DE102018010103A1

DE102018010103A1 - Ringtank

Info

Publication number: DE102018010103A1
Application number: DE102018010103.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hausmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2019-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ringtank (1) mit einer geschlossenen umlaufenden Rohrleitung (2) zur Speicherung von Gasen unter Überdruck. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrleitung (2) wenigstens eine Einrichtung (5) zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringtank mit einer geschlossen umlaufenden Rohrleitung zur Speicherung von Gasen unter Überdruck.
Ringtanks mit einer geschlossen umlaufenden Rohrleitung sind als Alternative zu herkömmlichen Druckgasspeichern mit im Wesentlichen zylindrischer Form und halbrunden Endkappen allgemein bekannt und üblich. Die DE 10 2013 015 519 A1 beschreibt einen solchen als Vorrichtung zum Speichern von Gas, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff bei einem Nenndruck von mehr als 65 MPa.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei solchen Ringtanks mit geschlossen umlaufender Rohrleitung die Entnahme und insbesondere die Betankung mit Gas relativ kritisch ist. Aus diesem Grund beschreibt die oben genannte Schrift die Eindüsung von Gas über eine Art Gasstrahlpumpe/Ejektor, um so eine in der geschlossen umlaufenden Rohrleitung auftretende Strömung zu begünstigen. Damit soll es zu einer Durchmischung des frisch zugeführten und des noch im Tank befindlichen Gases kommen, sodass eine gleichmäßige und homogene Mischung der Gase auftritt, was eine relativ gleichmäßige und homogene Temperaturverteilung in dem Ringtank bewirken soll.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass dies, insbesondere bei Ringtanks mit längeren Rohrleitungen, häufig nicht ausreicht. Der Druckverlust in der Rohrleitung ist größer als die über die Gasstrahlpumpe eingetragene Strömungsenergie. Es kann daher dazu kommen, dass eingebrachtes Gas auch entgegen der gewünschten Strömungsrichtung strömt. Hierdurch kommt es zu Bereichen innerhalb des Ringtanks, in denen keine oder lediglich eine verminderte Durchmischung der Gase auftritt. In der Praxis bedeutet dies, dass es beispielsweise in relativ weit von der Betankungsstelle des Ringtanks entfernten Bereichen zu lokalen Erwärmungen oder Abkühlungen kommen kann, was aufgrund der Temperaturdifferenzen über die Lauflänge der Rohrleitung dann zu Schäden am Ringtank führt. Insbesondere kann sich die innere Schicht, der sogenannte Liner des Ringtanks ablösen. Der Ringtank ist damit nicht mehr sicher verwendbar und muss ersetzt werden. Dies stellt natürlich einen erheblichen Nachteil dar.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen derartigen Ringtank so weiterzubilden, dass dieser den oben genannten Nachteil nicht mehr aufweist und eine möglichst homogene Durchmischung der Gase und damit eine homogene Temperaturverteilung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Ringtank mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Der Erfinder hat erkannt, dass das Einbringen wenigstens einer Einrichtung zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung in die Rohrleitung stark dazu beiträgt, dass sich die gewünschte Strömung in der Rohrleitung ausbildet. Damit ist eine homogene Durchmischung der Gase bei der Betankung und eine Kreislaufströmung bei der Entnahme in der geschlossenen umlaufenden Rohrleitung des Ringtanks möglich. Dies führt in der Praxis zu einer deutlich verbesserten Homogenisierung der Temperaturen und trägt so massiv dazu bei, die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
In der Praxis ist es dabei so, dass eine entsprechende Einrichtung zur Behinderung der Strömung in die eine Richtung, beispielsweise ein klassisches Rückschlagventil, relativ aufwendig und teuer ist. Außerdem ist es so, dass von ihm ein relativ hoher Druckverlust ausgeht. Ein weiterer gravierender Nachteil ist die Tatsache, dass das Rückschlagventil im Inneren des Tanks angeordnet werden muss, was im Falle einer notwendigen Wartung dazu führen würde, dass der Ringtank geöffnet werden muss, was bei den meisten Aufbauten nicht oder nur mit hohen Aufwand möglich ist.
