DE4411338A1 - Vorrichtung zur Unterdrückung des Gasphasendrucks in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung des Gasphasendrucks in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase, insbesondere Gasgemische.

Es ist bekannt, daß tiefkalte flüssige Gase in thermisch isolierten Druckbehältern, vorzugsweise in vakuumisolierten Druckbehältern gespeichert oder transportiert werden. Insbesondere bei 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 eindeutig 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 üblich.

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 Gasverlusts 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 Flüssigkeitsspiegels. 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, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auf einfache Weise eine ausreichende Unterdrückung des Gasphasendrucks in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase erreicht werden kann.

Die Aufgabe wurde unter Verwendung an sich bekannter Speicherbehälter für tiefkalte verflüssigte Gase erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigentnahme von der oberflächennahen Flüssigkeitsschicht her mittels eines Schwimmkörpers realisiert wird, wobei im oder am Schwimmkörper mindestens ein Taucherrohrstutzen in der oberflächennahen Flüssigkeitsschicht unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist und daß der Tauchrohrstutzen mittels einer flexiblen Schlauch- oder Rohrleitung mit dem Flüssigausgang des Behälters verbunden ist.

Der überraschende Effekt dieser Lösung besteht darin, daß wegen der dichtebedingten Temperaturschichtung des tiefkalten verflüssigten Gases die kältesten Flüssigkeitsbereiche sich in der Nähe des Behälterbodens absenken und die wärmsten Flüssigkeitsschichten unmittelbar an die Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels aufsteigen, wo sich im Gleichgewicht mit der dortigen Oberflächentemperatur der als Betriebsdruck bezeichnete Dampfdruck ausbildet und daß gerade diese wärmste Flüssigkeitsschicht bei Flüssigkeitsentnahme abgezogen wird. Das heißt, daß gerade die Wärmemenge, die durch die in Hinsicht auf ideale Wärmeisolation unvollkommenen Behälterwandungen hindurchgelangt ist, mit dem erwärmten Flüssigkeitsvolumen abgeführt wird.

Ein weiterer Effekt der Erfindung besteht darin, daß durch den aus wärmeisolierendem Material und/oder in wärmeisolierender Konstruktion ausgeführten Schwimmkörper die freie Oberfläche der Flüssigkeit verringert wird. Damit wird einerseits der Einfluß der Wärmestrahlung der oberen Behälterwandung auf die Oberfläche der Flüssigkeit reduziert und andererseits die erwärmte Flüssigkeitsmenge auf den Bereich zwischen Schwimmkörper und Behälterwandung konzentriert, von wo aus diese vorzugsweise und einfach abgezogen werden kann. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Lösung das Druckniveau in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase wesentlich reduziert bzw. die maximale Speicherdauer wesentlich erhöht werden. Die Existenz des Schwimmkörpers für die Flüssigentnahme eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, den Füllstand des Speicherbehälters, d. h. die Höhe des Flüssigkeitsspiegels mittels an sich bekannter Methoden sicher zu sensieren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schwimmkörper aus wärmeisolierenden Werkstoffen und/oder in wärmeisolierender Konstruktion hergestellt ist. Von Vorteil ist auch, wenn die flexible Schlauch- oder Rohrleitung schraubenförmig gewunden ist. Hierbei können die Schraubenwindungen nach oben hin in ihrem Durchmesser abnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen schematischen senkrechten Schnitt durch einen Speicherbehälter für tiefkalte flüssige Gase mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Durch den oberen Teil der vakuumisolierten Behälterwandung 1 sind die Rohrstutzen für den Füllanschluß 2, für den Flüssigausgang 3 und für das Sicherheitsventil 4 geführt.

Mit dem Flüssigausgang 3 ist eine flexible schraubenförmige Rohrleitung 5 verbunden, die weiterhin mit einem darunter befestigten Schwimmkörper 6 verbunden ist. Der Schwimmkörper 6 ist aus wärmeisolierendem Werkstoff, insbesondere metallummanteltem Kunststoff, Kunststoffschaum und/oder Glasschaum hergestellt und enthält in seinem Inneren einen Tauchrohrstutzen 7, der unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 8 in einem horizontalen Spaltsystem 9 mündet, welches mit der oberflächennahen Flüssigkeitsschicht 10 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 8 in Verbindung steht. Die Schraubenwindungen der Rohrleitung 5 können in ihrem Durchmesser nach oben abnehmen, so daß die Außenseiten der Windungen sich nach oben konisch verringern.

Im Entnahmezustand wird durch den auf dem Flüssigkeitsspiegel 8 lastenden Dampfdruck Flüssiggas aus der oberflächennahen Flüssigkeitsschicht 10 unmittelbar unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 8 durch das Spaltsystem 9, den Tauchrohrstutzen 7 und die Rohrleitung 5 zum Flüssigzugang 3 und weiter zum nichtdargestellten Verbraucher gedrückt.

Das Spaltsystem 9 kann gebildet sein von

• a) rohrförmigen Kanälen
• b) schlitzförmigen Kanälen
• c) allseitig sich erstreckenden flachen Hohlräumen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Unterdrückung des Gasphasendrucks in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase, insbesondere Gasgemische, unter Verwendung eines vakuumisolierten Speicherbehälters, dadurch gekennzeichnet,

• - daß innerhalb des Speicherbehälters ein Schwimmkörper (6) aus wärmeisolierenden Werkstoffen und/oder in wärmeisolierender Konstruktion angeordnet ist,
• - daß im oder am Schwimmkörper (6) mindestens ein Tauchrohrstutzen (7) bis in die oberflächennahe Flüssigkeitsschicht (10) unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (8) angeordnet ist und
• - daß der Tauchrohrstutzen (7) über eine flexible Schlauch- oder Rohrleitung (5) mit dem Flüssigausgang (3) des Speicherbehälters in Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmkörper (6) aus wärmeisolierenden Werkstoffen und/oder in wärmeisolierender Konstruktion hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Schlauch- oder Rohrleitung schraubenförmig gewunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenwindungen nach oben hin in ihrem Durchmesser abnehmen.