DE102015006812A1

DE102015006812A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Druckausgleich

Info

Publication number: DE102015006812A1
Application number: DE102015006812.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Ekkehardt KLEIN; Christoph Nagl; Bernhard Reiter
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-01
Also published as: WO2016188610A1

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

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 (CO₂) 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 (CO₂), Wasserstoff (H₂), Kohlenstoffmonoxid (CO), Sauerstoff (O₂) Stickstoff (N₂), sowie sämtliche Edelgase, insbesondere Argon, Neon, Helium oder Xenon. Bevorzugt enthält die Fluidmischung als Hauptbestandteil CO₂, 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 CO₂ bietet die Verwendung von einer Fluidmischung den Vorteil, dass je nach Anteil des CO₂ 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 CO₂ 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 (O₂) oder Stickstoff (N₂) enthalten.
Um den Vorspanndruck beispielsweise auf 90 bar zu erhöhen wird die Fluidmischung aus beispielsweise CO₂ und Argon gebildet. Dabei wird zumindest teilweise flüssiges CO₂ eingebracht, wodurch sich bei 20°C ein Druck von ca. 57 bar einstellt. Die Restgasfüllung auf 90 bar erfolgt durch Argon, der Partialdruck des CO₂ bleibt somit bei ca. 57 bar. Edelgase reagieren auf eine Verdichtung, also Komprimierung, oder Entspannung mit einer wesentlich geringeren Temperaturänderung als das reine CO₂.
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 CO₂ 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 CO₂ 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 CO₂. 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.
1 zeigt schematisch einen Druckausgleichsbehälter.
Der in 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 CO₂ 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

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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) aus einem elastischen, gasdichten Material, insbesondere aus Nitrilkautschuk, Polytetrafluorethylen oder Fluorkautschuk ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ausgleich von Druckschwankungen mit einer Fluidarbeitsmaschine, insbesondere einer Pumpe oder einem Verdichter in Verbindung steht.
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.
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.
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.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im ersten Bereich bei Drücken im Bereich von 10 bis 700 bar vorliegt.
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.
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.
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.