DE69116525T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von einem Gasdurchfluss - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft die Erzeugung einer auf eine erhöhte Betriebstemperatur erwärmten Gasströmung, die insbesondere bei der Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Schaum unter Verwendung von Kohlendioxid einsetzbar ist.
• Bei dieser Art von Anwendung, jedoch ebenfalls bei zahlreichen anderen Anwendungen, muß eine Gasströmung mit einer Temperatur und einem Druck erzeugt werden, die sehr nahe bei einer genauen Arbeitstemperatur und sehr nahe bei einem genauen Arbeitsdruck liegen müssen, wobei diese Temperatur die interne Temperatur des Reaktors sein kann, in welchen dieses Gas eingeleitet wird. Nun ist bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen die Regelung dieser Temperatur und dieses Druckes zu ungenau, um den betreffend diese beiden Parameter besonders strengen betrieblichen Anforderungen zu genügen.
• In der Druckschrift EP-A-240780 wurde ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines bei der Durchführung von Versuchen nach dem Prinzip des thermischen Kreislaufs zur Bewertung von elektrischen und elektronischen Komponenten verwendeten Fluids vorgeschlagen.
• Die vorgeschlagene Lösung bestand im einzelnen im über eine Verteilerschraube erfolgenden Trennen des Fluids in zwei Zweigströme, deren erster erwärmt und deren zweiter mit Hilfe eines Kühlmittels abgekühlt wird. Die beiden Ströme werden dann wieder zu einem einzigen Fluidstrom vereint, der zur Versuchskammer geleitet wird. Gegebenenfalls durchläuft das Fluid vor der Aufteilung eine Vorkühlstufe.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe die Erzeugung einer Gasströmung zugrunde, welche den erwähnten höheren Anforderungen auf einfache und wirksame Art und Weise entspricht. Diese Aufgabe wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß eine zuvor auf eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur erwärmte Gasströmung in zwei Elementarströme unterteilt wird, die sodann einzeln auf höhere Temperaturen gebracht werden, deren eine größer ist als die Betriebstemperatur und deren andere kleiner ist als die Betriebstemperatur, daß jeder der infolgedessen unterschiedlich erwärmten Ströme in ein thermisch isoliertes Puffervolumen geleitet wird, und daß aus den Volumina zwei elementare Gasströmungen entnommen werden, die dann mittels eines Mischventils, dessen Mischereinstellung durch ein der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur des erzeugten Gases und einem Sollwert entsprechendes Korrektursignal gesteuert wird, in einem gesteuerten Verhältnis wieder zusammengeführt werden, um die auf die Betriebstemperatur erwärmte Gasströmung zu bilden. Die Erfahrung zeigt, daß diese Art des Vorgehens eine besonders feine Regelung der Temperatur erlaubt.
• Bevorzugt ist die Solltemperatur die in einem Anwendungsreaktor herrschende Temperatur, mit der die Temperatur des Betriebsgases in unmittelbarer Nähe des Reaktors verglichen wird, um ein auf das Mischventil einwirkendes Differenz-Korrektursignal zu bilden.
• Außerdem erfolgt die Erzeugung der unter einem Betriebsdruck stehenden Gasströmung dadurch, daß das Gas auf einen Druck größer als der Betriebsdruck gebracht wird, und daß eine gesteuerte, von einem der Differenz zwischen dem tatsächlichen Druck des entspannten Gases und einem Solldruck entsprechenden Signal abhängige Entspannung herbeigeführt wird.
• Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer auf Betriebstemperatur erwärmten Gasströmung, umfassend einen Gasspeicherbehälter, ein Mittel zum Erwärmen einer Gasströmung, welches einem von einem die tatsächliche Temperatur des erzeugten Gases und eine Solltemperatur vergleichenden Vergleicher abhängigen Temperatursteuermittel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Mittel zum Erwärmen des Gases auf eine Temperatur weit unterhalb der Betriebstemperatur und zwei stromab des ersten Heizmittels parallel angeordnete Gaskreise, deren jeder ein zusätzliches Heizmittel mit jeweils unterschiedlichen Heizleistungen sowie ein thermisch isoliertes Puffervolumen enthält, vorgesehen sind, wobei die Kreise in ein gesteuertes Mischventil münden, dessen Ausgang mit einer Gasverteilerleitung verbunden ist, und wobei das Steuermittel auf die Steuerstellung des Mischventils einwirkt.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte, eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung repräsentierenden Zeichnung.
