DE4203519A1 - Druckausgleichvorrichtung zur verwendung in der tiefsee - Google Patents
Druckausgleichvorrichtung zur verwendung in der tiefseeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckausgleicher zur
Verwendung in der Tiefsee als eine Druckausgleichvorrichtung
oder ein Gaszufuhrsystem.
Wenn ein mit Gas gefülltes Gefäß in die Tiefsee abgesenkt
werden soll , um das Gefäß am Meeresgrund zu installieren,
so wird das Gefäß selbst druckfest gefertigt, damit es einem
hohen Druck der Tiefsee widersteht.
Eine derartige Druckfestigkeit des Gefäßes wird herkömmli
cherweise dadurch erreicht, daß man die Wanddicke oder
-stärke des Gefäßes erhöht. Die Erhöhung der Wanddicke des
Gefäßes zur Steigerung dessen mechanischer Festigkeit kann
abgewendet werden, indem Materialien, wie z. B. Titan, das
sehr teuer ist, verwendet werden. Jedoch könnte ein relativ
großes Druckgefäß nicht aus Titan konstruiert werden, da
Titan eine schlechte maschinelle Bearbeitbarkeit hat.
Im Hinblick auf die obigen Ausführungen ist es eine primäre
Aufgabe der Erfindung, eine Druckausgleichvorrichtung zur
Verwendung in der Tiefsee zu schaffen, die innere und äußere
Drücke eines Gefäßes ausgleichen kann, so daß das Gefäß in
der Tiefsee ohne eine Vergrößerung dessen Wanddicke zum
Zweck der Steigerung der mechanischen Festigkeit des Gefäßes
verwendet werden kann.
Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeich
nungen anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungs
form einer Druckausgleichvorrichtung gemäß der
Erfindung zur Verwendung in der Tiefsee;
Fig. 2(A) bis Fig. 2(F) Änderungen in der Wechselbeziehung
zwischen einem Gas und dem Meerwasser in der Vor
richtung, wobei die Fig. 2(A) den Zustand zeigt,
in welchem die Vorrichtung auf den Meeresspiegel
abgesenkt wird, die Fig. 2(B) die Vorrichtung bei
ihrem Aufsetzen auf dem Meeresgrund zeigt, die
Fig. 2(D) die Vorrichtung zeigt, wenn das Gas ver
wendet wird, und die Fig. 2(E) den Ersatz des Ga
ses durch Meerwasser sowie die Fig. 2(F) den Zu
stand, wenn das Gas verbraucht ist, zeigen;
Fig. 3 ein System, wobei die Druckausgleichvorrichtung
gemäß der Erfindung zur Lieferung eines Gases
in tiefer See verwendet wird;
Fig. 4 eine weitere Anwendungsform der erfindungsgemäßen
Druckausgleichvorrichtung.
Bei der in den Fig. 1 und 2(A)-2(F) gezeigten Ausführungs
form wird die Druckausgleichvorrichtung gemäß der Erfindung
dazu verwendet, ein Gas einer Brennstoffzelle zuzuführen,
die ihrerseits elektrische Energie an ein Beobachtungsgerät
od. dgl. in der Tiefsee liefert. Die Fig. 1 erläutert das
der Erfindung zugrundeliegende Prinzip, wonach die Aus
gleichvorrichtung einen Gaserzeugungsbehälter 4 hat, in welchem
flüssiger Wasserstoff 3a aufgenommen ist, und einen Gasspei
cherbehälter 6, in welchen und aus welchem das Meerwasser
5 frei durch den Boden des Behälters 6 fließt, wobei dieser
Behälter das im Gaserzeugungsbehälter 4 erzeugte Wasserstoff
gas H2 speichern kann. An den Oberseiten der Behälter 4 und 6
sind jeweils Entlastungsventile 7 sowie 8 angeordnet.
