwendet werden. Dies erhöht die Belastung durch Lastwechsel zusätzlich. Aufgrund der stärkeren Nachfrage nach Wasserstoff und der Inbetriebnahme von Wasserstofftankstellen steigt die Nachfrage nach stabilen, langlebigen und wartungsarmen Speichersystemen für Gas bei hohen Drücken. Herkömmliche Materialien und Vorrichtungen sind jedoch kostenintensiv oder nicht stabil genug. Wie bereits in WO2015051894 dargestellt bieten Konstantdruckspeichereinheiten eine Alternative, da die Anzahl an Lastwechsel deutlich reduziert wird. Die Lebensdauer von Tankstellen kann dadurch deutlich verlängert werden.
Eine Schwachstelle in den Konstantdruckspeichereinheiten stellen die Trennkolben dar, welche die Flüssigkeit vom Gas trennen. Diese Trennkolben verfügen in der Regel über eine oder mehrere Dichtungssysteme um die Fluide voneinander getrennt zu halten. Zwischen den Dichtungssystemen ist ein Zwischenraum. Für diesen wird angenommen, dass dort Umgebungsdruck herrscht. Wenn der Trennkolben nun entlang der Wände des Zylinders, bewegt wird, finden dort Lastwechsel statt aufgrund der Druckunterschiede zwischen dem Zwischenraum und dem Gas- und Flüssigkeitsbereich. Aufgrund dieser Lastwechsel muss die Wandstärke des Zylinderrohres aus dem der Konstantdruckspeicher gefertigt ist entsprechend erhöht werden. Da diese Materialien, insbesondere für die Speicherung von Wasserstoff, kostenintensive sind geht dies mit gesteigerten Investitionskosten einher.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren anzugeben, bei dem das Dichtungssystem so ausgestaltet ist, dass die Lastwechsel aufgrund der Druckunterschiede innerhalb des Dichtungssystems vernachlässigt werden können, da deren Auswirkung auf die Wand des Zylinderrohres reduziert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Trennkolben mindestens eine erste Dichtung aufweist, um den Gasbereich von einem Zwischenraum abzutrennen und mindestens eine zweite Dichtung umfasst, um den Flüssigkeitsbereich von einem Zwischenraum abzutrennen und dass der Druck im Zwischenraum dem Umgebungsdruck entspricht und im ersten und zweiten Bereich des Konstantdruckspeichers einem Betriebsdruck zwischen 300 und 900 bar entspricht und dass der Abstand zwischen den Dichtungen so berechnet wird, dass eine Spannung in der Wand des Konstantdruckspeichers im Zwischenraum maximal zwischen 0 und 25% geringer ist als in der Wand im ersten oder zweiten Bereich.
Während des Betriebs des Konstantdruckspeichers wird der Trennkolben alternierend innerhalb der beiden Endpositionen bewegt. Durch die Druckunterschiede zwischen dem Gas- oder Flüssigkeitsbereich und dem Zwischenraum des Dichtsystems wirken auf die Wand des Konstantdruckspeichers unterschiedliche Drücke und es entstehen unterschiedliche Spannungen. Dies führt zur einer wechselnden Belastung des Konstantdruckspeichers und diese Lastwechsel müssen für eine sichere Auslegung des Konstantdruckspeichers berücksichtigt werden. Ist der Zwischenraum des Dichtsystems, durch die Berechnung des Abstand zwischen den Dichtungen nun allerdings so ausgestaltet, dass die Spannungen in der Wand, welche mit dem Zwischenraum in Verbindung steht, maximal um 25% geringer sind, als die Spannungen in der Wand, welche mit dem Gas- und Flüssigkeitsbereich in Verbindung steht kann die Anzahl der Lastwechsel für die Auslegung des Konstantdruckspeicher vernachlässigt werden. Die Wanddicke des Konstantdruckspeichers kann dementsprechend dünner ausgestaltet werden und führt so zu Einsparungen bei den Material- und Investitionskosten.
Der Abstand der Dichtungen ist vorzugweise abhängig vom Betriebsdruck und dem Dichtungsmaterial, sowie dem Material der Wand.
In die iterative Berechnung fließen zudem Vergleichsspannungen oder Schwingbreiten aus den üblichen Normen zur Auslegung von Druckbehältern oder die Wandstärke des Konstantdruckspeichers mit ein.
Bei einem Betriebsdruck von 300 bis 900 bar kann je nach Größe des Konstantdruckspeichers und somit dessen Wandstärke und auch aus dem Durchmesser des Trennkolbens der bevorzugte Abstand der Dichtungen innerhalb des Dichtsystems berechnet werden.
Der Abstand der Dichtungen ist bevorzugt zwischen 2 und 4 cm, insbesondere 2,5 bis 3,5 cm und bevorzugt 3 cm.
Im Gasbereich befindet sich als Gas bevorzugt Wasserstoff, Erdgas, Stickstoff, Sauerstoff oder Helium. Die Vorrichtung ist jedoch auch für die Speicherung von Spezialgasen wie Argon, Fluor oder Bortrifluorid geeignet.
Im Flüssigkeitsbereich wird als Flüssigkeit vorzugsweise Öl, Wasser, Glyzerin oder eine schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeit, welche Wasser und Polyglykol enthalten kann, oder eine mineralölbasierte Hydraulikflüssigkeit verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Figur erläutert werden. Es zeigt:
1: Schematische Darstellung eines Konstantdruckspeichers mit Kurvenverlauf der Spannung aufgetragen gegen die Länge des Konstantdruckspeichers.
1 zeigt schematisch einen Konstantdruckspeicher 4 mit einem Flüssigkeitsbereich 1 und einem Gasbereich 2. Diese Bereiche werden durch den Trennkolben 3 getrennt. Der Trennkolben verfügt in diesem Ausführungsbeispiel über je eine Dichtung 5 und eine Dichtung 6. Die Dichtung 5 dichtet den Flüssigkeitsbereich 1 ab und die Dichtung 6 den Gasbereich 2. Zwischen der Dichtung 5 und der Dichtung 6 wird so der Zwischenraum 7 ausgebildet.
Zusätzlich zeigt 1 den Kurvenverlauf der Spannung S, welche in der Wand des Konstantdruckspeichers 4 herrscht, aufgetragen über die Länge des Konstantdruckspeichers.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dichtungsabstand A so gewählt, dass die Spannung S in der Wand, innerhalb des Zwischenraum 7 nur 25% geringer ist als in der Wand außerhalb des Zwischenraums. Dadurch können die Lastwechsel bei der Auslegung des Konstantdruckspeichers vernachlässigt werden. Die Wartungs- und Austauschintervalle können so erhöht werden. Dies reduziert Wartungs- und Investitionskosten.
Bezugszeichenliste

