DE102012207575A1

DE102012207575A1 - Versorgung einer Pumpe mit kryogener Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102012207575A1
Application number: DE201210207575
Authority: DE
Inventors: Fritz Papmahl; Julian Terpitz; Chaojie Zhang
Original assignee: TGE Gas Engineering GmbH
Current assignee: TGE Gas Engineering GmbH
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013167637A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer Pumpe mit kryogener Flüssigkeit insbesondere als Treibstoff für ein Flugzeug sowie eine Vorrichtung und einen Behälter zur Durchführung des Verfahrens. Als kryogener Treibstoff wird vorzugsweise Flüssiggas wie Flüssigerdgas, also LNG, verwendet. Für eine im Behälter oder außerhalb eines Behälters vorgesehene Pumpe ist der Zustand der kryogenen Flüssigkeit im Behälter entscheidend für ein Pumpen insbesondere im Hinblick auf die Ansaugfähigkeit der kryogenen Flüssigkeit. Im Gegensatz zu Kerosin, welches weit unterhalb des Siedepunktes im Flugzeug gelagert wird, kann beispielsweise ein Flüssigerdgas, das als siedende Flüssigkeit im Behälter vorliegt, nicht problemlos angesaugt werden. Um eine zuverlässige Versorgung der Pumpe (4) zu erreichen, wird eine kryogene Flüssigkeit (2) in einem Behälter (1) bereitgestellt und mit einer Pumpe aus dem Behälter entnommen. Ferner wird der Behälter zur verbesserten Entnahme der kryogenen Flüssigkeit mit einem Druck vorzugsweise einem Druck größer als ein Sättigungsdampfdruck der kryogenen Flüssigkeit beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer Pumpe mit kryogener Flüssigkeit insbesondere als Treibstoff für ein Flugzeug sowie eine Vorrichtung und einen Behälter zur Durchführung des Verfahrens. Als kryogener Treibstoff wird vorzugsweise Flüssiggas wie Flüssigerdgas, also LNG, verwendet.
Für den Antrieb von Flugzeugen mittels kryogener Treibstoffe spielt Flüssigerdgas (LNG) als Ergänzung oder Ersatz von Kerosin eine wichtige Rolle. Flüssigerdgas wird in der Regel bei Temperaturen um –160°C und nahe beim Atmosphärendruck von 1 bar (abs.) gelagert. Dies ist die Gleichgewichtstemperatur zwischem dem Gasgemisch und dem im Behälter vorhandenen absoluten Druck, so dass es sich dabei um eine Lagerung als siedende Flüssigkeit handelt.
Für eine im Behälter oder außerhalb eines Behälters vorgesehene Pumpe ist der Zustand der kryogenen Flüssigkeit im Behälter entscheidend für ein Pumpen insbesondere im Hinblick auf die Ansaugfähigkeit der kryogenen Flüssigkeit. Wird die Pumpe als Treibstoffpumpe für ein Flugzeug verwendet, so wird die kryogene Flüssigkeit wie Flüssigerdgas in der Regel auf einen Druck von mehr als 40 bar erhöht und einem Flugzeugtriebwerk zugeführt. Im Gegensatz zu Kerosin, welches weit unterhalb des Siedepunktes im Flugzeug gelagert wird, kann beispielsweise ein Flüssigerdgas, das als siedende Flüssigkeit im Behälter vorliegt, nicht problemlos angesaugt werden. Beim Ansaugen kann im Saugstutzen der Pumpe ein Druck unterhalb des Lagerdruckes entstehen. Dies führt bei Flüssigerdgas durch Sieden zu einer Dampfbildung und damit zu einem Flüssigkeitsabriss. Ein Ansaugen der Pumpe unterhalb des Gleichgewichtsdrucks entsprechend einer Lagertemperatur der kryogenen Flüssigkeit ist demnach nicht möglich. Für eine Pumpe steht demnach lediglich die Füllhöhe im Behälter zur Verfügung, d. h. der Druck der Flüssigkeitssäule (NPSH – Net Positive Suction Head).
Insbesondere bei einer Verwendung der Pumpe als Treibstoffpumpe kann der Druck der Flüssigkeitssäule (NPSH) aufgrund von Turbulenzen beim Flug oder dem Passieren von „Luftlöcher” gegen Null gehen, so dass ein sicherer Betrieb eines Flugzeugs gefährdet ist.
Aus der Druckschrift US 5,163,409 geht ein Erdgas Zuführsystem für ein Fahrzeug hervor, bei dem ein Tank für eine verbesserte Zufuhr von Hochdruckerdgas zu einem Verbraucher mit komprimierten Erdgas (CNG) unter Druck gesetzt wird. Die Zuführung von Hochdruckerdgas zu den Verbraucher erfolgt jedoch ohne eine Pumpe.
