DE2009088C3

DE2009088C3 - Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffes

Info

Publication number: DE2009088C3
Application number: DE2009088A
Authority: DE
Inventors: Hermann 7742 St. Georgen Papst
Original assignee: Individual
Current assignee: Papst Guenter Helmut Papst Georg Friedrich Jung
Priority date: 1970-02-26
Filing date: 1970-02-26
Publication date: 1974-12-05
Also published as: FI52193B; ES388675A1; SU489294A3; NL7102536A; FR2080792A1; FR2080792B1; IL36296A0; HU170614B; DE2009088A1; IE34971L; AT314364B; BE763451A; GB1348408A; IT965607B; NO133397B; JPS5520917B1; DE2009088B2; CH535674A; FI52193C; ZA711263B

Description

_enge Grenzen gesetzt sind.

Eine andere bekannte Lösung (deutsche Offen-

legungsschrift 1 481 223, S. 5, 1. Absatz) besteht darin, Methan oder Wasserstoff als Auftriebsgas zu verwen-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb den und als Ballastausgleich Dieselöl zu tanken und eines Luftschiffes, bei dem ein Auftriebsgas verwendet ⁶5 dann Teile des Gases synchron mit dem Dieselöl zur wird, das leichter als Luft und brennbar ist. wie Erd- Antriebsenergie zu verbrauchen. Analog arbeitet ein gas oder Methan, und das für den Energiebedarf des aus der österreichischen Patentschrift 84 023 bekann- ; gebraucht wird. tes Verfahren, bei dem als Auftriebsausgleich flüssiger

SS ^ ^ ™jl dem

kannten Verfahren arbeu«:mk Luf^chif ^ bestimmte Traglast ein,go b. „^Auf ^^¹^ bzw. be. best.mmtei Auf.nc^^o'u^men sprechend dem Kraftstoffuntul

kapazität. Vn^rhlu- (Giff ird

Ein schon se r any bekanm r VorscM^. (O.ff aru.

1855. I ans gem udiim,
Dampfmaschine angc nebene.Lu ftsch,.f.

Verbrauch der Kohle

durch Verhe.zen ^¹⁵^^^,⁸^ wenn triebs-Leuchtgases zu korpperis.ercr, Selbst vvenn

von den Nachteden des^Dampfen eJ

bedingt dieses Verfahre ^einersJ^tsJ^ ^ f

n.cht gasförmiger Br ennstoffJ^d ande«_erse_It ,« d e

Umsetzung des A^{uft lebs}-^^uch^ ^es _bs7_er _us ver

Verbrennungssauerstoff mitgeführt wird, womit noch zusätzlich ein nicht unerhebliches Totgewicht durch die Hochdruck'Sauerstofftanks notwendig ist.

Alle diese Lösungen haben den Nachteil, daß, bezogen auf eine bestimmte Nutzlast, das Volumen des Luftschiffs weit größer sein muß, als dies allein aus dem für die Nutzlast benötigten Auftriebsgas-Volumen notwendig wäre. Dieses speziell für den Ausgleich der durch den Kraftstoffverbrauch hervorgerufenen Auftriebsunterschäede benötigte Volumen des Luftschiffs ist erheblich und bringt wesentliche Nachteile im Her-Stellungsaufwand, im Luftwiderstand, in der Windempfindlichkeit u. dgl. mit sich.

Grundsätzlich fällt unter diese Verfahrensweise auch eine andere bekannte Variante, nach der das mit laufendem Verbrauch an festen oder flüssigen Kraftstoffen überschüssige Auftriebsgas einfach abgelassen „rird was allerdings nur für sehr billige Auftriebsease ί Fra»e kommen dürfte. ~

Ein ^aus der deutschen Patentschrift 460 963 he- *° kanntes Verfahren versucht eine konstruktiv auf wen-Jiice Lösung, welche zudem nur dann funktionsfähig ist" wenn das Brenngas keine eigene Auftriebswirkune lu'fweisttz B Blaugas beim LZ 127, schwerer als Luft, , _{5 ko}._m3_ 30000 m³ mit 14000 kcal/m³ und —0,2 kc Auftrieb'm³ Normale Betankuna mit flüssigem Kraft"-So! ■ 3000 kg) " ~

-in orundsätzlich anderes bekanntes Verfahrensnrinzip"besteht, insbesondere bei dem nicht brennhären aber wertvollen Auftriebst Helium, darin 3" Heutsche Patentschrift 679 023, TjSA.-Patentschrift ' 598 002) das beim Verbrauch des K -aftstoffs in den Abgasen"'enthaltene Wasser wiederzugewinnen und ils"Ballastwasser an Bord zu behalten, om wenigstens nicht die volle zum Kraftstoffverbrauch äquivalente MeL an (teurem) Auftriebsgas in die Atmosphäre abasten zu müssen (LZ 130, über 100°;. Auftriebsausgleich durch Ballastwasser aus Abgasen!)

