DE69729288T2

DE69729288T2 - Gekühlter treibstoff für motoren

Info

Publication number: DE69729288T2
Application number: DE69729288T
Authority: DE
Inventors: Lee Terence KOETHE
Original assignee: FUEL DYNAMICS ARLINGTON
Current assignee: FUEL DYNAMICS ARLINGTON
Priority date: 1996-03-18
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: AU2530497A; CA2263394C; IL126290A0; CA2263394A1; BR9708321A; DE69729288D1; KR19990087829A; ES2221048T3; EP0889827B1; HK1017869A1; NZ332013A; WO1997036782A2; AU724789B2; ATE267735T1; EP0889827A2; JP2001513859A; EP0889827A4; IL126290A; WO1997036782A3

Description

TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeugmotors und insbesondere ein Verfahren zum Bereitstellen von flüssigem Treibstoff für Flugzeuge und andere Fahrzeuge.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Flugreisen sind zu einer der am meisten bevorzugten Art der Fortbewegung geworden, wenn weite Strecken zu überwinden sind. Moderne Düsenflugzeuge sind gut ausgerüstet für Dauerflugverkehr bei hohen Geschwindigkeiten, so dass sie weite Strecken in ziemlich kurzen Zeiträumen fliegen können. Da Düsen- und andere Flugzeuge nur eine begrenzte Menge an Treibstoff mitführen können, ist einer der Hauptfaktoren bei der Begrenzung der Strecke, die ein Flugzeug zurücklegen kann, die Notwendigkeit des erneuten Betankens. Während bei einigen Flugzeugtypen heutzutage ein Auftanken während des Fluges möglich ist, finden die meisten Betankungen am Boden statt. Diese Tankstopps verlängern die Reisezeit. Daher ist es wünschenswert, die Treibstoffmenge, die im Flugzeug gespeichert werden kann, zu erhöhen, vorzugsweise ohne oder nur mit minimalen Änderungen der bestehenden Flugzeugkonstruktion.
Es ist bekannt, dass die Leistung von Hubkolbenmotoren, die ein Verbrennungsgemisch aus Kraftstoff/Luft verwenden, durch Einführen gekühlter Luft verbessert werden kann. Dies ist auf die erhöhte Luftdichte zurückzuführen, was zu einer erhöhten Verfügbarkeit an Sauerstoff für die Verbrennung führt. Die gekühlte Luft verhindert auch eine vorzeitige Verbrennung während der Komprimierung des Verbrennungsgemisches. Das Kühlen von Treibstoff für diese Motoren unter Verwendung bestehender Klimaanlagen ist ebenfalls bekannt und wird für die Reduzierung von Kraftstoffdämpfen, die zu Dampfblasenbildung in Kraftstoffleitungen führen können, oder für die Reduzierung von Treibstoffverlusten in die Atmosphäre eingesetzt, während er aus dem Treibstofftank verdunstet. Der Stand der Technik lehrt auch die Verwendung von Treibstoff, der durch eine Klimaanlage gekühlt worden ist, um die in den Motor eingeführte Luft zu kühlen und um eine Verdampfung des Treibstoffes während der Verdichtung zu verzögern, so dass dadurch die Effizienz des Motors verbessert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Stand der Technik macht verschiedene Vorschläge zum Betanken von Flugzeugen, zum Beispiel in der DE 32 14 878 und in der US 5,251,603 . All diese vorgeschlagenen Verfahren weisen jedoch einige Einschränkungen auf.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung soll ein Verfahren zum Betanken eines Flugzeugs mit einem bordeigenen Treibstoffspeichertank geschaffen werden, das folgende Schritte umfasst: einen flüssigen Treibstoff zum Betanken des Flugzeugs bereitstellen, den Treibstoff an einen Ort am Boden weiterleiten, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Kühlen des Treibstoffs auf verringerte Temperaturen außerhalb des Flugzeugs am Boden und auf eine Temperatur, die wesentlich kleiner als die Umgebungstemperatur ist, sodass das Volumen des Treibstoffs verringert wird; und Weiterleiten des Treibstoffs zum Flugzeug, während der Treibstoff die verringerten Temperaturen aufweist und Lagern des Treibstoffs in dem bordeigenen Treibstoffspeichertank, wobei die verringerte Temperatur und das verringerte Volumen des Treibstoffs den Energiewert des Treibstoffs pro Volumeneinheit vergrößern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung soll ein Treibstoffabgabesystem zum Abgeben von Treibstoff an ein Flugzeug geschaffen werden, das einen Treibstoffspeichertank am Boden aufweist und gekennzeichnet ist durch