DE19940834A1 - Method and device for gas supply and gas recovery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasversorgung und Gasrückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums, welches in einem Stapelbehälter (Pufferbehälter) unter Druck gespeichert wird und vom Stapelbehälter gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zum Stapelbehälter (Rückgewinnung) geleitet wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden mehrere Druckbehälter mit kaskadenförmig abgestuftem Betriebsdruck eingesetzt, dergestalt, daß bei einem Befüllvorgang der Enddruck im Verbraucher durch zeitlich abgestimmte Teilfüllvorgänge, gesteuert von dem aktuellen Druck im Verbraucher, erreiche wird. Bei Entleerungsvorgängen wird entsprechend verfahren. DOLLAR A Die Druckbehälter der Kaskade können dabei eine unterschiedliche Größe aufweisen. Vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder Verwendungen sind beim heißisostatischen Pressen oder beim Hochdruck-Gasabschrecken gegeben.The invention relates to a method and a device for gas supply and gas recovery using a gaseous medium which is stored under pressure in a stacking container (buffer container) and from the stacking container optionally via a pressure converter to a consumer (supply) and from the consumer optionally via a pressure converter Stacking container (recovery) is passed. DOLLAR A According to the invention, several pressure vessels with cascading operating pressure are used in such a way that the final pressure in the consumer is achieved by timed partial filling processes, controlled by the current pressure in the consumer, during a filling process. The same procedure is used for emptying processes. DOLLAR A The cascade pressure vessels can have different sizes. Advantageous applications of the method and / or uses are given in hot isostatic pressing or in high-pressure gas quenching.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasversorgung und Gasrückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums, welches in mindestens einem Stapelbehälter unter Druck gespeichert wird und vom Stapelbehälter gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zum mindestens einen Stapelbehälter oder zu einem weiteren Stapelbehälter (Rückgewinnung) geleitet wird.The invention relates to a method for gas supply and gas recovery under Use of a gaseous medium in at least one stacking container is stored under pressure and from the stacking container if necessary via a Pressure converter to a consumer (supply) and from the consumer optionally via a pressure converter to at least one stacking container or passed to another stacking container (recovery).
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Gasversorgung und -rückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums umfassend mindestens einen Stapelbehälter zur Speicherung des Mediums unter Druck und eine oder mehrere Verbindungen vom dem mindestens einen Stapelbehälter, gegebenenfalls über einen Druckumwandler, zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu dem oder zu einem weiteren Stapelbehälter (Rückgewinnung).The invention further relates to a device for gas supply and recovery using a gaseous medium comprising at least one stacking container for storing the medium under pressure and one or more connections from to the at least one stacking container, possibly via a pressure converter a consumer (supply) and from the consumer, if necessary, via a Pressure converter to or to another stacking container (recovery).
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden beispielsweise bei der Gasversorgung einer heißisostatischen Presse und beim Hochdruck-Gasabschrecken eingesetzt. Im folgenden wird der Stand der Technik und die Erfindung anhand dieser Anwendungs fälle näher betrachtet.Such methods and devices are used, for example, in gas supply a hot isostatic press and used in high pressure gas quenching. in the The following is the state of the art and the invention based on this application cases considered more closely.
Bisher wird beim heißisostatischen Pressen (HIP) durch ein Druckmedium, meist
Argon oder Stickstoff, der benötigte Druck in der Presse wie folgt erzeugt:
Das Gas wird meistens in flüssiger Form in einem Tieftemperatur-Lagertank (Speicher
behälter) bei max. 18 bar gelagert. Durch eine Druckerhöhungsanlage und einen Hoch
druckverdampfer wird das Gas in den einen Stapelbehälter gepumpt. Abhängig vom
benötigten Enddruck und der benötigten Temperatur wird das Gas aus dem Puffer
behälter, in dem das Gas gasförmig beim benötigten Druck (bis 300 bar) gespeichert
wird, in die HIP-Anlage bis zum Druckausgleich der beiden Systeme eingeleitet. Sollte
der Druck in der HIP-Anlage jedoch zu gering sein, so muß über den Druckumwandler
Gas vom Pufferbehälter in benötigter Menge und Druck nachgepumpt werden.
