EP3771869B1 - Gasentspannungsanlage mit mindestens einem wirblerohr - Google Patents

Gasentspannungsanlage mit mindestens einem wirblerohr Download PDF

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EP3771869B1
EP3771869B1 EP20020320.6A EP20020320A EP3771869B1 EP 3771869 B1 EP3771869 B1 EP 3771869B1 EP 20020320 A EP20020320 A EP 20020320A EP 3771869 B1 EP3771869 B1 EP 3771869B1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
fraction
flow
vortex tube
heat exchanger
Prior art date
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Active
Application number
EP20020320.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3771869A1 (de
EP3771869B8 (de
Inventor
Steffen Päßler
Karsten Skorzus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ontras Gastransport GmbH
Original Assignee
Ontras Gastransport GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ontras Gastransport GmbH filed Critical Ontras Gastransport GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • 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
    • 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
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/02—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect
    • F25B2309/022—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect characterised by the expansion element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0047—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for hydrogen or other compressed gas storage tanks

Definitions

  • the invention relates to a gas expansion system for expansion and volume control of gas for use between a first gas source located upstream, such as a gas tank, a medium-pressure gas network or high-pressure gas network or a cavern storage facility, and a second gas sink located downstream, such as a consumer, a low-pressure gas network or a gas supply line.
  • a first gas source located upstream such as a gas tank, a medium-pressure gas network or high-pressure gas network or a cavern storage facility
  • a second gas sink located downstream, such as a consumer, a low-pressure gas network or a gas supply line.
  • At least one vortex tube in flow communication with the first gas source upstream of the gas, the gas from the gas source flowing into the vortex tube in a tangential inlet, and two outlets in the form of a first outlet for a first cold fraction of the gas and in the form a second outlet for a second hot fraction of the gas, and at least one heat exchanger, the cold fraction of the gas flowing out of the first outlet of the at least one vortex tube being in flow communication with the at least one heat exchanger and flowing into the heat exchanger as a cold flow into a heat exchanger inlet, and a related procedure.
  • wet natural gas i.e. methane (CH 4 ) with admixtures of nitrogen (N 2 ), possibly acidic gases such as hydrogen sulfide (H 2 S) and carbon dioxide (CO 2 ) as well as moisture in the form of water vapor (H 2 O) and small amounts of ethane (C 2 H 6 , 1% to 15%), propane (C 3 H 8 , 1% to 10%), butane (C 4 H 10 ), ethene (C 2 H 4 ) and pentanes (C 5 H 12 ) , tends to freeze up when it cools down significantly due to the Joule-Thomson effect.
  • Methane hydrate (CH 4 • 5.75 H 2 O) in particular precipitates from wet natural gas when it freezes.
  • Methane hydrate is a clathrate compound in which water and methane form a cage compound. Externally, methane hydrate has the appearance of snow or hoarfrost and, once it has formed in the cold, can be present at temperatures of up to 20°C. At room temperature, i.e. around 20°C, methane hydrate is thermodynamically unstable; but the clathrate compound tends to linger in the superheated state before decomposing back into the gaseous components.
  • the hydrate can clog the gas line, narrow the gas line cross-section, clog valves or pressure control valves or immobilize, block the mechanical control path of diaphragms in pressure regulators and block flow meters from accessing the gas stream.
  • the formation of ice, methane hydrate or other gas hydrates in a gas supply line can quickly lead to a dangerous line breakdown, which is dangerous to life and limb.
  • CN 107 990 145 A discloses a liquefied natural gas (LNG) gasification system that can achieve continuous heat absorption from a low air temperature environment.
  • the system disclosed there includes an LNG storage tank, an LNG storage tank with its own booster, a main air temperature gasifier vortex tube, an air temperature heat exchanger, a heater and a pressure regulator.
  • the air temperature gasifier is unable to heat the LNG gasification to the delivery temperature
  • the combined heating unit consisting of vortex tube, air temperature heat exchanger and heater is used to heat the low-temperature NG to the delivery temperature.
  • the vortex tube heats part of the low-temperature natural gas to reach the transmission temperature directly; the other part of the natural gas continues to absorb heat from the air through the air temperature heat exchanger, and then is heated by the heater to reach the transmission temperature. Even this system can no longer be sufficient in mild wintry temperatures to compensate for the unwanted cooling during gas expansion.
  • the object of the invention is therefore to provide a gas expansion system which provides temperature compensation works climate-neutral and in the absence of potential sources of ignition and is more efficient than is taught in the prior art.
  • the object according to the invention is achieved by a gas expansion system according to claim 1. Further advantageous configurations are specified in the dependent claims of claim 1. A method for gas expansion that corresponds to the claimed gas expansion system is specified in claim 5 , advantageous refinements of the method being specified in the dependent claims of claim 5 .
  • a Ranque-Hielsch tube is characterized by a tangential inlet of higher pressure gas into a tube, the tangential inlet being at a first tube end. Due to the tangential inflow, the inflowing gas forms a vortex in the tube with a high angular velocity, with the vortex propagating in the tube to the other, second tube end like a standing wave.
  • a throttle valve in the form of a perforated diaphragm, a steel frit or in the form of a needle valve.
  • the gas escaping from the second end of the pipe shows a temperature that is significantly higher than the inlet temperature in a reproducible manner.
  • This gas forms the warm fraction of the gas escaping from the vortex tube.
  • Gas not escaping there flows through a central vortex within the vortex tube and escapes through a restrictor valve in the form of a pinhole, steel frit or needle valve located at the first end of the tube where the tangential gas inlet is located.
  • this gas has a very significantly reduced temperature compared to the gas inlet temperature.
  • This gas forms the cold fraction of the gas escaping from the vortex tube. It can be observed that the cold fraction has a temperature even below the temperature obtained from the Joule-Thomson effect would be expected, the vortex tube was conceived as a choke with the Joule-Thomson effect. This observation is consistent with the law of conservation of energy. If the warm fraction and the cold fraction were combined, the combined gas stream would have approximately the temperature that would occur behind a simple throttle due to the Joule-Thomson effect, reduced by the energy that is dissipated by friction in the eddy and as heat by the Walls of the vortex tube has been released to the outside air. The exact function of the vortex tube has still not been scientifically clarified, despite the effect that has been known for over 90 years.
  • the inflowing gas in the claimed gas expansion system thus flows through the vortex tube.
  • the cold fraction exiting the vortex tube is passed through a heat exchanger, which supplies atmospheric heat to the cold fraction.
  • This gas stream which is reheated after the heat exchanger, is then reunited with the warm fraction of the vortex tube.
  • This now combined gas flow is significantly warmer than the gas flow emerging from the gas expansion system, which comes from a system according to the international patent application mentioned at the outset WO 2011/031576 A1 exit.
  • the warm fraction flowing out of the second outlet of the at least one vortex tube is in flow connection via a pipe connection with a warm stream flowing out of a heat exchanger outlet of the heat exchanger and the combined warm fractions of warm fraction and warm stream are in flow connection with the second, downstream gas depression. It is thus intended to generate a cold fraction of gas which is significantly colder than gas cooled by the Joule-Thomson effect.
  • a larger temperature gradient to the atmospheric air is produced, which is noticeable in the heat exchanger by a larger heat flow, which is known to depend on the laws of thermodynamics on the temperature difference in a spontaneous heat transfer from a first heat reservoir to a second heat reservoir.
  • This heated cold fraction gas is then combined with the warm fraction gas from the Ranque-Hielsch tube.
  • the function of a vortex tube is strongly dependent on the volume flow and the mean pressure at which the gas is present within the vortex tube.
  • the vortex tube bears a striking resemblance to a transverse flute, with the length of the vortex tube and the diameter of the vortex tube determining the volume flow and mean pressure at which the desired effect of separating the gas into a cold fraction and a warm fraction occurs.
  • the specified length and the specified diameter correspond to the tuning of the flute.
  • the tuning of the flute corresponds to the design of the vortex tube, so that the design of the vortex tube is also referred to as "tuning".
  • Yet another parameter affecting the operation of the vortex tube is the amount of gas extracted at the hot fraction outlet. The outlet for the warm fraction thus corresponds to a flute key.
  • the warm fraction is discharged from the Ranque-Hielsch tube and is combined with the cold fraction heated by a heat exchanger.
  • the result is a significantly warmer gas that leaves the gas expansion system than it is in the gas expansion system according to the international patent application WO 2011/031576 A1 the case is.
  • Gas supply pipelines with capacities intended for municipal or regional gas supply show very strong seasonal fluctuations in gas throughput.
  • the Central European atmospheric air temperature In summer, when the Central European atmospheric air temperature is between 15°C and 22°C, depending on the region, with strong deviations to colder and warmer temperatures being observable, very little gas is sent through the municipal or regional gas supply lines.
  • the Central European atmospheric air temperature In winter, when the Central European atmospheric air temperature is between -2°C and 10°C, depending on the region, with strong deviations to colder and warmer temperatures being observable, a lot of gas is sent through the municipal or regional gas supply lines.
  • the various vortex tubes are designed for different gas flow rates and can be individually switched on or off by means of blocking and/or control valves at the inlets and by means of blocking valves at the two outlets.
  • batteries of vortex tubes can be connected in parallel to one another. If the vortex tubes of a vortex tube battery are tuned the same, the vortex tube batteries can increase the volume flow possible through the gas expansion system.
  • vortex tubes of a vortex tube battery or between different vortex tube batteries are tuned differently, different vortex tubes can be switched on or off depending on the seasonally desired volume flow, so that only those vortex tubes are active that show the greatest possible heat separation effect at a predetermined volume flow.
  • a heat exchanger can ice up on the atmospheric side. Such an iced-up heat exchanger loses its effectiveness because atmospheric air can no longer flow through the fins on the atmospheric side.
  • more than one heat exchanger is present next to one another, the various heat exchangers being able to be switched on or off individually by shut-off valves at the respective heat exchanger inlet and at the respective heat exchanger outlet.
  • Alternating operation can prevent the respective heat exchanger from becoming clogged with water ice on the atmospheric side and losing its function, in that the heat exchanger in question can defrost in the atmospheric air during the deactivated periods. So alternate two or more heat exchangers connected in parallel but activated at different times mutually switch off.
  • At least one heat exchanger inlet of a heat exchanger of the various heat exchangers can be connected by a gas distributor arrangement to the second outlet of at least one vortex tube for a second warm fraction of the gas, so that the warm fraction of the gas from the at least one vortex tube flows into the relevant heat exchanger.
  • Gas distributor arrangement is understood to mean a gas distribution station with various valves, which in turn are connected to various other units, which can be connected to the central gas stream depending on the opening or closing of various valves.
  • this connection can be used to connect the outlet for the warm fraction of one or the outlets of more than one vortex tube to the heat exchanger inlet, so that the heat exchanger receives warm gas that flows through the heat exchanger, which the ice on the atmospheric Side defrosts and then flows into the pipeline that leads to the gas sink, i.e. the dissipating gas network or to the consumer.
  • the vortex tube used in the gas expansion system can be constructed in different ways. Provision can be made for the outlet for the warm fraction to be arranged at the second end of the vortex tube which is opposite the end of the vortex tube where the tangential gas inlet is arranged. In this case, the warm fraction originates from the vortex in the vortex tube.
  • the at least one vortex tube has cooling ribs and is housed in a housing with a flow inlet and a flow outlet, with part of the gas flowing into the vortex tube being routed via a branch, which is connected to the flow inlet of the housing, through the Housing flows and leaves the housing as the warm fraction of the vortex tube.
  • the vortex tube itself has only one Outlet for a cold fraction.
  • the path of the warm fraction can lead through the vortex tube itself or past the cooling fins of the vortex tube. To the outside, the path of the warm fraction of an installed vortex tube according to Ranque-Hielsch cannot be precisely derived.
  • the temperature drop in the vortex tube and the temperature in the heat exchanger are influenced. If, on the other hand, the expanded gas is heated on the side assigned to the gas sink, ie for example to the side assigned to the gas discharge network, then only the temperature in the gas discharge network is affected. Depending on the outside temperature and the operating point of the vortex tube, it can be advantageous to additionally heat the inflowing, not yet expanded gas on the inlet side of the gas expansion system or to additionally heat the outflowing, already expanded gas on the outlet side of the gas expansion system.
  • a control arrangement controls the loading of various heat exchangers with the cold fraction or the warm fraction from the at least one heat exchanger in such a way that the different heat exchangers are flowed through alternately with the cold fraction or the warm fraction.
