DE69414503T2

DE69414503T2 - Sprühgefriererzeuger für Wasserstoffmatsch

Info

Publication number: DE69414503T2
Application number: DE69414503T
Authority: DE
Inventors: Sidney P. Fullerton Ca 92635 Glasser
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1993-09-02
Filing date: 1994-08-24
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: DE69414503D1; EP0641981A1; EP0641981B1; US5402649A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von pastigem Wasserstoff, und zwar kontinuierlich und mit einer hohen Produktionsrate.

2. Hintergrund der Erfindung

Eines der grundlegenden Ziele der Raumfahrtforschung heutzutage ist die Entwicklung von einem weitreichendem Überschallraumfahrzeug, welches von der Erde zu verschiedenen Punkten in den Weltraum reisen kann. Kürzlich stammten Fahrzeuge dieser Bauart aus der Arbeit unter dem National AeroSpace Plane (NASP)- Programm. Einige der Anforderungen an diese Fahrzeuge umfassen hochdichte Brennstoffe bzw. Kraftstoffe mit niedrigem Volumen; hohe Reisegeschwindigkeit (im Überschallbereich); relativ leichtes Gewicht und relativ hohe Nutzlasten. Kraftstoffe für diese Fahrzeuge, die in Betracht gezogen werden, umfassen pastige Kraftstoffe, wie beispielsweise pastigen Wasserstoff.
Die Herstellung von pastigem Wasserstoff (engl.: slush hydrogen = SH2)wird zur Zeit mittels von "Frier/Tau"- Verfahren (engl. "freeze/thaw" process) erreicht. Für das Frier/Tau-Verfahren wird der Druck in einem Behälter mit flüssigem Waserstoff (engl.: liquid hydrogen: LH2) fortwährend durch eine Vakuumpumpe reduziert. Die resultierende Verdampfung des Wasserstoffs reduziert die Volumentemperatur bis zur Sättigungstemperatur, die den Schwinddruck (ullage pressure) entspricht. Der Schwinddruck wird bis zum Trippelpunkt(T. P.)-Druck von 1,02 PSIA reduziert.
Nachdem der Trippelpunktdruck erreicht ist, wird eine weitere Verdampfung von Wasserstoff einen Teil der Trippelpunkflüssigkeit festen Wasserstoff umwandeln. Wenn der Druck kontinuierlich am Trippelpunktdruck gehalten wird, wird sich der gefrorene Wasserstoff als eine feste Decke bzw. Schicht an der Oberfläche ausbilden und letztendlich eine weitere Ausfrieraktion unterdrücken. Das Entfernen von Dampf mit einer niedrigen Rate ist ebenso zur Ausbildung einer festen Schicht an der Oberfläche förderlich. Das Entfernen von Dampf mit einer hohen Rate bewirkt starkes Kochen und eine Eruption des Volumenwasserstoffs, was in einer großen Aufnahme von flüssigen Wasserstofftröpfchen in die Dampfströmung resultiert.
In den 1960-ern durchgeführte Tests am Bureau of Standards Cryogenics Laboratory haben gezeigt, daß die optimale Dampfentfernungsrate zum Minimieren der Aufnahme von Flüssigwasserstoff ungefähr 48,7 m³/min pro Quadratmeter des Oberflächengebietes der Flüssigkeit (160 CFM von Dampf pro Quadratfuß des Oberflächengebietes der Flüssigkeit) war. Diese Strömungsrate war auf den Vakuumpumpeneinlaß bezogen und der Einlaßdampf mußte (auf ungefähr 278 K (500º R, 40º F)) geheizt werden, und zwar auf Grund der mechanischen Einschränkungen der Vakuumpumpe. Die entsprechende volumetrische Entzugsrate an der Flüssigkeitsoberfläche (ungefähr 13,8 K (24,8 R)) war um einen Faktor von ungefähr 20 niedriger, oder 2,44 m³/min pro Quadratmeter des Oberflächengebiets (8 CFM pro Quadratfuß des Oberflächengebiets).
