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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und
Förderung
von Kraftstoff, insbesondere zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug
antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird neben der
DE 37 41 145 C2 auf die
DE 40 41 170 C1 verwiesen.
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Kraftstoffe
zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas
oder dgl. Können, um
die geforderten volumetrischen und gravimetrischen Speicherdichten
zu erreichen, praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespeichert werden.
Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft jedoch durch
Wärmeeintrag
in den Kraftstoff-Tank kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff.
Dadurch erhöht
sich der Druck im Kraftstoff-Tank, bis der für diesen eingestellte Grenzwert,
auch Boil-Off-Druck genannt, erreicht ist und der weiter verdampfende
Kraftstoff als so genanntes Boil-Off-Gas aus dem Kraftstoff-Tank
abgeblasen werden muss. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff
in Betrieb ist, d.h. insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine
außer
Betrieb ist, steigt als Folge des Wärmeeintrags ohne Entnahme der
Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von
Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das Boil-Off-Gas über Abblaseleitungen,
in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben.
Die Wahl des Betriebsdrucks im Kraftstoff-Tank und des Druckhubs
zwischen Betriebsdruck und Boil-Off Druck bestimmen neben der Größe des Wärmeeintrags
maßgeblich
die verlustfreie Druckaufbauzeit.
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Der
tiefkalte, flüssige
Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden oder nahe dem siedenden Zustand
in dem thermisch sehr gut isolierten, druck dichten Behälter gespeichert.
Die physikalische Dichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch
Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei
Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten
Vorratsbehältern
liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21
K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von
ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor. Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt
der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend
als gasförmige
Phase (GH2) vor. Es ist sowohl eine gasförmige als auch eine flüssige Entnahme
des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter möglich und sinnvoll. Durch Wasserstoffentnahme
im Betrieb des Speichers bei Versorgung der Brennkraftmaschine nach
einer Druckaufbauphase wird der Speicherdruck bis zum Erreichen
des Speicher-Betriebsdrucks ohne gezielten Wärmeeintrag abgebaut. Wegen
der bei Flüssigentnahme
geringeren Enthalpieabfuhr und des dadurch bedingten langsameren Druckabbaus
ist hierfür
eine Entnahme aus der Gasphase (Gasentnahme) sinnvoll.
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Die
unmittelbare Förderung
des Wasserstoffs aus dem Vorratsbehälter in eine Vorlaufleitung hin
zu einem Konditionierer oder Verbraucher erfolgt also im einfachsten
Fall über
das zwischen Tankinnerem und der Umgebung anliegende statische Druckgefälle oder
durch eine gezielte Bedrückung
des Vorratsbehälters.
Dabei besteht grundsätzlich
die Möglichkeit
durch die geometrische Gestaltung der im Tankinneren beginnenden
Vorlaufleitung, vorrangig LH2 oder nur GH2 zu fördern. Die Wasserstoffbereitstellung
in Masse und Druck erfolgt also durch den Eigendruck des Wasserstoffs
im Tankbehälter
und wird dem Antriebsaggregat durch Öffnen verschiedener Ventile
unter Entnahme-Volumenstrom-abhängigen
Druckverlusten zugeführt.
Eine Temperaturkonditionierung erfolgt in einem Wärmetauscher
außerhalb
des isolierten Speicherbehälters.
Ein durch die Entnahme von Wasserstoff im Betrieb der Kraftstoffversorgungsanlage
entstehender Druckeinbruch im Tankbehälter wird durch gezielten Wärmeeintrag, entweder
mittels Rückführung eines
Teilstroms des entnommenen aufgewärmten Wasserstoffs in eine
in den Tankbehälter
führende
geschlossene Innentankwärmetauscherschleife
und dort stattfindenden Wärmetausch
mit anschließender
Re-Konditionierung und Bereitstellung für das Antriebsaggregat, oder mittels
eines entnahmeunabhängigen
Heizkreislaufs (z.B. elektrischer Heizer) verhindert.
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Darüber hinaus
ist bekannt, dass zur Erhöhung
der Druckaufbauzeit und zur Reduktion der Abdampfrate die thermisch
wirksame Masse innerhalb der isolierten Tankstruktur entlang der
Wärmeein- und
-ausströmpfade
erhöht
werden kann. Diese Maßnahme
kann auch kombiniert werden z.B. mit einer im isolierten Bereich
liegenden Einrichtung zur Kühlung,
entsprechend
DE 40
41 170 C1 , die ebenfalls dem Zweck dient, die zur Erwärmung des
abströmenden
GH2 bis maximal auf Umgebungstemperaturniveau erforderliche Enthalpie
zu speichern und als lokale Wärmesenke
für in
den Tank eindringende Wärmemengen
aufzubrauchen. Zur Verlängerung
der verlustfreien Druckaufbauzeit kann also eine Wärmesenke
Anwendung finden, die im Entnahmebetrieb durch den über die
vorhandene Entnahmeleitung angekoppelten, kalt entnommenen Wasserstoff
gekühlt
wird und insbesondere in den Betriebspausen, während der Druckaufbauzeit,
Wärme aus
dem angekoppelten Kühlschild
aufnimmt.
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Außerdem ist
aus der eingangs genannten
DE
40 41 170 C1 eine Einrichtung zur Verringerung der Boil-Off-Gase
mittels eines gekühlten
Strahlungsschilds bekannt, das den Wärmeeinfall in den Behälter mit
dem kryogen gespeicherten Kraftstoff verzögert. Um den gesamten Wärmeeinfall
in den Behälter so
gering wie möglich
zu halten, sind alle für
die Betankung und Motorversorgung erforderlichen Ventile außerhalb
des Tanks in einer separaten Steuereinheit untergebracht. Diese
für sich
vakuumisolierte Ventilkombination enthält die Anschlüsse für die Betankung
und ist mit dem Fahrzeugtank bzw. der zum Motor führenden
Kraftstoffleitung über
lösbare,
vakuumisolierte Leitungen verbunden. Ferner ist in der
DE 37 41 145 C2 ein Entnahmesystem
für Flüssigwasserstoff
beschrieben, mit einer außerhalb
eines Speichertanks befindlichen Fördereinheit, deren Förderpumpe
einen Kühlspeichermantel
aufweist, der vom druckseitig aus der Förderpumpe austretenden Wasserstoff
gebildet wird.
