DE19853531C2 - Vorrichtung zur Entnahme eines unter Druck stehenden flüssigen Gasstromes aus einem Druckbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Gas aus einem unter Druck stehenden isolierten Druckbehälter für tiefkalt verflüssigtes Gas, mit einer Druckerzeugungsvorrichtung und einer mit dem isolierten Druckbehälter in Verbindung stehenden Entnahmeleitung, wobei mit Hilfe der Druckerzeugungsvorrichtung flüssiges Gas verdampft wird.

Unter Druck stehende tiefkalt verflüssigte Gase werden in verschiedenen technischen Einsatzgebieten benötigt. Es sind dies vor allem Einsatzgebiete, in denen die hohe Speicherdichte oder die tiefe Temperatur des verflüssigten Gases gewünscht wird. Der zum Fördern der Flüssigkeit oder zum Erreichen eines Druckniveaus in einem durchströmten Behälter erforderliche Druckaufbau wird üblicherweise durch Verdampfen eines Teils der Flüssigkeit bewirkt. Dabei soll der Druckaufbau schnell und energiesparend erfolgen und die Entnahme von kaltem Gas oder unterkühlter Flüssigkeit ermöglichen (vergl. z. B. US-PS 3,648,018). Zum Aufbau oder zur Konstanthaltung des Druckes in einem isolierten Druckbehälter werden im Stand der Technik (vergl. z. B. DE 43 26 138 C2) Vorrichtungen verwendet, die im Druckbehälter eingebaut sind. Die bekannten Verrichtungen zur Druckerhöhung arbeiten dabei mit einer elektrischen Heizung zur Verdampfung des verflüssigten Gases. Aus der Praxis sind auch Vorrichtungen zur Druckerhöhung bekannt, die sich außerhalb des Druckbehälters befinden, wie zum Beispiel Druckaufbauverdampfer mit Gasrückführleitung.

Bei einer Druckerzeugungsvorrichtung, die mit einer in den Druckbehälter eingebauten elektrischen Heizung arbeitet, ist problematisch, daß hohe Einbaukosten und im Falle eines Defektes hohe Reparaturkosten entstehen und daß für den Betrieb elektrische Energie benötigt wird.

Aus der GB 959,493 ist eine weitere Vorrichtung für die Entnahme von flüssigem Gas aus einem geschlossenen Behälter unter Einsatz einer Druckerzeugungsvorrichtung bekannt. Die Druckerzeugungsvorrichtung umfaßt einen Kondensator, durch den das flüssige Gas gepumpt und dabei erwärmt und verdampf wird.

Der Einbau einer mit eines Druckaufbauverdampfers kommt für flache Fahrzeugtanks wegen der geringen Zulaufhöhe der Flüssigkeit in der Regel nicht in Betracht.

Ausgehend von der zuvor beschriebenen Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entnahme eines unter Druck stehenden tiefkalten flüssigen Gasstromes aus einem isolierten Druckbehälter für flüssiges Gas zur Verfügung zu stellen, bei der die Druckerzeugungsvorrichtung sehr einfach aufgebaut ist und darüber hinaus höchstens in geringem Umfang Energie benötigt.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Druckerzeugungsvorrichtung ein Kondensationsvolumen aufweist, daß das Kondensationsvolumen teilweise mit dem tiefkalten verflüssigten Gas in wärmeleitendem Kontakt steht, daß das Kondensationsvolumen teilweise mit einem auf gegenüber dem tiefkalten flüssigen Gas höherer Temperatur befindlichen Wärmereservoir in wärmeleitendem Kontakt steht, daß das Kondensationsvolumen mit der Entnahmeleitung zumindest strömungsverbindbar ist und daß die Druckerzeugungsvorrichtung ein ausschließlich über das Kondensationsvolumen mit der Entnahmeleitung verbundenes, im wesentlichen mit dem tiefkalten flüssigen Gas nicht in wärmeleitendem Kontakt stehendes Schwingungsvolumen aufweist.

In dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kondensationsvolumen befindet sich aufgrund der Verbindung über die Entnahmeleitung das gleiche Gas wie im isolierten Druckbehälter, beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff oder Erdgas. Im stationären Zustand befindet sich in dem Bereich des Kondensationsvolumens, der mit dem tiefkalten flüssigen Gas in wärmeleitendem Kontakt steht, ebenfalls flüssiges Gas. Dagegen befindet sich in dem Bereich des Kondensationsvolumens, der mit einem gegenüber dem tiefkalten flüssigen Gas auf höherer Temperatur befindlichen Wärmereservoir im wärmeleitendem Kontakt steht, das Gas im gasförmigen Zustand. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Druckerzeugungsvorrichtung nutzt nun den Effekt aus, daß bei der Entnahme von flüssigem Gas aus dem isolierten Druckbehälter über die Entnahmeleitung Druckschwankungen zwischen dem isolierten Druckbehälter und dem Verbraucher technisch bedingt entstehen. Diese Druckschwankungen werden über die Strömungsverbindung zwischen dem Kondensationsvolumen und der Entnahmeleitung auf das im Kondensationsvolumen vorhandene flüssige Gas übertragen. Die Übertragung dieser Druckschwankungen führt dazu, daß die Flüssigkeitssäule auf der einen Seite gegenüber dem erfindungsgemäßen Schwingungsvolumen und auf der anderen Seite gegenüber der Strömungsverbindung zur Entnahmeleitung in Schwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen führen dazu, daß das im Kondensationsvolumen teilweise vorhandene flüssige Gas mit Bereichen des Kondensationsvolumens in Berührung kommt, die auf einer Temperatur oberhalb der Temperatur des tiefkalten flüssigen Gases liegt. Diese Berührung führt dazu, daß das tiefkalte flüssige Gas verdampft. Diese Verdampfung verstärkt zunächst die Schwingung, da der bei der Verdampfung entstehende höhere Druck dem jeweiligen Ausschlag der Schwingung entgegen wirkt. Bei dem gegenläufigen Ausschlag wird nun das zunächst erwärmte Gas in dem Bereich des Kondensationsvolumens, der mit dem tiefkalten flüssigen Gas in wärmeleitendem Kontakt steht wieder abgekühlt und rekondensiert. Bei diesem Vorgang wird gleichzeitig Wärme in den isolierten Druckbehälter transportiert, wodurch der erwünschte Effekt eintritt, nämlich der Druck innerhalb des isolierten Druckbehälters ansteigt. Die Erfindung arbeitet also mit sehr einfachen Mitteln, benötigt keine aufwendigen Einbauten in den isolierten Druckbehälter und ist darüber hinaus unabhängig von einer gesonderten elektrischen Energiequelle innerhalb des isolierten Druckbehälters. Zusätzlich ist sichergestellt, daß während der Betriebspausen der Druck innerhalb des isolierten Druckbehälters nicht beeinflußt wird, da ein Druckaufbau nur bei Entnahme von flüssigem Gas bewirkt wird. Zur Verwirklichung dieser Vorteile macht sich die Erfindung die Tatsache, wie erwähnt, zu Nutze, daß bei der Entnahme von tiefkalt verflüssigtem Gas aus einem Druckbehälter stets Druckschwankungen zum Beispiel durch Verdampfungspulsationen, innerhalb der Entnahmeleitung entstehen.

Eine erste vorteilhafte Weitergestaltung erfährt die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch, daß zwischen Kondensationsvolumen und Entnahmeleitung eine Absperrvorrichtung vorgesehen ist. Die Anordnung einer Absperrvorrichtung in der Strömungsverbindung zwischen dem Kondensationsvolumen und der Entnahmeleitung gewährleistet, daß der Betrieb der Druckerzeugungsvorrichtung einfach gesteuert werden kann. Ist die Absperrvorrichtung geschlossen, so können sich die Druckschwankungen in der Entnahmeleitung nicht in das Kondensationsvolumen fortpflanzen und führen dementsprechend im Kondensationsvolumen auch nicht zu einer Schwingung der Flüssigkeitssäule zwischen tiefkalten und wärmeren Bereichen des Kondensationsvolumens. Im Ergebnis findet also bei geschlossener Absperrvorrichtung kein Wärmetransport in dem isolierten Druckbehälter über das Kondensationsvolumen statt.

