Verfahren und Vorrichtung zur Gasversorgung und Gasrückgewinnung

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasversorgung und Gasrückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums, welches in einem Stapelbehälter (Pufferbehälter) unter Druck gespeichert wird und vom Stapelbehälter gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zum Stapelbehälter (Rückgewinnung) geleitet wird.
Erfindungsgemäß werden mehrere Druckbehälter mit kaskadenförmig abgestuftem Betriebsdruck eingesetzt, dergestalt, daß bei einem Befüllvorgang der Enddruck im Verbraucher durch zeitlich abgestimmte Teilfüllvorgänge, gesteuert von dem aktuellen Druck im Verbraucher, erreicht wird. Bei Entleerungsvorgängen wird entsprechend verfahren.
Die Druckbehälter der Kaskade können dabei eine unterschiedliche Größe aufweisen. Vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder Verwendungen der erfindungsgemäßen sind beim heißisostatischen Pressen oder beim Hochdruck-Gasabschrecken gegeben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasversorgung und Gasrückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums, welches in mindestens einem Stapelbehälter unter Druck gespeichert wird und vom Stapelbehälter gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zum mindestens einen Stapelbehälter oder zu einem weiteren Stapelbehälter (Rückgewinnung) geleitet wird.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Gasversorgung und -rückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums umfassend mindestens einen Stapelbehälter zur Speicherung des Mediums unter Druck und eine oder mehrere Verbindungen vom dem mindestens einen Stapelbehälter, gegebenenfalls über einen Druckumwandler, zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu dem oder zu einem weiteren Stapelbehälter (Rückgewinnung).

[0003] Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden beispielsweise bei der Gasversorgung einer heißisostatischen Presse und beim Hochdruck-Gasabschrecken eingesetzt. Im folgenden wird der Stand der Technik und die Erfindung anhand dieser Anwendungsfälle näher betrachtet.

[0004] Bisher wird beim heißisostatischen Pressen (HIP) durch ein Druckmedium, meist Argon oder Stickstoff, der benötigte Druck in der Presse wie folgt erzeugt:

[0005] Das Gas wird meistens in flüssiger Form in einem Tieftemperatur-Lagertank (Speicherbehälter) bei max. 18 bar gelagert. Durch eine Druckerhöhungsanlage und einen Hochdruckverdampfer wird das Gas in den einen Stapelbehälter gepumpt Abhängig vom benötigten Enddruck und der benötigten Temperatur wird das Gas aus dem Pufferbehälter, in dem das Gas gasförmig beim benötigten Druck (bis 300 bar) gespeichert wird, in die HIP-Anlage bis zum Druckausgleich der beiden Systeme eingeleitet. Sollte der Druck in der HIP-Anlage jedoch zu gering sein, so muß über den Druckumwandler Gas vom Pufferbehälter in benötigter Menge und Druck nachgepumpt werden.

[0006] Nun wird das Gas durch den in der HIP-Anlage integrierten Ofen beispielsweise auf 1000°C aufgeheizt, wodurch der Druck beispielsweise auf 1000 bar steigt.

[0007] Sollte es während der Haltezeit zu einem Druckverlust in der HIP-Anlage kommen, wird Gas durch den Druckumwandler nachgepumpt.

[0008] Nach einer Haltezeit von 1 bis 8 Stunden erfolgt die Druckentlastung der HIP-Anlage und Rückführung des Gases in den Pufferbehälter bis zum Druckausgleich der beiden Systeme. Anschließend wird durch den Druckumwandler das Gas, welches noch in der HIP-Anlage ist, in den Puffer gepumpt. Bedingt durch die Konstruktion des Druckumwandlers bleibt noch Restgas in der HIP-Anlage, welches als Verlust ins Freie abgeblasen wird.

[0009] Vor Wiederbeginn des Prozesses muß nun die als Verlust ins Freie abgeblasene Gasmenge gegen den fast vollen Pufferdruck nachgepumpt werden.

[0010] Ein anderes Beispiel liefert das Hochdruck-Gasabschrecken. Bei diesem Verfahren werden geglühte (erhitzte) Werkstoffe, vorzugsweise Stahl, durch komprimierte Gase in kurzer Zeit in ein Härtegefüge abgeschreckt, um dann in einem Nachfolgeprozeß anwendungsspezifisch vergütet (angelassen) zu werden. Um diesen Abschreckvorgang zu realisieren, wird - ähnlich wie im bereits beschriebenen Beispiel beim heißisostatischen Pressen - ein Druckbehälter (Verbraucher) von einem Stapelbehälter auf Arbeitsdruck befüllt und nach dem Prozeß auf Atmosphärendruck entspannt.

