EP1533675A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases für einen pneumatischen Regler eines Gas-Druckregelgerätes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases für einen pneumatischen Regler eines Gas-Druckregelgerätes Download PDF

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EP1533675A1
EP1533675A1 EP04027393A EP04027393A EP1533675A1 EP 1533675 A1 EP1533675 A1 EP 1533675A1 EP 04027393 A EP04027393 A EP 04027393A EP 04027393 A EP04027393 A EP 04027393A EP 1533675 A1 EP1533675 A1 EP 1533675A1
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EP
European Patent Office
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gas
pressure
inlet
regulator
vortex chamber
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EP04027393A
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English (en)
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EP1533675B1 (de
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Rudolf Fischer
Karl-Heinz Pflügler
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RMG Regel und Messtechnik GmbH
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RMG Regel und Messtechnik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V99/00—Subject matter not provided for in other main groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • F25B9/04—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect using vortex effect

Definitions

  • the invention relates to a method for heating the control gas for a pneumatic regulator of a gas pressure regulator and a Device for heating the control gas in the inlet pressure line to a pneumatic regulator of a gas pressure regulator, in particular to carry out the aforementioned method.
  • gas pressure regulators are used in gas pressure control systems, which work with auxiliary power, which is a pneumatic regulator assigned.
  • the controller is correlated to the main actuator Gas relaxation and thus the corresponding temperature reduction.
  • the risk of icing then exists when due to the relaxation of a gas due to the Joule-Thomsen effect the temperature of the gas drops sharply. It is true that with a pressure reduction of 1 bar a decrease in temperature by approx. 0.4 ° K is connected.
  • the dew point of the gas can become methane crystals form, which disturb the function in particular of the controller. It exists but not only the danger of the aforementioned blockage of the Nozzle or the flow channels in the controller, but rather causes a strong Cooling of the gas, and thus of the components, also a negative impact on the elasticity behavior of the comparator membranes. This is synonymous with unwanted major deviations.
  • the invention is therefore based on the object, a method and a To provide device of the type mentioned, with the Preheating the gas flow to the controller out in a cheaper way can be accomplished.
  • the object is achieved according to the method thereby solved that after the Ranque-Hilsch effect in a cylindrical Vortex chamber tangentially inflowing gas in particular with supercritical pressure gradient is different in two gas streams Temperature divides, wherein the warmer of the two gas streams through a Heat exchanger heated the control gas for the pneumatic controller.
  • supercritical means that the absolute Gas pressure before entering the vortex chamber is about twice as high as the absolute pressure behind the vortex chamber.
  • the device for heating the control gas in the inlet pressure line to the pneumatic regulator of a gas pressure regulator in particular for carrying out the method according to the invention is characterized through a housing with a cylindrical vortex chamber with a Inlet for the tangential inflow of the inlet pressure gas with a Pressure drop off, and at least one outlet for the warm and at least one further outlet for the cold gas, and a the Vortex chamber surrounding forming a gap space Heat exchanger, wherein the gap space at least one input port and at least one output port for the control gas for the having pneumatic regulator.
  • the pressure gradient is supercritical.
  • the so-called Ranque effect arises in a vortex tube or in a Hilsch tube.
  • the inlet for tangential inflow of the gas in the head area, ie at the upper end of the cylindrical Whirl chamber is arranged, wherein the warm gas outlet in the foot area, that is, at the opposite end to the inlet of the Input pressure gas is provided in the vortex chamber.
  • the cold gas outlet in the front of the cylindrical vortex chamber located at the opposite end too the warm gas outlet is arranged.
  • the cold gas outlet centric in the face of the cylindrical Swirl chamber is located around the center in the vortex chamber ascending Cold gas can flow out.
  • the hot gas outlet is through a throttle changeable in its cross section, wherein a correlation between the introduced gas volume and that through the cold gas outlet and the hot gas outlet emitted volume flow. Accordingly, the inlet for the input pressure gas in the Eddy chamber variable.
  • this throttle has a center with the tip in the Vortex chamber projecting cone, the cone not only the Change of the cross section serves, but beyond that Distribution of the gas flow into the cold and hot gas flows influenced.
  • the aperture on the cold gas side is variable to different in to be able to process the vortex chamber inflowing gas quantities.
  • the gap space has at least one Inlet opening and at least one outlet opening for the control gas for the pneumatic regulator. It is essential that the entrance and the Output opening for the control gas in each case to the opposite Ends of the cylindrical vortex chamber are arranged to make one possible sweep the large area of the heat exchanger through the heated gas to let and to the temperature gradient in the vortex chamber optimal exploit because the temperature of the gas in the range of gasauslasses is highest.
  • the invention is also the control of the supply of heated control gas to the controller.
  • a valve to the inlet in the vortex chamber especially in the line arranged a valve to the inlet in the vortex chamber. Is advantageous if through the valve the inlet for the inlet pressure gas in the Vortex chamber is opened before the pneumatic regulator control gas requests. That is, the device for heating the control gas gets a certain flow to the regulator from the beginning with hot gas to supply.
  • shut-off valve in the line to the Inlet into the vortex chamber a shut-off valve is arranged.
  • This Shut-off valve is operated manually, that is, whenever the Regulator is activated, the shut-off valve is opened.
