WO2016188610A1 - Vorrichtung und verfahren zum druckausgleich - Google Patents

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WO2016188610A1
WO2016188610A1 PCT/EP2016/000741 EP2016000741W WO2016188610A1 WO 2016188610 A1 WO2016188610 A1 WO 2016188610A1 EP 2016000741 W EP2016000741 W EP 2016000741W WO 2016188610 A1 WO2016188610 A1 WO 2016188610A1
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fluid
pressure
region
membrane
pressure fluctuations
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PCT/EP2016/000741
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Robert Adler
Ekkehardt Klein
Christoph Nagl
Bernhard Reiter
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B1/00—Installations or systems with accumulators; Supply reservoir or sump assemblies
    • F15B1/02—Installations or systems with accumulators
    • F15B1/04—Accumulators
    • F15B1/08—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor
    • F15B1/10—Accumulators using a gas cushion; Gas charging devices; Indicators or floats therefor with flexible separating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/20—Accumulator cushioning means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/20—Accumulator cushioning means
    • F15B2201/205—Accumulator cushioning means using gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B2201/00—Accumulators
    • F15B2201/30—Accumulator separating means
    • F15B2201/315—Accumulator separating means having flexible separating means
    • F15B2201/3151—Accumulator separating means having flexible separating means the flexible separating means being diaphragms or membranes

Definitions

  • the invention relates to a device for compensating for pressure fluctuations of a fluid in a hydraulic system, comprising a container which is separated by a membrane into two regions, wherein a first region is adapted to receive the fluid whose pressure is balanced.
  • the invention further relates to a method for compensating for pressure fluctuations of a fluid, in a hydraulic system, with a device which is divided by a membrane into two areas, wherein a region is filled with the fluid, the pressure of which is compensated.
  • Containers to compensate for pressure fluctuations are already known. They are mainly used in heating and hot water circuits to ensure a stable pressure in the piping system. In hydraulic systems, incompressible fluids are often used, so that in addition volume changes, due to different temperature potentials, must be compensated.
  • such a surge tank which is also referred to as expansion vessel or device, designed as a membrane expansion tank. That is, the container has a membrane that divides the container into at least two areas.
  • the membrane is usually a separation membrane, which is not permeable to the fluids on both sides.
  • the membrane can therefore also be understood as a mechanically flexible partition.
  • membranes which are similar to a bladder are introduced into a steel container, instead of covering only the cross section of a container.
  • the membranes can be made so that they are firmly installed or interchangeable.
  • the membrane is usually made of elastomers or plastics. Metal membranes can be used at particularly low or very high temperatures.
  • nitrogen, another inert gas or air is usually used. The general aim of such devices is to ensure a constant system pressure.
  • fluid working machines in particular of reciprocating engines for compressing, dosing and conveying fluids, for example hydraulic fluids, carbon dioxide (C0 2 ) or hydrogen (H 2 ), there are inconsistent fluid flows and thus pressure fluctuations on the output side of the fluid working machines.
  • fluids for example hydraulic fluids, carbon dioxide (C0 2 ) or hydrogen (H 2 )
  • Object of the present invention is preferably fully compensate for pressure peaks.
  • a second region of the container at least partially contains a fluid mixture which is partially liquid and partially gaseous.
  • the pressure peaks are preferably completely compensated by the medium, to compensate for the pressure fluctuations, in the second region of the surge tank, adapted accordingly and a phase transition between the gas and liquid phase takes place.
  • the pressure peaks are thereby compensated less by a pure volume change of the medium in the second region, than by a change in the phase components.
  • the pressure of the fluid in the first region is completely stabilized in this way.
  • the surge tank is divided by a membrane into at least two parts. The pressure fluctuations are transmitted via the membrane to the medium in the second area. This must therefore be flexible.
  • the membrane is made of an elastic, gas-tight material, in particular of nitrile rubber (nitrile-butadiene rubber), polytetrafluoroethylene (Tefon) or fluororubber (Viton).
