WO2023041630A1 - System mit einen kryobehälter zur temporären reduktion von druckverlusten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System, umfassend einen Kryobehälter (100), insbesondere einen LNG-Behälter oder einen Wasserstoffbehälter, einen externen Wärmetauscher (140) und einen internen Wärmetauscher (170) mit einem Druckmanagementsystem, wobei das System zur temporären Reduktion von Druckverlusten zumindest eine der folgenden selektiv zuschaltbaren Überbrückungsleitungen (210, 220, 230) aufweist: - eine erste Überbrückungsleitung (210) für das erste Wärmetauscherrohr (141) des externen Wärmetauschers (140); - eine zweite Überbrückungsleitung (220) für das zweite Wärmetauscherrohr (142); - eine dritte Überbrückungsleitung (230) für den internen Wärmetauscher (170).

Description

System mit einen Kryobehälter zur temporären Reduktion von Druckverlusten
Die Erfindung betrifft ein System, umfassend einen Kryobehälter, insbesondere einen LNG- Behälter oder einen Wasserstoffbehälter, einen externen Wärmetauscher und einen internen Wärmetauscher, wobei der externe Wärmetauscher über einen Mediumeingang und einen Mediumausgang für Wärmetauschmedium verfügt und der interne Wärmetauscher innerhalb des Kryobehälters angeordnet ist, um das im Kryobehälter befindliche Kryofluid als Wärmetauschmedium zu nutzen, wobei der externe Wärmetauscher ein erstes Wärmetauscherrohr mit einem ersten Eingang und einem ersten Ausgang und ein zweites Wärmetauscherrohr mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang umfasst; wobei der interne Wärmetauscher einen dritten Eingang und einen dritten Ausgang umfasst; wobei eine Entnahmeleitung des Kryobehälters mit dem ersten Eingang des externen Wärmetauschers verbunden ist, wobei eine Ausgangsleitung an einen ersten Ausgang des externen Wärmetauschers angeschlossen ist, wobei eine Abzweigleitung an einem ersten Knotenpunkt an die Ausgangsleitung angeschlossen und mit dem dritten Eingang des internen Wärmetauschers verbunden ist, wobei eine erste Rückführleitung an den dritten Ausgang des internen Wärmetauschers angeschlossen und mit dem zweiten Eingang des externen Wärmetauschers verbunden ist; und wobei eine zweite Rückführleitung an den zweiten Ausgang des externen Wärmetauschers angeschlossen und an einem zweiten Knotenpunkt an die Ausgangsleitung angeschlossen ist, wobei sich der zweite Knotenpunkt stromabwärts des ersten Knotenpunkts befindet
Gemäß dem Stand der Technik können verflüssigte Gase in Behältern („Kryobehältern“) gespeichert werden, um diese als Kraftstoff für beispielsweise einen Motor zu lagern. Verflüssigte Gase sind Gase, die bei Siedetemperatur im flüssigen Aggregatzustand vorliegen, wobei die Siedetemperatur dieses Fluids druckabhängig ist. Wird eine solche kryogene Flüssigkeit in einen Kryobehälter gefüllt, so stellt sich, abgesehen von thermischen Wechselspielen mit dem Kryobehälter selbst, ein Druck entsprechend der Siedetemperatur ein.
Im Anwendungsgebiet der Fahrzeugtechnik kann das Kryofluid als Treibstoff für ein Fahrzeug dienen, zu welchem Zweck der Kryobehälter am Fahrzeug mitgeführt wird. Das Kryofluid soll dem Motor des Fahrzeugs - allgemein einem Verbraucher - mit einer vorbestimmten Mindesttemperatur zugeführt werden. Da das Kryofuid üblicherweise bei Temperaturen von unter -40°C und beispielsweise in verflüssigt Form (z.B. überkritisch, cryocompressed oder sLH2) gelagert wird, jedoch dem Verbraucher in der Regel gasförmig zugeführt werden soll, wobei gebräuchliche Komponenten wie Einblaseventile meist nur für (Dauer-)Einsatztemperaturen von größer ungefähr -40°C geeignet sind, ist ein externer Wärmetauscher vorgesehen, um das Kryofluid für die Zuführung an den Verbraucher zumindest auf diese vorbestimmte Mindesttemperatur zu erwärmen. Die Einhaltung dieser Mindesttemperatur ist also eine Muss-Bedingung zumindest für den Dauer-Betrieb des Kryotanks, wobei Ausnahmen nur zeitlich begrenzt möglich sind. In anderen Anwendungen kann das Kryofluid dem Verbraucher auch mit kryogenen Temperaturen, z.B. -240 °C, zugeführt werden.
Eine weitere Anforderung an Kryobehälter insbesondere im automotiven Bereich ist, dass das Kryofluid dem Verbraucher mit einem vorbestimmten Mindestdruck zugeführt werden soll. Zu diesem Zweck wird das Kryofluid bei einem Druck im Kryobehälter gelagert, der beispielsweise zumindest um eine vorbestimmtes Druckdifferenz über dem genannten Mindestdruck liegt, wobei die vorbestimmte Druckdifferenz zumindest einem Druckverlust des Entnahmesystems entspricht.
Da bei einem längeren Betrieb jedoch eine große Masse an Kryofluid aus dem Kryobehälter entnommen wird, reduziert sich der Druck im Kryobehälter stetig. Um den Druck im Kryobehälter während des Betriebs aufrecht zu erhalten, wird ein sogenanntes Druckmanagementsystem vorgesehen, wie beispielsweise aus der WO 2021/026580 Al bekannt ist. Das Druckmanagementsystem hat den Zweck, dass vom externen Wärmetauscher erwärmtes Kryofluid aus der Entnahmeleitung abgezweigt wird und durch einen weiteren, in den Kryobehälter ragenden Wärmetaucher rückgeführt wird, wodurch der Druck im Kryobehälter erhöht werden kann.
Es ist daher einerseits ein Bestreben, den Druck im Kryobehälter hoch genug zu halten, damit stets ein ausreichend hoher Druck am Ende des Entnahmesystems vorliegt. Andererseits soll der Druck im Kryobehälter jedoch auch nicht zu hoch sein, da ein hoher Druck mit einer verkürzten Hold Time einhergeht, wobei die Hold Time die Zeitspanne von einer Beendigung der Entnahme bis zu jenem Zeitpunkt ist, bei dem der Druck im Kryobehälter einen vordefinierten Schwellwert erreicht.
