DE102021130372A1 - Process and arrangement for producing a fuel mixture - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines homogenen Treibstoffgemisches aus zumindest zwei Treibstoffkomponenten, insbesondere aus einer Oxidatorkomponente und zumindest einer Brennstoffkomponente, in einem Mischvorgang, umfassend die Schritte Evakuierung einer Mischanordnung (10), Überführung zumindest einer der Treibstoffkomponenten, die zumindest teilweise gasförmige vorliegt, von einer Quelle (100, 100') in eine Verflüssigungseinrichtung (116, 116'), Vorverflüssigung der zumindest einen Treibstoffkomponente, insbesondere unter Beaufschlagung mit Kälte und/oder Druck, innerhalb der Verflüssigungseinrichtung (116, 116'), und Zusammenführung der Treibstoffkomponenten in einer Zusammenführungsanordnung (300) zu dem Treibstoffgemisch (Fig. 2).The invention relates to a method for producing a homogeneous fuel mixture from at least two fuel components, in particular from an oxidizer component and at least one fuel component, in a mixing process, comprising the steps of evacuating a mixing arrangement (10), transferring at least one of the fuel components, which is at least partially in gaseous form, from a source (100, 100') into a liquefaction device (116, 116'), pre-liquefaction of the at least one fuel component, in particular by applying cold and/or pressure, within the liquefaction device (116, 116'), and combining the fuel components in a merging arrangement (300) to the fuel mixture (Fig. 2).
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines homogenen Treibstoffgemisches aus zumindest zwei Treibstoffkomponenten, insbesondere aus einer Oxidatorkomponente und zumindest einer Brennstoffkomponente, in einem Mischvorgang. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Herstellung eines Treibstoffgemisches.The invention relates to a method for producing a homogeneous fuel mixture from at least two fuel components, in particular from an oxidizer component and at least one fuel component, in a mixing process. The invention also relates to an arrangement for producing a fuel mixture.
Ein Verfahren der oben genannten Art ist in der
In der
Die
In der
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines genau definierten Treibstoffgemisches aus zumindest teilweise gasförmig vorliegenden Treibstoffkomponenten mit hoher Volumeneffizienz bereitzustellen, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.The object of the invention is to provide a method for producing a precisely defined fuel mixture from at least partially gaseous fuel components with high volume efficiency, and an arrangement for carrying out the method.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei umfasst das Verfahren die Schritte: Evakuierung einer Mischanordnung, Überführung zumindest einer der, vorzugsweise der jeweiligen, Treibstoffkomponente/n, die zumindest teilweise gasförmig vorliegt/vorliegen, von einer (z. B. jeweiligen) Quelle in eine (z. B. jeweilige) Verflüssigungseinrichtung, Vorverflüssigung der zumindest einen (z. B. der jeweiligen) Treibstoffkomponente, insbesondere unter Beaufschlagung mit Kälte und/oder Druck, innerhalb der Verflüssigungseinrichtung und Zusammenführung der Treibstoffkomponenten in einer Zusammenführungsanordnung zu dem (flüssigen, homogenen) Treibstoffgemisch.The object is achieved for the method with the features of claim 1. The method comprises the steps: Evacuation of a mixing arrangement, transfer of at least one of the, preferably the respective, fuel component(s), which is/are present at least partially in gaseous form, from a (e.g. respective) source into a (e.g. respective ) Liquefaction device, pre-liquefaction of the at least one (e.g. the respective) fuel component, in particular with the application of cold and/or pressure, within the liquefaction device and merging of the fuel components in a merging arrangement to form the (liquid, homogeneous) fuel mixture.
„Evakuierung“ bedeutet hierbei die Erzeugung eines technischen Vakuums unter Herstellung eines Unterdrucks."Evacuation" means the creation of a technical vacuum by creating a negative pressure.
Die Überführung der Treibstoffkomponenten und die Vorverflüssigung können zumindest zeitweise gleichzeitig und/oder nacheinander ablaufen. Möglich ist z. B. ein Überführen mit anschließender Vorverflüssigung bis zum Erreichen eines gewünschten verflüssigten Volumens. Durch die Vorverflüssigung können die Volumina der Mischanordnung auch mit gasförmigen Treibstoffkomponenten besonderes effizient ausgenutzt und so größere Mengen an Treibstoffgemisch in einer vergleichsweise kompakten Anlage bzw. Anordnung hergestellt werden.The transfer of the fuel components and the pre-liquefaction can at least temporarily take place simultaneously and/or one after the other. It is possible e.g. B. a transfer with subsequent pre-liquefaction until a desired liquefied volume is reached. As a result of the pre-liquefaction, the volumes of the mixing arrangement can also be used particularly efficiently with gaseous fuel components, and larger quantities of fuel mixture can thus be produced in a comparatively compact system or arrangement.
Besonders vorteilhaft lassen sich das Verfahren und die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bei Gasen (d. h. unter Standardbedingungen zumindest teilweise gasförmig vorliegenden Treibstoffkomponenten) anwenden, welche unter Druck (z. B. mit einer kritischen Temperatur (Temperatur am kritischen Punkt) von mehr als 0 °C und/oder einem kritischen Druck (Druck am kritischen Punkt) von kleiner 100 bar) verflüssigbar sind, z. B. bei N2O (insbesondere als Oxidatorkomponente), CO2 und/oder Kohlenwasserstoffen wie C2H4, C2H6 oder C3H6.The method and the arrangement for carrying out the method can be used particularly advantageously with gases (ie fuel components present at least partially in gaseous form under standard conditions) which are under pressure (e.g. with a critical temperature (temperature at the critical point) of more than 0° C and/or a critical pressure (pressure at the critical point) of less than 100 bar) are liquefiable, e.g. B. with N 2 O (in particular as an oxidizer component), CO 2 and / or hydrocarbons such as C 2 H 4 , C 2 H 6 or C 3 H 6 .
