DE4404344A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Drucksteuerung in Speicherbehältern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drucksteuerung in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase, insbesondere Gasgemische, unter Verwendung von thermisch isolierten Speicherbehältern mit Tauchrohr zur Flüssigkeitsentnahme.

Es ist bekannt, tiefkalte flüssige Gase in thermisch isolierten Druckbehältern, vorzugsweise in vakuumisolierten Druckbehältern, zu speichern oder zu transportieren. Bei diesen Speicherbehältern besteht das Problem, die Verdampfungsverluste möglichst gering zu halten. Dies wird bisher durch die ständige Verbesserung hinsichtlich der Vakuumisolation, durch Verwendung zusätzlicher Isolierwerkstoffe im Vakuummantel sowie durch eine spezielle Oberflächengestaltung der Isolierwandungen realisiert.

Speicherbehälter dienen dabei der Gaseversorgung beim Gasanwender. Speicherbehälter mit nachgeschaltetem Luftverdampfer werden als Kaltvergaser bezeichnet. Hier wird das im Speicherbehälter unter einem Eigendruck gespeicherte, tiefkalte flüssige Gas mit der entsprechenden Temperatur, je nach Gasart und -druck zwischen -60 und -270 Grad Celsius, in flüssigem Zustand entnommen und einem Luftverdampfer zugeführt, wo das tiefkalte flüssige Gas im wesentlichen unter Beibehaltung des im Speicherbehälter herrschenden Eigendrucks durch Aufnahme latenter Umgebungswärme erwärmt und dabei verdampft, d. h. in gasförmigen Zustand umgewandelt wird. Es ist üblich, dieses Gas dann über einen Druckregler, der den Eigendruck auf einen konstanten geringeren Arbeitsdruck herabmindert, in die Verbraucherleitung des Gaseanwenders einzuspeisen.

Der Eigendruck im Speicherbehälter ist gleich dem der Flüssigkeits-Temperatur entsprechenden Gleichgewichtsdampfdruck, d. h. gleich dem Dampfdruck im Siedezustand. Es ist physikalisch möglich, den Eigendruck im Speicherbehälter durch Wärmezufuhr, d. h. Temperatursteigerung der Flüssigkeit zu erhöhen oder durch Wärmeentzug, d. h. Temperaturherabsenkung in der Flüssigkeit sowie durch Masseentzug, d. h. Gas- bzw. Flüssigkeitsentnahme zu verringern.

Ein praktisches Problem in der Anwendung thermisch isolierter Druckbehälter für tiefkalte flüssige Gase besteht darin, daß die vorhandenen Isolierungen keinen 100%igen Wärmeschutz gegen die latente Umgebungswärme bieten, so daß es zu unerwünschten Drucksteigerungen in den Speicherbehältern kommt. Beim Überschreiten der zulässigen maximalen Betriebsdrücke werden Sicherheitsventile geöffnet, die dann Überdruckgas in die Atmosphäre abblasen. Diese Abblasemengen stellen nicht nur einen wirtschaftlichen Verlust beim Gaseanwender dar, bei einer Reihe technischer Gasearten sind diese Abblasemengen auch eine ungünstige Umweltbeeinflussung. Das Herunterkühlen des tiefkalten flüssigen Gases durch zusätzliche Kälteaggregate ist aufgrund unvertretbar hoher Aufwendungen nicht möglich.

In der DE-OS 29 29 709 wird eine Vorrichtung zum Unterkühlen von unter Druck stehenden tiefsiedenden verflüssigten Gasen vorgeschlagen, bei dem das zu unterkühlende Gas durch eine Kühlschlange geführt wird, die in einem Behälter angeordnet ist. An das Ende der Kühlschlange ist ein schwimmerbetätigtes Hebelventil angeschlossen, welches verflüssigtes Gas aus der Kühlschlange austreten läßt, so daß ein Flüssigkeitsbad unter atmosphärischem Druck die Kühlschlange umgibt. Damit besitzt das Flüssigkeitsbad im Siedezustand eine tiefere Temperatur als das unter Druck stehende Gas in der Kühlschlange, die tief genug ist, um das verflüssigte Gas in der Kühlschlange zu unterkühlen.

In der DE-PS 42 34 438 wird darüber hinaus vorgeschlagen, den Gasdruck im Flüssigkeitsbad unter den Atmosphärendruck abzusenken, um noch tiefere Siedetemperaturen realisieren zu können.

In beiden bekannten Lösungen wird die Unterkühlung eines tiefkalten verflüssigten Gases realisiert, indem der Nachteil des Gaseverlusts bei der Verdampfung eines unter geringerem Druck stehenden Flüssigkeitsbades, das die Kühlschlange mit dem unter höherem Druck stehenden verflüssigtem Gas umgibt, in Kauf genommen wird.

