DE4338340C2 - Vorrichtung zur Auftriebserzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auftriebs­ erzeugung für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere für Unterseeboote, die eine Gaserzeugungsanlage sowie mindestens einen von der Gaserzeugungsanlage gespeisten Ballasttank aufweist.

Derartige Vorrichtungen werden verwendet, um ein Auf­ tauchen des Unterseebootes beziehungsweise eine Ver­ ringerung der Tauchtiefe zu ermöglichen. Bei einem Tauchvorgang werden Ballasttanks mit Wasser geflutet, um die Auftriebskräfte für die einer jeweiligen Tauch­ tiefe zugeordneten Druckverhältnisse zu kompensieren. Bei einem Auftauchen müssen dann die in den Ballast­ tanks bevorrateten Wassermengen ganz oder teilweise durch eine Gasfüllung verdrängt werden.

Grundsätzlich ist es beispielsweise denkbar, kompri­ mierte Gase mitzuführen, die für eine Speisung der Ballasttanks geeignet dekomprimiert werden. Aufgrund der beengten räumlichen Verhältnisse im Bereich eines Unterseebootes sowie der sich einstellenden Gewichts­ relation resultiert hieraus jedoch ein schlechter Wirkungsgrad.

Aus der DE-OS 23 24 709 ist eine Rettungseinrichtung für Unterwasserfahrzeuge bekannt, bei der zur Erhöhung eines Auftriebes durch eine chemische Reaktion ein er­ forderliches Gasvolumen hergestellt wird. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine katalytische Zersetzung von Hydrazin durchzuführen. Zur Erhöhung der Zuverlässig­ keit sowie zur Ermöglichung einer räumlich verteilten Gaserzeugung können mehrere unabhängige Gaserzeuger verwendet werden. Aufgrund der molekularen Zusammen­ setzung des Hydrazins entsteht bei der katalytischen Zersetzung in Bezug auf das Gewicht ein relativ großer Anteil an Stickstoff in Relation zum erzeugten Wasser­ stoff. Hierdurch können die Anforderungen an die Erzielung optimaler Gewichtsverhältnisse bei der Gas­ erzeugung noch nicht vollständig erfüllt werden. Darüber hinaus treten bei der katalytischen Zersetzung von Hydrazin aufgrund der chemischen Reaktionen Zeit­ konstanten auf, die eine schnelle Regelbarkeit des Gaserzeugungsvorganges erschweren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu kon­ struieren, daß die Bereitstellung der erforderlichen Gasmenge mit einer kompakten Anordnung sowie mit einem günstigen Volumen-Gewichts-Verhältnis realisiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gaserzeugungsanlage einen Sauerstofftank, einen Ammoniaktank sowie eine Reaktionskammer umfaßt, die Reaktionskammer mit einem Brenner zu Verbrennung eines Ammoniak-Sauerstoff-Gemisches versehen ist und daß die Reaktionskammer eine Einspeisung für thermisch in Stickstoff und Wasserstoff zu zersetzendes Ammoniak aufweist.

Durch den Brenner werden innerhalb der Reaktionskammer die für eine thermische Zersetzung des Ammoniaks in seine Stickstoff- und Wasserstoffbestandteile erforder­ lichen Temperaturbedingungen bereitgestellt. Durch die Verbrennung eines Teiles des eingespeisten Ammoniak­ gases wird eine Bereitstellung eines separaten Energie­ trägers vermieden. Aufgrund der molekularen Zusammen­ setzung des Ammoniaks ist es möglich, aus einer ver­ gleichsweise geringen Masse ein großes resultierendes Gasvolumen bereitzustellen. Die jeweils vorgesehenen Temperaturbedingungen innerhalb der Reaktionskammer können durch das Mischungsverhältnis des zugeführten Ammoniakgases und des zugeführten Sauerstoffes eingestellt werden. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Verbrennung des Ammoniaks exotherm verläuft, die ther­ mische Aufspaltung in Stickstoff und Wasserstoff hin­ gegen eine endotherme Reaktion darstellt. Durch eine Vorgabe der Massenverhältnisse von Sauerstoff und Ammoniak kann beispielsweise gerade soviel Sauerstoff zugeführt werden, daß durch die Verbrennung des hierfür vorgesehenen Anteiles des Ammoniaks gerade soviel Energie erzeugt wird, daß eine nahezu vollständige thermische Aufspaltung des verbleibenden Anteiles des Ammoniaks erzielt wird.

