DE19506486A1 - Vorrichtung zum Verdampfen kryogener Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen kryogener Medien nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Verdampfer dienen zum Verwandeln der verflüssigten kryogenen Medien unter Wärmeaufnahme in den gasförmigen Zustand. Unter kryogenen Medien werden tiefkalt verflüs­ sigte Gase verstanden.

Im folgenden werden bei den Bezeichnungen spezieller kryogener Medien entsprechend ihrem Aggregatzustand die Buchstaben "G" für "gasförmig" und "L" für "flüssig" bzw. "liquid" vorangestellt, z. B. GH₂ bzw. LH₂ für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff.

Bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger zum Antreiben von Fahrzeugen, gehört, wegen der ge­ ringen Dichte des Wasserstoffs, die Speicherung aus­ reichender Mengen zu dem größten Problem. Während die Druckgas-Speicherung ein großes spezifisches Volumen des Tankraumes erfordert und daher nur für Fahrzeuge geeignet ist, die einen großen Tankraum bereitstellen, haben Hydrid-Speicher ein hohes Systemgewicht. Die daraus resultierende geringe Speicherkapazität schränkt den Aktionsradius der Fahrzeuge ein.

Die mit Abstand höchsten Speicherdichten werden bei kryogener Speicherung von flüssigem Wasserstoff (=LH₂) erreicht. Mit dieser Speicherung kommt man am ehesten in die Nähe der Speicherleistung konventioneller Kraft­ stofftanks.

Der im Kraftstofftank gespeicherte flüssige Wasserstoff muß dem Motor bzw. Antrieb als Gas zur Verfügung ge­ stellt werden. Üblicherweise erfolgt die Verdampfung des LH₂ in einem Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme aus einem Wärmeträger (DE-OS 43 20 556). Dabei kommt es aufgrund des tiefsiedenden Wasserstoffes zur Sauerstoff­ kondensation und Vereisung an der Außenwand des Wärme­ tauchers und an den Zuführleitungen des Wärmetauschers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Verdampfen kryogener Medien, mit einem Wärmetauscher, zu schaffen, welche eine Sauerstoff­ kondensation und Vereisung des Wärmetauschers ver­ hindert, das Einfrieren des Wärmeträgers vermeidet und einfach und preiswert in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen preis­ werten Wärmetauscher, wie er als Serienbauteil zur Verfügung steht, in einen Hüllkörper einzubauen. Der Wärmetauscher wird von dem austretenden Wasserstoffgas umspült. Aufgrund der im wesentlichen angepaßten Wärme­ bilanz zwischen der Außenwand des Hüllkörpers, in den der gasförmige Wasserstoff eintritt und der Atmosphäre, die den Hüllkörper umgibt, findet keine Sauerstoffkon­ densation und auch keine Vereisung durch kondensierten Wasserdampf der erfindungsgemäßen Vorrichtung statt.

Hinzu kommt, daß der gasförmige Wasserstoff an den LH₂ führenden Teilen der Vorrichtung rückgekühlt wird. Die tiefere Temperatur und die in diesem Zustand höhere Dichte des Gases bietet Vorteile beim Betrieb eines Verbrennungsmotores.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung in schematischer Form.

Die Zeichnung (Fig. 1 und 2) zeigt einen Wärmetauscher 1, der bevorzugt als leichter, kompakter Plattenwärmetau­ scher ausgebildet ist. Der Wärmetauscher 1 ist gasdicht in einem rohrförmigen Hüllkörper 2 angeordnet. Dem Wärme­ tauscher 1 wird über Leitung 4 ein flüssiges Wärmemittel zugeführt, welches den Wärmetauscher 1 durchströmt und über Leitung 3 aus dem Wärmetauscher 1 austritt. Lei­ tungen 3 und 4 sind gasdicht aus dem Hüllkörper 2 heraus­ geführt und über die Anschlüsse 5, 6 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Quelle für das Wärmemittel verbunden. Die Quelle für die Wärme ist bevorzugt der Motor eines Kraftfahrzeuges der die Wärme an ein Medium, bevorzugt das Motorkühlwasser, abgibt.