Es ist allgemein erwünscht, die Hold Time des Kryobehälters zu verlängern. Entsprechende Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Kryobehälter sehen zur Verlängerung der Hold Time vor, den Kryobehälter besser zu isolieren oder den Druckverlust des Entnahmesystems zu verringern, beispielsweise indem die verwendeten Rohrleitungen kürzer oder mit größerem Durchmesser ausgeführt werden. Es ist die Aufgabe der Erfindung, das Entnahmesystem eines Kryobehälter hinsichtlich dieser Problemstellungen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System, umfassend einen Kryobehälter, insbesondere einen LNG-Behälter oder einen Wasserstoffbehälter, einen externen Wärmetauscher und einen internen Wärmetauscher, wobei der externe Wärmetauscher über einen
Medium eingang und einen Mediumausgang für (extern zugeführtes) Wärmetauschmedium verfügt und der interne Wärmetauscher innerhalb des Kryobehälters angeordnet ist, um das im Kryobehälter befindliche Kryofluid als Wärmetauschmedium zu nutzen, wobei der externe Wärmetauscher ein erstes Wärmetauscherrohr mit einem ersten Eingang und einem ersten Ausgang und ein zweites Wärmetauscherrohr mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang umfasst oder wobei der externe Wärmetauscher nur ein erstes Wärmetauscherrohr mit einem ersten Eingang und einem ersten Ausgang umfasst und das System ferner einen weiteren externen Wärmetauscher mit einem zweiten Wärmetauscherrohr mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang umfasst; wobei der interne Wärmetauscher einen dritten Eingang und einen dritten Ausgang umfasst; wobei eine Entnahmeleitung des Kryobehälters mit dem ersten Eingang des externen Wärmetauschers verbunden ist, wobei eine Ausgangsleitung an einen ersten Ausgang des externen Wärmetauschers angeschlossen ist, wobei eine Abzweigleitung an einem ersten Knotenpunkt an die Ausgangsleitung angeschlossen und mit dem dritten Eingang des internen Wärmetauschers verbunden ist, wobei eine erste Rückführleitung an den dritten Ausgang des internen Wärmetauschers angeschlossen und mit dem zweiten Eingang des externen Wärmetauschers verbunden ist; und wobei eine zweite Rückführleitung an den zweiten Ausgang des externen Wärmetauschers angeschlossen und an einem zweiten Knotenpunkt an die Ausgangsleitung angeschlossen ist, wobei sich der zweite Knotenpunkt stromabwärts des ersten Knotenpunkts befindet; wobei das System zur temporären Reduktion von Druckverlusten und/oder zur Beeinflussung der Gastemperatur (Kryofluidtemperatur) zumindest eine der folgenden selektiv zuschaltbaren Überbrückungsleitungen aufweist: eine erste Überbrückungsleitung für das erste Wärmetauscherrohr des externen Wärmetauschers, wobei die erste Überbrückungsleitung bevorzugt unmittelbar (d.h. ohne dass eine weitere Anschlussleitung zwischen der Überbrückungsleitung und dem ersten Eingang ansetzt, wobei jedoch Ventile, Sensoren dazwischen vorgesehen sein können) vor dem ersten Eingang an die Entnahmeleitung anschließt und bevorzugt unmittelbar nach dem ersten Ausgang an die Ausgangsleitung anschließt; eine zweite Überbrückungsleitung für das zweite Wärmetauscherrohr des externen Wärmetauschers, wobei die zweite Überbrückungsleitung bevorzugt unmittelbar vor dem zweiten Eingang an die erste Rückführleitung anschließt und bevorzugt unmittelbar nach dem zweiten Ausgang an die zweite Rückführleitung anschließt; eine dritte Überbrückungsleitung für den internen Wärmetauscher, wobei die dritte Überbrückungsleitung bevorzugt unmittelbar vor dem dritten Eingang an die Abzweigleitung anschließt und bevorzugt unmittelbar nach dem dritten Ausgang an die erste Rückführleitung anschließt.
Die Überbrückungsleitungen haben den Zweck, dass die Wärmetauscher bei Bedarf kurzzeitig parallelgeschalten werden können, um den Druckverlust temporär zu reduzieren. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die üblicherweise notwendigen Wärmetauscher einen relativ großen Druckverlust mit sich bringen, es jedoch nicht in allen Fällen notwendig ist, das Kryofluid durch die Wärmetauscher zu führen.
Die temporäre Reduktion der Druckverluste kann dazu ausgenutzt werden, den Druck im Kryobehälter zu reduzieren, da nunmehr ein geringerer Druck im Kryobehälter benötigt wird, um einem Verbraucher wie dem Motor eines Fahrzeugs das Kryofluid mit einem vorbestimmten Druck zuzuführen. Der Druck pKB im Kryobehälter muss nun nur mehr um den reduzierten Druckverlust Ap des Entnahmesystems über dem benötigten Mindestdruck pmin liegen.
Der erreichte niedrigere Druck im Kryobehälter bringt eine erhöhte Hold Time nach dem Abstellen des Verbrauchers bzw. des Fahrzeugs mit sich, da der Zeitraum länger sein wird, bis zu dem der Druck im Kryobehälter einen vorbestimmten Schwellwert erreicht.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Erfindung ist, dass die Temperatur des Kryofluids am Ende des Entnahmesystems so niedrig wie möglich, jedoch noch über der Mindesttemperatur des Verbrauchers gehalten werden kann. Durch die niedrige Temperatur des Kryofluids kann der Verbraucher effizienter arbeiten bzw. der Verbraucher kann effizienter und unter geringerem Energieaufwand auf einer Betriebstemperatur gehalten werden.
Die Erfindung schafft damit die Möglichkeit, die Druckverluste im Entnahmesystem eines Kryobehälters dynamisch einzustellen, je nachdem welche Zustände im System herrschen. Beispielsweise könnte einem Start des Systems das stromabwärts des zweiten Knotenpunkts vorliegende Kryofluid aufgrund eines relativ kalten Wärmetauschmediums (beispielsweise Abwärme des Verbrauchers) gerade ausreichend warm sein, sodass der Druckverlust zu diesem Zeitpunkt nicht reduzierbar ist. Zu einem späteren Zeitpunkt könnte jedoch wärmeres Wärmetauschmedium zur Verfügung stehen (beispielsweise da der Verbraucher wärmer wurde und damit auch dessen Abwärme größer wurde), sodass nicht mehr das gesamte über den Kryobehälter entnommene Kryofluid über den externen Wärmetauscher geführt werden muss, beispielsweise indem der Massenstrom über die erste Überbrückungsleitung erhöht wird. Durch den derart reduzierten Druckverlust kann der Druck im Kryobehälter reduziert werden, wodurch die Hold Time des Kryobehälters erhöht wird.