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Die
Komponenten, die während
des Betriebes von flüssigem
oder gasförmigem
Wasserstoff von ca. 23 K durchströmt werden, müssen, um
den Wärmeeintrag
und somit die Verdampfung des flüssigen
Wasserstoffes so gering wie möglich
zu halten, gut isoliert werden. Weiterhin ist die Verflüssigung von
Luft an den kalten Oberflächen
der Komponenten zu vermeiden. Neben einer separaten Steuereinheit
ist aus verschiedenen Veröffentlichungen
auch die Unterbringung dieser Komponenten im Behältervakuum, zwischen Innenbehälter und
Außenbehälter bekannt.
Durch die Unterbringung dieser Komponenten im Behältervakuum
zwischen Innenbehälter
und Außenbehälter wird
die dort ebenfalls befindliche Strahlungsisolation und das Kühlschild
gestört
und ihre Isolationswirkung verringert. Weiterhin wird die Montage
der Isolation hierdurch erschwert und somit aufwändig und teuer. Die Isolation
des Kryobehälters wird
durch die Auslagerung der Komponenten aus dem Vakuumraum des Behälters in
eine separate Steuereinheit in einem zusätzlichen Vakuumraum nicht mehr
gestört
und somit in ihrer Isolationswirkung verbessert. Die Komponenten
im zusätzlichen Vakuumraum
können
gewartet werden ohne das Vakuum des Kryobehälters zu brechen und somit
eine teure Neuevakuierung des Kryobehälters zu verursachen. Außerdem sind
durch die Verlagerung der Komponenten potentielle Leckagestellen,
die zu einem Vakuumverlust führen
können,
außerhalb
des Behältervakuums.
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Als
nächstliegender
Stand der Technik beschreibt die
EP 411 505 B2 ein Verfahren und einen Apparat
zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten,
bei dem eine Wärmesenke
im Wärmeaustausch
mit einem Wärmeschild
vorgesehen ist und sich die Wärmesenke
zwischen Außengefäß und Innengefäß befindet.
Ein solcher Kryotank ist nicht einfach und preiswert herzustellen
und besitzt keine optimale Isolierung, da die Anordnung der Wärmesenke im
Vakuumraum zwischen Außengefäß und Innengefäß die dort
untergebrachte Vielschichtisolation stört und somit deren Isolationswirkung
negativ beeinträchtigt.
Weiterhin verhindert diese Anordnung eine automatisierte Montage
der Vielschichtisolation. Der erhebliche Montageaufwand für die Vielschichtisolation
führt zu
erheblichen Montagekosten.
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Eine
Abhilfemaßnahme
für die
geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Nach
der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur kryogenen Speicherung
und Förderung
von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere
einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, mindestens
einen Kryotank, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter zur
Aufnahme des kryogenen Mediums, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten
wird, ein kühlbares Kühlschild
zwischen Innenbehälter
und Außenbehälter des
Kryotanks, eine Wärmesenke,
die als Wärmeenergiespeichereinrichtung
mit dem Kühlschild
in Wärme übertragendem
Kontakt steht und eine Befüll- und
Entnahmeeinrichtung, mit mindestens einer den Außenbehälter durchdringenden, in den
Innenbehälter
mündenden
Leitung, mindestens zum Befüllen
mit bzw. zur Entnahme von kryogenem Medium, wobei die Wärmesenke
mit der Leitung für
das kryogene Medium in Wärme übertragendem
Kontakt steht, um unter Wärmeabgabe
den Wärmeeintrag
aus der Umgebung in den Innenbehälter
zu verringern. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Innenbehälter
eine Ausnehmung besitzt, in der mindestens die Wärmesenke und die Leitung für das kryogene Medium
so untergebracht sind, dass diese sich im wesentlichen innerhalb
der Umfangskontur des Innenbehälters
befinden.
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Durch
die Anordnung der Leitung für
das kryogene Medium und der Wärmesenke
in der Ausnehmung, bezeichnet teilweise auch als Rohrleitungsmodul,
kann die Vielschichtisolation im Vakuumraum zwischen Innenbehälter und
Außenbehälter einfacher
von Hand oder automatisiert montiert werden. Hierdurch werden vorteilhafterweise
die Montagekosten reduziert. Die Vielschichtisolation umgibt ungestört den gesamten
Innenbehälter,
was eine gute Isolation bewirkt.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ausschließlich mit
einer Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium in
wärmeübertragendem
Kontakt steht. Das hat den Vorteil, dass das Kühlschild über die Wärmesenke aktiv gekühlt werden
kann, was wiederum während
der Betriebspausen, in der verlustfreien Druckaufbauzeit, den Wärmeeintrag
aus der Umgebung in den Innenbehälter minimiert.
Denn durch die alleinige Ankopplung der Leitung zur Entnahme von
gasförmigem
kryogenem Medium, also der Gasentnahme- und Boil-Off Leitung, an
die Wärmesenke,
wird deren Kühlung
während
der Gasentnahme, während
des Boil-Offs und während
der Betankung (durch Rückgas)
gewährleistet.