Die Oberseiten der Behälter 4 und 6 sind durch eine Gaszu
fuhrleitung 1 verbunden, so daß das Gas der Brennstoffzelle
zugeführt werden kann. Darüber hinaus werden die oberen Sei
ten der Behälter 4 und 6 für eine Verbindung untereinander
durch eine Leitung 2 verbunden. Auf diese Weise wird eine
Druckausgleichvorrichtung I geschaffen. Es ist zu bemerken,
daß der Gaserzeugungsbehälter 4 eine in geeigneter Weise
wärmeisolierte Außenoberfläche hat. In der Gaszufuhrleitung
1 liegt ein Durchsatz-Regelventil 9.
Obwohl der Gaserzeugungsbehälter 4, wie gesagt wurde, einen
wärmeisolierten Aufbau hat, wird noch immer Wärme durch die
Wärmeisolierung in den Gaserzeugungsbehälter 4 eindringen,
in welchem dadurch der flüssige Wasserstoff 3a zu Wasser
stoffgas H2 verdampft. Dieses erzeugte Wasserstoffgas H2
fließt durch die Gaszufuhrleitung zur Brennstoffzelle od.
dgl., während ein Überschuß an Gas durch die Verbindungslei
tung 2 in den Gasspeicherbehälter 6 fließt, in welchem es
gespeichert wird. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten,
daß das im Behälter 4 erzeugte Wasserstoffgas H2 eine Tempera
tur von -252°C hat und in seiner Temperatur ohne weiteres
während des Strömens durch die Leitung 1 oder 2 angehoben
wird, so daß es im wesentlichen dieselbe Temperatur wie das
Meerwasser 5 annimmt. Unter der oben beschriebenen Bedingung
ist das Wasserstoffgas H2 innerhalb des Speicherbehälters
6 ständig mit dem Meerwasser 5 in Kontakt und hat einen mit
dem Wasserdruck ausgeglichenen Druck. Deshalb ist ein Innen
druck in dem die Behälter 4 und 6, die Leitungen 1 und 2
sowie die mit der Leitung 1 verbundene Brennstoffzelle ent
haltenden System mit dem Wasser- oder Außendruck ausgegli
chen. Als Ergebnis dessen können die Behälter 4 und 6 als
Druckausgleichgefäße mit dünnen Wänden gefertigt werden,
so daß sie eine kompakte Größe und ein leichtes Gewicht
erhalten können sowie billig herzustellen sind.
Die Fig. 2 zeigt schematisch Änderungen in der Wechselbezie
hung zwischen dem Wasserstoffgas H2 und dem Meerwasser, wäh
rend der Druckausgleicher auf den Meeresspiegel abgesenkt
und weiter zum tiefliegenden Meeresboden für eine Verwen
dung auf diesem abgelassen wird. Auf einem Schiff wird das
aus dem flüssigen Wasserstoff 3a im Gaserzeugungsbehälter
4 verdampfte Wasserstoffgas H2 durch Öffnen des Entlastungs
ventils 7 abgeführt, um dadurch den Behälter 4 von Wasser
stoffgas H2 freizumachen, während der Gasspeicherbehälter
6 mit Luft gefüllt wird. Anschließend werden die Behälter
4 und 6 auf den Meeresspiegel abgesenkt, wobei die Entla
stungsventile 7 und 8 der Behälter 4 und 6 geschlossen bzw.
geöffnet sind.
Durch den Boden des Behälters 6 fließt das Meerwasser 5 in
diesen, wobei die Luft aus dem Behälter 6 über das Entla
stungsventil 8 (Fig. 2(A)) abgeleitet wird. Nach der Ablei
tung der Luft wird das Entlastungsventil 8 geschlossen.
