DE4420621A1 - Overflow-proof method of filling a storage tank - Google Patents

Overflow-proof method of filling a storage tank

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Abstract

Overflow-proof method of filling a storage tank for cryogenic media, in particular a vacuum-isolated motor-vehicle storage tank or a standing storage vessel for liquid hydrogen, the storage tank having at least one gauge pipeline and one filling line with at least one pneumatic shut-off valve each. The end of the gauge pipeline extending into the storage tank corresponds to the maximum filling level of the storage tank, and the vapour pressure of the medium flowing out of the storage tank during the filling of the storage tank is determined by means of a measuring instrument, preferably a vapour-pressure contact gauge, provided in the gauge pipeline, and pneumatic shut-off valves in the gauge pipeline and in the filling line are closed at the instant of transition from the gaseous state to the liquid state of the outflowing medium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum überlaufsicheren Befüllen eines Speicherbehälters für kryogene Medien, insbesondere eines vakuumisolierten Kfz- Speicherbehälters oder eines Standspeicherbehälters für Flüssigwasserstoff, wobei der Speicherbehälter zumindest eine Peilrohr- und eine Befülleitung mit je mindestens einem pneumatischen Absperrventil aufweist.The invention relates to a method for overflow-proof filling a Storage container for cryogenic media, especially a vacuum-insulated automotive Storage container or a standing storage container for liquid hydrogen, the Storage tank at least one level pipe and one filling line with at least one each has a pneumatic shut-off valve.

Im folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorangestellt, z. B. GH₂ bzw. LH₂ für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff.The following are the names of special cryogenic media according to their physical state, the letters "G" for "gaseous" and "L" for Preceded by "liquid" or "liquid", e.g. B. GH₂ or LH₂ for gaseous or liquid Hydrogen.

Insbesondere Wasserstoff gewinnt gegenwärtig durch den steigenden Energiebedarf und das gestiegene Umweltbewußtsein als Energieträger zunehmend an Bedeutung. So sind erste Versuche im Gange, Flugzeuge, Lastkraftwagen, Busse sowie Personenkraftwagen mittels mit Wasserstoff betriebener Turbinen bzw. Motoren anzutreiben. Die Speicherung des Wasserstoffs "an Bord" der obengenannten Verkehrsmittel ist dabei in flüssiger Form am sinnvollsten. Zwar muß der Wasserstoff dazu auf etwa 25 K abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden, was nur durch entsprechende Isoliermaßnahmen an den Speicherbehältern bzw. -tanks zu erreichen ist, doch ist eine Speicherung in gasförmigem Zustand aufgrund der geringen Dichte von GH₂ in der Regel in den obengenannten Verkehrsmitteln aus Gewichtsgründen ungünstig. Aus sicherheitstechnischen Gründen bedarf es bei wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen spezieller Sicherheitsmaßnahmen - auf die hier jedoch nicht näher eingegangen werden soll - so daß die notwendige Isolation des Speicherbehälters nicht nur dem Aufrechthalten der Temperatur innerhalb des Speicherbehälters dient. Einen Überblick über den aktuellen Stand der Wasserstoff- Entwicklung im Hinblick auf seine Verwendung als Kraftstoff geben z. B. die Artikel "Flüssiger Wasserstoff als Motorenkraftstoff der Zukunft", Prof. Dr. W. Peschka, Sonderdruck aus "Maschinenwelt-Elektrotechnik", 43. Jg, Heft 8/9-1988 und "Liquid Hydrogen Fueled Automobiles: On-Board and Stationary Cryogenic lnstallations", R. Ewald, Cryogenics 1990, Vol. 30 Sept. Supplement. Hydrogen in particular is currently gaining due to increasing energy requirements and increasing environmental awareness as an energy source is becoming increasingly important. So first trials are underway, planes, trucks, buses as well Cars using hydrogen-powered turbines or engines to drive. The storage of hydrogen "on board" the above Transportation is most sensible in liquid form. The hydrogen must cooled to about 25 K and kept at this temperature, which only by means of appropriate insulation measures on the storage containers or tanks is reached, but storage is in gaseous state due to the low Density of GH₂ usually in the above means of transport Unfavorable due to weight. For security reasons, hydrogen-powered vehicles special security measures - on the here but should not be discussed in more detail - so that the necessary isolation of the Storage tank not only keeping the temperature within the Storage container is used. An overview of the current status of hydrogen Development in terms of its use as a fuel z. B. the articles "Liquid hydrogen as the motor fuel of the future", Prof. Dr. W. Peschka, Special print from "Maschinenwelt-Elektrotechnik", 43rd year, issue 8 / 9-1988 and "Liquid Hydrogen Fueled Automobiles: On-Board and Stationary Cryogenic Installations ", R. Ewald, Cryogenics 1990, vol. 30 Sept. Supplement.  