  • the membrane is made of elastomers or plastics.
  • membranes made of metals are also possible. Metals are particularly suitable for particularly high or extremely low temperature ranges.
  • the device is to compensate for pressure fluctuations with a fluid working machine, in particular a pump or a compressor in connection.
  • the medium in the second region of the device, consists of a fluid mixture whose composition is chosen such that a liquid phase and a gas phase form.
  • the liquid phase assumes 10-20% of the volume of the second region in the initial state, the gas phase correspondingly 80-90%.
  • the filling volume for both areas of the container is one liter. Scales towards smaller or larger filling volumes are however conceivable. Furthermore, it is not absolutely necessary that both areas have an identical filling volume.
  • the fluid mixture may contain the following components: carbon dioxide (C0 2 ), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), oxygen (0 2 ) nitrogen (N 2 ), and all noble gases, in particular argon, neon, helium or xenon.
  • C0 2 carbon dioxide
  • H 2 hydrogen
  • CO carbon monoxide
  • N 2 nitrogen
  • noble gases in particular argon, neon, helium or xenon.
  • the fluid mixture contains C0 2 as the main component, since at a temperature of 20 ° C, an equilibrium pressure between the gas and liquid phase of about 57 bar sets.
  • the use of a fluid mixture offers the advantage that, depending on the proportion of C0 2 in the fluid mixture, an equilibrium pressure can be set to suit the respective operating temperature.
  • a further gas is admixed as minor constituent, which has lower temperature changes during compression or expansion.
  • a minor constituent gases with a particularly high isentropic exponent are preferably to be used, so that the influence of the temperature increase remains particularly low due to an isentropic compression shock.
  • noble gases are considered to be particularly suitable here.
  • the medium in the second region contains, in addition to CO 2, at least one gas from the group of noble gases, in particular xenon or argon.
  • at least one gas from the group of noble gases in particular xenon or argon.
  • the fluid mixture may also contain oxygen (0 2 ) or nitrogen (N 2 ).
  • the fluid mixture is formed from C0 2 and argon, for example.
  • C0 2 at least partially liquid C0 2 is introduced, which sets at 20 ° C, a pressure of about 57 bar.
  • the residual gas filling at 90 bar is carried out by argon, the partial pressure of C0 2 thus remains at about 57 bar.
  • Noble gases react to a compression, ie compression, or relaxation with a much lower temperature change than the pure C0 2 .
  • the device is also advantageously designed so that the container and the membrane can compensate for pressure fluctuations between 10 and 700 bar. When using C0 2 as the main component of the medium in the second range, in particular pressure fluctuations between 80 and 120 bar can be compensated.
  • the liquid phase is partly in the gas phase.
  • compensating for pressure surges ie positive pressure changes, part of the C0 2 is liquefied in the gas phase and passes into the liquid phase.
  • the ratio between the gas and liquid phase of the medium in the second region, as well as the medium itself, must be adapted to the particular application.
  • the biasing pressure must be set to 25 bar. Nitrogen is then partially present in the liquid phase.
  • the bias pressure is then again, preferably by a noble gas, increased to the desired value.
  • the gas used for this purpose must therefore have a boiling temperature below the operating temperature, which is why in this case, for example, neon can be used.
  • the pressure equalization tank can be tempered by methods known in the art, so that a particularly constant pressure compensation can take place.
  • the medium in the second area is appropriately tempered and the ratio between gas and liquid phase and also the form, can be adjusted accordingly.
  • pressure fluctuations can be compensated if the fluid is present in the first range at pressures in the range of 70 to 150 bar. That means in other words, if the fluid pressures between 70 and 150 bar, but should be limited to a range between 80 and 120 bar, this is ensured by the pressure equalization vessel.
  • the pressure fluctuations can be minimized.
  • pressure fluctuations of the fluid in the first region, in particular of incompressible media, of +/- 50 bar are compensated for by a respective biasing pressure which is formed by the medium in the second region.
