DE102011122352A1

DE102011122352A1 - Tank zur Separation von Flüssigkeiten im Orbit

Info

Publication number: DE102011122352A1
Application number: DE102011122352A
Authority: DE
Inventors: Kei Philipp Behruzi; Nicolas Fries; Burkhard Schmitz; Horst Köhler
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: DE102011122352B4

Abstract

In einem Tank zur Lagerung kryogener Flüssigkeiten oder lagerfähiger Flüssigkeiten für einen Einsatz in Weltraumexperimenten unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit sind zur sicheren Trennung von Gas- und Flüssigkeitsphase Strukturen aus einem schwammartigen Material, insbesondere aus einem Metallschaum, angeordnet, deren Gesamtporenvolumen größer gewählt ist als das Volumen der aufzunehmenden Flüssigkeit. Die Strukturen sind als ineinander liegend angeordnete ringförmige Platten ausgebildet, die im Inneren der zylindrisch ausgebildeten Tanks angeordnet sind. Im Zentrum des Tanks ist eine Entnahmevorrichtung angeordnet, die sich vor den Porenöffnungen des Metallschaums befindet. Für Weltraumexperimente unter Schwerelosigkeit, die den Einsatz kryogener Flüssigkeiten erfordern, kann der Tank zusammen mit einem vorgeschalteten Vorratstank in einem Kryostaten angeordnet werden, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tank zur Trennung einer flüssigen von einer gasförmigen Phase und zur Lagerung von Flüssigkeit für einen Einsatz in Weltraumexperimenten unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, mit einer Zuleitung, durch die eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus beiden in den Tank einleitbar ist, und mit einem Auslass, aus dem reines Gas austritt.
Die in einen solchen Tank, der im Allgemeinen als Separatortank bezeichnet wird, eingebrachte Flüssigkeit wird darin für die Dauer eines Weltraumexperimentes gelagert, wobei die Treibstoffzuhr in diesen Separatortank über einen vorgeschalteten Tank erfolgt. Zur Förderung der im vorgeschalteten Tank enthaltenen Flüssigkeit dient ein Treibgas, üblicherweise ein Inertgas wie Helium (He) oder Stickstoff (N₂), das unter Druck in den vorgeschalteten Tank gepreßt wird und das auf diese Weise die Flüssigkeit, das Gas oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch durch ein Rohrleitungssystem in den Separatortank fördert. Gleichzeitig wird aus dem Separatortank eine entsprechende Menge an Gas abgeführt, wobei diese Gase üblicherweise aus dem Experimentmodul in das im Orbit herrschende Vakuum entlassen werden. Wird jedoch bei diesem Vorgang ein Gas-Flüssigkeitsgemisch aus dem Tank in das Vakuum entlassen, so führen, je nach Mischungsverhältnis, die unterschiedlichen Dichten von Flüssigkeit und Gas zu einem nicht-konstanten Schubprofil, weshalb das Austreiben von Gemischen aus Flüssigkeit und Gas unerwünscht ist.
Für eine sichere Trennung der Gas- und Flüssigkeitsphasen werden in der Raumfahrttechnik bisher die folgenden Verfahren angewandt:

– Durch die Erwärmung des Treibstoffs wird die aus dem Treibstofftank austretende Flüssigkeit verdampft. Dieses Verfahren erfordert einen vergleichsweise hohen Energieaufwand für die Verdampfung der Flüssigkeit.
– Es wird eine zusätzliche Beschleunigung aufgebracht, die bewirkt, dass sich der Treibstoff zum Zeitpunkt der Druckentlastung nicht am Gasauslaß befindet. Dies erfordert eine gerichtete Beschleunigung mittels eines zusätzlichen Antriebssystems, was im Falle eines Experimentes unter Schwerelosigkeit ausgeschlossen ist, da es die Randbedingungen des Experimentes beeinträchtigen würde.

