DE10125863A1

DE10125863A1 - Verfahren zum Mischen von Gasen und Gasmischer

Info

Publication number: DE10125863A1
Application number: DE10125863A
Authority: DE
Inventors: Jens Erik Gruene; Joerg Koppel
Original assignee: Air Liquide GmbH
Current assignee: GRUENE, JENS ERIK, 01458 OTTENDORF-OKRILLA, DE KOP
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-11-28

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Nutzgasstroms (1) mit einem bei variierendem Nutzgasstrom (1) nahezu konstanten Gasmischungsverhältnis zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Gase in einer Mischkammer (4) in solchen Mengen zu einem Gasgemischüberstrom (3) vermischt werden, dass der Gasgemischüberstrom (3) stets größer als oder gleich ist wie der Nutzgasstrom (1) und ein überschüssiger Abgasstrom (2) geführt wird, wobei kurzfristige, zeitliche Schwankungen des Nutzgasstroms (1) durch entsprechend komplementäre zeitliche Schwankungen des Abgasstroms (2) kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße Gasmischer erlauben eine Erzeugung eines Nutzgasstroms (1) mit nahezu konstantem Gasmischungsverhältnis selbst bei einem stark variierenden Nutzgasstrom (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Nutzgasstromes mit einem bei variierendem Nutzgasstrom nahezu konstanten Gasmischungsverhält nis, sowie einen Gasmischer zur Herstellung eines Gasgemisches von mindestens zwei Gasen.