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Menge der jeweiligen Treibstoffkomponente während der Überführung in die Verflüssigungseinrichtung, insbesondere mittels einer Durchflussmesseinrichtung, vorzugsweise basierend auf dem Coriolis-Prinzip (mit dem Mengen in Gas- und/oder Flüssigphasen ermittelbar sind), ermittelt wird. Die Verflüssigungseinrichtung umfasst in diesem Fall insbesondere Verflüssigungsbehälter. Die Verflüssigungsbehälter fungieren zugleich als Dosierbehälter, in welche die exakten Mengen eindosiert werden. Auf diese Weise werden bereits stromauf der Verflüssigungseinrichtung (vor der Vorverflüssigung, insbesondere in gasförmigem Zustand) die exakten Mengen der Treibstoffkomponenten zum Erhalt einer definierten Menge des homogenen Treibstoffgemisches mit definiertem Mischungsverhältnis ermittelt.In an embodiment variant of the method, it can be provided that the quantity of the respective fuel component is determined during the transfer to the liquefaction device, in particular by means of a flow measuring device, preferably based on the Coriolis principle (with which quantities in gas and/or liquid phases can be determined). becomes. In this case, the liquefaction device comprises, in particular, liquefaction containers. The liquefaction tanks also function as dosing tanks into which the exact quantities are dosed. In this way, the exact quantities of the fuel components to obtain a defined quantity of the homogeneous Fuel mixture determined with a defined mixing ratio.
Eine vorteilhafte Reduktion oder ein Ersatz der Kühlleistung zur Verflüssigung wird bewirkt, wenn bei Vorverflüssigung die Treibstoffkomponenten innerhalb der Verflüssigungseinrichtung mittels Inertgas mit Druck beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck steht vorzugsweise die Verflüssigungseinrichtung mit einer Quelle für Inertgas in steuer- bzw. regelbarer Strömungsverbindung, die Inertgas mit einem zur Verflüssigung benötigten Druck bereitstellt.An advantageous reduction or replacement of the cooling capacity for liquefaction is effected if, during pre-liquefaction, the fuel components within the liquefaction device are pressurized by means of inert gas. For this purpose, the liquefaction device is preferably in controllable or regulatable flow connection with a source for inert gas, which supplies inert gas at a pressure required for liquefaction.
Eine hohe Mischgüte insbesondere auch ohne Mischwerkzeuge wie bewegte Teile oder statische Mischer lässt sich erreichen, wenn die Zusammenführung mehrere aufeinanderfolgende Durchmischungsschritte umfasst, wobei insbesondere keine bewegten Mischeinrichtungen (und/oder statische Mischer) eingesetzt werden. So kann das Verfahren kostengünstig, in einer kostengünstigen Anordnung, durchgeführt werden.A high mixing quality, in particular even without mixing tools such as moving parts or static mixers, can be achieved if the combination comprises a plurality of successive mixing steps, with no moving mixing devices (and/or static mixers) being used in particular. In this way, the method can be carried out cost-effectively in a cost-effective arrangement.
In einer einfach gestalteten Ausführungsvariante des Verfahrens können in einem ersten Durchmischungsschritt die Treibstoffkomponenten (nach der Vorverflüssigung) durch einen Übergang von getrennten Leitungen zu einer gemeinsamen Gemischleitung zusammenströmen. Dies ist insbesondere vorteilhaft mit bereits exakt dosierten Mengen der Treibstoffkomponenten, z. B. bei genauer Mengenmessung vor oder bei Vorverflüssigung. Eine hohe Mischgüte, unter Homogenisierung des Treibstoffgemisches, kann insbesondere in Kombination mit einem zweiten Durchmischungsschritt erreicht werden, wobei die zusammengeführten Treibstoffkomponenten in ein größeres Volumen innerhalb der Gemischleitung unter Turbulenzbildung einströmen.In a simple design variant of the method, the fuel components (after pre-liquefaction) can flow together in a first mixing step through a transition from separate lines to a common mixture line. This is particularly advantageous with already precisely metered quantities of the fuel components, e.g. B. with precise quantity measurement before or with pre-liquefaction. A high quality of mixing, with homogenization of the fuel mixture, can be achieved in particular in combination with a second mixing step, with the combined fuel components flowing into a larger volume within the mixture line, with the formation of turbulence.
Eine Beibehaltung eines hohen Anteils an verflüssigten Treibstoffkomponenten wird ermöglicht, wenn nach Vorverflüssigung der Treibstoffkomponenten die jeweiligen Komponenten aus der Verflüssigungseinrichtung in jeweils einen Dosierbehälter innerhalb der Zusammenführanordnung überführt werden, wobei die Mengen der Komponenten die zur Gemischbildung benötigten Mengen übersteigen können. Die zur Gemischbildung benötigten Mengen stellen Mindestmengen dar. Bei einer derartigen Überführung können die Dosierbehälter möglichst schnell unter Verwendung von Leitungsmitteln mit großen Strömungsquerschnitten zwischen den Verflüssigungseinrichtungen und den Dosierbehältern befüllt werden. Aufgrund des kurzen Aufenthalts in den überführenden Leitungsmitteln und/oder geringen Querschnittsverengungen wird eine Nachverdampfung und/oder Kavitation bei der Überführung von den Verflüssigungseinrichtungen in die Dosierbehälter gering gehalten oder vermieden.A high proportion of liquefied fuel components can be retained if, after pre-liquefaction of the fuel components, the respective components are transferred from the liquefaction device into a dosing container within the merging arrangement, with the amounts of the components being able to exceed the amounts required for mixture formation. The amounts required to form the mixture represent minimum amounts. With such a transfer, the dosing containers can be filled as quickly as possible using lines with large flow cross sections between the liquefaction devices and the dosing containers. Due to the short stay in the transferring line means and/or small cross-sectional constrictions, post-evaporation and/or cavitation during the transfer from the liquefaction devices into the dosing containers is kept low or avoided.
Eine exakte Mischung ist insbesondere auch bei vorstehend angegebener, übersteigender Menge möglich, wenn nach Befüllen der Dosierbehälter und vor Zusammenführung der Treibstoffkomponenten eine Feindosierung vorgenommen wird, wobei die genaue Menge, die für das Treibstoffgemisch benötigt wird, eingestellt wird.Exact mixing is also possible, especially with the above-specified, exceeding quantity, if fine dosing is carried out after filling the dosing container and before combining the fuel components, with the exact quantity required for the fuel mixture being set.