Speziell der Befüll- bzw. Betankungsvorgang der obengenannten Verkehrsmittel erscheint momentan aufgrund seiner Langwierigkeit sowie der mit ihm verbundenen Gefahren einen der Gründe für die nur zögerliche Akkzeptanz des Energieträgers "Wasserstoff" durch die Gesellschaft darzustellen. Gleiche Überlegungen, insbesondere hinsichtlich der Gefahren während des Befüll- bzw. Betankungsvorganges, gelten selbstverständlich auch für Standspeicherbehälter.In particular, the filling or refueling process of the above-mentioned means of transport currently appears due to its lengthiness and the associated with it Dangers one of the reasons for the hesitant acceptance of the energy source To represent "hydrogen" by society. Same considerations especially with regard to the dangers during the filling or Refueling process, of course, also apply to standing storage tanks.

Bei den Befüll- bzw. Betankungsvorgängen kommt der Überfüllkontrolle eine besondere Aufgabe zu; dies gilt insbesondere dann, wenn die aus dem Speicherbehälter überlaufenden Medien zusammen mit der Umgebungsluft zu einem explosivem Gemisch führen und damit dem Bedienungspersonal und Sachwerten Schaden zufügen können. Aus diesem Grunde sind bereits seit längerem Verfahren und Vorrichtungen zur Füllstandskontrolle von Speicherbehältern bekannt. In der DE-OS 23 45 112 wird z. B. eine Vorrichtung zur Füllstandskontrolle eines Speicherbehälters für tiefkalte flüssige Gase beschrieben. Hierbei weist der Speicherbehälter ein Kontrollrohr auf, welches in den Innenraum des Speicherbehälters ragt und dessen höchster Punkt in gleicher Höhe liegt wie der zu kontrollierende Füllstand. Das Kontrollrohr ist außerhalb des Speicherbehälters mit einem Anzeigegefäß verbunden. Die Anzeige des zu kontrollierenden Füllstandes geschieht hierbei dadurch, daß aus dem Innenraum des Speicherbehälters eine kleine Menge Flüssiggas in das Anzeigegefäß fließt, was zur Folge hat, daß sich die äußere sichtbare Oberfläche des Anzeigegefäßes bei Abkühlung bis unterhalb des Taupunktes beschlägt ober bei Abkühlung bis unterhalb des Gefrierpunktes bereift. Daneben gibt es eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten, den Überlauf eines Speicherbehälters zu begrenzen, wie z. B. Druckschalter, die hydraulisch bei einer 100%igen Befüllung des Speicherbehälters den Druckstoß der Flüssigkeit als Signal zur Beendigung des Befüllvorganges benutzen. Dieses Verfahren ist natürlich dann ungeeignet, wenn ein Speicherbehälter, wie es z. B. bei Kraftfahrzeugen der Fall ist, nur zu etwa 90% befüllt werden darf. Daneben sind andere Systeme mit mehr oder weniger aufwendigen Meßgeräten innerhalb des Speicherbehälters bekannt, deren Nachteil jedoch darin liegt daß sie elektrische Energie benötigen und aus diesem Grunde explosionsgeschützt ausgelegt werden müssen. Diese explosionsgeschützte Auslegung einzelner Bauteile bzw. -gruppen führt jedoch zu einer Verteuerung und komplizierteren Bauweise des Speicherbehälters.The overfill control comes with a special feature during the filling and refueling processes Task too; this is especially true when the from the storage container overflowing media together with the ambient air to an explosive Lead mixture and thus damage the operating personnel and property can inflict. For this reason, procedures and Devices for filling level control of storage containers are known. In DE-OS 23 45 112 is e.g. B. a device for level control of a storage container for cryogenic liquid gases described. Here, the storage container has a control tube on, which protrudes into the interior of the storage container and its highest point is at the same level as the level to be checked. The control tube is connected to a display vessel outside the storage container. The display of the The fill level to be checked here is achieved from the interior of the storage container a small amount of liquefied gas flows into the display vessel, which has the consequence that the outer visible surface of the display vessel Cooling down to below the dew point mists up when cooling down to below of freezing point. There are also a variety of other options Limit overflow of a storage tank, such as. B. Pressure switches that are hydraulic with a 100% filling of the storage tank, the pressure surge of the liquid as Use the signal to complete the filling process. This procedure is natural then unsuitable if a storage container, such as z. B. the case of motor vehicles is only allowed to be filled to about 90%. There are other systems with more or less expensive measuring devices known within the storage container, the The disadvantage, however, is that they require electrical energy and from it Basically have to be designed explosion-proof. This explosion-proof Designing individual components or groups, however, leads to an increase in price and complicated construction of the storage tank.