  • a switching valve is at Beginning change of the setting pressure of the pneumatic regulator driven.
  • the switching valve is designed so that it through the signal pressure is opened before the gas pressure regulator by the pneumatic regulator is put into operation.
  • This has the advantage that the device for heating the control gas automatically with their Activity begins, and that setpoint changes to the pneumatic Regulator no readjustment of the setpoint upstream Control valve, as is the case with variant two, so that the closing pressure of the plant exclusively from the pneumatic Controller is determined.
  • the housing is in two parts with a Housing head and a housing sump is formed, wherein housing head and housing body are thermally separated to allow cooling of the Hull through the head, which has the Kaltgasabströmtechnisch to prevent. It turns out that when the hull is frozen the function of the device is not guaranteed.
  • the housing sump has an axially extending second gap space on, which is arranged approximately semicircular in the housing base. At the the lower end is connected to the warm gas outlet, at the upper end It ends in a line that leads to the cold gas line.
  • Figure 1 shows the basic principle of a vortex tube or Hilsch tube called;
  • the tangential inflow of the gas is characterized can be seen by the arrow 1 in the cylindrical vortex chamber 30, wherein the tangentially flowing gas stream into an outer gas stream, characterized by the arrows 3, and an inner ascending Gas flow, characterized by the arrows 4, divides.
  • the ascending inner cold gas flow, characterized by the arrows 4, is out of the Vortex tube 2, led out according to the arrow 5, whereas the Warmgasanteil led out of the vortex tube according to the arrow 6 becomes.
  • the cone designated 51 promotes the division of the imported tangential gas flow in the cold gas and the warm gas stream.
  • FIGS 2 to 4 show both the Device 10 for heating the control gas, as well as the pneumatic regulator 15 and the actuator 40 as part of the gas pressure control system.
  • FIG. 2 The circuits shown in Figures 2 to 4 differ in the Essentially only by the arrangement of a shut-off valve in the Input pressure line (Fig. 2), a control valve (Fig. 3) or a Switching valve in the inlet pressure line (Fig. 4).
  • the check valve 25 In the input pressure line 22 is the check valve 25, by means of which the volume the gas flow into the cylindrical vortex chamber 30 of the housing 11th is controlled.
  • the into the cylindrical vortex chamber 30 through the input pressure line 22 tangential inflowing gas stream divides accordingly the description of FIG. 1 in a centrally rising cold gas stream 4 and a concentrically discharged hot gas stream 5.
  • the cold gas stream 4 is through the cold gas outlet 27 a and 27 Kaltgasabströmtechnisch the Main line 20 fed behind the actuator 40.
  • the throttle 50 includes an adjustable cone 51, in collaboration with the cylindrical shell 32 of the vortex chamber 30 forms a gap 52 through the concentrically guided hot gas through the outlet 35a through the Warmgasabströmtechnisch 35 turn the main line 20 after the Actuator 40 is supplied.
  • the vortex chamber 30 is formed radially by the cylindrical shell 32; this cylindrical jacket 32 in conjunction with the gap 33 is part of the heat exchanger 34.
  • the inlet opening 23a through the Steuergaszuströmtechnisch 23 Through the inlet opening 23a through the Steuergaszuströmtechnisch 23, the supply of the control gas in the Gap space 33.
  • the wall 32 of the heat exchanger 34 is replaced by the Warm gas stream 5 is heated.
  • the through the conduit 23 into the gap 33rd inflowing control gas is in the gap 33 by the hot gas flow 5 in the vortex chamber is heated and is finally through the output port 37a supplied to the controller 15 through the control gas discharge line 37.
  • the regulator 15 finds a splitting of the through the control gas discharge 37th supplied heated control gas inasmuch as a part of the Gas flow through the control pressure line 41 is supplied to the actuator 40, wherein the remaining part of the control gas 15 supplied to the control by the Outflow line 42 of the main line 20 behind the actuator 40 is supplied becomes.
  • the regulator 15 itself is through a measuring line 43 to the main line 20 connected behind the actuator 40.
  • the operation of the device for heating the control gas is now such that the start-up of the regulator, the shut-off valve 25 is opened, with the result that the controller 15 is supplied with warm control gas, so at work of the actuator and thus a gas relaxation formation of To prevent methane crystals in the controller 15.
  • the hot gas line 35 is guided as a double tube around the Kaltgasabströmtechnisch to heat the Kaltgasabströmtechnisch from the outside.
  • FIG. 3 differs essentially from the 2 only by the connection of a control valve 60 in the Input pressure line 22.
  • the same Objects also carry the same reference numerals.
  • the upstream of the device 10 for heating the control gas Control valve 60 is set to a set point that is slightly higher than the setpoint of the pneumatic regulator 15. As soon as the outlet pressure on the setpoint of this control valve 60 has dropped, it opens in it integrated valve 67 and takes the device 10 in operation. If now the Output pressure drops further and the pneumatic controller 15 in function takes, this is supplied with the through the line 37 to the controller supplied heated control gas.
  • the upstream control valve 60 is now fully open; the pending before the pressure reducer 60 in the line 21 Input pressure is fully in the cylindrical vortex chamber 30th directed. In complete decommissioning of the pressure control system is running System to a closing pressure from the upstream control valve 60th is determined.
