DE3530806A1 - Verfahren zum beheizen von druckgasflaschen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen von Druckgasflaschen zwecks Entfernung von Restfeuchtigkeit oder um die Gasentnahme zu erleichtern, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Druckgasflaschen werden in großem Umfang in Herstell- und Abfüllwerken ausgeheizt. So werden nach jeder Wasserdruckprobe die Druckgasflaschen ohne Flaschenventil auf 150°C aufgeheizt, um die Flaschenwand zu trocknen. Druckgasflaschen für spezielle Reinstgase und Gasgemische werden bei gewöhnlich 100 bis 120°C unter Vakuum ausgeheizt, um die Wasserdampfbelegung der mehr oder weniger glatten Flascheninnenfläche zu beseitigen. Diese Wasserbelegung würde andernfalls zu einem erhöhten Feuchtigkeitsgehalt der abgefüllten trockenen Gase führen.

Angestrebt werden hier beispielsweise Feuchtigkeitsgehalten in Gasen von weniger als 2 vpm.

Auch beim Verbraucher müssen Druckgasflaschen gelegentlich beheizt werden, und zwar dann, wenn in ihnen unter Druck verflüssigbare Gase mit hohen Verdampfungswärmen abgefüllt sind und große Mengen dieser Gase in kurzer Zeit entnommen werden sollen. Die für die Verdampfung benötigte Wärme wird hierbei dem restlichen flüssigen Inhalt der Druckflasche entzogen, der sich dadurch stark abkühlt. Dies führt zu einer äußeren Vereisung der Druckgasflasche durch ansublimierte Luftfeuchtigkeit. Es bildet sich somit an der Außenwand der Stahlflasche eine lockere, wärmeisolierende Eiskristallschicht, durch welche die Wärmezufuhr aus der Umgebungsluft behindert wird und die Gasentnahme somit zusätzlich erschwert wird.

Zur Beheizung von Druckgasflaschen im Herstell- oder Abfüllwerk werden häufig spezielle Umluftöfen oder Röhrenöfen verwendet, in welchen die Flaschen während mehrerer Stunden erwärmt werden. Darüber hinaus sind zahlreiche weitere Heizmethoden bekannt, wie Heizbandagen, Heizjacken, Heizstrahler, Heizstäbe, Heißluftgebläse und Gasbrenner. Flüssigkeitsbäder, die an sich wegen ihrer großen Wärmeübertragungsraten für die Beheizung von Druckgasflaschen gut geeignet wären, könne nicht verwendet werden. Wasserbäder scheiden aus, weil die entweichenden Wasserdampfschwaden dem angestrebten Ziel der Feuchtigkeitsentfernung hinderlich sind. Ölbäder können wegen der erhöhten Unfallgefahr im Bereich von 100 bis 150°C nicht verwendet werden. Lediglich bei der Entnahme großer Mengen verflüssigter Gase aus Druckgasflaschen können beheizte Wasserbäder verwendet werden, die sicherheitstechnisch unbedenklich sind und sehr gur und sicher thermostatisiert werden können. Daneben werden aber auch für diesen Zweck die genannten Heizungsarten angewandt.

Mit Ausnahme des beheizten Wasserbades ist allen Beheizungsverfahren gemeinsam, daß die an der Flascheninnenfläche benötigte Wärme erst durch mehrere Wärmewiderstände herantransportiert werden muß. Diese Wärmewiderstände sind die Gasschichten um die Flasche und die Flaschenwand selbst. Beim Anheizen von Druckgasflaschen zur Beseitigung von Restfeuchtigkeit wirkt sich dies in der Praxis so aus, daß meist zwischen 12 bis 24 Stunden geheizt werden muß, wobei unter reinem Vakuum der Abtransport des von der Innenfläche abgelösten Wasserdampfs stark verlangsamt ist. Man wendet daher gelegentlich eine zwischen Vakuum und Stickstofflutung wechselnde Ausheizweise an.

