DE4427710A1 - Anordnung zur Gasführung und Drucksteuerung an Kaltvergaseranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gasführung und Drucksteuerung an Kaltvergaseranlagen insbesondere für Gasgemische.

Es ist bekannt, daß tiefkalte flüssige Gase in thermisch isolierten Druckbehältern, vorzugsweise 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°C 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. Temperaturabsenkung 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 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 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 verflüssigten Gas umgibt, in Kauf genommen wird. Die mit dem Entzug von Verdampfungswärme aus dem Flüssigkeitsbad verbundene Gaseverlustmenge 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 Masseentzugs 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 dem Gleichgewichtszustand entsteht, 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 Gase 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 die Aufgabe zugrunde, die nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht zu vermeidenden Drucksteigerungen und damit verbundenen Abblaseverluste in Kaltvergaseranlagen für tiefkalte verflüssigte Gasgemische mit einfachen Mitteln auf ein Minimum zu verringern oder gänzlich zu vermeiden.

Die Aufgabe wurde unter Verwendung an sich bekannter Speicherbehälter und Luftverdampfer für tiefkalte flüssige Gase sowie unter Verwendung an sich bekannter Armaturen und Druckregelelemente unter grundsätzlicher Flüssigentnahme mittels Tauchrohr aus dem Speicherbehälter erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unmittelbar am Tauchrohrausgang aus dem oberen Bereich des Speicherbehälters ein Rückströmventil mit vor- oder nachgeschaltetem Absperrventil mit Fernbetätigung sowie zwischengeschaltetem ersten Überströmventil angeordnet ist, sofern das Absperrventil dem Rückströmventil nachgeschaltet ist, wobei dann das erste Überströmventil auf einen Öffnungsdruck eingestellt ist, der mindestens dem maximalen Betriebsdruck des Speicherbehälters entspricht und wobei die Überströmleitung des ersten Überströmventils in die direkt in den Luftverdampfer führende Flüssigleitung oder direkt aus dem Luftverdampfer heraus führende Hochdruckgasleitung eingebunden ist, daß um die Druckregeleinheit eine Bypassleitung angeordnet ist, mit der die Hochdruckgasleitungen zwischen Luftverdampfer und Druckregeleinheit mit der Niederdruckgasleitung zwischen Druckregeleinheit und Verbraucherleitung verbunden sind, daß in der Bypassleitung ein zweites Überströmventil angeordnet ist, dessen Öffnungsdruck höchstens auf den kleinsten max. Betriebsdruck der in Verbindung stehenden Teile von Flüssigleitung, Hochdruckgasleitung, Luftverdampfer, Rückströmventil bzw. Absperrventil sowie erster Überströmleitung bzw. anderer an sich üblicher zusätzlicher Meß- und Steuerungsparameter eingestellt ist, daß in der Niederdruckgasleitung ein Sicherheitsventil eingebunden ist, dessen Öffnungsdruck wesentlich über dem normalen Arbeitsdruck in der Niederdruckleitung eingestellt ist, wobei die Niederdruckleitung mit einem Gasdruckspeicher verbunden sein kann.

Die überraschende Wirksamkeit der Erfindung besteht in einer Reduzierung des betriebsüblichen Drucks in Vermeidung bisher hingenommener Gasverluste infolge der Abblasemengen aus dem Sicherheitsventil des Speicherbehälters. Die Ursache dieser überraschenden Wirksamkeit beruht auf der erfindungsgemäß ausgenutzten Erkenntnis, daß die Entnahme von tiefkalt flüssigem Gas stets mit mindestens einer stoßartigen Entnahme verbunden ist, entweder zu Arbeitsbeginn oder während der tagesüblichen Verbräuche infolge von An- und Abfahrprozessen an den Verbrauchern, oder infolge des üblichen Arbeitsrhythmus. Bei der stoßartigen Entnahme werden tiefkalt flüssige Gasgemischmengen aus dem Speicherbehältern in die Flüssigleitung und weit in die Luftverdampfer hinein transportiert, dort durch Zufuhr latenter Umgebungswärme verdampft, wobei aus einem Liter Flüssiggas mehrere hundert Liter gasförmigen Gases entstehen.

