WO2010066875A1 - Inertisierungsverfahren zur brandverhütung und/oder feuerlöschung sowie inertisierungsanlage zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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WO2010066875A1
WO2010066875A1 PCT/EP2009/066920 EP2009066920W WO2010066875A1 WO 2010066875 A1 WO2010066875 A1 WO 2010066875A1 EP 2009066920 W EP2009066920 W EP 2009066920W WO 2010066875 A1 WO2010066875 A1 WO 2010066875A1
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nitrogen
gas mixture
oxygen
enclosed space
oxygen content
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PCT/EP2009/066920
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Anselm Eberlein
Peter Uwe Kersten
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Amrona Ag
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C3/00—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places
    • A62C3/002—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places for warehouses, storage areas or other installations for storing goods
    • A62C3/004—Fire prevention, containment or extinguishing specially adapted for particular objects or places for warehouses, storage areas or other installations for storing goods for freezing warehouses and storages
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • A62C99/0009—Methods of extinguishing or preventing the spread of fire by cooling down or suffocating the flames
    • A62C99/0018—Methods of extinguishing or preventing the spread of fire by cooling down or suffocating the flames using gases or vapours that do not support combustion, e.g. steam, carbon dioxide

Definitions

  • the present invention relates to an inerting method according to the preamble of claim 1.
  • the invention particularly relates to an inerting method for fire prevention and / or fire extinguishing, in which a predeterminable and compared to the normal ambient air reduced oxygen content is set and maintained in the room atmosphere of an enclosed space.
  • an initial gas mixture is provided, which comprises oxygen, nitrogen and optionally other components, wherein from this provided initial gas mixture in a gas separation system at least part of the oxygen separated and provided in this way at the outlet of the gas separation system, a nitrogen-enriched gas mixture , and wherein this nitrogen-enriched gas mixture is conducted into the room atmosphere of the enclosed space.
  • the invention further relates to an inerting system for setting and / or holding a predeterminable and compared to the normal ambient air reduced oxygen content in the room atmosphere of an enclosed space, wherein the inerting has a gas separation system, with which of a nitrogen and oxygen-containing initial gas mixture at least a portion of oxygen and thus providing at the exit of the gas separation system a nitrogen-enriched gas mixture, and wherein the inertization unit comprises a supply line system for supplying the nitrogen-enriched gas mixture to the enclosed space.
  • An inerting installation of the aforementioned type is, in particular, a facility for reducing the risk and extinguishing fires in a protected area to be monitored, with the protection space being permanently inertized for fire prevention or fire fighting.
  • the mode of operation of such an inerting system is based on the knowledge that in enclosed spaces the risk of fire can be counteracted by the fact that in the affected area the oxygen concentration is normally permanently reduced to a value of, for example, about 12 to 15% by volume. At this oxygen concentration, most flammable materials can no longer burn.
  • the main areas of use are in particular EDP areas, electrical switch and distribution rooms, enclosed facilities as well as storage areas with high-quality assets.
  • the prevention or extinguishing effect resulting from the inertization process is based on the principle of oxygen displacement.
  • Normal ambient air is known to be about 21 vol .-% of oxygen, about 78 vol .-% of nitrogen and about 1 vol .-% of other gases.
  • the oxygen concentration in the relevant space is reduced by introducing inert gas, such as nitrogen.
  • inert gas such as nitrogen.
  • a extinguishing effect already starts when the oxygen content drops below 15% by volume.
  • further lowering of the oxygen content to, for example, 12 vol.% May be required.
  • the risk of a fire developing in the shelter can be effectively reduced.
  • the present invention is based on the problem, an inerting of the type mentioned in such a way that can be set and maintained in the most economical manner in the enclosed space a predetermined inerting level.
  • a solution is to be specified with which the costs incurred in the inerting of an enclosed space operating costs can be reduced.
  • a corresponding Inertmaschinesvon be specified, which ensures a cost inerting and especially Treasureinertmaschine an enclosed space.
  • this object is achieved with an inerting method of the type mentioned in the present invention that the gas separation system is controlled such that the oxygen radical content of the nitrogen-enriched gas mixture is controlled to a value that depends on the currently in the room atmosphere of enclosed space prevailing oxygen content is selected.
  • control device which is designed to control the gas separation system such that the oxygen radical content of the nitrogen-enriched gas mixture regulated to a value is selected depending on the currently prevailing in the room atmosphere of the enclosed space oxygen content.
  • the invention is based on the finding that the nitrogen purity of the nitrogen-enriched gas mixture provided at the outlet of the gas separation system or the oxygen radical content of the nitrogen-enriched gas mixture provided at the outlet of the gas separation system has an influence on the so-called “settling time”
  • the term “lowering time” is to be understood as the time duration which is necessary in order to set a given inerting level in the room atmosphere of the enclosed space.
  • air factor is meant the ratio of the amount of initial gas mixture provided per unit time to the gas separation system to the amount of nitrogen-enriched gas provided per unit time at the outlet of the gas separation system can be freely selected and can be set on the nitrogen generator, whereby the operating costs of the nitrogen generator are all the better, the lower the set nitrogen purity is Compressor at the outlet of the gas separation system, a nitrogen-enriched gas mixture can be provided with the set nitrogen purity.
  • the operating costs of the inerting system must take into account other factors. These include in particular rinsing factors in order to displace the oxygen in the room atmosphere of the enclosed space to such an extent using the gas mixture provided at the outlet of the gas separation system that the predetermined inerting level is reached or maintained. These rinsing factors include, in particular, the quantity of nitrogen-enriched gas which can be supplied per unit time by the gas separation system, the volume of the enclosed space and the difference between the oxygen content currently prevailing in the room atmosphere of the enclosed space and the oxygen content corresponding to the given inerting level.
  • the nitrogen purity of the gas mixture provided at the outlet of the gas separation system or the oxygen radical content of the nitrogen-enriched gas mixture also plays a decisive role, since the purging process proceeds faster, the lower the residual oxygen content the nitrogen-enriched gas mixture is.
  • gas separation system used here is to be understood as meaning a system with which an initial gas mixture which has at least the components “oxygen” and “nitrogen” can be split into oxygen-enriched gas and nitrogen-enriched gas Usually, the operation of such a gas separation system is based on the action of gas separation membranes
  • the gas separation system used in the present invention is designed primarily to separate oxygen from the initial gas mixture ,
  • a membrane module or the like in which the various components contained in the initial gas mixture (such as oxygen, nitrogen, noble gases, etc.) diffuse at different rates through the membrane according to their molecular structure.
  • a membrane a hollow fiber membrane can be used. Oxygen, carbon dioxide and hydrogen have a high degree of diffusion and due to this, leave the initial gas mixture relatively quickly in the flow through the membrane module. Nitrogen with a low degree of diffusion penetrates the hollow-fiber membrane of the membrane module very slowly and accumulates in this way as it flows through the hollow fiber or the membrane module.
  • the nitrogen purity or the oxygen radical content in the gas mixture leaving the gas separation system is determined by the flow rate.
  • the gas separation system can be adjusted to the required nitrogen purity and the required amount of nitrogen. Specifically, the purity of the nitrogen is controlled by the rate at which the gas flows through the membrane (residence time).
  • the separated, oxygen-enriched gas mixture is usually collected and blown into the atmosphere under atmospheric pressure.
  • the compressed, nitrogen-enriched gas mixture is provided at the outlet of the gas separation system.
  • the measurement is made on the oxygen radical content in Vol .-%.
  • the nitrogen content is calculated by subtracting the measured residual oxygen content from 100%. It should be noted that this value is indeed referred to as nitrogen content or nitrogen purity, but it is in fact the inert content, since this partial stream not only from nitrogen, but also from other gas components, such as noble gases, composed.
  • the gas separation system or the nitrogen generator is supplied with compressed air, which is cleaned by upstream filter units.
  • PSA nitrogen pressure enriched gas
  • PSA nitrogen pressure enriched gas
  • the general discovery is that different gases diffuse through materials at different rates.
  • Nitrogen flow or a nitrogen-enriched air used.
  • a membrane-based embroidery Substance generator applied to the outer surfaces of hollow fiber membranes, a separation material through which water vapor and oxygen diffuse very well.
  • the nitrogen has only a low diffusion rate for this separation material.
  • water vapor and oxygen quickly diffuse outwards through the hollow fiber wall, while the nitrogen is kept substantially inside the fiber so that a strong concentration of the nitrogen takes place during the passage through the hollow fiber.
  • the effectiveness of this separation process is essentially dependent on the flow rate in the fiber and the pressure difference across the Hohlfaserwandung away. With decreasing flow rate and / or higher pressure difference between the inside and outside of the hollow fiber membrane, the purity of the resulting nitrogen flow increases.
  • the degree of nitrogen enrichment in the nitrogen-enriched air provided by the nitrogen generator may be controlled as a function of the residence time of the compressed air provided by the compressed air source in the air separation system of the nitrogen generator.
  • the PSA technology for example, in the nitrogen generator
  • different binding rates of the atmospheric oxygen and atmospheric nitrogen on specially treated activated carbon are utilized.
  • the structure of the activated carbon used is changed so that an extremely large surface with a large number of micro and submicropores (d ⁇ 1 nm) is present.
  • the oxygen molecules of the air diffuse into the pores much faster than the nitrogen molecules, so that the air in the vicinity of the activated carbon enriches with nitrogen. Therefore, in a nitrogen generator based on PSA technology, as with a membrane-based generator, the degree of nitrogen enrichment in the nitrogen-enriched air provided by the nitrogen generator may vary with the residence time of the compressed air provided by the compressed air source Nitrogen generator can be controlled.
  • the solution according to the invention is based on the recognition, on the one hand, that with increasing nitrogen purity the air factor of the gas separation system increases exponentially and, on the other hand, the smaller the difference, the longer the compressor of the inerting system has to run to set a given inerting level between in the room atmosphere of the enclosed space currently prevailing oxygen content and the oxygen radical content in the nitrogen-enriched gas mixture.
  • the duration of the lowering of a space to be inerted be it for the holding control of the room at a fixed residual oxygen content or while lowering to a new lowering level, the energy consumption of the inerting is almost directly proportional, as the gas separation system upstream compressor is driven digitally at its operating point with optimal efficiency.
  • Value of, for example, only 90 vol .-% is selected - the inert gas system for setting an inerting must be operated for a relatively long time. If, for example, the value of the nitrogen purity is increased to 95% by volume, the difference between the oxygen content of the inertization level to be set and the residual oxygen content of the gas mixture provided at the outlet of the gas separation system also increases, which in itself reduces the transit time of the gas mixture required for setting an inertization level Compressor and thus reduces the energy consumption of the inerting system.