Zur Eliminierung der Ausbildung einer festen Schicht aus Wasserstoff an der Oberfläche wird der Vakuumpegel überhalb und unterhalb des Trippelpunktdrucks zyklisch durchlaufen. Während des Teils des Zyklus (ungefähr die Hälfte der Zeit), wenn der Druck überhalb dem Trippelpunkt ist, bewirkt die ankommende Wärme (Wärmelecks und/oder Wärmedruckgase) das Schmelzen eines Teils des festen Wasser stoffs an der Oberfläche. Da fester Wasserstoff dichter als flüssiger Wasserstoff ist, sinkt zuerstgenannter in die restliche Flüssigkeit. Ein Mixer (Propeller) in der Volumenflüssigkeit unterstützt das Aufbrechen des festen Wasserstoffs und die Herstellung einer homogeneren Mischung des pastigen Wasserstoffs.
Der zuvor beschriebene Prozeß stellt zum größten Teil den derzeit verwendeten Frier/Tau-Verfahren zur Herstellung von pastigem Wasserstoff dar. Dieser Prozeß, wie er gegenwärtig durchgeführt wird, ist ein Betrieb mit einmaliger Beschickung und die Pastenherstellungsrate ist relativ langsam. Typischerweise wird eine Paste nur 50% der Zeit produziert und ein wesentlicher Teil (ungefähr 30%) der gerade gebildeten Paste schmilzt im Tauzyklus.
Beispielsweise produziert der Pastengenerator in der Slush Test Facility der Martin Marietta Corporation Pasten mit einer äquivalenten Rate von ungefähr 34 Liter/min (9 Gallonen pro Minute (GPM)). Für ein Fahrzeug, das pastigen Wasserstoff als seinen Kraftstoff verwendet (d. h. ein NASP-Bautypfahrzeug) wird die erforderliche Pastenerzeugungsrate während des Dichte- Beibehaltungsbetriebs in einem Bereich von 3,8 bis 15 m³/min (1000 bis 4000 GPM) erwartet, und zwar abhängig von der aktuellen Heizlast an den Treibstoff während des Ladebetriebs. Es ist leicht ersichtlich, daß eine deutliche Verbesserung der Pastenproduktionsrate erreicht werden muß, wenn pastiger Wasserstoff als Kraftstoff in einem Fahrzeug der NASP-Bauart verwendet werden soll.
Die FR-A-2 271 526 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer feinkörnigen Paste eines niedrigkochenden Gases, wobei das Gas, das unter hohem Druck verflüssigt wird, isoenthalpisch durch eine Düse expandiert wird, wobei der Auslaßdruck der Düse verändert wird zwischen einem Druck unterhalb dem Druck des Trippelpunkts, d. h im Gas-Eis-Bereich und einem Druck überhalb des Drucks des Trippelpunkts, d. h. im Gas-Flüssigkeitsbereich, und wobei weiter die Düse, in der das verflüssigte Gas expandiert wird, unterhalb der Oberfläche der Paste angeordnet ist.

Ziele und Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher ein grundlegendes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffpaste mit einer deutlich höheren Rate als die Rate der gegenwärtig bekannten möglichen Herstellung vorzusehen, während andere Nachteile und Rückschläge von bekannten ähnlichen Verfahren überwunden werden.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die kontinuierliche Produktion von Wasserstoffpaste in einer Menge vorzusehen, welche durch seine Verwendung als ein Kraftstoff für ein Fahrzeug der NASP- Bauart ermöglicht.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für die kontinuierliche Produktion mit einem hohen Volumen einer nahezu homogenen Wasserstoffpastenmischung vorzusehen, welches eine Festteilchengröße hat, die die Beibehaltung eines gewünschten Festanteils in NASP- Fahrzeugtanks erlaubt.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für die kontinuierliche Produktion mit hohem Volumen einer nahezu homogenen Wasserstoffpastenmischung mit einer ausreichenden Fluidität vorzusehen, um einen Transport durch Boden- und Fahrzeugleitungen und Ventilen zu erlauben.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung einer kontinuierlichen, ununterbro chenen Strömung von gasförmigem Wasserstoff vorzusehen, um ein abgeschlossenes Leistungssystem zu unterstützen bzw. zu tragen, insbesondere eines, das als eine mobile Bodentrageinheit ausgebildet ist.
