EP0629175B1 - Behandlung der benzindämpfe auf tankstellen - Google Patents

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EP0629175B1
EP0629175B1 EP93903833A EP93903833A EP0629175B1 EP 0629175 B1 EP0629175 B1 EP 0629175B1 EP 93903833 A EP93903833 A EP 93903833A EP 93903833 A EP93903833 A EP 93903833A EP 0629175 B1 EP0629175 B1 EP 0629175B1
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EP
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pressure
tank
volume
gas
measurement
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Fritz Curtius
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Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 31 for carrying out the method.
  • the measuring device with pressure sensors (see. 51, 73, 81, 95 and page 13, line 2, 3.. As soon as a preselected pressure is determined, ..) is constructed so that each sensor in the sense of a function provides a pressure-controlled alarm (PA pressure alarm), from which the previous pressure value can be recognized, but from which a direct change in the treatment of the gas volume is triggered.
  • PA pressure alarm pressure-controlled alarm
  • the measuring device is not suitable for measuring a pressure curve or a pressure display / control (PIC - pressure-indicating-controlling), or perform a pressure display / recording (PIR). Only one operating point can be identified for each pressure sensor, and when the operating point is reached, the relay (51) changes the operating conditions at the measuring point for the other pressure sensors (73, 81, 95), so that the pressure values of the individual pressure sensors cannot be compared with one another.
  • the invention is based on the task of monitoring the return of the correct amount of gas from the car tank to the underground tank and the excess vapors which occur during the refilling processes and during re-evaporation in the various operating states of a petrol station result in tank operation, to be recorded and discharged from the tank system via a defined opening.
  • this object is achieved by the method according to claim 1 or the device according to claim 31. Further refinements of the method and the device are given in subclaims 2 to 30 and 32 to 35.
  • DE-A-40 00 165 (cf. there in particular also page 5, lines 45 to 47) and from US-A-4 009 985 (cf. there 51, 73, 81, 95) for decanting gasoline-like Liquids are known to measure a pressure value and use pressure-controlled relays to treat the excess vapors; wherein in the prior art according to DE-A-40 00 165 on the at each pressure nozzle ⁇ p measured individual gas nozzle, the density of the gas (see there page 3 equation (2)) is calculated and according to the prior art according to US-A-4 009 985 reaching a certain pressure by triggering one or more pressure switches (51, 73, 81, 95) is recognizable.
  • a combination of the different measuring techniques for a central pressure measurement, PIC and / or PIR, and at one point in the underground tank for carrying out the method and for forming the device according to claim 31 was not suggested.
  • the object of the invention is to centrally monitor the individual tank processes with gas recirculation and the formation of excess vapors in the underground tank via a measuring point.
  • this object is achieved by the method according to claim 1 or the device according to claim 31.
  • the upper curve with the highest vapor pressure belongs to a winter fuel.
  • the mean vapor pressure curve corresponds to summer gasoline.
  • the lower vapor pressure curve belongs to a gasoline, from which the low boilers are partially evaporated. It is the remaining gasoline in the empty car tank.
  • Fig. 3 is a schematic representation of the function of a gas station, including refueling with gas recirculation (stage 2) and gasoline delivery with gas swing (level 1). 3 the device for carrying out the measurements is entered schematically.
  • the tank system consists of the underground tank 11 with the ventilation line 14, which is optionally closed with a so-called pressure vacuum valve 15 as a safety valve.
  • the tank 11 is partially filled with gasoline.
  • the free space with the gasoline vapor / air mixture is located above the liquid level 13.
  • the connecting lines for the petrol delivery and the petrol withdrawal are supplied via the dome shaft, not shown.
  • the gasoline is withdrawn via the gasoline pump 5 in the liquid line 4, which ends with the fuel nozzle, not shown.
  • the amount of gasoline is measured in the petrol pump and written down on the gasoline meter 6 as a (FIR) flow indicator.
  • the line 3 for gas recirculation begins at the fuel nozzle and ends in the collecting line 7, which is usually laid underground.
  • a gas pump 8 generates a negative pressure in the gas return line 3 when refueling, so that the gas mixture can be sucked out of the car tank.
  • the pressure drop in line 3 and thus the delivery capacity of pump 8 can be set via a throttle valve 9.
  • Several fueling points can be connected to the gasoline line 3 and the collecting line 7.
  • the nozzle 16 shows the possibility of connecting several underground tanks.
  • the underground tank 11 has 3 further closable connections, the connection 17 for the gas-tight holding of the measuring rod and the 2 pipe connections with the removable covers for the temporary connection of the pipes for gasoline unloading with gas oscillation.
  • a control valve 18 is installed in the collecting line 7, by means of which the returned gas quantity (volume rate) can be regulated.
  • the pressure in the free space of the underground tank 11 is measured as a pressure display control (PIC) 19, for example in the ventilation line 14. The pressure measurement and control will be described later in connection with the individual operating states.
  • PIC pressure display control
  • the line 20 on the detachable connection between the tank 10 and the line 3 symbolizes the gas exchange in the area of the tank nozzle 21 with the environment.
  • a pump 8 is installed in line 3 to generate a negative pressure. In this case, not enough extracted gas can escape via line 20, and fresh air can also be drawn in additionally.
  • passive systems characterized by the index (p)
  • a seal is to be created between the line 3 and the tank neck 21 by means of a sealing collar (not shown) in order to displace the gas portion from the tank 10 into the underground tank 11 when filling with gasoline .
  • the tank 12 of the tank truck (Tkw) is connected to the underground tank 11 via the line 22 for liquid and the line 23 for the gas-containing air.
  • the tank 12 is normally designed as a case tank and is only suitable for operation at atmospheric pressure.
  • the pressure safety device 24 ensures that any overpressures or underpressures that occur are compensated for with the surroundings without damage to the tank.
  • the connections to the surroundings, in the fuel nozzle and the nozzles in the cathedral shaft are closed.
  • the method according to the prior art only allows an assessment over the short period of time of a refueling operation, that is to say a total of about 5% of the total time.
  • this operating state is called refueling with gas recirculation as stage 2.
  • the delivery of gasoline with gas recirculation in the tanker truck is referred to as level 1 and takes about 1/10 of level 2, i.e. 0.5%.
  • the operating conditions at a petrol station in the remaining part of a 24-hour day are referred to below as level 0.
  • level 0. As was determined in the measurements in Fig. 1, is subject to a tank system during this period considerable pressure fluctuations, which can lead to harmful environmental effects.
  • the gasoline vapors from the vehicle contain namely at 80% saturation and 40 ° C and 5 vol. % Benzene in the remaining gasoline approx. 30 g benzene / m3.
  • the permissible TRK value (technical standard concentration) for the carcinogenic benzene is only 15 mg / m3.
  • the vapors In typical summer conditions, with the same saturation and 20 ° C, the vapors contain 700 g / m3 of petrol.
  • the permissible MAK value maximum. Workplace conc.
  • For the vapors of the petrol components is 0.3 - 2 g / m3 for n-paraffins. In addition to this direct danger to humans, these vapors contribute greatly to the formation of smog and ozone.
  • stage 2 The increasing introduction of the catalyst has the consequence that the gasoline in the cycle of a tank filling is increasingly depleted of low boilers by pumping over the injection pump. So today there are significantly more air components and less gasoline vapors in the empty tank than in the past with the now outdated technology. The basis for the theoretical basis has already been withdrawn from the evaluation of emissions during refueling according to the state of the art (No. 104 08 504). In addition, the introduction of stage 2 will mean that the spread of catalytic converters in the affected regions will have progressed.
  • the mass transfer processes during the refueling process and their influence on the volume in the individual tank chambers 10 and 11 are therefore subject to the laws of the general gas equation and the law according to DALTON. According to the idea of the invention, it should therefore be determined which space or volume the inerts from the tank 10 occupy above the gasoline mixture from the tank 11.
  • V (2) V (1) ⁇ p (i1) / p (i2) ⁇ T (i2) / T (i1) ;
  • T1 is the temperature in tank 1 in Kelvin, T2 is the temperature in tank 2.
  • the partial pressures p (i1) and p (i2) are the pressures of the inerts in tank 1 and tank 2.
  • the volume V1 corresponds to the tanked liquid volume when filling the tank 1.
  • Equation (2) shows that if the partial pressures of the gasoline change, the partial pressures of the inert p (i) will change accordingly.
  • the total pressure p (g) remains constant under the usual operating conditions, namely approx. 1 bar to 1 atm depending on the location of the tank system and the current weather conditions.
  • the operational evaporation of the low boilers in the tank 10 results in an increased partial pressure p (i) of the inerts.
  • equation (1) and for stage 2 there is an increase in volume in the gas recirculation.
  • the calculation method according to the invention thus has the advantage over the empirical method that the possible environmental impact during the refueling of modern vehicles according to stage 2 can be determined mathematically as a result of the increase in volume.
  • the metrological determination of the ideal fueling process with 100% gas recirculation (volume rate) by pressure measurement has the advantage that each gas recirculation of any refueling can be clearly defined.
  • the excess gas volume will escape at the tank neck of the car, as is also the case without gas recirculation.
  • an inadequate emission reduction would be determined with a test method according to the prior art under these conditions, which are ideal for gas recirculation.
  • the returned small gas volume enters the large free space of the tank 11 of a few cbm (m3).
  • the saturation takes place very slowly.
  • the saturation is determined as a pressure increase in the closed system of stage 0 as part of the pressure measurement.
  • the excess volume that forms in the course of stage 2 arises from the change in the composition of the fuel and the increase in the vapor pressure when fresh fuel is fed into the tank 10. This vaporizes spontaneously low boilers and cause the volume to increase. While a calculation of the excess volume is not possible according to the state of the art according to 104 08 508, the volume development can be calculated according to equation (1).
  • the partial pressures in tank 11 can be determined with knowledge of the Benz composition, but in tank 10 they depend on the past driving mode.
  • a simple way to determine the condition in tank 10 is a gas analysis, especially by determining oxygen (O2).
  • the oxygen content can be determined within seconds using the Dräger analysis tubes. Due to the oxygen content, the corresponding air content is also known. This proportion of air can be converted into volume% or weight% and in m (i) as kg / m3.
  • the partial pressure of the inerts in the tank chambers 10 and 11 can be calculated via an oxygen measurement.
  • R (i), the gas constant of air, and T (i) are both known.
  • R (i) the gas constant of air
  • T (i) the gas constant of air
  • the composition of the gasoline in the tank 10 changes, associated with a considerable increase in the partial pressure due to the low boilers supplied in the fuel.
  • the calculated volume increase due to the increase in partial pressure relates to the total gas volume that was present in tank 10 before the tank started.
  • stage 1 For delivery and decanting with gas oscillation (level 1) it is important that at the end of level 0 there is no excess pressure in the floor tank. When checking the fill level or opening the flange cover, the tank atmosphere would blow out. At least at this point in time the pressure equalization must already have taken place.
  • stage 1 The refilling process of stage 1 is subject to the same physical laws and process data as stage 2, with the difference that the delivery tank is largely emptied and the large volume of the returned gas decisively determines the conditions in the delivery tank.
