DE19506487C2 - Vorrichtung zur Herstellung eines kalten Gasstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines kalten Gasstromes nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Kalte Gasströme werden in zunehmendem Maße auf ver­ schiedenen technischen Einsatzgebieten benötigt. Es sind dies vor allem Einsatzgebiete, auf denen nicht die tiefe Temperatur eines verflüssigten tiefsiedenden Gases, beispielsweise von flüssigem Stickstoff, Erdgas oder Wasserstoff, gewünscht wird. Bei der Verwendung von Wasserstoff oder Erdgas als Energieträger zum Antreiben von Fahrzeugen gehört, wegen der geringen Dichte des Gases, die Speicherung ausreichender Mengen zu dem größten Problem. Während die Druckgas-Speiche­ rung 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 resul­ tierende Speicherkapazität schränkt den Aktionsradius der Fahrzeuge ein.

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

Das im Kraftstofftank gespeicherte flüssige kryogene Medium muß dem Motor bzw. Antrieb als kaltes Gas zur Verfügung gestellt werden. Üblicherweise erfolgt die Verdampfung des flüssigen kryogenen Mediums in einem Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme aus einem Wärme­ träger (DE 43 20 556 A1). Dabei dient als Wärmeträger das bei einem Kraftfahrzeug verfügbare Kühlwasser. Das Kühlwasser hat eine Temperatur zwischen 70°C und 90°C.

Nachteil dieses einfachen Verfahrens ist, daß das verdampfte kryogene Medium hoch überhitzt werden muß, weil das Kühlwasser vor dem Wärmeaustausch nicht stark abgekühlt werden darf, bei Vollast z. B. nicht unter ca. 60°C, um ein Einfrieren im Wärmetauscher zu ver­ meiden. Mit der folglich sehr hohen Gastemperatur von etwa 65°C bis 85°C verringert sich aber die Gemisch­ dichte und damit die Leistung des Motors eines Fahr­ zeuges.

Weitere Anwendung finden derartige kalte Gasströme beispielsweise beim Entgraten von Gummiformteilen durch kryogenes Pistolenstrahlen, bei der zusätzlichen Innen­ kühlung beim Hohlkörperblasen aus Kunststoff und beim Kaltgaspolieren von hochelastischen Lacken am Produk­ tionsband.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zu schaffen, mit der eine einfache und sichere Erzeugung eines Kaltgasstromes durch Wärmeaustausch und Vermischung aus zwei verdampften kryogenen Medien erreicht wird, der im wesentlichen eine konstante Tem­ peratur aufweist.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, das in einem Wärmetauscher verdampfte kryogene Medium, wie tiefkalt verflüssigter Wasserstoff, Stickstoff oder Erdgas, einem zweiten Wärmetauscher als Wärmeträger zuzuführen und im Wärmeaustausch mit einem, den zweiten Wärme­ tauscher durchströmenden Teilstrom des gleichen tief­ kalt verflüssigten kryogenen Medium rückzukühlen. Dabei wird das den zweiten Wärmetauscher durchströmende tiefkalte kryogene Medium ebenfalls verdampft. Danach werden beide Gasströme zusammengemischt. Die beiden Gastemperaturen der durch Verdampfung erzeugten Gas­ ströme haben sich dabei aufgrund des Rückkühlprinzips bereits vor der Mischstelle gut angenähert. Durch die Verwendung von zwei preiswerten Wärmetauschern, die als Serienbauteile zur Verfügung stehen, wird eine kleine kompakte Baueinheit mit hoher Leistungsdichte geschaf­ fen. Beim Einsatz dieser Baueinheit in einem Kraft­ fahrzeug muß die Temperatur des als Wärmeträger dienen­ den Kühlwassers nicht in den Grenzbereich herunterge­ regelt werden, bei dem ein Einfrieren nicht sicher ausgeschlossen werden kann.

Durch den Einsatz von temperaturgeregelten Ventilen ist eine gute Einstellbarkeit der Temperatur gewährleistet, da durch vorherigen Wärmeaustausch keine Zweiphasen­ strömung im Zumischteil vorhanden ist. Der Tempera­ turregler des Regelventils, das ohne Hilfsenergie arbeitet und einstellbar ist, wird nicht besonders belastet, da keine tieferen Temperaturen bzw. Tempera­ turdifferenzen vorhanden sind.