  • the pressure changes may have been caused by pumps or mechanical devices in front of the surge tank, but also by volume changes of the fluid, which can be caused for example by temperature fluctuations.
  • the system according to the invention thus also allows the storage of energy in the form of volume change work of the medium in the second area.
  • substances, such as noble gases go with the volume change, ie a compression or relaxation of the medium, only minimal temperature changes.
  • not only gases can be used.
  • the system according to the invention is also suitable for liquids or mixed phases.
  • the system is particularly suitable for the pressure stabilization of C0 2 at room temperature.
  • a device according to the invention and such a method can also be used for pressure stabilization of hydraulic fluids, hydrogen or other technical gases.
  • a suitable membrane must be selected that is chemically stable to the fluid, gas tight, and sufficient Has flexibility.
  • the device and method can be used at operating temperatures between -269 ° C and 150 ° C. The operating temperature is usually limited by the choice of a suitable membrane.
  • Another advantage when a device according to the invention is integrated into a system, results from the fact that the electronic regulation of the fluid pressure can be simplified by the mechanical pressure compensation.
  • FIG. 1 shows schematically a pressure equalization tank.
  • the pressure equalization tank 1 shown in Figure 1 is made of metal. However, other pressure and temperature stable materials are conceivable.
  • the container usually has a cylindrical shape, but may also be formed almost spherical or rather cuboid. In general, it is made of two parts between which the membrane 2 is clamped, which divides the container into two areas.
  • the membrane in this case is made of nitrile butadiene rubber. Both areas of the container each have at least one opening for the inlet or outlet of the fluid or the compensation medium. An area is connected via this opening with the remaining system components, for example via a pipe in connection. This area is therefore filled with the fluid 3, whose pressure is to be compensated and stabilized.
  • the container is designed so that C0 2 can be stabilized as a fluid.
  • the pressure range varies between 10 and 700 bar.
  • the operating temperature is in the application example shown between 2 and 30 ° C, but in particular between 18 and 24 ° C.
  • the surge tank is usually mounted after a fluid work machine in the system. However, there may be other plant components in between.
  • the medium for pressure equalization which has a liquid phase 4 and a gaseous phase 5. It is filled in the production of the surge tank on the existing opening. The opening can then be tightly closed or carried out, for example via a valve, that the medium can be replaced for maintenance purposes or during maintenance work, the form can be adjusted, in particular by deliberate draining or feeding medium or to control the pressure.
  • the container with means for controlling the pressure, for example a pressure gauge, or with safety devices, in particular a bursting device, or a safety valve.
  • the pressure equalization tank can be integrated in any direction in the system. Horizontal or vertical mounting is preferable, but not mandatory.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausgleich von Druckschwankungen eines Fluides in einem hydraulischen System, umfassend einen Behälter (1), welcher durch eine Membran (2) in zwei Bereiche getrennt ist, wobei ein erster Bereich (3) dazu ausgelegt ist das Fluid, dessen Druck ausgeglichen wird, aufzunehmen, wobei ein zweiter Bereich des Behälters zumindest teilweise eine Fluidmischung enthält, welche teilweise flüssig (4) und teilweise gasförmig (5) ist. Die Druckschwankungen werden dadurch ausgeglichen, dass ein Phasenübergang zwischen dem gasförmigem- und flüssigem Anteil der Fluidmischung stattfindet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Druckausgleich
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich von Druckschwankungen eines Fluides in einem hydraulischen System, umfassend einen Behälter, welcher durch eine Membran in zwei Bereich getrennt ist, wobei ein erster Bereich dazu ausgelegt ist das Fluid, dessen Druck ausgeglichen wird, aufzunehmen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ausgleich von Druckschwankungen eines Fluides, in einem hydraulischen System, mit einer Vorrichtung, die durch eine Membran in zwei Bereiche aufgeteilt ist, wobei ein Bereich mit dem Fluid gefüllt wird, dessen Druck ausgeglichen wird.