So far, hot isostatic pressing (HIP) has produced the required pressure in the press using a pressure medium, usually argon or nitrogen, as follows:
The gas is mostly in liquid form in a low-temperature storage tank (storage container) at max. 18 bar stored. The gas is pumped into a stacking container through a pressure booster and a high pressure evaporator. Depending on the required final pressure and the required temperature, the gas from the buffer tank, in which the gas is stored in gaseous form at the required pressure (up to 300 bar), is introduced into the HIP system until the pressure in the two systems is equalized. However, if the pressure in the HIP system is too low, gas must be pumped in from the buffer tank in the required quantity and pressure via the pressure converter.
Nun wird das Gas durch den in der HIP-Anlage integrierten Ofen beispielsweise auf 1000°C aufgeheizt, wodurch der Druck beispielsweise auf 1000 bar steigt.Now, for example, the gas is raised by the furnace integrated in the HIP system Heated 1000 ° C, which increases the pressure, for example, to 1000 bar.
Sollte es während der Haltezeit zu einem Druckverlust in der HIP-Anlage kommen, wird Gas durch den Druckumwandler nachgepumpt.If there is a pressure loss in the HIP system during the hold time, gas is pumped through the pressure converter.
Nach einer Haltezeit von 1 bis 8 Stunden erfolgt die Druckentlastung der HIP-Anlage und Rückführung des Gases in den Pufferbehälter bis zum Druckausgleich der beiden Systeme. Anschließend wird durch den Druckumwandler das Gas, welches noch in der HIP-Anlage ist, in den Puffer gepumpt. Bedingt durch die Konstruktion des Druckum wandlers bleibt noch Restgas in der HIP-Anlage, welches als Verlust ins Freie abge blasen wird.After a holding time of 1 to 8 hours, the pressure in the HIP system is released and returning the gas to the buffer tank until the pressure equalization of the two Systems. Then the gas, which is still in the HIP system is pumped into the buffer. Due to the construction of the Druckum converter still has residual gas in the HIP system, which is released into the open as a loss will blow.
Vor Wiederbeginn des Prozesses muß nun die als Verlust ins Freie abgeblasene Gasmenge gegen den fast vollen Pufferdruck nachgepumpt werden.Before restarting the process, the one that has been blown off as a loss must now be released Gas quantity to be pumped against the almost full buffer pressure.
Ein anderes Beispiel liefert das Hochdruck-Gasabschrecken. Bei diesem Verfahren werden geglühte (erhitzte) Werkstoffe, vorzugsweise Stahl, durch komprimierte Gase in kurzer Zeit in ein Härtegefüge abgeschreckt, um dann in einem Nachfolgeprozeß anwendungsspezifisch vergütet (angelassen) zu werden. Um diesen Abschreckvor gang zu realisieren, wird - ähnlich wie im bereits beschriebenen Beispiel beim heiß isostatischen Pressen - ein Druckbehälter (Verbraucher) von einem Stapelbehälter auf Arbeitsdruck befüllt und nach dem Prozeß auf Atmosphärendruck entspannt.Another example is high-pressure gas quenching. With this procedure are annealed (heated) materials, preferably steel, by compressed gases quickly quenched into a hardness structure, then in a follow-up process to be remunerated (tempered) for specific applications. To deter this realizing gear is - similar to the example already described for hot isostatic presses - a pressure container (consumer) from a stacking container Working pressure filled and relaxed to atmospheric pressure after the process.
