DE4342210A1 - Temperaturschichtungsfreie Speicherung kryogener Flüssigkeiten - Google Patents

Temperaturschichtungsfreie Speicherung kryogener Flüssigkeiten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur temperaturschichtungsfreien Speicherung einer kryogenen Flüssigkeit, gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1, sowie einen Tank zur Durchführung dieses Verfahrens, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 4.
Bei kryogenen, d. h. tiefkalten Flüssigkeiten, die sich in Ruhe befinden, bildet sich nach gewisser Zeit eine vertikale Temperaturschichtung aus, wobei die oberste Schicht die höchste Temperatur aufweist. Sofern in dem oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Gasraum keine Fremdgase enthalten sind, entspricht der Druck in diesem Raum und somit im ganzen Tankraum der Temperatur der obersten Flüssigkeitsschicht entsprechend der für die jeweilige Flüssigkeit geltenden Dampfdruckkurve. Das heißt, im Tank herrscht ein Druck, welcher höher ist als der der mittleren Flüssig­ keitstemperatur entsprechende Druck. Dieser Effekt tritt in besonders deutlicher Form in stationären Tanks auf, er tritt aber auch in mobilen Tanks auf, welche beispielsweise in Land- oder Luftfahrzeugen instal­ liert sind, wenn die Fahrzeuge längere Zeit geparkt sind oder sich in einer längeren, relativ ruhigen Bewegungsphase ohne größere Beschleuni­ gungen befinden. Bei unruhiger Fahrt/unruhigem Flug wird dieser Effekt infolge Durchmischung mehr oder weniger unkontrolliert aufgehoben, wobei ein plötzlicher Druckabfall auftreten kann. Hohe Tankdrücke sind nach­ teilig für eine gewichtsgünstige, materialsparende Tankbauweise, wie sie insbesondere im Flugzeug angewandt wird, da die druckbedingten, höheren mechanischen Belastungen auch größere Wanddicken erfordern. Man könnte diesem Problem dadurch abhelfen, daß man mittels eines Überdruckventils verdampfende bzw. verdampfte Flüssigkeit in die Atmosphäre entläßt. Dies hätte aber effektiv einen ungewollten Flüssigkeitsverlust sowie eine Be­ lastung der Umwelt zur Folge.
Eine weitere Möglichkeit zur Druckreduzierung wäre ein kontinuierliches oder periodisches Durchmischen der Flüssigkeitsmenge mit Rührwerken. Ebenso käme ein Umpumpen des Tankinhalts in Betracht. Derartige Lösungen sind aber konstruktiv aufwendig, erfordern eine Reihe zusätzlicher Bau­ elemente (Motoren, Rührräder, Pumpen, Leitungen, Ventile etc.) und erhö­ hen ebenfalls beträchtlich das Tankgewicht.
Die erwähnten Druckschwankungen bei stärkeren Tankbewegungen sind inso­ fern nachteilig als sie mechanische Wechselbelastungen bewirken und zu Durchsatzschwankungen, d. h. zu einer ungleichmäßigen Versorgung nachge­ schalteter Verbraucher, führen.
Angesichts dieser Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur temperaturschichtungsfreien Speicherung einer kryogenen
Flüssigkeit in einem stationären oder mobilen, thermisch isolierten Tank anzugeben, welches mit geringem Aufwand eine Minimierung des Tankinnen­ druckes durch Homogenisierung der Temperatur ermöglicht, sowie einen Tankaufbau zur Durchführung dieses Verfahrens aufzuzeigen, welcher ein­ fach, zuverlässig und gewichtsgünstig ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale, vorrichtungsseitig durch die im Anspruch 4 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß wird kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen Flüs­ sigkeit aus dem bodennahen Bereich des Tanks abgepumpt, in den Bereich des Gasraums gefördert und in Form mindestens eines Strahles mit hoher Strömungsgeschwindigkeit von oben auf den Flüssigkeitsspiegel gespritzt. Somit ist ein tankinterner Flüssigkeitskreislauf gegeben, welcher bei mäßigem Volumenstrom und mäßigem Leistungsbedarf eine effektive Beseiti­ gung bzw. Verhinderung der nachteiligen Temperaturschichtung gewährlei­ stet. Der kalte, mit hoher Geschwindigkeit auf den Flüssigkeitsspiegel auftreffende Strahl erzeugt örtlich begrenzt starke Turbulenzbewegungen.
