DE3327428A1

DE3327428A1 - Verfahren und vorrichtung zur konstanthaltung des siededruckes eines verfluessigten gases

Info

Publication number: DE3327428A1
Application number: DE19833327428
Authority: DE
Inventors: Javier Dipl.-Ing. 4005 Meerbusch Gutierrez
Original assignee: KRYTEM GmbH
Current assignee: KRYTEM GmbH
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3327428C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Konstant-
haltung des Siededrucks eines verflüssigen Gases Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verflüssigen eines gasförmigen Mediums, z.B. Argon, mittels eines flüssigen Kühlmitteis, z.B. Stickstoff, dessen Temperatur unterhalb der Siedetemperatur des zu verflüssigenden Mediums liegt.
Das Argon-Gas wird in der Regel durch Tieftemperatur-Rektifikation in Luftzerlegungsanlagen oder als Nebenprodukt aus einigen chemischen Verfahren gewonnen. Aus wirtschaftlichen Gründen wird das gewonnene Argon-Gas im'flüssigen Zustand gespeichert und geliefert.
Bedingt durch die niedrige Temperatur, die diesen Zustand kennzeichnet, ist eine kontinuierliche Aufnahme von Wärme aus der Umgebung unvermeidbar.
Durch Anwendung von hochwirksamen Isolationsmethoden kann die Wärmeaufnahme reduziert, jedoch nicht verhindert werden. Diese Aufnahme von Wärme hat eine Erhöhung der Fliissigkettstemperatur zur Folge. Wenn die Flüssigkeitstemperatur die Siedetemperatur erweicht, verursacht jede weitere Aufnahmevon Wärme die Verdampfung einer entsprechenden Flüssigkeitsmenge.
Bei unter Druck gespeicherten Flüssigkeiten hat die Flüssigkeitsverdampfung eine Druckerhöhung zur Folge.
Wenn der maximale Betriebsdruck des Speicherbehälters überschritten wird, sprechen die Sicherheitsvorrichtungen an, wobei die durch Verdampfung entstandenen Gasmengen ins Freie entlastet werden und dadurch Gasverluste entstehen. Die Erwärmung des flüssigen Gases kann weiterhin unerwünschte Störungen in nachgeschalteten Einrichtungen zur Folge haben; z.B. bei Fördereinrichtungen, wie Kreisel- und Kolbenpumpen, deren Betriebsfähigkeit vom Zustand der angesaugten Flüssigkeit abhängt. Bei diesen Vorrichtungen muß die angesaugte Flüssigkeit einen relativ unterkühlten Zustand aufweisen. Dieser Zustand ist nur herstellbar, wenn der Betriebsdruck ausreichend oberhalb des Siededruckes aufgebaut ist oder eine genügende statische Höhe vorliegt.
Es sind eine Vielzahl Vorrichtungen bekannt, die mittels flüssigen Stickstoffs zur Verflüssigung gasförmigen Argons dienen. Diese Vorrichtungen bestehen in der Regel aus einer zum Wärmeaustausch dienenden Fläche, die einerseits vom flüssigen Stickstoff, andererseits mit gasförmigem Argon beaufschlagt wird. Auf der Argonseite der Fläche findet ein konvektiver Wärmeaustausch statt, der eine Abkühlung des gasförmigen Argons bewirkt. Wenn die Siedetemperatur des Argons unterschritten wird, so kondensiert es auf der abgekühlten Fläche. Die dem flüssigen Argon entzogenen Wärmemengen verursachen auf der Stickstoffseite eine entsprechende Erwärmung bzw. Verdampfung bei konstanter Temperatur der Flüssigkeit. Da die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs bei Drücken - 2,8 bar unterhalb des Gefrierpunktes des flüssigen Argons liegt, besteht. die Möglichkeit, daß das auskondensierte Argon so weit abgekühlt wird, daß es zu Eis gefriert.
Die an der Wand des Kondensators gebildete Argon-Eisschicht würde dann eine weitere Kondensation verhindern. Um dies zu vermeiden, müssen konstruktive und steuerungstechnische Maßnahmen getroffen werden, die es erlauben, den flüssigen Stickstoff unter einem Druck oberhalb 2,8bar zu halten.
