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AT501577B1 - Verfahren zum befüllen eines behältnisses mit einem gas - Google Patents

Verfahren zum befüllen eines behältnisses mit einem gas Download PDF

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AT501577B1
AT501577B1 AT0062504A AT6252004A AT501577B1 AT 501577 B1 AT501577 B1 AT 501577B1 AT 0062504 A AT0062504 A AT 0062504A AT 6252004 A AT6252004 A AT 6252004A AT 501577 B1 AT501577 B1 AT 501577B1
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Description

2 AT 501 577 B1
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Behältnisses mit einem Gas, wobei Gas in das Behältnis unter Kompression eingebracht wird.
Weiter hat die Erfindung eine Verwendung von elektrisch leitendem Streckmaterial zum Ge-s genstand.
Schließlich umfasst die Erfindung eine Hochdruckgasflasche zur Bevorratung von Gasen unter Drücken von mehr als 200 bar. io Brennbare Gase wie Methan oder Ethan stellen wichtige Energieträger für eine Vielzahl von Prozessen dar. Üblicherweise werden solche Gase in transportierbaren Gasbehältnissen bevorratet, was es ermöglicht, die Gase und damit die Energiequellen auf einfache Weise an den Ort des Bedarfes zu befördern oder auch mit einer Arbeitsvorrichtung mitzuführen. 15 Um ohne Wiederbefüllung möglichst viel Gas und damit Energie mit einem Gasbehältnis bereitstellen zu können, werden Gase unter Kompression in Gasbehältnisse eingebracht, wobei Drücke bis zu mehreren Hundert bar angewendet werden. Je höher der angewendete Druck, desto mehr Gas kann bei einer gegebenen Temperatur in das Behältnis eingebracht werden. Folglich müssen die Gasbehältnisse weniger oft befüllt bzw. zu einer Wiederbefüllungsanlage 20 transportiert werden, umso höher ein Druck beim Befüllen ist.
Bei einer Befüllung bewirkt die Kompression eines Gases auf einen gewünschten Druck neben einer gewollten Verdichtung des Gases auch eine Temperaturerhöhung desselben. Diese naturgemäß bedingte Temperaturerhöhung ist unerwünscht und nachteilig, weil bei vorgegebenen 25 Volumen und Druck weniger Gas in ein Behältnis eingebracht werden kann, wenn die Gastemperatur höher ist. Anders ausgedrückt: Bei ansonst gleichbleibenden Variablen ist der Füllgrad bzw. die Menge des eingebrachten Gases niedriger, wenn die Temperatur höher ist.
Ein anderes Problem beim Befüllen eines Gasbehältnisses unter Einpressen von Gas besteht 30 im Auftreten hoher Druckspitzen, welche darauf zurückzuführen sind, dass das Gas als Strahl gerichtet in ein Gasbehältnis eingebracht wird. Die verwendeten Behältnisse sollen daher eine hohe Wandstärke aufweisen, um Druckspitzen standhalten zu können.
Aus dem Stand der Technik, nämlich US 5,247,822, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur 35 Herstellung von bällchenförmigen Streckmetall bekannt. Das Streckmetall kann in Behältnissen für explosive Flüssigkeiten eingesetzt werden, um bei Zünden des oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindlichen Gases eine kontrollierte Verbrennung anstelle einer Explosion zu erreichen. 40 Weiter sind aus US 6,073,665 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen eines brennbaren und eines oxidierbaren Gases in ein Hochdruckbehältnis bekannt geworden. Dabei sind im Einströmbereich des Behältnisses ein Sintermetall oder feine Metallfiber vorgesehen.
Aus US 4,613,054 ist es wie aus US 5,247,822 bekannt, bällchenförmiges Streckmaterial ein-45 zusetzen, um ein explosionsartiges Verbrennen von Flüssigkeiten oder Gasen in Behältnissen zu vermeiden.