Die Druckschrift US RE 35,874 beschreibt ein LNG Zuführsystem für ein Fahrzeug, welches zwei LNG Tanks für die Versorgung von LNG zu einem Motor aufweist. Ein automatisches Überbrücksystem wird vorgesehen, um bei einem zu hohen Druck in einem LNG Tank, ungeachtet des ausgewählten Tankes eine Gasentnahme aus dem Tank mit übermässigem Druck zu ermöglichen. Die Zuführung des LNGs zum Verbraucher erfolgt dabei ohne eine Pumpe.
Die Versorgung einer Pumpe mit kryogener Flüssigkeit insbesondere Flüssigerdgas (LNG) als Treibstoff für ein Flugzeug stellt besondere Anforderungen nicht nur hinsichtlich der wärmetechnischen Konstruktion wegen der extrem niedrigen Temperaturen, sondern vor allem auch hinsichtlich einer zuverlässigen Treibstoffversorgung.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Versorgung einer Pumpe mit kryogener Flüssigkeit insbesondere als Treibstoff für ein Flugzeug zu entwickeln.
Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren zur Versorgung einer Pumpe die Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Vorrichtung ferner die Merkmale des Nebenanspruchs. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein besonders angepasster Behälter vorgeschlagen, der inbesondere geeignet ist, in Flugzeugen für den Betrieb mit kryogenen Treibstoffen wie z. B. Flüssigerdgas nachgerüstet zu werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine kryogene Flüssigkeit insbesondere Flüssigerdgas in einem Behälter bereitgestellt und mit einer Pumpe aus dem Behälter entnommen. Zur verbesserten Entnahme der kryogenen Flüssigkeit wird der Behälter mit einem Druck vorzugsweise einem Druck größer als ein Sättigungsdampfdruck der kryogenen Flüssigkeit beaufschlagt.
Wird beispielsweise bei einem Sättigungsdruck von 2,5 bar (abs.) der Behälterinnendruck auf wenigstens 3 bar (abs.) erhöht, so wird der Druck der Flüssigkeitssäule (NPSH) für eine intern oder extern am Behälter vorgesehene Pumpe dementsprechend erhöht, so dass ein Verdampfen der kryogenen Flüssigkeit beim Ansaugen durch die Pumpe verhindert werden kann. Auf diese Weise kann die Ansaugfähigkeit der kryogenen Flüssigkeit wie Flüssigerdgas, die regelmäßig als siedende Flüssigkeit im Behälter vorliegt, verbessert werden. Der erhöhte Behälterinnendruck steht insbesondere auch bei veränderter Gravitationskraft, also wenn beispielsweise auf den Behälter mit Inhalt keine bemerkbare Gravitation wirkt, zur Verfügung. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Pumpe zur Treibstoffversorgung an Bord eines Flugzeugs betrieben wird, das regelmäßig starken Gravitationsänderungen wie Turbulenzen ausgesetzt ist.
In einer Ausführung wird zur Druckbeaufschlagung des Behälters ein Verdampfer vorgesehen, der dem Behälter vorgelagert ist und ein verdampftes Gas insbesondere in den oberen Bereich des Behälters zuführt.
Insbesondere kann hierzu ein Teil der gelagerten kryogenen Flüssigkeit verwendet werden, so dass kein zusätzliches Gas vorgehalten werden muss.
In einer Ausführung wird zur Druckbeaufschlagung des Behälters ein Druckbehälter vorzugsweise in Form einer Druckflasche vorgesehen, der dem Behälter vorgelagert ist und ein komprimiertes Gas insbesondere in den oberen Bereich des Behälters zuführt. Bei einer kryogenen Flüssigkeit wie Flüssigerdgas wird bevorzugt verdampftes Methan und/oder komprimiertes Methan zur Druckbeaufschlagung verwendet. Es ist auch vorteilhaft, ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon zur Druckbeaufschlagung zu verwenden.
Die Verwendung von Methan zur Druckbeaufschlagung von Flüssigerdgas hat den Vorteil, dass Methan ausreichend zur Verfügung steht und kein zusätzlicher Gasbehälter bereitgestellt werden muss. Optional kann zur Druckbeaufschlagung des Behälters ein Verdichter vorgesehen werden, so dass ein Gas wie Methan bedarfsgerecht verdichtet und zur Druckbeaufschlagung zugeführt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es in einer ersten Phase bevor ein Verdampfer in Betrieb ist, beispielsweise beim Start einer Pumpe, ein komprimiertes Gas wie Methan oder Stickstoff zur Erhöhung des Behälterinnendrucks zuzuführen und anschließend auf den Verdampfer zur Druckbeaufschlagung zu welchseln. Der Verdampfer führt vorzugsweise verdampftes Methan, insbesondere gespeist aus dem Behälter zur Lagerung des Flüssigerdgases, zu. Hierdurch kann von vornherein ein ausreichender Überdruck im Behälter zur sicheren Versorgung einer Pumpe erzeugt werden und durch den anschließenden Wechsel auf den Verdampfer zur Druckbeaufschlagung in effizienter Weise aufrechterhalten werden.