Mit dem Ziel Verluste zu vermeiden, werden häufig die nach dem beschriebenen Prinzip arbeitenden Argon-Kondensatoren im Gasraum von Argon-Speichertanks angeordnet. Sobald der Tankdruck einen bestimmten Wert überschreitet, werden diese Kondensatoren von flüssigem Stickstoff durchströmt. Das Argongas kühlt sich ab und kondensiert, wobei der Tankdruck zwangsläufig abgebaut wird. Bedingt durch die langsame diumkonvektion, die die seitliche Erwärmung der in einem Tank gespeicherten Flüssigkeit bewirkt, bilden sich im Laufe der Zeit Flüssigkeitsschichten verschiedener Temperaturen. Die obere Schicht, die Gas von Flüssigkeit trennt, weist etwas höhere Temperaturen als die unmittelbar darunterliegenden Schichten auf. Die aus dem Kondensator über diese Schicht fallende kältere, auskondensierte Flüssigkeit'vermischt sich mit dieser Wärmeschicht und.kühlt sie ebenfalls ab. Die Abkühlung der oberen Trennschicht fördert zwar einen schnelleren Druckabbau, hindert aber gleichzeitig, daß die darunte.r.liegenden Wärmeschichten durch den der Druckabsenkung folgenden Entspannungseffekt sich abkühlen. Aus diesem Grunde kann bei derartigen Anlagen keine kontinuierliche Gasverflüssigung erfolgen. Erst wenn die obere Trennschicht dadurch die freie Konvektion der darunterliegenden wärmeren Schichten sich wieder erwärmt und entspannt kann ein erneuter Druckabbau erfolgen.
Bei Speicheranlagen mit nachgeschalteten Fördereinrichtungen können derartige Kondensatoren durch den verursachten Druckaufbau, ohne gleichzeitige Abkühlung der unteren Flüssigkeitsschichten, eine Verschlechterung der Saugverhältnisse verursachen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, wodurch der zum Verhindern des Gefrierens des Kondensators erforderliche konstruktive und steuertechnische Aufwand, die diskontinuierliche Betriebsweise und die Verschlechterung der Saugverhältnisse bei nachgeschalteten Fördereinrichtungen vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindungsmerkmale gelöst.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der in vorteilhafter Weise das wertvolle Argongas nicht unbeabsichtigt verloren geht.
Die Vorteile der Erfindung sind in folgenden Merkmalen zu erblicken.
Bei Einführung des kälteren verflüssigten Argons über die untere Seite des Speicherbehälters kann sich die obere Flüssigkeits-Trennschicht nur entsprechend der durch Druckabsenkung verursachten Entspannung abkühlen. Die Verdrängung der wärmeren Flüssigkeitsschichten nach oben, durch das von unten eingeführte kältere und dichtere Argon-Kondensat, bewirkt eine homogenere Abkühlung der gespeicherten Flüssigkeit. Hierbei muß ihr Siededruck zwangsläufig dem Druck im Gasraum entsprechen. Die Abkühlung der gesamten gespeicherten Flüssigkeit, insbesondere der unteren Flüssigkeitsschichten, ohne Unterschreitung des Siededruckes kann bei ausreichender statischer Höhe den durch Kondensation verursachten Druckabbau derart kompensieren, daß der zum Betrieb von Fördereinrichtungen erforderliche unterkühlte Zustand der Flüssigkeit erhalten bleibt.
Durch Verwendung von flüssigem Stickstoff in drucklosem Zustand bleiben die zum Wärmeaustausch maßgebenden Größen, Temperatur bzw. Verdampfungswärme, unveränderlich. Die Anwendung eines Kondensators, der Bestandteil eines kommunizierenden Rohrsystems ist, bewirkt eine selbsttätige Regelung des Kühlmittels bzw. flüssigen Stickstoffverbrauchs. Dabei kann nur so viel flüssiger Stickstoff im Kondensatorteil nachströmen, wie er auf Grund der Wärmeaufnahme verdampft. Durch diese Vorteile ist es möglich, auf eine aufwendigere Regelung zu verzichten. Hierzu ist es nur notwendig, das Flüssigkeitsniveau im oberen Behälter-konstant zu halten.
Die Vorrichtung kann an bestehende Speicherbehälter beliebiger Art, ohne änderung deren Bestandteile, von außen angebracht werden. Die Vorrichtung läßt sich ebenfalls an mobilen Transportbehältern anbringen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung in einem Beispiel zur Ausführung des Verfahrens mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung nachfolgend näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung in einer schematischen Skizze.