eine mit dem Speichertank verbundene Treibstoffleitung zum Abgeben von Treibstoff an einen Wärmetauscher von innerhalb des Speichertanks; den besagten mit der Treibstoffleitung verbundenen Wärmetauscher zum Aufnehmen und Kühlen des Treibstoffs vom Treibstoffspeichertank auf verringerte Temperaturen, die niedriger sind als Umgebungstemperaturen, wobei das gekühlte Volumen des Treibstoffs auf unterhalb des Volumens des Treibstoffs bei atmosphärischen Temperaturen verringert wird; und durch eine zweite mit dem Wärmetauscher verbundene Treibstoffleitung zum Abgeben des Treibstoffs an das Flugzeug bei den verringerten Temperaturen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgende Beschreibung, zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Flugzeugs ist, das gemäß der Erfindung betankt wird;
2 eine mobile Kühleinheit zeigt, die zum Kühlen von Treibstoff gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 eine Seitenansicht einer tragbaren Kühleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein schematisches Schaltbild ist, das eine Zweistufen-Tieftemperaturkältemaschine zeigt, um Jet-Treibstoff zu Tieftemperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung zu schaffen; und
5 eine Seitenansicht eines Lastwagens für Flugzeugtreibstoff zeigt, der eine tragbare Kühleinheit aufweist, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine erhebliche Reduzierung des Volumens von flüssigen Treibstoffen, die für organische Verbrennungsreaktionen verwendet werden, kann erreicht werden, indem die Temperatur des Treibstoffs drastisch auf unter Umgebungstemperaturen reduziert wird. Die bei dieser Erfindung verwendeten Treibstoffe sind hauptsächlich flüssige Mineralöldestillate und umfassen Kerosin oder Turbinentreibstoffe, Flugbenzin (Avgas) und Autobenzin. Dem Fachmann sollte es jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung auf andere Substanzen organischer Flüssigtreibstoffe angewendet werden kann und nicht auf die hierin aufgeführten begrenzt sein sollte.
Die Erfindung findet besondere Anwendung im Bereich des Flugwesens, wo der Raum für Treibstoffspeicher begrenzt ist. Durch Reduzieren des Treibstoffvolumens vor dem Betanken kann eine größere Menge an Treibstoff zur Benutzung im Flugzeug gelagert werden. Dadurch wird die Flugzeit des Flugzeuges verlängert, so dass ein Zurücklegen größerer Entfernungen möglich ist, bevor erneut betankt wird.
Das Ändern des Volumens von Kerosin oder Turbinentreibstoff kann für jede Änderung der Temperaturgrade durch folgende Formel angenähert werden: Vf = Vi – {Vi(0,0006/°F)(Ti – Tf)},wobei V_f das Endvolumen, Vi das Anfangsvolumen, T_i die Anfangstemperatur und T_f die Endtemperatur ist. Somit weisen 3785 l (1000 Gallonen) Turbinentreibstoff bei 15,5°C (60°F), die auf –26°C (–15°F) herabgekühlt worden sind, ein Endvolumen von ungefähr 3614 l (955 Gallonen) auf. Dies wird besonders bedeutsam bei Verkehrsflugzeugen, wo große Mengen an Treibstoff gelagert und verbraucht werden. So kann zum Beispiel eine typische „BOEING 747" ungefähr 200.000 l (53.000 Gallonen) Treibstoff aufnehmen. Durch Verringern der Temperatur des gleichen Treibstoffvolumens von 15,5°C (60°F) auf –40°C (–40°F), ein Temperaturunterschied von 55,5°C (100°F), wird dieses Volumen um ungefähr 12.000 l (3180 Gallonen) reduziert. Dies gleicht mehr als 9000 kg (20.000 Pfund) an Treibstoff, die in die Treibstofftanks des Flugzeugs gefüllt werden können. Bei anderen Anwendungsmöglichkeiten kann das Herabkühlen der Treibstofftemperatur unter die Umgebungstemperaturen durch einen Temperaturunterschied von 22,2°C (40°F) angemessen sein, um eine erhöhte Treibstoffkapazität zu schaffen und das Energieniveau pro Volumeneinheit des Treibstoffs zu vergrößern, so dass der Treibstoff von den Umgebungstemperaturen von 15,5°C (60°F) auf eine niedrigere Temperatur von –6,6°C (20°F) herabgekühlt wird. Ferner kann es bei einer anderen Anwendungs möglichkeit erwünscht sein, die Temperatur des Treibstoffs unter die Umgebungstemperaturen zu reduzieren, die Treibstofftemperatur jedoch über 0°C (32°F) zu halten, so dass der Gefrierpunkt des Gemischs in der umgebenden Luft vermieden werden kann.
