NO147389B - Trykkutjevningsventil og system hvori ventilen anvendes ved separering av gass og vaeske fra vannelektrolysoerer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører for det første en trykkutjevningsventil, som alene eller i grupper kan anvendes i systemer hvor det kreves et konstant trykk eller en konstant trykkforskjell mellom delsystemer ved varierende mottrykk.

Ventilen kan også anvendes i systemer for separering av gass og væske. Den omfatter et ventilhus, en ventilstang, et innløpsrør og et utløpsrør for gass og væske samt ventilsete og ventilklaff.

Oppfinnelsen vedrører også et system for separering av gass og

væske i de to gass/væskestrømmer fra en vannelektrolysør. Et slikt system omfatter to fronttanker som kommuniserer på

væskesiden.

Hydrogen og oksygen ledes i separate ledninger fra elektro-

lysøren i blanding med væske (lut) til hver sin separeringsanordning. Fraskilt væske ledes tilbake til elektrolysøren via et lutsirkulasjonssystem, mens hydrogen og oksygen ledes til sine respektive lagertanker eller forbrukssteder•

Separeringsanordningen omfatter videre to fronttanker eller lutbeholdere som ligger over elektrolysørens utløp. Ved strøm-avbrudd vil luten fra disse tanker renne tilbake i elektro-

lysøren gjennom gass/væske-utstrømmingskanalene (gasskanalene). Gassen vil dermed bli drevet hurtig ut av elektrolysøren som

fylles med lut. Sikkerhetsmessig er dette meget viktig, idet knallgassdannelse unngås.

Ved fremstilling av hydrogen og oksygen ved vannelektrolyse er det kjent flere ulike separeringsanordninger for den gass/væske-blanding som dannes. Disse anordninger er konstruert under hensyn til følgende faktorer. God gass/væske-separering, sikkerhet - spesielt ved strømavbrudd - og trykkutjevning mellom de to gass/væskesystemene i elektrolysøren.

Britisk patent No. 680,186 som vedrører innretning til trykkutjevning og separering av gass og væske for elektrolytiske spaltere, viser således en anordning med to gass/væske-skilletanker, som er plassert horisontalt over elektrolysøren og som kommuniserer på væskesiden. Gass/væske-blandingen tilføres skilletanken gjennom ledninger som munner ut over væskenivået i tanken. Ved strømavbrudd vil væske renne fra skilletanken via en rekke ledninger til elektrolysørens bunn og drive ut gassene. Gassutslippet fra den ene skilletank skjer gjennom en trykk-regulert ventil og fra den andre tank gjennom en ventil som styres av væskenivået i denne tank. Gassutskillingssystemets samlede volum er større enn 10% av elektrolyttvolumet i elektro-lysøren, og dette gir god puffervirkning mot variasjoner i gassvolum.

Trykkutjevningen i denne anordning er basert på et noe kompli-sert ventilsystem. Sikkerhetsmessig har anordningen den ulempe at utdriving av gassen i elektrolysøren ved strømavbrudd går svært langsomt, ettersom oppfylling av elektrolysøren med lut skjer gjennom vojskeledningene fra skilletankene til elektro-lysørens bunn.

En annen kjent gass/væske-separeringsanordning med fronttanker er beskrevet i en Norsk Hydro brosjyre "Hydrogen and Oxygen by Electrolysis of Water" (Oslo 1969). Den omfatter to skilletanker utstyrt med såkalte diffusorer. Tankene kommuniserer på væskesiden og er plassert slik at væskenivået er noe høyere enn elektrolysørens topp, slik at luten ved strømavbrudd renner tilbake gjennom gasskanalene og hurtig driver ut tilstedeværende gass så knallgas;sdannelse unngås.

Denne anordning gir brukbar trykkutjevning. Ulempene ved denne konstruksjon er de hydrauliske ustabiliteter som oppstår når elektrolysørens kapasitet blir presset oppover.

En tredje gass/væske-separeringsanordning, også beskrevet i

nevnte Norsk Hydro brosjyre, er basert på nedfallsrør. Dette gir effektiv separering av gass og væske som strømmer hver sin vei.

