DE19521591C2 - Method and device for evaporating cryogenic liquids - Google Patents

Method and device for evaporating cryogenic liquids

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Description

Die Erfindung ist in dem technischen Bereich anzuwenden, wo Gase als kryogene Flüssigkeiten gelagert und zum Einsatz wie­ der verdampft werden müssen, wie z. B. der Wasserstoff als Energieträger für Verbrennungsmaschinen.The invention is applicable in the technical field where Gases stored as cryogenic liquids and used as that need to be evaporated, e.g. B. the hydrogen as Energy source for internal combustion engines.

Die Umwandlung zwischen Tank und Einsatzort, z. B. Verbren­ nungsmotor, erfolgt durch einen oder mehrere Wärmetauscher, wobei zur Energiezuführung Luft oder Kühlflüssigkeit Verwen­ dung finden (DE-OS 21 08 183, DE 42 44 328). Durch die tiefen Temperaturen der kryogenen Flüssigkeit kommt es zu starken Vereisungen, denn z. B. bei der Verdampfung von Methan für Brennzwecke mittels Wärmezuführung durch die Verbrennungsluft tritt eine Luftabkühlung um 40 bis 50 K ein. Die auftretende Vereisung führt zur Minderung des Wir­ kungsgrades der Wärmeübertragung, was eine unvollständige Verdampfung nach sich zieht und damit einen unrunden Motor­ betrieb bewirkt. Eine unvollständige Verdampfung wirkt sich generell nachteilig bei allen Prozessen aus, die auf eine Flüssiglagerung und gasförmige Verarbeitung ausgerichtet sind. Eine Möglichkeit, das Vereisen bei Einsatz von Luft oder Rauchgas als Wärmeträger zu vermindern, beschreibt das Patent DD 2 14 172. Das Prinzip beruht auf einem zwei­ stufigen Wärmeentzug der Luft, indem die Luft mit normalem Feuchtigkeitsgehalt durch das bereits verdampfte Flüssiggas um 15 bis 20 K abgekühlt wird und somit bei nur geringer Teilvereisung 50 bis 90% ihrer Feuchtigkeit kondensiert und abgeschieden werden kann. Die so vorgetrocknete Luft gelangt dann in den zweiten Wärmetauscher, der als Verdam­ pfer wirkt. Durch die nunmehr geringe Luftfeuchtigkeit kommt es zu wesentlich geringeren Vereisungen. Völlig ver­ eisungsfrei ist die Verdampfung kryogener Flüssigkeiten auch durch diese Verfahrensweise nicht durchführbar. Je tiefer die Verdampfungstemperatur liegt, um so größer ist die Vereisungsgefahr.The conversion between the tank and the place of use, e.g. B. Burn motor, takes place through one or more heat exchangers, using air or coolant to supply energy find (DE-OS 21 08 183, DE 42 44 328). Through the low temperatures of the cryogenic liquid occur severe icing, because e.g. B. in the evaporation of Methane for burning by means of heat input from the Combustion air cools the air by 40 to 50 K. on. The icing that occurs leads to a diminution of the we efficiency of heat transfer, which is an incomplete Evaporation leads to an out of round engine operation causes. Incomplete evaporation works generally disadvantageous in all processes based on one Liquid storage and gaseous processing aimed are. One way of freezing when using air or to reduce flue gas as a heat transfer medium the patent DD 2 14 172. The principle is based on two stage heat deprivation of the air by the air with normal Moisture content from the already vaporized liquid gas is cooled by 15 to 20 K and thus at only less Partial icing 50 to 90% of its moisture condenses and can be separated. The pre-dried air then passes into the second heat exchanger, the Verdam horse works. Due to the now low humidity there is much less icing. Completely ver The evaporation of cryogenic liquids is free of iron also not feasible by this procedure. Each the lower the evaporation temperature, the greater  the risk of icing.