Vorzugsweise wird zur Feindosierung ein Dosierungsbereich umfassend zumindest die Dosierbehälter und (jeweils den Treibstoffkomponenten zugeordnete) Entlüftungseinrichtungen, insbesondere umfassend Schließventile, von der übrigen Mischanordnung, insbesondere mittels Schließventilen, druckdicht entkoppelt, und eine Wartezeit eingehalten wird, bis sich die Flüssigphasen und die Gasphasen der jeweiligen Treibstoffkomponenten bei gegebener Temperatur (z. B. Umgebungstemperatur) innerhalb des Dosierungsbereiches im Phasengleichgewicht befinden. Preferably, for fine dosing, a dosing area comprising at least the dosing containers and ventilation devices (assigned to the fuel components), in particular comprising closing valves, is decoupled in a pressure-tight manner from the rest of the mixing arrangement, in particular by means of closing valves, and a waiting time is observed until the liquid phases and the gas phases of the respective Fuel components are in phase equilibrium at a given temperature (e.g. ambient temperature) within the dosage range.
Anschließend wird zur Feindosierung ein Füllstand (die Mengen der jeweiligen Treibstoffkomponenten) innerhalb eines für die Gemischbildung relevanten Volumens ermittelt, wobei sowohl die flüssig als auch die gasförmig vorliegenden Mengen der Treibstoffkomponenten innerhalb des relevanten Volumens berücksichtigt werden. Das für die Gemischbildung relevante Volumen ist das Volumen, in dem die Zusammenführung der Treibstoffkomponenten stattfindet und welches insbesondere von dem übrigen Volumen der Mischanordnung druckdicht entkoppelt werden kann bzw. während der Zusammenführung entkoppelt ist. Es kann insbesondere die Dosierbehälter und stromauf und/oder stromab angeordnete Leitungsabschnitte umfassen. Das relevante Volumen kann z. B. den Dosierungsbereich oder einen kleineren Bereich umfassen und befindet sich vorzugsweise zwischen Schließventilen. Die Mengenermittlung in der Flüssigphase erfolgt insbesondere mittels einer Dosiervorrichtung, beispielsweise einer Füllstandsanzeige an den Dosierbehältern, oder stromauf angeordnete Durchflussmesseinrichtungen, z. B. basierend auf dem Coriolis-Prinzip (mit dem Mengen in Gas- und Flüssigphasen ermittelbar sind). Die Mengenermittlung in der Gasphase erfolgt insbesondere unter Zugrundelegung von Temperatur- und Druckmesswerten unter Berücksichtigung des jeweiligen Phasengleichgewichts und den bekannten, von der Gasphase eingenommenen Volumina.Then, for fine dosing, a filling level (the amounts of the respective fuel components) is determined within a volume relevant for mixture formation, with both the liquid and the gaseous amounts of the fuel components within the relevant volume being taken into account. The volume relevant for mixture formation is the volume in which the fuel components are combined and which can be decoupled in a pressure-tight manner from the remaining volume of the mixing arrangement or is decoupled during the combination. In particular, it can comprise the dosing containers and line sections arranged upstream and/or downstream. The relevant volume can e.g. B. include the dosage range or a smaller range and is preferably located between closing valves. The determination of the quantity in the liquid phase is carried out in particular by means of a metering device, for example a level indicator on the metering containers, or flow measuring devices arranged upstream, e.g. B. based on the Coriolis principle (which can be used to determine quantities in gas and liquid phases). The quantity determination in the gas phase is carried out in particular on the basis of temperature and pressure measurements, taking into account the respective phase equilibrium and the known volumes occupied by the gas phase.
Eine exakte Feindosierung ist dadurch erreichbar, dass zur Feindosierung die genaue Menge, die für das Treibstoffgemisch benötigt wird, durch Ablassen von Teilen der Treibstoffkomponente/n aus der Gasphase, insbesondere mittels der Entlüftungseinrichtungen, eingestellt werden kann, wenn der ermittelte Füllstand in dem relevanten Volumen die für die Gemischbildung benötigte Menge zumindest einer der Treibstoffkomponenten übersteigt. Die Schritte zur Feindosierung können zumindest teilweise wiederholt werden (beispielsweise Wartezeit bis Phasengleichgewicht herrscht, Füllstandsermittlung, Ablassen), bis die exakten, zur Gemischbildung erforderlichen Mengen eingestellt sind.An exact fine metering can be achieved that for fine metering the exact amount that is required for the fuel mixture, by draining parts of the fuel component / s from the gas phase, in particular by means of Ventilation devices can be set when the level determined in the relevant volume exceeds the amount required for mixture formation at least one of the fuel components. The steps for fine dosing can be repeated at least in part (for example waiting time until phase equilibrium prevails, filling level determination, draining) until the exact quantities required for mixture formation have been set.
Die Treibstoffkomponenten können vorteilhaft (vor-)gemischt werden, wenn zur Zusammenführung die Dosierbehälter über zwei Strömungsverbindungen miteinander strömungswirksam gekoppelt werden, wobei eine Strömungsverbindung die Flüssigphasen und eine Strömungsverbindung die Gasphasen der Treibstoffkomponenten miteinander verbindet. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Schließventile der entsprechenden Strömungsverbindungen (nacheinander) geöffnet.The fuel components can advantageously be (pre-)mixed if the dosing containers are fluidly coupled to one another via two flow connections, one flow connection connecting the liquid phases and one flow connecting the gas phases of the fuel components. For this purpose, for example, closing valves of the corresponding flow connections are opened (in succession).
Eine vorteilhafte stufenweise Mischung kann erfolgen, wenn zur Zusammenführung zunächst die Flüssigphasen (insbesondere unter Ausnutzung des Druckunterschieds) und anschließend die Gasphasen (insbesondere unter Ausnutzung des Dichteunterschieds) miteinander in Strömungsverbindung gebracht werden. Insbesondere bildet die Öffnung der Verbindung der Flüssigphasen z. B. einen ersten Durchmischungsschritt und die Öffnung zur Verbindung der Gasphasen einen zweiten Durchmischungsschritt. Aufgrund der Druck- und Dichteunterschiede der Treibstoffkomponenten kommt es jeweils zur Zusammenströmung der Treibstoffkomponenten z. B. unter Turbulenzbildung, wodurch eine Mischung bewirkt wird.An advantageous gradual mixing can take place if the liquid phases (in particular using the pressure difference) and then the gas phases (in particular using the density difference) are brought into flow connection with one another for the purpose of combining. In particular, the opening of the connection of the liquid phases forms z. B. a first mixing step and the opening for connecting the gas phases a second mixing step. Due to the pressure and density differences of the fuel components, the fuel components flow together, e.g. B. with formation of turbulence, whereby a mixing is effected.
