EP1278986A1 - Tankanlage für aus kleinen bis kleinsten festkörpern bestehendes, mit einem brennbaren gas beladbares schüttgut und einer einrichtung zum entladen des schüttgutes - Google Patents

Tankanlage für aus kleinen bis kleinsten festkörpern bestehendes, mit einem brennbaren gas beladbares schüttgut und einer einrichtung zum entladen des schüttgutes

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Publication number
EP1278986A1
EP1278986A1 EP01936008A EP01936008A EP1278986A1 EP 1278986 A1 EP1278986 A1 EP 1278986A1 EP 01936008 A EP01936008 A EP 01936008A EP 01936008 A EP01936008 A EP 01936008A EP 1278986 A1 EP1278986 A1 EP 1278986A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tank
bulk material
tank system
pipeline
cyclone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01936008A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Nave
Walter Kroy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ludwig Bolkow Stiftung
Original Assignee
Ludwig Bolkow Stiftung
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ludwig Bolkow Stiftung filed Critical Ludwig Bolkow Stiftung
Publication of EP1278986A1 publication Critical patent/EP1278986A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/002—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for acetylene
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • Tank system for bulk goods consisting of small to very small solids, which can be loaded with a combustible gas and a device for unloading the bulk goods.
  • the invention relates to a tank system according to the preamble of claim 1.
  • the invention is therefore based on the object, in the context of the tank system according to the invention, to initially propose a tank which allows the unloaded bulk material to be taken up gently and also very space-saving, while the bulk material to be unloaded is removed from the same tank.
  • the invention proposes a device for unloading the bulk material, which allows the bulk material to be treated extremely gently during the unloading process.
  • the bulk goods mentioned above for example the nanotubes
  • filters are very small - their length is in the micrometer range and their diameter in the nanometer range - it would be extremely difficult to separate the emptied nanotubes from the gas using filters.
  • the filters would quickly become clogged and the bulk material could only be removed from the filter material with great effort.
  • it is therefore basically proposed to carry out the separation of the gas phase from the solid phase using a cyclone.
  • the removal of the loaded bulk material from the tank, its further transport into the cyclone and the return of the unloaded bulk material in turn into the tank is carried out by appropriate pressure drops, which can be generated in different ways.
  • the bulk material flow then passes through the first part of a heat exchanger, where it absorbs heat from the already prepared gas flow. This is followed by the point where the bulk material flow is heated to the desired or necessary desorption temperature.
  • the heating in question can either be designed electrically or as a heat pump or can even be implemented using a hydrogen heater.
  • the prevailing temperature is controlled by one or more temperature sensors.
  • the expansion caused by the heating of the hydrogen can be kept small by setting the pressure accordingly.
  • the tank system described above works without pumps, which is an important prerequisite for the gentle handling of the bulk material. Filters and sieves are also missing when separating the gas from the solid phase.
  • a hydrogen gas flow partially branched off from the end of the cyclone can generate an overpressure via a turbine in the tank with the loaded bulk material, so that the loaded bulk material is thereby pressed into the cyclone through another pipeline for unloading.
  • the turbine can be designed as an axial turbine; between their rigidly connected paddle wheels there can be heating elements which raise the gas temperature to the required desorption temperature.
  • the heater can advantageously be designed electrically.
  • a heat pump or a hydrogen flame would also be adjustable, for example.
  • the blades of the turbine are adapted to the thermal expansion of the gas flow by a factor of approx. 3.7 according to aerodynamic principles. This factor can be reduced by increasing the working pressure. Further details of the inevitable tank system are contained in detail in the illustration description.
  • the device according to the invention for unloading the bulk goods is characterized in summary by the following advantages: no pumps, no filters or sieves and ⁇ as required - continuous desorption operation is also possible.
  • a radial turbine can also be used as the turbine in the context of the tank system according to the invention.
  • the tank system according to the invention should be completely hermetically lockable from its surroundings in order to avoid serious damage in the event of hydrogen leaks.
  • FIGS. 1 to 5. Show it:
  • Fig. 1 shows a tank with a membrane for use in a tank system according to the invention.
  • Fig. 2 shows a tank with a piston, also usable in a tank system according to the invention.
  • FIG. 3 shows a tank system for unloading bulk material loaded with combustible gas from the smallest solids.
  • FIG. 4 shows a tank system for the continuous unloading of bulk goods according to FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a pump system for use as required in tank systems according to FIGS. 3 and 4.
  • the tank 1 according to the invention is divided longitudinally into two separate sections 5 and 6 by a flexible membrane 3. If the department 5 is filled with bulk material made of, for example, hydrogen-enriched nanotubes, the membrane 3 approaches the lower inner region 9 of the tank 1 with increasing filling until it is completely in contact; in this state the department 5 of the tank 1 can use its almost 100% filling volume. The same applies in reverse for the section 6 of the tank 1. In this case, the membrane 3 lies completely on the upper inner region 16 of the tank 1 as soon as the section 6 is filled.
  • the pipeline 10 of the tank 1 leads in the direction of the arrow 11 to an unloading device 12 or 13 in accordance with FIGS. 3 and 4.