  • stage 1 it is the object of the invention to avoid these disadvantages for the operation of stage 1, to restore the operating state in the filled tank for the usual storage conditions of stage 0 and to take into account the volume changes resulting during a transfer operation.
  • the government assumed that the same physical conditions exist in the residual gasoline and in the atmosphere above as in the storage tank of the truck.
  • the temperature in the underground tank is relatively even and only slowly follows the fluctuations over the course of a day.
  • the temperature of the fresh fuel is determined by the external conditions.
  • the temperature can be up to 20 ° C higher than that in the underground tank. This also applies to the unloading of residual amounts after intense sun exposure on warm days. It can be seen from the vapor pressure curves in FIG. 2 that the vapor pressure doubles at a temperature gradient of 20.degree.
  • the method prescribed in accordance with the above regulation therefore has the disadvantage that it does not take into account the actual operating conditions and thus does not take into account the harmful additional environmental effects.
  • the worst case is the first delivery of winter fuel on a warm autumn afternoon.
  • index 1 for the tank to be filled
  • index 2 for the delivery tank. Since the possible excess vapors can be particularly harmful to the operating personnel in the event of contact, the possible volume and pressure development in the course of stage 1 is also explained in more detail.
  • the partial pressures of the gasoline mixtures are assumed to be known for the fresh fuel and the refilling process of stage 1.
  • DALTON applies the composition of the partial pressures in a closed system or constant volume.
  • p g2 p i2 + p d2 ;
  • the volume and pressure can be equalized with the surroundings.
  • the renewed risk to individual groups of people in the gas stations with gas exchange is thereby reduced.
  • the ideal fueling process and the determination of the ideal volume rate (level 2) must, however, be determined by measuring the pressure with a closed underground tank.
  • the vent line 14 of the floor tank 11 can be operated according to the invention for the operation of stage 1 with a free opening to the atmosphere.
  • the pressure measurement 19 (PIC) is used for this purpose, implemented as a pressure display (PI) or as a pressure display / control (PIC).
  • the line 25 with the valve 26 enables the pressure equalization of the tank 11 with the environment.
  • a pressure indicator for example as a U-tube manometer and the valve 26 as a manual valve, can be designed to protect the operating personnel, which is opened in the event of pressure differences from the environment before the flange connections on the tank 11 are opened.
  • the continuous measurement can be carried out by means of a pressure transmitter, for example from Rosemount.
  • a current of 4 to 20 mA (milliampere) is the measure for the pressure difference to the environment.
  • the measurement signal can be processed via the controller 27 and the valve 26 can be controlled in one embodiment as a control valve. With a certain signal from the controller 27, the pressure compensation can be established via the line 25 with the atmosphere.
  • the pressure display for example on a screen as a digital value, it is possible for the operating personnel to continuously check the function of the gas recirculation (level 2). With ideal gas recirculation, the scale value remains constant over the duration of the refueling process, i.e. it does not change.
  • V ⁇ (delta) p (m i ⁇ R i + m b ⁇ R b ) T;
  • the volume V is the freeboard in the closed tank 11.
  • the pressure difference (delta) p is measured over a certain period of time in which a known amount of petrol has been filled.
  • the pressure p is the total barometric pressure of the gas.
  • the dependency shown applies in the same way to negative pressure changes, i.e. for insufficient gas recirculation.
  • the calculated difference (delta) V can be related to the amount of fuel indicated at 6.
  • the quotient (delta) V / FIR * 100 is the deviation of the volume rate from the ideal volume rate of 100%.
  • the measuring procedure which is simple due to the pressure measurement, is especially suitable for the first-time and recurring control of the installation at the petrol stations. These controls are necessary in accordance with the 21st BImschV (Federal Immission Control Ordinance).
  • the gas station there is a need to set the gas quantity very precisely in tank operation.
  • By using this simple measuring principle it is possible to set the recirculated gas quantity correctly when starting up the system and to provide functional evidence in accordance with ⁇ 6 of the regulation.
  • An increasing pressure in line 14 shows that clearly not too little gas is being returned.
  • a negative pressure gradient at the start of a measurement is therefore an indication that the emissions from the fuel nozzle can be reduced by increasing the suction power.
  • the adjustment of the gas quantities and the uniform setting of the volume quantity is possible through the control valve 9 in line 3.
  • the accuracy of the pressure measurement depends on the selected measuring range and, according to equation (6), on the free volume V in the tank 11.
  • the deviation of the operating pressure in the tank 11 from the ambient pressure can, for example, exceed the desired small measuring range of 2 to 5 mbar for the pressure measurement.
  • an alternative measurement setup is drawn in the vent line 14 on the flange 28.
  • the measuring setup consists of a measuring container 29 which is installed in the line 30 between two valves 31 and 32.
  • the valve 32 When measuring the pressure curve, the valve 32 is closed to the environment and the connection to the tank 11 is initially opened.
  • the pressure measurement 33 is connected to both sides of the valve 31.
  • this valve 31 At the start of a measurement, this valve 31 is closed and the pressure deviation (PIR) from the initial state can be measured and, for example, printed out as a document.
  • the conditions in the measuring container 29 should remain as constant as possible. A cylindrical or glass design is possible.
  • the decrease in pressure is the measure for the leakage quantities.
  • volume measurement in the film bag according to the prior art must therefore be supplemented by a pressure measurement according to the invention.
  • the actual volume increase in the underground tank can then be calculated using equation (6) according to claim 16 plus the volume in the foil bag.
  • test method therefore does not take the conditions in the floor tank into account in the measurements on the fuel nozzle and in the measurements on the ventilation mast in order to fulfill the precaution against harmful environmental effects.
  • the pump has a constant delivery volume, so that the amount sucked off at the tank neck is too small and the vacuum at the suction neck of the pump breaks down. If the pump is operated for a long time or several refueling cycles in succession, it cools down and the effective delivery volume increases.
  • the examined central gas pump therefore has an unsteady delivery characteristic that does not deliver enough output at the beginning of the refueling process.
  • An error that cannot be determined with the test method according to the state of the art.
  • it shows that the ideal gas recirculation in certain systems can only be achieved by regulation. For this reason, one possibility is shown in FIG. 3 for using the pressure measurement as the actual value for regulating the gas quantity.
  • a control valve 18 is installed in the manifold 7. This valve is fed by the controller 27. If the pressure rises, the pressure loss in the control valve 18 is increased to reduce the volume flow. If the pressure drops, the pressure loss in line 7 is reduced by opening the valve accordingly.
  • this cleaning is carried out by washing the gasoline-containing gases with diesel fuel.
  • Diesel fuel has a vapor pressure of 5.5 mm WS at 20 ° C. This requires a hydrocarbon content of 4 g / m3.
  • the diesel fuel is the solvent for the gasoline vapors, so that the gasoline can be washed out to a residual content of 10 to 20 g / m3.
  • the vapors are fed into the scrubber from below via line 25.
  • the cleaned gases can be fed to the tank for diesel fuel.
  • the washing liquid is fed to the washer from above.
  • an orderly packing is installed in the scrubber.
  • the overall height of the pack is in the range of 1 m.
  • the washing liquid is removed from the tank for diesel fuel and also fed back into it.
  • a possible place for an installation site is at the vent line 14.
  • the execution of such a washer is described in the applicant's German application DE 39 16 073. Future developments may require the use of a bayonet lock when refueling.
  • the excess volume flow can then escape via line 25.
  • the regulation in the line enables controlled further treatment.
  • With the measuring device described it is possible to carry out the necessary checks, such as a leak test and functional test of the gas return, at different petrol stations.
  • the personnel are given the opportunity to protect themselves from the harmful gases.
  • the petrol station customers can get the information they need on how to avoid further emissions by filling up regularly.
  • the analysis for oxygen enables a statistical recording of the initial conditions in the empty car tank. This could result in further improvements when refueling cars.

Landscapes

  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen auf Tankstellen und zur kontrollierten Behandlung der überschüssigen und für die Umwelt schädlichen Benzindampf-/Luftgemische. Dies wird dadurch erreicht, daß der Druck im Tanksystem gemessen wird, die auftretenden, überschüssigen Brüden über eine definierte Öffnung in Austausch mit der Umgebung treten und die physikalischen Bedingungen in der Atmosphäre des Tanksystems bei den unterschiedlichen Betriebsarten der Tankanlage einander angenähert werden. Die Erfindung betrifft weiter die physikalische Berechnung der Gasmengen und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 31 zur Durchführung des Verfahrens.
  • Eine derartige Kontrolle der überschüssigen Brüden und eine Behandlung der unterschiedlichen Gasmengen, welche im Verlauf der verschiedenen Betriebszustände einer Tankstelle mit Gasrückführung entstehen, ist z.B. aus US-A-4 009 985 bekannt, wobei besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um den gründsätzlichen technischen Unterschied, nämlich die offene Verbindung zwischen Zapfventil und Fahrzeugtank gegenüber dem Stand der Technik mit einer gasdichten Verbindung (vgl. Seite 4, Zeile 59 und 60 und Seite 5, zeile 34 bis 38) zu berücksichtigen.
  • Weiter ist es vorteilhaft vor Beginn einer Behandlung (Verbrennung) eines überschüssigen Gasvolumen nicht nur den momentanen Betriebsdruck zu beachten, sondern auch das anfallende Gasvolumen generell zu berücksichtigen, welches aufgrund der Größe des Freiraumes V (siehe Gleichung (6) ) in einem System von Lagertanks vorhanden ist.
  • Außerdem ist die Meßvorrichtung nach dem Stand der Technik mit Drucksensoren (vgl. 51, 73, 81, 95 und Seite 13, Zeile 2, 3..sobald ein vorgewählter Druck festgestellt wird,..) so aufgebaut, daß jeder Sensor im Sinne einer meßtechnischen Funktion einen druckgesteuerten Alarm (PA-pressure-alarm) liefert, aus welchem der zurückliegende Druckwert zwar erkennbar wird, aus welchem aber ein unmittelbarer Wechsel bei der Behandlung des Gasvolumen ausgelöst wird. Die Meßvorrichtung ist jedoch nicht dazu geeignet, einen Druckverlauf zu messen oder eine Druckanzeige/-kontrolle, (PIC - pressure-indicating-controlling), oder eine Druckanzeige/-Aufzeichnung, (PIR - pressure-indicating-recording) durchzuführen. Zu jedem Drucksensor ist jeweils nur ein Betriebspunkt erkennbar ist, und bei Erreichen des Betriebspunktes ändert das Relais (51) die Betriebsbedingungen an der Meßstelle für die anderen Drucksensoren (73, 81, 95), sodaß die Druckwerte der einzelnen Drucksensoren untereinander nicht vergleichbar sind.
