DE10218678B4

DE10218678B4 - Verfahren für ein Gasbetankungssystem und Vorrichtung zum Befüllen eines Druckgasbehälters

Info

Publication number: DE10218678B4
Application number: DE10218678A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Rachner; Nobert Dipl.-Ing. Scholz; Klaus Dipl.-Ing. Bäumer; Herbert Dr.-Ing. Wiegand
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2022-04-27
Also published as: DE10218678A1

Abstract

Verfahren für ein Gasbetankungssystem zum schnellen Umfüllen von Gasen, von einem unter Druck stehenden Vorratsbehälter (10) in einen Druckgasbehälter (30) dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nach dem Verlassen des Vorratsbehälters (10) und vor dem Eintritt in den Druckgasbehälter (30) unter Ausnutzung des zwischen dem Vorrats- (10) und dem Druckgas-Behälter (30) vorliegenden Druckunterschiedes in einem geregelten Wirbelrohr (20) gekühlt wird, wobei die Gastemperatur derart bemessen wird, dass am Ende des Befüllvorgangs bei Vorhandensein einer definierten Gesamt-Gasmasse (m_Z) im Druckgasbehälter der Druck (p₃₀) im Druckgasbehälter (30) einen unter dem Druck des Vorratsbehälters (10) liegenden Grenzdruck erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Gasbetankungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum schnellen Umfüllen von Gasen wie Erdgas, Methan oder ähnlichen Gasen sowie außerdem z.B. von Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Luft oder Wasserstoff unter hohem Druck, wie es z.B. beim schnellen Betanken eines mit Erdgas betriebenen Kraftfahrzeugs aus einem Vorratsbehälter benötigt wird, sowie eine Vorrichtung zum Befüllen eines Druckgasbehälters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

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 die 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 197 05 601 A1 beschreibt ein Erdgas-Betankungsverfahren ohne Kühlung des Gases, bei dem der Betankungsvorgang des Druckgasbehälters solange durchgeführt wird, bis der Druck in der Leitung zum Druckgasbehälter einen Höchstdruck überschreitet. Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass der Betankungsvorgang abgebrochen wird, wenn der Massenstrom einen Grenzwert unterschreitet.

WO 97/06383 A1 beschreibt ein Gas-Ladesystem für Hochdruckflaschen. Die Kühlung des Gases erfolgt hier durch Spülung der zu füllenden Hochdruckflasche, wodurch zwei Anschlüsse für Vor- und Rücklauf benötigt werden. Im Spülkreislauf wird das Gas durch einen Wärmetauscher oder durch Vermischen mit dem Gas im Vorratsbehälter gekühlt.

EP 0 653 585 A1 gibt ein System zur Betankung eines Druckgasbehälters an. Darin wird die Durchführung eines Prüfstoßes beschrieben und zu dessen Auswertung die thermische Zustandsgleichung für das reale Gas herangezogen. Es wird auch ein Umschalten auf Vorratsbehälter mit höherem Druck (Mehrbankbetrieb) während der Betankung beschrieben. Der Betankungsvorgang erfolgt intermittierend. Es ist keine Kühlvorrichtung für das Gas vorgesehen.

In DE 196 21 908 A1 ist ein Verfahren zur Trocknung von Gas, insbesondere Erdgas, beschrieben, bei dem das Gas einem Wirbelrohr zugeführt wird, in dem es in einem rotationssymmetrischen Zentrifugalfeld in eine turbulente Strömung versetzt wird, wobei sich aufgrund des Hilsch-Effektes ein Warmgas- und ein Kaltgasstrom bilden, die getrennt abgeführt werden.

DE 35 15 221 A1 beschreibt eine Auftankeinrichtung für Gasbrennstoff, in welcher das Gas verdichtet und anschließend auf Umgebungstemperatur gekühlt wird. Der Gaskühler ist eine übliche Kühlschlange.

US 56 11 845 A beschreibt ein System zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft, bei dem ein Wärmetauscher benutzt wird, der eine Wirbelkammer enthält, welche einen Warmluftauslass- und einen Kaltluftauslass bildet.

In „Ki Luft- und Kältetechnik" 2/1997, S. 57–60, Keller, H. et. al., „Die Thermodrossel: Eine Anlage zur Entspannung komprimierter Flüssigkeiten unter Wärmabgabe", ist die Entspannung von Flüssigkeiten in Wirbelrohren nach Ranque und Hilsch beschrieben. Durch Teilentspannung der Flüssigkeit wird Arbeitsmitteldampf erzeugt, der in dem Wirbelrohr vollständig entspannt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine Unterfüllung des Druckgasbehälters nach Möglichkeit vermieden und eine Überfüllung ausgeschlossen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bei durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für ein Gasbetankungssystem wird Gas in einem Vorratsbehälter unter hohem Druck (z.B. 250 bar für Erdgasbetankung) gespeichert. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt zeitliche Änderungen von Druck und Temperatur im Vorratsbehälter während des Befüllvorgangs, wie sie z.B. infolge des Gasentnahmevorgangs oder durch Umschalten auf andere Vorratsbehälter (z.B. beim Mehrbankbetrieb) auftreten können. Besteht zu Beginn des Befüllvorgangs typischerweise ein hohes Druckverhältnis zwischen dem Vorratsbehälter und dem zu füllenden Druckgasbehälter, so kommt es bei Erdgas durch den Joule-Thomson-Effekt zunächst zu einer Temperaturabnahme des Gases im Druckgasbehälter. Mit abnehmendem Druckverhältnis während des Befüllvorgangs verringert sich der Joule-Thomson-Effekt und damit auch die Temperaturabnahme des in den Druckgasbehälter einströmenden Gases, so dass es durch die Einschiebearbeit schließlich zu einer Temperaturzunahme im Druckgasbehälter kommt.

Die Erfindung verwendet ein Wirbelrohr als Kühlvorrichtung. Das Wirbelrohr nutzt den bestehenden hohen Druckunterschied im Betankungssystem aus, um den Gasstrom in einen Heißgasstrom und einen Kaltgasstrom zu teilen. Letzterer wird dem Druckgasbehälter zugeführt. Das Wirbelrohr ist von kompakter Bauart und enthält keine beweglichen Teile. Es bildet eine einfache und kostengünstige regelbare Kühlvorrichtung, deren Kühlwirkung durch Drosselung des Heißgasstroms geregelt wird.

