EP4259305A1 - Unterseeboot mit einem co2-absorber - Google Patents

Unterseeboot mit einem co2-absorber

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Publication number
EP4259305A1
EP4259305A1 EP21820247.1A EP21820247A EP4259305A1 EP 4259305 A1 EP4259305 A1 EP 4259305A1 EP 21820247 A EP21820247 A EP 21820247A EP 4259305 A1 EP4259305 A1 EP 4259305A1
Authority
EP
European Patent Office
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absorption
heat exchange
absorption device
solid
submarine
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.)
Pending
Application number
EP21820247.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Büchner
Moritz KUHLENCORD
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.)
Tkms GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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 ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4259305A1 publication Critical patent/EP4259305A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/36—Adaptations of ventilation, e.g. schnorkels, cooling, heating, or air-conditioning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the invention relates to a regenerative CO 2 absorber in a submarine and a method for operating a CO 2 absorber on board a submarine.
  • the breathing air On board a submarine, the breathing air has to be constantly renewed, the CO 2 produced by the crew has to be removed and the oxygen used has to be replenished. Since this is vital for the crew, continuous treatment of the breathing air must be reliable and ensured over long periods of time.
  • a submarine with a ventilation device and a CO 2 absorption device is known from DE 10 2008 015 150 B4.
  • a CO 2 absorber with water injection for cooling is known from DE 10 2018 212 898 A1.
  • the high loading capacity of the amine with water has turned out to be less advantageous.
  • a cleaning device in the field of anesthesia is known from DE 697 28 061 T2.
  • a ship propulsion system is known from US Pat. No. 4,979,917 A.
  • the object of the invention is to provide reliable breathing air on board a submerged submarine, while conserving the energy reserves of the submarine in order to ensure long diving times and to ensure the safety of the crew through long-term stability and easy maintenance of the systems.
  • the submarine according to the invention has at least a first CO 2 absorption device, a second CO 2 absorption device and a third CO 2 absorption device.
  • first “items” refer to Components of the first CO 2 absorption device, second “items” to components of the second CO 2 absorption device and third “items” to components of the third CO 2 absorption device, insofar as these items are components of the absorption devices.
  • All CO 2 absorption devices are particularly preferably identical, so that all components are identical in each case.
  • the submarine has a hot fluid supply and a cold fluid supply.
  • the temperature of the heat exchange fluid in the hot fluid supply is 120° C. to 220° C., preferably 130° C. to 160° C.
  • the temperature of the heat exchange fluid in the cold fluid supply is ⁇ 20° C. to 40° C., preferably 5oC to 15oC.
  • the CO 2 absorption devices each have a shell, a solid for absorbing carbon dioxide and a heat exchange device.
  • Each heat exchange device has a heat exchange fluid inlet and a heat exchange fluid outlet.
  • Each CO 2 absorption device has a gas inlet, the gas inlet being arranged on one side of the solid and the heat exchange device.
  • each CO 2 absorption device has a gas outlet, the gas outlet being arranged on the other side of the solid and the heat exchange device.
  • the arrangement of the gas inlet and the gas outlet is such that the flowing gas flows around or through the solid.
  • the gas inlet can, for example and particularly preferably, be arranged above and the gas outlet, for example, below the solid of the heat exchange device. This has the advantage that the solid is flown from above, which minimizes turbulence in the solid.
  • Ambient air can be supplied through the gas inlet and CO 2 -depleted gas can be supplied to the ambient air through the gas outlet. In this way, the breathing air can be freed from CO 2 .
  • ambient air means the air that is inside the submarine, in particular the air in the area in which people are or can usually be found.
  • the ambient air can be used by suitable circulation pumps, fans or pumps and Suction devices and by means of pipes, shafts or guiding devices from the submarine are fed to the gas inlet and are transported back from the gas outlet in a corresponding manner.
  • the gas outlet can be connected to a pump for evacuation.
  • This compound is necessary in order to remove CO 2 from the solid again in a desorption process.
  • the pump can be permanently connected.
  • the pump can also be connected to more than one CO 2 absorption device in a switchable manner, for example by switchable valves and corresponding pipes, so that the connection can be separated so that evacuation is only carried out in a targeted manner when this is desired. This separability can already be achieved with a simple valve.
  • the first CO 2 absorption device, the second CO 2 absorption device and the third CO 2 absorption device can be independently operated in at least an absorption mode and a desorption mode. Additional operating modes are also possible, for example a standby mode, heating mode or cooling mode or maintenance mode. Further absorption modes or desorption modes are also conceivable, for example to be able to respond to different loadings.
  • the first CO 2 absorption device can be flown through with circulating air for the absorption of CO 2
  • the second CO 2 absorption device is connected to the pump for evacuation in order to desorb CO 2
  • the third CO 2 absorption device is separated in the after desorbing Standby to be switched to absorption mode next.
  • the operating modes can then be rotated so that the first CO 2 absorption device is switched to the desorption mode, the second CO 2 absorption device to the standby mode and the third to the absorption mode.
  • Switching between absorption mode and desorption mode can be load-dependent, mission-dependent, time-dependent or load-dependent.
  • the CO2 The absorption device would then be provided with appropriate sensors in order to be able to detect a load-dependent, time-dependent or also load-dependent switching point and to be able to change the operating mode via an appropriate controller.
  • the switching points can also be variable, in particular they can also be set as a function of the mission-dependent mode of operation of the submarine.
  • the loading can also be estimated, for example, over time and the volume of air conveyed.
  • the invention is not limited to just three CO 2 absorption devices, but there are preferably more, for example four to six, but there can also be significantly more. This has the advantage that, on the one hand, greater reliability is guaranteed. On the other hand, an easier adaptation to the needs, for example with different manning levels, can also take place.
  • a CO 2 absorption device is preferably designed as follows:
  • the CO 2 absorption device is used to separate carbon dioxide from a gas mixture, in particular to separate carbon dioxide from the breathing air on board a submarine.
  • the CO 2 absorption device has a solid for absorbing carbon dioxide.
  • the solid is preferably a polymer with functional amine groups.
  • the CO 2 absorption device has a heat exchange device in the solid.
  • the heat exchange device serves to heat the solid for desorption of the carbon dioxide and to cool it down again after the desorption.
  • the solid can also be cooled during the absorption of the carbon dioxide in order to prevent unwanted warming up due to the exothermic reaction and thus to optimize the absorption.
  • the CO 2 - absorption device has a shell, wherein the shell can be evacuated.
  • a pressure of 10 kPa is also regarded as a vacuum for the purposes of the invention, since this allows oxygen to be sufficiently removed from the solid prior to heating and the desorption of carbon dioxide is sufficiently supported.
  • the shell must be designed to be sufficiently stable in order to be able to withstand such a pressure, it also having to be taken into account that the pressure in the can vary greatly inside a submarine and can also reach values of up to 160 kPa.
  • the CO 2 absorption device has an inlet in the shell for the gas mixture, the inlet being arranged above the solid. As a result, the solid is flown through from top to bottom.
  • the solid is in particulate form for absorbing carbon dioxide.
  • particulate is, for example, spherical.
  • the size of the particles of the solids is preferably in the range from 0.1 mm to 50 mm, preferably from 1 mm to 10 mm.
  • the use of a particulate solid also makes it much easier to replace it in a spatially cramped submarine, and the storage of the solid is also simpler compared to disc-shaped solids, for example.
  • the casing particularly preferably has a round cross section.
  • the inlet is designed to generate a radial flow of the gas mixture above the solid. For example and preferably, this is not arranged centrally, but laterally offset, with the central axis of the inlet pipe not pointing towards the center of the device and preferably running horizontally or parallel to the inlet-side surface, i.e. upper plane, of the particulate solid. As a result, the flow direction of the inlet is not directed towards the center of the device.