Aus der US 5,143,111 ist ein Gasmischer bekannt, bei dem ein variabler Gasstrom aus zwei oder mehreren Gasen hergestellt wird. Die zugrundeliegende Schwierig keit bei variablen Gasströmen, mehrere Gase in konstanten Proportionen zueinan der zu mischen, wird dadurch gelöst, dass die Gase mittels eines Druckausglei chers auf gleichen Druck gebracht werden und anschließend über einen Strö mungswiderstand bestehend aus einer Matte oder porösem Material einer gemein samen Mischungskammer zugeführt werden. Für ein konstantes Mischungsver hältnis ist es wichtig, die jeweiligen Strömungswiderstände groß im Vergleich zu den jeweiligen Leitungswiderständen der einzelnen Gase zu halten, damit der Ein fluss der Leitungswiderstände der einzelnen Gaszuleitungen, der bei Schwankun gen des Gasstroms zu Schwankungen in der Gaszusammensetzung führt, vernach lässigt werden kann. Ein Nachteil hierbei ist jedoch, dass eine gewünschte Ände rung der Gaszusammensetzung nur durch einen Wechsel der Strömungswider stände erfolgen kann, wodurch eine kontinuierliche Änderung der Gaszusammen setzung des Gasgemischstromes nicht ohne weiteres möglich ist. Aufgrund der unzureichenden Regelgenauigkeiten von den auf dem Markt verfügbaren Gasven tilen ist ein direktes Vermischen der Gase unter Verwendung dieser Ventile nur für Anwendungen geeignet, wo ein besonders konstantes Mischungsverhältnis nicht erforderlich ist. Insbesondere bei Anwendungen mit einer Gaszusammenset zung, die nur innerhalb weniger Prozent schwanken darf, haben herkömmliche Gasventile zu lange Zeitkonstanten und arbeiten deshalb bei schwankenden Gas strömen zu ungenau. Während einer Einregelphase, deren Zeitdauer durch die Zeitkonstante gegeben ist, läuft das Gasmischungsverhältnis üblicherweise aus dem vorgegebenen Toleranzbereich. In der Folge liefern auf dem Markt erhältli che Gasmischanlagen nur bei konstanten Abnahmemengen Gasgemische mit hin reichender Genauigkeit. Hierbei darf die Abnahmemenge nicht kleiner als 75% der Auslegungsgröße sein. Andere Arten von Gasmischanlagen bedienen sich eines Pufferbehälters, der kontinuierlich mit einer konstanten Mischgasmenge befüllt wird und aus dem das Gasgemisch entnommen werden kann. Der Nachteil dieser Gasmischer besteht jedoch darin, dass sie große Druckdifferenzen zwischen den Eingangsgasströmen und Mischgasströmen benötigen. Darüber hinaus sind derartige Mischer sehr groß dimensioniert, um eine ausreichend große Pufferka pazität, die proportional zur Größe des Pufferbehälters beziehungsweise des Drucks ist, aufzuweisen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zum Mischen von Gasen anzugeben, welches ein Mischen von mindestens zwei Gasen mit einem bei vari ierendem Nutzgasstrom nahezu konstanten Gasmischungsverhältnis erlaubt. Des weiteren soll ein Gasmischer zur Herstellung eines Gasgemisches angegeben wer den, mit dem ein Nutzgasstrom mit nahezu konstantem Gasmischungsverhältnis hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Gasmischer mit den Merkmalen des An spruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Ge genstand der jeweils abhängigen Ansprüche. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Nutzgasstroms mit einem bei variierendem Nutzgasstrom nahezu konstanten Gasmischungsverhältnis zeichnet sich dadurch aus, dass min destens zwei Gase in einer Mischkammer in solchen Mengen zu einem Gasge mischüberstrom vermischt werden, dass der Gasgemischüberstrom stets größer als oder gleich ist wie der Nutzgasstrom und ein überschüssiger Abgasstrom abge führt wird, wobei kurzfristige zeitliche Schwankungen des Nutzgasstroms durch entsprechend komplementäre zeitliche Schwankungen des Abgasstroms kompen siert werden. Durch die Erzeugung eines Gasgemischüberstroms, d. h. durch die Herstellung eines Gasgemisches in Mengen größer oder gleich der Menge die als Nutzgasstrom verwendet wird, können zeitliche Schwankungen, insbesondere zeitliche Schwankungen, die kleiner als die Zeitkonstanten der verwendeten Gas ventile sind, aufgefangen werden. Die Stärke der tolerierbaren Schwankungen (Schwankungsbreite) im Nutzgasstrom wird bestimmt durch die Differenz der jeweiligen Größen des Gasgemischüberstroms und des Nutzgasstroms. Der über schüssige Abgasstrom, der durch die Differenz der Größe des Gasgemischüber stroms und dem tatsächlichen Nutzgasstroms gegeben ist, wird abgeführt. Hierbei kann er in Behältern, gegebenenfalls in komprimierter Form, aufgefangen werden oder an die Umwelt abgegeben werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ver fahrens liegt darin, dass es auf einem Überlaufprinzip beruht, und somit auf ex trem kurze zeitliche Schwankungen des Nutzgasstroms reagieren kann, ohne dass das Gasmischungsverhältnis beeinträchtigt wird. Hierbei ist es möglich, auf kom plizierte zeitliche Verläufe des Nutzgasstroms mit nahezu konstantem Gasmi schungsverhältnis zu reagieren. Auf plötzliche Änderungen des Nutzgasstromes wird mit genauso schnellen Änderungen des Abgasstromes reagiert. Anschließend wird der Abgasstrom durch langsame Anpassung des Gasgemischüberstroms wie der auf seinen ursprünglichen Wert eingestellt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird auf einer vorgebbaren Zeitskala im zeitlichen Mittel die Größe des Gasgemischüberstroms konstant gehalten. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird auf einer vorgebbaren Zeitskala im zeitlichen Mittel die Größe des Gasgemischüberstroms in einem konstanten Verhältnis zum Nutzgasstrom gehalten. Der Vorteil hierbei ist, dass die Menge des überschüssigen Abgasstroms, durch die Anpassung des Gasgemischüber stroms an den im zeitlichen Mittel benötigten Nutzgasstrom, reduziert wird, wobei der Gasverbrauch erheblich verringert wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird auf einer vorgebbaren Zeitskala im zeitlichen Mittel das Ver hältnis des Gasgemischstroms im Nutzgasstrom zeitlich variiert. Mit diesem Merkmal kann der überschüssige Abgasstrom noch weiter reduziert werden, in dem zu Zeiten, wo nur geringe Schwankungen des Nutzgasstroms zu erwarten sind, ein Gasgemischüberstrom gewählt wird, der nur geringfügig größer als der Nutzgasstrom ist und zu Zeiten, wo große Schwankungen des Nutzgasstroms zu erwarten sind, ein besonders großer Gasgemischüberstrom gewählt wird, damit die Schwankungen aufgefangen werden können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Größe des Abgas stroms erfasst und damit die Größe des Gasgemischüberstroms bestimmt. Mit Hilfe der Erfassung der Größe des Abgasstroms wird indirekt die Größe des Nutzgasstroms bestimmt, womit eine geeignete Größe des Gasüberstroms festge legt werden kann, wobei ein unnötig großer Abgasstrom vermieden wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schwankt das Gasmischungs verhältnis bei Nutzgasströmen von 0 bis 100% eines Auslegungswertes um weni ger als 10% des Gasmischungsverhältnis vom Sollwert, vorzugsweise weniger als 5%. Vorteilhaft hierbei ist, dass derartig präzis vorgebbare Gasmischungsverhält nisse bei extremen Schwankungen des Nutzgasstroms erzielt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Nutzgasstrom oder der Gasgemischüberstrom gepuffert. Die Pufferung besteht darin, dass ein Behäl ter mit variablem Volumen bzw. Druck eine kapazitive Glättung des Nutzgas stroms erzielt, so dass kurzfristige Druckschwankungen im Nutzgasstrom aufge fangen werden können.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung liegt die Größe des Nutzgas stroms zwischen 0 und 100 Standardliter pro Minute. In einer weiteren speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Gase im volumetri schen Verhältnis von 97 : 3 bis 90 : 10 gemischt. Vorteilhafterweise ist im zeitlichen Mittel der Gasgemischüberstrom um mindestens 10% größer als der Nutzgas strom. Die Differenz zwischen Gasgemischüberstrom und Nutzgasstrom wird geeigneterweise nach der Größe der zu erwartenden Schwankungen des Nutzgas stroms bestimmt. Typische Druckdifferenzen zwischen dem Druck des einzelnen Gases und dem Druck des Nutzgasstroms liegen zwischen 1,5 und 2 bar.

