WO2009026992A2 - Pumpe, insbesondere für kryogene medien - Google Patents

Pumpe, insbesondere für kryogene medien Download PDF

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Martin BRÜCKLMEIER
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    • F05C2203/0895—Zirconium oxide

Definitions

  • the invention relates to a displacement machine, in particular a pump, comprising a piston arranged within a cylinder space.
  • Low-pressure hydrogen gas this is gaseous hydrogen, which is present under a pressure of 1, 0 to 8.0 bar to understand.
  • the proportion of this low-pressure hydrogen gas can be up to 30%.
  • this (undesired) low-pressure hydrogen gas occurs because the known pump designs permanently cool the cylinder space of the displacement piston with the medium to be pumped, in order to achieve recondensation of the gas quantity remaining as residual gas in the dead space of the pump. or due to the friction of the piston.
  • additional compressors are required to store the low-pressure gas at about 450 bar and feed it to the vehicle tank during a filling.
  • the current state of the present filling technology provides, due to the aforementioned disadvantages, not to use LH 2 pumps.
  • the stored in the storage tank at the liquid hydrogen filling station liquid hydrogen is removed at a storage pressure of about 2.5 to 5 bar, warmed in heat exchangers to ambient temperature and then fed to a pre-compressor.
  • the thus compressed hydrogen is temporarily stored in a memory bundle.
  • the vehicle tank is initially filled by overflowing from the storage banks to about 450 bar.
  • the temporarily stored hydrogen is removed from the accumulator bundle by means of a so-called booster compressor with high delivery rate, compressed to approx. 850 bar and fed to the vehicle.
  • the still cold low-pressure hydrogen gas can be recycled to the LH 2 storage tank from which the hydrogen to be delivered has been taken.
  • this procedure results in the case of larger amounts of cold gas to an undesirable increase in pressure and temperature of the liquid in the storage container.
  • the tank pressure must be lowered after reaching the maximum allowable working pressure either by blowing off gas or by compressing the gas to be blown off and caching the compressed gas.
  • each pump introduces heat energy into the medium to be pumped during the compression and delivery stroke.
  • the heating of the medium depends on the compression ratio of the pump. Cryopumps for LH 2 would thermodynamically ise ⁇ tropen compression - this means that no heat exchange with the environment takes place - with friction-free piston during the compression and displacement stroke of 0.25 to 45 MPa, the fluid to warm by about 15 K, while the Medium at a compression of 0.25 to 90 MPa by about 24 K would heat.
  • Such heating of the medium would not be detrimental to the pumping system if the heated medium can not heat exchange with these components due to adiabatic cylinder wall and piston system design. The heated medium would then be directed to the high pressure side without reaction to the pump system.
  • the cylinder walls of the prior art pumps are designed with a considerable wall thickness due to the high pressures occurring in the cylinder chamber.
  • the wall thickness depends on the cylinder diameter and material and is usually at least 6 mm up to 35 mm and more when using high-strength stainless steels. Due to its good conductivity and large mass during the compression and displacement stroke, the metal cylinder wall absorbs considerable amounts of heat from the heated pumped liquid and returns it to the (deeply cold) liquid newly supplied to the suction stroke during stroke reversal. As a result, cold gas is produced on the bulb wall, which due to its low density prevents optimal filling of the cylinder with (cryogenic) liquid. This effect can lead to a significant deterioration of the degree of filling of the cylinder. In the next delivery stroke, this leads to a further, even higher heating of the fluid and a temperature cycle which can lead to zero pump delivery.
