DE102012020159B4 - Device for repressurizing a tank gas space for liquid hydrogen - Google Patents

Device for repressurizing a tank gas space for liquid hydrogen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Wiederbedrückung eines Tankgasraumes für flüssigen Wasserstoff, wobei ein jeweils aus den Gasräumen der Tanks für den flüssigen Wasserstoff und für flüssigen Sauerstoff (2) gebildetes Gasgemisch verwendet wird, das in einem Brenner verbrannt und aus dem in einem Gas-Heizwärmetauscher die erforderliche Wärmemenge gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Wärmemenge durch einen mit einem Ventilator (5) angetriebenen geschlossenen Kreislauf zwischen dem Gasraum (11) des Tanks für den flüssigen Wasserstoff (1) und dem Gas-Heizwärmetauscher (4) gewonnen wird.A method for Wiederbedrückung a tank gas space for liquid hydrogen, wherein each of the gas spaces of the tanks for the liquid hydrogen and for liquid oxygen (2) formed gas mixture is used, which burned in a burner and recovered from the required amount of heat in a gas heating heat exchanger is, characterized in that the required amount of heat by a fan (5) driven closed circuit between the gas space (11) of the tank for the liquid hydrogen (1) and the gas-heating heat exchanger (4) is obtained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederbedrückung eines Tankgasraumes für flüssigen Wasserstoff, insbesondere für die Wiederzündung des Haupttriebwerks einer Rakete, die mit einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetriebenen wird, durch die Verwendung eines jeweils aus den Gasräumen der Tanks für den flüssigen Wasserstoff und für den flüssigen Sauerstoff gebildeten Gasgemisches, das in einem Brenner verbrannt und aus dem in einem Gas-Heizwärmetauscher die erforderliche Wärmemenge gewonnen wird. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for re-pressurizing a tank gas space for liquid hydrogen, in particular for the re-ignition of the main engine of a rocket, which is driven with a mixture of liquid hydrogen and liquid oxygen, by the use of a respective one of the gas chambers of the liquid hydrogen tank and for the liquid oxygen formed gas mixture which is burned in a burner and from which the required amount of heat is obtained in a gas-heating heat exchanger. Furthermore, it relates to an apparatus for carrying out such a method.

Es stellt eine bereits bekannte Maßnahme dar, zur Vorbereitung der Wiederzündung des Haupttriebwerks einer Rakete, die mit einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetriebenen wird, nach einer Temperaturkonditionierung die Wiederbedrückung des Tankgasraumes des Tanks, in dem der flüssige Wasserstoff gelagert wird, mittels gasförmigem Helium als Bedrückungsgas vorzunehmen. Für diesen Vorgang ist in der Regel vorgesehen, an Bord der Rakete einen Druckgasspeicher für das gasförmige Helium, das bei etwa 400 bar und 290 K gelagert wird, mitzuführen, der bei einer bekannten Anordnung beispielsweise etwa 120 kg wiegt.It is an already known measure, in preparation for the re-ignition of the main engine of a rocket, which is driven with a mixture of liquid hydrogen and liquid oxygen, after a temperature conditioning the re-depression of the tank gas space of the tank in which the liquid hydrogen is stored by means of gaseous Helium as Bedrückungsgas make. For this process is usually provided on board the rocket a compressed gas storage for the gaseous helium, which is stored at about 400 bar and 290 K, carry, which weighs about 120 kg in a known arrangement, for example.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der WO 2012/ 172 238 A1 bekannt geworden. Daneben ist aus der RU 2 159861 C1 eine Anordnung zur Wiederbedrückung eines Tanks für flüssigen Wasserstoff zum Betrieb des Haupttriebwerks einer Rakete, die mit einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetriebenen wird, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 2 bekannt geworden.A method of the type mentioned is from the WO 2012/172 238 A1 known. Besides that is from the RU 2 159861 C1 an arrangement for re-pressurizing a liquid hydrogen tank for operating the main engine of a rocket, which is driven with a mixture of liquid hydrogen and liquid oxygen, having the features of the preamble of claim 2 become known.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass das Gewicht einer mit einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetriebenen Rakete signifikant reduziert wird. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.The object of the invention is to design a method of the aforementioned type such that the weight of a rocket driven by a mixture of liquid hydrogen and liquid oxygen is significantly reduced. Another object of the invention is to provide a device for carrying out such a method.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe dadurch, daß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die erforderliche Wärmemenge durch einen mit einem Ventilator angetriebenen geschlossenen Kreislauf zwischen dem Gasraum des Tanks für den flüssigen Wasserstoff und dem Gas-Heizwärmetauscher gewonnen wird.The invention solves the first object in that in a method according to the preamble of claim 1, the required amount of heat is obtained by a fan driven closed circuit between the gas space of the tank for the liquid hydrogen and the gas heating heat exchanger.