  • the at least one vortex tube has cooling fins and is housed in a housing with a flow inlet and a flow outlet, the flow inlet of the housing being connected to the inlet of the at least one , so that a partial flow of the gas flowing into the at least one vortex tube flows into the flow inlet of the housing, the partial flow flows through the housing and, as a warm fraction of the at least one vortex tube, leaves the housing via a flow outlet of the housing.
  • FIG 1 is a sectional drawing through vortex tube 10 according to Ranque-Hielsch with vortices W1 and W2 drawn in, the outer vortex W1 leading the warm fraction and the inner vortex W2 leading the cold fraction.
  • the exact functioning of a Ranque-Hielsch vortex tube has not yet been scientifically clarified, despite the discovery of this effect about 90 years ago.
  • the Ranque-Hielsch effect is reproducible and can also be optimized empirically for different volume flows and mean operating pressures.
  • pressurized gas GH flows into the vortex tube 10 into a tangential inlet 11 .
  • the inflowing gas GH forms various vortices W1 and W2 in the vortex tube, with gas that is warmer than the gas flowing into inlet 11 exiting the tube end at outlet 13 as a warm fraction WF.
  • Outlet 13 is located at the tube end opposite to the tube end at which the tangential inlet 11 is located.
  • the heat quantity of the combined warm fraction WF and cold fraction KF corresponds approximately to the heat quantity of the entering gas GH minus the volume work V • ⁇ P as heat equivalent, which the entering pressurized gas GH has done when passing through the vortex tube 10 .
  • a cold fraction KF with a temperature below the temperature is formed in a Ranque-Hielsch tube , which would be observable by the Joule-Thomson effect and a warm fraction WF with a temperature higher than the temperature of the inflowing gas GH.
  • the present invention makes use of the fact that with the vortex tube 10 according to Ranque-Hielsch, a cold fraction KF is obtained which has a temperature below the temperature that according to Joule-Thomson would be achievable.
  • the heat gradient between the cold fraction KF and the atmospheric air in a heat exchanger 30 following the vortex tube in the path of the cold fraction is greater than it would be if a Joule-Thomson throttle were used.
  • the greater heat gradient leads to a greater amount of heat, which is transferred spontaneously, ie by itself, to the cold fraction KF in the heat exchanger 30 . Only the cold fraction KF warmed up by the heat exchanger 30 is combined with the warm fraction WF of the vortex tube 10 .
  • the combined fractions, warm fraction WF and heated cold fraction KF thus have a greater amount of heat, which inevitably leads to a higher temperature of the combined fractions, namely warm fraction WF and heated cold fraction KF, as if the entire expanded gas were with the Joule-Thomson temperature to be expected. Temperature has been heated in a heat exchanger 30 with atmospheric air.
  • thermometers are shown under each shaded square, each of which can be assigned to a shade of vertebrae W1 and W2.
  • Black means cold and corresponds to the temperature of the exiting cold fraction KF.
  • a medium-dark shading roughly corresponds to the temperature of the pressurized entering gas GH and a lighter shading (right) roughly corresponds to the temperature of the exiting warm fraction WF.
  • FIG 2 a sectional drawing through a variant of the Ranque-Hielsch tube as a vortex tube 20 is shown. Unlike the previously described vortex tube 10 according to Ranque-Hielsch in figure 1 the outlet 23 for the warm fraction WF is completely closed.
  • the Ranque-Hielsch effect does not collapse as a result, but the heat of the warm fraction WF is dissipated via the tube wall RW to the cooling fins 27 in a housing 24 of the vortex tube 20, where a partial flow TS of the pressurized gas GH, which flows through the flow inlet 25 has entered the housing 24, which absorbs heat and leaves the housing 24 via the flow outlet 26.
  • this second variant of the Ranque-Hielsch pipe differs from the Ranque-Hielsch pipe figure 1 through the path of heat.
  • the heat is transported with the warm fraction WF in the vortex W1 and with the warm fraction WF from the vortex tube 10 through the outlet 13
  • the heat in the variant of the Ranque-Hielsch tube in figure 2 transported through the pipe wall RW to the outside into the housing 24 and transported away via a partial flow TS of the inflowing gas GH as a warm fraction WF, which leaves the housing 24 through the outlet 26 .
  • thermometers are shown under each shaded square, each of which can be assigned to a shade of vertebrae W1 and W2.
  • Black means cold and corresponds to the temperature of the exiting cold fraction KF.
  • a medium-dark shading roughly corresponds to the temperature of the pressurized entering gas GH and a lighter shading (right) roughly corresponds to the temperature of the exiting warm fraction WF.
  • vortex tube that are similar to the vortex tube 10 in FIG. 10, in which the outlet 13 for the warm fraction WF is closed and the heat flows through the tube wall RW into the atmospheric environment.
  • Such vortex tubes work like a choke, which generates additional cooling of the gas flowing through the vortex tube by dissipating heat.
  • the object of the invention is to conduct this heat, which was not used in the prior art, into the downstream gas flow.
  • FIG 3 a first and simple variant of a gas expansion system 100 is shown as a simplified circuit diagram.
  • Gas GH from a gas source Q such as from a cavern, from a high-pressure gas network or a medium-pressure gas network, from a pipeline or from a gas tank is introduced into the gas expansion system 100 at the inlet 101, where it has a predetermined temperature, which is symbolically represented by the there shown thermometer T1 is represented.
  • the gas pressure at the inlet 101 can be about 63 bar at about 4° C. to 5° C. and have a gas flow rate of up to 50,000 Nm 3 /h.
  • This gas stream at input 101 is to be passed through gas expansion system 100 to output 102, where the gas pressure is only about 25 bar.
  • a heat output of about 300 kW at a gas flow rate of about 50,000 Nm 3 /h is to be introduced into the gas during expansion.
  • the gas expansion system 100 has a bypass valve 103, which is only open when the gas expansion system 100 is shut down, in order to make the gas expansion system 100 accessible, for example for maintenance or repairs.
  • the check valves 104 and 105 are closed, so that the individual units of the gas expansion system 100 are pressure-free except for the bypass line 103'. In the event of maintenance or repairs, the gas must be relieved at a downstream point.
  • the pressurized gas GH which flows out of the inlet 101 into the gas expansion system 100, flows into the inlet 11 of the vortex tube 10.
  • the pressurized gas GH is expanded and splits into a warm fraction WF, which leaves the vortex tube 10 at outlet 13, and a cold fraction KF, which leaves the vortex tube 10 at outlet 11.
  • the temperature of the warm fraction WF is higher than the temperature of the pressurized gas GH, which is indicated by the thermometer T2.
  • the temperature of the cold fraction KF is significantly lower than the temperature of the pressurized gas GH, which is indicated by the thermometer T3.
  • the temperature of the cold fraction KF is ideally around -10°C in order to maintain a distance to the dew point of around -15°C.
  • the gas flowing out of the outlet 11 of the vortex tube 10 as Cold fraction KF then flows into a heat exchanger 30, which introduces heat from the atmospheric air into the gas of the cold fraction KF.
  • -10°C which is usually the case in the Central European climate, the heat from the atmospheric air is spontaneously transferred to the cold fraction KF.
  • the heated cold fraction KF is combined with the warm fraction WF at the outlet of the heat exchanger 30 through a merging pipeline 106 and flows via the shut-off valve 105 to the outlet 102.
  • the expanded gas is warmer at the outlet 102 than at the inlet 101, which is represented by the thermometer T5 .
  • an optional electric heating device 110 which is only used if the temperature of the atmospheric air is not sufficient, with the existing heat exchanger 30 a necessary heating capacity of up to 300 kW at a gas flow rate of 50,000 Nm Introduce 3 / h or correspondingly less heat per unit of time at a lower gas flow rate in the cold fraction KF. It is possible to place the heater 110 at the entrance 101 as well. Finally, it is also possible to place an electric heater at the entrance 101 and at the exit 102.
  • FIG 4 a second variant of a gas expansion system 200 with, for example, three parallel-connected vortex tubes 10, 10', 10", which are tuned differently, is shown as a simplified circuit diagram figure 1 through the three vortex tubes 10, 10' and 10" connected in parallel, which are controlled by a control system SV via shut-off/regulating valve 204, shut-off valves 207 and 208 for vortex tube 10, shut-off/regulating valve 204', shut-off valves 207', and 208' for vortex tube 10' and shut-off/regulating valve 204", shut-off valves 207", and 208" for vortex tube 10" can be switched on or off individually.
  • the control device SV with the 3 shut-off/regulating valves is available for this purpose 204, 204' and 204" and the 6 shut-off valves 207, 207', 207", 208, 208' and 208" in operative connection.
  • Gas GH from a gas source Q such as from a cavern, from a high-pressure gas network or a medium-pressure gas network, from a Pipeline or from a gas tank is fed into the gas expansion system 200 at the inlet 201, where it has a predetermined temperature, which is symbolically represented by the thermometer T1 shown there.
  • the gas pressure at the inlet 201 can be about 63 bar at about 4 ° C to 5° C. and have a gas flow rate of up to 50,000 Nm 3 /h.
  • This gas flow at inlet 201 is to be routed through the gas expansion system 200 to the outlet 202, where the gas pressure is only around 25 bar.
  • a heat output of about 300 kW at a gas flow rate of about 50,000 Nm 3 / h should be introduced into the gas during expansion.
  • the gas expansion system 200 has a bypass valve 203, which is only open when the gas expansion system 200 is shut down, in order to make the gas expansion system 200 accessible, for example for maintenance or repairs.
  • the blocking/regulating valves 204, 204', 204" and the shut-off valve 205 are closed, so that the individual units of the gas expansion system 200 are pressure-free except for the bypass line 203' be made at a downstream location.
  • the pressurized gas GH which flows out of the inlet 201 into the gas expansion system 200, flows into the inlets 11, 11', 11" of the vortex tubes 10, 10' and 10". and WF" which leave the vortex tubes 10, 10', 10" at the respective corresponding outlet 13, 13', 13" and a cold fraction KF which leaves the vortex tubes 10, 10', 10" at outlets 11, 11', 11".
  • the temperature of the hot fractions WF, WF', WF" is higher than the temperature of the pressurized gas GH, which is indicated by the thermometers T2, T2', T2".
  • the temperature of the combined cold fraction KF is significantly lower than the temperature of the pressurized gas GH, which is indicated by the thermometer T3.
  • the temperature of the combined cold fraction KF is ideally about -10°C in order to maintain a distance to the dew point of wet natural gas, which is about -15°C.
  • the gases flowing out of the outlets 11, 11' and 11" of the vortex tubes 10, 10' and 10" as cold fraction KF then flow into a heat exchanger 30, which introduces heat from the atmospheric air into the gas of the combined cold fraction KF.
  • the heat from the atmospheric air is spontaneously transferred to the combined cold fraction KF.
  • the heated cold fraction KF is combined with the warm fractions WF, WF' and WF" at the outlet of the heat exchanger 30 through a merging pipeline 206 and flows via the shut-off valve 205 to the outlet 202.
  • the expanded gas is warmer at the outlet 202 than at the inlet 201, which is represented by the thermometer T5.
  • gas expansion system 200 there is an optional electrical heating device 210 between the inlet 201 and the check/control valves 204, 204' and 204", which is only used when the temperature of the atmospheric air is not sufficient, with the existing heat exchanger 30 a heating capacity of about 300 kW with a gas flow rate of about 50,000 Nm 3 /h or correspondingly less heat per unit of time with a lower gas flow rate in the combined cold fraction KF from the three vortex tubes 10, 10 ' and 10". It is possible to place the heater 210 at the exit 202 as well. Finally, it is also possible to place an electric heating device at the entrance 201 and at the exit 202.
  • the functioning of the gas expansion system 200 differs from the functioning of the gas expansion system 100 in figure 1 in detail by the fact that the three vortex tubes 10, 10' and 10" are tuned differently, ie have different designs for different gas flow rates.
  • the gas expansion system 200 can be configured as follows for different total gas volume flows by individually switching the vortex tubes 10, 10' or 10" on or off : sub-figure vortex tube 10 vortex tube 10' vortex tube 10" total gas flow - switched off switched off switched off 0 Nm 3 /h (off) 5A switched on switched off switched off 7,500 Nm3 /h 5B switched off switched on switched off 15,000 Nm3 /h 5D switched on switched on switched off 22,500 Nm3 /h 5C switched
  • the switched-off state of a vortex tube is shown by dashed lines of the relevant vortex tube.
  • the path of the gas through the gas expansion system 200 is shown by the bold print of the pipe connections.
  • the switching states for 0 Nm 3 /h and for an exemplary configuration for a gas volume flow of 37,500 Nm 3 /h are not shown here.