  • LH 2 displacement machines or pumps Another technical problem of LH 2 displacement machines or pumps is that they must first be cold-started after a standstill period before restarting. This is usually done by conveying medium, which is removed from the storage container and recycled in the circuit as cold gas to the storage container, the LH 2 - twistmungsmaCnen or pump flows through. However, unwanted heat is also introduced into the storage container in this procedure. Since when using the LH 2 - displacement machines or pump as a filling pump in a hydrogen filling station for vehicles several longer downtime per day are expected (must), can be introduced into the storage tank by the above-described cold driving procedure significant amounts of heat.
  • Object of the present invention is to provide a generic displacement machine, in particular a pump, which avoids the aforementioned disadvantages.
  • a displacement machine in particular a pump, comprising a disposed within a cylinder chamber piston proposed, which is characterized in that the cylinder wall is at least partially formed of an insulating material, this high strength, a high modulus of elasticity, a has low thermal conductivity and a low heat capacity and is able to absorb the occurring cylinder pressure and tensile forces.
  • the displacement machine or pump according to the invention enables the realization of a thermodynamically quasi adiabatically executed Zyli ⁇ derwand.
  • a material is selected for the cylinder wall which has the property of neither transporting nor storing heat, it can now be achieved that heat transfer to the medium supplied in the intake stroke and to be conveyed is virtually eliminated. Thereby, the unwanted evaporation of the supplied medium can be avoided on the piston wall.
  • the insulating material is at least partially formed of a ceramic material
  • the tensile strength of the insulating layer is at least 200 N / mm 2 , preferably at least 500 N / mm 2
  • / or the elastic modulus of the insulating layer is at least 130,000 N / mm 2, preferably at least 210,000 N / mm 2
  • / or the thermal conductivity of the insulating layer Layer is at most 8 Wm 1 K “1 , preferably at most 1.5 Wm " 1 K "1 and / or the specific heat capacity of the insulating layer is at most 0.7 KJ / Kg " 1 K "1 , preferably at most 0.2 KJKg " 1 K "1 .
  • the latter statements relate to the compressive strength, the modulus of elasticity, the thermal conductivity and the specific heat capacity to a temperature of 300 K or relate to ambient conditions. Under cryogenic conditions, the values may differ significantly from the values given.
  • the insulating material preferably consists at least partially of one
  • Ceramic material such as silicon nitride (SI 3 N 4 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ), or similar ceramic materials.
  • Silicon nitride has a combination of outstanding material properties, such as high toughness, high, not yet achieved by other ceramics Strength, even at high temperatures, excellent
  • Thermal shock resistance excellent wear resistance, low thermal expansion, average thermal conductivity and good chemical resistance includes.
  • the advantages of zirconia are: high fracture toughness, thermal expansion similar to that of cast iron, highest flexural and tensile strength, high wear and corrosion resistance, low thermal conductivity, oxygen ion conductivity and very good tribological properties.
  • the wall thicknesses of displacement machines or pumps according to the invention will be approximately identical to the wall thicknesses of conventional displacement machines or pumps.
  • the wall thicknesses of displacement machines or pumps according to the invention are dependent on the cylinder diameter and internal cylinder pressure and, when using ceramic material, are generally between at least 6 and 35 mm or more.