Die Vorrichtung besteht aus zwei übereinander angeordneten Behältern 1,2. Der obere Behälter 1 dient zur Speicherung des flüssigen Stickstoffs, der über die Leitung 3 und das AbSperrventil 4 aus dem Speichertank 5 entnommen wird. Die sich im oberen Behälter 1 befindliche Sonde 6 dient zur Abtastung des Niveaus des flüssigen Stickstoffs und zur entsprechenden Steuerung des Absperrventils 4.
Die Leitung 7 dient zur Entlastung der austretenden Stickstoff-Gasmengen ins Freie.
Die Zulaufleitung 8, die vom Boden des oberen Behälters 1 ausgeht, bildet mit dem Steigrohr 9 einen durch -den unteren Behälter 2 kommunizierendes Rohrsystem. Im Innern des unteren Behälters 2 befindet sich der Kondensatorraum 18. Der Kondensator besteht aus einer Vielzahl von Tellern lo aus einem gut wärmeleitenden Metall, z.B. Kupfer, die vorzugsweise als Konus -ausgebildet sind, welche an dem Rohr 11, das die Zulaufleitung 8 und das Steigrohr 9 verbindet, angebracht sind.
Die am oberen Teil des unteren Behälters 2 angebrachte Leitung 12 dient zur Einführung des gasförmigen Argons, die über ein Absperrventil 16 durch die Leitung 13 mit dem Gasraum 19 des Argon-Speicherbehälters 20 verbunden ist. Die Leitung 14 dient zur Rückführung des auskondensierten Argons über die Leitung 15 und das Ventil 17 in den Boden des Argon-Speicherbehälters 20. Die Leitungen 3 und 14 können mit einer Isolationsschicht versehen und zusammen mit der Leitung 12 innerhalb der Leitung 7, um Kälteverluste zu vermeiden, angeordnet sein.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Vorrichtung angegeben.
Die erfindungsgemäß dargestellte Vorrichtung ist an der Außenseite eines Argon-Speichertanks 20, oberhalb des maximalen Flüssigkeits-Füllniveaus, anzubringen. Der Kondensator ist mit dem Gasraum 19 und der Flüssigkeits-Entnahmeleitung über die Leitungen 13 und 15 zu verbinden. Beim Uffnen der in diesen Leitungen angeordneten Absperrventile 16,17 erfolgt der Druckausgleich zwischen Kondensatorraum 18 und Gasraum 19, wobei sich in der Leitung 14 durch Rückstrom aus dem Speicherbehälter 20 eine Flüssigkeits-Argonsäule aufbaut, deren Niveau dem Niveau der Flüssigkeit im Speicherbehälter 20 entspricht. Der im oberen Behälter 1 über die Leitung 3 einströmende flüssige Stickstoff fließt ebenfalls durch das kommunizierende Rohrsystem, bestehend aus der Zulaufleitung 8, dem Rohr 11 und dem Steigrohr 9, bis dieses voll ist bzw. das Flüssigkeitsniveau im Steigrohr 9 das Niveau des flüssigen Stickstoffs im oberen Behälter 1 erreicht.
Der im kommunizierenden Rohr 11 befindliche drucklese, flüssige Stickstoff dient zur Abkühlung und Kondensation des im Kondensatorraum 18 unter Druck stehenden gasförmigen Argons. Der Wärmeaustausch vom gasförmigen Argon zum kälteren flüssigen Stickstoff findet im wesentlichen in den Metalltellern lo statt, die am Rohr 11 angebracht sind. Die Teller lo bieten eine nach außen größer werdende Wärmeaustauschfläche an. Die Auswahl eines gut wärmeleitenden Metalls, z.B.
Kupfer, erlaubt es, daß der Verlauf des Temperaturgradienten zwischen Rohr- und Tellerumfang dem Gleichgewicht zwischen den durch Konvektion und Kondensation des Argons abgegebenen und der vom flüssigen Stickstoff aufgenommenen Wärmemengen entspricht. Durch die eingebauten Metallteller 10 wird eine Austauschfläche erreicht, die eine größere Wärmeübertragung an der Außenseite als an der Innenseite des Rohres 11 erlaubt. Somit ist es gewährleistet, daß eine Vereisung des auskondensierten Argons jenseits der Außenwand des Rohres 11 nicht eintreten kann. Der durch Wärmeaufnahme angewärmte und verdampfte Stickstoff entweicht über das Steigrohr 9 und die Leitung 7 ins Freie. Durch das kommunizierende Rohrsystem 8,11,9 fließt so viel flüssiger Stickstoff vom oberen Behälter 1 nach; wie im Bereich des Rohres 11 verdampft wird.