Eine besonders einfache und vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäß vorgesehene Kondensationsvolumen dadurch, daß es als mit seinem unteren Bogen unter dem Flüssigkeitsspiegel verlaufende U-förmige Leitung ausgebildet ist. In diesem Fall steht das Kondensationsvolumen mit seinem unteren Bogen im wärmeleitenden Kontakt mit dem flüssigen Gas, während die beiden Schenkel der U- förmigen Leitung zumindest teilweise in wärmeleitendem Kontakt mit einem gegenüber dem tiefkalten flüssigen Gas auf höherer Temperatur befindlichen Wärmereservoir stehen. Ein kleiner Über- oder Unterdruck auf einen Schenkel der U-förmigen Leitung genügt, um die aus verflüssigtem Gas bestehende Flüssigkeitssäule aus dem Gleichgewicht zu bringen, da das wärmere Gas im Schwingungsvolumen kompressibel ist. Da die Flüssigkeitssäule wieder in die stabile Lage zurückkehren will, entsteht eine Schwingung. Diese wird, wie bereits erwähnt, verstärkt durch kaltes Gas und flüssiges Gas, das in den wärmeren Abschnitten der U-förmigen Leitung angewärmt wird, sich ausdehnt und daher zusätzlich dem jeweiligen Ausschlag entgegenwirkt. Die U- förmige Leitung verstärkt die Schwingung besonders stark, da das tiefkalte verflüssigte Gas die Verbindung zwischen dem Schwingungsvolumen und der Entnahmeleitung vollständig abschließt. Ein derartiger Abschluß kann jedoch auch durch andere Formen des Kondensationsvolumen erreicht werden und ist darüber hinaus für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zwingend notwendig.

Als Wärmereservoir, welches sich auf gegenüber dem tiefkalten verflüssigten Gas höherer Temperatur befindet, eignet sich besonders die Umgebung des isolierten Druckbehälters. Die Umgebung eines isolierten Druckbehälters befindet sich zwangsläufig auf einer höheren Temperatur als das tiefkalte flüssige Gas im isolierten Druckbehälter. Diese Temperaturdifferenz wird über die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgenutzt. Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außer einer eventuell vorgesehenen Absperrvorrichtung kein aktives Bauteil vorhanden.

Bei dauerhaftem Betrieb der erfindungemäßen Vorrichtung ist es denkbar, daß der Wärmeeintrag aus der Umgebung des isolierten Druckbehälters dadurch nachläßt, daß sich in den Bereichen des Kondensationsvolumens, die mit dem auf gegenüber dem tiefkalten verflüssigten Gas höherer Temperatur befindlichen Wärmereservoir in wärmeleitendem Kontakt stehen, Wasserdampf niederschlägt und gefriert. Dies kann dadurch verhindert werden, daß entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Wärmereservoir eine außerhalb des isolierten Druckbehälters angeordnete Heizvorrichtung aufweist. Diese Heizvorrichtung kann beispielsweise an einem oder beiden Schenkeln der U-förmigen Leitung angeordnet sein.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entnahme eines unter Druck stehenden tiefkalten flüssigen Gasstromes aus einem isolierten Druckbehälter für flüssige Gase auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur ein in einen isolierten Druckbehälter eingebautes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entnahme eines unter Druck stehenden tiefkalten flüssigen Gasstromes.

Die einzige Figur zeigt einen isolierten Druckbehälter 1 mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Druckerzeugungsvorrichtung 2 und einer mit dem isolierten Druckbehälter 1 in Verbindung stehende Entnahmeleitung 3.

Erfindungsgemäß weist die Druckerzeugungsvorrichtung 2 ein Kondensationsvolumen 4 in Form einer U-förmigen Leitung auf. Wie in der einzigen Figur deutlich zu erkennen ist, steht das Kondensationsvolumen 4 teilweise, nämlich mit dem unteren Bogen der U-förmigen Leitung, in wärmeleitendem Kontakt mit dem tiefkalten flüssigen Gas 5. Ein anderer Teil des Kondensationsvolumens 4, nämlich der obere Bereich der Schenkel der U-förmigen Leitung, steht mit der Umgebung des Druckbehälters 1 in wärmeleitendem Kontakt.

