-
Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von
-
Inertgasen, Schutzgasen oder Reaktionsgasen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Erzeugung von Inertgasen, Schutz gasen oder Reaktionsgasen zur
Herstellung einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre, in der cheionische undXoder
physikalische Prozesse ablaufen, durch eine geregelte und/oder steuerbare Verbrennung
von Luft mit gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen sowie eine Einrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
-
Bei vielen industriellen Prozessen, beispielsweise in der metallverarbeitenden
Industrie, der chemischen, pharmazautischen und Lebensmittelindustrie sollen Schutzgase
die zu verarbeitenden oder lagernden Güter vor schädlichen Einflüssen schützen.
Schädliche Einflüsse treten
hauptsächlich { rch den Sauerstoffanteil
der Luft auf, falls kein ;;chutzgas zur Verfügung steht. Mit Hilfe von Schutzgas
lassen sich auch gewünschte Reaktionen mit einem zu verarbeitenden oder zu lagernden
Gut gezielt durchführen. Insbesondere bei solchen Prozessen, die bei einer höheren
Temperatur intensiver verlaufen, ist der Sauerstoff der umgebenden Atmosphäre oftmals
störend.
-
Er bewirkt einen nicht beabsichtigten Verbrennungsvorgang, beispielsweise
durch eine Oberflächenoxidation von Metallen.
-
Um das zu verarbeitende Gut einem solchen nicht beabsichtigtenVerbrennungsvorgang
zu entziehen, ist die Anwendung von Schutzgasen erwünscht.
-
Bei vielen Anwendungsfällen ist man bestrebt, eine gezielte Raktion
des Behandlungsgutes durchzuführen, so daß in diesen Fällen die Gase eine entsprechende
Zusammensetzung annehmen müssen, um als Reaktionspartner eine Reaktion, beispielsweise
einen Stoffaustausch mit dem zu bearbeitenden Gut bewirken zu können. In diesen
Fällen wird das Schutzgas zu einem Reaktionsgas.
-
Unter Schutzgas wird in diesem Sinne ein Gas oder Gasgemisch verstanden,
welches vorwiegend sauerstoffrei ist und Stickstoff oder Gemische von Stickstoff
und Kohlendioxid aufweist.
-
Unter Reaktionsgasen werden in diesrrn 'i-inne Gase verstanden, welche
außer den oben genannten Bestandteilen noch reduzierende Gase in Form von Wasserstoff,
Kobler£-nonoxid oder nur von Wasserstoff enthalten.
-
Reaktionsgase finden somit beispielsweise dann Anwendung, wenn vorhandene
Oxidationen, z.B. an Metallstücken, entfernt werden sollen oder Verfärbungen wie
beispielsweise Anlauffarben verhindert werden sollen. Reaktionsgase werden auch
ferner zur Behandlung bestimmter Prozesse, z.B. katalytischer Prozesse eingesetzt,
in denen das Katalysatorbett selbst reduziert werden muß. Die Zusammensetzung der
Reaktionsgase wird daher überwiegend von dem Verwendungsprozess bestimmt, so z.B.
in der Metallindustrie vom Wassergasgleichgewicht in einem wärmebehandelnden Ofen.
-
Ein bekanntes Verfahren zur Schutzgaserzeugung in Großanlagen besteht
darin, daß Stickstoff durch Luftverflüssigung und fraktionierte Destillation erzeugt
wird. Ein solches Verfahren ist sehr energieaufwendig und eignet sich nur für den
Einsatz in Großanlagen. Zur Herstellung von Schutz gas sind ferner Verfahren bekannt,
die sich vorwiegend für Kleinanlagen eignen. So werden beispielsweise Kohlendioxid
und Stickstoffgemische dadurch gewonnen, daß Kohlenwasserstoffe stöchiometrisch
verbrannt werden. Dies geschieht vorwiegend in Verbrennungs- oder Katalytischen
Anlagen.
-
In den Verbrennungsanlagen wird das Kohlenwasserstoffluftgemisch elektrisch
gezundet, wobei innerhalb einer Brennkammer eine offene Flamme unterhalten wird.
Bei den katalytischen Anlagen wird das Kohlenwasserstoffluftgemisch über oder durch
ein Katalysatorbett geführt. Im Falle der offenen Verbrennung wird das Abgas anschließend
direkt oder indirekt mit Wasser gekühlt und steht dann bei qualitativ nicht hohen
Ansprüchen als Schutzgas zur Verfügung.
-
Dieser Prozeß kann zur Veredelung dieses Schutzgases noch weiter getrieben
werden. So kann z.B. der Wasserdampf und auch das Kohlendioxid durch an sich bekannte
Mittel entfernt werden, so daß schließlich nur Stickstoff zur Verfügung steht. Je
nwach Verwendungszweck sind in diesen Fällen noch Nachreinigungen erforderlich,
um geringe Anteile an Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff vollständig zu entfernen,
so daß danach eine gleiche Gasqualität erreicht wird, die sich bei der Stickstofferzeugung
mit Hilfe einer Luftverflüssigung und einer fraktionierten Destillation ergibt.
