EP2473791A2 - Anordnung zum anwärmen und/oder abkühlen eines mediums - Google Patents

Anordnung zum anwärmen und/oder abkühlen eines mediums

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EP2473791A2
EP2473791A2 EP10745152A EP10745152A EP2473791A2 EP 2473791 A2 EP2473791 A2 EP 2473791A2 EP 10745152 A EP10745152 A EP 10745152A EP 10745152 A EP10745152 A EP 10745152A EP 2473791 A2 EP2473791 A2 EP 2473791A2
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EP
European Patent Office
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ambient air
heat exchanger
exchanger tubes
medium
cooling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10745152A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Henning Reese
Heinz Posselt
Harald Kraus
Andreas Walz
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for heating and / or cooling a
  • Medium comprising an ambient air heat exchanger, via which the medium is warmed in one or more heat exchanger tubes against ambient air and / or cooled.
  • Medium for example, a liquefied gas, such as liquefied nitrogen or liquefied oxygen. Since in this case the ambient air serves as an energy supplier, this type of heating and / or cooling of a medium is the most energetically favorable method.
  • a liquefied gas such as liquefied nitrogen or liquefied oxygen. Since in this case the ambient air serves as an energy supplier, this type of heating and / or cooling of a medium is the most energetically favorable method.
  • Hydrogen filling stations usually have a reservoir for liquefied hydrogen.
  • the withdrawn from this storage liquid hydrogen storage is compressed by means of a so-called.
  • Cryo pump to a discharge or intermediate storage pressure of up to 900 bar.
  • At the outlet of the cryopump has the compressed
  • Hydrogen has a temperature between 50 and 60 K.
  • Thermoblock also be electrically heated.
  • the heating of the compressed hydrogen by means of an ambient air heat exchanger has not previously been considered, since the prevailing at the outlet of the ambient air heat exchanger fluid temperature is essentially dependent on the current ambient temperature. However, this ambient temperature varies within Europe between -30 and 40 ° C over the course of the year. Furthermore, it is disadvantageous that a comparatively good heat transfer takes place at the beginning of the heat exchange process, since the pipes or the fins mounted on them do not yet have any tires. With increasing duration of the heat exchange process, however, there is an ever increasing tire wear of the pipes or fins, which can result in a significant deterioration of the heat transfer.
  • a further disadvantage is that ambient air heat exchangers require comparatively much space, since due to the natural convection of the air via the pipes or fins a minimum distance between the individual pipes is provided.
  • Object of the present invention is to provide a generic arrangement for heating and / or cooling of a medium, which with the
  • an arrangement for heating and / or cooling of a medium comprising an ambient air heat exchanger, via which the medium in one or more heat exchanger tubes against ambient air warmed and / or cooled, is proposed, which is characterized in that the ambient air heat exchanger means for controlled guiding and / or flow of the ambient air along or at least one of
  • Heat exchanger tubes which means are designed such that they allow a variable or controllable influence on the flow velocity, direction and / or intensity of the ambient air.
  • Ambient air and the medium to be heated and / or cooled are now influenced so that, depending on the desired heating or cooling, the heat transfer - in comparison to a heat transfer, which takes place without the aid of the mentioned means for controlled guiding and / or flow of ambient air - improved or worsened.
  • this improvement or deterioration of the heat transfer is associated with additional equipment and thus additional investment and operating costs.
  • Heating and / or cooling of a medium are characterized in that - the means for controlled guiding and / or flowing of the ambient air are designed as at least one controllable fan, provided that the one or more heat exchanger tubes are arranged in one or more channels formed by air baffles, the Means for controlled guiding and / or flowing of the ambient air as at least one, the or at least one of the channels associated flap 8, which allows a partial or complete closing of the channel are formed, which or the heat exchanger tubes are designed such that they are pressures up to Withstand 1000 bar, the or the heat exchanger tubes at least partially from a
  • Consist of stainless steel material and Means are provided for the controlled feeding of at least one media stream to the ambient air stream guided along the one or more heat exchanger tubes.
