DE102005052290B4

DE102005052290B4 - Verwendung von Z-Rohren in einem Flüssigwasserstofftank

Info

Publication number: DE102005052290B4
Application number: DE200510052290
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2025-11-03
Also published as: US7363775B2; US20060096302A1; DE102005052290A1

Abstract

Mehrkanalleitungssegment, um Tieftemperaturfluid in und aus einem Tieftemperaturspeichertank (28) mit einem Aufnahmevolumen (14) bei minimalem Wärmeübertritt in das Aufnahmevolumen (14) zu übertragen, wobei das Mehrkanalleitungssegment aufweist:
ein Rohr (30) zumindest umfassend einen ersten Kanal (32) zum Transportieren eines Tieftemperaturfluids von einer Versorgungsquelle zu dem Tieftemperaturspeichertank (28) und
einen von dem ersten Kanal (32) getrennten zweiten Kanal (34) zum Transportieren von gasförmigem Tieftemperaturfluid von dem Tieftemperaturspeichertank (28) zu einem Endverbraucher,
wobei das Rohr (30) mit den zumindest zwei Kanälen (32, 34) als Z- oder Y-Konstruktion durch Biegen aus einem einzelnen Materialstück (54) hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrkanalleitungssegment und einen Tieftemperaturfluidspeichertank damit. Letzterer ist insbesondere ein verbesserter Tieftemperaturflüssigkeitsspeichertank mit minimierter Wärmeübertragung beim Füllen und beim Austrag. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Transport eines Tieftemperaturfluids mit dem Mehrkanalleitungssegment.
Aus EP 1353 114 A2 ist ein Umfüllschlauch insbesondere für kryogene Medien bekannt, bei dem in einem Förderschlauch ein Abgasschlauch angeordnet ist. Der Abgasschlauch dient zur Abführung von in dem Förderschlauch durch Verdampfung des Mediums erzeugtem Abgas.
Eine Anordnung zum Transport kryogener Medien zwischen einem Kompressor und einem Kryostaten ist in GB 2 411 711 A offenbart und umfasst einen Schlauch mit zwei koaxial angeordneten Kanälen, die zum Beispiel mittels eines Extrusionsprozesses hergestellt sind.
Weitere mehrkanalige Leitungen zum Transport kryogener Medien sind in DE 195 46 619 A1 , DE 195 46 618 C2 , WO 02/01123 A1 und US 5 400 602 A beschrieben.
Andere mehrkanalige Leitungen sind aus DE 2 217 252 A , EP 1 039 201 A2 , FR 26 99 251 A1 , FR 773 584 A und US 64 50 205 B1 bekannt.
Brennstoffzellen sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasser stoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. Eine übliche Technik zur Speicherung großer Mengen von Wasserstoff besteht darin, Wasserstoff über Verflüssigungstechniken zu kühlen und zu komprimieren und den in der flüssigen Phase befindlichen Wasserstoff in einem Kryo- bzw. Tieftemperaturspeichertank zu speichern. Wasserstoffgas verflüssigt sich bei Umgebungsdruck bei –253°C und kann mit etwa 70 g/L in der flüssigen Phase gespeichert werden. Die Menge an Energie, die erforderlich ist, um das Wasserstoffgas in eine Flüssigkeit zu komprimieren, ist sehr hoch und kann derzeit bis zu 40 % der Energie darstellen, die durch die Verwendung des Gases als ein Brennstoff erhalten wird. Somit ist es vorteilhaft, den Wasserstoff in flüssiger Phase von der Umgebungstemperatur so isoliert wie möglich zu halten.