Dieses bekannte Verfahrensprinzip besitzt hinsieht-Hch des notwendigen weit größeren Volumens des Luft- 4» schiffs die gleichen Nachteile wie die vorhergehend iSrichenen Verfahren

^ta?S sTnd «hiÄ auch Verfahren, be, denen dem Auftriebsgas Wasserdampf entweder zur Reduzieruns der Feuergefahr (deutsche Patentschrift « "TioiljoderalsWärmeträgerzurAurhcizunefUSA, triebsgases ungenutzt bleiben muß, wobei zwangläufig die sich hauptsächlich aus dem großen Auftnebsvolumen ergebenden schon vorhergehend genannten Nachteile unvermeidlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffs zu schaffen, mit dem die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden, bei dem also insbesondere ein verbessertes Verhältnis von Nutzlast zu Auftriebsgasvolumen sowie eine vereinfachte Auftriebsregulierung zum Ausgleich verbrauchten Kraftstoffs erreicht wird.

Demgemäß besteht die Erfindung in einem Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die beim Verbrauch des; Auttriersgases anfallenden Umsetzungsprodukte Wasser und/oder Wasserstoff für den Ersatz des durch den Verbrauch des Gases hervorgerufenen Auftriebsyerlust herangezogen werden, indem das während des Betriebes bei der Verbrennung des Gases entsteh=:: .* passer zu Wasserdampf erhitzt und der Wasserdampf ebenso wie der durch Umsetzung von Gas mit Wasserdampf erzeugte Wasserstoff besonderen Traggaszellen des Luftschiffes zugeführt wird.

Bei einer gegebenen Nutzlast benötigt das erlindungsgemäße Verfahren ein ganz erheblich geringeres LuIischiffvolumen bzw. eine spezifisch geringere Gasfüliungsmenge und besitzt mithin entsprechend größere Wirtschaftlichkeit. Bei einem bestimmten LuftbChitlvolumen ist mit dem erfindungsgemaüen Ver aluen natürlich umgekehrt eine entsprechenderheblichen. UuiA.^i gewährleistet. Letzten Endes wird durch die Ausschaltung der Notwendigkeit zur Mitnahme win flüssigem Kraftstoff auch eine sehr wesentliche Uefahrenquelle ausgeschlossen.

Insbesondere ist es crfindungsgcmaL vorteiinan, wenn der Wasseranteil der UmseUungsprodukte des

verbrauchten Gases durch Abkuh^lu"g ^un^^On^ saüon aus dem Abgas abgesch^dennndvorzugwe^

in Wärmetauschern mit Abwarme der Verbrennung einrichtungen wieder zu Wasserdampf ^wan^t wird, welcher beispiclswc.se zu 62,5 /„ des - asseran teils des verbrauchten Gases in Traggaszellen des Luf.schiffs geführt wird, und da bei auch,zum Au, ,gleich für den Auftrieb von mit etwa 00 C*^^mer ^

für den Auftrieb von mit etwa 0 _f ^ ^ gefüllten Ausgle.chszellen des Luftschiffs dient bc. die warme Luft mindestens te.lwc.se vom Aasscr-

Sases ^X

Ab eSί da^Uv^gon daß Ts zuletzt genannte Veri Wi i Zh it dem

^^^jS* werden dadurch erzielt daß

Ab eSί davon daß Ts zuletzt genannte e Methan (CH₄) und andere Koh.env^ssersto fc^^urc

fahren in keiner Weise im Zusammenhang mit dem 5<> Umsetzung ^Wasserdampf über KaUl>sa tore η Auftriebsausgleich für verbrauchten Kraftstoff, son- (ζ. B. Chromoxid/Z.nkox.d oder N.ckelox.d) zu Wa dem lediglich für die Höhenstabilisierung beschrieben d Khld nd Kohlend.o*^ nach

ist (wofür energiemäßig ein Unterschied von mehreren

feiser £ä (ζ. B. Chromoxid/Z.nkox.d oder N.ckelox.d) zu Wa serstoff und Kohlenmonoxid und Kohlend.o*^ nach e.nander oder nebeneinander ^ⁿ

g_r»„dsä,₂lich« _Nach,eil verbunden, da» das Auflritta-

dampf bzw. einem gesättigten Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch unabhängig von der Temperatur der Atmosphäre stabil gehalten wird, wobei auch die Flughöhe reguliert wird.