Behälter zum Ausgleich von Druckschwankungen sind bereits bekannt. Sie werden vor allem in Heizungs- und Warmwasserkreisläufen verwendet um einen stabilen Druck im Leitungssystem zu gewährleisten. In hydraulischen Systemen, werden häufig inkompressible Flüssigkeiten verwendet, so dass zudem Volumenänderungen, infolge unterschiedlicher Temperaturpotentiale, ausgeglichen werden müssen.
Durch derartige Behälter wird vor allem verhindert, dass nachfolgende Anlagenteile insbesondere durch Druckspitzen beschädigt werden. Durch den gleichmäßigeren Druck können die nachfolgenden Anlagenteile auch für einen engeren Druckbereich ausgelegt werden, was in der Regel mit einer Kosteneinsparung einhergeht. Zudem ist die Fehleranfälligkeit der gesamten Anlage geringer und somit die Ausfall- und Wartungskosten. Derartige Vorrichtungen vermindern die Gefahr durch Druckstöße und dämpfen diese beispielsweise beim Ab- und Anfahren von Pumpen, sie kompensieren in einem gewissen Rahmen den Verlust von Fluid durch Leckage, oder können an Verdrängerpumpen als Pulsations- bzw. Schwingungsdämpfer eingesetzt werden.
In der Regel ist ein derartiger Druckausgleichsbehälter, welcher auch als Ausdehnungsgefäß oder -gerät bezeichnet wird, als Membranausgleichsbehälter ausgeführt. Das heißt der Behälter besitzt eine Membran, die den Behälter in mindestens zwei Bereiche unterteilt. Die Membran ist in der Regel eine Trennmembran, welche für die Fluide auf beiden Seiten nicht durchlässig ist. Die Membran kann demzufolge auch als eine mechanisch flexible Trennwand verstanden werden. Im Stand der Technik sind auch Membranen bekannt, die ähnlich einer Blase in einen Stahlbehälter eingebracht sind, anstatt nur den Querschnitt eines Behälters abzudecken. Die Membranen können so gefertigt sein, dass sie fest verbaut sind oder austauschbar sind. Die Membran ist in der Regel aus Elastomeren oder Kunststoffen gefertigt. Metallmembranen können bei besonders niedrigen oder besonders hohen Temperatur eingesetzt werden. Als Medium, zum Ausgleich der Druckschwankungen, wird in der Regel Stickstoff, ein anderes inertes Gas oder Luft verwendet. Das allgemeine Ziel derartiger Vorrichtungen ist die Gewährleistung eines konstanten Systemdruckes.
Auch beim Einsatz von Fluidarbeitsmaschinen, insbesondere von Hubkolbenmaschinen zum Verdichten, Dosieren und Fördern von Fluiden, beispielsweise von Hydraulikflüssigkeiten, Kohlenstoffdioxid (C02) oder Wasserstoff (H2) kommt es zu inkonstanten Fluidströmen und so zu Druckschwankungen auf der Ausgangsseite der Fluidarbeitsmaschinen.
Aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen und Verfahren sind meist für inkompressible Flüssigkeiten vorgesehen. Nachteilig an derzeitigen Systemen ist, dass dem Medium, zum Ausgleich der Druckschwankungen, bei einem Druckstoß im ersten Bereich eine Druckerhöhung wiederfährt, somit ein instabiler Ausgangsdruck im ersten Bereich bleibt. Druckspitzen können so in der Regel nicht vollständig ausgeglichen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Druckspitzen vorzugsweise vollständig auszugleichen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein zweiter Bereich des Behälters zumindest teilweise eine Fluidmischung enthält, welche teilweise flüssig und teilweise gasförmig ist. Die Druckspitzen werden vorzugsweise vollständig ausgeglichen, indem sich das Medium, zum Ausgleich der Druckschwankungen, im zweiten Bereich des Druckausgleichsbehälters, entsprechend anpasst und ein Phasenübergang zwischen Gas- und Flüssigphase stattfindet. Die Druckspitzen werden dadurch weniger über eine reine Volumenänderung des Mediums im zweiten Bereich ausgeglichen, als über eine Änderung der Phasenanteile. Vorteilhafterweise wird der Druck des Fluides im ersten Bereich auf diese Weise vollständig stabilisiert. Durch die Veränderung des Anteils von flüssiger und gasförmiger Phase kann die notwendige Volumenänderung des Mediums im zweiten Bereich besser realisiert werden. Der Druckausgleichsbehälter wird durch eine Membran in mindestens zwei Teile unterteilt. Die Druckschwankungen werden über die Membran an das Medium im zweiten Bereich weitergegeben. Diese muss also flexibel ausgestaltet sein.
Vorteilhafterweise ist die Membran aus einem elastischen, gasdichten Material, insbesondere aus Nitrilkautschuk (Nitril-Butadien-Kautschuk), Polytetrafluorethylen (Tefon) oder Fluorkautschuk (Viton). Vorzugsweise besteht die Membran aus Elastomeren oder Kunststoffen. Es sind jedoch auch Membranen aus Metallen möglich. Metalle eignen sich vor allem bei besonders hohen oder extrem niedrigen Temperaturbereichen. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante steht die Vorrichtung zum Ausgleich von Druckschwankungen mit einer Fluidarbeitsmaschine, insbesondere einer Pumpe oder einem Verdichter in Verbindung.
Zum Ausgleich von Druckschwankungen findet, im Vergleich zum Stand der Technik, wenn eine reine Gasphase verwendet wird, nicht nur eine Komprimierung das Gases statt, sondern auch ein Phasenübergang. Im Ausgangszustand besteht das Medium, im zweiten Bereich der Vorrichtung, aus einer Fluidmischung, deren Zusammensetzung so gewählt ist, dass sich eine Flüssigphase und eine Gasphase ausbilden. In einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt im Ausgangszustand die Flüssigphase 10-20 % des Volumens des zweiten Bereiches ein, die Gasphase dementsprechend 80-90 %. Das Füllvolumen für beide Bereiche des Behälters beträgt einen Liter. Skalierungen hin zu kleineren oder größeren Füllvolumen sind jedoch denkbar. Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, dass beide Bereiche ein identisches Füllvolumen aufweisen.
Die Fluidmischung kann dabei folgende Bestandteile enthalten: Kohlenstoffdioxid (C02), Wasserstoff (H2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Sauerstoff (02) Stickstoff (N2), sowie sämtliche Edelgase, insbesondere Argon, Neon, Helium oder Xenon. Bevorzugt enthält die Fluidmischung als Hauptbestandteil C02, da sich bei einer Temperatur von 20 °C ein Gleichgewichtsdruck zwischen Gas- und Flüssigphase von ca. 57 bar einstellt. Im Vergleich zur Verwendung von reinem C02 bietet die Verwendung von einer Fluidmischung den Vorteil, dass je nach Anteil des C02 an der Fluidmischung ein Gleichgewichtsdruck passend zur jeweiligen Betriebstemperatur eingestellt werden kann. Um einen höheren Druck im zweiten Bereich des Behälters, also einen höheren Vorspanndruck, zu erreichen wird ein weiteres Gas als Nebenbestandteil zugemischt, welches bei einer Verdichtung oder Entspannung geringere Temperaturänderungen aufweist. Als Nebenbestandteil sind vorzugsweise Gase mit besonders hohem Isentropenexponent zu verwenden, sodass der Einfluss der Temperaturerhöhung infolge eines isentropen Verdichtungsstoßes besonders gering bleibt. Vor allem Edelgase sind hier als besonders geeignet anzusehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante enthält das Medium im zweiten Bereich zusätzlich zum C02 mindestens ein Gas aus der Gruppe der Edelgase, insbesondere Xenon oder Argon. Es können jedoch auch Mischungen aus Edelgasen eingesetzt werden. Argon wird aus Kostengründen bevorzugt. Die Fluidmischung kann auch Sauerstoff (02) oder Stickstoff (N2) enthalten.
