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Die Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit einer CO2-Bindeeinrichtung zum Binden von CO2 eines CO2-haltigen Gasgemisches.
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Auf Unterseebooten ist es bei Tauchfahrten unterhalb der Schnorchelfahrtiefe erforderlich, den insbesondere durch die Ausatemluft der Besatzung erhöhten CO2-Anteil der Raumluft im Inneren des Unterseeboots unterhalb eines zulässigen Grenzwerts zu halten. Hierzu werden an Bord von Unterseebooten in der Regel CO2-Bindeeinrichtungen eingesetzt.
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Zum Stand der Technik zählen solche CO2-Bindeeinrichtungen, bei denen CO2 von einem Hydroxid gebunden wird und dabei in ein Karbonat umgewandelt wird. Das Hydroxid befindet sich in Adsorptionsbehältern, die von der Innenraumluft bzw. Belüftungsluft des Unterseeboots durchströmt werden. Das Adsorptionsvermögen des Hydroxids ist begrenzt. Daher muss das Hydroxid spätestens dann, wenn es sich vollständig in Karbonat umgewandelt hat, ausgetauscht werden. Zu diesem Zweck ist das Hydroxid in Patronen bzw. Kartuschen gefüllt, die in den Adsorptionsbehältern der CO2-Bindeeinrichtung in regelmäßigen Abständen ausgewechselt werden. Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass die Intervalle, nach denen die Kartuschen ausgewechselt werden müssen, vergleichsweise kurz sind, so dass diese CO2-Bindeeinrichtungen einen verhältnismäßig großen Bedienaufwand erfordern, der den übrigen Bootsbetrieb gegebenenfalls stören kann.
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Aus
DE 10 2008 015 150 B4 ist eine CO
2-Bindeeinrichtung bekannt, die mehrere Adsorptionsbehälter aufweist, welche nacheinander in eine von der Belüftungsluft durchströmbare Stellung schaltbar sind. Die Anzahl der Adsorptionsbehälter ist so bemessen, dass die Belüftungsluft des Unterseeboots während einer kompletten Mission des Unterseeboots auf See das in der Luft befindliche CO
2 zuverlässig adsorbiert, wobei die Kartuschen der Adsorptionsbehälter nicht ausgetauscht werden müssen.
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Ein Austausch der in den Adsorptionsbehältern befindlichen Kartuschen ist bei reversiblen CO
2-Bindeeinrichtungen nicht erforderlich. So ist aus
DE 10 2006 048 716 B3 eine CO
2-Bindeeinrichtung bekannt, die in Verbindung mit einem regenerierbaren CO
2-Bindemittel verwendet wird. Zur Regeneration des CO
2-Bindemittels wird die CO
2-Bindeeinrichtung von Wasserdampf durchströmt, wodurch das CO
2 aus dem Bindemittel gelöst wird und anschließend aus der CO
2-Bindeeinrichtung abgeführt wird.
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Ferner sind reversible CO
2-Bindeeinrichtungen bekannt, bei denen das gebundene CO
2 durch Zufuhr von Wärme wieder gelöst werden kann. Eine solche CO
2-Bindeeinrichtung ist in
US 2008/0202339 A1 beschrieben. Diese CO
2-Bindeeinrichtung weist zwei Adsorptionsbehälter auf, von denen wechselweise einer das in der Luft befindliche CO
2 bindet, während der andere durch Wärmezufuhr regeneriert wird. Hierzu sind die beiden Adsorptionsbehälter miteinander thermisch verbunden, wobei Wärme aus dem gerade adsorbierenden Adsorptionsbehälter in den zu regenerierenden Adsorptionsbehälter abgeleitet wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Unterseeboot mit einer verbesserten CO2-Bindeeinrichtung bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Unterseeboots ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Hierbei können die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale jeweils für sich, aber auch in geeigneter Kombination miteinander die erfindungsgemäße Lösung nach Anspruch 1 weiter ausgestalten.