Bei derartigen langen Ausheizprozessen tritt eine ziemliche Energievergeudung auf. Die nach außen abfließende Wärmeenergie muß durch eine aufwendige Wärmedämmung verringert werden, um möglichst hohe thermische Wirkungsgrade zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beheizen von Druckgasflaschen zu schaffen, welches eine geringe Beheizungsdauer und einen entsprechend verringerten Energiebedarf erfordert.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegeben Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Beheizung von Druckgasflaschen durch Induktion entsteht die Wärme da, wo sie gebraucht wird, nämlich in der Flaschenwand. Beispielsweise können Druckgasflaschen mit einem Gewicht von 15 bis 75 kg, d. h. mit 10 bis 50 l Inhalt, in der enorm kurzen Zeit von 10 Min. auf 130°C aufgeheizt werden, was mit keinem der bisher geübten Verfahren möglich ist. Auch die mechanische Handhabung ist einfach, denn das Gewicht der induktiven Heizspulen entspricht ungefähr dem der Druckgasflaschen selbst. Wenn bei großen Druckgasflaschen die induktiven Heizspulen zu schwer werden, können sie auch in geteilter Form eingesetzt werden, indem mehrere solcher geteilter Spulen aufeinander gesetzt werden.

Besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich induktive Heizspulen erwiesen, die einen Spulenkörper aus nichtmagnetischem Material besitzen und von einem Mantel aus magnetisierbarem Material zur magnetischen Kapselung umgeben sind. Dieser Mantel kann geschlitzt sein.

Desgleichen weist das erfindungsgemäße Verfahren Vorteile auf wenn es zur Verbesserung der Gasentnahme von verflüssigten Gasen dient. Die induktive Heizspule kann hierbei als sogenannter induktiver Fußheizer ausgebildet werden, mit welchem lediglich der Flaschenfuß beheizt wird. Die induktive Heizspule umgibt dann nur den unteren Teil der Druckgasflasche. In diesem Fall kann auch der die induktive Heizspule umgebende Mantel aus unmagnetischem Material sein, sollte jedoch auch einen Schlitz von 0,5 bis 5 mm aufweisen, der lediglich durch schmale Stege für die erforderliche Festigkeit unterbrochen ist.

Mit den bevorzugten Ausführungsformen der induktiven Heizspule läßt sich der Leistungsfaktor cos ϕ, der die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung angibt, auf Werte bis 0,95 anheben, während er normalerweise nur einen Wert von etwa 0,6 besitzt. Gegebenenfalls muß, um diesen Wert zu erreichen, mit Metallpapierkondensatoren kompensiert werden.

Die induktive Beheizung von Gefäßen aus Eisen ist in der chemischen Industrie seit Jahrzehnten bekannt. Eine Übertragung dieser Beheizungart auf Druckgasflaschen stand jedoch die Vorstellung entgegen, daß der Stahl dieser Druckgasflaschen gegen elektromagnetische Kräfte und elektromagnetische Felder besonders empfindlich sei und die Festigkeit des Stahl darunter leiden könne. So finden sich in den einschlägigen Unfallverhütungsvorschriften beispielsweise Angaben darüber, daß Druckgasflaschen nicht durch Magnetkrane befördert werden dürfen. Aus eigenen Untersuchungen hat sich jedoch ergeben, das derartige Bedenken allenfalls dann zu Recht bestehen, wenn Werkstofftemperaturen von mehr als 350 bis 400°C erreicht werden. Auf so hohe Temperaturen werden Druckgasflaschen jedoch in der Regel nicht aufgeheizt. Ferner bestand die Vorstellung, daß die erforderlichen induktiven Heizspulen außerordentlich schwer und dementsprechend schwierig zu handhaben und teuer sein müßten. Es zeigte sich jedoch, daß das Gewicht der Heizspulen in der Größenordnung dem der zu beheizenden Gasflaschen entspricht. Es sind zur Realisierung der Erfindung auch keine teueren Mittel- oder Hochfrequenzgeneratoren erforderlich, da die Beheizung mit gewöhnlichem Wechsel- oder Drehstrom erfolgen kann.

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen:
Fig. 1 eine Druckgasflasche, die auf ihrer gesamten Länge von einer einzigen induktiven Heizspule umgeben ist,

Fig. 2 eine Druckgasflasche, die auf ihrer gesamten Länge von zwei aufeinander gesetzten induktiven Heizspulen umgeben ist,

Fig. 3 eine Druckgasflasche, die auf ihrer gesamten Länge von drei aufeinander gesetzten induktiven Heizspulen umgeben ist,

Fig. 4 eine Druckgasflasche, bei der lediglich der untere Teil zur Fußheizung von einer induktiven Heizspule umgeben ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Druckgasflasche 1 ist von einer induktiven Heizspule umgeben, die im wesentlichen aus dem Spulenkörper 2, der Wicklung 3 und dem Mantel 4 besteht. Der Spulenkörper 2 besteht aus Edelstahl, er kann jedoch auch aus anderem unmagnetischen Material wie Aluminium oder temperaturbeständigem Kunststoff gefertigt sein Die Wicklung 3 besteht aus lackiertem Kupferdraht und ist so ausgelegt, daß sie zum Betrieb an 50 Hz Wechselstrom geeignet ist. Es können auch Wicklungen aus Aluminium verwendet werden. Der Mantel 4 besteht aus magnetisierbarem Stahl und dient zur magnetischen Kapselung. Der Mantel 4 kann in Längsrichtung geschlitzt sein, doch ist das Vorhandensein eines solchen Spaltes nicht unbedingt erforderlich. Zur weiteren magnetischen Kapselung dient die Grundplatte 5 und die geteilte Deckplatte 6.