Wenn das Flüssigkeitsniveau im Behälter 1 sinkt, öffnet die Sonde 6 das Absperrventil 4, wobei flüssiger Stickstoff aus dem Speichertank 5 entnommen wird. Das in den Tellern lo auskondensierte Argon rieselt ab und fällt auf die-sich in der Leitung 14 befindliche Flüssigkeit. Diese wird über die Leitung 15 im Speicherbehälter 20 zurückgedrängt. Damit erfolgt ein kontinuierlicher Kreislauf, der das wärmere Argongas aus dem Gasraum 19 ansaugt, abkühlt, kondensiert und über die untere Leitung 14 und 15 in den Behälter 20 zurückführt.
Bezugszeichen-Liste 1 Behälter ( für flüssigen Stickstoff) - oberer-2 Behälter ( für flüssigen Stickstoff) - unterer-3 Leitung (für Stickstoff) - von 5 nach 1-4 Absperrventil ( in Leitung 3) 5 Speichertank ( für flüssigen Stickstoff) 6 Sonde ( im Behälter 1) 7 Leitung ( ins Freie) 8 Zulaufleitung ( von 1 nach 11) 9 Steigrohr ( von 2 nach 1) -lo Metallteller ( an Rohr 11) 11 Rohr ( von 8 nach 9) 12 Leitung ( von 16 nach 2) 13 Leitung ( von 20 nach 16) 14 Leitung ( von 2 nach 17) 15 Leitung ( von 17 nach 20) 16 Absperrventil ( in Leitungen 12,13) 17 Absperrventil ( in Leitungen 14,15) 18 Kondensatorraum ( in Behälter 2) 19 Gasraum ( in 20) 20 Speicherbehälter ( für Argon) - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1il Verfahren zur Konstanthaltung des Siededruckes eines tiefkalten, verflüssigten Mediums, insbesondere Argon, in einem Speicherbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Verdampfung entstandener, gasförmiger Teil des Mediums in einem KQndensatorraum. durch ein durch diesen Kondensatorraum in drucklosem Zustand geschlossen hindurchgeführtes Kältemittel, insbesondere flüssigen Stickstoff, soweit abgekühlt wird, daß der Taupunkt unterschritten wird, wonach das verfl.üssigte Medium vom unteren Teil des K"bndensatorraumes über eine Rohrleitung zum unteren Teil des Speicherbehälters zurückgeführt wirdt 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Konstanthaltung des Siededruckes eines tiefkalten, verflüssigten Mediums, insbesondere Argon, das in einem Speicherbehälter gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus zwei voneinander getrennten, übereinanderliegenden Behältern (1,2) besteht, die oberhalb des Flüssigkeitsstandes im Speicherbehälter (20) angeordnet sind, im oberen Teil des Speicherbehälters (20) eine Leitung (12) angeschlossen ist, die zum unteren Behälter (2) und dort in einen Kondensatorraum (18) geführt ist, durch den ein Rohr (11) mit einem Kältemittel, zum Beispiel verflüssigten Stickstoff, hindurch und zum oberen Behälter (1) geführt ist und von dessen unterem Ende eine Leitung (14) abgeht, die zum unteren Teil des Speicherbehälters (20) führt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel aus einem über dem Kondensatorraum (18) angebrachten Behälter (1) in flüssiger Form durch eine Zulaufleitung (8) zum Rohr (11) geführt ist, das nach oben hin in den Behälter (1) weitergeführt ist und im oberen Teil des Behälters (1) offen endet, wobei der-Behälter (1) oben mit einer offenen Rohrleitung (7) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB vom Speichertank (5) dem Behälter (1) flüssiges Kältemittel, insbesondere Stickstoff, über ein Absperrventil (4) zugeführt ist, das sich im Behälter (1) in drucklosem Zustand befindet, und daß die vom Behälter (1) abgehende Rohrleitung (7) im Innern eine andere Rohrleitung, zum Beispiel die Leitung (3), zur Zuführung des flüssigen Stickstoffs aufnimmt.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (11) am Umfang mit Oberflächenvergrößerungsmitteln, insbesondere mit wärmeleitend angebrachten Metalltellern (lo) versehen ist, die außen konisch nach unten geneigt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (3) für flüssigen Stickstoff zum Behälter (1), in der Leitung (12) für das gasförmige Medium zum Kondensatorraum (18) und in der Leitung (14) für das verflüssigte Medium vom Kondensatorraum (18) zum Speicherbehälter (20) je ein Absperrventil (4,16, 17) angeordnet ist.