-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Zuführungssysteme
für tiefgekühlte Flüssigkeiten und
insbesondere ein System zum Abgeben und genauen Abmessen einer tiefgekühlten Flüssigkeit,
wie Flüssigerdgas,
an eine Gebrauchsvorrichtung.
-
Flüssigerdgas
(LNG) ist eine im Überfluss
vorhandene, umweltfreundliche und heimische Energiequelle und folglich
eine attraktive Alternative zu Öl.
Demzufolge wird LNG immer häufiger
als Kraftstoff für Fahrzeuge
eingesetzt. Dies trifft vor allem auf Fuhrpark- und Schwerlastfahrzeuge
zu.
-
Ein
Schwerpunktthema bei der Kommerzialisierung von LNG ist seine genaue
Abmessungs- und Abgabefähigkeit.
Das National Institute of Standards and Technology des amerikanischen
Handelsministeriums hat Richtlinien für eine bundesstaatliche Eichzulassung
entwickelt, wonach abgegebenes LNG auf einer Massendurchflussbasis
mit einer Genauigkeit von +/–1,5%
im Hinblick auf die abgegebene Produktmenge abgemessen werden muss.
Angesichts des Potentials für
eine weit verbreitete Nutzung von LNG besteht ein großer Bedarf
an einem LNG-Abgabesystem, das eine Eichzulassung erhalten kann.
-
Der
Massendurchfluss einer Flüssigkeit
kann durch Messen ihres Volumendurchflusses und dann Anwenden eines
Dichtefaktors für
die Flüssigkeit
ermittelt werden. Ein solcher Ansatz wird von dem Abgabesystem für tiefgekühlte Flüssigkeit
angewendet, das im
US-Patent
Nr. 5616838 von Preston et al. offenbart ist. Die im '838 Patent von Preston
et al. offenbarte Abgabevorrichtung beinhaltet ein Messgerät und einen
Temperatursensor, eingetaucht in LNG, mit dem ein Sammelbehälter teilweise
gefüllt
ist. LNG wird aus dem Sammelbehälter
durch das Messgerät
abgegeben und der Sammelbehälter
wird von einem Massenvorratstank beliefert, so dass das LNG in dem
Sammelbehälter
auf der korrekten Füllhöhe gehalten
wird. Die Volumenfließgeschwindigkeit
vom Messgerät
und die Temperatur vom Sensor werden zu einem Mikroprozessor gesendet,
so dass die Massenfließgeschwindigkeit
des abgegebenen LNG berechnet werden kann.
-
Die
Genauigkeit des Systems des '838
Patents von Preston et al. ist jedoch aufgrund der Tatsache, dass
LNG aus vielen chemischen Komponenten zusammengesetzt ist, begrenzt.
Genauer gesagt, liegt der Methangehalt von LNG zwar typischerweise
gut über
90%, doch beinhaltet der Rest Substanzen wie Ethan, Propan, Butan,
Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Schwefel.
Folglich kann die Dichte von LNG nicht mit einem hohen Maß an Genauigkeit
einfach durch konventionelle Temperaturkorrelationen ermittelt werden,
die auf einer Schätzung
der LNG-Zusammensetzung beruhen.
-
Das '838 Patent von Preston
et al. offenbart außerdem,
dass ein Paar eingetauchte Drucksensoren anstelle des Sammelbehälter-Temperatursensors
verwendet werden können
und dass das damit gemessene Druckdifferential vom Mikroprozessor
in Kombination mit der Volumenfließgeschwindigkeit zum Ermitteln
der Dichte genutzt werden kann. Eine solche Anordnung ist jedoch
mit Stabilitätsproblemen
behaftet, da sich die von den Drucksensoren zum Mikroprozessor gelieferten
Signale als unberechenbar erwiesen haben.
-
Außerdem sind
die Verwendung von Kondensatoren zur Messung des Dielektrikums einer
tiefgekühlten
Flüssigkeit
und die Verwendung dieser Daten zur Berechnung der Dichte der Flüssigkeit
bekannt. Systeme, die diesen Ansatz anwenden, sind in den
US-Patenten 3933030 von
Forster et al. und
4835456 von
Liu et al. offenbart. Das System des '030 Patents von Forster et al. erfordert
eine Redundanz von Kapazitätssonden
und kann die Reinheit des abgegebenen Produkts nicht anzeigen. Ferner
ermittelt das System die Dichte des abgegebenen Produkts anhand
der gemessenen Dielektrika lediglich auf der Basis einer Schätzung der Clausius-Mosotti-Konstante
für das
Produkt. Von daher kann das System aus dem '030 Patent von Forster et al. keine
Dichtemessungen liefern, die zum Kompensieren von Variationen bei
der Reinheit des abgegebenen Produkts justiert werden. Dieser Nachteil
wirkt sich ungünstig
auf die mit dem System erzielbare Genauigkeit aus.