  • the arrangement according to the invention for heating and / or cooling a medium and further embodiments thereof are described below with reference to FIG.
  • Figure 2 shows a sectional view along the dash-dotted line A - A shows.
  • Arrangement to be cooled and / or to be heated medium via line 1 to the ambient air heat exchanger This is in the form of meandering arranged heat exchanger tubes 2. Through this, the medium is passed through the ambient air heat exchanger before it is withdrawn via line 3 from the inventive arrangement.
  • a plurality of heat exchanger tubes 2 is usually provided, as shown with reference to FIG. In principle, however, the arrangement according to the invention or the ambient air heat exchanger can also have only a single heat exchanger tube.
  • the heat exchanger tubes 2 are preferably at least partially made of a stainless steel material.
  • the meander-shaped region of the heat exchanger tubes 2 is now surrounded by a cylindrical casing or outer casing 4.
  • Air baffles 5 arranged such that the ambient air flows substantially parallel to the heat exchanger tubes 2.
  • the provision of the air baffles 5 serves in particular to the aforementioned disturbing influences in case too low to avoid spaced heat exchanger tubes 2 and to allow individual control of the air flow along the heat exchanger tubes 2.
  • the channels formed by the outer shell 4 and the baffles 5 are preferably flowed through from the ambient air from top to bottom.
  • at least one fan or fan V which is preferably driven by a controllable electric motor M
  • the strength of the air flow within the outer shell 4 and the channels formed by the baffles 5 can be varied.
  • all or some of the channels formed by the air baffles 5 can be partially and / or completely closed by means of flaps 8.
  • the or the fan V can also - at least temporarily - a flow rate can be adjusted, which allows that adhering to the heat exchanger tubes 2 and their fins frostbite of the
  • the inventive arrangement for heating and / or cooling a medium creates a structurally comparatively simple and cost-effective method for heating or cooling of media, in particular compressed hydrogen, such as in hydrogen filling stations after removal from the

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Abstract

Es wird eine Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums, aufweisend einen Umgebungsluft-Wärmetauscher, über den das Medium in einem oder mehreren Wärmetauscherrohren gegen Umgebungsluft angewärmt und/oder abgekühlt wird, beschrieben. Erfindungsgemäß weist der Umgebungsluft-Wärmetauscher Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft entlang des oder mindestens einem der Wärmetauscherrohre (2) auf, wobei die Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft derart ausgebildet sind, dass sie eine variable bzw. regelbare Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit, -richtung und/oder -intensität der Umgebungsluft ermöglichen.

Description

Beschreibung
Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines
Mediums, aufweisend einen Umgebungsluft-Wärmetauscher, über den das Medium in einem oder mehreren Wärmetauscherrohren gegen Umgebungsluft angewärmt und/oder abgekühlt wird.