Gemäß der Erfindung wurden diese Ziele durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Pastengenerators zur Durchführung des Prozesses gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Fest-Dampftrennanordnung zur Verwendung mit dem Pastengenerator der Fig. 1.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist die Pastengeneratorvorrichtung 10 schematisch gezeigt, die die Fähigkeit hat, Wasserstoffpaste mit einer ausreichend großen Rate zu erzeugen, um die Erfordernisse der Beibehaltung der Wasserstoffpaste von einem NASP-zugeschnittenen Fahrzeug zu erfüllen. Die Pastengeneratorvorrichtung 10 wurde für die Aufnahme in das Pastenbeibehaltungssystem, das im US-A-5 301 510-Patent beschrieben ist, konstruiert.
Der Druck (d. h. das Vakuum) im Tank 100 der Pastengeneratorvorrichtung wird durch eine Vakuumpumpe 20 erzeugt, die durch eine Turbine 22 angetrieben wird. Die Vakuumpumpe ist bevorzugterweise eine Hochgeschwindigkeits-, Kaltdampfpumpe der axialen oder radialen Bauart, und die Turbine wird durch ein heißes Gas aus irgendeinem der Vielzahl von Heißgasgeneratoren angetrieben.
Flüssiger Wasserstoff von einem Trippelpunktaufnahme- bzw. -auffangtank 201 wird in den Wasserstoffpastentank 100 durch die Leitung 212 unter der Steuerung eines Ventils 214 zu einem primären Sprühring 216 (wird weiter unten detaillierter diskutiert) eingeführt.
Der Betrieb des Steuerventils 214 kann automatisch sein, beispielsweise ansprechend auf Signale von einem Pegelsensor 102, der an der Oberfläche der Flüssigkomponente der Pastenmischung innerhalb des Generators angeordnet ist. Eine solche automatische Steuerung würde dem Zweck dienen, den Flüssigkeitspegel im Pastengenerator ungefähr konstant beim Pegel zu halten, an dem der Sensor angeordnet ist.
Der flüssige Wasserstoff vom Trippelpunktauffangtank 201 wird durch eine Leitung 212 zum Sprühring 216 transportiert, wo er in den Pastenwaserstoffgenerator gesprüht wird. Der Zweck des Sprühens ist es, das "Gebiet" des Aussetzens des flüssigen Wasserstoffs zu vergrößern, um seine Verdampfung zu erleichtern.
In einem Verdampfungs-Kühlungs-Pastenherstellungsprozeß ist die Produktionsrate für festen Wasserstoff einzig eine Funktion der Massenströmungsrate von Dampf, der vom flüssigen Wasserstoff entfernt wird, wenn er an der Trippelpunkttemperatur vorliegt. Frühere Versuche, wie solche des Bureau Standards (zuvor beschrieben) wurden unternommen, um Wasserstoffpaste durch Sprühen von flüssigem Wasserstoff in einen evakuierten Behälter herzustellen. In diesen früheren Tests wurde die Flüssigwasserstoffströmung auf einem sehr geringem Wert relativ zur Kapazität der Vakuumpumpe gehalten.
Als Konsequenz war das Endprodukt 100%iger fester Wasserstoff (Schnee), welcher sich in Verwehungen irgendwo im Tank absetzte und ein teilweises Schmelzen erforderte, bevor eine fließbare Pastenmischung erhalten wurde. Die ses Ergebnis leitete die Wissenschafter des Bureau of Standards dazu, das Sprüh-Gefrierkonzept aufzugeben, und zwar zu Gunsten des Frier-Tau-Prozesses (freeze-thaw process). Diese Entscheidung hat die Konstruktion von allen tatsächlichen und vorgeschlagenen Wasserstoffpastenherstellungsanlagen beeinflußt, und zwar bis zur Innovation, die in der vorliegenden Anmeldung ausgeführt ist.
