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Die Erfindung betrifft eine Abgabevorrichtung für kryogene Flüssigkeiten insbesondere zum Betanken eines Flugzeugs sowie ein Fahrzeug, das mit der Abgabevorrichtung für kryogene Flüssigkeiten ausgerüstet ist. Als kryogene Flüssigkeit wird vorzugsweise ein Flüssiggas wie Flüssigerdgas, also LNG, verwendet.
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Für den Antrieb von Flugzeugen mittels kryogenen Treibstoff 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 zwischen dem Gasgemisch und dem im Behälter vorhandenen absoluten Druck, so dass es sich dabei um eine Lagerung als siedende Flüssigkeit handelt.
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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 beispielsweise zum Betanken für ein Flugzeug verwendet, so ist es für eine möglichst kurze Betankungszeit – vergleichbar mit der Betankungszeit für Kerosin – erforderlich, eine ausreichende Förderleistung der Pumpe sicherzustellen. Hierzu kann die kryogene Flüssigkeit mittels einer Pumpe unter Druck einem zu befüllenden Behälter beispielsweise an Bord eines Flugzeugs zugeführt werden. Im Gegensatz zu Kerosin, welches weit unterhalb des Siedepunktes in Behältern gelagert wird, kann beispielsweise 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 Ansaugdruck der Pumpe unterhalb des Gleichgewichtsdrucks entsprechend einer Lagertemperatur der kryogenen Flüssigkeit ist demnach nicht möglich, so dass eine zuverlässige Abgabe der kryogenen Flüssigkeit aus dem Behälter beeinträchtigt wird.
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Bei nicht vorhandener Infrastruktur für eine ortsfeste Installation einer Abgabevorrichtung für kryogene Flüssigkeiten, beispielsweise wenn ein geeignetes Versorgungsnetz am Flughafen fehlt, wird die Anlieferung einer kryogenen Flüssigkeit, insbesondere wenn diese in großen Mengen als Treibstoff für ein Flugzeug dient, durch die besonderen kryogenen Anforderungen erschwert.
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Aus der Druckschrift
US 3,633,372 ist eine Transportvorrichtung für kryogene Flüssigkeiten insbesondere zum Befüllen von Tanks in Flugzeugen bekannt. Die Vorrichtung kann als Wagen ausgeführt werden, der u. a. einen Versorgungstank und eine Entnahmepumpe umfasst, wobei zum Verbinden mit dem zu befüllenden Tank eine Verbindungsleitung vorgesehen wird. Um einen Überdruck in der Leitung zum Befüllen des Tanks zu vermeiden, ist in der Verbindungsleitung ein Überdruckventil vorgesehen. Die Transportvorrichtung ist jedoch dafür konzipiert, einen Teil der entnommenen kryogenen Flüssigkeit beim Befüllen des Tanks zu verdampfen, um so den Druck im zu befüllenden Tank aufrechtzuerhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgabevorrichtung für kryogene Flüssigkeiten insbesondere zum Betanken eines Flugzeugs bereitzustellen, die insbesondere wärmetechnisch für kryogene Anwendungen angepasst ist.
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Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Abgabevorrichtung die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung eines abfüllenden Behälters vorgesehen. Der Druck wird vorzugsweise auf einen Druck oberhalb des Sättigungsdampfdruckes der gelagerten kryogenen Flüssigkeit erhöht. Der daraus resultierende Überdruck im Behälter wirkt insbesondere einem Druckverlust an der Saugseite der Pumpe entgegen, so dass ein Verdampfen der kryogenen Flüssigkeit verhindert wird und ein zuverlässiges Abfüllen der gelagerten kryogenen Flüssigkeit mittels der Pumpe ermöglicht wird. Des Weiteren ist es bei der Abfüllung insbesondere bei der Abfüllung in Flugzeugtanks nicht erforderlich, Gas oder Gas-Dampf-Gemische aus dem zu befüllenden Behälter zurück in den abfüllenden Behälter zu führen. Die an der Saugseite mit Überdruck versorgte Pumpe kann die kryogene Flüssigkeit mit ausreichendem Druck in den zu befüllenden Behälter abfüllen.