1: Flüssigkeitsbereich
2: Gasbereich
3: Trennkolben
4: Konstantdruckspeicher
5: Dichtung zum Flüssigkeitsbereich
6: Dichtung zum Gasbereich
7: Zwischenraum
A: Dichtungsabstand
L: Länge
S: Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015051894 [0005]

Claims

Verfahren zur Trennung eines ersten Bereiches, einem Gasbereich (2), von einem zweiten Bereich, einem Flüssigkeitsbereich (1), in einem Konstantdruckspeicher (4), mit einem beweglichen Trennkolben (3) dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkolben (3) – mindestens eine erste Dichtung (6) aufweist, um den Gasbereich von einem Zwischenraum (7) abzutrennen, und – mindestens eine zweite Dichtung (5) umfasst, um den Flüssigkeitsbereich von einem Zwischenraum (7) abzutrennen und dass – der Druck im Zwischenraum (7) dem Umgebungsdruck entspricht und im ersten und zweiten Bereich des Konstantdruckspeichers (4) einem Betriebsdruck zwischen 300 und 900 bar entspricht und – dass der Abstand zwischen den Dichtungen (5, 6) so berechnet wird, dass eine Spannung (S) in der Wand des Konstantdruckspeichers (4) im Zwischenraum (7) maximal zwischen 0 und 25% geringer ist als in der Wand im ersten (2) oder zweiten Bereich (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Gasbereich (2) als Gas Wasserstoff, Erdgas, Stickstoff, Sauerstoff oder Helium befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Flüssigkeitsbereich (1) als Flüssigkeit Öl, Wasser, Glyzerin oder eine schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeit, welche Wasser und Polyglykol enthalten kann, oder eine mineralölbasierte Hydraulikflüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Dichtungen (5, 6) vom Betriebsdruck und dem Dichtungsmaterial, sowie dem Material der Wand abhängig ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Dichtungen (5, 6) zwischen 2 und 4 cm, insbesondere 2,5 bis 3,5 cm und bevorzugt 3 cm ist.