DE4119419A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberfuehrung von fluessigem wasserstoff - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ueberfuehrung von fluessigem wasserstoff

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Überführung von flüssigem Wasserstoff, insbesondere von einem Lagerbehälter großer Kapazität zu einem viel kleineren Tank, wie einem Tankwagen.
Der Tank befindet sich allgemein auf einem höheren Druck als der Behälter. Um sein Auffüllen zu bewerkstelligen, ist es bekannt, den Behälter mit Hilfe von gasförmigem Wasserstoff unter Druck zu halten und dann die Flüssigkeit entweder direkt oder mit Hilfe einer Pumpe zu überführen. Das Druckhalten bekommt man durch Verdampfung eines Teils des Wasserstoffs, was zu einer Erhöhung der Verluste in Form von schwer verwertbarem gasförmi­ gem Wasserstoff führt. Ein ähnlicher Nachteil tritt auf, wenn man mit einem Spülen des Tanks vor Ausnutzung des Druckes des Behälters zur Überführung der Flüssigkeit beginnt, wobei der Verlust an gasförmigem Wasserstoff in diesem Fall direkt erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, so weit wie möglich die Verluste an gasförmigem Wasserstoff, die mit der Überführung von flüssigem Wasserstoff verbunden sind, zu begrenzen.
Hierfür sieht die Erfindung ein Verfahren zur Überführung von flüssigem Wasserstoff von einem Lagerbehälter zu einem Tank vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
  • a) in dem Tank enthaltenen gasförmigen Wasserstoff kühlt, bis man in diesem Tank einen Druck von vorbestimmtem Wert unterhalb des Behälterdruckes bekommt, wobei diese Ver­ flüssigung durch Wärmetausch mit einem Kältekreislauf- Fließmittel erfolgt, welches nach Kompression und Kühlung, gegebenenfalls nach Zwischenlagerung, als Kältemittel benutzt wird, und
  • b) den Tank mit dem Boden des Behälters verbindet, um die Überführung des flüssigen Wasserstoffes zu bewirken, wenn dieser Druck erreicht ist.
Vorteilhafterweise verfährt man folgendermaßen: Vor der Phase (a) der Verflüssigung äquilibriert man die Drücke zwischen dem Tank und dem Behälter, indem man ihre oberen Teile miteinander verbindet und dann einen vom anderen isoliert.
Während der Phase (b) der Überführung unterkühlt man den flüssigen Wasserstoff auf seinem Weg von dem Behälter zu dem Tank.
Das Kreislauffließmittel kann aus gasförmigem Wasserstoff, der von dem Behälter und/oder dem Tank abgenommen wurde, oder stattdessen aus Helium bestehen.
Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Überführung von flüssigem Wasserstoff zur Verwendung in diesem Verfahren zum Gegenstand. Diese Vorrichtung umfaßt:
  • - einen Wärmetauscher, der mit einem Kältekreislauf versehen ist, welcher einen Kompressor, Durchgänge zur Kühlung des komprimierten Kreislauffließmittels, Einrichtungen zur Entspannung des Kreislauffließmittels, Durchgänge zur Erwärmung des entspannten Kreislauffließmittels und gegebenenfalls einen Zwischenlagerbehälter für das kom­ primierte und gekühlte Kreislauffließmittel aufweist,
  • - einen Kreislauf zur Verflüssigung von in dem Tank enthalte­ nem gasförmigem Wasserstoff und
  • - eine Überführungsleitung, die eine selektive Verbindung des Tanks mit dem Boden des Behälters gestattet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr unter Be­ zugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in welcher
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Überführung von flüssigem Wasserstoff nahe der Erfindung zeigt,
Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zur Überführung von flüssigem Wasserstoff nach der Erfindung zeigt,
Fig. 3 in analoger Weise eine andere Ausführungsform der Erfindung wiedergibt und
Fig. 4 schematisch einen Teil der Vorrichtung von Fig. 2 oder Fig. 3 zeigt, der in diesen Figuren nicht sichtbar ist.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist zur Überführung von flüssigem Wasserstoff von einem Behälter 1 großer Kapazität zu einem viel kleineren Tank 2, wie einem Tankwagen, bestimmt. Sie umfaßt im wesentlichen einen Wärmetauscher 3 und einen Kompressor 4.