Eine insbesondere abschließende Mischung unter Bildung des erwünschten homogenen Treibstoffgemisches wird bewirkt, wenn, insbesondere in einem zweiten oder dritten (abschließenden) Durchmischungsschritt, das (zusammengeführte) Treibstoffgemisch, z. B. unter Bedrückung, in einen Gemischbehälter umgefüllt wird, wobei es homogenisiert wird. Bei Verwendung der Bedrückung (auch) als Fördermethode kann die Umfüllung vorteilhaft unabhängig von der lageabhängig wirkenden Gravitationskraft erfolgen. Der Gemischbehälter kann ein Teil der Anordnung sein, und z. B. zugleich als Lagerbehälter fungieren. Möglich ist auch, dass der Gemischbehälter und/oder der Lagerbehälter von der Anordnung ausgelagert ist und z. B. durch einen Tank, insbesondere eines Raumfahrzeugs, gebildet ist, wo der abschließende Durchmischungsschritt stattfindet.A particularly final mixing to form the desired homogeneous fuel mixture is brought about when, particularly in a second or third (final) mixing step, the (combined) fuel mixture, e.g. B. under pressure, is transferred into a mixture container, where it is homogenized. When using the suppression (also) as a conveying method, the decanting can advantageously take place independently of the gravitational force acting as a function of the position. The mixture container can be part of the arrangement, and e.g. B. at the same time act as a storage container. It is also possible that the mixture container and / or the storage container is outsourced from the arrangement and z. B. is formed by a tank, in particular of a spacecraft, where the final mixing step takes place.
Eine hohe Genauigkeit hinsichtlich der Gemischzusammensetzung ist erreichbar, wenn während und/oder nach Zusammenführung der Treibstoffkomponenten (bzw. in die Gasphase übergegangener Anteile desselben) das Treibstoffgemisch nachverflüssigt wird, wobei es z. B. innerhalb des relevanten Volumens, und insbesondere vor der Homogenisierung (z. B. dem abschließenden, zweiten oder dritten, Durchmischungsschritt), mittels Inertgas bedrückt wird, insbesondere bei einem Druck (z. B. um mindestens 10 bar) oberhalb des Dampfdruckes der Treibstoffkomponente mit dem höheren Dampfdruck. Bei einem beispielhaften Gemisch aus N2O und C2H6 beträgt der Druck z. B. etwa 60 bar bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C. Auf diese Weise werden etwaige, in die Gasphase übergegangene Anteile der Treibstoffkomponenten nach einer Wartezeit bis zur Einstellung des Phasengleichgewichts wieder in die Flüssigphase überführt. Die Flüssigphase wird z. B. gelagert und/oder im Raumfahrzeug als Treibstoff verwendet. Zur Beibehaltung des genauen Mischungsverhältnisses wird das Treibstoffgemisch vorzugsweise auch weiterhin, beispielsweise bei der Lagerung, mittels Inertgas bedrückt, wobei z. B. das Treibstoffgemisch mit einem Inertgaspolster beaufschlagt wird.A high degree of accuracy with regard to the mixture composition can be achieved if the fuel mixture is post-liquefied during and/or after the combination of the fuel components (or portions of the same that have passed into the gas phase). B. within the relevant volume, and in particular before the homogenization (e.g. the final, second or third, mixing step), is pressurized by means of inert gas, in particular at a pressure (e.g. by at least 10 bar) above the vapor pressure of the Fuel component with the higher vapor pressure. In an exemplary mixture of N 2 O and C 2 H 6 , the pressure z. B. about 60 bar at an ambient temperature of 20 °C. In this way, any portions of the fuel components that have passed into the gas phase are converted back into the liquid phase after a waiting period until phase equilibrium has been established. The liquid phase is z. B. stored and / or used in spacecraft as fuel. To maintain the exact mixing ratio, the fuel mixture is preferably also further, for example during storage, depressed by means of inert gas, with z. B. the fuel mixture is subjected to an inert gas cushion.
Vorzugsweise kann die Bedrückung auch zur Förderung des Treibstoffgemisches z. B. in den Treibstofftank dienen, wobei unter Nutzung des Kostenvorteils auf eine separate Fördereinrichtung verzichtet werden kann.Preferably, the oppression can also be used to promote the fuel mixture z. B. serve in the fuel tank, which can be dispensed with using the cost advantage on a separate conveyor.
Eine unerwünschte Reaktion des Treibstoffgemisches mit dem Bedrückungsgas wird vermieden, wenn zur Bedrückung ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, Argon und/oder Helium, und/oder Sauerstoff verwendet wird. Bei Verwendung von Inertgas bleiben vorteilhafterweise die Treibstoffkomponenten unbeeinflusst. Bei Verwendung von Sauerstoff kann sich selbiges zumindest teilweise in dem Treibstoffgemisch und/oder einer Treibstoffkomponente (z. B. in Lachgas, wobei die entstehende Mischung auch Nitrox genannt wird) lösen, was zu einer Anreicherung von Sauerstoff in dem Treibstoffgemisch führt. So kann eine Bedrückung mit Sauerstoff die Leistungsfähigkeit des entstehenden Treibstoffgemisches erhöhen.An undesired reaction of the fuel mixture with the suppression gas is avoided if an inert gas, in particular nitrogen, argon and/or helium, and/or oxygen, is used for suppression. When using inert gas, the fuel components remain advantageously unaffected. When using oxygen, the same can at least partially dissolve in the fuel mixture and/or a fuel component (e.g. in nitrous oxide, the resulting mixture also being called nitrox), which leads to an enrichment of oxygen in the fuel mixture. For example, pressurizing with oxygen can increase the performance of the resulting fuel mixture.