Die mit dem Entzug von Verdampfungswärme aus dem Flüssigkeitsbad verbundene Gasverlustmenge ist das tatsächliche Mittel, mit dem die Temperatur und damit der Gleichgewichtssiededruck des unter Druck stehenden verflüssigten tiefkalten Gases verringert bzw. gesteuert wird. Diese Gaseverlustmenge ist dem bereits oben erwähnten physikalischen Prinzip des Masseentzuges etwa gleichzusetzen unter Berücksichtigung der spezifischen Verdampfungsenergien.

Bei tiefkalten verflüssigten Gasen, die nur aus einer Gaskomponente bestehen, wie z. B. flüssigem Sauerstoff, wird eine Druck- und damit Temperatursteuerung im Speicherbehälter dadurch realisiert, daß eine druckabhängige Gasentnahme vorgenommen wird. Dabei wird bei hohem Druck das Gas in gasförmigem Zustand durch eine Entnahmeleitung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels entnommen, wodurch eine Druckabsenkung der Gasphase unter den Gleichgewichtszustand erreicht wird, mit unmittelbar darauffolgender Nachverdampfung aus dem Flüssigkeitsspiegel und Abkühlung der Flüssigkeit durch Entzug von Verdampfungswärme, bis der neue Gleichgewichtszustand erreicht wird. Bei niedrigem Druck wird das Gas aus der Flüssigphase entnommen durch eine Entnahmeleitung unterhalb des tiefstmöglichen Flüssigkeitspegels.

Fällt der Druck im Speicherbehälter unter einen zulässigen Mindestdruck, wird Flüssigkeit über einen gesonderten Druckaufbauregler in einen Druckaufbauverdampfer eingeleitet - in der Regel eine mit der Atmosphäre in Kontakt stehende Rohrschlange unterhalb des Speicherbehälters - wo das tiefkalte verflüssigte Gas in der eingeführten Portion durch Aufnahme latenter Umgebungswärme verdampft. Danach wird diese Gasemenge in den Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in den Speicherbehälter eingeleitet, bis der mit dem Druckaufbauregler vorgegebene Druck im Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Die Einstellung eines höheren Drucks im Speicherbehälter ist damit praktisch kein Problem. Ein Problem hingegen ist jedoch die Einstellung bzw. Einhaltung eines geringeren Drucks in Speicherbehältern insbesondere dann, wenn das tiefkalte verflüssigte Gas aus mehreren Komponenten besteht, also ein Gasgemisch ist.

Unterschiedliche Gase haben unterschiedliche Siedebedingungen, so daß bei der Verdampfung aus dem Flüssigkeitsspiegel eines tiefkalt verflüssigten Gasgemisches das entstehende gasförmige Gemisch reich an tiefsiedenden und der verbleibende Flüssigkeitsrest reich an hochsiedenden Komponenten wird. Deshalb ist, um eine gleichförmige Zusammensetzung sowohl der Flüssigkeit als auch des Gases zu garantieren, eine gasförmige Entnahme aus dem Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels von Speicherbehältern für tiefkalt verflüssigte Gasgemische auszuschließen. Solche Gasgemische dürfen nur aus der Flüssigphase des Speicherbehälters entnommen werden und müssen insgesamt in ihrer Masse verdampft werden. Damit können die im obigen Stand der Technik beschriebenen Lösungen nicht für die Drucksteuerung, insbesondere Druckabsenkung in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gasgemische herangezogen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen auf einfache Weise eine Drucksteuerung, insbesondere eine genügende Druckabsenkung in einem Speicherbehälter für tiefkalte verflüssigte Gase, insbesondere Gasgemische, gewährleistet werden kann.

Die Aufgabe wird unter an sich bekannter Einführung des unter Eigendruck stehenden tiefkalten flüssigen Gases in die Mündung eines Tauchrohres, die am oder unterhalb des tiefstmöglichen Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das tiefkalte flüssige Gas unmittelbar vor, mit oder nach Einführung in den Eintritt des Tauchrohres durch ein Drosselelement geleitet und dabei zumindest teilweise entspannt wird, wobei eine Druckdifferenz zwischen Eigendruck im Flüssigkeitsbad und einem niedrigen Druck im Tauchrohr geschaffen wird.

Die Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise so zu gestalten, daß im Eintrittsbereich des Tauchrohrs zur Flüssigkeitsentnahme in einem thermisch isolierten Druckbehälter für tiefkalte verflüssigte Gase ein Drosselventil mit mindestens einem Ventilsitz und einem federbelasteten Dichtkörper angeordnet ist.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß erstmals eine ohne Fremdenergie arbeitende Lösung zur Drucksteuerung, insbesondere Druckreduzierung für Speicher für tiefkalte, flüssige Gasgemische vorgeschlagen wird, die darüber hinaus mittels einfachster konstruktiver Maßnahmen realisiert werden kann.