-
Das
System des '456
Patents von Liu et al. nutzt eine Anzahl komplexer Berechnungen,
um die Dichte des abgegebenen Produkts anhand gemessener Dielektrika
für das
Produkt zu erhalten. Genauer gesagt, implementiert das System des '456 Patents von Liu
et al. eine strikte Anwendung der molekularen Dielektrikumtheorie
unter Verwendung einer dielektrischen Suszeptibilitätsfunktion
bei der Anwendung der Clausius-Mosotti-Formel und Quantifizierung
eines Suszeptibilitätsparameters.
Die Arbeitsweise des Systems setzt jedoch eine ausgeklügelte, komplexe
und teure Mess- und Rechenanlage voraus.
-
Die
als nächstliegender
Stand der Technik angesehene
WO 92/02788 A beschreibt eine Flüssiggasabmessvorrichtung
zur Verwendung mit einer Flüssiggasabgabeanlage,
die Flüssiggas
von einer Vorrats- zu einer Abgabestelle und einem Abmessmittel
befördert.
Die Abmessungsvorrichtung beinhaltet ein Erfassungsmittel zum Erfassen
eines messbaren Parameters des Flüssiggases bezogen auf die Dichte
des Flüssiggases, insbesondere
ein elektrischer Parameter wie die dielektrische Konstante, und
zum Erzeugen eines Erfassungssignals, das den erfassten Parameter
anzeigt. Das Erfassungsmittel beinhaltet eine kapazitive Vorrichtung,
die beabstandete Kondensatorplatten umfasst, die so angeordnet sind,
dass sie in das Flüssiggas
eingetaucht werden. Ein Rechenmittel spricht auf das Erfassungssignal
an. Das Rechenmittel hat die Aufgabe, den Betrieb des Abmessmittels
durch Kompensieren der Ermittlung des im Laufe eines Abgabevorgangs
abgegebenen abgemessenen Flüssiggases
durch das Abmessmittel im Hinblick auf Veränderungen der Gaszusammensetzung
zu steuern.
-
Demzufolge
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Abgeben
einer tiefgekühlten
Flüssigkeit
bereitzustellen, das die abgegebene Produktmenge auf einer Massendurchflussbasis
abmisst.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zum Abgeben einer tiefgekühlten Flüssigkeit
bereitzustellen, das tiefgekühlte
Flüssigkeitsgemische
genau abmessen kann.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zum Abgeben einer tiefgekühlten Flüssigkeit
bereitzustellen, das die abgegebene Produktmenge mit einer ausreichend
hohen Genauigkeit abmisst, so dass das System die bundesstaatliche
Eichzulassung erhalten kann.
-
Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zum Abgeben einer tiefgekühlten
Flüssigkeit
bereitzustellen, das anzeigt, wenn die Reinheit der abzugebenden
tiefgekühlten
Flüssigkeit unter
ein vorbestimmtes Niveau fällt.
-
Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein System zum Abgeben
einer tiefgekühlten
Flüssigkeit
bereitzustellen, das unkompliziert und kostengünstig konstruiert werden kann.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Abgeben einer tiefgekühlten Flüssigkeit,
das zum Beispiel zur Abgabe von LNG an ein Fahrzeug verwendet wird.
Das System beinhaltet einen Massenspeichertank, der einen LNG-Vorrat
enthält.
Ein Sammelbehälter
steht mit dem Massenspeichertank in Verbindung und beinhaltet einen
Volumendurchflussmesser, der in LNG eingetaucht ist, um einen Zweiphasendurchfluss
durch das Messgerät
zu verhindern. Außerdem
sind eine Temperatursonde und ein Kondensator im LNG im Sammelbehälter eingetaucht.
Das Messgerät
ist mit einem Abgabeschlauch über
eine Abgabeleitung in Verbindung, die ein Abgabeventil beinhaltet.