Die weitere Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Die Kompression des wasserstoffreichen Gasgemisches im Tank für den flüssigen Wasserstoff erfolgt dabei erfindungsgemäß über eine isochore Erwärmung, wobei dies vorzugsweise mittels eines Niederdruckgasbrenners geschieht, bei dem die Verwendung eines jeweils aus den Gasräumen der Tanks für den flüssigen Wasserstoff und für den flüssigen Sauerstoff gebildeten Gasgemisches erfolgt, das in dem Niederdruckgasbrenner verbrannt und aus dem auf diese Weise die erforderliche Wärmemenge erzeugt und dem Gas-Heizwärmetauscher sekundärseitig zugeführt wird. Der Antrieb des Lüfters erfolgt entweder mittels eines elektrisch betriebenen Motors oder mittels einer Turbine, die die Restwärme des Heizgases über dessen Expansion nutzt, bevor dieses in das umgebende Weltraum-Vakuum abgelassen wird. Eine Kondensation von Wasser wird bei diesem Vorgang vermieden.The further object is achieved by an arrangement with the characterizing features of claim 2. The compression of the hydrogen-rich gas mixture in the tank for the liquid hydrogen is carried out according to the invention via an isochore heating, which is preferably done by means of a low-pressure gas burner, in which the use of a respectively formed from the gas chambers of the tank for the liquid hydrogen and for the liquid oxygen gas mixture , which is burned in the low-pressure gas burner and generated from the thus obtained in the required amount of heat and the gas heating heat exchanger is supplied to the secondary side. The drive of the fan is either by means of an electrically driven motor or by means of a turbine, which uses the residual heat of the heating gas over its expansion before it is discharged into the surrounding space vacuum. Condensation of water is avoided in this process.

Als Brenner findet in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein vorgemischter oder katalytischer Niederdruckbrenner Verwendung. Die Druckregelung des diesem Brenner zugeführten wasserstoff- und sauerstoffreichen Gases erfolgt mittels zugeordneter Druckregler. Das Mischungsverhältnis wird dabei vorzugsweise durch eine Temperaturmessung des Brenngases geregelt. Bei der Verwendung eines vorgemischten Brenners erfolgt die Zündung vorzugsweise elektrisch mittels Hochspannungselektrode oder Lasers; auch ist durch den Einsatz einer zusätzlichen Elektrode eine Flammenüberwachung mittels einer Ionenstrommessung möglich.The burner used in the preferred embodiment of the invention is a premixed or catalytic low-pressure burner. The pressure control of the hydrogen and oxygen-rich gas supplied to this burner takes place by means of associated pressure regulators. The mixing ratio is preferably regulated by a temperature measurement of the fuel gas. When using a premixed burner ignition is preferably carried out electrically by means of high voltage electrode or laser; It is also possible by the use of an additional electrode flame monitoring by means of an ion current measurement.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zu seiner Durchführung vorgesehene Vorrichtung ersetzen einen ansonsten für die Wiederbedrückung des Tanks für den flüssigen Wasserstoff erforderlichen Hochdruckspeicher für gasförmiges Helium mit einem Gewicht von beispielsweise etwa 120 kg, während das Eigengewicht der Anordnung nach der Erfindung im Bereich von nur etwa 20 bis 30 kg liegt.The inventive method and the device provided for its implementation replace a gaseous helium high pressure accumulator, which is otherwise required for repressurization of the liquid hydrogen tank, having a weight of, for example, about 120 kg, while the dead weight of the arrangement according to the invention is in the range of only about 20 up to 30 kg.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to two illustrated in the drawings embodiments. It shows

1 den schematischen Aufbau einer ersten Anordnung zur Wiederbedrückung eines Tanks für flüssigen Wasserstoff und 1 the schematic structure of a first arrangement for re-pressurizing a tank for liquid hydrogen and

2 den schematischen Aufbau einer zweiten derartigen Anordnung. 2 the schematic structure of a second such arrangement.

Da in den beiden Figuren die gleichen Bauteile – lediglich in einer geringfügig geänderten Anordnung – dargestellt sind, sind diese Bauteile in beiden Figuren mit den jeweils gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Since in the two figures, the same components - only in a slightly different arrangement - are shown, these components are designated in both figures with the same reference numerals.