• In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Schaum dargestellt, die vier mit in einem Vorratsbehälter 1 gespeichertem und durch eine Kühlgruppe 2 in flüssigem Zustand gehaltenem Kohlendioxid gespeiste Reaktoren 19, 20, 21 und 22 umfaßt. Eine Flüssiggas-Entnahmeleitung 3 teilt sich in zwei elementare Leitungen 4 und 5 auf, welche Pumpen 8 und 9 umfassen, die Kohlendioxid unter einem Druck von etwa 70 bar in Druckleitungen 10 und 11 abgeben, die sodann zu einer einzigen Leitung 12 zusammengeführt werden. Diese Leitung 12 versorgt eine Kohlendioxid-Flüssiggasleitung 13, welche ein Ventil 14, einen digitalen Volumenzähler 15, und ein in eine Leitung 17 zur aufeinanderfolgenden Versorgung der einzelnen Reaktoren 19, 20, 21, 22 mündendes Ventil 16 mit steuerbarem Öffnungsgrad umfaßt, wobei jede der Leitungen 17 ein Ventil 18 umfaßt, stromauf dessen ein Entleerungskreis 23 mit einem in eine Hauptentleerungsleitung 26, welche bei 27 in den Kopf des Vorratsbehälters 1 öffnet, mündenden Sperrventil 24 verzweigt.
• Die Leitung 12 versorgt zum anderen eine weitere Verteilerleitung 31, welche ein Ventil 32 und einen nach dem Dampfprinzip arbeitenden Verdampfer-Erwärmer 34 mit Schlangen 33 umfaßt, der an einem Ausgang 37 gasförmiges Kohlendioxid unter einem Druck von 70 x 10&sup5; Pa und mit einer Temperatur von etwa 70 ºC abgibt, wobei dies stromauf eines Sicherheitsventils 38 erfolgt, von dem zwei parallel angeordnete Gaskreise 41 und 42 abgehen, deren jeder einen Erwärmer 43, 44 und stromab ein Puffervolumen bzw. 46 umfaßt. Leitungen 47 und 48 zur Ausleitung aus der Wanne der Puffervolumen 45 und 46 sind mit den Eingängen eines gesteuerten Mischventils 49 verbunden, dessen Ausgang in eine einen gesteuerten Druckminderer 51 aufweisende und die so erzeugte Gasströmung in zu den einzelnen Reaktoren 19, 20, 21, 22 führende Einzelleitungen 52 abgebende Verteilerleitung 50 mündet, wobei jede Leitung 52 einen Bulbus 54, ein Sperrventil 53 und ein Entleerungsventil 67 umfaßt.
• Entleerungsleitungen 61-62 mit Ventilen 65 bzw. 66 sind stromab der Behälter 45-46 vorgesehen, um wieder mit der Hauptentleerungsleitung 26 zusammenzutreffen.
• Die nach dem Prinzip eines in eine Aluminium-Matrix eingebetteten elektrischen Widerstands arbeitenden Erwärmer 43 und 44 besitzen unterschiedliche elektrische Leistungen derart, daß das Gas am Ausgang des Erwärmers 43 eine geringere Temperatur besitzt als das Gas am Ausgang des Erwärmers 44. Beispielsweise wird das sich in der Leitung 41 befindende und in dem Pufferbehälter 45 gespeicherte Gas auf eine Temperatur von etwa 140 ºC gebracht, während das durch die Leitung 42 transportierte und in dem Puffervolumen 46 gespeicherte Gas auf eine höhere, bei etwa 180 ºC liegende Temperatur gebracht wird.
• Um diese Temperaturen über die Zeit und unabhängig von der Entnahmemenge so konstant wie möglich zu halten, sind auf dem Niveau jedes Puffervolumens 46 bzw. 46 Leckageleitungen 61 bzw. 62 vorgesehen, die in eine gemeinsame, in die Entleerungsleitung 26 öffnende Leckageleitung 63 münden.