  • FIG. 4 differs from that of FIG according to Fig. 2 or 3 in that the device 10 for heating the Control gas, the switching valve 70 is connected upstream. Also in terms of the Representation of FIG. 4 holds that the same objects same Reference numerals as in FIGS. 2 and 3 have.
  • the device 10 is preceded by the switching valve 70.
  • This switching valve 70 is characterized by a beginning Stelldruck basicung the pneumatic regulator 15 by the pressure in the control pressure line 41st driven.
  • the drive 71 of the switching valve 70 is on the closing side 72nd from the outlet pressure in the main line 20 behind the actuator 40 and from the force of the closing spring 73 acted upon.
  • the opening side 74 of Drive 71 of the switching valve 70 is connected by the control pressure line 41 the pneumatic regulator 15 in connection. Is the gas pressure regulator out of service, the pressure in the control pressure line 41 is equal to the Outlet pressure, d. H. the pressure in the main line 20 behind the actuator 40.
  • the actuator 76 in the switching valve 70 is by the force of the closing spring 73 closed.
  • the starting pressure build-up opens the actuator 76 in Switching valve 70 and takes the device for heating the control gas in function.
  • the switching valve 70 is designed so that it by the Signal pressure is opened before the actual gas pressure regulator over the pneumatic regulator 15 is put into operation.
  • the expanded gas is a Achieve temperature resulting from the Joule-Thomsen effect.
  • the Measurement of the output pressure for the pneumatic controller 15 takes place via the line 43. Consequently, at the measuring point 27 no icing enter, is the controller 15 through the line 42 outflowing control gas discharged through this measuring line 43.
  • FIGS. 6 and 7 show an embodiment according to FIG. 2, in which the exiting from the outlet 35a hot gas still to heat the Housing body 11 b is used. That is, the according to Figure 2 in Foot area arranged hot gas line 35 is located at the Embodiment according to Figures 6 and 7 immediately below Housing head 11a as a hot gas line 35b.
  • To warm up the Housing body as a connection between outlet 35a and the Hot gas line 35b is an axially extending second gap space 12th provided, which extends over part of the lateral surface of the housing body 11b extends. That is, the gap is roughly semicircular, so that the largest possible surface for heat dissipation exists (FIG 7). It has been found that this also the icing of the Housing 11, and in particular of the housing sump 11 b, avoided can be.
  • this is achieved by switching valve 70 the line 21 supplied gas in the housing of the vortex chamber 30th heated.

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Abstract

Verfahren zur Erwärmung des Steuergases für einen pneumatischen Regler (15) eines Gas-Druckregelgerätes, wobei nach dem Ranque-Effekt ein in einer zylindrischen Wirbelkammer (30) tangential einströmendes Gas mit Druckgefälle sich in zwei Gasströme (4, 5) unterschiedlicher Temperatur aufteilt, wobei der wärmere (5) der beiden Gasströme durch einen Wärmetauscher (34) das Steuergas für den pneumatischen Regler (15) erwärmt und eine Vorrichtung (10) zur Erwärmung des Steuergases in der Eingangsdruckleitung zu einem pneumatischen Regler (15) eines Gas-Druckregelgerätes, insbesondere nach Anspruch 1, umfassend ein Gehäuse (11) mit einer zylindrischen Wirbelkammer (30) mit einem Einlass (22a) zum tangentialen Einströmen des Eingangsdruckgases mit einem überkritischen Druckgefälle und mindestens einem Auslass (35a) für das Warm- und mindestens einem weiteren Auslass (27a) für das Kaltgas, sowie einem die Wirbelkammer (30) unter Bildung eines Spaltraumes (33) umgebenden Wärmetauschers (34), wobei der Spaltraum (33) mindestens eine Eingangsöffnung (22a) und mindestens eine Ausgangsöffnung (37a) für das Steuergas für den pneumatischen Regler (15) aufweist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung des Steuergases für einen pneumatischen Regler eines Gas-Druckregelgerätes sowie eine Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases in der Eingangsdruckleitung zu einem pneumatischen Regler eines Gas-Druckregelgerätes, insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Häufig werden in Gas-Druckregelanlagen Gas-Druckregelgeräte eingesetzt, die mit Hilfsenergie arbeiten, denen also ein pneumatischer Regler zugeordnet ist. Im Regler erfolgt eine zu dem Hauptstellglied korrelierende Gasentspannung und damit auch die entsprechende Temperaturabsenkung. Anders als beim Stellgerät sind allerdings im Regler relativ kleine Düsen und Strömungskanäle vorhanden, die eine deutlich höhere Anfälligkeit bezüglich des Verstopfens durch Methankristalle (Hydrate) aufgrund von Vereisung aufweisen, als das Stellgerät selbst. Die Gefahr der Vereisung besteht dann, wenn aufgrund der Entspannung eines Gases sich aufgrund des Joule-Thomsen-Effekts die Temperatur des Gases stark absenkt. Hierbei gilt, dass mit einer Druckabsenkung von 1 bar eine Temperaturabsenkung um ca. 0,4°K verbunden ist. Unterschreitet die Gastemperatur hinter dem Entspannungsorgan den Taupunkt des Gases, können sich Methankristalle bilden, die die Funktion insbesondere des Reglers stören. Es besteht allerdings nicht nur die Gefahr der bereits zuvor genannten Verstopfung der Düsen bzw. der Strömungskanäle im Regler, vielmehr bewirkt eine starke Abkühlung des Gases, und damit der Bauteile, auch einen negativen Einfluss auf das Elastizitätsverhalten der Vergleichermembranen. Dies ist gleichbedeutend mit unerwünschten größeren Regelabweichungen.