Schließlich ist aus GB 2 277 370 A ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Füllen von Gaszylindern mit einem Gas bekannt, wobei allerdings kein Streckmaterial eingesetzt wird. 50
Die Erfindung setzt sich nun ausgehend von den vorstehend dargelegten Problemen und dem Stand der Technik das Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem bei gegebenem Volumen und gegebenem Druck ein hoher Füllgrad erreicht wird und bei welchem Behältnisse mit geringerer Wandstärke ohne Sicherheitsrisiko ersetzbar sind. 55 3 AT 501 577 B1
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Verwendung von elektrisch leitendem Streckmaterial darzustellen.
Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, ein Gasbehältnis der eingangs genannten Art an-5 zugeben, welches bei einem gegebenen Druck mit einer erhöhten Menge Gas befüllbar ist.
Das verfahrensmäßige Ziel der Erfindung wird erreicht, indem bei einem gattungsgemäßen Verfahren vor dem Befüllen mit Gas in das Behältnis elektrisch leitendes Streckmaterial eingebracht wird, wonach das Gas mit einem Druck von mindestens 200 bar eingepresst wird. 10
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere darin zu sehen, dass elektrisch leitendes Streckmaterial eine effiziente Kühlung des Gases bewirkt, welches anschließend unter Kompression eingebracht wird. Dem eingebrachten Gas wird durch das vorhandene Streckmaterial dabei so wirksam Wärme entzogen, dass dessen Temperatur im Ver-15 gleich mit einer Gasbefüllung ohne Streckmaterial um einige Grad Celsius gesenkt werden kann. Trotz Einbringen von Streckmaterial, welches seinerseits einen Teil des freien Volumens einnimmt, kann somit bei vorgegebenen Volumen und Druck ein höherer Füllgrad erzielt werden als bislang. 20 Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Streckmaterial geeignet ist, einen in das Behältnis eintretenden, gerichteten Gasstrahl in viele verschiedene Richtungen zu zerstreuen, wodurch Gasdruckspitzen weitgehend eliminiert werden können. Es ist nun vorteilhafterweise möglich, Gasbehältnisse mit geringerer Wandstärke als bisher einzusetzen und somit bei der Herstellung von Gasbehältnissen Material zu sparen, weil die Gasbehältnisse für geringere 25 lokale Druckspitzen ausgelegt werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das eingebrachte Streckmaterial elektrisch leitend ist. Dadurch verringert sich die Gefahr, dass während einer Befüllung lokal eine kritische Zündspannung erreicht wird. 30
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Streckmaterial mit einem Volumenanteil am Gesamtvolumen des Behältnisses von 0.5 bis 8.5 Prozent, vorzugsweise 1.0 bis 5.0 Prozent, eingebracht. Ein Volumenanteil von zumindest 0.5, besser zumindest 1.0 Prozent, ist für eine gute Kühlwirkung zweckmäßig. Höhere Volumenanteile als 8.5 Prozent 35 tragen weniger zu einer Kühlwirkung bei und erhöhen ein Gewicht des Gasbehältnisses unvorteilhaft. In Bezug auf gute Kühlung bei geringem Gewicht wird ein Volumenanteil des Streckmaterials unter 5.0 Prozent gehalten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Streckmaterial in Form vereinzelter kugelartiger oder 40 zylinderartiger Gebilde eingebracht wird. Solche kugelartigen bzw. zylinderartigen Gebilde können wie in der Patentanmeldung EP 0 669 176 A2 beschrieben herstellt werden und der Inhalt dieser Patentanmeldung ist hiermit ausdrücklich in seinem gesamten Umfang miteingeschlossen. Mittels einer Vielzahl von einzelnen kugelartigen/zylinderartigen Gebilden, welche zueinander beliebig orientiert vorliegen, wird ein in das Behältnis eintretender Gasstrahl an 45 vielen Punkten in Teilstrahlen gespalten. Dies reduziert sehr wirksam eine Gefahr des Auftretens von Druckspitzen. Überdies kommt das eintretende Gas nach Spaltung in Teilstrahlen mit jeweils verschiedenen Oberflächen des Streckmaterials in Kontakt und kann deswegen an vielen Stellen gleichzeitig und somit rasch gekühlt werden. so Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Streckmaterial von einem Boden des Behältnisses aufsteigend angeordnet wird. Allfällig im Behältnis vorhandenes Öl, welches beispielsweise im Rahmen einer Befüllung in das Behältnis ungewollt eingetreten ist, wird dann durch das Streckmaterial am Boden fixiert und kann bei einer Gasentnahme nicht austreten. 55 Um eine gleichmäßige Kühlung und eine sehr effiziente Aufspaltung eines eintretenden 4 AT 501 577 B1
Gasstrahles zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, dass das Streckmaterial im gesamten Volumen des Behältnisses gleichmäßig verteilt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bewährt sich mit Bezug auf eine Verringerung der Gefahr 5 des lokalen Erreichens einer Zündspannung besonders, wenn ein brennbares Gas eingebracht wird.