Auch hier sind die Nachteile, daß die in dem komprimierten Gas gespeicherte (Druck-)Energie nicht bzw. nur unzureichend genutzt bzw. zurückgewonnen wird, und die damit verbundenen hohen Gasverluste vorhanden.Again, the disadvantages are that the stored in the compressed gas (Pressure) energy is not used or only inadequately used or recovered, and the associated high gas losses are present.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche die Gasversorgung und -rückgewinnung unter Vermeidung der erwähnten Nachteile verbessern. Dabei sollte insbesondere die (Druck-)Energie - abhängig von der praktischen Aufgabenstellung und den örtlichen Gegebenheiten - möglichst optimal für die Senkung des Gasverbrau ches und der notwendigen Fremdenergie eingesetzt werden. The present invention is therefore based on the object of a method and Show device of the type mentioned, which the gas supply and - Improve recovery while avoiding the disadvantages mentioned. It should especially the (pressure) energy - depending on the practical task and the local conditions - as optimal as possible for reducing gas consumption ches and the necessary external energy.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen der Erfindung. Vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder Verwendungen der erfindungsgemäßen sind beim heißisostatischen Pressen oder beim Hochdruck-Gasabschrecken gegeben.This object is solved by the features of independent claims 1 and 10. The dependent claims contain advantageous refinements and developments gene of the invention. Advantageous applications of the method according to the invention and / or uses of the invention are in hot isostatic pressing or given with high pressure gas quenching.
Die Erfindung beruht darauf, daß der bislang lediglich eine Stapelbehälter ersetzt wird durch zwei oder mehrere Stapelbehälter, deren Betriebsdrücke kaskadenartig abge stuft sind. Dabei können die einzelnen Stapelbehälter sowohl in ihren Volumina als auch in der Bauform den konkreten Anwendungsbedingungen angepaßt werden.The invention is based on the fact that so far only one stacking container has been replaced through two or more stacking containers, the operating pressures of which are cascaded are classified. The individual stacking containers can both in their volumes the design can also be adapted to the specific application conditions.
Im Rahmen der Erfindung sind mit dem Begriff "Stapelbehälter" auch Pufferbehälter erfaßt.Within the scope of the invention, the term “stacking container” also includes buffer containers detected.
Bei der Erfindung werden mehrere Druckbehälter mit kaskadenförmig abgestuftem Betriebsdruck eingesetzt, dergestalt, daß bei einem Befüllvorgang der Enddruck im Verbraucher durch zeitlich abgestimmte Teilfüllvorgänge, gesteuert von dem aktuellen Druck im Verbraucher, erreicht wird. Bei Entleerungsvorgängen wird entsprechend verfahren.In the invention, several pressure vessels are cascaded Operating pressure used, such that the final pressure in a filling process Consumers through timed partial filling processes, controlled by the current one Pressure in the consumer is reached. With emptying processes is accordingly method.
Erfindungsgemäß erfolgt ein allgemeiner Befüllvorgang dadurch, daß - wie in der Figur dargestellt - der Verbraucher zunächst aus dem ersten Behälter (Behälter 1 hat den geringsten, Behälter 5 in der Figur den höchsten Betriebsdruck) bis zu einer eingestell ten ersten Druckstufe, die von einem Sensor gemessen wird, gefüllt. Der Sensor schließt den ersten Behälter und öffnet einen zweiten Behälter wiederum bis zu einem bestimmten Druck. Dann wird dieser zweite Behälter ebenfalls geschlossen und der nächste Behälter geöffnet. Diese Abfolge wird bis zum Erreichen des gewünschten Arbeitsdruckes fortgesetzt.According to the invention, a general filling process takes place in that - as shown in the figure - the consumer first from the first container (container 1 has the lowest, container 5 in the figure has the highest operating pressure) up to a first pressure level set by a sensor is measured, filled. The sensor closes the first container and opens a second container again up to a certain pressure. Then this second container is also closed and the next container is opened. This sequence continues until the desired working pressure is reached.
