!HU000008320T2! (19) HU (11) Lajstromszám: E 008 320 (13) T2 MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA (21) Magyar ügyszám: E 07 718433 (22) A bejelentés napja: 2007. 0. 08. (96) Az európai bejelentés bejelentési száma: EP 20070718433 (97) Az európai bejelentés közzétételi adatai: EP 207381 A1 2007. 11. 1. (97) Az európai szabadalom megadásának meghirdetési adatai: EP 207381 B1 2010. 02. 24. (1) Int. Cl.: F16C 9/02 (2006.01) (87) A nemzetközi közzétételi adatok: WO 07128023 PCT/AT 07/000219 (30) Elsõbbségi adatok: 7902006 2006. 0. 08. AT (72) Feltaláló: HERMELING, Werner, 7100 Neusiedl am See (AT) (73) Jogosult: Hermeling, Katharina, 7100 Neusiedl am See (AT) (74) Képviselõ: dr. Vida György, DANUBIA Szabadalmi és Jogi Iroda Kft., Budapest (4) Eljárás kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázok gázfázisának ciklikus, dugattyúmentes kompressziójára HU 008 320 T2 A leírás terjedelme 6 oldal (ezen belül 1 lap ábra) Az európai szabadalom ellen, megadásának az Európai Szabadalmi Közlönyben való meghirdetésétõl számított kilenc hónapon belül, felszólalást lehet benyújtani az Európai Szabadalmi Hivatalnál. (Európai Szabadalmi Egyezmény 99. cikk (1)) A fordítást a szabadalmas az 199. évi XXXIII. törvény 84/H. -a szerint nyújtotta be. A fordítás tartalmi helyességét a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala nem vizsgálta.
1 HU 008 320 T2 2 A találmány kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázok gáz fázisának ciklikus, dugattyúmentes kompressziójára szolgáló eljárásra vonatkozik. Egy ilyen típusú eljárás ismertetése található például az US A 2 03 396 számú közzétételi iratban. A gázokat a szállításuk érdekében gyakran cseppfolyósítják, mivel a folyadék állapotú gázok térfogata töredéke a gáz térfogatának, anélkül, hogy ehhez nagy nyomás alkalmazására lenne szükség. A nagynyomású tartályok szerkezeti szempontból költségigényesek, és közúti szállítmányozásra csak korlátozottan alkalmasak. A gázok cseppfolyósítására jelentõs mennyiségû energiát használnak fel, amelynek során a termék túlfûtésének energiáját és párolgáshõjét ki kell vonni a rendszerbõl. A cseppfolyósított termék és a környezet között így hõmérséklet-különbség (hõmérséklet-gradiens) áll elõ. A kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázokat úgynevezett kriogén tartályokban tárolják. A helyhez kötötten tárolható kriogén tartályokat a gázok gáz halmazállapotban való felhasználásához közbensõ tárolóeszközként alkalmazzák. A gázokat ilyen típusú kriogén tartályokból fejtik le, és alakítják folyadék halmazállapotúvá, aminek érdekében rendszerint nagy teljesítményû, nagynyomású szivattyúkat alkalmaznak. A folyadékot ilyen típusú nagynyomású szivattyúkkal párologtatóberendezésbe pumpálják, és a párologtatóban a környezet hõjét vagy a külsõ energiát használják fel a párologtatáshoz. Más eljárásoknál a folyadék állapotú gázokat közvetlenül elpárologtatják, és csak ezt követõen végzik el a kívánt nyomásértékre történõ összenyomást gázkompresszorok segítségével. Amennyiben ilyen típusú berendezésekkel gázpalackokat például 200 bar vagy 300 bar nyomásra kell feltölteni, a sûrítéshez többnyire 1000 Nm 3 /h, azaz teljesítményben kifejezve körülbelül 40 KWh teljesítményt kell befektetni. Ha nem a folyadékot, hanem az elõzõleg elpárologtatott gázt kell összenyomni, akkor ugyanez az anyagmennyiség 400 KWh teljesítmény befektetését igényli. A találmánnyal tehát célunk, hogy az ilyen típusú ismert, nyomás alatt végzett párologtatásra és töltésre szolgáló eljárásoknál felhasznált teljesítményt lényegesen lecsökkentsük, továbbá célunk, hogy szivattyúk és kompresszorok alkalmazását elkerüljük, amivel a teljesítmény-egyensúly javítása mellett sikerül a karbantartási ráfordításokat is csekélyebb mértékûvé tenni. A fenti cél elérése érdekében a bevezetõben megjelölt tárgyi körbe tartozó találmány szerinti eljárás lényege abban áll, hogy kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázt egy adagolóedénybe töltünk, és egy kimért mennyiséget egy párologtatóba adagolunk, majd az elpárologtatott gázmennyiséget lefejtjük, vagy azt egy vezetékhálózatba adagoljuk, és ezt követõen az adagolóedényt ismét cseppfolyós gázzal töltjük fel, és a legutóbb alkalmazott párologtatóban uralkodó nyomást a cseppfolyós állapotú gáznak az adagolóedénybõl egy további párologtatóba történõ pumpálására alkalmazzuk, és ennek során az adagolóedénybõl felváltva egymástól eltérõ párologtatókat töltünk fel, és az adagolóedényben, valamint az igényektõl függõen az egyes megtöltendõ párologtatókban uralkodó nyomást a cseppfolyósított gázok 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 kimért mennyiségének újbóli betöltése elõtt lecsökkentjük. Mivel kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázok találhatók az adagolótartályban, így szivattyúk segítsége nélkül, közvetlenül egy kezdetben szokásosan nagyjából bar gõznyomás alatt álló kriogén tartállyal, vagy akár légköri nyomással is végrehajthatjuk a kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázoknak az adagolóedényekbe történõ szállítását. Azáltal, hogy a gázmennyiség adagolását a találmány szerinti eljárás egy célszerû kiviteli alakja szerint nagyon egyszerû módon, például az adagolóedénybe bejuttatott anyagmennyiség célszerû kiviteli alakja szerint nagyon egyszerû módon, például az adagolóedénybe bejuttatott anyagmennyiség tömegének mérésével végezzük, sikerül biztosítani, hogy ezt követõen a párologtatás során egészen pontos anyagmennyiség, és ismert térfogat esetén egy, a bevezetett hõmennyiséghez tartozó, jól meghatározott nyomás képzõdjön. Annak következtében, hogy a párologtatott gázmennyiséget a párologtatás során kialakuló nyomás alatt közvetlenül kitöltjük, vagy dinamikai vezetési ellenállások ellenében egy vezetékhálózatba adagoljuk, a párologtató és a megtöltendõ fogyasztó, illetve palackok vagy tartályok között nyomáskiegyenlítés történik, és ennek során a párologtatóban természetesen maradék nyomás marad hátra akkor, ha a megfelelõ töltõszelepeket lezárjuk. Annak érdekében, hogy ezután ciklikusan tovább lehessen dolgozni, az adagolóedényt ismét kimért mennyiségû cseppfolyós gázzal kell megtölteni, és ennek elvégzéséhez a kriogén tartályban eredetileg rendelkezésre álló gõznyomás vagy a légköri nyomás elegendõ mértékû mindaddig, amíg az adagolóedényben fennálló nyomás a fent említett, a betöltéshez szükséges nyomásértékek mindegyikénél kisebb. Az adagolóedények többszöri adagolása után nyomáskiegyenlítõdés történik a párologtatóval, és a berendezés újraindításakor, az adagolóedény újbóli feltöltésénél a legutóbb felhasznált párologtatóban fennmaradó gõznyomás elegendõ arra, hogy egy további atmoszferikus nyomású, vagy a legutóbb felhasznált párologtatóban uralkodó nyomásnál alacsonyabb nyomású párologtatóban található cseppfolyósított gáz kimért mennyiségének kipumpálását lehetõvé tegye. Így minden esetben a legutóbb felhasznált párologtatóban fennmaradó nyomás egy további párologtatóba vezethetõ, és az ott elvégzett párologtatással a gõznyomás ismét megnövelhetõ, és az ezután a palackok tartályának a megtöltésére használható, illetve a vezetõhálózatba adagolható. Annak megakadályozására, hogy az adagolóedény és a párologtató a ciklikus nyomáskiegyenlítõdés során teljesen azonos nyomásszintre kerüljön, a mindkét eszköz esetében egyedileg kell nyomáscsökkentést végeznünk, és a találmány szerint itt úgy kell eljárni, hogy az egyes egymástól eltérõ párologtatók váltakozó megtöltését, és a két párologtató egyikében található maradék nyomás felhasználását követõen az adagolóedényben, illetve igény szerint az egyes megtöltendõ párologtatókban uralkodó nyomást a cseppfolyós gáz kimért mennyiségének újabb bevezetését megelõzõen lecsökkentjük. Ilyen módon sikerül elérni, hogy a berendezésben szivattyúk segítsége nélkül minden eset- 2
