DE10322117A1

DE10322117A1 - Kryobehälter mit Wärmetauschersystem

Info

Publication number: DE10322117A1
Application number: DE2003122117
Authority: DE
Inventors: Werner Konrad Diehl; Heinrich Fieseler; Wolfgang Otte
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kryobehälter mit Wärmetauschersystem, insbesondere einen Flüssiggas-Kraftstofftank für Kraftfahrzeuge. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Kryobehälter mit Wärmetauschersystem aus einer Wärmeleiter-Wärmeübertragungsmittel-Anordnung (8, 11) zeichnet sich durch einen kontrollierten Druckaufbau in das Speichermedium aufnehmenden Innenbehälter, durch ein intensives Durchmischen des Speichermediums und durch eine höhere Speicherkapazität aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryobehälter mit Wärmetauschersystem, insbesondere einen Flüssiggas-Kraftstofftank für Kraftfahrzeuge, nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Die bekannten Flüssiggas-Kryobehälter, wie beispielsweise Flüssiggas-Kraftsttanks für Kraftfahrzeuge, bestehen aus einem das tiefkalte Flüssiggas, wie z.B. Flüssigwasserstoff oder Erdgas, bevorratenden Innenbehälter und einen – durch einen Isolationsraum von dem Innenbehälter getrennt angeordneten – Außenbehälter.

Der Innenbehälter ist mit durch den Isolationsraum geführte Abstützungen an der Innenwand des Außenbehälters befestigt.

Die aus der Umgebung des Kryobehälters hauptsächlich über die Abstützungen, in die im Innenbehälter lagernde kryogene Flüssigkeit eingetragene Wärmeenergie wird durch die in die kryogene Flüssigkeit einmündenden Enden der Abstützungen in die kryogene Flüssigkeit verteilt, wodurch dann in der kryogenen Flüssigkeit und in der im oberen Behälterbereich befindlichen Gasphase eine Temperaturschichtung vorliegt.

Unabhängig vom thermodynamischen Gesamtzustand des Tankinhaltes, ist der Siedezustand der Grenzfläche zwischen Gas- und Flüssigphase bestimmend für den Druckzustand des gesamten Inhaltes.

Die durch diese Schichtbildung entstehende Druckaufbauzeit ist deutlich niedriger als unter idealen Verhältnissen (ohne Schichtung ) und entspricht nicht dem thermodynamischen Gesamtzustand. Das führt nach kurzer Zeit zum Ansprechen der Sicherheitsventile bzw. zu unnötigen Gasverlusten.

Um diese unnötigen Gasverluste während der Druckaufbauphase durch Temperaturschichtung im Speichermedium zu verhindern, sind die bekannten Kryobehälter mit einem im Innenbehälter angeordneten, im Aufbau und in der Funktionsweise unterschiedlichen Wärmetauschersystemen ausgerüstet.

Beispielsweise sind Flüssiggas-Kryobehälter mit folgenden Wärmetauschersystemen bekannt:

– In den Innenbehälter angeordnete Wärmeleiter
– Im Innenbehälter angeordnete, wärmeisolierte Wärmeleiter mit endseitigen Wärmeaustauschflächen
– Im Innenbehälter auf der Grenzschicht zwischen der kryogenen Flüssigkeit und der Gasphase schwimmende Isolator/en, wie z.B. Schäume
– Im Innenbehälter angeordnete Rührwerke.

Diese Kryobehälter mit Wärmetauschersystem sind aber für spezielle Einsatzzwecke, wie beispielsweise als Flüssiggas-Kraftstoffspeicher in Kraftfahrzeugen, auf Grund ihrer geringen Effektivität bzw. ihres zu hohen Kostenaufwands oder aus anderen Gründen ungeeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, einen Kryobehälter mit einem Wärmetauschersystem zu schaffen, bei dem die aus der Behälterumgebung in das Speichermedium eingetragene Wärmeenergie in dem Speichermedium derart verteilt wird, dass eine intensive Durchmischung des Speichermediums und dadurch ein kontrollierter Druckaufbau erfolgt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kryobehälter mit Wärmetauschersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße, besonders vorteilhaft als Flüssiggas-Kraftstofftank in Kraftfahrzeugen einsetzbare Kryobehälter weist ein Wärmetauschersystem aus, das aus in dem zwischen Außen- und Innenbehälter ausgebildeten Isolationsraum geführten und durch Öffnungen der Innenbehälterwand in das in dem Innenbehälter lagernde Speichermedium einmündenden Wärmeleitern, von denen jeweils zwei entgegengesetzt angeordnete Enden mit jeweils einem im Innenbehälter angeordneten Wärmeübertragungsmittel verbunden sind, besteht.

