DE19645488C5 - System und Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank - Google Patents

System und Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank Download PDF

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Die Erfindung sieht ein System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank vor, das einen isolierten Speicherbehälter für flüssiges Gas und eine Entnahmeleitung aufweist. Die Entnahmeleitung ist außerhalb des Kryotanks bis zu einem Verdampfungsvolumen isoliert. Das Verdampfungsvolumen kann die Form einer nicht-isolierten Erweiterung der Entnahmeleitung oder eines kleinen nicht-isolierten, mit der Entnahmeleitung verbundenen Bechers haben. Von dem Verdampfungsvolumen führt eine Leitung über ein Ventil zu einem Verbraucher. Aufgrund des Druckgefälles zwischen Tank und Verbraucher kommt es zu einer Flüssigkeitsströmung in der Entnahmeleitung bis zu dem nicht-isolierten Verdampfungsvolumen außerhalb des Tanks. Dort entsteht eine spontane Verdampfung, die eine Druckerhöhung in der Entnahmeleitung bewirkt und Flüssigkeit in der Leitung und ein Teil des verdampften Gases in den Tank zurückdrückt, bis der Druck in der Entnahmeleitung wieder ausgeglichen ist. Danach strömt die Flüssigkeit wieder durch die Entnahmeleitung nach, es entsteht eine natürliche Druckschwingung, welche den durch die Entnahme bedingten Druckabfall im Kryotank kompensiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank, welches einen isolierten Speicherbehälter und eine Entnahmeleitung aufweist.
  • Ein Kryotank ist ein isolierter Vorratsbehälter, in dem flüssige, tiefkalte Gase in der Regel unter Überdruck gespeichert werden. Die tiefe Temperatur der verflüssigten Gase kann durch eine Vakuumisolation über längere Zeitspannen aufrechterhalten werden. Solche Kryotanks werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik als Treibstofftanks eingesetzt. Sie können verflüssigten Wasserstoff (LH2), flüssiges Erdgas (LNG), verflüssigten Stickstoff (LN2) oder dergleichen enthalten.
  • Bei der Entnahme von flüssigem Gas aus einem Kryotank kommt es zu einem Druckabfall in dem Tank. Für viele Anwendungen, beispielsweise den obengenannten Einsatz als Treibstofftank für ein Kraftfahrzeug, ist es aber erforderlich, den Druck im Tank konstant zu halten. Der konstante Innendruck im Kryotank dient unter anderem einer kontinuierlichen Versorgung eines oder mehrerer Verbraucher mit dem Flüssiggas.
  • Zur Druckerhöhung in dem Kryotank wurden bisher elektrische Heizeinrichtungen im Inneren des Kryotanks oder Druckaufbauverdampfer ( DE-OS 23 29 053 ) eingesetzt. Ein Druckaufbauverdampfer entnimmt dem Kryotank eine kleine Menge des flüssigen Gases, das Gas wird außerhalb des Kryotanks verdampft und dem Tank wieder zugeführt. Dabei kann das ”Druckaufbau-Gas” aufgrund der Druckunterschiede zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase ohne zusätzliche Hilfsmittel zirkulieren. Diese Art der Aufrechterhaltung oder Erhöhung des Innendrucks in einem Kryotank mittels Druckaufbauverdampfer eignet sich insbesondere für große, stehende Flüssiggasspeicher. Die Leistung der Druckaufbauverdampfer ist vom Füllstand in dem Speichertank abhängig. Ferner können Probleme aufgrund des Phasenwechsels entstehen.
  • Die auch dem Druckaufbau dienenden, oben genannten elektrischen Heizeinrichtungen sind in der Regel als Widerstandsheizungen realisiert. Diese benötigen nicht nur elektrische Energie, sondern sie erfordern auch aufwendige vakuumdichte sowie tieftemperatur- und druckbeständige Durchführungen. Bei einem Defekt erzeugen sie hohe Reparaturkosten. Die bisher bekannten Lösungen zum Aufrechterhalten oder Erhöhen des Drucks in einem Kryotank bei Entnahme von flüssigem Gas sind somit nicht vollkommen zufriedenstellend.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 44 11 338 A1 eine Vorrichtung zur Unterdrückung des Gasphasendruckes in Speicherbehältern für tiefkalte verflüssigte Gase bekannt, die die wärmsten Flüssigkeitsschichten an der Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels bei Flüssigkeitsentnahme abzieht.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher, ein System und ein Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank anzugeben, mit denen der Druck im Tank konstant gehalten oder sogar erhöht werden kann und die auch in kleinen, mobilen Kryotanks einsetzbar sind, beispielsweise in Treibstoff-Kryotanks für den Kraftfahrzeugbereich. Die Vorrichtung und das Verfahren sollten dabei möglichst einfach, wartungsfreundlich und kostengünstig sein, damit sie auch bei in großer Stückzahl hergestellten Tanks noch wirtschaftlich eingesetzt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße System weist einen isolierten Speicherbehälter für flüssiges Gas, eine Entnahmeleitung und eine Verdampfungskammer, oder ein Verdampfungsvolumen, auf. Die Verdampfungskammer ist mit der Entnahmeleitung verbunden und kann die Form einer Erweiterung der Entnahmeleitung oder eines kleinen Behälters haben. Vorzugsweise ist die Entnahmeleitung mindestens von dem Speicherbehälter bis zur Verdampfungskammer isoliert, während die Verdampfungskammer einen nicht-isolierten Raum aufweist. Je nach Anwendungsfall ist das Stück der Entnahmeleitung, welches von der Verdampfungskammer zu einem oder mehreren Verbrauchern führt, isoliert oder nicht isoliert. Die Entnahmeleitung weist zweckmäßigerweise im Speicherbehälter ein Steigrohr auf.
  • Aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Kryotank und einem Verbraucher kommt es beim Öffnen eines Ventils in der isolierten Entnahmeleitung zu einer Strömung des flüssigen Gases bis zu der kleinen unisolierten Verdampfungskammer außerhalb des Tanks. Da die Verdampfungskammer, oder das Verdampfungsvolumen, zur Umgebung nicht isoliert ist, kommt es darin zu einer spontanen Verdampfung des flüssigen Gases, die eine Druckerhöhung in der Entnahmeleitung bewirkt. Die Flüssigkeit (das flüssige Gas) in der Entnahmeleitung und ein Teil des gebildeten Gases (der verdampften Flüssigkeit) aus der Verdampfungskammer strömen aufgrund dieser Druckerhöhung in den Kryotank zurück, bis der Druck in der Entnahmeleitung wieder ausgeglichen ist. Danach strömt wieder Flüssigkeit (flüssiges Gas) durch die Steigleitung nach oben. Dadurch entsteht eine natürliche Druckschwingung, oder Pulsation, auf der Behälterseite der Verdampfungskammer.
  • Da nur ein Teil des über die Entnahmeleitung in die Verdampfungskammer geförderten Flüssiggases verdampft und in den Kryotank zurückströmt, kann auf der Verbraucherseite der Verdampfungskammer gleichwohl eine relativ stetige Versorgung mit Flüssiggas erreicht werden.
  • In dem Speicherbehälter des Kryotanks bewirkt die Rückströmung des Gasanteils eine Druckerhöhung, die den durch die Entnahme des Flüssiggases bedingten Druckabfall kompensiert. Der Umfang dieses Druckaufbaus ist von der Auslegung der Entnahmeleitung und der Größe der Verdampfungskammer abhängig.
  • Die Erfindung sieht zum ersten Mal ein System und ein Verfahren zum Entnehmen von kalten Gasen aus einem Kryotank vor, welche den Druckabfall aufgrund der Entnahme von Flüssiggas ohne zusätzliche Tankeinbauten, Rohrleitungen, elektrische Einrichtungen und dergleichen ausgleichen. Für die gewünschte Wirkung muß lediglich die Konstruktion der Entnahmeleitung außerhalb des Kryotanks angepaßt werden. Das System und das Verfahren gemäß der Erfindung sind besonders wartungsfreundlich und preisgünstig, weil keine zusätzlichen Einbauten im Tank vorgesehen und keine zusätzlichen Leitungen in den und aus dem Tank geführt werden müssen und weil keinerlei bewegliche Teile notwendig sind. Da keine zusätzlichen Durchführungen für Leitungen, Elektrokabel und dergleichen vorgesehen werden müssen, wird auch die Isolation des Kryotanks durch die Druckaufbaueinrichtung nicht beeinträchtigt. Schließlich ergeben sich keine Stillstandszeiten für den Druckaufbau im Speicherbehälter, weil ein Druckausgleich oder Druckaufbau automatisch mit der Entnahme des flüssigen Gases erfolgt.
  • Versuche mit dem erfindungsgemäßen System und dem Verfahren haben gezeigt, daß durch die gezielte Verdampfung eines Teils der Flüssigkeitsmenge in der Entnahmeleitung mittels dem nicht isolierten Verdampfungsvolumen Druckschwingung, oder Pulsation, erzeugt werden kann, die ausreichend ist, um den Druckabfall im Speicherbehälter aufgrund der Entnahme von flüssigem Gas zu kompensieren.