  • the fact that the nitrogen purity is increased at the outlet of the gas separation system inevitably also increases the air factor. With regard to the running time of the compressor required for setting an inertization level or the energy consumption of the inerting system, this circumstance has a negative effect. This negative influence predominates when the increase in the air factor caused by increasing the nitrogen purity becomes noticeable.
  • time-optimized value of nitrogen purity is the nitrogen purity of the gas separation system or residual oxygen content in the nitrogen gas provided at the exit of the gas separation system
  • the oxygen radical content of the nitrogen-enriched gas mixture or the nitrogen purity of the gas separation system is preferably set automatically in accordance with a previously determined characteristic curve. This characteristic indicates the time-optimized course of the oxygen radical content in the nitrogen-enriched gas mixture compared to the oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space.
  • time-optimized course of the residual oxygen content is understood to mean the time-optimized values of the oxygen radical content which are dependent on the oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space
  • the time-optimized value of the oxygen residue content corresponds to the value of the residual oxygen content in the gas separation system is to be selected so that using the inerting in the room atmosphere of the enclosed space within a very short time a specifiable and compared to the normal ambient air reduced oxygen content is adjustable.
  • the nitrogen purity of the gas separation system or the oxygen radical content in the nitrogen-enriched gas mixture is preferably set automatically depending on the oxygen content currently prevailing in the room atmosphere of the enclosed space, in order to inertize the room with the lowest possible operating costs To be able to make it, it is preferred if continuously or at predetermined times and / or events, the current oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space is measured either directly or indirectly. Furthermore, it is preferred if the oxygen radical content in the nitrogen-enriched gas mixture is adjusted to a predetermined, time-optimized value continuously or at given times and / or events. This predefined, time-optimized value should correspond to an oxygen residual content at which the inerting process allows the oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space to be reduced within a very short time by a predetermined reduction amount to the respective current oxygen content.
  • the amount of fresh air mixed with the room air taken from the room is selected so that the amount of room air taken from the room per unit time is identical to the amount of the nitrogen-enriched gas mixture at the exit the gas separation system is provided and per unit time in the room atmosphere of the enclosed space is passed.
  • FIG. 1 is a schematic view of an inerting system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of an inerting system according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of an inerting system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a graph of the time-optimized nitrogen purity compared to the current oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space in the inerting system according to FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3;
  • FIG. 6 is a graphical representation of the air factor of the gas separation system in the inerting system of FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3 versus the oxygen content of the initial gas mixture supplied to the gas separation system to at least a portion of the oxygen from the beginning Separate gas mixture and thus provide at the outlet of the gas separation system, a nitrogen-enriched gas mixture;
  • Fig. 7 is a graph of the achievable energy savings when the solution according to the invention in the room atmosphere of the enclosed space, the oxygen content is lowered.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an inerting system 1 according to the present invention.
  • the illustrated inerting system 1 serves to set and maintain a predeterminable inerting level in the room atmosphere of an enclosed space 2 enclosed space 2 may for example be a warehouse in which as a preventive fire protection measure, the oxygen content in the room air is lowered and maintained at a certain inerting level of, for example, 12 vol .-% or 13 vol .-% oxygen content.
  • the inerting of the enclosed space 2 is optionally carried out automatically with the aid of a control device 5.
  • the inerting system 1 according to the embodiment shown in FIG. 1 on a gas separation system consisting of a compressor 3 and a nitrogen generator 4.
  • the compressor 3 is used to provide the nitrogen generator 4 in a compressed manner, an initial gas mixture having at least the components of oxygen and nitrogen.
  • the output of the compressor 3 is connected via a line system 17 to the inlet of the nitrogen generator 4 in order to supply the nitrogen generator 4 with the compressed initial gas mixture.
  • the initial gas mixture is compressed to a pressure of for example 7.5 to 9.5 bar and preferably 8.8 bar.
  • the nitrogen generator 4 has at least one membrane module 19, for example a hollow-fiber membrane module, through which the initial gas mixture provided by the compressor 3 is pressed, after this has passed through a suitable filter 18.
  • the various components in particular oxygen and nitrogen
  • the gas separation is based on the known principle of action, according to which nitrogen with a low degree of diffusion the hollow fiber membrane penetrates very slowly and accumulates in this way when flowing through the hollow fibers of the membrane module 19.
  • a nitrogen-enriched gas mixture is provided in this way. This enriched with nitrogen gas mixture is - as well as the input of the nitrogen generator 4 fed initial gas mixture - in compressed form, although the flow through the at least one membrane module 19 of the nitrogen generator 4 to a pressure drop of, for example, 1.5 to 2.5 bar leads.
  • the gas mixture separated in the nitrogen generator 4 and enriched with oxygen is collected and blown into the environment under atmospheric pressure.
  • the nitrogen-enriched gas mixture provided at the outlet 4a of the nitrogen generator 4 is supplied via a supply line 7 to the enclosed space 2 in order to reduce the oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space 2 or by a lowering level already set in the space 2 by tracking with Maintain nitrogen-enriched gas.
  • a suitable pressure relief is to be provided. This can for example be in the form of self-opening or closing pressure relief valves (not shown in Fig. 1) executed.
  • the volume of room air to be discharged during the inerting of the room 2 for the purpose of depressurization is fed via a return line system 9 to a mixing chamber 6.
  • the discharged from the enclosed space 2 room air is supplied via a first input 9a of the return line 9 of the mixing chamber 6.
  • the mixing chamber 6 also has a second input 8a, in which a supply line system 8 for supplying fresh air to the mixing chamber 6 opens.
  • the initial gas mixture is provided, which is compressed by means of the compressor 3, and from which in the gas separation system (nitrogen generator 4) at least a part of the oxygen is separated. For this reason, the output of the mixing chamber 6 is connected to the input of the compressor 3 via a suitable conduit system 15.
  • the amount of fresh air, which is mixed with the room air taken from the room 2 is selected so that the amount of room air taken from the room 2 per unit time is identical with the amount of nitrogen gas-enriched gas mixture provided at the outlet 4a of the nitrogen generator 4, which is conducted per unit time into the room atmosphere of the enclosed space 2.
  • the inerting system 1 according to the embodiment of the present invention shown schematically in FIG.
  • control device 5 is connected and designed with the corresponding controllable components of the inerting system 1, automatically the nitrogen generator 4 or the To control gas separation system 3, 4 such that the provided at the output 4a of the gas separation system 3, 4 and enriched with nitrogen gas mixture has a residual oxygen content, which depends on the current in the room atmosphere of the enclosed space 2 oxygen content.
  • the nitrogen generator 4 is controlled such that, depending on the oxygen content measured in the room atmosphere of the enclosed space 2 with the aid of an oxygen measuring system 16, the nitrogen-enriched gas mixture has an oxygen radical content between 10, 00 vol .-% to 0.01 vol .-%, wherein the residual oxygen content of the nitrogen-enriched gas mixture decreases with decreasing oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space.
  • the inerting system 1 further comprises an oxygen radical content measuring system 21 for measuring the oxygen radical content in the outlet 4 a of the nitrogen generator 4 Nitrogen-enriched gas mixture or for determining the purity of nitrogen at the output 4a of the nitrogen generator 4 provided gas mixture. Both measuring systems 16, 21 are connected to the control device 5 accordingly.
  • FIG. 2 shows a schematic view of an inerting system 1 according to a second embodiment of the present invention.
  • the inerting system 1 according to the second embodiment is particularly suitable for setting and maintaining a predetermined inerting level in the most economical manner in an air-conditioned space, such as in a cold room or in a cold storage warehouse.
  • the construction and the mode of operation of the inerting system 1 according to the embodiment shown in FIG. 2 essentially correspond to the construction and operation of the inerting system described above with reference to FIG. 1, so that only the differences are discussed below in order to avoid repetition should.
  • a heat exchanger system 13 is provided.
  • the return line system 9 is at least partially encased with a corresponding thermal insulation 20, so that icing of the return line system 9 can be avoided if the cooled-down part removed from the enclosed space 2
  • Room air is supplied via the return line system 9 to the heat exchanger system 13 before the room air is then passed into the mixing chamber 6.
  • the heat exchanger system 13 can have a support fan 14 so that the room air can be removed from the room atmosphere of the enclosed space 2 without loss of pressure.
  • the heat exchanger system 13 is used to exploit at least a portion of the heat generated during operation of the compressor 3 waste heat to heat up the discharged and cooled room air accordingly.
  • different systems are used, such as a finned heat exchanger, via which at least a portion of the thermal energy of the exhaust air of the compressor 3 via a heat exchange medium, such as water, is transferred to the discharged room air, so that the temperature of the discharged room air to warm to a moderate temperature, for example, 20 ° C, which is for the operation and efficiency of the nitrogen generator 4 is advantageous.
  • the mixing chamber 6 After the room air discharged from the enclosed space 2 has passed through the heat exchanger system 13, it is supplied to the mixing chamber 6 via a first input 9a of the return line 9.
  • the mixing chamber 6 also has a second input 8a, in which a supply line system 8 for supplying fresh air to the mixing chamber 6 opens.
  • the initial gas mixture is provided, which is compressed by means of the compressor 3, and from which in the gas separation system (nitrogen generator 4) at least part of the oxygen is separated. For this reason, the output of the mixing chamber 6 is connected to the input of the compressor 3 via a suitable conduit system 15.
  • FIG. 3 shows a schematic view of an inerting system 1 according to a third embodiment of the present invention.
  • the structure and operation of the inerting system 1 according to the embodiment shown in FIG. The form of embodiment essentially corresponds to the construction and the mode of operation of the inerting system described above with reference to FIG. 1, so that only the differences are discussed below in order to avoid repetition.
  • the two valves 10, 11 which, in the embodiment according to FIG. 1, are designed in particular as a shut-off valve and are provided in the fresh-air supply line system 8 or in the return line system 9, lead to a Way valve 10 'summarized to simplify the structure of the inerting 1.
  • the 3-way valve 10 ' can be controlled by the control device 5.
  • the mixing chamber is realized as a filter 6 '.
  • the mixing chamber embodied in the form of a filter 6 'therefore fulfills two functions: Firstly, it serves to provide the initial gas mixture, namely by the fresh air supplied via the fresh air supply line system with the room air taken from the space 2 and supplied via the return line system 9 is mixed. On the other hand serves as a filter 6 'realized mixing chamber for filtering the provided initial gas mixture before it is compressed by means of the compressor 3.
  • an additional filter at the input of the compressor 3 can be dispensed with.
  • the nitrogen purity of the nitrogen generator 4 is set and adjusted during the inerting of the enclosed space 2 as a function of the actual oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space.