Dies dient weiterhin zur Verlängerung
der verlustfreien Druckaufbauzeit und zur Verlängerung der damit und mit der
Größe des Boil-Off-Massenstroms verbundenen
Standzeit bis zur fast völligen
Entleerung des Speichers, durch Kühlung des Kühlschilds. Dies kann auch direkt
durch Ankopplung der Gasentnahmeleitung an das Kühlschild oder, wie bereits
beschrieben, via eines Puffers in Form einer Wärmesenke geschehen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke
eine oder mehrere durchgängige
Hohlräume,
insbesondere Durchgangsbohrungen, besitzt, an deren Ein- und Ausgang
die Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium dichtend
angeschlossen ist.
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Wenn
die Wärmesenke
so in die Leitung zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium eingebunden
ist, hat das den Vorteil, dass das entnommene kryogene Medium direkt
durch die metallische Wärmesenke
strömt.
Der Widerstand für
den Wärmeübergang
durch die Rohrwand der Entnahmeleitung entfällt dadurch und der Wärmeübergang
von der metallischen Wärmesenke
auf das kryogene Medium wird verbessert. Dies führt zu einer schnelleren Abkühlung der
Wärmesenke
und der angebundenen Kühlschilder.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die, insbesondere sacklochartige, Ausnehmung im
Innenbehälter
eine Verschneidung des Innenbehälters
mit einem Zylinder.
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Eine
solche Innenbehälterkonstruktion,
mit integriertem so genannten Rohrleitungsmodul, in dem neben der
angesprochenen Entnahmeleitung auch weitere notwendige Leitungen
und die Wärmesenke
angeordnet werden, hat den Vorteil dass sie einfach herstellbar
ist. Des weiteren ist sowohl für
die Isolationswirkung, als auch für einen einfachen Aufbau des
Kryotanks von Vorteil, wenn alle in den Innenbehälter führenden Leitungen durch dessen
Verschneidungsfläche
mit der Ausnehmung geführt
sind.
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Wenn
dann die Wärmesenke
mit ihrem einen Ende die Umfangskontur des Innenbehälters so
weit überragt,
dass dieses mit dem Kühlschild
eine wärmeübertragende
Verbindung bildet, kommt diese weitere Ausführungsform einem einfachen
Kryotankaufbau noch mehr entgegen. Dazu kann die Wärmesenke
mit ihrem einen Ende auf einfache Weise über Schrauben und/oder Nieten
mit dem Kühlschild, das
sich innerhalb der Vielschichtisolation zwischen Innenbehälter und
Außenbehälter befindet,
gut wärmeübertragend
verbunden sein.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein weiteres Kühlschild
Leitungen innerhalb der Ausnehmung umgibt und mit der Wärmesenke
verbunden ist. Dadurch wird der Wärmeeintrag dieser Leitungen
auf den Innentank reduziert. Durch diese Anordnung wird die Isolation
des Innenbehälters
durch die Wärmesenke weniger
gestört
und die Isolationswirkung nicht negativ beeinflusst.
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Eine
bevorzugte Ausführung
der Erfindung sieht vor, dass zum Entleeren und Befüllen des
Kryotanks mindestens drei Leitungen vorgesehen sind, die vom Innenbehälter, durch
die Ausnehmung im Innenbehälter,
aus dem Außenbehälter heraus
in einen Armaturenbehälter
geführt
sind, wobei die erste Leitung für
die Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend in flüssiger Form
aus dem unteren Bereich des Kryotanks, die zweite Leitung für die Entnahme von
kryogenem Medium vorwiegend in gasförmiger Form aus dem oberen
Bereich des Kryotanks und die dritte Leitung für die Rückführung des Mediums als Warmgas
in den oberen Bereich des Kryotanks vorgesehen sind. Der, insbesondere
vakuumisolierte und/oder evakuierte, Armaturenbehälter enthält kalte Armaturen
zum Befüllen
und Entleeren des Kryotanks. Dabei kann die Behälterwand des Armaturenbehälters, insbesondere
an deren Innenseite, mit einer Wärmeisolationsschicht
versehen sein.
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So
entsteht ein für
die Wartung sehr vorteilhafter Aufbau der Vorrichtung zur kryogenen
Speicherung und Förderung
von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers.
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Wenn
der Armaturenbehälter
in dieser weiteren vorteilhaften Ausführungsform vakuumisoliert und/oder
evakuiert ist und/oder dessen Behälterwand, insbesondere an deren
Innenseite, mit einer Wärmeisolationsschicht
versehen ist, können
vorteilhafterweise Förderorgane
und Armaturen im Armaturenbehälter
besonders einfach und lange kalt gehalten werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, ist
der Armaturenbehälter über mindestens
eine, insbesondere trennbare, Kupplungsvorrichtung mit dem Kryotank
verbunden, wobei durch die Kupplungsvorrichtung dichte Verbindungen
zwischen aus dem Kryotank und aus dem Armaturenbehälter heraus
führenden
Leitungen hergestellt werden.
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Das
hat den Vorteil, dass die Verbindungseinrichtung zwischen Kryotank
und Armaturenbehälter
zuverlässig,
einfach und preiswert hergestellt werden kann und eine Flüssigförderung
des kryogenen Mediums im Armaturenbehälter aufgrund der Nähe zum Kryotank
möglich
ist, da das flüssig
entnommene kryogene Medium vorher nur gering erwärmt wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Kupplungsvorrichtung aus einem kryotankseitigen
Kupplungsteil und einem armaturenbehälterseitigen Kupplungsteil
besteht, wobei das kryotankseitige Kupplungsteil am Außenbehälter angebracht
ist. Auf diese vorteilhaft einfache Weise ist der Armaturenbehälter sicher über die
Kupplungsvorrichtung am Außenbehälter fixiert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass der Armaturenbehälter mindestens eine weitere
Anschlussstelle, insbesondere zum Befüllen des Kryotanks und/oder
zur Versorgung des Verbrauchers, besitzt, die über mindestens eine weitere,
insbesondere lösbare,
Kupplungsvorrichtung mit mindestens einem Anschlussteil, insbesondere mit
einer Betankungskupplung und/oder mit einem Wärmetauscher und/oder mit einer
Nebensystemkapsel, dichte Verbindungen zwischen aus dem Armaturenbehälter und
dem Anschlusssteil heraus führenden
Leitungen hergestellt werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sehen vor, dass im Armaturenbehälter eine Fördereinrichtung, wenigstens
zur Entnahme von flüssigem
kryogenem Medium aus dem Kryotank, untergebracht ist, die auch noch
durch einen weiteren Wärmetauscher
gekühlt
werden kann.