Das Problem der Vereisung des Verdampfers für kryogene Flüs­ sigkeiten beim Einsatz gasförmiger Wärmeträger, wie Luft, Rauch- oder Abgase aus Verbrennungsmaschinen, sowie eine platzsparende, kompakte Anordnung einer Vergasungsvorrich­ tung wird erfindungsgemäß durch ein zweistufiges Verfahren mit indirektem Wärmetausch gelöst. In der ersten Stufe wird der kryogenen Flüssigkeit, insbesondere Wasserstoff, zur Verdampfung die Energie in einem Wärmetauscher indirekt durch das arteigene bei der Verdampfung entstandene Gas als Wärmeträger zugeführt. Die für die Verdampfung benötig­ te und abgegebene Energie erhält das arteigene Gas von außen in einer zweiten Stufe durch indirekte Wärmeübertra­ gung von einem gasförmigen und/oder flüssigen Medium mit höherem Energieniveau, d. h. es herrscht ein Temperaturun­ terschied. Die Energiezufuhr von außen erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in bekannterweise durch gasförmi­ ge und/oder flüssige Medien. Diese können atmosphärische oder komprimierte Luft, Rauch- oder Abgase sowie Kühlflüssig­ keit aus einem anderen Prozeß sein. Die Verbindung zwischen der ersten Stufe, die als Verdampfer fungiert, und der zwei­ ten Stufe zur Gasaufheizung wirkt als Drossel durch Quer­ schnittsverengung und/oder Einbau eines Drosselelementes zur Ausbildung einer Druckdifferenz zwischen beiden Stufen. Dadurch wird die Wärmeaufnahme für die Verdampfung sowie die Verdampfungszeit größer, und desweiteren verdampfen eventuell mitgerissene Flüssigkeitspartikel durch die Ent­ spannung vollständig. Die durch die Drosselung entstandene Entspannungskälte kann sich weiterhin positiv auswirken, wenn das in der zweiten Stufe als Wärmeträger dienende Medium gekühlt werden muß, wie es der Fall ist bei einer Gasverbrennungsmaschine mit Turbolader und kryogener Brenn­ stofflagerung. In diesem Falle kann ein Kühler, der ansonsten zwingend notwendig ist zur optimalen Temperatureinstellung für den Verbrennungsvorgang, entbehrlich sein.The problem of evaporator icing for cryogenic rivers liquids when using gaseous heat transfer media such as air, Smoke or exhaust gases from internal combustion engines, as well as one space-saving, compact arrangement of a gasification device tion is inventively by a two-stage process solved with indirect heat exchange. The first stage is the cryogenic liquid, in particular hydrogen, for Evaporation of energy in a heat exchanger indirectly due to the natural gas evaporation supplied as a heat transfer medium. The needed for the evaporation The species' own gas receives the energy and energy released outside in a second stage through indirect heat transfer supply of a gaseous and / or liquid medium with higher energy level, d. H. there is a temperature different. The energy is supplied from the outside Process according to the invention in a known manner by gaseous ge and / or liquid media. These can be atmospheric or compressed air, smoke or exhaust gases and coolant another process. The connection between the first stage, which acts as an evaporator, and the two The gas heating stage acts as a throttle through the cross narrowing of the cut and / or installation of a throttle element to form a pressure difference between the two stages. This will absorb heat for evaporation as well the evaporation time is longer and evaporate further any entrained liquid particles through the ent tension completely. The one created by the throttling Relaxation cold can continue to have a positive effect, if it serves as heat transfer medium in the second stage Medium must be cooled, as is the case with one Gas combustion engine with turbocharger and cryogenic burner fabric storage. In this case, a cooler can otherwise is imperative for optimal temperature setting for the combustion process, be unnecessary.