Jede Übertragung von Wärme an den innersten Abschnitt des Tieftemperaturspeichertanks beeinträchtigt die natürliche Verdunstungsrate des Tieftemperaturbehälters. Je größer die Wärme ist, die übertragen wird, um so schneller ist die Siederate des flüssigen Wasserstoffs oder um so höher ist die natürliche Verdunstungsrate. Um den Wasserstoff in einem flüssigen Zustand zu halten, wodurch eine übermäßige Verdunstung und die Anforderung zur Entlüftung des Tanks, um Überdruck freizugeben, minimiert werden, muss die Wärmeübertragung von der Umgebung an ein Kryogen auf einem Minimum gehalten werden. Tieftemperaturspeichertanks umfassen allgemein einen inneren Speicherbehälter, der mit einem äußeren Behälter oder einem Mantel gekapselt ist. Der Raum zwischen dem inneren Behälter und dem Mantel ist üblicherweise gut isoliert und steht unter einem Vakuum. Das Innere des Tanks muss jedoch eine Fluidverbindung umfassen, typischerweise in der Form einer Einlass- und Auslassverrohrung, für das Füllen und den Austrag des Kryogens. Zumindest ein Anteil der Verrohrung ist der Umgebung ausgesetzt. Als eine der Primärquellen der Wärmeübertragung überbrückt die Verrohrung jede Isolierung, die vorhanden ist, und erlaubt, dass Wärme von der Umgebung in den inneren Behälter eindringen kann, was zu nachteiligen Auswirkungen auf die gesamte Wärmeisolierung führt. Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Tieftemperaturflüssigkeitsspeichertank und insbesondere einem, der eine Wärmeübertragung minimiert, die von der Einlass- und Auslassverrohrung abstammt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe Verbesserungen betreffend Mehrkanalleitungssegmenten, Tieftemperaturfluidspeichertank und Verfahren zum Transport von Tieftemperaturfluiden anzugeben.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Mehrkanalleitungssegment mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Weiterhin löst die vorliegende Erfindung diese Aufgabe durch einen Tieftemperaturfluidspeichertank mit den Merkmalen von Anspruch 10.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 18 bereit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Bezeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Schnittansicht ist, die einen Tieftempereturtank nach dem Stand der Technik zeigt,
2 eine Schnittansicht ist, die eine erste Ausführungsform eines Tieftemperaturtanks gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Schnittansicht ist, die eine zweite Ausführungsform eines Tieftemperaturtanks gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht ist, die ein in 3 gezeigtes Verbindungsleitungssegment zeigt;
5A eine Schnittansicht entlang der Linie V-V von 4 ist;
5B eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform von 5A ist;
6a–6c ein Verfahren zum Formen einer Leitung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Querschnitt, wie in 5A gezeigt ist, darstellt;
7A–7E ein Verfahren zum Formen einer Leitung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Querschnitt, wie in 5B gezeigt ist, darstellen;
8A und 8B die Verringerung der freiliegenden Oberfläche bzw. der Rohrquerschnittsfläche durch Verwendung eines Z-Rohrs gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung zeigen; und
9A und 9B die Verringerung der freiliegenden Oberfläche bzw. der Rohrquerschnittsfläche für Z-Rohre mit einer Wanddicke von 1 und 2 mm vergleichen.
1 ist eine Schnittansicht, die eine typische Konstruktion eines Tieftemperaturtanks 10 nach dem Stand der Technik zeigt. Wie gezeigt ist, umfasst der zylindrisch geformte Tieftemperaturtank 10 einen Innenbehälter 12 mit einem Aufnahmevolumen 14, der durch einen Außenbehälter oder einen Mantel 16 umgeben ist. Der Innenbehälter 12 ist allgemein von dem Mantel 16 durch eine Vielzahl isolierender Querverankerungen 18 getrennt, die einen Kontakt zwischen dem Innenbehälter 12 und dem Mantel 16 verhindern. Eine Fluidverbindung in und aus dem Aufnahmevolumen 14 wird durch Verwendung eines Einlassdurchlasses 20 bzw. eines