Eine Ablaufleitung umgeht das Abgabeventil und weist ein Rückschlagventil
auf, so dass nach der Abgabe im Schlauch eingeschlossenes LNG aufgrund
eines Drucksanstiegs infolge einer Umgebungserhitzung zurück in den
Sammelbehälter
gedrückt
wird.
-
Ein
Mikroprozessor kommuniziert mit dem Messgerät, dem Abgabeventil, der Temperatursonde
und dem Kondensator und enthält
dielektrische Daten für
reines Methan über
eine Reihe von LNG-Temperaturen. Der
Mikroprozessor nutzt die Temperatur von der Temperatursonde, um
ein entsprechendes Dielektrikum für reines Methan auszuwählen. Dieses
Dielektrikum wird mit dem vom Kondensator gemessenen Dielektrikum verglichen
und wenn der Unterschied außerhalb
eines vorbestimmten Bereichs liegt, dann wird das LNG als zu unrein
angesehen und nicht abgegeben. In einer Ausgestaltung des Systems
ist der Mikroprozessor auch mit einer ungefähren linearen Beziehung zwischen
Dichte und Dielektrikum für
LNG programmiert. Das durch den Kondensator gemessene Dielektrikum
wird mit der Beziehung zum Ermitteln der Dichte des LNG verwendet.
-
Alternativ
kann der Mikroprozessor Dichtedaten für reines Methan über eine
Reihe von LNG-Temperaturen
und einen Algorithmus zum Berechnen eines Dichtekompensationsfaktors
enthalten, der von dem durch den Kondensator gemessenen Dielektrikum
und dem Dielektrikum für
reines Methan abhängig
ist. Der Mikroprozessor nutzt die Temperatur von der Temperatursonde,
um eine Dichte für
reines Methan zu erhalten. Der Dichtekompensationsfaktor wird ausgerechnet
und auf die Dichte für
reines Methan angewendet, um zur Dichte für das LNG zu gelangen.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung des Systems wird anstelle des Kondensators
ein Kompensationsmessgerät
verwendet. Die beiden resultierenden Messgeräte arbeiten mit unterschiedlichen
Gleichungen, um den Massendurchfluss mit der Dichte in Bezug zu
setzen. Folglich können
die Gleichungen gelöst
werden, um den Massendurchfluss und die Dichte des LNG zu ermitteln.
Die Dichte von reinem Methan auf der Temperatur von LNG und die
gemessene Dichte des LNG können
zum Ermitteln der Reinheit des LNG miteinander verglichen werden.
-
Die
folgende ausführliche
Beschreibung von Ausgestaltungen der Erfindung liefert in Verbindung
mit den anhängenden
Ansprüchen
und Begleitzeichnungen ein vollständigeres Verständnis des
Wesens und Umfangs der Erfindung.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
zum Ausgeben tiefgekühlter
Flüssigkeit;
-
2 ist
ein Diagramm, das die lineare Beziehung zwischen Dichte und Dielektrikum
für typische LNG-Temperaturen
darstellt;
-
3 ist
ein Ablaufdiagramm, dass die Schritte des Softwareprogramms des
Mikroprozessors aus 1 darstellt;
-
4 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines alternativen Softwareprogramms
des Mikroprozessors aus 1 darstellt;
-
5 ist
eine schematische Darstellung des Sammelbehälters und Abgabeschlauchabschnitts
einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
zum Abgeben der tiefgekühlten
Flüssigkeit;
-
6 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Schritte des Softwareprogramms des Mikroprozessors
aus 5 darstellt.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSGESTALTUNGEN
-
1 zeigt
ein System zum Abgeben einer tiefgekühlten Flüssigkeit, das gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist. Das System liefert eine abgemessene Menge
tiefgekühlter
Flüssigkeit
zu einer Gebrauchsvorrichtung wie z. B. ein Fahrzeug. Der restliche
Teil der Erörterung
bezieht sich zwar auf Flüssigerdgas
(LNG) als tiefgekühlte
Flüssigkeit,
aber es ist zu verstehen, dass die Erfindung auch zum Abgeben anderer tiefgekühlter Flüssigkeiten
verwendet werden könnte.