  • FIG 6 A variant of the gas expansion system 300 according to the invention with vortex tubes 10, 10', 10" connected in parallel, which are tuned differently, and two heat exchangers 30 and 30' is shown as a simplified circuit diagram.
  • the gas expansion system 300 shown here as an example works like the gas expansion system 200 and differs from the gas expansion system 200 in figure 4 by the two side-by-side heat exchangers 30 and 30', which can be switched on or off individually by a control system SV via shut-off valves 309, 309' and 311 and 311'.
  • the control device SV is operatively connected to the four additional shut-off valves 309, 309' and 311 and 311' compared to the gas expansion system 200.
  • Gas GH from a gas source Q such as from a cavern, from a high-pressure gas network or a medium-pressure gas network, from a pipeline or from a gas tank is introduced into the gas expansion system 300 at the inlet 301, where it has a predetermined temperature, which is symbolically represented by the thermometer shown there T1 has.
  • the gas pressure at the inlet 301 can be about 63 bar at about 4° C. to 5° C. and have a gas flow rate of up to 50,000 Nm 3 /h.
  • This gas volume flow at input 301 is to be routed through gas expansion system 300 to output 302, where the gas pressure is only about 25 bar.
  • a heat output of up to 300 kW at a gas flow rate of about 50,000 Nm 3 / h or correspondingly less heat per Unit of time are initiated at a lower gas flow rate in the gas during relaxation.
  • the gas expansion system 300 has a bypass valve 303, which is only open when the gas expansion system 300 is shut down, in order to make the gas expansion system 300 accessible, for example for maintenance or repairs.
  • the blocking/regulating valves 304, 304', 304" and the shut-off valve 305 are closed, so that the individual units of the gas expansion system 300 are pressure-free except for the bypass line 303' be made at a downstream location.
  • the pressurized gas GH which flows out of the inlet 301 into the gas expansion system 300, flows into the inlets 11, 11', 11" of the vortex tubes 10, 10' and 10".
  • WF which leave the vortex tubes 10, 10', 10" at the respective corresponding outlet 13, 13', 13" and a cold fraction KF which leaves the vortex tubes 10, 10', 10" at the outlets 11, 11', 11 " via check valves 307, 307' and 307".
  • the temperature of the warm fractions WF, WF', WF" is higher than the temperature of the pressurized gas GH, which is indicated by the thermometers T2, T2', T2".
  • the temperature of the combined cold fraction KF is significantly lower than the temperature of the pressurized gas GH, which is indicated by the thermometer T3.
  • the temperature of the combined cold fraction KF is ideally about -10°C in order to maintain a distance to the dew point of wet natural gas, which is about -15°C.
  • the gases flowing out of the outlets 11, 11' and 11" of the vortex tubes 10, 10' and 10" as cold fraction KF then flow into a heat exchanger 30 and/or 30', both of which heat from the introduce atmospheric air into the gas of the combined cold fraction KF.
  • a heat exchanger 30 and/or 30' both of which heat from the introduce atmospheric air into the gas of the combined cold fraction KF.
  • the heated cold fraction KF is combined with the warm fractions WF, WF' and WF" at the outlet of the heat exchangers 30 and 30' through a merging pipeline 306 and flows via the shut-off valve 305 to the outlet 302.
  • the expanded gas is warmer at the outlet 302 than at the inlet 301, represented by thermometer T5.
  • this gas expansion system 300 shown as an example, it is provided that the two heat exchangers 30 and 30' can be connected differently.
  • the two heat exchangers 30 and 30' can operate in parallel so as to double the heating power introduced into the combined cold fraction.
  • it is possible in a special way via the gas distributor arrangement 40 which in turn can be addressed and controlled via the control device SV, to introduce warm gas from one, two or three vortex tubes of the vortex tubes 10, 10' and/or 10".
  • Hot gas from one or more than one hot fraction WF from the vortex tubes 10, 10' and/or 10" into a heat exchanger 30, 30' serves to defrost the relevant heat exchanger 30 and/or 30' if the heat exchanger 30 and/or 30' in humid weather, such as on very humid summer days, in autumnal humid weather, the atmospheric side freezes and the fins become clogged, so that atmospheric air can no longer flow into the relevant heat exchanger. Even if there is partial icing on the gas side of the relevant heat exchanger, the supplied warm fraction WF can thaw the icing inside the heat exchanger 30 and/or 30'.
  • the optional switchover of one heat exchanger 30 and/or 30' helps to avoid possible accidents and also to maintain the function of the gas expansion system 300, even if the gas expansion system 300 is working at the edge of its capacity due to a large gas volume flow or otherwise tends to ice up on the heat exchangers 30 and/or 30' due to adverse weather conditions.
  • an optional electric heater 310 which is only used when the temperature of the atmospheric air is insufficient, with the existing heat exchangers 30 and 30' a necessary one Heat output of up to 300 kW at a gas flow rate of 50,000 Nm 3 /h or correspondingly less heat per unit of time at a lower gas flow rate into the cold fraction KF It is possible to place the heating device 310 at the outlet 302. Finally, it is also possible to place an electric heater at the entrance 301 and at the exit 302.
  • FIG. 7A In the sub-characters Figure 7A, Figure 7B, Figure 7C the figure 7 Various switching states of the gas expansion system 300 are shown, with the control device SV (shown in figure 6 ) together with their connecting lines to the valves from sub-figures 7A to 7C have been hidden.
  • the reference numbers have also been omitted, with the drawings in the sub-figures except for the omission of the figure 6 is equivalent to.
  • the switched-off state of a vortex tube is shown by dashed lines of the relevant vortex tube.
  • the path of the gas through the gas expansion system 300 is shown by the bold print of the pipe connections.
  • Subfigure 7A shows the vortex tube 10, the uppermost of the three vortex tubes 10, 10′ and 10′′, switched on and active and functioning as described in relation to the figure figure 6 is described.
  • the cold fraction KF flows from the vortex tube 10 into the lower heat exchanger 30'.
  • the bottom vortex tube 10" of the three vortex tubes 10, 10' and 10" is switched by the configuration of the valve positions of the gas distribution arrangement 40 and the valve position of valve 308" such that its warm fraction WF" flows into the upper heat exchanger 30 in order to de-ice it.
  • the de-icing function sacrifices part of the heat that is to be gained by the warm fraction WF".
  • this heat loss can be at least partially compensated for by the electrical heating device 310.
  • Subfigure 7B shows a circuit that is the reverse of subfigure 7A.
  • the upper heat exchanger 30 operates as described in the figure description figure 6 is described, and the lower heat exchanger 30' is charged with the warm fraction WF" of the lowest vortex tube 10", so that the heat exchanger 30' can be de-iced.
  • Sub-figure 7C shows the interconnection of sub-figure 7B, but with the middle vortex tube 10' being switched on and activated in order to increase the temperature of the combined gas fractions in pipeline 306 with its heat fraction WF' in order to at least partially compensate for the heat lost through de-icing to compensate.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasentspannungsanlage zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas zum Einsatz zwischen einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle, wie ein Gastank, ein Gasmitteldrucknetz oder Gashochdrucknetz oder ein Kavernenspeicher und einer zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke, wie ein Verbraucher, ein Gasniederdrucknetz oder eine Gasversorgungsleitung, aufweisend mindestens ein Wirbelrohr, das in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle steht, wobei das Gas aus der Gasquelle in das Wirbelrohr in einen tangentialen Einlass einströmt, und aus zwei Auslässen in Form eines ersten Auslasses für eine erste Kaltfraktion des Gases und in Form eines zweiten Auslasses für eine zweite Warmfraktion des Gases ausströmt, und mindestens einen Wärmetauscher, wobei die aus dem ersten Auslass des mindestens einen Wirbelrohres strömende Kaltfraktion des Gases in Strömungsverbindung mit dem mindestens einen Wärmetauscher steht und in den Wärmetauscher als Kaltstrom in einen Wärmetauschereingang einströmt, und ein dazu korrespondierendes Verfahren.
  • Bei der Verteilung von Gasen, beispielsweise aus einem Gasmittel- oder Gashochdrucknetz in ein Verteilungsnetz mit geringerem Druck, oder bei der Abnahme von Gasen aus einem Druckspeicher, wie ein Aquiferspeicher, einem Kavernenspeicher oder einem Gastank in ein Leitungsnetz, ist es notwendig, das unter Druck stehende Gas zu entspannen, um den Druck für den Leitungstransport anzupassen. Im Unterschied zu idealen Gasen zeigen reale Gase beim Übergang über eine Drossel den bekannten Joule-Thomson-Effekt. Der Joule-Thomson-Effekt zeichnet sich durch eine beobachtbare Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung aus, dabei wird die Richtung (Abkühlung oder gar Erwärmung) und Stärke des Effekts durch die Stärke der anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Gasmolekülen bestimmt. Unter Normalbedingungen zeigen die meisten geläufigen Gase und Gasgemische, z. B. auch Luft, eine Temperaturverringerung bei der Entspannung, also bei einer Druckminderung beim Fluss durch eine Drossel. In Leitungsnetzten, die hohe Volumenströme leiten, wie zum Beispiel kommunale Gasversorgungsleitungen, regionale Gasversorgungsleitungen oder längere Gaspipelines ist es notwendig, dass sowohl der Druck in der Versorgungsleitung als auch die Temperatur des strömenden Gases in bestimmten Grenzen liegt. Die in den Versorgungsleitungen vorhandenen Aggregate, wie Druckregler, Ventile, Wärmetauscher und Verdichter haben häufig schmale Intervalle, in denen die Zustandsgrößen des transportieren Gases vorliegen können, um sicher und in vorbestimmter Weise zu funktionieren.
  • Nasses Erdgas, also Methan (CH4) mit Beimengungen von Stickstoff (N2), ggf. sauren Gasen wie Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) sowie Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf (H2O) und geringe Mengen Ethan (C2H6, 1% bis 15 %), Propan (C3H8, 1% bis 10%), Butan (C4H10), Ethen (C2H4) und Pentanen (C5H12), neigt bei einer starken Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt zum Vereisen. Beim Vereisen fällt aus nassem Erdgas insbesondere Methanhydrat (CH4 • 5,75 H2O) aus. Methanhydrat ist eine Klathratverbindung, in dem Wasser und Methan eine Käfigverbindung bilden. Methanhydrat hat äußerlich die Erscheinung wie Schnee oder Raureif und kann, wenn es einmal in der Kälte entstanden ist, bis zu Temperaturen von 20°C vorliegen. Bei Raumtemperatur, also etwa bei 20°C, ist Methanhydrat zwar thermodynamisch instabil; die Klathratverbindung aber neigt, im überhitzten Zustand zu verweilen, bevor sie wieder in die Gasbestandteile zerfällt. Bildet sich Methanhydrat, Eis oder ein anderes Gashydrat, so kann das Hydrat die Gasleitung verstopfen, den Gasleitungsquerschnitt verengen, Ventile oder Druckregelventile verstopfen oder unbeweglich machen, den mechanischen Regelweg von Membranen von Druckreglern versperren und Durchflussmessern den Zugang zum Gasstrom versperren. Die Bildung von Eis, Methanhydrat oder anderen Gashydraten in einer Gasversorgungsleitung kann damit schnell zu einer gefährlichen Havarie der Leitung führen, die gefährlich ist für Leib und Leben.
  • Um die Vereisung von Gasen bei der Entspannung zu verhindern, ist es bekannt, das Gas vor der Drossel stark zu erwärmen, wobei das Gas bei der Passage der Drossel wieder abkühlt. Auch ist es bekannt, das zu drosselnde Gas durch eisfreie Drosseln zu leiten und das erkaltete Gas wieder zu erwärmen. Die Erwärmung findet statt durch elektrische Heizungen oder durch Gasheizung, denn Gas als Heizgas ist in der Umgebung einer Gasversorgungsleitung zu genüge vorhanden.
  • Mit zunehmendem Bewusstsein der möglichen Energieeinsparung, aber auch mit zunehmendem Bewusstsein der Schädlichkeit von größeren Mengen Kohlendioxid in der freien Atmosphäre für das Weltklima, das beim Verbrennen von Heizgas entsteht, besteht das Bedürfnis, die Entspannung von Gasen, insbesondere in kommunalen oder regionalen Versorgungsleitungen aber auch in Pipelines klimaneutral durchzuführen. Ein weiteres Bedürfnis ist es, die Entspannung von Gas in Abwesenheit von Zündquellen, wie elektrische Heizungen oder Gasheizungen durchzuführen, um die kommunalen oder regionalen Versorgungsleitungen vor einer Havarie zu sichern.