  • the unloaded bulk material is returned from the unloading device 12 or 13 through the pipeline 14 in the direction of the arrow 15 into the tank 1 - 'Out, in its department 6. Because that in the same course, the Ar division 5 takes place through the pipeline 10, moves with the filling of the department 6, the membrane 3 of the tank 1 according to Fig.l so long up until it comes to rest in the 100% filling state of the department 6 on the upper inner surface 16 of the tank 1. In this state, department 5 is completely empty. You can again "refuel" with loaded Bulk goods are filled after the unloaded bulk goods have been removed from the section 6, after which the previously described process of unloading can begin again.
  • the pipeline 17 according to FIG. 1 is used according to arrow direction 18 to generate an internal pressure in the department 5 in order to start and maintain its emptying flow of the bulk material through the pipeline 10. -
  • FIG. 2 shows a tank 2 in the shape of a cylinder (lying down), which is equipped with a piston 4 inside, which divides the interior of the tank 2 into the two sections 7 and 8.
  • the piston 4 can be connected to a piston rod 19, which allows the piston 4 to be moved from the outside in accordance with the double arrow direction 20 and, if necessary, also to control its movement by means of suitable auxiliary devices.
  • the department 4 which is equipped with a combustible gas enriched nanotube, bears the piston 4 against the inner end face 21 of the tank 2 (right in the picture).
  • the department 7 then corresponds to almost the entire filling volume of the tank 2, and so this can be used almost completely to hold enriched bulk material.
  • the piston 4 can move to the extent that the bulk material is removed from the department 7, move to the left towards the inner end face 24 of the tank 2.
  • the volume of the department 8 increases to the same extent, corresponding to the decrease in the volume of the department 7.
  • the department 8 is thus from the beginning of the unloading process is available for receiving unloaded bulk material, which can be supplied to it through the pipeline 25, which connects the tank 2 to the unloading device 12 or 13, in accordance with the direction of the arrow 26. This is possible until the piston 4 on the end face 24 of the tank 2 comes to rest.
  • the tank 2 is "empty"; the section 7 can then be filled again with a combustible gas-enriched bulk material after the section 8 has been emptied and the piston 4 has moved to the right until it touches the inner end face 21 of the tank 2
  • the pipeline 27 is a pressure supply line analogous to the pipeline 17 according to Fig. 1.
  • the direction of the arrow 28 illustrates the direction of the pressure supply.
  • FIG. 3 shows a tank 1 which is connected to a discharge device 12 via the pipes 10 and 14.
  • the tank 1 is only missing the pipe 17 compared to the illustration in Fig.l.
  • the pipeline 10 ultimately leads to a cyclone 29 in the direction of the arrow 11.
  • a heater 31 is provided in the region 30 of the pipeline 10; is also in the region 30 of the initial diameter 32 of the pipeline 10 up to the entry into the cyclone 29 to the larger diameter 33. The heating unloads the bulk material.
  • the mixture of discharged bulk material and the combustible gas then flows into the cyclone 29, where it is separated in a manner known per se.
  • the bulk material falls out of the cyclone 29 due to its considerably greater specific weight than the gas and can be fed to the section 6 of the tank 1 via the pipeline 14.
  • the combustible gas is supplied via pipeline 34 for use in a fuel cell or in a press brake. Since the gas is still very warm due to the heating of the bulk material after it has been separated from it, it can be economical to provide a heat exchanger which in its part 35 surrounding the pipe 34 absorbs as much heat as possible from the gas flowing out and this via the pipe 36 and its part 37, which surrounds the pipeline 10 even before its region 30, into the pipeline 10 or into the bulk material therein.
  • the valves 38, 39 and 40 serve to regulate the discharge device 12.
  • the pressure feed pipes 18 and 39 according to FIGS. 1 and 2 are not required for tanks 1 and 2, since here the pressure required to start and maintain the discharge process is otherwise generated and maintained.
  • the desorption of the gas adsorbed on the bulk material must be carried out intermittently. To clarify this, the individual stages of the cycle are described below.
  • the boiler room - that is, the interior of the pipeline 10 in the area 30 - is filled with fresh, loaded bulk material.
  • the valve 40 is closed, as are the valves 39 and 38.
  • the heater 31 is then switched on, as a result of which the pressure in the cyclone rises.
  • the throttle valve 38 is now opened somewhat. In the resulting gas flow, a vortex forms in the cyclone, through which the bulk material discharged by the heating is separated.
  • the valve 38 is closed again and the valve 39 is opened.
  • the overpressure still prevailing in the cyclone 29 presses against the membrane 3 in the tank 1 and is thus able to press fresh bulk material into the pipeline 10.
  • the valve 40 is opened until there is sufficient fresh, still loaded bulk material in the boiler room, where the discharge process then begins immediately. The cycle described above can thus begin again.
  • the individual process steps are mutually coordinated - for a relevant specialist of course - various sensors including a control device required for timely regulation or control of the heating and valves.
  • a control device required for timely regulation or control of the heating and valves.
  • it may prove necessary to implement the system for example.
  • the tank system according to the invention advantageously works without pumps, which is a very important prerequisite for gentle handling of the sensitive bulk goods.
  • the invention also avoids any filters, sieves or the like for separating the gas from the solid phase. Given the small size of the bulk material particles, for example the nanotubes, it would be difficult, for example, to produce filters with a sufficient service life and the necessary degrees of separation in a cost-effective or economical manner.