Im einzelnen arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß die im Erdgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe, insbesondere das Methan, durch partielle Oxidation mit Wasserdampf teilweise zu gasförmigem Wasserstoff umgesetzt werden, und zwar entsprechend den entweder nacheinander oder auch nebeneinander ablaufenden Umsetzungsreaktionen:

CH₄ + H₂O = CO +3 H₂
CO + H,0 = CO, + H₂
CH₄ + 2 Ή,Ο = CO₂ + 4 H,

(D (2) (3) »5

Diese für den im Erdgas hauptsächlich vorkommenden Kohlenwasserstoff Methan (CH₄) im Beispiel angegebene Umsetzung gilt erfindungsgemäß für andere Kohlenwasserstoffe analog, z. B.

C₁H₁₈ -!■ 8 HoO = 8 CO i 17 H, (4)

8 CO -;- 8 \{~O - 8 CO, - 8 CO., (5)

CJ\_lH -i- 16 H₂O - 8 CO₂ i 25 Fi₂ " (6)

Dabei erfolgt die Umsetzung der Kohlenwasser-Stoffe vorzugsweise dadurch, daß sie, z. B. das Methan, durch Umsetzung über Katalysatoren (z, B. Cr-Oxid mit Zinkoxid, Ni-Oxid od. dgl.) zu Wasserstoff und Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid gespalten werden, wonach das Kohlendioxid durch Ausfrieren abgeschieden werden kann.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, jeweils ein Quantum Erdgas zu entnehmen und dessen Auftrieb durch Wasserdampf zu ersetzen, wobei man weniger als das Volumen des verbrauchten Erdgases durch Dampf von 100 C ersetzen muß, wenn die Temperatur des reinen Erdgases kleiner ist als 57 C. Im allgemeinen wird man anstreben, das Erdgas mit noch niedrigerer Temperatur einzufüllen. Dann ist die den Auftrieb ersetzende Dampfmenge kleiner als das verbrauchte Erdgasvolumen. Das Luftschiff wird dabei durch Luftzufuhr in die Ausgleichszellen bzw. durch den Gasdruck im Zwischenraum der Doppelwandlung der Prallhülle in bekannter Weise prall gehalten. Bei Sattdarnpf unter normalem Atmosphären- oder einem ⁴S bestimmten Partialdruck in Mischung mit anderen Gasen kann man große Wärmemengen zu- oder abführen, ohne daß sich dabei die gegebene Dampftemperatur ändert. Damit ist die Temperatur einer Gasmasse auf längere Zeit gleichzuhaltcn, solange die Sattdampfbedingungen bei Voll- oder Teildruck vorhanden sind.

Wenn Erdgas oder anderes Traggas infolge einer höheren Temperatur größeren Auftrieb als Wasserdampf von 100 C haben, kann auch mehr als das verbrauchte Volumen an Erdgas durch Dampf ersetzt werden.

Dies geschieht z. B. durch die Verbrennung von Erdgas nach der Gleichung

CH₄ -i- 2O₂ (aus Luh) ---■-■. CO₂ f 2 H₂O,

wobei CO₂ entweicht. Durch Abkühlung der Motorabgase läßt sich das 2 H₂O praktisch vollständig niederschlagen. Es genügen schon 1 Mol H₂O für das verbrannte Mol Methan, wenn letzteres 57 C .latte und dabei denselben Auftrieb wie Wasserdampf erzeugt. Bei einer Metalltemperatur von 100 C ist jedoch 1,25 H₂O zuzusetzen, um den Auftrieb glcichzuhalten.

60 Bei Umsetzung eines anderen Teiles Methan mit Wasserdampf in einem Reaktionsofen mit Katalysatoren wie ZnO, Cr₂O₃ oder Ni-Oxiden bei 400 bis 800 C erhält man über die Gleichung (1) 3 Mol H₂. Hierbei entsteht 2,6 kp Auftrieb für einen verbrauchten Kubikmeter Methan von 100 C

Bei Umsetzung von 2 Mol H₂O mit einem Mol Methan von 100 C erhält man ohne Abscheidung des CO, 4 Mol H₂ von 100 C entsprechend 4 kp neuem Auftrieb. Nach Abkühlung und Ausscheidung des CO₂ und Wiedererwärmung des Wasserstoffs auf 100 C erhält man nach Abzug von 0,77 kp/m³ Auftrieb durch das umgesetzte Methan 4,14 kp neuen Auftrieb. Man kann diese zusätzlichen zwei Volumina Wasser stoff nicht im Luftschiff unterbringen, ohne das vor dem Aufstieg in größere Höhe vorzusehende Luftvolumen der Ausgleichszellen zu sehr einzuschränken. Die Anwendung dieses Verfahrens empfiehlt sich jedoch vor dem Start, um Wasserstoff als maximal tragfähiges Auftriebsgas in die Tragzellen ein-uiuhren.