  • the nitrogen purity can be changed by varying the residence time of the initial gas mixture in the at least one membrane module 19 of the nitrogen generator 4.
  • the flow through the membrane module 19 and a back pressure can be controlled.
  • a high pressure on the membrane and a long residence time (low flow) lead to a high nitrogen purity at the output 4a of the nitrogen generator.
  • a time-optimized value is selected for the respective nitrogen purity, which enables the inerting system to set and maintain a predefined inerting level in the enclosed space 2 in the shortest possible time.
  • a time-optimized value for nitrogen purity it is possible to set and maintain a given level of inertisation in the room atmosphere of the enclosed space, the duration of the lowering process (be it for holding at a fixed residual oxygen content or during lowering to a new one Lowering level) and thus also reduce the energy consumption of the inerting system, since the compressor 3 is driven on its operating point with optimum efficiency digital (on / off).
  • the inerting system 1 is characterized in that the gas separation system consisting of the compressor 3 and the nitrogen generator 4 is provided by the mixing chamber 6 with an initial gas mixture having a Oxygen content, which may be lower than the oxygen content of normal ambient air (ie, about 21% by volume).
  • the already mentioned return line 9 is provided, with which at least a part of the room air of the enclosed space 2 of the mixing chamber 6 can be supplied in a controlled by the control device 5 via the valve 11 way. Accordingly, if the oxygen content is already reduced in the enclosed space 2, a gas mixture enriched with nitrogen in comparison with the normal ambient air is supplied to the mixing chamber 6 via the return line 9.
  • This part of the room air is mixed in the mixing chamber 6 with supply air to provide for the compressor 3 and the nitrogen generator 4, the required amount of the initial gas mixture. Since the oxygen content of the initial gas mixture has an influence on the air factor of the gas separation system or the nitrogen generator 4, and thus also has an influence on the time-optimized value of the nitrogen purity of the nitrogen generator 4, in the embodiment shown in Fig. 1 of the inventions - Inertretesstrom 1 according to the invention in the line system 15 between the output of the mixing chamber 6 and the input of the compressor 3, an oxygen measuring system 22 for measuring the oxygen content in the output gas mixture intended.
  • the composition of the initial gas mixture (in particular with regard to the oxygen content) can be suitably influenced by suitably activating the valves 10 and 11.
  • the mode of operation of the solution according to the invention will now be described with reference to the graphical representations according to FIGS. 4 to 6 on the basis of the inerting system 1 shown schematically in FIG. 1 or in FIG. 2.
  • the enclosed space 2 has a volume of 1,000 m 3 .
  • the inerting system 1 is designed to provide a maximum of 48 m 3 of nitrogen-enriched gas per hour at the outlet 4 a of the nitrogen generator 4.
  • FIG. 4 shows a graph of the air factor of the nitrogen generator 4 used in the case of the inertization system 1 shown schematically in FIG. 1 or FIG. 2 at different nitrogen purities. Accordingly, it should be noted that the air factor increases exponentially with decreasing residual oxygen content in the nitrogen-enriched gas mixture provided at the exit 4a of the nitrogen generator 4.
  • the air factor at an oxygen radical content of 10% by volume is about 1.5, which means that per m 3 of initial gas mixture at the outlet 4 a of the nitrogen generator 4 an amount of 0.67 m 3 can be provided to nitrogen-enriched gas mixture. This ratio deteriorates with increasing nitrogen purity, as can be seen from the graph in FIG.
  • Fig. 4 is shown in addition to the evolution of the air factor, how the Regelabsenkzeit behaves at different nitrogen purities with increasing nitrogen purity. Specifically, on the one hand it is shown how long the compressor 3 has to run in order to reduce the oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space 2 from originally 17.4% by volume to 17.0% by volume. In addition, on the other hand, it is shown how long the compressor 3 has to run in order to operate in the inert atmosphere system 1 according to FIG. 1 or FIG enclosed space 2 to lower the oxygen content of originally 13.4 vol .-% to 13.0 vol .-%.
  • the settling time or running time of the compressor 3 for setting a predetermined inerting level in the ambient air atmosphere of the enclosed space 2 depends on the nitrogen purity set in the nitrogen generator 4 or on the oxygen radical content set on the nitrogen generator 4 in the outlet 4a of the nitrogen system.
  • nerators 4 provided and enriched with nitrogen gas mixture.
  • time-optimized nitrogen purity The respective minima of the lowering time with respect to the nitrogen purity are referred to below as "time-optimized nitrogen purity.”
  • the time-optimized nitrogen purity in the inerting system 1 according to FIG. 1 or FIG the time-optimized purity is given for different oxygen concentrations in the room atmosphere of the enclosed space 2, which applies to the gas separation system 3, 4 of the inerting system 1 according to FIG. 1 or FIG.
  • the characteristic curve shown in FIG. 5 shows directly that the nitrogen generator 4 is to be set so that the oxygen radical content in the gas mixture provided at the outlet 4a of the gas separation system 3, 4 decreases as the oxygen content in the room atmosphere of the enclosed space 2 decreases. Accordingly, if the nitrogen purity of the nitrogen generator when inerting the enclosed space 2 is operated according to the characteristic shown in Fig. 5, it is possible with the lowest possible duration of the compressor 3 and thus with the least possible expenditure of energy, the predetermined inerting in the space atmosphere of the enclosed Room 2 to set and hold.
  • Fig. 6 is a graph of the influence of the oxygen content in the initial gas mixture on the air factor of the gas separation system 3, 4 is shown. Accordingly, the air factor drops at a fixed nitrogen purity of the gas mass. Onssystems 3, 4 with reduction of the oxygen content in the initial gas mixture.
  • the return line 9 is provided in the inerting system 1 according to the schematic illustration in FIG. 1, via which part of the room air (possibly already enriched with nitrogen) is supplied in a controlled manner to the mixing chamber 6 in order to access it To reduce the oxygen content in the initial gas mixture from the original 21 vol .-% (oxygen content of the normal ambient air).
  • the air factor of the gas separation system 3, 4 can thus be further reduced, so that the efficiency of the gas separation system 3, 4 increases and the energy to be set and maintained for setting a given inertization level can be further reduced.
  • the characteristic shown in FIG. 6 is combined with the method previously shown with reference to the graphs in FIGS. 4 and 5 such that an optimized delivery unit of nitrogen is found for each oxygen concentration in the initial gas mixture and in the space 2.
  • FIG. 7 shows, for a calculated application, achievable energy savings (in%) over the oxygen content set in the room atmosphere of an enclosed space when the oxygen concentration in the room atmosphere of the enclosed space is lowered with the solution according to the invention.
  • achievable energy savings in% over the oxygen content set in the room atmosphere of an enclosed space when the oxygen concentration in the room atmosphere of the enclosed space is lowered with the solution according to the invention.
  • a case was considered in which, on the one hand during the inerting of the space for the nitrogen purity of the nitrogen generator, the time-optimized nitrogen purity was selected, and on the other hand, a recirculation of the already enriched with nitrogen room air was carried out to in this way the To further reduce the air factor of the nitrogen generator and to increase its efficiency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Inertisierungsverfahren sowie eine Inertisierungsanlage (1) zur Brandverhütung und/oder Feuerlöschung, wobei zum Einstellen und/oder Halten eines vorgebbaren und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierten Sauerstoffgehalts in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes (2) ein Gasseparationssystem (3, 4) vorgesehen ist, mit welchem von einem Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Ausgangs-Gasgemisch zumindest ein Teil des Sauerstoffs angetrennt und auf diese Weise am Ausgang (4a) des Gasseparationssystems (3, 4) ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitgestellt wird. Um zu erreichen, dass ein vorgegebenes Inertisierungsniveau mit möglichst geringem Energieaufwand eingestellt und gehalten werden kann, ist erfindungsgemäß eine Steuereinrichtung (5) vorgesehen, welche ausgelegt ist, das Gasseparationssystem (3, 4) derart anzusteuern, dass der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (10) herrschenden Sauerstoffgehalt verändert wird.

Description

„Inertisierungsverfahren zur Brandverhütung und/oder Feuerlöschung sowie Inertisie- rungsanlage zur Durchführung des Verfahrens"
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Inertisierungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Demgemäß betrifft die Erfindung insbesondere ein Inertisierungsverfahren zur Brandverhütung und/oder Feuerlöschung, bei welchem in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes ein vorgebbarer und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierter Sauerstoffgehalt eingestellt und gehalten wird. Hierzu wird ein Anfangs-Gasgemisch bereitgestellt, welches Sauerstoff, Stickstoff und ggf. weitere Komponenten aufweist, wobei aus diesem bereitgestellten Anfangs-Gasgemisch in einem Gasseparationssystem zumindest ein Teil des Sauerstoffs abgetrennt und auf diese Weise am Ausgang des Gasseparationssystems ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitgestellt wird, und wobei dieses mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch in die Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes geleitet wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Inertisierungsanlage zum Einstellen und/oder Halten eines vorgebbaren und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierten Sauerstoffgehalts in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes, wobei die Inertisierungsanlage ein Gasseparationssystem aufweist, mit welchem von einem Stickstoff und Sauerstoff enthaltenen Anfangs-Gasgemisch zumindest ein Teil des Sauerstoffs abgetrennt und auf diese Weise am Ausgang des Gasseparationssystems ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitgestellt wird, und wobei die Inertisierung- sanlage ein Zuführleitungssystem aufweist zum Zuführen des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches zu dem umschlossenen Raum.
Bei einer Inertisierungsanlage der zuvor genannten Art handelt es sich insbesondere um eine Anlage zur Minderung des Risikos und zum Löschen von Bränden in einem zu überwachenden Schutzraum, wobei zur Brandverhütung bzw. Brandbekämpfung der Schutzraum dauerinertisiert wird. Die Wirkungsweise einer solchen Inertisierungsan- läge beruht auf der Kenntnis, dass in umschlossenen Räumen der Brandgefahr dadurch begegnet werden kann, dass in dem betroffenen Bereich die Sauerstoffkonzentration im Normalfall auf einem Wert von beispielsweise etwa 12 bis 15 Vol.-% dauerhaft abgesenkt wird. Bei dieser Sauerstoffkonzentration können die meisten brennbaren Materialien nicht mehr brennen. Haupteinsatzgebiet sind insbesondere EDV- Bereiche, elektrische Schalt- und Verteilerräume, umschlossene Einrichtungen sowie Lagerbereiche mit hochwertigen Wirtschaftsgütern.