Für die Anordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Anspruch 16 betrifft eine Anordnung zur Herstellung eines, insbesondere homogenen (und flüssigen), Treibstoffgemisches, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsvarianten durchzuführen (ggf. ausgenommen der abschließenden Homogenisierung des Treibstoffgemisches). Dabei ist vorgesehen, dass die Anordnung eine Vorverflüssigungsanordnung mit zumindest einer Verflüssigungseinrichtung für zumindest eine, vorzugsweise jede, Treibstoffkomponente zur separaten Vorverflüssigung der, vorzugsweise jeweiligen, Treibstoffkomponente/n und eine Zusammenführungsanordnung zur Zusammenführung der zumindest teilweise flüssig vorliegenden Treibstoffkomponenten zu dem Treibstoffgemisch umfasst. Zur Homogenisierung des Treibstoffgemisches kann die Anordnung ferner einen Gemisch- und/oder Lagerbehälter umfassen, in welchem das Gemisch bei, insbesondere durch, Einströmen homogenisiert wird. Der Gemisch- und/oder Lagerbehälter kann jedoch auch außerhalb der Anordnung, beispielsweise in einem Raumfahrzeug, angeordnet sein, insbesondere in Form eines Treibstofftanks.The object is achieved with the features of claim 16 for the arrangement. Claim 16 relates to an arrangement for producing a particularly homogeneous (and liquid) fuel mixture, which is designed to carry out a method according to one of the above embodiment variants (possibly with the exception of the final homogenization of the fuel mixture). It is provided that the arrangement has a pre-liquefaction arrangement with at least one liquefaction device for at least one, preferably each, fuel component for separate pre-liquefaction of the, preferably respective, fuel component/s and a merging arrangement tion for bringing together the at least partially liquid fuel components to form the fuel mixture. In order to homogenize the fuel mixture, the arrangement can also comprise a mixture and/or storage container, in which the mixture is homogenized as it flows in, in particular by inflow. However, the mixture and/or storage container can also be arranged outside the arrangement, for example in a spacecraft, in particular in the form of a fuel tank.
Die Anordnung kann z. B. ferngesteuert und/oder vollautomatisiert verwendet werden, was einen hohen Sicherheitsstandard bei der Treibstoffherstellung gewährleistet.The arrangement can e.g. B. be used remotely and / or fully automated, which ensures a high standard of safety in fuel production.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Verfahrensschema einer ersten Variante einer Mischanordnung zur Herstellung eines Treibstoffgemisches, -
2 ein Verfahrensschema einer zweiten Variante einer Mischanordnung zur Herstellung eines Treibstoffgemisches, -
3 ein Verfahrensschema einer dritten Variante einer Mischanordnung zur Herstellung eines Treibstoffgemisches und -
4 ein Verfahrensschema einer vierten Variante einer Mischanordnung zur Herstellung eines Treibstoffgemisches.
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1 a process diagram of a first variant of a mixing arrangement for the production of a fuel mixture, -
2 a process diagram of a second variant of a mixing arrangement for the production of a fuel mixture, -
3 a process diagram of a third variant of a mixing arrangement for producing a fuel mixture and -
4 a process diagram of a fourth variant of a mixing arrangement for producing a fuel mixture.
Bei den Treibstoffkomponenten handelt es sich vorzugsweise um eine Oxidatorkomponente (Oxidator 102), insbesondere Lachgas (N2O), und eine Brennstoffkomponente (Brennstoff 106), insbesondere zumindest einen Kohlenwasserstoff, wie Ethan (C2H6), Ethen (C2H4) und/oder Ethanol (C2H5OH). Vorzugsweise lösen sich die verwendeten Komponenten ineinander oder sind dazu geeignet, eine sehr feine, homogene Dispersion zu bilden. Beispielsweise bei einer Kombination aus Lachgas als Oxidator 102 und einem Kohlenwasserstoff als Brennstoff 106 wirkt das eingesetzte Lachgas als Lösungsmittel, was einer Entmischung unter Abtrennung einer der beiden Phasen entgegenwirkt. So kann ein gegenüber konventionellen Monopropellants, z. B. Hydrazin oder Wasserstoffperoxid, vorteilhaftes Treibstoffgemisch hergestellt werden, das einen hohen spezifischen Impuls und einen hohen, zur Selbstbedrückung geeigneten Dampfdruck aufweist.The fuel components are preferably an oxidizer component (oxidizer 102), in particular nitrous oxide (N 2 O), and a fuel component (fuel 106), in particular at least one hydrocarbon such as ethane (C 2 H 6 ), ethene (C 2 H 4 ) and/or ethanol (C 2 H 5 OH). The components used preferably dissolve in one another or are suitable for forming a very fine, homogeneous dispersion. For example, in the case of a combination of nitrous oxide as the
Die Mischanordnung 10 weist eine Verflüssigungsanordnung 200 mit z. B. jeweils einer Verflüssigungseinrichtung 116, 116' pro Treibstoffkomponente auf, die vorzugsweise je zumindest einen Verflüssigungsbehälter umfasst. Die Verflüssigungsanordnung 200 ist zur Vorverflüssigung der Treibstoffkomponenten vor deren Zusammenführung unter Beaufschlagung mit Kälte 118 und/oder Druck ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die Verflüssigungseinrichtung insbesondere eine Kühleinrichtung und/oder eine Anordnung zur Bedrückung der Treibstoffkomponenten auf. Das Druck- und/oder Kälteniveau sind so einstellbar oder eingestellt, dass die Treibstoffkomponenten vollständig verflüssigt werden können.The mixing