-
Bei den z.Zt. auf den Markt befindlichen einfachsten Anlagen erfolgt
die Erzeugung von Schutz- oder Inertgasen durch eine geregelte Verbrennung von Luft
mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff nahe dem stöchiometrischen Punkt,
Der Sauerstoff verbrennt bei diesem Prozeß zu Kohlendioxid und Wasserdampf, während
der Stickstoff keinerVeränderung
unterworfen ist. Nach der Kühlung
der heißen Schutzgase können diese direkt verwendet oder äe nach Anforderung aufbereitet
werden. Die hierfür verwendeten Anlagen bestehen im Prinzip aus einem Luftfilter,
einem Gebläse, einer Gas- und Luftmangelsicherung, aus einer Gas-Mengen-Meßeinrichtung,
einer Luft-Nengenmeßeinrichtung, einer Brennkammer, einem Kühler und einem Steuerschrank.
-
Bei dieser bekannten Anlage wird die für die Verbrennung benötigte
Luft über einen Filter von einem Gebläse angesaugt und auf den erforderlichen Betriebsdruck
verdichtet.
-
Bei dieser Anlage muß das Ausgangsgas dieser unter dem gleichen Druck
zugeführt werden. Ist der Gasdruck an der Anschlußstelle höher oder niedriger, als
der erforderliche Betriebsdruck, so wird die Anlage-mit einem Druckregelventil bzw.
einem Gebläse versehen. In die Gaszuleitung ist eine Gas- und Luftmangelsicherung
eingebaut, welche bei Gas-oder Luftmangel die Gaszuleitung absperrt und das Luftgebläse
außer Betrieb setztt Luft und Ausgangsgas gelangen über Mengenmeßeinrichtungen in
eine Nischleitung. Die Durch flußmengen sind an Regulierhähnen einstellbar.
-
Aus der Mischleitung gelangt das Gas-Luftgemisch über den Brenner
in die Brennkammer, in der die Verbrennung des Ausgangsgases stattfindet und zwar
in den meisten Fällen mit einem Luftfaktor n kleiner als 1. Das heiße Gas gelangt
sodann
aus der Brennkammer in einen Kühler, der als direkter oder indirekter Kühler ausgebildet
sen kann.
-
Bei der Kühlung des Gases kondensiert der Hauptteil des bei der Verbrennung
anfallenden Wasserdampfes und dieses Kondensat wird abgeleitet. Hinter dem Kühler
kann das Schutzgas über einen Dreiwegehahn den Verbraucherstellen kontinuierlich
zugeführt bzw. beim Anfahren der Anlage ins Freie abgeleitet werden.
-
Die hier beschriebene Anlage zur Schutzgaserzeugung weist den einfachsten
Aufbau auf. Eine weitere Schutzgaserzeugungsanlage für HNX-SCHUTZGAS, welche im
"Schutzgas-Taschenbuch" erschienen im Vulkan-Verlag, Dr. W. Classen, Essen, 1974
auf Seite 30 und Seite 50 beschrieben ist, verwendet die folgenden Aggregate: Luftfilter,
Gebläse, Gas- und Luftmangelsicherung, Gas-Mengenmeßeinrichtung, Luft-Mengenmeßeinrichtung,
Brennkammer, Luftfilter, Kühlluft-,Ventilator, Wärmeaustauscher, CO-Konverter, Kühler,
H20 + C02 - Adsorber, Schutzgas-Mengenmeßeinrichtung, Spülgas-Mengenmeßeinrichtung,
Vakuumpumpe und Steuerschrank. Bis zur Brennkammer ist die Arbeitsweise ähnlich
derjenigen, welche bereits oben beschrieben ist. In der Brennkammer findet die Teilverbrennung
des Ausgangsgases statt. Das heiße Gas gelangt sodann nach der Brennkammer in einen
luftgekühlten Wärmetauscher und die zur Kühlung des Gases benötigte Luft wird vom
Kühlluft-Ventilator
über den Luftfilter angesaugt und über eine
Regelklappe in den Wärmeaustauscher gefördert. Die beim Durchströmen des Wärmeaustauschers
erwärmte Luft wird dabei ins Freie abgeleitet. Die Temperatur des durch den Wärmeaustauschers
austretenden Gases wird von einem Widerstandsthermometer gemessen und auf einen
Regler mit Leitgerät übertragen. Der Regler mit Leitgerät verstellt entsprechend
der Temperaturabweichung über einen Stellantrieb die Regelklappe. Damit werden die
dem Wärmeaustauscher zugefuhrte Luftmenge und auch die Temperatur des in den CO-Konverter
eintretenden Gases geregelt.