Die Anordnung zur Wiederbedrückung eines Tanks für flüssigen Wasserstoff zum Betrieb des Haupttriebwerks einer Rakete, die mit einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetrieben wird, umfasst jeweils wenigstens je einen Tank 1 für flüssigen Wasserstoff und einen Tank 2 für flüssigen Sauerstoff. Weiterhin umfasst die Anordnung einen Brenner 3, einen Gas-Heizwärmetauscher 4, einen Ventilator oder Lüfter 5, eine Turbine 6 sowie eine der Turbine 6 nachgeschaltete Blende 7 zum Ablassen des Heizgases in das umgebende Weltraum-Vakuum 8. Vervollständigt wird die Anordnung durch jeweils eine Druckregeleinheit 9 und 10 für das wasserstoff- bzw. das sauerstoffreiche Gas.The arrangement for re-pressurizing a liquid hydrogen tank for operating the main engine of a rocket, which is driven with a mixture of liquid hydrogen and liquid oxygen, each comprises at least one tank each 1 for liquid hydrogen and a tank 2 for liquid oxygen. Furthermore, the arrangement comprises a burner 3 , a gas heating heat exchanger 4 , a fan or fan 5 , a turbine 6 as well as one of the turbine 6 downstream aperture 7 for draining the fuel gas into the surrounding space vacuum 8th , The arrangement is completed by one pressure control unit each 9 and 10 for the hydrogen or the oxygen-rich gas.

Der Unterschied zwischen den in den 1 und 2 dargestellten Anordnungen besteht darin, dass bei der in 1 dargestellten Anordnung die Antriebseinheit 6 für den Ventilator 5 aus einem Elektromotor besteht, während sie bei der in 2 dargestellten Anordnung aus einer Turbine besteht. Letztere ist zwischen dem Gas-Heizwärmetauscher 4 und der Blende 7 zum Ablassen des Heizgases in das umgebende Weltraum-Vakuum 8 angeordnet und wird ihrerseits von diesem Heizgas angetrieben.The difference between those in the 1 and 2 arrangements shown is that in the in 1 illustrated arrangement, the drive unit 6 for the fan 5 consists of an electric motor, while at the in 2 shown arrangement consists of a turbine. The latter is between the gas heating heat exchanger 4 and the aperture 7 for draining the fuel gas into the surrounding space vacuum 8th arranged and in turn is driven by this fuel gas.

Das wasserstoff- und das sauerstoffreiche Gas werden jeweils einem Gasraum 11 bzw. 12 der Tanks 1 für den flüssigen Wasserstoff und 2 für den flüssigen Sauerstoff entnommen. Die Gasdichte des Wasserstoffs im Tankgasraum 11 für den flüssigen Wasserstoff beträgt z. B. vor der Wiederbedrückung 2.03 kg/m3 bei einem Zustand von 22 K und 1.6 bar. Durch eine isochore Erwärmung des Gases erfolgt eine Bedrückung bei konstanter Gasdichte. Bei einer hierfür erforderlichen Druckerhöhung auf über 3 bar erhöht sich die mittlere Temperatur des Wasserstoffgases auf etwa 38 K.The hydrogen and the oxygen-rich gas are each a gas space 11 respectively. 12 the tanks 1 for the liquid hydrogen and 2 taken for the liquid oxygen. The gas density of hydrogen in the tank gas space 11 for the liquid hydrogen is z. B. before repressurization 2.03 kg / m 3 at a state of 22 K and 1.6 bar. By isochore heating of the gas is a depression at a constant gas density. With a pressure increase to more than 3 bar required for this, the average temperature of the hydrogen gas increases to about 38 K.

Das Tankgasvolumen für den flüssigen Wasserstoff beträgt bei einer bekannten Rakete in dieser Flugphase ungefähr 58 m3, was einer Wasserstoffmasse von etwa 116 kg entspricht. Die Enthalpie-Differenz zwischen den beiden Zuständen, d. h. vor und nach der Erwärmung, beträgt 172 kJ/kg. Daraus resultiert eine erforderliche Heizenergie von etwa 20 MJ. Bei einer stöchiometrisch angenommenen Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff beträgt der Heizwert 240 MJ/kmol flüssigen Wasserstoffs, was einer entstehenden Wassermenge von etwa 1,5 kg entspricht. Da die Verbrennung zur Vermeidung von zu hohen Verbrennungstemperaturen sauerstoffarm bei einem Mischungsverhältnis im Bereich von etwa 1 erfolgt, ergibt sich daraus ein zusätzlicher Wasserstoffverbrauch von etwa 1,2 kg. Bei einer Wiederbedrückungszeit von 180 Sekunden ergibt sich damit eine Heizleistung von etwa 110 kW. Da ferner eine Kondensation des Wassers vermieden werden soll, kann der theoretisch mögliche Wert der Verbrennung nicht vollständig ausgenutzt werden, was letztlich zu einer Verbrauchserhöhung um etwa 50 Prozent führt.The tank gas volume for the liquid hydrogen is in a known rocket in this phase of flight about 58 m 3 , which corresponds to a hydrogen mass of about 116 kg. The enthalpy difference between the two states, ie before and after heating, is 172 kJ / kg. This results in a required heating energy of about 20 MJ. In a stoichiometrically assumed combustion of hydrogen and oxygen, the calorific value is 240 MJ / kmol liquid hydrogen, which corresponds to a resulting amount of water of about 1.5 kg. Since the combustion takes place to avoid too high combustion temperatures oxygen poor at a mixing ratio in the range of about 1, this results in an additional hydrogen consumption of about 1.2 kg. With a Wiederbedrückungszeit of 180 seconds, this results in a heating power of about 110 kW. Further, since a condensation of the water to be avoided, the theoretically possible value of the combustion can not be fully utilized, which ultimately leads to an increase in consumption by about 50 percent.