Zur besseren Wärmeübertragung werden in bekannterweise durch Einbauten das wärmeabgebende und wärmeaufnehmende Medium im Grenzschichtbereich in turbulente Strömung versetzt. Um günstige Strömungsverhältnisse und damit ebenfalls eine in­ tensive Wärmeübertragung zu erreichen sowie gegebenenfalls eine ausreichende Energiemenge für die Verdampfung zur Ver­ fügung zu haben, kann zusätzlich arteigenes Gas zwischen der ersten und zweiten Stufe der verdampften kryogenen Flüssig­ keit zugesetzt werden aus dem Gaspolster der kryogenen Flüs­ sigkeitslagerung und/oder durch teilweise Kreislaufführung des die Anlage verlassenden arteigenen Gases.For better heat transfer are known to  Built-in the heat-emitting and heat-absorbing medium set in turbulent flow in the boundary layer area. Around favorable flow conditions and thus also an in to achieve intensive heat transfer and, if necessary a sufficient amount of energy for evaporation for ver addition, there can be additional natural gas between the first and second stages of the vaporized cryogenic liquid speed are added from the gas cushion of the cryogenic rivers liquid storage and / or by partial circulation of the natural gas leaving the plant.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Vorrichtung entwickelt, die, besonders für Verbrennungsma­ schinen, aus zwei Wärmetauschern zur indirekten Wärmeübertra­ gung nach dem Kreuzstromprinzip in Kompaktbauweise besteht, wie in den Bildern 1 und 2 dargestellt:
Der erste Wärmetauscher als Verdampfer (3) hat Kanäle (10) für die zu verdampfende kryogene Flüssigkeit sowie weitere Kanäle in Kreuzstromanordnung als Verlängerung der Kanäle (7) aus dem zweiten Wärmetauscher (11) zur Durchströmung des im zweiten Wärmetauscher aufgeheizten arteigenen Gases der verdampften kryogenen Flüssigkeit. Dieser als Verdampfer dienende Wärmetauscher (3) ist in der Anschlußkammer (2) des zweiten Wärmetauschers (11) untergebracht. Die kryogene Flüs­ sigkeit wird durch ein Doppelmantelrohr dem Verdampfer (3) zugeführt, wobei das die Vorrichtung verlassende arteigene Gas das flüssigkeitsführende Innenrohr umspült. Die Anbin­ dung dieses Doppelmantelrohres an die Tankleitung erfolgt in bekannterweise durch eine vakuumisolierte Kupplung.To carry out the method according to the invention, a device was developed which, especially for internal combustion engines, consists of two heat exchangers for indirect heat transfer according to the cross-flow principle in a compact design, as shown in Figures 1 and 2:
The first heat exchanger as an evaporator ( 3 ) has channels ( 10 ) for the cryogenic liquid to be evaporated, as well as further channels in a cross-flow arrangement as an extension of the channels ( 7 ) from the second heat exchanger ( 11 ) for flowing through the gas of the evaporated cryogenic which is heated in the second heat exchanger Liquid. This serves as an evaporator heat exchanger ( 3 ) is housed in the connection chamber ( 2 ) of the second heat exchanger ( 11 ). The cryogenic liquid is fed through a double-walled tube to the evaporator ( 3 ), the natural gas leaving the device washing around the liquid-carrying inner tube. The connec tion of this double jacket pipe to the tank line is done in a known manner by a vacuum-insulated coupling.

Der zweite Wärmetauscher (11) besitzt zur indirekten Aufhei­ zung des den ersten Wärmetauscher (3) verlassenden arteigenen durch Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit gebildeten Gases Kanäle (7), in denen das arteigene Gas strömt. Durch nach dem Kreuzstromprinzip angeordnete Kanäle (12) wird dem Sys­ tem von außen mittels fühlbarer Wärme eines gasförmigen und/ oder flüssigen Mediums die für die Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit notwendige Energie zugeführt. The second heat exchanger ( 11 ) for indirect heating of the first heat exchanger ( 3 ) leaving the native gas formed by evaporation of the cryogenic liquid channels ( 7 ) in which the native gas flows. Through channels ( 12 ) arranged according to the cross flow principle, the system is supplied with the energy necessary for the evaporation of the cryogenic liquid from the outside by means of sensible heat of a gaseous and / or liquid medium.