• Das gesteuerte Mischventil 49 wird durch einen durch zwei Temperaturmessungen gesteuerten Regler 56 beaufschlagt, wobei eine Temperaturmessung in dem Bulbus 54 und eine Temperaturmessung 57 in dem Reaktor 19 (20-21-22) erfolgt und alldies derart geschieht, daß die Temperatur auf dem Niveau des Bulbus 54 so nahe wie möglich bei und bestenfalls identisch zu der als Solltemperatur 57 dienenden Temperatur 57 in dem Reaktor ist.
• Der gesteuerte Druckminderer 51 in der Leitung 50 wird durch ein bei 59 übermitteltes Signal eines in Abhängigkeit von dem in dem Bulbus 54 und in dem Reaktor bei 58 gemessenen Druckunterschied arbeitenden Regler 68 gesteuert, um den zwischen dem Bulbus 54 und bei 58 in dem Reaktor herrschenden Druckunterschied zu reduzieren oder zu beseitigen.
• Die vorangehend beschriebene Vorrichtung arbeitet auf die folgende Art und Weise:
• - in einer ersten Phase sucht man eine Kohlendioxidgas- Strömung, deren Stärke progressiv zunimmt und deren Gesamtmenge genau festgelegt ist, in einen Reaktor, beispielsweise den Reaktor 19, einzuleiten. Hierzu wird in einem ersten Zeitraum das Flüssigkeits-Entleerungsventil 24 des betrachteten Reaktors geschlossen, das Ventil 16 zur Durchflußmengensteuerung vollständig geöffnet und, nach einigen Sekunden, das Flüssigkeits- Entleerungsventil 24 geöffnet, bis ein ununterbrochenes Strömen von Flüssigkeit während eines Zeitraums von etwa 10 Sekunden erfaßt wird; hiernach wird das gesteuerte Ventil 16 auf einen geringen Öffnungsgrad (etwa 5%) voreingestellt, das Flüssigkeits-Entleerungsventil 4 geschlossen und das Reaktorventil 18 geöffnet. Ein (nicht gezeigter) Regler gewährleistet die fortschreitende Öffnung des Ventils bis zu einer maximal gewünschten Durchflußmenge, und dies bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die durch den Zähler 15 aufsummierte geförderte Flüssigkeitsmenge der in den Reaktor einzuleitenden Flüssigkeitsmenge entspricht. Ist dieser Wert erreicht, werden das Flüssigkeits-Einlaßventil 18 geschlossen und das Entleerungsventil 64 sowie das Durchflußmengen-Steuerventil 16 geöffnet.
• Auf diese dosierte, als Expansionsmittel wirkende Zufuhr flüssigen Kohlendioxids folgt die Zufuhr einer gasförmigen Kohlendioxid-Strömung mit einer sehr genauen Temperatur und unter einem sehr genauen Druck. Diese Zufuhr erfolgt auf die folgende Art und Weise: der Regler 56 gewährleistet eine mittlere Öffnungsstellung des Mischventils 49. Der Druckregler gewährleistet, daß das Druckregelventil 51 geschlossen wird. Nach einem Zeitraum von etwa 2 Sekunden wird das Ventil 67 zur Gasentleerung geöffnet. Sind diese vorbereitenden Maßnahmen abgeschlossen, erfolgt eine Druckregelung entsprechend einem durch den Regler 68 vorgegebenen Sollpunkt, der einem Druckunterschied "Null" zwischen dem bei 58 im Inneren des Reaktors 19 (20-21- 22) herrschenden Druck und dem Druck der Gas-Verteilerleitung 54 entspricht; diese Druckregelung wird bis zum Ende des Gas- Verteilungszyklus beibehalten. Während dieser Phase bleibt das Entleerungsventil 67 geöffnet, wonach die Temperaturregelung durchgeführt und hierbei sichergestellt wird, daß der Regler 56 das Mischventil 49 derart steuert, daß sich ein Temperaturunterschied von Null zwischen dem Meßpunkt 54 in der Verteilerleitung 52 und dem Meßpunkt 57 in dem Reaktor einstellt. Sodann wird das Entleerungsventil 67 geschlossen und das Ventil 53 des Reaktors während der Dauer der Entleerung des Reaktors geöffnet.