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. The aim and object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art Avoid technology.  

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das in den Speicherbehälter hineinreichende Ende der Peilrohrleitung der maximalen Befüllhöhe des Speicherbehälters entspricht und daß mittels eines in der Peilrohrleitung vorgesehenen Meßgerätes, vorzugsweise eines Dampfdruckkontaktmanometers, der Aggregatzustand des während des Befüllens des Speicherbehälters aus dem Speicherbehälter abströmenden Medium ermittelt wird und im Moment des Überganges vom gasförmigen zum flüssigen Zustand des abströmenden Mediums die pneumatischen Absperrventile in der Peilrohr- und in der Befülleitung geschlossen werden.This is achieved according to the invention in that this is in the storage container reaching end of the leveling pipe of the maximum filling height of the Corresponds to storage tank and that provided by means of one in the direction finding pipe Measuring device, preferably a vapor pressure contact manometer, the Physical state of the during the filling of the storage container from the Medium flowing out of the storage tank is determined and at the moment of transition from the gaseous to the liquid state of the outflowing medium pneumatic shut-off valves in the dip tube and in the filling line closed become.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum überlaufsicheren Befüllen kann ohne elektrische Hilfsenergie betrieben werden und muß aus diesem Grunde nicht explosionsgeschützt ausgelegt werden. Bei Erreichen des maximal zulässigen Füllstandes innerhalb des Speicherbehälters wird das Absperrventil in der Befülleitung automatisch geschlossen. Ein "Überfahren" dieses Schließzeitpunktes durch das Bedienungspersonal ist nicht möglich. Die für das Schließen bzw. Öffnen der Absperrventile benötigte pneumatische Hilfsenergie wird entweder durch die Befüllanlage bzw. "Tankstelle" oder durch das Anlieferfahrzeug bereitgestellt. Ebenso die elektrische Hilfsenergie falls eingesetzt.The method according to the invention for overflow-proof filling can be done without electrical auxiliary energy are operated and therefore do not have to designed to be explosion-proof. When the maximum permissible The fill level inside the storage tank becomes the shut-off valve in the filling line automatically closed. An "overrun" of this closing time by the Operating personnel is not possible. The for closing or opening the Shut-off valves required pneumatic auxiliary energy is either by the Filling system or "gas station" or provided by the delivery vehicle. As well the electrical auxiliary energy if used.

