DE4411339A1 - Vorrichtung zur Verminderung des Betriebsdrucks in Speicherbehältern für tiefkalte Gase - Google Patents

Description

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

Es ist bekannt, tiefkalte flüssige Gase in thermisch isolierten Druckbehältern, vorzugsweise in vakuumisolierten Druckbehältern zu speichern oder zu transportieren. 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 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 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 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 wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Tauchrohr unterhalb und/oder oberhalb des höchsten Flüssigkeitspegelstandes eine Erweiterung seiner äußeren Oberfläche aufweist.

Die überraschende Wirkung dieser höchst einfachen Maßnahme besteht darin, daß die, wie überraschenderweise gefunden wurde, starke Temperaturschichtung des tiefkalten flüssigen Gases derart zerstört wird, daß mit der Flüssigkeitsentnahme, die bei Tauchrohren, welche darüberhinaus zumeist zentrisch angeordnet sind, stets aus der kältesten Flüssigkeitsschicht kurz oberhalb des Speicherbehälterbodens erfolgt, eine gezielte Abkühlung der oberen, d. h. wärmeren Flüssigkeitsschichten ausgelöst werden kann, indem durch die Oberflächenerweiterung des Tauchrohres eine intensive Abkühlung der oberen wärmeren Flüssigkeitsschichten realisiert wird, was in einer zusätzlichen thermischen Flüssigkeitsbewegung im Flüssigkeitsbad und zur Senkung des Temperaturniveaus im wärmsten Flüssigkeitsbereich, d. h. am Flüssigkeitsspiegel führt, wodurch sich dort der Dampfdruck und damit insgesamt der Betriebsdruck vermindert.

Darüberhinaus werden als zusätzlich überraschende Wirkung bereits im oberen Bereich des Tauchrohres infolge des intensivierten Wärmetauschs insbesondere in der Anfahrphase des Behälters partielle Siedevorgänge innerhalb des Tauchrohres ausgelöst, in deren Folge durch den Entzug von Verdampfungswärme ein zusätzlicher Abkühleffekt nutzbar wird.

Mit der Rückkondensation der Gasphase oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ist eine natürliche Druckreduzierung der Gasphase verbunden, weil das Flüssigvolumen einer bestimmten Gasmasse nur wenige Promille des entsprechenden Gesamtvolumens beträgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erweiterung der Oberfläche des Tauchrohres durch mindestens eine Wärmeleitfläche gebildet ist, die mit dem Tauchrohr form- oder stoffschlüssig verbunden ist. Hierbei können die Wärmeleitflächen senkrechte Längslamellen sein, die radial vom Tauchrohr abstehen. Eine sehr vorteilhafte alternative Lösung besteht darin, daß die Wärmeleitfläche von der Außenwand einer Rohrschlange gebildet ist.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen schematische Schnitte durch erfindungsgemäße Vorrichtungen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Speicherbehälter, bei dem das Tauchrohr Längslamellen aufweist.

Fig. 2 Einen Schnitt nach A-A durch das Tauchrohr und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Speicherbehälter, bei dem das Tauchrohr als Rohrschlange ausgebildet ist.

Durch die doppelwandige vakuumisolierte Behälterwandung 1 sind der senkrechte Einfüllstutzen 2, das senkrechte Tauchrohr 3 und der Stutzen für das Sicherheitsventil 4 geführt.

Nach Fig. 1 und 2 weist das Tauchrohr 3 unterhalb des maximalen Flüssigkeitspegelstandes 5 außen Wärmeleitflächen 6 in Form von Längslamellen auf, die stoffschlüssig mit dem Tauchrohr 3 verbunden sind. Die Längslamellen sind senkrecht angeordnet und liegen achssymmetrisch zur Tauchrohrlängsachse. Im Ausführungsbeispiel sind vier Längslamellen befestigt, insbesondere angeschweißt, die im waagerechten Querschnitt (Fig. 2) ein Kreuz bilden. Statt vier Längslamellen können je nach Bedarf auch 2, 3, 5 oder mehr Längslamellen angeordnet sein.

In Fig. 3 ist dargestellt, daß das Tauchrohr unterhalb des maximalen Flüssigkeitspegelstandes als schraubenförmig gewundene Rohrschlange 7 ausgebildet ist, deren Oberfläche die Oberflächenerweiterung bildet.

Bei Entnahme von tiefkalt verflüssigtem Gas wird durch das nahe am unteren Behälterboden 8 mündende Tauchrohr 3 die dort befindliche Flüssigkeit, die die geringste Temperatur bei maximaler Dichte aufweist, abgezogen und nach oben in Richtung Flüssigkeitsoberfläche geführt.

Auf dem Weg durch die darüberliegenden wärmeren Flüssigkeitsschichten wird durch die größeren Wärmeübergangsflächen entweder der Wärmeleitflächen 6 oder der Rohrschlange 7 Wärme aus diesen wärmeren Flüssigkeitsschichten entzogen, so daß sich deren Temperatur verringert und ihre Dichte erhöht, wodurch eine intensive Konvektionsströmung ausgelöst wird, die insgesamt zu einer Verringerung des Temperaturniveaus am Flüssigkeitsspiegel führt, wodurch sich der Dampfdruck der Gasphase über der Flüssigkeit reduziert.

Andererseits werden durch die isobare Wärmezufuhr zum Inneren des Tauchrohres 3 dort zumindest partielle Siedevorgänge ausgelöst, die infolge des Entzuges von Verdampfungswärme zu einem zusätzlichen Abkühlungseffekt führen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Verminderung des Betriebsdrucks in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase unter Ausnutzung der Flüssigkeitsentnahme durch ein Tauchrohr (3), welches am oder unterhalb des tiefstmöglichen Flüssigkeitsspiegels mündet, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (3) unterhalb und/oder oberhalb des höchsten Flüssigkeitspegelstandes (5) eine Erweiterung seiner äußeren Oberfläche aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung der Oberfläche des Tauchrohres durch mindestens eine Wärmeleitfläche gebildet ist, die mit dem Tauchrohr form- oder stoffschlüssig verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitflächen senkrechte Längslamellen sind, die radial vom Tauchrohr abstehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung der Wärmeleitfläche von der Außenwand einer Rohrschlange gebildet ist.