DE10151321A1

DE10151321A1 - Wirbelrohr-Druckminderer

Info

Publication number: DE10151321A1
Application number: DE10151321A
Authority: DE
Inventors: Jens Mischner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: DE10151321B4

Abstract

Der vorgeschlagene Wirbelrohr-Druckminderer stellt einen einfachen Apparat zur Gasdruckminderung dar, bei dessen Betrieb die Kondensat- und/oder Hydratbildung im Gasstrom konstruktiv bedingt unbedenklich ist und äußerer Tauwasseranfall dauerhaft und zuverlässig durch das Funktionsprinzip in Verbindung mit der Bauart vermieden wird. DOLLAR A Die beschriebenen Wirkungen werden durch eine Vorrichtung/einen Apparat erreicht, die ein Wirbelrohr (RANQUE-HILSCH-Rohr) in den Gadruckregler integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der technischen Praxis werden heute ausschließlich Druckminderer genutzt, die auf dem Prinzip der isenthalpen Drosselung eines Stoffstromes (Gas, Flüssigkeit) beruhen. Diese Druckminderer werden für die Gastechnik als Druckregler mit oder ohne Hilfsenergie [1], [2] bzw. als Regelventile [1], [2] ausgeführt.

Bei der Druckreduzierung kühlen sich die meisten Gase infolge des JOULE-THOMSON-Effektes proportional zur Druckdifferenz ab. Diese Abkühlung wird bei vielen Gasen von Erscheinungen begleitet, die unerwünscht bzw. gefährdend sind. Hierzu zählen:

- Kondensat- und/oder Hydratbildung im Gasstrom
- Einfrieren des Reglers im Ventilsitz
- Kondensat-, Reif- oder Eisbildung an den äußeren Oberflächen des Reglers bzw. der nachfolgenden Rohrleitungsanlage
- Einfrieren von Mess-, Steuer-, Impuls- oder Atmungsleitungen

Diese Erscheinungen führen in aller Regel zur Einschränkung bzw. zum vollständigen Verlust der Funktionstüchtigkeit des Bauteils Druckminderer und der Gesamtanlage. Daher ist es in der Versorgungstechnik üblich, das Gas, dessen Druck zu mindern ist, beim Betrieb von Gasdruckregelanlagen auf eine genügend hohe Temperatur vorzuwärmen, so dass nach erfolgter Druckreduzierung eine zur Vermeidung der o. g. unerwünschten Erscheinungen ausreichend hohe Gastemperatur gewährleistet ist [3].

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen Apparat zur Gasdruckminderung zu schaffen, bei dessen Betrieb die Kondensat- und/oder Hydratbildung im Gasstrom konstruktiv bedingt unbedenklich ist und äußerer Tauwasseranfall dauerhaft und zuverlässig durch das Funktionsprinzip in Verbindung mit der Bauart vermieden wird.

Eine separate Gasvorwärmung nach [3] ist mithin gänzlich oder zumindest teilweise überflüssig; äußere Korrosion durch Tauwasser bzw. das Einfrieren von Mess-, Steuer-, Impuls- oder Atmungsleitungen ist physikalisch bedingt nicht mehr möglich.

Die beschriebenen Wirkungen werden durch eine Vorrichtung/einen Apparat des Anspruchs 1 erreicht, die ein Wirbelrohr (RANQUE-HILSCH-Rohr) in den Gasdruckregler integriert.