Die Wahl des verwendeten Sensormediums richtet sich nach dem kryogenen Medium mit dem der Speicherbehälter befüllt wird. Es ist bei der Wahl des Sensormediums darauf zu achten, daß die Dampfdruckkurve des Sensormediums gleich oder etwas höher wie die des kryogenen Medium liegt d.b. daß als Sensormedium auch das gleiche Medium, wie es in den Speicherbehälter gefüllt wird, verwendet werden kann.The choice of the sensor medium used depends on the cryogenic medium with which the storage tank is filled. It is in the choice of the sensor medium make sure that the vapor pressure curve of the sensor medium is the same or something d.b. is higher than that of the cryogenic medium. that as the sensor medium that too same medium as it is filled in the storage container can be used.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Speicherbehälter (1) abströmende Medium vor dem Sensor des Dampfdruckkontaktsmanometers (12) mit Umgebungsluft indirekt beheizt wird.One embodiment of the method according to the invention is characterized in that medium flowing out of the storage container ( 1 ) is indirectly heated with ambient air in front of the sensor of the vapor pressure contact manometer ( 12 ).

Mittels dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich der Übergang von der gasförmigen zur flüssigen Phase des aus dem Speicherbehälter abströmenden Mediums besser unterscheiden bzw. erkennen. Ferner erübrigt sich mit dieser Ausgestaltung der Einbau einer zusätzlichen Heizvorrichtung. Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon werden anhand der Figur erläutert. By means of this embodiment of the method according to the invention, the Transition from the gaseous to the liquid phase from the storage tank better distinguish or recognize outflowing medium. Furthermore, there is no need for this embodiment, the installation of an additional heating device. The invention as well as further configurations thereof are explained with the aid of the figure.  

Die Figur zeigt einen Speicherbehälter 1, bestehend aus einem Außenbehälter 2 und einem Innenbehälter 3, zwischen denen in der Regel eine Isolierung 4 angebracht ist. Innerhalb des Speicherbehälters 1 befindet sich das zu speichernde kryogene Medium 5. Die Befülleitung 6 teilt sich in eine untere Fülleitung 6a und eine obere Fülleitung 6b. Die Befülleitung 6 ist mittels des Ventiles 7 absperrbar; weitere Absperrventile 7a und 7b sind in den Leitungen 6a und 6b angeordnet. Der Speicherbehälter 1 weist ferner eine Abgasleitung 8 auf, die mit einem Absperrventil 9 versehen ist. In der aus dem Speicherbehälter 1 führenden Peilrohrleitung 10 ist nach dem Absperrventil 11 ein Dampfdruckkontaktmanometer 12 angeordnet. Das notwendige Sensormedium, im Falle eines Wasserstoffspeicherbehälters vorzugsweise Neon, ist über die Leitung 13 mit dem Dampfdruckkontaktmanometer 12 verbunden. Zum Befüllen der Leitung 13 und des Dampfdruckkontaktmanometers 12 mit Neon kann Ventil 14 geöffnet werden. Die Leitung 13 ist mit einem pneumatischen oder elektrischen Kontaktmanometer P3 verbunden. Die Absperrventile 7 und 11 sind mit pneumatischen Antrieben P1 und P2 versehen. Sowohl das Kontaktmanometer P3 als auch die pneumatischen Antriebe P1 und P2 sind wiederum über die gestrichelt gezeichneten, pneumatischen Leitungen A, B und C mit einer Kontrolleinheit K verbunden, wobei C auch eine elektrische Leitung sein kann. Die gestrichelt gezeichneten Leitungen A und B stellen die Druckleitungen zum Schalten der entsprechenden Absperrventile dar. Bei der gestrichelt gezeichneten Leitung C handelt es sich um eine pneumatische oder elektrische Signalleitung. Über die gestrichelt gezeichnete Leitung D wird die Kontrolleinheit K entweder von der Befüllstation oder von dem Tankfahrzeug mit der pneumatischen Hilfsenergie versorgt. Ist der Speicherbehälter 1 z. B. in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, so wird die Kontrolleinheit K in der Regel in der Befüllstation untergebracht sein und die für die Schaltung der Absperrventile benötigte pneumatische Hilfsenergie über die Leitung D von der Befüllstation bzw. "Tankstelle" bereitgestellt werden. Im Falle eines Standspeicherbehälters wird die Bereitstellung der benötigten pneumatischen Hilfsenergie durch das den Standspeicherbehälter befüllende Tankfahrzeug erfolgen.The figure shows a storage container 1 , consisting of an outer container 2 and an inner container 3 , between which an insulation 4 is usually attached. The cryogenic medium 5 to be stored is located within the storage container 1 . The filling line 6 is divided into a lower filling line 6 a and an upper filling line 6 b. The filling line 6 can be shut off by means of the valve 7 ; further shut-off valves 7 a and 7 b are arranged in the lines 6 a and 6 b. The storage tank 1 also has an exhaust pipe 8 , which is provided with a shut-off valve 9 . A steam pressure contact manometer 12 is arranged in the direction-finding pipeline 10 leading from the storage tank 1 after the shut-off valve 11 . The necessary sensor medium, preferably neon in the case of a hydrogen storage container, is connected to the vapor pressure contact manometer 12 via the line 13 . Valve 14 can be opened to fill line 13 and vapor pressure contact manometer 12 with neon. The line 13 is connected to a pneumatic or electrical contact manometer P3. The shut-off valves 7 and 11 are equipped with pneumatic actuators P1 and P2. Both the contact manometer P3 and the pneumatic drives P1 and P2 are in turn connected to a control unit K via the pneumatic lines A, B and C shown in broken lines, where C can also be an electrical line. Lines A and B, shown in broken lines, represent the pressure lines for switching the corresponding shut-off valves. Line C, shown in broken lines, is a pneumatic or electrical signal line. The control unit K is supplied with the pneumatic auxiliary energy either from the filling station or from the tanker vehicle via the line D shown in broken lines. Is the storage container 1 z. B. provided in a motor vehicle, the control unit K will usually be accommodated in the filling station and the pneumatic auxiliary energy required for switching the shut-off valves will be provided via line D from the filling station or "gas station". In the case of a free-standing storage tank, the required pneumatic auxiliary energy will be provided by the tank vehicle filling the free-standing storage tank.