  • In der internationalen Patentanmeldung WO 2011/031576 A1 werden Verfahren und Systeme zur Entspannung von Erdgas offenbart. Als zentrale Drossel wird ein Wirbel-Rohr verwendet, auch Ranque-Hielsch-Rohr nach deren Entdecker genannt, in welchem sich das entspannende Gas stark abkühlt und in welchem das stark abgekühlte Gas durch einen Wärmetauscher, der Wärme aus der Atmosphäre in das abgekühlte Gas leitet, wieder aufwärmt. Die Erwärmung des stark abgekühlten Gases durch atmosphärische Luft gemäß der internationalen Patentanmeldung WO 2011/031576 A1 erfolgt klimaneutral und frei von Zündquellen. In praktischen Versuchen hat sich jedoch herausgestellt, dass die darin vorgestellte Anordnung nur für kurzzeitige Einsätze geeignet ist, wie in Versorgungsfahrzeugen, die komprimiertes Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) ausliefern. Bei Einsätzen in kommunalen oder regionalen Versorgungsleitungen oder bei Pipeline-Übergängen zeigt sich das dort vorgestellte Gasentspannungssystem als nicht leistungsfähig genug. Der eingesetzte Wärmetauscher neigt zur Vereisung und liefert nur bei mitteleuropäischen, sommerlichen bis herbstlichen Außentemperaturen genügend Wärme, um die unerwünschte Abkühlung bei der Gasentspannung zu kompensieren. Schon bei mildwinterlichen Temperaturen reicht die Temperaturkompensation nicht mehr aus.
  • In der chinesischen Patentanmeldung CN 107 990 145 A wird ein Vergasungssystem für verflüssigtes Erdgas (LNG) offenbart, das eine kontinuierliche Wärmeaufnahme aus einer Umgebung mit niedriger Lufttemperatur erreichen kann. Das dort offenbarte System umfasst einen LNG-Speichertank, einen LNG-Speichertank mit eigenem Booster, ein Wirbelrohr des Haupt-Lufttemperaturvergasers, einen Lufttemperatur-Wärmetauscher, einen Erhitzer und einen Druckregler. Wenn der Lufttemperaturvergaser nicht in der Lage ist, die LNG-Vergasung auf die Liefertemperatur zu erwärmen, wird die kombinierte Heizeinheit, bestehend aus Wirbelrohr, Lufttemperaturwärmetauscher und Erhitzer, verwendet, um das Niedertemperatur-NG auf die Liefertemperatur zu erwärmen. Das Wirbelrohr erwärmt einen Teil des Niedertemperatur-Erdgases, um die Übertragungstemperatur direkt zu erreichen; der andere Teil des Erdgases nimmt weiterhin Wärme aus der Luft durch den Lufttemperatur-Wärmetauscher auf und wird dann durch die Heizung erwärmt, um die Übertragungstemperatur zu erreichen. Auch dieses System kann bei mildwinterlichen Temperaturen nicht mehr ausreichen, um die unerwünschte Abkühlung bei der Gasentspannung zu kompensieren.
  • In der amerikanischen Patentanmeldung US3672179 A wird eine Gasentspannungsanlage entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, welche mehrere Wirbelrohre und mehrere Wärmetauscher enthält. Diese bekannte Anlage weist jedoch ebenfalls Nachteile hinsichtlich der Flexibilität und möglichen Vereisung auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Gasentspannungsanlage zur Verfügung zu stellen, welche eine Temperaturkompensation zur Verfügung stellt, die klimaneutral und in Abwesenheit von potentiellen Zündquellen arbeitet und dabei leistungsfähiger ist, als es im Stand der Technik gelehrt wird.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Gasentspannungsanlage nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben. Ein zur beanspruchten Gasentspannungsanlage korrespondierendes Verfahren zur Gasentspannung wird in Anspruch 5 angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens in den Unteransprüchen zu Anspruch 5 angegeben sind.
  • Die Funktion der beanspruchten Gasentspannungsanlage basiert auf einem Wirbelrohr, auch Ranque-Hielsch-Rohr nach seinen Entdeckern genannt, welche als Drossel arbeitet. Ein Ranque-Hielsch Rohr zeichnet sich aus durch einen tangentialen Einlass von Gas mit höherem Druck in ein Rohr, wobei der tangentiale Einlass an einem ersten Rohrende vorliegt. Durch die tangentiale Einströmung bildet das einströmende Gas in dem Rohr einen Wirbel mit hoher Winkelgeschwindigkeit, wobei sich der Wirbel ähnlich wie eine stehende Welle in dem Rohr bis zum anderen, zweiten Rohrende ausbreitet. An diesem, dem ersten Rohrende mit dem tangentialen Eintritt gegenüberliegenden zweiten Rohrende befindet sich ein Drosselventil in Form einer Lochblende, einer Stahlfritte oder in Form eine Nadelventils. Das dort aus zweiten Rohrende entweichende Gas zeigt in reproduzierbarer Weise eine gegenüber der Eintrittstemperatur deutlich erhöhte Temperatur. Dieses Gas bildet die Warmfraktion des aus dem Wirbelrohr entweichenden Gases. Nicht dort entweichendes Gas strömt durch einen zentralen Wirbel innerhalb des Wirbelrohrs und entweicht durch ein Drosselventil in Form einer Lochblende, einer Stahlfritte oder in Form eine Nadelventils, das an dem ersten Rohrende vorliegt, wo der tangentiale Gaseintritt angeordnet ist. Dieses Gas weist hingegen eine sehr deutlich verringerte Temperatur gegenüber der Gaseintrittstemperatur auf. Dieses Gas bildet die Kaltfraktion des aus dem Wirbelrohr entweichenden Gases. Es ist zu beobachten, dass die Kaltfraktion eine Temperatur aufweist, die sogar unterhalb der Temperatur liegt, die nach dem Joule-Thomson-Effekt zu erwarten wäre, fasste man das Wirbelrohr als Drossel mit Joule-Thomson-Effekt auf. Diese Beobachtung steht im Einklang mit dem Energieerhaltungssatz. Vereinte man die Warmfraktion und die Kaltfraktion so würde der vereinte Gasstrom etwa die Temperatur aufweisen, die sich hinter einer einfachen Drossel durch den Joule-Thomson-Effekt einstellen würde, vermindert um die Energie, die durch Reibung im Wirbel dissipiert ist und als Wärme durch die Wände des Wirbelrohres an die Außenluft abgegeben worden ist. Die exakte Funktion des Wirbelrohres ist trotz des seit über 90 Jahren bekannten Effektes immer noch nicht wissenschaftlich exakt geklärt. Gesichert scheint, dass die Wirbel innerhalb des Wirbelrohres zu einer Trennung von thermisch energetischeren Gasteilchen und thermisch weniger energetischen Teilchen führt, was zunächst nichts anderes scheint als eine Wärmepumpe. Die Funktion der Wirbel und die einer Wärmepumpe sind jedoch nicht miteinander vergleichbar.
  • Das einströmende Gas in der beanspruchten Gasentspannungsanlage durchströmt also das Wirbelrohr. Dabei wird die aus dem Wirbelrohr austretende Kaltfraktion durch einen Wärmetauscher geleitet, welcher der Kaltfraktion atmosphärische Wärme zuführt. Dieser nach dem Wärmetauscher wieder erwärmte Gasstrom wird sodann mit der Warmfraktion des Wirbelrohres wieder vereint. Dieser nun vereinte Gasstrom ist deutlich Wärmer als der aus der Gasentspannungsanlage austretende Gasstrom, der aus einer Anlage nach der eingangs erwähnten internationalen Patentanmeldung WO 2011/031576 A1 austritt.
  • Nach dem Gedanken der Erfindung ist hier vorgesehen, dass die aus dem zweiten Auslass des mindestens einen Wirbelrohres strömende Warmfraktion über eine Rohrleitungsverbindung mit einem aus einem Wärmetauscherausgang des Wärmetauschers ausströmenden Warmstrom in Strömungsverbindung steht und die vereinten Warmfraktionen aus Warmfraktion und Warmstrom in Strömungsverbindung mit der zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke stehen. Es ist damit vorgesehen, eine Kaltfraktion von Gas zu erzeugen, die deutlich kälter ist als durch den Joule-Thomson-Effekt abgekühltes Gas. Durch die geringere Temperatur wird ein größeres Temperaturgefälle zur atmosphärischen Luft hergestellt, was sich in dem Wärmetauscher durch einen größeren Wärmestrom bemerkbar macht, der bekanntermaßen nach den Gesetzen der Thermodynamik abhängt vom Temperaturunterschied bei einem spontanen Wärmeübergang von einem ersten Wärmereservoir auf ein zweites Wärmereservoir. Dieses erwärmte Gas der Kaltfraktion wird sodann mit dem Gas der Warmfraktion des Ranque-Hielsch-Rohres vereint.
  • Zur Verdeutlichung des Unterschieds der hier vorgestellten Gasentspannungsanlage und der Gasentspannungsanlage nach der internationalen Patentanmeldung WO 2011/031576 A1 ist es notwendig, die eingesetzten Wirbelrohre miteinander zu vergleichen.
  • Die Funktion eines Wirbelrohres ist stark abhängig vom Volumenstrom und vom mittleren Druck, in dem das Gas innerhalb des Wirbelrohres vorliegt. Das Wirbelrohr weist eine frappierende Ähnlichkeit mit einer Querflöte auf, dabei ist die Länge des Wirbelrohres und der Durchmesser des Wirbelrohres entscheidend, bei welchem Volumenstrom und bei Welchem mittleren Druck sich der erwünschte Effekt der Auftrennung des Gases in eine Kaltfraktion und in eine Warmfraktion einstellt. Die vorgegebene Länge und der vorgegebene Durchmesser entsprechen der Stimmung der Querflöte. Das Stimmen des Querflöte entspricht der Auslegung des Wirbelrohres, so dass man die Auslegung des Wirbelrohres auch mit "Stimmung" bezeichnet. Noch ein weiterer Parameter, der die Funktion des Wirbelrohres beeinflusst, ist die Menge des entnommenen Gases am Auslass für die Warmfraktion. Der Auslass für die Warmfraktion entspricht somit einer Flötenklappe. Wird der Auslass für die Warmfraktion eines Wirbelrohres nach Ranque-Hielsch komplett geschlossen, bricht der Ranque-Hielsch-Effekt nicht zusammen, sondern die Außenwand des Ranque-Hielsch-Rohres heizt sich auf. Die Wärmeenergie aus dem Gas entweicht also durch Wärmeleitung. Als Variante des Ranque-Hielsch-Rohres wird in dem US-Patent US 5,911,740 vorgeschlagen, den Auslass für die Warmfraktion komplett zu schließen. Zusätzlich wird das dort vorgestellte Ranque Hielsch-Rohr mit Kühlrippen versehen und durch ein Gehäuse eingehaust. Durch das Gehäuse fließt ein Teilstrom des zu entspannenden Gases und heizt sich an der Außenwand des Wirbelrohres nach Ranque-Hielsch auf. Es ist nun möglich das aufgeheizte Gas mit der Kaltfraktion zu vereinen. Im Ergebnis erhält man ein Ranque-Hielsch-Rohr, das wie eine Drossel arbeitet, die nicht empfindlich ist gegenüber Vereisung, Es wäre aber auch möglich, die Wärme einfach über die Kühlrippen an die Umgebung abzugeben. Ein solches Wirbelrohr mit nur einem Einlass und einem Auslass für die Kaltfraktion und ohne Auslass für die Warmfraktion wird in der der Gasentspannungsanlage nach der internationalen Patentanmeldung WO 2011/031576 A1 eingesetzt.
  • Nach dem Gedanken der vorliegenden Erfindung ist es jedoch vorgesehen, dass die Warmfraktion aus dem Ranque-Hielsch-Rohr abgeführt wird und mit der durch einen Wärmetauscher erwärmten Kaltfraktion vereint wird. Im Ergebnis erhält man ein deutlich wärmeres Gas, das die Gasentspannungsanlage verlässt, als es in der Gasentspannungsanlage nach der internationalen Patentanmeldung WO 2011/031576 A1 der Fall ist.