Ein gutisoliertes Verbindungsstück zwischen dem ersten Wär­ metauscher (3) und zweiten Wärmetauscher (11) dient gleich­ zeitig als Drossel durch Querschnittsverengung (13) gegenüber dem Gesamtquerschnitt der Kanäle (10) im Verdampfer oder andere bekannte Drosselmöglichkeiten zur Erzeugung einer deutlichen Druckdifferenz. Durch ein Isolierblech (5) in­ nerhalb der Anschlußkammer (2) ist das Verbindungsstück gegen die Außenatmosphäre isoliert, so daß keine Vereisung nach außen auftreten kann, die jedoch nicht funktionsgefähr­ dend wäre.A well-insulated connector between the first heat exchanger ( 3 ) and second heat exchanger ( 11 ) serves simultaneously as a throttle by narrowing the cross-section ( 13 ) compared to the total cross-section of the channels ( 10 ) in the evaporator or other known throttle options to generate a significant pressure difference. The connecting piece is insulated from the outside atmosphere by an insulating plate ( 5 ) inside the connection chamber ( 2 ), so that no icing can occur to the outside, which, however, would not endanger the function.

Wirbelschikanen in den Kanälen führen zur Ausbildung turbu­ lenter Strömungsgrenzschichten und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung.Vortex chicanes in the channels lead to turbu training lent flow boundary layers and thus to increase the efficiency of heat transfer.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde insbesondere zur Verdampfung flüssigen Wasserstoffs entwickelt, der als Ener­ gieträger für Verbrennungsmaschinen eingesetzt wird. Die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung sind vor allem die Bannung der Vereisungsgefahr sowie die kompakte, platz­ sparende und einfache Bauweise der Vorrichtung. Sie ist schnell und bequem an eine Maschine anzubringen. Besonders positiv wirkt sich die Kompaktbauweise und Anordnung der einzelnen Elemente beim Einsatz für eine Verbrennungsmaschi­ ne mit Turbolader aus, indem der Kühler für die heiße kom­ primierte Luft aus dem Turbolader entfällt.The device according to the invention was especially for Evaporation of liquid hydrogen developed as an ener is used for internal combustion engines. The The main advantages of the method and the device are the ban on the risk of icing as well as the compact, space saving and simple construction of the device. she is quick and easy to attach to a machine. Especially The compact design and arrangement of the individual elements when used for an internal combustion engine ne with turbocharger by the radiator for the hot com primed air from the turbocharger is eliminated.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellen die Bilder 1 und 2 dar, an denen die Erfindung erläutert werden soll: Der flüssige Wasserstoff strömt über den Doppelmantelrohr­ anschluß (1) in den Verdampfer (3) und verdampft in den Ka­ nälen (10). Durch die Querschnittsverengung (13) des Verbin­ dungsstückes zwischen Verdampfer (3) und Wärmetauscher (11) wird eine Druckdifferenz erzeugt. Die Querschnittsveren­ gung (13) ist deutlich geringer gegenüber dem Gesamtquer­ schnitt der Kanäle (10) und erzeugt eine Druckdifferenz. Durch das Trennblech (4) findet die Abgrenzung zwischen Verdampfer (3) und Wärmetauscher (11) statt. Zur Isolie­ rung des Verbindungsstückes beider Stufen bzw. Wärmetauscher ist das Isolierblech (5) eingebaut. Der verdampfte Wasser­ stoff strömt nunmehr in den Wärmetauscher (11) und durch die Kanäle (7). Die Umlenkkammer (6) dient zur Strömungs­ umlenkung und Verteilung des aufzuheizenden Wasserstoffs auf die einzelnen Kanäle (7), die unmittelbar in den Verdampfer (3) weiterverlaufen und dort nach dem Kreuzstromprinzip angeordnet sind. Ein Teil der Kanäle (7) aus dem Wärmetau­ scher (11) münden direkt in die Anschlußkammer (2) und um­ spülen die Drosselstelle (13). Der gasförmige Wasserstoff verläßt nach Abgabe eines Teils seiner fühlbaren Wärme im Verdampfer (3) die Vorrichtung durch das Doppelmantelrohr (1).An embodiment of the invention are shown in Figures 1 and 2, on which the invention will be explained: The liquid hydrogen flows through the double jacket pipe connection ( 1 ) in the evaporator ( 3 ) and evaporates in the channels ( 10 ). By reducing the cross section ( 13 ) of the connec tion piece between the evaporator ( 3 ) and the heat exchanger ( 11 ), a pressure difference is generated. The cross-sectional constriction ( 13 ) is significantly less than the total cross section of the channels ( 10 ) and generates a pressure difference. The separator ( 4 ) separates the evaporator ( 3 ) and the heat exchanger ( 11 ). The insulating plate ( 5 ) is installed to isolate the connecting piece of both stages or heat exchanger. The evaporated water now flows into the heat exchanger ( 11 ) and through the channels ( 7 ). The deflection chamber ( 6 ) serves to deflect the flow and distribute the hydrogen to be heated to the individual channels ( 7 ), which continue directly into the evaporator ( 3 ) and are arranged there according to the cross-flow principle. Some of the channels ( 7 ) from the heat exchanger shear ( 11 ) open directly into the connection chamber ( 2 ) and to flush the throttle point ( 13 ). After releasing part of its sensible heat in the evaporator ( 3 ), the gaseous hydrogen leaves the device through the double jacket tube ( 1 ).