  • the discharge device 13 according to FIG. 4 is equipped with a tank 1 according to FIG. 1. Furthermore, it works continuously, thanks to an axial turbine 41, which generates and maintains pressure in the section 5 of the tank 1 via the pipeline 17. This pressure causes the bulk material that has already been discharged in the department 5 to flow out, since the turbine 41, thanks to its heating device 42, brings the required heat into the department 5 in addition to the pressure. From this, the mixture of discharged bulk material and a combustible gas flows through the pipeline 10 into a cyclone 43. There, in turn, the gas is separated from the discharged bulk material in a manner known per se. The gas is supplied through tubing 44 for use in a fuel cell or in an internal combustion engine.
  • the unloaded bulk material is fed from the cyclone 43 via the pipeline 14 to the department 6 of the tank 1.
  • the pipes 10 and 17 are connected via a heat exchanger 45, which transfers excess heat from the pipe 10 into the pipe 17.
  • a valve 46 in the pipeline 44 allows the amount of gas to be removed to be regulated.
  • FIG. 5 shows a pump system which, if necessary, can be used in tank systems according to FIGS. 3 and 4 for transporting the bulk material.
  • a tube 47 with a round, square or rectangular cross section is equipped with the two flap valves 48 and 49, which are kept open in their basic position with a weak spring pressure, not shown here. If the piston 50 is moved downward in the direction of 51 in the cylinder 56, which is connected to each ear 47, the valve 48 shoots against its spring pressure and its stop 58 and the contents of the space 52 can escape in the direction 53 through the open vent. If the content is bulk material within the scope of the invention, it can easily be imagined that it can be transported intermittently in this way with the pumping device in the direction 11 according to FIG. 3 if it is with its tube 47 in the pipeline 10 the tank systems according to Figures 3 and 4 is integrated accordingly.
  • valve 49 shoots against its spring pressure and its stop 57, while the flap of the valve 48 lifts off its stop 58, so that now further bulk material in the direction of the arrow 55 can flow into space 52.
  • the closable openings 59 and 60 in the left-hand end wall of the tank 1 according to FIG. 1 serve, as required, for filling or emptying the compartments 5 and 6 of the tank 1.
  • closable openings are also possible for a tank 2 according to FIG. 2 to be provided in order to be able to load and / or unload departments 7 and 8 there as required.
  • the membrane 3 and the piston 4 including its piston rod 19 can also be used for level measurements or for level indicators of the tanks 1 and 2.
  • the membrane 3 would have to be equipped with suitable sensors, for example with optical sensors, while in the tank 2 its current level can be read off directly on the control of the piston rod 19.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankanlage für aus kleinen bis kleinsten Festfkörpern bestehendes, mit einem brennbaren Gas beladbares Schüttgut, das beispielsweise mit Wasserstoff anfüllbar ist, sowie eine Einrichtung zum Entladen des Schüttgutes. Erfindungsgemäss ist das Füllvolumen des Tanks (1) in zwei hermetisch voneinander getrennte Abteilungen (5, 6) unterteils, derart, dass diese hinsichtlich ihrer Volumina wechselweise reziprok zwischen dem Wert, "nahezu Null" und dem nahezu gesamten Füllvolumen des Tanks (1) variierbar sind, und dass der Tank (1) mit einer Einrichtung zum Entladen des Schüttgutes verbunden ist, die es gestattet, das entladene Schüttgut in den Tank (1) zurückzuführen.

Description

Beschreibung
Tankanlage für aus kleinen bis kleinsten Festkörpern bestehendes, mit einem brennbaren Gas beladbares Schüttgut und einer Einrichtung zum Entladen des Schütt- gutes.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Tankanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine der Speichermögüchkeiten für Wasserstoff an Bord von mit Brennstoffzellen bestückten Elektrofahrzeugen ist die Adsorption von Wasserstoff an und in sogenannten Nanoröhrchen, einer Modifikation von Graphit, der mit den „fullerene" genannten kugelförmigen Kohlenstoffgroßmolekülen verwandt ist. Um den adsorbierten Wasserstoff in den Brennstoffzellen verwenden zu können, muß er bei vorzugsweise erhöhter Temperatur desorbiert und anschließend von den entleerten Nanoröhrchen getrennt werden. Da die Herstellung des Röhrchenmaterials aufwendig ist und wesentliche Kostensenkungen nicht zu erwarten sind, müssen die Röhrchen nach ihrer Entladung für das Wiederverwenden gesammelt werden. Wenn auch die Röhrchen mechanisch relativ widerstandsfähig sind, so müssen sie dennoch sehr schonend behandelt werden, damit beim Entladen möglichst wenige von ihnen zu Bruch gehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der erfindungsgemäßenTankanlage zunächst einen Tank vorzuschlagen, der es gestattet, das entladene Schüttgut schonend und außerdem sehr raumsparend wieder in sich aufzunehmen, während das zu entladende Schüttgut dem gleichen Tank entnommen wird.
Gelöst ist diese Aufgabe generell durch das Kennzeichen von Patentanspruch 1, und im besonderen durch die kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 2 bis 4. Während das mit einem brennbaren Gas beladene Schüttgut dem Tank entnommen wird, kann das entladene Schüttgut in den gleichen Tank zurückströmen, da dieser zwei hermetisch voneinander getrennte Abteilungen besitzt, die durch das Trennelement - eine hochflexible Membran oder ein längsaxial verschieb- barer Kolben - hinsichtlich ihrer Volumina wechselweise zwischen dem Wert „nahezu Null" und dem nahezu gesamten Füllvolumen des Tanks variierbar sind.