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In einer Ausführung umfasst die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung des Behälters einen Verdampfer. Der Verdampfer wird vorzugsweise aus dem abfüllenden Behälter mit kryogener Flüssigkeit gespeist, um den Druck im Behälter auf effiziente Weise zu erhöhen. Der Verdampfer verwendet bevorzugt die thermische Energie der Umgebungsluft für die Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit, so dass keine zusätzliche thermische Energie bereitgestellt werden muss.
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In einer weiteren Ausführung umfasst die Einrichtung zur Druckbeaufschlagung einen Druckbehälter, der dem Behälter zur Lagerung der kryogenen Flüssigkeit vorgelagert ist. Der Druckbehälter stellt bevorzugt ein komprimiertes Gas oder Gas-Dampf-Gemisch zur Druckbeaufschlagung des Behälters bereit. Vorzugsweise entspricht das Gas oder das Gas-Dampf-Gemisch der gelagerten kryogenen Flüssigkeit im Behälter. Wird beispielsweise im Behälter Flüssigerdgas gelagert, so ist es vorteilhaft zur Druckbeaufschlagung Erdgas bzw. Methan verwendet werden. Es kann auch ein Inertgas wie Stickstoff zur Druckbeaufschlagung des Behälters verwendet werden.
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In einer Ausführung ist am Behälter eine Druckleitung zur Druckbeaufschlagung und/oder zum Druckausgleich des Behälters angeordnet. Die Druckleitung ist vorzugsweise im oberen Bereich des Behälters angeordnet, und zwar so, dass diese mit der gasförmigen Phase des Behälters in Verbindung steht. Um die Druckleitung zur Druckbeaufschlagung oder zum Druckausgleich des Behälters flexibel zu verbinden, ist es vorteilhaft einen Anschlussstutzen vorzusehen. Die Druckleitung kann so mit einem Versorgungsnetz, einem Druckbehälter oder einer Druckgasquelle verbunden werden, um den Behälter mit Druck zu beaufschlagen. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Anfahren der Abgabevorrichtung, wenn beispielsweise ein Verdampfer noch nicht betriebsbereit ist, um so einen ausreichenden Überdruck im Behälter in der Anfangsphase sicherzustellen. Nachdem ein ausreichender Überdruck im Behälter erzeugt wurde und/oder ein Verdampfer zur Druckerzeugung zur Verfügung steht, kann der Druck im Behälter in effizienter Weise mittels des Verdampfers aufrechterhalten werden. Wird der Behälter selbst mit kryogener Flüssigkeit befüllt, beispielsweise über einen mittels einer Zuführleitung verbundenen externen Lagerbehälter mit kryogener Flüssigkeit, so wird die Druckleitung vorzugsweise zum Druckausgleich des Behälters verwendet. Die Druckleitung wird hierzu insbesondere mit einer Gaspendelleitung verbunden, so dass das im Behälter verdrängte Gas oder Gas-Dampfgemisch über Druckleitung und Gaspendelleitung zurückgeführt werden kann, um einen unzulässigen Überdruck im Behälter beim Befüllen zu verhindern. Nachdem der Behälter befüllt wurde, kann die Druckleitung in vorteilhafter Weise zur Druckbeaufschlagung des Behälters verwendet werden, um so eine zuverlässige Abgabe und effiziente Lagerung der kryogenen Flüssigkeit im Behälter zu ermöglichen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, eine Rückführungsleitung vorzusehen, die zumindest einen Teil der entnommenen kryogenen Flüssigkeit zurück in den Behälter führt. Die Rückführungsleitung ist bevorzugt an der Abfüllleitung, die