Um den oben genannten Nachteilen zu begegnen, wird vielfach in die Eingangsdruckleitung des Reglers ein elektrischer Vorwärmer integriert, der den zum Regler führenden Gasstrom aufheizt. Die elektrische Vorwärmung des Steuergases in der Eingangsdruckleitung des Reglers stellt die Funktionstüchtigkeit des Reglers sicher. Allerdings ist dieses Verfahren energieaufwändig und damit teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Vorwärmung des Gasstromes zum Regelgerät hin auf preiswertere Weise bewerkstelligt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend dem Verfahren dadurch gelöst, dass nach dem Ranque-Hilsch-Effekt ein in eine zylindrische Wirbelkammer tangential einströmendes Gas insbesondere mit überkritischem Druckgefälle sich in zwei Gasströme unterschiedlicher Temperatur aufteilt, wobei der wärmere der beiden Gasströme durch einen Wärmetauscher das Steuergas für den pneumatischen Regler erwärmt. Überkritisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der absolute Gasdruck vor dem Einlass in die Wirbelkammer etwa doppelt so hoch ist, wie der absolute Druck hinter der Wirbelkammer.
Die Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases in der Eingangsdruckleitung zu dem pneumatischen Regler eines Gas-Druckregelgerätes, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich erfindungsgemäß durch ein Gehäuse mit einer zylindrischen Wirbelkammer mit einem Einlass zum tangentialen Einströmen des Eingangsdruckgases mit einem Druckgefälle aus, und mindestens einem Auslass für das Warm- und mindestens einem weiteren Auslass für das Kaltgas, sowie einem die Wirbelkammer unter Bildung eines Spaltraumes umgebenden Wärmetauschers, wobei der Spaltraum mindestens eine Eingangsöffnung und mindestens eine Ausgangsöffnung für das Steuergas für den pneumatischen Regler aufweist. Vorteilhaft ist das Druckgefälle überkritisch. Der sogenannte Ranque-Effekt entsteht in einem Wirbelrohr bzw. in einem Hilsch-Rohr. In einem Rohr, in das durch eine Düse tangential Luft oder ein anderes Gas unter einem Druck von einigen bar geblasen wird, entsteht ein Wirbel um die Rohrachse, der im Kern kalt und außen warm ist. Das kalte Gas lässt man neben der Düse über eine Blende abströmen; der warme Anteil entströmt dem anderen Ende des Rohres. Durch die Ausnutzung des Ranque-Effektes unter Verwendung des Hilsch-Rohres lässt sich somit ein warmer Gasstrom erzeugen, der dem Regler über die Eingangsdruckleitung zugeführt wird, und der im Regler zuverlässig die Bildung von Methan-Kristallen verhindert und darüber hinaus den Regler auf Betriebstemperatur hält.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Varianten sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Einzelnen ist vorgesehen, dass der Einlass zum tangentialen Einströmen des Gases im Kopfbereich, also am oberen Ende der zylindrischen Wirbelkammer angeordnet ist, wobei der Warmgasauslass im Fußbereich, das heißt am entgegengesetzten Ende zu dem Einlass des Eingangsdruckgases in der Wirbelkammer vorgesehen ist. Hierbei ist weiterhin vorgesehen, dass sich der Kaltgasauslass in der Stirnseite der zylindrischen Wirbelkammer befindet, die am entgegengesetzten Ende zu dem Warmgasauslass angeordnet ist. Hierbei ist weiterhin vorgesehen, dass sich der Kaltgasauslass zentrisch in der Stirnseite der zylindrischen Wirbelkammer befindet, um das mittig in der Wirbelkammer aufsteigende Kaltgas abströmen zu können.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Warmgasauslass durch eine Drossel in seinem Querschnitt veränderbar, wobei eine Korrelation zwischen dem eingeführten Gasvolumen und dem durch den Kaltgasauslass und dem Warmgasauslass abgegebenen Volumenstrom besteht. Entsprechend ist auch der Einlass für das Eingangsdruckgas in die Wirbelkammer veränderlich.
Im Einzelnen weist diese Drossel einen mit der Spitze mittig in die Wirbelkammer ragenden Konus auf, wobei der Konus nicht nur der Veränderung des Querschnitts dient, sondern darüber hinaus auch die Aufteilung des Gasstromes in den Kalt- und den Warmgasstrom beeinflusst. Auch die Blende auf der Kaltgasseite ist veränderlich, um unterschiedliche in die Wirbelkammer einströmende Gasmengen verarbeiten zu können.