  • the flow direction of the inlet preferably runs horizontally and therefore has no vertical component which is directed towards the particulate solid. As a result, the kinetic energy is used to generate a radial flow.
  • the inlet has a significantly smaller cross section than the shell in the horizontal (preferably round) cross section.
  • This causes the gas mixture to flow in at a higher velocity, thereby creating a radial flow in the shell, which is preferably largely parallel to the surface of the solid.
  • the subsequent flow of the gas mixture through the solid from top to bottom then takes place with a correspondingly lower vertical flow velocity component (due to the significantly larger cross section with the same volume flow).
  • This has two positive effects. On the one hand, this produces a uniform flow that does not or only slightly whirl up the particulate solid. On the other hand increases the lower vertical Flow velocity component the contact time with the solid and thus the absorption of carbon dioxide from the gas mixture.
  • guide elements for generating or intensifying a radial flow are arranged in the shell and at the level of the inlet.
  • the radial flow can be further optimized and the most uniform possible flow onto the solid can be achieved.
  • the guide elements are designed in the form of vertically arranged guide plates, which are arranged inside at the upper end of the casing.
  • the guiding elements particularly preferably have a curved shape in order to promote the radial flow. More preferably, the position and orientation of the inlet and the position and shape of the guide elements are coordinated with one another for an optimal radial flow.
  • the baffles are shaped coaxially to an imaginary axis in the shape of a segment of a circle, which can form a segment of a circle of 45° to 180°, and can have a height that corresponds at least to the diameter of the inlet pipe. They can be arranged directly behind the inlet pipe, so that the inflowing gas is guided directly through the guide elements.
  • the radial flow of the gas mixture is preferably a laminar flow and not a turbulent flow. In addition to the size of the inlet pipe and thus the flow rate of the gas, this can also be supported, for example, by the guide elements. The lower the turbulent part of the flow, the lower the risk of turbulence in the solid.
  • the device has a cooler, the cooler being arranged in front of the inlet. This cools the incoming gas, allowing more CO 2 to be absorbed.
  • the cooler is particularly preferably designed in the form of a heat exchanger, the heat exchanger being connected to the device in such a way that the gas first flows through the heat exchanger, from there into the device and is then fed back into the heat exchanger in such a way that the heat exchanger the gas entering the inlet cools and, in turn, heats the gas exiting the outlet. This minimizes the energy requirement and does not affect the ambient temperature.
  • the solid is arranged in a horizontally arranged absorption layer, the absorption layer having an upper delimiting element on the upper side and a lower delimiting element on the underside.
  • the upper delimiting element and the lower delimiting element are each formed by a grid or perforated plate, i.e. by something through which the gas mixture can flow easily, but which securely holds back the solids. Therefore, the openings of the grid or the perforated plate are smaller than the particle size of the solid.
  • the absorption layer is particularly preferably disc-shaped, so the thickness is less than the diameter.
  • the solid is present in the absorption layer as a bed, which suggests a degree of filling in the order of 2 A. The flow resistance of the solid is correspondingly high.
  • the absorption layer extends over the entire flow cross section, so that the flow has to flow through the solid.
  • the thickness of the absorption layer to be flowed through is essentially constant over the entire flow cross section.
  • the delimiting elements can also be multi-layered, for example from a first coarse grid with very large openings (larger than the solid), but with very stable support elements. A fine-meshed fine grid, for example, is then arranged on this first coarse grid, which holds back the solid and is itself carried and supported by the first coarse grid. This combines the optimum load-bearing capacity of the first coarse grid with the optimum retention properties of the second fine grid.
  • the upper delimiting element has vertical structures, the vertical structures extending into the solid. These vertical structures serve to prevent the solid from slipping, for example when surfacing, descending or heeling, in particular if there is a compensation volume at the top to accommodate changes in volume.
  • the vertical structures can be arranged vertically downwards, for example Elements are formed which, for example, can have the same structure as the delimiting element itself, for example also consist of a grid.
  • the upper delimiting element itself is corrugated and thus has elevations and depressions itself. Since the solid is flown from above, it is not fluidized, as could be the case with a flow from below. Therefore, these vertical structures are sufficient for stabilization.
  • the CO 2 absorption device has a pump for evacuating the envelope, the pump preferably being a water ring pump.
  • the water ring pump has two main advantages. On the one hand, direct contact is avoided by the liquid gap in the pump, so that this pump is comparatively quiet, which reduces the acoustic signature of the submarine.
  • the CO 2 absorption device has a pneumatic conveying device for the solid.
  • the pneumatic conveying device has a connecting pipe.
  • the connecting tube can be evacuated to remove the solid from the shell.
  • the solid can be introduced into the shell with a gas flow through the connection pipe.
  • the solid In order to promote the discharge of the solid, it can be supported, for example, by supplying gas through the inlet gas while evacuation is taking place through the connecting pipe. This achieves a promotional gas flow.
  • pumping evacuating
  • pumping can take place at the shell at the same time as conveying with a gas stream, for example during desorption. Also this allows a continuous gas flow for the entry of the solid to be achieved.
  • the heat exchange device has a fluid as the heat carrier.
  • the heat exchange device has a lamellar design.
  • the fins of the heat exchange device are particularly preferably arranged parallel to the direction of flow.
  • the submarine has a heat recovery device for recovering the heat of the heat exchange fluid.
  • the heat recovery device includes a storage device having connections to the heat exchange fluid outlets for storing high temperature heat exchange fluid discharged from a heat exchange fluid outlet and connections to the heat exchange fluid inlets. Desorption takes place at temperatures of, for example, 120°C to 150°C. After the desorption has been completed, the correspondingly warm heat exchange fluid is pumped into the storage device and from there later into another CO 2 absorption device if this is to be heated up for desorption after evacuation.
  • the heat recovery device comprises a connection between the heat exchange fluid outlet of a first CO 2 absorption device and the heat exchange fluid inlet of a second CO 2 absorption device.
  • the warm heat exchange fluid can preferably be conveyed via the heat recovery device from any heat exchange fluid outlet of any desired CO 2 absorption device to any heat exchange fluid inlet of any other desired CO 2 absorption device.
  • the gas outlets of the CO 2 absorption devices can be connected to a water ring pump. Since, in addition to CO 2 from the breath, water is also bound by the solid and released again in the desorption mode, a large amount of gaseous water is also released in this phase. In a water ring pump, this is condensed and removed from the gas stream easily removed. In addition, a water ring pump is comparatively quiet, which has a positive effect on the acoustic signature of the submarine.
  • the gas outlets of the CO 2 absorption devices can be connected to the water ring pump via a condenser. This increases the condensing capacity in addition to the water ring pump, which reduces the vapor pressure. As a result, more CO 2 can be extracted by the water ring pump. This lengthens the cycles.
  • each CO 2 absorption device preferably has a closable connection pipe, preferably with a flange connection at the end.
  • a suction device can first be connected to the corresponding flange in order to remove the particulate solid.
  • a filling can then be connected to the flange in order to introduce the particulate solid into the CO 2 absorption device with the aid of a gas stream.
  • the submarine has a further medium-temperature fluid supply in addition to the hot fluid supply and the cold fluid supply, the temperature of the heat exchange fluid in the cold fluid supply being lower than the temperature of the heat exchange fluid in the medium-temperature fluid supply and the temperature of the heat exchange fluid in the medium-temperature fluid supply being lower than that Temperature of the heat exchange fluid in the hot fluid supply.
  • a cooler is arranged between the air inlet and the inlets of the heat exchange devices. This cools the incoming gas, allowing more CO 2 to be absorbed.
  • the cooler is particularly preferably designed in the form of a heat exchanger, with the heat exchanger cooling the gas flowing into the inlet and, in return, the out gas exiting the outlet is heated. This minimizes the energy requirement and does not affect the ambient temperature.