Um eine besonders kompakte Anordnung der Vorrichtung zu erhalten, ist es bevorzugt die Pumpe zur Entnahme der kryogenen Flüssigkeit im Inneren des Behälters vorzusehen. Auf diese Weise sind keine aufwendigen Dichtungsmaßnahmen für die Pumpe erforderlich und eine zusätzliche thermische Isolierung der Pumpe kann auch entfallen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine schwimmfähige Isolationsschicht im Behälter vorgesehen, die vorzugsweise permeabel ist und/oder aus mehreren insbesondere kleinteiligen Körpern besteht. Die schwimmfähige Isolationsschicht weist insbesondere keine schwammartige Struktur auf, welche durch Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit zu einer vergrößerten Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit führen würde. Die schwimmfähige Isolationsschicht verhindert einen direkten Kontakt der kryogenen Flüssigkeit und der Gasphase im Behälter, so dass eine Kondensation und ein damit verbundener Druckabbau im Behälter verringert werden kann. Gleichzeitig ist die schwimmfähige Isolationsschicht bevorzugt permeabel ausgeführt und/oder besteht aus mehreren kleinteiligen Körpern, so dass die Isolationsschicht durchlässig für Flüssigkeiten und Gase ist. So kann beim Befüllen des Behälters sichergestellt werden, dass die schwimmfähige Isolationsschicht sich stets zwischen kryogener Flüssigkeit und Gasphase anordnet. Die schwimmfähige Isolationsschicht trägt dazu bei, dass eine Erwärmung der kryogenen Flüssigkeit vermieden wird und der Druck im Behälter verbessert aufrechterhalten werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf die Druckbeaufschlagung des Behälters, die so in effizienter Weise erfolgen kann. Wenn beispielsweise Methan zur Druckbeaufschlagung zugeführt wird, würde es bei einem Fehlen einer Isolationsschicht zu einem schnellen Druckabbau im Behälter kommen, der gleichzeitig auch eine Erwärmung der kryogenen Flüssigkeit wie Flüssigerdgas bewirken würde. Der daraus folgende problematische Kreislauf kann durch Vorsehen der schwimfähigen Isolationsschicht in vorbeschriebener Weise verhindert werden, um so einen Überdruck im Behälter in effizienter Weise aufrechtzuerhalten.
Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die schwimmfähige Isolationsschicht kugelförmige Körper umfasst, die bevorzugt aus einem isolierenden Material bestehen und/oder hohl ausgebildet sind. Dadurch wird eine dichte Raumanordnung der Körper auf der Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit im Behälter ermöglicht. Auch ermöglicht es die Kugelform, eine mehrlagige dichte Raumanordnung zu bilden. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Behältern deren Abmessungen oder Ausgestaltung eine sich je nach Füllstand verändernde Flüssigkeitsoberfläche im Behälter bewirkt. Je nach Füllstand im Behälter kann so eine mehrlagige Isolationsschicht gebildet werden.
In einer Ausführungsform umfasst die schwimmfähige Isolationsschicht ovale, linsenförmige, plattenförmige und/oder streifenförmige Körper, die insbesondere aus einem thermisch isolierenden Material bestehen.
Vorzugsweise sind die plattenförmigen und/oder streifenförmigen Körper zusammenfaltbar ausgeführt, und zwar so, dass diese sich an die Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit durch Auffaltung oder Zusammenfaltung anpassen können. Es gelingt so, eine sich je nach Füllstand des Behälters verändernde Flüssigkeitsoberfläche flexibel für eine Isolierung abzudecken.
Als Material für die schwimmfähige Isolationsschicht wird vorzugsweise ein Kunststoff insbesondere ein leichter Kunststoff wie Styropor benutzt. Die schwimmfähige Isolationsschicht kann bevorzugt auch hohle Körper umfassen, die vorzugsweise aus TEFLON oder Titan hergestellt sind. Es ist besonders vorteilhaft, das Material der schwimmfähigen Isolationsschicht so auszubilden, dass die insbesondere kleinteiligen Körper sich gegenseitig abstoßen, so dass eine möglichst gleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit erzielt wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, die schwimmfähige Isolationsschicht aus unterschiedlich dimensionierten kleinteiligen Körpern wie kugelförmigen, ovalen, linsenförmigen, plattenförmigen und/oder streifenförmigen Körpern auszubilden. Bei kugelförmigen Körpern ist es vorteilhaft hierfür zumindest zwei unterschiedliche Durchmesser vorzusehen.