Die bei dem Inertisierungsverfahren resultierende Präventions- bzw. Löschwirkung beruht dabei auf dem Prinzip der Sauerstoffverdrängung. Normale Umgebungsluft besteht bekanntlich zu etwa 21 Vol.-% aus Sauerstoff, zu etwa 78 Vol.-% aus Stickstoff und zu etwa 1 Vol.-% aus sonstigen Gasen. Um in einem Schutzraum das Risiko der Entstehung eines Brandes wirksam verringen zu können, wird die Sauerstoffkonzentration in dem betreffenden Raum durch Einleiten von Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, verringert. Im Hinblick auf die Brandlöschung von den meisten Feststoffen ist es bekannt, dass eine Löschwirkung bereits dann einsetzt, wenn der Sauerstoffanteil unter 15 Vol.-% absinkt. Abhängig von den in dem Schutzraum vorhandenen brennbaren Materialien kann ein weiteres Absenken des Sauerstoffanteils auf beispielsweise 12 Vol.-% erforderlich sein. Demnach kann durch eine Dauerinertisierung des Schutzraumes auch das Risiko der Entstehung eines Brandes in dem Schutzraum in effektiver Weise vermindert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine Inertisierungsanlage der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass in möglichst wirtschaftlicher Weise in dem umschlossenen Raum ein vorab festgelegtes Inertisierungsniveau eingestellt und aufrechterhalten werden kann. Insbesondere soll eine Lösung angegeben werden, mit der die bei der Inertisierung eines umschlossenen Raumes anfallenden Betriebskosten reduziert werden können. Des Weiteren soll ein entsprechendes Inertisierungsverfahren angegeben werden, welches eine kostengünstige Inertisierung und insbesondere Dauerinertisierung eines umschlossenen Raumes gewährleistet.
Im Hinblick auf das Verfahren wird diese Aufgabe mit einem Inertisierungsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gasseparationssystem derart angesteuert wird, dass der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches auf einen Wert geregelt wird, der in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes herrschenden Sauerstoffgehalt selektiert wird.
Im Hinblick auf die Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe mit einer Inertisierungsanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche ausgelegt ist, das Gasseparationssystem derart anzusteuern, dass der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches auf einen Wert geregelt wird, der in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes herrschenden Sauerstoffgehalt selektiert wird.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Stickstoff-Reinheit des am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches bzw. der Sauerstoffrestgehalt des am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches einen Einfluss auf die sogenannte „Absenkzeit" hat. Unter dem Begriff „Absenkzeit" ist die Zeitdauer zu verstehen, welche erforderlich ist, um in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes ein vorgegebenes Inertisierungsniveau einzustellen.
Im Einzelnen wurde vorliegend erkannt, dass mit zunehmender Stickstoff-Reinheit der Luftfaktor des Gasseparationssystems exponentiell ansteigt.
Unter dem Begriff „Luftfaktor" ist das Verhältnis der pro Zeiteinheit dem Gasseparationssystem bereitgestellten Menge an Anfangs-Gasgemisch zur pro Zeiteinheit am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten Menge an mit Stickstoff angereichertem Gas zu verstehen. Bei einem Stickstofferzeuger ist üblicherweise die Stickstoff-Reinheit am Ausgang des Gasseparationssystems frei wählbar und kann am Stickstoffgenerator eingestellt werden. Dabei gilt grundsätzlich, dass die Betriebskosten des Stickstoffgenerators umso günstiger sind, je niedriger die eingestellte Stickstoff-Reinheit ausfällt. Dann nämlich kann mit vergleichsweise kurzer Laufzeit des Kompressors am Ausgang des Gasseparationssystems ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch mit der eingestellten Stickstoff-Reinheit bereitgestellt werden.
Im Hinblick auf die bei der Inertisierung des Raumes anfallenden Betriebskosten der Inertisierungsanlage müssen jedoch weitere Faktoren berücksichtigt werden. Hierzu gehören insbesondere Spülfaktoren, um mit Hilfe des am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches den Sauerstoff in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes soweit zu verdrängen, dass das vorgegebene Inertisierungsniveau erreicht wird bzw. aufrechterhalten bleiben kann. Zu diesen Spülfaktoren gehören insbesondere die pro Zeiteinheit von dem Gasseparationssystem bereitstellbare Menge an mit Stickstoff angereichertem Gas, das Raumvolumen des umschlossenen Raumes und die Differenz zwischen dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes herrschenden Sauerstoffgehalt und dem Sauerstoffgehalt, der dem vorgegebenen Inertisierungsniveau ent- spricht. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass im Hinblick auf die Absenkzeit die Stickstoff-Reinheit des am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten Gasgemisches bzw. der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches ebenfalls eine entscheidende Rolle spielt, da der Spülvorgang schneller von statten geht, je geringer der Sauerstoffrestgehalt in dem mit Stickstoff angereicherten Gas- gemisch ist.
Unter dem hier verwendeten Begriff „Gasseparationssystem" ist ein System zu verstehen, mit dem aus einem Anfangs-Gasgemisch, welches zumindest die Komponenten „Sauerstoff und „Stickstoff aufweist, eine Aufteilung in mit Sauerstoff angereicher- tes Gas sowie in mit Stickstoff angereichertes Gas erfolgen kann. Üblicherweise basiert die Funktionsweise eines derartigen Gasseparationssystems auf der Wirkung von Gasseparationsmembranen. Das bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende Gasseparationssystem ist in der ersten Linie zur Abscheidung von Sauerstoff aus dem Anfangs-Gasgemisch konzipiert. Ein derartiges Gasseparationssystem wird häufig auch als „Stickstoffgenerator" bezeichnet.
Bei einem derartigen Gasseparationssystem kommt beispielsweise ein Membranmodul oder dergleichen zum Einsatz, in welchem die verschiedenen in dem Anfangs- Gasgemisch enthaltenen Komponenten (wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Edelgase etc.) entsprechend ihrer molekularen Struktur unterschiedlich schnell durch die Membrane diffundieren. Als Membrane kann eine Hohlfasermembrane zum Einsatz kommen. Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff haben einen hohen Diffusionsgrad und verlassen aufgrund dessen bei der Durchströmung des Membranmoduls das Anfangs-Gasgemisch relativ schnell. Stickstoff mit einem niedrigen Diffusionsgrad durchdringt die Hohlfasermembrane des Membranmoduls sehr langsam und reichert sich auf diese Weise beim Durchströmen der Hohlfaser bzw. des Membranmoduls an. Die Stickstoff-Reinheit bzw. der Sauerstoffrestgehalt in dem aus dem Gasseparationssystem austretenden Gasgemisch wird von der Durchströmgeschwindigkeit bestimmt. Durch die Variation von Druck und Volumenstrom lässt sich das Gasseparationssystem auf die geforderte Stickstoff-Reinheit und nötige Stickstoffmenge einstellen. Im Einzelnen wird die Reinheit des Stickstoffes wird durch die Geschwindigkeit, mit der das Gas durch die Membrane strömt (Verweilzeit), geregelt.
Das abgeschiedene, mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch wird üblicherweise gesammelt und unter atmosphärischem Druck in die Umgebung abgeblasen. Das komprimierte, mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch wird am Ausgang des Gasse- parationssystems bereitgestellt. Bei der Analyse der Produktgas-Zusammensetzung erfolgt die Messung über den Sauerstoffrestgehalt in Vol.-%. Der Stickstoffgehalt wird berechnet, indem der gemessene Sauerstoffrestgehalt von 100 % abgezogen wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser Wert zwar als Stickstoffgehalt bzw. Stickstoff-Reinheit bezeichnet wird, es sich aber faktisch um den Inertgehalt handelt, da sich dieser Teilstrom nicht nur aus Stickstoff, sondern auch aus anderen Gaskomponenten, wie beispielsweise Edelgasen, zusammensetzt.
Üblicherweise wird das Gasseparationssystem bzw. der Stickstoffgenerator mit Druckluft gespeist, die von vorgeschalteten Filtereinheiten gereinigt wird. Grundsätzlich ist es möglich, zur Bereitstellung des mit Stickstoff angereicherten Gases ein Druckwechselverfahren (PSA-Technologie) anzuwenden, die mit zwei Molekularsiebbetten arbeitet, wobei beide Siebe abwechselnd von einem Filtermodus in einen Regenerationsmodus geschaltet werden, wodurch der Strom von mit Stickstoff angereichertem Gas gewährt wird.
Wenn beispielsweise im Stickstoffgenerator eine Membrantechnik zum Einsatz kommt, wird die allgemeine Erkenntnis ausgenutzt, dass verschiedene Gase unterschiedlich schnell durch Materialien diffundieren. Beim Stickstoffgenerator werden in diesem Fall die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Hauptbestandteile der Luft, nämlich Stickstoff, Sauerstoff und Wasserdampf, technisch zur Erzeugung eines
Stickstoffstromes bzw. einer mit Stickstoff angereicherten Luft genutzt. Im Einzelnen wird zur technischen Realisierung eines auf der Membrantechnik basierenden Stick- Stoffgenerators auf die Außenflächen von Hohlfasermembranen ein Separationsmaterial aufgebracht, durch welches Wasserdampf und Sauerstoff sehr gut diffundieren. Der Stickstoff hingegen besitzt für dieses Separationsmaterial nur eine geringe Diffusionsgeschwindigkeit. Wird die derart präparierte Hohlfaser innen von Luft durch- strömt, diffundieren Wasserdampf und Sauerstoff schnell durch die Hohlfaserwandung nach außen, während der Stickstoff weitgehend im Faserinneren gehalten wird, so dass während des Durchganges durch die Hohlfaser eine starke Aufkonzentration des Stickstoffes stattfindet. Die Effektivität dieses Trennungsvorganges ist im Wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit in der Faser und der Druckdifferenz über die Hohlfaserwandung hinweg abhängig. Mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit und/oder höherer Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Hohlfasermembran steigt die Reinheit des resultierenden Stickstoffstromes an. Allgemein ausgedrückt kann somit bei einem auf der Membrantechnik basierenden Stickstoffgenerator der Grad der Stickstoffanreicherung in der vom Stickstoffgenerator bereitge- stellten mit Stickstoff angereicherten Luft in Abhängigkeit von der Verweilzeit der von der Druckluftquelle bereitgestellten Druckluft in dem Luftseparationssystem des Stickstoffgenerators gesteuert werden.