Wenn die Behälter 4 und 6 absinken, so ändert sich der Was
serspiegel im Gasspeicherbehälter 6 in Abhängigkeit einer
Änderung des Wasserdrucks und der Menge des erzeugten Was
serstoffgases H2, und der Gas- sowie der Wasserdruck werden
ständig im Gleichgewicht gehalten (Fig. 2(B)). Unmittelbar
nach dem Aufsetzen auf dem Meeresboden wird derselbe Zustand
aufrechterhalten (Fig. 2(C)). Jedoch verdampft der flüssi
ge Wasserstoff 3a weiterhin, und schließlich ist der gesam
te flüssige Wasserstoff 3a, der als Wasserstoffgas H2 dem
Gasspeicherbehälter 6 zugeführt werden soll, verdampft, so
daß das Volumen des Wasserstoffgases H2 im Gasspeicherbehäl
ter 6 vergrößert wird und schließlich nahezu der gesamte
Innenraum des Behälters 6 mit dem Wasserstoffgas H2 angefüllt
ist.
Wenn hierauf das Wasserstoffgas H2 allmählich durch die
Brennstoffzelle verbraucht wird, steigt der Wasserspiegel
im Gasspeicherbehälter 6 an (Fig. 2(D)). Wenn das ganze Was
serstoffgas H2 im Behälter 6 verbraucht worden ist, dann
ist dieser Behälter gänzlich mit dem Meerwasser 5 angefüllt,
das durch die Verbindungsleitung 2 in den Behälter 4 fließt
(Fig. 2(E)), so daß das Wasserstoffgas H2 im Behälter 4
völlig durch das Meerwasser 5 ersetzt wird (Fig. 2(F)).
Auf die beschriebene Weise ist das Wasserstoffgas H2 im
Gaserzeugungsbehälter 4 gänzlich verbraucht worden, ist der
Behälter 4 völlig mit dem Meerwasser 5 angefüllt und ist
die Brennstoffzelle abgeschaltet. In einem Fall, da das Was
serstoffgas H2 nicht für die Energieversorgung einer Brenn
stoffzelle od. dgl. benötigt wird, kann flüssiger Stickstoff
od. dgl. anstelle des flüssigen Wasserstoffs 3a verwendet
und der Druckausgleich aufrechterhalten werden, wie in Fig.
2(D) gezeigt ist.
Die Fig. 3 gibt ein System zur Erzeugung und Zufuhr eines
Gasoxyds und eines Brenngases zu einer Brennstoffzelle 10
in einem Gefäß 11, wobei zwei Druckausgleichvorrichtungen
I der oben beschriebenen Bauart verendet werden, wieder.
Bei der einen Ausgleichvorrichtung I auf der linken Seite
in Fig. 3 ist der Gaserzeugungsbehälter 4 mit dem flüssigen
Wasserstoff 3a gefüllt, wie oben mit Bezug auf Fig. 2 be
schrieben wurde, und die Gaszufuhrleitung 1 ist mit einer
Anode der Brennstoffzelle 10 verbunden, so daß das im Be
hälter 4 erzeugte Wasserstoffgas der Anode zugeführt wird.
In der anderen Ausgleichvorrichtung I auf der rechten Seite
in Fig. 3 ist der Gaserzeugungsbehälter 4 mit flüssigem Sau
erstoff 3b gefüllt, wobei die Gaszufuhrleitung 1 an eine
Kathode der Brennstoffzelle 10 angeschlossen ist, so daß
das im Behälter 4 erzeugte Sauerstoffgas O2 der Kathode zu
geführt wird. In den Gaszufuhrleitungen 1 ist jeweils ein
Durchsatz-Regelventil 12 angeordnet; eine Pumpe 13 dient
dazu, das in der Brennstoffzelle 10 erzeugte Wasser ab
zuführen.
Mit dem in Fig. 3 dargestellten System können das Wasser
stoffgas H2 und das Sauerstoffgas O2, die jeweils in den
Behältern 4 erzeugt werden, unmittelbar der Brennstoffzelle
zugeführt werden.