-
Beim Durchströmen des Gases durch den im CO-Konverter befindlichen
Katalysator stellt sich entsprechend der Temperatur das Wassergleichgewicht ein.
Dabei werden der CO- und der H20-Anteil des Gases vermindert und der CO2-und H2-Anteil
um den gleichen Betrag vergrößert. Der Hauptteil des nach der Konvertierung noch
im Gas verbliebenen Wasserdampfes kondensiert bei der Kühlung und das Kondensat
wird abgeleitet.
-
Das Gas gelangt im Normalbetrieb in einen der beiden Adsorber, von
denen sich jeweils einer im Arbeitsstrom befindet, während der andere regeneriert
wird. Beim Strömen des Gases durch den im Arbeitsstrom befindlichen Adsorber werden
vom Moletularsieb der im Gas noch vorhandene Wasserdampf und das Kohlendioxid adsorbiert.
Nach dem Adsorber
wird das Schutzgas über eine Nengenmeßeinrichtung
den Verbraucherstellen zugeführt. Die Regenerierung des zweiten Adsorbers erfolgt
durch Evakuierung. Während -des Evakuierens wird eine bestimmte Menge Schutzgas
über eine Mengenmeßeinrichtung in den zu regenerierenden Adsorber geleitet. Das
aus diesem Adsorber von der VakummZ pumpe angesaugte Gas wird ins Freie abgeleitet.
Die Umschaltung der Adsorber erfolgt automatisch durch ein Zeitschaltwerk.
-
Anhand der Figur 1 wird eine weitere bekannte Anlage bcschrieben,
mit deren Hilfe ein Reaktionsgas für vorwi gend reduzierende Vorgänge erzeugt werden
kann. Bei einer stöchiometrischen Verbrennung wird mit Hilfe dieser Anlage eine
inerte Atmosphäre hergestellt, die auch als Schutzgas besonders geeignet ist.
-
Die Anlage wird unmittelbar durch Darstellung des Verfahrensablaufes
beschrieben. Das Brenngas gelangt dabei über das Absperrventil 1, das Filter 2,
den Druckminderer Po 3,das Manometer mit Absperrhahn PI 4, den Druckschalter PACO
5, Das Absperrventil 6, den Gasdruckregler 7, den Strömungsmesser FI 8 und das Handregulierventil
9 zur Verbrennungseinheit. Unmittelbar vor Eintritt in diese Einheit wird der Mischkammer
14 über Ansaugfilter lo,Strömungsmesser FI 11, Staubblende 13, Luft zugeführt.
-
Das Brenngas und die Luft werden von der Verdichtereinheit angesaugt
und in der Mi.schkammer 14 wird die Luft mit dem Gas gemischt und dieses Gemisch
gelangt über die Flammenrückschlagsicherung 15 mit dem Thermostat TACO 16 in den
Brenner 18. Im Brenner wird das Gasgemisch mit der Zündelektrode ZE 22 elektrisch
gezündet und die Flammenüberwachung FSACO 21 überwacht den Verbrennungsvorgang und
setzt bei Flammenausfall die Anlage still. Der Flammenabbrand erfolgt im wassergekühlten
Brennraum, wobei die Kühlwasserversorgung über die Ventile 20 und 23 durchgeführt
wird.
-
Die Temperatur des frei abfließenden Kühlwassers wird mit dem Thermometer
TI 17 gemessen. Das heiße, die Brennkammer verlassende Schutzgas wird in dem nachgeschalteten
Rieselkühler 24, der mit Füllkörpern gefüllt ist gekühlt bzw. das bei dem Verbrennungsprozeß
entstandene Reaktionswasser kondensiert.
-
Das Kühl- und Reaktionswasser fließt über ein Niveauregelventil 29
ab, in dem es mit der Wasserpumpe 31 vom Rieselkühler über den Schmutzfänger 30
abgesaugt wird. Der Niveauschalter LCO 65 schaltet die Anlage ab, sofern ein zu
hohes Wasserniveau im Rieselkühler erreicht wird. Die Eühlwasserzufuhr erfolgt über
Ventil 28 und 27.
-
Das gekühlte Schutzgas verläßt den Rieselkühler und wird von der Verdichtereinheit
komprimiert. Mit dem Thermometer TI 25 wird dabei die Temperatur des den Rieselkiihler
verlassende Gas gemessen.
-
Die Kompression des Schutzgases erfolgt mit einem Kolbenverdichter,
der äe nach Leistung, ein- oder mehrstufig verdichtet. Das Schutzgas wird zu diesem
Zweck vom Kompressor 65 über das Filter 32 angesaugt. Durch den nachgeschalteten
Kühler 36 wird die Kompressionswärme abgeführt und das anfallende Kondensat wird
über Wasserabscheide 38 und Kondensomat 39 ausgeschieden.
-
Das gekühlte und komprimierte Gas gelangt über das Dreiwegeventil
47 zu einer vollautomatisch arbeitenden Trocknung.