  • the cooler has a water drain.
  • water condensed in the cooler can be removed, which leads to a lower water absorption of the solid for absorbing carbon dioxide.
  • the invention relates to a method for operating CO 2 absorption devices in a submarine according to the invention, the method having the following steps: a) selecting a first CO 2 absorption device in which the desorption of carbon dioxide has been completed, b) Selecting a second CO 2 absorption device in which the absorption of carbon dioxide has been completed and in which the desorption is now to be carried out, c) transferring the warm heat exchange fluid from the first heat exchange device of the first CO 2 absorption device into the second heat exchange device of the second CO 2 -Absorption device.
  • the transfer in step c) takes place via a storage device.
  • the following steps are additionally performed: d) selecting a third CO 2 absorption device in which the absorption of carbon dioxide has been completed and in which the desorption is now to be carried out, e) connecting the second gas outlet of the second CO 2 absorption device with the third gas inlet of the third CO 2 absorption device, f) connecting the third gas outlet of the third CO 2 absorption device to the pump for evacuation, g) evacuating the second CO 2 absorption device and the third CO 2 absorption device, h) heating the second solid of the second CO 2 absorption device and the third solid of the third CO 2 absorption device.
  • the invention relates to a method for unloading and loading a CO 2 absorption device with a particulate solid.
  • a suction device is initially connected to the corresponding flange in order to remove the particulate solid.
  • a filling system is then connected to the flange in order to introduce the particulate solid into the CO 2 absorption device with the aid of a gas stream.
  • This not only allows for easy replacement during normal maintenance, but replacement is even possible during crew deployment. This increased safety during a long submerged mission.
  • the entire system can be made smaller and lighter because the redundancy is not only created by the number of CO 2 absorption devices, but also by the possibility of exchanging the solid during a mission.
  • the submarine has three CO 2 absorption devices 10 here.
  • the CO 2 absorption devices 10 are shown here only schematically and are shown in FIG. All CO 2 absorption devices 10 are advantageously of the same design.
  • the submarine has a cold fluid supply 110 , a hot fluid supply 120 and a medium-temperature fluid supply 130 .
  • the cold fluid supply 110 is, for example, a cooling water system with a temperature of 15° C., which is used for boat-wide cooling systems, for example.
  • the hot fluid supply 120 comprises, for example, water at 160°C under pressure.
  • the submarine has a medium temperature fluid supply 130 which can be used, for example, as a heat recovery device. As a result, the energies during cooling and heating can be better used thanks to an additional temperature level.
  • a circulating air inlet 160 and a circulating air outlet 170 There is also a circulating air inlet 160 and a circulating air outlet 170 .
  • the ambient air is fed in via the circulating air inlet 160 in order to separate CO 2 and then to be fed back into the ambient air via the circulating air outlet 170 .
  • an ammonia filter 140 can be arranged in front of the circulating air outlet 170, since there is a possibility that ammonia could be released from the solid 20 through decomposition, which would be dangerous for the crew.
  • the ammonia filter 140 serves to exclude this risk.
  • the submarine has two water ring pumps 150 connected in parallel. Two are only necessary for reasons of redundancy in order to ensure functionality even if one water ring pump 150 fails.
  • a cross section through a CO 2 absorption device 10 can be seen in FIG. 2 .
  • a solid 20 Disposed within a shell 40 is a solid 20, for example an amine functional polymer, in the form of beads approximately 1 mm in diameter.
  • the ambient air of the submarine is introduced through the gas inlet 50, CO 2 is bound in the solid 20 and the CO 2 -depleted gas mixture is released back into the ambient air through the gas outlet 60, optionally via a downstream ammonia filter.
  • the particulate solid is held between the two by an upper constraint member 70 and a lower constraint member 80 in the absorbent layer.
  • the upper delimitation element 70 and the lower delimitation element 80 are in the form of grids with a mesh size of approximately 0.5 mm and a wire thickness of about 0.02 mm.
  • a heat exchange device 30 is arranged in a lamellar manner in the absorption layer and is therefore in contact with the solid 20.
  • the solid can be cooled during regular operation during the absorption of the CO 2 , heated during desorption during regeneration and after desorption and before renewed Supply of air to be cleaned are also cooled.
  • warm or cold water for example and preferably, flows through the heat exchange device 30 depending on the application. In order to achieve higher temperatures, for example 150° C., the heat exchange device 30 is designed accordingly for high water pressures.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit wenigstens einer ersten CO2- Absorptionsvorrichtung (10), einer zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung (10) und einer dritten CO2-Absorptionsvorrichtung (10), wobei die CO2-Absorptionsvorrichtungen (10) jeweils eine Hülle (40), einem Feststoff (20) zur Aufnahme von Kohlendioxid und eine Wärmetauschvorrichtung (30) aufweisen, wobei jede Wärmetauschvorrichtung (30) einen Wärmetauschfluideinlass und einen Wärmetauschfluidauslass aufweist, wobei das Unterseeboot eine Heißfluidversorgung (120) und eine Kaltfluidversorgung (110) aufweist, wobei jede CO2-Absorptionsvorrichtung (10) einen Gaseinlass (50) aufweist, wobei der Gaseinlass (50) oberhalb des Feststoffs (20) und der Wärmetauschvorrichtung (30) angeordnet ist, wobei jede CO2-Absorptionsvorrichtung (10) einen Gasauslass (60) aufweist, wobei der Gasauslass (60) unterhalb des Feststoffes (20) und der Wärmetauschvorrichtung (30) angeordnet ist, wobei durch den Gaseinlass (50) Umgebungsluft zugeführt werden kann, wobei durch den Gasauslass (60) CO2-abgereichtertes Gas der Umgebungsluft zugeführt werden kann, wobei der Gasauslass (60) mit einer Pumpe zum Evakuieren verbindbar ist, wobei die erste CO2-Absorptionsvorrichtung (10), die zweite CO2-Absorptionsvorrichtung (10) und die dritte CO2-Absorptionsvorrichtung (10) unabhängig voneinander in einem Absorptionsmodus und einen Desorptionsmodus betrieben werden können.

Description

SUBMARINE BOAT WITH CO2-ABSORBER
Die Erfindung betrifft einen regenerativen CO2-Absorber in einem Unterseeboot sowie ein Verfahren zum Betreiben eines CO2-Absorbers an Bord eines Unterseebootes.
An Bord eines Unterseebootes muss die Atemluft ständig erneut werden, das von der Mannschaft produzierte CO2 muss entfernt und der verbrauchte Sauerstoff wieder ergänzt werden. Da dieses für die Besatzung lebenswichtig ist, muss eine kontinuierliche Aufbereitung der Atemluft zuverlässig und auch über lange Zeiträume sichergestellt sein.
Zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid gibt es eine Reihe von Methoden. Insbesondere werden Filter aus Atemkalk oder Lithiumhydroxid verwendet. Nachteil dieser Filter ist jedoch, dass diese nicht während der Fahrt regeneriert werden können. Somit muss das Unterseeboot ausreichend Filterkapazität mitführen. Dieses führt zu einer hohen Gewichtsbelastung. Zusätzlich müssen die Filter regelmäßig getauscht werden, wobei das Risiko aus dem Umgang mit den Stoffen besteht, weil sowohl bei Atemkalk als auch Lithiumhydroxid in Verbindung mit Wasser eine mehr oder weniger starke Lauge gebildet wird. Auch ist ein Nachfüllen während das Unterseeboot getaucht ist beispielsweise aufgrund der ätzenden Stäube sehr kritisch. Daher kann die Reichweite des Unterseebootes im getauchten Zustand nicht erweitert werden.