  • Es kann eine Umgehungsleitung vorgesehen werden, um flüssiges Gas unter Umgehung der Verdampfungskammer aus dem Speicherbehälter zu entnehmen. Die Umgehungsleitung wird insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn eine Druckabsenkung im Kryotank erfolgen soll. Es kann auch eine Umschalteinrichtung vorgesehen werden, um bei einer starken Abnahme des Flüssigkeitspegels im Kryotank oder einer zu starken Druckerhöhung im Speicherbehälter zwischen der Entnahme von flüssigem Gas und der Entnahme von gasförmigem Gas umzuschalten. Auch diese Maßnahme dient dem Druckabbau im Speicherbehälter.
  • Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf die Zeichnung erläutert. In den Figuren zeigen:
  • 1 ein System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank gemäß der Erfindung und
  • 2 eine Umgehungsleitung für das erfindungsgemäße System.
  • 1 zeigt ein System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank gemäß der Erfindung. Ein Kryotank 10, d. h. ein Speichertank für bei Tieftemperatur verflüssigte Gase, welche in dem Tank unter erhöhtem Druck, z. B. 5 bar, gespeichert sind, umfaßt einen inneren Speicherbehälter 12 und einen Vakuum-Isolationsmantel 14. Die Vakuum-Isolation dient dazu, die Temperatur des verflüssigten Gases weitgehend aufrechtzuerhalten. Der Kryotank 10 hat bei einer typischen Anwendung im Kraftfahrzeugbereich die Form eines liegenden Zylinders mit einem Durchmesser von beispielsweise einem halben Meter und einer Länge von beispielsweise einem Meter. Die Enden des Tanks können, wie gezeigt, abgerundet sein. Übliche Tankvolumen liegen im Bereich von 100 bis 140 Litern. Beispiele für das gespeicherte Flüssiggas sind verflüssigter Wasserstoff (LH2), verflüssigter Stickstoff (LN2) oder flüssiges Erdgas (LNG).
  • Ein Steigrohr oder eine Steigleitung 16 in dem Speicherbehälter 12 ist Teil einer Entnahmeleitung 18, welche aus dem Tank 10 herausführt und außerhalb des Tanks mit einem Vakuum-Isolationsmantel 20 isoliert ist.
  • Die Entnahmeleitung 18 führt zu einem Verdampfungsvolumen 22, das bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die Form einer nicht-isolierten Erweiterung der Entnahmeleitung 18 hat. Das Verdampfungsvolumen 22 kann jedoch auch als ein kleiner, mit der Entnahmeleitung 18 verbundener nicht isolierter Becher ausgestaltet sein. Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird das Verdampfungsvolumen 22 durch einen nicht-isolierten und im übrigen unveränderten Abschnitt der Entnahmeleitung 18 gebildet.
  • Von dem Verdampfungsvolumen 22 führt die Entnahmeleitung 18, je nach Anwendungsfall wieder isoliert oder nicht-isoliert, zu einem Absperrventil 24, das mit einem oder mehreren Verbrauchern (nicht gezeigt) verbunden ist. An dem Verdampfungsvolumen 22 kann zusätzlich eine Heizeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen werden.
  • Im Speicherbehälter 12 herrscht ein Überdruck, der bei der Speicherung von verflüssigten Gasen der angegebenen Art im Bereich von beispielsweise 5 bar liegt. Aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Tank 10 und dem Verbraucher, der in der Regel bei Umgebungsdruck liegt, kommt es zu einer Flüssigkeitsströmung durch das Steigrohr 16 der Entnahmeleitung 18 bis zu dem nicht-isolierten Verdampfungsvolumen 22, das außerhalb des Tanks 10 liegt. Der Zulauf des Flüssiggases ist in 1 mit F (Flüssigkeit) bezeichnet. In dem Verdampfungsvolumen oder der Verdampfungskammer 22 kommt es zu einer spontanen Verdampfung eines Teils des Flüssiggases, die eine Druckerhöhung in der Entnahmeleitung 18 bewirkt. Durch diesen erhöhten Druck wird die Flüssigkeit im Steigrohr und ein Teil des verdampften Gases in den Speicherbehälter 12 zurückgedrückt, und dieser Rückstrom hält an, bis der Druck in der Entnahmeleitung 18 wieder ausgeglichen ist. Die Rückströmung des Gases ist in 1 mit G (Gas) bezeichnet. Dann strömt wieder Flüssiggas durch das Steigrohr 16 in die Entnahmeleitung 18 nach. Der Zyklus der spontanen Verdampfung von Flüssiggas in dem Verdampfungsvolumen und der Rückströmung eines Teils des verdampften Gases wiederholt sich kontinuierlich, so daß eine natürliche Druckschwingung oder Pulsation entsteht. Diese Druckschwingung oder Pulsation läuft bei Öffnung des Ventils 24 automatisch ab, ohne daß von außen steuernd eingegriffen werden muß.