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Das erfindungsgemäße Unterseeboot, bei dem es sich bevorzugt um ein militärisches Unterseeboot handelt, ist mit einer CO2-Bindeeinrichtung zum Binden von CO2 eines CO2-haltigen Gasgemisches ausgestattet. In besonderem Maße dient die CO2-Bindeeinrichtung zum Binden des in der Luft im Inneren des Unterseeboots enthaltenen CO2. Die CO2-Bindeeinrichtung weist mindestens einen Adsorptionsbehälter mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass und mindestens ein mit einem CO2-Bindemittel gefülltes und zumindest abschnittsweise gasdurchlässiges Innenbehältnis auf. Insbesondere dann, wenn es sich bei der CO2-Bindeeinrichtung um eine regenerative CO2-Bindeeinrichtung handelt, bei der das gebundene CO2 wieder gelöst werden kann, weist die CO2-Bindeeinrichtung zweckmäßigerweise zwei oder mehr parallel betriebene derartige Adsorptionsbehälter auf, was einen kontinuierlichen Betrieb der CO2-Bindeeinrichtung ermöglicht, da sich immer ein Adsorptionsbehälter im Adsorptionstakt befindet, während ein anderer zeitgleich regeneriert wird.
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Erfindungsgemäß sind der Gaseinlass des Adsorptionsbehälters mit einem in das Innere des Innenbehältnisses führenden Kanal und der Gasauslass mit einem das Innenbehältnis außenseitig umgebenden Raum verbunden. Der in das Innere des Innenbehältnis führende Kanal erstreckt sich zweckmäßigerweise durch das gesamte Innenbehältnis, wobei er derart angeordnet ist, dass er an seiner gesamten äußeren Umfangsfläche innerhalb des Innenbehältnisses von dem in dem Innenbehältnis befindlichen CO2-Bindemittel umgeben ist. Ausgehend von dem Kanal ist das Innenbehältnis quer zur Längsausdehnung des Kanals durchströmbar. Hierzu ist eine den Kanal umfänglich begrenzende Außenseite des Kanals typischerweise gasdurchlässig ausgebildet, so dass das Gas von dem Kanal in die CO2-Bindemittelfüllung des Innenbehältnisses gelangen kann. Von dort strömt das nun von dem CO2 befreite Gas durch die Außenwandung des Innenbehältnisses in den das Innenbehältnis in dem Adsorptionsbehälter umgebenden Raum, von wo es über den Gasauslass aus dem Adsorptionsbehälter gelangt. Im Gegensatz zu den bislang bekannten Adsorptionsbehältern wird das in dem erfindungsgemäßen Adsorptionsbehälter angeordnete Innenbehhältnis von innen nach außen durchströmt. Dies hat den Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeit beim Durchströmen des CO2-Bindemittels außenseitig des Kanals mit zunehmendem Abstand zum Kanal abnimmt und sich korrespondierend die Kontaktzeit des CO2-haltigen Gasgemisches mit dem CO2-Bindemittel deutlich verlängert, was eine besonders effektive Entfernung des CO2 aus dem Gasgemisch zur Folge hat. Insofern stellt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Adsorptionsbehälters und der darin befindlichen Kartusche verfahrenstechnisch eine deutliche Verbesserung dar.
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Wenn es sich bei der CO2-Bindeeinrichtung um eine nicht reversible CO2-Bindeeinrichtung handelt, ist es erforderlich, das in dem Adsorptionsbehälter befindliche CO2-Bindemittel dann, wenn es sein Adsorptionsvermögen verloren hat, gegen ein adsorptionsfähiges CO2-Bindemittel auszutauschen. Insbesondere in diesem Fall erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine Wechselkartusche das Innenbehältnis bildet, die in einfacher Weise gegen eine andere ausgetauscht werden kann. Bei der Verwendung eines regenerierbaren CO2-Bindemittels kann das Innenbehältnis ggf. ein integraler Bestandteil des Adsorptionsbehälters sein, wobei aber auch in diesem Fall die Verwendung einer Wechselkartusche als Innenbehältnis des Adsorptionsbehälters zu bevorzugen ist.