Wenn andererseits beispielsweise im Stickstoffgenerator die PSA-Technik zum Einsatz kommt, werden unterschiedliche Bindungsgeschwindigkeiten des Luftsauerstoffes und Luftstickstoffes an speziell behandelter Aktivkohle ausgenutzt. Dabei ist die Struktur der verwendeten Aktivkohle so verändert, dass eine extrem große Oberfläche mit einer großen Anzahl von Mikro- und Submikroporen (d < 1 nm) vorhanden ist. Bei dieser Porengröße diffundieren die Sauerstoffmoleküle der Luft wesentlich schneller in die Poren hinein, als die Stickstoffmoleküle, so dass sich die Luft in der Umgebung der Aktivkohle mit Stickstoff anreichert. Bei einem auf der PSA-Technik basierenden Stickstoffgenerator kann daher - wie auch bei einem auf der Membrantechnik basierenden Generator - der Grad der Stickstoffanreicherung in der vom Stickstoffgenerator bereitgestellten mit Stickstoff angereicherten Luft in Abhängigkeit von der Ver- weilzeit der von der Druckluftquelle bereitgestellten Druckluft in dem Stickstoffgenerators gesteuert werden.
Wie bereits angedeutet, liegt der erfindungsgemäßen Lösung die Erkenntnis zugrunde, einerseits dass mit zunehmender Stickstoff-Reinheit der Luftfaktor des Gassepara- tionssystems exponentiell ansteigt, und andererseits dass zum Einstellen eines vorgegebenen Inertisierungsniveaus der Kompressor der Inertisierungsanlage um so länger laufen muss, je geringer die Differenz zwischen dem in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes aktuell herrschenden Sauerstoffgehalt und dem Sauerstoffrestgehalt in dem mit Stickstoff angereichertem Gasgemisch ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Zeitdauer des Absenkvorganges eines zu inertisierenden Raumes, sei es für die Halteregelung des Raumes bei einem festen Restsauerstoffgehalt oder während des Absenkens auf ein neues Absenkungsniveau, der Energieverbrauch der Inertisierungsanlage nahezu direkt proportional ist, da der dem Gasseparationssystem vorgeschaltete Kompressor auf seinem Arbeitspunkt mit optimalen Wirkungsgrad digital gefahren wird.
Demnach bleibt festzuhalten, dass - wenn für die Stickstoff-Reinheit ein niedriger
Wert von beispielsweise nur 90 Vol.-% gewählt wird - die Inertgasanlage zum Einstellen eines Inertisierungsniveaus relativ lange betrieben werden muss. Wird der Wert der Stickstoff-Reinheit beispielsweise auf 95 Vol.-% erhöht, erhöht sich ebenfalls die Differenz zwischen dem Sauerstoffgehalt des einzustellenden Inertisierungsniveaus und dem Sauerstoffrestgehalt des am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten Gasgemisches, was für sich genommen die zum Einstellen eines Inertisierungsniveaus notwendige Laufzeit des Kompressors und somit den Energieverbrauch der Inertisierungsanlage herabsetzt. Allerdings kommt hier noch der Umstand zum Tragen, dass sich bei Erhöhung der Stickstoff-Reinheit am Ausgang des Gasseparati- onssystems zwangsläufig auch der Luftfaktor erhöht. Im Hinblick auf die zum Einstellen eines Inertisierungsniveaus erforderliche Laufzeit des Kompressors bzw. den Energieverbrauch der Inertisierungsanlage wirkt sich dieser Umstand negativ aus. Dieser negative Einfluss überwiegt, wenn die durch Erhöhung der Stickstoff-Reinheit bedingte Zunahme des Luftfaktors merklich wird.
Entgegen den üblichen aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, bei denen für die Stickstoff-Reinheit ein fester Wert gewählt wird, wurde bei der erfindungsgemäßen Lösung erkannt, dass bei der Inertisierung des umschlossenen Raumes der Sauerstoffrestgehalt in dem am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch an den aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes herrschenden Sauerstoffgehalt vorzugsweise automatisch oder wahlweise automatisch anzupassen ist, um auf diese Weise die Stickstoff- Reinheit des Gasseparationssystems auf einen zeitoptimierten Wert einzustellen.
Unter dem hier verwendeten Begriff „zeitoptimierter Wert der Stickstoff-Reinheit" ist die Stickstoff-Reinheit des Gasseparationssystems bzw. der Restsauerstoffgehalt in dem am Ausgang des Gasseparationssystems bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches zu verstehen, mit welchem bei einer definierten Inerti- sierungsanlage, bei welcher die pro Zeiteinheit bereitstellbare Menge an mit Stickstoff angereichertem Gasgemisch konstant ist, die Zeitdauer für den Absenkvorgang von einem aktuellen Sauerstoffgehalt auf einen vorgegebenen und einem Inertisierungsni- veau entsprechenden Sauerstoffgehalt ein Minimum annimmt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Realisierung des erfindungsgemäßen Inertisierungsverfahren ist vorgesehen, dass der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches bzw. die Stickstoff-Reinheit des Gasseparationssystems vorzugsweise automatisch gemäß einer vorab ermittelten Kennlinie eingestellt wird. Diese Kennlinie gibt den zeitoptimierten Verlauf des Sauerstoffrestgehaltes in dem mit Stickstoff angerei- cherten Gasgemisch gegenüber dem Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raums an. Hierbei sind unter dem Ausdruck „zeitoptimierter Verlauf des Sauerstoffrestgehaltes" die von dem Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes abhängigen zeitoptimierten Werte des Sauerstoffrestgehaltes zu verstehen. Wie bereits angedeutet, entspricht der zeitoptimierte Wert des Sauer- Stoffrestgehaltes dem Wert des Sauerstoffrestgehaltes, der bei dem Gasseparationssystem zu wählen ist, damit mit Hilfe des Inertisierungsverfahrens in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes innerhalb kürzester Zeit ein vorgebbarer und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierter Sauerstoffgehalt einstellbar ist.
Die Kennlinie, nach welcher bei der bevorzugten Realisierung des erfindungsgemäßen Inertisierungsverfahren der Sauerstoffrestgehalt abhängig von dem in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes aktuell herrschenden Sauerstoffgehalt eingestellt wird, ist für das Gasseparationssystem bzw. die Inertisierungsanlage vorab ermittelt (gemessen oder berechnet) worden.
Da bei der erfindungsgemäßen Lösung die Stickstoff-Reinheit des Gasseparationssystems bzw. der Sauerstoffrestgehalt in dem mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch vorzugsweise automatisch abhängig von dem in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes aktuell herrschenden Sauerstoffgehalt eingestellt wird, um auf diese Weise mit möglichst geringen Betriebskosten eine Inertisierung des Raumes vornehmen zu können, ist es bevorzugt, wenn kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen der aktuelle Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes entweder direkt oder indirekt gemessen wird. Ferner ist es bevorzugt, wenn kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen der Sauerstoffrestgehalt in dem mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch auf einen vorab festgelegten, zeitoptimierten Wert eingestellt wird. Dieser vorab festgelegte, zeitop- timierte Wert sollte einem Sauerstoffrestgehalt entsprechen, bei welchem mit dem Inertisierungsverfahren der Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes innerhalb kürzester Zeit um einen vorgegebenen Absenkungsbetrag auf den jeweils aktuellen Sauerstoffgehalt absenkbar ist.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass nicht nur die Stickstoff-Reinheit des Gasseparationssystems abhängig von dem in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes aktuell herrschenden Sauerstoffgehalt verändert wird, sondern dass auch der Sauerstoffgehalt in dem Anfangs- Gasgemisch abhängig von dem in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes aktuell herrschenden Sauerstoffgehalt verändert wird. Hierbei wird die Kenntnis ausgenutzt, dass der Luftfaktor des Gasseparationssystems herabgesetzt werden kann, wenn das Anfangs-Gasgemisch, mit welchem das Gasseparationssystem versorgt wird, einen reduzierten Sauerstoffgehalt aufweist.
Demnach ist in einer bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass zum Bereitstellen des Anfangs-Gasgemisches ein Teil der in dem umschlossenen Raum enthaltenen Raumluft in geregelter Weise dem Raum entnommen und dem entnommenen Teil der Raumluft in geregelter Weise Frischluft zugeführt wird. Um dabei zu verhindern, dass sich der Druck im Inneren des umschlossenen Raumes durch die Zufuhr von mit Stickstoff angereichertem Gas bzw. durch das
Abführen von einem Teil der Raumluft verändert, ist die Menge der Frischluft, die der dem Raum entnommenen Raumluft zugemischt wird, so gewählt, dass die Menge der pro Zeiteinheit dem Raum entnommenen Raumluft identisch ist mit der Menge des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches, welches am Ausgang des Gasseparationssys- tems bereitgestellt und pro Zeiteinheit in die Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes geleitet wird.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Inertisie- rungsanlage anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Inertisierungsanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Inertisierungsanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Inertisierungsanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Luftfaktors gegenüber der Stickstoff-
Reinheit bei der Inertisierungsanlage gemäß Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3, sowie eine graphische Darstellung der Absenkzeit gegenüber der Stickstoff-Reinheit, und zwar bei der Absenkung des Sauerstoffgehaltes von ursprünglich 17,4 Vol.-% auf 17,0 Vol.-% sowie bei einer Absenkung des Sauerstoffgehaltes von ursprünglich 13,4 Vol.-% auf 13,0 Vol.-%;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der zeitoptimierten Stickstoff-Reinheit gegenüber dem aktuellen Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes bei der Inertisierungsanlage gemäß Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3;
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Luftfaktors des Gasseparationssystems bei der Inertisierungsanlage gemäß Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3 gegenüber dem Sauerstoffgehalt des Anfangs-Gasgemisches, welches dem Gasse- parationssystem zugeführt wird, um zumindest ein Teil des Sauerstoffes aus dem Anfangs-Gasgemisch abzutrennen und auf diese Weise am Ausgang des Gasseparationssystems ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitzustellen; und
Fig. 7 eine graphische Darstellung der erzielbaren Energieeinsparungen, wenn mit der erfindungsgemäßen Lösung in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes der Sauerstoffgehalt abgesenkt wird.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einer ersten beispielhaften Ausfüh- rungsform einer Inertisierungsanlage 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Inertisierungsanlage 1 dient zum Einstellen und Halten eines vorgebbaren Inertisierungsniveaus in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes 2. Der umschlossene Raum 2 kann beispielsweise eine Lagerhalle sein, bei welcher als präventive Brandschutzmaßnahme der Sauerstoffgehalt in der Raumluft auf ein bestimmtes Inertisierungsniveau von beispielsweise 12 Vol.-% oder 13 Vol.-% Sauerstoffgehalt abgesenkt und gehalten wird.