Gattungsgemäße Anordnungen zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Medium, die einen Umgebungsluft-Wärmetauscher aufweisen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie dienen bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen der
Anwärmung und/oder Abkühlung eines anzuwärmenden bzw. abzukühlenden
Mediums, beispielsweise eines verflüssigten Gases, wie verflüssigter Stickstoff oder verflüssigter Sauerstoff. Da hierbei die Umgebungsluft als Energielieferant dient, stellt diese Art der Anwärmung und/oder Abkühlung eines Mediums die energetisch günstigste Methode dar.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe sowie die nachfolgend beschriebene Lösung seien im Folgenden anhand der Verwendung einer
gattungsgemäßen Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums bei einer Wasserstoff-Tankstelle bzw. einem Wasserstoff-Betankungsprozess erläutert. Es sei jedoch betont, dass die nachfolgend beschriebene, erfindungsgemäße Anordnung selbstverständlich auch bei einer Vielzahl weiterer Anwendungsfälle Verwendung finden kann. Wasserstoff-Tankstellen weisen üblicherweise einen Vorratsspeicher für verflüssigten Wasserstoff auf. Der aus diesem Vorratsspeicher abgezogene flüssige Wasserstoff wird mittels einer sog. Kryopumpe auf einen Abgabe- bzw. Zwischenspeicherdruck von bis zu 900 bar verdichtet. Am Ausgang der Kryopumpe weist der verdichtete
Wasserstoff eine Temperatur zwischen 50 und 60 K auf. Zum Betanken von
Wasserstoff-Fahrzeugen muss der verdichtete Wasserstoff jedoch unter einer
Temperatur von ca. -40 °C vorliegen. Die erforderliche Anwärmung des verdichteten Wasserstoffs erfolgt bei einem zum Stand der Technik zählenden Verfahren, das bspw. in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102009019275 beschrieben ist, mittels eines Thermoblocks, der mittels eines Kälte- und/oder
Wärmekreislaufes abgekühlt und/oder erwärmt wird. Alternativ hierzu kann der
Thermoblock auch elektrisch beheizt werden. Die Anwärmung des verdichteten Wasserstoffs mittels eines Umgebungsluft- Wärmetauschers ist bisher nicht in Erwägung gezogen worden, da die am Austritt des Umgebungsluft-Wärmetauschers herrschende Medientemperatur im Wesentlichen von der aktuellen Umgebungstemperatur abhängig ist. Diese Umgebungstemperatur schwankt jedoch innerhalb Europas im Jahresverlauf zwischen ca. -30 und 40 °C. Des Weiteren ist von Nachteil, dass zu Beginn des Wärmeaustauschprozesses ein vergleichsweise guter Wärmeübergang erfolgt, da die Rohrleitungen bzw. die auf ihnen angebrachten Fins noch keine Bereifung aufweisen. Mit zunehmender Dauer des Wärmeaustauschprozesses kommt es jedoch zu einer immer stärker werdenden Bereifung der Rohrleitungen bzw. Fins, woraus eine merkliche Verschlechterung des Wärmeübergangs resultieren kann.
Von Nachteil ist ferner, dass Umgebungsluft-Wärmetauscher vergleichsweise viel Platz beanspruchen, da aufgrund der natürlichen Konvektion der Luft über die Rohrleitungen bzw. Fins ein Minimalabstand zwischen den einzelnen Rohrleitungen vorzusehen ist.
Gattungsgemäße Umgebungsluft-Wärmetauscher kommen daher aus den
vorgenannten Gründen, und da die gewünschte Medien-Austrittstemperatur von ca. -40 °C mit einer Schwankung von maximal 10 °C eingehalten werden muss, bei Wasserstoff-Tankstellen bzw. Wasserstoff-Betankungsprozessen nicht zur
Anwendung. Gleiche Überlegungen gelten für eine Vielzahl von weiteren
Anwendungsfällen, bei denen das Einhalten einer im Wesentlichen konstanten Medien- Austrittstemperatur von Bedeutung ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums anzugeben, die die mit den
vorbeschriebenen Verfahrensweisen verbundenen Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums, aufweisend einen Umgebungsluft-Wärmetauscher, über den das Medium in einem oder mehreren Wärmetauscherrohren gegen Umgebungsluft angewärmt und/oder abgekühlt wird, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Umgebungsluft-Wärmetauscher Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft entlang des oder mindestens einem der
Wärmetauscherrohre aufweist, wobei diese Mittel derart ausgebildet sind, dass sie eine variable bzw. regelbare Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit, -richtung und/oder -Intensität der Umgebungsluft ermöglichen.