In der vorliegenden Erfindung wird die Festwasserstoffproduktionsrate ebenso durch die Kapazität des Vakuumsystems bestimmt. Die Vakuumpumpe ist auf die Produktion einer Massenströmungsrate von Dampf am Trippelpunktdruck (0,07 bar (1,02 psia)) zugeschnitten, so daß die Festwasserstoffproduktionsrate gleich oder größer als die erforderliche Produktionsrate ist. In einem Pastenbeibehaltungssystem eines Flugfahrzeugs würde die Festwasserstoffproduktionsrate durch die Festwasserstoffschmelzrate bestimmt sein, die aus den Wärmelasten der Luft- und Grundsysteme zur Paste resultiert. Für eine Vorrichtungsspeichertankladung würde die Festproduktionsrate eine Funktion der gewünschten oder verfügbaren Zeit zum Beladen des Tanks sein.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von zuvor entwickelten Sprüh-Gefrierpastengeneratoren dadurch, daß die eingehende bzw. ankommende Massenströmungsrate von LH2 die Festproduktionsrate übersteigt, und zwar wie durch die Kapazität der Vakuumpumpe bestimmt.
Wenn das ankommende LH2 bei der Trippelpunkttemperatur ist, wird die Festproduktionsrate konstant bei einem Maximalwert sein, der von der Kapazität der Vakuumpumpe bestimmt ist. Durch Einstellen der ankommenden Strömungsrate des Trippelpunkt-LH2 kann die Zusammensetzung des Produkts von 100% Fest (Schnee) zu pastig mit einem sehr geringen Festanteil variiert werden, und zwar alles mit demselben Festwasserstoffinhalt. Für ankommendes LH2 wärmer als die Trippelpunkttemperatur wird die Produktionsrate für Festwasserstoff in direktem Verhältnis bzw. direkt proportional zum Anteil der Kapazität der Vakuumpumpe vermindert sein, die erforderlich ist, um das ankommende LH2 zur Trippelpunkttemperatur durch Verdampfung zu kühlen.
Wie zuvor erwähnt, wenn der Sprüh-Gefrier-Pastengenerator in einem Pastendichtebeibehaltungsystem für ein Fahrzeug verwendet wird, würde die Kapazität der Vakuumpumpe auf der Festwasserstoffschmelzrate basieren, die sich aus kummulativen Wärmelasten des Luft- und Bodensystems ergibt. Die Ausgabe bzw. der Ausgang des Pastengenerators ist pastiger Wasserstoff bei einer volumetrischen Strömungsrate und mit einem Festanteil, so daß der Festwasserstoff dem Fahrzeugsystem mit derselben Rate zugefügt wird, mit der der Festwasserstoff schmilzt. Die Gesamtmassenströmungsrate des Beibehaltungsströmungsmittels wird zum Auffangtank 210 zurückgeführt, wo es für eine Wiedereinführung in den Pastengenerator verfügbar ist, um zu pastigem Wasserstoff zurückverarbeitet zu werden.
Wasserstoff, der durch die Verdampfung im Gefrierprozeß verloren geht, muß durch flüssigen Wasserstoff ersetzt werden, um eine konstante Strömungsmittelmasse im Fahrzeug und im Pastengeneratorschaltkreis beizubehalten. Unter Gleichgewichtsbedingungen stellt sich das Gesamtsystem im wesentlichen selbst ein, um den geeigneten Festanteil bei der erforderlichen Strömungsrate vorzusehen. Wie später diskutiert wird, wurden Vorsehungen getroffen, um die effektive Kapazität der Vakuumpumpe fein bzw. genau einzustellen, um präziser die Festwasserstoffproduktionsrate mit der Festwasserstoffschmelzrate in Übereinstimmung zu bringen. Ebenso werden später Mittel zum Einstellen des Ausgabefestanteils diskutiert, um die volumetrische Strömungsrate der Paste zu minimieren, die zum Vorsehen der erforderlichen Massenströmunsrate von festem Wasserstoff zum Fahrzeug erforderlich ist.