1 zeigt ein Treibstoffkühlsystem 10 zum Kühlen von Turbinentreibstoff 8 bei einer herkömmlichen Flughafeneinrichtung. Normalerweise wird Treibstoff in unterirdischen Tanks gelagert. In diesem speziellen Fall wird der Turbinentreibstoff 8 der Kategorie „A" in einem unterirdischen Tank 12 gelagert. Der Treibstoff 8 der Kategorie „A" ist ein Treibstoff für warmes Wetter, der prompt aufhört bei Temperaturen unter ungefähr –44,4°C (–48°F) zu fließen. Dies wird im allgemeinen als „Pourpoint" bezeichnet. In der Nähe ist überirdisch ein isolierter Treibstoffspeichertank 14 angeordnet. Im Tank 14 wird Turbinentreibstoff 15 der Kategorie „B" gelagert. Der Treibstoff 15 der Kategorie „B" ist ein Treibstoff für kaltes Wetter mit einem Pourpoint von –50°C (–58°F).
Im Tank 14 gelagerter Treibstoff wird an eine Kühleinheit 16 angeschlossen, die den Treibstoff der Kategorie „B" innerhalb des isolierten Tanks 14 auf eine Temperatur von ca. –45,5°C (–50°F) herunterkühlt, was über dem Pourpoint des Treibstoffs liegt. Isolierte Treibstoffleitungen 18 werden zwischen dem Tank 14 und einer Wärmetauschereinheit 20, die in einem unterirdischen Tank 12 angeordnet ist, angeschlossen. Durch Zirkulieren des gekühlten Treibstoffs der Kategorie „B" durch den Wärmetauscher 20 kann der im Tank 12 gelagerte Treibstoff vorgekühlt werden. Die Temperatur des Treibstoffs innerhalb des Tanks 12 sollte überwacht werden und die Menge kühlenden Treibstoffs, der aus dem Tank 14 umgewälzt wird, sollte gesteuert werden, um zu verhindern, dass die Temperatur des Treibstoffs innerhalb des Tanks 12 unter 0°C (32°F) fällt. Dadurch wird verhindert, dass jegliches vorhandene Wasser gefriert, was wiederum zu Beschädigungen des Tanks bzw. der Rohrverbindungen führen könnte. Die Temperatur des Treibstoffs innerhalb des Tanks 12 wird vorzugsweise auf 1,6°C (35°F) gehalten.
Muss ein Flugzeug betankt werden, wie z. B. das Flugzeug 22, wird eine mobile Treibstoffversorgungseinheit oder ein Lastwagen 24, der mit einem Wärmetauscher 26 beladen ist, in der Nähe des Flugzeugs 22 und des unterirdischen Tanks 12 positioniert, genauso wie ein herkömmlicher Tankwagen während des Betankens. Auch wenn verschiedene Wärmetauschertypen für den Wärmetauscher 26 verwendet werden können, ist ein Plattenwärmetauscher als effektiv befunden worden.
Der Wärmetauscher 26 wird über Schläuche 28 bei Anschlüssen 32 an isolierte unterirdische Pipelines 30 angeschlossen. Die Pipelines 30 führen den Turbinentreibstoff der Kategorie „B" vom Tank 14 während des Zirkulierens durch den Wärmetauscher 26, wo er als Kühlmittel dient, hin und wieder zurück. Währenddessen wird Druckluft von einem Verdichter 34 durch eine Leitung 36 in den unterirdischen Tank 12 eingeführt. Dadurch wird der vorgekühlte Treibstoff der Kategorie „A" durch eine Leitung 38 in den Wärmetauscher 26, der am Lastwagen 24 befestigt ist, gepresst, wo der Treibstoff weiter gekühlt wird.
Die Temperatur des gekühlten Treibstoffs der Kategorie „A" kann beim Austreten aus dem Wärmetauscher 26 variieren. Je kälter der Treibstoff ist, umso besser, vorausgesetzt, die Temperatur des Treibstoffs wird über dem Pourpoint des Treibstoffs gehalten. Temperaturen, die irgendwo zwischen –17,7 bis –45,5°C (0 bis –50°F) liegen, können erreicht werden, wobei diejenigen zwischen –26 bis –45,5°C (–15 bis –50°F) vorzuziehen sind. In dem speziellen beschriebenen Beispiel kann der Treibstoff der Kategorie „A" auf ungefähr –40°C (–40°F) gekühlt werden, was über dem Pourpoint des Treibstoffs liegt.
Der gekühlte Treibstoff der Kategorie „A" wird durch einen Tankschlauch 40 vom Wärmetauscher 26 zum Treibstofftank 42 des Flugzeugs 22 geleitet. Dann wird der gekühlte Treibstoff der Kategorie „A" wie Treibstoff normaler Temperatur zu den Motoren 44 des Flugzeugs 22 geführt. Vergrößerungen des Treibstoffvolumens aufgrund von Erwärmung werden durch das während des Flugs verbrauchte Volumen mehr als ausgeglichen. Die Temperatur des Treibstoffs kann pro Stunde nur um ein paar Grad ansteigen, was jedoch von den Umgebungsbedingungen abhängt. Da der Treibstoff der Kategorie „B" für kaltes Wetter als Kühlmittel verwendet wird, stellen undichte Stellen in einem der Wärmetauscher 20 oder 26 kein großes Problem dar, wie es der Fall wäre, wenn ein Kühlmittel verwendet worden wäre, das kein Turbi nentreibstoff ist. Wenn auch das System gemäß 1 einen zweiten gekühlten Treibstoff als Kühlmittel verwendet, kann auch Flüssigstickstoff verwendet werden, um die Temperatur von Treibstoffen mit erhöhter oder umgebender Temperatur schnell auf Temperaturen unter Null kühlen zu können.