Als vorteilhaft hat es sich bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch erwiesen, wenn als Behältnis ein Gefäß aus Stahl verwendet wird. Bei Kontakt mit dem im Innenraum des Behält-io nisses befindlichen Streckmaterial kann solchenfalls vom Streckmaterial aufgenommene Wärme an den Stahl abgeleitet werden und so durch Ableiten von Wärme nach außen ein Kühleffekt gesteigert werden.
Um ein Gewicht eines Streckmaterial beinhaltenden Behältnisses möglichst gering zu halten, ist · 15 es vorteilhaft, wenn Streckmaterial aus einem Leichtmetall eingesetzt wird. Streckmaterial aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hat sich diesbezüglich als herausragend erwiesen, weil bei geringem Gewicht höchste Füllgraderhöhungen erzielt werden.
Ein Füllgrad kann noch weiter gesteigert werden, wenn zur Erhöhung der Leitfähigkeit oberflä-20 chenbehandeltes Streckmaterial eingesetzt wird.
Es ist auch möglich, dass Streckmaterial aus Kunststoff eingesetzt wird.
Das weitere Ziel der Erfindung wird durch eine Verwendung von elektrisch leitendem Streckma-25 terial beim Komprimieren von Gasen erreicht, wobei das Gas unter einem Druck von mindestens 200 bar in ein Behältnis eingebracht wird. Die damit erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass elektrisch leitendes Streckmaterial einen Kühleffekt ausüben kann, so dass einer Erwärmung eines Gases bei Kompression entgegengewirkt werden kann. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass Streckmaterial geeignet ist, einen Gasstrahl in Teilstrahlen 30 aufzuspalten, wodurch Druckspitzen abgebaut werden können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass Streckmaterial als Ölfang dienen kann.
Dabei ist es in Bezug auf eine Gewichtsminimierung von Vorteil, wenn das Streckmaterial aus Leichtmetall gebildet ist. 35
Als Gasbehältnisse können metallische Behältnisse oder solche aus Kunststoff oder Verbundwerkstoffen, beispielsweise Kombinationen von Metall und Kunststoff, zum Einsatz kommen. Geeignete Kunststoffe sind auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften insbesondere solche aus der Gruppe der Armide, zum Beispiel unter dem Handelsnamen Kevlar vertriebene Polya-40 mide.
Wenn das Gasbehältnis eine Stahlflasche ist, kann bei Kontakt zwischen Streckmaterial und Gasbehältnis eine gute Wärmeableitung nach außen und ein hoher Füllgrad erreicht werden. 45 Das Ziel der Angabe einer Hochdruckgasflasche zur Bevorratung von Gasen unter Drücken von mehr als 200 bar, welche bei einem gegebenen Druck mit einer hohen Menge Gas befüllbar ist, wird dadurch gelöst, dass das Gasbehältnis elektrisch leitendes Streckmaterial beinhaltet.