In einem Fall, wobei die Brennstoffzelle 10 in einem Gefäß
14 untergebracht ist, das im Gegensatz zu dem System von
Fig. 3 nicht druckfest ist, muß der Druckausgleich auch in
dem Gefäß 14 aufrechterhalten werden. Zu diesem Zweck wird
eine Druckausgleichvorrichtung II, wie in Fig. 4 gezeigt
ist, die einen mit flüssigem Stickstoff 3c gefüllten Gaser
zeugungsbehälter 4 enthält, zugefügt, wobei deren Gaszufuhr
leitung 1 mit dem Gefäß 14 verbunden wird, so daß das im Be
hälter 4 der Druckausgleichvorrichtung 2 erzeugte Stickstoff
gas N2 dem Gefäß 14 zugeführt wird. Dadurch wird der Innen
druck im Gefäß 14 im Gleichgewicht mit dem Außendruck aus
dem in Fig. 2(A) gezeigten Zustand gehalten. Am Gefäß 14
ist ein Druckregelventil 15 angebracht, und in den Gaszufuhr
leitungen 1 innerhalb des Gefäßes 14 sind jeweils Gebläse
16 angeordnet.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten System können die Innen- und
Außendrücke des Gefäßes 14 ausgeglichen werden, so daß die
ses Gefäß 14 in einen Druckausgleicher umgewandelt werden
kann und infolgedessen die Wanddicke des Gefäßes 14 gering
gemacht werden kann.
Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend be
schriebenen Ausführungsformen begrenzt ist, sondern inner
halb des Rahmens des Erfindungsgedankens Abwandlungen vor
genommen werden können. Beispielsweise wurde bisher davon
gesprochen, daß jeder Gaserzeugungsbehälter 4 ein Niedertem
peratur-Flüssiggas, wie flüssigen Wasserstoff 3a, flüssigen
Sauerstoff 3b oder flüssigen Stickstoff 3c, enthält, welcher
unter Vergrößerung seines Volumens zu einem Gas verdampft.
Anstelle eines Flüssiggases kann eine Zusammensetzung, wie
eine Wasserstoffabsorptionslegierung, verwendet werden, die
in Abhängigkeit von irgendeiner Änderung in der Temperatur
und/oder dem Druck ein Gas erzeugen wird. Statt des das
Flüssiggas enthaltenden Gaserzeugungsbehälters kann ein Gas
behälter, der selbst ein Hochdruckgas enthält und welcher
aufgrund des aufgenommenen Hochdruckgases ein Druckgefäß
ist, verwendet werden. Wenn im letztgenannten Fall der Druck
des den Behälter umschließenden Wassers im wesentlichen
gleich einem Innendruck des Behälters wird, werden Aus
gleichventile für den Gasbehälter geöffnet, um das Gas dem
Gasspeicherbehälter zuzuführen, wodurch der Druckausgleich
erlangt wird.
Claims (4)
1. Druckausgleichvorrichtung zur Verwendung in der Tiefsee,
die umfaßt: einen Gaserzeugungsbehälter (4) zur Erzeugung
eines Gases in tiefer See, einen Gasspeicherbehälter (6),
durch dessen Boden Meerwasser (5) frei in den und aus
dem Speicherbehälter fließen kann, eine Gaszufuhrleitung
(1), deren eines Ende zur Verbindung mit den genannten
Behältern (4, 6) verzweigt und deren anderes Ende an
einen unterschiedlichen Mechanismus (10) angeschlossen
ist, sowie eine Verbindungsleitung (2), die die Behälter
(4, 6) an ihren Oberteilen untereinander verbindet.
2. Ausgleichvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Gaserzeugungsbehälter ein Niedertempe
ratur-Flüssiggas enthält.
3. Ausgleichvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Gaserzeugungsbehälter eine Wasserstoff
absorptionslegierung enthält.
4. Ausgleichvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Gaserzeugungsbehälter ein Hochdruckgas
enthält und Druckausgleichventile besitzt.
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