Versuche haben ergeben, daß die Mischtemperatur auch bei einer großen und schnellen Durchsatzänderung, wie sie beispielsweise beim Gasgeben in einem Kraftfahrzeug entsteht, gut konstant ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden unter Hinweis auf weitere Vorteile näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen ersten Wärmetauscher 1, der mit einem zweiten Wärmetauscher 2 verbunden und als kompakte Baueinheit ausgebildet ist. Dabei ist der Wärmetauscher 2, der kleinere Abmessungen als der Wärmetauscher 1 aufweist, auf dem Wärmetauscher 1 befestigt. Der erste Wärmetauscher 1 weist einen An­ schluß 3 für den Eintritt und einen Anschluß 4 für den Austritt eines flüssigen Wärmeträgers auf. Bevorzugt sind die Anschlüsse 3 und 4 mit dem Kühler eines Kraft­ fahrzeugs verbunden, dessen Kühlwasser als Wärmeträger in den Wärmetauscher 1 bei Anschluß 3 eintritt und bei Anschluß 4 austritt. Über Anschluß 5 wird vorzugsweise im Gleichstrom ein verflüssigtes kryogenes Medium wie Stickstoff, Wasserstoff, Erdgas, dem Wärmetauscher 1 zugeführt, das diesen durchströmt und als gasförmiges kryogenes Medium aus dem Anschluß 6 austritt. Über Verbindungsleitung 7 wird das im Wärmetauscher 1 ver­ dampfte Medium in den Wärmetauscher 2 geleitet. Ver­ bindungsleitung 7 ist über Anschluß 8 mit dem Wärme­ tauscher 2 verbunden. Über Leitung 9 und Anschluß 10 wird dem zweiten Wärmetauscher 2 ein Teilstrom des flüssigen kryogenen Mediums zugeführt, das vorzugsweise im Gleichstrom zu dem verdampften kryogenen Medium des Wärmetauschers 1 den Wärmetauscher 2 unter Wärmeaus­ tausch durchströmt.

Durch den Gleichstrom des Teilstroms des verflüssigten kryogenen Mediums und des verdampften kryogenen Mediums wird vorteilhaft eine weitgehend ausgeglichene Tem­ peratur an der Mischstelle 11 der beiden Gasströme erreicht. Selbstverständlich können die Wärmetauscher 1 und 2 auch im Gegen- oder Kreuzstrom durch strömt wer­ den.

Dabei wird das gasförmige kryogene Medium durch Abgabe von Wärme zurückgekühlt und das flüssige kryogene Medium durch Abgabe von Kälte verdampft. Das verdampfte kryogene Medium tritt an Anschluß 16 aus Wärmetauscher 2. Beide Gasströme werden an einer Mischstelle 11 zusammengeführt und treten als kalter Gasstrom aus der Vorrichtung aus. In der zur Mischstelle 11 geführten Leitung 12 für das kälteabgebende kryogene Medium des Wärmetauschers 2 ist ein Ventil 13 angeordnet. Über den Grad der Öffnung dieses Dosierventils 13 wird die Temperatur des Kaltgasstromes eingestellt. Es ist selbstverständlich, daß anstatt des in der Zeichnung dargestellten Handventiles auch ein temperaturgesteuer­ tes Ventil oder ein über elektrische Impulse ange­ steuertes Ventil oder eine Festblende in Leitung 12 angeordnet werden kann.

Vorzugsweise wird das dem Wärmetauscher 2 zugeführte flüssige kryogene Medium aus dem Anschluß 5 des Wärme­ tauschers 1 abgezweigt.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in der Mischstelle ein temperaturgeregeltes Dreiwegeventil 17 angeordnet. Das Dreiwegeventil 17 ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt. Dieses öffnet und schließt die Leitung 12 und die Leitung 14 der beiden kalten Gasströme in Abhängigkeit von vorgegebenen Temperatur­ werten. Am Ausgang 15 steht ein Kaltgasstrom mit im wesentlichen konstanter Mischtemperatur zur Verfügung, der auch bei einer großen und schnellen Durchsatz­ änderung, wie sie beispielsweise beim Gasgeben in einem Kraftfahrzeug entsteht, gut konstant bleibt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines kalten Gasstromes durch Wärmeaustausch eines kryogenen Mediums mit einem Wärmeträger, mit einem ersten Wärmetauscher (1) mit Anschlüssen (3, 4 und 5, 6) für den Ein- und Austritt des Wärmeträgers und das kryogene Medium, einem zweiten Wärmetauscher (2) mit Anschlüssen (10,16) für den Ein- und Austritt eines kryogenen Mediums, einer Verbindungsleitung (7) des ersten Wärmetauschers (1) zu dem zweiten Wärmetauscher (2) für das im ersten Wärme­ tauscher (1) verdampfte Medium, das den zweiten Wärme­ tauscher unter Wärmeaustausch mit dem kryogenen Medium durchströmt und einer Mischstelle (11) der das im zweiten Wärmetauscher (2) rückgekühlte und das ver­ dampfte Medium zuführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Wärmetauscher (1) und der zweite Wärmetauscher (2) als kompakte Baueinheit ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (10) für den Ein­ tritt des kryogenen Mediums des zweiten Wärme­ tauschers (2) mit dem Anschluß (5) für den Eintritt des kryogenen Mediums des ersten Wärmetau­ schers (1) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (12) des zweiten Wärmetauschers (2) eine Blende oder ein Dosierventil (13) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mischstelle (11) ein temperaturgeregeltes Dreiwegeventil (17) angeordnet ist.