Hält die nachfolgende Entnahme der Verbraucher nicht mit dieser enormen Volumenvergrößerung Schritt, was ja bei stoßartigen Entnahmen der Fall ist, so kommt es zum Druckanstieg in den miteinander verbundenen Bereichen von Flüssigleitung, Luftverdampfer und Hochdruckleitung derart, daß aus dem Speicherbehälter herausgeförderte Flüssigkeitsmengen, die gleichzeitig teilerwärmt wurden, sowie verdampfte Gasmengen in den Speicherbehälter zurückgefördert werden und dort zu einer Steigerung des Druck- und Temperaturniveaus führen.

Dieser unerwünschte, bisher jedoch hingenommene Effekt wird durch das Rückströmventil beseitigt. Die nunmehr auf den zwischen Rückströmventil und Druckregeleinheit begrenzten Bereich von Flüssigleitung, Luftverdampfer und Hochdruckgasleitung konzentrierte Gasdruckerhöhung infolge der Verdampfung nach stoßartiger Entnahme wird abgebaut durch das in der Bypaßleitung zwischen Hochdruckgasleitung und Niederdruckgasleitung angeordnete zweite Überströmventil, durch das die den maximal zulässigen Hochdruck überschreitenden Gasmengen in die Niederdruckleitung abgegeben werden, wobei die Niederdruckleitung selbst und/oder ein mit ihr verbundener Gasdruckspeicher die kurzzeitig überschüssigen Gasmengen aufnehmen, die dann im normalen darauffolgenden Regime der Gasentnahme aus der Niederdruckgasleitung verbraucht werden.

Die Gasentnahme aus der Niederdruckgasleitung beim Verbraucher erfolgt über an sich übliche Entnahmestellendruckregler, die den Arbeitsdruck am Verbrauchsgerät unablässig vom schwankenden Niederdruck konstant halten. Für den Fall, daß bei sehr großen stoßartigen Flüssigentnahmen die Gasdruckspeicherkapazität von Niederdruckgasleitung und/oder Gasdruckspeicherbehälter überschritten wird, wird das Sicherheitsventil in der Niederdruckgasleitung automatisch geöffnet. Diesen potentiell wesentlich verringerten Abblaseverluste kann nun noch durch an sich bekannte Maßnahmen zur Querschnitts- bzw. Volumen- und Entnahmeoptimierung von Flüssigleitung und Verdampfer begegnet werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel in zwei Varianten näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung erfindungsgemäße Anordnungen:

In Fig. 1 mit Gasdruckspeicher ohne erstes Überströmventil;

In Fig. 2 ohne Gasdruckspeicher mit erstem Überströmventil,
wobei auf die Darstellung von an sich üblichen Steuer- und Regelelementen sowie Armaturen und Rohrleitungen, die jedoch für die Darlegung der erfindungsgemäßen Lösung nicht relevant sind, verzichtet wurde.

Der Speicherbehälter 1 ist zumindest mit einem Füllanschluß 2, einem Sicherheitsventil 3 und einem Tauchrohr 4 mit einem Absperrventil 5 ausgerüstet. Unmittelbar am Ausgang des Tauchrohrs 4 aus dem oberen Bereich des Speicherbehälters 1, d. h. nach dem an sich üblichen Absperrventil 5 ist in der Flüssigleitung 6 ein Rückströmventil 7 angeordnet, welches ein Rückströmen in Richtung Tauchrohr 4 nicht zuläßt.

Das an sich vorgeschriebene Absperrventil mit Fernbetätigung 8 wird durch betriebsbedingte Signale, wie z. B. zulässige Temperaturen, Füllstand, Not-Aus automatisiert betrieben und weist zu diesem Zwecke die Steueranschlüsse 9 und 10 auf. In Fig. 2 ist dabei das Absperrventil mit Fernbetätigung 8 dem Rückströmventil 7 nachgeschaltet, so daß zwischen beiden das erste Überströmventil 11 eingebunden ist und dessen Überströmleitung 12 als Bypass zum Absperrventil 8 in die zum Luftverdampfer 13 führende Flüssigleitung 6 eingebunden ist.