  • Der Nachteil dieser sensorgesteuerten Meßvorrichtung PA nach dem Stand der Technik zeigt sich regelmäßig bei bestimmten, wiederkehrenden Betriebsbedingungen. Wenn die Lagertanks (18) nach der Befüllung voll sind, so ist das Volumen V über dem Flüssigkeitsspiegel (19) der Lagertanks (18) sehr klein. Schon bei einem Unterdruck von -0,2 inch WC bis -0,5 inch WC (Seite 7, zeile 62) meldet der Sensor (51) PA einen Volumenüberschuß und die Verbrennung wird gestartet; obwohl in dem kleinen Volumen V noch kein Überschuß vorhanden ist oder sich bei einer Aufsättigung, nennenswert, ausbilden kann. (vgl. Gleichung (6) der Patentanmeldung)
  • Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der verschiedenen Betriebszustände einer Tankstelle, die Rückführung der richtigen Gasmenge aus dem Pkw-Tank in den Erdtank zu überwachen und die überschüssigen Dämpfe, welche sich während der Umfüllvorgänge und bei der Nachverdampfung im Tankbetrieb ergeben, zu erfassen und über eine definierte Öffnung aus dem Tanksystem abzuführen.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 31 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 30 und 32 bis 35 gegeben.
  • Es ist zwar aus der DE-A-40 00 165 (vgl dort insbesondere auch Seite 5, Zeile 45 bis 47) und aus US-A-4 009 985 (vgl. dort 51, 73, 81, 95) zum Umfüllen von benzinartigen Flüssigkeiten jeweils bekannt, einen Druckwert zu messen und druckgesteuerte Relais zur Behandlung der überschüssigen Brüden einzusetzen; wobei beim Stand der Technik nach der DE-A-40 00 165 über die an jeder einzelnen Zapfpistole gemessene Druckgröße δp die Dichte des Gases (vgl. dort Seite 3 Gleichung (2)) berechnet wird und nach dem Stand der Technik nach der US-A-4 009 985 das Erreichen eines bestimmten Druckes durch das Auslösen von einem oder mehreren Druckschaltern (51, 73, 81, 95) erkennbar ist. Eine Kombination der jeweils unterschiedlichen Meßtechniken zu einer zentralen Druckmessung, PIC und/oder PIR, und an einer Stelle im Erdtank zur Durchführung des Verfahrens und zur Ausbildung der Vorrichtung nach Patentanspruch 31 war hierdurch jedoch nicht nahegelegt.
  • Es ist auch aus der US-A-4 063 874 (vgl. dort insbesondere Seite 3, Zeile 36 bis 39) und aus der DE-A-40 00 165 (vgl. Seite 1, zeile 36 u. 37) jeweils bekannt, daß beim Tanken am Tankstutzen überschüssige Falschluft angesaugt wird; wobei beim Stand der Technik nach der US-A-4 063 874 das überschüssige Dampf/Luftgemisch zunächst in einem Absorber (28, 29) gereinigt wird und die kondensierten Kohlenwasserstoffe diskontinuierlich mit Frischluft in einem Brenner (44), ebenso wie beim Stand der Technik nach der US-A-4 009 985, verbrannt werden; und wobei beim Stand der Technik nach der DE-A-40 00 165 die überschüssigen Benzindämpfe in einer Dampfverflüssigungseinheit (29), einem Absorber, zurückgewonnen werden. Auch aus der DE-A-26 15 144 ist es bekannt, überschüssige Dämpfe zu behandeln; wobei aus dem Pkw-Tank keine Dämpfe mit inerten Luftanteilen, sondern nur reine Dämpfe (vgl. Seite 15, Zeile 4 bis 6 und Ventil 158) übernommen werden und der mögliche Überschuß mittels einer Kühlkondensation (120) teilweise kondensiert wird. Auch bei einer Kombination der verschiedenen Möglichkeiten für die Behandlung der überschüssigen Dampfluftgemische ist es nicht nahegelegt, das Verfahren so auszugestalten, wie nach den Patentansprüchen 28 bis 30 das Benzindampf-/Luftgemisch in einem, an sich bekannten, Wäscher mit Dieselkraftstoff als Waschflüssigkeit gereinigt wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Fig. 1 und Fig. 2 und dem Schema in Fig. 3 näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 Druckaufzeichnungen aus dem Erdtank;
    • Fig. 2 Dampfdruckkurven verschiedener Benzinqualitäten;
    • Fig. 3 die schematische Darstellung einer Tankstelle mit Gasrückführung.
  • Mit dem Meßverfahren wurde inzwischen an verschiedenen Tankstellen mit Einrichtungen zur Gasrückführung gemessen. In Fig. 1 ist das Ergebnis als Druckverlauf im Erdtank über der zeit und bei verschiedenen Betriebszuständen aufgetragen. Die Druckaufzeichnungen beginnen dabei einheitlich nach 4,5 Minuten und reichen bis zur 9 ten Minute. Die Messung erfolgte mittels U-Rohr oder Schräg-Rohr Manometer im Freiraum des Bodentank. Die 3 oberen Druckkurven stammen von einer Tankstelle mit zentraler Vakuum-Pumpe zur Gasrückführung.
    • Kurve A, zeigt den Einfluß eines Tankvorganges ab der Minute 6,
    • Kurve B, zeigt den Druckanstieg im Erdtank in der Pause zwischen 2 Tankvorgängen,
    • Kurve C, zeigt den Einfluß einer Betankung von 2 Pkw gleichzeitig, ebenfalls ab der Minute 6 für die Dauer von 30 sek.
    Die untere Kurve D gehört zu einer anderen Tankstelle mit einer dezentralen Pumpe, die im Gegensatz zur zentralen Pumpe nicht kontinuierlich, sondern nur während des Tankvorganges arbeitet. Bei einem idealen Tankvorgang mit Gasrückführung wird das aus dem Erdtank entnommene Benzinvolumen gerade durch das zurückgeführte Gasvolumen ersetzt. Hierbei spricht man von einer 100 % -Gasrückführung. Für diesen Tankvorgang bleibt der Druck im Erdtank konstant oder die Druckänderung ist gleich 0. Speziell unter Berücksichtigung der in Deutschland gültigen Gesetze kann dieser Tankvorgang als ideal bezeichnet werden. Die Druckmessungen entsprechend Kurve A über den Tankvorgang von 1,25 Minuten zeigen also, daß aufgrund des Druckabfalles das zurückgeführte Gasvolumen kleiner als die getankte Menge ist, also zu klein ist.
    Der Druckverlauf unter Kurve C fällt bei dem relativ kurzen Betanken von 2 Pkw noch steiler und weiter ab. Dies zeigt, daß auch hier die zurückgeführte Gasmenge zu klein ist und daß die notwendige doppelte Saugleistung der zentralen Pumpe für diesen Betriebsfall nicht verfügbar ist.
    Kurve B ist die charakteristische Druckzunahme im Erdtank, die u.a. durch den kontinuierlichen Betrieb der zentralen Vakuumpumpe im Erdtank entsteht. Bei dem vorhandenen Freiraumvolumen im Erdtank von 13,5 m3 errechnet sich nach der unten aufgeführten Gleichung (6) eine Volumenzunahme von ca 430 l/h.
    Demgegenüber ist der Verlauf der Kurve D für diskontinuierlichen Pumpenbetrieb wesentlich flacher und entspricht bei einem Freiraum von 12,9 m3 nur einer Volumenzunahme von 60 l/h.
  • Die durchgeführten Messungen zeigen also, daß selbst bei modernen Anlagen infolge der Gasrückführung beim Tanken völlig unkontrolliert schädliche Umwelteinwirkungen zu verschiedenen Zeiten entstehen:
    • Während des Tanken wird viel zuwenig Gas aus dem Pkw abgesaugt, sodaß der Tankkunde den schädlichen Gasen ausgesetzt ist.
    • Während der übrigen zeit ist in dem Erdtank ein großes überschüssiges Volumen, das über das Ventil in der Entlüftungsleitung in die Atmosphäre entweicht und an der Grundstücksgrenze die Nachbarschaft belastet.
    • Vor einer Benzin-lieferung muß der Tankwart den Füllstand im Erdtank kontrollieren und den Anschlußstutzen für die Benzinleitung öffnen. Beide Male baut sich über die Öffnung der Druck im Bodentank ab und der Bedienungsmann steht in einem gesundheits-schädlichen Gasstrom, der mit über 20 m/s ihm ins Gesicht bläst.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 31 sollen die Ursachen für diese typischen Nachteile erkannt werden, um die Nachteile bei dem umweltgerechten Betrieb einer Tankstelle zu vermeiden.
    Ein Verfahren zur Begutachtung von Gasrückführsystemen ist in dem Forschungsvorhaben Nr 104 08 508 des Umweltbundesamtes Berlin beschrieben. Hier stellt der TÜV-Rheinland anhand der oben untersuchten Anlage zur Gasrückführung ein Meßverfahren zur Ermittlung des Rückführwirkungsgrads vor.
    Bei diesem Verfahren wird die Emission am Tankstutzen ohne und mit Gasrückführung gemessen. Die Emissionsminderung mit Gasrückführung ist eine Maß für die Rückführrate.
    Das Verfahren hat aber die Nachteile,
    • daß der Ermittlung der Rückführrate der Vorzug vor der Volumenrate, welche den idealen Tankvorgang beschreibt, gegeben wird,
    • die Meßstelle, durch die Messung am offenen Tankstutzen, außerhalb der Tankstation ist, und meßtechnisch nur Bruchteile der Betriebszeit einer Tankstelle erfaßt werden,
    • die Volumenrate im wirklichen Tankbetrieb als Funktionskontrolle nicht gemessen werden kann und
    • Messungen innerhalb der Tankanlage nicht vorgesehen sind.
      Unter der Volumenrate versteht man das Verhältnis:
    • rückgeführtes Gasvolumen/Volumen des getankten Kraftstoff x 100.
  • Ausgehend von diesem Meßverfahren als Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die einzelnen Tankvorgänge mit Gasrückführung und die Bildung von überschüssigen Dämpfen im Erdtank über eine Meßstelle zentral zu überwachen.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 31 gelöst.
  • In Fig. 2 sind die Dampfdruckkurven von 3 Benzinmischungen, welche die Bildung der schädlichen Emissionen auf Tankstellen beeinflussen, aufgetragen.
    Die obere Kurve mit dem höchsten Dampfdruck gehört zu einem Winterkraftstoff.
    Die mittlere Dampfdruckkurve entspricht einem Sommerbenzin.
    Die untere Dampfdruckkurve gehört zu einem Benzin, aus welchem die Leichtsieder zum Teil ausgedampft sind. Es ist das Restbenzin im leeren Pkw-tank.
  • Fig. 3 ist die schematische Darstellung der Funktion einer Tankstelle, einschließlich des Tanken mit Gasrückführung (Stufe 2) und der Benzinlieferung mit Gaspendelung (Stufe 1). In Fig. 3 ist die Vorrichtung zur Durchführung der Messungen schematisch eingetragen.
    Die Tankanlage besteht aus dem Erdtank 11 mit der Entlüftungsleitung 14, die wahlweise mit einem sogenannten Druckvakuumventil 15 als Sicherheitsventil verschlossen ist. Der Tank 11 ist teilweise mit Benzin gefüllt. Über dem Flüssigkeitsspiegel 13 befindet sich der Freiraum mit dem Benzindampf-/Luftgemisch. Die Anschlußleitungen für die Benzinlieferung und die Benzinentnahme werden über den nicht gezeigten Domschacht zugeführt.