Um den Vorspanndruck beispielsweise auf 90 bar zu erhöhen wird die Fluidmischung aus beispielsweise C02 und Argon gebildet. Dabei wird zumindest teilweise flüssiges C02 eingebracht, wodurch sich bei 20°C ein Druck von ca. 57 bar einstellt. Die Restgasfüllung auf 90 bar erfolgt durch Argon, der Partialdruck des C02 bleibt somit bei ca. 57 bar. Edelgase reagieren auf eine Verdichtung, also Komprimierung, oder Entspannung mit einer wesentlich geringeren Temperaturänderung als das reine C02. Die Vorrichtung ist zudem vorteilhafterweise so ausgelegt, dass der Behälter und die Membran Druckschwankungen zwischen 10 und 700 bar ausgleichen können. Bei der Verwendung von C02 als Hauptkomponente des Mediums im zweiten Bereich können insbesondere Druckschwankungen zwischen 80 und 120 bar ausgeglichen werden. Soll nun ein Unterdruck des Fluides im ersten Bereich, also eine negative Druckänderung, ausgeglichen werden, geht die Flüssigphase teilweise in die Gasphase über. Beim Ausgleich von Druckschlägen, also positiven Druckänderungen, wird ein Teil des C02 in der Gasphase verflüssigt und geht in die Flüssigphase über. Das Verhältnis zwischen Gas- und Flüssigphase des Mediums im zweiten Bereich ist ebenso wie das Medium selbst auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustimmen.
So ist für eine Tieftemperaturanwendung, bei ca. -150 °C, insbesondere Stickstoff (N2) als Hauptbestandteil der Fluidmischung zu wählen, der Vorspanndruck muss dazu auf 25 bar eingestellt werden. Stickstoff liegt dann teilweise in der Flüssigphase vor. Der Vorspanndruck wird dann wiederum, bevorzugt durch ein Edelgas, auf den gewünschten Wert erhöht. Das dazu verwendete Gas muss demzufolge eine Siedetemperatur unterhalb der Betriebstemperatur aufweisen, weshalb in diesem Fall beispielsweise Neon verwendet werden kann.
Der Druckausgleichsbehälter kann über dem Fachmann bekannte Verfahren temperiert werden, so dass ein besonders konstanter Druckausgleich stattfinden kann. So wird auch das Medium im zweiten Bereich entsprechend temperiert und das Verhältnis zwischen Gas- und Flüssigphase und darüber auch der Vordruck, kann entsprechend eingestellt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise Druckschwankungen ausgeglichen werden, wenn das Fluid im ersten Bereich bei Drücken im Bereich von 70 bis 150 bar vorliegt. Dass bedeutet mit anderen Worten, wenn das Fluid Drücke zwischen 70 und 150 bar aufweist, jedoch auf einen Bereich zwischen 80 und 120 bar beschränkt werden soll, wird dies durch das Druckausgleichsgefäß gewährleistet. Durch das vorgestellte Verfahren und die entsprechende Vorrichtung können die Druckschwankungen minimiert werden. Vorzugsweise werden Druckschwankungen des Fluides im ersten Bereich, insbesondere von inkompressiblen Medien, von +/- 50 bar um einen jeweiligen Vorspanndruck, der durch das Medium im zweiten Bereich ausgebildet wird, ausgeglichen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung der vorgestellten Vorrichtung können Druckschläge und Druckänderungen ausgeglichen werden. Nachfolgende Instrumente und Anlagen werden so geschützt und ein konstanter Druck des Fluides wird in den dem Druckausgleichsbehälter nachfolgenden Anlagenteilen gewährleistet. Die Druckänderungen können sowohl durch Pumpen, oder mechanische Geräte vor dem Druckausgleichsbehälter verursacht worden sein, aber auch durch Volumenänderungen des Fluides, welche beispielsweise durch Temperaturschwankungen hervorgerufen werden können. Das erfindungsgemäße System erlaubt so zudem die Speicherung von Energie in Form von Volumenänderungsarbeit des Mediums im zweiten Bereich. Durch den Zusatz von Stoffen, wie beispielsweise Edelgasen, gehen mit der Volumenänderung, also einer Verdichtung oder Entspannung des Mediums, nur minimale Temperaturänderungen einher.