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Abstract

Es wird eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, beschrieben. Erfindungsgemäß ist die Zylinderwand zumindest teilweise aus einem isolierenden Material ausgebildet, wobei dieses eine hohe Festigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität aufweist und die auftretenden Zylinderdruck- und Zugkräfte aufzunehmen vermag.

Description

Beschreibung
Pumpe, insbesondere für kryogene Medien
Die Erfindung betrifft eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben.
Gattungsgemäße Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Werden derartige Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen zum Pumpen kryogener Medien, wie bspw. Flüssig-Wasserstoff (LH2), verwendet, treten Probleme auf, die beim Pumpen nicht-kryogener Medien kein Thema sind.
Gegenwärtig wird insbesondere im Hinblick auf die sog. Hochdruck- Wasserstofferzeugung, die aufgrund der immer öfter angewendeten Flüssig- Wasserstoff-Speicherung und der Anwendung zur Befüllung von Fahrzeug- Hochdruckspeichern an Bedeutung gewinnt, den dafür verwendbaren Pumpenkonstruktionen verstärkte Aufmerksamkeit geschenkt.
Bekannte Pumpenkonstruktionen, die die Realisierung einer Hochdruck- Wasserstofferzeugung ermöglichen, erzeugen gegenwärtig neben dem (gewünschten) Hochdruckwasserstoffgas - hierunter sei gasförmiger Wasserstoff, der unter einem Druck von 250 bis 900 bar vorliegt, zu verstehen - erhebliche Mengen an
Niederdruckwasserstoffgas - hierunter sei gasförmiger Wasserstoff, der unter einem Druck von 1 ,0 bis 8,0 bar vorliegt, zu verstehen. Der Mengenanteil dieses Niederdruckwasserstoffgas kann bis zu 30 % betragen.
Zur Bildung dieses (unerwünschten) Niederdruckwasserstoffgases kommt es, da die bekannten Pumpenkonstruktionen den Zylinderraum des Verdrängungskolbens mit dem zugeführten, zu pumpenden Medium permanent kühlen, um eine Rückkondensation der Gasmenge zu erreichen, die als Restgas im Tot- bzw. Schadraum der Pumpe zurückbleibt und/oder aufgrund der Reibung des Kolbens entstanden ist. Zur Förderung dieses Niederdruckwasserstoffgases sind zusätzliche Kompressoren erforderlich, um das Niederdruckgas bei ca. 450 bar zu speichern und bei einer Befüllung dem Fahrzeugtank zuzuführen. Der aktuelle Stand der gegenwärtigen Fülltechnik sieht aufgrund der vorgenannten Nachteile vor, keine LH2-Pumpen zu verwenden. Der im Speichertank an der Flüssigwasserstoff-Tankstelle gespeicherte Flüssigwasserstoff wird bei einem Speicherdruck von ca. 2,5 bis 5 bar entnommen, in Wärmetauschern auf Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend einem Vorkompressor zugeführt. Dieser erzeugt einen Zwischendruck von ca. 25 bar und führt das Gas einem Kolbenverdichter zu, der den Wasserstoff auf 250 bis 300 bar verdichtet. Der derart verdichtete Wasserstoff wird in einem Speicherbündel zwischengespeichert. Zur Betankung wird zunächst der Fahrzeugtank durch Überströmen aus den Speicherbänken bis ca. 450 bar gefüllt. Um eine Betankung bis 700 bar Speicherdruck realisieren zu können, wird mittels eines sog. Booster-Kompressors mit hoher Förderleistung der zwischengespeicherte Wasserstoff aus dem Speicherbündel entnommen, auf ca. 850 bar komprimiert und dem Fahrzeug zugeführt.
Das noch kalte Niederdruckwasserstoffgas kann in den LH2-Speicherbehälter, aus dem der zu fördernde Wasserstoff entnommen wurde, zurückgeführt werden. Diese Verfahrensweise führt jedoch im Falle größerer Mengen an Kaltgas zu einer unerwünschten Druck- und Temperaturerhöhung der im Speicherbehälter befindlichen Flüssigkeit. Somit muss der Tankdruck nach Erreichen des maximal zulässigen Arbeitsdruckes entweder durch Abblasen von Gas oder durch Komprimieren des abzublasenden Gases und Zwischenspeichern des komprimierten Gases erniedrigt werden.