Daneben ist aus der US 40 27 494 A die Verwendung von Phasenseparatoren zur Trennung einer flüssigen von einer gasförmigen Phase bekannt geworden, wobei in dieser bekannten Vorrichtung ein Phasenseparator für Betriebszustände mit geringer Beschleunigung zum Einsatz kommt und die Trennung unter Verwendung supraleitender Magnete erfolgt. Desweiteren beschreibt die US 48 48 987 A einen Phasenseparator, bei dem Pumpen und eine Reihe von Ventilen vorgesehen sind. Schließlich wird bei einem in der US 70 77 885 B2 beschriebenen Phasenseparator ein Propeller verwendet, der ein Flüssigkeits-Gasgemisch in Rotation versetzt und bei dem eine Membran aus Polyethylen oder Nylon die Flüssigkeit, in diesem Fall Wasser, abtrennt. Dieses letztgenannte bekannte System ist für einen Einsatz zusammen mit Brennstoffzellen vorgesehen und eignet sich nicht zur Trennung kryogener Flüssigkeiten. Weitere, aus der US 44 35 196 A und der US 46 17 031 A bekannt gewordene Vorrichtungen sind auf einen Einsatz im Schwerefeld der Erde beschränkt. Daneben ist in der DE 10 2007 005 539 B3 ein System beschrieben, bei dem ein Separator als Bauteil in einem Treibstofftank angeordnet ist, wobei ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch an verschiedenen Stellen des Treibstofftanks ein für die Lagerung vorgesehenes Reservoir erreichen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tank der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass eine sichere Phasentrennung sowohl für kryogene als auch für nicht kryogene Treibstoffe und Flüssigkeiten bei Beschleunigungen, wie sie beispielsweise während eines Weltraumexperimentes auf einer Höhenforschungsrakete auftreten, gewährleistet ist und bei dem die einmal in diesem Tank gespeicherte Flüssigkeit den Tank weder durch den Ein- noch durch den Auslass wieder verlassen kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass in dem Tank Strukturen aus einem schwammartigen Material angeordnet sind, deren Gesamtporenvolumen größer gewählt ist als das Volumen der aufzunehmenden Flüssigkeit.
Durch die Ausbildung des Tanks gemäß der Erfindung wird erreicht, dass die Flüssigkeit kapillar von einem schwammartigen Material, das vorzugsweise aus einem Metallschaum besteht, aufgenommen und in diesem für die Dauer des Experimentes stabil gelagert wird.
Das Volumen des schwammartigen Materials, bei dem es sich in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tanks um Aluminium handelt, ist gemäß der Erfindung größer gewählt als das Volumen der insgesamt aufzunehmenden Flüssigkeit. Das Flüssigkeits-Gas-Gemisch wird, ausgehend von der Eintrittsöffnung, mäandernd durch den als Separatortank wirkenden Tank nach der Erfindung geführt und dabei wird die Flüssigkeit kapillar in das schwammartige Material abgeführt. Vor dem Auslass aus dem Separatortank befindet sich ein Metallgewebe, das verhindert, dass etwaige sich ablösende Partikel des schwammartigen Materials unerwünscht mit in die Auslassöffnung gelangen.
Die Flüssigkeit wird auf diese Weise in dem als Reservoir dienenden Tank zwischengespeichert, wobei sich unter Umständen zunächst in diesem Tank befindliches Treibgas ausgetrieben und durch die Flüssigkeit ersetzt wird. Der Tank ist dabei erfindungsgemäß derart ausgeführt, dass die Flüssigkeit aufgrund von der Kapillarwirkung des Metallschaums in diesem gespeichert wird. Metallschäume eignen sich auch deshalb insbesondere zu der gemäß der Erfindung vorgesehenen Art der Lagerung kryogener Flüssigkeiten, da sie eine sehr geringe strukturelle Masse besitzen, so dass nur wenig strukturelle Masse durch die Flüssigkeit gekühlt werden muss. Weiter wirkt sich der hohe Kapillardruck des Metallschaums positiv aus, so dass Flüssigkeiten auch bei hohen Störbeschleunigungen sicher im Metallschaum gehalten werden können. Die Speicherkapazität ist dann erreicht, wenn die Strukturen aus Metallschaum vollständig mit Flüssigkeit getränkt sind. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß das Volumen des Metallschaums so dimensioniert, dass die maximale Flüssigkeitsmenge geringer als das Porenvolumen des Metallschaumse ist. Die Erfindung eignet sich besonders gut für solche Weltraumexperimente unter Schwerelosigkeit, die den Einsatz kryogener Flüssigkeiten erfordern.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 einen typischen Aufbau einer Tankanordnung für ein Weltraumexperiment mit einem Vorrats- und einem Separatortank in schematischer Darstellung,
2 einen Schnitt durch den Separatortank gemäß 1,
3 einen Schnitt durch ein Detail des Separatortanks gemäß 2,
4 weitere Details des Separatortanks gemäß 2 in perspektivischer Darstellung,
5 eine Darstellung des Strömungsverlaufs durch den Separatortank gemäß 2,
6 eine Prinzipdarstellung der Separation der Flüssigkeit vom Gas in einem Separatortank gemäß 2 und
7 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Separatortank und einem Testtank für eine Verwendung kryogener Flüssigkeiten.