Wie bereits an anderer Stelle erörtert, besitzt der Spaltraum mindestens eine Eingangsöffnung und mindestens eine Ausgangsöffnung für das Steuergas für den pneumatischen Regler. Wesentlich ist, dass die Eingangs- und die Ausgangsöffnung für das Steuergas jeweils an den entgegengesetzten Enden der zylindrischen Wirbelkammer angeordnet sind, um eine möglichst große Fläche des Wärmetauschers durch das erwärmte Gas überstreichen zu lassen und um das Temperaturgefälle in der Wirbelkammer optimal auszunutzen, da die Temperatur des Gases im Bereich des Wärmegasauslasses am höchsten ist.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls die Steuerung der Zufuhr von erwärmtem Steuergas zum Regler. Insofern ist insbesondere in der Leitung zu dem Einlass in die Wirbelkammer ein Ventil angeordnet. Vorteilhaft ist, wenn durch das Ventil der Einlass für das Eingangsdruckgas in die Wirbelkammer geöffnet wird, bevor der pneumatische Regler Steuergas anfordert. Das heißt, dass die Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases einen gewissen Vorlauf erhält, um den Regler von Beginn an mit Warmgas zu versorgen.
Nach einer ersten Variante ist vorgesehen, dass in der Leitung zu dem Einlass in die Wirbelkammer ein Absperrventil angeordnet ist. Dieses Absperrventil wird händisch betätigt, das heißt, dass immer dann, wenn der Regler aktiviert wird, das Absperrventil geöffnet wird.
In einer anderen zweiten Variante ist in der Leitung zu dem Einlass in die Wirbelkammer ein pneumatisches Steuerventil angeschlossen. Um eben jenen Vorlauf der Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases zu gewährleisten, ist der Solldruck zum Öffnen des Steuerventils höher, als der Sollwert des Druckes des pneumatischen Reglers der Gas-Druckregelanlage.
Nach einer weiteren dritten Variante ist in der Leitung zu dem Einlass in die Wirbelkammer ein Schaltventil angeordnet. Dieses Schaltventil wird bei beginnender Änderung des Stelldrucks des pneumatischen Reglers angesteuert. Das heißt, dass das Schaltventil so ausgelegt ist, dass es durch den Stelldruck geöffnet wird, bevor das Gas-Druckregelgerät durch den pneumatischen Regler in Betrieb genommen wird. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases automatisch mit ihrer Tätigkeit beginnt, und dass Sollwertänderungen an dem pneumatischen Regler keine Nachjustierung des Sollwertes dem vorgeschalteten Steuerventils erforderlich machen, wie dies bei der Variante zwei der Fall ist, so dass der Schließdruck der Anlage ausschließlich vom pneumatischen Regler bestimmt wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Gehäuse zweiteilig mit einem Gehäusekopf und einem Gehäuserumpf ausgebildet ist, wobei Gehäusekopf und Gehäuserumpf thermisch getrennt sind, um eine Abkühlung des Rumpfes durch den Kopf, der die Kaltgasabströmleitung aufweist, zu verhindern. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei vereisendem Rumpf die Funktion der Vorrichtung nicht gewährleistet ist.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das durch den Warmgasauslass abströmende Gas noch zur Erwärmung des Gehäuserumpfes verwendet wird. Hierbei weist der Gehäuserumpf einen sich axial erstreckenden zweiten Spaltraum auf, der in etwa halbkreisförmig im Gehäuserumpf angeordnet ist. Am unteren Ende ist er mit dem Warmgasauslass verbunden, am oberen Ende mündet er in eine Leitung, die zur Kaltgasleitung führt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass auch das dem Schaltventil zugeführte Eingangsgas durch das Gehäuse erwärmt wird, da es auch im Schaltventil zu einer Gasentspannung mit der Gefahr der Vereisung kommt. Einer solchen Vereisung wird vorgebeugt, wenn dem Schaltventil erwärmtes Gas zugeführt wird.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
Fig. 1
veranschaulicht das Grundprinzip eines Wirbelrohres bzw. einer Wirbelkammer;
Fig. 2
zeigt die Vorrichtung zur Erwärmung des Gases in der Kopplung mit einem pneumatischen Regler und einem der Vorrichtung vorgeschalteten Absperrventil,
Fig. 3
zeigt eine Vorrichtung gemäß Fig. 1, wobei der Vorrichtung selbst ein pneumatisches Steuerventil vorgeschaltet ist;
Fig. 4
zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 2 mit einem der Vorrichtung vorgeschalteten Schaltventil.;
Fig. 5
zeigt die Einzelheit "X" aus Fig. 2 in einer Draufsicht;
Fig. 6
zeigt eine Vorrichtung entsprechend Fig. 2, bei der das Gehäuse einen zweiten Spaltraum aufweist;
Fig. 7
zeigt einen Schnitt gemäß der Linie VII - VII aus Fig. 6;
Fig. 8
zeigt eine Vorrichtung entsprechend Fig. 4, bei der das Gas mit dem Eingangsdruck für das Schaltventil durch das Gehäuse vorgewärmt wird.
Figur 1 zeigt das Grundprinzip eines Wirbelrohres bzw. auch Hilsch-Rohr genannt; hierbei ist die tangentiale Einströmung des Gases gekennzeichnet durch den Pfeil 1 in die zylindrische Wirbelkammer 30 erkennbar, wobei sich der tangential einströmende Gasstrom in einen äußeren Gasstrom, gekennzeichnet durch die Pfeile 3, und einen inneren aufsteigenden Gasstrom, gekennzeichnet durch die Pfeile 4, aufteilt. Der aufsteigende innere kalte Gasstrom, gekennzeichnet durch die Pfeile 4, wird aus dem Wirbelrohr 2, entsprechend dem Pfeil 5 herausgeführt, wohingegen der Warmgasanteil aus dem Wirbelrohr entsprechend dem Pfeil 6 herausgeführt wird. Der mit 51 bezeichnete Kegel fördert die Aufteilung des eingeführten tangentialen Gasstromes in den Kaltgas- und den Warmgasstrom.