[0011] Auch hier sind die Nachteile, daß die in dem komprimierten Gas gespeicherte (Druck-)Energie nicht bzw. nur umzureichend genutzt bzw. zurückgewonnen wird, und die damit verbundenen hohen Gasverluste vorhanden.

[0012] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welche die Gasversorgung und - rückgewinnung unter Vermeidung der erwähnten Nachteile verbessern. Dabei sollte insbesondere die (Druck-)Energie - abhängig von der praktischen Aufgabenstellung und den örtlichen Gegebenheiten - möglichst optimal für die Senkung des Gasverbrauches und der notwendigen Fremdenergie eingesetzt werden.

[0013] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder Verwendungen der erfindungsgemäßen sind beim heißisostatischen Pressen oder beim Hochdruck-Gasabschrecken gegeben.

[0014] Die Erfindung beruht darauf, daß der bislang lediglich eine Stapelbehälter ersetzt wird durch zwei oder mehrere Stapelbehälter, deren Betriebsdrücke kaskadenartig abgestuft sind. Dabei können die einzelnen Stapelbehälter sowohl in ihren Volumina als auch in der Bauform den konkreten Anwendungsbedingungen angepaßt werden.

[0015] Im Rahmen der Erfindung sind mit dem Begriff "Stapelbehälter" auch Pufferbehälter erfaßt.

[0016] Bei der Erfindung werden mehrere Druckbehälter mit kaskadenförmig abgestuftem Betriebsdruck eingesetzt, dergestalt, daß bei einem Befüllvorgang der Enddruck im Verbraucher durch zeitlich abgestimmte Teilfüllvorgänge, gesteuert von dem aktuellen Druck im Verbraucher, erreicht wird. Bei Entleerungsvorgängen wird entsprechend verfahren.

[0017] Erfindungsgemäß erfolgt ein allgemeiner Befüllvorgang dadurch, daß - wie in der Figur dargestellt - der Verbraucher zunächst aus dem ersten Behälter (Behälter 1 hat den geringsten, Behälter 5 in der Figur den höchsten Betriebsdruck) bis zu einer eingestellten ersten Druckstufe, die von einem Sensor gemessen wird, gefüllt. Der Sensor schließt den ersten Behälter und öffnet einen zweiten Behälter wiederum bis zu einem bestimmten Druck. Dann wird dieser zweite Behälter ebenfalls geschlossen und der nächste Behälter geöffnet. Diese Abfolge wird bis zum Erreichen des gewünschten Arbeitsdruckes fortgesetzt.

[0018] Bei dem Entleeren erfolgt die Handhabung in umgekehrter Reihenfolge. Zunächst wird in den Behälter mit dem nächst niedrigeren Istdruck (z.B. nach Behälter 5 in Behälter 4) entspannt und dann in der beschriebenen umgekehrten Reihenfolge. Nach dem Entspannen in den ersten Behälter (Behälter 1) kann das Restgas im Verbraucher verworfen (z.B. in die Atmosphäre entspannt)) werden. Das Restgas kann auch über eine Reinigungs- und Filtersstufe geleitet oder einer weiteren Nutzung, z.B. einer Verbrennung in einer Heizungsanlage, zugeführt werden.

[0019] Vor einem erneuten Befüll- und Leerungsvorgang werden vom Speicherbehälter (Tank) her, gegebenenfalls über eine Druckerhöhungsanlage, die Stapelbehälter wieder auf ihren Ausgangsdruck gebracht. Die dabei zum Auffüllen notwendige Gasmenge liegt deutlich unter der beim Stand der Technik zuzuführenden Gasmenge. Es kann je nach Technologie und konstruktiver Ausführung bis zu 90 % Gas und bis zu 95 % Kompressionsenergie eingespart werden.

[0020] Die physikalische Kraft zum Gastransport wird vorteilhafterweise aus der Differenz von Zustandsgrößen des Mediums gewonnen. Bevorzugt resultiert die physikalische Kraft zum Gastransport entweder aus einem unterschiedlichen Druck und/oder aus unterschiedlicher Betriebstemperatur zwischen den Behältern (auch zwischen Verbraucher und Stapelbehälter).

