DE4342207C1 - Kryosystem - Google Patents

Kryosystem

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kryosystem für kryogene Flüssigkeiten, welche in geringen Mengen Fremdfluide mit höheren Schmelz- und Siedepunkten enthalten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In kryogenen Flüssigkeiten für technische Anwendungen mit der dabei üb­ lichen Reinheit ist praktisch immer eine geringe Menge gelöster Fremd­ fluide enthalten. So enthält handelsüblicher flüssiger Wasserstoff bei­ spielsweise gelösten Sauerstoff, Stickstoff und andere Substanzen.
Solange diese Verunreinigungen gleichmäßig in geringer Konzentration ver­ teilt und in flüssigem Zustand in der kryogenen Flüssigkeit vorliegen sind sie in aller Regel unproblematisch und nicht weiter zu beachten.
Probleme oder Gefahren können jedoch entstehen, wenn sich lokale Anrei­ cherungen dieser Fremdstoffe bilden. Solche Anreicherungen bzw. Ablage­ rungen entstehen primär dann, wenn die Fremdfluide höhere Schmelz- und Siedetemperaturen und ein höheres spezifisches Gewicht als die kryogene Trägerflüssigkeit aufweisen.
Im normalen Betrieb werden die Fremdfluide infolge der Strömungsverhält­ nisse praktisch in alle durchströmten Bereiche des Kryosystems transpor­ tiert, d. h. in Leitungen und Aggregaten verschiedener Art.
In den Betriebspausen verbleibt zunächst kryogene Flüssigkeit in Berei­ chen der Rohrleitungen und Aggregate, aus denen ein Zurückfließen in den Tank unter Gravitationseinfluß konstruktions- bzw. funktionsbedingt nicht möglich ist. Durch Wärmezufuhr aus der Umgebung sowie infolge ih­ res niedrigeren Siedepunktes verdampft jedoch die kryogene Flüssigkeit zuerst und entweicht aus den genannten Bereichen, vorzugsweise in Rich­ tung Tank. Die höherschmelzenden und höhersiedenden Fremdstoffe bleiben in flüssiger oder sogar fester, gefrorener Form zurück.
Mit zunehmender Anzahl von Betriebsphasen und Betriebspausen können sich immer mehr Fremdstoffe in den genannten Bereichen ansammeln, bis lokal kritische Konzentrationen auftreten. Bei nachfolgender Inbetriebnahme des Systems, d. h. beim ersten Kontakt der zuströmenden kryogenen Flüs­ sigkeit mit den konzentrierten Fremdstoffen, kann es im Extremfall zu Explosionen kommen. Explosionsgefahr besteht insbesondere beim Kontakt brennbarer kryogener Flüssigkeiten mit Sauerstoffansammlungen. Allgemein bekannt ist in diesem Zusammenhang die Knallgasreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.
Weniger verheerende aber dennoch kritische Folgen für das System können sich daraus ergeben, daß gefrierende Verunreinigungen Strömungsquer­ schnitte verengen oder blockieren oder bewegliche Funktionselemente, wie Ventilkolben, Schieber, Pumpenlaufräder etc., schwergängig machen oder blockieren.
Aus der DE-PS 8 70 508 sind Tankanordnungen in Flüssiggastransportschif­ fen bekannt, bei welchen über die Schiffsbreite aus Gründen der Raumaus­ nutzung sowie der Stabilität des Schiffes beim Schlingern mehrere Tanks nebeneinander angeordnet sind und Gassammelräume mit freien Flüssig­ keitsoberflächen nur im mittleren Schiffsbereich vorgesehen sind. Diese Anordnung führt zwangsweise außerhalb und innerhalb der Tanks an be­ stimmten Stellen zu schräg verlaufenden Leitungen.
Die DE-OS 23 23 020 beschreibt zylindrische Flüssiggasbehälter, welche liegend und stehend einsetzbar sind. Hieraus ergeben sich ebenfalls schräg verlaufende Leitungen im Behälterinneren für Befüllung, Entnahme und Entlüftung.
Angesichts der oben genannten Probleme und Gefahren besteht die Aufgabe der Erfin­ dung darin, ein Kryosystem für kryogene Flüssigkeiten, welche in gerin­ gen Mengen Fremdfluide mit höheren Schmelz- und Siedepunkten enthalten, zu schaffen, welches lokale Ansammlungen von Fremdstoffen vermeidet und dadurch mit wesentlich höherer Sicherheit und Zuverlässigkeit arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale - in Verbindung mit den Merkmalen in dessen Oberbe­ griff - gelöst.
Rohrleitungen sind bereichsweise oder über ihre ganze Länge zum Tank hin geneigt ausgeführt, so daß in Betriebspausen des Systems oder einzelner Systembereiche in den Leitungen eine definierte Rückströmtendenz zum Tank hin herrscht. Bereiche von Rohrleitungen und Aggregaten, aus denen ein solches Abfließen nicht möglich ist, werden gezielt mit Drainage­ öffnungen bzw. Drainageleitungen versehen, welche mit Gefälle in den Tank bzw. in mindestens einen zusätzlichen Sammelbehälter münden.
Die Unteransprüche 2 und 3 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Kryosystems nach dem Hauptanspruch.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläu­ tert.
Diese zeigt in stark vereinfachter, mehr schematischer Darstellung Teile eines Kryosystems mit Leitungselementen, Aggregaten und einem im Teil­ längsschnitt wiedergegebenen Tank.
Das Kryosystem 1 stellt beispielsweise das Kraftstoffsystem eines Ver­ kehrsflugzeuges dar und umfaßt mindestens einen Tank 2 als Speicherbe­ hälter für die kryogene Flüssigkeit, welche beispielsweise flüssiger Wasserstoff, flüssiges Methan oder flüssiges Erdgas sein kann. Die Flüs­ sigkeit wird mittels mindestens einer Pumpe 3 aus dem Tank 2 abgesaugt. Der Pumpe 3 ist ein Ventil 4, beispielsweise ein Rückschlagventil, nach­ geschaltet. Stromabwärts des Ventils 4 beginnt das eigentliche Leitungs­ system, hier in Form der Rohrleitungen 7 und 8. Die Rohrleitung 7 weist einen längeren, innerhalb des Tanks 2 verlaufenden Abschnitt 9 mit einem zum Ventil 4 hin schräg abfallenden Bereich 10 sowie mit einem siphonar­ tigen Bereich 13 auf. Außerhalb des Tanks 2 verläuft die Rohrleitung 7 bis zu einem Filter 5 mit einem ebenfalls zum Tank 2 hin schräg abfal­ lenden Bereich 11. An das Filter 5 schließt sich eine weitere Rohrlei­ tung 8 mit einem geneigten Bereich 12 an.
In dem dargestellten Leitungssystem gibt es drei markante Stellen, aus denen die kryogene Flüssigkeit in Betriebspausen des Kryosystems 1 nicht abfließen kann trotz des zum Tank hin bzw. in den Tank hinein abfallend geneigten Leitungsverlaufes. Diese Stellen sind das stromaufwärtige, un­ tere Ende des Bereiches 10 rechts neben dem Ventil 4, die tiefste Stelle des siphonartigen Bereiches 13 sowie der Bodenbereich des Filters 5. In diesem Zusammenhang wird daran erinnert, daß das Ventil 4 vorzugsweise ein Rückschlagventil ist, welches eine Rückströmung der Flüssigkeit durch die Pumpe 3 in den Tank 2 in Betriebspausen verhindert.
Die genannten drei Stellen wären - ohne die vorliegende Erfindung - kri­ tisch hinsichtlich der Ablagerung und Anreicherung von Fremdstoffen mit höheren Schmelz- und Siedepunkten als die kryogene Trägerflüssigkeit.
Erfindungsgemäß sind jedoch Drainageöffnungen 14 und 15 sowie eine Drai­ nageleitung 16 vorhanden, welche ein langsames aber sicheres Zurückflie­ ßen aufgestauter Flüssigkeit in den Tank 2 gewährleisten. Alternativ ist eine Drainageleitung 17 gestrichelt dargestellt, welche in einen zusätz­ lichen Sammelbehälter 6 mündet.
Die Drainageöffnungen und -leitungen erzeugen natürlich auch im Betrieb einen gewissen Rückfluß an kryogener Flüssigkeit. Da ihre Querschnitte jedoch wesentlich kleiner sind als die der Hauptleitungen, fallen die Rückströme als Durchsatzverluste kaum ins Gewicht.
Der gewünschte Rücklauf bzw. Ablauf kryogener Flüssigkeit in Betriebs­ pausen wird also erfindungsgemäß einerseits durch zum Tank hin bzw. in den Tank hinein abfallend geneigte Rohrleitungen, andererseits durch ge­ zielt lokal wirksame Drainageöffnungen bzw. -leitungen erreicht. Even­ tuell im Tank entstehende Anreicherungen an Fremdstoffen werden beim Be­ tanken durch gezielte Strömungsführung verteilt und aufgelöst.