separaten Auslassdurchlasses 22 erreicht. Der Hohlraum oder Raum zwischen dem Innenbehälter 12 und dem Mantel 16 wird typischerweise mit einer mehrlagigen Wärmevakuumisolierung 26 gefüllt, wie es in der Technik bekannt ist. Der Mantel 16 dient dazu, ein Vakuum in dem Raum, der den Innenbehälter 12 umgibt, für den effektiven Betrieb der Isolierung 26 aufrechtzuerhalten. Ein typisches Vakuum, das für einen effizienten Betrieb der Vakuumisolierung verwendet wird, liegt bei etwa 7,5 × 10^–5 Torr. Obwohl allgemein kein Vakuum erforderlich ist, um unter Druck stehenden Wasserstoff oder andere Gase bei Umgebungstemperatur zu speichern, ist ein Vakuum, wenn das Aufnahmevolumen 14 mit einem Kryogen gefüllt ist, zur optimalen Isolierung des Tieftemperaturtanks 10 bevorzugt. Der Begriff "Kryogen", der hier verwendet ist, betrifft eine beliebige Substanz in flüssiger Phase, die bei oder unterhalb etwa –160°C bei Standardatmospharendruck siedet. Nicht beschrankende Beispiele von Kryogenen umfassen Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und viele Kühlmittel, die in der Technik üblicherweise bekannt sind.
Wie in 2 gezeigt ist, ist der kompatible Tieftemperaturspeichertank 28 der vorliegenden Erfindung, der nachfolgend auch abgekürzt als Speichertank oder Tank bezeichnet wird, in den meisten Aspekten ähnlich zu einem typischen Tieftemperaturtank, wobei er jedoch das bisherige Zweirohrsystem mit einem separaten und getrennten Einlassdurchlass 20 und Auslassdurchlass 22 durch ein einzelnes Mehrkanalleitungssegment oder Z-förmiges Rohr 30 ("Z-Rohr") ersetzt. Die Kombination der beiden Ein- und Auslassrohre 20, 22 in ein einzelnes Z-Rohr 30 verringert die Wärmeübertragung zwischen dem Innenbehälter und der Umgebung. Die Wärmeübertragung durch das Z-Rohr 30 hängt von einer Anzahl von Faktoren ab. Zunächst ist die Wärmeübertragung abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Verrohrungsmaterials. Zusätzlich ist die Wärmeübertragung direkt proportional zu der Masse des Materials, das für die Herstellung des Z-Rohrs 30 verwendet wird, und ist invers proportional zu seiner Länge. Das Mehrkanal-Z-Rohr 30 der vorliegenden Erfindung besitzt weniger frei liegende Außenoberflächen in Bezug auf die innere Querschnittsfläche, und abhängig von der Wanddicke ist diese freiliegende Oberfläche im Vergleich zu einem Tieftemperaturtank 10 nach dem Stand der Technik mit zwei Rohren für Ein- und Auslassdurchlass 20, 22 um etwa 35 % verringert. Zusätzlich ist die Menge an verwendetem Material, die für die Wärmeübertragung entlang des Rohrs verantwortlich ist, ebenfalls um bis zu 15 % verringert, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Während das Segment des Z-Rohrs 30 in 2 als ein gerades Rohrteil gezeigt ist, das im Wesentlichen mit der Längsachse des Tanks 28 ausgerichtet ist, sei angemerkt, dass das Z-Rohr 30 alternativ dazu eine Vielzahl geringfügiger Krümmungen, Formen und andere Orientierungen abhängig von seiner Anordnung in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen haben kann. Zusätzlich ist das Z-Rohr 30 in einen Seitenabschnitt 32 des Aufnahmevolumens 14 eintretend gezeigt, wobei jedoch angemerkt sei, dass der Tieftemperaturtank 28 der vorliegenden Erfindung auch mit einer Füllung im unteren Bereich oder einer Füllung im oberen Bereich funktioniert, wodurch zugelassen wird, dass das Z-Rohr 30 an dem Tieftemperaturtank 28 an einer Vielzahl geeigneter Stellen befestigt werden kann.