Ved anvendelse av nedfallsrør føres gass/lut-blandingen direkte

fra elektrolysøren gjennom to T-formede kanaler, slik at luten skilles fra gassen ved sin tyngde. Gassen strømmer da oppover mot samlestokker for hele elektrolysørparken. Anordningen må imidlertid av sikkerhetsmessige grunner utstyres med nitrogen-spylingsanlegg som aktiviseres ved strømavbrudd. Dette er nød-

vendig fordi man ikke har et lutlager over elektrolysøren og darved ikke raskt får drevet ut gassene ved strømavbrudd. En manuell ventilanordning i gasskanalene blir anvendt for å holde trykkforskjellen mellom de to gass/væske-systemene innenfor visse grenser. Dette innebærer altså at man ikke har automatisk trykkutjevning.

Anvendelse av nedfallsrør garanterer separasjon mellom gass og

væske, samt forebygger de hydrauliske ustabiliteter som i dag er begrensende for elektrolysører med fronttanker med diffusorer. Sistnevnte anordning har imidlertid en enklere og rimeligere

måte å ivareta de sikkerhetsmessige problemer på, særlig ved mindre anlegg.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse var spesielt å komme fram

til en gass/væske-separeringsanordning, hvor fronttanksystemets fordeler ble bibeholdt når nedfallsrørprinsippet ble anvendt. Anordningen måtte gi god separasjon, være hydraulisk stabil og

gi minimal trykkforskjell mellom de to gass/væske-systemene,

samtidig som den oppfylte de sikkerhetsmessige krav som stilles ved vannelektrolyse.

Et annet formål var å komme frem til anordninger som generelt kunne anvendes for å holde konstant trykk i et system eller trykkforskjell mellom atsKilte delsystemer ved varierende mottrykk. Ovennevnte formål ble realisert ved ventilen og systemet vist i de etterfølgende figurer 1, 2, 3 og 4.

Ved utvikling av det nye systemet startet man med en slags kombinasjon av fronttankanordningen med diffusor og nedfalls-anordningen. Den kjente fronttankanordning består av to parallelt plasserte tanker, som delvis er fylt med væske og hvor væskeutløpet for de to tanker har en forbindelsesledning slik at væsken i de to tanker kommuniserer. De to gass/væske-strømmene fra elektrolysøren ledes til sine respektive fronttanker gjennom en restriksjon eller diffusor som er plassert i tankens innløp og under dens væskenivå. I første omgang ble diffusorene erstattet med hvert sitt T-formede innløps- og nedfallsrør. Når gass/væskestrømmen kom inn gjennom T-røret, falt væsken ned i kraft av sin tyngde og gassen strømmet oppover i T-røret og ut i tankens gassrom over væskenivået. T-rørets utløp raget over tankens maksimale væskenivå og ble utstyrt med en restriksjon eller enkel ventil. I et slikt system skulle nivåforskjellen mellom tankene bli bestemt direkte av differansen mellom trykkene i mottakersystemene (pQ og PH)- Over restriksjonen ville det oppstå en trykkforskjell som er en funksjon av de gjennomstrømmende gassmengder. For å få stabil drift måtte væskenivåene i nedfallsrørene ligge under elektrolysørens utløpsåpninger.

En slik enkel kombinasjon av de to kjente anordninger kan imidlertid ikke virke tilfredsstillende, blant annet fordi den vil kreve et komplis.ert kontrollsystem for å hindre at trykkvariasjoner i mottakersystemet og variasjoner i gassproduksjonen vil gi trykkforskjeller over diafragmaene i elektrolysøren.

Oppfinneren fant likevel at prinsippet med å kombinere de to systemer virket lovende og arbeidet ble videreført for å finne en praktisk løsning, spesielt på kontrollsystemet. Restriksjonen i gassutløpet ble først erstattet med et lokk som gasstrykket kunne løfte. Fordelen med et lokk med konstant vekt ville være at trykkfallet over lokket ikke lenger ville være en funksjon av belastningen, slik tilfellet er med en konstant restriksjon. Men fremdeles ville trykkforskjellen mellom de to gass/væske-systemene variere med mottrykksforskjellen i mottakersystemene. Ideen med å anvende et lokk syntes å ha visse fordeler, men vekten på lokket måtte kunne innstilles automatisk etter varia-sjonen i det ytre trykk under driften. Oppfinneren fant da at hvis lokket ble vektbelastet med en væskebeholder i kommunikasjon med væsken i fronttanken, oppnådde man automatisk vekt-regulering. Væskebeholderen kunne plasseres under selve utløpet av nedfallsrørets gassutløp og forbindes med lokket med f.eks. en stang. Herved kunne trykkvariasjoner mellom de to mottakersystemene fanges opp, slik at det ikke oppsto noen trykkforskjell over diafragmaene i elektrolysøren.