Als Vorteil eines erfindungsgemäßen Gasbehältnisses kann gesehen werden, dass das Gasbe-50 hältnis bei gegebenem Druck mit einer höheren Menge Gas als bisher befüllbar ist. Überdies bewirkt Streckmaterial eine Reduzierung von Druckspitzen, welche durch eingebrachtes Gas verursacht werden und eine Innenwand des Behältnisses belasten. Aufgrund einer Druckspitzenreduzierung ist es nun möglich, Behältnisse mit geringerer Wandstärke auszulegen, ohne dass ein Sicherheitsrisiko gegeben wäre. Insgesamt können Gasbehältnisse deswegen trotz 55 Befüllung mit Streckmaterial leichtgewichtiger bereitgestellt werden als bisher. 5 AT 501 577 B1
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass elektrisch leitendes Streckmaterial einem Erreichen einer Zündspannung entgegenwirkt, weil durch Ableitung über das Streckmaterial hohe lokale elektrostatische Spannungen im Innenraum zumindest weitgehend vermieden sind. 5 Günstig ist es, wenn das Streckmaterial einen Volumenanteil am Gesamtvolumen des Behältnisses von 0.5 bis 8.5 Prozent, vorzugsweise 1.0 bis 5.0 Prozent, aufweist.
Wenn das Streckmaterial in Form vereinzelter kugelartiger oder zylinderartiger Gebilde vorliegt, kann eintretendes Gas in viele Teilstrahlen gespalten werden und daher an vielen verschiede-io nen Flächen mit Streckmaterial in Kontakt gebracht werden, wodurch Druckspitzen minimierbar und Kühleffekte maximierbar sind.
Um eine Bindung von im Innenraum des Behältnisses befindlichem Öl zu erreichen, kann das Streckmaterial von einem Boden des Behältnisses aufsteigend angeordnet sein. 15
Eine effektive Gaskühlung und eine Verringerung von Druckspitzen im ganzen Innenraum des Behältnisses kann erreicht werden, wenn das Streckmaterial im gesamten Volumen des Behältnisses gleichmäßig verteilt ist. 20 Vorteilhaft kann es auch sein, Streckmaterial im Bereich einer Öffnung des Gasbehältnisses anzuordnen. Solchenfalls wird eintretendes Gas unmittelbar beim Eintritt in Teilstrahlen gespalten und am Eintrittsort gekühlt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch werter erläutert. 25
Streckmaterial aus einer oberflächenbehandelten Aluminiumlegierungsfolie wurde wie in EP 0 669 176 A2 beschrieben gefertigt. Die so erhaltenen vereinzelten zylinderförmigen Gebilde wurden in drei verschiedene Hochdruckgasflaschen aus Stahl, welche für Drücke bis zu 500 bar ausgelegt waren, gefüllt. 30
Im Innenraum der Behältnisse lag das Streckmaterial vom Boden aufsteigend vor, wobei Streckmaterial jeweils in einem Volumenanteil von 1.5 Volumsprozent, bezogen auf das freie innere Volumen der Gasbehältnisse, eingesetzt wurde. Zu Vergleichszecken wurden jeweils Hochdruckgasflaschen ohne Streckmaterial verwendet. 35
Die mit Streckmaterial befüllten Hochdruckgasflaschen und die unbefüllten Hochdruckgasfaschen wurden anschließend mit Methangas (CH4) befüllt, wobei das Gas mittels eines Kompressors auf Drücke von etwa 200 bar (Beispiele 1 und 2) bis etwa 300 bar (Beispiele 5 und 6) verdichtet wurde. Im Innenraum der Hochdruckgasflaschen wurde jeweils die Gastemperatur 40 gemessen.
In der nachstehenden Tabelle sind Ergebnisse der Befüllung, bezogen auf 100 L Füllvolumen, dargestellt. 45 Es zeigt sich, dass in mit Streckmaterial befüllte Hochdruckgasflaschen bei gleichbleibenden Bedingungen, das heißt gleicher Druck und gleiches Innenvolumen der Gasflaschen, vergleichsweise mehr Gas eingebracht werden kann als in unbefüllte.