Zudem weisen mechanische Rückschlagventile aus akustischer Sicht (NVH) Nachteile auf. Insbesondere tendieren diese zum Schwingen „Chattern“ wenn die bei der Betankung üblichen initialen Fülldruckpulse in das Tanksystem eingebracht werden. Ebenso am Ende der Betankung mit abnehmenden Massenstrom, wenn der Massenstrom durch ein mechanisches Rückschlagventil sehr gering ist. Ferner können mechanische Rückschlagventile am mechanischen Kolben klemmen oder einen Federbruch erleiden, was dazu führen würde, dass diese offen stehen bleiben würden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ringtanks sieht es daher vor, dass die Einrichtung zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung als Tesla-Ventil ausgebildet ist. Ein solches Tesla-Ventil, welches auf den Erfinder Nikola Tesla zurückgeht und erstmals in der US 1,329,559 A veröffentlicht worden ist, hat den Vorteil, dass es eine Strömung in der einen Richtung kaum behindert, ihr also kaum einen erhöhten Strömungswiderstand entgegensetzt, während es die Strömung in der anderen Richtung weitgehend blockiert, indem je nach Bauform der Strömungswiderstand in dieser Strömungsrichtung bis zu 200 Mal größer ist als in der anderen. Das Tesla-Ventil hat darüber hinaus den Vorteil, dass es ohne bewegliche Teile auskommt. Es kann also außerordentlich einfach und effizient in die Rohrleitung des Ringtanks integriert werden und kann dort frei von jeglichem Wartungsaufwand verbleiben, muss also nicht in irgendeiner Weise zugänglich sein.
Zur Begünstigung einer Strömungsrichtung kommt es bei der Anwendung aber auch nicht auf einen vollständigen Verschluss durch das Ventil in eine Richtung an, so dass das Telsa-Ventil als Richtungssteller verwendet werden kann. Dennoch könnte es alternativ mit oben genannten Nachteilen aber durch Membranventile, Rückschlagventile oder Wechselventile ersetzt werden.
Das Tesla-Ventil kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee dabei einteilig in die Rohrleitung mit integriert werden, insbesondere indem die Funktionalität einteilig in den Liner bei dessen Herstellung integriert wird, um so eine außerordentlich einfache, robuste und wartungsfreie Lösung zur Behinderung der Strömung in die eine Richtung und zur Begünstigung der Strömung in die andere Richtung zu schaffen. Dabei sind auch mehrere über die Länge der Rohrleitung verteilt angeordnete Tesla-Ventile einfach zu realisieren. Entsprechen können solche Teslaventile auch in Bezug zur begünstigten Strömungsrichtung vor und nach dem Einlassventil und/oder Auslassventil angeordnet sein. Da die mehreren Tesla-Ventile in der Rohrleitung eine Kreisströmung in eine Richtung unterstützen sollen, sind diese natürlich alle in die gleiche Richtung orientiert und begünstigen alle die gleiche Strömungsrichtung.
Vorteilhaft kann das Tesla-Ventil auf seiner strömungsleitenden flügelförmig strukturierten Oberfläche auch hydrophob ausgebildet sein, um eventuell vorhandenes Wasser oder Fluide abzuweisen.
Das Tesla-Ventil ist neben einer flachen, zweidimensionalen Form auch in einer dreidimensionalen koaxialen Röhrenform darstellbar und somit auch in den dünneren Rohrbögen eines Ringtank-Liners ideal integrierbar.