På denne måte kom man ikke bare frem til en funksjonell gass/- væske-separeringsanordning for vannelektrolysører, men fikk også en trykkutjevningsventil som alene eller i grupper kan anvendes for flere formål. Den kan eksempelvis isolere to systemer fra hverandre hva trykkendringer angår. Dersom gass strømmer fra et system til et annet system via en trykkutjevningsventil koblet til en væsketank, så vil trykkendringene i det andre system bli fanget opp gjennom nivåendring i ventilens væskebeholder og vil følgelig ikke kunne forplante seg til det første system.

Det spesielle ved foreliggende oppfinnelse er først og fremst at trykkutjevningsventilen er utstyrt med en ventilstang som er hul og som har en gass/væske-beholder som på væskesiden kommuniserer med væsken i ventilhuset og på gassiden kommuniserer med ventil-husets gassutløp.

Ventilen kan med fordel være utstyrt med en demperanordning, festet til ventilstangen, og som har tilnærmet null statisk friksjon.

Ventilen kan også være utstyrt med åpninger i ventilsetet eller i ventilklaffen og/eller en omløpsledning rundt ventilsetet. Dette medfører at ventilen ikke låser inne restgassmengder når tilførselen av gass eller gass/væskeblanding stopper.

Det spesielle ved gass/væske-separeringsanordningen som oppfinnelsen omfatter, er at de to gass/væske-strømmer fra eleKtro-lysøren ledes til hver sin trykkutjevningsventil av forannevnte type og at hver av ventilene kommuniserer med sine respektive fronttanker både på gass- og væskesiden. Ventilene og de respektive tanker kommuniserer også med hverandre via en ledning hvis utløp fører fraskilt væske tilbake til elektrolysøren via et lutsirkulasjomssystem.

Oppfinnelsen er i det etterfølgende nærmere forklart under henvisning til figurene. Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av en trykk-ut jevn i ngs vent il. Fig. 2 viser en gass/væske-separeringsanordning med fronttanker og hvor- det anvendes to trykkutjevningsventiler ifølge

Fig. 1.

Fig. 3 er en skjematisk fremstilling av trykkutjevningsventilen

med utvendig demperanordning.

Fig. 4 viser i detalj en vannlås som inngår i utførelsen ifølge

fig. 3 .

På Fig. 1 er vist en trykkutjevningsventil, hvor gass eller en gass/væske-blanding kan tilføres gjennom ledningen 1, og hvor gass forlater ventilen gjennom utløpet 2 og væske gjennom ledningen 3 og utløpet 21 som ligger under ventilens væskenivå 13. I ventilhuset 4 er det en hul ventilstang 5 med en gass/væskebeholder 6. Væsken i den nedre del av ventilhuset 4 står i kommunikasjon med væsken i beholderen 6 via ventilstangen 5 og åpningene 10 og 15. Under drift vil det innstille seg et væskenivå 12 i beholderen 6. Over dette nivå er et gassrom som via stangen 5 og åpningen 16 er i kommunikasjon med gassutløpet 2. Væsken i ventilen vil via ledningen 3 stå i kommunikasjon med en tank 20 e.l. hvor væskenivået vil stå like høyt som nivået 12 i beholderen 6 ved samme trykk over de to væskeflater.

Arealet til væskeflaten i tanken bør være vesentlig større enn tverrsnittarealet i beholderen 6. Mot væskeflaten i tanken kan det stå varierende eller konstant trykk.

Por å øke ventilens stabilitet, kan det til ventilstangen 5 være anordnet en konvensjonell demperanordning 9 som bør ha tilnærmet null statisk friksjon. Til ventilstangen 5 kan det eventuelt også være festet en tett beholder 14 som vil gi stangen 5 en viss oppdrift.

Fraskilt gass vil under drift strømme ut av ventilen gjennom åpningen mellom ventilsetet 8 og ventilklaffen 7. I ventilklaffen eller i ventilsetet kan det ytterligere være åpninger 18. Eventuelt kan ventilen også være utstyrt med en omløps-ledning 19 rundt ventilsetet 8.