Die kugelförmigen Körper mit kleinerem Durchmesser können so in die Zwischenräume der größeren kugelförmigen Körper eingelagert werden. Die unterschiedlichen Durchmesser der kugelförmigen Körper führen zu einer besonders kompakten und dichten Anordnung in der Isolationsschicht, so dass eine verbesserte Isolierung erzielt werden kann. Bei unterschiedlich dimensionierten ovalen, linsenförmigen, plattenförmigen und/oder streifenförmigen Körpern können zweckmäßigerweise Länge, Breite und/oder Stärke variiert werden, um gleichermaßen eine kompakte und dichte Anordnung auf der Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit zu ermöglichen.
Es ist besonders vorteilhaft, die schwimmfähige Isolationsschicht insbesondere die kugelförmigen Körper mit einer geringeren mittleren Dichte als die kryogene Flüssigkeit auszubilden, und zwar derart, dass der eingetauchte Teil des Körpers wenigstens 40% des Volumens, bevorzugt wenigstens 50% ausmacht. Dadurch wird die Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit aufgrund der eingetauchten Körpervolumen verbessert bedeckt, so dass eine Phasengrenze zwischen kryogener Flüssigkeit und Gasphase verringert werden kann. Dies reduziert den Wärmeübergang, so dass eine verbesserte Isolierung erzielt werden kann. Auch bei einem tieferen Eintauchen der kugelförmigen Körper also beispielsweise von mehr als 70% des Volumens, kann der Wärmeübergang durch die eingetauchten, vorzugsweise dicht angeordneten kugelförmigen Körper verringert werden.
Um ein Austreten der schwimmfähigen Isolationsschicht aus dem Behälter zu verhindern, kann eine Filtervorrichtung vorgesehen werden. Die Filtervorrichtung kann beispielsweise als Sieb ausgeführt sein. Die Filtervorrichtung kann am Einlass und/oder Auslass des Behälters vorgesehen werden, um beim Befüllen des Behälters oder aber bei Entnahme der kryogenen Flüssigkeit aus dem Behälter ein Austreten der schwimmfähigen Isolationsschicht nach außen zu verhindern.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Behälter zur Lagerung von kryogenen Flüssigkeiten als Treibstoff für ein Flugzeug vorgeschlagen, der insbesondere zur Durchführung des Verfahrens angepasst ist. Der Behälter ist hierbei für einen Druck von mindestens 2 bar ausgelegt. Ferner sind die Abmessungen des Behälters für eine Unterbringung in einem Frachtraum eines Flugzeugs angepasst.
Die Anpassung der Abmessungen des Behälters entsprechend den Dimensionen des Frachtraums eines Flugzeugs ermöglicht es kryogene Flüssigkeiten als Treibstoff für ein Flugzeug kompakt und raumsparend im Frachtraum eines Flugzeugs anzuordnen. Die angepassten Abmessungen der Behälter erlauben eine problemlose Verladung sowie ein Umrüsten von Flugzeugen zur Lagerung von kryogenen Flüssigkeiten als Treibstoff.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der untere Frachtraum eines Flugzeugs zur Unterbringung der Behälter genutzt wird. Der obere Teil eines Flugzeugs kann dann weiterhin als Passagierraum oder Frachtraum genutzt werden. Bei Passagierflugzeugen wird stets nur ein Teil des Frachtraums für die Beförderung des Gepäcks benötigt. Durch Nutzung des Frachtraums für die Lagerung von kryogenen Flüssigkeiten kann die Reichweite eines Flugzeugs erweitert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die kryogene Flüssigkeit als zusätzlicher Treibstoff neben Kerosin verwendet wird. Auf diese Weise lassen sich bestehende Flugzeuge flexibel für den Einsatz von kryogenen Treibstoffen wie Flüssigerdgas umrüsten.
In einer Ausführungsform weist der Behälter eine Zylinder-Form, eine Bi-Lobe-Form also in Form von zwei sich überschneidenden Zylindern oder eine Multi-Lobe-Form also in Form von mehreren sich überschneidenden Zylindern auf. Die zylindrische Ausgestaltung des Behälters ermöglicht grundsätzlich eine hohe Druckfestigkeit. Durch die weitere Ausgestaltung des Behälters in Bi-Lobe-Form oder Multi-Lobe-Form wird ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad erreicht, so dass der verfügbare Frachtraum in optimaler Weise ausgenutzt werden kann. Des Weiteren wird zugleich eine sichere und druckfeste Lagerung an Bord eines Flugzeugs ermöglicht.