Zu Beginn eines Befüllvorganges wird sowohl die Befülleitung 6 als auch die Hilfsenergieleitung D durch das Bedienungspersonal mit der Befüllstation bzw. dem Tankfahrzeug verbunden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Absperrventile 7 und 11 geschlossen. Nun wird über die pneumatische Kontrolleinheit K zuerst das Absperrventil 11 geöffnet und dann Ventil 7 der Befülleitung 6. Der Speicherbehälter 1 wird nun mit dem kryogenen Medium befüllt. Ob dabei die Zweigleitung 6a oder 6b oder beide Zweigleitungen benützt werden, hängt davon ab, wie groß der Druck des noch im Speicherbehälter 1 verbliebenen kryogenen Mediums 5 ist. Während des Befüllvorganges strömt über die Leitung 10 und den Sensor des Dampfdruckkontaktmanometer 12 gasförmiges Medium ab, das aus dem Innenbehälter 3 des Speicherbehälters 1 durch das einströmende Medium verdrängt wird. Der Übergang vom in der Peilrohrleitung 10 abströmenden gasförmigen zum flüssigen Medium bewirkt eine Temperaturerniedrigung innerhalb der Leitung 10 und des Sensors des Dampfdruckkontaktmanometers 12. Dadurch kommt es zu einer Kondensation des Sensormediums und zu einem Druckabfall, der von dem pneumatischen Kontaktmanometer P3 registriert wird. Über die Kontrolleinheit K wird sodann das Schließen der Absperrventile 7 und 11 veranlaßt, so daß der Befüllvorgang unterbrochen bzw. beendet wird.At the beginning of a filling process, both the filling line 6 and the auxiliary power line D are connected by the operating personnel to the filling station or the tank vehicle. At this point, the shut-off valves 7 and 11 are closed. Now the shut-off valve 11 is opened via the pneumatic control unit K and then valve 7 of the filling line 6 . The storage container 1 is now filled with the cryogenic medium. Whether the branch line 6 a or 6 b or both branch lines are used depends on the pressure of the cryogenic medium 5 still remaining in the storage container 1 . During the filling process, gaseous medium flows out via the line 10 and the sensor of the vapor pressure contact manometer 12 , which medium is displaced from the inner container 3 of the storage container 1 by the inflowing medium. The transition from the gaseous medium to the liquid medium flowing out in the pipeline 10 causes a temperature decrease within the line 10 and the sensor of the vapor pressure contact manometer 12 . This results in condensation of the sensor medium and a pressure drop that is registered by the pneumatic contact manometer P3. The control unit K then causes the shut-off valves 7 and 11 to close, so that the filling process is interrupted or ended.