In grundsätzlich anderer Ansatz ist es daher, zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid einen Filter, welcher regeneriert werden kann, teilweise ein Feststoff mit funktionellen Amingruppen einzusetzen. Derartige Filter werden zunächst mit Kohlenstoffdioxid aus Atem lüft beladen und anschließend in einem Regenerationszyklus durch Erwärmen regeneriert. Daher unterscheiden sich derartige CO2-Absorptionseinrichtung grundlegen von denen, welche mit einem nicht regenerierbaren Medium beladen werden, zum Beispiel Atemkalk. Die Vorrichtung zur Regeneration müssen zusätzlich wenigstens Heizelemente und Pumpelemente aufweisen, was diese Einrichtungen aufwändiger und komplexer macht und grundlegend von den nicht zu regenerierenden Anlagen unterscheidet. Nachteil ist, dass das Amin beim Erwärmen degradiert. Durch die Regeneration wird die Tauchzeit durch den mitgeführten Sauerstoff limitiert, sofern dieser nicht zum Beispiel elektrolytisch erzeugt wird.
Daher sind diese beiden Systeme, nicht-regenerierbare und regenerierbare CO2- Absorptionseinrichtungen, technologisch sehr unterschiedlich aufgebaut und nicht miteinander kompatibel.
Aus der DE 10 2008 015 150 B4 ist ein Unterseeboot mit einer Belüftungseinrichtung und einer CO2-Absorptionseinrichtung bekannt.
Aus der DE 10 2018 212 898 A1 ist ein CO2-Absorber mit einer Wasserinjektion zur Kühlung bekannt. Die hohe Beladbarkeit des Amins mit Wasser hat sich dabei jedoch als weniger vorteilhaft herausgestellt.
Aus der DE 697 28 061 T2 ist ein Reinigungsgerät auf dem Gebiet der Narkose bekannt.
Aus der WO 2017/212 381 A1 ist die Bindung von CO2 aus Abgasen bekannt.
Aus der US 4 979 917 A ist ein Schiffsantrieb bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, zuverlässig atembare Atem lüft an Bord eines getauchten Unterseebootes bereit zu stellen, dabei die Energiereserven des Unterseebootes zu schonen, um lange Tauchzeiten zu gewährleisten und durch eine Langzeitstabilität und einfache Pflege der Anlagen die Sicherheit der Besatzung zu gewährleisten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Unterseeboot weist wenigstens eine erste CO2- Absorptionsvorrichtung, eine zweite CO2-Absorptionsvorrichtung und eine dritte CO2- Absorptionsvorrichtung auf. Im Folgenden beziehen sich erste „Gegenstände“ auf Bestandteile der ersten CO2-Absorptionsvorrichtung, zweite „Gegenstände“ auf Bestandteile der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung und dritte „Gegenstände“ auf Bestandteile der dritten CO2-Absorptionsvorrichtung, sofern diese Gegenstände Bestandteile der Absorptionsvorrichtungen sind. Besonders bevorzugt sind alle CO2- Absorptionsvorrichtungen identisch ausgeführt, sodass alle Bestandteile jeweils identisch ausgeführt sind.
Das Unterseeboot weist eine Heißfluidversorgung und eine Kaltfluidversorgung auf. Beispielsweise und insbesondere liegt die Temperatur des Wärmetauschfluids in der Heißfluidversorgung bei 120 °C bis 220 °C, bevorzugt bei 130 °C bis 160 °C, und die Temperatur des Wärmetauschfluids in der Kaltfluidversorgung bei - 20 °C bis 40 °C, bevorzugt bei 5 °C bis 15 °C.
Die CO2-Absorptionsvorrichtungen weisen jeweils eine Hülle, einen Feststoff zur Aufnahme von Kohlendioxid und eine Wärmetauschvorrichtung auf. Jede Wärmetauschvorrichtung weist einen Wärmetauschfluideinlass und einen Wärmetauschfluidauslass auf. Jede CO2-Absorptionsvorrichtung weist einen Gaseinlass auf, wobei der Gaseinlass auf der einen Seite des Feststoffs und der Wärmetauschvorrichtung angeordnet ist. Weiter weist jede CO2-Absorptionsvorrichtung einen Gasauslass auf, wobei der Gasauslass auf der anderen Seite des Feststoffes und der Wärmetauschvorrichtung angeordnet ist. Die Anordnung des Gaseinlasses und des Gasauslasses ist dabei so, dass das strömende Gas den Feststoff umströmt oder durchströmt. Der Gaseinlass kann beispielsweise und besonders bevorzugt oberhalb und der Gasauslass beispielsweise unterhalb des Feststoffs der Wärmetauschvorrichtung angeordnet sein. Dieses hat den Vorteil, dass der Feststoff jeweils von oben angeströmt wird, was eine Verwirbelung im Feststoff minimiert.
Durch den Gaseinlass kann Umgebungsluft zugeführt werden und durch den Gasauslass kann CO2-abgereichtertes Gas der Umgebungsluft zugeführt werden. Somit kann die Atemluft von CO2 befreit werden. Umgebungsluft meint in diesem Zusammenhang die Luft, die sich im Inneren des Unterseeboots befindet, insbesondere die Luft des Bereichs in dem sich Menschen befinden oder üblicherweise befinden können. Die Umgebungsluft kann dabei durch geeignete Umwälzpumpen, Ventilatoren oder Pump- und Saugvorrichtungen und mittels Rohren, Schächten oder Leiteinrichtungen aus dem Unterseeboot dem Gaseinlass zugeführt werden und auf entsprechende Weise vom Gasauslass wieder zurück transportiert werden. Dieses bedeutet weiter, dass die CO2- Absorptionsvorrichtung in einem Absorptionsmodus so geschaltet ist, dass Umgebungsluft durch den Gaseinlass zugeführt wird und das CO2-abgereichtertes Gas durch den Gasauslass der Umgebungsluft wieder zugeführt wird. Im Standby-Modus oder im Desoptionsmodus sind diese Verbindungen zur Umgebungsluft natürlich getrennt.
Der Gasauslass ist mit einer Pumpe zum Evakuieren verbindbar. Diese Verbindung ist notwendig, um in einem Desorptionsvorgang CO2 wieder aus dem Feststoff zu entfernen. Die Pumpe kann beispielsweise permanent verbunden sein. Die Pumpe kann aber auch schaltbar, beispielsweise durch schaltbare Ventile und entsprechende Rohre, mit mehr als einer CO2-Absorptionsvorrichtung verbunden sein, sodass die Verbindung trennbar ist, sodass gezielt nur dann evakuiert wird, wenn dieses gewünscht wird. Diese Trennbarkeit kann durch ein einfaches Ventil bereits erreicht werden.