mit einem zu befüllenden Behälter verbindbar ist, angeordnet. Vorzugsweise ist die Rückführungsleitung nachgelagert zur Pumpe für das Abfüllen der kryogenen Flüssigkeit angeordnet, so dass die Rückführung mittels eines Ventils am Eingang der Rückführungsleitung eingestellt werden kann. Die Rückführung zumindest eines Teils der entnommenen kryogenen Flüssigkeit ermöglicht einen Mindestdurchfluss an der Pumpe, so dass ein Leerlauf der Pumpe und damit einhergehende Schäden beispielsweise durch Überhitzung verhindert werden können. Das Zirkulieren einer Mindestdurchflussmenge in der Abgabevorrichtung trägt darüber hinaus dazu bei, dass Temperaturunterschiede zwischen Behälter, Pumpe, Abfüllleitung und Rückführungsleitung konstant minimiert werden, so dass jederzeit eine Abgabe kryogener Flüssigkeit möglich ist, ohne die Gefahr, dass ein Teil der kryogenen Flüssigkeit bei der Abfüllung verdampft. Zur verbesserten Regelung des Mindestdurchflusses ist es zudem vorteilhaft, eine Messeinrichtung für den Durchfluss in der Abfüllleitung vorzusehen. Ein Stellventil in der Rückführungsleitung kann dann in Abhängigkeit des ermittelten Durchflusses geregelt werden, um so in gewünschter Weise einen Mindestdurchfluss einzustellen. Vorzugsweise wird ein Mindestdurchfluss von 20% bis 50%, besonders bevorzugt von 30% bis 40%, des Auslegungsdurchflusses eingestellt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Rückführungsleitung mit Verdampfer zur Druckbeaufschlagung des Behälters vorgesehen. Die Rückführungsleitung ist bevorzugt zwischen Abfüllleitung und Behälter insbesondere einer Gasphase des Behälter verbunden. Die entnommene kryogene Flüssigkeit wird in der Rückführungsleitung mit Verdampfer vorzugsweise in einen dampfförmigen Zustand überführt. Zur Druckbeaufschlagung des Behälters wird diese verdampfte kryogene Flüssigkeit bevorzugt in den oberen Bereich des Behälters insbesondere der gasförmigen Phase des Behälters zugeführt. Bei der Abgabe von kryogener Flüssigkeit aus dem Behälter sinkt das Flüssigkeitsvolumen und die gasförmige Phase im Behälter nimmt zu, was gleichzeitig zu einem Druckabbau im Behälter führt. Die Rückführung von verdampfter kryogener Flüssigkeit sorgt dafür, dass der Überdruck in der gasförmigen Phase des Behälters aufrechterhalten wird. Besonders vorteilhaft ist es, für die gezielte Druckbeaufschlagung des Behälters ein Stellventil am Ende der Rückführungsleitung mit Verdampfer vorzusehen. Um eine Regelung des Stellventils in Abhängigkeit des Behälterdrucks zu ermöglichen, wird vorzugsweise eine Messeinrichtung für die Erfassung des Drucks im Behälter vorgesehen, die mit dem Stellventil verbunden ist. Vorzugsweise wird der Druck im Behälter auf wenigstens 0,5 bar über den Sättigungsdampfdruck der gelagerten kryogenen Flüssigkeit erhöht, um einen ausreichenden Überdruck für ein zuverlässiges Abfüllen zu erzielen.
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Um eine Behälterdruckregelung und eine Mindestdurchflussregelung unabhängig voneinander einzustellen, ist es besonders vorteilhaft, diese in getrennten Rückführungsleitungen zu realisieren. Die Rückführungsleitung mit Verdampfer zur Behälterdruckregelung ist vorzugsweise der Rückführungsleitung für die Mindestdurchflussregelung vorgeschaltet, um bei kritischem Druckabbau durch unmittelbare Druckbeaufschlagung schnell entgegenwirken zu können.