[0021] Erfindungsgemäß können Mittel zum Übertragen der in einem Gas vorhandenen Druckenergie auf die Stapelbehälter ohne Vermischung dieses Gases mit dem in den Stapelbehältern befindlichen Gas vorgesehen sein. Beispielsweise für den Anwendungsfall, daß das benutze Gas nicht für den Prozeß wiederverwendet werden kann, läßt sich die Erfindung dergestalt nutzen, daß der Druck des bereits benutzten Gases über Mittel zum (Vor-)Komprimieren eines Stapelbehälters einer (geeigneten) Druckstufe benutzt wird (z.B. mittels einer entsprechenden Vorrichtung). Beispiele für diese Mittel sind ein im Behälter angeordneter Ballon oder eine geeignete Kolbenübersetzung (pneumatische Übersetzung).

[0022] Besonders vorteilhaft ist es, sowohl das Füllen als auch das Leeren computergesteuert zu optimieren.

[0023] Die Stapelbehälter im Rahmen der Erfindung können auch zusammen verrohrte Flaschenbündel sein. Der Flüssiggaslagertank (Speicherbehälter) wird gegebenenfalls auf einen höheren Druck, z.B. 36 bar, ausgelegt.

[0024] Nachfolgend soll die Erfindung anhand von zwei Beispielen erläutert werden:

Beispiel 1:

[0025] Beispiel 1 betrifft das HIP-Verfahren. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Ausführungsbeispieles. Die Betriebsdrücke der einzelnen Stapelbehälter (Pufferbehälter) (Sektionen) sind:

1. Kaskade (Sektion 1) 10 - 50 bar

2. Kaskade (Sektion 2) 10 - 100 bar

3. Kaskade (Sektion 3) 10 - 200 bar

4. Kaskade (Sektion 4) 10 - 200 bar

5. Kaskade (Sektion 5) 10 - 300 bar

[0026] Im folgenden wird die Funktionsweise näher geschildert:

[0027] Beim Befüllen der Anlage zum heißisostatischen Pressen (HIP-Anlage) wird zuerst aus der ersten Kaskade Gas entnommen. Durch Differenzdrucküberwachung wird erkannt, wann aus den anderen Kaskaden Gas entnommen werden muß. Dabei ist der Differenzdruck frei wählbar.

[0028] Durch diese Art der Befüllung wird ohne Fremdenergie bei gleichem Stapelvolumen (Puffergröße) und bei gleichenm Druckverhältnissen mehr Gas in die HIP-Anlage gedrückt als beim bisher üblichen Verfahren. Es ist daher in den meisten Fällen nicht notwendig, Gas durch den Druckwandler nachzufördern, sehr wohl aber, wenn die HIP-Anlage Leckagen aufweist.

[0029] Nach der Haltezeit wird beim Entleeren der HIP-Anlage unter Ausnutzung des Temperaturgefälles zwischen HIP-Anlage und Behältern zuerst die letzte Kaskade 5 auf den maximalen Druck der Kaskade gefüllt. Anschließend werden die weiteren Kaskaden bis zum Maximaldruck oder bis zum Druckausgleich befüllt. Durch diese Art der Befüllung der Kaskaden können die Kaskaden immer durch die HIP-Anlage und müssen nicht durch einen Druckwandler befüllt werden. Die Verlustmenge an Gas wird aus dem Flüssigtank (z.B. mit 36 bar) durch Druckausgleich in die erste Kaskade gefüllt. In den meisten Fällen ist es daher nicht notwendig, nach der Erstbefüllung der Kaskaden, Gas durch die Druckerhöhung in die Kaskaden zu pumpen.

Beispiel 2 (nicht dargestellt):

[0030] Bei einer Wärmebehandlungsanlage wird der Stahl statt in dem allgemein üblichen Ölbad in einer Hochdruck-Gasanlage, einer sog. Kaltkammer abgeschreckt. Entsprechend dem Stand der Technik wird die Charge (das Werkstück) aus dem Ofen mit Glühtemperatur in die Kaltkammer transportiert, die Kaltkammer geschlossen, mit Gas, in diesem Fall mit Wasserstoff (andere Gase wie He, N₂, CO₂ etc. oder deren Gemische sind ebenfalls denkbar) auf 20 bar bespannt. Entsprechend dem Stand der Technik wurde bisher die Anlage aus einem einzigen Stapelbehälter mit entsprechender Druckdifferenz bespannt und zur Wiederverwertung in einen zweiten Stapelbehälter entspannt. Das Gas im Stapelbehälter wird mittels Kompressor zwecks Wiederverwertung in den ersten Stapelbehälter gedrückt. Die Restmenge in der Kaltkammer muß verworfen werden.