Das Z-Rohr 30 umfasst bevorzugt zumindest einen ersten Kanal 32 oder eine Eingangsleitung zum Transport von gasförmigem oder flüssigem Kryogen von einer Versorgungsquelle zu dem Aufnahmevolumen 14, und einen zweiten Kanal 34 oder eine Austragsleitung zum Transport von Kryogen oder Druckgas von dem Aufnahmevolumen 14 an einen Endverbraucher. Die beiden Kanäle sind voneinander durch eine Trennwand/Innenwand 36 geteilt, die einteilig an dem Z-Rohr 30 ausgebildet ist. Die Trennwand 36 liegt nicht zu der Außenseite des Z-Rohrs 30 frei, wodurch sie nicht wesentlich zu einer Wärmeübertragung von der Umgebung an das Innere des Aufnahmevolumens 14 beiträgt.
Wenn ein Druckgasprodukt von dem Tank abgezogen wird, nimmt der Druck in dem Tank ab, was zur Folge hat, dass sich ein Anteil des Kryogens ausdehnt und als ein Gas wegsiedet. Diese Anordnung funktioniert allgemein gut, wenn nach einem Füllen oder Perioden außer Gebrauch ein hoher Druck vorhanden ist. Wenn jedoch nur eine minimale Menge an Kryogen vorhanden ist oder wenn der Tank mit einem Kryogen mit niedri gerem Druck gefüllt wird, das bei nahezu stationären Druckniveaus arbeitet (wie beispielsweise flüssiges Erdgas), kann es nützlich sein, einen Wärmeübertragungskreislauf in den Tieftemperaturtank zu integrieren. In derartigen Situationen unterstützt eine Quelle für eintretende Wärme die Kryogenverdampfung und gleicht den Produktabfluss aus, so dass der Druck des Tanks nahezu konstant bleibt, sogar wenn nur minimal Kryogen vorhanden ist. Während verschiedene Wärmequellen ausreichen, besteht ein derzeit bevorzugter Weg zur Bereitstellung einer Wärmequelle darin, einen dritten Kanal 38 in das Z-Rohr 30 zu integrieren. Bei einer Ausführungsform ist der dritte Kanal mit Wasserstoff bei einer höheren Temperatur gefüllt, der als ein Heizerkreislauf dient und auf Grundlage des Innendrucks des Innenbehälters 12 aktiviert werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform kann eine elektrische Heizeinrichtung (nicht gezeigt) innerhalb oder um den Innenbehälter 12 herum verwendet werden, wie es in der Technik bekannt ist.
Der erste und zweite Kanal 32, 34 des Z-Rohrs 30 besitzen bevorzugt gleichwertige Querschnittsflächen bezüglich denjenigen der Einlass- und Auslassrohre 20, 22 nach dem Stand der Technik, wodurch ähnliche Volumendurchsätze ermöglicht werden. Bei einer Ausführungsform besitzen beide Kanäle 32, 34 im wesentlichen gleiche Querschnittsflächen. Ein Unterschied ist jedoch, dass anstatt kreisförmiger Querschnitte die Kanäle 32, 34 gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt im Wesentlichen Halbkreisformen besitzen, wodurch sowohl die Außenoberfläche als auch die Rohrmasse minimiert wird, die erforderlich ist, um ein gegebenes Fluidvolumen zu transportieren. Das Z-Rohr 30 besitzt bevorzugt einen Gesamtinnendurchmesser (d_i) zwischen etwa 7 und etwa 20 mm abhängig von dem Soll-Durchfluss und der Menge an Kryogen, die übertragen werden soll. Bevorzugter liegt der Innendurchmesser zwischen etwa 10 und etwa 15 mm. In bestimmten Fällen kann es auch geeignet sein, einen Durchmesser von weniger als 7 mm oder größer als 20 mm zu verwenden. Eine der Hauptbetrachtungen, die die Auswahl des Durchmessers beeinflusst, ist der resultierende Druckabfall, der zwischen dem Innenbehälter und der Austragsleitung auftreten soll. Der Druck innerhalb des Innenbehälters wird typischerweise zwischen etwa 4 und etwa 10 bar gehalten, wobei jedoch auch ein anderer Druck geeignet sein kann. Typischerweise ist ein Typ von Druckregelsystem außerhalb des Tieftemperaturtank 28 vorgesehen, um den Solldruck für den Endverbraucher beizubehalten. Ein Druckregler kann einteilig an dem Tank vorgesehen sein oder kann ein Teil des Endverbrauchersystems sein. Die Wasserstoffströmung durch die Rohre resultiert in einem Druckabfall. Die Höhe des Druckabfalls hängt von dem Durchsatz ab. Der Durchsatz bleibt nicht konstant, wodurch der Durchmesser der Rohre so gewählt ist, dass die Druckregelung vernünftig arbeiten kann.