Erfindungsgemäß kann die Intensität des Wärmeübergangs zwischen der
Umgebungsluft und dem anzuwärmenden und/oder abzukühlenden Medium nunmehr beeinflusst werden, so dass in Abhängigkeit von der gewünschten Erwärmung bzw. Abkühlung der Wärmeübergang - im Vergleich zu einem Wärmeübergang, der ohne Zuhilfenahme der erwähnten Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft erfolgt - verbessert oder verschlechtert wird. Dieses Verbessern bzw. Verschlechtern des Wärmeübergangs ist jedoch mit einem zusätzlichen apparativen Aufwand und damit zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten verbunden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung zum
Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums sind dadurch gekennzeichnet, dass - die Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft als wenigstens ein regelbarer Lüfter ausgebildet sind, sofern das oder die Wärmetauscherrohre in einem oder mehreren, durch Luftleitbleche gebildeten Kanälen angeordnet sind, die Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft als wenigstens eine, dem oder wenigstens einem der Kanäle zugeordnete Klappe 8, die ein teilweises oder vollständiges Verschließen des Kanals ermöglicht, ausgebildet sind, das oder die Wärmetauscherrohre derart ausgeführt sind, dass sie Drücke bis zu 1000 bar aushalten, das oder die Wärmetauscherrohre zumindest teilweise aus einem
Edelstahlmaterial bestehen, und Mittel zum kontrollierten Zuführen wenigstens eines Medienstromes zu dem entlang des oder der Wärmetauscherrohre geführten Umgebungsluftstromes vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums sowie weitere Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in den
Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Hierbei zeigt die Figur 1 eine seitliche Schnittdarstellung durch das
Ausführungsbeispiel, während die Figur 2 eine Schnittdarstellung entlang der strichpunktiert gezeichneten Linie A - A zeigt.
Wie anhand der Figur 1 dargestellt, wird das mittels der erfindungsgemäßen
Anordnung abzukühlende und/oder anzuwärmende Medium über Leitung 1 dem Umgebungsluft-Wärmetauscher zugeführt. Dieser ist in Form mäanderförmig angeordneter Wärmetauscherrohre 2 ausgebildet. Durch diese wird das Medium durch den Umgebungsluft-Wärmetauscher geführt, bevor es über Leitung 3 aus der erfindungsgemäßen Anordnung abgezogen wird. In der Praxis wird üblicherweise eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 2 vorgesehen, wie dies anhand der Figur 2 dargestellt ist. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung bzw. der Umgebungsluft-Wärmetauscher jedoch auch nur ein einziges Wärmetauscherrohr aufweisen.
Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Anordnung von einem
hochverdichteten Medium durchströmt wird - bspw. gasförmiger Wasserstoff unter einem Druck von bis zu 900 bar -, bestehen die Wärmetauscherrohre 2 vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Edelstahlmaterial.
Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der mäanderförmig ausgebildete Bereich der Wärmetauscherrohre 2 nunmehr von einer zylinderförmigen Ummantelung bzw. Außenhülle 4 umgeben. Innerhalb dieser sind mehrere
Luftleitbleche 5 derart angeordnet, dass die Umgebungsluft im Wesentlichen parallel zu den Wärmetauscherrohren 2 strömt. Das Vorsehen der Luftleitbleche 5 dient insbesondere dazu, die vorerwähnten störenden Einflüsse im Falle zu gering beabstandeter Wärmetauscherrohre 2 zu vermeiden und eine individuelle Regelung der Luftströmung entlang der Wärmetauscherrohre 2 zu ermöglichen.
Wie anhand der die Luftströmung darstellenden Pfeile gezeigt, werden die von der Außenhülle 4 sowie den Luftleitblechen 5 gebildeten Kanäle von der Umgebungsluft vorzugsweise von oben nach unten durchströmt. Mittels wenigstens eines Lüfters bzw. Ventilators V, der vorzugsweise von einem regelbaren Elektro-Motor M angetrieben wird, kann die Stärke der Luftströmung innerhalb der Außenhülle 4 bzw. der durch die Luftleitbleche 5 gebildeten Kanäle variiert werden. Alternativ zu dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können auch mehrere, vorzugsweise den einzelnen Kanälen zugeordnete Lüfter vorgesehen werden. Zusätzlich oder alternativ können alle oder einzelne der durch die Luftleitbleche 5 gebildeten Kanäle mittels Klappen 8 teilweise und/oder vollständig verschlossen werden. Mittels des bzw. der Lüfter V kann darüber hinaus - zumindest zeitweilig - eine Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden, die es ermöglicht, dass die an den Wärmetauscherrohren 2 bzw. deren Fins anhaftenden Ausfrierungen von der
Luftströmung abgelöst und mitgenommen werden. Auf diese Weise kann ein
Selbstreinigungseffekt der Wärmetauscherrohre 2 bzw. Fins realisiert werden.