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Durch
den Einsatz einer solchen kalten Fördereinrichtung im Armaturenbehälter mit
Flüssigentnahme
wird eine Bereitstellung von Drücken
bis ca. 20bara für
eine Brennkraftmaschine bei gleichzeitig niedrigem Druck im Wasserstoffspeicherbehälter möglich. Dies
erlaubt eine effiziente Versorgung der Brennkraftmaschine bei Bedarf
(z.B. im Volllastbetrieb) und gleichzeitig eine durch den niedrigeren Speicherdruck
erhöhte
Wasserstoffmasse im Speicher (bei niedrigerem Befüllenddruck)
sowie eine durch den wachsenden Druckhub zwischen dem Speicherdruck
und Boil-Off Druck erhöhte
verlustfreie Druckaufbauzeit. Vorteilhaft ist, wenn die Fördereinrichtung
eine Förderpumpe
ist, die eine geringe Wärmekapazität besitzt.
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Die
erste Leitung, die Flüssigentnahmeleitung
unterliegt durch nicht-Ankopplung
an die Wärmesenke
keinem den optimalen Betrieb der Förderpumpe störenden Wärmeintrag
aus der Wärmesenke und
dem angekoppelten Kühlschild.
Die kombiniert nutzbare Befüll-
und Rückgasleitung
zur Druckerhaltung, die dritte Leitung, ist ebenfalls nicht an die
Wärmesenke
angekoppelt. Dies garantiert eine schnellere Befüllung durch verminderte Wärmeeinträge in die Befüllleitung
während
des Befüllens
und verhindert eine störende
Erwärmung
der Wärmesenke
während der
Warmgasrückführung zur
Druckerhaltung.
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Eine
weiterhin für
die Druckerhöhung
vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher
zwischen Armaturenbehälter
und Verbraucher geschaltet ist.
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Wenn
dann ein Druckspeicher für
gasförmiges
kryogenes Medium vorgesehen ist, der so, insbesondere in Verbraucherrichtung
nach dem Wärmetauscher,
zwischen Armaturenbehälter
und Verbraucher geschaltet ist, dass aus dem Druckspeicher sowohl
der Verbraucher, als auch der Kryotank mit unter Druck stehendem
gasförmigen
kryogenen Medium versorgt werden kann, hat das den Vorteil, dass eine
Dämpfung
von Druckschwankungen durch den Einsatz der Förderpumpe und den Wechsel zwischen den
Betriebsmodi Gasentnahme und Flüssigentnahme
mit Druckbereitstellung durch die Förderpumpe stattfindet. Zudem
kann der Druckspeicher zusammen mit einem zusätzlichen Pufferbereich im Ausgang
der Kaltleitung des Armaturenbehälters
dazu dienen, eine Restmenge Wasserstoff zu speichern, mit dem bei
fehlender Verfügbarkeit
einer Wasserstoffkonditionierung (z.B. fehlende Wärme beim
Kaltstart) ein Starten der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden kann.
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Dass
der Kryotank mit unter Druck stehendem gasförmigen kryogenen Medium versorgt
werden kann hat weiterhin den Vorteil, dass durch Erzeugung von
gezielten Ungleichgewichtszuständen
im Innenbehälter
Bedrückungseffekte
auf die Flüssigphase
und damit eine Unterkühlung
des Wasserstoffs rund um die Flüssigentnahmevorrichtung
gefördert
werden. Dies verbessert die flüssige
Beschickung der Förderpumpe.
Die Bedrückungseffekte können insbesondere
auch während
des Kaltfahrens von Teilen der Kraftstoffversorgungsanlage in Betriebspausen
vor Betriebsbeginn genützt
werden. Sehr von Vorteil ist in dieser Hinsicht eine Ausführungsform der
Erfindung, bei der die Leitung zur Bedrückung des flüssigen kryogenen
Mediums, also die dritte Leitung, am Leitungsende im Kryotank mit
einem Diffusor versehen ist.
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Erst
der Einsatz einer Förderpumpe
zur Rückführung von
Warmgas während
der Druckhaltephasen ermöglicht
den Betrieb eines Diffusors anstelle einer geschlossenen Innentankwärmetauscherschleife.
Dies erspart eine Rückleitung
und damit Wärmeeintrag
in Betriebspausen, was zu längeren
Druckaufbauzeiten führt.
Gleichzeitig weist die Erfindung nur mehr einen zentralen Zugang
von unten in den Innenbehälter
auf, was zusätzliche
Wärmebrücken vermeidet,
thermische Schichtung mindert (thermische Schichtung im Innenbehälter nur
bei Wärmebrücken von
oben) und nur noch eine lösbare Zentralkupplung
erforderlich macht.
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Dabei
ist, bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die zweite Leitung an den weiteren Wärmetauscher
angeschlossen, um die Fördereinrichtung
zu kühlen.