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Konstruktiv vorteilhaft lässt sich die Pumpe zum Abfüllen der kryogenen Flüssigkeit im Behälter anordnen. Durch eine derartige Anordnung können aufwendige Dichtungsmaßnahmen für die Pumpe entfallen und die Pumpe lässt sich thermisch effizient betreiben. Die Pumpe kann für einen eingetauchten Einsatz zweckmäßig als Tauchpumpe ausgeführt sein. Der Antrieb der Pumpe erfolgt bevorzugt elektrisch.
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Bei außerhalb des Behälters angeordneten Pumpen ist es weiterhin vorteilhaft, den Pumpenzulauf der Pumpe winkelförmig zum Behälter anzuordnen. Die Pumpe ist bevorzugt unterhalb des Behälters zur Lagerung der kryogenen Flüssigkeit angeordnet. Durch die Neigung des Pumpenzulaufes an der Saugseite einer extern zum Behälter angeordneten Pumpe können gasförmige Anteile wie Dampfblasen zurück in den Behälter entweichen, so dass im Wesentlichen nur Flüssigkeit angesaugt wird. Des Weiteren ermöglicht die winkelförmige Anordnung des Pumpenzulaufs eine kompakte Anordnung von Behälter und Pumpe, so dass ein Wärmeeintrag aus der Umgebung minimiert wird.
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Um einen Druckabbau im Behälter zu verringern, wird in einer bevorzugten Ausführung eine schwimmfähige Isolationsschicht im Behälter vorgesehen. Die schwimmfähige Isolationsschicht reduziert die Kontaktfläche zwischen gelagerter kryogener Flüssigkeit und Gasphase, so dass eine Kondensation der Gasphase in die kryogene Flüssigkeit verringert werden kann. Die schwimmfähige Isolationsschicht ist vorzugsweise permeabel und/oder besteht aus mehreren insbesondere kleinteiligen Körpern, die beispielsweise kugelförmig, oval, linsenförmig, plattenförmig und/oder streifenförmig ausgestaltet sind. Derart ausgestaltete Körper ermöglichen eine flexible Anpassung an die Flüssigkeitsoberfläche im Behälter, so dass auch bei Erschütterungen und Umwälzungen der kryogenen Flüssigkeit eine flexible Isolationsschicht im Behälter vorhanden ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer Abgabevorrichtung, die für einen ortsbeweglichen Einsatz auf einem Fahrzeug angeordnet ist und dementsprechend regelmäßig Erschütterungen ausgesetzt ist. Es ist zudem bevorzugt, ein oder mehrere Filtervorrichtungen insbesondere in Form von Sieben im Behälter vorzusehen, um ein Austreten der schwimmfähigen Isolationsschicht zu verhindern. Die Filtervorrichtungen sind bevorzugt vor den zuführenden und/oder abführenden Leitungen im Behälter vorgesehen, vorzugsweise so, dass ein Eindringen der schwimmfähigen Isolationsschicht insbesondere der kleinteiligen Körper in die Leitungen verhindert wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Abgabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vorgeschlagen, das besonders vorteilhaft zum Betanken eines Flugzeugs geeignet ist.
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Wird die Abgabevorrichtung auf einem Fahrzeug vorgesehen, so kann die elektrische Energie für den Antrieb der Pumpe mittels eines Generators am Fahrzeug erzeugt werden. Der Generator kann hierzu an einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs gekoppelt werden. Alternativ kann auch das Fahrzeug elektrisch angetrieben werden. Die benötigte elektrische Energie für den Antrieb der Pumpe und den Antrieb des Fahrzeugs wird dann vorzugsweise über einen Generator und einen daran gekoppelten Motor geliefert.