Die erfindungsgemäßen Effekte treten bereits dann ein, wenn eine der Überbrückungsleitungen vorgesehen wird, da zumindest eine Optimierung des Systems für bestimmte Betriebssituationen ermöglicht wird. Eine optimale Lösung, die für alle bzw. mehr Betriebs Situationen eine Verbesserung der Druck bzw. Temperaturregelung im System schafft, wird jedoch dann ermöglich, wenn alle drei der genannten Überbrückungsleitungen vorgesehen werden.
Die genannte erste, zweite und/oder dritte Überbrückungsleitung kann im einfachsten Fall manuell hinzugeschalten werden, beispielsweise wenn ein entsprechendes Ventil in der jeweiligen Überbrückungsleitung manuell geschalten wird. In einer Ausführungsform könnten Steuerungsleitungen in die Fahrerkabine geführt werden, und ein Fahrer des Fahrzeugs könnte einen Steuerknopf manuell betätigen, z.B. wenn dieser nach seiner Erfahrung oder über einen Messwert weiß, dass das Wärmetauschmedium nun warm genug ist, um nicht mehr das ganze Kryofluid über den externen Wärmetauscher fließen zu lassen.
Bevorzugt ist jedoch, wenn das System eine Steuereinrichtung und zumindest einen Sensor zur Bestimmung von Druckmesswerten und/oder Temperaturmesswerten umfasst, wobei der Sensor im Kryobehälter, in der Entnahmeleitung, in der ersten Rückführleitung, in der zweiten Rückführleitung oder in der Ausgangsleitung angeordnet ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einen Massenstrom von Kryofluid durch die erste, zweite und/oder dritte Überbrückungsleitung in Abhängigkeit der vom Sensor empfangenen Druckmesswerte und/oder Temperaturmesswerte zu steuern, insbesondere mit dem Ziel, den Druckverlust des Entnahmesystems bzw. den Druck im Kryobehälter zu reduzieren. Durch die Steuereinheit wird ein vollautomatisches System geschaffen, mit dem der Druckverlust des Entnahmesystems laufend während des Betriebs minimierbar ist, ohne dass es einer Intervention eines Benutzers bedarf.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Steuereinheit ein Optimierungsproblem löst, beispielsweise laufend oder in diskreten Z ei tab ständen. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts, einen Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts und einen Druck im Kryobehälter zu empfangen oder zu bestimmen und einen Massenstrom über die Abzweigleitung, die erste, zweite und/oder dritte Überbrückungsleitung unter den Bedingungen zu regeln, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts an oder über einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt (besonders bevorzugt jedoch gleichzeitig so niedrig wie möglich, d.h. so nahe an der Mindesttemperatur wie möglich, bzw. eine Maximaltemperatur nicht überschreitet), der Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts an oder über einem vorbestimmten Mindestdruck liegt und der Druck im Kryobehälter minimiert wird. Die Steuereinheit kann den Druck bzw. die Temperatur stromabwärts des Kryobehälters beispielsweise unmittelbar von einem dort angeordneten Sensor empfangen oder ermitteln, indem die Temperaturen bzw. Drücke stromaufwärts des Knotenpunkts in der Ausgangsleitung bzw. in der zweiten Rückführleitung und gegebenenfalls ein Massenstromverhältnis herangezogen werden.
Das genannte Optimierungsproblem kann beispielsweise analytisch gelöst werden, wobei auch weitere Sensormesswerte herangezogen werden können. Die Steuerung kann aber auch vereinfacht bzw. unterstützt werden, wenn einfache Regeln in der Steuereinheit hinterlegt werden, beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Regeln: der Massenstrom durch die erste Überbrückungsleitung wird erhöht, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts über einem vorbestimmten Schwellwert liegt; der Massenstrom durch die zweite Überbrückungsleitung wird erhöht, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts über einem vorbestimmten Schwellwert liegt; der Massenstrom durch die dritte Überbrückungsleitung wird erhöht, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt; der Massenstrom durch die Abzweigleitung wird erhöht, wenn der Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
Insbesondere ermöglichen die Überbrückungsleitungen eine temporäre Reduktion des Druckverlustes in Systemen, in denen sich die Temperatur des Wärmetauschmediums verändert, beispielsweise wenn die Temperatur des Wärmetauschmediums durch eine Abwärme des Verbrauchers bedingt ist, d.h. das Wärmetauschmedium wird zu Beginn eines Betriebs mit einer ersten Temperatur bereitgestellt und nach einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Beginn des Betriebs wird das Wärmetauschmedium mit einer zweiten Temperatur bereitgestellt, die höher ist als die erste Temperatur. In anderen Fällen kann die Temperatur auch einfach durch eine Umgebungstemperatur bedingt sein, d.h. das Wärmetauschmedium wird beispielsweise im Sommer eine höhere Durchschnittstemperatur aufweisen als im Winter. In derartigen Fällen werden die folgenden zwei Ausführungsformen bevorzugt.
In der ersten Ausführungsform ist der externe Wärmetauscher für einen Kaltstart dimensioniert, d.h. der externe Wärmetauscher ermöglicht, dass Kryofluid auch mit einem relativ kalten Wärmetauschmedium auf die vorbestimmte Mindesttemperatur erwärmt werden kann, die für den Verbraucher benötigt wird. Dies bringt jedoch auch mit sich, dass der Wärmetauscher das Kryofluid unnötig hoch erwärmt, wenn das Wärmetauschmedium wärmer ist. In dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher somit dazu ausgelegt, das Kryofluid zu Beginn des Betriebs bei einer einmaligen Durchführung des Kryofluids durch den Wärmetauscher zumindest auf die vorbestimmte Mindesttemperatur eines Verbrauchers zu bringen. Die temporäre Reduktion des Druckverlusts kann nun erzielt werden, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zu Beginn des Betriebs keinen Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung und/oder die zweite Überbrückungsleitung zu führen, und nach dem vorbestimmten Zeitraum einen Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung und/oder die zweite Überbrückungsleitung zu führen, gegebenenfalls unter der Bedingung, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts an einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt.