Gemäß der Erfindung wird das Gas nach der Ermittlung des Anfangszustands im Druckgasbehälter ohne Unterbrechung eingefüllt, wobei eine Regelung der Kühlung des dem Druckgasbehälter zuzuführenden Gases mit dem Ziel erfolgt, dass am Ende des Befüllvorgangs bei Vorhandensein einer definierten Gesamt-Gasmasse im Druckgasbehälter der Druck darin einen unter dem Druck des Vorratsbehälters liegenden Grenzdruck gerade erreicht. Dieser Grenzwert liegt beispielsweise 20 bar unter dem Druck im Vorratsbehälter. Die Gesamt-Gasmasse ist diejenige Gasmasse, die der Druckgasbehälter aufnehmen soll. Wenn am Schluss des Befüllvorgangs der Druckgasbehälter die Gesamt-Gasmasse enthält, und sich darin genau der Grenzdruck eingestellt hat, liegt einerseits eine vollständige Befüllung vor, andererseits wurde aber auch eine zu starke Kühlung des Gases (Energieverschwendung) vermieden.

Nach Ermittlung des Anfangszustands des Gases im Druckgasbehälter durch einen Prüfstoß erfolgt eine Phase der kontinuierlichen Befüllung mit Kühlung des einströmenden Gases. Dabei werden in kurzen Zeitabständen Druck und Temperatur des Gasstroms sowie die eingefüllte Masse gemessen und dem Betankungsrechner übergeben. Ein Rechenprogramm, dem die Zusammensetzung der Charge des einzufüllenden Gases und die Charakteristik des Wirbelrohres in einer Datei des Betankungsrechners vorliegt, prüft dann aufgrund dieser Messgrößen nach jedem Zeitschritt, ob bei Mehrbankbetrieb ein Umschalten auf einen Vorratsbehälter mit höherem Druck erforderlich ist und vor allem, ob im nächsten Zeitschritt eine Kühlung erforderlich ist oder nicht, um schliesslich vollständige Befüllung des Druckgasbehälters ohne unnötig starke Kühlung zu erreichen. Falls die Kühlung erforderlich ist, errechnet der Betankungsrechner zudem aus den aktuellen Betriebsparametern und der abgespeicherten Charakteristik des Wirbelrohres die für eine optimale Kühlwirkung derzeit erforderliche Stellung des Regelventils, mit welchem der Heißgasmassenstrom und damit die Kühlwirkung des Wirbelrohres beeinflußt wird. Die vom Rechenprogramm zu jedem Zeitschritt erneut vorgenommene Prüfung berücksichtigt Änderungen des Zustands im Vorratsbehälter als auch die Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme des Gases, wie sie sich aus den Messwerten der vorangegangenen Zeitschritte errechnet. Dadurch entfallen in dem Rechenprogramm, das auf dem Betankungsrechner installiert ist, Wärmedurchgangsberechnungen durch die Gaszuleitungen und die Druckgasbehälterwände, sodass Angaben zum Werkstoff sowie zur Konstruktion und Einbauweise für den Druckgasbehälter nicht benötigt werden. Lediglich der Volumeninhalt des Druckgasbehälters muss bekannt sein. Er wird vor Beginn des Betankungsvorgangs durch Datenübertragung dem Betankungsrechner mitgeteilt, beispielsweise per Chipkarte, drahtloser Infrarot- oder Bluetooth-Technik. Das Betankungsverfahren erfordert keine konstruktiven Änderungen an üblichen Druckgasbehältern, insbesondere sind keine Messstellen für Druck und Temperatur im Druckgasbehälter selbst nötig.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Daran schließt sich dann eine Beschreibung des Betankungsverfahrens an.
Es zeigt:
1 einen schematischen Überblick über das Gasbetankungssystem,
2 einen schematischen Überblick über das Gasbetankungssystem bei Verwendung mehrerer umschaltbarer Vorratsbehälter, und
3 einen Längsschnitt durch das Wirbelrohr.
Das in 1 dargestellte Gasbetankungssystem besteht im Wesentlichen aus einem Vorratsbehälter 10, von dem eine Entnahmeleitung 1 abgeht, einem Magnetventil 14 zum Absperren der Entnahmeleitung 1, einem Wirbelrohr 20 als Kühlvorrichtung mit darin befindlicher Drosselstelle 31, einem Regelventil 41, zwei Druckmesseinrichtungen 15 und 32, zwei Temperaturmesseinrichtungen 16 und 33, einem Massenstromzähler 34 und dem zu füllenden Druckgasbehälter 30. Der Massenstromzähler 34 dient zur Bestimmung der eingefüllten Gasmasse, und kann z.B. ein Corioliszähler sein.
Das Gas wird über die Entnahmeleitung 1 in das Wirbelrohr geführt. Im Wirbelrohr erfolgt eine Trennung des eintretenden Gasstroms in einen Kaltgas- und einen Heißgasstrom. Das Kaltgas strömt von dem Kaltgasauslass 20-1 des Wirbelrohres dem Druckgasbehälter 30 zu.
Der , Heißgasstrom aus dem Heißgasauslass 20-2 des Wirbelrohres wird durch eine Heißgasleitung 4, das Regelventil 41, die Gasleitung 6, die Druckmesseinrichtung 61, den Ausgleichbehälter 62, den Kühler 63 und den Verdichter 64 wieder in den Vorratsbehälter 10 zurückgefördert. Das in der Heißgasleitung 4 angeordnete Regelventil 41 dient zur Regelung der Kühlwirkung des Wirbelrohres, da sich mit der Änderung des heißgasseitigen Massendurchflusses die Temperatur des Kaltgases in weiten Grenzen variieren lässt. Die mit dem Versorgungsnetz verbundene Gasleitung 5 dient zur Versorgung des Vorratsbehälters 10 und kann von dem Gasbetankungssystem mit dem Absperrventil 51 getrennt werden. Durch das Rückschlagventil 52 wird vermieden, dass während des Betankungsvorgangs das unter höherem Druck stehende Heißgas in die Gasleitung 5 des Versorgungsnetzes einströmt. Die Heißgasleitung 4 und die Versorgungsleitung 5 sind mit der Einlassleitung 6 des Vorratsbehälters 10 verbunden. Die Druckmesseinrichtung 61 dient zur Messung des Gegendrucks stromab des Regelventils 41. Der Behälter 62 in der Einlassleitung 6 dient zum Druckausgleich. Sowohl das aus dem Wirbelrohr 20 ausströmende Heißgas als auch das aus dem Gasversorgungsnetz entnommene Gas werden mit dem in der Einlassleitung 6 vorgesehenen Hubkolbenverdichter 64 auf den im Vorratsbehälter 10 zulässigen Druck von z.B. 250 bar gebracht und in den Vorratsbehälter geleitet. Ein zusätzlicher Verdichter einschließlich Ausgleichbehälter und Kühler für den Heißgasstrom entfällt also.
Um den räumlichen Abstand zwischen dem Wirbelrohr 20 und dem Druckgasbehälter 30 möglichst gering zu halten, sind das Magnetventil 14, das Wirbelrohr 20, das Regelventil 41, die Messeinrichtungen 15, 16, 32 und 33 für Druck und Temperatur, sowie der Massenstromzähler 34 in der Tanksäule 100 untergebracht.