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Das in dem Adsorptionsbehälter der CO2-Bindeeinrichtung des erfindungsgemäßen Unterseeboots verwendete CO2-Bindemittel ist vorzugsweise thermisch regenerierbar ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mindestens ein durch die CO2-Bindemittelfüllung des Innenbehältnisses führendes längliches Heizelement vorgesehen, an dessen Außenseiten mehrere voneinander beabstandete Heizlamellen angeordnet sind. Durch die Verwendung der Heizlamellen wird die wärmeabgebende Oberfläche des Heizelements in erheblichem Maße vergrößert, wodurch sich die zur Erwärmung des CO2-Bindemittels erforderliche Zeit und damit einhergehend die zur Regeneration des CO2-Bindemittels benötigte Zeit erheblich verkürzen. Zweckmäßigerweise sind das Heizelement und die Heizlamellen derart in dem Innenbehältnis angeordnet, dass sie direkt in dem CO2-Bindemittel eingebettet sind. Dies ist insofern vorteilhaft, als der direkte Kontakt des CO2-Bindemittels mit dem Heizelement und den Heizlamellen eine schnelle Erwärmung unterstützt.
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Die Anordnung, die Dimensionierung und Ausgestaltung des Heizelements und der Heizlamellen sind zweckmäßigerweise so gewählt, dass eine homogene Erwärmung des gesamten in dem Innenbehältnis befindlichen CO2-Bindemittels gewährleistet ist. In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft vorgesehen, dass das Heizelement parallel zu dem Kanal ausgerichtet ist. Des Weiteren ist sinnvollerweise auch sicherzustellen, dass die Heizlamellen keine Barriere für das durch das CO2-Bindemittel strömende Gas bilden. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Heizlamellen parallel zur Durchströmungsrichtung des Innenbehältnisses außerhalb des Kanals ausgerichtet sind. Demzufolge sind die vorzugsweise als dünne Scheiben ausgebildeten Heizlamellen bevorzugt quer zur Längsausdehnung des in dem Innenbehältnis ausgebildeten Kanals ausgerichtet.
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Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Heizlamellen den in dem Innenbehältnis ausgebildeten Kanal vollständig umgeben. Dementsprechend sind die Heizlamellen bevorzugt ringförmig ausgebildet, wobei der Kanal durch eine an der Heizlamelle ausgebildete vorzugsweise zentral ausgebildete Durchbrechung verläuft.
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Weiter vorteilhaft kann ein von einem Heizmedium durchströmtes Rohr das Heizelement bilden. Bei dieser Ausgestaltung ist in dem Innenbehältnis des Adsorptionsbehälters bevorzugt in dem mit dem CO2-Bindemittel gefüllten Bereich zumindest ein Rohr angeordnet, das von einem Wärmeträger in Form einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder ein Thermalöl, oder in Form eines Gases, wie z. B. Dampf, durchströmt wird. Das Rohr ist zweckmäßigerweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, ausgebildet und erstreckt sich in dem Innenbehältnis bevorzugt parallel zu dem in dem Innenbehältnis ausgebildeten Kanal über die gesamt Länge des Innenbehältnisses.
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Alternativ kann das Heizelement auch Teil einer elektrischen Widerstandsheizung sein. So kann ein in die CO2-Bindemittelbefüllung des Innenbehältnisses eingeführter, mittels elektrischer Widerstandserwärmung beheizbarer länglicher Heizstab, das Heizelement bilden. Auch ein solcher Heizstab ist zweckmäßigerweise derart ausgerichtet und dimensioniert, dass er sich in dem Innenbehältnis bevorzugt parallel zu dem in den Innenbehältnis ausgebildeten Kanal über die gesamte Länge des Innenbehältnisses erstreckt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der in dem erfindungsgemäßen Unterseeboot verwendeten CO2-Bindeeinrichtung ist das Innenbehältnis des Adsorptionsbehälters zylindrisch ausgebildet, wobei der in dem Innenbehältnis ausgebildete Kanal, der zweckmäßigerweise auch zylindrisch ausgebildet ist, zentral in Längsrichtung des Innenbehältnisses durch dieses geführt ist und ein Ringraum zwischen dem Kanal und einer Umfangswandung des Innenbehältnisses mit dem CO2-Bindemittel gefüllt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Ringraum zwischen dem Kanal und der Umfangswandung des Innenbehältnisses in beliebiger radialer Richtung von dem CO2-haltigen Gasgemisch durchströmt, wobei der Strömungsweg durch den Ringraum unabhängig von der Strömungsrichtung immer gleich lang ist.