Die erste CO2-Absorptionsvorrichtung, die zweite CO2-Absorptionsvorrichtung und die dritte CO2-Absorptionsvorrichtung können unabhängig voneinander in zumindest einem Absorptionsmodus und einem Desorptionsmodus betrieben werden. Zusätzlich sind weitere Betriebsmodi möglich, beispielsweise ein Standby-Modus, Aufheizmodus oder Abkühlungsmodus oder Wartungsmodus. Ebenso sind weitere Absorptionsmodi oder Desorptionsmodi denkbar, um beispielsweise auf unterschiedliche Beladungen eingehen zu können. Beispielsweise kann die erste CO2-Absorptionsvorrichtung mit Umluft zur Absorption von CO2 durchströmt werden, die zweite CO2-Absorptionsvorrichtung ist mit der Pumpe zum Evakuieren verbunden, um CO2 zu desorbieren und die dritte CO2- Absorptionsvorrichtung ist nach dem Desorbieren getrennt im Standby, um als nächstes in den Absorptionsmodus geschaltet zu werden. Anschließend kann dann eine Rotation der Betriebsmodi erfolgen, sodass die erste CO2-Absorptionsvorrichtung in den Desorptionsmodus geschaltet wird, die zweite CO2-Absorptionsvorrichtung in den Standby-Modus und die dritte in den Absorptionsmodus. Die Umschaltung zwischen Absorptionsmodus und Desorptionsmodus kann sowohl beladungsabhängig, missionsabhängig, zeitabhängig als auch lastabhängig erfolgen. Die CO2- Absorptionsvorrichtung würde dann mit entsprechenden Sensoren versehen sein, um einen beladungsabhängigen, zeitabhängigen oder auch lastabhängigen Schaltpunkt zu erfassen und über eine entsprechende Steuerung den Betriebsmodus ändern zu können. Die Schaltpunkte können dabei auch variabel sein, insbesondere können sie auch in Abhängigkeit der missionsabhängigen Betriebsweise des Unterseeboots eingestellt werden. Die Beladung kann auch beispielsweise über Zeit und geförderte Luftvolumina abgeschätzt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht limitiert auf nur drei CO2- Absorptionsvorrichtungen, sondern es sind bevorzugt mehr, beispielsweise vier bis sechs, es können aber auch deutlich mehr sein. Dieses hat den Vorteil, dass zum einen eine höhere Ausfallsicherheit gewährleistet ist. Andererseits kann auch eine leichtere Anpassung an den Bedarf, beispielsweise bei unterschiedlicher Besatzungsstärke erfolgen.
Eine CO2-Absorptionsvorrichtung ist bevorzugt wie folgt ausgeführt:
Die CO2-Absorptionsvorrichtung dient zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasgemisch, insbesondere zur Abtrennung von Kohlendioxid aus der Atemluft an Bord eines Unterseebootes. Die CO2-Absorptionsvorrichtung weist einen Feststoff zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid auf. Bei dem Feststoff handelt es sich bevorzugt um ein Polymer mit funktionellen Amingruppen. Die CO2-Absorptionsvorrichtung weist eine Wärmetauschvorrichtung im Feststoff auf. Die Wärmetauschvorrichtung dient dazu den Feststoff zur Desorption des Kohlendioxids zu erwärmen und nach der Desorption wieder abzukühlen. Zusätzlich kann der Feststoff auch während des Absorption des Kohlendioxids gekühlt werden, um eine ungewollte Erwärmung durch die exotherme Reaktion zu verhindern und so die Absorption zu optimieren. Die CO2- Absorptionsvorrichtung weist eine Hülle auf, wobei die Hülle evakuierbar ist. Erfindungsgemäß wird auch ein Druck von 10 kPa als Vakuum im Sinne der Erfindung angesehen, da dadurch sowohl Sauerstoff ausreichend von dem Feststoff vor dem Erwärmen entfernt werden kann als auch die Desorption von Kohlendioxid ausreichend unterstützt wird. Die Hülle muss entsprechend stabil ausgebildet sein, um einen solchen Druck standhalten zu können, wobei zusätzlich zu berücksichtigen ist, dass der Druck im Inneren eines Unterseebootes stark schwanken kann und auch Werte bis 160 kPa erreichen kann. Die CO2-Absorptionsvorrichtung weist einen Einlass in der Hülle für das Gasgemisch auf, wobei der Einlass oberhalb des Feststoffs angeordnet ist. Hierdurch wird der Feststoff von oben nach unten durchströmt.
Der Feststoff liegt zur Aufnahme von Kohlendioxid partikulär vor. Partikulär ist im Sinne der Erfindung beispielsweise kugelförmig. Die Größe der Partikel der Feststoffe liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 50 mm, bevorzugt von 1 mm bis 10 mm. Durch die Verwendung eines partikulären Feststoffes ist der Austausch auch in einem räumlich beengten Unterseeboot deutlich erleichtert und auch die Lagerung des Feststoffes ist einfacher gegenüber beispielsweise scheibenförmigen Feststoffen.
Die Hülle weist ganz besonders bevorzugt einen runden Querschnitt auf. Der Einlass ist zur Erzeugung einer radialen Strömung des Gasgemisches oberhalb des Feststoffes ausgebildet. Beispielsweise und bevorzugt ist dieser nicht zentral, sondern seitlich versetzt angeordnet, wobei die Mittelachse des Einlassrohres nicht auf die Mitte der Vorrichtung gerichtet ist und vorzugsweise horizontal verläuft oder parallel zur einlassseitigen Oberfläche, also oberen Ebene, des partikulären Feststoffs ausgerichtet ist. Dadurch ist die Strömungsrichtung des Einlasses nicht auf die Mitte der Vorrichtung gerichtet. Vorzugsweise verläuft die Strömungsrichtung des Einlasses horizontal und weist also keine vertikale Komponente auf, welche auf den partikulären Feststoff gerichtet ist. Hierdurch wird die kinetische Energie zur Erzeugung einer radialen Strömung genutzt. Insbesondere weist der Einlass einen deutlich geringeren Querschnitt als die Hülle im horizontalen (bevorzugt runden) Querschnitt. Dieses bewirkt, dass das Gasgemisch mit höherer Geschwindigkeit einströmt, dadurch eine radiale Strömung in der Hülle erzeugt, die vorzugsweise größtenteils parallel zur Oberfläche des Feststoffes verläuft. Die anschließende Strömung des Gasgemisches durch den Feststoff von oben nach unten erfolgt dann mit entsprechend geringerer senkrechter Strömungsgeschwindigkeitskomponente (durch den deutlich größeren Querschnitt bei gleichem Volumenstrom). Dieses hat zwei positive Effekte. Zum einen wird dadurch eine gleichmäßige und den partikulären Feststoff nicht oder nur geringfügig aufwirbelnde Strömung erzeugt. Zum anderen erhöht die geringere senkrechte Strömungsgeschwindigkeitskomponente die Kontaktzeit zum Feststoff und damit die Absorption von Kohlendioxid aus dem Gasgemisch.
Beispielsweise und bevorzugt sind in der Hülle und auf Höhe des Einlasses Leitelemente zur Erzeugung oder Verstärkung einer radialen Strömung angeordnet. Hierdurch kann die radiale Strömung weiter optimiert und eine möglichst gleichmäßige Anströmung des Feststoffes erreicht werden. Insbesondere sind die Leitelemente in Form senkrecht angeordneter Leitbleche ausgeführt, welche am oberen Ende der Hülle im Inneren angeordnet sind. Besonders bevorzugt weisen die Leitelemente eine geschwungene Form auf, um die radiale Strömung zu fördern. Weiter bevorzugt sind die Position und Ausrichtung des Einlasses und die Position und Form der Leitelemente für eine optimale radiale Strömung aufeinander abgestimmt. Beispielsweise sind die Leitbleche koaxial zu einer gedachten Achse in Form eines Kreisabschnitts geformt, der einen Kreisabschnitt von 45° bis 180° bilden kann und können eine Höhe aufweisen, die zumindest dem Durchmesser des Einlassrohrs entspricht. Sie können dabei direkt hinter dem Einlassrohr angeordnet sein, sodass das einströmende Gas direkt durch die Leitelemente geführt wird.
Bevorzugt ist die radialen Strömung des Gasgemisches eine laminare Strömung und keine turbulente Strömung. Diese kann neben der Größe des Einlassrohres und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases auch beispielsweise durch die Leitelemente unterstützt werden. Je geringer der turbulente Anteil der Strömung ist, umso geringer ist die Gefahr der Verwirbelung des Feststoffes.