2 zeigt eine Vorrichtung 46, die Flüssigstickstoff zum Kühlen von Treibstoff verwendet. Die Vorrichtung 46 wird als Trailer dargestellt, so dass sie bei Bedarf zu gewünschten Stellen gebracht werden kann, sie kann jedoch auch stationär sein. Die Vorrichtung 46 kann mit einer (nicht dargestellten) Pumpe oder einem Verdichter versehen sein, wie z. B. dem Verdichter 34 von 1, um Treibstoff zu einem Aluminiumtreibstofftank 48 der Vorrichtung 46 zu transportieren. Flüssigstickstoff wird in Dewar-Gefäßen oder -tanks 50 gelagert. Anzahl und Größe der Tanks hängen von der Menge des zu kühlenden Treibstoffs ab. Es ist festgestellt worden, dass 18.900 l (5000 Gallonen) Flüssigstickstoff zum Reduzieren der Temperatur von 60.000 l (16.000 Gallonen) Treibstoff um 55,5°C (100°F) ausreichen.
Ein Tieftemperatur-Wärmetauscher 52 ist im Tank 48 angeordnet. Der Wärmetauscher 52 besteht vorzugsweise aus Nichteisenmaterialien wie z. B. Aluminium oder Messing. Es kann auch rostfreier Stahl verwendet werden, allerdings neigen Eisenmaterialien dazu, bei niedrigen Temperaturen brüchig zu werden. Der Wärmetauscher 52 ist über einen isolierten Zufuhrschlauch 54 für Flüssigstickstoff an die Stickstofftanks 50 angeschlossen. Ein Steuerventil 56 reguliert das Einströmen von Stickstoff in den Wärmetauscher 52. Es sollten (nicht dargestellte) Temperatursonden und geeignete Steuerungen vorgesehen sein, damit sichergestellt ist, dass der Treibstoff auf die gewünschte Temperatur gekühlt und auf dieser gehalten wird. Durch ein Überdruckventil 58 wird der Stickstoff vom Wärmetauscher 52 in die Atmosphäre abgeführt.
Der Treibstofftank 48 ist von einer Isolierung 60 wie z. B. EPS-Schaum oder einem Vakuumkessel umgeben. Der Tank 48 weist ein Überdruckventil 62 auf, über das Treibstoffgase bei Bedarf in die Atmosphäre abgeführt werden. Durch einen Einlass 64 des Tanks 48 kann zu kühlender Treibstoff von Umgebungstemperatur in den Tank 48 fließen. Kalter Treibstoff wird über einen Auslass 66 aus dem Tank 48 ab gezogen. Der Tank 48 kann einen (nicht dargestellten) geeigneten Zufuhrschlauch, eine Pumpe, eine Düse, einen Filter und Dosiereinrichtungen aufweisen, die mit dem Auslass 66 verbunden sind.
Um die Vorrichtung 46 gemäß 2 zu verwenden, wird Treibstoff von umgebender oder warmer Temperatur über den Einlass 64 in den Tank 48 gepumpt. Während des Füllens des Tanks wird das Steuerventil 56 geöffnet, so dass Stickstoff aus den Tanks 50 zum Wärmetauscher 52 fließen kann, um den Treibstoff innerhalb des Tanks 48 zu kühlen. Stickstoffgas tritt aus dem Wärmetauscher 52 aus und wird über das Ventil 58 in die Atmosphäre abgeführt. Während der Treibstoff auf die gewünschte Temperatur gekühlt wird, wird er durch den Auslass 66 aus dem Tank 48 geführt und zu dem/den Treibstoffspeichertank/s des betankten Fahrzeugs bzw. Flugzeugs geleitet. Es ist offensichtlich, dass der durch die Vorrichtung 46 gekühlte Treibstoff als Charge gekühlt oder kontinuierlich durch den Tank 48 geleitet werden kann, so dass ein kontinuierlicher Strom gekühlten Treibstoffs zugeführt wird. Es sollten geeignete Steuerungen vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass der den Tank 48 verlassende Treibstoff auf der gewünschten Temperatur gehalten wird.