In der zweiten Ausführungsform kann der Wärmetauscher auch zum ersten Mal für den Kaltstart unterdimensioniert sein, d.h. der Wärmetauscher ist dazu ausgelegt, das Kryofluid zu Beginn des Betriebs bei einer einmaligen Durchführung des Kryofluids durch den Wärmetauscher nur auf eine Temperatur zu bringen, die unter der vorbestimmten Mindesttemperatur eines Verbrauchers liegt. Der Wärmetauscher kann somit besonders kurz ausgestaltet werden und hat damit an sich bereits einen geringen Druckverlust. Es wird erstmals ermöglicht, dass das Entnahmesystem auch mit einem derartig unterdimensionierten Wärmetauscher eingesetzt werden kann, z.B. wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zu Beginn des Betriebs einen Massenstrom an Kryofluid über die dritte Überbrückungsleitung zu führen, gegebenenfalls unter der Bedingung, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts an einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt, und nach nach einem vorbestimmten Zeitraum keinen Massenstrom an Kryofluid über die dritte Überbrückungsleitung zu führen. Das Kryofluid wird zu Beginn des Betriebs somit mehrmals durch den Wärmetauscher geführt. Da der Wärmetauscher jedoch kürzer ausgeführt werden kann und im Dauerbetrieb nach der Erwärmung des Kryofluids nur mehr einmal über den Wärmetauscher geführt wird, wird insgesamt eine Reduktion des Druckverlustes erzielt. Weiters kann die erfindungsgemäße Anordnung dazu eingesetzt werden, den Betrieb des Verbrauchers selbst dann zu ermöglichen, wenn der Druck im Kryobehälter an sich zu gering ist, z.B. wenn eine Fehlbetankung des Kryobehälters vorliegt. Hierfür kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, den Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung zu erhöhen, wenn der Druck im Kryobehälter oder stromabwärts des zweiten Knotenpunktes unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt, wobei die Steuereinheit bevorzugt dazu ausgebildet ist, eine Bedingung hinsichtlich einer geforderten Mindesttemperatur des Verbrauchers zu lockern oder außer Kraft zu setzen. Das Lockern oder außer Kraft Setzen der Bedingung kann über einen vorbestimmten Zeitraum erfolgen, z.B. 10 Minuten, oder bis die Mindesttemperatur des Verbrauchers erreicht ist. In diesem Fall kann der Verbraucher somit zumindest bei geringer Last betrieben werden, wodurch beispielsweise das Wärmetauschmedium erwärmbar ist, wodurch wiederum der Druck im Kryobehälter erhöht werden kann. In diesem Modus ist bevorzugt, zumindest einen gewissen Massenstrom an Kryofluid über die Abzweigleitung zu führen und bevorzugt den gesamten Massenstrom an Kryofluid über die zweite Überbrückungsleitung zu führen, um den Kryobehälter bei möglichst geringem Druckverlust zu erwärmen.
Damit gesteuert werden kann, welcher Anteil an Kryofluid über die jeweilige Überbrückungsleitung geführt wird, können wie folgt Ventile in bzw. an den Überbrückungsleitungen vorgesehen werden: die erste Überbrückungsleitung kann ein Ventil an der Anschlussstelle an die Entnahmeleitung, ein Ventil an der Anschlussstelle an die Ausgangsleitung oder ein Ventil zwischen den genannten Anschlussstellen aufweisen; zweite Überbrückungsleitung kann ein Ventil an der Anschlussstelle an die erste Rückführleitung, ein Ventil an der Anschlussstelle an die zweite Rückführleitung oder ein Ventil zwischen den genannten Anschlussstellen aufweisen; und/oder die dritte Überbrückungsleitung kann ein Ventil an der Anschlussstelle an die Abzweigleitung, ein Ventil an der Anschlussstelle an die erste Rückführleitung oder ein Ventil zwischen den genannten Anschlussstellen aufweisen. Weiters kann optional ein Ventil im parallelzuschaltenden Leitungsabschnitt vorgesehen werden. Die Steuereinheit ist bevorzugt mit diesen Ventilen verbunden, um den über die Überbrückungsleitung geführten Massenstrom zu regeln.
Wie bereits oben angeführt ist besonders bevorzugt, wenn das System in Kombination mit einem Fahrzeug eingesetzt wird und die Ausgangsleitung mit einem Verbraucher, insbesondere einem Motor oder einer Brennstoffzelle, des Fahrzeugs verbunden ist, wobei der Verbraucher dazu ausgelegt ist, in einem Normalbetrieb betrieben zu werden, wenn der Verbraucher Kryofluid mit einer vorbestimmten Mindesttemperatur und einem vorbestimmten Mindestdruck empfängt.
Vorteilhafte und nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Entnahmesystem mit einem Druckmanagementsystem gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Entnahmesystem mit einem Druckmanagementsystem. Die Figuren 3a bis 3d zeigen Varianten der möglichen Ventilanordnungen für die erfindungsgemäßen Überbrückungsleitungen.
Figur 4 zeigt eine Weiterentwicklung des Entnahmesystems von Figur 2.
Figur 1 zeigt ein allgemein bekanntes Entnahmesystem eines Kryobehälters 100, der Kryofluid im gasförmigen Zustand 107 oder flüssigen Zustand 108 lagert. Das Kryofluid kann beispielsweise Wasserstoff sein, sodass der Kryobehälter 100 ein Wasserstoffbehälter ist, oder das Kryofluid kann LNG (Liquefied Natural Gas) sein, sodass der Kryobehälter ein LNG-Behälter ist. Je nach Kryofluid ist der Kryobehälter somit dazu ausgelegt, Kryofluid bei Temperaturen von beispielsweise unter 150 Kelvin, im Fall von Wasserstoff sogar von unter 50 Kelvin oder unter 30 Kelvin oder im Wesentlichen 20 Kelvin, zu lagern. Je nach Anwendung könnte der Kryobehälter 100 beispielsweise zur Lagerung von sLH2 (subcooled liquid hydrogen) oder CcH2 (cryo-compressed hydrogen) ausgebildet und damit auch für entsprechende hohe Drücke ausgelegt sein, z.B. für Maximaldrücke zwischen 5 bar und 350 bar. Somit können die zwei Phasen auch nur zeitweise vorliegen.
Der hierin beschriebene Kryobehälter 100 wird üblicherweise als Kraftstoffbehälter eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs eingesetzt und kann zu diesem Zweck beispielsweise am Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs montiert werden. Um einem Verbraucher, z.B. einem Antrieb wie einem Motor oder einer Brennstoffzelle, des Fahrzeugs das Kryofluid als Kraftstoff zuzuführen, sind zwei Entnahmeleitungen 109, 110 in den Kryobehälter 100 geführt. Die erste Entnahmeleitung 109 ist zur Entnahme von gasförmigen Kryofluid in den im Betriebslage des Kryobehälters 100 oberen Bereich geführt, und die zweite Entnahmeleitung 110 ist zur Entnahme von flüssigem Kryofluid in den im Betriebslage des Kryobehälters 100 unteren Bereich geführt. Die Entnahmeleitungen 109, 110 durchsetzen entweder den Kryobehältermantel oder eine der Endkappen des Kryobehälters 100 und werden so aus dem Kryobehälter 100 geführt. Die Entnahmeleitungen 109, 110 treffen auf einem Knotenpunkt 120 zusammen und werden dort als gemeinsame Entnahmeleitung 130 weitergeführt. Mittels eines oder mehrerer Economizer-Ventile 121 in den Entnahmeleitungen 109, 110, 130 kann gesteuert werden, ob Kryofluid in Flüssigphase oder Gasphase aus dem Kryobehälter 100 entnommen wird, was als sogenannte Economizer- Funktion bekannt ist. Im einfachsten Fall könnte aber auch nur eine einzige Entnahmeleitung 130 in den Kryobehälter 100 geführt werden.