Des weiteren schlägt die Erfindung eine Einrichtung zum Entladen des Schüttgutes vor, die es erlaubt, das Schüttgut während des Entladungsverfahrens äußerst schonend zu behandeln.
Gelöst ist diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 5-14.
Da das oben erwähnte Schüttgut, zum Beispiel die Nanoröhrchen, sehr klein sind - ihre Länge liegt im Mikrometerbereich und ihr Durchmesser im Nanometerbereich - wäre die Trennung der entleerten Nanoröhrchen vom Gas mittels Filtern äußerst schwierig. Die Filter würden schnell verstopft sein, und das Schüttgut könnte nur sehr aufwendig aus dem Filtermaterial entfernt werden. Erfindungsgernäß wird daher grundsätzlich vorgeschlagen, die Trennung der Gasphase von der Feststoflphase mit einem Zyklon vorzunehmen. Die Entnahme des beladenen Schüttgutes aus dem Tank, sein Weitertransport in den Zyklon und die Rückführung des entladenen Schüttgutes wiederum in den Tank erfolgt durch entsprechende Druckgefälle, die auf unterschiedliche Weise erzeugt werden können.
Verfolgt man zum Beispiel den Weg des Schüttgutstroms vom Tank zur Desorptionsstelle bei einer Tankanlage gemäß Anspruch 5, so begegnet man zunächst einem Ventil möglichst in Verbindung mit einem Drucksensor zur Steuerung und Überwachung der erfindungsgemäßen Tankanlage. Danach durchläuft der Schüttgutstrom den ersten Teil eines Wärmetauschers, wo er Wärme aus dem bereits aufbereiteten Gasstrom aufi immt. Hierauf folgt die Stelle, wo der Schüttgutstrom auf die gewünschte bzw. notwendige Desorptionstemperatur aufgeheizt wird. Die betreffende Heizung kann entweder elektrisch oder auch als Wärmepumpe ausgebildet sein oder sogar durch eine WasserstofEHarnme realisiert werden. Die herrschende Temperatur wird durch einen oder mehrere Temperatursensoren kontrolliert. Die durch die Aufheizung des Wasserstoffs bedingte Ausdehnung kann durch entsprechend eingestellten Druck klein gehalten werden.
Nach Passieren des zweiten Teils des Wärmetauschers, der die nicht mehr benötigte Wärme dem
Schüttgutstrom entzieht, gelangt dieser in einen Zyklon. In diesem werden nach dem bekannten Zyklonprinzip das Gas und das Schüttgut voneinander getrennt. Während das entladene Schüttgut in die dafür vorgesehene Abteilung des Tanks wandert, wird der Gasstrom über eine dafür vorgesehene Rohrleitung, die gegebenenfalls mit einem Feinsieb sowie einer Drossel in Verbindung mit einem Drucksen- sor ausgestattet ist, dem Verbraucher zugeführt. Um einen gerichteten Schüttgutstrom zu erhalten, muß die Desorption intermittierend arbeiten. Zur Verdeutlichung dieser Arbeitsweise sind die einzelnen Stufen des Zyklus detailliert im Zusammenhang mit der Tankanlage gemäß der Fig.3 beschrieben.
In einer Tankanlage gemäß Anspruch 5 sind diverse Sensoren erforderlich, die zusammen mit einem nicht näher ausgeführten und nicht gezeigten Steuergerät die Heizung sowie die notwendigen Ventile bzw. Schieber der Zyklusbeschreibung gemäß zeitrichtig ansteuern.
Die vorstehend beschriebene Tankanlage arbeitet ohne Pumpen, was eine wichtige Voraussetzung für die schonende Behandlung des Schüttgutes ist. Ebenso fehlen Filter und Siebe bei der Trennung des Gases von der Feststoffphase.
Des weiteren kann ein vom Ende des Zyklons partiell abgezweigter Wasserstoffgasstrom über eine Turbine in dem Tank mit dem beladenen Schüttgut einen Überdruck erzeugen, derart dass hierdurch das beladene Schüttgut durch eine andere Rohrleitung zum Entladen in den Zyklon gedrückt wird. Die Turbine kann als Axialturbine ausgebildet sein; zwischen ihren starr miteinander verbundenen Schaufelrädern können sich Heizelemente befinden, die die Gastemperatur auf die erforderliche Desorptionstemperatur erhöhen. Die Heizung kann vorteilhaft elektrisch ausgelegt sein. Norstellbar wäre aber zum Beispiel auch hier eine Wärmepumpe oder eine Was- serstoffflamme. Die Schaufeln der Turbine sind nach aerodynamischen Prinzipien an die thermische Ausdehnung des Gasstromes um den Faktor ca. 3,7 angepasst. Dieser Faktor kann durch Arbeitsdruckerhöhung verkleinert werden. Weitere Einzelheiten der erflnduigsgernäßen Tankanlage sind detailliert in der Abbildungsbeschreibung enthalten.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Entladen des Schüttgutes zeichnet sich zusammenfassend durch folgende Vorteile aus: keine Pumpen, keine Filter oder Siebe und ~ je nach Bedarf - ist auch ein kontinuierlicher Desorptionsbetrieb möglich.