-
Hierbei wird das-Schutzgas adsorptiv von Wasserdampf befreit. Zu diesem
Zweck tritt das Gas über das Ventil 48 in den Adsorber 52 ein und verläßt ihn über
die Rückschlagklappe 55 zum tberströmventil PC 46, das den Druck innerhalb der Trocknungsanlage
konstant hält.
-
Während der eine Trockner das Gas trocknet, wird das Adsorptionsmittel
im anderen Trockner regeneriert. Ein Deilstrom des getrockneten Gases gelangt über
das Dreiwegeventil 56 entweder iiber das Handregulierventil 57 und die Rückschlagklappe
59 in den Trockner 53 beim Desorptions-
-vorgang, oder über das
Handregulierventil 58 beim Fiill-Vorgang.
-
Unter der Annahme, daß der Trockner 53 unter Druck steht, erfolgt
vor der Regeneration durch Öffnen des Ventils 51 eine Druckentlastung des Behälters
über das Dreiwegeventil 64 zur Atmosphäre, während gleichzeitig der Desorptionsvorgang
durch entsprechende Stellung des Dreiwegeventils 56 eingeleitet wird.
-
Ist nach Ablauf der Zeiteinheit eine Druckentspazmung erfolgt, so
wird das Dreiwegeventil 64 so geschaltet, daß der zur Desorption notwendige Gasstrom
in die Saugseite des Kompressors gegeben wird.
-
Nach Ablauf einer weiteren Zeiteinheit wird das Ventil 51 geschlossen
und das Dreiwegeventil 56 so geschaltet, daß der Füllvorgang eingeleitet werden
kann. Nach Ablauf einer weiteren Zeiteinheit wird der Trockner 52 durch eine entsprechende
Schaltung der Ventile regeneriert und der Trockner 53 adsorbiert den Wasserdampf
aus dem Schutzgas.
-
Der Druckschalter 66 schaltet bei Erreichen des Betriebsdruckes die
Anlage automatisch ab bzw. ein, wenn ein bestimmter eingestellter Druck erreicht
ist. Der Druckschalter 67 erlaubt die Anlage unter Teillast zu fahren. Zu diesem
Zweck wird bei einem bestimmten, kurz unterhalb des
Betriebsdruckes
befindlichen Druckes, das Ventil 40 geöffnet. Über den Druckininderer 44 strömt
eine am Ventil 42 eingestellte Gasmenge zur Saugseite des Komprssors.
-
Dadurch wird weniger Luft und Brenngas angesaugt und nur noch ein
Teil der Gesamtleistung erreicht. Unterschreitet der Druck einen eingestellten Wert
an dem Druckscnalter 67, so schließt sich das Ventil 4o und die Anlage produziert
danach die volle Menge, anderenfalls wird diese, wie bereits beschrieben, automatisch
abgeschaltet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Anlagen zur Erzeugung von
Inertgasen, Schutzgasen oder Reaktionsgasen zur Herstellung einer inerten oder reduzierenden
Atmosphäre erheblich zu vereinfachen und dabei gleichzeitig den Anwendungsberelch
zu erweitern.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem eingangs genannten Verfahren
dadurch, daß das Ausgangsgas in einem vorbestimmten Luftverhältnis den Verbrennungsräumen
einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt und verbrannt wird und anschließend in
Abhängigkeit vom Ausgangs gas und der gewünschten Endzusammensetzung einer Aufbereitung
unterworfen wird.
-
Die Lösung der gestellten Aufgaben gemäß der Elsfindlmg erfolgt ferner
mittels einer Einrichtung zur Durchiiihrung des genannten Verfahrens, wobei die
Einrichtung als Gasgenerator mindestens eine periodisch oder kontinuierlich arbeitende
regel- und steuerbare Verbrennungskraftmaschine aufweist, der sich Gasaufbereitungsaggregate
und Prozeßsteuer- und Regelgeräte anschließen, deren Energieversorgung mindestens
teilweise von der Verbrennungskraftmaschine durchführbar sind.
-
Im Falle der Verwendung eines flüssigen Brennstoffes wird dieser gemäß
dem Verfahren nach der Erfindung vor der Einführung in die Verbrennungskammer in
einen gasförmigen Zustand überführt und mit der Verbrennungsluft in einem veränderbaren
Luftverhältnis gemischt. Durch die Überführung in einen gasförmigen Zustand wird
der Brennstoff zur Durchführung einer verlustfreien Verbrennung in einen gasförmigen
Zustand überführt, wobei das Luftverhältnis äe nach Bedarf bzw. nach Zusammensetzung
der Ausgangsgase veränderbar ist.
-
Bei einer Verfahrensart nach der Erfindungwird bei Verwendung eines
Brennstoffes einer Kohlen-Wasserstoff-Verbindung der Brennstoff unter Wasser- oder
Luftzufuhr über einen Katalysator in die Grundkomponenten Wasserstoff, Methan und
Kohlenmonoxid aufgespaltet und das Gasgemisch danach den Verbrennungskammern zugeführt.