Vorteilhaft wird das in der gasförmigen Phase des Kopfbereich im Kryobehälter angeordnete Wärmeübertragungsmittel als Wärmekollektor und das in der flüssigen Phase im Bodenbereich des Kryo-Behälters angeordnete Wärmeübertragungsmittel als üblicher Wärmeverteiler eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Wärmetauschersystem ist so gewählt, dass die aus der Behälterumgebung – größtenteils durch die den Außen- und Innenbehälter miteinander verbindenden Abstützungen – aber auch durch die Außen- und Innenbehälterwand in das im Innenbehälter bevorratete Speichermedium eingetragene Wärmeenergie im Speichermedium gleichmäßig verteilt und somit das Speichermedium gleichmäßig erwärmt und intensiv durchmischt wird.

Dazu ist das Wärmetauschersystem des Kryobehälters so ausgebildet, dass bereits bei einem im Innenbehälter gelagerten flüssigen und gasförmigen Speichermedium auftretenden Temperaturunterschied von etwa 1 Grad Kelvin eine der aus der Behälterumgebung in das Speichermedium eingetragenen Wärmeenergie entsprechende Menge an Wärmeenergie aus der oberhalb des flüssigen Speichermediums vorhandenen, die höchste Temperatur aufweisende Gasphase in das im unteren Behälterbereich lagernde, die niedrigste Temperatur aufweisende, flüssige Speichermedium eingetragen wird.

Die durch den Wärmeeintrag in das unterhalb der Abstützungen lagernde Flüssiggas in diesem erzeugte vertikal strömende Wärmeenergie führt zu einer intensiven Durchmischung des Flüssiggases bis zum Temperaturausgleich innerhalb des flüssigen und gasförmigen, sowie zwischen dem flüssigen und gasförmigen Speichermedium.

Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kryobehälters mit Wärmetauschersystem kommen besonders vorteilhaft bei einem Behälterdurchmesser von größer als 500 mm, wie beispielsweise bei einem aus der DE 100 40 679 A1 (MG2368) bekannten, zur druckgeregelten Versorgung eingesetzten Füssiggastank, zum Tragen.

Die als Wärmetauschersystem im erfindungsgemäßen Kryobehälter eingesetzten Wärmeleiter und Wärmeübertragungsmittel bestehen vorteilhaft aus kostengünstigem wärmeleitfähigem Material wie Metall, das Wärmeleitmittel besonders vorteilhaft aus großflächig ausgebildetem Blech.

Beim erfindungsgemäßen Kryobehälter ist nicht mehr die aus der Behälterumgebung in das im Innenbehälter bevorrateten Speichermedium eingetragenen Wärmeenergie für den Druckaufbau im Innenbehälter ausschlaggebend, sondern ausschließlich der jeweilige Siedezustand des Flüssiggases an der Grenzschicht zur Gasphase.