Wesentliche Unterschiede zwischen der vorliegenden Erfindung und dem derzeitigen bekannten Frier-Tau-Konzept sind, daß (1) die Produktion von Wasserstoffpaste in der vorliegenden Erfindung kontinuierlich ist, und (2) der Ausstoß von gasförmigem Wasserstoff in der vorliegenden Erfindung kontinuierlich ist. Diese Merkmale sind wesentlich für eine praktische Pastenbeibehaltungs- bzw. Pastenwartungseinheit bzw. für den Betrieb eines Leistungssystems unter Verwendung von gasförmigem Wasserstoff als ein Kraftstoff.
Mit der Aufwärtsströmung von Dampf in den Pastengenerator ergibt sich die Tendenz, daß feste und/oder flüssige Teilchen in die Vakuumpumpe geblasen werden. Zur Minimierung dieses Effekts sollte das Querschnittsgebiet der Schulter 112 des Pastengenerators oberhalb der Sprühringe so groß wie praktikabel gemacht werden, um die Aufwärtsgeschwindigkeit des Dampfes zu reduzieren. Um weiter einen geringstmöglichen Verlust von Flüssigkeiten oder Feststoffen durch die Vakuumpumpe sicherzustellen, ist ein Zentrifugentrenner bzw. Zentrifugenseparator 200 stromabwärts vom Hals 114 des Pastengenerators angebracht. Der Trenner 200 umfaßt eine flache Platte 202 mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen 206, die darin ausgebildet sind, und mit einem Satz von Klappen oder Lamellen 204, die von der Ebene der flachen Platte unter einem Winkel dazu versetzt bzw. abgelöst sind, und zwar benachbart zu den Schlitzen. Die Klappen des Trenner 200 haben die Funktion, feste oder flüssige Teilchen weg von den Schlitzen abzulenken oder wegzuschlagen und sie erlauben nur das Durchlassen von Dampf.
Die Platte 202 des Trenners 200 wird auf einer vertikal orientierten Welle 208 getragen, die drehbar mit dem Antrieb eines Motors 210 gekoppelt ist, der im Hals des Pastengenerators angebracht ist.
Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel 200' des Trenners der folgendes aufweist: einen Motor 210', eine Welle 208', die zwischen dem Antrieb des Motors und einer ersten Platte 202' drehbar gekoppelt ist. Die erste Platte umfaßt eine Vielzahl von Schlitzen 206', die bevorzugterweise radial um die Platte angeordnet sind. Die erste Platte 202' bildet den Deckel eines Zylinders oder einer Trommel 220', die einen festen Boden 222', eine Vielzahl von Lamellen oder Klappen 226' aufweist, die an den vertikalen Trägern 224' gesichert bzw. befestigt sind, so daß die Klappen im wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Platten angeordnet sind.
Die Erfindung sieht verschiedene andere ähnliche Anordnungen von Zentrifugentrennern in Betracht, wobei der Zweck von allen ist, große Verluste von festem oder flüssigen Wasserstoff zu eliminieren. Jedoch würde ein kleiner Verlust von Flüssigkeit oder Feststoff einen vernachlässigbaren Effekt auf die Gesamtproduktionsrate des Pastengenerators haben, und er könnte sogar zu einem wünschenswerten Ergebnis kommen, indem die Leistungsanforderungen für die Vakuumpumpe durch das Kühlen des Dampfes, wenn er durch die Pumpe geleitet wird, reduziert werden.