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Das Fahrzeug mit der Abgabevorrichtung ermöglicht eine flexible Anlieferung von Treibstoffen insbesondere zum Betanken eines Flugzeugs. Zur Betankung eines Flugzeugs kann das Fahrzeug mit der Abgabevorrichtung an ein ortsfestes Versorgungsnetz eines Flughafens verbunden werden, um beispielsweise komprimiertes Gas für eine Druckbeaufschlagung des Behälters zu erhalten. Dies ist besonders vorteilhaft, um den anfänglichen Druckaufbau im Behälter zu erzielen, wenn beispielsweise die Pumpe und/oder der Verdampfer zur Druckbeaufschlagung noch nicht angefahren sind. Nach dem Start der Pumpe kann die Rückführungsleitung mit Verdampfer eingesetzt werden, um den Druck im Behälter in effizienter Weise aufrechtzuerhalten.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein schematische Darstellung einer Abgabevorrichtung für kryogene Flüssigkeiten.
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Die Abgabevorrichtung umfasst gemäß 1 einen Behälter 1 zur Lagerung einer kryogenen Flüssigkeit wie Flüssigerdgas. Der Behälter 1 ist vorzugsweise als druckfester Tank ausgeführt und weist eine Behälterdämmung 2 als Schutz vor eindringender Wärme aus der Umgebung auf. Im Behälter 1 kann eine Zuführleitung 29 angeordnet werden, die insbesondere mittels eines Anschlussstutzens 5a mit einem externen Behälter zur Befüllung verbunden werden kann. Die Zuführleitung 29 zur Befüllung des Behälter 1 erstreckt sich vorzugsweise bis in den unteren Bereich des Behälters 1, um Verdampfverluste beim Befüllen zu reduzieren. Ein Ventil 6a wie z. B. ein Magnetventil kann dann ein Befüllen des Behälters 1 steuern. Der Behälter 1 weist bevorzugt auch eine Druckleitung 30 im oberen Bereich des Behälters 1 auf, die mit der gasförmigen Phase im Behälter 1 – also oberhalb der gelagerten kryogenen Flüssigkeit – in Verbindung steht. Die Druckleitung 30 bewirkt vorzugsweise eine Druckbeaufschlagung und/oder einen Druckausgleich des Behälters 1. Zur Druckbeaufschlagung des Behälters 1 kann die Druckleitung 30 an ein Versorgungsnetz, einen Druckbehälter oder einer Druckgasquelle angeschlossen werden. Ein Ventil 6 kann dann die Druckbeaufschlagung des Behälters 1 steuern. Alternativ oder ergänzend kann die Druckleitung 30 zum Druckausgleich beim Befüllen des Behälters 1 mit kryogener Flüssigkeit verwendet werden. Der Behälter 1 kann so vor einem unzulässigen Überdruck beim Befüllen geschützt werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Druckleitung 30 für einen Druckausgleich mit einer Gaspendelleitung zu verbinden. Um darüber hinaus das Entstehen eines kritischen Überdrucks im Behälter 1 zu vermeiden, weist der Behälter 1 insbesondere eine Entlüftungseinrichtung auf. Die Entlüftungseinrichtung ist bevorzugt als ein Sicherheitsventil 4 mit Federbelastung ausgeführt.