    Die Benzinentnahme erfolgt über die Benzinpumpe 5 in der Flüssigkeitsleitung 4, die mit der nicht gezeigten Zapfpistole endet. Die Benzinmenge wird in der Zapfsäule gemessen und an der Benzinuhr 6 als (FIR) Durchflußanzeige aufgeschrieben. Die Leitung 3 zur Gasrückführung beginnt an der Zapfpistole und endet in die Sammelleitung 7, die meistens unter der Erde verlegt ist.
    Bei Aktivsystemen erzeugt eine Gaspumpe 8 in der Gasrückführleitung 3 beim Tanken einen Unterdruck, sodaß das Gasgemisch aus dem Pkwtank angesaugt werden kann. Über ein Drosselventil 9 kann der Druckverlust in der Leitung 3 und damit die Förderleistung der Pumpe 8 eingestellt werden. An die Benzinleitung 3 und die Sammelleitung 7 können mehrere Zapfstellen angeschlossen werden. Der Stutzen 16 zeigt die Möglichkeit mehrere Erdtank miteinander zu verbinden.
    Der Erdtank 11 hat 3 weitere verschließbare Stutzen, den Stutzen 17 für die gasdichte Aufnahme des Meßstabes und die 2 Rohrstutzen mit den abnehmbaren Deckeln zum vorübergehenden Anschluß der Rohrleitungen für das Benzinabladen mit Gaspendelung.
    In der Sammelleitung 7 ist ein Stellventil 18 eingebaut, über welches die zurückgeführte Gasmenge (Volumenrate) geregelt werden kann. Der Druck im Freiraum des Erdtank 11 wird als Druckanzeige-kontrolle (PIC) 19 gemessen, z.B. in der Entlüftungsleitung 14. Die Druckmessung und Kontrolle wird später.im Zusammenhang mit den einzelnen Betriebszuständen beschrieben.
    Bei der Benzinentnahme, dem Tanken, ist der Fahrzeugtank 10 über die zapfpistole mit der Tankstelle verbunden.
  • Die Leitung 20 an der lösbaren Verbindung zwischen dem Tank 10 und der Leitung 3 symbolisiert den Gasaustausch im Bereich des Tankstutzen 21 mit der Umgebung.
    Bei der Installation von Aktivsystemen, gekennzeichnet durch den Index (a) ist eine Pumpe 8 zur Erzeugung eines Unterdruckes in die Leitung 3 installiert. In diesem Fall kann über die Leitung 20 sowohl zuwenig abgesaugtes Gas entweichen, als auch Frischluft zusätzlich angesaugt werden.
    Bei der Installation von Passivsystemen, gekennzeichnet durch den Index (p), soll mittels einer nicht gezeigten Dichtmanschette zwischen der Leitung 3 und dem Tankstutzen 21 eine Abdichtung erzeugt werden, um beim Einfüllen von Benzin den Gasanteil aus dem Tank 10 in den Erdtank 11 zu verdrängen. Besonders bei Tankbeginn kann es jedoch infolge von Volumenspitzen zu einem erheblichen Druckanstieg und zu einem Freisetzen von benzinhaltigen Dämpfen über die symbolisierte Leitung 20, d.h. die nicht gezeigte Dichtstelle kommen.
    Zur Anlieferung von Kraftstoff ist der Tank 12 des Tanklastwagen (Tkw) über die Leitung 22 für Flüssigkeit und die Leitung 23 für die benzinhaltige Luft mit dem Erdtank 11 verbunden. Der Tank 12 ist normalerweise als Koffertank ausgeführt und nur für einen Betrieb bei Atmosphärendruck geeignet. Über die Druckabsicherung 24 ist gewährleistet, daß entstehende Über- oder Unterdrücke ohne Schaden für den Tank mit der Umgebung ausgeglichen werden. Jeweils zum Ende des Tanken und am Ende der Benzinlieferungen werden die Verbindungen zur Umgebung, in der Zapfpistole und die Stutzen im Domschacht geschlossen.
  • Während bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren über die gesamte Betriebszeit eine Erfassung der typischen Betriebsdaten möglich ist, so wird mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik nur eine Beurteilung über den kurzen Zeitraum eines Tankvorganges also insgesamt etwa 5 % der totalen Zeit möglich.
    In der Praxis wird dieser Betriebszustand nämlich das Tanken mit Gasrückführung als Stufe 2 bezeichnet. Die Benzinlieferung mit Gasrückführung in den Tanklastzug wird als Stufe 1 bezeichnet und beansprucht zeitlich etwa 1/10 der Stufe 2 also 0,5 %.
    Die Betriebsbedingungen auf einer Tankstelle im restlichen Teil eines 24 Stunden-tages wird im folgenden als Stufe 0 bezeichnet. Wie bei den Messungen in Fig. 1 festgestellt wurde, unterliegt eine Tankanlage in diesem Zeitraum erheblichen Druckschwankungen, welche zu schädlichen Umwelteinwirkungen führen können. Die Benzindämpfe aus dem Fahrzeug enthalten nämlich bei einer 80 %-igen Sättigung und 40 °C und 5 vol. % Benzol im Restbenzin ca 30 g Benzol/m3. Der zulässige TRK-Wert (technische Richtkonzentration) für das krebserzeugende Benzol ist aber nur 15 mg/m3. Bei typischen Sommerbedingungen sind bei gleicher Sättigung und 20 °C in den Dämpfen 700 g/m3 Benzinanteile enthalten. Der zulässige MAK-Wert (max. Arbeitsplatzkonz.) für die Dämpfe der Benzinanteile beträgt aber 0,3 - 2 g/m3 bei n-Paraffinen. Neben dieser direkten Gefahr für den Menschen tragen diese Dämpfe in hohem Maße an der Smog- und Ozonbildung bei.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter der Berücksichtigung der 3 unterschiedlichen Betriebsbedingungen für die Stufen 2, 1 und 0 erläutert.
    Der allgemeine Stand des Wissens zur Bewertung der Emissionen beim Tanken wurde von Dr. H. Waldeyer, in "Emissionsverminderung beim Tanken", Verlag TÜV Rheinland, 1990, vorgestellt und ist im Rahmen eines Forschungsvorhaben des Umweltbundesamtes Berlin unter der Nr.104 08 504 veröffentlicht.
    Die dort im Anhang aufgeführten empirischen Rerechnungsverfahren für die Emissionen beim Tanken haben den Nachteil, daß das heute moderne Motorendesign in den empirischen Berechnungsansätzen noch nicht enthalten sein kann.
    Moderne Fahrzeuge haben nämlich heute wesentlich bessere Motorraumisolierungen, um die Funktion des Abgaskatalysator z.B. beim Kaltstart zu verbessern. Die zunehmende Einführung des Katalysator hat zur Folge, daß das Benzin im Zyklus einer Tankfüllung durch das Umpumpen über die Einspritzpumpe zunehmend an Leichtsiedern verarmt ist. In dem leeren Tank befinden sich also heute wesentlich mehr Luftanteile und weniger Benzindämpfe gegenüber früher mit der inzwischen überholten Technik.
    Der durchgeführten Bewertung von Emissionen beim Tanken nach dem Stand der Technik (Nr. 104 08 504) ist heute bereits die Basis für die theoretischen Grundlagen entzogen.
    Es kommt hinzu, daß bei der Einführung der Stufe 2 gleichzeitig die Verbreitung der Katalysator-fahrzeuge in den betroffenen Regionen schon fortgeschritten sein wird.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung diesen Nachteil für den zukünftigen Betrieb der Stufe 2 zu vermeiden.
    Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruch 3 dadurch gelöst, daß
    zur Berechnung der entstehenden Brüden für die Stufe 2
    • die gasseitige Volumenentwicklung des durch das eingefüllte Benzin verdrängten Gasvolumen,
    • ausgehend von einem Zustand 1 und einer Gaszusammensetzung in dem leeren Tank über dem Restbenzin,
    • bei einem Zustand 2 und nach der Sättigung über dem Benzin im Lagertank, berücksichtigt wird.
    In diesem Fall wird davon ausgegangen, daß das Fahrzeug vollgetankt wird. Bei einer physikalischen Betrachtung wird die Entwicklung des Volumens der inerten Luftanteile im leeren Pkwtank und über dem an Leichtsieder armen Benzin (untere Kurve in Fig. 2), bei einer bestimmten Sättigung über dem frischen Kraftstoff, der mehr Leichtsieder enthält, verfolgt. Es wird also zunächst die wirkliche Volumenbildung beschrieben, welche gemäß der Erfindung überwacht wird.
    Diese Volumenentwicklung unterliegt den allgemeinen Gesetzen des Stoffaustausches aus der physikalischen Chemie. Für die unterschiedlichen Gasgemische gilt das Gesetz von DALTON. Da diese physikalisch definierbaren Volumenberechnungen eine Voraussetzung für den Nachweis von schädlichen Umwelteinwirkungen sind und diese speziell nach dem Stand des Wissens bei der Betrachtung bisher nicht berücksichtigt werden, wird im folgenden zunächst die physikalische Grundlage für die Berechnung näher dargestellt.
    Hierzu wird der zu füllende Tank 10 jeweils mit dem Index 1 und der Tank 11 mit der Kraftstoffentnahme oder der Gaszufuhr mit dem Index 2 bezeichnet.
    Bei Tankbeginn oder vor Herstellung der Verbindung zwischen dem leeren Tank 10 und dem Lagertank 11 besteht über den Spiegeln der Flüssigkeit Atmosphärendruck. Über der Flüssigkeit ist ein Gemisch aus Luft und Benzindämpfen, wobei die Luftanteile gegenüber den kondensierbaren Dämpfen als inert zu bezeichnen sind. Der zusätzlich in der Luft enthaltene Wasserdampf ist gering und wird bei der folgenden Betrachtung nicht berücksichtigt.
  • Die Stoffaustauschvorgänge im Verlaufe des Tankvorganges und ihr Einfluß auf das Volumen in den einzelnen Tankkammern 10 und 11 unterliegen also den Gesetzen der allgemeinen Gasgleichung und dem Gesetz nach DALTON. Nach dem Gedanken der Erfindung ist also festzustellen, welchen Raum oder welches Volumen die Inerten aus dem Tank 10 über dem Benzingemisch aus dem Tank 11 einnehmen. Die allgemeine Gasgleichung lautet wie folgt: p ∗ V = m ∗ R ∗ T ; oder m ∗ R = p ∗ V / T ;
    Figure imgb0001
  • Die obigen Gleichungen gelten für das Gasgemisch und nach DALTON auch für die einzelnen Komponenten mit den entsprechenden Partialdrücken.
  • Bezogen auf die Inerten im Tank 1 gilt also: m (i1) ∗ R (i1) = p (i1) ∗ V (i1) / T (i1) ; und
    Figure imgb0002
     bezogen auf den Tank 2 gilt entsprechend: m (i2) ∗ R (i2) = p (i2) ∗ V (i2) / T (i2) ;
    Figure imgb0003
  • Da die Menge der Inerten sich definitionsgemäß über den Tankvorgang nicht verändert, ist auch das Produkt von mi ∗ Ri konstant. Somit gilt für die Volumenentwicklung die folgende Gleichung: V (2) = V (1) ∗ p (i1) /p (i2) ∗ T (i2) /T (i1) ;
    Figure imgb0004
     T₁ ist die Temperatur im Tank 1 in Kelvin, T₂ ist die Temperatur im Tank 2. Je nach der Art des Betankungsvorganges, mit einem kalten oder warmen Fahrzeug, sind die Temperaturen nur gering unterschiedlich.