1 HU 008 320 T2 2 ben pontosan a megkövetelt nyomáskülönbséget tartsuk fent, ami lehetõvé teszi, hogy különbözõ párologtatókat egy kriogén tartályból meghatározott gõznyomással váltakozva, illetve ciklikus úton töltsünk fel. Az elõirányzott nyomáscsökkentést alapvetõen különbözõ módokon végezhetjük. A találmány szerinti eljárás egy célszerû kiviteli alakja esetén úgy járunk el, hogy a nyomáscsökkentést az adagolóedénybõl, illetve a párologtatóból egy fojtószelepen keresztül a tartály, egy fogyasztó, vagy az atmoszféra gáztere felé végezzük. A fojtószelep kifejezés a leírásban tetszõleges, nyomáscsökkentés céljára alkalmazható eszközt jelöl. A hagyományos nyomáscsökkentõ szelepek jelen esetben csak bizonyos feltételekkel alkalmazhatók a cseppfolyósított gázok és az ahhoz kapcsolódó tágulások során fellépõ hõmérsékleti viszonyok miatt, és a nyomáscsökkenés természetes folyamattal egy másik fogyasztóhoz és/vagy az atmoszférába vezetéssel is megvalósítható, amennyiben a 2. esetben a gázveszteségek szerepe elfogadható mértékû. Különösen elõnyös módon azonban úgy végezzük az eljárást, hogy a nyomáscsökkentést egy fojtószelepként mûködõ cseppfolyósítóban végezzük. A cseppfolyósító szerepe ez esetben a térfogat lényeges mértékû csökkentése, mivel a gázfázisból ismételten cseppfolyós gázt választunk le, és ilyen módon a nyomás drasztikusan csökken. Egy ilyen típusú cseppfolyósító a találmány szerinti fojtószeleppel szemben támasztott követelményeket kielégíti, azaz képes a gázt és folyadékot a lényegesen kisebb gõznyomású kriogén tartályba visszavezetni. Különösen egyszerû módon úgy lehet ebben az esetben eljárni, hogy a cseppfolyósítást és a nyomáscsökkentést a fojtószelepben a cseppfolyósított gáz beporlasztásával, és az azt követõ keverék kondenzációval kivitelezzük. Lehetõség van arra, hogy a bebuborékoltatott gáz a kriogén tartályban a keverék kondenzáció során teljes egészében vagy részlegesen kondenzálódjon. Ennek során a gáz alulról, a folyadékon keresztül pumpálható be, vagy a folyadéknak a gázba történõ fecskendezésével késztethetõ kondenzációra. Ahogy a bevezetõben említettük, a biztonságos üzemelés és különösen a gázpalackok vagy tartályok megtöltése szempontjából különösen nagy jelentõsége van annak, hogy kimért mennyiségû gázok töltését végezzük. Ehhez a korábban leírtak szerint célszerûen úgy kell eljárni, hogy az adagolóedényekbe kimért anyagmennyiséget mérleges méréssel határozzuk meg, és elõnyösen a betöltött nagynyomású gáz mennyiségét szabályozás céljából méréssel, különösen mérlegeléssel határozzuk meg. Annak érdekében, hogy a töltési eljárás kezdetén gyorsan reprodukálható nyomásviszonyokat és gördülékeny üzemi körülményeket érjünk el, az induláshoz egy jól definiált kiindulási helyzetet kell beállítani, aminek érdekében a találmány szerint elõnyösen úgy járunk el, hogy az edények, a cseppfolyósító és a csõvezetékek már a legelsõ párologtatást megelõzõen hidegen mûködnek. 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 A találmányt a továbbiakban részletesen is bemutatjuk egy, a rajzon vázlatosan bemutatott kiviteli alakra való hivatkozással. A rajzon az A hivatkozási jel egy kriogén tartályt jelöl. A B hivatkozási jel egy adagolóedényre vonatkozik, és egy, a kriogén tartályhoz visszavezetõ vezetékbe egy fojtószelepként mûködõ, C¹vel jelzett cseppfolyósító van beiktatva. D¹vel egy elsõ párologtatót jelölünk. Az elsõ D párologtatóval párhuzamosan egy második E párologtató van elrendezve, és a mindenkori, éppen mûködõ párologtatókat felváltva alkalmazva egy vázlatosan ábrázolt, F¹fel jelölt fogyasztóegységet, például egy palackot töltünk meg. A G hivatkozási szám egy, a B adagolóedénybe töltött anyagmennyiség mérésére való mérleget jelöl. Egy H¹val jelölt mérleg is rendelkezésre áll az F palackba töltött anyagmennyiség mérésére. Az egyes bemutatott vezetékekhez csatlakoztatott szelepek folytatólagosan 1 19 jelölést kaptak, és az egyes eljárási lépések során azokat a következõképpen állítjuk be: A cseppfolyósító hideg mûködésének biztosítására a termék