Claims (3)

1. Kryosystem für kryogene Flüssigkeiten, welche in geringen Mengen Fremdfluide mit höheren Schmelz- und Siedepunkten enthalten, insbesonde­ re für flüssigen Wasserstoff mit z. B. Sauerstoff und Stickstoff als Fremdfluide, für flüssiges Methan oder für flüssiges Erdgas, wobei das Kryosystem mindestens einen Tank, Rohrleitungen und Aggregate, wie z. B. Pumpen, Ventile und Filter, umfaßt und unter definierten Gravitationsbedingungen stationär oder mobil mit längeren, quasi stationären Bewegungszuständen eingesetzt wird, insbesondere als Treibstoffsystem für ein Großflugzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Rohrleitungen oder alle Rohrleitungen (7, 8) außerhalb des Tanks (2) zumindest bereichsweise (11, 12) zum Tank (2) hin abfallend geneigt sind, und daß siphonartige (13), zeitweise verschlossene (Sackleitungen, Totwasserzonen) und son­ stige Bereiche der Rohrleitungen (7) und Aggregate (Filter 5), aus denen die kryogene Flüssigkeit und die Fremdfluide nicht unter Gravitations­ wirkung zum Tank (2) zurückfließen können, mit Drainageöffnungen (14, 15) oder Drainageleitungen (16, 17) versehen sind, welche in den Tank (2) und/oder in mindestens einen zusätzlichen Sammelbehälter (6) münden.
2. Kryosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die im Tankinneren verlaufenden, längeren Rohrleitungsabschnitte (9) zu­ mindest bereichsweise (10) zu ihrem stromaufwärtigen Ende hin abfallend geneigt sind.
3. Kryosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Tank (2) mündenden Drainageöffnungen (14, 15) und Drainage­ leitungen (16) austrittsseitig in Tankbereichen enden, welche beim Be­ füllen des Tanks mit Sicherheit durchströmt werden, um dort vorhandene Anreicherungen an Fremdfluiden in fester und/oder flüssiger Form durch Verteilung und Lösung zu beseitigen.
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