Der turbulente Bereich ist kälter als die restliche Fläche des Flüssig­ keitsspiegels und bildet somit eine Wärmesenke, welche wiederum als Kon­ densationsstelle für die verdampfte bzw. verdampfende Flüssigkeit wirkt. Somit erzeugt der örtlich begrenzte, turbulente Bereich großräumige Aus­ gleichsströmungen sowohl im Gasraum als auch in der Flüssigkeit, wodurch relativ schnell eine Homogenisierung der Temperatur im gesamten Volumen erfolgt. Dieser überraschende Effekt ist in praktischen Versuchen nach­ gewiesen.
Der konstruktive Aufwand zur Erzeugung dieses Effekts hält sich in ver­ tretbaren Grenzen. Es sind nur wenige zusätzliche Bauelemente wie einfa­ che, kurze Rohrleitungen, Ventile etc. erforderlich. Im bodennahen Ab­ saugbereich des Tanks ohnehin vorhandene Pumpen können, ggf. in lei­ stungsgesteigerter Version, mitbenutzt werden, um den gewünschten Kreis­ lauf zu erzielen. Alle erforderlichen Bauelemente sind fest, d. h. sta­ tisch, in den Tank installiert und von daher ebenfalls unproblematisch.
Die Unteransprüche 2 und 3 bzw. 5 bis 8 enthalten bevorzugte Ausgestal­ tungen des Verfahrens nach Anspruch 1 bzw. des Tanks nach Anspruch 4 und beziehen sich hauptsächlich auf die Anwendung der Erfindung bei Treib­ stofftanks in Flugzeugen.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläu­ tert. Dabei zeigen in stark vereinfachter, schematischer Darstellung.
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Tank mit einem einzigen, zusam­ menhängenden Innenraum;
Fig. 2 einen vergleichbaren Längsschnitt durch einen Tank eines Flug­ zeugs, welcher eine Haupt- und eine Nebenkammer aufweist.
Für beide Figuren gilt, daß Bauelemente, welche nicht direkt mit der Er­ findung in Zusammenhang stehen, wie z. B. die Isolierung der Tanks, Be­ füllvorrichtungen, Restentleerungsvorrichtungen, Mannlöcher mit Flan­ schen, Deckeln etc., der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht darge­ stellt sind.
Der Tank 1 in Fig. 1 kann beispielsweise ein stationärer Tank sein, in welchem eine kryogene, d. h. tiefkalte Flüssigkeit zu Verbrauchszwecken zeitweise gespeichert wird. Solch eine Flüssigkeit kann z. B. ein ver­ flüssigtes Inertgas, eine Kühlflüssigkeit, ein Brenn- oder Treibstoff sein. An den Tank 1 angeschlossene Verbraucher sind beispielsweise Schweißvorrichtungen, Kühlvorrichtungen, Heizvorrichtungen oder Kraftma­ schinen.
Zur Flüssigkeitsentnahme ist im Bodenbereich des Tanks 1 eine Pumpe 10 angeordnet, von welcher eine Leitung 16 ausgeht. Nach einer Leitungsver­ zweigung führt eine Leitung 17 über ein Ventil 23 aus dem Tank heraus zu einem oder mehreren, nicht dargestellten Verbrauchern. Das Ventil 23 ist absperrbar und ggf. mit variabel einstellbarem Strömungsquerschnitt aus­ gestattet.
Bis hierher entspricht die Ausführung derjenigen eines konventionellen Tanks.
Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine über ein Ventil 24 führende Leitung 18 vorhanden, welche bis in den Gasraum 5 oberhalb des Flüssigkeitsspie­ gels 3 verläuft und dort in ein Strahlrohr 13 übergeht, welches in spit­ zem Winkel oder senkrecht auf den Flüssigkeitsspiegel 3 gerichtet ist. Der aus dem Strahlrohr 13 austretende Flüssigkeitsstrahl besitzt genü­ gend kinetische Energie, um im oberen Bereich des Flüssigkeitsvolumens örtlich begrenzt eine stark turbulente Mischungszone zu erzeugen.
Unter der Voraussetzung, daß vor der Aktivierung des Strahlrohres 13 mittels des Ventils 24 im Tank 1 eine Temperaturschichtung mit der höch­ sten Temperatur im Bereich des Flüssigkeitsspiegels 3 und mit der nied­ rigsten Temperatur im Bodenbereich vorhanden war, erzeugt der mit Flüs­ sigkeit aus dem Bodenbereich gespeiste, kalte Strahl eine Wärmesenke in Form der turbulenten Mischzone. Diese Wärmesenke wirkt als Kondensa­ tionszone für die im Gasraum 5 vorhandenen Flüssigkeitsdämpfe, wodurch praktisch den gesamten Gasraum 5 erfassende, konvektive Strömungsvorgän­ ge erzeugt werden. Diese sind in der Figur für den rechten Tankbereich mit drei weißen Pfeilen angedeutet. Durch Nachverdampfen wärmerer Flüs­ sigkeitsbereiche sowie infolge der temperaturbedingten Dichteunterschie­ de spielen sich auch im Flüssigkeitsvolumen großräumig Strömungsvorgänge ab, welche in relativ kurzer Zeit zu einer Homogenisierung der Flüssig­ keitstemperatur und somit zu einer Reduzierung des Tankdruckes führen.
Durch kontinuierliche oder in zeitlichen Abständen wiederholte Betäti­ gung des Strahlrohres 13 läßt sich der Tankdruck auf einem niedrigen Ni­ veau stabilisieren.
Es versteht sich, daß das Strahlrohr auch von einer separaten Pumpe mit Flüssigkeit gespeist werden kann, hinsichtlich deren Bauart und Antrieb eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar sind. Anstelle eines Strahlroh­ res können auch mehrere vorhanden sein.
In Versuchen hat sich gezeigt, daß der Auftreffwinkel des Strahles auf dem Flüssigkeitsspiegel zwischen 45° und 90° liegen sollte. Ein zu fla­ ches Auftreffen des Strahles (Winkel kleiner als 45°) verschlechtert den turbulenten Mischeffekt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches speziell an die Verhält­ nisse im Flugzeug angepaßt ist. Entsprechend ist der Tank 2 ein Treib­ stofftank, die kryogene Flüssigkeit ist vorzugsweise flüssiger Wasser­ stoff (LH₂) oder flüssiges Erdgas (LNG, Liquid Natural Gas), welches hauptsächlich aus Methan besteht.
Der Tank 2 ist mittels einer Zwischenwand 7 in eine Hauptkammer 8 und eine Nebenkammer 9 aufgeteilt, wobei letztere vom Volumen her wesentlich kleiner ist. Der Treibstoff wird zuerst von der Hauptkammer 8 in die Ne­ benkammer 9 und anschließend von dort zu einem oder mehreren Triebwerken gefördert. Entsprechend ist in der Hauptkammer 8 eine Vorpumpe 11 mit Leitung 22, in der Nebenkammer 9 eine Hauptpumpe 12 mit Leitungen 19, 20 sowie mit Ventil 25 vorhanden.
Im Flugbetrieb sollte die Nebenkammer 9 immer weitgehend mit Treibstoff gefüllt sein, damit auch unter kurzzeitigen negativ-g-Bedingungen stets eine ununterbrochene, gasblasenfreie Treibstoffabsaugung gewährleistet ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Vorpumpe 11 immer etwas mehr Treibstoff in die Nebenkammer 9 fördert, als die Hauptpumpe 12 von dort absaugt. Die überschüssige Treibstoffmenge wird als Oberlauf wieder in die Hauptkammer 8 zurückgefördert.
Bis hierher ist die beschriebene Anordnung bekannt und somit Stand der Technik.