2 zeigt eine Variante des Gasbetankungssystem bei Verwendung mehrerer (hier drei) umschaltbarer Vorratsbehälter 10a, 10b, 10c. Der Vorratsbehälter 10a ist derjenige mit dem niedrigsten Druck. Die drei Magnetventilen 13a, 13b, 13c dienen dazu, die Entnahmeleitung 1 mit dem jeweils benötigten Vorratsbehälter zu verbinden. Die Umschaltung dieser Ventile wird durch den Betankungsrechner gesteuert. Mit Ausnahme des Vorratsbehälters mit dem niedrigsten Druck verfügen die Vorratsbehälter über Messeinrichtungen für Druck 11b, 11c und Temperatur 12b, 12c. Diese dienen dazu, dem Betankungsrechner bereits zu einem Zeitpunkt, an dem der betreffende Vorratsbehälter noch nicht mit der Entnahmeleitung 1 verbunden ist, eine gute Näherung für den später nach Umschaltung auf diesen Vorratsbehälter an der Messstelle A herrschenden Versorgungszustand des Gases (p^A,T^A) zu liefern. Diese Information wird nämlich vom Betankungsrechner benötigt, da er während der Betankung den noch ausstehenden Betankungsverlauf bis zum Füllende simuliert. Die Rückführung des Heißgases ist in 2 der Einfachheit halber nur in den Vorratsbehälter 10a mit dem niedrigsten Druck gezeigt, doch ist auch eine gesteuerte, umschaltbare Rückführung in die anderen Vorratsbehälter möglich, beispielsweise in den Vorratsbehälter, dessen Druck am wenigsten über dem derzeitigen Druck an der Messeinrichtung 61 liegt.
3 zeigt das Wirbelrohr 20, das im vorliegenden Fall nach dem Gegenstrom-Verfahren funktioniert und entsprechend dem Patent US 32 08 229 ausgebildet ist. Durch die Entnahmeleitung 1 gelangt die Gasströmung 21 in den Drallkörper 22, dessen funktionell wesentliche Teile der Sammelraum 23, die Einströmdüsen 24 und die Lochblende 25 bilden. Die Drosselstelle 31 (s. 1) mit dem engsten durchströmten Querschnitt zwischen Vorratsbehälter und Druckgasbehälter wird von den Einströmdüsen 24 des Wirbelrohres gebildet. Aus den Einströmdüsen gelangt das Gas nahezu bei Schallgeschwindigkeit als Drallströmung in das zentrale Rohr 20a des Wirbelrohres 20, in dem die Trennung in einen Kalt- und einen Heißgasstrom erfolgt. Über die Lochblende 25, die sich auf der Einströmseite des zentralen Rohrs 20a befindet, wird der kalte Kern des sich ausbildenden Wirbels als Kaltgasströmung 26 abgenommen und über die Rohrleitung 3 dem Druckgasbehälter 30 zugeführt. Am gegenüberliegenden Ende des zentralen Rohrs 20a ist dieses am Umfang mit Schlitzen 27 versehen. Diese sind so geformt, dass sie die Strömung ohne große Strömungsverluste in den Sammelraum 28 ableiten. Von dem Sammelraum 28 wird die Heißgasströmung 29 über die Rohrleitung 4 abgeführt.
Nach der Beschreibung der Betankungsvorrichtung erfolgt nun eine Beschreibung des Betankungsverfahrens. Es gliedert den Betankungsvorgang in zwei zeitlich nacheinander ablaufende Phasen: 1.) Prüfstoß, 2.) kontinuierliche Betankung mit geregelter Kühlung. Diese Phasen werden nun skizziert.
Im Folgenden bedeuten der Index "0" den Anfangszustand des Gases (das ist der Zustand des Gases vor dem Prüfstoß), der Index "1" den Zustand des Gases nach dem Prüfstoß, der Index "T" den Zustand des Gases im Druckgasbehälter 30, die Indizes "A" und "B" den Zustand des Gases an der Messstelle A bzw. B. Der Zustand an der Messstelle A stellt den Zustand des Gases dar, mit der die Tanksäule versorgt wird (Versorgungszustand). Der Zustand an der Messstelle B stellt den Zustand des Kaltgases vor Eintritt in den Druckgasbehälter 30 dar. Der Index "G" bezeichnet den Zustand an der Messeinrichtung 61, mit welcher der heißgasseitige Gegendruck stromab des Regelventils 41 gemessen wird.
Phase 1: Prüfstoß
Der Betankungsvorgang beginnt stets mit einem Prüfstoß. Der Prüfstoß dient zur näherungsweisen Ermittlung des Anfangszu stands, nämlich Restgasmasse m T / 0, Druck p T / 0 und Temperatur T T / 0 im Druckgasbehälter.
Beim Prüfstoß wird eine definierte kleine Gasmasse Δm über die Entnahmeleitung 1, das Wirbelrohr 20 und die Gasleitung 3 in den Druckgasbehälter eingefüllt. Der Druck p T / 0 vor und p T / 1 nach dem Einfüllen wird zusammen mit der einzufüllenden Gasmasse Δm an der Messstelle B gemessen. Der Heißgasauslaß 20-2 des Wirbelrohres muss hierzu durch das Regelventil 41 abgesperrt sein.
Durch Lösen der thermischen Zustandsgleichung: pT0 ·VT = mT0 ·R·TT0 ·Z(TT0 ,pT0 ) (1.1) pT1 ·VT = (mT0 + Δm)·R·TT1 ·Z(TT1 ,pT1 ) (1.2)und mit der Annahme einer isothermen Zustandsänderung im Druckgasbehälter: TT1 = TT0 (1.3)für das Realgas im Druckgasbehälter vor (Index "0") und nach (Index "1") dem Prüfstoß lässt sich die Restgasmasse m T / 0 und ihre Anfangstemperatur T T / 0 errechnen, da der Volumeninhalt V^T des Druckgasbehälters dem Betankungsrechner per Datenübertragung mitgeteilt wurde. Z ist der Realfaktor, der durch eine Realgasgleichung (z.B. die Lee-Kesler-Gleichung) bestimmt wird, und R ist die individuelle Gaskonstante des einzufüllenden Gases.
Würde man darauf verzichten, den Volumeninhalt V^T dem Betankungsrechner mitzuteilen, so muss V^T anstatt T T / 0 aus dem Prüfstoß errechnet werden. Die Anfangstemperatur T T / 0 im Druckgasbehälter muss dann entweder gemessen werden, wozu jedoch übliche Druckgasbehälter und Füllkupplungen nicht eingerichtet sind, oder T T / 0 muß geschätzt werden (z.B. Umgebungstemperatur), was jedoch zu einer zu ungenauen Bestimmung des Volumeninhalt V^T führt, worauf bereits in EP 0 653 585 A1 hingewiesen wird.
Der Wert der Gesamt-Gasmasse m_Z im Druckgasbehälter bei vollständiger Befüllung bzw. die insgesamt einzufüllende Gasmasse ( m_Z – m T / 0 ) wird dem Betankungsrechner entweder explizit vorgegeben, oder m_Z liegt implizit fest, z.B. durch Vorgabe eines Druckes p_ref der im Druckgasbehälter bei einer vorgegebenen Bezugstemperatur T_ref dort herrschen soll (z.B. p_ref = 200 bar, T_ref = 15°C bei Erdgas). Im letzteren Fall errechnet der Betankungsrechner die Gesamt-Gasmasse m_Z aus der thermischen Zustandsgleichung für das einzufüllende Gas:
Damit liegt die insgesamt einzufüllende Gasmasse (m_Z – m T / 0) fest.
Phase 2: kontinuierliche Betankung mit geregelter Kühlung
Während dieser Phase wird kontinuierlich das dem Vorratsbehälter 10 von der Entnahmeleitung 1 entnommene Gas über das geöffnete Magnetventil 14 dem Wirbelrohr 20 zugeführt. Das Gas strömt dann durch das Wirbelrohr 20 mit den als Drosselstelle 31 ausgebildeten Einströmdüsen 24 hindurch und teilt sich in einen Kaltgas- und einen Heißgasstrom. Das Kaltgas gelangt über die Gasleitung 3 in den Druckgasbehälter 30.
Eine vorteilhafte Regelung der Kühlung durch das Wirbelrohr muß folgende Eigenarten des Wirbelrohres berücksichtigen:

a) Beim Wirbelrohr ergibt sich die resultierende Temperaturabsenkung des Kaltgasstroms gegenüber dem eintretenden Gasstrom sowohl als Folge des Joule-Thomson-Effekts infolge der Drosselung des realen Gases in den Einströmdüsen 24 des Wirbelrohres als auch des dem Wirbelrohr eigenen Ranque-Hilsch-Effekts. Nur letzterer verursacht die aktive Kühlwirkung des Wirbelrohres, d.h. entzieht dem Gas Wärme. Die aktive Kühlwirkung nimmt mit steigendem Druckverhältnis zwischen Druckgasbehälter und Vorratsbehälter ab und verschwindet schließlich im Grenzfall eines Druckverhältnisses von Eins. Auch die Temperaturänderung durch den Joule-Thomson-Effekt wird dann Null.
b) Das Wirbelrohr arbeitet solange mit gutem Wirkungsgrad, wie die Strömungsgeschwindigkeit in den Einströmdüsen 24 des Wirbelrohres Schallgeschwindigkeit erreicht oder zumindest noch im hohen Unterschallbereich liegt. Darunter verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Wirbelrohres zusehends. Mit dem Wirbelrohr ist also eine aktive Kühlung dann nicht mehr sinnvoll möglich, wenn das Druckverhältnis zwischen Druckgasbehälter und Vorratsbehälter einen oberen Grenzwert überschreitet, der oberhalb des kritischen Druckverhältnisses des realen Gases liegt. Durch rechtzeitiges Umschalten auf einen Vorratsbehälter mit höherem Vorratsdruck (Mehrbankbetrieb) läßt sich dies vermeiden. Ein solcher Mehrbankbetrieb verursacht jedoch erhöhte Kosten.
c) Die aktive Kühlwirkung des Wirbelrohres läßt sich durch Drosseln des Heißgasstroms mittels des Regelventils 41 steuern. Völliges Schließen des Regelventils bedeutet ein Ausschalten der aktiven Kühlwirkung, wohingegen die Drosselstellung für maximale Temperaturabsenkung vom Eintrittszustand des Gases in das Wirbelrohr, dem Gegendruck stromab des Regelventils, der Gaszusammensetzung und insbesondere vom Druckverhältnis zwischen Druckgasbehälter und Vorratsbehälter abhängt. Diese Funktion läßt sich für ein gegebenes Wirbelrohr experimentell ermitteln.