Die Verflüssigungseinrichtung 116 ist über eine Oxidatorleitung 108 mit einer Quelle 100 für Oxidator 102 in Strömungsverbindung bringbar oder gebracht. Die Verflüssigungseinrichtung 116' ist über eine Brennstoffleitung 112 mit einer weiteren Quelle 100' für Brennstoff 106 in Strömungsverbindung bringbar oder gebracht. Die Leitungsmittel (Oxidatorleitung 108, Brennstoffleitung 112) weisen in diesem Abschnitt insbesondere jeweils einen (optionalen) Druckminderer 126, 126' und ein Mess-/Regelventil 128, 128' auf, sowie, in
Die in
Stromab der Verflüssigungsanordnung 200 ist eine Zusammenführungsanordnung 300 angeordnet, in der im Betrieb die Treibstoffkomponenten zu dem Treibstoffgemisch zusammengeführt werden. Die Zusammenführungsanordnung 300 umfasst bei der in
Zudem umfasst die Zusammenführungsanordnung 300 beispielhaft einen in der Gemischleitung 114 angeordneten Gemischbehälter 122, in den die zusammengeführten Komponenten einströmen können. Der Gemischbehälter 122 weist einen Querschnittssprung und ein größeres Füllvolumen gegenüber der Gemischleitung 114 auf und bildet eine zweite Mischstufe.In addition, the combining
Stromab des Gemischbehälters 122 ist in der Gemischleitung 114 zur definierten Herstellung oder Unterbrechung der Strömungsverbindung ein Schließventil 137 angeordnet.A closing
In den getrennten Leitungsabschnitten stromauf des Übergangs ist (in der in
Zur Evakuierung der Mischanordnung 10 ist ferner eine Fördereinrichtung 134 in Form einer Vakuumpumpe in den Leitungsmitteln, hier beispielhaft stromab der Verflüssigungsanordnung 200 und stromauf des Übergangs in der Oxidatorleitung 108, angeordnet.In order to evacuate the mixing
Stromab des Schließventils 137, und somit stromab des Gemischbehälters 122, ist in der Gemischleitung 114 optional eine Lageranordnung 400 mit einem Lagerbehälter 124 zur Lagerung des homogenen Treibstoffgemisches angeordnet.A
Stromab des Lagerbehälters 124 schließt sich eine Entnahmestelle zur Entnahme des Treibstoffgemisches und Überführung in einen Tank, beispielsweise eines Satelliten, an. Die Entnahmestelle weist zu diesem Zweck eine Fördereinrichtung 138 und/oder ein Entnahmeventil 140 auf.Downstream of the
An unterschiedlichen Stellen kann die Mischanordnung 10 für den Betrieb erforderliche Komponenten aufweisen, insbesondere Sensorik und/oder Aktorik (z. B. zusätzlich zu den gezeigten Schließventilen), wie Druck- und/oder Temperatursensoren. Verwendete Schließventile können beispielsweise elektrisch-pneumatisch betreibbar sein bzw. betrieben werden.At different points, the mixing
Die Mischanordnung 10 ist zumindest in Teilen von der Umgebung strömungsmechanisch entkoppelbar, zur Erhaltung eines sich einstellenden und/oder eingestellten Druckniveaus.The mixing
Im Betrieb erfolgt zur Herstellung des Treibstoffgemisches zunächst die Evakuierung der gesamten Mischanordnung 10 mittels der Fördereinrichtung 134.In operation, to produce the fuel mixture, the
Anschließend werden die beiden Treibstoffkomponenten Oxidator 102 und Brennstoff 106 aus ihrer jeweiligen Quelle 100, 100' in die ihnen jeweils zugeordneten Verflüssigungseinrichtungen 116, 116' überführt.The two fuel components,
In der in
Innerhalb der Verflüssigungseinrichtungen 116, 116' erfolgt die Vorverflüssigung der jeweiligen Treibstoffkomponente vor Zusammenführung. Bei der in
Die Überführung und Vorverflüssigung können wechselweise mehrmals nacheinander und/oder zeitgleich stattfinden, wobei jeweils ein aufgrund von Teilverflüssigung wieder zur Verfügung stehendes (Teil)-Volumen innerhalb der Verflüssigungseinrichtung 116, 116' erneut mit gasförmiger Treibstoffkomponente zu deren Verflüssigung nachbefüllt werden kann.The transfer and pre-liquefaction can take place alternately several times in succession and/or at the same time, in which case a (partial) volume within the
Nach der Vorverflüssigung werden die Treibstoffkomponenten in der Zusammenführungsanordnung 300 zu dem Treibstoffgemisch zusammengeführt. Zu diesem Zweck werden bei der in
Innerhalb der Zusammenführungsanordnung 300 herrscht z. B. Umgebungstemperatur, um eine aufwändige Kühlung in diesem Bereich zu vermeiden. Etwaige, durch die erhöhte Temperatur (teil-)verdampfte Mengen können durch Bedrückung z. B. während oder nach dem Zusammenführen wieder verflüssigt und so dem Treibstoffgemisch zugeführt werden.Within the merging arrangement 300 z. B. ambient temperature, to avoid complex cooling in this area. Any, by the increased temperature (partially) evaporated amounts can be suppressed z. B. liquefied again during or after the merging and so fed to the fuel mixture.
Die Zusammenführung von Oxidator 102 und Brennstoff 106 im Übergang der Oxidatorleitung 108 und der Brennstoffleitung 112 zu der Gemischleitung 114 bewirkt aufgrund der Dichteunterschiede der Treibstoffkomponenten sowie der entstehenden Turbulenzen einen ersten Durchmischungsschritt. Durch das Umfüllen bzw. den Einlass der zusammengeführten Treibstoffkomponenten in den Gemischbehälter 122 wird das Treibstoffgemisch in einem zweiten Durchmischungsschritt unter Generierung weiterer Turbulenzen homogenisiert.The combination of
Anschließend kann zur Überprüfung des hergestellten Treibstoffgemisches eine Probe entnommen werden.A sample can then be taken to check the fuel mixture that has been produced.