• Daraufhin wird das Gasventil 53 des Reaktors geschlossen, das Entleerungsventil 67 geöffnet und zeitgleich das Druckregelventil 51 geschlossen sowie das Mischventil 49 in die Mittenstellung zurückgeführt.
• Wie vorstehend beschrieben, findet die Erfindung an erster Stelle Anwendung bei Reaktoren, welche gasförmiges Kohlendioxid mit sehr genauer Temperatur und unter sehr genauem Druck verwenden; sie könnte jedoch ebenfalls in Zusammenhang mit der Zufuhr eines beliebigen anderen Gases unter den vorstehend genannten Bedingungen Anwendung finden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erzeugung einer auf eine erhöhte Betriebstemperatur erwärmten Gasströmung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zuvor auf eine Temperatur weit unterhalb der Betriebstemperatur erwärmte (34) Gasströmung (31) in zwei Elementarströme (41-42) unterteilt wird, die sodann einzeln auf höhere Temperaturen (43-44) gebracht werden, deren eine größer ist als die Betriebstemperatur und deren andere kleiner ist als die Betriebstemperatur, daß jeder der infolgedessen unterschiedlich erwärmten Strome in ein thermisch isoliertes Puffervolumen (45-46) geleitet wird, und daß aus den Volumina zwei elementare Gasströmungen (47-48) entnommen werden, die dann mittels eines Mischventils (49), dessen Mischereinstellung durch ein der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur des erzeugten Gases (54) und einem Sollwert (57) entsprechendes Korrektursignal gesteuert wird, in einem gesteuerten Verhältnis wieder zusammengeführt werden, um die auf die Betriebstemperatur erwärmte Gasströmung zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur (57) die in einem Anwendungsreaktor (19-20-21- 22) herrschende Temperatur ist, mit der die Temperatur des Betriebsgases (54) in unmittelbarer Nähe des Reaktors (19-20-21- 22) verglichen wird, um ein auf das Mischventil (49) einwirkendes Differenz-Korrektursignal zu bilden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die auf die Betriebstemperatur erwärmte Gasströmung außerdem unter einem Betriebsdruck erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (50) auf einen Druck größer als der Betriebsdruck gebracht wird, und daß eine gesteuerte, von einem der Differenz zwischen dem tatsächlichen Druck des entspannten Gases (54) und einem Solldruck (58) entsprechenden Signal abhängige Entspannung (51) herbeigeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromab jedes Puffervolumens (45-46) eine die thermischen Verluste ausgleichende Leckströmung (61-62) erzeugt wird.

5. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Schaum unter Verwendung einer kohlensauren Gasströmung in flüssigem Zustand als Expansionsmittel und einer kohlensauren Gasströmung in gasförmigem Zustand als Treibmittel bei einer Betriebstemperatur, die sehr nahe bei der Reaktortemperatur am Ende des Expansionsvorgangs liegt, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem Speicherbehälter (1) entnommene Gesamtströmung flüssigen kohlensauren Gases komprimiert wird, daß diese Strömung (12) in einer ersten Betriebsphase zuerst und vorwiegend als flüssige Expansionsgasströmung (13) mit zunehmendem Betrag, dann in einer zweiten Betriebsphase, im Verlauf derer das unter Druck stehende flüssige kohlensaure Gas teilweise verdampft und erwärmt (34) wird, als Treibgas (31) verwendet wird, wonach die teilweise erwärmte Gasströmung in zwei Elementarströme (41-42) unterteilt wird, die einzeln auf höhere Temperaturen (43-44) gebracht werden, deren eine größer ist als die Betriebstemperatur und deren andere kleiner ist als die Betriebstemperatur, daß jeder der infolgedessen einzeln erwärmten Ströme (41-42) in ein thermisch isoliertes Puffervolumen (45-46) geleitet wird, und daß aus den Volumina zwei elementare Gasströmungen (47-48) entnommen werden, die dann mittels eines Mischventils (49), dessen Mischereinstellung durch ein