Die Dicke der Wände des Z-Rohrs beeinflusst direkt den Aufbau der vorliegenden Erfindung. Je dicker die Wände sind, um so mehr Material ist vorhanden und somit in der Lage, Wärme von der Umgebung an den Behälterinnenraum zu übertragen. Es ist daher erwünscht, eine Wanddicke zu haben, die so dünn wie möglich ist. Die Dicke kann teilweise von den Schweißstellen abhängen, die notwendig sind, um das Z-Rohr herzustellen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Es ist vorzugt, eine Wanddicke zwischen etwa 0,5 bis etwa 2 mm zu haben. Bevorzugter ist die Wanddicke kleiner als etwa 1 mm. Es ist auch bevorzugt, dass die Wanddicke entlang des Außenumfangs des Z-Rohrs 30 gleichförmig ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Dicke der Innenwand 36 nach Bedarf geringfügig erhöht oder verringert sein.
Die Länge des Z-Rohrs kann mit der Gesamttankkonstruktion variieren. Bei bestimmten Konstruktionen kann es nützlich sein, das Z-Rohr nur in den kritischen Bereichen der Wärmeübertragung (beispielsweise in der Nähe der Schnittstelle zwischen dem Außenmantel und der Umgebung, wie in 2 gezeigt ist) zu verwenden und dann das Z-Rohr in zwei Leitungen entweder innerhalb des Tanks, außerhalb des Tanks oder beidem zu trennen. Das Aufteilen kann auf eine Vielzahl von Arten erreicht werden, einschließlich der Verwendung von Verbindungsleitungssegmenten, wie beispielsweise eine abgewandelte "Y"-förmige Verbindungsstelle oder Verteileranordnung zum Aufteilen der Strömung, wie es in der Technik bekannt ist. Es sei zu verstehen, dass eine Verteileranordnung so ausgestaltet werden kann, dass sie Fluid oder Gas von so vielen verschiedenen Kanälen, wie in der Z-Rohr-Konstruktion vorhanden sind, verteilen kann. Wie in 3 gezeigt ist, erstreckt sich bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest ein Abschnitt 40 des Z-Rohrs 30, bevorzugt des Versorgungskanals/Kanals 32 zu dem Bodenbereich 42 des Tieftemperaturtanks 28. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht, die ferner einen Verbindungsbereich 44 des Z-Rohrs gemäß einer derzeit bevorzugten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist das Z-Rohr 30 mit einer "Y"-Verbindungsstelle 46 oder Verbindungsleitungssegment verbunden, das dazu dient, das Mehrkanal-Z-Rohr in einzelne Rohre 48, 50 zu teilen. Das Z-Rohr 30 steht bevorzugt über Gewinde mit der "Y"-Verbindungsstelle 46 in Eingriff oder ist anderweitig über eine Verbindung 52 vom Kopplungstyp befestigt.
Das derzeit bevorzugte Material für die Herstellung des Z-Rohrs 30 ist rostfreier Stahl. Vorausgesetzt, dass das Gewicht von kritischer Wichtigkeit ist, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen, wird derzeit vorgeschlagen, dass das Z-Rohr 30 auch aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall und/oder einer anderen Legierung hergestellt werden kann, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Aluminiumlegierungen und deren Mischungen.