Der wärmeleitende Kontakt zwischen der Umgebung und dem Kondensationsvolumen wird teilweise direkt durch die Wand der U- förmigen Leitung, nämlich im obersten Bereich, gebildet, teilweise auch über eine Wärmeleitung durch die Vakuumisolation 7 des Druckbehälters 1 hindurch. Dabei entsteht selbstverständlich ein Temperaturgradient innerhalb des jeweiligen Schenkels der U-förmigen Leitung mit abnehmender Temperatur von oben nach unten.

In der Strömungsverbindung zwischen dem Kondensationsvolumen 4 und der Entnahmeleitung 3 ist eine als Ventil ausgebildete Absperrvorrichtung 6 vorgesehen.

An dem der Strömungsverbindung zur Entnahmeleitung 3 abgewandten Ende des Kondensationsvolumens 4 ist erfindungsgemäß ein Schwingungsvolumen 8 vorgesehen, welches die Schwingung der Flüssigkeitssäule im Kondensationsvolumen 4 dadurch gewährleistet, daß das im Schwingungsvolumen 8 befindliche Gas kompressibel ist.

Bei geöffneter Absperrvorrichtung 6 übertragen sich Druckschwankungen aus der Entnahmeleitung auf das Kondensationsvolumen 4. Diese Druckschwankungen auf den rechten Schenkel der U-förmigen Leitung genügen, um die Flüssigkeitssäule 9 aus dem Gleichgewicht zu bringen, da, wie oben beschrieben, das wärmere Gas im Schwingungsvolumen 8 kompressibel ist. Da die Flüssigkeitssäule 9 wieder in die stabile Lage zurückkehren will, entsteht eine Schwingung. Diese wird verstärkt durch kaltes Gas 10 und Flüssigkeit, die in den wärmeren Abschnitten der U-förmigen Leitung angewärmt werden, sich ausdehnen und daher zusätzlich dem jeweiligen Ausschlag der Flüssigkeitssäule 9 entgegenwirken. Bei dem gegenläufigen Ausschlag wird das erwärmte Gas 11 im Druckbehälter 1 wieder abgekühlt und rekondensiert. Dabei wird gleichzeitig Wärme in den Druckbehälter transportiert, wodurch wunschgemäß der Druck steigt.

Ausgelöst wird die Schwingung lediglich durch Öffnen der Absperrvorrichtung 6, wodurch die Druckschwankungen in der Entnahmeleitung zwischen Druckbehälter 1 und nicht dargestelltem Verbraucher auf die Flüssigkeitssäule 9 übertragen werden. Sobald die Absperrvorrichtung geschlossen wird, läuft die Schwingung schnell aus, wodurch gleichzeitig der Wärmeeintrag gestoppt wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Entnahme von Gas aus einem unter Druck stehenden isolierten Druckbehälter (1) für tiefkalt verflüssigtes Gas, mit einer Druckerzeugungsvorrichtung (2) und einer mit dem isolierten Druckbehälter (1) in Verbindung stehenden Entnahmeleitung (3), wobei mit Hilfe der Druckerzeugungsvorrichtung (2) flüssiges Gas verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerzeugungsvorrichtung (2) ein Kondensationsvolumen (4) aufweist, daß das Kondensationsvolumen (4) teilweise mit dem tiefkalten verflüssigten Gas (5) in wärmeleitendem Kontakt steht, daß das Kondensationsvolumen (4) teilweise mit einem auf gegenüber dem tiefkalt verflüssigten Gas (5) höheren Temperatur befindlichen Wärmereservoir in wärmeleitendem Kontakt steht, daß das Kondensationsvolumen (4) mit der Entnahmeleitung (3) zumindest strömungsverbindbar ist und daß die Druckerzeugungsvorrichtung (2) ein ausschließlich über das Kondensationsvolumen (4) mit der Entnahmeleitung (3) verbundenes, im wesentlichen mit dem tiefkalten verflüssigten Gas (5) nicht in wärmeleitendem Kontakt stehendes Schwingungsvolumen (8) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kondensationsvolumen (4) und Entnahmeleitung (3) eine Absperrvorrichtung (6) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensationsvolumen (4) als U-förmige Leitung ausgebildet ist und mit seinem unteren Bogen tiefkalten verflüssigten Gas (5) verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmereservoir aus der Umgebung des isolierten Druckbehälters (1) gebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmereservoir eine außerhalb des isolierten Druckbehälters (1) angeordnete Heizvorrichtung aufweist.