Der Wärmetauscher 3 besitzt Erwärmungsdurchgänge 5, die von dem kalten Bereich des Wärmetauschers kommen und deren Eintrittsende einerseits mit dem oberen Teil des Behälters über eine Leitung 6 und andererseits mit jenem des Tanks über eine Leitung 7 verbunden ist.
Der Ausgang der Durchgänge 5 am warmen Ende des Wärmetauschers 3, der sich beinahe auf Umgebungstemperatur befindet, ist mit der Saugseite des Kompressors 4 verbunden, dessen Förderseite mit einem Kapazitätspuffer 104 und von da einerseits mit einer Leitung 8 zur Verteilung von gasförmigem Wasserstoff unter Druck und andererseits mit einer Rückführleitung 9 in Verbindung steht. Diese mündet in Kühldurchgänge 10, die die gesamte Länge des Wärmetauschers 3 durchqueren und an seinem kalten Ende einerseits mit dem Behälter über eine Leitung 11 und anderer­ seits mit dem Tank über eine Leitung 12 in Verbindung stehen. Eine Leitung 13 verbindet übrigens den Tank mit dem Boden des Behälters 1. Die Leitungen 6 bis 8 und 11 bis 13 sind mit Ventilen ausgestattet, deren Einstellung es gestattet, die folgende Funktionsweise sicherzustellen.
Der zu füllende Tank 2 befindet sich anfangs auf einem Druck oberhalb jenes des Behälters 1. Man beginnt mit dem Äquilibrie­ ren der Drücke über die Leitungen 6 und 7, dann läßt man den Kompressor 4 an, indem man die Leitung 9 speist. Der in dem Behälter und in dem Tank enthaltene gasförmige Wasserstoff wird komprimiert und verflüssigt, und der flüssige Wasserstoff wird nach dem Entspannen über die Leitungen 11 und 12 in den Behälter und/oder in den Tank zurückgeschickt. Wenn der geeignete Druck des Behälters erreicht ist, schließt man die Ventile der Leitungen 6 und 11 derart, daß der verflüssigte Wasserstoff nur in den Tank zurückgeführt wird und daß der in diesem herrschende Druck weiter abnimmt. Wenn der Druckunterschied ausreicht, erlaubt das Öffnen der Ventile der Leitung 13 die Überführung von flüssigem Wasserstoff von dem Behälter zu dem Tank. Der Überschuß an gasförmigem Wasserstoff kann aus der Vorrichtung über die Leitung 8 abgezogen werden.
Die in Fig. 1 wiedergegebene Vorrichtung weist einen Nachteil im Falle von Wasserstoff auf. Der flüssige Wasserstoff befindet sich vollständig in para-Form, während der auf Umgebungstempera­ tur erwärmte gasförmige Wasserstoff einen wesentlichen Teil an ortho-Wasserstoff enthält, dessen Enthalpie bei niedriger Temperatur höher als jene von para-Wasserstoff ist. Wenn man wie oben beschrieben arbeitet, würde man folglich in den Tank und/oder in den Behälter ortho-Wasserstoff zurückschicken, der eine Wärmezufuhr und folglich eine unerwünschte Verdampfung von flüssigem Wasserstoff hervorrufen würde, um zu der stabilen para-Form zurückzukehren.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 gestattet es, diesen Nachteil zu vermeiden. Sie unterscheidet sich von der vorhergehenden durch folgende Punkte:
  • - Die Leitungen 6 und 7 vereinigen sich außerhalb des Wärmetauschers 3 zu einer Leitung 14, die sich in zwei Leitungen teilt: eine Leitung 15, die mit den Verflüssi­ gungsdurchgängen 16, welch in dem kalten Teil des Wärme­ tauschers vorgesehen sind, verbunden ist, und eine Leitung 17, die mit einem mittleren Punkt der Erwärmungsdurchgänge 5 verbunden ist. Der Ausgang der Durchgänge 16 am kalten Ende des Wärmetauschers ist mit den Leitungen 11 und 12 verbunden.
  • - Die Durchgänge 10 enden vor dem kalten Ende des Wärmetau­ schers und sind mit einer Leitung 18 verbunden, die mit einem Entspannungsventil 21 versehen ist und in einen Behälter 19 mündet. Vom Boden desselben geht eine Leitung 20 aus, die mit dem Eingang der Durchgänge 5 verbunden ist und mit einem Ventil versehen ist.