    Die Partialdrücke p(i1) und p(i2) sind die Drücke der Inerten im Tank 1 und Tank 2.
    Das Volumen V₁ entspricht bei einem Auffüllen des Tank 1 dem getankten Flüssigkeitsvolumen.
  • Da sich über dem Benzin mehrheitlich nur Luftanteile und Benzinanteile befinden, gilt nach DALTON folgende Gleichung: p (i) = p (gesamt) - P (Benzin) ;
    Figure imgb0005
  • Bei Kenntnis der Partialdrücke über den Flüssigkeiten können also die Partialdrücke p(i) der Inerten nach Gleichung (2) berechnet werden.
    Gleichung (2) zeigt weiter, daß, wenn die Partialdrücke des Benzines sich ändern, auch die Partialdrücke der Inerten p(i) sich entsprechend ändern werden. Der Gesamtdruck p(g) bleibt bei den üblichen Betriebsbedingungen konstant, nämlich ca. 1 bar bis 1 atm je nach Aufstellungsort der Tankanlage und den momentanen Wetterbedingungen.
    Entsprechend dem Gedanken der Erfindung ergibt sich also durch die betriebsbedingte Verdunstung der Leichtsieder im Tank 10 ein erhöhter Partialdruck p(i) der Inerten. Somit entsteht nach Gleichung (1) und für die Stufe 2 eine Volumenzunahme bei der Gasrückführung.
    Das erfindungsgemäße Berechnungsverfahren hat also gegenüber der empirischen Methode den Vorteil, daß die mögliche Umwelteinwirkung bei der Betankung moderner Fahrzeuge gemäß der Stufe 2 infolge der Volumenzunahme rechnerisch ermittelt werden kann.
    Die meßtechnische Bestimmung des idealen Tankvorganges mit 100 % Gasrückführung (Volumenrate) durch die Druckmessung hat den Vorteil, daß jede Gasrückführung einer beliebigen Betankung eindeutig definierbar ist. Das überschüssige Gasvolumen wird am Tankstutzen des Pkw entweichen, so wie es auch ohne die Gasrückführung üblich ist. Demgegenüber würde mit einem Prüfverfahren nach dem Stand der Technik unter diesen, für eine Gasrückführung idealen Bedingungen, nur eine unzureichende Emissionsverminderung festgestellt.
    Im Rahmen der Stufe 2 tritt das zurückgeführte kleine Gasvolumen in den großen Freiraum des Tankes 11 von einigen cbm (m3).
    Infolge der Vermischung erfolgt die Sättigung sehr langsam. Die Aufsättigung wird im Rahmen der Druckmessung in dem abgeschlossenen System der Stufe 0 als Druckanstieg festgestellt.
    Das überschüssige Volumen, das sich im Verlaufe der Stufe 2 bildet, entsteht durch die Änderung der zusammensetzung des Kraftstoff und die Steigerung des Dampfdruckes bei der Zufuhr von frischem Kraftstoff in den Tank 10. Hierdurch dampfen spontan Leichtsieder aus und bewirken die Vergrößerung des Volumen. Während aufgrund der Veröffentlichungen, nach dem Stand der Technik, nach 104 08 508, eine rechnerische Kontrolle der überschüssigen Volumen nicht möglich ist, so kann gemäß Gleichung (1) die Volumenentwicklung berechnet werden. Die Partialdrücke im Tank 11 können bei Kenntnis der Benz zusammensetzung ermittelt werden, im Tank 10 hängen sie aber Von dem zurückliegenden Fahrbetrieb ab. Ein einfacher Weg zur Ermittlung des zustandes im Tank 10 ist eine Gasanalyse, vorallem über die Bestimmung von Sauerstoff (O2). Innerhalb von Sekunden kann mit den Analyseröhrchen der Fa. Dräger der Sauerstoffgehalt ermittelt werden.
    Aufgrund des Sauerstoffanteiles ist auch der entsprechende Luftanteil bekannt. Dieser Luftanteil kann in Volumen-% oder Gewicht-% und in m(i) als kg/m3 umgerechnet werden.
  • Unter Verwendung dieser Größe gilt die folgende Gleichung: p (i) = m (i) ∗ R (i) ∗ T (i) /V ;
    Figure imgb0006
  • Wird das Volumen V = 1 gesetzt, so kann über eine Sauerstoffmessung der Partialdruck der Inerten bei der Tankkammer 10 und 11 berechnet werden. R(i), die Gaskonstante der Luft, und T(i) sind jeweils bekannt.
    Einer besonderen Bedeutung kommt der Entwicklung des Volumens zur Vorsorge vor schädlichen Umwelteinwirkungen bei einem halben Füllen des Tankes zu. Hier wird einerseits ein Teil des Volumens im Tank 10 verdrängt und in den Tank 11 zurückgefördert. Gleichzeitig ändert sich die Zusammensetzung des Benzin im Tank 10, verbunden mit einem erheblichen Anstieg des Partialdruckes wegen der zugeführten Leichtsieder im Kraftstoff. Andererseits betrifft die rechnerische Volumenzunahme durch den Anstieg des Partialdruck das gesamte Gasvolumen das vor Tankbeginn im Tank 10 vorhanden war. Die Entwicklung des überschüssigen Volumen kommt also derjenigen beim Auffüllen des Tankes gleich, getankt wurde aber nur die halbe Füllung.
    Zur Vorsorge vor schädlichen Umwelteinwirkungen ist also dem Kunden dringend zu empfehlen, jeweils voll zu tanken.
    Der Verkauf des Benzines über Geldscheinautomaten, z.B. 14 l für 20, DM verhindert das umweltfreundlichere Volltanken und hat eine zusätzliche Volumenbildung zur Folge.
    Für die Lieferung und das Umfüllen mit Gaspendelung (Stufe 1) ist es wichtig, daß am Ende der Stufe 0 kein Überdruck im Bodentank ist. Bei der Kontrolle des Füllstandes oder dem Öffnen der Flanschdeckel würde die Tankatmosphäre herausblasen. Mindestens zu diesem Zeitpunkt muß der Druckausgleich bereits erfolgt sein.
    Der Umfüllvorgang der Stufe 1 unterliegt den gleichen physikalischen Gesetzen und Prozeßdaten wie die Stufe 2, mit dem Unterschied, daß der Liefertank weitgehend geleert wird und das große Volumen des zurückgeführten Gases die Verhältnisse im Liefertank entscheident bestimmt.
  • Das Verfahren zur Begrenzung der Emissionen beim Umfüllen und Lagern von Ottokraftstoffen ist in der 20. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutz Gesetz vom Oktober 1992 der BRD beschrieben. Diese Verordnung regelt unter § 3 das Verfahren zur Gaspendelung und beschreibt das Verfahren derart, daß beim Betrieb kein Kraftstoffdampf an die Umgebung abgegeben wird. Die in der Schweiz gültige Luftreinhalteverordnung (LRV) ist mit der BRD zum Teil abgestimmt und schreibt ebenfalls für das Umfüllen von Kraftstoffen ein geschlossenes System vor.
    Beide Verordnungen gehen von einem zurückzuführenden Volumenstrom aus, der mit der umgefüllten Benzinmenge identisch ist.
  • Bei einem derart ausgeführten Füllvorgang werden keine dampfförmigen Emissionen freigesetzt. Sollte aber die Lagerung der Flüssigkeiten, also die Stufe 0 oder der Kraftstofftransport im Tkw, normal bei Atmosphärendruck erfolgen, so ist der Umfüllvorgang erst dann abgeschlossen, wenn der Druck- und Volumenausgleich mit der Umgebung hergestellt ist.
  • Die bekannten Systeme zum Umfüllen der Flüssigkeiten haben also den Nachteil, daß
    • sie die beim Umfüllen gegebene Druck- und Volumenänderung nicht berücksichtigen,
    • und den Ausgleich der Gasseite mit der Umgebung unkontrolliert beim Öffnen der Verbindungsleitungen herstellen.
  • Bei einem Überdruck, steht also der Bedienungsmann beim Lösen der Verbindungsleitung in dem austretenden, schädlichen und explosiven Volumenstrom. Hier werden einerseits die zulässigen Arbeitsplatzkonzentrationen für die Dämpfe von Benzin und Benzol um ein vielfaches überschritten. Benzin und Benzol können sogar als Aerosol vorliegen. Andererseits kann sich das Volumen im Bereich des Tankkraft-wagen (Tkw) ausbreiten und beim Anfahren sich infolge Funkenbildung entzünden.
    Es ist weiter möglich, daß bei einem Druckabbau auf den Ansprechdruck des Sicherheitsventil 15, beim Lösen der Flüssigkeitsleitung 22, der verbliebene Überdruck durch ausspritzendes Benzin abgebaut wird und der Bedienungsmann eine Benzindusche erhält.
    Es zeigt sich also bereits in der Praxis, daß mit der obigen Verordnung und noch keine ausreichende Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen erreicht wird.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile für den Betrieb der Stufe 1 zu vermeiden, den Betriebszustand im gefüllten Tank für die üblichen Lagerbedingungen der Stufe 0 wieder herzustellen und die sich bei einem Umfüllvorgang ergebenden Volumenveränderungen zu berücksichtigen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Durchführung des Umfüllvorganges gemäß den Merkmalen des Anspruch 9 gelöst.
  • Bei der Verabschiedung der Verordnung ist der Gesetzgeber davon ausgegangen, daß in dem Restbenzin und der Atmosphäre darüber die gleichen physikalischen Bedingungen gegeben sind, wie in dem Lagertank des Lastzuges.
    In Wirklichkeit ist die Temperatur im Erdtank relativ gleichmaßig und folgt nur langsam den Schwankungen im Verlaufe eines Tages. Die Temperatur des frischen Kraftstoff dagegen ist durch die äußeren Bedingungen vorgegeben. Bei der Anlieferung aus der Raffinerie kann die Temperatur bis zu 20 °C über der im Erdtank liegen. Das gilt auch für die Abladung von Restmengen nach intensiver Sonneneinstrahlung an warmen Tagen.
    Aus den Dampfdruckkurven der Fig. 2 erkennt man, daß bei einem Temperaturgradient von 20 °C sich auch der Dampfdruck verdoppelt.
  • Das gemäß der obigen Verordnung vorgeschriebene Verfahren hat also den Nachteil, daß es die wirklichen Betriebsbedingungen nicht beachtet und damit die schädlichen zusätzlichen Umwelteinwirkungen nicht berücksichtigt.
    Als worst case ist hier die erstmalige Lieferung von Winterkraftstoff an einem warmen Herbstnachmittag zu bezeichnen. Die Berücksichtigung dieser Verhältnisse und die physikalische Berechnung erfolgt nach den Merkmalen des Anspruch 10. In den aufgeführten Gleichungen werden die gleichen Bezeichnungen wie in oben verwendet, Index 1 für den zu füllenden Tank und Index 2 für den Liefertank.