Die vorgeschlagene Konstruktion zeichnet sich durch ihre große Einfachheit, durch die Abwesenheit beweglicher Teile, durch den Verzicht auf äußere Energiequellen, durch erhebliche Kosteneinsparungen in der Anschaffung und im Betrieb sowie durch die Erreichung eines sicherheitstechnisch höheren Niveaus bei verminderten Aufwendungen aus. Es ist zudem möglich, die durch das RANQUE-HILSCH-Rohr entstehende Temperaturdifferenz zwischen dem Kalt- und Warmgasstrom zur Betriebsüberwachung des Apparates bzw. zur Erzeugung von z. B. elektrischer Hilfsenergie zu nutzen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform des Wirbelrohr-Druckminderers als längsdurchströmter Apparat,
Fig. 2 eine Ausführungsform des Wirbelrohr-Druckminderers in Eckbauform,
Fig. 3 die Kernbaugruppe des Wirbelrohr-Druckminderers, nämlich ein RANQUE-HILSCH- Rohr einschließlich der Hauptgasströme,
Fig. 4 die Kernbaugruppe des Wirbelrohr-Druckminderers, nämlich ein RANQUE-HILSCH- Rohr mit seinen wesentlichen Einbauten und Konstruktionselementen.
Den in Fig. 1 und 2 dargestellten, verschiedenen Ausführungsvarianten eines Wirbelrohr- Druckminderers ist folgender Gestaltungsgrundsatz gemeinsam: Die Druckminderung erfolgt in einer Reihenschaltung aus einem RANQUE-HILSCH-Rohr (1) als zentralem Element des Apparates, das mit einem vorgeschalteten Drosselventil (2) (elektrisch, pneumatisch angetrieben, ohne Hilfsenergie) kombiniert wird. Das RANQUE-HILSCH-Rohr selbst (Fig. 3 und Fig. 4) besteht aus einer Einströmdüse (3), einem Warmgasende (7) mit Drosselkegel (5) und einem Kaltgasende (6), in das die Kaltgasblende (4) integriert ist. Das Warmgas strömt über einen Ringspalt, den die Wirbelrohraußenwand mit dem Drosselkegel (5) bildet, aus dem Innenbereich des RANQUE-HILSCH-Rohres ab. In einem RANQUE-HILSCH-Rohr, siehe [4], kommt es bei entsprechender, gasdynamischer Bemessung und Gestaltung stets zu einer thermischen Separation im Stoffstrom, d. h., zu einer Auftrennung des eintretenden, homogenen Stoffstromes in einen Kalt- und Warmgasstrom [5]. Der RANQUE-HILSCH-Effekt ist ebenfalls in Flüssigkeitsströmen nachgewiesen [6] und daher auf analoge Weise in Druckminderern für Flüssigkeiten bzw. mehrphasige Stoffströme anwendbar. Die jeweiligen Temperaturen können durch die Wahl des Kaltgasanteils, der mit Hilfe des Drosselkegels (5) fest eingestellt oder während des Betriebes verändert werden kann, geregelt werden.
Ein weiteres, grundlegendes Gestaltungsprinzip des Wirbelrohr-Druckminderers ist, dass kaltgasführende Rohrleitungsabschnitte stets von warmgasführenden Rohrleitungen eingehüllt werden. Mit der umgebenden Luft kontaktieren ausschließlich warmgasführende Rohrleitungen. Nach Notwendigkeit ist es möglich, kaltgasführende Rohrleitungen zum warmgasführenden Rohrleitungsabschnitt hin zu dämmen. Eine Wärmedämmung des gesamten Apparates ist möglich. Das in der Einströmdüse durch die starke Abkühlung des Gasstromes entstehende Kondensat wird in Form von Tropfen infolge der starken Zentrifugalwirkung des verdrallten Gasstromes an der inneren Oberfläche der Wirbelrohrwandung abgeschieden und befindet sich somit stets im Warmgasstrom. Dort verdampft es aufgrund der höheren Temperaturen in den Gasstrom zurück; der Kaltgasstrom selbst ist trocken. Am Ausgang des Reglers bzw. an einer entsprechend gewählten Stelle, z. B. im Erdreich, werden beide Gasströme wieder vermischt. Das kann ohne aber auch mit einer speziellen Mischeinrichtung erfolgen. Literatur [1] RMG-Taschenbuch, Ausgabe 2000. 12. Auflage. Kassel 2000.
[2] Dornauf, H.: Gasdruckregelung. Funktionsweise, Sicherheitseinrichtungen, Auswahlkriterien. (Die Bibliothek der Technik: Band 120). Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech 1995.
[3] DVGW G 499: Erdgasvorwärmung in Gasanlagen. Technische Mitteilung. DVGW- Merkblatt April 1997.
[4] Hilsch, R.: Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß. Z. Naturforsch. 1 (1946), S. 208-214.
[5] Mischner, J.; Bespalov, V. I.: Ein Modell zur gasdynamischen Auslegung von Ranque- Hilsch-Rohren. gwf Gas/Erdgas 142 (2001) Nr. 8, S. 563-571.
[6] Balmer, R. T.: Pressure-Driven Ranque-Hilsch-Temperature Separation in Liquids. Transactions of the ASME: Journal of Fluids Engineering 110 (1988), S. 161-164.

Claims

1. Apparat/Vorrichtung zur Gasdruckminderung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung ein Wirbelrohr (RANQUE-HILSCH- Rohr) eingesetzt wird, das in Reihe mit einem Drosselventil geschaltet ist, und bei dem alle kaltgasführenden Rohrleitungsabschnitte stets von warmgasführenden Rohrleitungen eingehüllt sind.

2. Apparat/Vorrichtung zur Gasdruckminderung, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelbaugruppen Drosselventil, RANQUE- HILSCH-Rohr, Einströmdüse, Kalt- und Warmgasteil usw. modular ausführbar und daher sowohl in der Fertigung als auch in Bezug auf Wartung/Instandhaltung kostengünstig montier- und demontierbar sind.

3. Apparat/Vorrichtung zur Gasdruckminderung, dadurch gekennzeichnet, dass die warmgasführenden Rohrleitungen gegenüber der Umgebung und/oder gegen die kaltgasführenden Rohrleitungsabschnitte wärmegedämmt ausgeführt werden können.

4. Apparat/Vorrichtung zur Gasdruckminderung, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung verschieden massiver (schwerer) Baugruppen bzw. Materialien eine Beeinflussung (Minimierung) des Schalldruckpegels beim Betrieb des Reglers möglich ist.

5. Apparat/Vorrichtung zur Gasdruckminderung, dadurch gekennzeichnet, dass der Warm- und Kaltgasstrom über spezielle Mischeinrichtungen zusammengeführt werden können, so dass auf einer kurzen Distanz ein vollständig vermischter und beruhigter Gasstrom generiert werden kann.