Erfindungsgemäß ist jedoch der Oberlauf der Nebenkammer 9 als von der Zwischenwand 7 ausgehendes Strahlrohr 14 ausgeführt, welches im Gasraum 6 der Hauptkammer 8 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 4 mündet und in spitzem Winkel oder senkrecht auf letzteren gerichtet ist. Ebenfalls er­ findungsgemäß mündet die von der Vorpumpe 11 kommende Leitung 22 in der Nebenkammer 9 mit nach oben weisender Strömungsrichtung, so daß sich in der Nebenkammer 9 eine Art Kurzschlußströmung zum Strahlrohr 14 hin aus­ bildet, wobei aber selbstverständlich auch die Hauptpumpe 12 ausreichend mit Treibstoff versorgt wird. Im vorliegenden Fall ist die Vorpumpe 11 als Strahlpumpe nach dem Ejektorprinzip ausgeführt, welche ihre An­ triebsleistung von der Hauptpumpe 12 erhält. Zu diesem Zweck zweigt eine Leitung 21 mit Ventil 26 in der Nebenkammer 9 von der Leitung 19 ab und führt in die Hauptkammer 8 zur Vorpumpe 11.
Zum besseren Verständnis soll anschließend noch kurz auf die Massenbi­ lanz des Tanks 2 eingegangen werden, wobei die relevanten Massenströme mit "₁" bis "₆" bezeichnet sind.
  • - ₁ ist der von der Vorpumpe 11 in die Nebenkammer 9 fließende Treibstoffstrom.
  • - ₂ ist der dem Tank 2 entnommene, momentane Treibstoffverbrauch.
  • - ₃ ist der von der Nebenkammer 9 durch das Strahlrohr 14 und die zur Geschwindigkeitserhöhung nachgeschaltete, konvergente Düse 15 in die Hauptkammer 8 zurückfließende Treibstoffstrom.
  • - ₄ ist der die Vorpumpe 11 antreibende Treibstoffstrom.
  • - ₅ ist der von der Vorpumpe 11 aus der Hauptkammer 8 abgesaugte Treibstoffstrom.
  • - ₆ schließlich ist der von der Hauptpumpe 12 aus der Nebenkammer 9 abgesaugte Treibstoffstrom.
Unter den Voraussetzungen, daß die Treibstoffmasse in der Nebenkammer 9 unverändert bleibt, und daß die zeitbezogene Massereduzierung in der Hauptkammer 8 gleich dem dem Tank 2 entzogenen Treibstoffverbrauch ist, gelten folgende Zusammenhänge:
₁ = ₄ + ₅
₅ = ₂ + ₃
₆ = ₂ + ₄
₃ < 0 falls ₅ < ₂
Der die Vorpumpe 11 antreibende Massenstrom ₄ muß entsprechend stark ausgelegt sein, damit die beiden letztgenannten Kriterien (₃ < 0, ₅ < ₂) erfüllt sind.
Selbstverständlich kann die Vorpumpe beispielsweise auch als Zahnradpum­ pe oder als Zentrifugalpumpe mit eigenem Antrieb (mechanisch, elek­ trisch, hydraulisch, pneumatisch) ausgeführt sein, wobei dann der Mas­ senstrom ₄ entfallen würde, d. h. mathematisch gesehen "Null" wäre.