-
Die hierfür geeigneten Katalysatoren sind an sich bekannt.
-
Bei der Verwendung von flüssigem Ammoniak wird dieser ohne oder auch
mit Luftzufuhr katalytisch in'N2 und H2 zerlegt.
-
Als Brennstoff eignet sich z1lr Burchfühlung des Verfahrens nach der
Erfindung auch ein zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine geeigneter Kohlenwasserstoff
der Zusammensetzung Cn Hm oder 0n Hn. Weiter eignen sich für das Verfahren nach
der Erfindung Brennstoffe wie Rohbenzin, Benzin, Wohöl, Dieselöl, Erdgas, Propan,
Butan, Ferngas- oder Stadtgas und zwar in der aufgeführten Form oder auch in Form
von Gemischen dieser Stoffe. Die Auswahl der Gemische und ihr Mischungsverhältnis
hängt von der gewünschten Zusammensetzung der Ausgangsgase ab.
-
Weiter eignet sich für das Verfahren nach der Erfindung als Brennstoff
ein Alkohol, der auch mit den zuvorgenannten Brennstoffen gemischt werden kann.
-
Ferner eignet sich als Brennstoff Wasserstoff und dem Verbrennungsprozeß
kann auch äe nach Bedarf Wasserdampf zugegeben werden.
-
In Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung wird das den Verbrennungsräumen
der Verbrennungskraftmaschine entströmende Gas in Abhängigkeit vom Aus gangs gas
und der gewünschten Endzusammensetzung den folgenden Aufbereitungsprozessen unterworfen
wird: a) Kühlung; b) Vor-, Tief- und Feintrocknung; c) CO-Entfernung durch Konvertierung
zur Wasserstoffanreicherung und dessen Gewinnung;
d) CO2-Entfernung
unter Verwendung von Lauge und/oder Adsorption und/oder Tiefkühlung und der C02--Gewinnung;
e) Adsorption N2 und/oder Tiefkünlung zum Trennen von N2 und Gewinnung desselben;
f) Feinstreinigung; g) Methanisierung und h) Kompression.
-
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Einrichtung
verwendet, die erfindungsgemäß als Gasgenerator mindestens eine periodisch oder
kontinuierlich arbeitende regel- und steuerbare Verbrennungskraftmaschine aufweist,
der sich Gasaufbereitungsaggregate und Prozeßsteuer und Regel geräte anschließen,
deren Energieversorgung mindestens teilweise von der Verbrennungskraftmaschine durchführbar
sind. Im Gegensatz zu den bisherigen Anlagen wird auf diese Weise ein erheblicher
Anteil der inneren Energie der Gase sowie ihre Verdrängungsarbeit gewonnen und in
Energiearten umgewandelt, die sich zum Betreiben der Einrichtung eignet, nämlich
in elektrische und in meschanische Energie.
-
Vor den Verbrennungskammern der VerbrennuIlgskraftmaschine sind mindestens
ein Vergaser mit mindestens einer Vergaserstufe und einem sich anschließenden Mischrohr
angeordnet.
Mit hilfe eines solchen Vergaseraufbaues ist es ohne
weiteres möglich, die unterschiedlichsten Brennstoffe mit einem veränderbaren Luftverhältnis
soweit zu vergasen, daß in der Verbrennungskrafma schine eine einvJandfreie Verbrennung
stattfindet.
-
Tn einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist strömungsmäßig
vor den Verbrennungskammern der Verbrennungskraftmaschine ein Spaltvergaser angeordnet,
welcher zur Aufspaltung eines flüssigen höheren Kohlenwasserstoffes wie beispielsweise
Rohbenzin in die Somponenten Wasserstoff, Methan und Kohlenmonoxid einen Ka-Katalysator
aufweist. Mir den Prall, daß das benötigte Luftverhältnis die verstärkte Luftzufuhr
zum Vergaser erforderlich macht, ist vor dem Vergaser ein von der Verbrennungskraftmaschine
antreibbarer Luftkompressor angeordnet.
-
Als periodisch arbeitende Verbrennungskraftmaschine weist die Einrichtung
nach der Erfindung einen Otto-Motor oder auch einen Dieselmotor auf.
-
Zur Erzielung einer stöchiometrischen Betriebsweise ist in Weiterbildung
der Erfindung die Verbrennungskraftmaschine als Einspritzmotor ausgebildet.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verbrennungskraftmaschine
als Kreiskolbenmotor oder als Turbine mit Verbrennungskammer und Getriebe zum Abgriff
eines Drehmomentes ausgebildet.