Diese Methode ist zugleich sehr wirtschaftlich m bezug auf die Kosten der Füllung für eine größere Nutzlast, da bei der zunehmenden Verteilung Frd.-.iin vielen Orten leicht erhältlich ist.

Infolge der geringen Wärmekapazität des \V;_;-serstoffs ist man in der Lage, auch für Fahrten in gr>>; orer. Zeitabständen nach Abkühlung den vollen Auftrieb durch maßige Wärmezufuhr wieder herzustellen.

Dabei wird man die Wärmezufuhr \orzugs,wci-c durch Sattdampf so einstellen, daß die Temperatur tier Auftriebsgase konstant gehalten wird. Dabei kann auch die Erwärmung von W'asserstoff empfehlenswert sein, obwohl man je Kubikmeter nur geringe Auftrxh-steigerung von 2? g/m^:l bei 100 C erzielt. D.ihe: wächst aber das Volumen auf das 1,367LiJlIe. so da:'· ein Kubikmeter Wasserstoff von ü C stau i .20 kp nr durch Erwärmen auf 100 C !.64 l-.p;m^:i Auftrieb erzeugt.

Es ist ferner empfehlenswert, den durch Spaltung aus dem Erdgas erzeugten Wasserstoff durch Alpineren von CO, zu befreien und in Brennstoffzellen /um Erzeugen elektrischer Energie fur den Antrieb tics Luftschiffes oder mindestens der Hilfsantriebc. /. H. der elektrischen Zentrale, zu verwenden.

Die Füllung von Luftschiffen mit aus Erdgas erzeugtem Wasserstoff empfiehlt sich insbesondere in arktischen Gebieten zur Vergrößerung der Nutzlast an Öl oder Mineralien. Es wird hierzu vorgeschlagen, am Lastabgabeort den Wasserstoff wieder gegen eine Dampffüllung bei einem Elektrizitäiswcrk auszutauschen. Am Ladeort für öl oder Erz wird man dafür den den Dampfauftrieb ausgleichenden großen Wasserballast gegen öl, Erz od. dg¹, austauscnen sowie zur Erzielung einer besonders großen Nutzlast den Dampf gegen Wasserstoff auswechseln, wenn kein Erdgas aufzunehmen ist. Der Wasserstoff kann immer aus Kohlenwasserstoffen flüssiger Art durch einen der vorgenannten Reaktion ähnlichen l'rozeß erzeugt wer den, wenn ausschließlich öl abgebende Quellen vorliegen.

Die den Auftrieb erzeugenden Gase können auch auf verschiedenen Temperaturen mit Hilfe der Sattdampfbedingungen gehalten werden, wenn als HeizzwischcnmiUel eine Mischung von Dampf und einem Gas verwendet wird, so daß ein beliebig kleiner Partialdruck des Wasserdampfes die Sattdampftemperatur bestimmt. Auf diese Weise kann man auch den Dampf

unter einem geregelten Druck auf einer etwas höheren Temperatur als 100 C mit absoluter Garantie halten, soweit das mit dem Material der Hülle zu vereinbaren ist. Auf diese Weise ist es möglich, derartige Luftschiffe in der einen Transportrichtung auch mit weniger Ballast ausschließlich mit Luft zu betreiben, wenn nur wenig Nutzlast vorliegt. Eine im Betrieb auftretende größere Abwärmemenge der Antriebsmotoren wird dadurch abgeführt, daß der Dampfheizkörper über ein Überdruckventil eine entsprechende Menge Dampf ableitet und in einem gr' 3en Wärmeaustauscher entspannt, der vom Antriebsluftstrom des Luftschiffes gekühlt wird. Die aus der Motorenabwärme erzeugte Dampfmenge kann dann beliebig groß sein.