Claims (8)

1. Verfahren zur temperaturschichtungsfreien Speicherung einer kryo­ genen Flüssigkeit in einem stationären oder mobilen, thermisch isolier­ ten Tank, insbesondere eines kryogenen Treibstoffs, wie flüssigem Was­ serstoff oder flüssigem Methan, im Tank eines Flugzeugs, bei Gravita­ tionsverhältnissen oder bei Gravitations- und Bewegungsverhältnissen, welche im Speichervolumen des Tanks ein Flüssigkeitsvolumen mit einem klar begrenzten, nicht oder nur mäßig bewegten Flüssigkeitsspiegel sowie mit einem darüberliegenden Gasraum erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen Flüssigkeit aus dem bo­ dennahen Bereich des Tanks (1) abgepumpt, in den Bereich des Gasraums (5) gefördert und in Form mindestens eines energiereichen Strahles (Strahlrohr 13) senkrecht oder in spitzem Winkel auf den Flüssigkeits­ spiegel (3) gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Speichern eines kryogenen Treib­ stoffs im Tank eines Flugzeugs, wobei dieser Tank eine mit dem Treib­ stoff zu befüllende, sich später infolge des Treibstoffverbrauchs ent­ leerende Hauptkammer sowie eine kleinere, als Zwischenspeicher dienende, im Betrieb des Flugzeugs weitgehend gefüllte Nebenkammer aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen eine Treibstoffmenge aus dem bodennahen Bereich der Hauptkammer (8) in die Nebenkammer (9) gepumpt wird, wobei die Strömungsrichtung bei deren Austritt in die Nebenkammer (9) nach oben verläuft, und daß eine zumin­ dest einem Teil dieser Treibstoffmenge entsprechende Treibstoffmenge im oberen Bereich der Nebenkammer (9) als Oberlaufmenge in die Hauptkammer (8) zurückgefördert wird, wo sie in Form mindestens eines energiereichen Strahles (Strahlrohr 14) von oben auf den Flüssigkeitsspiegel (4) trifft.
3. Verfahren nach Anspruch 2 im Falle eines kontinuierlichen Treib­ stoffverbrauchs bei laufenden Triebwerken, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich eine Treibstoffmenge aus dem bodennahen Bereich der Hauptkammer (8) in die Nebenkammer (9) gepumpt wird, deren momentaner Massenstrom (₅) mindestens das 1,1-fache des momentanen, aus dem be­ treffenden Tank (2) zu deckenden Treibstoffverbrauchs (₂) beträgt.
4. Tank zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, mit einer thermisch isolierten Außenhaut, mit mindestens einer Befüllvor­ richtung sowie mit mindestens einer Pumpe und einem Leitungssystem zur Versorgung mindestens eines Verbrauchers mit kryogener Flüssigkeit, ge­ kennzeichnet durch eine strömungsmechanische Verbindung (Leitungen 16, 18) vom bodennahen Bereich des Tanks (1) bis in den Bereich des Gasraums (5), durch mindestens eine Pumpe (10) in dieser strömungsmechanischen Verbindung sowie durch mindestens ein Strahlrohr (13) am oberen Ende dieser strömungsmechanischen Verbindung, welches oberhalb des Flüssig­ keitsspiegels (3) mündet und senkrecht oder in spitzem Winkel auf diesen gerichtet ist.
5. Tank nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Ausrichtung der Mündung des Strahlrohres (13, 14) in einem Winkel von 45° bis 90° zur Normallage des Flüssigkeitsspiegels (3, 4).
6. Tank nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Ausfüh­ rung der Mündung des Strahlrohres (14) als konvergente Düse (15).
7. Tank nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, in einem Flugzeug, mit einer das Tankvolumen in eine Haupt- und eine Nebenkammer trennenden Zwischenwand, mit mindestens einer Vorpumpe im bodennahen Be­ reich der Hauptkammer und einer von der Vorpumpe in die Nebenkammer füh­ renden Leitung, mit mindestens einer Hauptpumpe in der Nebenkammer und einer von der Hauptpumpe aus dem Tank herausführenden Leitung sowie mit einem von der Nebenkammer in die Hauptkammer führenden Überlauf, ge­ kennzeichnet durch einen nach oben gerichteten Austrittsbereich der von der Vorpumpe (11) in die Nebenkammer (9) führenden Leitung (22) und durch mindestens ein an der Zwischenwand (7) angeordnetes, vom oberen Bereich der Nebenkammer (9) in den Gasraum (6) führendes und dort senk­ recht oder schräg nach unten gerichtetes Strahlrohr (14).
8. Tank nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Ausführung der Vorpumpe (11) als Strahlpumpe nach dem Ejektorprinzip und durch eine von der Hauptpumpe (12) zur Vorpumpe (11) für deren Antrieb führende Leitung (19, 21).
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