Dadurch, daß die Gasentnahme grundsätzlich aus der Flüssigphase beibehalten wird und letztlich das gesamte Flüssigvolumen zum Verbraucher geleitet wird, können sich fraktionierte Verdampfungen und damit Entmischungen des Ausgangsgemischs im Flüssigkeitsbad nicht abspielen. Darüber hinaus wirkt das Drosselventil gleichzeitig als Rückschlagventil gegen Flüssigkeits- oder Gasrückströmungen von der Verbraucherseite aus in den Speicherbehälter hinein, so daß an sich unerwünschte Druck- und/oder Wärmezufuhren von der Verbraucherseite aus unterbunden sind, was das Betriebsverhalten des Speicherbehälters überraschend zusätzlich stabilisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch einen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Am unteren Ende des Tauchrohrs 1, das zur Flüssigentnahme in einem thermisch isolierten Druckbehälter für tiefkalte flüssige Gase unterhalb des tiefstmöglichen Flüssigkeitsspiegels 2 mündet bzw. beginnt, ist ein Drosselventil (Drosselelement, Drosselorgan) 3 angeordnet, das im einfachsten Fall einen Ventilsitz 4, einen Dichtkörper 5, eine Ventilfeder 6, eine Hülse 7 und ein Federwiderlager 8 aufweist. Die Vorspannung der Feder 6 gewährleistet, daß der Druck innerhalb des Tauchrohres 1 stets geringer ist als der Eigendruck im Flüssigkeitsbad unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 2.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft im vorliegenden Beispiel derart ab, daß bei Öffnen eines nicht dargestellten Entnahmeventils im weiteren nicht dargestellten Gasleitungsweg in Strömungsrichtung hinter dem Tauchrohr 1 der Druck im Tauchrohr 1 absinkt oder daß der Eigendruck im Flüssigkeitsbad ansteigt, so daß bei Überschreiten eines durch das Drosselventil 3 vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Eigendruck im Flüssigkeitsbad und Druck im Tauchrohr 1 der Dichtkörper 5 sich vom Ventilsitz 4 abhebt. Dadurch wird das tiefkalte flüssige Gas unmittelbar vor Einführung in den Eintritt des Tauchrohrs 1 durch das durch das Drosselventil 3 gebildete Drosselelement geleitet und dabei teilweise, d. h. auf den Druck innerhalb des Tauchrohres 1 entspannt, wobei im Ruhezustand eine Druckdifferenz zwischen dem Eigendruck und dem niedrigen Druck im Tauchrohr 1 eingestellt wird durch die Druckkraftwirkung der Feder. Durch die Druckabsenkung des in den Eintritt des Tauchrohrs einströmenden Gases wird die Siedetemperatur abgesenkt, so daß infolge der durch Wärmeleitung an der Innenwandung des Tauchrohrs 1 vorliegenden Temperatur sowie der Temperatur der ins Tauchrohr 1 einströmenden Flüssigkeit, die dann beide oberhalb der Tauchrohrdruck-entsprechenden Siedetemperatur liegen, Siedevorgänge in der durch das Tauchrohr abgeleiteten Flüssigkeit einsetzen, die durch den Entzug von Verdampfungswärme zu deren Abkühlung führen und wobei gleichzeitig damit infolge der Wärmeleitung durch die Wandung des Tauchrohrs I auch dem Flüssigkeitsbad unterhalb des Flüssigkeitsspiegels sowie dem Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels Wärme entzogen wird, d. h. insbesondere das Flüssigkeitsbad abgekühlt und damit der Dampfdruck im Gasraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und insgesamt der Druck im Speicherbehälter reduziert werden.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch andere sinngemäß wirkende Vorrichtungen, als im Vorrichtungsanspruch genannt, geeignet.

Bezugszeichenliste

1 Tauchrohr
2 Flüssigkeitspegel
3 Drosselventil
4 Ventilsitz
5 Dichtkörper
6 Ventilfeder
7 Hülse
8 Federwiderlager

Claims (2)

1. Verfahren zur Drucksteuerung in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase, insbesondere Gasgemische, unter Verwendung von thermisch isolierten Speicherbehältern mit Tauchrohr zur Flüssigkeitsentnahme, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte flüssige Gas unmittelbar vor, mit oder nach seiner Einführung in den Eintritt des Tauchrohrs (1) durch ein Drosselelement geleitet wird, wobei eine Druckdifferenz zwischen Eigendruck im Flüssigkeitsbad und einem niedrigeren Druck im Tauchrohr (1) geschaffen wird.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsbereich des Tauchrohrs (1) ein Drosselventil (3) mit mindestens einem Ventilsitz (4) und einem federbelasteten Dichtkörper (5) angeordnet ist.