Nochmals bezugnehmed auf die Fig. 1 zieht bzw. saugt eine Zentrifugenpumpe 120, die am Boden des Pastengenerators angeordnet ist, Paste vom Boden des Generatortanks und erhöht den Strömungsdruck, um die Paste zu den Fahrzeugtreibstofftanks oder zu einem Einrichtungspeichertank zu übertragen. Insoweit, wie die Festteilchen, die durch den Sprühverdampfungsprozeß gebildet werden, dazu tendieren, groß und flockig zu sein, kann die Fließbarkeit des pastigen Wasserstoffs bei dem gewünschten Festanteil nicht ausreichend sein, um ein Pumpen oder eine Bewegung durch die Pastentransportleitungen zu erlauben. Zur Beseitigung dieses Problems sind Mixer- oder Vermischerblätter 122 oberhalb der Pumpe 120 im Boden des Generatortanks vorgesehen. Diese Blätter haben einen Aufbau ähnlich zu jenen in einem typischen Haushaltvermischer, und sie sind in einem Motor 124 der Pumpe miteingebaut und werden von diesem angetrieben. Alternativ könnte der Mixer oder Vermischer durch einen separaten, eigens dafür vorgesehenen Motor angetrieben werden. Die Blätter werden mit relativ scharfen Führungskanten versehen, und zwar mit wechselweisen positiven und negativen Angriffswinkeln, und sie haben die Funktion, die Teilchengröße zu reduzieren, um somit die Packung bzw. Packungsdichte zu erhöhen und eine homogenere Mischung des Fluids bzw. Strömungsmittels zu erzeugen, wenn es in die Pumpe eintritt. Der Boden des Generatortanks 100 ist konisch, um sicherzustellen, daß das gesamte gepumpte Fluid durch die Mixerblätter geht. Die Wirkung der Mixerblätter erzeugt einen erhöhten Packungseffekt, der gegenwärtig durch "Altern" der neugebildeten Paste erzeugt wird.
Die Wasserstoffpastenausgangsströmung wird durch ein Modulationsventil 130 gesteuert. Dieses Ventil kann ansprechend auf Signale von einem Fahrzeuglaststeuersystem gesteuert werden. Die Dichte (der Festanteil) des Pumpenausstoßes wird durch einen in der Leitung angebrachten Dichtesensor 140 kontrolliert bzw. überwacht. Wenn die gemessene Dichte niedriger als gewünscht ist, kann ein Teil des Trippelpunktflüssigwasserstoffanteils von der Wasserstoffpaste aus der Strömung abgestreift werden und zum Pastengenerator durch die Leitung bzw. die Röhre 142 zurückgeführt werden. Das Abstreifen von Trippelpunktflüssigwasserstoff wird unter Verwendung eines Fest-Flüssigseparators 150 erreicht, der eine einfache Strömungs-umkehrende Fluidvorrichtung aufweist, um die Trennung der schwereren der Festteilchen von den leichteren Flüssigkeitsteilchen zu bewirken. Die flüssige Strömung wird wieder in den Pastengenerator durch eine Vielzahl von geeignet großen Öffnungen im Rezirkulationssprühring 110 eingeführt und ein Teil dieser Flüssigkeit wird letztendlich in einen Festzustand umgewandelt. Da die Strömung in den Tank 100 durch das Ventil 214 mittels dem Pegelsensor 102 gesteuert wird, reduziert ihre Rezirkulation von Flüssigwasserstoff vom Fest- Flüssigtrenner bzw. -separator die volumetrische Ausströmung von Fluid vom Tank, wodurch eine entsprechende Reduktion der Strömungsrate durch das Ventil 214 bewirkt wird.
Der Effekt der Rezirkulation von LH2 durch die Leitung 142 ist es, den Festanteil von Festwasserstoff zu erhöhen, der durch das Ventil 130 geliefert wird. Eine Alternative zur Rückführung des rezirkulierten LH2 durch den Sprühring 110 ist es, es gesamt oder teilweise durch den Mischring 104 einzuführen. Die durch den Ring 104 eingeführte Flüssigkeit dient als ein zusätzlicher Mischer für die Paste im Tank 100. Zusätzlich dient die Wärme, die durch das rezirkulierte LH2 mittels der Pumpe 120 zugefügt wird, zum Schmelzen von kleinen Vorsprüngen auf den Festwasserstoffteilchen, wodurch eine höhere Packungsdichte innerhalb des Tanks 100 ermöglicht wird. Die Teilung der Strömung durch die Leitung 142 wird durch die Modulationsventile 112 und 108 gesteuert. Die optimale Teilung wird durch Betriebserfahrung bestimmt. Unabhängig von bzw. ohne Betracht der Strömungsrate oder der Bestimmung des rezirkulierten Fluids wird die Festwasserstoffproduktionsrate immer noch durch die Massenströmungsrate von Dampf gesteuert, der durch die Vakuumpumpe extrahiert wird.