Die in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Darstellungen zeigen sowohl die Vorrichtung 10 zur Erwärmung des Steuergases, als auch den pneumatischen Regler 15 und das Stellgerät 40 als Bestandteil der Gas-Druckregelanlage.
Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Schaltungen unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch die Anordnung eines Absperrventils in der Eingangsdruckleitung (Fig. 2), eines Steuerventils (Fig. 3) oder eines Schaltventils in der Eingangsdruckleitung (Fig. 4).
Bei der Darstellung gemäß den Figuren 2 bis 8 ist darüber hinaus erkennbar, dass der Gehäuserumpf 11b vom Gehäusekopf 11a durch einen Luftspalt 11c oder eine andere Isolierung thermisch getrennt ist. Dies deshalb, weil durch die Kaltgasabströmleitung 27 dem Gehäuse sehr viel Wärme entzogen wird. Um nun zu verhindern, dass der Wärmeabgang sich auf den Gehäuserumpf überträgt, ist die thermische Trennung beispielsweise in Form eines Luftspaltes 11c vorgesehen.
Gemäß Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases mit einem vorgeschalteten Absperrventil 25 gezeigt. Von der Hauptleitung 20 zweigt eine Leitung 21 ab, die sich aufspaltet in die sogenannte Eingangsdruckleitung 22 und die Steuergaszuströmleitung 23. In der Eingangsdruckleitung 22 befindet sich das Absperrventil 25, mit Hilfe dessen das Volumen des Gasstroms in die zylindrische Wirbelkammer 30 des Gehäuses 11 gesteuert wird. Der in die zylindrische Wirbelkammer 30 durch die Eingangsdruckleitung 22 tangential einströmende Gasstrom teilt sich entsprechend der Beschreibung zu Fig. 1 in einen mittig aufsteigenden Kaltgasstrom 4 und einen konzentrisch abgeführten Warmgasstrom 5 auf. Der Kaltgasstrom 4 wird durch den Kaltgasauslass 27a und die Kaltgasabströmleitung 27 der Hauptleitung 20 hinter dem Stellgerät 40 zugeführt. Die Ausbildung bzw. auch Anordnung der beiden Einlässe 22a der Eingangsdruckleitung 22 in die zylindrische Wirbelkammer 30 ergibt sich aus der Fig. 5 als Einzelheit "X" zu der Fig. 2. Dort ist erkennbar, dass die Einlässe 22a jeweils derart angeordnet sind, dass das Gas tangential in die zylindrische Wirbelkammer 30 einströmt.
Am unteren Ende, d. h. im Fußbereich der zylindrischen Wirbelkammer 30 befindet sich die insgesamt mit 50 bezeichnete Drossel. Die Drossel 50 umfasst einen verstellbaren Kegel 51, der in Zusammenarbeit mit dem zylindrischen Mantel 32 der Wirbelkammer 30 einen Spalt 52 bildet, durch den das konzentrisch geführte Warmgas durch den Auslass 35a durch die Warmgasabströmleitung 35 wiederum der Hauptleitung 20 nach dem Stellgerät 40 zugeführt wird.
Die Wirbelkammer 30 wird radial durch den zylindrischen Mantel 32 gebildet; dieser zylindrische Mantel 32 in Verbindung mit dem Spaltraum 33 ist Teil des Wärmetauschers 34. Durch die Eingangsöffnung 23a erfolgt durch die Steuergaszuströmleitung 23 die Zuführung des Steuergases in den Spaltraum 33. Die Wandung 32 des Wärmetauschers 34 wird durch den Warmgasstrom 5 erwärmt. Das durch die Leitung 23 in den Spaltraum 33 einströmende Steuergas wird im Spaltraum 33 durch den Warmgasstrom 5 in der Wirbelkammer erwärmt und wird letzthin durch die Ausgangsöffnung 37a durch die Steuergasabströmleitung 37 dem Regler 15 zugeführt. Im Regler 15 findet eine Aufspaltung des durch die Steuergasabströmleitung 37 zugeführten erwärmten Steuergases insofern statt, als ein Teil des Gasstromes durch die Stelldruckleitung 41 dem Stellgerät 40 zugeführt wird, wobei der übrige Teil des dem Regler 15 zugeführten Steuergases durch die Abströmleitung 42 der Hauptleitung 20 hinter dem Stellgerät 40 zugeführt wird. Der Regler 15 selbst ist durch eine Messleitung 43 mit der Hauptleitung 20 hinter dem Stellgerät 40 verbunden.
Die Funktionsweise der Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases ist nun derart, dass vor Inbetriebnahme des Reglers das Absperrventil 25 geöffnet wird, mit der Folge, dass der Regler 15 mit warmen Steuergas versorgt wird, um so bei Arbeit des Stellgerätes und mithin einer Gasentspannung eine Bildung von Methankristallen im Regler 15 zu verhindern.