Die Inertisierung des umschlossenen Raumes 2 wird mit Hilfe einer Steuereinrichtung 5 wahlweise automatisch durchgeführt. Hierzu weist die Inertisierungsanlage 1 gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ein Gasseparationssystem bestehend aus einem Kompressor 3 sowie einem Stickstoffgenerator 4 auf. Der Kompressor 3 dient dazu, dem Stickstoffgenerator 4 in komprimierter Weise ein Anfangs-Gasgemisch bereitzustellen, welches zumindest die Komponenten Sauerstoff und Stickstoff aufweist. Hierzu ist der Ausgang des Kompressors 3 über ein Leitungssystem 17 mit dem Eingang des Stickstoffgenerators 4 verbunden, um dem Stickstoffgenerator 4 mit dem komprimierten Anfangs-Gasgemisch zu versorgen. Denkbar ist es, dass am Ausgang des Kompressors 3 das Anfangs-Gasgemisch auf einen Druck von beispielsweise 7,5 bis 9,5 bar und vorzugsweise 8,8 bar komprimiert ist.
Der Stickstoffgenerator 4 weist mindestens ein Membranmodul 19, beispielsweise ein Hohlfasermembranmodul auf, durch welches das von dem Kompressor 3 bereitgestell- te Anfangs-Gasgemisch - nachdem dieses einen geeigneten Filter 18 passiert hat - gedrückt wird. In dem Membranmodul 19 diffundieren die verschiedenen in dem Anfangs-Gasgemisch enthaltenden Komponenten (insbesondere Sauerstoff und Stickstoff) entsprechend ihrer molekularen Struktur unterschiedlich schnell durch die Hohlfasermembrane des Membranmoduls 19. Die Gasseparation basiert dabei auf dem an sich bekannten Wirkungsprinzip, wonach Stickstoff mit einem niedrigen Diffusionsgrad die Hohlfasermembrane sehr langsam durchdringt und sich auf diese Weise beim Durchströmen der Hohlfasern des Membranmoduls 19 anreichert. Am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 wird auf diese Weise ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitgestellt. Dieses mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch liegt - wie auch das am Eingang des Stickstoffgenerators 4 eingespeiste Anfangs-Gasgemisch - in komprimierter Form vor, wobei allerdings das Durchströmen des mindestens einen Membranmoduls 19 des Stickstoffgenerators 4 zu einem Druckverlust von beispielsweise 1,5 bis 2,5 bar führt.
Obwohl in Fig. 1 nicht explizit dargestellt, wird das im Stickstoffgenerator 4 abgeschiedene und mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch gesammelt und unter atmosphärischem Druck in die Umgebung abgeblasen. Das am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 bereitgestellte und mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch wird über eine Zuführleitung 7 dem umschlossenen Raum 2 zugeführt, um den Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 abzusenken bzw. um ein in dem Raum 2 bereits eingestelltes Absenkungsniveau durch Nachführen von mit Stickstoff angereichertem Gas aufrechtzuerhalten.
Damit sich der Druck im Inneren des umschlossenen Raumes 2 beim Zuführen von dem mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch nicht ändert, ist eine geeignete Druck- entlastung vorzusehen. Diese kann beispielsweise in Gestalt von sich selbstständig öffnenden bzw. schließenden Druckentlastungsklappen (in Fig. 1 nicht dargestellt) ausgeführt sein. Andererseits ist es aber auch denkbar, dass das bei der Inertisierung des Raumes 2 zum Zwecke der Druckentlastung abzuführende Raumluftvolumen über ein Rückführleitungssystem 9 einer Mischkammer 6 zugeführt wird.
Die aus dem umschlossenen Raum 2 abgeführte Raumluft wird über einen ersten Eingang 9a der Rückführleitung 9 der Mischkammer 6 zugeführt. Die Mischkammer 6 weist ferner einen zweiten Eingang 8a auf, in welchem ein Zufuhrleitungssystem 8 zum Zuführen von Frischluft zu der Mischkammer 6 mündet. In der Mischkammer 6 wird das Anfangs-Gasgemisch bereitgestellt, welches mit Hilfe des Kompressors 3 komprimiert wird, und aus welchem in dem Gasseparationssystem (Stickstoffgenerator 4) zumindest ein Teil des Sauerstoffs abgetrennt wird. Aus diesem Grund ist der Ausgang der Mischkammer 6 mit dem Eingang des Kompressors 3 über ein geeignetes Leitungssystem 15 verbunden.
Im Einzelnen ist in dem Rückführleitungssystem 9 ein erstes mit der Steuereinrichtung 5 ansteuerbares Ventil 11, welches insbesondere als Absperrventil ausgeführt ist, und in dem Frischluft-Zuführleitungssystem 8 ein zweites ebenfalls mit der Steuereinrichtung 5 ansteuerbares Ventil 10, insbesondere in Gestalt eines Absperrventils, vorge- sehen. Auf diese Weise kann durch eine geeignete Ansteuerung der entsprechenden Ventile 10, 11 sichergestellt werden, dass die Menge der Frischluft, die der dem Raum 2 entnommenen Raumluft zugemischt wird, so gewählt ist, dass die Menge der pro Zeiteinheit dem Raum 2 entnommenen Raumluft identisch ist mit der Menge des am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 bereitgestellten und mit Stickstoff angereicher- ten Gasgemisches, welche pro Zeiteinheit in die Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 geleitet wird. Die Inertisierungsanlage 1 gemäß der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausfüh- rungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die bereits erwähnte Steuereinrichtung 5 mit den entsprechenden ansteuerbaren Komponenten der Inertisierungsanlage 1 verbunden und ausgelegt ist, automatisch den Stickstoff- generator 4 bzw. das Gasseparationssystem 3, 4 derart anzusteuern, dass das am Ausgang 4a des Gasseparationssystems 3, 4 bereitgestellte und mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch einen Sauerstoffrestgehalt aufweist, der von dem in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 aktuell herrschenden Sauerstoffgehalt abhängt. Insbesondere wird bei der dargestellten bevorzugten Realisierung der erfindungsgemäßen Inertisierungsanlage 1 mit Hilfe der Steuereinrichtung 5 der Stickstoffgenerator 4 derart angesteuert, dass abhängig von dem mit Hilfe eines Sauerstoffmesssystems 16 gemessenen Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 das mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch einen Sauerstoffrestgehalt zwischen 10,00 Vol.-% bis 0,01 Vol.-% aufweist, wobei der Sauerstoff- restgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches mit abnehmendem Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes abnimmt.
Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Inertisierungsanlage 1 neben dem bereits erwähnten Sauerstoffmesssystem 16 zum Messen bzw. Ermitteln des aktuellen Sauer- stoffgehaltes in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 ferner ein Sauerstoffrestgehalt-Messsystem 21 zum Messen des Sauerstoffrestgehaltes in dem am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch bzw. zum Bestimmen der Stickstoff-Reinheit des am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 bereitgestellten Gasgemisches auf. Beide Messsysteme 16, 21 sind mit der Steuereinrichtung 5 entsprechend verbunden.
In Fig. 2 ist in einer schematischen Ansicht eine Inertisierungsanlage 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Inertisierungsanlage 1 gemäß der zweiten Ausführungsform eignet sich insbesondere dazu, in möglichst wirtschaftlicher Weise in einem klimatisierten Raum, wie etwa in einem Kühlraum oder in einer Kühllagerhalle, ein vorab festgelegtes Inertisierungsniveau einzustellen und aufrechtzuerhalten. Der Aufbau und die Funktionsweise der Inertisierungsanlage 1 gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform entsprechen im Wesentlichen dem Aufbau und der Funktionsweise der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrie- benen Inertisierungsanlage, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist es für eine möglichst wirtschaftliche Inertisierung eines klimatisierten Raumes 2 bevorzugt, wenn in dem Rückführleitungssystem 9 zwischen dem Raum 2 und der Mischkammer 6 ein Wärmetauschersystem 13 vorgesehen ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn - wie in Fig. 2 angedeutet - das Rückführleitungssys- tem 9 mit einer entsprechenden thermischen Isolierung 20 zumindest teilweise ummantelt, damit ein Vereisen des Rückführleitungssystems 9 vermieden werden kann, wenn die aus dem umschlossenen Raum 2 abgeführte, heruntergekühlte Raumluft über das Rückführleitungssystem 9 dem Wärmetauschersystem 13 zugeführt wird, bevor die Raumluft dann in die Mischkammer 6 geleitet wird. Das Wärmetauschersys- tem 13 kann bei Bedarf einen Stützventilator 14 aufweisen, damit die Raumluft ohne Druckverlust aus der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 abgeführt werden kann.
Das Wärmetauschersystem 13 dient dazu, zumindest einen Teil der beim Betrieb des Kompressors 3 anfallenden Abwärme auszunutzen, um die abgeführte und heruntergekühlte Raumluft entsprechend aufzuwärmen. Für das Wärmetauschersystem 13 kommen unterschiedliche Systeme zum Einsatz, wie etwa ein Lamellenwärmetauscher, über den zumindest ein Teil der thermischen Energie des Abluft des Kompressors 3 über ein Wärmetauschermedium, wie beispielsweise Wasser, auf die abgeführten Raumluft übertragen wird, so dass die Temperatur der abgeführten Raumluft auf eine moderate Temperatur von beispielsweise 20° C aufzuwärmen, was für die Funktionsweise und den Wirkungsgrad des Stickstoffgenerators 4 von Vorteil ist.
Nachdem die aus dem umschlossenen Raum 2 abgeführte Raumluft das Wärmetau- schersystem 13 passiert hat, wird sie über einen ersten Eingang 9a der Rückführleitung 9 der Mischkammer 6 zugeführt. Die Mischkammer 6 weist ferner einen zweiten Eingang 8a auf, in welchem ein Zufuhrleitungssystem 8 zum Zuführen von Frischluft zu der Mischkammer 6 mündet. In der Mischkammer 6 wird das Anfangs-Gasgemisch bereitgestellt, welches mit Hilfe des Kompressors 3 komprimiert wird, und aus wel- ehern in dem Gasseparationssystem (Stickstoffgenerator 4) zumindest ein Teil des Sauerstoffs abgetrennt wird. Aus diesem Grund ist der Ausgang der Mischkammer 6 mit dem Eingang des Kompressors 3 über ein geeignetes Leitungssystem 15 verbunden.
In Fig. 3 ist in einer schematischen Ansicht eine Inertisierungsanlage 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Aufbau und die Funktionsweise der Inertisierungsanlage 1 gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausfüh- rungsform entsprechen im Wesentlichen dem Aufbau und der Funktionsweise der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Inertisierungsanlage, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind bei dieser Ausführungsform die beiden Ventile 10, 11, welche bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 insbesondere als Absperrventil ausgeführt und in dem Frischluft-Zuführleitungssystem 8 bzw. in dem Rückführleitungssystem 9 vorgesehen sind, zu einem 3-Wege-Ventil 10' zusammengefasst, um den Aufbau der Inertisierungsanlage 1 zu vereinfachen. Das 3-Wege-Ventil 10' ist mit der Steuereinrichtung 5 ansteuerbar.