Fig. 2 viser det komplette gass/væske-separeringssystem til-koblet en vannelektrolysør 23. Hydrogen/lut-blandingen føres til en ventil ifølge Fig. 1 gjennom ledningen 1, og oksygen/lut-blandingen føres til en tilsvarende ventil gjennom led-

ningen 1^. De to ventiler står i kommunikasjon med hver sin fronttank 20, 20^. Ventilene kommuniserer med sine respektive fronttanker på gassiden via ledningene 17, 17^ og på væskesiden via ledningene 3, 3^ som igjen forbinder hydrogen og oksygensystemene på væskesiden via ledningen 21 hvorfra det går en ledning 22. Sistnevnte ledning leder fraskilt lut tilbake til elektrolysøren 23 via et lutsirkulasjonssystem som ikke er vist på figuren.

Fig. 3 viser en trykkutjevningsventil med utvendig demper. Selve ventilen er den samme som i figur 1, men demperen 9 er erstattet med en demper 33 festet til den øvre ende av ventilstangen 5 som er forlenget og er ført friksjonsløst inn i en tett kopp 32 fylt med en hydraulisk væske, fett e.l. Koppen 32 er festet til en

ramme 31 som står på et lokk eller flens 30 som lukker øvre del av ventilhuset 4. På ventilstangen 5 kan det være anordnet jus-terbare vekter 34. Ventilstangen 5 føres gjennom lokket 30 i en vannlås. Det indre rom av ventilstangen står i kommunikasjon med ventilens gassutløp 2 via åpningen 39 og med vannlåsen via åpningen 36 (fig. 4).

Figur 4 viser mer detaljert vannlåsen omtalt under figur 3. Matevann føres inn i vannlåsen 35, 41 gjennom ledningen 40. Nivået 38 i nedre kammer 41 av vannlåsen er konstant og er x meter lavere enn nivået 37 i det øvre vannlåskammer 35. x til-svarer overtrykket som gassen i ventilen har over omgivelsen. Nivået 38 holdes konstant ved at vann renner gjennom over-løpet 36 inn i ventilstangen 5. Når ventilen anvendes i til-knytning til en elektrolysør (fig. 2), vil minst en del av nødvendig matevann tilføres via ledningen 40.

Under drift vil væskenivået 12 i beholderen 6 være det samme som væskenivået 12 i fronttanken 20. Tilsvarende forhold vil man ha for væskenivåen.e 12^.

Fra det øyeblikk væsken trenger opp i beholderen 6,6"*", vil det vaere perfekt balanse i systemet uansett variasjoner i mot-trykkene fra oksygen- og hydrogenmottakersidene. Væskenivået i ventilhuset 4 står nå til enhver tid h meter under bunnen av beholderen 6,6 . h beregnes ut fra P = A^g h, hvor P er vekten av ventilens bevegelige deler minus eventuell oppdrift fra beholderen 14. A er ventilsetet 7's areal A sminus ventilstangen 5's areal A . f> er væskens tetthet og g tyngdens aksellerasjon. Dermed er trykkforskjellen mellom C^-siden og f^-siden ved utløpet av elektrolysøren til enhver tid lik null. Det forutsettes at setearealet Ag er lik arealet A^ av væskeflaten i beholderen 6,6^.

Funksjonen av ventilen kan ytterligere forklares utifrå følgende fullstendige beregning.

Summm av kreftene som virker nedover er lik summen av kreftene som virker oppover og for hydrogenventi len vil man få følgende ligning 1, for oksygenventilen vil man få tilsvarende ligning 2. Suffiksene H og 0 står for henholdsvis hydrogen og oksygen. G er massen av ventilbeholder pluss tilbehør, pg er trykk i elek-trolysøren og p 3 er trykk over ventilen, h V er væskehøyden i ventilbeholderen.

Trykkforskjellen mellom H og 0-siden før ventilen blir da:

Ettersom H og 0 lutsystemene kommuniserer og hvis man forutsetter at løftehøyden på ventilbeholderen kan neglisjeres idet hvH og hvQ endrer seg svært lite når beholderen løfter seg litt, gjelder følgende

Når ligning 4 settes inn i ligning 3, får en:

Gjøres trykkforskjellen uavhengig av hvH og hvQ ved at man velger A =A fås:

^ vs

Man vil følgelig kunne justere ventilen etter ønske slik at p&H <=><p>e0 eller at forskjellen mellom peH og <P>eQ er konstant. Avstanden h mellom væskenivået i ventilen 4 og bunnen av beholderen 6 kan da beregnes fra ligning 1 og når Av = As fås: Ved strømavbrudd og derpå følgende stans i gassproduksjonen ville imidlertid dette system virke som en væskelås, hvis man ikke hadde åpningene 18 eller omløpsledningen 19 som overtar en del av gassbelastningen. Dimensjonen av nevnte åpninger eller ledning bestemmer hvilken fraksjon av totalstrømmen som blir ledet gjennom disse.