  • Gasversorgungsleitungen mit Kapazitäten, die für die kommunale oder regionale Gasversorgung vorgesehen sind, weisen sehr starke saisonale Schwankungen im Gasdurchsatz auf. Im Sommer, wenn die mitteleuropäische atmosphärische Lufttemperatur, je nach Region zwischen 15°C und 22°C liegt, wobei starke Abweichungen zu kälteren und wärmeren Temperaturen beobachtbar sind, wird sehr wenig Gas durch die kommunalen oder regionalen Gasversorgungsleitungen geschickt. Im Winter, wenn die mitteleuropäische atmosphärische Lufttemperatur, je nach Region zwischen -2°C und 10°C liegt, wobei starke Abweichungen zu kälteren und wärmeren Temperaturen beobachtbar sind, wird sehr viel Gas durch die kommunalen oder regionalen Gasversorgungsleitungen geschickt. Da die Funktion eines Wirbelrohrs nach Ranque-Hielsch unter anderem auch stark vom Volumenstrom abhängt, ist es nach dem Gedanken der Erfindung vorgesehen, dass die verschiedenen Wirbelrohre für verschiedene Gasmengenströme ausgelegt sind, und durch Sperr- und/oder Regelventile an den Einlässen und durch Absperrventile an den zwei Auslässen einzeln zu- oder abschaltbar sind. Auf diese Weise können Batterien von Wirbelrohren parallel zueinander verschaltet sein. Sofern die Wirbelrohre einer Wirbelrohr-Batterie gleich gestimmt sind, können die Wirbelrohr-Batterien den durch die Gasentspannungsanlage möglichen Volumenstrom erhöhen. Sofern die Wirbelrohre einer Wirbelrohr-Batterie oder zwischen verschiedenen Wirbelrohr-Batterien unterschiedlich gestimmt sind, können je nach saisonal erwünschtem Volumenstrom verschiedene Wirbelrohre zu- oder abgeschaltet werden, so dass nur solche Wirbelrohre aktiv sind, die bei einem vorbestimmten Volumenstrom den größtmöglichen Wärmetrennungseffekt zeigen. Schließlich ist es möglich, durch eine Steuerungsvorrichtung und durch Regelventile verschieden gestimmte Wirbelrohre parallel zu verschalten, um den saisonal erwünschtem Volumenstrom mit größtmöglichem Wärmetrennungseffekt anzupassen.
  • An regennassen Tagen, bei herbstlichen Temperaturen oder an sehr luftfeuchten ("schwülen") Sommertagen kann es passieren, dass ein Wärmetauscher auf der atmosphärischen Seite vereist. Ein solcher vereister Wärmetauscher verliert seine Wirkung, da durch die Lamellen auf der atmosphärischen Seite keine atmosphärische Luft mehr strömen kann. Um eine Vereisung zu vermeiden, ist es vorgesehen, dass mehr als ein Wärmetauscher nebeneinander vorliegen, wobei die verschiedenen Wärmetauscher durch Absperrventile an dem jeweiligen Wärmetauschereingang und an dem jeweiligen Wärmetauscherausgang einzeln zu- oder abschaltbar sind.
  • Durch den Wechselbetrieb kann vermieden werden, dass sich der jeweilige Wärmetauscher auf der atmosphärischen Seite durch Wassereis zusetzt und seine Funktion verliert, indem der betreffende Wärmetauscher in den deaktivierten Zeiträumen in der atmosphärischen Luft abtauen kann. So wechseln sich zwei oder mehr parallel geschaltete, aber zu unterschiedlichen Zeiten aktivierte Wärmetauscher gegenseitig ab.
  • Um stark vereiste Wärmetauscher schnell zu enteisen, ist es des Weiteren vorgesehen, dass mindestens ein Wärmetauschereingang eines Wärmetauschers der verschiedenen Wärmetauscher durch eine Gasverteileranordnung mit dem zweiten Auslass mindestens eines Wirbelrohres für eine zweite Warmfraktion des Gases verbindbar ist, so dass die Warmfraktion des Gases aus dem mindestens einen Wirbelrohr in den betreffenden Wärmetauscher einströmt. Unter "Gasverteileranordnung" wird eine Gasverteilstation mit verschiedenen Ventilen verstanden, die ihrerseits mit verschiedenen weiteren Aggregaten verbunden sind, die je nach Öffnung oder Schließung von verschieden Ventilen mit dem zentralen Gasstrom verbunden werden können. Durch diese Verschaltung kann es im Extremfall vorgesehen sein, den Auslass für die Warmfraktion eines oder die Auslasse von mehr als einem Wirbelrohr mit dem Wärmetauschereingang zu verbinden, so dass der Wärmetauscher warmes Gas erhält, das durch den Wärmetauscher strömt, welches das Eis auf der atmosphärischen Seite abtaut und dann in die Rohrleitung fließt, die zur Gassenke, also dem ableitenden Gasnetz oder zum Verbraucher, führt.
  • Das in der Gasentspannungsanlage eingesetzte Wirbelrohr kann unterschiedlich aufgebaut sein. Es kann vorgesehen sein, dass der Auslass für die Warmfraktion am zweiten Ende des Wirbelrohres angeordnet ist, das dem Ende des Wirbelrohres gegenüberliegt, wo der tangentiale Gaseinlass angeordnet ist. Die Warmfraktion stammt in diesem Fall aus dem Wirbel in dem Wirbelrohr.
  • Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wirbelrohr Kühlrippenaufweist und in einem Gehäuse mit einem Strömungseingang und einem Strömungsausgang eingehaust ist, wobei ein Teil des in das Wirbelrohr einströmenden Gases über eine Abzweigung, die mit dem Strömungseingang des Gehäuses verbunden ist, durch das Gehäuse strömt, und als Warmfraktion des Wirbelrohres das Gehäuse verlässt. Dabei weist das Wirbelrohr selbst nur einen Auslass für eine Kaltfraktion auf. Letztendlich kann der Weg der Warmfraktion also durch das Wirbelrohr selbst führen oder aber an Kühlrippen des Wirbelrohres vorbeiführen. Nach außen ist der Weg der Warmfraktion eines verbauten Wirbelrohres nach Ranque-Hielsch nicht exakt ableitbar.
  • Erste Erfahrungen mit der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage zeigen, dass die Gasentspannungsanlage geeignet ist, in einer mitteleuropäisch geprägten Klimazone zu arbeiten, die Winters nicht unter -5°C durchschnittliche Außentemperatur fällt. Um aber in sehr strengen Wintern die Gastemperatur in der Gasentspannungsanlage nicht zu stark fallen zu lassen, so dass schon in der Gasentspannungsanlage selbst Methanhydrat ausfällt oder aber eine sicherheitsrelevante Gastemperatur unterschritten wird, kann vorgehen sein, dass eine elektrisch betriebene Heizungsanordnung gastromaufwärts des mindestens einen Wirbelrohres und/oder gasstromabwärts des mindestens einen Wärmetauschers angeordnet ist. An welcher Stelle Wärme in den Gasstrom eingekoppelt wird, ist für das nachgeschaltete Gasnetz oder den nachgeschalteten Verbraucher nahezu gleich. Wird das zu entspannende Gas auf der zur Gasquelle weisenden Seite stromaufwärts erwärmt, so wird der Temperaturabfall in dem Wirbelrohr beeinflusst und die Temperatur im Wärmetauscher. Wird hingegen das entspannte Gas auf der der Gassenke zugewiesenen Seite, also zum Beispiel zum Gasableitungsnetz zugewiesenen Seite erwärmt, so wird nur die Temperatur im Gasableitungsnetz beeinflusst. je nach Außentemperatur und Arbeitspunkt des Wirbelrohres kann es von Vorteil sein, auf der Eingangsseite der Gasentspannungsanlage das einströmende, noch nicht entspannte Gas zusätzlich zu erwärmen oder aber auf der Ausgangsseite der Gasentspannungsanlage das ausströmende, bereits entspannte Gas zusätzlich zu erwärmen.
  • Um zu vermeiden, das während des Betriebes der Gasentspannungsanlage die Wärmetaucher vereisen, kann vorgesehen sein, dass eine Steuerungsanordnung die Beaufschlagung verschiedener Wärmetauscher mit der Kaltfraktion oder der Warmfraktion aus dem mindestens einen Wärmetauscher so steuert, dass die verschiedenen Wärmetauscher wechselweise mit der Kaltfraktion oder Warmfraktion durchströmt werden.
  • Für eine besonders starke Wärmeentwicklung in der Warmfraktion des mindestens einen Wirbelrohres kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wirbelrohr Kühlrippen aufweist und in einem Gehäuse mit einem Strömungseingang und einem Strömungsausgang eingehaust ist, wobei der Strömungseingang des Gehäuses mit dem Einlass des mindestens einen verbunden ist, so dass ein Teilstrom des in das mindestens eine Wirbelrohr einströmenden Gases in den Strömungseingang des Gehäuses strömt, der Teilstrom durch das Gehäuse strömt, und als Warmfraktion des mindestens einen Wirbelrohres über einen Strömungsausgang des Gehäuses das Gehäuse verlässt.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform eines eingesetzten Wirbelrohres nach Ranque-Hielsch,
    Fig. 2
    eine Variante eines eingesetzten Wirbelrohres,
    Fig. 3
    eine erste und einfache Variante einer Gasentspannungsanlage,
    Fig. 4
    eine zweite Variante einer Gasentspannungsanlage mit parallel geschalteten Wirbelrohren, die verschieden gestimmt sind,
    Fig. 5
    sechs verschiedene Arbeits- und Schaltzustände der zweiten Variante der Gasentspannungsanlage nach Figur 4,
    Fig. 6
    eine Variante der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage mit parallel geschalteten Wirbelrohren, die verschieden gestimmt sind, und zwei Wärmetauschern,
    Fig. 7
    drei verschiedene Arbeits- und Schaltzustände der Variante der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage nach Figur 6.
  • In Figur 1 ist eine Schnittzeichnung durch Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hielsch mit eingezeichneten Wirbeln W1 und W2 dargestellt, wobei der äußere Wirbel W1 die Warmfraktion führt und der innere Wirbel W2 die Kaltfraktion führt. Die exakte Funktionsweise eines Wirbelrohres nach Ranque-Hielsch ist trotz der Entdeckung dieses Effektes vor etwa 90 Jahren heute noch nicht exakt wissenschaftlich geklärt. Der Effekt nach Ranque-Hielsch ist aber wohl reproduzierbar und lässt sich auch empirisch für verschiedene Volumenströme und mittlere Betriebsdrücke optimieren. Soweit die Funktion des Wirbelrohrs 10 objektiv verstanden ist, strömt unter Druck stehendes Gas GH in einen tangentialen Einlass 11 in das Wirbelrohr 10 ein. Dort bildet das einströmende Gas GH in dem Wirbelrohr verschiedene Wirbel W1 und W2, wobei Gas, das wärmer ist als das in Einlass 11 einströmende Gas, als Warmfraktion WF aus dem Rohrende bei Auslass 13 austritt. Auslass 13 ist an dem Rohrende angeordnet, das dem Rohrende gegenüberliegt, an dem der tangentiale Einlass 11 angeordnet ist. Gas, das deutlich kälter ist, als das in Einlass 11 einströmende Gas, tritt als Kaltfraktion KF bei Auslass 12 aus, der an dem Rohrende angeordnet ist, an dem auch der tangentiale Einlass 11 angeordnet ist. Die Wärmemenge der vereinten Warmfraktion WF und Kaltfraktion KF entspricht etwa der Wärmemenge des eintretenden Gases GH abzüglich der Volumenarbeit V • ΔP als Wärmeäquivalent, die das eintretende unter Druck stehendes Gas GH bei Passage des Wirbelrohres 10 geleistet hat.
  • Im Gegensatz zu einer einfachen Drossel in Form einer Lochblende oder einer Stahlfritte in einem Rohr, bei dem eine Temperaturabsenkung durch den beobachtbaren Joule-Thomson-Effekt messbar ist, bildet sich in einem Ranque-Hielsch-Rohr eine Kaltfraktion KF mit einer Temperatur unterhalb der Temperatur, die durch den Joule-Thomson-Effekt beobachtbar wäre und eine Warmfraktion WF mit einer Temperatur, die höher ist, als die Temperatur des einströmenden Gases GH. Die vorliegende Erfindung macht sich zu Nutze, dass mit dem Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hielsch eine Kaltfraktion KF erhalten wird, die eine Temperatur unterhalb der Temperatur aufweist, die nach Joule-Thomson erreichbar wäre. Durch die niedrigere Temperatur als nach Joule-Thomson ist der Wärmegradient zwischen der Kaltfraktion KF und der atmosphärischen Luft in einem dem Wirbelrohr im Weg der Kaltfraktion folgenden Wärmetauscher 30 größer als es bei Einsatz einer Drossel nach Joule-Thomson wäre. Der größere Wärmegradient führt zu einer größeren Wärmemenge, die im Wärmetauscher 30 spontan, also von selbst auf die Kaltfraktion KF übergeht. Erst die durch den Wärmetauscher 30 aufgewärmte Kaltfraktion KF wird mit der Warmfraktion WF des Wirbelrohrs 10 vereint. Die vereinten Fraktionen, Warmfraktion WF und erwärmte Kaltfraktion KF weisen so eine größere Wärmemenge auf, was zwangsläufig zu einer höheren Temperatur der vereinten Fraktionen, nämlich Warmfraktion WF und erwärmte Kaltfraktion KF, führt als wäre das gesamte entspannte Gas mit der zu erwartenden Joule-Thomson-Temperatur in einem Wärmetauscher 30 mit atmosphärischer Luft erwärmt worden.