Als Turbine kann auch eine Radialturbine zum Einsatz kommen im Rahmen der erfindungsge- mäßen Tankanlage.
Außerdem kann bei einem nichtkontinuierlichen Betrieb der erfindungsgemäßen Tankanlage eine einfache mechanische Pumpe Verwendung finden, wie sie beispielsweise in der nachfolgenden Abbildungsbeschreibung hinsichtlich der Fig.5 erläutert ist. Schließlich könnte es auch sinnvoll sein, den Transport des Schüttgutes - vor allem bei stationären Anlagen - durch an sich bekannte Rütteleinrichtungen zu realisieren; für mobile Anlagen - wie zum Beispiel für Kraftfahrzeuge - dürfte jedoch diese Art des Schüttguttransportes weniger geeignet sein, wenngleich man ihn jedoch auch hier nicht ganz ausschließen kann.
Um den gesetzlichen Bestimmungen zu genügen, sollte die erfindungsgemäße Tankanlage gegenüber ihrer Umgebung vollends hermetisch abschließbar sein, um bei Wasserstoffleckagen gravierende Schäden zu vermeiden.
Abbildungsbeschreibung
In den Abbildungen ist die die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 5 zeichnerisch erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Tank mit einer Membran zur Verwendung in einer erfindungsgemässen Tankanlage.
Fig. 2 einen Tank mit einem Kolben, ebenfalls verwendbar in einer erfindungsgemässen Tankanlage.
Fig. 3 eine Tankanlage zum Entladen von mit brennbarem Gas beladenen Schüttgut aus kleins- ten Festkörpern.
Fig. 4 eine Tankanlage zum kontinuierlichen Entladen von Schüttgut gemäss Fig. 3.
Fig. 5 ein Pumpsystem zum bedarfsweisen Einsatz in Tankanlagen gemäss den Figuren 3 und 4.
Der Tank 1 gemäss Fig.1 ist erfindungsgemäss längsmittig durch eine flexible Membran 3 in zwei voneinander getrennte Abteilungen 5 und 6 unterteilt. Wird die Abteilung 5 mit Schüttgut aus beispielsweise mit Wasserstoff angereicherten Nanoröhrchen gefüllt, so nähert sich die Membran 3 mit zunehmender Füllung dem unteren Innenbereich 9 des Tanks 1 bis zum völligen Anliegen; in diesem Zustand ist für die Abteilung 5 des Tanks 1 dessen nahezu 100%iges Füllvolumen nutzbar. Das gleiche gilt umgekehrt für die Abteilung 6 des Tanks 1. In diesem Falle liegt die Membran 3 vollends an dem oberen Innenbereich 16 des Tanks 1 , sobald die Abteilung 6 gefüllt ist. Die Rohrleitung 10 des Tanks 1 führt gemäss Pfeilrichtung 11 zu einer Entladeein- richtung 12 bzw.13 gemäss den Figuren 3 und 4. Von der Entladeeinrichtung 12 bzw.13 wird das entladene Schüttgut durch die Rohrleitung 14 gemäss der Pfeilrichtung 15 in den Tank 1 zurück-' geführt, und zwar in dessen Abteilung 6. Dadurch, dass im gleichen Zuge das Entleeren der Ar teilung 5 durch die Rohrleitung 10 erfolgt, bewegt sich mit dem Füllen der Abteilung 6 die Membran 3 des Tanks 1 gemäss Fig.l so lange nach oben, bis sie im 100%igen Füllzustand der Abteilung 6 an der oberen Innenfläche 16 des Tanks 1 zum Anliegen kommt. In diesem Zustand ist die Abteilung 5 vollends entleert. Sie kann wieder zum erneuten „Auftanken" mit beladenem Schüttgut gefüllt werden, nachdem das entladene Schüttgut aus der Abteilung 6 entfernt wurde, wonach der vorher beschriebene Vorgang des Entladens erneut beginnen kann. - Die Rohrleitung 17 gemäss Fig.1 dient gemäss Pfeilrichtung 18 zum Erzeugen eines Innendruckes in der Abteilung 5, um deren Entleerungsstrom des Schüttgutes durch die Rohrleitung 10 in Gang zu setzen und aufrecht zu erhalten. -
Fig.2 zeigt einen Tank 2 in Zylinderform (liegend), der in seinem Inneren mit einem Kolben 4 bestückt ist, welcher den Innenraum des Tanks 2 in die beiden Abteilungen 7 und 8 unterteilt. Der Kolben 4 kann mit einer Kolbenstange 19 verbunden sein, die es erlaubt, den Kolben 4 ent- sprechend der Doppelpfeilrichtung 20 von aussen zu bewegen und ihn im Bedarfsfalle mittels geeigneter Hilfseinrichtungen auch zu steuern in seinem Bewegungsablauf.- In voll mit Schüttgut aus zum Beispiel mit einem brennbaren Gas angereicherten Nanoröhrchen bestückter Abteilung 7 liegt der Kolben 4 an der inneren Stirnfläche 21 des Tanks 2(rechts im Bild) an. Die Abteilung 7 entspricht dann nahezu dem gesamten Füllvolumen des Tanks 2, und so kann dieses nahezu vollends zur Aufhahme von angereichertem Schüttgut benutzt werden. Wenn nun das Schüttgut aus der Abteilung 7 nach und nach durch die Rohrleitung 22 entsprechend der Pfeilrichtung 23 einer Entladungseinrichtung, zum Beispiel der Einrichtung 13 gemäss der Fig.4 zugeleitet wird, kann sich der Kolben 4 in dem Maße, wie es die Entnahme des Schüttgutes aus der Abteilung 7 zulässt, nach links bewegen in Richtung auf die innere Stirnfläche 24 des Tanks 2. Während dieses Vorganges vergrössert sich in gleichem Maße das Volumen der Abteilung 8, entsprechend der Abnahme des Volumens der Abteilung 7. Die Abteilung 8 ist damit ab Beginn des Entladevorganges verfügbar zur Aufnahme von entladenem Schüttgut, welches ihr durch die Rohrleitung 25, die den Tank 2 mit der Entladungseinrichung 12 oder 13 verbindet, zugeführt werden kann entsprechend der Pfeilrichtung 26. Dies ist so lange möglich, bis der Kolben 4 an der Stirnfläche 24 des Tanks 2 zum Anliegen kommt. In diesem Zustand ist der Tank 2 „leer"; die Abteilung 7 kann dann wieder mit einem brennbaren Gas angereicherten Schüttgut gefüllt werden, nachdem die Abteilung 8 entleert und der Kolben 4 bis zu seinem Anliegen an der inneren Stirnfläche 21 des Tanks 2 nach rechts bewegt wurde. Bei der Rohrleitung 27 handelt es sich analog zu der Rohrleitung 17 gemäss Fig.l um eine Druckzuführungsleitung. Die Pfeilrichtung 28 verdeutlicht die Druckzuführungs-Richtung.