Sollte im Dampfdruckkontaktmanometer 12 eine Leckage auftreten, hätte dies denselben Effekt wie der Übergang vom gasförmigen zum flüssigen Zustand des abströmenden Mediums, nämlich eine Druckerniedrigung des Sensormediums und damit ein automatisches Schließen der Absperrventile 7 und 11. Der gleiche Effekt tritt bei einem Ausfall der pneumatischen Hilfsenergie auf, da dann die Absperrventile mittels Federn, die zuvor durch die Hilfsenergie vorgespannt wurden, automatisch schließen.If a leakage occurs in the vapor pressure contact manometer 12 , this would have the same effect as the transition from the gaseous to the liquid state of the outflowing medium, namely a reduction in the pressure of the sensor medium and thus an automatic closing of the shut-off valves 7 and 11 . The same effect occurs if the pneumatic auxiliary power fails, because the shut-off valves then automatically close by means of springs that were preloaded by the auxiliary power.

Claims (2)

1. Verfahren zum überlaufsicheren Befüllen eines Speicherbehälters für kryogene Medien, insbesondere eines vakuumisolierten Kfz-Speicherbehälters oder eines Standspeicherbehälters für Flüssigwasserstoff, wobei der Speicherbehälter zumindest eine Peilrohr- und eine Befülleitung mit je mindestens einem pneumatischen Absperrventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Speicherbehälter (1) hineinreichende Ende der Peilrohrleitung (10) der maximalen Befüllhöhe des Speicherbehälters entspricht und daß mittels eines in der Peilrohrleitung vorgesehen Meßgerätes, vorzugsweise eines Dampfdruckkontaktmanometers (12), der Aggregatzustand des während des Befüllens des Speicherbehälters (1) aus dem Speicherbehälter (1) abströmenden Mediums ermittelt wird und im Moment des Überganges vom gasförmigen zum flüssigen Zustand des abströmenden Mediums die pneumatischen Absperrventile (7, 11) in der Peilrohr- (10) und in der Befülleitung (6) geschlossen werden.1. A method for overfill-proof filling of a storage container for cryogenic media, in particular a vacuum-insulated vehicle storage container or a free-standing storage container for liquid hydrogen, the storage container having at least one dip tube and a filling line, each with at least one pneumatic shut-off valve, characterized in that this is in the storage container ( 1 ) reaching end of the leveling pipe ( 10 ) corresponds to the maximum filling height of the storage tank and that by means of a measuring device provided in the leveling pipe, preferably a vapor pressure contact manometer ( 12 ), the physical state of the storage tank ( 1 ) during filling of the storage tank ( 1 ) outflowing medium is determined and at the moment of the transition from the gaseous to the liquid state of the outflowing medium, the pneumatic shut-off valves ( 7 , 11 ) in the level pipe ( 10 ) and in the filling line ( 6 ) are closed n be. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Speicherbehälter (1) abströmende Medium vor dem Sensor des Dampfdruckkontaktmanometers (12) mit Umgebungsluft indirekt beheizt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the medium flowing out of the storage container ( 1 ) before the sensor of the vapor pressure contact manometer ( 12 ) is indirectly heated with ambient air.
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