Da das Kryofluid dem Verbraucher mit einer vorbestimmten Mindesttemperatur zugeführt werden soll, umfasst der Kryobehälter 100 einen externen Wärmetauscher 140 mit einem ersten Wärmetauscherrohr 141, das einen ersten Eingang El und einen ersten Ausgang Al aufweist. Die Entnahmeleitung 130 ist mit dem ersten Eingang El des ersten Wärmetauscherrohrs 141 verbunden. Um das durch den externen Wärmetauscher 140 erwärmte Kryofluid dem Verbraucher zuzuführen, ist eine Ausgangsleitung 150 mit dem ersten Ausgang Al des ersten Wärmetauscherrohrs 141 verbunden.
Um das im ersten Wärmetauscherrohr 141 befindliche Kryofluid zu erwärmen, wird dieses von einem Wärmetauschmedium umspült, welches über einen Mediumeingang Ml in den externen Wärmetauscher 140 eintritt und über einen Mediumausgang M2 von diesem austritt. Das Wärmetauschmedium ist üblicherweise durch eine Abwärme des Fahrzeugs bzw. des Verbrauchers erwärmt, sodass das Wärmetauschmedium beim Beginn des Betriebs des Verbrauchers, z.B. des Motors bzw. der Brennstoffzelle, kühler ist als während des Betriebs, d.h. nach einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Beginn des Betriebs.
Allgemein bekannt ist, dass sich der Druck im Kryobehälter 100 reduziert, wenn Kryofluid während des Betriebs aus dem Kryobehälter 100 entnommen wird. Um den Druck im Kryobehälter 100 wieder zu erhöhen, ist weiters bekannt, ein sogenanntes Druckmanagementsystem im Entnahmesystem vorzusehen. Hierfür ist eine Abzweigleitung 160 an einem ersten Knotenpunkt 151 an die Ausgangsleitung 150 angeschlossen. Die Abzweigleitung 160 ist mit einem dritten Eingang E3 eines internen Wärmetauschers 170 verbunden, der in den Kryobehälter 100 hineinragt. Das in den internen Wärmetauscher 170 geführte warme Kryofluid erhöht die Temperatur und damit den Druck im Kryobehälter 100, wodurch die gewünschte Beeinflussung des Drucks im Kryobehälter 100 erzielt wird.
Anschließend wird das durch den internen Wärmetauscher 170 geführte - nun wieder kalte - Kryofluid nochmals durch den externen Wärmetauscher 140 geführt, um das Kryofluid zu erwärmen. Hierfür umfasst der externe Wärmetauscher 140 ein zweites Wärmetauscherrohr 142 mit einem zweiten Eingang E2 und einem zweiten Ausgang A2. Alternativ kann ein vom externen Wärmetauscher 140 gesonderter weiterer externer Wärmetauscher eingesetzt werden (nicht dargestellt), der das zweite Wärmetauscherrohr 142 umfasst. Der weitere Wärmetauscher kann wieder einen Mediumeingang und einen Mediumausgang für Wärmetauschmedium, beispielsweise dasselbe Wärmetauschmedium wie der Wärmetauscher 140, umfassen.
Eine erste Rückführleitung 180 verbindet den dritten Ausgang A3 des internen Wärmetauschers 170 mit dem zweiten Eingang E2 des zweiten Wärmetauscherrohres 142. Eine zweite Rückführleitung 190 verbindet den zweiten Ausgang A2 des zweiten Wärmetauscherrohres 142 mit der Ausgangsleitung 150 an einem zweiten Knotenpunkt 152, wobei der zweite Knotenpunkt 152 stromabwärts des ersten Knotenpunkts 151 angeordnet ist. Um zu steuern, welcher Anteil des Massenstroms in der Ausgangsleitung 150 über das Druckmanagementsystem, d.h. über den internen Wärmetauscher 170 fließt, werden ein oder mehrere Druckmanagement-Ventile 153 vorgesehen, die beispielsweise am ersten Knotenpunkt 151 angeordnet sind. Optional kann auch das zweite Wärmetauscherrohr 142 entfallen und das Kryofluid aus der ersten Rückführleitung 180 kann direkt beim zweiten Knotenpunkt 152 wieder rückgeführt werden.
Figur 2 zeigt nun das erfindungsgemäße System, welches das System von Figur 1 weiterentwickelt. Da alle Komponenten gleich bzw. ähnlich wie in Figur 1 eingesetzt werden, werden dieselben Bezugszeichen verwendet. Alle für Figur 1 beschriebenen Varianten können auch bei dem System von Figur 2 eingesetzt werden.
Da die Wärmetauscherrohre 141, 142 bzw. der Wärmetauscher 170 üblicherweise als Spiralrohre, gewundene Rohre etc. ausgebildet sind, bringen diese einen gewissen Druckverlust mit sich, der in der Regel in Kauf genommen wird. Es hat sich nun jedoch herausgestellt, dass gewisse Druckverluste zwar manchmal unvermeidlich sind, die Minimierung dieser Druckverluste jedoch situationsbedingt von entscheidender Bedeutung für die Nutzbarkeit des Fahrzeugs sein können.
Aus diesem Grund wird nun vorgesehen, zur temporären Reduktion von Druckverlusten zumindest eine, bevorzugt zwei oder alle drei der folgenden selektiv zuschaltbaren Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 vorzusehen: eine erste Überbrückungsleitung 210 für das erste Wärmetauscherrohr 141, wobei die erste Überbrückungsleitung 210 bevorzugt unmittelbar vor dem ersten Eingang El, beispielsweise zwischen dem ersten Eingang El und dem Knotenpunkt 120, an die Entnahmeleitung 130 anschließt und bevorzugt unmittelbar nach dem ersten Ausgang Al, beispielsweise zwischen dem ersten Ausgang Al und dem ersten Knotenpunkt 151, an die Ausgangsleitung 150 anschließt; eine zweite Überbrückungsleitung 220 für das zweite Wärmetauscherrohr 142, wobei die zweite Überbrückungsleitung 220 bevorzugt unmittelbar vor dem zweiten Eingang E2, beispielsweise zwischen dem zweiten Eingang E2 und dem dritten Ausgang A3 bzw. der Anschlussstelle der dritten Überbrückungsleitung 230, an die erste Rückführleitung 180 anschließt und bevorzugt unmittelbar nach dem zweiten Ausgang A2, beispielsweise zwischen dem zweiten Ausgang A2 und dem zweiten Knotenpunkt 152, an die zweite Rückführleitung 190 anschließt; eine dritte Überbrückungsleitung 230 für den internen Wärmetauscher 170, wobei die dritte Überbrückungsleitung 230 bevorzugt unmittelbar vor dem dritten Eingang E3, beispielsweise zwischen dem dritten Eingang E3 und dem ersten Knotenpunkt 151, an die Abzweigleitung 160 anschließt und bevorzugt unmittelbar nach dem dritten Ausgang A3, beispielsweise zwischen dem dritten Ausgang A3 und dem zweiten Eingang E2 bzw. der Anschlussstelle der zweiten Überbrückungsleitung 220, an die erste Rückführleitung 180 anschließt.