Die Fig.3 zeigt einen Tank 1, der über die Rohrleitungen 10 und 14 mit einer Entladungseinrichtung 12 verbunden ist. Dem Tank 1 fehlt hier lediglich die Rohrleitung 17 gegenüber der Darstellung in Fig.l. Die Rohrleitung 10 führt entsprechend der Pfeilrichtung 11 letztendlich zu einem Zyklon 29. In dem Bereich 30 der Rohrleitung 10 ist eine Heizung 31 vorgesehen; ausserdem ist in dem Bereich 30 der Anfangsdurchmesser 32 der Rohrleitung 10 bis hin zum Eintritt in den Zyklon 29 auf den grösseren Durchmesser 33 erweitert. Die Heizung bewirkt das Entladen des Schüttgutes. Das Gemisch aus entladenem Schüttgut und dem brennbaren Gas strömt sodann in den Zyklon 29, wo es in an sich bekannter Weise getrennt wird. Das Schüttgut fällt aufgrund seines gegenüber dem Gas beachtlich grösseren spezifischen Gewichtes aus dem Zyklon 29 nach unten aus und kann über die Rohrleitung 14 der Abteilung 6 des Tanks 1 zugeleitet werden. Gleichzeitig wird das brennbare Gas über die Rohrleitung 34 seiner Verwendung in einer Brennstoffzelle oder in einer Brerinldttaftmaschine zugeführt. Da das Gas durch das Aufheizen des Schüttgutes nach der Trennung von diesem noch sehr warm ist, kann es wirtschaftlich sein, einen Wärmetauscher vorzusehen, der in seinem die Rohrleitung 34 umschliessenden Teil 35 möglichst viel Wärme aus dem abströmenden Gas aufnimmt und diese über die Rohrleitung 36 und seinen die Rohrleitung 10 noch vor deren Bereich 30 umschliessenden Teil 37 in die Rohrleitung 10 bzw. in das darin befindliche Schüttgut leitet. Die Ventile 38, 39 und 40 dienen der Regelung der Entladungseinrichtung 12.- Im Falle der Entladungseinrichtung 12 gemäss der Fig.3 werden die Druckzuführungs - Rohrleitungen 18 und 39 gemäss den Figuren 1 und 2 bei den Tanks 1 und 2 nicht benötigt, da hier der erforderüche Druck zum Ingangsetzen und Aufrechterhalten des Entladungsvorganges anderweitig erzeugt und aufrecht erhalten wird. Um hier einen gerichteten und überschaubaren, kontrollierbaren Schüttgutstrom zu erhalten, muß die Desorption des an dem Schüttgut adsorbierten Gases intermittierend vorgenommen werden. Um dies zu verdeutüchen, werden nachfolgend die einzelnen Stufen des Zyklus beschrieben.
Zunächst wird der Heizraum - das heißt das Innere der Rohrleitung 10 im Bereich 30 - mit frischem, geladenem Schüttgut gefüllt. Das Ventil 40 ist geschlossen, ebenso die Ventile 39 und 38. Sodann wird die Heizung 31 eingeschaltet, wodurch der Druck im Zyklon ansteigt. Jetzt wird das Drosselventil 38 etwas geöffnet. In dem hierdurch entstehenden Gasstrom bildet sich in dem Zyklon ein Wirbel aus, durch den das durch das Aufheizen entladene Schüttgut abgeschieden wird. Nun wird das Ventü 38 wieder geschlossen und das Ventü 39 geöffnet. Der im Zyklon 29 noch herrschende Überdruck drückt gegen die Membran 3 im Tank 1 und ist somit in der Lage, frisches Schüttgut in die Rohrleitung 10 zu drücken. Nach dem Schließen des Ventils 39 wird das Ventil 40 so lange geöffnet, bis sich hinreichend frisches, noch geladenes Schüttgut in dem Heizraum befindet, wo dann unverzüglich der Entladungsvorgang einsetzt. Damit kann der vorstehend beschriebene Zyklus von neuem beginnen.