Beispielsweise und bevorzugt weist die Vorrichtung einen Kühler auf, wobei der Kühler vor dem Einlass angeordnet ist. Hierdurch wird das eintretende Gas abgekühlt, wodurch mehr CO2 absorbiert werden kann. Besonders bevorzugt ist der Kühler in Form eines Wärmetauschers ausgebildet, wobei der Wärmetauscher derart mit der Vorrichtung verbunden ist, dass das Gas erst durch den Wärmetäuscher fließt, von dort in die Vorrichtung strömt und anschließend zurück in den Wärmetäuscher geführt wird, derart, dass der Wärmetäuscher das in den Einlass einströmende Gas abkühlt und im Gegenzug das aus dem Auslass austretende Gas erwärmt. Dadurch wird der Energiebedarf minimiert und die Temperatur der Umgebung nicht beeinflusst. Beispielsweise und bevorzugt ist der Feststoff in einer horizontal angeordneten Absorptionsschicht angeordnet ist, wobei die Absorptionsschicht an der Oberseite ein oberes Begrenzungselement und an der Unterseite ein unteres Begrenzungselement aufweist. Das obere Begrenzungselement und das untere Begrenzungselement werden jeweils durch ein Gitter oder Lochblech gebildet, also durch etwas, durch das das Gasgemisch leicht durchströmen kann, was aber den Feststoff sicher zurückhält. Daher sind die Öffnungen des Gitters oder des Lochblechs kleiner als die Partikelgröße des Feststoffes. Besonders bevorzugt ist die Absorptionsschicht scheibenförmig, die Dicke ist somit geringer als der Durchmesser. Der Feststoff liegt in der Absorptionsschicht als eine Schüttung vor, was einen Füllgrad in der Größenordnung von 2A nahelegt. Entsprechend ist der Strömungswiderstand des Feststoffes groß. Daher ist es vorteilhaft, eine große Fläche zu durchströmen und nur eine geringe Schichtdicke des Feststoffes, da dieses beides den Strömungswiderstand des Feststoffes insgesamt reduziert und so den Energiebedarf für das Fördern des Gasgemisches durch die CO2- Absorptionsvorrichtung minimiert. Insbesondere erstreckt sich die Absorptionsschicht über den gesamten Strömungsquerschnitt, so dass die Strömung den Feststoff durchströmen muss. Die zu durchströmende Dicke der Absorptionsschicht ist dabei über den gesamten Strömungsquerschnitt im Wesentlichen konstant. Die Begrenzungselemente können auch mehrlagig ausgebildet sein, beispielsweise aus einem ersten groben Gitter mit sehr großen Öffnungen (größer als der Feststoff), dafür aber mit sehr stabilen Trageelementen. Auf diesem ersten groben Gitter wird dann beispielsweise ein feinmaschiges Feingitter angeordnet, dass den Feststoff zurückhält und selber durch das erste grobe Gitter getragen und gestützt wird. Hierdurch wird die optimale Tragkraft des ersten groben Gitters mit der optimalen Rückhalteeigenschaft des zweiten Feingitters kombiniert.
Beispielsweise und bevorzugt weist das obere Begrenzungselement vertikale Strukturen auf, wobei sich die vertikalen Strukturen in den Feststoff erstrecken. Diese vertikalen Strukturen dienen dazu, ein Verrutschen des Feststoffes, beispielsweise beim Auftauchen, beim Abtauchen oder bei Krängung zu verhindern, insbesondere, wenn sich oben ein Ausgleichsvolumen zur Aufnahme von Volumenänderung befindet. Dabei können die vertikalen Strukturen beispielsweise durch senkrecht nach unten angeordnete Elemente gebildet werden, die beispielsweise die gleiche Struktur wie das Begrenzungselement selber aufweisen können, beispielsweise auch aus einem Gitter bestehen. In einem alternativen Beispiel ist das obere Begrenzungselement selber gewellt ausgeführt und weist damit selber Erhöhungen und Vertiefungen auf. Da der Feststoff von oben angeströmt wird, wird dieser nicht fluidisiert, wie dieses bei einer Anströmung von unten der Fall sein könnte. Daher reichen diese vertikalen Strukturen zur Stabilisierung aus.
Beispielsweise und bevorzugt weist die CO2-Absorptionsvorrichtung eine Pumpe zum Evakuieren der Hülle auf, wobei die Pumpe vorzugsweise eine Wasserringpumpe ist. Die Wasserringpumpe hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen wird durch den Flüssigkeitsspalt in der Pumpe die direkte Berührung vermieden, sodass diese Pumpe vergleichsweise leise ist, was die akustische Signatur des Unterseebootes reduziert. Zum anderen kondensiert Wasser direkt in der Pumpe aus und wird mit dem Wasser der Pumpe aus dem System entfernt. Dieses ist besonders vorteilhaft, da der Feststoff neben der Bindung von Kohlendioxid auch zur Aufnahme von Wasser aus der Atem lüft neigt und somit neben CO2 auch Wasser bei der Desorption in größeren Mengen abgegeben wird. Durch das Auskondensieren wird das Wasser entfernt und das zu fördernde Gasvolumen dadurch gleichzeitig reduziert. Gegenüber einem vor einer anderen Pumpe angeordneten Wasserabscheider wird zusätzlich noch Energie und Bauplatz gespart.
Beispielsweise und bevorzugt weist die CO2-Absorptionsvorrichtung eine pneumatische Fördervorrichtung für den Feststoff auf. Insbesondere weist die pneumatische Fördervorrichtung ein Anschlussrohr auf. Das Anschlussrohr ist zur Entnahme des Feststoffes aus der Hülle evakuierbar. Weiter ist der Feststoff mit einem Gasstrom durch das Anschlussrohr in die Hülle einbringbar.
Um das Ausbringen des Feststoffes zu fördern, kann beispielsweise dadurch unterstützt werden, dass Gas durch den Einlass Gas zugeführt wird, während durch das Anschlussrohr evakuiert wird. Dadurch wird ein fördernder Gasstrom erzielt. Ebenso kann beim Einbringen gleichzeitig zum Fördern mit einem Gasstrom ein abpumpen (evakuieren) an der Hülle erfolgen, wie beispielsweise während der Desorption. Auch hierdurch kann ein kontinuierlicher Gasstrom für den Eintrag des Feststoffes erreicht werden.