Hochdruck gasflasche 1 2 3 4 5 6 Füllvolumen [L] 100 100 100 100 100 100 Fülldruck [bar] 200 200 250 250 300 300 Streckmaterial [Vol.-%] 0 1.5 0 1.5 0 1.5 55

Claims (20)

  1. 6 AT 501 577 B1 Hochdruckgasflasche 1 2 3 4 5 6 Gastemperatur [°C] 40 34.5 50 42 60 50 Füllgewicht [kg] 13.83 14.08 16.75 17.18 19.50 20.11 Gewichtsdifferenz [kg] 0.25 - 0.43 0.61 Füllgraderhöhung [Gew.-%] 1.8 2.6 3.1 10 Befüllte Hochdruckgasflaschen wie vorstehend beschrieben finden vielfältig Anwendung. Als besonders vorteilhafte Applikation hat sich eine Verwendung von derartigen Hochdruckgasflaschen für gasbetriebene Fahrzeuge, insbesondere Pkw, erwiesen. In diesem Bereich schlägt sich ein höherer Füllgrad unmittelbar in einer größeren Reichweite nieder. Im Zusammenhang 15 damit ist es aus sicherheitstechnischer Sicht wichtig, dass durch einen Abbau von Druckspitzen auch bei einer Gasentnahme nachgeschaltete Ventile und Membranen geschont werden und daher ein Service- bzw. Reparaturaufwand gering ist. Außerdem ist den im Bereich des Personentransports gegebenen hohen Sicherheitsanforderungen an Brennstoffbehältnisse auch insoweit Genüge geleistet, als elektrisch leitendes Streckmaterial eine innere Reibung verringert 20 und somit einer elektrostatischen Aufladung entgegenwirkt. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Befüllen eines Behältnisses mit einem Gas, wobei Gas in das Behältnis unter Kompression eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befüllen mit Gas in das Behältnis elektrisch leitendes Streckmaterial eingebracht wird, wonach das Gas mit einem Druck von mindestens 200 bar eingepresst wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckmaterial mit einem Volumenanteil am Gesamtvolumen des Behältnisses von 0.5 bis 8.5 Prozent, vorzugsweise 1.0 bis 5.0 Prozent, eingebracht wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckmaterial in 35 Form vereinzelter kugelartiger oder zylinderartiger Gebilde eingebracht wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckmaterial von einem Boden des Behältnisses aufsteigend angeordnet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Streck material im gesamten Volumen des Behältnisses gleichmäßig verteilt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein brennbares Gas eingebracht wird. 45
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Behältnis ein Gefäß aus Stahl verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Streckmateri- 50 al aus einem Leichtmetall eingesetzt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass Streckmaterial aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingesetzt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung 7 AT 501 577 B1 der Leitfähigkeit oberflächenbehandeltes Streckmaterial eingesetzt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Streckmaterial aus Kunststoff eingesetzt wird. 5
  12. 12. Verwendung von elektrisch leitendem Streckmaterial beim Komprimieren von Gasen, wobei Gas unter einem Druck von mindestens 200 bar in ein Behältnis eingebracht wird.
  13. 13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das Streckmaterial aus Leichtmetall gebildet ist. 10
  14. 14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Gasbehältnis eine Stahlflasche ist.
  15. 15. Hochdruckgasflasche zur Bevorratung von Gasen unter Drücken von mehr als 200 bar, dadurch gekennzeichnet dass das Gasbehältnis elektrisch leitendes Streckmaterial bein- 15 haltet.
  16. 16. Gasbehältnis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckmaterial einen Volumenanteil am Gesamtvolumen des Behältnisses von 0.5 bis 8.5 Prozent, vorzugsweise 1.0 bis 5.0 Prozent, aufweist. 20
  17. 17. Gasbehältnis nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckmaterial in Form vereinzelter kugelartiger oder zylinderartiger Gebilde vorliegt.
  18. 18. Gasbehältnis nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das 25 Streckmaterial von einem Boden des Behältnisses aufsteigend angeordnet ist.
  19. 19. Gasbehältnis nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet dass das Streckmaterial im gesamten Volumen des Behältnisses gleichmäßig verteilt ist.
  20. 20. Gasbehältnis nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet dass Streck material im Bereich einer Öffnung des Gasbehältnisses angeordnet ist. Keine Zeichnung 35 40 45 50 55
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