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Die
Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung der
Fördereinrichtung
hängt von
einem ausreichend hohen Anteil der flüssigen Wasserstoffphase bei
Eintritt in die Fördereinrichtung
und Vermeidung von Verdampfung durch Eigenwärme der Fördereinrichtung ab. Die Kühlung der
Fördereinrichtung
in ihren Betriebspausen während
der Gasentnahme oder im Boil-Off wird dabei durch Ankopplung der
Gasentnahmeleitung an die Fördereinrichtung über den
weiteren Wärmetauscher
gesichert.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite
Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung oder nach dem
weiteren Wärmetauscher
zusammengeführt
sind und dass zwischen der Befüllleitung
und einer Rückgasleitung
eine Verbin dungsleitung besteht, die die Befüllleitung mit der Rückgasleitung
verbindet, wenn die Betankungskupplung nicht zur Betankung benutzt
wird.
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Der
Einsatz der so angeschlossenen kalten Förderpumpe ermöglicht das
Kaltfahren des Befüllstranges
einschließlich
des Einfüllrohrs
und der Befüllkupplung
durch Rückführung von
kryogenem Medium in den Innenbehälter
und dadurch ohne Notwendigkeit zur Verwendung oder Abfuhr des für das Kaltfahren
benötigten
kryogenen Mediums. Das beschriebene Kaltfahren verkürzt die
Befüllzeit
und kann die beim Befüllen
anfallenden Rückgasverluste verringern.
Der beschriebene Kaltfahrvorgang kann vorteilhafterweise ebenso
dazu benutzt werden, die Förderpumpe
selbst kalt zu fahren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung steht die erste Leitung und/oder die zweite Leitung
oder die Zusammenführung
aus erster und zweiter Leitung in Verbraucherrichtung nach der Fördereinrichtung
oder nach dem weiteren Wärmetauscher
mit dem Wärmetauscher
in Wärme übertragendem
Kontakt. Ferner ist die dritte Leitung zum Befüllen des Kryotanks über eine
Befüllleitung
mit der Betankungskupplung verbunden.
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Durch
eine solche vorteilhafte Verschaltung der Leitungen kann der Diffusor
für die
Befüllung
und für
die Druckhaltung durch Warmgasrückführung genutzt
werden. Während
der Betankung dient der Diffusor zur gezielten Verteilung des eingefüllten Flüssigwasserstoffs
und im Flüssigentnahmebetrieb
wird zur Druckerhaltung im Kryotank rückgeführtes angewärmtes Wasserstoffgas im Gasraum
verteilt, um so eine Versorgung der Förderpumpe mit unterkühltem flüssigen Wasserstoff
zu gewährleisten.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung
in Verbraucherrichtung nach dem weiteren Wärmetauscher und vor einer Zusammenführung mit der
ersten Leitung eine Abzweigleitung in die Betankungskupplung besitzt,
die während
einer Betankung als Rückgasleitung
aus dem Kryotank durch dessen Befüllung verdrängtes gasförmiges kryogenes Medium zur
Betankungskupplung führt.
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Durch
Verwendung der zweiten Leitung, der Gasentnahmeleitung, als Rückgasleitung
während des
Befüllvorgangs
wird wegen deren thermischer Ankopplung über den weiteren Wärmetauscher
an die Fördereinrichtung
eine verbesserte Verfügbarkeit der
vollen Förderleistung
nach einem Betankungsvorgang gewährleistet.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Leitung,
in Verbraucherrichtung, nach dem weiteren Wärmetauscher eine Abzweigleitung
zu einem Druckentlastungsventil angeschlossen ist, das beim Erreichen
eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck,
zum Abblasen gasförmigen
Mediums aus dem Kryotank, öffnet.
Außerdem
ist an die zweite Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor dem
weiteren Wärmetauscher,
eine Abzweigleitung zu einem ersten Überdruck-Sicherheitsventil
angeschlossen, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem
Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank, öffnet. Zusätzlich kann an
die erste Leitung, insbesondere in Verbraucherrichtung vor der Fördereinrichtung,
eine Abzweigleitung zu einem zweiten Überdruck-Sicherheitsventil angeschlossen
sein, das beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, zum
Abblasen von kryogenem Medium GH2, LH2 aus dem Kryotank, öffnet.
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Durch
die Verfügbarkeit
von Sicherheitsventilen an der Gasentnahmeleitung und an der Flüssigentnahmevorrichtung
wird vorteilhafterweise die sichere Abführung von ausreichenden Wasserstoffmengen
im Fehlerfall/Sicherheitsfall (z.B. starke Degradation der Isolation)
auch in Überkopflagen
verbessert, ohne die Leitungsquerschnitte der in den Innenbehälter führenden
Leitungen vergrößern zu müssen. Dies
führt zu
einer Verringe rung des Wärmeeintrags
in Betriebspausen und damit zur einer erhöhten verlustfreien Druckaufbauzeit.
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Bei
weiteren vorteilhaften Ausführungsformen
der Erfindung ist die Flüssigentnahmeleitung
an eine Umschalteinrichtung angebunden, die bis zum weitgehenden
Entleeren des Kryotanks für
eine Entnahme flüssigen
Wasserstoffs LH2 sorgt. Solche, an sich aus dem Stand der Technik
bekannten Einrichtungen, sorgen dafür, dass bei einer Neigung des Kryotanks
die Entnahme dort stattfindet, wo sich das flüssige Medium befindet.
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Außerdem ist
der Armaturenbehälter
vorteilhaft so platziert, dass sich die Fördereinrichtung unterhalb oder
auf gleicher Höhe
von Leitungsöffnungen
für die
flüssige
Entnahme im unteren Bereich des Kryotanks befindet. Dies fördert die
flüssige
Beschickung und erspart einen Schwelltopf bzw. vermeidet Kavitation.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
weiter erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen schematisch dargestellten Längsschnitt
eines erfindungsgemäßen Behälters zur
Speicherung eines kryogenen Mediums mit einer erfindungsgemäßen Entnahme-
und Befülleinrichtung.