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In Weiterbildung dieser Ausgestaltung des Innenbehältnisses weisen die an dem Heizelement angeordneten Heizlamellen vorteilhafterweise einen Querschnitt auf, der mit dem Innenquerschnitt des mit dem CO2-Bindemittel gefüllten Ringraums korrespondiert. D. h., die Heizelemente sind bevorzugt als ringförmige Scheiben ausgebildet, wobei sie so dimensioniert sind, dass sie bei Anordnung in dem Ringraum des Innengehäuses lediglich ein geringes Spiel zu dem den Ringraum innenseitig begrenzenden Kanal und der den Ringraum außenseitig begrenzenden Umfangswandung des Innengehäuses aufweisen.
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Um die zur Regeneration des CO2-Bindemittels erforderliche thermische Energie schnell und in ausreichendem Maße zur Verfügung stellen zu können, sind vorteilhaft an den derart ausgestalteten Heizlamellen vorzugsweise einander diametral gegenüberliegend zwei Durchbrechungen ausgebildet, durch die jeweils ein Heizelement geführt ist. Dementsprechend stehen die Heizlamellen jeweils mit zwei Heizelementen in thermischer Verbindung. Es sei darauf hingewiesen, dass an den Heizlamellen ggf. auch mehr als zwei Durchbrechungen mit durch diese geführten Heizelementen vorgesehen sein können, wichtig ist hierbei nur, dass sie auf der Heizlamelle den gleichen Abstand haben, um eine gute Wärmeverteilung zu gewährleisten.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt jeweils schematisch stark vereinfacht und in unterschiedlichen Maßstäben:
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1 in einer Prinzipdarstellung einen Adsorptionsbehälter einer CO2-Bindeeinrichtung und
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2 in einer Prinzipdarstellung ein in einem Adsorptionsbehälter einer CO2-Bindeeinrichtung angeordnetes, mit einem CO2-Bindemittel gefülltes Innenbehältnis.
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Der in 1 dargestellte Adsorptionsbehälter 2 einer CO2-Bindeeinrichtung ist an geeigneter Stelle im Druckkörper eines Unterseeboots angeordnet, wobei aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit auf die Darstellung des Unterseeboots verzichtet worden ist. Der Adsorptionsbehälter 2 dient dazu, CO2 eines CO2-haltigen Gasgemisches, bei dem es sich im vorliegenden Fall vor allem um die in dem Druckkörper befindliche Ausatemluft der Besatzung des Unterseeboots handelt, zu binden.
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Der Adsorptionsbehälter 2 weist einen Gaseinlass 4 für das CO2-haltige Gasgemisch und einen Gasauslass 6 für das in dem Adsorptionsbehälter 2 von dem CO2 befreite Gasgemisch bzw. Gas auf. In dem Adsorptionsbehälter 2 ist ein mit einem thermisch regenerierbaren CO2-Bindemittel 8 befülltes Innenbehältnis 10 angeordnet.
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Das Innenbehältnis 10 ist hohlzylindrisch ausgebildet und an seinen Stirnseiten 12 und 14 gasdicht verschlossen, während eine Umfangswandung 16 des Innenbehältnisses 10 gasdurchlässig ausgebildet ist. Innerhalb des Innenbehältnisses 10 ist ein zylindrischer Kanal 18 ausgebildet, der sich konzentrisch zu einer Mittelachse A des Innenbehältnisses 10 in Längsrichtung des Innenbehältnisses 10 von dessen Stirnseite 12 bis zu dessen Stirnseite 14 erstreckt. Über eine an der Stirnseite 12 ausgebildete Öffnung 20 ist der Kanal 18 mit dem Gaseinlass 4 des Adsorptionsbehälters 2 leitungsverbunden. Wie die Umfangswandung 16 des Innenbehältnisses 10 ist auch eine den Kanal 18 begrenzte Wandung 22 gasdurchlässig ausgebildet. Das von dem Gaseinlass 4 abgewandte Ende des Kanals 18 ist von der Stirnseite 14 im Wesentlichen gasdicht verschlossen.