Um eine Vereisung auch in der Kaltgasabströmleitung 27 zu verhindern, ist nach einem Merkmal der Erfindung die Warmgasleitung 35 als doppeltes Rohr um die Kaltgasabströmleitung geführt, um die Kaltgasabströmleitung von außen zu erwärmen.
Die Schaltung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich im Wesentlichen von der gemäß Fig. 2 lediglich durch die Vorschaltung eines Steuerventils 60 in die Eingangsdruckleitung 22. In den Fig. 2 und 3 dargestellte gleiche Gegenstände tragen auch die gleichen Bezugszeichen.
Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 ist nun wie folgt:
Das der Vorrichtung 10 zur Erwärmung des Steuergases vorgeschaltete Steuerventil 60 ist auf einen Sollwert eingestellt, der geringfügig höher ist, als der Sollwert des pneumatischen Reglers 15. Sobald der Ausgangsdruck auf den Sollwert dieses Steuerventil 60 abgesunken ist, öffnet sich das darin integrierte Ventil 67 und nimmt die Vorrichtung 10 in Betrieb. Wenn jetzt der Ausgangsdruck weiter absinkt und den pneumatische Regler 15 in Funktion nimmt, wird dieser mit dem durch die Leitung 37 dem Regler zugeführten aufgeheizten Steuergas versorgt. Das vorgeschaltete Steuerventil 60 ist jetzt voll geöffnet; der vor dem Druckminderer 60 in der Leitung 21 anstehende Eingangsdruck wird in voller Höhe in die zylindrische Wirbelkammer 30 geleitet. Bei völligem Außerbetriebgehen der Druckregelanlage läuft das System auf einen Schließdruck, der vom vorgeschalteten Steuerventil 60 bestimmt wird.
Die Darstellung der Schaltung gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 2 bzw. 3 dadurch, dass der Vorrichtung 10 zur Erwärmung des Steuergases das Schaltventil 70 vorgeschaltet ist. Auch in Bezug auf die Darstellung gemäß Fig. 4 gilt, dass gleiche Gegenstände gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 2 und 3 aufweisen.
Wie bereits erläutert, ist der Vorrichtung 10 das Schaltventil 70 vorgeschaltet. Dieses Schaltventil 70 wird von einer beginnenden Stelldruckänderung des pneumatischen Reglers 15 durch den Druck in der Stelldruckleitung 41 angesteuert. Der Antrieb 71 des Schaltventils 70 wird auf der Schließseite 72 vom Ausgangsdruck in der Hauptleitung 20 hinter dem Stellgerät 40 und von der Kraft der Schließfeder 73 beaufschlagt. Die Öffnungsseite 74 des Antriebes 71 des Schaltventils 70 steht durch die Stelldruckleitung 41 mit dem pneumatischen Regler 15 in Verbindung. Ist das Gasdruckregelgerät außer Betrieb, wird der Druck in der Stelldruckleitung 41 gleich dem Ausgangsdruck, d. h. dem Druck in der Hauptleitung 20 hinter dem Stellgerät 40. Das Stellglied 76 im Schaltventil 70 wird durch die Kraft der Schließfeder 73 geschlossen. Beginnender Stelldruckaufbau öffnet das Stellglied 76 im Schaltventil 70 und nimmt die Vorrichtung zur Erwärmung des Steuergases in Funktion. Dabei ist das Schaltventil 70 so ausgelegt, dass es durch den Stelldruck geöffnet wird, bevor das eigentliche Gas-Druckregelgerät über den pneumatischen Regler 15 in Betrieb genommen wird.
In der Hauptleitung 20 nach dem Stellgerät 40 wird das entspannte Gas eine Temperatur erreichen, die sich aus dem Joule-Thomsen-Effekt ergibt. Die Messung des Ausgangsdruckes für den pneumatischen Regler 15 erfolgt über die Leitung 43. Um am Messpunkt 27 demzufolge keine Vereisung eintreten zu lassen, wird das vom Regler 15 durch die Leitung 42 abströmende Steuergas durch diese Messleitung 43 abgeführt.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform gemäß Figur 2, bei der das aus dem Auslass 35a austretende Warmgas noch zur Erwärmung des Gehäuserumpfes 11 b Verwendung findet. Das heißt, die gemäß Figur 2 im Fußbereich angeordnete Warmgasleitung 35 befindet sich bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 6 und 7 unmittelbar unter dem Gehäusekopf 11a als Warmgasleitung 35b. Zur Erwärmung des Gehäuserumpfes als Verbindung zwischen Auslass 35a und der Warmgasleitung 35b ist ein sich axial erstreckender zweiter Spaltraum 12 vorgesehen, der sich über einen Teil der Mantelfläche des Gehäuserumpfes 11b erstreckt. Das heißt, der Spaltraum ist in etwa halbkreisförmig getroffen, so dass eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeabgabe besteht (Figur 7). Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch auch die Vereisung des Gehäuses 11, und hier insbesondere des Gehäuserumpfes 11b, vermieden werden kann.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 8 wird das dem Schaltventil 70 durch die Leitung 21 zugeführte Gas in dem Gehäuse der Wirbelkammer 30 erwärmt. Hierzu wird das Gas mit dem Eingangsdruck in der Leitung 23 in die Leitung 26 abgezweigt, durch den Gehäuserumpf 11b geführt, um dann zum Schaltventil 70 zu gelangen, wie dies bereits im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben wurde. Hintergrund hierfür ist, dass das ankommende Gas im Schaltventil entspannt, und es dort infolgedessen zu einer Vereisung kommen kann. Dem wirkt die Zuführung erwärmten Gases entgegen.