Erfindungswesentlich können
sämtliche näher beschriebenen
Merkmale sein. Die gesamte Kraftstoffversorgungsanlage für kryogenen
Wasserstoff (und ähnliche
Fluide) besteht aus einem isolierten Speicherbehälter mit Kühlschild und Wärmesenke
inklusive einer an die Wärmesenke
angebundenen Gasentnahmeleitung sowie einer Vorrichtung für Flüssigentnahme
und einer als Diffusor ausgeführten kombinierten
Betankungs- und warmen Rückgasleitung
zur Druckerhaltung im Entnahmebetrieb, mit einem sekundären Vakuummodul
inklusive Absperrventilen und einer kühlbaren kryogenen Förderpumpe
zur Druckbereitstellung, mit einem Wärmetauschermodul zur Temperierung
des entnommenen druckkonditionierten Wasserstoffs, mit einem Nebensystemmodul
inklusive Pufferbehälter
gegen Druckspitzen, mit Sicherheitsleitungen an Flüssig- und Gasentnahmeleitung
und mit einem vor dem Befüllvorgang
kühlbaren
Einfüllrohr
mitsamt Befüllkupplung.
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In
einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank 40 zur
Speicherung von Flüssigwasserstoff
LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer
das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine,
angekoppelt an einen Antriebsaggregatseingang 14. Der Kryotank 40 ist
ein Behälter,
bestehend aus einem druckfesten Innenbehälter 1, gelagert über eine
nicht gezeichnete Lagerungseinrichtung in einem Außenbehälter 4,
mit dazwischen liegender Isolationsschicht und einem in dieser eingebetteten
Kühlschild 2.
Mit dem Kühlschild 2 ist
eine Wärmesenke 3 als Wärmespeichereinrichtung
thermisch leitend verbunden, die als Pufferspeicher für die durch
die Isolation eindringende Wärme
aus der Umgebung dient. Die Wärmesenke 3 befindet
sich in der primären
Isolationszone, in einer Ausnehmung 41 des Innenbehälters 1,
in die auch alle Zugänge
zum Innenbehälter 1 münden, die
von dort über
eine am Außenbehälter 4 angebrachte,
lösbare
Zentralkupplung 5 aus diesem herausgeführt werden. Über die
Zentralkupplung 5 ist ein vakuumisolierter Armaturenbehälter 6,
der kalte Armaturen zum Befüllen
und Entleeren des Kryotanks 40 enthält, als sekundäres isoliertes
Kaltmodul, an den Außenbehälter 4 angekoppelt,
und die Zugänge
zum Innenbehälter 1 werden über die
Zentralkupplung 5 aus dem Außenbehälter 4 heraus in den Armaturenbehälter 6 hinein
geführt,
wobei durch die Kupplungsvorrichtung 5 dichte Verbindungen
zwischen aus dem Kryotank 40 und aus dem Armaturenbehälter 6 heraus
führenden
Leitungen 20, 42, 43 hergestellt werden.
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Dabei
besteht die Kupplungsvorrichtung 5 aus einem kryotankseitigen
Kupplungsteil 5a und einem armaturenbehälterseitigen Kupplungsteil 5b, wobei
das kryotankseitige Kupplungsteil 5a am Außenbehälter 4 angebracht
ist.
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Der
Armaturenbehälter 6 besitzt
zwei weitere Anschlussstellen, eine zum Befüllen des Kryotanks 40 und
eine zur Versorgung des Verbrauchers, wobei diese über jeweils
eine weitere, insbesondere lösbare,
Kupplungsvorrichtung 46, 47 mit jeweils einem Anschlussteil,
einer Betankungskupplung 24 und einem Wärmetauscher 10 bzw.
einer Nebensystemkapsel 11, dichte Verbindungen zwischen
aus dem Armaturenbehälter 6 und
dem Anschlusssteil heraus führenden
Leitungen 22, 26, 27 hergestellt werden.
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Dabei
ist der Armaturenbehälter 6 so
platziert, dass sich eine Förderpumpe 9 unterhalb
oder auf gleicher Höhe
von Leitungsöffnungen
für die
flüssige
Entnahme im unteren Bereich des Kryotanks 40 befindet.
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Es
ist zum Befüllen
und Entleeren des Kryotanks 40 eine Befüll- und Entnahmeeinrichtung
mit drei Zugängen
zum Innenbehälter 1 vorgesehen. Diese
drei Leitungen sind vom Innenbehälter 1,
durch dessen Ausnehmung 41, die sich im wesentlichen innerhalb
der Umfangskontur des Innenbehälters 1 befindet
und in der auch noch die Wärmesenke 3 untergebracht
ist, aus dem Außenbehälter 4 heraus,
in den Armaturenbehälter 6 geführt, wobei
eine erste Leitung 43 der Entnahme von kryogenem Medium vorwiegend
in flüssiger
Form aus dem unteren Bereich des Kryotanks 40 dient. Eine
zweite Leitung 20 dient der Entnahme von kryogenem Medium
vorwiegend in gasförmiger
Form aus dem oberen Bereich des Kryotanks 40 und eine dritte
Leitung 42, deren Leitungsende im Kryotank 40 mit
einem Diffusor 18 versehen ist, dient zur Rückführung des
Mediums als Warmgas in den oberen Bereich des Kryotanks 40 und
während
der Befüllung
des Kryotanks 40 als Befüllleitung.
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Es
sind alle in den Innenbehälter 1 führenden Leitungen 20,42,43 durch
dessen Verschneidungsfläche 50 mit
der zylindrischen Ausnehmung 41 geführt. Zur Verbindung des Kühlschilds 2 mit
der Wärmesenke 3 überragt
diese mit ihrem einen Ende die Umfangskontur des Innenbehälters 1 so
weit, dass diese mit dem Kühlschild 2 durch
nicht gezeichnete Schrauben verbunden, eine wärmeübertragende Verbindung bildet.