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Zusammen mit der Umfangswandung 16 des Innenbehältnisses 10 bildet der Kanal 18 einen Ringraum 24, der mit dem CO2-Bindemittel 8 gefüllt ist. Zum Lösen des in dem CO2-haltigen Gasgemisch befindlichen CO2 wird das CO2-haltige Gasgemisch über den Gaseinlass 4 des Adsorptionsbehälters 2 in den darin angeordneten Kanal 18 geleitet. Von dort strömt es durch die gasdurchlässige Wandung 22 des Kanals 18 in den Ringraum 24, wo es mit dem CO2-Bindemittel 8 in Kontakt kommt, welches das in dem Gas enthaltene CO2 bindet. Von dem CO2 befreit verlässt das Gasgemisch bzw. Gas das Innenbehältnis 10 über dessen gasdurchlässige Umfangswandung 16 und strömt in einen Ringraum 26, der in dem Adsorptionsbehälter 2 zwischen der Umfangswandung 16 des Innenbehältnisses 10 und einer Außenwandung 28 des Adsorptionsbehälters 2 ausgebildet ist. Der Ringraum 26 ist mit dem Gasauslass 6 des Adsorptionsbehälters 2 strömungsverbunden, so dass das gereinigte Gasgemisch bzw. Gas den Adsorptionsbehälter 2 über den Gasauslass 6 verlassen kann.
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In der erfindungsgemäßen CO2-Bindeeinrichtung wird ein thermisch regenerierbares CO2-Bindemittel 8 verwendet, d.h. zur Regeneration des CO2-Bindemittels 8 muss diesem Wärme zugeführt werden. Hierzu sind mehrere längliche Heizelemente 30 und 32 vorgesehen. Diese führen im Bereich des Ringraums 24 parallel zur Mittelachse A des Innenbehältnisses 10 ausgerichtet durch das Innenbehältnis 10.
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Zur Vergrößerung ihrer Wärmeübertragungsfläche sind die beiden Heizelemente 30 und 32 mit 13 Heizlamellen 34 verbunden. Die Heizlamellen 34 werden von vergleichsweise dünnen ringförmigen flachen Scheiben aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet. Die Querschnittskontur der Heizlamellen 34, die gleichmäßig über den in den Ringraum 24 eingreifenden Abschnitt der Heizelemente 30 und 32 verteilt angeordnet sind, korrespondiert mit der Querschnittskontur des Ringraums 24. Um einen guten Wärmeübergang von den Heizelementen 30 und 32 zu den Heizlamellen 34 zu gewährleisten, sind die Heizelemente 30 und 32 mit den Heizlamellen 34 über eine Press- oder eine Lötverbindung verbunden.
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Insbesondere die Heizlamellen 34 ermöglichen eine hohe und gleichmäßige Wärmeeinbringung in den mit dem CO2-Bindemittel 8 befüllten Ringraum 24 des Innenbehältnisses 10. Durch diese Wärmeeinbringung wird das zuvor von dem CO2-Bindemittel 8 gebundene CO2 von dem CO2-Bindemittel 8 wieder gelöst, wonach es beispielsweise über eine an den Gaseinlass 4 des Adsorptionsbehälters 2 angeschlossene Pumpe, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, aus dem Adsorptionsbehälter 2 abgesaugt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Adsorptionsbehälter
- 4
- Gaseinlass
- 6
- Gasauslass
- 8
- CO2-Bindemittel
- 10
- Innenbehältnis
- 12
- Stirnseite
- 14
- Stirnseite
- 16
- Umfangswandung
- 18
- Kanal
- 20
- Öffnung
- 22
- Wandung
- 24
- Ringraum
- 26
- Ringraum
- 28
- Außenwandung
- 30
- Heizelement
- 32
- Heizelement
- 34
- Heizlamelle
- A
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008015150 B4 [0004]
- DE 102006048716 B3 [0005]
- US 2008/0202339 A1 [0006]