[0031] Erfindungsgemäß wird der füllseitige Stapelbehälter durch beispielsweise zwei Stapelbehälter, beispielsweise der erste mit einem Betriebsdruck bis 20 bar, der zweite mit einem Betriebsdruck bis 35 bar ersetzt. Die Bespannung der Kaltkammer erfolgt nun zweistufig, zunächst aus dem ersten Stapelbehälter, anschließend - sensor- und computergesteuert - aus dem zweiten Stapelbehälter auf Betriebsdruck. Da hier anders als im Beispiel 1 die Temperaturdifferenz zwischen Verbraucher und Behälter fehlt, ist die Leerung nur in einem Teilschritt, in den ersten Stapelbehälter, möglich. Der bisher für die Entspannung eingesetzte Stapelbehälter entfällt. Die Gasverluste und damit die Druckverluste müssen in diesem Fall aus dem Speicherbehälter (Hochdrucktank) in den zweiten Stapelbehälter ausgeglichen werden.

[0032] Bei besonders wertvollen Gasen, wie z.B. Helium, hat es sich - unabhängig vom sonstigen Prozeßablauf - auch bewährt, über einen ständig laufenden Kompressor Gas aus dem ersten Stapelbehälter in den zweiten Stapelbehälter umzupumpen. Diese Verfahrensweise erfordert zwar zusätzlich Antriebsenergie für den Kompressor, spart aber Gas. In Abhängigkeit von Kompressor- und Strompreis kann dies für teure Gase eine sehr wertvolle Ergänzung des Gesamtprozesses sein.

Ansprüche

1. Verfahren zur Gasversorgung und -rückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums, welches in mindestens einem Stapelbehälter unter Druck gespeichert wird und vom Stapelbehälter gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu dem oder zu einem weiteren Stapelbehälter (Rückgewinnung) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Druckbehälter mit unterschiedlichem Druck kaskadenförmig als Stapelbehälter eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Kraft zum Gastransport entweder aus einem unterschiedlichen Druck und/oder aus unterschiedlicher Temperatur zwischen den Behältern resultiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter der Kaskade eine unterschiedliche Größe aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein Inertgas oder Inertgasgemisch, insbesondere Argon, Helium und/oder Stickstoff, und/oder ein Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlendioxid, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapelbehälter zumindest bei der Erstbefüllung aus zumindest einem Speicherbehälter befüllt werden, wobei bevorzugt das Gas im Speicherbehälter in verflüssigtem Zustand gespeichert wird.

6. Verfahren nach nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter auf einen Speicherdruck bis 50 bar, vorzugsweise bis 40 bar ausgelegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Druckerhöhungsanlagen wahlweise hinzugeschalten werden können, über welche die Druckbehälter der Kaskade miteinander verbunden sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gas vorhandene Druckenergie auf die Stapelbehälter ohne Vermischung dieses Gases mit dem in den Stapelbehältern befindlichen Gas übertragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Computer überwacht, gesteuert und/oder optimiert wird.

10. Vorrichtung zur Gasversorgung und -rückgewinnung unter Einsatz eines gasförmigen Mediums umfassend mindestens einen Stapelbehälter zur Speicherung des Mediums unter Druck und eine oder mehrere Verbindungen vom dem mindestens einen Stapelbehälter, gegebenenfalls über einen Druckumwandler, zu einem Verbraucher (Versorgung) und vom Verbraucher gegebenenfalls über einen Druckumwandler zu dem oder zu einem weiteren Stapelbehälter (Rückgewinnung), dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Druckbehälter mit unterschiedlichem Druck in einer Kaskade als Stapelbehälter vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter der Kaskade eine unterschiedliche Größe aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Speicherbehälter zum Befüllen der Stapelbehälter zumindest bei der Erstbefüllung vorgesehen ist, der bevorzugt zum Speichern von Gas in verflüssigtem Zustand ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum übertragen der in einem Gas vorhandene Druckenergie auf die Stapelbehälter ohne Vermischung dieses Gases mit dem in den Stapelbehältern befindlichen Gas vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälter der Kaskade über Druckerhöhungsanlagen miteinander verbunden sind, die wahlweise hinzuschaltbar sind.

15. Anwendung des Verfahrens und/oder Verwendung der Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüchen im Zusammenhang mit dem heißisostatischen Pressen.

16. Anwendung des Verfahrens und/oder Verwendung der Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüchen im Zusammenhang mit dem Hochdruck-Gasabschrecken.

Zeichnung