    Da die möglichen überschüssigen Dämpfe bei einem Kontakt für das Bedienungspersonal besonders schädlich sein können, wird auch die mögliche Volumen-und Druckentwicklung im verlaufe der Stufe 1 näher erläutert. Für den frischen Kraftstoff und den Umfüllvorgang der Stufe 1 sind die Partialdrücke der Benzinmischungen als bekannt anzunehmen.
    Mit der Vereinfachung, daß der barometrische Gesamtdruck pg = 1 bar ist und unter Einsetzen von pi = pg - pd in die Gleichung (1) gilt Gleichung (4) V 2 = V 1 (1 - p d1 )/(1 - p d2 ) (T 2 /T 1 ) ;
    Figure imgb0007
  • Die Entwicklung eines Volumens bei einem Umfüllvorgang mit Gasrückführung ist also von den Unterschieden der Dampfdrücke der Flüssigkeiten und den zugehörigen Temperaturen abhängig. Die Gleichung gilt für konstanten Druck oder bei einem offenen System.
  • Für die zusammensetzung der Partialdrücke im geschlossenen System oder konstantem Volumen gilt nach DALTON. p g2 = p i2 + p d2 ;
    Figure imgb0008
     Für den Druck der Inerten (Luft) im Zustand 2 gilt.. p i2 = p i1 (T 2 /T 1 ) ; mit p i1 = p g1 - p d1 folgt..
    Figure imgb0009
     p g2 = (p g1 - p d1 ) (T 2 /T 1 ) + p d2 ; mit p g1 = 1 bar gilt Gleichung
    Figure imgb0010
     p g2 = (1 - p d1 ) (T 2 /T 1 ) + p d2 ;
    Figure imgb0011
  • Die Entwicklung des Gesamtdruckes bei einem Umfüllvorgang mit Gasrückführung ist also von den Unterschieden der Dampfdrücke der Flüssigkeiten und den zugehörigen Temperaturen abhängig. Für die grobe Abschätzung der Druckentwicklung bei einem Umfüllvorgang gilt die vereinfachte Gleichung: p g2 = p g1 + (p d2 - p d1 ) ;
    Figure imgb0012
  • Über die Druckmessung im Erdtank kann also die Druckentwicklung im Verlaufe der Stufe 1 verfolgt werden. Ab einem bestimmten Zeitpunkt oder einer Druckänderung kann durch Öffnen eines Ventiles der Druckausgleich mit der Umgebung hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Druckmessung und die Verfahrensführung gemäß Anspruch 9 haben also den Vorteil, daß dem Bedienungsmann beim Lösen der Verbindungsleitung nicht mehr die überschüssigen Gase oder der Kraftstoff aus der Befüllungsleitung entgegen strömt.
    Die Stufe 1 ist also zeitmäßig erst abgeschlossen, wenn der Betriebsdruck mit dem Druck der Stufe 0 und der Stufe 2 wieder übereinstimmt.
    Dieser Druckausgleich im Erdtank ist jeweils vor dem Erstellen und vor dem Lösen der Leitungsverbindung für die Stufe 1 einzustellen.
    Die Druckkurven in Fig. 1 zeigen, daß auch im Betrieb der Stufe 0 also im Ruhezustand durch die Nachverdampfung die Entwicklung eines überschüssigen Volumens zu beobachten ist. Im Rahmen der gesetzlichen Vorsorge vor schädlichen Umwelteinwirkungen ist also zumindest sicherzustellen, daß die überschüssigen Dämpfe kontrolliert entweichen. Hier sei auf die zurückliegenden Katastrophen in Luisville, Kentucky und 1992 in Guadalachara verwiesen. Das ungeregelte Sicherheitsventil 15 in der Entlüftungsleitung 14 ermöglicht im Erdtank einen Überdruck bis 250 mm WS. Im Falle der untersuchten Tankstelle mit zentraler Pumpe Kurven A und C in Fig. 1 ist offensichtlich eine Leckage auf der Saugseite in der Gasrückführleitung. Über diese mögliche Öffnung kann das gesamte überschüssige Volumen, das bei der Stufe 0 im Zeitraum der Betriebsruhe über Nacht entsteht, entweichen. Nach den Vorstellungen und Prüfungen des Standes der Technik ist diese Pumpe in einem Schacht und dieser an den Abwasserkanal angeschlossen.
    Im Rahmen der Vorsorge ist zu bedenken, daß aus 1 cbm Gas (m3), der aus dem Erdtank in ein Kanalsystem entweicht, bei einer Verdünnung mit Luft 25 m3 zündfähige Gase entstehen können. Über Tage und Wochen können sich dadurch zündfähige Gemische ansammeln, die zu den oben erwähnten Katastrophen führen. Das Prüfverfahren nach dem Stand der Technik hat also den technischen Nachteil, daß
    • die vergleichende Messung der Emissionen am Pkwtank für einen Tankvorgang über eine Stunde dauert und die zurückgeführte Gasmenge entweder nicht gemessen wird oder zu wenig beachtet wird. Als Folge daraus entsteht bei der Vorsorge für die Allgemeinheit der große Nachteil,
    daß die Gefahren infolge der Gasrückführung für die Zeit nach dem Tankvorgang nicht erkannt werden.
    Diese Nachteile hat das Verfahren nach dem Hauptanspruch nicht: Die Druckmessung ermöglicht eine Schnellanalyse über den Tankvorgang mit Gasrückführung.
    Sie ermöglicht die Feststellung von schädlichen Betriebszuständen bei der Durchführung der Stufe 1.
    Sie ermöglicht die Beobachtung der Zustände im Erdtank während der übrigen Betriebszeit.
  • Erfindungsgemäß kann durch ein Öffnen der Entlüftungsleitung entgegen der staatlichen Verordnung der Volumen-und Druckausgleich mit der Umgebung hergestellt werden. Die erneute Gefährdung einzelner Personengruppen in den Tankstellen mit Gaspendelung wird hierdurch vermindert. Der ideale Tankvorgang und die Bestimmung der idealen Volumenrate (Stufe 2) muß aber durch die Druckmessung bei einem geschlossenen Erdtank ermittelt werden.
  • Im folgenden wird deshalb die Installation und Funktion der Meß- und Regeltechnik beschrieben.
    Die Entlüftungsleitung 14 des Bodentankes 11 kann erfindungsgemäß für den Betrieb der Stufe 1 mit einer freien Öffnung zur Atmosphäre betrieben werden. Bei Verschließen der Öffnung mit einem Sicherheitsventil kann die Druckänderunq im Tank 11 gemessen werden. Hierzu dient die Druckmessung 19 (PIC), ausgeführt als Druckanzeige (PI) oder als Druckanzeige/kontrolle (PIC). Die Leitung 25 mit dem Ventil 26 ermöglicht den Druckausgleich des Tankes 11 mit der Umgebung.
    Bei bestehenden Anlagen kann zur Absicherung des Betriebspersonal eine Druckanzeige z.B. als U-Rohr Manometer und das Ventil 26 als Handventil ausgeführt werden, das bei Druckunterschieden zur Umgebung geöffnet wird, bevor die Flanschanschlüsse am Tank 11 geöffnet werden.
    Die kontinuierliche Messung kann mittels eines Drucktransmitter z.B. der Fa. Rosemount erfolgen. Ein Strom von 4 bis 20 mA (Milliampere) ist das Maß für den Druckunterschied zur Umgebung. Über den Regler 27 kann das Meßsignal verarbeitet werden und das Ventil 26 bei einer Ausführung als Regelventil angesteuert werden.
    Bei einem bestimmten Signal von dem Regler 27 kann der Druckausgleich über die Leitung 25 mit der Atmosphäre hergestellt werden.
    Auf der Tankstelle ist der Bedarf, die mechanische Funktion zu überwachen. Über die Druckanzeige (PI) z.B. auf einem Bildschirm als Digitalwert ist es dem Betriebspersonal möglich, die Funktion der Gasrückführung (Stufe 2) fortlaufend zu kontrollieren. Bei der idealen Gasrückführung bleibt nämlich der Skalenwert über die Dauer des Tankvorganges konstant, also er ändert sich nicht.
    Auf der Tankstelle ist der Bedarf, die Absaugleistung der Pumpe 8 zu kontrollieren. Bei einem Auftreten von überschüssigem Volumen infolge der Gasrückführung der Stufe 2 bildet sich in dem geschlossenen Tank 11 ein Überdruck aus. Dieser Druckanstieg ist eindeutig definierbar. Kleine Druckunterschiede können exakt gemessen werden. Der Druckanstieg ist eine reine Funktion der zusätzlichen zugeführten Luftanteile und der gegebenen Sättigung des Benzindampf-/Luftgemisches aus dem Tank 10.
  • Für den Druckanstieg in dem geschlossenen Tank 11 bzw für den Partialdruckanteil des überschüssigen Gasgemisch gilt nach DALTON: V ∗ (delta) p = ( m i ∗ R i + m b ∗ R b ) T ;
    Figure imgb0013
  • Für die Volumenentwicklung im offenen Tank 11 bzw für das tatsächliche Volumen des überschüssigen Gasgemisch bei Atmosphärendruck gilt nach DALTON: ​ (delta) V ∗ p = ( m i ∗ R i + m b ∗ R b ) T ;
    Figure imgb0014
  • In beiden Gleichungen ist die rechte Seite identisch, somit gilt für die Umrechnung der Druckdifferenz bei einem geschlossenen System in die Volumenentwicklung eines offenen System: ​ (delta) V = V ∗ (delta) p / p ;
    Figure imgb0015
  • Das Volumen V ist der Freeboard im geschlossenen Tank 11. Die Druckdifferenz (delta)p wird über einen bestimmten Zeitraum gemessen, in welchem eine bekannte Benzinmenge getankt wurde. Der Druck p ist der barometrische Gesamtdruck des Gases. Die gezeigte Abhängigkeit gilt in gleicher Weise für negative Druckänderungen, d.h. für eine unzureichende Gasrückführung. Die errechnete Differenz (delta)V kann in das Verhältnis zu der bei 6 angezeigten Kraftstoffmenge gesetzt werden. Der Quotient (delta)V / FIR * 100 ist die Abweichung der Volumenrate von der idealen Volumenrate von 100 %.
  • Auf der Tankstelle ist der Bedarf, wiederkehrend Kontrollen durchzuführen zu lassen. Das durch die Druckmessung einfache Meßverfahren ist speziell für die erstmalige und wiederkehrende Kontrolle der Installation auf den Tankstellen geeignet. Diese Kontrollen werden gemäß der 21. BImschV (Bundesimmissionsschutz Verordnung) notwendig.
    Auf der Tankstelle ist der Bedarf, die Gasmenge sehr genau im Tank-betrieb einzustellen. Durch die Verwendung dieses einfachen Meßprinzipes ist es möglich, bei der Inbetriebsetzung der Anlage die rückgeführte Gasmenge richtig einzustellen und den Funktionsnachweis gemäß § 6 der Verordnung zu erbringen.