Die Behälter sind vorteilhaft mit einer Kälteisolierung ausgerüstet. Eine bevorzugte Kälteisolierung der Behälter besteht aus Polyurethan, Styropor oder AEROGEL, die insbesondere im Bereich der Auflager verstärkt ist. Die äußere Schicht ist insbesondere undurchlässig gegen Wasserdampf ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die äußere Schicht der Behälter so ausgelegt, dass über außen liegende Halterungen die Kräfte der Lagerung aufgenommen werden können.
Bei einer Ausführungsform wird der einem Flugzeugtriebwerk am nächsten gelegene Behälter mit einer Pumpe zur Treibstoffversorgung ausgestattet (aktiver Behälter). Die Pumpe zur Treibstoffversorgung kann im Inneren des Behälters oder außerhalb des Behälters vorgesehen werden. Weitere Behälter zur Lagerung der kryogenen Flüssigkeit können dem Behälter zur Treibstoffversorgung vorgeschaltet werden (passive Behälter). Um die kryogene Flüssigkeit aus den vorgeschalteten Behältern zum Behälter für die Treibstoffzuführung zu fördern, kann das Flüssigerdgas aus den vorgeschalteten passiven Behältern mittels Gasdruck zum aktiven Behälter gefördert werden.
Konstruktiv vorteilhaft lässt sich die Befestigung der Behälter im Flugzeug verwirklichen, indem die Behälter vorzugsweise im Bereich der Auflager miteinander verbunden sind. Es gelingt so, eine relative Bewegung der Behälter zueinander verbessert zu verhindern, so dass Spannungen in den verbindenden Rohrleitungen vermieden werden können.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem mittleren Füllstand eines Behälters,
2 eine Detailansicht einer schwimmfähigen Isolationsschicht gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem hohen Füllstand eines Behälters,
4 eine Detailansicht einer schwimmfähigen Isolationsschicht gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung eines Behälters zur Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit,
6 eine perspektivische Darstellung eines Flugzeugs nebst Behältern,
7 eine schematische Darstellung eines Behälters in Bi-Lobe-Form (a) und Multi-Lobe-Form (b),
8 eine perspektivische Darstellung von mehreren Behältern in einem Frachtcontainer.
Die Vorrichtung zur Versorgung einer Pumpe mit kryogener Flüssigkeit insbesondere als Treibstoff für ein Flugzeug umfasst gemäß 1 einen Behälter 1, der vorzugsweise für einen Druck von mindestens 2 bar ausgelegt ist. Im Behälter 1 ist eine kryogene Flüssigkeit wie Flüssigerdgas 2 als Treibstoff für ein Flugzeug bereitgestellt. Der Behälter 1 kann wie in 1 ersichtlich zylinderförmig ausgestaltet sein, um eine hohe Druckfestigkeit zu erzielen. Zur verbesserten Kältedämmung kann eine Behälterisolierung 26 vorgesehen werden, die vorzugsweise aus Polyurethan, Styropor oder AEROGEL besteht. Der Behälter 1 kann oberhalb des Flüssigerdgases 2 eine Gasphase 3 aufweisen, die beispielsweise Boil-Off-Gas also verdampftes Flüssigerdgas aufzunehmen vermag. Der Behälter 1 weist an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Gas eine Flüssigkeitsoberfläche 10 auf. Bei Behältern mit sich verändernden Durchmessern wie z. B. zylinderförmigen Behältern verändert sich die Größe der Flüssigkeitsoberfläche 10 mit dem Füllstand des Behälters.
Zur Druckbeaufschlagung des Behälters 1 ist ein Verdampfer 5 vorgesehen, der dem Behälter 1 ein verdampftes Gas zuführt. Wenn Flüssigerdgas 2 im Behälter 1 gelagert wird, ist es besonders vorteilhaft Methan zur Druckbeaufschlagung zu verwenden. Der Verdampfer 5 kann vom Behälter 1 mit Flüssigerdgas 2 gespeist werden, und zwar insbesondere mittels der Entnahmepumpe 4, so dass kein zusätzliches Flüssigerdgas für den Verdampfer 5 bereitgestellt werden muss. Besonders vorteilhaft ist es, beim Starten der Entnahmepumpe 4, wenn der Verdampfer 5 noch nicht in Betrieb ist, zunächst ein komprimiertes Gas aus einem Druckbehälter zur Druckbeaufschlagung zuzuführen. Anschließend kann auf den Verdampfer 5 gewechselt werden, um den Druck im Behälter aufrechtzuerhalten und/oder zu erhöhen. Die Leitung zur Druckbeaufschlagung des Behälters ist bevorzugt im oberen Bereich des Behälters 1 angeordnet, und zwar so, dass die Leitung mit der Gasphase 3 des Behälters verbunden ist. Der Behälterinnendruck wird vorzugsweise auf mindestens 0,5 bar über den Sättigungsdampfdruck des Flüssigerdgases im Behälter erhöht. Dies stellt eine zuverlässige Entnahme des Flüssigerdgases durch die Pumpe 4 sicher.