  • In der Legende zu Figur 1 sind drei verschiedene Thermometer unter je einem schattierten Quadrat dargestellt, die die je einer Schattierung der Wirbel W1 und W2 zugeordnet werden können. Schwarz (links) bedeutet kalt und entspricht der Temperatur der austretenden Kaltfraktion KF. Eine mitteldunkle Schattierung (Mitte) entspricht etwa der Temperatur des unter Druck stehenden, eintretenden Gases GH und eine hellere Schattierung (rechts) entspricht etwa der Temperatur der austretenden Warmfraktion WF.
  • In Figur 2 ist eine Schnittzeichnung durch eine Variante des Ranque-Hielsch-Rohres als Wirbelrohr 20 dargestellt. Anders als bei dem zuvor beschriebenen Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hielsch in Figur 1 ist der Auslass 23 für die Warmfraktion WF vollkommen verschlossen. Der Ranque-Hielsch-Effekt bricht dadurch nicht zusammen, sondern die Wärme der Warmfraktion WF wird über die Rohrwand RW auf die Kühlrippen 27 in ein Gehäuse 24 des Wirbelrohres 20 abgeleitet, wo ein Teilstrom TS des unter Druck stehenden Gases GH, der durch den Strömungseingang 25 in das Gehäuse 24 eingetreten ist, die Wärme aufnimmt und über den Strömungsausgang 26 das Gehäuse 24 verlässt. Von außen gesehen unterscheidet sich diese zweite Variante des Ranque-Hielsch-Rohres vom Ranque-Hielsch-Rohr nach Figur 1 durch den Weg der Wärme. In dem zuvor beschriebenen Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hielsch in Figur 1 wird die Wärme mit der Warmfraktion WF im Wirbel W1 transportiert und mit der Warmfraktion WF aus dem Wirbelrohr 10 durch den Auslass 13 transportiert, hingegen wird die Wärme in der Variante des Ranque-Hielsch-Rohres in Figur 2 durch die Rohrwand RW nach außen in das Gehäuse 24 transportiert und über einen Teilstrom TS des einströmenden Gases GH als Warmfraktion WF abtransportiert, welche durch Auslass 26 das Gehäuse 24 verlässt.
  • In der Legende zu Figur 2 sind drei verschiedene Thermometer unter je einem schattierten Quadrat dargestellt, die die je einer Schattierung der Wirbel W1 und W2 zugeordnet werden können. Schwarz (links) bedeutet kalt und entspricht der Temperatur der austretenden Kaltfraktion KF. Eine mitteldunkle Schattierung (Mitte) entspricht etwa der Temperatur des unter Druck stehenden, eintretenden Gases GH und eine hellere Schattierung (rechts) entspricht etwa der Temperatur der austretenden Warmfraktion WF.
  • Schließlich gibt es Varianten eines Wirbelrohres, die dem Wirbelrohr 10 in Figur 10 ähneln, bei denen der Auslass 13 für die Warmfraktion WF verschlossen ist und die Wärme durch die Rohrwand RW in die atmosphärische Umgebung strömt. Solche Wirbelrohre arbeiten wie eine Drossel, die durch Wärmeabgabe eine zusätzliche Abkühlung des durch das Wirbelrohr strömenden Gases erzeugen. Gegenstand der Erfindung ist es, diese im Stand der Technik ungenutzte Wärme in den stromabwärts gerichteten Gasstrom zu leiten.
  • In Figur 3 ist eine erste und einfache Variante einer Gasentspannungsanlage 100 als vereinfachtes Schaltungsdiagramm dargestellt.
  • Gas GH aus einer Gasquelle Q, wie aus einer Kaverne, aus einem Gashochdrucknetz oder einem Gasmitteldrucknetz, aus einer Pipeline oder aus einem Gastank wird am Eingang 101 in die Gasentspannungsanlage 100 eingeleitet, wobei es eine vorgegebene Temperatur hat, die symbolisch durch das dort dargestellte Thermometer T1 repräsentiert wird. Dabei kann der Gasdruck am Eingang 101 etwa 63 bar bei ca. 4°C bis 5°C betragen und einen Gasmengenstrom von bis zu 50.000 Nm3/h aufweisen. Dieser Gasstrom an Eingang 101 soll durch die Gasentspannungsanlage 100 zum Ausgang 102 geleitet werden, wo der Gasdruck nur noch etwa 25 bar beträgt. Zur Kompensation des zu erwartenden Joule-Thomson-Effektes soll eine Wärmeleistung von etwa 300 kW bei einem Gasmengenstrom von etwa 50.000 Nm3/h in das Gas bei der Entspannung eingeleitet werden.
  • Die Gasentspannungsanlage 100 weist ein Bypassventil 103 auf, das nur zur Stilllegung der Gasentspannungsanlage 100 geöffnet ist, um die Gasentspannungsanlage 100 beispielsweise für eine Wartung oder für eine Reparatur zugänglich zu machen. In diesem Fall sind die Absperrventile 104 und 105 geschlossen, so dass die einzelnen Aggregate der Gasentspannungsnlage 100 bis auf die Bypassleitung 103' druckfrei sind. Im Wartungs- oder Reparaturfall muss die Entspannung des Gases an einer stromabwärts gelegenen Stelle erfolgen.
  • Ist das Bypassventil 103 geschlossen und sind die Absperrventile 104 und 105 geöffnet, was dem Normalfall entspricht, strömt das unter Druck stehende Gas GH, das aus dem Eingang 101 in die Gasentspannungsanlage 100 strömt, in den Einlass 11 des Wirbelrohres 10. In dem Wirbelrohr 10 nach Ranque-Hielsch wird das unter Druckstehende Gas GH entspannt und teilt sich auf in eine Warmfraktion WF, die das Wirbelrohr 10 am Auslass 13 verlässt, und eine Kaltfraktion KF, die das Wirbelrohr 10 an Auslass 11 verlässt. Die Temperatur der Warmfraktion WF ist höher als die Temperatur des unter Druckstehenden Gases GH, was durch das Thermometer T2 angedeutet ist. Hingegen ist die Temperatur der Kaltfraktion KF deutlich geringer als die Temperatur des unter Druckstehenden Gases GH, was durch das Thermometer T3 angedeutet ist. Bei einer Eingangstemperatur des Gases GH von 4°C bis 5°C ist die Temperatur der Kaltfraktion KF im Idealfall etwa - 10°C, um einen Abstand zum Taupunkt einzuhalten, der bei etwa -15°C liegt. Das aus Auslass 11 des Wirbelrohres 10 strömende Gas als Kaltfraktion KF strömt sodann in einen Wärmetauscher 30, der Wärme aus der atmosphärischen Luft in das Gas der Kaltfraktion KF einleitet. Solange die atmosphärische Luft wärmer ist als -10°C, was im mitteleuropäischen Klima in der Regel der Fall ist, geht die Wärme aus der atmosphärischen Luft spontan auf die Kaltfraktion KF über. Die erwärmte Kaltfraktion KF wird am Ausgang des Wärmetauschers 30 durch eine zusammenführende Rohrleitung 106 mit der Warmfraktion WF vereint und fließt über das Absperrventil 105 zum Ausgang 102. Am Ausgang 102 ist das entspannte Gas wärmer als am Eingang 101, was durch das Thermometer T5 dargestellt wird.
  • Zwischen dem Absperrventil 105 und dem Ausgang 102 befindet sich eine optionale elektrische Heizvorrichtung 110, die nur dann eingesetzt wird, wenn die Temperatur der atmosphärischen Luft nicht ausreicht, mit dem vorhandenen Wärmetauscher 30 eine notwendige Heizleistung von bis zu 300 kW bei einem Gasmengenstrom von 50.000 Nm3/h oder entsprechend weniger Wärme pro Zeiteinheit bei einem geringeren Gasmengenstrom in die Kaltfraktion KF einzuleiten. Es ist möglich, die Heizvorrichtung 110 auch am Eingang 101 zu platzieren. Schließlich ist es auch möglich, je eine elektrische Heizvorrichtung am Eingang 101 und am Ausgang 102 zu platzieren.
  • In Figur 4 ist eine zweite Variante einer Gasentspannungsanlage 200 mit beispielhaft drei parallel geschalteten Wirbelrohren 10, 10', 10", die verschieden gestimmt sind, als vereinfachtes Schaltungsdiagramm dargestellt. Diese hier beispielhaft dargestellte Gasentspannungsanlage 200 funktioniert wie die Gasentspannungsanlage 100 und unterscheidet sich von der Gasentspannungsanlage 100 in Figur 1 durch die drei parallel geschalteten Wirbelrohre 10, 10' und 10", die durch eine Steuerungsanlage SV über Sperr-/Regelventil 204, Absperrventile 207 und 208 für Wirbelrohr 10, Sperr-/Regelventil 204', Absperrventile 207', und 208' für Wirbelrohr 10' und Sperr-/Regelventil 204", Absperrventile 207", und 208" für Wirbelrohr 10" einzeln zu oder abgeschaltet werden können. Hierzu steht die Steuerungsvorrichtung SV mit den 3 Sperr-/Regelventilen 204, 204' und 204" und den 6 Absperrventilen 207, 207', 207", 208, 208' und 208" in Wirkverbindung. Gas GH aus einer Gasquelle Q, wie aus einer Kaverne, aus einem Gashochdrucknetz oder einem Gasmitteldrucknetz, aus einer Pipeline oder aus einem Gastank wird am Eingang 201 in die Gasentspannungsanlage 200 eingeleitet, wobei es eine vorgegebene Temperatur hat, die symbolisch durch das dort dargestellte Thermometer T1 repräsentiert wird. Dabei kann der Gasdruck am Eingang 201 etwa 63 bar bei ca. 4°C bis 5°C betragen und einen Gasmengenstrom von bis zu 50.000 Nm3/h aufweisen. Dieser Gasstrom an Eingang 201 soll durch die Gasentspannungsanlage 200 zum Ausgang 202 geleitet werden, wo der Gasdruck nur noch etwa 25 bar beträgt. Zur Kompensation des Joule-Thomson-Effektes soll eine Wärmeleistung von etwa 300 kW bei einem Gasmengenstrom von etwa 50.000 Nm3/h in das Gas bei der Entspannung eingeleitet werden.
  • Die Gasentspannungsanlage 200 weist ein Bypassventil 203 auf, das nur zur Stilllegung der Gasentspannungsanlage 200 geöffnet ist, um die Gasentspannungsanlage 200 beispielsweise für eine Wartung oder für eine Reparatur zugänglich zu machen. In diesem Fall sind die Sperr-/Regelventile 204, 204', 204" und das Absperrventil 205 geschlossen, so dass die einzelnen Aggregate der Gasentspannungsanlage 200 bis auf die Bypassleitung 203' druckfrei sind. Im Wartungs- oder Reparaturfall muss die Entspannung des Gases an einer stromabwärts gelegenen Stelle erfolgen.