Der Gemischbehälter 122 kann zugleich als Lagerbehälter 124 dienen, oder es kann ein separater Lagerbehälter 124 vorhanden sein. Möglich ist auch eine Umfüllung der Treibstoffkomponenten nach dem ersten Durchmischungsschritt in einen Tank eines Raumfahrzeugs, z. B. Satelliten, unter Homogenisierung des Gemisches in dem zweiten Durchmischungsschritt. So wäre der zweite Durchmischungsschritt aus der Mischanordnung 10 ausgelagert.The
Die Zusammenführung zu dem homogen Treibstoffgemisch erfolgt vorzugsweise unter ständiger oder anschließender (z. B. nach dem ersten oder zweiten Durchmischungsschritt beginnender) Bedrückung mittels des Inertgases. Zu diesem Zweck bleiben die Schließventile 132, 132' bei geöffneten Schließventilen 129, 131, 131' während des Zusammenführens geöffnet, um eine Einströmung an Inertgas 104 zu ermöglichen. So wird ein Verdampfen eines Teils der Treibstoffkomponenten während des Mischvorgangs verhindert und/oder ein verdampfter Teil des Treibstoffgemisches nachverflüssigt, um die gewünschte Zusammensetzung in der Flüssigphase sicherzustellen. Das Druckniveau bei Bedrückung liegt z. B. zumindest 10 bar oberhalb des Dampfdruckes der reinen Treibstoffkomponente mit dem höheren Dampfdruck bei entsprechender (Umgebungs-)Temperatur.The combination to form the homogeneous propellant mixture preferably takes place under constant or subsequent pressure (eg starting after the first or second mixing step) by means of the inert gas. For this purpose, the closing
Nach Bildung des homogenen Treibstoffgemisches kann selbiges in dem Lagerbehälter 124 bis zur Überführung in den Satellitentank zwischengelagert werden.After formation of the homogeneous fuel mixture, the same can be temporarily stored in the
Nach Zusammenführung und ggf. anschließender Lagerung wird das Treibstoffgemisch mittels der Fördereinrichtung 138 und/oder Bedrückung durch Inertgas 108 in einen Treibstofftank (hier nicht gezeigt) überführt.After merging and possibly subsequent storage, the fuel mixture is transferred to a fuel tank (not shown here) by means of the conveying
Zu diesem Zweck weist die Mischanordnung 10, insbesondere die Zusammenführungsanordnung 300, je Treibstoffkomponente zumindest einen von dem Verflüssigungsbehälter separaten Dosierbehälter 120, 120' auf. Jedem Dosierbehälter 120, 120' ist eine Dosiervorrichtung, hier beispielhaft eine Füllstandsanzeige 144, 144', zugeordnet, über die zumindest der Inhalt an flüssiger Treibstoffkomponente innerhalb des Dosierbehälters 120 oder 120' ermittelbar ist. Die Zusammenführung erfolgt (auch) innerhalb der Dosierbehälter 120, 120'.For this purpose, the mixing
Die Dosierbehälter 120, 120' sind jeweils über die Oxidatorleitung 108 bzw. die Brennstoffleitung 112 und die darin befindlichen Schließventilen 132, 132' mit der stromauf angeordneten Verflüssigungseinrichtung 116, 116' in Strömungsverbindung bringbar bzw. gebracht. In den dazwischenliegenden Leitungsabschnitten sind die Entlüftungseinrichtungen 136, 136' angeordnet. Um ein definiertes Leitungsvolumen zu erhalten, befinden sich stromab der Entlüftungseinrichtungen 136, 136' und stromauf der Dosierbehälter 120, 120' jeweils ein weiteres Schließventil 135, 135' in der Oxidatorleitung 108 bzw. der Brennstoffleitung 112.The
Zwischen den Schließventilen 135, 135' und den Dosierbehältern 120, 120' ist eine öffenbare oder geöffnete Strömungsverbindung 145, hier beispielhaft ein Leitungsabschnitt, zwischen der Oxidatorleitung 108 und der Brennstoffleitung 112 angeordnet, die als Gasbrücke wirken kann. Die Öffnung erfolgt z. B. über ein in dem Leitungsabschnitt angeordnetes Schließventil 146.Between the closing
Stromab der Dosierbehälter 120, 120' sind die Oxidatorleitung 108 und die Brennstoffleitung 112 zu der Gemischleitung 114 zusammengeführt. Die Strömungsverbindung zur Gemischleitung 114 für den Oxidator 102 ist mittels eines Schließventils 148 öffenbar bzw. geöffnet.The
Die Schließventile 146 und 148 können jeweils als Mischstufen wirken, wobei jeweils bei ihrem Öffnen ein Durchmischungsschritt initiiert wird, wie nachstehend angegeben.The closing
Stromab befindet sich in der Gemischleitung 114 der Gemischbehälter 122, der in der gezeigten Variante zugleich als Lagerbehälter 124 dient. Der Gemischbehälter 122 weist einen Querschnittssprung und ein größeres Füllvolumen gegenüber der Gemischleitung 114 auf und bildet eine weitere Mischstufe.The
Die übrige Ausbildung entspricht z. B. der in
Im Betrieb erfolgt die Evakuierung, die Überführung der Treibstoffkomponenten in die Verflüssigungseinrichtung 116, 116' und die Vorverflüssigung z. B. im Wesentlichen wie bzgl. der zu
Bei der Überführung kann auf eine genaue Mengenermittlung der Treibstoffkomponenten in die Verflüssigungseinrichtungen 116, 116' verzichtet und in einem späteren Verfahrensschritt durchgeführt werden. Aus diesem Grund sind stromauf der Verflüssigungsbehälter keine Durchflussmesseinrichtungen vorhanden.During the transfer, an exact quantity determination of the fuel components in the
Die Vorverflüssigung kann in mehreren Schritten erfolgen, z. B. unter Nachfüllen von gasförmiger Treibstoffkomponente und anschließendem Druckaufbau oder konstanter Bedrückung durch die Inertgasbedrückung und/oder Kältezufuhr.The pre-liquefaction can take place in several steps, e.g. B. with refilling of gaseous fuel component and subsequent pressure build-up or constant pressure by the inert gas pressure and / or cold supply.