Als Fluid, dessen Druck ausgeglichen werden soll, können nicht nur Gase verwendet werden. Das erfindungsgemäße System eignet sich auch für Flüssigkeiten oder Mischphasen. Besonders eignet sich die Anlage bei Raumtemperatur jedoch für die Druckstabilisierung von C02. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein derartiges Verfahren können jedoch auch zur Druckstabilisierung von Hydraulikflüssigkeiten, Wasserstoff oder anderen technischen Gasen verwendet werden.
Entsprechend dem verwendeten Fluid muss eine passende Membran ausgewählt werden, die chemisch stabil gegenüber dem Fluid ist, gasdicht ist und genügend Flexibilität aufweist. Die Vorrichtung und das Verfahren kann bei Betriebstemperaturen zwischen -269 °C und 150 °C eingesetzt werden. Die Betriebstemperatur wird in der Regel durch die Wahl einer geeigneten Membran beschränkt.
Ein weiterer Vorteil, wenn eine erfindungsgemäße Vorrichtung in eine Anlage integriert wird, ergibt sich darin, dass durch den mechanischen Druckausgleich die elektronische Regelung des Fluiddruckes vereinfacht werden kann.
Zusammen mit dem Effekt, dass die nachfolgenden Anlagenbestandteile für einen geringeren Druckbereich ausgelegt werden können ergibt sich so eine Kostenreduzierung bei der Auslegung und dem Bau der Anlage. Zudem verringert sich durch Abschwächung der Druckschläge die Fehleranfälligkeit der gesamten Anlage und somit die Wartungs- und Instandhaltungs- bzw. Ausfallkosten.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Figur 1 zeigt schematisch einen Druckausgleichsbehälter.
Der in Figur 1 dargestellte Druckausgleichsbehälter 1 ist aus Metall gefertigt. Es sind jedoch auch andere druck- und temperaturstabile Materialien denkbar. Der Behälter weist in der Regel eine zylindrische Form auf, kann jedoch auch nahezu kugelförmig oder eher quaderförmig ausgebildet sein. In der Regel ist er aus zwei Teilen gefertigt zwischen denen die Membran 2 eingespannt ist, die den Behälter in zwei Bereiche unterteilt. Die Membran ist in diesem Fall aus Nitril-Butadien-Kautschuk gefertigt. Beide Bereiche des Behälters weisen je mindestens eine Öffnung zum Ein- oder Auslass des Fluides oder des Ausgleichmediums auf. Ein Bereich steht über diese Öffnung mit den restlichen Anlagenkomponenten beispielsweise über eine Rohrleitung in Verbindung. Dieser Bereich ist deshalb mit dem Fluid 3 gefüllt, dessen Druck ausgeglichen und stabilisiert werden soll. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Behälter so ausgelegt, dass C02 als Fluid stabilisiert werden kann. Der Druckbereich schwankt zwischen 10 und 700 bar. Die Betriebstemperatur liegt im beispielhaft dargestellten Anwendungsfall zwischen 2 und 30 °C, insbesondere jedoch zwischen 18 und 24 °C. Der Druckausgleichsbehälter wird üblicherweise nach einer Fluidarbeitsmaschine in der Anlage montiert. Es können jedoch noch andere Anlagenbestandteile dazwischen liegen. In dem zweiten Bereich befindet sich das Medium zum Druckausgleich, welches eine flüssige Phase 4 und eine gasförmige Phase 5 aufweist. Es wird bei der Herstellung des Druckausgleichsbehälters über die vorhandene Öffnung eingefüllt. Die Öffnung kann danach fest verschlossen werden oder so ausgeführt werden, beispielsweise über ein Ventil, dass das Medium zu Wartungszwecken ausgetauscht werden kann oder bei Instandhaltungsarbeiten der Vordruck angepasst werden kann, insbesondere durch gezieltes Ablassen oder Zuführen von Medium oder zur Kontrolle des Druckes. Denkbar ist es zudem den Behälter mit Einrichtungen zur Kontrolle des Druckes, beispielsweise einem Manometer, oder mit Sicherheitseinrichtungen, insbesondere einer Berstsicherung, oder einem Sicherheitsventil zu versehen.