3 zeigt eine Seitenansicht einer tragbaren Kühleinheit („PRU" – Portable Refrigeration Unit; Tragbare Kühleinheit) 150, bei der es sich um eine unabhängige Einheit zum Kühlen von Treibstoff handelt, die gemäß der vorliegenden Erfindung erstellt worden ist. Wie in 3 dargestellt, ist die PRU 150 auf einem Trailer befestigt. Die PRU 150 umfasst ein explosionsgeschütztes Gehäuse 152, das auf einem Trailer-Chassis 154 angeordnet ist. Durch einen Treibstoffeinlass 156 und einen Treibstoffauslass 158 gelangt der Treibstoff in die PRU 150 und wieder aus dieser heraus. Der Treibstoffeinlass 156 weist eine Treibstoffpumpe 160 auf. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Pumpe an der herkömmlichen Treibstoffzufuhr genügend Druck aufbauen, so dass der Treibstoff durch die PRU 150 fließt und die Treibstoffpumpe 160 nur bei hohem Durchfluss erforderlich ist.
Ferner umfasst die PRU 150 einen Wärmetauscher 162, an den der Treibstoffeinlass 156 angeschlossen ist. Über einen Strömungspfad 164 stehen die Flüssigkeiten von Wärmetauscher 162 und einer Wasserabscheidungseinheit 166, die vorzugsweise derart ist, dass sie einen Koaleszenz-Filter 168 aufweist, in Verbindung. Bei anderen Ausführungsformen können andere Wasserabscheidertypen die Wasserabscheidungseinheit 166 der PRU 150 bilden, wie z. B. Fallabscheider und verschiedene andere Typen. Bei der bevorzugten Wasserabscheidungseinheit 166 ist ein Absorptionsmedium 168 vorgesehen, das nach Kontakt mit Feuchtigkeit anschwillt. Wenn das Absorptionsmedium 168 zu viel Feuchtigkeit aufgenommen hat, muss die PRU 150 gewartet werden.
Eine Stromversorgungseinheit 170 liefert die Antriebskraft für den Betrieb der PRU 150. Die Stromversorgungseinheit 170 ist vorzugsweise ein unabhängiger Diesel-Industriemotor, der so konfiguriert ist, dass er mit dem durch die PRU 150 gekühlten Treibstoff betrieben werden kann. Ein Kühler 172 ist zum Kühlen eines flüssigen Kühlmittels vorgesehen, das in der Stromversorgungseinheit 170 verwendet wird. Der Kühler 172 ist von der Art, die bei herkömmlichen Dieselmotoren verwendet wird. Die Stromversorgungseinheit 170 treibt eine hydraulische Antriebspumpe 174 an. Die hydraulische Antriebspumpe 174 ist über Hydraulikleitungen 176 und 178 mit einer Tieftemperaturkältemaschine 180 verbunden. Die Hydraulikpumpe 174 bewegt hydraulische Flüssigkeit durch die Hydraulikleitungen 176 und 178, um in der Tieftemperaturkältemaschine 180 vorgesehene Verdichter anzutreiben. Eine elektronische Steuereinheit 182 überwacht und steuert den Betrieb der verschiedenen Bauteile der PRU 150. Die elektronische Steuereinheit 182 weist vorzugsweise eine programmierbare Steuereinrichtung auf, wie z. B. einen Mikroprozessor, wie er bei herkömmlichen PCs und Prozessrechnern eingesetzt wird. Die Kältemaschine 180 ist über Strömungspfade 181 und 183 mit dem Wärmetauscher 162 verbunden.
4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Zweistufen-Kältemaschine, die vorzugsweise als Tieftemperaturkältemaschine 180 der PRU 159 verwendet wird. Die Kältemaschine 180 umfasst eine obere Stufe 184 und eine untere Stufe 186. Die obere Stufe 184 weist einen Verdichter 188 auf, der vorzugsweise ein Schraubenverdichter ist, der durch die Stromversorgungseinheit 170 und die hydraulische Antriebspumpe 174 hydraulisch angetrieben wird. Der Verdichter 188 bewirkt, dass das Kühlmittel innerhalb des Bereichs der oberen Stufe 184 fließt. Das Kühlmittel fließt vom Verdichter 188 zu einem Kondensator 190. Der Kondensator 190 ist luftgekühlt, wobei ein Ventilator die Luft durch den Kondensator 190 presst. Umgebungsluft schafft eine Wärmesenke. Das Kühlmittel fließt durch den Kondensator 190, durch einen Druckbehälter 192 und dann durch eine Filter-/Trocknereinheit 194. Dann fließt das Kühlmittel von der Filter-/Trocknereinheit 194 durch eine erste Seite eines Flüssigkeits-/Saugaustauschers 196. Ein Magnetventil 198 steuert den Fluss des Kühlmittels durch die obere Stufe 184. Dann fließt das Kühlmittel durch das Wärmeausdehnungsventil 200, durch einen Verteiler 202 und zu einem Verdampfer/Kondensator 204. Das Kühlmittel der obere Stufe läuft durch die Verdampferseite des Verdampfers/Kondensators 204, durch eine zweite Seite des Flüssigkeits-/Saugaustauschers 196 und zu einem Saugfilter 206 am Einlass des hydraulisch angetriebenen Verdichters 188.