Der erfindungsgemäße Gasmischer zur Herstellung eines Gasgemisches von min destens zwei Gasen weist eine Mischkammer zur Vermischung der Gase, einen Volumenstrommesser zur Erfassung der Größe des benötigten Nutzgasstromes oder des Abgasstroms und eine Steuerung auf, wobei eine erste Gaszuleitung mit einem ersten Gaszuleitungsventil zur Führung eines ersten Gases, eine zweite Gaszuleitung mit einem zweiten Gaszuleitungsventil zur Zuführung eines zweiten Gases, eine Nutzgasleitung mit einem Nutzgasventil zur Weiterleitung eines Nutzgasstroms, und eine Abgasleitung mit einem Abgasventil zur Weiterleitung eines Abgasstroms an die Umgebung mit der Mischkammer verbunden sind, und wobei die Steuerung mit dem Volumenstrommesser und den Ventilen in Verbin dung stehen. Über die erste und die zweite Gaszuleitung werden zwei Gase der Mischkammer zugeführt. Bei der Mischung von weiteren Gasen sind entspre chende Zuführungen mit entsprechenden Gaszuleitungsventilen erforderlich. Die Gaszuleitungsventile sind herkömmliche Gasventile, welche in ihrer Schaltzeit nicht besonders schnell ausgestaltet sein müssen. Mit Hilfe der Nutzgasleitung, welche mit einem Nutzgasventil ausgestattet ist, wird der überschüssige Teil des Gasgemischüberstroms, d. h. der Abgasstrom an einen Behälter oder an die Umge bung abgegeben. Ein Volumenstrommesser erfasst die Größe des erforderlichen Nutzgasstroms, entweder indem der Nutzgasstrom direkt gemessen wird oder in dem die Größe des Abgasstroms gemessen wird. Deren Daten werden an eine Steuerung weitergeleitet, die die Ventile der Gaszuleitungen beziehungsweise der Nutzgasleitung und der Abgasleitung steuert. Die Abgasleitung hat die Funktion eines Überlaufs, wobei genügend Gasgemischüberstrom erzeugt wird und Schwankungen im Nutzgasstrom durch entsprechende Schwankungen im Abgas strom aufgefangen werden. In gewisser Weise kann eine Analogie zwischen dem stromstabilisierenden Charakter des Überlaufs und dem druckstabilisierenden Charakter eines regelbaren Überdruckventils erkannt werden.