Die Entnahmepumpe 4 kann auch im Inneren des Behälters 1 vorgesehen werden, so dass eine insgesamt kompakte Anordnung entsteht.
Filtervorrichtungen in Form von Sieben 8 können im Behälter 1 vor dem Einlass und Auslass des Behälters 1 angeordnet werden, um ein Austreten der schwimmfähigen Isolationsschicht 7 aus dem Behälter 1 zu vermeiden.
An der Flüssigkeitsoberfläche 10 ist eine schwimmfähige Isolationsschicht 7 vorgesehen, die bevorzugt permeable Eigenschaften aufweist und/oder vorzugsweise aus mehreren Körpern besteht. Die Detailansicht gemäß 2 verdeutlicht eine schwimmfähige Isolationsschicht 7 bei einem Füllstand gemäß 1. Die schwimmfähige Isolationsschicht kann aus kugelförmigen Körpern wie den dargestellten Isolierkügelchen 9, ovalen Körpern, also insbesondere eiförmigen Körpern, und/oder linsenförmigen Körpern bestehen. Alternativ oder ergänzend können plattenförmige und/oder streifenförmige Körper vorgesehen werden, die insbesondere ausfaltbar ausgestaltet sind, um durch Auffalten in flexibler Weise die Flüssigkeitsoberfläche 10 zu bedecken. Die schwimmfähige Isolationsschicht 7 im Behälter 1 ist bevorzugt so ausgelegt, dass die Flüssigkeitsoberfläche 10 vollständig bedeckt werden kann, um eine gleichmäßige und flächendeckende Isolierung im Behälter 1 zu erzielen.
3 verdeutlicht eine Vorrichtung zur Versorgung einer Pumpe 4 mit einem dem Behälter 1 vorgelagerten Druckbehälter 6 zur Druckbeaufschlagung. Der Druckbehälter 6 weist ein komprimiertes Gas wie Methan auf, das dem Behälter 1 zur Druckerhöhung zugeführt werden kann.
Es ist besonders vorteilhaft, Druckbehälter 6 und Verdampfer 5 vorzusehen, so dass zur Druckbeaufschlagung des Behälters 1 zwischen diesen gewechselt werden kann. Wenn der Verdampfer 5 noch nicht in Betrieb ist, kann zunächst ein komprimiertes Gas wie Methan zur Druckbeaufschlagung verwendet werden. Sobald der Verdampfer 5 zur Verfügung steht, kann dieser zur Druckbeaufschlagung des Behälters genutzt werden, so dass in effizienter Weise der Überdruck im Behälter aufrechterhalten wird. 3 verdeutlicht auch einen hohen Füllstand bei einem zylinderförmigen Behälter 1. Aufgrund der zylindrischen Form des Behälters und dem hohen Füllstand des Flüssigerdgases 2 ist die Flüssigkeitsoberfläche 10 kleiner als bei einem mittlerem Füllstand des Behälters wie in 1 verdeutlicht.
4 zeigt eine entsprechende Detailansicht einer schwimmfähigen Isolationsschicht 7 bei einem Füllstand gemäß 3. Die Isolierkügelchen 9 können sich aufgrund der kleineren Flüssigkeitsoberfläche 10 mehrlagig in Schichten anordnen. Die Kugelform der Isolierkügelchen 9 trägt dazu bei, dass eine kompakte und dichte Anordnung auch in räumlicher Ausdehnung also senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche 10 entsteht, so dass bei kleineren Flüssigkeitsoberflächen 10 eine besonders effektive Isolierung bereitgestellt werden kann. Dies gilt gleichermaßen, wenn bei einem zylinderförmigen Behälter 1 der Füllstand im unteren Bereich des Behälters 1 angesiedelt ist.