-
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist die Drehzahl, die Belastung
und das Luftverhältnis der Verbrennungskraftmaschine veränderbar. Dadurch lassen
sich alle gewünschten Luftverhältnisse einstellen und die Gaserzeugung im Rahmen
der Leistungsfähigkeit der Einrichtung verändern. Zur Regelung des Luftverhältnisscs
ist am Gasausgangskanal der T'erbrennung.c,kr af tmaschj~ne eine Abgassonde angeordnet.
Ferner sind zur teilweisen oder vollständigen Energieversorgung mindestens eines
Gasaufbereitungsaggregates zur Abfuhr und Ausnutzung der Verbrennungswärme der erzeugten
Gase Kühlvorrichtungen vorhanden. Zum Abgriff eines Drehmomentes ist die Verbrennungskraftmaschine
nach der Erfindung mit einem Getriebe ausgerüstet, dem sich mindestens ein Drehmomentenwandler
anschließt. Mit dem Getriebe der Verbrennungskraftmaschine ist vorteilhaft ein Stromgenerator
mechanisch gekoppelt,mit dessen elektrischer Energie die Gasaufbereitungsaggregate,
die Prozeßsteuer- und Regelgerätebetreibbar sind. Mit dem Getriebe der Verbrenrnrngskraftmaschine
sind ferner mechanisch betreibbare Gasaufbereitungsaggregate mechanisch gekoppelt.
-
Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen die in den
Figuren 2 und 3 dargestellt sind näher beschreiben.
-
hierbei zeigen: Figur 2 eine Einrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine
und einer Kältemaschine, welche eine Verdichtereinheit ersetzt und Figur 3 ein Ausführungsbeispiel
mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Adsorptionseinheit, welche eine Verdichtereinheit
ersetzt.
-
Tn Figur 2 ist mit 100 eine Verbl-ennungskraftmeschine bezeichnet,
die als 4-Zylinder-Otto-Motor ausgebildet ist.
-
Mit jeden Zylinder 1o1 bis 104 ist eine Abgasleitung verbunden, welche
zu einem Sammel- und Mischbehälter 105 führen, der über die Leitung 106 mit einem
Luftkühler 107 verbunden ist. Dem luftkühler 107 schließt sich ein Wasserabscheider
108 an, von dem aus das Kondenzwasser abgeleitet wird. Nach dem Wasserabscheider
108 folgt eine Kälteanlage, die im wesentlichen aus 2 alternativ arbeitenden Kühlern
109 und 11o, einem Kältekompressor 111 und einem Kondensator 112 besteht.
-
Das Abgas gelangt je nach Schaltung der Ventile 113, 114 und 115,
116 in den Kühler 109 oder 11o und wird hier auf die Temperatur abgekühlt, welche
einem gewünschten
Taupunkt entspricht. Der Wsseranteil des Gases
wird bei diesem Vorgang als Eis an der Kühleraustauschfläche abgeschieden. Wird
beispielsweise der Kühler 11o mit Abgas befahren, in dem die zuvor genannten Ventile
entsprechend geschaltet sind, so stellt sich ein Kältekreislauf ein, der im folgenden
beschrieben wird. Aus dem Kondensator 112 gelangt das verflüssigte Kaltemittel an
ein Entspannungsventil 117 und wird hier auf die gewünschte Verdampfungstemperatur
entspannt. Vor Eintritt in den Kühler 110 wird das Dreiwegeventil 118 durchfahren.
Nach passieren des Kühlers 110 gelangt das Kältemittel über nas Dreiwegeventil 119
im gasförmigen Zustand auf die Saugseite des Kälteko,mpressors 111 und wird hier
verdichtet. Über das Vierwegeventil 120 wird das Gas in den Kondensator 112 zurückgeführt,
um sodann dem Kühler 11o verflüssigt wieder zur Verfiigung zu stehen.
-
Wird der Kühler 1o9 durch entsprechende Schaltung der Ventile 113
bis 116 mit Abgas befahren, so fiihrt der Kältemittelkreislauf aus dem Kondensator
112 über das Entspannungsventil 121, das Dreiwegeventil 122,den Kühler 109 und das
Dreiwegeventil 123 zum Kältekompressor 111.
-
Nach Ablauf einer vorprogrammierten Zeit wird der vereiste Kühler
11o abgetaut. Für diesen Verfahrensablauf wird der
Kältekreislauf
wie folgt gescnaltet: Das vom Kältekomprossor 110 verdichtete Kältemittel wird iiber
das Vierwegeventil 120 und Dreivegeventil 118 in den vereisten Kühler 110 geleitet.
Hier wird des bisher gasförmige Kältemittel abgekühlt und teilweise kondensiert
und über das Dreiwegeventil 119 in den Kondensator 112 zurückgeführt, um vollständig
kondensiert zu werden.
