DE69418983T2

DE69418983T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgabe von Gasmengen unter Druck

Info

Publication number: DE69418983T2
Application number: DE69418983T
Authority: DE
Inventors: Olivier Benrubi; Dominique Thomas
Original assignee: SEVA CHALON SUR SAONE
Current assignee: SEVA CHALON SUR SAONE
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2014-12-15
Also published as: FR2714460A1; FR2714460B1; ATE181153T1; DE69418983D1; EP0660091B1; US5742523A; ES2134328T3; EP0660091A1; JP2971002B2; JPH085437A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgabe einer Gasmasse von nahe einem vorbestimmten Wert m unter einem Druck, der mindestens gleich einem vorbestimmten Verwendungsdruck PO ist, in eine Leitung.
Sie ist beispielsweise auf die Einspritzung von kleinen Stickstoffmengen in einen unter Druck stehenden Mischer anwendbar, der mit einem viskosen Produkt wie einem Polymer versorgt wird.
Zur automatischen Dosierung von geringen Gasmengen, typischerweise von etwa einem Normomilliliter, die unter einem hohen Druck von beispielsweise über etwa 250 bar stehen, ist es bekannt, Massendurchflußmesser zu verwenden.
Das Prinzip eines solchen Massendurchflußmessers besteht darin, daß an eine Gasströmungs-Hauptleitung ein Shunt angeschlossen wird, der beispielsweise 10% des Gases entnimmt. Man nimmt die Temperatur des Gases am Eintritt des Shunts auf, führt dann dem Gas im Shunt durch Joule-Effekt eine bekannte Wärmemenge zu und mißt schließlich die Temperatur des Gases am Austritt des Shunts. Wenn man die thermische Kapazität des Gases kennt, kann man die in die Leitung ausgestoßene Gasmasse errechnen.
Für die Messung von Gasmassen, deren Druck weit über 100 bar liegt, sind wenig handelsübliche Einrichtungen verwendbar, und diese Einrichtungen sind kostspielig.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die auf wirtschaftliche Weise die Abgabe von kleinen Gasmengen gestatten, die unter hohen Drücken ausgestoßen werden, die höher als ein vorbestimmter Verwendungsdruck sind und weit über 100 bar liegen.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Gaseinspritzung in eine Kapazität mit einem bekannten Volumen VO, das viel größer als das der Masse m entsprechende Volumen ist, bis zum Erreichen eines vorbestimmten hohen Anfangsdrucks P1, der deutlich höher als der Verwendungsdruck PO ist,
- Schließung der Kapazität,
- Messung der Temperatur T des Gases im Inneren der Kapazität,
- Speicherung der Temperatur T,
- Errechnung eines mittleren Enddrucks P2, der deutlich höher als der Druck PO ist, mit Hilfe der Formel
in der R die Idealgaskonstante ist, und
- Ausstoßung eines Teils des Gases in die Leitung durch Öffnung der Kapazität, bis der Druck des in der Kapazität enthaltenen Gases den Wert P2 erreicht,
- wobei die in die Kapazität eingespritzten Gase auf einer ungefähr konstanten Temperatur T gehalten werden.
Bei einer Ausführungsform speichert man nach der Einspritzung den tatsächlich erreichten hohen Anfangsdruck P'1, speichert man nach Beendigung der Ausstoßung den Wert P'2 des tatsächlich erreichten mittleren Enddrucks und errechnet die tatsächlich ausgestoßene Gasmasse M mit der folgenden Formel:
Das erfindungsgemäße Verfahren kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale besitzen:
- man verwendet eine Kapazität, die einen Wärmetauscher mit der Umgebung bildet,
- man ordnet der Kapazität eine äußere Wärmequelle zu.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist: eine Kapazität mit einem bekannten Volumen VO, das viel größer als das der Masse m entsprechende Volumen ist, mit einem Eintrittsventil und einem Austrittsventil, Einrichtungen zum Einspritzen des Gases in die Kapazität bis zu dem Druck P1, Einrichtungen zum Messen der Temperatur T und des Drucks des in der Kapazität enthaltenen Gases, Einrichtungen zur Speicherung der Temperatur T und des Drucks des Gases und zur Errechnung des Drucks P2 durch die Formel