  • - Die Leitung 13 besitzt einen Teil, der aus Durchgängen 113 des kalten Teils des Wärmetauschers 3 besteht und zur Unterkühlung des flüssigen Wasserstoffes im Verlauf seiner Überführung dient.
Die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist analog jener, die weiter oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß komprimierter gasförmiger Wasser­ stoff, der durch die Leitung 9 zurückgeführt wurde, nach Verflüssigung in den Durchgängen 10 zu dem Behälter 19 über die Leitung 18 geschickt wird, dann die erforderliche Menge an flüssigem Wasserstoff bis in die Nähe des Atmosphärendruckes in dem Entspannungsventil 21 entspannt, sodann unter diesem Druck in den Durchgängen 5 verdampft und nach Erwärmen zu der Saugsei­ te des Kompressors 4 gefördert wird. Der gasförmige Wasserstoff kann in dem kalten Bereich der Durchgänge 5 von dem Behälter 1 und/oder dem Tank 2 über die Leitungen 6, 7, 14 und 17 kommend zugegeben werden, und der gasförmige Wasserstoff kann unter Druck aus der Vorrichtung über die Leitung 8 abgezogen werden. Der Behälter 19 dient als Kapazitätspuffer.
Wenn zur Verbesserung des Wärmeaustauschdiagramms und zur Verminderung des Verlustes an gasförmigem Wasserstoff erforder­ lich, kann, wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angegeben ist, ein Teil des Hochdruckwasserstoffs im Verlauf der Kühlung in den Durchgängen 10 den Wärmetauscher über eine Leitung 22 verlassen, in einem Entspannungsventil 23 auf einen mittleren Druck entspannt werden, bis zu Umgebungstemperatur in den Mitteldruckdurchgängen 24 des Wärmetauschers erwärmt werden und zu einer mittleren Stufe des Kompressors 4 über eine Leitung 25 zurückgeschickt werden.
So wird die Gesamtheit des als Kreislauffließmittel benutzten Wasserstoffes zu dem Kompressor zurückgeführt, was jede Rückfüh­ rung von ortho-Wasserstoff zu dem Behälter oder zu dem Tank vermeidet.
Um ein Zahlenbeispiel zu geben, wird der Tank 2 von unter 2 bis 6 bar absolut auf 1,5 bis 2,5 während der Verflüssigungsphase, wie 0,2 bar unter dem Druck des Behälters 1, gebracht. Der Kompressor 4 fördert den Wasserstoff mit 50 bar, und die zwei Drittel des komprimierten Wasserstoffes werden über Leitung 9 zurückgeführt. Wenn man den Rückführkreislauf mit einem mitt­ leren Druck von 22 bis 25 verwendet, kann man, wenn erwünscht, praktisch die Gesamtheit des Wasserstoffes verflüssigen. Der Druck des Rückführkreislaufes wird in der Größenordnung von 15 bar absolut sein.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist der Kältekreislauf ein Heliumkreislauf, der von dem den Wasserstoff transportierenden Kreislauf völlig unabhängig ist. Dieser Kreislauf umfaßt einen Kompressor 4A, welcher mit einem Kapazitätspuffer 26 versehen ist, der parallelgeschaltet ist, Durchgänge 10A für das Kühlen von Hochdruckhelium, die mit der Förderseite des Kompressors durch eine Leitung 9A verbunden sind, wobei diese Durchgänge 10A bis zu einem bestimmten Abstand von dem kalten Ende des Wärme­ tauschers 3A reichen, und Durchgänge 5A für die Erwärmung von Niederdruckhelium, die sich über die ganze Länge des Wärmetau­ schers erstrecken und mit der Saugseite des Kompressors ver­ bunden sind.
In dem warmen Teil des Wärmetauschers wird ein Teil des Hoch­ druckheliums in einer Turbine 27 entspannt und in den Durch­ gängen 5A zurückgeschickt, und der Rest des Hochdruckheliums wird am kalten Ende der Durchgänge 10A in eine Turbine 28 entspannt und zum warmen Ende des Wärmetauschers am Eintritt der Durchgänge 5A zurückgeschickt. Die den Wasserstoff transportie­ renden Kreisläufe umfassen die Leitungen und Durchgänge 6, 7, 11, 12, 13, 113, 15 und 16, die weiter oben beschrieben sind.