In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der in 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um eine typische Tankanordnung für ein Weltraumexperiment. Dabei ist ein Vorrats- oder Testtank 3 über eine Zuführleitung 2 mit einem Druckgastank 1 verbunden. Mithilfe des Druckgases kann der Testttank 3 entleert werden, so dass entweder Flüssigkeit oder Gas aus dem Testtank 3 abgeführt wird. Die Flüssigkeit oder das Gas werden über die Leitung 4 in einen Separatortank 5 abgeleitet. Dieser Separatortank 5 speichert die eingeleitete Flüssigkeit und führt über eine Leitung 6 und weiter über Entgasungsleitungen 7 das aus dem Separatortank 5 entweichende Gas ab.
Der Aufbau des Separatortanks 5 wird insbesondere aus 2 ersichtlich. Er besteht aus im Fall dieses Ausführungsbeispiels ringförmigen Plattenelementen oder Strukturen 8 aus einem Metallschaum, wobei es sich bei dem Metallschaum in diesem Fall um Aluminium handelt. Diese Strukturen 8 sind in den Separatortank 5 eingesetzt, wobei der Separatortank 5 durch je einen oberen 9 und einen unteren Deckel 10 begrenzt ist und von einem zylindrischen Mantel 11 umschlossen ist. Die hier dargestellte äußere Form des Separatortanks 5 dient dabei nur als Beispiel und kann generell an die geometrischen Verhältnisse in einem Raumflugkörper angepasst werden.
Der in 3 im Detail dargestellte Einlaufbereich in den Separatortank 5 besteht aus einer Zuführleitung 12, die in einen umlaufenden Einspritzkanal 13 mündet. Dieser Einspritzkanal 13 ist in Richtung des zylindrischen Mantels 11 durch einen Spalt 14 mit dem Inneren des Separatortanks 5 verbunden.
In die Strukturen 8 aus Metallschaum sind, von Struktur zu Struktur alternierend, im Bereich des unteren 10 und oberen Deckels 9 Ausnehmungen 15 eingebracht, wie dies aus 4 ersichtlich ist. Die Darstellung gemäß 2 zeigt ferner, dass im Zentrum des Separatortanks 5 eine Hülse 16 angeordnet ist, die sich vor den Porenöffnungen 17 in der Struktur 8 aus Metallschaum befindet. Im Inneren der Hülse 16 befindet sich wiederum eine weitere Hülse 18 aus einem Metallgewebe, die mit einem Auslass 19 des Separatortanks 5 verbunden ist. Diese Hülse aus Metallgewebe 18 hat die Funktion einer Sieb- oder Filterkartusche, d. h., etwaige Verschmutzungen nachgeschalteter, in den Figuren nicht dargestellter Geräte oder Ventile durch Partikel werden durch diese Hülse 18 vermieden.
Nachfolgend soll der Separationsprozess, der zu einer Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch führt, näher erläutert werden. Dazu ist in 5 der Strömungsverlauf 20 durch den Separatortank 5 dargestellt. Die Separation der Flüssigkeit vom Gas erfolgt durch das kapillare Eindringen der Flüssigkeit 21 in die schwammartigen Strukturen 8 aus Metallschaum, wie dies in 6 gezeigt ist. Der mit Flüssigkeit getränkte Bereich des Metallschaums ist dabei in 6 durch einen gestrichelt dargestellten Bereich 22 gekennzeichnet. Mit zunehmender Flüssigkeitsmenge dringt die Flüssigkeit 21 immer weiter in die schwammartigen Strukturen 8 aus Metallschaum ein. 6 stellt einen solchen Zustand während des Eindringprozesses exemplarisch dar. Die Linien 23 kennzeichnen dabei die momentane Grenze zwischen Flüssigkeit (gestrichelter Bereich 22) und Gas (im Rest des Metallschaums). Die Strömungsrichtung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches ist durch den Pfeil 24 gekennzeichnet.
Ist das Porenvolumen der schwammartigen Strukturen 8 aus Metallschaum mindestens so groß gewählt wie die Gesamtmenge der eindringenden Flüssigkeit 21, so erfolgt eine vollständige Speicherung der Flüssigkeit im Metallschaum. Um eine etwa konstante Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeits-Gas-Gemisches 24, und damit ein gleichmäßiges Eindringen der Flüssigkeit 21 in die schwammartigen Strukturen 8 aus Metallschaum zu gewährleisten, wird der Querschnitt 20 zwischen den einzelnen Metallschaum-Strukturen entsprechend angepasst. Dieser Querschnitt 20 zwischen den einzelnen Metallschaum-Strukturen wird in Strömungsrichtung 24 immer breiter. Entsprechend werden auch die Ausnehmungen 15 in den schwammartigen Strukturen 8 aus Metallschaum in Richtung auf das Zentrum des Separatortanks 5 immer tiefer, wie dies aus den 4 und 5 hervorgeht.
Der vorangehend beschriebene Separatortank ist sowohl für kryogene als auch für nicht-kryogene Flüssigkeiten geeignet. Die Darstellung gemäß 7 zeigt abschließend eine Anordnung, in der der Separatortank 5 für kryogene Flüssigkeiten verwendet wird. Dabei ist wichtig, dass die Temperatur des Separatortanks 5 nahe der Flüssigkeitstemperatur liegt. Deshalb wird in diesem Fall der Separatortank 5 zusammen mit dem Testbehälter 3 im Inneren eines Kryostaten 25 angeordnet, in dem ferner Heizer 26 vorgesehen sind. Schließlich sind in dieser Figur schematisch je eine Gaszuführvorrichtung 27 sowie eine Gasentnahmevorrichtung 28 eingezeichnet.
Der Separatortank 5 wird zu Beginn mit Flüssigkeit gefüllt, deren Temperatur sich durch Vorgabe eines entsprechend der Sättigungskurve vorgegebenen Druckes einstellen lässt. Die Flüssigkeit verdampft daraufhin mit der Zeit, so dass der Separatortank 5 zu Beginn der eigentlichen Verwendung kryogene Temperaturen annimmt. Ist die Flüssigkeit vollständig verdampft, so ist der Separator verwendbar. Zur Beschleunigung des Verdampfungsprozesses ist zusätzlich eine Heizvorrichtung 26 vorgesehen, die der Vorbereitung des Separatortanks 5 dient.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4027494 A [0004]
US 4848987 A [0004]
US 7077885 B2 [0004]
US 4435196 A [0004]
US 4617031 A [0004]
DE 102007005539 B3 [0004]