und Einrichtungen zum Öffnen des Austrittsventils, bis der Druck des in der Kapazität enthaltenen Gases den Wert P2 erreicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
- der Kapazität ist eine äußere Wärmequelle zugeordnet,
- die Kapazität besitzt Einrichtungen zum Ändern ihres Volumens VO,
- die Kapazität weist einen quaderförmigen Block auf, der axial mit einer Sackbohrung versehen ist, die mit einem Spiel einen austauschbaren Finger aufnimmt,
- ein Mikrodrosselventil ist hinter dem Austrittsventil angeordnet, um die Ausstoßgeschwindigkeit des Gases zu steuern, und
- die Kapazität besitzt ein Auslaßventil.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In dieser Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, an die eingangsseitig eine Hochdruckgasquelle und ausgangsseitig ein Verbrauchsgerät für die ausgestoßene Gasmasse angeschlossen sind, und
- Fig. 2 eine Ausführungsform der Kapazität der Vorrichtung von Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Dosiervorrichtung 1 ist eingangsseitig an eine Flasche 2 angeschlossen, die beispielsweise Stickstoff enthält, und zwar über einen hydropneumatischen Kompressor 3 und eine Leitung 4. Ausgangsseitig ist die Dosiervorrichtung 1 über eine Leitung 6 mit einem Mikrodrosselventil 5 verbunden, um eine Gasmasse, die einer vorbestimmten Masse m nahekommt, einem Verbrauchsgerät 7, beispielsweise einem Stickstoff/Polymer-Mischer, unter einem Druck zu liefern, der mindestens gleich einem vorbestimmten Verwendungsdruck PO ist.
Die Dosiervorrichtung 1 besitzt eine Kapazität 8, an die ein Druckfühler 9 und ein Temperaturfühler 10 für den Druck bzw. die Temperatur des Gases, ein eingangsseitiges Absperrmagnetventil 11, ein ausgangsseitiges Absperrmagnetventil 12, ein in einer Ablaßleitung 14 angeordnetes Ablaßventil 13 sowie Speicher-, Rechen- und Steuereinrichtungen 15 angeschlossen sind. Diese Einrichtungen 15 sind an die beiden Magnetventile 11 und 12 sowie an die Druck- und Temperaturfühler 9 und 10 angeschlossen.
Die Strömungsrichtung der Gase ist mit zwei Pfeilen F von der Flasche 2 zur Vorrichtung 1 und von dieser zum Gerät 7 dargestellt. Die Dosiervorrichtung 1 ist zu diesem Zweck mit Rückschlagventilen 16 bis 18 am Eintritt bzw. am Austritt des Kompressors 3 und hinter dem Ventil 5 versehen, die verhindern, daß das Gas in den Leitungen 4 und 6 in einer der Richtung der Pfeile F entgegengesetzten Richtung strömen. Sie weist ferner ein Rückschlagventil 19 auf, das hinter dem Ventil 13 in der Leitung 14 angeordnet ist und verhindert, daß äußere Verunreinigungen über das Auslaßventil 13 in die Kapazität 8 gelangen.
Eine Ausführungsform der Kapazität 8 wird nun anhand von Fig. 2 beschrieben. Diese Kapazität besteht aus einem quaderförmigen Metallblock 20 mit dicken Wänden zum Zweck der thermischen Homogenisierung. Dieser Block ist axial mit einer Sackbohrung 21 versehen, die an einer seiner Stirnseiten 22 ausmündet und mit einem Spiel ein handschuhfingerförmiges abnehmbares Element 23 aufnimmt, das einen Kopf 24 trägt. Dieser Kopf 24 ist breiter als der Durchmesser der Bohrung 21 und kommt an der Seite 22 zum Anschlag. Diese Auflage wird durch eine Dichtung 25 abgedichtet, die in eine Nut eingesetzt ist, die in der an der Seite 22 des Blocks 20 anliegenden Seite des Kopfs 24 ausgearbeitet ist. In dem Finger 23 ist axial ein Thermoelement 26 eingeführt. Die Leitungen 4 und 6 mit den Ventilen 11 und 12 münden in Nähe der beiden Enden der Bohrung 21 aus, indem sie die Seitenwand des Blocks 20 durchqueren, während die Ablaßleitung 14 zwischen den beiden Leitungen 4 und 6 in die Bohrung 21 mündet. Das Volumen VO der Kapazität 8 wird durch die Länge und den Durchmesser des in die Bohrung 21 eintretenden Fingers 23 festgelegt. Es kann verändert werden, indem der Finger 23 durch einen anderen Finger mit anderen Abmessungen ersetzt wird.