5 zeigt einen Behälter 1 mit zylindrischer Form. Ein Frachtraum 11 eines Flugzeugs und dessen Dimensionen werden anhand der gestrichelten Linie verdeutlicht. Die Dimensionen des Frachtraums sind grundsätzlich vom Flugzeugtyp abhängig. Ein Frachtraumcontainer des Typs LD3 hat beispielsweise eine untere Breite 12 von 164 cm, eine obere Breite 13 von 201 cm, eine Tiefe von 153 cm und eine Höhe 14 von 163 cm, so dass ein Volumen von 4,3 m³ umfasst wird. Die untere Breite 12 des Frachtraumcontainers bezieht sich auf die mögliche Standfläche im Frachtraum 11. Die obere Breite 13 des Frachtraumcontainers ist regelmäßig größer als die untere Breite 12, so dass eine an beiden Seiten abgeschrägte Form des Frachtraumcontainers entsteht. Die Höhe 14 des Frachtraumcontainers ist regelmäßig kleiner als die untere und obere Breite des Frachtraumcontainers. Die Abmessungen eines zylinderförmigen Behälters 1 werden im Wesentlichen vom Durchmesser 15 des zylinderförmigen Behälters sowie der Länge 16 des Behälters bestimmt.
Hierbei kann der Behälter an der Unterseite Auflager 25 zur sicheren Abstützung des Behälters im Frachtraum 11 aufweisen. Die Abmessungen des Behälters 1 sind so ausgestaltet, dass diese an die Dimensionen eines Frachtraums 11 insbesondere eines Frachtraumcontainers angepasst sind und nicht überschreiten, und zwar insbesondere derart, dass die an beiden Seiten abgeschrägte Form des Frachtraums 11 in effizienter Weise ausgenutzt werden kann. Für Wartungszwecke kann der Behälter 1 an einer oder beiden Stirnseiten ein Mannlochflansch 17 aufweisen.
6 verdeutlicht schematisch die Anordnung der Behälter 1 im Flugzeug 18 zur Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit als Treibstoff. Je nach Flugzeugtyp können die Dimensionen eines Frachtraums 11 variieren.
Frachtraumcontainer des Typs LD6 sind beispielsweise für den Frachtraum eines Flugzeugs des Typs A330 ausgelegt. Die angepassten Abmessungen der Behälter 1 ermöglichen ein einfaches Beladen eines Flugzeugs 18 und ein Nachrüsten eines Flugzeugs mit Behältern zur Lagerung eines kryogenen Treibstoffes. Der Behälter 1, der sich am nächsten zu einem Flugzeugtriebwerk 19 befindet, wird vorzugsweise zur Treibstoffversorgung als aktiver Behälter genutzt. Hierzu kann eine Pumpe im Inneren des Behälters oder außerhalb des Behälters vorgesehen werden. Die weiteren Behälter 1 können zur Lagerung des Treibstoffs als passive Behälter dem aktiven Behälter 1 vorgelagert werden. Die Förderung des Treibstoffes zum aktiven Behälter kann mittels Gasdruck und/oder Pumpen erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Behälters 1 werden in 7 gezeigt. 7(a) verdeutlicht in einer Seitenansicht einen Behälter 1 in Bi-Lobe-Form. Die Bi-Lobe-Form kann durch Überschneidung zweier zylinderförmiger Körper gebildet werden. Die Höhe 20 sowie Breite 21 des Behälters sind an die Dimensionen des Frachtraumcontainers angepasst. Der Zylinderabstand 22 kennzeichnet die Überschneidung der zylinderförmigen Körper. Die Bi-Lobe-Form des Behälters 1 ermöglicht neben einer hohen Druckfestigkeit wie bei einem zylinderförmigen Behälter auch eine effiziente Volumenausnutzung der Frachtraumcontainerabmessungen. 7(b) verdeutlicht einen Behälter in Multi-Lobe-Form, der durch Überschneidung mehrerer zylinderförmiger Körper gebildet wird. Durch die Überschneidung mehrerer zylinderförmiger Körper sind Behälter 1 mit größeren Breiten 21 möglich.