Der erfindungsgemäße Kryobehälter mit Wärmetauschersystem zeichnet sich durch einen kontrollierten Druckaufbau, ein intensives Durchmischen des Speichermediums und eine höhere Speicherkapazität auf.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der einzigen 1 der Zeichnung ist ein Kryobehälter 1 mit Wärmetauschersystem, in Form eines Flüssigwasserstoff-Kraftstofftanks für Kraftfahrzeuge, schematisch dargestellt.
Der aus Übersichtsgründen ohne Kraftstoffversorgung dargestellte Kryobehälter 1 besteht aus einem Außenbehälter 2 und einem durch einen Isolationsraum 3 von dem Außenbehälter 2 getrennt angeordneten, mit Flüssigwasserstoff LH2 gefüllten Innenbehälter 4.
Der Innenbehälter 4 ist mittels zwei an der Innenwand des Außenbehälters 2 befestigte, durch den Isolationsraum 3 geführte und durch in der Wand des Innenbehälters 4 ausgebildete Öffnungen 5, 6 in den Innenraum des Innenbehälters 4 einmündende Abstützungen 7 in seiner Lage stabilisiert.
Weiterhin sind im Isolationsraum 3 des Kryobehälters 1 zwei Wärmeleiter 8 angeordnet, die durch jeweils eine im oberen und unteren Wandbereich des Innenbehälters 4 ausgebildete Öffnung 9, 10 in den Innenbehälter 4 einmünden. Die beiden Wärmeleiter 8 sind endseitig mit einem Wärmeübertragungsmittel 11 zu einem im Innenbehälter 4 angeordneten Wärmetauschersystem verbunden.
Das vorteilhaft als Wärmekollektor eingesetzte Wärmeübertragungsmittel 11 ist in der – oberhalb des Flüssigwasserstoffs ausgebildeten – gasförmigen Phase im Kopfbereich im Innenbehälter 4 des Kryobehälters 1 angeordnet. Die von diesem aufgenommene Wärme wird über jeden Wärmeleiter 8 an das, vorteilhaft als Wärmeverteiler im Flüssigwasserstoff im Bodenbereich im Innenbehälter 4 des Kryobehälters 1 eingesetzte Wärmeübertragungsmittel 11 geleitet und in dem unteren Behälterbereich verteilt.
Die Wärmeleiter 8 und die Wärmeübertragungsmittel 11 bestehen vorteilhaft aus kostengünstigem Metall, die Wärmeübertragungsmittel 11 besonders vorteilhaft aus großflächig ausgebildetem Blech.
Das aus miteinander verbundenen Wärmeleiter 8 und den Wärmeübertragungsmitteln 11 bestehende Wärmetauschersystem ist so gewählt, dass die aus der Umgebung des Kryobehälters 1 – größtenteils durch die Abstützungen 7 – aber auch durch die gesamte Wandfläche des Außen- und Innenbehälters 2, 4 in den Flüssigwasserstoff eingetragene Wärmeenergie im Speichermedium gleichmäßig verteilt wird, sodass das Flüssiggas und die – durch teilweises Verdampfen von Flüssiggas oberhalb des Flüssiggases ausgebildete – Gasphase annähernd gleiche Temperaturen aufweisen.
Mittels des erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems wird – bereits bei einem zwischen dem Flüssigwasserstoff und der Gasphase vorhandenen Temperaturunterschied von etwa 1 Grad Kelvin – eine der aus der Umgebung des Kryobehälters 1 in den Innenbehälter 4 eingetragenen Wärmeenergiemenge äquivalente Wärmeenergiemenge aus der Gasphase in das Flüssiggas eingebracht.
Dazu wird die aus der Umgebung des Kryobehälters 1 über die Abstützungen 7 in den Flüssigwasserstoff eingetragene Wärmeenergie der oberhalb des Flüssiggases im oberen Bereich des Innenbehälters 4 ausgebildeten Gasphase zugeführt und von den in diesem Bereich angeordneten Wärmeübertragungsmitteln 11 aufgenommen.
Die von dem im Gasphasenbereich des Innenbehälters 4 als Wärmekollektor angeordneten Wärmeübertragungsmittel 11 aufgenommene Wärmenergie wird über die Wärmeleiter 8 mittels des im Niedrigtemperaturbereich des Flüssigwasserstoffs im Bodenbereich des Innenbehälters 4 als Wärmeverteiler angeordneten Wärmeübertragungsmittel 11 in den Flüssigwasserstoff eingetragen.
Durch den im Bereich unterhalb der im Innenbehälter 4 einmündenden Abstützungen 7 im Flüssigwasserstoff erfolgenden Temperaturaustausch wird im Flüssigwasserstoff eine vertikale Wärmeströmung erzeugt, mittels der der Flüssigwasserstoff intensiv gemischt wird bis zum vollständigen Temperaturausgleich zwischen der Gasphase und dem Flüssigwasserstoff.
Dazu ist das im Innenbehälter 4 des Kryobehälters 1 angeordnete Wärmetauschersystem so ausgelegt, dass der Wärmeaustausch zwischen der Gasphase und dem Flüssiggas bereits bei einem zwischen der Gasphase und dem Flüssiggas bestehenden Temperaturunterschied von etwa 1 Grad Kelvin erfolgt.

1: Kryobehälter
2: Außenbehälter
3: Isolationsraum
4: Innenbehälter
5: Öffnung
6: Öffnung
7: Abstützung
8: Wärmeleiter
9: Öffnung
10: Öffnung
11: Wärmeübertragungsmittel (Wärmekollektor, Wärmeleite

Claims

Kryobehälter mit Wärmetauschersystem, insbesondere Flüssiggas-Kraftstofftank für Kraftfahrzeuge, mit einem Außen- und Innenbehälter, wobei der durch einen Isolationsraum getrennt von dem Außenbehälter angeordnete, das Flüssiggas aufnehmende Innenbehälter mit mindestens einer Abstützung an der Innenwand des Außenbehälters befestigt und mit einem Wärmetauschersystem ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschersystem aus einer Wärmeleiter-/-übertragungsmittel -Anordnung (8, 11) besteht.
Kryobehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Isolationsraum (3) angeordneten Wärmeleiter (8) endseitig durch in der Wand des Innenbehälters (4) ausgebildete Öffnungen (5, 6) in den Innenbehälter (4) einmünden.
Kryobehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei in den Innenbehälter (4) einmündende Enden jedes Wärmeleiters (8) mit einem Wärmeübertragungsmittel (11) verbunden sind.
Kryobehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder, vorzugsweise im oberen und unteren Bereich der Stirnwand des Innenbehälters (4) einmündende Wärmeleiter (8) aus einem wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise aus Metall, besteht.
Kryobehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmeübertragungsmittel (11) aus einem wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise aus Metall, besteht.
Kryobehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmeübertragungsmittel (11) vorzugsweise aus großflächig ausgebildetem Blech besteht.
Kryobehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung als Speichertank in einer druckgeregelten Flüssiggas-Versorgung.