Beispielsweise und bevorzugt weist die Wärmetauschvorrichtung ein Fluid als Wärmeträger auf. Beispielsweise und bevorzugt ist die Wärmetauschvorrichtung lamellenartig ausgeführt. Besonders bevorzugt sind die Lamellen der Wärmetauschvorrichtung parallel zur Strömungsrichtung angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterseeboot eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung zur Rückgewinnung der Wärme des Wärmetauschfluids auf. Beispielsweise und insbesondere weist die Wärmerückgewinnungsvorrichtung eine Speichervorrichtung mit Verbindungen zu den Wärmetauschfluidauslässen zur Speicherung von aus einem Wärmetauschfluidauslass abgegebenem Wärmetauschfluid bei hoher Temperatur und Verbindungen zu den Wärmetauschfluideinlässen auf. Die Desorption erfolgt bei Temperaturen von beispielsweise 120 °C bis 150 °C. Nach dem Abschluss der Desorption wird das entsprechend warme Wärmetauschfluid in die Speichervorrichtung gefördert und von dort später in eine andere CO2-Absorptionsvorrichtung, wenn diese nach dem Evakuieren aufgeheizt werden soll zur Desorption. Alternativ, zusätzlich oder über die Speichervorrichtung weist die Wärmerückgewinnungsvorrichtung eine Verbindung zwischen dem Wärmetauschfluidauslass einer ersten CO2-Absorptionsvorrichtung und dem Wärmetauschfluideinlass einer zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung auf. Bevorzugt kann über die Wärmerückgewinnungsvorrichtung das warme Wärmetauschfluid von jedem Wärmetauschfluidauslass einer beliebigen CO2-Absorptionsvorrichtung zu jedem Wärmetauschfluideinlass einer beliebigen anderen CO2-Absorptionsvorrichtung gefördert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Gasauslässe der CO2- Absorptionsvorrichtungen mit einer Wasserringpumpe verbindbar. Da neben CO2 aus der Atem lüft auch Wasser durch den Feststoff gebunden und im Desorptionsmodus wieder abgegeben wird, wird in dieser Phase auch eine große Menge gasförmigen Wassers abgegeben. In einer Wasserringpumpe wird dieses kondensiert und aus dem Gasstrom in einfacher weise entfernt. Zusätzlich ist eine Wasserringpumpe vergleichsweise leise, was sich positiv auf die akustische Signatur des Unterseebootes auswirkt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Gasauslässe der CO2- Absorptionsvorrichtungen über einen Kondensator mit der Wasserringpumpe verbindbar sind. Dieses erhöht die Kondensationsleistung zusätzlich zu Wasserringpumpe, wodurch der Dampfdruck reduziert wird. Dadurch kann mehr CO2 durch die Wasserringpumpe abgesaugt werden. Dadurch verlängern sich die Zyklen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Feststoff partikulär. Weiter weist das Unterseeboot eine pneumatische Fördervorrichtung für den Feststoff auf. Hierdurch ist es ohne ein Öffnen der CO2-Absorptionsvorrichtungen möglich den Feststoff auszutauschen, was somit auch einfach während einer Mission möglich ist. Hierzu weist vorzugsweise jede CO2-Absorptionsvorrichtung ein verschließbares Anschlussrohr, vorzugsweise mit einem Flanschanschluss am Ende auf. Hierdurch kann zunächst an den entsprechenden Flansch eine Absaugung angeschlossen werden, um den partikulären Feststoff zu entfernen. Anschließend kann eine Befüllung an den Flansch angeschlossen werden, um mit Hilfe eines Gasstromes den partikulären Feststoff in die CO2-Absorptionsvorrichtung einzutragen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterseeboot neben der Heißfluidversorgung und der Kaltfluidversorgung eine weitere Mitteltemperaturfluidversorgung auf, wobei die Temperatur des Wärmetauschfluids in der Kaltfluidversorgung geringer ist als die Temperatur des Wärmetauschfluids in der Mitteltemperaturfluidversorgung und die Temperatur des Wärmetauschfluids in der Mitteltemperaturfluidversorgung geringer ist als die Temperatur des Wärmetauschfluids in der Heißfluidversorgung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Lufteinlass und den Einlässen der Wärmetauschvorrichtungen ein Kühler angeordnet ist. Hierdurch wird das eintretende Gas abgekühlt, wodurch mehr CO2 absorbiert werden kann. Besonders bevorzugt ist der Kühler in Form eines Wärmetauschers ausgebildet, wobei der Wärmetäuscher das in den Einlass einströmende Gas abkühlt und im Gegenzug das aus dem Auslass austretende Gas erwärmt. Dadurch wird der Energiebedarf minimiert und die Temperatur der Umgebung nicht beeinflusst.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Kühler einen Wasserablass auf. Hierdurch kann im Kühler kondensiertes Wasser entfernt werden, was zu einer geringeren Wasseraufnahme des Feststoffs zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid führt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben von CO2- Absorptionsvorrichtungen in einem erfindungsgemäßen Unterseeboot, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Auswählen einer ersten CO2-Absorptionsvorrichtung, bei der die Desorption von Kohlendioxid abgeschlossen ist, b) Auswählen einer zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung, bei der die Absorption von Kohlendioxid abgeschlossen ist und bei welcher nun die Desorption durchgeführt werden soll, c) Transferieren des warmen Wärmetauschfluids aus der ersten Wärmetauschvorrichtung der ersten CO2-Absorptionsvorrichtung in die zweite Wärmetauschvorrichtung der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Transfer in Schritt c) über eine Speichervorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt: d) Auswählen einer dritten CO2-Absorptionsvorrichtung, bei der die Absorption von Kohlendioxid abgeschlossen ist und bei welcher nun die Desorption durchgeführt werden soll, e) Verbinden des zweiten Gasauslasses der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung mit dem dritten Gaseinlass der dritten CO2-Absorptionsvorrichtung, f) Verbinden des dritten Gasauslasses der dritten CO2-Absorptionsvorrichtung mit der Pumpe zum Evakuieren, g) Evakuieren der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung und der dritten CO2- Absorptionsvorrichtung, h) Erwärmen des zweiten Feststoffes der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung und des dritten Feststoffes der dritten CO2-Absorptionsvorrichtung.
Der Effekt dieser Verschaltung ist, dass die bereits warmen Gase CO2 und Wasserdampf dann aus der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung in die dritte CO2- Absorptionsvorrichtung geleitet werden und so die Wärme des Gasstroms zusätzlich genutzt wird, um die Desorption in der dritten CO2-Absorptionsvorrichtung zu optimieren.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entladen und Beladen einer CO2-Absorptionsvorrichtung mit einem partikulären Feststoff. Hierzu wird zunächst an den entsprechenden Flansch zunächst eine Absaugung angeschlossen werden, um den partikulären Feststoff zu entfernen. Anschließend wird eine Befüllung an den Flansch angeschlossen werden, um mit Hilfe eines Gasstromes den partikulären Feststoff in die CO2-Absorptionsvorrichtung einzutragen. Hierdurch ist nicht nur ein einfacher Austausch während der normalen Wartung möglich, sondern ein Austausch ist sogar während des Einsatzes durch die Besatzung möglich. Dieses erhöhte die Sicherheit bei einem langen getauchten Einsatz. Gleichzeitig kann die gesamte Anlage dadurch kleiner und leichter ausgeführt werden, da die Redundanz nicht alleine über die Anzahl der CO2- Absorptionsvorrichtungen geschaffen wird, sondern auch über die Möglichkeit des Austausches des Feststoffes während einer Mission.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterseeboot anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Schaltplan
Fig. 2 Querschnitt durch eine CO2-Absorptionsvomchtung
In Fig. 1 ist ein Schaltplan dargestellt. Beispielsweise weist das Unterseeboot hier drei CO2-Absorptionsvomchtungen 10 auf. Die CO2-Absorptionsvomchtungen 10 sind hier nur schematisch dargestellt und sind in Fig. 2 gezeigt. Vorteilhaft sind alle CO2- Absorptionsvorrichtungen 10 gleich ausgeführt. Das Unterseeboot weist im gezeigten Beispiel eine Kaltfluidversorgung 110, eine Heißfluidversorgung 120 und eine Mitteltemperaturfluidversorgung 130 auf. Die Kaltfluidversorgung 110 ist beispielsweise ein Kühlwassersystem mit einer Temperatur von 15 °C, welches beispielsweise für Kühlungssysteme bootsweit verwendet wird. Die Heißfluidversorgung 120 weist beispielsweise Wasser bei 160 °C unter Druck auf. Zusätzlich weist das Unterseeboot eine Mitteltemperaturfluidversorgung 130, welche beispielsweise als Wärmerückgewinnungsvorrichtung verwendet werden kann. Hierdurch können durch ein zusätzliches Temperaturniveau die Energien beim Abkühlen und Aufheizen besser genutzt werden.
Weiter ist ein Umlufteinlass 160 und ein Umluftauslass 170 vorhanden. Über den Umlufteinlass 160 wird die Umgebungsluft zugeführt, um CO2 abzutrennen und dann über den Umluftauslass 170 der Umgebungsluft wieder zugeführt zu werden. Aus Sicherheitsgründen kann ein Ammoniak-Filter 140 vor dem Umluftauslass 170 angeordnet sein, da die Möglichkeit besteht, dass aus dem Feststoff 20 durch Zersetzung Ammoniak freigesetzt werden könnte, welches für die Besatzung gefährlich wäre. Um dieses Risiko auszuschließen dient der Ammoniak-Filter 140.