-
Der Kühler 110 arbeitet in diesem Fall als Kondensator, während der
Kühler 109, wie zuvor beschrieben, gleichzeitig mit flüssigen Kältemittel versorgt
wird. D: s abgetaute Wasser wird über die entsprechenden Wasserlbscheider 124 und
125 ausgeschieden. Nach restlosem Abtauen des Kühlers 110 bei Temperaturen gringfügig
über Null Grad G werden die Ventile 119, 118 Und 120 auf den normalen Kühlkreislauf
umgeschaltet und über Bypassventil 126 ein Teilstrom des Kältemittels zur Abkühlung
auf die Arbeitstemperatur in den zuvor abgetauten Kühler 110 eingeleitet. Zum Abtauen
des Kühlers 1o9 wird in der zuvor beschriebenen Weise gefahren, wobei der Heißgashreislauf
hier über die Ventile 120, 122 und 123 läuft, während die Vorkühlung über das Bypassventil
127 erfolgt. Das in diesem Ausführungsbeispiel als Vierwegeventil dargestellte Ventil
120 wird in der Praxis durch zwei Dreiwegeventile aufgeteilt.
-
Wie weiter aus Figur 2 zu entnehmen ist, ist der Kältekompressor 111
mittels mechanischer Übertragungselemente
128 mit der Antriebsscheibe
129 des Motors 100 verbunden.
-
uf diese Weise wird die durch die Verbrennung des Brennstoffes gewonnene
mechanische Energie zum Antrieb des Kältekompressors 111 verwendet.
-
Anhand der Figur 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben, bei dem eine Verbrennungskraft maschine im Vergleich zu den bisher
bekannten Anlagen eine Gemischregelung und eine Verbrennungseinheit ersetzt.
-
Die sich anschließende Adsorptionseinheit ersetzt hierbei eine bisher
verwendete Verdichtereinheit und Trocknung bis - 400 C.
-
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind im Vergleich zu
Figur 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ähnlich wie bei
dem Ausführungabei spiel nach Figur 2 gelangt das Abgas der Verbrennungskraftmaschine
100 über einen Sammel- und Mischbehälter und der Gasleitung 106, sowie einem Dreiwegeventil
129 je nach Stellung des Vierwegeventils 130 in den Adsorber 131 oder 132 und wird
hier zur Desorption des adsorbierten Wassers verwendet und wird über das Vierwegeventil
133 und den Luftkühler 134 in den Wasserabscheider 135 geleitet.
-
111er wird das bei der Desorption freigewordene Wasser ausgeschieden.
über das Vierwegeventil 130 gelangt nun (ias Gas in den der Adsorption zur Verfügung
stehenden Adsorber 131 oder 132 und wird mit dem gewünschten T.upunkt
über
das Vierwegeventil 133 zum nicht näher dargestellten Verbraucher geführt.
-
Nach erfolgter Aufheizung des jeweils zu regenerierenden Adsorbers
wird das Dreiwegeventil 129 umgeschaltet.
-
Dadurch gelangt das Abgas in den Luftkühler 136, wird hier gekühlt
und nach Durchströmen des Wasserabscheiders 137 zur Kühlung in den jeweils aufgeheizten
Adsorber geleitet. Die Umschaltung erfolgt dabei zeitabhängig und automatisch durch
nicht näher dargestellte Zeitschaitwerke.
-
Zur Darstellung der Vorteile und des technischen Fortschritts der
Erfindung gegenüber dem anhand der Figur 1 dargestellten Standperder Technik wird
im folgenden ein Funktionsvergleich mit der Erfindung durchgeführt, wie sie aus
den Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist.
-
Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, besteht eine Anlage nach dem
Stand der Technik aus einer Gemischregelung, einer Verbrennungseinheit, der Verdichtereinheit
und einer Trocknungseinheit. Die Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung ersetzt
dabei die Gemischregelung und Verbrennungseinheit. Bei der Verwendung der bisher
iiblichen Brennkammern wird die gesamte bei der Verbrennung entstehende Energie
in Wärme umgewandelt, welche durch zusätzliche Kühlsysteme abgeführt werden muß.
Bei der Erfindung dagegen wird ein erheblicher Anteil der inneren
Energie
und die gesamte Verdrängungsarbeit in nutzbringende Energiearten umgewandelt, beispielsweise
in me chanische und/6der elektrische Energie. Mit Hilfe der mechanichen Energie
werden beispielsweise wie anhand der Figur 2 bereits beschrieben, der Kältekompressor
111 betrieben, führend mit der elektrischen Energie Antriebe, wie beispielsweise
für Verdichter, Gebläse, Kühlgebläse, Heinzungen für Desorptionsabläufe, Feinstreinigungen,
Konvertierungen sowie Meßgeräte versorgt werden können, weiche einer entsprechenden
Energie bediirfen.
-
Den bekannten Anlagen haftet ein erheblicher Nachteil an insofern,
als die Einfahrzeit der Anlage, d.h. die Zeit, die benötigt wird, um unter konstanten
Vernältnissen ein gleichblelbendes Schutzgas zu erzeugen, ca. 1 Stunde beträgt.