409 649/112

Claims

,j einem bekannten Verfahren dieser Art (ZiοI-
» einem , ,..„_.. w„„i„„ _der Akademie

1959, S. 235)

■α ι Tranon« in einem i-uhsmhh verwendeter ÄeSofT SenS S Luftschiff reise. dem Auf-Ssisvo umen entzogen und zur Energieerzeugung nrdl Fortbewegung verbraucht. Der mit fortschre.-ei dem Verbrauch an Auftriebswasserstoff eintretende SchwTnd an Auftriebsenergie wird dadurch kompensiert daß der als Auftriebsgas verbietende Wassers off dem Verbrauch entsprechend mehr und mehr erwärTwird. Auf diese Weise ,st der Verbrauch an Auftriebsgas zur Energieerzeugung auf e.ner Luftschiff eise nur auf einen Teil des Auftnebsgases beschränkt, weil ein wesentlicher Anteil des AuftriebseasS nicht entbehrt werden kann. Außerdem ist der Lm auftrieb notwendige und nicht zur Energieerzeugung einsetzbare Gasanteil n.cht unbegre^t hoch ^rufrmb-r und zwar einerseits wegen der Grenzen de Matenalbeanspruchung der Luftschiffhülle und andererseits wegen der Wärmeverluste he. hohen Temperaturen und der damit gegebenen Unw.rtschaftlichkeit des Verfahrens.

Es ist -luch bekannt (schweizerische Patentschrift 49 511) beim Antrieb von Luftschiffen durch gesondert mi'teeführie flüssige bzw. feste Kraft- bzw. Brennstoffe dk warmen Abgase aus der Energieerzeugung teilweise in das Auftriebsgas einzuleiten um damn den bei Luftschiffhüllen älterer Bauart üblichen Gav.erlust durch Diffusion des Auftriebsgases durch die Ballonhülle auszugleichen. Für dieses bekannte Verfahren ist das Mitführen fester bzw. flüssiger kraft- bzw Brennstoffe für die Erzeugung der hortbewe-"uncsenenzie Voraussetzung. Damit aber ergibt sich der~Npchteil, daß die Auftriebsenergie und mithin auch das Volumen des Auftriebsgasvolumen, der Billon- bzw Prallhüllc auch für das Tragen der nut-

Patentansprüche:

J. Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffes, bei dem ein Auftriebsgas verwendet wird, das leichter als Luft und brennbar ist, wie Erdgas oder Methan, und das für den Energiebedarf des Luftschiffs gebraucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Verbrauch des Auftriebsgases anfallenden Umsetzungsprodukte Wasser und/oder *° Wasserstoff für den Ersatz des durch den Verbrauch des Gases hervorgerufenen Auftriebsverlust herangezogen werden, indem das während des Betriebes bei der Verbrennung des Gases entstehende Wasser zu Wasserdampf erhitzt und der Wasserdampf >5 ebenso wie der durch Umsetzung von Gas mit Wasserdampf erzeugte Wasserstoff besonderen Traggaszellen des Luftschiffs zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasseranteil der Umsetzungsprodukte des verbrauchten Gases durch Abkühlung lind Kondensation aus dem Abgas abgeschieden und vorzugsweise in Wärmetauschern mit Abwärme der Verbrennungseinrichtungen wieder zu Wasserdampf umgewandelt wird, welchrr beispielsweise zu 62,5 "_u des Wasseranteils des verbrauchten Gases in Traggaszellen des Luftschiffs geführt wird, und dabei auch zum Ausgleich für den Auftrieb von mit etwa 100 C warmer Luft gefüllten Ausgieichszellen des Luftschiffs dient, wobei die warme Luft mindestens teilweise vom Wasserdampf verdrängt wird.
3. Veifahren nach Anspruch 1 und, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Methan (CH₁) und andere Kohlenwasserstoffe durch Umsetzung mit Wasserdampf über Katalysatoren (z. B. Chromoxid/Zinkoxid oder Nickeloxid) zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid und Kohlendioxid nacheinander oder nebeneinander gespalten werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Erdgas-Kohlenwasserstoffen erzeugte Wasserstoff als Betriebsstoff für Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird, womit Hilfsgebläse oder Elektromotoren für Groögebläse zum +5 Strahl-Antrieb des Luftschiffs für normale Fluggeschwindigkeit angetrieben werden, während Spitzenleistungen durch leichtgewichtige Wärmekraftmaschinen unmittelbar mit Auftriebsgas gedeckt werden.
5. Ver^fahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gase in einer in bekannter Weise gegen Wärmeverluste isolierten Traggashülle über Wärmezufuhr mittels Sattdampf bzw. einem gesättigten Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch unabhängig von der Temperatur der Atmosphäre stabil gehalten wird,wobei auch die Flughöhe reguliert wird.