8 zeigt die Anordnung mehrerer zylinderförmiger Behälter in einem Frachtraum 11, Die Behälter sind über die Länge 23 des Frachtraums angeordnet und können zusätzlich mittels Verbindungselementen 24 verbunden werden, um eine Sicherung im Frachtraum zu ermöglichen. Die Kälteisolierung 26 des Behälters ist vorzugsweise entsprechend den Umgebungsbedingungen beim Flug ausgelegt. Die Umgebungsbedingungen werden im Wesentlichen durch die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit beim Flug bestimmt. Insbesondere ist die Kälteisolierung für die Luftfeuchtigkeit während des Fluges optimiert. Hierzu kann die Dämmschicht der Kälteisolierung und/oder der Dämmstoff an die zu erwartenden Umgebungsbedingungen insbesondere die Luftfeuchtigkeit beim Flug angepasst werden. So kann die Bildung von Tauwasser verhindert werden, die durch Durchfeuchtung der Kälteisolierung 26 zu einer Beschädigung führen kann. Die Kälteisolierung 26 des Behälters 1 kann ferner Verstärkungen 27 zur Übertragung der Auflagerkräfte auf den Behälter 1 umfassen. Die Kälteisolierung 26 überträgt dann mittels der Verstärkungen 27 die Kräfte der Lagerung auf den Behälter 1. Auf diese Weise können Wärmebrücken bzw. Kältebrücken zwischen dem Behälter 1 und der Befestigung im Flugzeug vermieden werden, die zu entsprechenden Wärmeverlusten führen können.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Flüssigerdgas (LNG)
3: Gasphase
4: Entnahmepumpe
5: Verdampfer
6: Druckbehälter
7: Schwimmfähige Isolationsschicht
8: komprimiertes Methan
9: Isolierkügelchen
10: Flüssigkeitsoberfläche
11: Frachtraum
12: Untere Breite von 11
13: Obere Breite von 11
14: Höhe von 11
15: Durchmesser von 1
16: Länge von 1
17: Mannlochflansch
18: Flugzeug
19: Flugzeugtriebwerk
20: Höhe von 1
21: Breite von 1
22: Zylinderabstand (überschneidend)
23: Länge von 11
24: Verbindungselement
25: Auflager von 1
26: Behälterisolierung
27: Verstärkung von 26

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5163409 [0005]
US 35874 [0006]

Claims

Verfahren zur Versorgung einer Pumpe (4) mit kryogener Flüssigkeit (2) insbesondere als Treibstoff für ein Flugzeug, bei dem eine kryogene Flüssigkeit in einem Behälter (1) bereitgestellt wird und mit einer Pumpe (4) aus dem Behälter entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter zur Entnahme der kryogenen Flüssigkeit mit einem Druck vorzugsweise einem Druck größer als ein Sättigungsdampfdruck der kryogenen Flüssigkeit beaufschlagt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckbeaufschlagung des Behälters ein verdampftes und/oder komprimiertes Gas insbesondere in eine Gasphase (3) des Behälters zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Behälter auf wenigstens 0,5 bar über den Sättigungsdampfdruck der kryogenen Flüssigkeit erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine schwimmfähige Isolationsschicht (7) im Behälter vorgesehen wird, die vorzugsweise permeabel ist und/oder aus mehreren Körpern besteht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmfähige Isolationsschicht kugelförmige Körper umfasst, die insbesondere so ausgebildet sind, dass die Körper mit einem Volumen von wenigstens 40%, bevorzugt wenigstens 50% in die kryogene Flüssigkeit eintauchen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Behälter (1) zur Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit (2) und einer Pumpe (4) zur Entnahme der kryogenen Flüssigkeit aus dem Behälter, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erhöhung des Behälterinnendrucks.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erhöhung des Behälterinnendrucks einen Verdampfer (5) umfasst, der dem Behälter vorgeschaltet ist und vorzugsweise aus diesem gespeist werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erhöhung des Behälterinnendrucks einen Druckbehälter (6) für ein komprimiertes Gas (8) umfasst, der dem Behälter zur Lagerung der kryogenen Flüssigkeit vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine schwimmfähige Isolationsschicht (7) im Behälter, die permeabel ist und/oder mehrere Körper umfasst.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmfähige Isolationsschicht kugelförmige (9), ovale, linsenförmige, plattenförmige und/oder streifenförmige Körper umfasst, die vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden Material bestehen und/oder hohl ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmfähige Isolationsschicht aus unterschiedlich dimensionierten kugelförmigen, ovalen, linsenförmigen, plattenförmigen und/oder streifenförmigen Körpern besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen, ovalen, linsenförmigen, plattenförmigen und/oder streifenförmigen Körper eine geringere mittlere Dichte als die kryogene Flüssigkeit insbesondere Flüssigerdgas aufweisen, derart, dass der eingetauchte Teil der Körper wenigstens 40% des Volumens, bevorzugt wenigstens 50% ausmacht.
Behälter zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Behälter für einen Druck von mindestens 2 bar ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen (15, 16) des Behälters für die Unterbringung in einem Frachtraum 11 eines Flugzeugs (18) angepasst sind.
Behälter nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Zylinder-Form, eine Bi-Lobe-Form oder eine Multi-Lobe-Form aufweist.
Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kälteisolierung (26), die vorzugsweise an die Umgebungsbedingungen insbesondere an die Luftfeuchtigkeit beim Flug angepasst ist.
Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteisolierung Verstärkungen (27) zur Übertragung der Auflagerkräfte an den Behälter aufweist.