Beide sind ebenfalls aus magnetisierbarem Stahl gefertigt. Die geteilte Deckplatte 6 besitzt eine Aussparung für das Flaschenventil.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist vor allem für kleine Druckflaschen, beispielsweise für 10 l-Flaschen geeignet. Zum Ausheizen wird die Druckgasflasche 1 in die induktive Heizspule gesenkt und nach vollendeter Beheizung wieder herausgenommen.

Große Druckgasflaschen, beispielsweise mit 40 oder 50 l Inhalt, können nicht mehr von Hand in die induktive Heizspule eingesetzt werden. In diesem Fall verwendet man, wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt mehrere aufeinandergesetzte induktive Heizspulen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Druckgasflasche 7 von zwei aufeinandergesetzten induktiven Heizspulen 8 a, 8 b umgeben. Diese Heizspulen werden auf die Druckgasflasche 7 abgesenkt, weshalb an den Heizspulen 8 a, 8 b Ösen 9 für Hebezeug befestigt sind. Die induktiven Heizspulen 8 a, 8 b sind zum Betrieb an 220 V Einphasen-Wechselstrom ausgelegt. Soll dagegen mit 380 V Drehstrom beheizt werden, verwendet man drei aufeinandergesetzte induktive Heizspulen 10 a, 10 b, 10 c, wie in Fig. 3 dargestellt.

Das Gewicht einer solchen Heizspule, beispielsweise der Heizspule 8 a, beträgt im Fall einer 50 l-Flasche rund 25 kg. Derartige Heizspulen können demnach ohne weiteres noch von Hand über die Druckgasflaschen 7 gespült werden.

Die induktive Beheizung von Druckgasflaschen kann auf zwei Weisen betrieben werden. Man kann die Beheizung entweder mit einer möglichst schwachen Heizleistung, d. h. ca. 120 bis 150% der Dauerheizleistung bei Nenntemperatur, vornehmen. In diesem Fall wird die Nenntemperatur z. B. erst in 25 bis 45 Min. erreicht. Die Spulenwicklung wird in diesem Fall sehr klein, leicht und preiswert. Die geringe überschüssige Energie kann mit einfachen Mitteln weggeregelt werden. Man kann die Beheizung aber auch mit einer starken Heizleistung, d. h. ca. 200 bis 300% der Dauerheizleistung bei Nenntemperatur vornehmen. In diesem Fall wird die Druckgasflasche bereits in ca. 10 Min. auf die gewünschte Nenntemperatur von 100 bis 130°C erhitzt. Der Leistungsüberschuß muß durch robuste Regeleinrichtungen mit entsprechenden Übertemperatursicherungen abgefangen werden. Dem Vorteil der schnellen Aufheizung steht der etwas höhere Aufwand für die Heizspule entgegen. Welche Art der Beheizung angewendet wird, muß von Fall zu Fall entschieden werden.

Nachfolgend werden zwei Beispiele für ausgeführte induktive Heizspulen zur Beheizung von Druckgasflaschen angegeben.

Für die Beheizung von 10- u. 20 l Druckgasflaschen mit Eigengewichte zwischen 13 und 27 kg mit starker Heizleistung wurde eine induktive Heizspule mit folgenden Daten verwendet:

Der cos ϕ kann auf 0,85 angehoben werden, wenn als Spulenmantel außen ein geschlitztes magnetisierbares Stahlrohr verwendet wird, z. B. der zylindrische Teil einer verschrotteten Druckgasflasche von 40 bis 50 l Inhalt. Als Grundplatte wird Stahl von 5 bis 25 mm Stärke verwendet, entsprechendes Material dient zur Herstellung der geteilten Deckplatte.