Da die Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 einen geringeren Druckverlust als die Wärmetauscherrohre 141, 142 bzw. der Wärmetauscher 170 haben, kann der Druckverlust des Entnahmesystems reduziert werden, wenn ein Massenstrom über die Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 erhöht wird, wobei gleichzeitig der Massenstrom über die Wärmetauscherrohre 141, 142 bzw. den Wärmetauscher 170 reduziert wird. Zu diesem Zweck werden Ventile 211, 221, 231 an bzw. in den Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 vorgesehen.
Die Ventile 211, 221, 231 können entweder manuell betätigt werden oder über eine Steuereinheit 240 angesteuert sein, zu welchem Zweck die Ventile 211, 221, 231 über Steuerleitungen oder kabellos mit der Steuereinheit kommunizieren können. In Figur 2 ist dargestellt, dass die Ventile an einer Eingangsanschlussstelle der Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 vorgesehen sind. Dies ist in Figur 3a nochmals verdeutlicht. Alternativ könnten die Ventile 211, 221, 231 aber auch an der Ausgangsanschlussstelle der Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 vorgesehen sein, wie in Figur 3b dargestellt ist. In diesen beiden Ausführungsformen sind die Ventile 211, 221, 231 üblicherweise als Mehrwegventil ausgebildet, um mittels eines Ventils zu regeln, wieviel Kryofluid über die jeweilige Überbrückungsleitung 210, 220, 230 und wieviel Kryofluid über das jeweilige Wärmetauscherrohr 141, 142 bzw. den Wärmetauscher 170 fließt. Die Mehrwegventile können als Proportionalventil auszuführen, um die Verbindung selektiv zu drosseln. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Verbindung zur jeweiligen Überbrückungsleitung 210, 220, 230 um X % zu öffnen und unabhängig davon die Verbindung zum jeweiligen Wärmetauscherrohr 141, 142 bzw. zum Wärmetauscher 170 um 100-X % zu öffnen, wobei 0 < X < 100. Alternativ könnte das Mehrwegventil dazu ausgebildet sein, die Verbindung zur jeweiligen Überbrückungsleitung 210, 220, 230 zwischen 0-100 % zu öffnen und unabhängig davon die Verbindung zum jeweiligen Wärmetauscherrohr 141, 142 bzw. zum Wärmetauscher 170 zwischen 0-100 % zu öffnen. Diese unterschiedlichen Ausführungsformen dienen dem Ziel, die Druckverluste zwischen dem Kyobehälter und dem Verbraucher (z.B. Motor oder Brennstoffzelle) zu minimieren. Die Druckverluste gehen als nicht nutzbares Druckintervall für die Hold Time (abblasefreie Speicherdauer) verloren. Gleichzeitig will man in gewissen Betriebszuständen bewusst Druckunterschiede zwischen gewissen Leitungspfaden einstellen können.
Figur 3c zeigt, dass die Ventile 211, 221, 231 auch zwischen den Anschlussstellen an die jeweiligen Leitungen ausgebildet sein können. In dieser Ausführungsform können die Ventile 211, 221, 231 Proportionalventile sein, d.h. als einfache 2/2-Wege-Ventile ausgeführt und zwischen 0-100% geöffnet werden. Alternativ könnten die Ventile 211, 221, 231 nur diskrete Schaltzustände aufweisen, z.B. nur vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet sein und gegebenenfalls eine Zwischenstellung von beispielsweise 50 % geöffnet einnehmen. Wie in Figur 3c gezeigt reicht grundsätzlich ein Ventil aus, da das jeweilige Wärmetauscherrohr 141, 142 bzw. der Wärmetauscher 170 einen Widerstand darstellt und das meiste Kryofluid bei vollständig geöffnetem Ventil 211, 221, 231 somit über die jeweilige Überbrückungsleitung 210, 220, 230 fließen wird. Wie in Figur 3d gezeigt kann aber auch ein weiteres Ventil 235 vorgesehen werden, das in der Leitung des parallelzuschaltenden Wärmetauscherrohrs 141, 142 bzw. Wärmetauschers 170 angeordnet ist. Die Figuren 3a-3d zeigen diese Konfiguration anhand der dritten Überbrückungsleitung 230 zum Parallelschalten des internen Wärmetauschers 170, wobei derartige Konfigurationen selbstverständlich auch für die erste und/oder zweite Überbrückungsleitung 210, 220 vorgesehen werden können.
Damit die Steuereinheit 240 bestimmen kann, wann ein Massenstrom an Kryofluid über die Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 geführt werden soll, werden die folgenden Randbedingungen herangezogen. Um den Verbraucher in einem Normalbetriebsmodus zu betreiben, soll diesem Kryofluid mit einem vorbestimmten Mindestdruck pmin und einer vorbestimmten Mindesttemperatur Tmin bereitgestellt werden. Der Mindestdruck pmin und die Mindesttemperatur Tmin sind somit durch den Verbraucher an sich festgelegt. Um zu bestimmen, mit welchem Druck bzw. mit welcher Temperatur das Kryofluid dem Verbraucher momentan zugeführt wird, können ein Drucksensor 241 und ein Temperatursensor 242 in der Ausgangsleitung 150 stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 angeordnet werden. In diesem Fall könnte die Steuereinheit 240 die Temperatur und den Druck des Kryofluids in der Ausgangsleitung 150 stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 unmittelbar empfangen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da Drucksensoren oder Temepratursensoren auch an anderen Stellen vorgesehen werden können, z.B. in einer oder mehrerer der Überbrückungsleitungen 210, 220, 230, in der Entnahmeleitung 109, 110, 130, in der Ausgangsleitung 150 zwischen den zwei Knotenpunkten 151 und 152 oder stromaufwärts des ersten Knotenpunkts 151, in der Abzweigleitung 160 oder in der ersten oder zweiten Rückführleitung 180, 190. An den genannten Stellen könnten alternativ oder zusätzlich zu den Drucksensoren bzw. Temperatursensoren insbesondere auch Massenstromzähler angeordnet sein. Es können auch Sensoren eingesetzt werden, welche dazu ausgebildet sind, die Temperatur, den Druck und/oder den Massenstrom zu bestimmen.