az A kriogén tartályban cseppfolyós állapotban van, és a fennmaradó eszközök, különösen a B adagolóedény és a D és E párologtatók ebben a kiindulási állapotban légköri nyomáson vannak. Az A kriogén tartályban csekély mértékû, többnyire körülbelül bar nagyságú túlnyomás uralkodik. Az 1 és 2 szelep megnyitását követõen a kriogén tartály nyomásának hatására cseppfolyós termék áramlik a C cseppfolyósítóba mindaddig, amíg a gázfázis és a folyadékfázis között egyensúly alakul ki. A 10 és 11 szelepek megnyitása a kezdetben a cseppfolyósítóban található gáznak az atmoszférára, illetve az A kriogén tartály gázterére való fellevegõzéséhez vezet. Az adagolóedény ezután következõ hideg mûködése során az 1, 3 és 8 szelepeket nyitjuk meg. Ebben az esetben a cseppfolyós termék a kriogén tartályból az adagolóedényekbe áramlik, és ennek során a szelepek akkor záródnak be, amikor a G mérleg által mért, elõre megadott kimérendõ tömeget elérjük. A 8 szelep nyitott állásában az adagolóedényt az A kriogén tartály felé levegõzzük fel. A 4, 6 szelepek ezt követõ megnyitása, és a8szelep további nyitva tartása közben a cseppfolyós termék a B adagolóedénybõl az elsõ D párologtatóba áramlik. A 8 szelepen keresztül az A kriogén tartály felé ismét nyomáskiegyenlítõdés következik be, és közvetlenül az adagolóedény fellevegõzését követõen a 6 szelepet és a 4 szelepet elzárjuk abból a célból, hogy az adagolóedényt a D párologtatóról leválasszuk. A D párologtatóban ezt követõen végrehajtott párologtatás során a terméket teljes egészében elpárologtatjuk, majd a teljes elpárologtatás után a 14 és 19 szelepeket megnyitjuk, hogy a most már gáz halmazállapotú terméket az F palackba töltsük. Ez alkalommal a szabályozás a vázlatosan szemléltetett H mérleg segítségével kivitelezhetõ. 3
1 HU 008 320 T2 2 A szelepek lezárása után a D párologtatóban a legutóbbi párologtatás során képzõdött gõznyomás uralkodik. A következõkben az 1, 3 és 8 szelepeket ismét megnyitjuk, és így újra kriogén fagyasztással cseppfolyósított gáz áramlik az A kriogén tartályból a B adagolóedénybe, és a fent leírtak szerint ismét a gáz kimérését végezzük, amely során a G mérleg mérési eredményeit vesszük figyelembe. Az elõzõleg megnyitott szelepek lezárása, és a 4,, 6, 14 és 17 szelepek azt követõ megnyitása után a kriogén fagyasztással cseppfolyósított gáz kimért mennyiségét a D párologtatóban uralkodó nyomás segítségével az adagolóedénybõl egy további E párologtatóba pumpáljuk, majd a szelepeket újra lezárjuk. Ezt követõen a kriogén fagyasztással cseppfolyósított gáz az E párologtatóban elpárolog, majd a teljes párolgást követõen a 1 és 19 szelepeket megnyitjuk, és ekkor egy edény, illetve F palack ismét megtölthetõvé válik. A H mérleg szabályozása nyomán a szelepek újra lezáródnak azért, hogy a párologtatók és az adagolóedény az eljárás kezdetén uralkodó nyomáshoz képest nagyobb nyomás alatt álljanak. Amint ez a nyomás, különösen az adagolóedényben uralkodó nyomás a kriogén tartály nyomását felülmúlja, akkor már nincs lehetõség arra, hogy minden további segítség nélkül, pusztán az atmoszferikus nyomás segítségével az adagolóedény újabb töltését hajtsuk végre. Ezért ekkor egy fojtószelep útján nyomáscsökkentést kell végezni, feltételezve azt, hogy az adagolóedény a legutolsó fent bemutatott kiürítését követõen a D párologtatóval megegyezõ nyomás alatt áll. Ezután a 7, 9 és 12 szelepeket nyitjuk meg, és ennek következtében a hõcserélõben a cseppfolyós halmazállapotú termék a gáz halmazállapotú terméket a lehetõ legnagyobb mértékben tovább hûti, és ennek megfelelõen a nyomás tovább csökken, és a 9 szelep fojtása révén a gõzvezeték elérhetõvé válik. Az elõzõ nyomáskiegyenlítõdés eredményeként az adagolóedény töltése ismét atmoszferikus nyomás mellett lehetséges. Annak érdekében azonban, hogy ezt követõen a kriogén fagyasztással cseppfolyósított gáz kimért mennyiségének az adagolóedénybõl a D párologtatóba való töltését lehetõvé tegyük, a feltöltendõ párologtatót