Claims (25)

  1. Verfahren zur Erwärmung des Steuergases für einen pneumatischen Regler (15) eines Gas-Druckregelgerätes, wobei nach dem Ranque-Effekt ein in einer zylindrischen Wirbelkammer (30) tangential einströmendes Gas mit Druckgefälle sich in zwei Gasströme (4, 5) unterschiedlicher Temperatur aufteilt, wobei der wärmere (5) der beiden Gasströme durch einen Wärmetauscher (34) das Steuergas für den pneumatischen Regler (15) erwärmt.
  2. Vorrichtung (10) zur Erwärmung des Steuergases in der Eingangsdruckleitung zu einem pneumatischen Regler (15) eines Gas-Druckregelgerätes, insbesondere nach Anspruch 1, umfassend ein Gehäuse (11) mit einer zylindrischen Wirbelkammer (30) mit einem Einlass (22a) zum tangentialen Einströmen des Eingangsdruckgases mit einem überkritischen Druckgefälle und mindestens einem Auslass (35a) für das Warm- und mindestens einem weiteren Auslass (27a) für das Kaltgas, sowie einem die Wirbelkammer (30) unter Bildung eines Spaltraumes (33) umgebenden Wärmetauschers (34), wobei der Spaltraum (33) mindestens eine Eingangsöffnung (22a) und mindestens eine Ausgangsöffnung (37a) für das Steuergas für den pneumatischen Regler (15) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (22a) zum tangentialen Einströmen des Gases im Kopfbereich der zylindrischen Wirbelkammer (33) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Warmgasauslass (35a) im Fußbereich, das heißt am entgegengesetzten Ende zu dem Einlass des Eingangsdruckgases in der Wirbelkammer (33) vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltgasauslass (27a) in der Stirnseite der zylindrischen Wirbelkammer (30) angeordnet ist, die sich am entgegengesetzten Ende zu dem Warmgasauslass (35a) befindet.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltgasauslass (27a) zentrisch in der Stirnseite der zylindrischen Wirbelkammer (30) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und die Ausgangsöffnung (23a, 37a) für das Steuergas jeweils an dem entgegengesetzten Ende der zylindrischen Wirbelkammer (30) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Warmgasauslass (35a) durch eine Drossel (50) in seinem Querschnitt veränderlich ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (22a) für das Eingangsdruckgas in seinem Querschnitt veränderlich ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (50) einen in die Wirbelkammer (30) ragenden Konus (51) aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Eingangsdruckleitung (22) zu dem Einlass (22a) in die Wirbelkammer (33) ein Ventil (25, 60, 70) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass durch das Ventil (25, 60, 70) der Einlass für das Eingangsdruckgas in die Wirbelkammer (33) geöffnet wird, bevor der pneumatische Regler (15) Steuergas anfordert.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (22) zu dem Einlass (22a) in die Wirbelkammer (33) ein Absperrventil (25) angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (22) zu dem Einlass (22a) in die Wirbelkammer (33) ein pneumatisches Steuerventil (60) vorgesehen ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck zum Öffnen des Steuerventils (60) höher ist, als der Solldruck des pneumatischen Reglers (15).
  16. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (22) zu dem Einlass (22a) in die Wirbelkammer (33) ein Schaltventil (70) vorgesehen ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (70) so ausgelegt ist, dass es durch den Stelldruck geöffnet wird, bevor der pneumatische Regler (15) das Gas-Druckregelgerät in Betrieb nimmt.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass von dem Regler (15) durch einen Abströmleitung (42) das Steuergas in die Hauptleitung (20) hinter dem Stellgerät (40) eingeführt wird, wobei die Messung des Ausgangsdruckes hinter dem Stellgerät (40) an einem Messpunkt (27) der Abströmleitung (42) in der Hauptleitung (20) erfolgt, um am Messpunkt (27) keine funktionsstörende Vereisung eintreten zu lassen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgasabströmleitung (27) von der Warmgasabströmleitung (35) umgeben ist, um eine Vereisung der Kaltgasabströmleitung zu verhindern.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltgasauslass (27a) in seinem Querschnitt veränderbar ist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (34) konzentrisch um das Wirbelrohr (30) angeordnet ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) einen Gehäusekopf (11a) und einen Gehäuserumpf (11b) umfasst, wobei der Gehäusekopf (11a) vom Gehäuserumpf (11b) thermisch getrennt ist (Pfeil 11c).
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuserumpf (11b) einen sich axial erstreckenden zweiten Spaltraum (12) aufweist, der einerseits mit dem Auslass (35a) für das Warmgas verbunden ist, wobei der Spaltraum (12) andererseits im Gehäuserumpf (11b) unterhalb des Kopfes (11a) durch eine Leitung (35b) mit der Kaltgasabströmleitung (27) verbunden ist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltraum (12) sich über einen Teil der Mantelfläche des Gehäuserumpfes (11b) erstreckt.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass der dem Schaltventil (70) durch die Leitung (21) zugeführte Gasstrom in dem Gehäuse (11) der Wirbelkammer (30) erwärmt wird.
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