-
Das
System aus 1 beinhaltet einen mantelisolierten
Massenspeichertank 10 zum Aufbewahren einer großen Menge
LNG 12. Eine isolierte Leitung 14 verbindet den
Speichertank 10 mit einem Messsammelbehälter 15 und beinhaltet
ein Absperrventil 16. Der Messsammelbehälter 15 ist teilweise
mit LNG 18 gefüllt und
die Dampfräume 20 und 22 des
Speichertanks 10 und des Messsammelbehälters 15 sind jeweils
durch eine Dampfrückleitung 24 verbunden,
die ebenfalls ein Absperrventil 25 beinhaltet. Der Messsammelbehälter 15 hat
eine Mantelkonstruktion für
Isolationszwecke und einen abnehmbaren Deckel 27, der einen
Zugang für Wartungszwecke
ermöglicht.
-
Eine
Pumpe für
tiefgekühlte
Flüssigkeit 26 ist
in der Leitung 14 integriert, um den Transfer von LNG von
dem System zu einer Gebrauchsvorrichtung einzuleiten. Alternativ
kann der Transfer durch Druckdifferentiale zwischen dem Speichertank 10 und
dem Tank der Gebrauchsvorrichtung oder dem Messsammelbehälter 15 und
dem Tank der Gebrauchsvorrichtung erreicht werden. Wenn der Abgabevorgang
beginnt, fließt
LNG vom Messsammelbehälter 15 durch
die Leitung 28 und den Abgabeschlauch 30 in die
Gebrauchsvorrichtung. Der Abgabeschlauch 30 endet in einer
Schnelltrennkupplung 32, die an einer entsprechenden Kupplung
an der Gebrauchsvorrichtung entfernbar angeschlossen werden kann.
Die Abgabeleitung 28 ist mit einem automatischen Abgabeventil 34 versehen,
das mit einem Computer wie einem Mikroprozessor 35 über die
Leitung 37 in Verbindung ist.
-
Ein
Volumendurchflussmesser 36, der zur Verwendung mit tiefgekühlten Flüssigkeiten
geeignet ist, ist mit der Abgabeleitung 28 in Verbindung
und in der Innenkammer 38 des Messsammelbehälters 15 so
positioniert, dass er in die darin aufbewahrte tiefgekühlte Flüssigkeit 18 eingetaucht
werden kann. Folglich wird das Messgerät auf die ultraniedrige Temperatur
des dadurch fließenden
LNG abgekühlt,
so dass ein Zweiphasendurchfluss vermieden wird. Dies ist zur Gewährleistung
einer konsistenten Dichte während
des Abmessvorgangs behilflich. Das Messgerät 36 ist über die
Leitung 40 auch mit dem Mikroprozessor 35 in Verbindung.
-
Eine
Flüssigkeitsstandsregelvorrichtung
42 befindet
sich auf der Dampfrückleitung
24 und
halt das LNG in dem Sammelbehälter
15 auf
dem gewünschten
Pegel, um zu gewährleisten,
dass das Messgerät
36 während des
Gebrauchs ständig
in LNG eingetaucht ist. Fällt
der LNG-Pegel im Sammelbehälter
15 unter
den gewünschten
Wert, dann lässt
die Vorrichtung
42 Gas aus dem Sammelbehälter-Dampfraum
22 zum
Speichertank-Dampfraum
20 über die Leitung
24 ab,
so dass zusätzliches
LNG in die Kammer
38 über
die Leitung
24 einströmen
kann. Eine solche Anordnung gewährleistet,
dass nur Flüssigkeit
durch das Messgerät
36 geführt wird.
Das Wiederauffüllen
des Sammelbehälters
endet, wenn das LNG in dem Sammelbehälter wieder auf den gewünschten
Pegel ansteigt, da die Vorrichtung
42 den Rücklauf von
Dampf zum Tank
10 beendet. Eine Schwimmervorrichtung
42,
die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist,
wird von Armstrong Machire Works, Three Rivers, Michigan, Model
11-AV hergestellt. Weitere Einzelheiten zur Funktion der Schwimmervorrichtung
42 sind
dem
US-Patent Nr. 5616838 von
Preston et al. zu entnehmen, das sich ebenfalls im Besitz der Anmelderin
der vorliegenden Erfindung befindet. Eine weitere für die Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung geeignete Möglichkeit ist ein Differenzdruckschalter
und ein davon gesteuertes Ventil. Eine solche Anordnung kann anstelle
der Schwimmervorrichtung
42 verwendet werden.
-
Eine
weitere Alternative zur Flüssigkeitsstandsregelvorrichtung 42 ist
die Bereitstellung einer Sprühnebelfüllvorrichtung,
wie der in 1 mit Phantomlinien dargestellte
Sprühstab 48,
für die
Flüssigkeitsleitung 14.