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Zur Abgabe des gelagerten Flüssigerdgases ist eine Pumpe 7 vorgesehen, die bei einer internen Anordnung im Behälter insbesondere als Tauchpumpe ausgeführt ist. Bei einer außerhalb des Behälters 1 angeordneten Pumpe 7 ist diese bevorzugt unterhalb des Behälters 1 angeordnet. Der Pumpenzulauf 23 an der Saugseite der Pumpe 7 ist hierbei vorzugsweise winkelförmig zum Behälter 1 angeordnet. Die winkelförmige Neigung des Pumpenzulaufs im Verhältnis zum Behälter sorgt dafür, dass gasförmige Anteile in der angesaugten Flüssigkeit in den Behälter 1 entweichen können, so dass die Pumpe 7 im Wesentlichen eine flüssige Phase befördert und in kompakter Weise, insbesondere bei einer Abgabevorrichtung an einem Fahrzeug, am Behälter 1 angeordnet werden kann. Nachgelagert zur Pumpe 7 ist eine erste Rückführungsleitung 9 mit einem Verdampfer 13 vorgesehen, die zur Druckbeaufschlagung des Behälters 1 an die Abfüllleitung 25 verbunden ist. Der Verdampfer 13 überführt die kryogene Flüssigkeit wie Flüssigerdgas in den dampfförmigen Zustand. Bevorzugt wird hierzu die Wärme der Umgebungsluft genutzt. Ein Ventil 12 am Eingang der Rückführungsleitung 9 regelt den Durchfluss in die Rückführungsleitung 9 mit Verdampfer 13. Die Rückführungsleitung 9 mit Verdampfer führt bevorzugt in einen oberen Bereich des Behälters 1 insbesondere in eine gasförmige Phase des Behälters 1. Am Ende der Rückführungsleitung 9 also nachgelagert zum Verdampfer 13 ist bevorzugt ein Stellventil 14 vorgesehen, dass in Abhängigkeit vom Druck im Behälter 1 betrieben wird. Hierzu kann eine Druck-Regelung 15 vorgesehen werden, die eine Messeinrichtung für den Druck im Behälter 1 umfasst.
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Um einem Druckabbau im Behälter insbesondere durch Kondensation entgegenzuwirken, kann eine schwimmfähige Isolationsschicht 3 im Behälter 1 vorgesehen werden. Die schwimmfähige Isolationsschicht 3 ist bevorzugt permeabel ausgestaltet. Vorzugsweise besteht die schwimmfähige Isolationsschicht 3 aus mehreren insbesondere kleinteiligen Körpern.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Körper kugelförmig, oval, linsenförmig, plattenförmig und/oder streifenförmig auszugestalten, so dass eine flexible Anpassung an eine sich verändernde Oberfläche des Flüssigerdgases im Behälter möglich ist. Durch den reduzierten Kontakt zwischen Gas- und Flüssigphase im Behälter kann einem Druckabbau im Behälter entgegengewirkt werden. Insbesondere bei einer Abgabevorrichtung, die als Fahrzeug ausgestaltet ist, wirkt die schwimmfähige Isolationsschicht 3 einem Druckabbau durch Bewegungen des Flüssigerdgases im Behälter 1 entgegen.
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Als Material für die schwimmfähige Isolationsschicht 3 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 3 so auszubilden, dass die insbesondere kleinteiligen Körper sich gegenseitig abstoßen, so dass eine möglichst gleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche der kryogenen Flüssigkeit erzielt wird.
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Die schwimmfähige Isolationsschicht 3 kann in vorteilhafter Weise aus unterschiedlich dimensionierten kleinteiligen Körpern wie kugelförmigen, ovalen, linsenförmigen, plattenförmigen und/oder streifenförmigen Körpern gebildet werden. 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.
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Es ist besonders vorteilhaft, die schwimmfähige Isolationsschicht 3 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 3 insbesondere der isolierenden Körper zu verhindern, sind vor dem zuführenden und/oder abführenden Leitungen des Behälters 1 vorzugsweise Filtervorrichtungen wie Siebeinsätze 28 angeordnet.