Die untere Stufe 186 umfasst einen hydraulisch angetriebenen Verdichter 208, der vorzugsweise ein Schraubenverdichter ist. Der Abfluss des Verdichters 206 ist an einen luftgekühlten Heißdampfkühler 210 angeschlossen, der vorzugsweise durch über einen Ventilator gekühlte Luft gekühlt wird, so dass Umgebungsluft eine Wärmesenke bewirkt. Dann fließt Kühlmittel vom luftgekühlten Heißdampfkühler 210 durch die Seite der unteren Stufe des Verdampfers/Kondensators 204, um Wärme vom Kühlmittel der unteren Stufe zum Kühlmittel der oberen Stufe weiterzuleiten. Dann fließt das Kühlmittel der unteren Stufe durch einen Druckbehälter 212 und einen Filtertrockner 214 und durch einen Flüssigkeits-/Saugaustauscher 216. Ein Magnetventil 218 befindet sich hinter dem Flüssigkeits-/Saugaustauscher 216 zum Steuern des Kühlmittelflusses durch die untere Stufe 186. Dann fließt das Kühlmittel der unteren Stufe durch ein Wärmeausdehnungsventil 220, einen Verteiler 222 und eine erste Seite eines Verdampfers 224. Das Kühlmittel fließt vom Verdampfer 224 zurück durch den Flüssigkeits-/Saugaustauscher 216 und dann durch einen Saugfilter 226. Das Kühlmittel der unteren Seite fließt dann vom Saugfilter 226 in den Einlass des Verdichters 208.
Eine Kühlflüssigkeit fließt vorzugsweise durch eine zweite Seite des Verdampfers 224. Bei anderen Ausführungsformen kann der Treibstoff direkt im Verdampfer 224 gekühlt werden. Wärme wird von der Kühlflüssigkeit zum Kühlmittel der zweiten Stufe weitergeleitet, das durch die zweite Stufe 186 fließt. Die Kühlflüssigkeit fließt, nachdem sie durch den Verdampfer 224 geflossen ist, in einen Speicherbehälter 230. Eine Pumpe 232 ist mit dem Auslass des Speicherbehälters 230 verbunden. Ein Bypass-Rückflussventil 236 ist mit der Leitung verbunden, die zwischen dem Speicherbehälter 230 und der Pumpe 232 verläuft. Das Rückflussventil 236 lenkt die Kühlflüssigkeit zur Bypass-Pumpe 234 als Reaktion darauf, dass die Bypass-Pumpe 234 aktiviert worden ist, um die Kühlflüssigkeit dort hindurch zirkulieren zu lassen. Das Rückflussventil 236 lenkt die Kühlflüssigkeit vom Auslass des Speicherbehälters 230 zum Einlass der Bypass-Pumpe 234 und dann zum Einlass für Kühlflüssigkeit des Verdampfers 224.
Die PRU 150 kann hinter einem herkömmlichen Fahrzeug hergezogen werden bzw. können ihre Kühlbauteile am Chassis eines herkömmlichen Tanklastwagens befestigt werden, wie in 5 dargestellt. Wird die PRU 150 zusammen mit einem herkömmlichen Tanklastwagen verwendet, nutzt sie dessen bordeigene Pumpen, Filter und Wasserabscheidungseinheiten, die normalerweise auf derartigen Tanklastwagen befestigt sind. Nach Herabsetzen der Temperatur wird der Treibstoff besonders gut gefiltert und vom Wasser abgeschieden, dann zurück zum Lastwagen geführt, wo es unmittelbar vor dem Betanken des Flugzeugs erneut gefiltert und abgeschieden wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Tieftemperatur-Kältemaschine 180 der PRU 150 wird ein herkömmliches Kühlmittel gegenüber Flüssigstickstoff bevorzugt eingesetzt. Das Kühlmittel ist vorzugsweise HFC-507/R-23. Es können andere Kühlmittel verwendet werden, wie z. B. SYLTHERM XLT-Flüssigkeit oder d-LIMONENE. Die PRU 150 ist so dimensioniert, dass sie 378,5 l bis 3028 l (100 bis 800 Gallonen) pro Minute Flüssigtreibstoff der Kategorie A und B verarbeiten kann. Die physikalische Größe der PRU 150 beträgt 5,4 m (18 Fuß) in der Länge mal 2,4 m (8 Fuß) in der Breite mal 2,4 m (8 Fuß) in der Höhe. Das Gewicht beträgt ungefähr 4769 kg (10.500 Pfund). Der Nennwert der Stromversorgungseinheit 170 liegt bei 120 kW (160 PS). Die geschätzte Last der PRU 150 bei 378,5 l (100 Gallonen) pro Minute wird auf 2030 MJ (1.924,230 kWh) pro Stunde geschätzt. Der Mikroprozessor PRU 150 steuert und beinhaltet das Initiieren einer ausfallsicheren Abschaltung für den Fall, dass Betriebszustandssensoren eine Funktionsstörung oder unsichere Umstände anzeigen sollten. Die PRU 150 schaltet dann automatisch bei einem Treibstoffdruck von 4.576 gm/cm (65 PDI) ab. Beim ausfallsicheren Abschalten beträgt die Temperatur für die Kühlmittel –48,3°C (–55°F) und –36°C (–33°F) für die Verarbeitungsflüssigkeiten. Kerosin mit einer spezifischen Wärmekapazität von 0,50 und einer relativen Dichte von 0,777 wird als Kühlflüssigkeit verwendet, die Wärme zwischen der Tieftemperatur-Kältemaschine 180 und dem Wärmetauscher 162 weiterleitet. Die Ausgangstemperatur der Leitflüssigkeit für das Kühlmittel beträgt vorzugsweise –40°C (–40°F). Die Prüfdrücke betragen 3515 gm/cm (50 PSI) bei Prüfkühlmittelfließgeschwindigkeiten von 757 l (200 Gallonen) pro Minute. Der normale Umgebungstemperaturbereich der Einheit liegt bei 0°C bis 40,5°C (32°F bis 105°F).