Nach Vorverflüssigung und vor Zusammenführung der Treibstoffkomponenten werden die jeweiligen Treibstoffkomponenten zumindest teilweise in die Dosierbehälter 120, 120' überführt. Die Schließventile 132, 132' und 135, 135' sind entsprechend geöffnet.After pre-liquefaction and before the fuel components are combined, the respective fuel components are at least partially transferred into the
Es wird angestrebt, bei der Überführung in die Dosierbehälter 120, 120' einen möglichst hohen Anteil der Treibstoffkomponenten in flüssigem Zustand beizubehalten. Vorzugsweise weisen daher die zwischen den Verflüssigungseinrichtungen 116, 116' befindlichen Leitungsmittel und/oder Komponenten (z. B. Ventileinrichtungen) einen vergleichsweise großen Strömungsquerschnitt auf, um Kavitationseffekte, die mit einer Verdampfung der vorverflüssigten Treibstoffkomponente einhergehen würde, zu vermeiden. Vorteilhafterweise wird zu diesem Zweck auch auf eine Feindosierung der Mengen verzichtet, die mit der Verwendung von Messtechnik mit kleinen Strömungsdurchmessern verbunden sein kann. Insbesondere können die überführten Mengen an Treibstoffkomponenten die zur Gemischbildung benötigten Mengen übersteigen, z. B. um bis zu 10 %, 20 % oder 50 %.The aim is to keep the highest possible proportion of the fuel components in the liquid state during the transfer to the
Nach Überführen der Treibstoffkomponenten in die Dosierbehälter 120, 120' wird ein Dosierungsbereich umfassend die Dosierbehälter 120, 120' und die Entlüftungseinrichtungen 136 von der übrigen Mischanordnung 10 druckdicht entkoppelt. In dem in
Anschließend erfolgt die Feindosierung der Treibstoffmengen. Zu diesem Zweck wird eine Wartezeit eingelegt, bis sich die Flüssigphasen und die Gasphasen der jeweiligen Treibstoffkomponenten bei gegebener Temperatur (z. B. Umgebungstemperatur) im Phasengleichgewicht befinden. Dabei stellen sich in der Regel unterschiedliche Gleichgewichtsdrücke (Dampfdrücke) in den Gasphasen ein.This is followed by fine dosing of the fuel quantities. For this purpose, a waiting time is inserted until the liquid phases and the gas phases of the respective fuel components are in phase equilibrium at a given temperature (eg ambient temperature). As a rule, different equilibrium pressures (vapor pressures) are established in the gas phases.
Im Phasengleichgewicht wird ein Füllstand innerhalb des für die Gemischbildung relevanten Volumens, insbesondere zwischen den Schließventilen 135, 135', dem Schließventil 146, dem Schießventil 148 und dem Schließventil 137, ermittelt. Dabei werden sowohl die flüssig als auch die gasförmig vorliegenden Menge der Treibstoffkomponenten innerhalb des relevanten Volumens berücksichtigt. In der in
Die für die Gemischbildung genauen Mengen werden durch Ablassen von überschüssigen Teilen der Treibstoffkomponenten aus der Gasphase in die Umgebung (Bereich außerhalb der Mischanordnung 10) mittels der jeweiligen Entlüftungseinrichtungen 136, 136' eingestellt. Dabei kann z. B. die abgelassene Menge gemessen und bei Erreichen einer Sollmenge das jeweilige Schließventil 133, 133' geschlossen werden.The exact amounts for the mixture formation are set by venting excess parts of the fuel components from the gas phase into the environment (area outside of the mixing arrangement 10) by means of the
Erforderlichenfalls können die Schritte zur Feindosierung, mit Einlegen einer Wartezeit, Füllstandsermittlung und erforderlichenfalls Ablassen, wiederholt werden, wobei jeweils ein Teil aus der Flüssigphase in die Gasphase entsprechend dem Phasengleichgewicht bei vorliegender Temperatur nachverdampft.If necessary, the steps for fine dosing, with waiting time, level determination and, if necessary, draining, can be repeated, with a portion each time evaporating from the liquid phase into the gas phase in accordance with the phase equilibrium at the prevailing temperature.
Anschließend wird das relevante Volumen unter Schließen der Schließventile 135, 135', 146, 148 und 137 von der übrigen Mischanordnung 10 strömungsmechanisch entkoppelt.The relevant volume is then fluidically decoupled from the rest of the mixing
Die Zusammenführung erfolgt in mehreren Schritten. In einem ersten Durchmischungsschritt wird die Strömungsverbindung der Flüssigphasen durch Öffnen des Schließventils 148 hergestellt. Dabei findet aufgrund der Druckunterschiede innerhalb der Flüssigphasen, einhergehend mit Ausgleichsbewegungen unter Turbulenzbildung, der erste Durchmischungsschritt statt.The merger takes place in several steps. In a first mixing step, the flow connection of the liquid phases is established by opening the closing
Anschließend wird die Strömungsverbindung der Gasphase durch Öffnen der Strömungsverbindung 145 mit dem Schließventil 146 hergestellt. Dabei findet aufgrund der Dichteunterschiede, einhergehend mit Ausgleichsbewegungen, der zweite Durchmischungsschritt in der Gasphase, statt.The flow connection of the gas phase is then established by opening the
Im Anschluss wird das entstandene Treibstoffgemisch mit einem ausreichend hohen Druck bedrückt, z. B. um mindestens 10 bar oberhalb des Dampfdrucks der Treibstoffkomponente mit dem höheren Dampfdruck, um auch die in der Gasphase befindlichen Mengen nachzuverflüssigen und der Flüssigphase des Treibstoffgemisches zuzuführen. Dazu kann (zusätzlich oder alternativ zu der gezeigten Anordnung) die Inertgasleitung 110 derart angeordnet sein, dass sie in strömungswirksame Verbindung mit der Strömungsverbindung 145 bringbar oder gebracht ist (hier nicht gezeigt; vgl.
Anschließend wird das Gemisch in den zugleich als Lagerbehälter 124 dienenden Gemischbehälter 122 durch Öffnen des Schließventils 137 umgefüllt. Durch die bei der Umfüllung entstehenden Turbulenzen wird das Treibstoffgemisch in dem dritten Durchmischungsschritt abschließend homogenisiert. Möglich ist auch eine Umfüllung des Gemisches aus den Gemischbehältern in einen Tank eines Raumfahrzeugs, z. B. eines Satelliten, unter Homogenisierung des Gemisches in dem dritten Durchmischungsschritt. So wäre der zweite Durchmischungsschritt aus der Mischanordnung 10 ausgelagert.The mixture is then transferred into the
Die in
In
Bei der in
Die Merkmale der unterschiedlichen, in
Das vorstehend angegebene Verfahren kann insbesondere als Teil eines Verfahrens zur Betankung eines Raumfahrzeuges, insbesondere eines Satelliten, durchgeführt werden oder ein solches Verfahren bilden.The method specified above can be carried out in particular as part of a method for refueling a spacecraft, in particular a satellite, or form such a method.
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- WO 9427581 [0007]WO 9427581 [0007]
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