In einer Weiterbildung ist eine Messsonde zur Untersuchung der Zusammenset zung des Nutzgasstroms in der Nutzgasleitung und/oder Abgasleitung angeordnet und ist mit der Steuerung verbunden. Hiermit wird die Zusammensetzung des erzeugten Nutzgasstromes hinsichtlich des molaren Zusammensetzungsverhältnis ses ermittelt. Gegebenenfalls kann eine Änderung oder eine Korrektur der Zu sammensetzung des Gemischgases erfolgen. Insbesondere kann die Zusammen setzung des Gemischgases in definierter Weise zeitabhängig erfolgen.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gasmischers ist ein Puffer zum Auffangen kurzfristiger Druckschwankungen in der Nutzgasleitung angeordnet. Der Puffer unterstützt eine zeitliche Glättung der Druckschwankungen in der Nutzgasleitung, womit die Spitzen von Druck- und/oder Stromstößen verringert werden.

Weitere spezielle Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist als spezielles, exemplarisches Beispiel der Erfindung zu verstehen, die die Erfindung in ihrer Bedeutung und in ihrem Geist nicht einschränken soll.

Die Figur zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gasmischer mit einem ers ten Gasreservoir 18 und einem zweiten Gasreservoir 19, die jeweils über Gaszu leitungen 7, 8, welche jeweils mit Gaszuleitungsventilen 11, 12 ausgestattet sind, mit einer Mischkammer 4 in Verbindung stehen. In der Mischkammer 4 werden die beiden Gase vermischt zu einem Gasgemischüberstrom 3, der hinsichtlich seiner Zusammensetzung von einer Messsonde 16 untersucht wird und dessen Druck- beziehungsweise Stromstöße von einem Puffer 17 abgefedert werden. An dem Puffer 17 schließt sich eine Abgasleitung 10 mit einem Abgasventil 13 an. Der überschüssige Teil des Gasgemischüberstroms 3 wird als Abgasstrom 2 an die Umgebung abgelassen. Der Volumenstrom des Abgasstroms 2 wird mit Hilfe eines Volumenstrommessers 5 ermittelt. Der Puffer 17 weist des weiteren eine Ableitung 9 zur Führung des Nutzgasstroms 1 mit einem Nutzgasventil 14 und einem Filter 15 auf. Der Filter 15 hat die Funktion, den Nutzgasstrom 1 von Staubpartikeln beziehungsweise flüssigen Tröpfchen wie Öltröpfchen zu befreien. Die Messsonde 16 sowie der Volumenstrommesser 5 stehen mit einer Steuerung 6 in Verbindung, welche anhand dieser Daten die Ventile 11, 12, 13 und 14 ansteu ert. Auf einer vorgebbaren Zeitskala bestimmt sie anhand der ermittelten Daten bzw. gegebenenfalls anderer Daten, die Informationen über die Schwankungsbrei te des Nutzgasstroms enthalten, das Verhältnis des Gasgemischüberstroms zum Nutzgasstrom. Bei zu erwartenden hohen Schwankungen des Nutzgasstroms wird ein besonders großes Verhältnis gewählt, wohingegen bei zu erwartenden gerin gen Schwankungen das Verhältnis nahe 1 eingestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Nutzgasstroms 1 mit ei nem bei variierendem Nutzgasstrom 1 nahezu konstanten Gasmischungsverhältnis zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Gase in einer Mischkammer 4 in solchen Mengen zu einem Gasgemischüberstrom 3 vermischt werden, dass der Gasgemischüberstrom 3 stets größer als oder gleich ist wie der Nutzgasstrom 1 und ein überschüssiger Abgasstrom 2 geführt wird, wobei kurzfristige, zeitliche Schwankungen des Nutzgasstroms 1 durch entsprechend komplementäre zeitliche Schwankungen des Abgasstroms 2 kompensiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße Gasmischer erlauben eine Erzeugung ei nes Nutzgasstroms 1 mit nahezu konstantem Gasmischungsverhältnis selbst bei einem stark variierenden Nutzgasstrom 1.