In dieser Zeit werden aber auch große Mengen Brennstoffenergien und Kühlmittel an
den verschiedensten Steilen der Anlage benötigt.
-
Bei der Erfindung dagegen beträgt die Einfahrzeit einer Verbrnnungskraftmaschine
ca. 3 bis 5 Minuten, Schon aufgrund der relativ langen Einfahrzeit der bekannten
Anlagen ist es erfordelich, einen Gassammelbehälter zur Verfügung zu stellen, um
beim ausfall der Anlage eine genügende Menge Schutzgas zur Verfügung zu haben, um
beispielsweise eine sich anschließende Produktion oder dergleichen
kontinuierlich
fortsetzen zu können. r,as Gas in einem in Figur 1 nicht näher dargestellten Sammelbehälter
steht dabei unter einem Druck von ca. 10 atü, , während der Druck des benötigten
Schutzgases nur ca. 0,3 bis 0,5 atü beträgt. Um das Schutzgas auf einen derartig
hohen Druck dem Sammelbehälter zuführen zu können, ist die Verdichtereinhelt mit
ihrem Gaskompressor 65 erforderlich. Dieser Kompressor benötigt selbst eine Kühlung
und darüber hinaus muß auch die bei der Kompresion des Gases freiwedende Wärme durch
ein Kühlmittel abgeführt werden. Da es sich hierbei und auch bei der Verbrennungseinheit
um erhebliche Wärmenengen handelt, werden diese in einem offenen Kühlwasserkreislauf
abgeführt.
-
Nicht nur die Kühlanlage, sondern auch das ständig zur Verfügung stehende
Kühlmittel verteuern den Anlagenpreis und die Betriebskosten. Darüber hinaus st
es erforderlich, alle Druckbehälter vor ihrer Inbetriebnahme als auch in periodischen
Abständen überprüfen zu lassen, wodurch fortlaufend weitere Kosten entstehen, Um
das Gas von seinem Lagerdruck in der Größenordnung von 10 Atmosphären auf den Arbeitsdruck
von 0,5 atü zu reduzieren, sind besondere aufwendige Reduzierventile erforderlich,
welche die nlagekosten weiter erhöhen.
-
In der Gemischregelstufe nach dem Stand der Technik sind aufwendige
und überaus empfindliche Mengenmeßgeräte,
beispielsweise FI 8 und
PI 11 gemäß Figur 1 erforderlich, welche gemäß der Erfindung nicht benötigt werden.
-
Ein weiterer erheblicher Nachteil bei Anlagen gemäß dem Stande der
Technik besteht darin, daß diese energieabhängig sind, d .h., daß beispielsweise
zum Betreiben der Verdichtereinheit, der Kühlmittelpumpen und dergleichen elektrische
Energie benötigt wird und aufgrund der Tatsache, daß ein offener Kühlkreislauf verwendet
werden muß da die anfallenden Wärmemengen erheblich sind, können diese bekannten
Anlagen nur stationär ausgebildet sein.
-
Die Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine anstelle der bisher
bekannten Verbrennungseinheit ergibt die Möglichkeit, die Gaserzeugungsanlage mobil
auszurüsten, beispielsweise auf einem Fahrzeug, da alle benötigten mechanischen
und elektrischen Energien von der Verbrennungskraftmaschine selbst erzeugt werden.
Aufgrund dieser Tatsache ergeben sich erweiterte Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise
bei der Brandbekämpfung, bei der Re- und Entladung bzw. Handhabung explosiver Materialien
d dergleichen.
-
Ein weiterer Nachteil der bekannten Anlagen besteht darin, daß diese
sehr platzaufwendig sind und beispielsweise
ein Volumen von 50
cbm benötigen. Demgegenüber kann die Einrichtung nach der Erfindung in Kombination
mit einer Kältemaschine oder Adsortionsanlage kompakt ausgebildet sein, wodurch
nur ein Bruchteil der Platzmenge, bezogen auf die bekannten Anlagen benötigt wird.
-
Der Platzbedarf der Einrichtung nach der Erfindung liegt in der Größenordnung
von 2 cbm.
-
Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit der bisher bekannten Anlagen
sind Sicherheitsorgane erforderlich, wie beispielsweise Einrichtungen zur Konstanthalterung
des Eingangsdruckes, also Druckschalter, Temperaturregler, Flammenrückschlagsicherungen,
W-Sonden zur erwachung des Verbrennungsvorganges, Niveauschalter, Bimetallrelais
zur Überwachung von Elektromotoren, die sämtlich bei der Erfindung systembedingt
entfallen.
-
Ein weiterer Vorteil der Binrichtung nach der Erfindung besteht darin,
daß beispielsweise bei einem Teillast betrieb die für die Versorgung der nachgeschalteten
Elemente benötigten Energien sychron auf entsprechende und proportionale Teillasten
reduziert werden, so daß eine diesbezügliche Regelung vollkommen entfällt.