5 zeigt eine Seitenansicht eines Tanklastwagens 238 für Flugzeuge, der eine tragbare Kühleinheit 240 aufweist, die am Chassis des Lastwagens befestigt ist. Die Kühleinheit 240 umfasst die Bearbeitungskomponenten der PRU 150 und ist stattdessen am Chassis des Lastwagens 238 und nicht auf einem Trailer befestigt.
Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zum Kühlen des Treibstoffs andere ausdehnbare Kühlmittel als Stickstoff verwendet werden. Hierbei sind ausdehnbare Kühlmittel jene, die einmal benutzt und dann gewöhnlich als Gas in die Atmosphäre abgeführt werden. Ausdehnbare Kühlmittel können Flüssigstickstoff, Kohlendioxid, Argon oder Flüssighelium sein. Derartige ausdehnbare Kühlmittel können bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen anstelle von Flüssigstickstoff verwendet werden.
Wie ersichtlich werden durch die vorstehend beschriebene Erfindung mehrere Vorteile erreicht. Der gekühlte Treibstoff weist eine wesentlich geringere Dichte auf, so dass mehr Treibstoff in den Treibstofftanks gelagert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft bei großen Düsenverkehrsflugzeugen, die große Mengen an Treibstoff benötigen.
Bei der Technologie für Kolbenflugmotoren werden keine modernen elektronischen Computer-Überwachungsgeräte zur Überwachung des Niveaus nicht verbrannter Treibstoffreste in Abgasen eingesetzt. Gekühlter Treibstoff bietet bedeutende Vorteile für das Flugzeug. Ein Nutzen für das Flugzeug durch magerere oder reichere Treibstoff-/Luftgemische kann während des Flugs durch manuelle Einstellung durch den Piloten erreicht werden. Mehr Energie wird durch dichteren gekühlten Treibstoff verfügbar. In einem gekühlten Zustand enthält der Treibstoff selbst zusätzliche Energie pro Messung und bietet daher mehr verfügbare Motorkraft beim Start und beim Flug in Reisehöhe durch reichere Gemische, bzw. der Motor kann manuell magerer eingestellt werden, wodurch eine noch magere und effizientere Treibstoffverbrennung, eine erhöhte Wirtschaftlichkeit, eine größere Reichweite sowie reduzierte Emissionen erreicht werden.
Flugzeugmotoren sind für Betriebsprobleme hinsichtlich Wärme anfälliger, da weniger Kühlluft während des Betriebs am Boden bei niedrigen Drehzahlen vorhanden ist und es schwieriger ist, sie nach Abschalten des Motors erneut zu starten. Gekühlter Treibstoff erleichtert heiße Neustarts.