Bezugszeichenliste

1

Nutzgasstrom

2

Abgasstrom

3

Gasgemischüberstrom

4

Mischkammer

5

Volumenstrommesser

6

Steuerung

7

erste Gaszuleitung

8

zweite Gaszuleitung

9

Ableitung

10

Abgasleitung

11

erstes Gaszuleitungsventil

12

zweites Gaszuleitungsventil

13

Abgasventil

14

Nutzgasventil

15

Filter

16

Messsonde

17

Puffer

18

erstes Gasreservoir

19

zweites Gasreservoir

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Nutzgasstroms (1) mit einem bei variieren dem Nutzgasstrom (1) nahezu konstanten Gasmischungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Gase in einer Mischkammer (4) in solchen Mengen zu einem Gasgemischüberstrom (3) vermischt werden, dass der Gasgemischüberstrom (3) stets größer als oder gleich ist wie der Nutz gasstrom (1) und ein überschüssiger Abgasstrom (2) abgeführt wird, wobei kurzfristige, zeitliche Schwankungen des Nutzgasstroms (1) durch entspre chend komplementäre zeitliche Schwankungen des Abgasstroms (2) kom pensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vor gebbaren Zeitskala im zeitlichen Mittel die Größe des Gasgemischüber stroms (3) konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vor gebbaren Zeitskala im zeitlichen Mittel die Größe des Gasgemischüber stroms (3) in einem konstanten Verhältnis zum Nutzgasstrom (1) gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vor gebbaren Zeitskala im zeitlichen Mittel das Verhältnis des Gasgemischüber stroms (3) zum Nutzgasstrom (1) zeitlich variiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Abgasstroms (2) erfasst wird und damit die Größe des Gasgemischüber stroms (3) bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasmischungsverhältnis bei Nutzgasströmen von 0 bis 100% eines Auslegungswertes um weniger als 10% des Gasmischungsverhältnis vom Sollwert, vorzugsweise weniger als 5%, schwankt.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzgasstrom gepuffert wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgemischüberstrom (3) gepuffert wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Nutzgasstroms (1) zwischen 0 und 100 Standartli ter/Minute liegt.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gase im volumetrischen Verhältnis 97 : 3 bis 90 : 10 gemischt werden.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zeitlichen Mittel der Gasgemischüberstrom (3) um mindestens 10% größer als der Nutzgasstrom (1) ist.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck des einzelnen Gases und dem Druck des Nutzgasstroms (1) zwischen 1,5 und 2 bar beträgt.

13. Gasmischer zur Herstellung eines Gasgemisches von mindestens zwei Ga sen mit einer Mischkammer (4) zur Vermischung der Gase, einem Volu menstrommesser (5) zur Erfassung der Größe eines benötigten Nutzgas stroms (1) oder des Abgasstroms (2), und einer Steuerung (6), bei dem eine erste Gaszuleitung (7) mit einem ersten Gaszuleitungsventil (11) zur Zuführung eines ersten Gases, eine zweite Gaszuleitung (8) mit einem zweiten Gaszuleitungsventil (12) zur Zuführung eines zweiten Gases, eine Nutzgas leitung (9) mit einem Nutzgasventil (14) zur Weiterleitung des Nutzgas stroms (1), und eine Abgasleitung (10) mit einem Abgasventil (13) zur Wei terleitung eines Abgasstroms (2) an die Umgebung mit der Mischkammer (4) in Verbindung stehen, wobei die Steuerung (6) mit dem Volumen strommesser (5) und den Ventilen (11-14) verbunden ist.

14. Gasmischer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (15) zur Filterung des Nutzgasstroms (1) in der Nutzgasleitung (9) angebracht ist.

15. Gasmischer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messsonde (16) zur Untersuchung der Zusammensetzung des Nutzgas stroms (1) in der Nutzgasleitung (9) und/oder Abgasleitung (10) angeordnet ist und mit der Steuerung (6) verbunden ist.

16. Gasmischer nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Puffer (17) zum Auffangen kurzfristiger Druckschwankungen in der Nutzgasleitung (9) angeordnet ist.