Der in den Sammelbehälter
eintretende Flüssigkeitssprühnebel erzeugt
einen gesättigten
Gaszustand, so dass die Druckhöhe
im Dampfraum 22 kollabiert. Folglich wird der Sammelbehälter in
einem Gas/Flüssigkeits-Gleichgewichtszustand
wieder aufgefüllt.
Sobald der Flüssigkeitspegel
im Sammelbehälter
den Sprühstab 48 erreicht,
geht der Sprühnebel
verloren und der Druck im Dampfraum 22 steigt an, so dass
der Nettofluss in den Sammelbehälter
stoppt.
-
Eine
Temperatursonde 50 ist im LNG 18 im Sammelbehälters 15 eingetaucht
und kommuniziert mit dem Mikroprozessor 35 über die
Leitung 52. Ein Kondensator 54 des Freilufttyps
ist ebenfalls in dem LNG eingetaucht und steht mit dem Mikroprozessor 35 über die
Leitung 56 in Verbindung. Der Kondensator des Freilufttyps
hat vorzugsweise eine konzentrische Röhrenanordnung. Solche Kondensatoren
sind von der Zessionarin der vorliegenden Erfindung erhältlich.
Der Kondensator befindet sich vorzugsweise in der Nähe des Bodens
des Sammelbehälters 15,
so dass durch Wärme
erzeugte Blasen beseitigt werden. Das Dielektrikum des LNG zwischen
den Kondensatorwänden
wird ermittelt und in den Mikroprozessor gespeist, während die
Temperatursonde die Temperatur des LNG dem Mikroprozessor meldet.
-
2 zeigt
ein Diagramm mit dem Dielektrikum gegenüber der Dichte für die reinen
tiefgekühlten
Flüssigkeiten
Methan, Propan, Ethan, Butan und Stickstoff über einen Bereich von LNG-Temperaturen.
Ein Beispiel für
einen solchen Bereich ist –260°F (–162°C) bis –180°F (–118°C). Wie in
der Technik bekannt ist, können
die Dielektrikum- und Dichtedaten für die reinen Substanzen einer
Vielfalt von Quellen wie dem CRC Handbook of Chemistry and Physics
(CRC in 2) und dem National Institute
of Standards and Technology (MIST in 2) entnommen
werden. Wie in 2 zu sehen ist, ermöglichen
die Daten die grafische Darstellung einer geschätzten linearen Beziehung zwischen
Dielektrika und Dichten. Die geschätzte lineare Beziehung kann
in den Mikroprozessor 35 programmiert werden.
-
Zusätzlich zur
linearen Beziehung aus 2 werden Dichte- und Dielektrikumdaten
für reines
Methan für
eine Reihe von LNG-Temperaturen in eine Nachschlagtabelle oder irgendeine
andere Art von Datenbank im Mikroprozessorspeicher programmiert.
-
Nach
dem richtigen Programmieren des Mikroprozessors 35 testet
dieser die Reinheit des LNG in dem Sammelbehälter und ermittelt die Dichte
durch Ausführen
der in 3 aufgeführten
Programmschritte. Genauer gesagt, wird dem Mikroprozessor die Temperatur
des LNG im Sammelbehälter über die
Temperatursonde 50 gemeldet. Der Mikroprozessor kann dann
das Dielektrikum für
reines Methan anhand der Nachschlagtabelle ermitteln. Das Dielektrikum
des LNG im Sammelbehälter
wird vom Kondensator 54 zum Mikroprozessor geliefert.
-
Der
Mikroprozessor vergleicht dann das Dielektrikum für reines
Methan auf der Temperatur des LNG im Sammelbehälter mit dem Dielektrikum des
LNG im Sammelbehälter.
Wie zuvor angegeben, liegt der Methangehalt von LNG typischerweise
gut über
90%. Es wurde festgestellt, dass relativ reines LNG ein Dielektrikum
hat, das dem von flüssigem
Methan auf LNG-Abgabetemperaturen nahe ist. Folglich kann ein Rahmen für akzeptable
LNG-Reinheit festgelegt werden, so dass, wenn sich das Dielektrikum
des LNG im Sammelbehälter
wesentlich vom Dielektrikum von reinem Methan für die gemessene Temperatur
unterscheidet, der Mikroprozessor die Anwesenheit von unreinem LNG
anzeigt, wie zum Beispiel durch sichtbare oder hörbare Mittel, und die Abgabe
von LNG über
eine Mikroprozessorsteuerung des Ventils 34 verhindert
wird. Ein Beispiel für
einen akzeptablen Abweichungsbereich mit Bezug auf Dielektrika liegt
bei +2 % bis –0%.