Der Druckausgleichsbehälter kann in beliebigen Raumrichtungen in die Anlage integriert werden. Eine horizontale oder vertikale Montage ist zu bevorzugen, jedoch nicht zwingend erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Ausgleich von Druckschwankungen eines Fluides in einem
hydraulischen System, umfassend einen Behälter (1), welcher durch eine
Membran (2) in zwei Bereiche getrennt ist, wobei ein erster Bereich (3) dazu ausgelegt ist das Fluid, dessen Druck ausgeglichen wird, aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bereich des Behälters zumindest teilweise eine Fluidmischung enthält, welche teilweise flüssig (4) und teilweise gasförmig (5) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die Membran (2) aus einem elastischen, gasdichten Material, insbesondere aus Nitrilkautschuk, Polytetrafluorethylen oder Fluorkautschuk ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung zum Ausgleich von Druckschwankungen mit einer
Fluidärbeitsmaschine, insbesondere einer Pumpe oder einem Verdichter in Verbindung steht.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fluidmischung im zweiten Bereich Kohlenstoffdioxid enthält und mindestens ein Gas aus der Gruppe der Edelgase, insbesondere Xenon oder Argon enthält.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Behälter und die Membran so ausgelegt sind, dass
Druckschwankungen zwischen 10 und 700 bar ausgeglichen werden können.
6. Verfahren zum Ausgleich von Druckschwankungen eines Fluides in einem
hydraulischen System mit einer Vorrichtung, die durch eine Membran (2) in zwei Bereiche aufgeteilt ist, wobei ein erster Bereich (3) mit dem Fluid gefüllt wird, dessen Druck ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Bereich des Behälters zum Druckausgleich eine Fluidmischung enthält, welche teilweise flüssig (4) und teilweise gasförmig (5) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im ersten Bereich bei Drücken im Bereich von 10 bis 700 bar vorliegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Druckschwankungen über die Membran an die Fluidmischung im zweiten Bereich weitergegeben werden und dass diese Fluidmischung Kohlenstoffdioxid enthält, welches flüssig und gasförmig ist und die Druckschwankungen dadurch ausgeglichen werden, dass sich der Anteil an flüssigem und gasförmigem
Kohlenstoffdioxid ändert.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidmischung zusätzlich zum Kohlenstoffdioxid mindestens ein Gas aus der Gruppe der Edelgase, insbesondere Xenon oder Argon enthält.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Druckschwankungen des Fluides im ersten Bereich, insbesondere von inkompressiblen Medien, von +/-50 bar um einen jeweiligen Vorspanndruck, der durch das Fluidmischung im zweiten Bereich ausgebildet wird, ausgeglichen werden.
PCT/EP2016/000741 2015-05-26 2016-05-04 Vorrichtung und verfahren zum druckausgleich WO2016188610A1 (de)

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DE102015006812.1 2015-05-26
DE102015006812.1A DE102015006812A1 (de) 2015-05-26 2015-05-26 Vorrichtung und Verfahren zum Druckausgleich

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