Eine Verringerung der im Bereich des Brenners zu erzeu­ genden Energie kann dadurch realisiert werden, daß in die Reaktionskammer ein Wärmeaustauscher zur Vorwärmung des thermisch zu zersetzenden Ammoniaks integriert ist.

Optimale Betriebsbedingungen lassen sich dadurch ein­ stellen, daß ein Mischungsverhältnis von Sauerstoff und Ammoniak zur Aufrechterhaltung einer Temperatur von etwa 650° Celsius vorgesehen ist.

Zur Ausnutzung des der Tauchtiefe entsprechenden Wasser-Umgebungsdruckes des Unterseebootes wird vorgeschlagen, daß der Ammoniaktank als flexibler Aus­ gleichsbehälter ausgebildet ist.

Zum Ausgleich von innerhalb von Zuführleitungen und Aggregaten auftretenden Druckverlusten wird vorge­ schlagen, daß zur Förderung des Ammoniaks eine Pumpe vorgesehen ist.

Zur Bereitstellung eines ausreichenden Druckniveaus für den Sauerstoff wird vorgeschlagen, daß zur Förderung des Sauerstoffs eine Pumpe vorgesehen ist.

Zur Überführung des in der Regel flüssig gelagerten Sauerstoffes in den gasförmigen Zustand wird vorge­ schlagen, daß der Sauerstoff einem Verdampfer zugeführt wird.

Zur Ermöglichung eines einfachen Anfahrvorganges wird vorgeschlagen, daß im Bereich des Brenners eine Pilot­ zündflamme angeordnet ist.

Eine Bereitstellung eines langen Strömungsweges des zu zersetzenden Ammoniakgases durch die Reaktionskammer und damit ein hoher Wirkungsgrad wird dadurch reali­ siert, daß im Bereich der Reaktionskammer mindestens eine Leiteinrichtung zur Führung des zu zersetzenden Gases angeordnet ist.

Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Mengenanforde­ rungen in unterschiedlichen Betriebszuständen wird vor­ geschlagen, daß die Pumpe für das Ammoniak von einem Bypass überbrückt ist.

Eine zweckmäßige und für den Ausgleich von Funktions­ störungen geeignete Anordnung wird dadurch bereitge­ stellt, daß im Bereich von Schmalseiten eines Lade­ raumes des Unterseebootes jeweils zwei Gaserzeugungsan­ lagen angeordnet sind, die jeweils unterschiedliche Ballasttanks speisen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung der wesentlichen Vorrichtungskomponenten und

Fig. 2 eine teilweise Darstellung eines Horizontal­ schnittes durch ein Unterseeboot, in dem vier Gaserzeugungsanlagen angeordnet sind.

Die Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für ein Unterseeboot 1 besteht aus mindestens einer Gaser­ zeugungsanlage 2 sowie mindestens einem Ballasttank 3. Die Gaserzeugungsanlage 2 besteht aus einem Sauerstofftank 4, einem Ammoniaktank 5 sowie einer Reaktionskammer 6. Gemäß der Ausführungsform in Fig. 1 ist vorgesehen, an den Sauerstofftank 4 und den Ammoniaktank 5 vier Reaktionskammern 6 anzu­ schließen, von denen eine zeichnerisch dargestellt ist. Der Ammoniaktank 5 ist als ein flexibler Austreib­ behälter (Bladder) ausgebildet, der in einem Außentank 7 angeordnet ist, der einen Durchlaß zur Verbindung mit Umgebungswasser aufweist und hierdurch den jeweils vorliegenden Umgebungsdruck auch in seinen Innenraum aufweist.

Zur Förderung des Ammoniaks ist eine Pumpe 8 vorge­ sehen, die von einem Bypass 9 zur Rückführung von überschüssigem Ammoniak in den Ammoniaktank 5 über­ brückt ist. Zur Vorgabe einer definierten Flußrichtung ist im Bereich des Bypasses 9 ein Rückschlagventil 10 angeordnet.