Die 5A und 5B zeigen Querschnittsvariationen der Z-Rohrkonstruktion mit zwei bzw. drei getrennten Kanälen. Wie vorher beschrieben wurde, kann es erforderlich sein, einen dritten Kanal 38 zu verwenden, der als Teil eines Heizerkreislaufs wirkt, wenn dies erforderlich ist. Alternative Ausführungsformen können sogar noch mehr Kanäle oder Kanäle mit anwendungs- oder kundenspezifischen Querschnittsflächen enthalten. Wenn mehr als drei Kanäle vorgesehen werden sollen, die eine Fluidverbindung in und aus dem Tieftemperaturtank 28 vorsehen, kann es nützlich sein, mehr als ein Z-Rohr zu verwenden. Beispielsweise wird ein erstes Z-Rohr für eine Kryogenübertragung verwendet, und ein zweites Z-Rohr wird für einen Heizerkreislauf verwendet. Ein beschränkender Faktor bei der Konstruktion ist das für die Herstellung des Z-Rohrs verwendete Verfahren.
Die 6A–6C zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Z-Rohrs aus einem einheitlichen Materialstück 54, das einen endgültigen Querschnitt besitzt, wie in 5A gezeigt ist. Wie vorher erwähnt wurde, ist das Material bevorzugt massiver rostfreier Stahl, wobei alternative Ausführungsformen jedoch auch ein geeignetes mit rostfreiem Stahl plattiertes Material umfassen können. Wie gezeigt ist, wird ein erster Kanal 32 durch Formen eines ersten Endes 56 des Materials und Schweißen einer ersten Dichtung bzw. Versiegelung 58 ausgebildet, wie es in der Technik bekannt ist. Ein zweites Ende 60 wird ähnlicherweise geformt und in einem zweiten Kanal 34 ausgebildet und mit einer zweiten Schweißdichtung 62 gesichert. Ähnlicherweise zeigen die 7A–7E ein Verfahren zum Ausbilden eines Z-Rohrs aus einem einheitlichen Materialstück 54 und mit einem endgültigen Querschnitt, wie in 5B gezeigt ist. Die Erzeugung des dritten Kanals 38 kann zumindest eine zusätzliche Schweißdichtung 64 erfordern, wie in 7E gezeigt ist. Bestimmte Bereiche, wie beispielsweise das Materialsegment 66 zwischen dem ersten und zweiten Kanal 32, 34, können gegebenenfalls mit einem Klebstoff gesichert werden. Es sei ange merkt, dass die verschweißten und klebend gesicherten Bereiche ausreichend miteinander verbunden sein sollten, um den Druck des Niedertemperaturgases auszuhalten, der typischerweise bei etwa 10 bar liegt. Fachleute werden erkennen, dass zahlreiche Variationen des Z-Rohr-Querschnitts verwendet werden können, die dennoch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Wie zuvor beschrieben wurde, minimiert die vorliegende Erfindung durch Kombination der Einlass- und Auslassdurchlässe in eine einzelne Leitung die freiliegende Oberfläche und verringert die Menge an Material, die erforderlich ist, um die Leitung herzustellen, was schließlich die Wärmemenge verringert, die von der Umgebung an den Innenbehälter 12 übertragen werden kann. Die folgenden Daten in den Tabellen 1 und 2 vergleichen den Austausch von zwei gleichwertig bemessenen Einlass- und Auslassrohren mit einem Z-Rohr, wobei die gesamte verfügbare Innenquerschnittsfläche und Wanddicke gleich bleiben. Tabelle 1 nimmt Bezug auf eine Wanddicke von 1 mm, und Tabelle 2 nimmt Bezug auf eine Wanddicke von 2 mm. Die Daten umfassen einen Vergleich sowohl der freiliegenden Oberfläche als auch der Materialmasse, die für jede Wanddicke erforderlich ist.
Das Verhältnis des Umfangs des Rohrs (U) zu der Querschnittsfläche (A) ist definiert durch
wobei d_i der Innendurchmesser ist und d_a der Außendurchmesser ist, der ferner definiert ist als da = 2·s + di, wobei s die Wanddicke ist. Somit gilt für das 2-Rohr-System
Da die kombinierten Querschnittsflächen des 2-Rohr-Systems gleich der Querschnittsfläche des Z-Rohrs sein sollen, d. h. 2·di² = di'² oder di' = di·√2, wobei d_i' der Innendurchmesser des Z-Rohrs ist, gilt für das Z-Rohr
Die Masse des Rohrmaterials, die für jedes Rohrsystem erforderlich ist, ist proportional zu der Querschnittsfläche des verwendeten Rohrmaterials.