  • Ist das Bypassventil 203 geschlossen und sind die Sperr-/Regelventile 204, 204', 204" und 205 geöffnet, was dem Normalfall entspricht, strömt das unter Druck stehende Gas GH, das aus dem Eingang 201 in die Gasentspannungsanlage 200 strömt, in die Einlässe 11, 11', 11" der Wirbelrohre 10, 10' und 10". In den Wirbelrohren 10, 10', 10" nach Ranque-Hielsch wird das unter Druckstehende Gas GH entspannt und teilt sich jeweils auf in eine Warmfraktion WF, WF' und WF" welche die Wirbelrohre 10, 10', 10" am jeweils korrespondierenden Auslass 13, 13', 13" verlassen und jeweils eine Kaltfraktion KF, welche die Wirbelrohre 10, 10', 10" an den Auslassen 11, 11', 11" verlassen. Die Temperatur der Warmfraktionen WF, WF', WF" ist höher als die Temperatur des unter Druck stehenden Gases GH, was durch die Thermometer T2, T2', T2" angedeutet ist. Hingegen ist die Temperatur der vereinten Kaltfraktion KF deutlich geringer als die Temperatur des unter Druckstehenden Gases GH, was durch das Thermometer T3 angedeutet ist. Bei einer Eingangstemperatur des Gases GH von 4°C bis 5°C ist die Temperatur der vereinten Kaltfraktion KF im Idealfall etwa -10°C, um einen Abstand zum Taupunkt von nassem Erdgas einzuhalten, der bei etwa -15°C liegt. Die aus den Auslassen 11, 11' und 11" der Wirbelrohre 10, 10' und 10" strömenden Gase als Kaltfraktion KF strömen sodann in einen Wärmetauscher 30, der Wärme aus der atmosphärischen Luft in das Gas der vereinten Kaltfraktion KF einleitet. Solange die atmosphärische Luft wärmer ist als -10°C, was im mitteleuropäischen Klima in der Regel der Fall ist, geht die Wärme aus der atmosphärischen Luft spontan auf die vereinte Kaltfraktion KF über. Die erwärmte Kaltfraktion KF wird am Ausgang des Wärmetauschers 30 durch eine zusammenführende Rohrleitung 206 mit den Warmfraktionen WF, WF' und WF" vereint und fließt über das Absperrventil 205 zum Ausgang 202. Am Ausgang 202 ist das entspannte Gas wärmer als am Eingang 201, was durch das Thermometer T5 dargestellt wird.
  • Im Gegensatz zur Gasentspannungsanlage 100 ist in dieser beispielhaft dargestellten Gasentspannungsanlage 200 vorgesehen, dass sich zwischen dem Eingang 201 und den Sperr-/Regelventile 204, 204' und 204" eine optionale elektrische Heizvorrichtung 210 befindet, die nur dann eingesetzt wird, wenn die Temperatur der atmosphärischen Luft nicht ausreicht, mit dem vorhandenen Wärmetauscher 30 eine Heizleistung von etwa 300 kW bei einem Gasmengenstrom von ca. 50.000 Nm3/h oder entsprechend weniger Wärme pro Zeiteinheit bei einem geringeren Gasmengenstrom in die vereinten Kaltfraktion KF aus den drei Wirbelrohren 10, 10' und 10" einzuleiten. Es ist möglich, die Heizvorrichtung 210 auch am Ausgang 202 zu platzieren. Schließlich ist es auch möglich, je eine elektrische Heizvorrichtung am Eingang 201 und am Ausgang 202 zu platzieren.
  • In den Unterfiguren Figur 5A, Figur 5B, Figur 5C, Figur 5D, Figur 5E und Figur 5F der Figur 5 sind verschiedene Schaltzustände der Gasentspannungsanlage 200 dargestellt, wobei zur Wahrung der Übersicht die Steuerungsvorrichtung SV (abgebildet in Figur 4) mitsamt ihren Verbindungsleitungen zu den Ventilen aus den Unterfiguren 5A bis 5F ausgeblendet wurden.
  • Die Funktionsweise der Gasentspannungsanlage 200 unterscheidet sich von der Funktionsweise der Gasentspannungsanlage 100 in Figur 1 im Detail dadurch, dass die drei Wirbelrohre 10, 10' und 10" unterschiedlich gestimmt sind, also eine unterschiedliche Auslegung für unterschiedliche Gasmengenströme haben. Für eine beispielhafte Auslegung des Wirbelrohrs 10 für einen Gasmengenstrom von 7.500 Nm3/h, Auslegung des Wirbelrohrs 10' für einen Gasmengenstrom von 15.000 Nm3/h und Auslegung des Wirbelrohrs 10" für einen Gasmengenstrom von 30.000 Nm3/h lässt sich die Gasentspannungsanlage 200 durch individuelles zu- oder abschalten der Wirbelrohre 10, 10' oder 10" wie folgt für unterschiedliche Gesamtgasmengenströme konfigurieren:
    Unterfigur Wirbelrohr 10 Wirbelrohr 10' Wirbelrohr 10" Gesamtgasmengenstrom
    - abgeschaltet abgeschaltet abgeschaltet 0 Nm3/h (aus)
    5A zugeschaltet abgeschaltet abgeschaltet 7.500 Nm3/h
    5B abgeschaltet zugeschaltet abgeschaltet 15.000 Nm3/h
    5D zugeschaltet zugeschaltet abgeschaltet 22.500 Nm3/h
    5C abgeschaltet abgeschaltet zugeschaltet 30.000 Nm3/h
    - zugeschaltet abgeschaltet zugeschaltet 37.500 Nm3/h
    5F abgeschaltet zugeschaltet zugeschaltet 45.000 Nm3/h
    5E zugeschaltet zugeschaltet zugeschaltet 52.500 Nm3/h
  • In den Unterfiguren 5A bis 5F ist der abgeschaltete Zustand eines Wirbelrohres durch Strichlinierung des betreffenden Wirbelrohres dargestellt. Der Weg des Gases durch die Gasentspannungsanlage 200 ist durch Fettdruck der Rohrverbindungen dargestellt. Die Schaltungszustände für 0 Nm3/h und für eine beispielhafte Konfiguration für einen Gasmengenstrom von 37.500 Nm3/h ist hier nicht eingezeichnet.
  • In Figur 6 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Gasentspannungsanlage 300 mit parallel geschalteten Wirbelrohren 10, 10', 10", die verschieden gestimmt sind, und zwei Wärmetauschern 30 und 30' als vereinfachtes Schaltungsdiagramm dargestellt.
  • Diese hier beispielhaft dargestellte Gasentspannungsanlage 300 funktioniert wie die Gasentspannungsanlage 200 und unterscheidet sich von der Gasentspannungsanlage 200 in Figur 4 durch die zwei nebeneinander vorliegenden Wärmetauscher 30 und 30', die durch eine Steuerungsanlage SV über Absperrventile 309, 309' und 311 sowie 311' einzeln zu oder abgeschaltet werden können. Hierzu steht die Steuerungsvorrichtung SV mit den vier gegenüber Gasentspannungsanlage 200 zusätzlichen vier Absperrventilen 309, 309' und 311 sowie 311' in Wirkverbindung. Gas GH aus einer Gasquelle Q, wie aus einer Kaverne, aus einem Gashochdrucknetz oder einem Gasmitteldrucknetz, aus einer Pipeline oder aus einem Gastank wird am Eingang 301 in die Gasentspannungsanlage 300 eingeleitet, wobei es eine vorgegebene Temperatur hat, die symbolisch durch das dort dargestellte Thermometer T1 hat. Dabei kann der Gasdruck am Eingang 301 etwa 63 bar bei ca. 4°C bis 5°C betragen und einen Gasmengenstrom von bis zu 50.000 Nm3/h aufweisen. Dieser Gasmengenstrom an Eingang 301 soll durch die Gasentspannungsanlage 300 zum Ausgang 302 geleitet werden, wo der Gasdruck nur noch etwa 25 bar beträgt. Zur Kompensation des Joule-Thomson-Effektes sollen eine Wärmeleistung von bis zu 300 kW bei einem Gasmengenstrom von ca. 50.000 Nm3/h oder entsprechend weniger Wärme pro Zeiteinheit bei einem geringeren Gasmengenstrom in das Gas bei der Entspannung eingeleitet werden.
  • Die Gasentspannungsanlage 300 weist ein Bypassventil 303 auf, das nur zur Stilllegung der Gasentspannungsanlage 300 geöffnet ist, um die Gasentspannungsanlage 300 beispielsweise für eine Wartung oder für eine Reparatur zugänglich zu machen. In diesem Fall sind die Sperr-/Regelventile 304, 304', 304" und das Absperrventil 305 geschlossen, so dass die einzelnen Aggregate der Gasentspannungsanlage 300 bis auf die Bypassleitung 303' druckfrei sind. Im Wartungs- oder Reparaturfall muss die Entspannung des Gases an einer stromabwärts gelegenen Stelle erfolgen.
  • Ist das Bypassventil 303 geschlossen und sind die Sperr-/Regelventile 304, 304', 304" und 305 geöffnet, was dem Normalfall entspricht, strömt das unter Druck stehende Gas GH, das aus dem Eingang 301 in die Gasentspannungsanlage 300 strömt, in die Einlässe 11, 11', 11" der Wirbelrohre 10, 10' und 10". In den Wirbelrohren 10, 10', 10" nach Ranque-Hielsch wird das unter Druckstehende Gas GH entspannt und teilt sich jeweils auf in eine Warmfraktion WF, WF' und WF" welche die Wirbelrohre 10, 10', 10" am jeweils korrespondierenden Auslass 13, 13', 13" verlassen und jeweils eine Kaltfraktion KF, welche die Wirbelrohre 10, 10', 10" an den Auslassen 11, 11', 11" über Absperrventile 307, 307' und 307" verlassen. Die Temperatur der Warmfraktionen WF, WF', WF" ist höher als die Temperatur des unter Druckstehenden Gases GH, was durch die Thermometer T2, T2', T2" angedeutet ist. Hingegen ist die Temperatur der vereinten Kaltfraktion KF deutlich geringer als die Temperatur des unter Druckstehenden Gases GH, was durch das Thermometer T3 angedeutet ist. Bei einer Eingangstemperatur des Gases GH von 4°C bis 5°C ist die Temperatur der vereinten Kaltfraktion KF im Idealfall etwa -10°C, um einen Abstand zum Taupunkt von nassem Erdgas einzuhalten, der bei etwa -15°C liegt. Die aus den Auslassen 11, 11' und 11" der Wirbelrohre 10, 10' und10" strömenden Gase als Kaltfraktion KF strömen sodann in einen Wärmetauscher 30 und/oder 30', die beide Wärme aus der atmosphärischen Luft in das Gas der vereinten Kaltfraktion KF einleiten. Solange die atmosphärische Luft wärmer ist als -10°C, was im mitteleuropäischen Klima in der Regel der Fall ist, geht die Wärme aus der atmosphärischen Luft spontan auf die vereinte Kaltfraktion KF über. Die erwärmte Kaltfraktion KF wird am Ausgang der Wärmetauscher 30 und 30' durch eine zusammenführende Rohrleitung 306 mit den Warmfraktionen WF, WF' und WF" vereint und fließt über das Absperrventil 305 zum Ausgang 302. Am Ausgang 302 ist das entspannte Gas wärmer als am Eingang 301, was durch das Thermometer T5 dargestellt wird.
  • Im Gegensatz zur Gasentspannungsanlage 200 ist in dieser beispielhaft dargestellten Gasentspannungsanlage 300 vorgesehen, dass die beiden Wärmetauscher 30 und 30' verschieden verschalten lassen. Die beiden Wärmetauscher 30 und 30' können parallel arbeiten, um so die Heizleistung zu verdoppeln, die in die vereinte Kaltfraktion eingeleitet wird. Es ist aber in besonderer Weise möglich über die Gasverteileranordnung 40, die ihrerseits über die Steuerungsvorrichtung SV ansprechbar und steuerbar ist, warmes Gas aus einer, aus zwei oder aus drei Wirbelrohren der Wirbelrohre 10, 10' und/oder 10" einzuleiten. Die Einleitung von Warmgas einer oder mehr als einer Warmfraktion WF aus den Wirbelrohren 10, 10' und/oder 10" in einen Wärmetauscher 30, 30' dient dazu, den betreffenden Wärmetauscher 30 und/oder 30' aufzutauen, sollte der Wärmetauscher 30 und/oder 30' bei feuchtem Wetter, wie an sehr schwülen Sommertagen, bei herbstlichem Feuchtwetter auf der atmosphärischen Seite vereisen und damit die Lamellen zusetzen, so dass keine atmosphärische Luft mehr in den betreffenden Wärmetauscher einfließen kann. Auch bei einer Teilvereisung auf der Gasseite des betreffenden Wärmetauschers kann die zugeleitete Warmfraktion WF die im Inneren des Wärmetauschers 30 und oder 30' vorliegende Vereisung auftauen. Die wahlweise Umschaltung je eines Wärmetauschers 30 und/oder 30' hilft, mögliche Havarien zu vermeiden und auch die Funktion der Gasentspannungsanlage 300 aufrecht zu erhalten, selbst wenn aufgrund eines großen Gasmengenstroms die Gasentspannungsanlage 300 am Rand ihrer Kapazität arbeitet oder aber aufgrund widriger Wetterverhältnisse dazu neigt, an den Wärmetauschern 30 und/oder 30' zu vereisen.
  • Für eine Entkopplung der Wärmetauscher 30 und 30' ist vorgesehen, dass diese auf der zur Rohrleitung 306 weisenden Seite über Absperrventile 311, und 311' mit der der Rohrleitung 306 verbunden sind.