Der Pumpe 8 ist ein Ventil 11 nachgeschaltet, das die Pumpe 8 mit der Reaktionskammer 6 verbindet. Über eine Mehrzahl von Ventilen 11 ist es möglich, eine Mehrzahl von Reaktionskammern 6 parallel zu ver­ sorgen.

Die Reaktionskammer 6 ist mit einem Brenner 12 ver­ sehen, der mit einer Pilotzündflamme 13 versehen ist, der über eine Vorwärmeinrichtung 14 Ammoniak zugeführt wird. Darüber hinaus weist der Brenner 12 eine Brennstoffzuführung 5 auf, über die der Hauptanteil des zu verbrennenden Ammoniaks zugeführt wird. Desweiteren weist der Brenner 12 eine Einspeisung 16 für thermisch zu zer­ setzendes Ammoniak auf. Im Bereich von Zuführungen 17, 18 für die Pilotzündung 13 und die Einspeisung sind Ventile 19, 20 angeordnet, die von einem Motor 21 betätigbar sind, der an eine Regelung 22 angeschlossen ist, die mit einem Massenstromsensor 23 im Bereich der Zuführung 17 für die Einspeisung 16 versehen ist.

Der Sauerstofftank 4 ist über eine Pumpe 24 mit einem Verdampfer 25 verbunden. Die Fördermenge der Pumpe 24 wird von einem Motor 26 vorgegeben, der mit einer Regelung 27 verbunden ist, die eine Förder­ leistung in Abhängigkeit von einer jeweiligen Tauch­ tiefe des Unterseebootes 1 vorgibt. Der Verdampfer 25 ist mit einer Heizeinrichtung 28 versehen, die von einer Energieversorgung 29 gespeist wird, die mit einer Regelung 30 verbunden ist. Der Verdampfer 25 ist über ein Ventil 31 an die Reaktionskammer 6 ange­ schlossen. Über eine Parallelschaltung von Ventilen 31 ist eine Ansteuerung mehrerer Reaktionskammern 6 möglich.

Zur Verbrennung des der Pilotzündflamme 13 zugeführten Ammoniakanteiles ist eine spezielle Sauerstoffzuführleitung 32 vorgesehen. Zur Verbrennung des Hauptanteiles an Ammoniak ist eine Sauerstoffeinspeisung 33 in den Brenner 12 integriert. Das verbrannte Ammoniak durchströmt gemeinsam mit dem thermisch zu zersetzenden Ammoniak die Reaktionskammer 6 und wird dabei von Leiteinrichtungen 34 verwirbelt. Nach dem Passieren der Leiteinrichtungen 34 wird das Gasgemisch einem Wärmeaustauscher 35 zugeführt, in dessen Bereich das thermisch zu zersetzende Ammoniak vorgewärmt wird.

Eine kompakte Ausführungsform kann insbesondere dadurch bereitgestellt werden, daß der Wärmeaustauscher 35 als Einbauteil in die Reaktionskammer 6 hineinragt und radial von den Leiteinrichtungen 34 umgeben ist. Das Gasgemisch durchströmt die Reaktionskammer 6 im Bereich der Leiteinrichtungen 34 zunächst in einer Längsrichtung 36 und wird anschließend entgegen der Längsrichtung 36 in einen Zuführkanal 37 geleitet, der seinerseits in den Wärmetauscher 35 einmündet. Im Bereich des Wärmetauschers 35 ist dann wieder eine Strömungsrichtung des Gasgemisches in Längsrichtung 36 vorgesehen und das aufzuwärmende und thermisch zu zersetzende Ammoniak durchströmt den Wärmeaustauscher 35 entgegen der Längsrichtung 36.

Über Auslaßventile 38 erfolgt eine Speisung der Ballasttanks 3 mit den Verbrennungs- und den Zersetzungsgasen.

Mit Hilfe der Gaserzeugungsanlage 2 ist es beispiels­ weise möglich, ein Unterseeboot 1 mit einem zu­ sätzlichen Auftrieb von etwa 150 t bei einer maximalen Arbeitstiefe von etwa 1000 Metern zu versehen. Insbe­ sondere ist daran gedacht, gemäß der Ausführungsform in Fig. 2 ein Unterseeboot 1 mit einem Laderaum 39 mit vier Gaserzeugungsanlagen 2 zu versehen, die jeweils im Bereich von Schmalseiten 40, 41 des Laderaumes 39 angeordnet sind. Jeder der Gaserzeugungsanlagen 2 sind Ballasttanks 3 zugeordnet.