természetes folyamattal ismét olyan nyomásszintre kell hoznunk, amely kisebb a másik párologtatóból az adagolóedénybe való pumpáláshoz még rendelkezésre álló nyomásszintnél. Más szavakkal ez azt jelenti, hogy a következõ megtöltendõ párologtatót ebben az esetben a D párologtatót is a megfelelõ nyomáskiegyenlítési folyamatnak kell alávetni, és a B adagolóedényhez hasonlóan a nyomást megfelelõ módon az A kriogén tartály gázterében uralkodó nyomás értékére, vagy az alá kell levinni. Ez a 14 és 17 szelepek megnyitásával, valamint a térfogattól függõen a 8 szelep megnyitásával és ezt követõen az A kriogén tartály gázterébe való visszatágulással, vagy a 7 szelep megnyitásával és ezt követõen a cseppfolyósítón keresztüli visszavezetéssel történhet. Ezután az adagolóedénynek a fent ismertetett módon történõ töltésénéla4és6,valamint 16 szelepek megnyitása útján az E párologtatóban fennmaradó nyomás a 10 1 20 2 30 3 40 4 0 60 cseppfolyósított gáz kimért mennyiségének a D párologtatóba történõ pumpálására alkalmazható, és azt követõen az eljárás a fentiek szerint folytatható. A cseppfolyósítóban végzett fojtás, illetve nyomáscsökkentés folyamán a 13 szelep megnyitása útján a túlhûtött folyadékot a cseppfolyósító felsõ részébõl a cseppfolyósító hõcserélõ részébe vezetjük. A 11 és 12 szelepek megnyitása által a C cseppfolyósító és az A kriogén tartály között nyomáskiegyenlítõdést érünk el, és ezzel a folyamat az 1 és 2 szelepek megnyitása útján ismét a kiindulási állapotba vihetõ, ami újabb ciklusok indítását teszi lehetõvé. SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Eljárás kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázok gázfázisának ciklikus, dugattyúmentes kompressziójára, azzal jellemezve, hogy kriogén fagyasztással cseppfolyósított gázokat egy adagolóedénybe (B) töltünk, és azoknak egy kimért mennyiségét egy párologtatóhoz (D) vezetjük, és ott az elpárologtatott gázmennyiséget lefejtjük, vagy azt egy vezetékhálózatba (F) adagoljuk, majd az adagolóedényt (B) ismét cseppfolyós gázzal töltjük fel, és a legutóbb felhasznált párologtatóban (D, E) uralkodó nyomást a cseppfolyós állapotú gáznak az adagolóedénybõl (B) egy további párologtatóba (E) történõ pumpálására alkalmazzuk, és ennek során az adagolóedénybõl (B) felváltva egymástól eltérõ párologtatókat (D, E) töltünk fel, és az adagolóedényben (B), valamint igény esetén az egyes megtöltendõ párologtatókban (D, E) uralkodó nyomást a cseppfolyósított gázok kimért mennyiségének ismételt betöltése elõtt lecsökkentjük. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az adagolóedény (B), illetve a párologtató (D, E) nyomáscsökkentése egy fojtószelepen (10, 11) keresztül a tartály (A), egy fogyasztó (F) vagy az atmoszféra gáztere felé történik. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a nyomáscsökkentés egy cseppfolyósítóban (C) mint fojtószelepben (9) történik. 4. Az 1., 2. vagy 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a cseppfolyósítást (C) és a nyomáscsökkentést cseppfolyósított gáz beporlasztásával, és az azt követõ keverék kondenzációval valósítjuk meg, aminek során lehetséges az is, hogy a keverék kondenzációját a gázoknak a tartály (A) cseppfolyós fázisán való végigvezetésével érjük el.. Az 1 4. igénypontok egyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az adagolóedénybe (B) kimért anyagmennyiséget célszerûen mérleggel végzett (G) méréssel határozzuk meg. 6. Az 1. igénypontok egyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a lefejtett nagynyomású gáz mennyiségét minden egyes esetben mérjük, különösen mérleggel mérjük. 7. Az 1 6. igénypontok egyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az edények (A, B), a cseppfolyósító (C) és a csõvezetékek a legelsõ párologtatás kezdetétõl fogva hidegen mûködnek. 4
HU 008 320 T2 Int. Cl.: F16C 9/02
Kiadja a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala, Budapest Felelõs vezetõ: Szabó Richárd osztályvezetõ Windor Bt., Budapest