In der in der Fig.3 schematisch dargesteUten, erfindungsgemäßen Tankanlage sind zur zeitüchen gegenseitigen Abstimmung der einzelnen Verfahrensschritte - für einen einschlägigen Fachmann selbstverständüch - diverse Sensoren inklusive einer Steuereinrichtung für das zeitgerechte Regeln bzw. Steuern der Heizung sowie der Ventile erforderlich. Außerdem kann es sich bei der Realisierung der Anlage als notwendig erweisen, noch weitere, zB. optische Sensoren und gegebenenfalls auch Pufferbehälter für das Schüttgut vorzusehen. Die erfindungsgemäße Tankanlage arbeitet vorteilhafterweise ohne Pumpen, was eine ganz wesentliche Voraussetzung ist für eine schonende Behandlung des empfindlichen Schüttgutes. Ebenso vermeidet die Erfindung jegliche Filter, Siebe oder dergleichen zum Trennen des Gases von der Feststoffphase. Bei der Kleinheit der Schüttgutteilchen, zum Beispiel der Nanoröhrchen, wären beispielsweise Filter mit hinreichender Lebensdauer und notwendigen Abscheidegraden kaum kostengünstig bzw. wirtschaftlich herzusteüen.
Bedarfsweise kann im Tank 2 in dessen Abteilung 7 ein darin benötigter Druck über die Kolbenstange 19 und den Kolben 4 erzeugt werden. -
Die Entladungseinrichtung 13 gemäss der Fig.4 ist mit einem Tank 1 gemäss der Fig.l bestückt. Des weiteren arbeitet sie voü kontinuierüch, dank einer Axialturbine 41, die über die Rohrleitung 17 in der Abteilung 5 des Tanks 1 einen Druck erzeugt und diesen auch aufrecht erhält. Dieser Druck bewirkt das Ausströmen des in der Abteilung 5 bereits entladenen Schüttgutes, da die Turbine 41 dank ihrer Heizeinrichtung 42 die erforderüche Wärme neben dem Druck in die Abteilung 5 einbringt. Aus dieser strömt das Gemisch aus entladenem Schüttgut und einem brennbaren Gas durch die Rohrleitung 10 in einen Zyklon 43. Dort erfolgt wiederum in an sich bekannter Weise die Trennung des Gases von dem entladenen Schüttgut. Das Gas wird durch die Rohrleitung 44 seiner Verwendung in einer Brennstoffzelle oder in einer Brennkraftmaschine zugeführt. Das entladene Schüttgut wird aus dem Zyklon 43 über die Rohrleitung 14 der Abtei- lung 6 des Tanks 1 zugeführt. Die Rohrleitungen 10 und 17 sind über einen Wärmetauscher 45 verbunden, der überschüssige Wärme aus der Rohrleitung 10 in die Rohrleitung 17 überträgt. Ein Ventil 46 in der Rohrleitung 44 gestattet die Regulierung der Menge des abzuführenden Gases.
Die Fig.5 zeigt ein Pumpsystem, welches bedarfsweise in Tankanlagen gemäss den Figuren 3 und 4 zum Transportieren des Schüttgutes eingesetzt werden kann. Ein Rohr 47 mit rundem, quadratischem oder auch rechteckigem Querschnitt ist mit den beiden Klappenventilen 48 und 49 ausgestattet, die in ihrer Grundstellung mit schwachem, hier nicht dargesteüten Federdruck offen gehalten werden. Wird der Kolben 50 in dem seitüch mit jdem£ohr 47 verbundenen Zylinder 56 in Richtung 51 nach unten bewegt, so schüesst sich das Ventü 48 gegen seinen Feder- druck und seinen Anschlag 58 und der Inhalt des Raumes 52 kann in Richtung 53 durch das offene Ventü entweichen. Handelt es slcn bei dem Inhalt um Schüttgut im Rahmen der Erfindung, so kann man sich leicht vorstellen, dass dieses auf diese Weise mit der vorüegenden Pumpeinrichtung intermittierend in Richtung 11 gemäss Fig.3 transportierbar ist, wenn jene mit ihrem Rohr 47 in die Rohrleitung 10 der Tankanlagen gemäss den Figuren 3 und 4 entsprechend integriert ist.
Wird der Kolben 50 in dem Zylinder 56 in der Richtung des Pfeües 54 bewegt, dann schüesst sich das Ventü 49 gegen seinen Federdruck und seinen Anschlag 57, während die Klappe des Ventüs 48 von ihrem Anschlag 58 abhebt, so dass jetzt in Pfeilrichtung 55 weiteres Schüttgut in den Raum 52 einströmen kann.
Die verschließbaren Durchbrüche 59 und 60 in der linken Stirnwand des Tanks 1 gemäß der Fig.l dienen je nach Bedarf zum Befüllen bzw. zum Entleeren der AbteUungen 5 und 6 des Tanks 1. Entsprechend verschließbare Durchbrüche sind auch bei einem Tank 2 gemäß der Fig.2 vorzuse- hen, um dort die Abteilungen 7 und 8 bedarfsweise mit Schüttgut be- und/oder entladen zu können.