Die äußere Grenze
dieses Bereichs entspricht LNG mit einer Zusammensetzung aus 90%
Methan und 10% Ethan.
-
Methan
und andere Substanzen, die typischerweise in LNG vorhanden sind,
wie flüssiges
Propan, Ethan, Butan und Stickstoff, bestehen aus nichtpolaren Molekülen. Es
ist zu beachten, dass, wenn Substanzen, die aus polaren Molekülen bestehen,
wie Propylen, in LNG in größeren Mengen
als Spurenmengen vorhanden sind, das Dielektrikum des LNG wesentlich
höher ist.
Im Allgemeinen können
solche polaren Bestandteile von LNG die Leistung des Motors der
Gebrauchsvorrichtung beeinträchtigen.
Folglich erfasst und verhindert das erfindungsgemäße System
die Abgabe von LNG, wenn solche Substanzen vorliegen und möglicherweise
der Gebrauchsvorrichtung schaden.
-
Hat
das LNG eine akzeptable Reinheit, dann ermöglicht das Ventil 34 die
Abgabe und es wird ein Volumendurchflusswert für das abgegebene LNG vom Messgerät 36 erhalten.
Das gemessene Dielektrikum für das
LNG kann mit den Daten aus 2 verwendet
werden, um die ungefähre
Dichte des LNG zu erhalten. Wie in der Technik bekannt ist, nutzt
der Mikroprozessor 35 dann die Dichte für das LNG und die Volumenfließgeschwindigkeit,
um den Massendurchflusswert für
das abgegebene LNG zu berechnen.
-
Der
Mikroprozessor
35 kann die in
4 dargestellte
Programmierung als Alternative zu der in
3 dargestellten
nutzen, um den Massendurchflusswert für das abgegebene LNG zu erhalten.
Während
die Dichte- und Dielektrikumdaten für reines Methan bei LNG-Temperaturen
immer noch mit der Vorgehensweise aus
4 in den
Mikroprozessor
35 programmiert werden, ist dies bei der
linearen Beziehung aus
2 nicht der Fall. Stattdessen
wird der folgende Algorithmus in den Mikroprozessor programmiert:
wobei:
- Fcorr
- = Dichtekompensationsfaktor
- dielgemessen
- = gemessenes Dielektrikum
von LNG im Sammelbehälter
- dielandere
- = Dielektrikum von
(einem) anderen angenommenen Bestandteil(en) in LNG als Methan bei
der Temperatur T von LNG im Sammelbehälter
- dielMethan(T)
- = Dielektrikum von
reinem Methan bei Temperatur T von LNG im Sammelbehälter
- p(T)
- = Dichte von reinem
Methan bei Temperatur T von LNG im Sammelbehälter
-
Zwar
ist Ethan vorzugsweise der andere angenommene Bestandteil im LNG
als Methan, doch schließen
Alternativen reines Propan, eine andere reine nichtpolare, molekulare
Substanz oder ein Gemisch aus nichtpolaren, molekularen Substanzen
ein. Die Dielektrikumdaten für
den/die angenommenen Bestandteil(e), die einer Reihe von LNG-Temperaturen
entsprechen, werden ebenfalls in den Mikroprozessor programmiert, um
in der Dichtekompensationsfaktorgleichung verwendet zu werden. Nach
der Berechnung wird der Dichtekompensationsfaktor mit der Dichte
von reinem Methan auf der Temperatur T des LNG im Sammelbehälter multipliziert,
um eine nahe Schätzung
der Dichte des LNG im Sammelbehälter
zu erhalten.
-
Die
ersten vier Schritte, die vom Mikroprozessor in 4 durchgeführt werden,
sind mit denen in 3 identisch. Wenn das System
die Reinheit von LNG testet, weicht die Vorgehensweise in 4 jedoch von
der in 3 ab. Genauer gesagt, nutzt der Mikroprozessor,
wie in 4 dargestellt, die Temperatur T von dem Sammelbehälter, die
mit der Temperatursonde 50 gemessen wird, um die Dichte
von reinem Methan aus einer Nachschlagtabelle oder einer anderen
Datenbank zu erhalten. Der Mikroprozessor rechnet außerdem den
Dichtekompensationsfaktor unter Verwendung des Dielektrikums für reines
Methan (auf der Temperatur T des LNG im Sammelbehälter), des
Dielektrikums für
LNG im Sammelbehälter
und der obigen Gleichung aus. Der Dichtekompensationsfaktor wird
dann auf die Dichte für
reines Methan angewendet, um eine nahe Schätzung der Dichte für das LNG
im Sammelbehälter
zu erhalten. Der Volumendurchflusswert für das abgegebene LNG wird vom
Messgerät 36 erhalten
und die ungefähre
Dichte des LNG wird auf den Volumendurchfluss angewendet, um zum
Massendurchfluss für
das abgegebene LNG zu gelangen.