Nun wird die Arbeitsweise der Dosiervorrichtung 1 anhand von Fig. 1 beschrieben.
Die Kapazität 8 hat ein Volumen VO, das viel größer als das Volumen der Gasmasse m unter dem Druck PO ist. So kann man zur Abgabe eines Normomilliliters unter mindestens 250 bar (PO) VO = 7,5 cm³ wählen.
Zu Beginn steht die Kapazität 8 unter einem Druck P2, der deutlich höher, und zwar um etwa 20 bar, als der Druck PO ist, und die Ventile 11 und 12 sind durch die Einrichtungen 15 geschlossen. Die Stickstoffflasche 2, die das Gas unter einem Druck von 20 bar enthält, gibt dieses Gas an den hydropneumatischen Kompressor 3 ab, der seinerseits Stickstoff unter einem vorbestimmten Anfangsdruck P1 von etwa 300 bar an die Leitung 4 abgibt.
Dieser vorbestimmte hohe Anfangsdruck P1 wird in den Einrichtungen 15 gespeichert. Er ist deutlich höher, und zwar um etwa 50 bar, als der Verwendungsdruck P0 des Gases für seine Verwendung durch das Verbrauchsgerät 7 und ist so gewählt, daß die Kapazität 8 bei diesem Druck eine Gasmenge enthält, die viel größer als m ist.
Zum Anlaufen eines Arbeitszyklus öffnen die Einrichtungen 15 das Ventil 11, wobei das Ventil 12 geschlossen bleibt. Der Stickstoff füllt nun die Kapazität 8, bis der Druck P1 erreicht wird, und dann wird das Ventil 11 wieder geschlossen.
Es ist zu bemerken, daß bei dieser Einspritzung des Stickstoffs in die Kapazität 8 eine Entspannung des Gases stattfindet. Diese Entspannung findet jedoch bei einer Temperatur T statt, die dank des Aufbaus der Kapazität 8 praktisch konstant ist, die einen Wärmetauscher mit der Umgebung bildet (Fig. 2), und ferner auch aus dem Grund, daß das pro Zyklus ausgestoßene Gasvolumen einen sehr kleinen Teil des Volumens VO der Kapazität darstellt.
In Abhängigkeit von der über das Ventil 12 aus der Kapazität 8 auszustoßenden Stickstoffmasse m errechnen die Einrichtungen 15 den Enddruck P2, der in der Kapazität 8 nach Ausstoß herzustellen ist, durch die Gleichung
in der R die Idealgaskonstante ist.
Das Gas wird nun ausgestoßen, indem das Ventil 12 durch die Einrichtungen 15 geöffnet wird. Der Druck im Inneren der Kapazität 8 wird nun kontinuierlich gemessen, und das Ventil 12 wird wieder geschlossen, wenn dieser Druck den Wert P2 erreicht.
Bei dem Ausstoß des Stickstoffs wird die Geschwindigkeit des Gases in der Leitung 6 durch das Mikrodrosselventil 5 gesteuert. Dieses Ventil 5 ist auch zweckmäßig, um die Zeit des Ausstoßes der Gase einzustellen, damit die Reaktionszeiten der Meßgeräte 9 und 10 sowie die technologischen Betätigungszeiten des Ventils 12 mit dieser Ausstoßzeit kompatibel sind.
Der Wert M der tatsächlich ausgestoßenen Masse wird durch die Einrichtungen 15 wiederberechnet, indem der tatsächlich erreichte hohe Anfangsdruck P'1 sowie der in der Kapazität 8 nach Ausstoß tatsächlich erreichte Wert P'2 des Drucks P2 gespeichert werden. Die von den Einrichtungen 15 verwendete Rechenformel lautet:
Das Ablaßventil 13 gestattet die Entleerung der Kapazität 8, wenn die Vorrichtung 1 nicht verwendet wird, um zu vermeiden, daß der Stickstoff ungewollt infolge einer schlechten Abdichtung des Ventils 12, wenn dieses geschlossen ist, in die ausgangsseitige Vorrichtung eindringt.