der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur des erzeugten Gases (54) und einem Sollwert (57) entsprechendes Korrektursignal gesteuert wird, in einem gesteuerten Verhältnis wieder zusammengeführt werden, um die Gasströmung mit der Betriebstemperatur zu bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur (57) die in einem Reaktor (19-20-21-22) zur Herstellung expandierten Schaums herrschende Temperatur ist, mit der die Temperatur des Betriebsgases (54) in unmittelbarer Nähe des Reaktors (19-20-21-22) verglichen wird, um ein auf das Mischventil (49) einwirkendes Korrektur-Differenzsignal zu bilden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem die auf die Betriebstemperatur erwärmte Gasströmung außerdem unter einem Betriebsdruck erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (50) auf einen Druck größer als der Betriebsdruck gebracht wird, und daß eine gesteuerte Entspannung (51) dieses Gases stromab des gesteuerten Mischventils herbeigeführt wird, wobei die Entspannung (51) von einem in dem Reaktor herrschenden Solldruck (58) abhängig ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß stromab jedes Puffervolumens (45-46) ein die thermischen Verluste ausgleichender Leckstrom (61-62) erzeugt wird.

9. Vorrichtung zur Erzeugung einer auf Betriebstemperatur erwärmten Gasströmung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen Gasspeicherbehälter (1), ein Mittel (34-43-44) zum Erwärmen einer Gasströmung, welches einem von einem die tatsächliche Temperatur des erzeugten Gases (54) und eine Solltemperatur (57) vergleichenden Vergleicher (56) abhängigen Temperatursteuermittel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung stromab des Behälters (1) ein erstes Mittel (34) zum Erwärmen des Gases auf eine Temperatur weit unterhalb der Betriebstemperatur und zwei am Ausgang des ersten Heizmittels (34) parallel angeordnete Gaskreise (41-42), deren jeder ein zusätzliches Heizmittel (43-44) mit jeweils unterschiedlichen Heizleistungen sowie ein thermisch isoliertes Puffervolumen (45-46) enthält, umfaßt, wobei die Kreise (41-42) in ein gesteuertes Mischventil (49) münden, dessen Ausgang mit einer Gasverteilerleitung (50) verbunden ist, und wobei das Steuermittel (56) auf die Steuerstellung des Mischventils (49) einwirkt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Entspannung (51) stromab des gesteuerten Mischventils (49), welches einem von einem den Druck des entspannten Gases (54) und einen Sollwert (58) vergleichenden Vergleicher abhängigen Drucksteuermittel (59) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine zwischen jedem Puffervolumen (45-46) und dem Speicherbehälter (1) verzweigte Leckleitung (61-62).

12. Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen aus expandiertem Schaum nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend einen Expansionsreaktor (19-20-21-22), einen Behälter (1) für in flüssigem Zustand gehaltenes kohlensaures Gas, ein Mittel zum Pumpen (8-9) flüssigen Gases unter Druck zu einem Verteilermittel für flussiges kohlensaures Gas in dem Reaktor (19-20-21-22), und Verteilermittel für warmes gasförmiges kohlensaures Gas in den Reaktor (19-20-21-22), enthaltend einen Verdampfer-Erwärmer (34), gekennzeichnet durch zwei parallel zu dem Ausgang des Verdampfer-Erwärmers (43-44) angeordnete Gaskreise (41-42), deren jeder ein zusätzliches Heizmittel (43-44) mit jeweils unterschiedlichen Heizleistungen sowie ein thermisch isoliertes Puffervolumen (45-46) enthält, ein gesteuertes Mischventil (49), dessen Eingänge mit den jeweiligen Ausgängen der Puffervolumina (45-46) verbunden sind, und dessen Ausgang mit einer Gasverteilerleitung (50) verbunden ist, und ein Steuermittel (56), welches auf das Mischventil (49) einwirkt und von einem Vergleicher für die tatsächliche Temperatur des an dem Reaktor ankommenden erzeugten Gases (54) und der Eigentemperatur des Reaktors (58) abhangig ist.