Besonders bevorzugt ist überdies, wenn ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor 243 im bzw. am Kryobehälter 100 angeordnet ist, um den Druck bzw. die Temperatur im Kryobehälter 100 zu bestimmen.
In Abhängigkeit der von dem bzw. den Sensoren 241, 242, 243 erhaltenen bzw. bestimmten Messdaten kann die Steuereinheit 240 nun einen Massenstrom von Kryofluid durch die erste, zweite und/oder dritte Überbrückungsleitung 210, 220, 230 in Abhängigkeit der vom Sensor empfangenen Druckmesswerte und/oder Temperaturmesswerte bzw. Massenstrommesswerte zu steuern, indem die entsprechenden Ventile 211, 221, 231 in den Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 bzw. das Ventil 121 zur Bereitstellung der Economizer-Funktion und/oder das Ventil 153 entsprechend angesteuert wird. Die Steuerung des Massenstroms wird üblicherweise mit dem Ziel durchgeführt, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 an oder über einer vorbestimmten Mindesttemperatur Tmin liegt, der Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 an oder über einem vorbestimmten Mindestdruck pmin liegt und der Druck pKB im Kryobehälter 100 minimiert wird.
Grundsätzlich könnte dieses Optimierungsproblem analytisch gelöst werden oder auch durch einen Maschineniemalgorithmus. In gewissem Maße könnte auch ein Trial-and-Error- Verfahren zum Einsatz kommen, indem eines oder mehrere der Ventile angesteuert werden und die Auswirkung auf den Zustand des Kryofluids stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 beobachtet bzw. ausgewertet wird. Es können jedoch auch konkrete Regeln aufgestellt und in der Steuereinheit 240 hinterlegt werden, anhand welcher die Steuereinheit die Ventile 211, 221, 231 und auch das Ventil 153 ansteuert. Dies wird im folgendem näher erläutert.
Einhalten der vorbestimmten Mindesttemperatur Tmin
Da das Kryofuid in der Regel bei Temperaturen unter -40°C gelagert wird, die Mindesttemperatur Tmin der Bauteile stromabwärts des Tanksystems z.B. für automotive Anwendungsbereiche für den Dauerbetrieb in der Regel ungefähr bei -40°C liegen, wird das Kryofluid durch das erste Wärmetauscherrohr 141 geführt, um das Kryofluid für die Zuführung an den Verbraucher zumindest auf diese Temperatur Tmin zu erwärmen. Die Einhaltung dieser Mindesttemperatur ist also eine Bedingung zumindest für den Dauerbetrieb des Kryobehälters 100, wobei Ausnahmen kurzfristig möglich sind.
Wie bereits erwähnt ist das Wärmetauschmedium üblicherweise durch eine Abwärme des Fahrzeugs erwärmt, sodass das Wärmetauschmedium beim Starten des Verbrauchers, z.B. des Motors oder der Brennstoffzelle, kühler ist als während des Betriebs. Üblicherweise wird der Wärmetauscher 140 so dimensioniert, dass bei "Kaltstart" des Fahrzeugs ausreichend Kryofluid für den Volllastbetrieb (zumindest ausreichend hohe Last) mit mindestens der Mindesttemperatur Tmin bereitgestellt werden kann. Die "Kaltstart" -Temperatur des Wärmetauschmediums wird in der Regel vom Fahrzeughersteller spezifiziert und kann z.B. - 30°C oder -20°C betragen.
Da während des Betriebs die Temperatur des Wärmetauschmediums deutlich steigen kann, z.B. auf +80°C oder auf +120°C, wird infolge der geforderten "Kaltstart" -Dimensionierung des Wärmetauschers 140 die Temperatur des bereitgestellten Kryofluids ebenfalls deutlich über Tmin liegen. Infolge der geringeren Dichte bei dieser höheren Temperatur wird auch der Druckverlust über den Wärmetauscher 140 bei gleicher Durchflussmenge höher sein als bei geringeren Temperaturen.
Durch die Verbindungsleitung 210 kann der Wärmetauscher 140 nun zumindest teilweise parallelgeschalten werden, wodurch die anteilsmäßige Regelung der beiden Teilströme über das erste Wärmetauscherrohr 141 und die Überbrückungsleitung 210 erzielt wird, sodass nach Vermischung der beiden Teilströme zumindest bis zum Punkt des Eintritts des Kryofluids zum Verbraucher (Motor, Brennstoffzelle) die vorbestimmte Mindesttemperatur Tmin erreicht bzw. überschritten werden kann. Da die erste Überbrückungsleitung 210 außerhalb des Wärmetauschers 140 geführt ist und ohne der Notwendigkeit der Temperaturerhöhung auch kürzer und mit größerem Durchmesser ausgeführt werden kann, ist der Druckverlust über diese Überbrückungsleitung 210 geringer als über das erste Wärmetauscherrohr 141, und der Druckverlust des gesamten Massenstroms (also die Summe der Teilströme über das erste Wärmetauscherrohr 141 und über die erste Überbrückungsleitung 210) ist daher geringer als über das erste Wärmetauscherrohr 141 allein.
Weiters ermöglicht die erste Überbrückungsleitung 210 auch eine gezielte Regelung und damit Absenkung der Temperatur des vom Entnahmesystem bereitgestellten Kryofluids. Damit wird die erforderliche Kühlleistung des Verbrauchers entsprechend reduziert, und die Leistung durch die höhere Dichte des bereitgestellten Kraftstoffs (Kryofluids) entsprechend erhöht und optimiert, allgemein die Effizienz des Antriebs verbessert.
Eine der in der Steuereinheit 240 hinterlegten Regeln kann daher lauten, dass der Massenstrom durch die erste Überbrückungsleitung 210 erhöht wird, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 über einem vorbestimmten Schwellwert liegt. Dieser Schwellwert könnte beispielsweise die vorbestimmte Mindesttemperatur Tmin oder beispielsweise Tmin+Tl sein, wobei TI z.B. 10% von Tmin oder ein Absolutbetrag ist.
In anderen Ausführungsformen kann dem Verbraucher das Kryofluid auch mit kryogenen Temperaturen zugeführt werden, z.B. bei -240 °C, was vom konkreten Verbraucher abhängig ist, sodass der externe Wärmetauscher 140 nur zur Einbringung von Wärme in den Kryobehälter 100 über den internen Wärmetauscher 170 eingesetzt wird und nicht zur Erhöhung der Temperatur für den Verbraucher.