Die durchzogene Leitungsführung entspricht einem Normalbetrieb, während die gepunktet eingezeichnete Leitungsführung einem Notbetrieb bei einem Ausfall einer der Gaserzeugungsanlagen 2 entspricht. Eine entsprechende Vorgabe der Leitungsführungen erfolgt mit Hilfe von 3-Wege-Ventilen 42.

Eine besonders wirksame thermische Zerlegung des Ammoniaks kann dadurch realisiert werden, daß ein Ein­ spritzen des zu zerlegenden Ammoniaks in die Flammgase des Brenners 12 erfolgt. Bei der Verbrennung des Ammoniaks entsteht Stickstoff und Wasser. Zur Bereit­ stellung einer ausreichenden Menge an verdampftem Sauerstoff ist es zweckmäßig, den Verdampfer 25 mit einer Wärmeleistung von etwa 500 kW auszustatten. Die Verbrennung im Bereich des Brenners 12 erfolgt zweck­ mäßigerweise mit einer stöchiometrischen Mischung der Gase, um eine stabile Verbrennung zu gewährleisten. Für die Dimensionierung der Vorwärmeinrichtung 14 im Bereich der Pilotzündung 13 ist eine Wärmeleistung von etwa 1 kW ausreichend. Hierdurch wird das Ammoniak auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur er­ wärmt.

Durch die Regelbarkeit der Menge von zugeführtem Sauer­ stoff und von zugeführtem Ammoniak ist es möglich, eine stufenlose Anpassung der Durchsatzmengen an die je­ weilige Arbeitstauchtiefe vorzunehmen. Unabhängig von der Tauchtiefe wird das Temperaturniveau im Bereich des Brenners 12 und der Reaktionskammer 6 durch das Massenstromverhältnis der zugeführten Stoffe festge­ legt. Insbesondere ist an ein Temperaturniveau von 650° Celsius gedacht. Die Pilotflamme im Bereich der Pilot­ zündung 13 kann nach einem Erreichen der Nenntempe­ ratur im Bereich des Brenners 12 und der Reaktions­ kammer 6 abgeschaltet werden. Als Sauerstofftank 4 kann ein bordeigener LOX-Tank verwendet werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere für Untersee­ boote, die eine Gaserzeugungsanlage sowie mindes­ tens einen von der Gaserzeugungsanlage gespeisten Ballasttank aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaserzeugungsanlage (2) einen Sauerstofftank (4), einen Ammoniaktank (5) sowie eine Reaktions­ kammer (6) umfaßt, die Reaktionskammer (6) mit einem Brenner (12) zur Verbrennung eines Ammoniak- Sauerstoff-Gemisches versehen ist und daß die Reaktionskammer (6) eine Einspeisung für thermisch in Stickstoff und Wasserstoff zu zersetzendes Ammoniak aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Reaktionskammer (6) ein Wärmeaus­ tauscher (35) zur Vorwärmung des thermisch zu zer­ setzenden Ammoniaks integriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Mischungsverhältnis von Sauer­ stoff und Ammoniak zur Aufrechterhaltung einer Tem­ peratur von etwa 650° Celsius vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ammoniaktank (5) als flexibler Ausgleichsbehälter ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Förderung des Ammoniaks eine Pumpe (8) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Förderung des Sauer­ stoffs eine Pumpe (24) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff einem Ver­ dampfer (25) zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich des Brenners (12) eine Pilotzündflamme (13) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich der Reaktions­ kammer (6) mindestens eine Leiteinrichtung (34) zur Führung des zu zersetzenden Gases angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pumpe (8) für das Ammoniak von einem Bypass (9) überbrückt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich von Schmal­ seiten (40, 41) eines Laderaumes (39) des Untersee­ bootes (1) jeweils zwei Gaserzeugungsanlagen (2) angeordnet sind, die jeweils unterschiedliche Ballasttanks (3) speisen.