Bei dem Entleeren erfolgt die Handhabung in umgekehrter Reihenfolge. Zunächst wird in den Behälter mit dem nächst niedrigeren Istdruck (z. B. nach Behälter 5 in Behälter 4) entspannt und dann in der beschriebenen umgekehrten Reihenfolge. Nach dem Entspannen in den ersten Behälter (Behälter 1) kann das Restgas im Verbraucher verworfen (z. B. in die Atmosphäre entspannt) werden. Das Restgas kann auch über eine Reinigungs- und Filterstufe geleitet oder einer weiteren Nutzung, z. B. einer Verbrennung in einer Heizungsanlage, zugeführt werden.When emptying, handling is carried out in the reverse order. First the pressure is released into the container with the next lower actual pressure (e.g. after container 5 in container 4 ) and then in the reverse order described. After relaxing in the first container (container 1 ), the residual gas in the consumer can be discarded (e.g. expanded into the atmosphere). The residual gas can also be passed through a cleaning and filtering stage or for further use, e.g. B. a combustion in a heating system.
Vor einem erneuten Befüll- und Leerungsvorgang werden vom Speicherbehälter (Tank) her, gegebenenfalls über eine Druckerhöhungsanlage, die Stapelbehälter wieder auf ihren Ausgangsdruck gebracht. Die dabei zum Auffüllen notwendige Gasmenge liegt deutlich unter der beim Stand der Technik zuzuführenden Gasmenge. Es kann je nach Technologie und konstruktiver Ausführung bis zu 90% Gas und bis zu 95% Kompres sionsenergie eingespart werden.Before a new filling and emptying process, the storage container (tank) forth, possibly via a pressure booster system, the stacking containers again brought their initial pressure. The amount of gas required for filling up lies well below the amount of gas to be supplied in the prior art. It can vary Technology and design up to 90% gas and up to 95% compresses ion energy can be saved.
Die physikalische Kraft zum Gastransport wird vorteilhafterweise aus der Differenz von Zustandsgrößen des Mediums gewonnen. Bevorzugt resultiert die physikalische Kraft zum Gastransport entweder aus einem unterschiedlichen Druck und/oder aus unter schiedlicher Betriebstemperatur zwischen den Behältern (auch zwischen Verbraucher und Stapelbehälter).The physical force for gas transport is advantageously determined from the difference of State variables of the medium obtained. The physical force preferably results for gas transport either from a different pressure and / or from under different operating temperatures between the containers (also between consumers and stacking containers).
Erfindungsgemäß können Mittel zum Übertragen der in einem Gas vorhandenen Druckenergie auf die Stapelbehälter ohne Vermischung dieses Gases mit dem in den Stapelbehältern befindlichen Gas vorgesehen sein. Beispielsweise für den Anwen dungsfall, daß das benutze Gas nicht für den Prozeß wiederverwendet werden kann, läßt sich die Erfindung dergestalt nutzen, daß der Druck des bereits benutzten Gases über Mittel zum (Vor-)Komprimieren eines Stapelbehälters einer (geeigneten) Druck stufe benutzt wird (z. B. mittels einer entsprechenden Vorrichtung). Beispiele für diese Mittel sind ein im Behälter angeordneter Ballon oder eine geeignete Kolbenüberset zung (pneumatische Übersetzung).According to the invention, means for transferring those present in a gas can be used Pressure energy on the stacking container without mixing this gas with that in the Stacking gas can be provided. For example for the user if the gas used cannot be reused for the process, The invention can be used in such a way that the pressure of the gas already used via means for (pre-) compressing a stack container of a (suitable) pressure stage is used (e.g. by means of an appropriate device). Examples of this Means are a balloon arranged in the container or a suitable piston translator tongue (pneumatic translation).
Besonders vorteilhaft ist es, sowohl das Füllen als auch das Leeren computergesteuert zu optimieren.It is particularly advantageous to control both the filling and the emptying by computer to optimize.