Durch ein weiteres, kleineres Kühlschild 51,
das die zweite und die dritte Leitung 20, 42 innerhalb
der Ausnehmung 41 teilweise umgibt und mit der Wärmesenke 3 verbunden
ist, wird der Wärmeeintrag
dieser Leitungen 20, 42 auf den Innenbehälter 1 reduziert.
Durch diese Anordnung wird die Isolation des Innenbehälters 1 durch
die Wärmesenke 3 nicht
gestört
und die Isolationswirkung nicht negativ beeinflusst.
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Aus
dem Kryotank 40 wird, über
einen Flüssigentnahmeumschalter 7,
bei Volllastanforderung durch die Brennkraftmaschine oder im Teillastbetrieb, bei
Unterschreiten des für
die Brennkraftmschine notwendigen niedrigsten Versorgungsdrucks
im Kryotank 40, kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Phase
LH2 über
die erste Leitung 43 entnommen und an der Wärmesenke 3 vorbei, über ein
im Armaturenbehälter 6 sitzendes
Kaltventil 8 zu der kalten Förderpumpe 9 für vorwiegend
flüssigen
Wasserstoff geführt.
Diese komprimiert den flüssigen
Wasserstoff LH2 auf das für
die Brennkraftmaschine bei Volllast- bzw. Teillastbetrieb vorgesehene
Druckniveau. Der komprimierte Wasserstoff wird über eine Hauptentnahmeleitung 22 durch
ein Puffervolumen 31 in einen zweiten Wärmetauscher 10 geführt, dort temperiert
und über
einen in einer Nebensystemkapsel 11 sitzenden Druckspeicherbehälter 12,
der der Dämpfung
von Druckschwankungen dient, und ein Absperrventil 13 zum
Antriebsaggregatseingang 14 geführt.
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Bei
unzulässigem
Unterschreiten eines Mindestdrucks im Innenbehälter 1, wird durch Öffnen eines
Regelventils 16 eine über
eine Drossel 15 geregelte Menge des aufgewärmten Entnahmemassenstroms
in eine Befüllleitung 17 eingeleitet
und dort über
die Zentralkupplung 5, durch eine dritte Leitung 42,
vorbei an der Wärmesenke 3,
in den im Innenbehälter 1 befindlichen,
für Befüllung und
Druckerhaltung durch Rückführung genutzten
Diffusor 18 geführt,
der den warmen gasförmigen
Wasserstoff GH2 im Innenbehälter 1 verteilt
und dem Kryotank 40 so die zum Druckerhalt notwendige Wärme zuführt. Die Anordnung
des Diffusors 18 im oberen Bereich des Innenbehälters 1,
der mehrheitlich von der Gasphase des gespeicherten Wasserstoffs
GH2 eingenommen wird, dient einer gezielten Herstellung eines Ungleichgewichts
im gespeicherten Wasserstoff und führt so idealerweise durch Druckanstieg
zu einer Unterkühlung
des flüssigen
Wasserstoffs LH2 im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung. Die
entstehende Unterkühlung
kann dazu beitragen, dass der der kalten Förderpumpe 9 zugeführte Wasserstoff trotz
Wärmeaufnahme
in den Zuleitungen zur Förderpumpe 9,
die Förderpumpe 9 in
weitgehend flüssigem
Zustand erreicht und so zu einem effizienten Betrieb der Förderpumpe 9 beiträgt. Des
weiteren trägt das
so erzeugte Ungleichgewicht im gespeicherten Wasserstoff zu Beginn
von Betriebspausen zu einem Druckabfall durch erst verzögert einsetzende
langsame Annäherung
an den Sättigungszustand
(Vermischung) und sich einstellendem Gleichgewicht bei und erhöht so idealerweise
den Druckhub und damit die verlustfreie Druckaufbauzeit im Kryotank 40,
bis zum Erreichen eines Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, bei dem
gasförmiges
Medium GH2 aus dem Kryotank 40 abzublasen ist.
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Im
Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, bei Drücken im Innenbehälter 1 oberhalb
des niedrigsten Versorgungsdrucks für Teillastbetrieb ist eine Wasserstoffentnahme
in gasförmiger
Phase GH2 vorgesehen, um wegen der bei Gasentnahme höheren Enthalpieabfuhr
aus dem Innenbehälter 1 den Druck
im Innenbehälter 1 bis
zum Mindestdruck reduzieren zu können.
Dafür wird
durch Öffnen
eines im Armaturenbehälter 6 befindlichen
Kaltventils 19, gasförmiger
Wasserstoff GH2, getrieben durch den Druck im Innenbehälter 1, über die
in den Innenbehälter 1 ragende
zweite Leitung 20 für
Gasentnahme aus dem Innenbehälter 1 entnommen,
durch die Wärmesenke 3,
die ausschließlich
mit der zweiten Leitung 20 zur Entnahme von gasförmigem kryogenem Medium
in wärmeübertragendem
Kontakt steht, und die Zentralkupplung 5 in den Armaturenbehälter 6 geführt. Dort
kühlt der
gasförmige
Wasserstoff GH2 durch einen ersten Wärmetauscher 21 die
sich bei Gasentnahme nicht in Betrieb befindliche, kalt zu haltende
Förderpumpe 9 und
wird nach dem Kaltventil 19, stromabwärts der Förderpumpe 9, der Hauptentnahmeleitung 22 zugeführt. Weiter
im zweiten Wärmetauscher 10 temperiert
und via Druckspeicherbehälter 12 und
Absperrventil 13 in der Nebensystemkapsel 11 zum
Antriebsaggregatseingang 14 geleitet.