Bei der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung wird die entlang der Wärmetauscherrohre 2 geführte Umgebungsluft im unteren Bereich 6 der bzw. unterhalb der Außenhülle 4 nach außen geführt und über einen Ringkanal - dieser wird durch eine weitere zylinderförmige Ummantelung 7, die die erstgenannte zylinderförmige Ummantelung 4 umgibt, gebildet - nach oben abgezogen. Diese Ausführung dient dazu, die sehr kalte Umgebungsluft, die eine Nebelbildung verursachen kann, nicht ungehindert abströmen zu lassen, da dies u. U. zu einer Sichtbehinderung und damit Gefährdung von in der Nähe stehenden
Personen führen kann. Der kalte Luftstrom wird daher mittels entsprechender
Führungsbleche um 180 Grad umgelenkt und am oberen Ende der zylinderförmigen Ummantelung 7 in sicherer Höhe an die Umgebung abgegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums weiterbildend wird vorgeschlagen, dass Mittel zum kontrollierten Zuführen wenigstens eines Medienstromes zu dem entlang des oder der Wärmetauscherrohre geführten Umgebungsluftstromes vorgesehen sind. Mittels dieser Ausgestaltung kann dem zugeführten Umgebungsluftstrom zusätzliche Wärme oder Kälte - bspw. aus der Abwärme anderer Kühleinrichtungen einer Wasserstoff-Tankstelle bzw. eines
Wasserstoff-Betankungsprozesses - zugeführt und dadurch der Abkühl- und/oder Anwärmprozess unterstützt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums schafft eine konstruktiv vergleichsweise einfache sowie kostengünstige Methode zur Anwärmung bzw. Abkühlung von Medien, insbesondere von verdichtetem Wasserstoff, wie er beispielsweise in Wasserstoff-Tankstellen nach der Entnahme aus dem
Vorratsbehälter der Tankstelle und anschließender Verdichtung mittels einer
Kryopumpe vorliegt.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Anwärmen und/oder Abkühlen eines Mediums, aufweisend einen Umgebungsluft-Wärmetauscher, über den das Medium in einem oder mehreren Wärmetauscherrohren gegen Umgebungsluft angewärmt und/oder abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsluft-Wärmetauscher Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft entlang des oder mindestens einem der Wärmetauscherrohre (2) aufweist, wobei die Mittel zum kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft derart ausgebildet sind, dass sie eine variable bzw. regelbare Beeinflussung der
Strömungsgeschwindigkeit, -richtung und/oder -Intensität der Umgebungsluft ermöglichen.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum
kontrollierten Führen und/oder Anströmen der Umgebungsluft als wenigstens ein regelbarer Lüfter (V, M) ausgebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das oder die Wärmetauscherrohre in einem oder mehreren, durch Luftleitbleche gebildeten Kanälen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum kontrollierten Führen und/oder
Anströmen der Umgebungsluft als wenigstens eine, dem oder wenigstens einem der Kanäle zugeordnete Klappe 8, die ein teilweises oder vollständiges
Verschließen des Kanals ermöglicht, ausgebildet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Wärmetauscherrohre (2) derart ausgeführt sind, dass sie Drücke bis zu 1000 bar aushalten.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Wärmetauscherrohre (2) zumindest teilweise aus einem Edelstahlmaterial bestehen.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum kontrollierten Zuführen wenigstens eines Medienstromes zu dem entlang des oder der Wärmetauscherrohre (2) geführten Umgebungsluftstromes vorgesehen sind.
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