Während eine optimale Trenneffizienz des Fest-Flüssigtrenners 150 gewünscht ist, ist ein kleiner Anteil von Feststoffen in den Rezirkulierungsleitungen akzeptierbar, so lange die Zumeßöffnungen in den Ringen eine solche Größe aufweisen, um all die Feststoffe aufzunehmen, die mitgeführt werden. Darin wird kein Problem gesehen, da die Mixerblätter kleine Teilchen produzieren sollten. Ebenso ist es unwahrscheinlich, daß ein großes Teilchen seine Richtung umkehrt und in der Rezirkulationsströmung aufgenommen bzw. eingefangen wird.
Die letztendliche Ausgabenpastendichte ist durch den in der Leitung angebrachten Dichtesensor 160 gemessen. In der Praxis wird die Messung im Sensor 160 verwendet als Eingabesignal zur Steuerung der Ventile 108 und 112. Der gemessene Druckunterschied über das Venturi-Strömungsmeter 170 in Verbindung mit der Dichtemessung vom Sensor 160 kann zur Berechnung der Massenströmungsrate von der Wasserstoffpaste verwendet werden, der zu einem Fahrzeugtank für eine Pastendichtenbeibehaltung oder zu einem Einrichtungsspeichertank geliefert wird.
Die Pastenerzeugungsrate kann mittels dem Modulationsventil 300 variiert werden, welches einen Druckabfall erzeugt und dadurch den Effekt hat, die Dampfentzugsrate vom Pastengeneratortank zu reduzieren. Ein alternatives Verfahren zur Erzeugungsratensteuerung ist es, das Ventil 400 über ein Rückschlagventil 402 zu modulieren. Die Rückströmung durch das Ventil 400 wird auch den Effekt haben, die Dampfentzugsrate zu reduzieren. Durch das weite Öffnen des Ventils 400 kann der Druck im Generatortank erhöht werden, und zwar daß er höher als 0,07 bar (1,02 PSIA) ist, worauf eine Feststoffbildung aufhört. Der durch Kompression geheizte Dampf wird als ein Entfroster oder eine Taufunktion dienen, und zwar im Fall, daß akkumulierter Feststoff die Strömungspassagen bzw. Strömungs durchgänge des Fest-Dampftrenners verstopft bzw. blockiert.
Die Leitung 420 führt den Wasserstoffdampf, der vom LH2 im Tank 100 durch die Vakuumpumpe 20 während des Herstellungsverfahrens von SH2 abgezogen wurde. Der ausgestoßene Wasserstoff kann im Leistungssystem (welches die bevorzugte Verwendung ist) verwendet werden oder einfach entsorgt werden, in einem Verbrennungskamin zum Entsorgen.
Der Pastengeneratortank muß gut isoliert sein, um eine übermäßige Wärmeeingabe zur Wasserstoffpaste und/oder die Verflüssigung von umgebender Luft an der Außenseite des Tanks zu vermeiden. Alle Leitungen und Ventile müssen ähnlich isoliert sein. Eine Schaumisolierung 500 kann an einer Entwicklungseinheit verwendet werden. Die ultimative Einheit wird bevorzugterweise einen Tank mit einer Vakuumummantelung verwenden und Leitungen mit mehrschichtigen Isolationen, um die Wärmeeingabe auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.