Ferner ist bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform die Mischkammer als Filter 6' realisiert. Die in Gestalt eines Filters 6' ausgeführte Mischkammer erfüllt demnach zwei Funktionen: Zum einen dient sie zum Bereitstellen des Anfangs-Gasgemisches, und zwar indem die über das Frischluft-Zuführleitungssystem zugeführte Frischluft mit der aus dem Raum 2 entnommenen und über das Rückführleitungssystem 9 zugeführten Raumluft vermischt wird. Zum anderen dient die als Filter 6' realisierte Mischkammer zum Filtern des bereitgestellten Anfangs-Gasgemisches, bevor dieses mit Hilfe des Kompressors 3 komprimiert wird. Somit kann auf einen zusätzlicher Filter am Eingang des Kompressors 3 verzichtet werden.
Wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die graphischen Darstellungen gemäß den Figuren 4 bis 6 im Einzelnen dargelegt wird, kann durch ein geeignetes Einstellen der Stickstoff-Reinheit des Stickstoffgenerators 4 bzw. durch ein geeignetes Einstellen des Sauerstoffrestgehaltes in dem am Ausgang 4a des Gasseparationssystems 4 bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch in einer zeitoptimierten Weise ein vorgegebenes Absenkungsniveau in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 eingestellt werden. Demnach ist bei der erfindungsgemäßen Lösung vorge- sehen, dass die Stickstoff-Reinheit des Stickstoffgenerators 4 bei der Inertisierung des umschlossenen Raumes 2 in Abhängigkeit von dem aktuellen Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes eingestellt und angepasst wird.
Die Stickstoff-Reinheit kann verändert werden, indem die Verweilzeit des Anfangs- Gasgemisches in dem mindestens einen Membranmodul 19 des Stickstoffgenerators 4 variiert wird. Hierzu ist es beispielsweise denkbar, dass am Ausgang des Membranmoduls 19 mit einem geeigneten Regelventil 24 der Durchfluss durch das Membran- modul 19 und ein Gegendruck gesteuert werden. Ein hoher Druck auf der Membrane und eine lange Verweilzeit (niedriger Durchfluss) führen zu einer hohen Stickstoff- Reinheit am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators.
Vorzugsweise wird für die jeweilige Stickstoff-Reinheit ein zeitoptimierter Wert gewählt, der es ermöglicht, dass mit der Inertisierungsanlage in kürzester Zeit ein vorab festgelegtes Inertisierungsniveau in dem umschlossenen Raum 2 eingestellt und gehalten werden kann. Durch Verwendung entsprechender zeitoptimierter Werte für die Stickstoff-Reinheit ist es beim Einstellen und Halten eines vorgegebenen Inertisie- rungsniveaus in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes möglich, die Zeitdauer des Absenkvorgangs (sei es für die Halteregelung bei einem festen Restsauerstoffgehalt oder während des Absenkens auf ein neues Absenkungsniveau) zu reduzieren und somit auch den Energieverbrauch der Inertisierungsanlage herabzusetzen, da der Kompressor 3 auf seinem Arbeitspunkt mit optimalem Wirkungsgrad digital (ein/aus) gefahren wird.
Des Weiteren zeichnet sich die Inertisierunsanlage 1 gemäß der in Fig. 1 oder in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform dadurch aus, dass dem Gasseparationssystem bestehend aus dem Kompressor 3 und dem Stickstoffgenerator 4 von der Mischkam- mer 6 ein Anfangs-Gasgemisch bereitgestellt wird, welches einen Sauerstoffgehalt aufweist, der niedriger als der Sauerstoffgehalt von normaler Umgebungsluft (d.h. etwa 21 Vol.-%) sein kann. Im Einzelnen ist hierfür die bereits genannte Rückführungsleitung 9 vorgesehen, mit welcher zumindest ein Teil der Raumluft des umschlossenen Raumes 2 der Mischkammer 6 in einer von der Steuereinrichtung 5 über das Ventil 11 geregelten Weise zugeführt werden kann. Wenn demnach in dem umschlossenen Raum 2 der Sauerstoffgehalt bereits reduziert ist, wird über die Rückführungsleitung 9 der Mischkammer 6 ein im Vergleich zur normalen Umgebungsluft mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch zugeführt. Dieser Teil der Raumluft wird in der Mischkammer 6 mit Zuluft vermischt, um für den Kompressor 3 bzw. den Stickstoffgenerator 4 die erforderliche Menge des Anfangs-Gasgemisches bereitzustellen. Da der Sauerstoffgehalt des Anfangs-Gasgemisches einen Einfluss auf den Luftfaktor des Gasseparationssystems bzw. des Stickstoffgenerators 4 hat, und somit auch einen Einfluss auf den zeitoptimierten Wert der Stickstoff-Reinheit des Stickstoffgenerators 4 hat, ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Inertisierungsanlage 1 in dem Leitungssystem 15 zwischen dem Ausgang der Mischkammer 6 und dem Eingang des Kompressors 3 ein Sauerstoffmesssystem 22 zum Messen des Sauerstoffgehaltes in dem Ausgang-Gasgemisch vorgesehen. Optional hierzu ist es ferner denkbar, entsprechende Sauerstoffmesssysteme 23, 24 in der Rückführleitung 9 bzw. in der Frischluftzuführleitung 8 vorzusehen, um kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten bzw. Ereignissen den Sauerstoffgehalt in der Zuluft und in der mit Stickstoff angereicherten Raumluft zu erfassen. Anhand der Messergebnisse kann durch geeignetes Ansteuern der Ventile 10 bzw. 11 die Zusammensetzung des Anfangs-Gasgemisches (insbesondere im Hinblick auf den Sauerstoffgehalt) geeignet beeinflusst werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die graphischen Darstellungen gemäß den Figuren 4 bis 6 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung anhand der in Fig. 1 oder in Fig. 2 schematisch dargestellten Inertisierungsanlage 1 beschrieben. Hierbei wird davon ausgegangen, dass bei der in Fig. 1 oder Fig. 2 schematisch dargestellten Inertisierungsanlage 1 der umschlossene Raum 2 ein Raumvolumen von 1.000 m3 aufweist. Ferner soll davon ausgegangen werden, dass die Inertisierungsanlage 1 ausgelegt ist, am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 pro Stunde insgesamt maximal 48 m3 mit Stickstoff angereichertes Gas bereitzustellen.
In Fig. 4 ist in einer graphischen Darstellung der Luftfaktor des bei der in Fig. 1 oder Fig. 2 schematisch dargestellten Inertisierungsanlage 1 zum Einsatz kommenden Stickstoffgenerators 4 bei unterschiedlichen Stickstoff-Reinheiten dargestellt. Demgemäß bleibt festzuhalten, dass der Luftfaktor exponentiell mit abnehmendem Sauerstoffrestgehalt in dem am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch zunimmt. Im Einzelnen liegt der Luftfaktor bei einem Sauerstoffrestgehalt von 10 Vol.-% (Stickstoff-Reinheit: 90 %) bei etwa 1,5, was bedeutet, dass pro m3 Anfangs-Gasgemisch am Ausgang 4a des Stickstoffgenerators 4 eine Menge von 0,67 m3 an mit Stickstoff angereichertem Gasgemisch bereitgestellt werden kann. Dieses Verhältnis verschlechtert sich mit zunehmender Stickstoff-Reinheit, wie es der graphischen Darstellung in Fig. 4 entnommen werden kann.
In Fig. 4 ist zusätzlich zu der Entwicklung des Luftfaktors dargestellt, wie sich die Regelabsenkzeit bei unterschiedlichen Stickstoff-Reinheiten mit zunehmender Stickstoff-Reinheit verhält. Im Einzelnen ist zum einen dargestellt, wie lange der Kompressor 3 laufen muss, um in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 den Sauerstoffgehalt von ursprünglich 17,4 Vol.-% auf 17,0 Vol.-% abzusenken. Zusätzlich hierzu ist zum anderen dargestellt, wie lange der Kompressor 3 laufen muss, um bei der Inertisierungsanlage 1 gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 in der Raumluftatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 den Sauerstoffgehalt von ursprünglich 13,4 Vol.-% auf 13,0 Vol.-% abzusenken.
Der Vergleich der beiden Absenkzeiten (Absenkzeit bei Regelung 17,4 Vol.-% → 17,0 Vol.-% und Absenkzeit bei Regelung 13,4 Vol.-% → 13,0 Vol.-%) zeigt, dass zum Einstellen und Halten eines Inertisierungsniveaus von 17,0 Vol.-% die Laufzeit des Kompressors 3 minimiert werden kann, wenn am Stickstoffgenerator 4 eine Stickstoff- Reinheit von etwa 93,3 Vol.-% eingestellt wird. Zum Einstellen und Halten eines Inertisierungsniveaus bei 13 Vol.-% Sauerstoffgehalt liegt hingegen die zeitoptimierte Reinheit bei etwa 94,1 Vol.-% Stickstoff. Demnach ist die Absenkzeit bzw. Laufzeit des Kompressors 3 zum Einstellen eines vorgegebenen Inertisierungsniveaus in der Raumluftatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 abhängig von der beim Stickstoffgenerator 4 eingestellten Stickstoff-Reinheit bzw. abhängig von dem am Stickstoffgenerator 4 eingestellten Sauerstoffrestgehalt in dem am Ausgang 4a des Stickstoffge- nerators 4 bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisch.
Die jeweiligen Minima der Absenkzeit gegenüber der Stickstoff-Reinheit wird nachfolgend als „zeitoptimierte Stickstoff-Reinheit" bezeichnet. In der Darstellung gemäß Fig. 5 ist die zeitoptimierte Stickstoff-Reinheit bei der Inertisierungsanlage 1 gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt. Im Einzelnen ist für unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 die zeitoptimierte Reinheit angegeben, welche für das Gasseparationssystem 3, 4 der Inertisierungsanlage 1 gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 gilt.
Der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie ist unmittelbar zu entnehmen, dass der Stickstoffgenerator 4 so einzustellen ist, dass mit abnehmendem Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 der Sauerstoffrestgehalt in dem am Ausgang 4a des Gasseparationssystems 3, 4 bereitgestellten Gasgemisches abnimmt. Wenn demgemäß die Stickstoff-Reinheit des Stickstoffgenerators beim Inertisieren des umschlossenen Raumes 2 gemäß der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie betrieben wird, ist es möglich, mit möglichst geringer Laufzeit des Kompressors 3 und somit mit möglichst geringem Energieaufwand das vorgegebene Inertisierungsniveau in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes 2 einzustellen und zu halten.