Die heiße Luft aus dem Turbolader der Verbrennungsmaschine wird über das Anschlußstück (8) in den Wärmetauscher (11) geleitet und strömt rechtwinklig zum aufzuheizenden gasförmigen Wasserstoff durch die Kanäle (12). Im Bild 1 sind zur Ausbildung einer Turbulenz im Grenzschichtbereich der Kanäle Wirbelschikanen in den Kanälen (12) teilweise angedeutet.The hot air from the turbocharger of the internal combustion engine is passed through the connector ( 8 ) into the heat exchanger ( 11 ) and flows through the channels ( 12 ) at right angles to the gaseous hydrogen to be heated. In Figure 1, vortex baffles in the channels ( 12 ) are partially indicated for the formation of turbulence in the boundary layer area of the channels.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verdampfung kryogener Flüssigkeiten, ins­ besondere Wasserstoff, in Wärmetauschern, wobei als Ener­ gieträger zur indirekten Wärmezuführung gasförmige und/ oder flüssige Medien dienen, wie Luft, Abgase oder Kühl­ flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Wärmeübertragung zweistufig erfolgt,
  • - in einer ersten Stufe zur Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit als Wärmeträger das arteigene durch die Verdampfung entstandene Gas nach Aufwärmung in einer zweiten Stufe dient und
  • - in einer zweiten Stufe das in der ersten Stufe durch Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit gebildete Gas durch Energiezuführung von außen mittels heißer Gase und/oder Flüssigkeiten aufgeheizt wird.
1. Process for the evaporation of cryogenic liquids, in particular hydrogen, in heat exchangers, gaseous and / or liquid media, such as air, exhaust gases or cooling liquids, serving as energy carriers for indirect heat supply, characterized in that
  • - the heat transfer takes place in two stages,
  • - In a first stage for the evaporation of the cryogenic liquid as a heat carrier, the natural gas generated by the evaporation after warming up serves in a second stage and
  • - In a second stage, the gas formed in the first stage by evaporation of the cryogenic liquid is heated by supplying energy from the outside by means of hot gases and / or liquids.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Drosselung zwischen der ersten und zweiten Stufe eine Druckdifferenz entsteht.2. The method according to claim 1, characterized in that by throttling between the first and second stages a pressure difference arises. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeaufnehmende und wärmeabgebende Medium im Grenz­ schichtbereich turbulent strömt.3. The method according to claim 1, characterized in that the heat-absorbing and heat-emitting medium in the border layer area flows turbulently. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem arteigenen Gas der verdampften kryogenen Flüssigkeit arteigenes Gas aus dem Gaspolster des Lagerbehälters und/oder ein Teil des Gases im Kreislauf geführt wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the natural gas of the vaporized cryogenic liquid specific gas from the gas cushion of the storage container and / or part of the gas is circulated. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung des Verfahrens zur Verdampfung kryo­ gener Brennstoffe für Verbrennungsmaschinen die für die Verbrennung benötigte, im Turbolader der Verbrennungs­ maschine verdichtete, ungekühlte Luft als Wärmeträger für die zweite Stufe dient, und die verdichtete Luft auf die für den Einsatz optimale Temperatur abgekühlt wird. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that when using the evaporation method kryo gener fuels for internal combustion engines the combustion needed in the turbocharger of the combustion machine compressed, uncooled air as heat transfer medium serves for the second stage, and the compressed air the optimum temperature for use is cooled.   6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung des Verfahrens zur Verdampfung kryo­ gener Brennstoffe für Verbrennungsmaschinen die zur Kühlung der Verbrennungsmaschine eingesetzte Flüssigkeit als Wärmeträger für die zweite Stufe dient.6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that when using the evaporation method kryo Gener fuels for internal combustion engines Cooling of the internal combustion engine liquid used as heat transfer medium for the second Level serves. 7. Vorrichtung zur Verdampfung kryogener Flüssigkeiten nach Anspruch 1 bis 6 bestehend aus
  • - zwei nacheinander angeordneten Wärmetauschern in Kom­ paktbauweise, wobei
  • - der erste Wärmetauscher (3) als Verdampfer mit Kanä­ len (10) für die zu verdampfende kryogene Flüssigkeit sowie mit weiteren Kanälen in Kreuzstromanordnung als Verlängerung der Kanäle (7) aus dem zweiten Wärme­ tauscher (11) zur Durchströmung des im zweiten Wär­ metauscher aufgeheizten arteigenen Gases der kryo­ genen Flüssigkeit als Wärmeträger ausgerüstet ist und in der Anschlußkammer (2) des zweiten Wärmetau­ schers (11) untergebracht ist,
  • - der zweite Wärmetauscher (11) zur indirekten Aufhei­ zung des den ersten Wärmetauscher verlassenden art­ eigenen Gases der kryogenen Flüssigkeit in Kanälen (7) durch gasförmige und/oder flüssige Wärmeträger nach dem Kreuzstromprinzip konstruiert ist,
  • - einem gutisoliertem Verbindungsstück zwischen erstem Wärmetauscher (3) und zweitem Wärmetauscher (11), wo­ bei dessen Querschnitt kleiner ist als der Gesamtquer­ schnitt der Verdampfungskanäle (10) zur Schaffung einer Druckdifferenz,
  • - einer Zuführung für die kryogene Flüssigkeit als Dop­ pelmantelrohr, wobei das die Vorrichtung verlassende Gas das flüssigkeitsführende Innenrohr umströmt.
7. Device for the evaporation of cryogenic liquids according to claim 1 to 6 consisting of
  • - Two consecutively arranged heat exchangers in compact design, where
  • - The first heat exchanger ( 3 ) as an evaporator with channels ( 10 ) for the cryogenic liquid to be evaporated and with further channels in cross-flow arrangement as an extension of the channels ( 7 ) from the second heat exchanger ( 11 ) to flow through the second heat exchanger type gas of the cryogenic liquid is equipped as a heat carrier and is housed in the connection chamber ( 2 ) of the second heat exchanger ( 11 ),
  • - The second heat exchanger ( 11 ) for indirect heating of the type of gas exiting the first heat exchanger of the cryogenic liquid in channels ( 7 ) is constructed by gaseous and / or liquid heat carriers according to the cross-flow principle,
  • - A well-insulated connecting piece between the first heat exchanger ( 3 ) and the second heat exchanger ( 11 ), where the cross section of which is smaller than the total cross section of the evaporation channels ( 10 ) to create a pressure difference,
  • - A feed for the cryogenic liquid as a double-walled pipe, the gas leaving the device flowing around the liquid-carrying inner pipe.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur intensiven Wärmeübertragung Wirbelschikanen zur tur­ bulenzbildung in den Grenzschichten der Strömungskanäle eingebaut sind.8. The device according to claim 7, characterized in that for intensive heat transfer swirl chicanes to the door bulging in the boundary layers of the flow channels are installed.
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