Die Stapelbehälter im Rahmen der Erfindung können auch zusammen verrohrte Flaschenbündel sein. Der Flüssiggaslagertank (Speicherbehälter) wird gegebenenfalls auf einen höheren Druck, z. B. 36 bar, ausgelegt.The stacking containers within the scope of the invention can also be piped together Be a bundle of bottles. The liquid gas storage tank (storage tank) may be used to a higher pressure, e.g. B. 36 bar.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von zwei Beispielen erläutert werden: The invention will be explained in the following using two examples:
Beispiel 1 betrifft das HIP-Verfahren. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau
eines solchen Ausführungsbeispieles. Die Betriebsdrücke der einzelnen Stapelbehälter
(Pufferbehälter) (Sektionen) sind:
Example 1 relates to the HIP process. The single figure shows schematically the structure of such an embodiment. The operating pressures of the individual stacking containers (buffer containers) (sections) are:
- 1. Kaskade (Sektion 1) 10-50 bar1st cascade (section 1 ) 10-50 bar
- 2. Kaskade (Sektion 2) 10-100 bar2nd cascade (section 2 ) 10-100 bar
- 3. Kaskade (Sektion 3) 10-200 bar3rd cascade (section 3 ) 10-200 bar
- 4. Kaskade (Sektion 4) 10-200 bar4th cascade (section 4 ) 10-200 bar
- 5. Kaskade (Sektion 5) 10-300 bar5th cascade (section 5 ) 10-300 bar
Im folgenden wird die Funktionsweise näher geschildert:
Beim Befüllen der Anlage zum heißisostatischen Pressen (HIP-Anlage) wird zuerst aus
der ersten Kaskade Gas entnommen. Durch Differenzdrucküberwachung wird erkannt,
wann aus den anderen Kaskaden Gas entnommen werden muß. Dabei ist der Diffe
renzdruck frei wählbar.The mode of operation is described in more detail below:
When filling the system for hot isostatic pressing (HIP system), gas is first taken from the first cascade. Differential pressure monitoring detects when gas must be withdrawn from the other cascades. The differential pressure is freely selectable.
Durch diese Art der Befüllung wird ohne Fremdenergie bei gleichem Stapelvolumen (Puffergröße) und bei gleichem Druckverhältnissen mehr Gas in die HIP-Anlage gedrückt als beim bisher üblichen Verfahren. Es ist daher in den meisten Fällen nicht notwendig, Gas durch den Druckwandler nachzufördern, sehr wohl aber, wenn die HIP-Anlage Leckagen aufweist.This type of filling means that the same stack volume is used without external energy (Buffer size) and more gas into the HIP system at the same pressure conditions depressed than in the previously usual method. It is therefore not in most cases necessary to feed gas through the pressure transducer, but very well if the HIP system has leaks.
Nach der Haltezeit wird beim Entleeren der HIP-Anlage unter Ausnutzung des Tempe raturgefälles zwischen HIP-Anlage und Behältern zuerst die letzte Kaskade 5 auf den maximalen Druck der Kaskade gefüllt. Anschließend werden die weiteren Kaskaden bis zum Maximaldruck oder bis zum Druckausgleich befüllt. Durch diese Art der Befüllung der Kaskaden können die Kaskaden immer durch die HIP-Anlage und müssen nicht durch einen Druckwandler befüllt werden. Die Verlustmenge an Gas wird aus dem Flüssigtank (z. B. mit 36 bar) durch Druckausgleich in die erste Kaskade gefüllt. In den meisten Fällen ist es daher nicht notwendig, nach der Erstbefüllung der Kaskaden, Gas durch die Druckerhöhung in die Kaskaden zu pumpen. After the holding time, the last cascade 5 is filled to the maximum pressure of the cascade when the HIP system is emptied using the temperature gradient between the HIP system and the containers. The other cascades are then filled up to the maximum pressure or until the pressure is equalized. With this type of cascade filling, the cascades can always be filled by the HIP system and do not have to be filled by a pressure transducer. The loss of gas is filled from the liquid tank (e.g. at 36 bar) by pressure equalization in the first cascade. In most cases, it is therefore not necessary to pump gas into the cascades by increasing the pressure after the cascades have been filled for the first time.