In Fig. 6 ist in einer graphischen Darstellung der Einfluss des Sauerstoffgehaltes in dem Anfangs-Gasgemisch auf den Luftfaktor des Gasseparationssystems 3, 4 gezeigt. Demnach sinkt der Luftfaktor bei einer fixierten Stickstoff-Reinheit des Gasseparati- onssystems 3, 4 bei Reduzierung des Sauerstoffgehalts in dem Anfangs-Gasgemisch. Wie bereits angedeutet, ist bei der Inertisierungsanlage 1 gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 die Rückführungsleitung 9 vorgesehen, über welche ein Teil der (ggf. bereits mit Stickstoff angereicherten) Raumluft in geregelter Weise der Misch- kammer 6 zugeführt wird, um auf diese Weise den Sauerstoffgehalt in dem Anfangs- Gasgemisch von den ursprünglichen 21 Vol.-% (Sauerstoffgehalt der normalen Umgebungsluft) zu reduzieren. Durch diese Rezirkulation der bereits mit Stickstoff angereicherten Raumluft kann somit der Luftfaktor des Gasseparationssystems 3, 4 weiter reduziert werden, so dass die Effizienz des Gasseparationssystems 3, 4 ansteigt und die zum Einstellen und Halten eines vorgegebenen Inertisierungsniveaus aufzubringende Energie noch weiter reduziert werden kann.
Vorzugsweise wird die in Fig. 6 dargestellte Kennlinie mit dem zuvor unter Bezugnahme auf die graphischen Darstellungen in den Figuren 4 und 5 gezeigten Verfahren so kombiniert, dass für jede Sauerstoffkonzentration in dem Anfangs-Gasgemisch und im Raum 2 eine optimierte Liefereinheit des Stickstoffs gefunden wird.
In Fig. 7 sind - für eine berechnete Anwendung - erzielbare Energieeinsparungen (in %) über den in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes eingestellten Sauerstoffgehalt dargestellt, wenn mit der erfindungsgemäßen Lösung die Sauerstoffkonzentration in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes abgesenkt wird. Hierbei wurde ein Fall berücksichtigt, bei welchem einerseits während der Inertisie- rung des Raumes für die Stickstoff-Reinheit des Stickstoffgenerators die zeitoptimierte Stickstoff-Reinheit gewählt wurde, und bei welchem andererseits eine Rezirkulation der bereits mit Stickstoff angereicherten Raumluft erfolgte, um auf diese Weise den Luftfaktor des Stickstoffgenerators weiter zu reduzieren und seine Effizienz zu steigern.
Die Erfindung ist nicht auf die unter Bezugnahme auf die Darstellungen der beigefüg- ten Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Patentansprüche
Inertisierungsverfahren zur Brandverhütung und/oder Feuerlöschung, bei welchem in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes (2) ein vorgebbarer und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierter Sauerstoffgehalt eingestellt und gehalten wird, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: - es wird ein Anfangs-Gasgemisch bereitgestellt, welches Sauerstoff,
Stickstoff und ggf. weitere Komponenten aufweist; es wird in einem Gasseparationssystem (3, 4) zumindest ein Teil des Sauerstoffs aus dem bereitgestellten Anfangs-Gasgemisch abgetrennt und auf diese Weise am Ausgang (4a) des Gasseparationssystems (3, 4) ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitgestellt; und das mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch wird in die Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) geleitet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Gasseparationssystem (3, 4) derart angesteuert wird, dass der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches auf einen
Wert geregelt wird, der in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes herrschenden Sauerstoffgehalt selektiert wird.
2. Inertisierungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches mit abnehmendem Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) reduziert wird.
3. Inertisierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches gemäß einer vorab ermittelten Kennlinie eingestellt wird, wobei die Kennlinie den zeitoptimierten Wert des Sauerstoffrestgehaltes des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches gegenüber dem Sauerstoffgehalt in der
Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) angibt, gemäß welchem mit dem Inertisierungsverfahren innerhalb kürzester Zeit in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) ein vorgebbarer und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierter Sauerstoffgehalt einstellbar ist.
4. Inertisierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen der aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) herrschende Sauerstoffgehalt direkt oder indirekt gemessen wird, und wobei kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen der
Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches auf einen vorab festgelegten Wert eingestellt wird, bei welchem mit dem Inertisierungsverfahren der Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes innerhalb kürzester Zeit um einen vorgegebenen Absenkungsbetrag von dem jeweils aktuellen Sauerstoffgehalt absenkbar ist.
5. Inertisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches abhängig von dem aktuellen Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes auf einen Wert zwischen 0,01 Vol.-% und 10,00 VoI.-
%, und vorzugsweise auf einen Wert zwischen 5, 5 Vol.-% und 7,5 Vol.-% eingestellt wird.
6. Inertisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sauerstoffgehalt des Anfangs-Gasgemisches, aus welchem zumindest ein Teil des Sauerstoffs abgetrennt wird, in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) herrschenden Sauerstoffgehalt verändert wird.
7. Inertisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zum Bereitstellen des Anfangs-Gasgemisches ein Teil der in dem umschlossenen Raum (2) enthaltenen Raumluft in geregelter Weise dem Raum (2) entnommen wird, und wobei dem entnommenen Teil der Raumluft in geregelter Weise Frischluft zugemischt wird.
8. Inertisierungsverfahren nach Anspruch 7, wobei die Menge der Frischluft, die der dem Raum (2) entnommenen Raumluft pro Zeiteinheit zugemischt wird, so gewählt wird, dass die Menge der pro Zeiteinheit dem Raum (2) entnommenen Raumluft identisch ist mit der Menge des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches, welche pro Zeiteinheit in die Raumatmosphäre des umschlossenen Raums (2) geleitet wird.
9. Inertisierungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches automatisch in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) herrschenden Sauerstoffgehalt eingestellt wird.
10. Inertisierungsanlage zum Einstellen und/oder Halten eines vorgebbaren und im Vergleich zur normalen Umgebungsluft reduzierten Sauerstoffgehalts in der Raumatmosphäre eines umschlossenen Raumes (2), wobei die Inertisierungsanlage (1) ein Gasseparationssystem (3, 4) aufweist, mit welchem von einem Stickstoff und Sauerstoff enthaltenen Anfangs-Gasgemisch zumindest ein Teil des Sauerstoffs abgetrennt und auf diese Weise am Ausgang (4a) des Gasseparationssystems (3, 4) ein mit Stickstoff angereichertes Gasgemisch bereitgestellt wird, und wobei die Inertisierungsanlage (1) ein Zuführleitungssystem (7) aufweist zum Zuführen des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches zu dem umschlossenen Raum (2), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h, eine Steuereinrichtung (5), welche ausgelegt ist, das Gasseparationssystem (3, 4) derart anzusteuern, dass der Sauerstoffrestgehalt des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches auf einen Wert geregelt wird, der in
Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (10, 10') herrschenden Sauerstoffgehalt selektiert wird.
11. Inertisierungsanlage nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung (5) ferner ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem aktuell in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes herrschenden Sauerstoffgehalt das Gasseparationssystem (3, 4) derart anzusteuern, dass der
Sauerstoffrestgehalt des am Ausgang (4a) des Gasseparationssystems (3, 4) bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches automatisch reduziert wird, wenn der Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) abnimmt; und/oder wobei die Steuereinrichtung (5) ferner ausgelegt ist, das Gasseparationssystem
(3, 4) derart anzusteuern, dass das am Ausgang (4a) des Gasseparationssystems (3, 4) bereitgestellte und mit Stickstoff angereicherte Gasgemisch einen Sauerstoffrestgehalt zwischen 10,00 Vol.-% bis 0,01 Vol.-% aufweist.
12. Inertisierungsanlage nach einem der Ansprüche 10 oder 11, welche ferner ein Sauerstoffmesssystem (16) aufweist, welches ausgelegt ist, kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeiten und/oder Ereignissen den Sauerstoffgehalt in der Raumatmosphäre zu erfassen und den Wert des erfassten Sauerstoffgehaltes der Steuereinrichtung (5) als aktueller
Sauerstoffgehalt zuzuführen.
13. Inertisierungsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ferner eine Mischkammer (6, 6') vorgesehen ist zum Bereitstellen des Anfangs-Gasgemisches, wobei in der Mischkammer (6, 6') ein erstes
Leitungssystem (9) mündet, über welches in einer von der Steuereinrichtung (5) geregelten Weise ein Teil der in dem umschlossenen Raum (2) enthaltenen Raumluft dem Raum (2) entnommen und der Mischkammer (6, 6') zugeführt wird, und wobei in der Mischkammer (6, 6') ein zweites Leitungssystem (8) mündet, über welches in einer von der Steuereinrichtung (5) geregelten Weise
Frischluft der Mischkammer (6, 6') zugeführt wird.
14. Inertisierungsanlage nach Anspruch 13, welche ferner in dem ersten Leitungssystem (9) ein erstes mit der Steuereinrichtung (5) ansteuerbares Ventil (11, 10'), insbesondere Absperrventil, und in dem zweiten Leitungssystem (8) ein zweites mit der Steuereinrichtung (5) ansteuerbares Ventil (10, 10'), insbesondere
Absperrventil, aufweist, wobei die Steuereinrichtung (5) ausgelegt ist, dass erste und/oder zweite Ventil (11, 10; 10') derart anzusteuern, dass die Menge der pro Zeiteinheit dem Raum (2) entnommenen Raumluft identisch ist mit der Menge des mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches, welche pro Zeiteinheit der Raumatmosphäre des umschlossenen Raumes (2) zugeführt wird.
15. Inertisierungsanlage nach Anspruch 14, wobei das erste Ventil (11, 10') und das zweite Ventil (10, 10') als ein gemeinsames mit der Steuereinrichtung (5) ansteuerbares 3-Wege-Ventil (10') ausgeführt sind.
16. Inertisierungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Gasseparationssystem (3, 4) einen Stickstoffgenerator (4) und einen Kompressor (3) aufweist, wobei über die Steuereinrichtung (5) die Stickstoff- Reinheit bzw. der Sauerstoffrestgehalt des am Ausgang (4a) des
Stickstoffgenerators (4) bereitgestellten und mit Stickstoff angereicherten Gasgemisches einstellbar ist, und wobei der Kompressor (3) zwischen der Mischkammer (6, 6') und dem Stickstoffgenerator (4) angeordnet ist.
17. Inertisierungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei in dem ersten Leitungssystem (9) ein Wärmetauschersystem (13) vorgesehen ist zum Übertragen von thermischer Energie zwischen der aus dem umschlossenen Raum (2) entnommenen Raumluft und der Abwärme des Kompressors (3).
18. Inertisierungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Mischkammer (6, 6') als ein am oder vor dem Eingang des Gasseparationssystems (3, 4) angeordneter Filter (6') ausgeführt ist.
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