Claims (8)

Verfahren zur Wiederbedrückung eines Tankgasraumes für flüssigen Wasserstoff, wobei ein jeweils aus den Gasräumen der Tanks für den flüssigen Wasserstoff und für flüssigen Sauerstoff (2) gebildetes Gasgemisch verwendet wird, das in einem Brenner verbrannt und aus dem in einem Gas-Heizwärmetauscher die erforderliche Wärmemenge gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Wärmemenge durch einen mit einem Ventilator (5) angetriebenen geschlossenen Kreislauf zwischen dem Gasraum (11) des Tanks für den flüssigen Wasserstoff (1) und dem Gas-Heizwärmetauscher (4) gewonnen wird.Method for repressurizing a tank gas space for liquid hydrogen, wherein in each case from the gas spaces of the tanks for the liquid hydrogen and for liquid oxygen ( 2 ) gas mixture is used, which is burned in a burner and from which the required amount of heat is obtained in a gas heating heat exchanger, characterized in that the required amount of heat by one with a fan ( 5 ) driven closed circuit between the gas space ( 11 ) of the liquid hydrogen tank ( 1 ) and the gas heating heat exchanger ( 4 ) is won. Anordnung zur Wiederbedrückung eines Tanks für flüssigen Wasserstoff zum Betrieb des Haupttriebwerks einer Rakete, die mit einem Gemisch aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetriebenen wird, gemäß dem Verfahren nach Patentanspruch 1, mit wenigstens je einem Tank für flüssigen Wasserstoff, einem Tank für flüssigen Sauerstoff, einem Brenner, einem Gas-Heizwärmetauscher, einem Ventilator sowie einer Antriebseinheit für den Ventilator, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Wärmemenge durch einen vom Ventilator (5) angetriebenen geschlossenen Kreislauf zwischen einem Gasraum (11) des Tanks für den flüssigen Wasserstoff (1) und dem Gas-Heizwärmetauscher (4) zu gewinnen ist.Arrangement for re-pressurizing a liquid hydrogen tank for operating the main engine of a rocket propelled with a mixture of liquid hydrogen and liquid oxygen according to the method of claim 1, comprising at least one liquid hydrogen tank each, a liquid oxygen tank, a burner, a gas-heating heat exchanger, a fan and a drive unit for the fan, characterized in that the required amount of heat by one of the fan ( 5 ) driven closed circuit between a gas space ( 11 ) of the liquid hydrogen tank ( 1 ) and the gas heating heat exchanger ( 4 ) is to win. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (6) für den Ventilator (5) aus einer Turbine besteht.Arrangement according to claim 2, characterized in that the drive unit ( 6 ) for the fan ( 5 ) consists of a turbine. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (6) für den Ventilator (5) aus einem Elektromotor besteht.Arrangement according to claim 2, characterized in that the drive unit ( 6 ) for the fan ( 5 ) consists of an electric motor. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasräume (11, 12) der Tanks für den flüssigen Wasserstoff (1) und für den flüssigen Sauerstoff (2) jeweils über zugeordnete Druckregeleinheiten (9, 10) mit dem Brenner (3) verbunden sind.Arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the gas spaces ( 11 . 12 ) of the liquid hydrogen tanks ( 1 ) and for the liquid oxygen ( 2 ) in each case via assigned pressure control units ( 9 . 10 ) with the burner ( 3 ) are connected. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3) als vorgemischter Niederdruckbrenner ausgebildet ist.Arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that the burner ( 3 ) is designed as a premixed low-pressure burner. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3) als katalytischer Niederdruckbrenner ausgebildet ist.Arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that the burner ( 3 ) is designed as a low-pressure catalytic burner. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3) mittels elektrischer Hochspannungselektrode oder Laser zur Zündung ausgebildet ist.Arrangement according to one of claims 2 to 6, characterized in that the burner ( 3 ) is formed by means of electrical high voltage electrode or laser for ignition.
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