Im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom zu dem Wärmemit­ tel (Motorkühlwasser) wird über die Zuleitung 9 dem Wärmetauscher 1 das kryogene Medium, vorzugsweise flüssiger Wasserstoff, zugeführt. Die Zuführleitung 9 ist Bestandteil einer Vakuumkupplung und endet in dem weiblichen (aufnehmenden) Teil 7. Über das männliche Teil B der Vakuumkupplung ist der Wärmetauscher 1 mit dem nicht näher dargestellten, isolierten Speicherbe­ hälter für das kryogene Medium verbunden.

Vakuumkupplungen sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt und werden daher nicht näher beschrieben. Es wird hierzu beispielsweise auf eine Ausbildung einer Vakuumkupplung in der DE-OS 43 39 676 verwiesen.

Die Zuführleitung 9 für das LH₂ ist ganz oder teilweise von einer Austrittsleitung 10 für das verdampfte kryo­ gene Medium umgeben. Die eine Vorverdampfer-Strecke bildende Länge 13, über die die Zuführleitung 9 von der Austrittsleitung 10 umgeben ist, kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Rückkühlgrad des austretenden Gasstromes festgelegt werden.

Das verflüssigte kryogene Medium durchströmt den Wärme­ tauscher 1, gibt dabei Kälte an das Wärmemittel ab und strömt als Gas 17 aus der Austrittsöffnung 11 in den Hüllkörper 2.

Austrittsleitung 10 und Austrittsöffnung 11 sind an den gegenüberliegenden Enden 14, 15 von Hüllkörper 2 und Wärmetauscher 1 angeordnet. Austrittsleitung 10 ist gasdicht mit dem Hüllkörper 2 verbunden. Sie weist eine Verbindungsleitung 12 auf mittels der sie mit dem Verbraucher 16, vorzugsweise dem Kfz-Motor, verbunden ist.

Im Fahrbetrieb strömt über Zuführleitung 9 flüssiger Wasserstoff vorzugsweise im Gleichstrom zu dem in Abhängigkeit von den Strömungsarten Gleichstrom, Gegen­ strom oder Kreuzstrom über Leitung 3 oder 4 zuge­ führten, erwärmten Kühlwasser durch den Wärmetauscher 1. Die dabei ausgetauschten Wärmemengen führen zu einer Abkühlung des Kühlwassers und einer Verdampfung des LH₂. Gasförmiges Wasserstoffgas tritt an der Austritts­ öffnung 11 des Wärmetauschers 1 aus und in den Hüllkör­ per 2 ein. Der Wärmetauscher 1 wird von dem austreten­ den warmen Wasserstoffgas vollständig umspült, und kommt nicht mit der Umgebungsatmosphäre in Berührung.

Der gasförmige Wasserstoff wird seinerseits zurückge­ führt, indem er im Gleichstrom an der Zuführleitung 9 für das verflüssigte kryogene Medium LH₂ entlanggeführt wird. Der Umfang der Rückkühlung des Wasserstoffgases hängt von der Länge 13 dieser Rückkühlungsstrecke ab, die für den flüssigen Wasserstoff (LH₂) gleichzeitig eine Vorverdampfer-Strecke darstellt.

Der Wärmetauscher 1 kann so mit ausreichend hohen Temperaturen des Wärme abgegebenen Mediums, wie sie im Kühlwasser eines Kraftfahrzeuges üblicherweise vor­ liegen, betrieben werden.