Aus den genannten drei Punkten ergibt sich, das Wirbelrohr während des Betankungsvorgangs vorteilhaft von Anfang an mit möglichst hoher Kühlwirkung zu betreiben (denn diese läßt im Verlauf der Befüllung zunehmend nach und verläuft schließlich mit schlechtem Wirkungsgrad) und die aktive Kühlung schließlich auszuschalten, falls sich zeigt, dass eine weitere aktive Kühlung entweder nicht mehr sinnvoll möglich ist (schlechter Wirkungsgrad), oder für das Erreichen der vollständigen Befüllung nicht mehr nötig ist. „Möglichst hohe Kühlwirkung" bedeutet jedoch nicht unbedingt die Verwendung der unter c) genannten Drosselstellung des Regelventils 41 für maximale Temperaturabsenkung. In die Ermittlung einer optimalen Stellung φ des Regelventils während des Befüllvorgangs können z.B. noch Wirkungsgradüberlegungen zum Betankungssystem oder die Vermeidung von Kondensation oder Hydratbildung infolge extrem niedriger Kaltgastemperaturen einfließen. Es ist jedenfalls möglich, eine Stellung φ des Regelventils für möglichst hohe Kühlwirkung als Funktion der Betriebsparameter anzugeben:
Diese Abhängigkeit kann dem Betankungsrechner (z.B. in Form einer Tabelle auf einer Datei oder als Unterprogramm) für ein gegebenes Wirbelrohr mitgeteilt werden.
Die vorangegangenen Überlegungen lassen sich wie folgt in eine vorteilhafte Regelung des kontinuierlichen Befüllvorgangs umsetzen: Ab Beginn des kontinuierlichen Befüllvorgangs werden in kurzen Zeitabständen (die nicht notwendig alle gleichlang sein müssen) am Ende jedes dieser Zeitschritte i (=1,2,3,...) die Messwerte T A / i+1, p A / i+1, T B / i+1, p B / i+1, m T / i+1, p G / i+1 gemessen. Die Gasmasse im Druckgasbehälter m T / i+1 ist hierbei die Summe aus der aus dem Prüfstoß ermittelten Restgasmasse m T / 0 im Druckgasbehälter und der mit dem Massenstromzähler 34 gemessenen bereits eingeströmten Gasmasse. Bei einem Mehrbankbetrieb kommen noch die Messwerte von Druck und Temperatur an den Vorratsbehältern (Messeinrichtungen 11b, 12b, 11c, 12c) hinzu.
Die Indizes "T", "G", "A" und "B" bezeichnen den Zustand im Druckgasbehälter 30, an der Messeinrichtung 61 bzw. an den Messstellen A und B. Der Index "i" bezeichnet den Zustand am Beginn des i-ten Zeitschritts; der Index "i+1" bezeichnet also den Zustand am Beginn des nachfolgenden, d.h. am Ende des i-ten Zeitschritts.
Der Betankungsrechner prüft zu Beginn jedes neuen Zeitschritts i+1 als erstes, ob das Füllende erreicht ist. Das Füllendekriterium ist weiter unten beschrieben (Gl.(2.2) bis (2.4)). Ist das Füllende noch nicht erreicht, so prüft der Betankungsrechner als nächstes, ob das derzeit herrschende Druckverhältnis p B / i+1/p A / i+1 einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat, der oberhalb des kritischen Druckverhältnisses des realen Gases liegt. Ergibt sich, dass p B / i+1/p A / i+1 über dem Grenzwert liegt, so veranlasst der Betankungsrechner, dass – falls vorhanden – auf den Vorratsbehälter mit dem nächsthöheren Vorratsdruck umgeschaltet wird (Mehrbankbetrieb), wodurch das Druckverhältnis p B / i+1/p A / i+1 wieder sinkt, oder aber der Betankungsrechner schließt das Regelventil 41, weil eine weitere aktive Kühlung durch das Wirbelrohr bei diesem hohen Druckverhältnis nicht mehr sinnvoll möglich ist.
Hat sich jedoch ergeben, dass eine weitere aktive Kühlung sinnvoll möglich ist – dies ist der Normalfall – , wird nun als nächstes vom Betankungsrechner geprüft, ob sich ab dem anstehenden neuen Zeitschritt i+1 vollständige Befüllung des Druckgasbehälters ohne aktive Kühlung des Gases im Wirbelrohr erreichen läßt. Diese Prüfung geschieht durch numerische Simulation des noch ausstehenden Betankungsverlaufs bis zum Füllende ohne aktive Kühlung. Entsprechend dem Ergebnis dieser Simulation, die weiter unten näher beschrieben ist, wird dann das Gas im i+1-ten Zeitschritt entweder mit oder ohne aktive Kühlung durch das Wirbelrohr geleitet. Diese Vorgehensweise wird meist zu einem Betankungsverlauf führen, bei dem solange gekühlt wird, bis ab einem gewissen Zeitpunkt keine weitere Kühlung mehr nötig ist, weil die bis dahin erfolgte Kühlung eine ausreichend niedrige Temperatur im Druckgasbehälter zur Folge hatte.
Hat die numerische Simulation ergeben, dass während des i+1-ten Zeitschritts gekühlt werden soll, ist es möglich, hierbei die Charakteristik des Wirbelrohres zu berücksichtigen, indem der Betankungsrechner eine für den i+1-ten Zeitschritt optimale Drosselstellung φ_i+1 des Regelventils 41, die zu einer möglichst hohen Kühlwirkung führt, aus den aktuellen Werten der Betriebsparameter errechnet und vorgibt:
Es sei hier angemerkt, dass das Regelventil 41 vereinfachend auch durch eine (oder auch mehrere umschaltbare) fest eingestellte Drossel(n) und mindestens ein Magnetventil (letzteres um den Heißgasauslass absperren zu können) ersetzt sein kann. Bei nur einer fest eingestellten Drossel entfällt die Berechnung einer Drosselstellung φ_i+1. Dann wird der Druck p G / i+1 und damit die Messeinrichtung 61 nicht gebraucht.
Der Betankungsvorgang und damit die Folge der Zeitschritte i wird bis zum Füllende fortgesetzt, d.h. bis entweder die vorgegebene Gesamt-Gasmasse m_Z im Druckgasbehälter erreicht ist: mTi+1 ≥ mZ (2.2)oder bis der am Ende des i-ten Zeitschritts gemessene Druck p B / i+1 einen oberen Grenzwert p T / end erreicht ppBi+1 ≥ pTend (2.3)
Letzterer Fall bedeutet, dass unter den gegebenen Randbedingungen keine vollständige Befüllung erreicht werden konnte. Der obere Grenzwert p T / end für den Druck im Druckgasbehälter bei Füllende ergibt sich aus der Forderung, dass er einen durch technische Vorschriften oder Festigkeitsgrenzen vorgegebenen Maximaldruck p_zul nicht überschreiten darf, und außerdem für eine schnelle Befüllung auch bei Füllende noch eine hinreichend große treibende Druckdifferenz Δp_min (z.B. 20 bar) gegenüber dem Versorgungsdruck p^A zur Verfügung stehen soll: pTend = min(pAi+1 – ΔPmin, pzul) (2.4)
Die Drosselstelle 31, die von den Einströmdüsen 24 des Wirbelrohres gebildet wird, ist als engster Querschnitt zwischen Vorratsbehälter und Druckgasbehälter ausgelegt. Außerdem ist der Leitungsquerschnitt zwischen dem Kaltgasauslass des Wirbelrohres und dem Druckgasbehälter so groß dimensioniert, dass der Druckabfall zwischen Kaltgasauslass und Druckgasbehälter während der Befüllung klein ist gegenüber dem Druck am Kaltgasauslass. Dadurch ist beim Befüllen der Druck p^T im Druckgasbehälter als gemessener Druck p^B des einströmenden Gases an der Messstelle B zugänglich, ohne den Befüllvorgang hierzu unterbrechen zu müssen: pT = pB (2.5)
Die Kenntnis des Drucks im Druckgasbehälter erlaubt bei der vom Betankungsrechner vorgenommenen numerischen Simulation des Betankungsvorgangs eine Berücksichtigung des realen Wärmeübergangs an das Gas im Druckgasbehälter. Denn die Abweichung des gemessenen Druckwerts p^B nach jedem Zeitschritt i von dem Druck, der sich im adiabaten Fall im Druckgasbehälter nach dem Zeitschritt einstellen würde, rührt daher, dass das Gas während des Zeitschritts mit der Wandung Wärme ausgetauscht hat. Diese Wärmemenge ΔQ_i lässt sich exakt berechnen (siehe Gl.(2.8)). Sie geht ebenso in die numerische Simulation ein, wie die durch Extrapolation geschätzte Wärmemenge, die das Gas im Druckgasbehälter im noch verbleibenden Zeitraum vom Ende des i-ten Zeitschritts bis zum Füllende mit der Wandung austauschen wird. In der numerischen Simulation des Betankungsvorgangs wird somit der reale Wärmeaustausch des Gases mit der Wandung um so genauer berücksichtigt, je weiter der Betankungsvorgang vorangeschritten ist, weil die Extrapolation genauer wird.
Der Betankungsrechner prüft also – wie oben schon gesagt – nach jedem Zeitschritt i durch numerische Simulation, ob sich ab dem anstehenden neuen Zeitschritt i+1 eine vollständige Befüllung des Druckgasbehälters ohne aktive Kühlung des Gases im Wirbelrohr erreichen läßt. Im Einzelnen geschieht dies so: Zuerst wird die Temperatur T T / i+1 des Gases im Druckgasbehälter am Ende des i-ten Zeitschritts, und die während des i-ten Zeitschritts vom Gas im Druckgasbehälter mit der Wandung ausgetauschte Wärmemenge ΔQ_i (ΔQ positiv gezählt, wenn dem Gas Wärme zugeführt wird) vom Betankungsrechner ermittelt: Berücksichtigt man, dass wegen Gl.(2.5): pTi+1 = pBi+1 ; pTi = pBi (2.6)ist, so errechnet sich T T / i+1 iterativ aus der thermischen Zustandsgleichung für das Gas im Druckgasbehälter am Ende des i-ten Zeitschritts: pTi+1 ·VT = mTi+1 ·R·TTi+1 ·Z(TTi+1 ,pTi+1 ) (2.7)und ΔQ_i aus der Energiebilanz des Gases im Druckgasbehälter für den i-ten Zeitschritt: mTi+1 ·u(TTi+1 , pTi+1 ) – mTi ·u(TTi , pTi ) = (mTi+1 – mTi )·h(Tin, pin) + ΔQi (2.8)mit dem mittleren Eintrittszustand in den Druckgasbehälter während des i-ten Zeitschritts: Tin := 1/2·(TBi+1 + TBi ) ; pin := 1/2·(pBi+1 + pBi ) (2.9)
Die druck- und temperaturabhängige spezifische innere Energie u und die spezifische Enthalpie h des realen Gases werden hierbei aus den entsprechenden Werten für seine chemischen Komponenten im idealen Gaszustand sowie einer Realgasabweichung, die mit der Realgasgleichung ermittelt wird, errechnet.
Nachdem T T / i+1 und ΔQ_i errechnet sind, wird nun die noch ausstehende Befüllung ohne aktive Kühlung vom Ende des i-ten Zeitschritts bis zum Füllende als eine Folge von kleinen Masseschritten k=1, 2, 3, ... simuliert, in denen jeweils eine definierte kleine Gasmasse m T / k+1 – m T / k dem Druckgasbehälter durch das Wirbelrohr 20 hindurch (rechnerisch) zugeführt wird. Da die simulierte Befüllung den Fall ausgeschalteter aktiver Kühlung wiedergeben soll, läßt sich für die Simulation das Wirbelrohr auf die darin befindliche Drossel 31, die als adiabat angenommen wird, reduzieren. Die Gasmasse m T / k+1 – m T / k muss so klein gewählt werden, dass der Druck im Druckgasbehälter, der im Verlauf der Befüllung stark ansteigt, sich während des k-ten Masseschritts jeweils nur wenig ändert. Ausgehend vom Zustand zu Beginn des ersten Masseschritts (k=1), der gerade der Zustand am Ende des i-ten Zeitschritts ist, bis zu welchem der reale Betankungsvorgang derzeit vorangeschritten ist, löst man dann die Gln.(2.14) bis (2.20) für jeden dieser Masseschritte.
Die Folge dieser rechnerischen Masseschritte wird beendet, wenn gemäß dem Füllendekriterium (Gl.(2.2) bis (2.4)) entweder die Gesamt-Gasmasse m_Z im Druckgasbehälter rechnerisch erreicht ist: mTk+1 ≥ mZ (2.10) oder wenn der am Ende des k-ten Masseschritts errechnete Druck p B / k+1 den oberen Grenzwert p T / end erreicht pBk+1 ≥ pBend (2.11) wobei: pBend = min(pAk+1 – Δpmin, pzul) (2.12) Der rechnerisch anliegende Versorgungsdruck p A / k+1 wird durch den am Ende des i-ten Zeitschritts gemessenen Versorgungsdruck p A / i+1 angenähert: pAk+1 = pAi+1 (2.13) Bei Mehrbankbetrieb muß diese Näherung modifiziert werden (siehe im Anschluß an Gl.(2.20)).
Die Erfüllung von Gl.(2.10) oder von Gl.(2.11) legt das gesuchte Ergebnis der Simulation fest: Wird die Folge der Masseschritte nämlich durch Erfüllen von Gl.(2.10) und nicht durch Gl.(2.11) beendet, so liefert die numerische Simulation das Ergebnis, dass für vollständige Befüllung keine aktive Kühlung mehr nötig ist. Enden dagegen die Masseschritte durch Erfüllen von Gl.(2.11), so ist das Ergebnis der Simulation, dass für vollständige Befüllung aktive Kühlung benötig wird.
In jedem der Masseschritte der Simulation werden folgende Gleichungen (Gl.(2.14) bis (2.20)) gelöst:
thermische Zustandsgleichung für das Gas im Druckgasbehälter am Ende des k-ten Masseschritts, welcher sich innerhalb des Zeitraums zwischen dem Ende des i-ten Zeitschritts und dem Füllende befindet: pTk+1 ·VT = mTk+1 ·R·TTk+1 ·Z(TTk+1 , pTk+1 ) (2.14)
Energiebilanz für das Gas im Druckgasbehälter für den k-ten Masseschritt: mTk+1 ·u(TTk+1 , pTk+1 ) – mTk ·u(TTk , pTk ) = (mTk+1 – mTk )·h(Tin, pin) + ΔQk (2.15)mit dem mittleren Eintrittszustand in den Druckgasbehälter während des k-ten Masseschritts:
wobei wegen Gl.(2.5): pTk+1 = pBk+1 ; pTk = pBk (2.17)
Um aus diesen Gleichungen (2.14) bis (2.17) den Druck p B / k+1 und die Temperatur T T / k+1 im Druckgasbehälter am Ende des k-ten Masseschritts iterativ errechnen zu können, muss für Gl.(2.15) bzw. (2.16) noch:

a) die Wärmemenge ΔQ_k, die während des k-ten Masseschritts vom Gas im Druckgasbehälter mit der Wandung ausgetauscht wird, durch Extrapolation geschätzt werden. Die einfachste Extrapolation ist die lineare Extrapolation der im zurückliegenden i-ten Zeitschritt ausgetauschten (in Gl.(2.8) exakt berechneten) Wärmemenge ΔQ_i:
b) die Joule-Thomson-Temperatur T B / JT,k+1 am Ende des k-ten Masseschritts ermittelt werden. Es ist die Temperatur, die sich bei adiabater Drosselung des Gases vom Zustand T A / k+1, p A / k+1 auf den Druck p B / k+1 einstellt. Anders ausgedrückt, es ist die Temperatur, die sich bei ausgeschalteter aktiver Kühlung durch das Wirbelrohr 20 am Kaltgasauslass näherungsweise einstellt. Man erhält diese Temperatur durch iteratives Lösen einer Energiebilanz für die adiabate Drossel 31 zum Zeitpunkt des Endes des k-ten Masseschritts: h(TBJT,k+1 , pBk+1 ) = h(TAk+1 , pAk+1 ) (2.19) Die beiden spezifischen Enthalpien in Gl.(2.19) werden mit Hilfe der Realgasgleichung ermittelt. Der rechnerisch anliegende Versorgungszustand T A / k+1, p A / k+1 wird durch den am Ende des i-ten Zeitschritts gemessenen Versorgungszustand T A / i+1, p A / i+1 angenähert: TAk+1 = TAi+1 ; pAk+1 = pAi+1 (2.20) Bei Mehrbankbetrieb muß diese Näherung modifiziert werden, wie im folgenden dargelegt wird.