Die Querschnittsfläche F kann durch die Beziehung

bestimmt werden, wobei d_i der Innendurchmesser ist und d_a der Außendurchmesser ist, der ferner definiert ist als da = 2·s + di, wobei s die Wanddicke ist. Die Gesamtquerschnittsfläche für beide Rohre in dem 2-Rohr-System kann vereinfacht werden auf F = 2·π·s(di + s). Für das Z-Rohr gilt

wobei d_a' und d_i' der Außen- bzw. Innendurchmesser des Z-Rohrs sind. Da da' = 2·s + di' und di' = di·√2 kann die Gesamtquerschnittsfläche des Rohrmaterials, das für das Z-Rohr erforderlich ist, vereinfacht werden auf F = π·di·s·√2 + π·s² + s·di²·√2.

s	di	U/A	U/A	U/A	F(mm²)	F(mm²)	F(mm²)
mm	mm	2 Rohre	Z-Rohr	Z-Rohr/ 2 Rohre	2 Rohre	Z-Rohr	Z-Rohr/ 2 Rohre
1	4	1,50	0,96	0,638	31,416	26,570	0,846
1	5	1,12	0,73	0,648	37,699	32,427	0,860
1	6	0,89	0,58	0,655	43,982	38,284	0,870
1	7	0,73	0,49	0,661	50,265	44,141	0,878
1	8	0,63	0,42	0,666	56,549	49,998	0,884
1	9	0,54	0,36	0,669	62,832	55,855	0,889
1	10	0,48	0,32	0,673	69,115	61,713	0,893
1	11	0,43	0,29	0,675	75,398	67,570	0,896
1	12	0,39	0,26	0,678	81,681	73,427	0,899
1	13	0,36	0,24	0,679	87,965	79,284	0,901
1	14	0,33	0,22	0,681	94,284	85,141	0,903
1	15	0,30	0,21	0,683	100,531	90,998	0,905
1	16	0,28	0,19	0,684	106,814	96,855	0,907
1	17	0,26	0,18	0,685	113,097	102,712	0,908
1	18	0,25	0,17	0,686	119,381	108,569	0,909
1	19	0,23	0,16	0,687	125,664	114,426	0,911

Tabelle 1

s	di	U/A	U/A	U/A	F(mm²)	F(mm²)	F(mm²)
mm	mm	2 Rohre	Z-Rohr	Z-Rohr/ 2 Rohre	2 Rohre	Z-Rohr	Z-Rohr/ 2 Rohre
2	4	2,00	1,21	0,604	75,398	59,423	0,788
2	5	1,44	0,89	0,615	87,965	71,137	0,809
2	6	1,11	0,69	0,624	100,531	82,852	0,824
2	7	0,90	0,57	0,632	113,097	94,566	0,836
2	8	0,75	0,48	0,638	125,664	106,280	0,846
2	9	0,64	0,41	0,643	138,230	117,994	0,854
2	10	0,56	0,36	0,648	150,796	129,708	0,860
2	11	0,50	0,32	0,652	163,363	141,422	0,866
2	12	0,44	0,29	0,655	175,929	153,137	0,870
2	13	0,40	0,26	0,658	188,496	164,851	0,875
2	14	0,37	0,24	0,661	201,062	176,565	0,878
2	15	0,34	0,22	0,664	213,628	188,279	0,881
2	16	0,31	0,21	0,666	226,195	199,993	0,884
2	17	0,29	0,19	0,668	238,761	211,708	0,887
2	18	0,27	0,18	0,669	251,327	223,422	0,889
2	19	0,25	0,17	0,671	263,894	235,136	0,891

Tabelle 2

Die Vorteile der Verwendung des Z-Rohrs der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem bisherigen 2-Rohr-System sind in den 8 und 9 grafisch dargestellt. 8A zeigt die Verringerung der freiliegenden Oberfläche durch die Darstellung der Aufzeichnung des Verhältnisses des Außenumfangs (U) der Rohre geteilt durch die innere Querschnittsfläche (A) als Funktion des Innendurchmesser (di). 8B zeigt die Verringerung der Menge an Verrohrungsmaterial, das mit dem kombinierten Z-Rohr verwendet wird, im Vergleich zu dem 2-Rohr-System als eine Funktion des Innendurchmessers. Die 8A und 8B zeigen beide ein Z-Rohr mit einer Wanddicke von 1 mm. Die 9A und 9B vergleichen die Verringerung der freiliegenden Oberfläche bzw. der Rohrmasse für Z-Rohre mit einer Wanddicke von sowohl 1 als auch 2 mm.
Zusammengefasst ist ein Z-förmiges Mehrkanalleitungssegment vorgesehen, das derart ausgebildet ist, um ein Tieftemperaturfluid in und aus einem Tieftemperaturspeichertank mit minimaler Wärmeübertragung zu übertragen. Das Leitungssegment umfasst einen ersten Kanal, der dazu dient, eine Tieftemperaturflüssigkeit von einer Versorgungsquelle zu dem Speichertank zu transportieren, und einen zweiten Kanal, der dazu dient, Gas von dem Speichertank an einen Endverbraucher zu transportieren. Die Leitung ist aus einem einzelnen Materialstück hergestellt, so dass der erste Kanal von dem zweiten Kanal getrennt ist.