Bei einer Wärmebehandlungsanlage wird der Stahl statt in dem allgemein üblichen Ölbad in einer Hochdruck-Gasanlage, einer sog. Kaltkammer abgeschreckt. Ent sprechend dem Stand der Technik wird die Charge (das Werkstück) aus dem Ofen mit Glühtemperatur in die Kaltkammer transportiert, die Kaltkammer geschlossen, mit Gas, in diesem Fall mit Wasserstoff (andere Gase wie He, N2, CO2 etc. oder deren Gemi sche sind ebenfalls denkbar) auf 20 bar bespannt. Entsprechend dem Stand der Technik wurde bisher die Anlage aus einem einzigen Stapelbehälter mit entsprechen der Druckdifferenz bespannt und zur Wiederverwertung in einen zweiten Stapelbehäl ter entspannt. Das Gas im Stapelbehälter wird mittels Kompressor zwecks Wieder verwertung in den ersten Stapelbehälter gedrückt. Die Restmenge in der Kaltkammer muß verworfen werden.In a heat treatment plant, the steel is quenched in a high-pressure gas plant, a so-called cold chamber, instead of in the generally customary oil bath. According to the prior art, the batch (the workpiece) is transported from the furnace at the annealing temperature into the cold chamber, the cold chamber is closed, with gas, in this case with hydrogen (other gases such as He, N 2 , CO 2 etc. or their Mixtures are also conceivable) to 20 bar. According to the prior art, the system was previously covered with a corresponding pressure difference from a single stacking container and relaxed for recycling in a second stacking container. The gas in the stacking container is pressed into the first stacking container by a compressor for recycling. The remaining amount in the cold chamber must be discarded.
Erfindungsgemäß wird der füllseitige Stapelbehälter durch beispielsweise zwei Stapel behälter, beispielsweise der erste mit einem Betriebsdruck bis 20 bar, der zweite mit einem Betriebsdruck bis 35 bar ersetzt. Die Bespannung der Kaltkammer erfolgt nun zweistufig, zunächst aus dem ersten Stapelbehälter, anschließend - sensor- und com putergesteuert - aus dem zweiten Stapelbehälter auf Betriebsdruck. Da hier anders als im Beispiel 1 die Temperaturdifferenz zwischen Verbraucher und Behälter fehlt, ist die Leerung nur in einem Teilschritt, in den ersten Stapelbehälter, möglich. Der bisher für die Entspannung eingesetzte Stapelbehälter entfällt. Die Gasverluste und damit die Druckverluste müssen in diesem Fall aus dem Speicherbehälter (Hochdrucktank) in den zweiten Stapelbehälter ausgeglichen werden.According to the invention, the filling-side stacking container is made up of, for example, two stacks container, for example the first with an operating pressure of up to 20 bar, the second with an operating pressure up to 35 bar. The cold chamber is now covered two-stage, first from the first stacking container, then - sensor and com computer controlled - from the second stacking container to operating pressure. Because different here In example 1, the temperature difference between the consumer and the container is missing Emptying only possible in one step, in the first stacking container. So far for the relaxation used stacking container is eliminated. The gas losses and thus the In this case, pressure losses must come from the storage tank (high-pressure tank) the second stacking container are balanced.
Bei besonders wertvollen Gasen, wie z. B. Helium, hat es sich - unabhängig vom sonstigen Prozeßablauf - auch bewährt, über einen ständig laufenden Kompressor Gas aus dem ersten Stapelbehälter in den zweiten Stapelbehälter umzupumpen. Diese Verfahrensweise erfordert zwar zusätzlich Antriebsenergie für den Kompressor, spart aber Gas. In Abhängigkeit von Kompressor- und Strompreis kann dies für teure Gase eine sehr wertvolle Ergänzung des Gesamtprozesses sein.With particularly valuable gases, such as B. helium, it has - regardless of other process flow - also proven, via a constantly running compressor Pumping gas from the first stacking container into the second stacking container. This The procedure does require additional drive energy for the compressor, which saves but gas. Depending on the compressor and electricity price, this can be the case for expensive gases be a very valuable addition to the overall process.
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