Die Einsatzmöglichkeiten für Flugzeuge werden durch die Verwendung von gekühltem Treibstoff, isolierten Treibstofftanks und/oder zugehörigen Systemen, die entsprechende gekühlte Treibstofftemperaturen erzeugen und/oder aufrecht erhalten sollen, erweitert. Die Kälte derartiger Treibstofftanks wird ferner dazu benutzt, die Arbeitsweise des Flugzeugs weiter zu unterstützen. Der Treibstofftank schafft eine Quelle für kühle Luft. Außenluft zirkuliert durch Wärmekorridore oder Luftdurchgänge, die mit dem Treibstofftank in Kontakt sind, oder durch Rohrleitungen zu Motorkabinen und/oder Passagierbereichen, die gekühlt werden sollen. Diese Quelle für Luft geringer Temperatur benötigt keine Energie, die von der Motorleistung abgenommen wird, wodurch die Effizienz des Motor zunimmt.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen im Detail beschrieben worden sind, sind verschiedene Änderungen, Auswechslungen und Umbauten möglich, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Betanken eines Flugzeugs (22) mit einem bordeigenen Treibstoffspeichertank (42), die Schritte umfassend, einen flüssigen Treibstoff (8) zum Betanken des Flugzeugs (22) bereitzustellen, den Treibstoff (8) an einen Ort am Boden weiterzuleiten, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Kühlen des Treibstoffs (8) auf verringerte Temperaturen außerhalb des Flugzeugs (22) am Boden und auf eine Temperatur, die wesentlich kleiner als die Umgebungstemperatur ist, sodass das Volumen des Treibstoffs (8) verringert wird; und Weiterleiten des Treibstoffs (8) zum Flugzeug (22), während der Treibstoff (8) bei den verringerten Temperaturen ist und Lagern des Treibstoffs (8) in dem bordeigenen Treibstoffspeichertank (42), wobei die verringerte Temperatur und das verringerte Volumen des Treibstoffs (8) den Energiewert des Treibstoffs (8) pro Volumeneinheit vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen nicht wesentlich kleiner als 0°C (32 Grad F) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen nicht wesentlich kleiner als 22,2°C (40 Grad F) unter Raumtemperaturen gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen zwischen ungefähr –18°C und –45°C (0 Grad F und –50 Grad F) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen oberhalb des Stockpunkts des Treibstoffs (8) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bordeigene Treibstoffspeichertank (42) isoliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Kühlens des Treibstoffs (8) auf verringerte Temperaturen die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Kühlflüssigkeit (15) mit einer Temperatur unterhalb der verringerten Temperaturen; Bereitstellen des Treibstoffs (8) in einem Speicherbehälter (12); Bereitstellen eines Wärmetauschers (26); Weiterleiten eines Teils des Treibstoffs (8) vom Speicherbehälter (12) zum Wärmetauscher (26); und Verwenden der Kühlflüssigkeit (15) im Wärmetauscher (26) zum Kühlen der Treibstoffmenge (8), wenn die Treibstoffmenge (8) durch den Wärmetauscher (26) geführt wird, sodass die Treibstoffmenge (8) auf verringerte Temperaturen gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kühlflüssigkeit (15) eine zweite Treibstoffmenge einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei der Wärmetauscher (26) an einer mobilen Einheit (24) befestigt ist, die wahlweise nahe dem Speicherbehälter (12) und dem Flugzeug (22) angeordnet werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kühlflüssigkeit (15) mittels einer Kühleinheit (16) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Kühlflüssigkeit ein Verbrauchskühlmittel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen kleiner als ungefähr –26°C (–15 Grad F) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen zwischen ungefähr –26°C und –45°C (–15 Grad F und –50 Grad F) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Treibstoff (8) auf Temperaturen unterhalb des Flammpunkts des Treibstoffs (8) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei der Schritt des Weiterleitens des Treibstoffs (8) vom bordeigenen Treibstoffspeichertank (42) zum Triebwerk (44) des Flugzeugs (22) den Schritt umfasst, den Treibstoff (8) in das Triebwerk (44) zu führen, während er bei verringerten Temperaturen ist.
Treibstoffabgabesystem zum Abgeben von Treibstoff (8) an ein Flugzeug (22), umfassend einen Treibstoffspeichertank (12) am Boden, gekennzeichnet durch eine mit dem Speichertank (12) verbundene Treibstoffleitung (38) zum Abgeben von Treibstoff (8) an einen Wärmetauscher (26) von innerhalb des Speichertanks (12); genannten mit der Treibstoffleitung (38) verbundenen Wärmetauscher (26) zum Aufnehmen und Kühlen des Treibstoffs (8) vom Treibstoffspeichertank (12) auf verringerte Temperaturen, die kleiner sind als Umgebungstemperaturen, wobei das gekühlte Volumen des Treibstoffs (8) auf unterhalb des Volumens des Treibstoffs (8) bei atmosphärischen Temperaturen verringert wird; und eine zweite mit dem Wärmetauscher (26) verbundene Treibstoffleitung (40) zum Abgeben des Treibstoffs (8) an das Flugzeug (22) bei verringerten Temperaturen.
Treibstoffabgabesystem nach Anspruch 16, zudem umfassend: eine Kältemaschine (180) zum Komprimieren und Ausdehnen einer Kühlflüssigkeit, um Wärme vom Treibstoff (8) zu einer Wärmesenke weiterzuleiten; und ein Kühlflüssigkeitszirkulationssystem (174), das eine Kühlflüssigkeit zwischen der Kältemaschine (180) und dem Wärmetauscher (162) zum Weiterleiten von Wärme zwischen diesen und zum Erhöhen des Energiewerts des Treibstoffs (8) pro Volumeneinheit zirkuliert.
Treibstoffabgabesystem nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, zudem umfassend eine zwischen dem Wärmetauscher (162) und der zweiten Treibstoffleitung (158) angeschlossene Wasserabscheidungseinheit (166) zum Entfernen von Wasser aus dem Treibstoff (8) bei den verringerten Temperaturen.