Für die induktive Beheizung von Druckgasflaschen mit 40 und 50 l Inhalt gemäß der Erfindung, d. h. von Druckgasflaschen mit 40 bis 75 kg Eigengewicht und mit schwacher Heizleistung wurde eine induktive Heizspule mit folgenden Daten verwendet:

Diese Daten gelten unabhängig davon, ob die Heizspule einteilig oder in mehrteiliger aufeinandergesetzer Form ausgebildet ist. Bei diesen großen Spulen gelingt allerdings die magnetische Kapselung nicht in so einfacher Weise wie bei induktiven Heizspulen für Druckgasflaschen mit 10 oder weniger Liter Inhalt. In allen beschriebenen Fällen läßt sich der cos ϕ auf Werte bis 0,95 anheben, wenn mit Metallpapierkondensatoren von ca. 100 bis 150 µF kompensiert wird.

Fig. 4 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der lediglich der Flaschenfuß beheizt wird, um bei verflüssigten Gasen mit hohen Verdampfungswärmen, beispielsweise vielen Kohlenwasserstoffen, eine rasche Gasentnahme zu ermöglichen, ohne daß die Flasche vereist und die Gasentnahme dadurch behindert wird. Die für die Fußheizung gemäß der Erfindung verwendete induktive Heizspule 11 umgibt die Druckgasflasche 12 lediglich auf etwa einem Drittel ihrer Länge und zwar am Flaschenfuß. Je nach Art des verflüssigten Gases und nach der Größe der geforderten Gasentnahme erstreckt sich die induktive Heizspule 11 über das 0,05 bis 0,40-fache der Höhe der Druckgasflasche 12. Bevorzugt wird der Bereich vom 0,15 bis 0,25-fachen der Flaschenhöhe, weil hiermit viele in der Praxis vorkommende Anwendungsfälle abgedeckt werden können. Die induktive elektrische Heizleistung wird durch normalen 50 Hz Wechselstrom aufgebracht und auf 500 bis 200 VA begrenzt.

Die induktive Beheizung des Flaschenfußes gemäß der Erfindung wird bevorzugt bei Druckgasflaschen von 40 bis 70 l Inhalt, wobei die induktive Heizspule mit einem max. Gewicht von ca. 15 bis 20 kg einfach mit Hilfe von Tragegriffen über die Druckgasflasche gestülpt wird. Ein Anheben der Druckgasflasche ist dabei nicht erforderlich. Selbstverständlich ist die induktive Beheizung des Flaschenfußes auch bei kleineren Druckgasflaschen möglich. Im Gegensatz zur Beheizung von Druckgasflaschen auf ihrer gesamten Länge haben sich bei der Fußbeheizung induktive Heizspulen als besonders geeignet erwiesen, bei denen auch der Außenmantel aus unmagnetischem Material, beispielsweise Edelstahl, Aluminium oder Messing, besteht. Keineswegs ist dies jedoch unbedingt erforderlich, es können auch hier Mäntel aus magnetisierbarem Stahl verwendet werden. Der cos ϕ liegt bei 0,65 und kann gegebenenfalls durch Kondensatoren auf 0,95 erhöht werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Beheizen von Druckgasflaschen um Restfeuchtigkeit auszutreiben oder um bei verflüssigten Gasen mit hoher Verdampfungswärme die Gasentnahme zu erleichtern, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch zumindest eine induktive Heizspule (8, 10, 11) erfolgt, die die Druckgasflasche (1, 7, 12) auf mindestens einen Teil ihrer Länge umgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch eine einzige induktive Heizspule erfolgt, die die Druckgasflasche auf ihrer gesamten Länge umgibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch zwei oder drei aufeinandergesetzte induktive Heizspulen (8, 10) erfolgt, die die Druckgasflasche (7) auf ihrer gesamten Länge umgeben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung durch eine einzige induktive Heizspule (11) erfolgt, die lediglich den Flaschenfuß auf einer Länge vom 0,05- bis 0,40-fachen der Flaschenhöhe umgibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Heizspule den Flächenfuß auf einer Länge vom 0,15- bis 0,25-fachen der Flaschenhöhe umgibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Heizleistung durch Wechselstrom von 50 Hz aufgebracht wird.

7. Induktive Heizspule zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Spulenkörper (2) und einer Wicklung (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenköper aus nichtmagnetischem Material besteht und die Wirkung von einem Mantel (4) aus magnetisierbarem Material umgeben ist.

8. Induktive Heizspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel geschlitzt ist.

9. Induktive Heizspule zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 oder 5, mit einem Spulenkörper und einer Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper aus nichtmagnetisierbarem Material besteht und die Wicklung von einem Mantel aus ebenfalls nichtmagnetisierbarem Material umgeben ist.