Mit dieser Vorrichtung kann der Wärmetauscher 1 bei höherem Druck als sein maximaler Betriebsdruck einge­ setzt werden, da durch den Hüllkörper 2 der Druck am Gehäuse des Wärmetauschers 1 ausgeglichen ist. Hier­ durch wird es vorteilhaft möglich, den Wärmetauscher bei höheren Betriebsrücken als den zulässigen einzu­ setzen, wodurch kleinere Baueinheiten aufgrund einer Leistungssteigerung eingesetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Pulsationsdämpfung aufgrund des vergrößerten Volumens des Wasserstoff­ gases. Beim Lastwechseln des Kraftfahrzeuges wird damit eine gleichmäßige Gasversorgung gewährleistet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine kleinere Menge des kryogenen Mediums aus der Zuführleitung 9 abgezweigt und durch ein in der Verbindungsleitung 12 und/oder der Austrittsleitung 10 geführtes Verdampferrohr 18 geleitet. Das in dem Ver­ dampferrohr 18 geführte tiefkalt verflüssigte Gas ver­ dampft nach einer vorgegebenen Strecke, z. B. bei 23, aufgrund des in Verbindungsleitung 12 geführten warmen Gasstromes, der sich seinerseits abkühlt. Am freien Ende des Verdampferrohres 18 ist ein Zumischventil 19 vorgesehen, über dessen aus der Verbindungsleitung 12 herausgeführte Ventilspindel 20, die eine Balgabdich­ tung 21 aufweist, sich an der Mischstelle 22 eine Mischtemperatur des Mischgasstromes 24 der beiden Gas­ ströme 17, 23 einstellen läßt. Bei Veränderung des Mischgasstromes 24, wie er z. B. durch das Gasgeben bei einem Kraftfahrzeug stattfindet, bleibt seine Mischgas­ temperatur aufgrund der eingestellten Anteile des wärmeren und kälteren Gasstromes 17 bzw. 23 annähernd konstant.

Ein mit dem Mischgasstrom versorgter Verbrennungsmotor wird trotz ständiger Lastwechsel immer mit der einmal eingestellten optimalen Gastemperatur betrieben. Mit einem so eingestellten kalten Mischgasstrom 24 wird die Gemischdichte vergrößert und damit auch die Motor­ leistung gesteigert, weil bei jedem Ansaugzyklus mehr Masse in den Zylinder des Motors gelangt. Dabei ent­ spricht die Nutzung der Kälteenergie des kryogenen Treibstoffes einer Aufladung des Verbrennungsmotors.

Die Erfindung ist dabei nicht auf die Beispiele be­ schränkt, die eingangs erwähnt sind. Sie kann in Ab­ wandlung bei jedem Antrieb verwendet werden. Dabei können einzelne Ausbildungen durch gleichwertige Aus­ führungen ersetzt werden, wenn durch diese die gleiche Funktion gewährleistet wird. So kann z. B. das Zumisch­ ventil 19 durch eine festeingestellte Drosselblende und ein Magnetventil ersetzt werden. Das Magnetventil öffnet erst bei ausreichenden Gas- bzw. Wassertempera­ turen, während es z. B. in der "Kaltstartphase" ge­ schlossen ist. Durch den Einsatz eines kleinen, tempera­ turgeregelten Ventils ohne Hilfsenergie, kann eben­ falls der Mischgasstrom 24 auf konstante Temperatur geregelt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Verdampfen kryogener Medien, insbe­ sondere von tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff zum Betreiben von Fahrzeugen, mit einem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmetauscher (1) in einem gasdichten Hüllkörper (2) angeordnet ist,
daß der Wärmetauscher (1) eine Austrittsöffnung (11) für das verdampfte kryogene Medium aufweist, die in den Hüllkörper (2) mündet,
daß der Hüllkörper (2) eine Austrittsleitung (10) für das verdampfte kryogene Medium aufweist, die mit einem Verbraucher (16), insbesondere mit einem Kraftfahrzeugmotor, verbunden ist und daß der Wärme­ tauscher (1) mit einer Zuführleitung (9) für das kryogene Medium ausgestattet ist, die aus dem Hüll­ körper (2) herausgeführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (9) für das kryogene Medium innerhalb der Austrittsleitung (10) für das verdampfte kryogene Medium angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsleitung (10) für das verdampfte kryogene Medium des Hüllkörpers (2) und die Austrittsöffnung (11) für das verdampfte Gas des Wärmetauschers (1) an den gegenüberliegenden Enden (14, 15) von Hüllkörper (2) und Wärmetauscher (1) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetaucher (1) eine Ein- und Austritts­ leitung (3, 4) aufweist, die mit einer Quelle für ein wärmeabgebendes Medium verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Hüllkörper (2) dem Betriebs­ druck des Wärmetauschers (1) entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Austrittsleitung (10) für das verdampfte kryogene Medium und/oder in einer an die Austritts­ leitung (10) angeschlossenen Verbindungsleitung (12) ein von der Zuführleitung (9) abzweigendes Verdampfer­ rohr (18) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Verdampferrohrs (18) als Dosierelement (19) ausgebildet ist.