Die innere Schicht mit dem Tesla-Ventil kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee durch einen Spritzguss- oder Blasprozess hergestellt sein, sodass lediglich eine minimale Anpassung beim Herstellungsprozess der inneren Schicht, des sogenannten Liners, notwendig ist, um die erfindungsgemäßen Vorteile nutzen zu können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Ringtanks in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
2 eine Prinzipdarstellung der Einrichtung zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung, in Form eines Tesla-Ventils;
3 eine mögliche Ausgestaltung einer Anschlussstelle zur Betankung mit Gas oder zur Entnahme von Gas aus dem Ringtank;
4 eine Prinzipdarstellung eines Ringtanks in einer möglichen weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In der Darstellung der 1 ist ein Ringtank 1 prinzipmäßig angeordnet. Er besteht aus einer umlaufenden geschlossenen Rohrleitung 2, welche hier teilweise mäanderförmig angeordnet ist. Eine Einrichtung 3 dient der Entnahme von Gas und der Betankung des Ringtanks 1. Diese Einrichtung 3 ist in der Rohrleitung 2 angeordnet, auf eine mögliche Ausführungsvariante wird später noch im Detail eingegangen. In Strömungsrichtung S innerhalb der Rohrleitung 2 des Ringtanks 1 folgt auf diese Einrichtung 3, über welche der Ringtank 1 betankt oder das Gas entnommen werden kann, wie es durch den Doppelpfeil 4 entsprechend angedeutet ist, eine Einrichtung 5, um die Strömung entgegen der Strömungsrichtung S zu behindern und eine Strömung in der Strömungsrichtung S entsprechend zu bevorzugen. Vorteilhaft ist die Einrichtung 5 zur Behinderung einer Strömungsrichtung in Strömungsrichtung vor und in unmittelbarer Nähe zu der Einrichtung 3 zur Betankung und Entnahme von Gas angeordnet, so dass sich das einströmende Gas in die Vorzugsrichtung und damit in Strömungsrichtung ungehindert im Ringtank 1 ausbreiten kann und gleich beim Einlass in die entgegengesetzte Richtung durch die Einrichtung 5 gehindert wird.
Die Einrichtung 5 könnte dabei prinzipiell als jede Art von Rückschlagventil ausgebildet sein. Sie ist jedoch bevorzugt in der Art eines sogenannten Tesla-Ventils 6 ausgebildet. Es könnten auch mehrere der Einrichtungen S, insbesondere in Form von Tesla-Ventilen 6 entlang der Rohrleitung 2 in dieser angeordnet sein. In 2 ist das Tesla-Ventil dargestellt. Es besteht aus einer Vielzahl von teilweise geschlungenen Kanälen 7. Es kann in der Strömungsrichtung S mit relativ wenig Druckverlust von einem Gas durchströmt werden. Entgegen der Strömungsrichtung S tritt durch die mehrfache Verzweigung des Gasstroms in den einzelnen Schlaufen des Aufbaus ein sehr hoher Druckverlust auf. Die hier gezeigte Variante hat elf Schlaufen bzw. Umlenkelemente, wie sie auch vom Erfinder selbst in der US 1,329,559 A gezeigt ist. Der dort beschriebene Aufbau mit elf Schlaufen bzw. Umlenkelementen sorgt für einen Druckverlust, welcher entgegen der Strömungsrichtung S, also in Sperrrichtung des Tesla-Ventils 6 ca. 200 Mal größer als in der Strömungsrichtung S, also der Durchflussrichtung des Tesla-Ventils 6 ist.
Das Tesla-Ventil 6 ist dabei außerordentlich einfach im Aufbau und kann beispielsweise einstückig mit dem Liner der Rohrleitung 2, also der inneren Schicht des Ringtanks 1 realisiert und aufgebaut werden. Das Tesla-Ventil 6 ist dabei völlig wartungsfrei, sodass es nicht zugänglich sein muss und daher problemlos im Inneren des Liners platziert werden kann, welcher dann typischerweise noch von einer faserverstärkten Hülle umgeben wird, durch welche das Innere im späteren Betrieb dann nicht mehr zugänglich ist. Das Tesla-Ventil 6 hat also durch seinen wartungsfreien Aufbau einen entscheidenden Vorteil.
In der 3 ist analog zum Aufbau in der eingangs genannten DE 10 2013 015 519 A1 die Einrichtung 3 zur Betankung des Ringtanks 1 und zur Entnahme von Gas in einer möglichen Ausführungsform nochmals dargestellt. Die Einrichtung 3 umfasst ein Anschlussrohr 8 zur Betankung des Ringtanks 1. Dieses ist so positioniert, dass es bei der Betankung das einströmende Gas in eine Engstelle 9 dosiert und so in der Art einer Gasstrahlpumpe bzw. eines Ejektors eine Strömung in der Strömungsrichtung S bewirkt. Für die Entnahme des Gases über eine Entnahmeleitung 10 ist ein umlaufender Spalt in der Engstelle 9 bzw. in dem Bereich, in dem die Engstelle 9 sich wieder erweitert, vorgesehen. Dieser ist in der Darstellung der 3 mit 11 bezeichnet. Man macht sich hier das Coanda-Prinzip zunutze, sodass bei der Entnahme eine Gasströmung durch den verengten Bereich 9 des Querschnitts auftritt und dann Gas, wie es durch die gestrichelten dünnen Pfeile dargestellt ist, teilweise durch den umlaufenden Spalt 11 abströmt und dadurch ebenfalls eine Kreislaufströmung in dem Ringtank 1 aufrechterhält, ähnlich wie für den Fall der Betankung durch die durchgezogenen Pfeile dargestellt.