Wie verständlich ist, vermeidet die Vorrichtung der Fig. 3 nicht nur jede Überführung von ortho-Wasserstoff zu dem Behälter und zu dem Tank, sondern unterdrückt gleichzeitig auch jeglichen Verlust an gasförmigem Wasserstoff.
Wie in Fig. 3 mit gestrichelten Linie gezeigt ist, kann die Turbine 27 durch die Durchgänge 5B für die Verdampfung von flüssigem Stickstoff versetzt werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird die Vorrichtung gemäß Fig. 2 oder jene gemäß Fig. 3 vorteilhafterweise durch Einrichtungen vervollständigt, die den Tank vor seinem Füllen kalt halten. Diese Einrichtungen umfassen einen Kreislauf 29 für die Zirkula­ tion von gasförmigem Wasserstoff, der mit einem Zirkulations­ gebläse 30 und einem Hilfswärmetauscher 31 ausgestattet ist, welcher letzterer durch Verdampfung von flüssigem Stickstoff in den Durchgängen 32 dieses Wärmetauschers gekühlt wird und den Kreislauf 29 durchquert.
Die Vorrichtungen der Fig. 1 und 3 besitzen verschiedene Steuerungen, die die oben beschriebene Funktionsweise unter optimalen Bedingungen sicherstellen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überführung von flüssigem Wasserstoff von einem Lagerbehälter (1) zu einem Tank (2), dadurch gekenn­ zeichnet, daß man
  • a) den in dem Tank enthaltenen gasförmigen Wasserstoff verflüssigt, bis man in diesem Tank einen Druck von einem Wert unterhalb des Druckes des Behälters be­ kommt, wobei diese Verflüssigung durch Wärmetausch mit einem Kältekreislauf-Fließmittel erfolgt, welches nach Kompression und Abkühlung, gegebenenfalls nach Zwi­ schenlagerung (bei 19), als Kältemittel benutzt wird, und
  • b) den Tank mit dem Boden des Behälters verbindet, um die Überführung des flüssigen Wasserstoffes zu bewirken, wenn dieser Druck erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Verflüssigungsphase (a) die Drücke zwischen dem Tank und dem Behälter äquilibriert, indem man ihre oberen Teile verbindet, und dann einen vom anderen isoliert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Überführungsphase (b) den flüssigen Wasserstoff auf seinem Weg von dem Behälter zu dem Tank unterkühlt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als das Kreislauf-Fließmittel gasförmigen Wasserstoff verwendet, der von dem Behälter und/oder von dem Tank abgenommen wurde.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als das Kreislauf-Fließmittel Helium verwendet.
6. Vorrichtung zur Überführung von flüssigem Wasserstoff von einem Lagerbehälter (1) zu einem Tank (2), gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (3, 3A), der mit einem Kälte­ kreislauf versehen ist, welcher einen Kompressor (4, 4a), Durchgänge (10, 10A) für das Abkühlen von komprimiertem Kreislauf-Fließmittel, Einrichtungen (21, 23; 27, 28) zum Entspannen von Kreislauf-Fließmittel, Durchgänge (5, 24; 5A) zum Erwärmen von entspanntem Kreislauf-Fließmittel und gegebenenfalls einen Zwischenlagerbehälter (19) für komprimiertes und abgekühltes Kreislauf-Fließmittel aufweist,
einen Kreislauf (7, 12, 14 bis 16) für die Verflüssigung von in dem Tank enthaltenem gasförmigem Wasserstoff und
einen Überführungskreislauf (13), der es gestattet, selektiv den Tank mit dem Behälterboden zu verbinden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (6, 7) aufweist, die es gestatten, selektiv die oberen Teile des Behälters und des Tanks untereinander zu verbinden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführungsleitung (13) Durchgänge (113) für ein Unterkühlen von flüssigem Wasserstoff, der in dem Wärmetau­ scher (3, 3A) enthalten ist, aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältekreislauf Einrichtungen (17) zum Speisen dieses Kreislaufes mit gasförmigem Wasserstoff, der dem Behälter und/oder dem Tank entnommen wurde, und Einrichtungen (8) zur eventuellen Entnahme von durch den Kompressor (4) komprimiertem gasförmigem Wasserstoff aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältekreislauf ein Heliumkreislauf ist.
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