Generell gilt, dass jede Pumpe während des Kompressions- und Förderhubes Wärmeenergie in das zu fördernde Medium einbringt. Die Erwärmung des Mediums ist vom Kompressionsverhältnis der Pumpe abhängig. Kryopumpen für LH2 würden bei einer thermodynamisch iseπtropen Verdichtung - dies bedeutet, dass kein Wärmaustausch mit der Umgebung erfolgt - mit reibungsfreien Kolben während des Kompressions- und Verdrängungshubes von 0,25 auf 45 MPa das Fluid um ca. 15 K anwärmen, während sich das Medium bei einer Kompression von 0,25 auf 90 MPa um ca. 24 K erwärmen würde. Diese Erwärmung des Mediums würde für das Pumpensystem keine Nachteile bringen, wenn das erwärmte Medium aufgrund einer adiabaten Ausführung von Zylinderwand und Kolbensystem keinen Wärmeaustausch mit diesen Komponenten ausführen kann. Das erwärmte Medium würde dann ohne Rückwirkung auf das Pumpensystem zur Hochdruckseite geführt. Dort ist die Erwärmung des Mediums nicht schädlich, da das Hochdruckmedium zur weiteren Verwendung anschließend in einem Wärmetauscher weiter angewärmt wird. Derartige "adiabate Pumpsysteme" können bisher nicht verwirklicht werden, da aufgrund der hohen Drücke von 45 bis 90 MPa metallische Komponenten, bspw. für die Zylinderwand, erforderlich sind. Diese haben jedoch einen erheblichen Wärmeaustausch in dem Pumpensystem zur Folge.
Die Zylinderwände der zum Stand der Technik zählenden Pumpen sind aufgrund der im Zylinderraum auftretenden hohen Drücke mit einer erheblichen Wandstärke ausgeführt. Die Wandstärke ist abhängig von dem Zylinderdurchmesser und -material und beträgt bei der Verwendung hochfester Edelstahle im Regelfall wenigstens 6 mm bis zu 35 mm und mehr. Die metallene Zylinderwand nimmt wegen ihrer guten Leitfähigkeit und großen Masse während des Kompressions- und Verdrängungshubes aus der erwärmten Förderflüssigkeit erhebliche Wärmemengen auf und gibt diese bei Hubumkehr wieder an die für den Saughub neu zugeführte (tiefkalte) Flüssigkeit ab. An der Kolbenwand entsteht dadurch Kaltgas, das aufgrund seiner geringen Dichte eine optimale Füllung des Zylinders mit (tiefkalter) Flüssigkeit verhindert. Dieser Effekt kann zu einer wesentlichen Verschlechterung des Füllungsgrades des Zylinders führen. Diese führt im nächsten Förderhub zu einer weiteren, noch höheren Erwärmung des Fluids und einem Temperaturkreislauf der bis zur Nullförderung der Pumpe führen kann.
Um diesen unerwünschten Effekt zu verhindern, wurde bereits vorgeschlagen, eine Kühlung der Zylinderwand zu realisieren. Eine derartige Pumpenkonstruktion ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 102007035616 bekannt.
Diese Lösung ermöglicht eine thermodynamisch quasi isotherme Verdichtung, da nicht nur die Zylinderwand, sondern auch ein großer Teil des zu fördernden Mediums gekühlt wird. Die Kühlung der Zylinderwand kann bei der Kompression und Förderung von LH2 nur durch ein Medium mit geringerer Temperatur erfolgen; üblicherweise erfolgt die Kühlung daher mit dem der Pumpe zugeführten Fördermedium. Theoretisch wäre es auch möglich, mit extern gekühltem Heliumgas zu kühlen; eine derartige Verfahrensweise würde jedoch wegen der damit verbundenen Kosten und des Aufwandes nur in Ausnahmefällen realisiert werden. Diese Kühlung führt, wenn sie mit dem zugeführten Fördermedium erfolgt, zu einer Verdampfung eines Anteiles des zugeführten Fördermediums. Das dabei unerwünscht produzierte Kaltgas, dessen Anteil bis zu 20 % der Fördermenge betragen kann, geht für die Förderung verloren und muss mit den oben beschriebenen Nachteilen anderweitig komprimiert bzw. genutzt werden.
Ein weiteres technisches Problem von LH2-Verdrängungsmaschinen bzw. -Pumpen besteht darin, dass diese nach einer Stillstandperiode vor einem erneuten Start zunächst kaltgefahren werden müssen. Dies geschieht üblicherweise dadurch, dass Fördermedium, das aus dem Speicherbehälter entnommen und im Kreislauf als Kaltgas zu dem Speicherbehälter zurückgeführt wird, die LH2-Verdrängungsmaschänen bzw. -Pumpe durchströmt. Jedoch wird auch bei dieser Verfahrensweise unerwünschte Wärme in den Speicherbehälter eingebracht. Da bei einer Verwendung der LH2- Verdrängungsmaschinen bzw. -Pumpe als Füllpumpe in einer Wasserstoff-Tankstelle für Fahrzeuge mehrere längere Stillstandszeiten pro Tag erwartet werden (müssen), können durch die vorbeschriebene Kaltfahrprozedur erhebliche Wärmemengen in den Speicherbehälter eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, anzugeben, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zylinderwand zumindest teilweise aus einem isolierenden Material ausgebildet ist, wobei dieses eine hohe Festigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität aufweist und die auftretenden Zylinderdruck- und Zugkräfte aufzunehmen vermag.