Claims

Tank zur Trennung einer flüssigen von einer gasförmigen Phase und zur Lagerung von Flüssigkeit für einen Einsatz in Weltraumexperimenten unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit, mit einer Zuleitung, durch die eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus beiden in den Tank einleitbar ist, und mit einem Auslass, aus dem reines Gas austritt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tank (5) Strukturen (8) aus einem schwammartigen Material angeordnet sind, deren Gesamtporenvolumen größer gewählt ist als das Volumen der aufzunehmenden Flüssigkeit (21).
Tank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwammartige Material aus einem Metallschaum besteht.
Tank nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum aus Aluminium besteht.
Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er durch je einen oberen (9) und einen unteren Deckel (10) begrenzt ist und von einem zylindrischen Mantel (11) umschlossen ist.
Tank nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführleitung (12) in einen umlaufenden Einspritzkanal (13) mündet, der in Richtung des zylindrischen Mantels (11) durch einen Spalt (14) mit dem Inneren des Tanks (5) verbunden ist.
Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (8) als ineinander liegend angeordnete ringförmige Platten ausgebildet sind.
Tank nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (8) alternierend an gegenüberliegenden Enden mit Ausnehmungen (15) versehen sind.
Tank nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Ausnehmungen (15) gebildeten Strömungsquerschnitte bezüglich des Strömungsverlaufes (20) konstant sind.
Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in seinem Zentrum eine Hülse (16) mit einer Entnahmevorrichtung (19) angeordnet ist, die sich vor den Porenöffnungen (17) in der schwammartigen Struktur (8) befindet.
Tank nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmevorrichtung (19) durch eine Siebkartusche (18) vom Inneren des Tanks (5) abgetrennt ist.
Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das er zur Aufnahme kryogener Flüssigkeiten zusammen mit einem vorgeschalteten Vorratstank (3) in einem Kryostaten (25) angeordnet ist.
Tank nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kryostaten (25) eine Heizvorrichtung (26) vorgesehen ist.