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An der Abfüllleitung 25 kann eine zweite Rückführungsleitung 24 verbunden werden, die einen Mindestdurchfluss an der Pumpe 7 ermöglicht. Die Rückführungsleitung 24 ist mit der Abfüllleitung 25 in Verbindung und führt in Abhängigkeit eines Stellventils 8 in der Rückführungsleitung 24 einen Teil des entnommenen Flüssigerdgases zurück in den Behälter 1. Die Rückführung einer Mindestdurchflussmenge in den Behälter verhindert einen zu geringen Durchfluss in der Pumpe 7 und schützt so vor Beschädigungen. Dies ist insbesondere vorteilhaft beim Hoch- oder Runterfahren der Abgabevorrichtung. Zur Regelung der Mindestdurchflussmenge ist vorzugsweise eine Durchfluss-Regelung 10 vorgesehen, die eine Messeinrichtung für den Durchfluss in der Abfüllleitung 25 umfasst, welche insbesondere vor der zweiten Rückführungsleitung 24 angeordnet ist. Vorzugsweise beträgt die Mindestdurchflussmenge 20% bis 50%, besonders bevorzugt 30% bis 40% des Auslegungsdurchflusses. Weiterhin vorteilhaft ist es, eine Druck-Regelung 11 für das Stellventil 8 vorzusehen, die eine Messeinrichtung für den Druck am Eingang der zweiten Rückführungsleitung 24 umfasst. Auf diese Weise kann auch in Abhängigkeit vom Druck in der Abfüllleitung 25 eine Rückführung des entnommenen Flüssigerdgases geregelt werden. Die Rückführungsleitung 9 mit Verdampfer 13 kann zur weiteren Sicherheit mittels einer Entlüftungseinrichtung wie einem Sicherheitsventil 16 mit der zweiten Rückführungsleitung 24 verbunden sein, und zwar so, dass bei einem übermäßigen Druck in der Rückführungsleitung 9 mit Verdampfer 13 eine Entlüftung in die zweite Rückführungsleitung 24 erfolgt.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, den Antrieb der Pumpe 7 mittels eines Drehzahlreglers 26 zu betreiben. Hierzu wird bevorzugt eine Steuervorrichtung 27 beispielsweise ein Rechner vorgesehen, die die Signale der Durchfluss-Regelung 10 und/oder der Druck-Regelung 11 verarbeitet. Die Steuervorrichtung 27 kann so nach einem vorgegebenen Programm den Drehzahlregler 26 und gegebenenfalls das Stellventil 8 in der zweiten Rückführungsleitung 24 steuern. Auf diese Weise kann der Wärmeeintrag in das Flüssigerdgas vermindert werden, so dass das Flüssigerdgas effizient in einen zu befüllenden Behälter wie einem Flugzeugtank abgefüllt werden kann.
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Um die Abgabe von verunreinigten Flüssigerdgases zu vermeiden, kann stromabwärts in der Abfüllleitung 25 ein Filter 7 vorgesehen werden. Ein Abfüllventil 18 am Ende der Abfüllleitung 25 regelt die Abgabe des Flüssigerdgases in einen zu befüllenden Behälter. Ein Rückschlagventil 20 vor dem Abfüllventil 18 verhindert einen Rückfluss beim Abfüllen. Das Abfüllventil 18 ist vorzugsweise für eine Fernbetätigung ausgestaltet und kann in vorteilhafter Weise als Magnetventil ausgeführt werden. Eine Durchfluss-Summen-Anzeige-Regelung 19 kann zur gezielten Steuerung sowie Bilanzierung der Abfüllung vorgesehen werden. Vorzugsweise wird hierzu eine Messeinrichtung für den Durchfluss am Ende der Abfüllleitung 25 vorgesehen, so dass die effektiv abgegebene Durchflussmenge ermittelt werden kann. Eine bevorzugte Messeinrichtung hierfür ist ein Coriolis-Massedurchfluss-Messsystem. Am Ende der Abfüllleitung 25 kann ein Anschlussstutzen 21 vorgesehen werden, der mit einem Ladearm oder einem Betankungsschlauch verbunden wird. Dieser Ladearm oder Betankungsschlauch kann anschließend mit einem zu befüllenden Behälter wie z. B. einem Flugzeugtank in Verbindung stehen. Die Abfüllleitung 25 und/oder die Rückführungsleitungen weisen bevorzugt eine Isolierung 22 auf, um den Wärmeeintrag zu verhindern.