Ved å anvende dette systemet for vannelektrolysører, vil man oppnå følgende fordeler. 1. Fronttankens sikkerhetsmessige fordeler bibeholdes, idet den gir et lutlager over elektrolysørens utløp som ved strøm-avbrudd medfører at luten renner hurtig tilbake i elektro-lysøren gjennom gasskanalene. Den tilstedeværende gassen blir raskt drevet ut av systemet og knallgassdannelse unngås. 2. Nedfallsrørets egenskaper utnyttes når det gjelder stabil og god separasjonseffekt mellom gass og væske. 3. Trykkforskjeller mellom mottakernettene for oksygen og hydrogen vil ikke kunne forplante seg til utløpet av elek-trolysøren. Derved unngås trykkbelastning av diafragmaene som skiller oksygen og hydrogendelene av cellene i elektrolysøren. 4. Belastningen på elektrolysøren kan økes uten at trykkutjevning og rask oppfylling av elektrolysøren med lut ved strømavbrudd blir dårligere enn ved kjente system. 5. Systemet gjz-r det mulig å utjevne trykk eller å holde en fast trykkdifferanse mellom to atskilte, men kommuniserende systemer. 6. Trykkforskjell som kan oppstå mellom to mottakersystemer, reduseres til null eller til et konstant dif ferensialtrykk over elektrolysørens diafragmaer og uten at gasstrømmen noen steder må føres gjennom væske.

Claims (5)

1. Trykkutjevningsventil, som alene eller gruppevis kan

   anvendes i systemer hvor det kreves et konstant trykk eller en konstant trykkforskjell mellom delsystemer med varierende mottrykk, samt for anvendelse i system for separasjon av gass og væske og hvor ventilen omfatter ventilhus (4), ventilstang (5), innløpsrør (1), væske-utløp (3) og gassutløp (2) samt ventilsete (8) og ventilklaff (7), karakterisert ved at ventilstangen (5) er hul og utstyrt med en gass/væskebeholder (6) som via åpninger (10, 15) i stangen (5) kommuniserer med væsken i ventilhuset (4) og via en åpning (16), plassert i stangen (5) over væskenivået i beholderen (6) og ventilstangens utløp eller en åpning (39), plassert i stangen (5) over ventilsetet (8), kommuniserer med gassutløpet (2).
2. 2. Ventil ifølge krav 1, karakterisert ved at ventilstangen (5) er utstyrt med en demperanordning (9), som har tilnærmet null statisk friksjon.
3. 3. Ventil ifølge krav 1, karakterisert ved at ventilsetet (8) eller ventilklaffen (7) er utstyrt med åpninger (18) og/eller at det rundt ventilsetet (8) er anordnet et omløp (19).
4. 4. Ventil ifølge krav 1, karakterisert ved at ventilstangen (5) er utstyrt med en utvendig demperanordning (33) i et kammer (32) med hydraulisk, væske plassert i en ramme (31) over selve ventilen (4) og at ventilstangen (5) føres friksjonsløst gjennom en vannlås (41, 35) og inn i kammeret (32).
5. 5. System for separering av gass og væske i de to gass/vaiske-strømmer fra vannelektrolysører omfattende fronttanker som kommuniserer på væskesiden, karakterisert ved at de to gass/væske-strømmer ledes inn i hver sin trykkutjevningsventil (4, 4^) ifølge krav 1-4 og hvor hver av nevnte ventiler kommuniserer med sine respektive fronttanker (20, 20<1>) via væskeutløpsledninger (21) og (3, 3<1>) og gassledninger (17, 17<1>) og at ventilene (4, 4<1>) og de respektive fronttanker (20, 20^) kommuniserer på væskesiden via ledningen (21) hvis utløp (22) fører væsken tilbake til elektrolysøren (23), hvorved differensialtrykk som kan oppstå mellom de to ventilutløps mottagersystem reduseres til null eller til et konstant differensialtrykk over elektrolysørens diafragmaer.