Für Mehrbankbetrieb braucht die angegebene numerische Simulation nur leicht modifiziert zu werden: Am Ende jedes Masseschritts k wird nun noch geprüft, ob das Druckverhältnis zwischen dem errechneten Druck im Druckgasbehälter p B / k+1 und dem derzeitigen, rechnerisch anliegenden Versorgungsdruck p A / k+1 (dieser ist solange angenähert p A / i+1, wie nicht schon in einem vorangegangenen Masseschritt auf einen Vorratsbehälter mit höherem Druck umgeschaltet wurde) über einem Grenzwert liegt, der oberhalb des kritischen Druckverhältnisses liegt. Ist das der Fall, wird ab diesem Masseschritt rechnerisch auf den Vorratsbehälter mit dem nächsthöheren Druck umgeschaltet. Dieses rechnerische Umschalten geschieht dadurch, dass als Versorgungszustand T A / k+1, p A / k+1 die Messwerte von Druck und Temperatur des entsprechenden Vorratsbehälters, wie sie am Ende des i-ten Zeitschritts an den Messeinrichtungen 11b, 12b bzw. 11c, 12c vorliegen, verwendet werden. Jedes Umschalten auf einen anderen Vorratsbehälter bedeutet einen Sprung in der Joule-Thomson-Temperatur, die deshalb bei jedem Umschalten analog zu Gl.(2.19) zusätzlich einmal errechnet werden muss.
Abschließend sei angemerkt, dass die Rechenzeiten für alle hier beschriebenen Rechnungen auf einem heutigen PC klein genug sind, um sie während des Betankungsvorgangs problemlos ablaufen zu lassen.