    Ein ansteigender Druck in der Leitung 14 zeigt, daß eindeutig nicht zu wenig Gas zurückgeführt wird. Ein negativer Druckgradient zu Beginn einer Messung ist demnach ein Hinweis, daß die Emissionen an der zapfpistole durch eine erhöhte Absaugleistung verringert werden können.
    Die Anpassung der Gasmengen und die einheitliche Einstellung der Volumenmenge ist durch das Stellventil 9 in der Leitung 3 möglich.
    Die Genauigkeit der Druckmessung hängt von dem gewählten Meßbereich ab und nach Gleichung (6) von dem Freiraumvolumen V im Tank 11 ab. Die Abweichung des Betriebsdruck in dem Tank 11 von dem Umgebungsdruck kann z.B. den gewünschten kleinen Meßbereich von 2 bis 5 mbar für die Druckmessung überschreiten. Für diesen Betriebsfall ist ein alternativer Meßaufbau in der Entlüftungsleitung 14 an dem Flansch 28 eingezeichnet.
    Als Anschlußflansch in bestehenden Installationen kann auch einer der Flansche im Domschacht für die Gaspendelung der Stufe 1 oder der Flansch 17 für den Meßstab verwendet werden. Der Meßaufbau besteht aus einem Meßbehhälter 29, der zwischen 2 Ventile 31 und 32 in die Leitung 30 eingebaut ist.
    Bei einer Messung des Druckverlaufes ist das Ventil 32 zur Umgebung geschlossen und die Verbindung zum Tank 11 zunächst geöffnet. Der Anschluß der Druckmessung 33 erfolgt auf beiden Seiten des Ventiles 31. Bei Beginn einer Messung wird dieses Ventil 31 geschlossen und die Druckabweichung (PIR) von dem Ausgangszustand kann gemessen und z.B. als Dokument ausgedruckt werden.
    Der Bedingungen im Meßbehälter 29 sollten möglichst konstant bleiben. Eine Ausführung in zylindrischer Form aus Glas oder Metall ist möglich.
  • Auf der Tankstelle ist der Bedarf für wiederkehrende Dichtheitsprüfungen. Mit der vergleichenden Druckmessung in der Leitung 30 ist es möglich, die vorgeschriebenen Dichtheits-kontrollen in der Tankanlage durchzuführen. Die Druckabnahme ist nach Gleichung (6) das Maß für die Leckagemengen.
  • Die vorstehend beschriebene Druckmessung Pi oder Druckregelung PIC kann auch für die Behandlung der überschüssigen Gasmengen während der Stufe 0 verwendet werden.
    Das während der Stufe 2 zurückgeführte Gas bewirkt im Tank 11 durch den Gehalt an Inerten eine Verdünnung der Benzindämpfe. Im Verlaufe der Stufe 0 kommt es zu einer Nachverdampfung mit einem weiteren Druckanstieg im geschlossenen System. In diesem Fall kann die Überdruckregelung das Ventil 26 öffnen oder in einer längeren Pause über Nacht kann es generell geöffnet sein. Der unkontrollierte Austritt der Dämpfe im Erdbereich kann hierdurch vermieden werden.
    Diese Fragen der Emissionsverlagerung durch die Rückführung der benzindampf-haltigen Luft wurde auch in dem Prüfverfahren, Kap. 5, nach dem Stand der Technik untersucht. Die überschüssigen Dämpfe werden hier in einem Folienbeutel mit einem Fassungsvermögen von 90 l aufgefangen.
    Diese Meßmethode hat den Nachteil, daß während der Messung weder das Volumen noch der Gesamtdruck konstant bleibt, und daß die Druckänderung über die Dauer der Messung nicht gemessen wird. Das Füllen des Folienbeutel bedingt aber aus mehreren Gründen eine Drucksteigerung im Erdtank:
    • 1. die Verdrängungsarbeit zum Aufblasen gegen die Atmosphäre,
    • 2. das Eigengewicht der Folie, welche auf das Gasvolumen in der Folie einwirkt,
    • 3. der Einfluß des Winddruckes (Staudruck) auf der Folie,
    • 4. der dynamische Anteil der Fällgeschwindigkeit.
  • Die Volumenmessung im Folienbeutel nach dem Stand der Technik ist also durch eine Druckmessung gemäß der Erfindung zu ergänzen. Die wirkliche Volumenzunahme im Erdtank kann dann mit Hilfe der Gleichung (6) nach Anspruch 16 zuzüglich dem Volumen in dem Folienbeutel berechnet werden.
  • Das Prüfverfahren nach dem Stand der Technik berücksichtigt also bei den Messungen an der zapfpistole und bei den Messungen am Entlüftungsmast die Bedingungen im Bodentank nicht in dem Maße, um die Vorsorge vor schädlichen Umwelteinwirkungen zu erfüllen.
  • Auf der Tankstelle ist der Bedarf, zukünftig die zurückgeführte Gasmenge zu regeln. Die Druckaufzeichnungen in Fig. 1 über den Tankvorgang für die TÜV geprüfte Anlage fallen so stark ab, daß man vermuten kann, daß in dem wirklichen Tankbetrieb noch andere Einflüsse, das zurückgeführte Gasvolumen beeinflussen, die mit dem Prüfverfahren nach dem Stand der Technik nicht zu erkennen sind.
    Die beschriebene Anlage der Fa. Scheidt & Bachmann arbeitet mit einer zentralen Vakuumpumpe, die ständig in Betrieb ist. In den Ruhepausen zwischen den Tankvorgängen wird die Pumpe durch die Reibungsverluste erheblich aufgeheizt. Die als latente Wärme in der Pumpe gespeicherte Wärmeenergie heizt das bei Beginn der Stufe 2 eintretende Gas erheblich auf, wodurch der zu fördernde Volumenstrom in der Pumpe bis zu 20 % zunimmt. Die Pumpe hat aber ein konstantes Fördervolumen, sodaß die am Tankstutzen abgesaugte Menge zu klein ist und der Unterdruck am Saugstutzen der Pumpe zusammenbricht. Bei längerem Betrieb oder mehreren Tankvorgängen hintereinander kühlt sich die Pumpe ab und das effektive Fördervolumen steigt an.
    Die untersuchte, zentrale Gaspumpe hat also eine instationäre Fördercharakteristik, die zu Beginn des Tankvorganges zu wenig Förderleistung bringt. Ein Fehler, der mit dem Prüfverfahren nach dem Stand der Technik nicht feststellbar ist. Er zeigt aber, daß die ideale Gasrückführung bei bestimmten Systemen nur durch eine Regelung zu erreichen ist.
    Aus diesem Grund wird in Fig. 3 eine Möglichkeit aufgezeigt, um die Druckmessung als Istwert für eine Regelung der Gasmenge zu verwenden. Hierzu ist in die Sammelleitung 7 ein Regelventil 18 eingebaut. Dieses Ventil wird von dem Regler 27 gespeist. Bei einem Druckanstieg wird zur Reduzierung des Volumenstromes der Druckverlust im Stellventil 18 erhöht. Bei einem Druckabfall wird durch entsprechendes Öffnen des Ventiles der Druckverlust in der Leitung 7 reduziert.
  • Auf der Tankstelle ist der Bedarf, die überschüssigen Volumen zu reinigen.
    Die vorstehende Beschreibung der Erfindung zeigt, daß die schädlichen Umwelteinwirkungen durch die überschüssigen Gasvolumen entstehen. Eine ganzheitliche Betrachtung der Volumenbildung auf einer Tankstelle ausgehend von dem Tankvorgang und dem Zustand im Pkwtank bis zur Benzinlieferung mit dem Zustand in dem Tanklastzug (Tkw) ist deshalb von Interesse. Die folgenden Ausgangsbedingungen sind nach Fig. 2 realistisch:
    Pkw Temperatur 10 °C Dampfdruck 0,15 bar
    Tkw Temperatur 30 °C Dampfdruck 0,5 bar
    Nach Gleichung (4) ergibt sich für V2 = 1,82 V1;
    Das überschüssige Volumen ist also 82 % der getankten Kraftstoffmenge. Zur Vermeidung von nicht erkannten Schäden ist es also wichtig, unter Beachtung der staatlichen Verordnungen das Volumen richtig in die Atmosphäre abzuführen. Erfindungsgemäß ist auch eine weitergehende Reinigung des überschüssigen Volumen möglich. Nach den Merkmalen des Anspruch 29 erfolgt diese Reinigung durch eine Wäsche der benzindampf-haltigen Gase mit Dieselkraftstoff.
    Dieselkraftstoff hat bei 20 °C einen Dampfdruck um 5,5 mm WS. Dies bedingt einen Kohlenwasserstoffanteil von 4 g/m3. Der Dieselkraftstoff ist für die Benzindämpfe das Lösungsmittel, sodaß das Benzin bis auf einen Restgehalt von 10 bis 20 g/m3 ausgewaschen werden kann. Die Aufgabe der Dämpfe erfolgt über die Leitung 25 von unten in den Wäscher. Die gereinigten Gase können dem Tank für Dieselkraftstoff zugeführt werden. Die Waschflüssigkeit wird von oben dem Wäscher zugeführt. zum Erreichen der notwendigen Trennstufenzahl von 5 wird in den Wäscher eine geordnete Packung eingebaut. Die Bauhöhe der Packung liegt im Bereich von 1 m. Die Waschflüssigkeit wird dem Tank für Dieselkraftstoff entnommen und diesem auch wieder zugeführt. Ein möglicher Platz für einen Aufstellungsort ist bei der Entlüftungsleitung 14. Die Ausführung eines derartigen Wäschers ist in der deutschen Anmeldung DE 39 16 073 des Anmelders beschrieben.
    Zukünftige Entwicklungen können die Verwendung eines Bajonettverschlusses beim Tanken vorschreiben. Der überschüssige Volumenstrom kann dann über die Leitung 25 entweichen. Die Regelung in der Leitung ermöglicht eine kontrollierte weitere Behandlung.
    Mit dem neuen Verfahren ist es möglich, schädliche Umwelteinwirkungen auf Tankstellen mit Gasrückführung zu erkennen und die Tankanlagen umweltgerecht nach § 23 des BImschG (Bundes Immissionsschutz Gesetz) zu betreiben.
    Mit der beschriebenen Meßvorrichtung ist es möglich, auf unterschiedlichen Tankstellen die notwendigen Kontrollen wie Dichtheitsprüfung und Funktionsprüfung der Gasrückführung durchzuführen.
    Das Personal erhält die Möglichkeit, sich vor den schädlichen Gasen zu schützen.
    Die Tankstellenkunden können die gewünschte Information bekommen, wie weitere Emissionen durch regelmäßiges Volltanken vermieden werden können.
    Die Analytik auf Sauerstoff ermöglicht eine statistische Erfassung der Ausgangsbedingungen im leeren Pkwtank. Hierdurch konnten sich weitere Verbesserungen beim Betanken von Pkw ergeben.