Gleiches gut auch auch für die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Anlagen, wo bei dem hier verwendeten Tank 1 die Durchbrüche 59 und 60 entsprechend vorzusehen sind. Des weiteren kann es unter Beachtung der Vorschriften betreffend den Umgang mit Wasserstoff notwendig sein, die Tankanlagen 12 und 13 gemäß den Figuren 3 und 4 gegenüber ihrer Umgebung hermetisch abzuschließen. Hierdurch können im FaUe von unerwarteten Wasserstoffleckagen Schäden vermieden werden.
Auch können die Membran 3 und der Kolben 4 inklusive dessen Kolbenstange 19 zu Füllstandsmessungen bzw. zu Füüstandsanzeigen der Tanks 1 und 2 verwendet werden. Hierzu müsste die Membran 3 mit geeigneten Sensoren, zum Beispiel mit optischen Sensoren bestückt werden, während beim Tank 2 dessen aktueüer FüUstand direkt an der Steüung der Kolbenstange 19 ablesbar gemacht werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Tankanlage für aus kleinen bis kleinsten Festkörpern bestehendes, mit einem brennbaren Gas beladbares Schüttgut - wie zum Beispiel kugelförmige Festkörper mit Poren- bzw. Kanalstrukturen zum Speichern von Gasen gemäß DE-PS... (Patentanmeldung 100. 07. 544.4) oder Nanoröhrchen, die beispielsweise mit Wasserstoff gefüllt sind - mit einer Einrichtung zum Entladen des Schüttgutes, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllvolumen des Tanks (l,2)durch ein flexibles und/oder bewegliches Element (3,4) in zwei hermetisch von einander getrennte Abteüungen (5,6 und 7,8) unterteüt ist, wobei es das Element (3,4) gestattet, dass die Abteüungen (5,6 und 7,8) hinsichtlich ihrer Volumina wechselweise reziprok zwischen dem Wert „nahezu Null" und dem nahezu gesamten Füllvolumen des Tanks (1,2) variierbar sind, und dass der Tank (1,2) mit einer an sich bekannten Einrichtung (12,13 ) zum Entladen des Schüttgutes verbunden ist, die jedoch so ausgebüdet ist, dass das entladene Schüttgut in den Tank (1,2) zurückführbar ist.
2. Tankanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (1) längsmittig durch eine flexible Membran (3) in zwei hermetisch voneinander getrennte Abteüungen (5,6) unterteüt ist.
3. Tankanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderför ige Tank (2) durch einen Kolben (4) in zwei hermetisch voneinander getrennte Abteüungen (7,8) unterteüt ist.
4. Tankanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mit einer nach aussen führenden Kolbenstange (19) verbunden ist, die zu Steuerzwecken benutzbar ist.
5. Tankanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die AbteUung (5) des Tanks (1) gemäß Fig.3 über eine Rohrleitung (10) mit einem Zyklon (29) verbunden ist, dass eine weitere Rohrleitung (14) den Zyklon (29) mit der Abteüung (6) des Tanks (1) verbindet, dass in dem trichterförmig erweiterten Bereich (30) der Rohrleitung (10) eine Heizung (31) vorgesehen ist, dass der Zyklon (29) eine Rohrleitung (34) zum Weiterleiten der brennbaren Gase besitzt und dass die Rohrleitungen (10,14,34) mit Ventüen (40,39,38) versehen sind.
6. Tankanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (34) und (10) über einen Wärmetauscher (35,36,37) miteinander verbunden sind.
7. Tankanlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohrlei- tungen (10,14,34) zusätzlich zu den Ventüen (40,39,38) noch Sensoren vorgesehen sind, die in Verbindung mit einer geeigneten Steuereinrichtung in der Lage sind, die erfindungsgemäße Tankanlage zu regeln bzw. zu steuern.
8. Tankanlage nach den Ansprüchen 1 und 2 mit einer Einrichtung zum kontinuierlichen Entladen des Schüttgutes, dadurch gekennzeichnet, dass die Abteüung (5) des Tanks (1) gemäß Fig.4 über Rohrleitungen (10 und 17) mit einem Zyklon (43) verbunden ist, während dieser über eine Rohrleitung (14) mit der Abteüung (6) des Tanks (1) in Verbindung steht, dass weiterhin in der Rohrleitung (17) eine Axialturbine (41) mit einer Heizung (42) vorgesehen ist zum Aufbau eines Druckes in Pfeilrichtung (18), und dass schließlich der Zyklon (43) mit einer Rohrleitung (44) mit einem Ventü (46) verbunden ist zum Weiterleiten der brennbaren Gase.
9. Tankanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (10) und (17) durch einen Wärmetauscher (45) miteinander verbunden sind.
10. Tankanlage nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rohrleitungen (34,44) Feinsiebe vorgesehen sind.
11. Tankanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet. dass zum Transportieren des Schüttgutes ein Pumpsystem gemäß der Fig.5 dient.
12. Tankanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transportieren des Schüttgutes an sich bekannte Rüttelsysteme eingesetzt werden.
13. Tankanlage gemäß den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Regeln bzw. Steuern des Schüttgutstroms in an sich bekannter Weise beliebig viele Ventile, Schieber und Sensoren vorgesehen sind.
4. Tankanlage nach den Ansprüchen 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage gegenüber ihrer Umgebung hermetisch abschüeßbar ist.
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