Da in der Zylinderwand hauptsächlich Zugspannungen auftreten, ist insbesondere die Zugfestigkeit des isolierenden Materials von Bedeutung.
Die erfindungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe ermöglicht die Realisierung einer thermodynamisch quasi adiabat ausgeführten Zyliπderwand. Mittels der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe kann - sofern für die Zylinderwand ein Material gewählt wird, das die Eigenschaft besitzt, Wärme weder zu transportieren noch zu speichern - nunmehr erreicht werden, dass ein Wärmeübergang auf das im Ansaughub zugeführte und zu fördernde Medium nahezu unterbleibt. Dadurch kann die unerwünschte Verdampfung des zugeführten Mediums an der Kolbenwand vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass
das isolierende Material zumindest teilweise aus einem Keramikmaterial gebildet ist und
- die Zugfestigkeit der isolierenden Schicht wenigstens 200 N/mm2, vorzugsweise wenigstens 500 N/mm2 beträgt und/oder das Elastizitätsmodul der isolierenden Schicht wenigstens 130.000 N/mm2 vorzugsweise wenigstens 210.000 N/mm2 beträgt und/oder die Wärmeleitfähigkeit der isolierenden Schicht höchstens 8 Wm 1K"1, vorzugsweise höchstens 1 ,5 Wm"1 K"1 beträgt und/oder die spezifische Wärmekapazität der isolierenden Schicht höchstens 0,7 KJ/Kg"1K"1, vorzugsweise höchstens 0,2 KJKg"1 K"1 beträgt.
Hierbei beziehen sich die letztgenannten Angaben zur Druckfestigkeit, zum Elastizitätsmodul, zur Wärmeleitfähigkeit sowie zur spezifischen Wärmekapazität auf eine Temperatur von 300 K bzw. auf Umgebungsbedingungen beziehen. Unter kryogeπen Bedingungen können die Werte wesentlich von den angeführten Werten abweichen.
Das isolierende Material besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus einem
Keramikmaterial, wie beispielsweise Siliziumnitrid (SI3N4) oder Zirkoniumoxid (ZrO2), oder ähnlichen keramischen Werkstoffen.
Siliziumnitrid verfügt dabei über eine bislang von anderen Keramiken nicht erreichte Kombination von hervorragenden Werkstoffeigenschaften, wie hohe Zähigkeit, hohe Festigkeit, auch bei hohen Temperaturen, ausgezeichnete
Temperaturwechselbeständigkeit, hervorragende Verschleißbeständigkeit, niedrige Wärmedehnung, mittlere Wärmeleitfähigkeit und gute chemische Beständigkeit umfasst. Die Vorteile von Zirkoniumoxid sind: hohe Bruchzähigkeit, Wärmedehnung, die der von Gusseisen ähnlich ist, höchste Biegebruch- und Zugfestigkeit, hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, niedrige Wärmeleitfähigkeit, Sauerstoffionenleitfähigkeit und sehr gute tribologische Eigenschaften.
Da die Festigkeit der vorgenannten Materialien ähnlich denen von hochfesten Edelstahlen ist oder diese übertrifft, werden die Wandstärken erfindungsgemäßer Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen annähernd identisch zu den Wandstärken herkömmlicher Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen sein. Die Wandstärken erfindungsgemäßer Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen sind abhängig von dem Zylinderdurchmesser und Zylinderinnendruck und betragen bei der Verwendung von Keramikmaterial im Regelfall zwischen wenigstens 6 und 35 mm oder mehr.

Claims

Patentansprüche
Verdrängungsmaschine, insbesondere Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwand zumindest teilweise aus einem isolierenden Material ausgebildet ist, wobei dieses eine hohe Festigkeit, ein hohes Elastizitätsmodul, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität aufweist und die auftretenden Zylinderdruck- und Zugkräfte aufzunehmen vermag.
2. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das isolierende Material zumindest teilweise aus einem Keramikmaterial gebildet ist.
3. Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Zugfestigkeit der isolierenden Schicht wenigstens 200 N/mm2, vorzugsweise wenigstens 500 N/mm2 beträgt und/oder
- das Elastizitätsmodul der isolierenden Schicht wenigstens 130.000 N/mm2 vorzugsweise wenigstens 210.000 N/mm2 beträgt und/oder
- die Wärmeleitfähigkeit der isolierenden Schicht höchstens 8 Wm'1 K"1, vorzugsweise höchstens 1,5 Wm-1K'1 beträgt und/oder - die spezifische Wärmekapazität der isolierenden Schicht höchstens
0,7 KJ/Kg"1K"1, vorzugsweise höchstens 0,2 KJKg 1 K"1 beträgt.
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