Der Pastengenerator, wie er hier beschrieben ist, kann ebenso für grundlegende Einrichtungen zur Pastenerzeugung verwendet werden, um Wasserstoffpaste vorzubereiten und dann zu sammeln, und zwar für die anfängliche Fahrzeugbeladung. Der einzige Unterschied ist, daß frei-kochender (F. B. = free boiling) flüssiger Wasserstoff, der am örtlichen Umgebungsdruck gesättigt ist, durch das Ventil 214 eingeführt würde, anstatt vom Trippelpunkt(T. P.)-LH2. Die Pastenproduktionsrate würde auf Grund der Tatsache reduziert sein, daß eine zusätzliche Verdampfung zur Umwandlung des F. B. flüssigen Wasserstoffs zu Trippelpunkt (T. P.) flüssigen Wasserstoff erforderlich ist, bevor irgendein Feststoff ausgebildet wird.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von pastigen Wasserstoff mit einer hohen Herstellungsrate, das die folgenden Schritte aufweist:

Vorsehen eines Vakuumtanks (100);

Erzeugung eines Vakuums im Vakuumtank (100) durch die Verwendung von Vakuumerzeugungsmitteln (20), die in Strömungsmittelverbindung mit dem Vakuumtank (100) sind,

Lieferung von flüssigen Wasserstoff (LH&sub2;) am Tripelpunkt (T. P.) von einem Auffangtank (201) zum Vakuumtank (100) wobei das T. P.-LH&sub2; in den Vakuumtank (100) gesprüht bzw. plötzlich entspannt wird, wodurch kalte Dämpfe und pastiger Wasserstoff mit einem im wesentlichen konstanten Festanteil erzeugt wird; und

Lieferung kalter Dämpfe vom Vakuumtank (100) zu den Vakuumerzeugungsmitteln (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des kontinuierlichen Sprühens bzw. Entspannens mittels eines gelochten Sprührings (216) erreicht wird, wobei der flüssige Wasserstoff unter Druck an den Sprühring (216) geliefert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vakuumerzeugungsmittel (20) eine Vakuumpumpe aufweisen, die strömungsmittelmäßig mit dem Vakuumtank (100) gekoppelt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Vakuumpumpe (20) durch eine Turbine (22) angetrieben wird und strömungsmittelmäßig über Leitungen mit den kalten Dämpfen im Vakuumtank (100) verbunden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt der Lieferung von kalten Dämpfen vom Vakuumtank (100) zu den Vakuumerzeugungsmitteln (20) das Filtern von festen Teilchen aus den kalten Dämpfen umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, das weiter den Schritt des Abfühlens bzw. Abtastens in den Leitungen zur Steuerung des Betriebes der Vakuumerzeugungsmittel (20) umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt des Entfernens einer gewünschten Menge von pastigen Wasserstoff (engl.: slush hydrogen) aus dem Vakuumtank (100) für die Lieferung zu einem Verbrauchs- bzw. Verwendungspunkt umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Entfernens mittels Pumpmitteln (120) zum Abziehen von pastigen Wasserstoff aus dem Vakuumtank (100) erreicht wird, wobei die Pumpmittel (120) mit einer unteren Zone bzw. Region des Vakuumtanks (100) verbunden sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, das einen weiteren Schritt umfaßt, nämlich das Rückführen eines Teils der Flüssigwasserstoffkomponente, die mit dem pasti gen Wasserstoff aus dem Vakuumtank (100) entfernt wurde, und zwar zurück zum Vakuumtank (100).

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Rückführens das Sprühen des flüssigen Wasserstoffs in das Vakuum des Vakuumtanks (100) umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Sprühens mit einem gelochten bzw. perforierten Ringglied (110) erreicht wird, das oberhalb der Oberfläche des pastigen Wasserstoffgemisches angeordnet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Rückführens das Einspritzen des flüssigen Wasserstoffs in den pastigen Wasserstoff im Vakuumtank (100) umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Einspritzens mit einem perforierten bzw. gelochten Mischungsring (104) erreicht wird, der innerhalb des Vakuumtanks (100) gelegen ist, und zwar unterhalb der Oberfläche der pastigen Wasserstoffmischung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das gelochte Ringglied (110) zum Sprühen und der gelochte Mischungsring (104) zum Einspritzen strömungsmittelgekoppelt sind.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das gelochte Ringglied (110) zum Sprühen und der gelochte Mischungs ring (104) zum Einspritzen strömungsmittelgekoppelt mit den Pumpmitteln (120).