Vor der Einrichtung 3 kann die Rohrleitung 2 bereits auch schon verengt sein, um einen für das Tesla-Ventil 6 geeigneten Durchmesser aufzuweisen. Nach dem Tesla-Ventil 6 erfolgt dann, wie es in der Darstellung der 2 angedeutet ist, wieder eine Querschnittserweiterung 12 auf den eigentlichen Strömungsquerschnitt der Rohrleitung 2 des Ringtanks 1 um dann wieder die Einrichtung 3 aufzunehmen. Der Aufbau aus dem Tesla-Ventil 6 und der Einrichtung 3 und kann dabei auch einstückig in einem entsprechenden Bauteil realisiert werden, an welches dann die beiden Enden der umlaufenden Rohrleitung 2 angeschlossen werden können, um den Ringtank 1 auszubilden.
Wie in einer alternativen Ausführung der erfinderischen Idee in 4 dargestellt, kann das Tesla-Ventil 6 als Einrichtung 5, um die Strömung entgegen der Strömungsrichtung S zu behindern, auch mehrfach in der Rohrleitung 2 angeordnet sein und dies auch beispielsweise direkt vor und nach der Einrichtung 3.
Hierbei kann dann auch diese Kombination der drei Einrichtungen 5, 3, 5, zuerst ein Tesla-Ventil 6, dann die Einrichtung 3 und dann wieder ein Tesla-Ventil 6 einstückig realisiert sein und als ein Bauteil an die Rohrleitung 2 angeschlossen und damit Teil des Ringtanks 1 sein. Hierbei sind die mindestens zwei Tesla-Ventile 6 im Ringtank 1 alle gleichgerichtet, so dass alle die gleiche Strömungsrichtung begünstigen und damit eine Kreisströmung im Ringtank 1 unterstützen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013015519 A1 [0002, 0021]
US 1329559 A [0010, 0019]

Claims

Ringtank (1) mit einer geschlossenen umlaufenden Rohrleitung (2) zur Speicherung von Gasen unter Überdruck, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrleitung (2) wenigstens eine Einrichtung (5) zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung angeordnet ist.
Ringtank (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung als Tesla-Ventil (6) ausgebildet ist.
Ringtank (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tesla-Ventil (6) in eine innere Schicht der geschlossen umlaufenden Rohrleitung (2) einstückig integriert ist.
Ringtank (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht mit dem Tesla-Ventil (6) durch einen Spritzguss- oder Blasprozess hergestellt ist.
Ringtank (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der gewollten Strömungsrichtung (S) vor der Einrichtung (3) zur Betankung und Entnahme von Gas eine Einrichtung (5) zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung angeordnet ist.
Ringtank (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (3) zur Betankung und Entnahme von Gas eine Engstelle (9) gegenüber dem Durchmesser der Rohrleitung (2) aufweist, in deren Bereich die Gasentnahme über einen Ringspalt (11) und die Gaszufuhr über ein Anschlussrohr (8) in die Engstelle (9) vorgesehen ist.
Ringtank (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (5) zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung und die Einrichtung (3) zur Betankung und Entnahme von Gas in Form eines einzigen Bauteils ausgebildet sind.
Ringtank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt sich in der gewollten Strömungsrichtung (S) vor der Einrichtung (5) zur Behinderung der Strömung in die eine Strömungsrichtung verjüngt, und nach der Einrichtung (5) erweitert.
Ringtank (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von mindestens 20MPa, insbesondere mehr als 65 MPa, ausgebildet ist.