Die Hochdruckgasleitung 14 führt aus dem Luftverdampfer 13 heraus und steht mit der Druckregeleinheit 15 in Verbindung, die mindestens einen Gasdruckregler mit jeweils vor- und nachgeschaltetem Absperrventil aufweist. An die Druckregeleinheit 15 ist eine Bypaßleitung 16 mit Absperrventil 17 angeordnet, in die das zweite Überströmventil 18 eingeschleift ist, wobei die Bypaßleitung 16 eine Verbindung zwischen der Hochdruckgasleitung 14 und der Niederdruckgasleitung 19 darstellt.

In Fig. 1 ist die Niederdruckleitung 19 über ein Absperrventil 20 mit einem Gasdruckspeicher 21 verbunden und führt über das Absperrventil 22, das Sicherheitsventil 23 zum Verbraucher-Hauptdruckregler 24 in die Verbraucherleitung 25.

In Fig. 2 ist die Niederdruckleitung 19 lediglich über das Absperrventil 22 und das nachgeschaltete Sicherheitsventil 23 mit der Verbraucherleitung 25 verbunden.

Bei stoßartiger Flüssigentnahme werden die Flüssigleitung 6 und große Teile des Luftverdampfers 13 mit tiefkaltem verflüssigtem Gas gefüllt, das aus dem Speicherbehälter 1 über das Tauchrohr 4, das Absperrventil 5 sowie das Rückströmventil 7 und das Absperrventil mit Fernbetätigung 8 zugeführt wurde. Mit Beendigung des Entnahmestoßes schließt sich automatisch das Rückströmventil 7 und in der Flüssigleitung 6 sowie im Verdampfer 13 setzt der Verdampfungsprozeß ein, der zur Drucksteigerung in der Flüssigleitung 6 und Hochdruckgasleitung 14 führt.

Der Überdruck, der in der Flüssigleitung 6 zwischen Rückströmventil 7 und Absperrventil mit Fernbetätigung 8 möglicherweise eingesperrten Gasmenge wird über das erste Überströmventil 11 und die Überströmleitung 12 in die Flüssigleitung 6 gemäß Fig. 2 abgebaut. Der letztlich in der Hochdruckgasleitung 14 entstehende Gasüberdruck wird durch das in der Bypaßleitung 16 eingeschleifte zweite Überströmventil 18 in die Niederdruckgasleitung 19 hinein abgebaut, wobei gemäß Fig. 1 der Gasdruckspeicher 21 gefüllt wird und wobei gemäß Fig. 2 das nicht weiter dargegestellte Volumen der Verbraucherleitung 25 als Gasdruckspeicher genutzt wird.

Die Versorgung der Gasverbrauchsanlagen mit dem richtigen Betriebsdruck erfolgt entweder über einen Verbraucher- Hauptdruckregler 24 oder gemäß Fig. 2 über nicht dargestellte einzelne Entnahmestellendruckregler.

Claims (3)

1. Anordnung zur Gasführung und Drucksteuerung an Kaltvergaseranlagen insbesondere für Gasgemische unter Verwendung an sich bekannter Speicherbehälter, Verdampfer, Armaturen und Druckregelelemente sowie Flüssigentnahme aus dem Speicherbehälter und einer Druckregeleinheit zwischen Hochdruck- und Niederdruckleitung, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Tauchrohrs (4) aus dem oberen Bereich des Speicherbehälters (1) ein Rückströmventil (7) mit vor- oder nachgeschaltetem Absperrventil (8) mit Fernbetätigung angeordnet ist, daß um die Druckregeleinheit (15) eine Bypassleitung (16) mit einem Überströmventil (18) angeordnet ist, so daß durch die Bypassleitung (16) eine Verbindung zwischen der Hochdruckgasleitung (16) und der Niederdruckgasleitung (19) geschaffen ist, und daß in der Niederdruckleitung (19) ein Sicherheitsventil (23) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dem Rückströmventil (7) nachgeschalteten Absperrventil (8) ein Überströmventil (11) in einer Überströmleitung (12) angeordnet ist, die einen Bypass zum Absperrventil (8) darstellt, wobei die Überströmleitung (12) in die Flüssigleitung (6) oder in die Hochdruckgasleitung (14) eingebunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckleitung (19) mit einem Gasspeicher (21) verbunden ist.