  • Zwischen dem Eingang 301 und den Sperr-/Regelventile 304, 304' und 304" befindet sich eine optionale elektrische Heizvorrichtung 310, die nur dann eingesetzt wird, wenn die Temperatur der atmosphärischen Luft nicht ausreicht, mit dem vorhandenen Wärmetauschern 30 und 30' eine notwendige Heizleistung von bis zu 300 kW bei einem Gasmengenstrom von 50.000 Nm3/h oder entsprechend weniger Wärme pro Zeiteinheit bei einem geringeren Gasmengenstrom in die Kaltfraktion KF einzuleiten. Es ist möglich, die Heizvorrichtung 310 auch am Ausgang 302 zu platzieren. Schließlich ist es auch möglich, je eine elektrische Heizvorrichtung am Eingang 301 und am Ausgang 302 zu platzieren.
  • In den Unterfiguren Figur 7A, Figur 7B, Figur 7C der Figur 7 sind verschiedene Schaltzustände der Gasentspannungsanlage 300 dargestellt, wobei zur Wahrung der Übersicht die Steuerungsvorrichtung SV (abgebildet in Figur 6) mitsamt ihren Verbindungsleitungen zu den Ventilen aus den Unterfiguren 7A bis 7C ausgeblendet wurden. Die Bezugszeichen wurden auch ausgeblendet, wobei die Zeichnungen in den Unterfiguren bis auf die Ausblendung der Figur 6 entspricht.
  • In den Unterfiguren 7A bis 7C ist der abgeschaltete Zustand eines Wirbelrohres durch Strichlinierung des betreffenden Wirbelrohres dargestellt. Der Weg des Gases durch die Gasentspannungsanlage 300 ist durch Fettdruck der Rohrverbindungen dargestellt.
  • In Unterfigur 7A ist dargestellt, das Wirbelrohr 10, das oberste der drei Wirbelrohre 10, 10' und 10" zugeschaltet und aktiv ist und so funktioniert, wie es zur Figurenbeschreibung zu Figur 6 beschrieben ist. Dabei strömt die Kaltfraktion KF von Wirbelrohr 10 in den unteren Wärmetauscher 30'. Das unterste Wirbelrohr 10" der drei Wirbelrohre 10, 10' und 10" ist durch die Konfiguration der Ventilstellungen der Gasverteilungsanordnung 40 und der Ventilstellung von Ventil 308" so geschaltet, dass dessen Warmfraktion WF" in den oberen Wärmetauscher 30 strömt, um diesen zu enteisen. Freilich wird durch die Enteisungsfunktion ein Teil der Wärme geopfert, die durch die Warmfraktion WF" gewonnen werden soll. Dieser Wärmeverlust kann aber zumindest teilkompensiert werden durch die elektrische Heizvorrichtung 310.
  • In Unterfigur 7B ist eine zu Unterfigur 7A umgekehrte Verschaltung dargestellt. In dieser Konfiguration arbeitet der obere Wärmetauscher 30 wie in der Figurenbeschreibung zu Figur 6 beschrieben ist, und der untere Wärmetauscher 30' wird mit der Warmfraktion WF" des untersten Wirbelrohres 10" beaufschlagt, so dass der Wärmetauscher 30' enteist werden kann.
  • In Unterfigur 7C ist die Verschaltung von Unterfigur 7B dargestellt, wobei jedoch das mittlere Wirbelrohr 10' zugeschaltet und aktiviert ist, um mit seiner Wärmefraktion WF' die Temperatur der vereinten Gasfraktionen in Rohrleitung 306 zu erhöhen, um die durch das Enteisen verlorene Wärme zumindest zum Teil zu kompensieren. BEZUGSZEICHENLISTE
    10 Wirbelrohr 27 Kühlrippe
    10' Wirbelrohr
    10" Wirbelrohr 30 Wärmetauscher
    11 Einlass 31 Wärmetauschereingang
    11' Einlass 32 Wärmetauscherausgang
    11" Einlass 30' Wärmetauscher
    12 Auslass, Kaltfraktion 31' Wärmetauschereingang
    12' Auslass, Kaltfraktion 32' Wärmetauscherausgang
    12" Auslass, Kaltfraktion
    13 Auslass, Warmfraktion 40 Gasverteileranordnung
    13' Auslass, Warmfraktion
    13" Auslass, Warmfraktion 100 Gasentspannungsanlage
    101 Eingang
    20 Wirbelrohr 102 Ausgang
    21 Einlass, 103 Bypassventil
    22 Auslass, Kaltfraktion 103' Bypassleitung
    23 Auslass, Warmfraktion 104 Sperr-/Regelventil
    24 Gehäuse 105 Absperrventil
    25 Strömungseingang 106 Rohrleitung
    26 Strömungsausgang 110 Heizvorrichtung
    200 Gasentspannungsanlage 303 Bypassventil
    201 Eingang 303' Bypassleitung
    202 Ausgang 304 Sperr-/Regelventil
    203 Bypassventil 304' Sperr-/Regelventil
    203' Bypassleitung 304" Sperr-/Regelventil
    204 Sperr-/Regelventil 305 Absperrventil
    204' Sperr-/Regelventil 306 Rohrleitung
    204" Sperr-/Regelventil 307 Absperrventil
    205 Absperrventil 307' Absperrventil
    206 Rohrleitung 307" Absperrventil
    207 Absperrventil 308 Absperrventil
    207' Absperrventil 308' Absperrventil
    207" Absperrventil 308" Absperrventil
    208 Absperrventil 309 Absperrventil
    208' Absperrventil 309' Absperrventil
    208" Absperrventil 310 Heizung
    210 Heizvorrichtung 311 Absperrventil
    311' Absperrventil
    300 Gasentspannungsanlage
    301 Eingang T1 Thermometer
    302 Ausgang T2 Thermometer
    T2' Thermometer S Gassenke
    T2" Thermometer SV Steuerungsvorrichtung
    T3 Thermometer TS Teilstrom
    T4 Thermometer W1 Wirbel
    T4' Thermometer W2 Wirbel
    T5 Thermometer WF Warmfraktion
    GH Gas, Hochdruckseite WF' Warmfraktion
    KF Kaltfraktion WF" Warmfraktion
    Q Gasquelle WS Warmstrom
    RW Rohrwand

Claims (6)

  1. Gasentspannungsanlage (100, 200, 300) zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas zum Einsatz zwischen
    - einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q), wie ein Gastank, ein Gasmitteldrucknetz oder Gashochdrucknetz oder ein Kavernenspeicher und
    - einer zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S), wie ein Verbraucher, ein Gasniederdrucknetz oder eine Gasversorgungsleitung,
    aufweisend
    - mindestens ein Wirbelrohr (10, 10', 10", 20), das in Strömungsverbindung mit der ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q) steht,
    wobei das Gas aus der Gasquelle (Q) in das Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) in einen tangentialen Einlass (11, 11', 11", 21) einströmt, und aus zwei Auslässen in Form eines ersten Auslasses (12, 12', 12", 22) für eine erste Kaltfraktion des Gases und in Form eines zweiten Auslasses (13, 13', 13", 23) für eine zweite Warmfraktion (WF, WF', WF") des Gases ausströmt, und
    - mindestens einen Wärmetauscher (30, 30'),
    wobei die aus dem ersten Auslass (12, 12', 12", 22) des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) strömende Kaltfraktion (KF) des Gases in Strömungsverbindung mit dem mindestens einen Wärmetauscher (30, 30') steht und in den Wärmetauscher (30, 30') als Kaltstrom in einen Wärmetauschereingang (31, 31') einströmt,
    wobei mehr als ein Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) parallel zueinander geschaltet sind, und mehr als ein Wärmetauscher (30, 30') nebeneinander vorliegt, die aus dem zweiten Auslass (13, 13', 13", 23) des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) strömende Warmfraktion (WF, WF', WF") über eine Rohrleitungsverbindung (14) mit einem aus einem Wärmetauscherausgang (33) des Wärmetauschers (30) ausströmenden Warmstrom in Strömungsverbindung steht und die vereinten Warmfraktionen aus Warmfraktion (WF, WF', WF") und Warmstrom (WS) in Strömungsverbindung mit der zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S) stehen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Wirbelrohre (10, 10', 10", 20) für verschiedene Gasmengenströme ausgelegt sind, und durch Sperr- und/oder Regelventile (204, 204', 204", 304, 304', 304") an den Einlässen (11, 11', 11") und durch Absperrventile (207, 207', 207", 208, 208', 208", 307, 307', 307", 308, 308', 308") an den zwei Auslässen (11, 11'. 11", 12, 12', 12") einzeln zu- oder abschaltbar sind,
    wobei die verschiedenen Wärmetauscher (30, 30') durch Absperrventile (309, 309', 311, 311') an dem jeweiligen Wärmetauschereingang (31) und an dem jeweiligen Wärmetauscherausgang (32) einzeln zu- oder abschaltbar sind, und wobei mindestens ein Wärmetauschereingang (31, 31') eines Wärmetauschers (30, 30') der verschiedenen Wärmetauscher (30, 30') durch eine Gasverteileranordnung (40) mit dem zweiten Auslass (13, 13', 13", 23) mindestens eines Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) für eine zweite Warmfraktion (WF, WF', WF") des Gases verbindbar ist, so dass die Warmfraktion (WF, WF', WF") des Gases aus dem mindestens einen Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) in den betreffenden Wärmetauscher (30, 30') einströmt.
  2. Gasentspannungsanlage nach Anspruch 1,
    wobei eine Steuerungsanordnung (SV) die Beaufschlagung verschiedener Wärmetauscher (30, 30') mit der Kaltfraktion (KF) oder der Warmfraktion (WF, WF', WF") aus dem mindestens einen Wärmetauscher (30, 30') so steuert, dass die verschiedenen Wärmetauscher (30, 30') wechselweise mit der Kaltfraktion (KF) oder Warmfraktion (WF, WF', WF") durchströmt werden.
  3. Gasentspannungsanlage nach Ansprüche 1 oder 2,
    wobei das mindestens eine Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) Kühlrippen (27) aufweist und in einem Gehäuse (24) mit einem Strömungseingang (25) und einem Strömungsausgang (25) eingehaust ist,
    wobei der Strömungseingang (25) des Gehäuses (24) mit dem Einlass (11, 11', 11") des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) verbunden ist, so dass ein Teilstrom (TS) des in das mindestens eine Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) einströmenden Gases (GH) in den Strömungseingang (25) des Gehäuses (24) strömt, der Teilstrom (TS) durch das Gehäuse (24) strömt, und als Warmfraktion (WF, WF', WF") des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) über einen Strömungsausgang (26) des Gehäuses (24) das Gehäuse (24) verlässt.
  4. Gasentspannungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei eine elektrisch betriebene Heizungsanordnung (110, 210, 310) gastromaufwärts des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) und/oder gasstromabwärts des mindestens einen Wärmetauschers (30, 30') angeordnet ist.
  5. Verfahren zur Entspannung und Mengensteuerung von Gas zum Einsatz zwischen
    - einer ersten, gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q) und
    - einer zweiten, gastromabwärts gelegenen Gassenke (S),
    wobei das Gas aus der Gasquelle (Q) zur Entspannung durch mindestens ein Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) geleitet und in je eine Kaltfraktion (KF) und je eine Warmfraktion (WF, WF', WF") aufgeteilt wird, und
    wobei die Kaltfraktion (KF) über einen mindestens einen Wärmetauscher (30, 30') Wärme aus der Atmosphäre aufnimmt und sich dabei erwärmt, dabei erfolgt ein Vereinen der Warmfraktion (WF, WF', WF") des Gases aus dem mindestens einen Wirbelrohr (10, 10', 10", 20) mit der durch den Wärmetauscher (30, 30') erwärmten Kaltfraktion (KF), so dass das entspannte Gas unter geringerem Druck als das in die Gasentspannungsanlage (100, 200, 300) einströmende Gase in die gastromabwärts gelegene Gassenke (S) strömt, wobei mehr als ein Wärmetauscher (30, 30') wechselweise mit der Kaltfraktion (KF) und der Warmfraktion (WF, WF', WF") des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) beaufschlagt wird, und
    wobei stets mindestens ein Wärmetauscher (30, 30') mit der Kaltfraktion (KF) des mindestens einen Wirbelrohres (10, 10', 10", 20) beaufschlagt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    wobei das Verfahren ein elektrisches Heizen des Gases (GH), das aus der gastromaufwärts gelegenen Gasquelle (Q) in die Gasentspannungsanlage (100, 200, 300) einströmt und/oder
    elektrisches Heizen des Gases, das zur gastromabwärts gelegenen Gassenke (S) strömt,
    umfasst.
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