Claims

Verfahren für ein Gasbetankungssystem zum schnellen Umfüllen von Gasen, von einem unter Druck stehenden Vorratsbehälter (10) in einen Druckgasbehälter (30) dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nach dem Verlassen des Vorratsbehälters (10) und vor dem Eintritt in den Druckgasbehälter (30) unter Ausnutzung des zwischen dem Vorrats- (10) und dem Druckgas-Behälter (30) vorliegenden Druckunterschiedes in einem geregelten Wirbelrohr (20) gekühlt wird, wobei die Gastemperatur derart bemessen wird, dass am Ende des Befüllvorgangs bei Vorhandensein einer definierten Gesamt-Gasmasse (m_Z) im Druckgasbehälter der Druck (p₃₀) im Druckgasbehälter (30) einen unter dem Druck des Vorratsbehälters (10) liegenden Grenzdruck erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumeninhalt (V₃₀) des Druckgasbehälters (30) zu Beginn des Betankungsvorgangs durch Datenübertragung an einen Betankungsrechner übergeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Betankung die Restgasmasse (m₀), die Anfangstemperatur (T₀) und der Anfangsdruck (p₀) des Gases im Druckgasbehälter (30) durch einen Prüfstoß ermittelt wird, bei dem eine bekannte Gasmasse in den Druckgasbehälter (30) eingefüllt wird und dabei der Druck (p₃₂) im Druckgasbehälter (30) vor und nach dem Prüfstoß gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die engste Stelle zwischen Vorratsbehälter (10) und Druckgasbehälter (30) sich in dem Wirbelrohr (20) befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Prüfstoß das Einfüllen der Gasmasse in den Druckgasbehälter (30) ohne Unterbrechung des Befüllvorgangs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass in kurzen Zeitschritten wiederholte Messungen von Druck (p₁₅, p₃₂, p₆₁), Temperatur (T₁₆, T₃₃) und einströmender Gasmasse (m₃₄) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der in kurzen Zeitschritten wiederholten Messungen von Druck (p₁₅, p₃₂), Temperatur (T₁₆, T₃₃) und der einströmenden Gasmasse (m₃₄) sowie der Gaszusammensetzung des einzufüllenden Gases und dem Volumeninhalt (V₃₀) des Druckgasbehälters (30) fortlaufend mit Hilfe der Energiebilanz und der thermischen Zustandsgleichung für das reale Gas sowie unter Extrapolation der berechneten bis dahin vom Gas im Druckgasbehälter mit der Wandung ausgetauschten Wärmemenge, vom Betankungsrechner geprüft wird, ob die bis dahin erfolgte Kühlung ausreichend war, um die Befüllung im nächsten Zeitschritt ohne Kühlung durchführen zu können, wodurch eine unnötig starke Kühlung vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messungen von Druck (p₁₅,p₃₂,p₆₁) und Temperatur (T₁₆) sowie der Gaszusammensetzung des einzufüllenden Gases der Betankungsrechner nach einer vorgegebenen Charakteristik des Wirbelrohres (20) für jeden Zeitschritt, in dem gekühlt wird, zwecks Regelung der Kühlwirkung die Einstellung eines Regelventils (41) für das Wirbelrohr (20) vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung durch Schließen des Regelventils (41) abgeschaltet wird, wenn das Druckverhältnis zwischen dem Druckgasbehälter (30) und dem Vorratsbehälter (10) einen Wert überschreitet, der oberhalb des kritischen Druckverhältnisses liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von mindestens zwei Vorratsbehältern (10a, 10b, 10c) auf den Vorratsbehälter mit dem nächsthöheren Druck umgeschaltet wird, wenn das Druckverhältnis zwischen dem Druckgasbehälter (30) und dem Vorratsbehälter (10) einen Wert überschreitet, der oberhalb des kritischen Druckverhältnisses liegt.
Vorrichtung zum Befüllen eines Druckgasbehälters (30), mit einem ein unter Druck stehendes Gas enthaltenden Vorratsbehälter (10), einer von dem Vorratsbehälter (10) abgehenden Entnahmeleitung (1), einem an die Entnahmeleitung (1) angeschlossenen Wirbelrohr (20) als Kühlvorrichtung, welches einen Kaltgasauslass (20-1) und einen Heißgasauslass (20-2) aufweist, wobei das Gas aus dem Kaltgasauslass (20-1) dem Druckgasbehälter (30) zugeführt wird, während das Gas aus dem Heißgasauslass (20-2) über ein ansteuerbares Regelventil (41), welches zur Regelung der Kühlwirkung des Wirbelrohres (20) durch Drosselung des Gasstroms aus dem Heißgasauslass (20-2) dient, in den Vorratsbehälter (10) zurückgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelrohr (20) Einströmdüsen (24) aufweist, die eine Drosselstelle (31) bilden, welche den engsten Querschnitt im Leitungsweg zwischen dem Vorratsbehälter (10) und dem Druckgasbehälter (30) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsquerschnitt zwischen dem Kaltgasauslass (20-1) des Wirbelrohres (20) und dem Druckgasbehälter (30) so groß dimensioniert ist, dass der Druckabfall zwischen dem Kaltgasauslass (20-1) des Wirbelrohres (20) und dem Druckgasbehälter (30) während der Befüllung klein ist gegenüber dem Druck am Kaltgasauslass (20-1) des Wirbelrohres.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Vorratsbehälter (10a, 10b, 10c) vorgesehen sind, die während des Betankungsvorgangs durch Umschalten nacheinander in der Reihenfolge aufsteigenden Vorratsbehälterdrucks einzeln mit der Entnahmeleitung (1) verbunden werden (Mehrbankbetrieb).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Regelventils (41) mindestens eine Drossel mit festem Querschnitt sowie mindestens ein Absperrventil vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Betankungsrechner umfasst, der Messsignale von Druckmesseinrichtungen (15, 32, 61, 11b, 11c) Temperaturmesseinrichtungen (16, 33, 12b, 12c) und eines Massenstromzählers (34) erfasst und ein Steuersignal zur Ansteuerung des Regelventils (41) liefert, und der eine Eingabemöglichkeit hat für den Volumeninhalt des zu füllenden Druckgasbehälters (30), für die Zusammensetzung des Gases im Vorratsbehälter und für die Charakteristik des Wirbelrohres (20).