  • Im Tank bewirkt die Rückströmung des Gasanteils eine Druckerhöhung, die den durch die Entnahme bedingten Druckabfall kompensiert. Die rückströmende Gasmenge ist bei jedem Füllstand des Speicherbehälters 12 ausreichend, um den durch die Entnahme der Flüssigkeit entstehenden Druckverlust auszugleichen. Tatsächlich kann die Druckerhöhung mittels dem Pulsations-Druckaufbau so hoch sein, daß in Abständen auf eine Entnahme von Flüssigkeit ohne automatischen Druckaufbau umgeschaltet werden muß.
  • Hierzu wird die in 2 gezeigte Umgehungseinrichtung mit der das Verdampfungsvolumen umgangen wird, verwendet. In 2 ist der Kryotank bei 10 angedeutet. Dieser ist mit einem Druckmesser 26 verbunden, um den Innendruck im Speicherbehälter 12 zu erfassen. Neben der bereits in 1 gezeigten Entnahmeleitung 18, dem Verdampfungsvolumen 22 und dem zum Verbraucher führenden Ventil 24 ist ein kurzer Rohrstutzen 28, zum Anschluß des Verdampfungsvolumens und ein Ventil 30 vorgesehen, das vorzugsweise druckgesteuert ist. Das Ventil 30 hat eine Druckentlastungsfunktion damit im Verdampfungsvolumen 22 kein unzulässiger Überdruck entstehen kann. Der Leitungsabschnitt 36 auf der vom Tank 10 abgewandten Seite des Ventils 24 führt entsprechend der Darstellung in 1 zu einem (nicht gezeigten) Verbraucher.
  • Das Druckmeßgerät 26 gibt Drucksignale an das druckgesteuerte Ventil 30 aus. Wenn ein bestimmter Druck im Kryotank 10, z. B. 6 bar, überschritten wird, schließt sich das Ventil 30 automatisch. Dadurch wird ein Zustrom von Flüssigkeit zur Verdampfungskammer 22 verhindert, und das Flüssiggas strömt direkt zum Verbraucher, ohne Druckaufbau in dem Speicherbehälter 12. Die Wirkung des Pulsations-Druckaufbaus kann somit auf einen vorgegebenen Druckbereich begrenzt werden.
  • Zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen System und dem Verfahren vorgesehen sein, bei einer Druckerhöhung im Speicherbehälter 12 aufgrund des Pulsations-Druckaufbaus, oder auch bei der allmählichen Erwärmung des Tankinhalts von der Entnahme von Flüssigkeit auf eine Entnahme von kaltem Gas umzuschalten, und so einen übermäßigen Druckanstieg zu verhindern.
  • Die in der obigen Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.

Claims (9)

  1. System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank (10), mit einem isolierten Speicherbehälter (12) für tiefkaltes, verflüssigtes Gas und einer Entnahmeleitung (18), welche aus dem Speicherbehälter (12) zu einem Verbraucher herausführt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsvolumen (22) mit der Entnahmeleitung (18) verbunden ist, wobei flüssiges Gas durch die Entnahmeleitung (18) in das Verdampfungsvolumen (22) gelangt, dort teilweise verdampft und das verdampfte Gas zumindest teilweise über die Entnahmeleitung (18) in den Speicherbehälter (12) zurückströmt, wobei die Entnahmeleitung (18) das einzige Mittel zum Ausgleich eines Druckabfalls beim Entnehmen von kaltem Gas aus dem Kryotank (10) ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (18) auf ihrer Länge zwischen dem Speicherbehälter (12) und dem Verdampfungsvolumen (22) isoliert ist.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsvolumen einen nicht isolierten Raum (22) in Form einer Erweiterung der Entnahmeleitung (18) oder in Form eines kleinen Behälters aufweist.
  4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsvolumen (22) beheizt ist.
  5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (18) ein Steigrohr (16) im Inneren des Speicherbehälters (12) aufweist.
  6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umgehungsleitung (28), um flüssiges Gas unter Umgehung des Verdampfungsvolumens (22) aus dem Speicherbehälter (12) zu entnehmen.
  7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung, um von einer Entnahme von flüssigem Gas auf eine Entnahme von gasförmigem Gas umzuschalten.
  8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas verflüssigter Wasserstoff (LH2), verflüssigter Stickstoff (LN2) oder flüssiges Erdgas (LNG) ist.
  9. Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank (10), bei dem das Gas in flüssiger Phase über eine zu einem Verbraucher führende Entnahmeleitung (18) aus dem Kryotank entnommen wird, das flüssige Gas beim Entnehmen außerhalb des Kryotanks (10) teilweise verdampft wird und ein Teil des verdampften Gases über die Entnahmeleitung (18) in den Kryotank zurückgeführt wird, so dass ein Druckabfall aufgrund einer Entnahme ausschließlich über die Entnahmeleitung (18) ausgeglichen wird.
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