Claims

Mehrkanalleitungssegment, um Tieftemperaturfluid in und aus einem Tieftemperaturspeichertank (28) mit einem Aufnahmevolumen (14) bei minimalem Wärmeübertritt in das Aufnahmevolumen (14) zu übertragen, wobei das Mehrkanalleitungssegment aufweist: ein Rohr (30) zumindest umfassend einen ersten Kanal (32) zum Transportieren eines Tieftemperaturfluids von einer Versorgungsquelle zu dem Tieftemperaturspeichertank (28) und einen von dem ersten Kanal (32) getrennten zweiten Kanal (34) zum Transportieren von gasförmigem Tieftemperaturfluid von dem Tieftemperaturspeichertank (28) zu einem Endverbraucher, wobei das Rohr (30) mit den zumindest zwei Kanälen (32, 34) als Z- oder Y-Konstruktion durch Biegen aus einem einzelnen Materialstück (54) hergestellt ist.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kanal (32, 34) im Wesentlichen gleiche Querschnittsflächen aufweisen.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kanal (32, 34) im Wesentlichen halbkreisförmig sind.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (30) ferner einen dritten Kanal (38) umfasst.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten und dritten Kanäle (32, 34, 38) im Wesentlichen gleiche Querschnittsflächen aufweisen.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialstück (54) aus einem Metall hergestellt ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: rostfreien Stahl, Aluminium, und Legierungen und Mischungen derselben.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialstück (54) eine Wanddicke von 0,5 bis 2 mm aufweist.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialstück (54) eine Wanddicke von weniger als 1 mm aufweist.
Mehrkanalleitungssegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (30) mit einem Metall ausgekleidet oder plattiert ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die rostfreien Stahl, Aluminium und Legierungen und Mischungen derselben umfasst.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) mit: einem Aufnahmevolumen (14) für ein Tieftemperaturfluid und einem Mehrkanalleitungssegment nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Füllen des Tieftemperaturfluids in das Aufnahmevolumen (14) und zum Austragen des Tieftemperaturfluids aus dem Aufnahmevolumen (14).
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalleitungssegment einen Innendurchmesser zwischen 10 und 15 mm besitzt.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalleitungssegment aus einem einheitlichen Materialstück (54) hergestellt ist.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (32) eine Fluidverbindung zwischen dem Aufnahmevolumen (14) und einer externen Tieftemperaturfluidquelle bereitstellt; und dass der zweite Kanal (34) eine Fluidverbindung zwischen dem Aufnahmevolumen (14) und einer externen Austragsleitung bereitstellt.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz zwischen dem Aufnahmevolumen (14) und der externen Austragsleitung kleiner als etwa 10 bar ist.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalleitungssegment ferner einen Wärmeübertragungskanal (38) umfasst.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Abschnitt des Mehrkanalleitungssegments an einen Bodenbereich des Aufnahmevolumens (14) erstreckt.
Tieftemperaturfluidspeichertank (28) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tieftemperaturfluid Wasserstoff ist.
Verfahren zum Transport eines Tieftemperaturfluids in ein und aus einem Aufnahmevolumen (14), während ein Wärmeübertritt in das Aufnahmevolumen (14) minimiert ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein isolierter Tieftemperaturspeichertank (28) vorgesehen wird, der das Aufnahmevolumen (14) umschließt; ein Mehrkanalleitungssegment nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen wird, womit ein Volumen von Tieftemperaturfluid von der Versorgungsquelle durch den ersten Kanal (32) in das Aufnahmevolumen (14) eingeführt wird; und ein Volumen von gasförmigem Tieftemperaturfluid durch den zweiten Kanal (34) an einen Endverbraucher abgegeben wird.