Claims

1. Verfahren zur Abgabe einer Gasmasse von nahe einem vorbestimmten Wert m unter einem Druck, der mindestens gleich einem vorbestimmten, weit über 100 bar liegenden Verwendungsdruck PO ist, in eine Leitung (6), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Gaseinspritzung in eine Kapazität (8) mit einem bekannten Volumen VO, das viel größer als das der Masse m entsprechende Volumen ist, bis zum Erreichen eines vorbestimmten hohen Anfangsdrucks P1, der deutlich höher als der Verwendungsdruck PO ist,

- Schließung der Kapazität,

- Messung der Temperatur T des Gases im Inneren der Kapazität (8),

- Speicherung der Temperatur T,

- Errechnung eines mittleren Enddrucks P2, der deutlich höher als der Druck PO ist, mit Hilfe der Formel

in der R die Idealgaskonstante ist, und

- Ausstoßung eines Teils des Gases in die Leitung (6) durch Öffnung der Kapazität (8), bis der Druck des in der Kapazität (8) enthaltenen Gases den Wert P2 erreicht,

- wobei die in die Kapazität (8) eingespritzten Gase auf einer ungefähr konstanten Temperatur T gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Kapazität (8) verwendet, die einen Wärmetauscher mit der Umgebung bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazität (8) eine äußere Wärmequelle zugeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der Einspritzung den tatsächlich erreichten hohen Anfangsdruck P'1 speichert, nach Beendigung der Ausstoßung den Wert P'2 des tatsächlich erreichten mittleren Enddrucks speichert und die tatsächlich ausgestoßene Gasmasse M mit der folgenden Formel errechnet:

5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist: eine Kapazität (8) mit einem bekannten Volumen VO, das viel größer als das der Masse m entsprechende Volumen ist, mit einem Eintrittsventil (11) und einem Austrittsventil (12), Einrichtungen (2, 3, 4, 11) zum Einspritzen des Gases in die Kapazität (8) bis zu dem Druck P1, Einrichtungen (9, 10) zum Messen der Temperatur T und des Drucks des in der Kapazität (8) enthaltenen Gases, Einrichtungen (15) zur Speicherung der Temperatur T und des Drucks des Gases und zur Errechnung des Drucks P2 durch die Formel

und Einrichtungen zum Öffnen des Austrittsventils (12), bis der Druck des in der Kapazität (8) enthaltenen Gases den Wert P2 erreicht, wobei die Kapazität (8) einen Wärmetauscher mit der Umgebung bildet, damit die in die Kapazität (8) eingespritzten Gase auf einer ungefähr konstanten Temperatur gehalten werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazität (8) eine äußere Wärmequelle zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (8) Einrichtungen (23) zum Ändern ihres Volumens (VO) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (8) einen quaderförmigen Block (20) aufweist, der axial mit einer Sackbohrung (21) versehen ist, die mit einem Spiel einen austauschbaren Finger (23) aufnimmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrodrosselventil (5) zum Steuern der Ausstoßgeschwindigkeit des Gases hinter dem Austrittsventil (12) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (8) ein Ablaßventil (13) aufweist.