-
Wenn
die Abgabe von LNG endet und das Abgabeventil 34 geschlossen
wird, bleibt ein nicht zugeführtes
Volumen von LNG im Systemabgabeschlauch 30 aus 1 zurück. Eine
Erhitzung der Umgebungsluft erfordert, dass die resultierenden LNG-Dämpfe im
Schlauch abgelassen werden. Zudem beeinträchtigt ein unbekanntes LNG-Volumen,
das im Abgabeschlauch zurückbleibt,
die Messgerätgenauigkeit
im nächsten
Abgabevorgang. Demzufolge ist es erwünscht, dass der Schlauch zu
Beginn der Abgabe leer ist, d. h. dass das System einen „trockenen
Schlauch" bereitstellt.
Wie in 1 dargestellt ist, erreicht das erfindungsgemäße System
dies durch die Einbeziehung einer Ablaufleitung 62, die
auf entgegengesetzten Seiten des Abgabeventils 34 angeschlossen
ist. Ein Ende 58 der Ablaufleitung 62 ist am tiefsten
Punkt entlang der Abgabeleitung 28 und dem Schlauch 30 zwischen
dem Sammelbehälter 15 und
der Schnelltrennkupplung 32 angeschlossen. Die Ablaufleitung 62 ist
ferner mit einem Rückschlagventil 64 versehen,
um zu verhindern, dass LNG vom Sammelbehälter 15 das geschlossene
Abgabeventil 34 umgeht.
-
Während des
Betriebs wird das Abgabeventil 34 am Ende eines Abgabevorgangs
geschlossen und Umgebungshitze setzt im Schlauch 30 eingeschlossenes
LNG unter Druck, so dass die Flüssigkeit
schnell durch die Ablaufleitung 62, das Rückschlagventil 64 und
zurück
in den Sammelbehälter 15 gedrückt wird.
Würde die
Verbindung zwischen Abgabeleitung 28 und Schlauch 30 und
Ablaufleitung 62 nicht am tiefsten Punkt zwischen Sammelbehälter 15 und
Kupplung 32 vorliegen, dann würde das LNG lediglich als Gas
aus dem Schlauch hinaus übertragen.
Dadurch könnte
LNG möglicherweise
und unerwünscht
im Schlauch zu Beginn des nächsten
Abgabevorgangs vorhanden sein.
-
Die
Sammelbehälter-
und Abgabeleitungs- sowie Schlauchabschnitte einer alternativen
Ausgestaltung des Abgabesystems der vorliegenden Erfindung sind
in 5 dargestellt. Wie bei der Ausgestaltung aus 1 wird
LNG im Sammelbehälter 115 durch
das Zusammenspiel zwischen isolierter Leitung 114, Dampfrückleitung 124 und
Flüssigkeitsstandsregelvorrichtung 142 auf
einem gewünschten
Pegel gehalten, die alle mit einem Massenspeichertank und einer
Pumpenanordnung des in 1 dargestellten Typs in Verbindung sind.
Wie bei der Ausgestaltung aus 1, beinhaltet
das System außerdem
eine Abgabeleitung 128 und einen Schlauch 130 sowie
eine Ablaufleitung 162 und ein Rückschlagventil 164,
um einen Trockenschlauchzustand zu Beginn des Abgabevorgangs zu
gewährleisten.
-
Zwar
beinhaltet die Ausgestaltung aus 5 auch eine
Temperatursonde 150 zum Ermitteln der Temperatur von LNG 118 und
einen primären
Durchflussmesser 136, doch wird anstelle des Kondensators 54 des Freilufttyps
aus 1 ein Kompensationsdurchflussmesser 170 verwendet.