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Die Pumpe 7 zum Abfüllen des Flüssigerdgases erfordert regelmäßig einen hohen Energiebedarf, um ein Abfüllen beispielsweise ein Betanken eines Flugzeugs in kurzer Zeit zu ermöglichen. Bei Behältern mit einem Volumen von 20 m3 wie sie beispielsweise in mittelgroßen Flugzeugen für Mittelstrecken vorgesehen sind, ist dann für ein Betanken innerhalb von weniger als 30 Minuten eine Förderleistung von wenigstens 40 bis 60 m3/h erforderlich. Um eine Abgabe von kryogener Flüssigkeit in den zu befüllenden Behälter wie einem Flugzeugtank bevorzugt auch ohne Rückführung von Gas oder Gas-Dampf-Gemischen aus dem empfangenden Behälter zu ermöglichen, ist die Pumpe 7 bevorzugt für einen Differenzdruck von wenigstens 5 bar, besonders bevorzugt von wenigstens 8 bar, ausgelegt. Die Leistung der Pumpe 7 beträgt dann insbesondere 15 bis 35 kW.
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Die Befüllung des Behälters 1 mit kryogener Flüssigkeit erfolgt vorteilhafterweise mittels der Zuführleitung 29, deren Anschlussstutzen 5a an einen externen Lagerbehälter mit kryogener Flüssigkeit verbunden wird. Hierbei wird die Druckleitung 30 mittels des Anschlussstutzens 5 bevorzugt mit einer Gaspendelleitung des externen Lagerbehälters verbunden, und zwar so, dass das verdrängte Gas oder Gas-Dampfgemisch im Behälter 1 über die Druckleitung 30 in den externen Lagerbehälter zurückgeführt werden kann. Der Druck im Behälter 1 und die Gleichgewichtstemperatur der kryogenen Flüssigkeit entspricht somit vorzugsweise dem Druck und der Gleichgewichtstemperatur des externen Lagerbehälters. Nachdem die gewünschte Menge in den Behälter 1 gefüllt wurde, wird die Druckleitung 30 mittels des Anschlussstutzen 5 vorzugsweise an einen Druckbehälter und/oder einer Druckgasquelle zur Druckbeaufschlagung des Behälters 1 verbunden, so dass in vorbeschriebener Weise ein Überdruck im Behälter 1 erzeugt wird und die zuverlässige Abgabe der kryogenen Flüssigkeit mittels der Pumpe 7 ermöglicht wird.
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Der Antrieb der Pumpe 7 erfolgt bevorzugt elektrisch. Bei einer Abgabevorrichtung die ortsbeweglich auf einem Fahrzeug vorgesehen wird, ist es weiterhin vorteilhaft einen Generator an einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu koppeln, so dass die Pumpe 7 mit Hilfe des Generators elektrisch angetrieben wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, auch das Fahrzeug elektrisch anzutreiben, so dass mittels eines Generators sowohl der Fahrzeugantrieb als auch der Pumpenantrieb elektrisch gespeist werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behälter
- 2
- Behälterdämmung
- 3
- schwimmfähige Isolationsschicht
- 4
- Sicherheitsventil
- 5
- Anschlussstutzen von 30
- 5a
- Anschlussstutzen von 29
- 6
- Ventil von 30
- 6a
- Ventil von 29
- 7
- Abfüllpumpe
- 8
- Stellventil
- 9
- erste Rückführungsleitung
- 10
- Durchfluss-Regelung
- 11
- Druck-Regelung
- 12
- Ventil
- 13
- Verdampfer
- 14
- Stellventil
- 15
- Druck-Regelung
- 16
- Sicherheitsventil
- 17
- Filter
- 18
- Ventil
- 19
- Durchfluss-Mengen-Anzeige-Regelung
- 20
- Rückschlagventil
- 21
- Anschlussstutzen
- 22
- Isolierung
- 23
- Pumpenzulauf
- 24
- zweite Rückführungsleitung
- 25
- Abfüllleitung
- 26
- Drehzahlregler
- 27
- Steuervorrichtung
- 28
- Filtervorrichtung
- 29
- Zuführleitung
- 30
- Druckleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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