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Das
Befüllen
des Kryotanks 40 mit kryogen gespeichertem Wasserstoff
wird über
eine Betankungskupplung 24 am Armaturenbehälter 6 durchgeführt. Vor
einem Befüllvorgang
wird mit Hilfe der kalten Förderpumpe 9 der
komplette Befüllstrang
inklusive Diffusor 18, Befüllleitung 17, Einfüllrohr 23 und Betankungskupplung 24 durch
Kreisförderung „kalt gefahren", um so den anschließenden Befüllvorgang zu
beschleunigen und Rückgasverluste
zu verringern. Dazu werden die Kaltventile 8 und 25 geöffnet und
die Förderpumpe 9 in
Betrieb genommen. Dadurch wird Wasserstoff aus der flüssigen Phase
LH2 über
die erste Leitung 43 aus dem Kryotank 1 über die
Zentralkupplung 5 und das Kaltventil 8, durch
die Förderpumpe 9 und
die Verbindungsleitung 45 zwischen Rückgasleitung 26 und
betankungskupplungsseitiger Befüllleitung 27,
dann über
das Kaltventil 25 und die Befüllleitung 17, zurück in den
Innenbehälter 1 gefördert.
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Ein ähnlicher
Kaltfahrvorgang kann dazu benutzt werden, die Förderpumpe 9 bei Bedarf
selbst kalt zu fahren. Dazu wird wie im Falle des Kaltfahrens des
Betankungsstrangs das Kaltventil 8 geöffnet und die Förderpumpe 9 in
Betrieb genommen. Anstatt des Kaltventils 25 wird aber
das Kaltventil 19 geöffnet und
das aus der Förderpumpe 9 austretende
Gas über
den ersten Wärmetauscher 21 und
die zweite Leitung 20 zurück in den Innenbehälter 1 geführt.
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Der
Befüllvorgang
selbst, über
die Betankungskupplung 24 und das Einfüllrohr 23, wird eingeleitet
durch Ankoppeln einer füllstationsseitigen Kupplung
an die Befüllkupplung 24 am
Armaturenbehälter 6,
wodurch die Rückgasleitung 26 und
die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27 von einander
getrennt werden, indem die Verbindungsleitung 45 unterbrochen
wird. Durch Öffnen
des Kaltventils 25 zur Befüllung und des Kaltventils 19 für Rückgas wird
kryogen gespeicherter Wasserstoff in flüssiger Form LH2 von der Befüllstation
durch die betankungskupplungsseitige Befüllleitung 27, über Kaltventil 25,
Befüllleitung 17,
Zentralkupplung 5 und Diffusor 18 im Innenbehälter 1 verteilt.
Gleichzeitig wird über
die zweite Leitung 20 für
Gasentnahme, die Wärmsenke 3,
die Zentralkupplung 5, den ersten Wärmetauscher 21, das
Kaltventil 19 und die Rückgasleitung 26 Rückgas zur
Druckabsenkung im Innenbehälter 1 an
die Befüllstation
rückgeführt. Dabei wird über das
durch den ersten Wärmetauscher 21 strömende Rückgas die
Förderpumpe 9 gekühlt. Dies
dient einer schnellen Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung
nach Beendigung des Befüllvorgangs bei
Inbetriebnahme der Wasserstoftversorgungsanlage zur Versorgung der
Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.
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Während längerer Betriebspausen
der Wasserstoffversorgungsanlage steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch
stetigen Wärmeeintrag
aus der Umgebung über
den Außenbehälter 4,
die Isolation, das Kühlschild 2 und
den Innenbehälter 1 in
den dort gespeicherten flüssigen
Wasserstoff LH2, der die Wärme
in Verdampfung umsetzt. Bei Erreichen des Boil-Off Drucks öffnet ein
Druckentlastungsventil 28 und gasförmiger Wasserstoff GH2 wird über die
zweite Leitung 20 zur Gasentnahme, die Wärmsenke 3, die Zentralkupplung 5 und
den ersten Wärmetauscher 21 in
eine Boil-Off Leitung 32 abgeführt. Dabei kühlt der
abgeführte
Wasserstoff neben der Wärmesenke 3 mit
dem Kühlschild 2 auch
die Förderpumpe 9 über den
ersten Wärmetauscher 21.
Dies dient einer schnellen Verfügbarkeit
der vollen Förderleistung nach
einer Betriebspause, bei Inbetriebnahme der Wasserstoffversorgungsanlage
zur Versorgung der Brennkraftmaschine im Volllastbetrieb.
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Im
Falle eines plötzlichen
starken Wärmeeintrags
in den Innenbehälter 1,
durch Beschädigung der
Isolation oder andere Fehlerfälle,
steigt der Druck im Innenbehälter 1 durch
zunehmende Verdampfung flüssigen
Wasserstoffs LH2 stark an. Da in einem solchen Fall die Abfuhr einer
ausreichenden Menge Wasserstoffs durch die Boil-Off Leitung 32 nicht
möglich
ist, öffnen
die Überdruck-Sicherheitsventile 29 und 30 bei
Erreichen des jeweiligen Druckniveaus für das jeweilige Sicherheitsventil 29, 30.
Dabei ist das zuerst ansprechende Sicherheitsventil 29 an
die zweite Leitung 20, die Gasentnahmeleitung, angekoppelt
und das Sicherheitsventil 30 an die erste Leitung 43 der
Flüssigentnahmevorrichtung.
So wird garantiert, dass auch im Falle einer Überkopflage, mit flüssigem Wasserstoff
LH2 im Bereich der Öffnung der
zweiten Leitung 20, der Gasentnahmeleitung, ausreichend
gasförmiger
Wasserstoff GH2 aus der dann im Bereich der Flüssigentnahmevorrichtung vorliegenden
Gasphase über
das Sicherheitsventil 30 abgeführt werden kann.