Des Weiteren weist das Unterseeboot zwei parallel geschaltete Wasserringpumpen 150 auf. Zwei sind lediglich aus Redundanzgründen notwendig, um die Funktionsfähigkeit auch bei dem Ausfall einer Wasserringpumpe 150 sicher zu stellen.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine CO2-Absorptionsvorrichtung 10 zu sehen. Innerhalb einer Hülle 40 ist ein Feststoff 20 angeordnet, beispielsweise ein Polymer mit funktionellen Amingruppen in Form von Kügelchen mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm. Im Regelbetrieb wird durch den Gaseinlass 50 die Umgebungsluft des Unterseebootes eingeführt, im Feststoff 20 wird CO2 gebunden und das von CO2 abgereicherte Gasgemisch durch den Gasauslass 60, gegebenfalls über einen nachgelagerten Ammoniakfilter, wieder in die Umgebungsluft abgegeben. Der partikuläre Feststoff wird durch ein oberes Begrenzungselement 70 und ein unteres Begrenzungselement 80 in der Absorptionsschicht zwischen diesen beiden gehalten. Dazu sind das obere Begrenzungselement 70 und das untere Begrenzungselement 80 in Form von Gittern mit einer Maschenweite von ungefähr 0,5 mm und einer Drahtstärke von ungefähr 0,02 mm ausgeführt. Eine Wärmetauschvorrichtung 30 ist lamellenartig in der Absorptionsschicht angeordnet und damit im Kontakt mit dem Feststoff 20. Hierdurch kann der Feststoff während des Regelbetriebs bei der Absorption des CO2 gekühlt werden, während der Desorption während der Regeneration erwärmt werden sowie nach der Desorption und vor der erneuten Zuführung von zu reinigender Luft ebenfalls abgekühlt werden. Dazu wird die Wärmetauschvorrichtung 30 je nach Anwendungsfall beispielsweise und bevorzugt mit warmen beziehungsweise kaltem Wasser durchflossen. Um höhere Temperaturen, beispielsweise von 150 °C zu realisieren, ist die Wärmetauschvorrichtung 30 entsprechend für hohe Drücke des Wassers ausgelegt.
Bezugszeichen
10 CO2-Absorptionsvorrichtung
20 Feststoff
30 Wärmetauschvorrichtung
40 Hülle
50 Gaseinlass
60 Gasauslass
70 oberes Begrenzungselement
80 unteres Begrenzungselement
90 vertikale Strukturen
100 pneumatische Fördervorrichtung
110 Kaltfluidversorgung
120 Heißfluidversorgung
130 Mitteltemperaturfluidversorgung
140 Ammoniak-Filter
150 Wasserringpumpe
160 Umlufteinlass
170 Umluftauslass

Claims

Patentansprüche
1 . Unterseeboot mit wenigstens einer ersten CO2-Absorptionsvorrichtung (10), einer zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung (10) und einer dritten CO2- Absorptionsvorrichtung (10), wobei die CO2-Absorptionsvorrichtungen (10) jeweils eine Hülle (40), einem Feststoff (20) zur Aufnahme von Kohlendioxid und eine Wärmetauschvorrichtung (30) aufweisen, wobei jede Wärmetauschvorrichtung (30) einen Wärmetauschfluideinlass und einen Wärmetauschfluidauslass aufweist, wobei das Unterseeboot eine Heißfluidversorgung (120) und eine Kaltfluidversorgung (110) aufweist, wobei jede CO2-Absorptionsvorrichtung (10) einen Gaseinlass (50) aufweist, wobei der Gaseinlass (50) auf der einen Seite des Feststoffs (20) und der Wärmetauschvorrichtung (30) angeordnet ist, wobei jede CO2-Absorptionsvorrichtung (10) einen Gasauslass (60) aufweist, wobei der Gasauslass (60) auf der anderen Seite des Feststoffes (20) und der Wärmetauschvorrichtung (30) angeordnet ist, wobei durch den Gaseinlass (50) Umgebungsluft zugeführt werden kann, wobei durch den Gasauslass (60) CO2- abgereichtertes Gas der Umgebungsluft zugeführt werden kann, wobei der Gasauslass (60) mit einer Pumpe zum Evakuieren verbindbar ist, wobei die erste CO2-Absorptionsvorrichtung (10), die zweite CO2-Absorptionsvorrichtung (10) und die dritte CO2-Absorptionsvorrichtung (10) unabhängig voneinander in einem Absorptionsmodus und einen Desorptionsmodus betrieben werden können.
2. Unterseeboot nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Unterseeboot eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung zur Rückgewinnung der Wärme des Wärmetauschfluids aufweist.
3. Unterseeboot nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung eine Speichervorrichtung mit Verbindungen zu den Wärmetauschfluidauslässen zur Speicherung von aus einem Wärmetauschfluidauslass abgegebenem Wärmetauschfluid bei hoher Temperatur und Verbindungen zu den Wärmetauschfluideinlässen aufweist.
4. Unterseeboot nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerückgewinnungsvorrichtung eine Verbindung zwischen dem Wärmetauschfluidauslass einer ersten CO2-Absorptionsvorrichtung (10) und dem Wärmetauschfluideinlass einer zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung (10) aufweist.
5. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasauslässe der CO2-Absorptionsvorrichtungen (10) mit einer Wasserringpumpe (150) verbindbar sind.
6. Unterseeboot nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasauslässe der CO2-Absorptionsvorrichtungen (10) über einen Kondensator mit der Wasserringpumpe (150) verbindbar sind.
7. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff (20) partikulär ist, wobei das Unterseeboot eine pneumatische Fördervorrichtung (100) für den Feststoff (20) aufweist.
8. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lufteinlass (160) und den Einlässen (50) der Wärmetauschvorrichtungen (30) ein Kühler angeordnet ist.
9. Unterseeboot nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler einen Wasserablass aufweist.
10. Verfahren zum Betreiben von CO2-Absorptionsvorrichtungen (10) in einem Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Auswählen einer ersten CO2-Absorptionsvorrichtung (10), vorzugsweise bei der die Desorption von Kohlendioxid abgeschlossen ist, b) Auswählen einer zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung (10), vorzugsweise bei der die Absorption von Kohlendioxid abgeschlossen ist und bei welcher nun die Desorption durchgeführt werden soll, c) Transferieren des Wärmetauschfluids aus der ersten Wärmetauschvorrichtung (30) der ersten CO2-Absorptionsvorrichtung (10) in die zweite Wärmetauschvorrichtung (30) der zweiten CO2- Absorptionsvorrichtung (10). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Transfer in Schritt c) über eine Speichervorrichtung erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt werden: d) Auswahlen einer dritten CO2-Absorptionsvorrichtung (10), vorzugsweise bei der die Absorption von Kohlendioxid abgeschlossen ist, bei welcher nun die Desorption durchgeführt werden soll, e) Verbinden des zweiten Gasauslasses (60) der zweiten CO2- Absorptionsvorrichtung (10) mit dem dritten Gaseinlass (50) der dritten CO2- Absorptionsvorrichtung (10), f) Verbinden des dritten Gasauslasses (60) der dritten CO2- Absorptionsvorrichtung (10) mit der Pumpe zum Evakuieren, g) Evakuieren der zweiten CO2-Absorptionsvorrichtung und der dritten CO2- Absorptionsvorrichtung (10), h) Erwärmen des zweiten Feststoffes (20) der zweiten CO2- Absorptionsvorrichtung (10) und des dritten Feststoffes (20) der dritten CO2- Absorptionsvorrichtung (10).
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