Der primäre
und der Kompensationsdurchflussmesser messen jeweils den Durchfluss
von abgegebenem LNG, bringen allerdings den Massendurchfluss über verschiedenartige
Gleichungen mit der Dichte in Bezug. Das primäre Messgerät 136 kann zum Beispiel
ein Differenzdruck-/Blendenmesser sein, wobei der gemessene Massendurchfluss
proportional zur Quadratwurzel der Dichte ist. Im Gegensatz dazu
kann das Kompensationsmessgerät
ein Turbinenmesser sein, wobei der gemessene Massendurchfluss proportional
zur Dichte ist. Da die Gleichungen unterschiedlich gestaltet sind,
können
sie für
eine Lösung
im Hinblick auf die Dichte kombiniert werden:
Für das primäre Messgerät: M = Korifice (p × ΔP)1/2 Für
das Kompensationsmessgerät: M = p × Kturbine × FrequencyKombination
der Gleichungen: p = {(Korifice × ΔP1/2)/(Kturbine × Frequency)}2 Wobei:
- M
- = Massendurchfluss
von LNG durch Messgerät
- p
- = Dichte von durch
das Messgerät
fließendem
LNG
- Korifice
- = Messgerät-Kalibrierungskonstante
- ΔP
- = vom primären Messgerät gemessener
Druckabfall
- Kturbine
- = Messgerät-Kalibrierungskonstante
- Frequency
- = die vom Kompensationsmessgerät gemessene
Frequenz
-
Nachdem
die Dichte für
das abgegebene LNG ermittelt wurde, kann der Massendurchfluss folglich
anhand einer der obigen Massendurchflussgleichungen bestimmt werden.
-
Zur
Durchführung
der obigen Kalkulationen, die im Ablaufdiagramm aus 6 dargestellt
sind, werden die Kalibrierungskonstanten und Massendurchflussgleichungen
für die
beiden Messgeräte
und die hergeleitete Dichtegleichung in den Mikroprozessor 135 programmiert.
Darüber
hinaus werden Dichtedaten für
reines Methan für
eine Reihe von LNG-Temperaturen in eine Nachschlagtabelle oder irgendeine
andere Art von Datenbank im Mikroprozessorspeicher programmiert.
-
Wie
im Ablaufdiagramm von 6 dargestellt ist, kann der
Mikroprozessor folglich nach dem Empfang von Temperaturdaten von
der Temperatursonde 150 und dem Beginn des Abgabevorgangs
die Reinheit des LNG testen, indem er die für das LNG (anhand der obigen
hergeleiteten Gleichung) berechnete Dichte mit der Dichte von reinem
Methan bei der gemessenen Temperatur (die der Nachschlagtabelle
entnommen wird) vergleicht. Es kann ein Rahmen für akzeptable LNG-Reinheit festgelegt
werden, so dass, wenn sich die Dichte des LNG wesentlich von der
Dichte von reinem Methan für
die gemessene Temperatur unterscheidet, der Mikroprozessor die Anwesenheit
von unreinem LNG anzeigt und die Abgabe von LNG per Mikroprozessorsteuerung
des Ventils 134 gestoppt wird. Ein Beispiel für einen
akzeptablen Abweichungsbereich für
die Dichte liegt bei +6 % bis –0%.
Die äußere Grenze
dieses Bereichs entspricht LNG mit einer Zusammensetzung aus 90% Methan
und 10% Ethan.
-
Zwar
wird ein Differenzdruck/Blendenmesser für das primäre Messgerät und ein Turbinenmesser für das Kompensationsmessgerät der Ausgestaltung
aus 5 beschrieben, doch ist zu beachten, dass eine
Vielfalt anderer Messgerätekombinationen
möglich
ist. Zum Beispiel kann ein Wirbeldurchflussmesser, der eine mathematische
Beziehung zwischen Massendurchfluss und Dichte aufweist, die der
Gleichung für
den Turbinenmesser ähnlich
ist, als Kompensationsmessgerät
verwendet werden. Es ist lediglich erforderlich, dass das primäre und das
Kompensationsmessgerät
mit unterschiedlichen Gleichungen arbeiten, die den Massendurchfluss
mit der Dichte in Bezug bringen, so dass sie für diese beiden Unbekannten
gelöst
werden können.
-
Es
wurden zwar die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt
und beschrieben, doch wird es der Fachperson einleuchten, dass Änderungen
und Modifikationen daran möglich
sind, ohne von der Erfindung abzuweichen, deren Umfang von den anhängenden
Ansprüchen
definiert wird.