Claims (35)

  1. Verfahren zur Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen auf Tankstellen mit einem Tanksystem mit Gaspendeleinrichtungen und zur kontrollierten Behandlung eines überschüssigen und für die Umwelt schädlichen Benzindampf-/Luftgemisches (Brüden), welches beim Lagern von Ottokraftstoffen, hier als Stufe 0 bezeichnet, infolge der zufuhr von nicht gesättigten Luftanteilen in der Tankatmosphäre entsteht und in bezug auf die Höher-Sieder wie Octan und Benzol übersättigt sein kann, und welches beim Befüllen des Lagertankes, als Stufe 1 bezeichnet, oder der Entnahme von Kraftstoff, als Stufe 2 bezeichnet, jeweils in Verbindung mit der Gaspendelung oder Gasrückführung anfällt,
    wobei die Tankstelle
    - eine Installation zur Rückführung der Brüden (Stufe 2) z.B. mit einer Gasabsaugung (3, 8, 9, 7) von dem Pkw-Tank (10) in das Tanksystem (11, 16),
    - eine Installation zur Überführung der Brüden (Stufe 1) z.B. mittels einer Gaspendelleitung (23) von dem Tanksystem (11, 16) zu dem Liefertank (12) und
    - eine schließbare Öffnung (14, 15; 25, 26; 28, 30, 31, 32) zur Ableitung von überschüssigen Brüden aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    - zur Überwachung von überschüssigen Brüden und zur Vermeidung eines unkontrollierten Freisetzens der Brüden,
    der Druck (19,33) im Tanksystem zeitweise oder permanent gemessen und damit ein Verlauf des Druckes bestimmt wird,
    - die auftretenden überschüssigen Brüden mittels der Druckmessung dokumentierbar festgestellt werden und
    - eine Öffnung für den Austausch von Brüden mit der Umgebung vorgesehen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmessung für die einzelnen Stufen 0, 1, und 2 bei einem Lagertank in einer gemeinsamen Meßstelle und bei mehreren Tanks, welche zu einem System verbunden sind, in einem Tank erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der entstehenden Brüden für die Stufe 2
    - die gasseitige Volumenentwicklung des durch das eingefüllte Benzin verdrängten Gasvolumen,
    - ausgehend von einem zustand 1 und einer Gaszusammensetzung in dem leeren Tank über dem Restbenzin,
    - bei einem Zustand 2 und nach der Sättigung über dem Benzin im Lagertank, berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
    - bei der physikalischen Betrachtung des Vorganges, das Verhalten der inerten Anteile berücksichtigt wird,
    - das Verhalten der inerten Anteile mit der allgemeinen Gasgleichung und dem Gesetz von DALTON beschrieben wird und
    - hieraus für die Volumenentwicklung die folgende Gleichung V (2) = V (1) ∗ p (i1) /p (i2) ∗ T (i2) /T (i1) ;
    Figure imgb0016
    abgeleitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck p(i) der Inerten über die meßtechnische Ermittlung der Luftanteile z.B. mittels Sauerstoffmessung und über die Berechnung nach der Gleichung p (i) = m (i) ∗ R (i) ∗ T (i) /V ;
    Figure imgb0017
     ermittelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Tankvorgang mit nicht vollständiger Befüllung des Tankes, auch die gasseitige Volumenentwicklung in demjenigen Teil des Tankes berücksichtigt wird, der nicht durch das eingefüllte Benzin ausgefüllt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse und Erkenntnisse aus dem Berechnungsverfahren für den praktischen Tankbetrieb verwendet werden und der Tankstellenkunde allgemein über eine Bedienungsanweisung auf die Möglichkeit der Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen mittels Volltanken verwiesen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssigen Brüden aus dem Betrieb der Stufe 2 und einem System mit Unterdruckunterstützung über eine Öffnung (20) an den nicht gasdichten Verbindung zwischen Zapfpistole und Fahrzeugtank in Austausch mit der Umgebung treten.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Betrieb der Stufe 1 in Bezug auf die überschüssigen Brüden
    - die Auswirkung der physikalisch unterschiedlichen Bedingungen über der Flüssigkeit (2) auf das ursprüngliche Gasvolumen über der Flüssigkeit (1) berücksichtigt wird und
    - der Umfüllvorgang in 2 Arbeitsprozessen ausgeführt wird,
    - dem eigentlichen Umfüllvorgang mit simultaner Gasrückführung und
    - dem Ausgleich der sich in den Tank (1) und (2) ändernden Atmosphäre mit der Umgebung.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Atmosphäre nach den physikalischen Gesetzen von DALTON,
    - bei der Annahme eines konstanten Druckes, als die Änderung des Volumens unter Berücksichtigung der Abhängigkeiten der Gleichung V 2 = V 1 (1 - p d1 )/(1 - p d2 ) (T 2 /T 1 ) ;
    Figure imgb0018
    - bei der Annahme eines konstanten Volumens
    als die Änderung des Druckes unter Berücksichtigung der Abhängigkeiten der Gleichung p g2 = (1 - p d1 )(T 2 /T 1 ) + p d2 ;
    Figure imgb0019
    ermittelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Beginn des Austausches mit der Umgebung über ein Steuerventil z.B. in der Entlüftungsleitung geregelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsleitung zur Vermeidung von großen Druck-schwankungen im Liefertank an diesen Tank (12) angeschlossen ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines gesundheitsschädlichen Brüdenaustritt zu Beginn und/oder zum Ende der Stufe 1 über die Anschlußöffnungen im Domschacht, jeweils vor Öffnen der Flanschverbindung in dem Erdtank ein Ausgleich des Druckes im Tanksystem mit dem Umgebungsdruck erfolgt und hierfür eine Öffnung für den Druckausgleich in der Entlüftungsleitung (25, 28) vorgesehen ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssigen Brüden aus dem Betrieb der Stufe 0 über das druckgesteuerte Stellventil (26) oder über eine permanente Öffnung in der Entlüftungsleitung abgeführt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des gewünschten Gasvolumen im Verlauf der Stufe 2 über die Druckmessung im Erdtank kontrolliert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Volumenbestimmung die Entlüftungsleitung z.B. mit einem Druckvakuumventil verschlossen wird,
    die Bestimmung der volumetrischen Überschüsse als Folge der Gaspendelung über eine Druckmessung in dem gasförmigen Tankvolumen erfolgt
    und die Volumendifferenz entsprechend der Gleichung ​ (delta) V = V ∗ (delta) p / p ;
    Figure imgb0020
    berechnet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 15 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß für eine volumengleiche Gasrückführung oder eine Volumenrate von 100 % der Sollwert der Druckänderung null ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 15 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung von kleinen Druckunterschieden an das Tanksystem oder Teile davon gasseitig ein zusätzlicher Meßbehälter (29) angeschlossen wird und nach dem Absperren der Verbindungsleitung (28, 30) der Druckverlauf gegenüber dem Meßbehälter bestimmt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Druckverlaufes für eine Dichtheitsprüfung verwendet wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf als Istwert für die mechanische Funktionskontrolle der Gasrückführung verwendet wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf als Istwert für die Kontrolle und Einstellung der Absaugleistung an der Zapfpistole verwendet wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf als Istwert für die Abnahmekontrollen und wiederkehrenden Kontrollen verwendet wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf als Istwert für die Regelung des zurückgeführten Gasvolumen (der Volumenrate) verwendet wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 1 - 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Betrieb von mehreren Zapfstellen und der Einstellung einer einheitlichen Volumenrate für jede Zapfstelle, die Volumenrate als Summe über ein Regelventil (18) in der Gasrückführleitung (7) geregelt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 19 - 24, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erstellung der Prüf- oder Abnahmeprotokolle der Druckverlauf graphisch aufgetragen wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Druckverlaufes zur Verbesserung der Volumenbestimmung mit dem Folienbeutel verwendet wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 1 - 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlauf als Istwert für die Regelung des überschüssigen Volumen bei der Stufe 0 oder Stufe 1 verwendet wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 1 - 27, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssigen Brüden zur Abscheidung der dampfförmigen Kohlenwasserstoffe einer Waschstufe zugeführt werden.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüden mit Dieselkraftstoff als Lösungsmittel gewaschen werden.
  30. Verfahren nach Anspruch 28 und Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigten Brüden und die verbrauchte Waschflüssigkeit dem Lagertank für Dieselkraftstoff zugeführt werden.
  31. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und nach einem der Ansprüche 19 - 30, im verlaufe des Betriebes der einzelnen Stufen 0, 1 und 2 auf Tankstellen mit Gasrückführeinrichtungen,
    zur Überwachung von überschüssigen Brüden und zur Vermeidung eines unkontrollierten Freisetzens der Brüden, durch eine zeitweise oder permanente Messung des Druckes im Tanksystem und eine Bestimmung des Verlaufes des Druckes im Tanksystem,
    zur Gewährleistung einer Öffnung für den Austausch von überschüssigen Brüden mit der Umgebung,
    zur Durchführung des Druckausgleiches im Erdtank mit der Umgebung, bestehend aus,
    einer verschließbaren Entlüftungsleitung (14, 15; 25; 28, 30) und einer Einrichtung zur Messung des Druckes (19, 33) im Tanksystem (11, 16), dadurch gekennzeichnet, daß
    - die Entlüftungsleitung (14, 15; 25; 28, 30) mit mindestens einem Absperrventil (26; 31) zur Messung von Druckänderungen bei einem konstanten Volumen verschließbar ist und für den Druckausgleich mit der Umgebung geöffnet werden kann,
    - die Messung des Druckes mittels eines Drucktransmitters kontinuierlich erfolgt, dessen Meßkopf an das Tanksystem (11, 16, 14, 28) angeschlossen ist und dessen Meßsignal über einen Strom von 4 bis 20 mA auf eine zugehörige Druckanzeige (PI - pressure indicating) übertragen wird
    - und Mittel vorgesehen sind, zur dokumentierbaren Feststellung des Verlaufes des Druckes.
  32. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 18 und zur Messung von kleinen Druckänderungen δp im Tanksystem bestehend aus,
    einer Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines konstanten Vergleichsvolumen gegenüber dem Volumen an der Meßstelle (19, 33) in die Entlüftungsleitung (30) nach dem Absperrventil (31) ein Meßbehälter (29) und nach diesem ein Absperrventil (32) eingebaut sind,
    der Meßkopf des Drucktransmitter (33) auf beiden Seiten des Absperrventil (31) angeschlossen ist,
    und nach einem Ausgleich der Volumen (14, 29) mit dem Schließen des Absperrventil (31) Druckänderungen mit einem kleinen Meßbereich meßbar sind.
  33. Vorrichtung zur Aufzeichnung (PIR) der Meßergebnisse nach Anspruch 25, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32 und einem Gerät zur Aufzeichnung (Drucker/Schreiber), dadurch gekennzeichnet, daß
    nach der elektronischen Weiterleitung des Meßsignales dieses graphisch auf einem Papier (Kurven A, B, C, D) aufzeichenbar und dokumentierbar ist.
  34. Vorrichtung zur Aufzeichnung (PIR) der Meßergebnisse nach Anspruch 25, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32 und einem elektronischen Datenspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß
    nach der elektronschen Weiterleitung des Meßsignales, dieses auf einem elektronischen Datenspeicher ablegbar ist.
  35. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei gleichzeitiger Beachtung spezieller sicherheitstechnischer Anforderungen, bestehend aus der Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Flammsperre in die Anschlußleitung vor dem Meßkopf als Explosionsschutz eingebaut ist.
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