Einhalten des vorbestimmten Mindestdrucks pmin
Längerer Betrieb mit hoher Last führt durch die entsprechend entnommene Masse an Kryofluid aus dem Tank zu einem Druckabfall. Durch Zuführung von Wärme in den Innentank über den internen Wärmetauscher 170 kann dieser Druckabfall vermieden bzw. periodisch kompensiert werden.
Dazu wird wie bereits oben ausgeführt am Knotenpunkt 151 ein Teilstrom des bereits erwärmten Fluids über die Abzweigleitung 160 abgezweigt und über den internen Wärmetauscher 170 geführt, wo sich das Kryofluid durch die Wärmeabgabe an das kältere gespeicherte Kryofluid abkühlt, ggf. auch unter die vorbestimmte Mindesttemperatur Tmin. Eine weitere der in der Steuereinheit 240 hinterlegten Regeln kann daher lauten, dass der Massenstrom durch die Abzweigleitung 160 wird erhöht, wenn der Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt. Dieser Schwellwert könnte beispielsweise der vorbestimmte Mindestdruck pmin oder beispielsweise pmin+pl sein, wobei pl z.B. 10% von pmin oder ein Absolutbetrag ist.
Um die Leistungsfähigkeit des internen Wärmetauschers 170 zu optimieren, wird der Rückstrom nochmals über das zweite Wärmetauscherrohr 142 geführt, welche wieder mit entsprechend hohem Druckverlust ausgeführt ist. Die Leistungsfähigkeit des internen Wärmetauschers 170 ist dann voll erreicht, wenn der gesamte entnommene Massenstrom über den internen Wärmetauscher 170 geführt werden kann und dieser im zweiten Wärmetauscherrohr 142 wieder zumindest über die vorbestimmte Mindesttemperatur Tmin erwärmt werden kann. Diese Leistungsfähigkeit bestimmt die maximale Leistung (=Massenstrom), die das Kryotanksystem dem Verbraucher bereitstellen kann.
Je nach Dimensionierung des internen Wärmetauschers 170 und des zweiten Wärmetauscherrohres 142, das im Allgemeinen auch kürzer sein kann als das erste Wärmetauscherrohr 141, stellen sich Leistungsgrenzen des Systems ein, immer unter der Maßgabe, dass die Temperatur des Kryofluid stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 nach Vermischung der Teilströme zumindest unmittelbar vor Eintritt in den Verbraucher über der vorbestimmten Mindesttemperatur Tmin liegt.
Die zweite Überbrückungsleitung 220 ermöglicht hier, das zweite Wärmetauscherrohr 142 parallelzuschalten, wodurch wiederum geringere Druckverluste ermöglicht werden, als wenn das gesamte Kryofluid über das zweite Wärmetauscherrohr 142 geführt wird, wobei die Leistungsfähigkeit des internen Wärmetauschers 170 und unter Einhaltung der vorgegebenen Mindesttemperatur Tmin ermöglicht wird. Die Regelungen ermöglichen also die Minimierung der Druckverluste für jede gerade zur Verfügung stehende Temperatur des Wärmetauschmediums unter Einhaltung der vorgegebenen Mindesttemperatur Tmin.
Eine weitere der in der Steuereinheit 240 hinterlegten Regeln kann daher lauten, dass der Massenstrom durch die zweite Überbrückungsleitung 220 erhöht wird, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 über einem vorbestimmten Schwellwert liegt. Dieser Schwellwert könnte beispielsweise die vorbestimmte Mindesttemperatur Tmin oder beispielsweise Tmin+T2 sein, wobei T2 z.B. 10% von Tmin oder ein Absolutbetrag ist. Die Überbrückungsleitung 230 ermöglicht das zusätzliche Durchschleusen eines Massenstroms durch den Wärmetauscher 140 unter Umgehung des internen Wärmetauschers 170. Somit kann in Abhängigkeit der Wärmetauscher-Mediumtemperatur z.B. beim Kaltstart eine zusätzliche Länge im Wärmetauscher nutzbar gemacht werden und der Wärmetauscher 140 kann insgesamt kleiner ausgeführt werden, weil im Normalbetrieb von höheren Wärmetauscher-Mediumtemperaturen ausgegangen werden kann.
Eine weitere der in der Steuereinheit 240 hinterlegten Regeln kann daher lauten, dass der Massenstrom durch die dritte Überbrückungsleitung 230 erhöht wird, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt. Dieser Schwellwert könnte beispielsweise die vorbestimmte Mindesttemperatur Tmin oder beispielsweise Tmin+T3 sein, wobei T3 z.B. 10% von Tmin oder ein Absolutbetrag ist.
Ausgleichen eines zu niedrigen Kryobehälterdrucks. z.B, nach einer Fehlbetankung
Im Normalfall beträgt der Mindestdruck pmin, den der Verbraucher für einen Volllastbetrieb benötigt, beispielsweise 5 bar. Unter der Annahme, dass ein statisches Stand-der-Technik- Entnahmesystem wie in Figur 1 gezeigt einen Druckverlust AP von 3 bar bei Vollast- Massenstrom bietet, muss im Kryobehälter 100 ein Druck pKB von 8 bar vorliegen, um stromabwärts des zweiten Knotenpunkts 152 den gewünschten Mindestdruck pmin von 5 bar nach dem Entnahmesystem zu erreichen. Mit dem System von Figur 2 kann ermöglicht werden, dass das Entnahmesystem im Volllastbetrieb dank der Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 nur einen Druckverlust von 2 bar hat, wodurch der Druck pKB im Kryobehälter 100 nur bei 7 bar liegen muss, um den gewünschten Mindestdruck pmin von 5 bar nach dem Entnahmesystem zu erreichen. Die erzielte Druckreduktion durch die Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 hat die gewünschte Erhöhung der Hold Time zur Folge.
In der Regel wird der gewünschte Druck pKB im Kryobehälter 100 auch über den 7 bar bzw. 8 bar liegen, sodass die Erfindung dazu eingesetzt wird, den Druck im Kryobehälter 100 zu reduzieren, um gerade den Mindestdruck pmin am Ende des Entnahmesystems zu erreichen. Die Erfindung ermöglich jedoch auch, dass ein zu niedriger Druck pKB im Kryobehälter 100, beispielsweise nach einer Fehlbetankung, nicht unweigerlich zu einem Szenario führt, in dem das Fahrzeug nicht mehr startbar ist und abgeschleppt werden müsste. Dies kann insbesondere bei der Betankung von sLH2 vorkommen, da hier am Ende des Betankungsvorganges das Kryofluid in einen überdrückten Zustand gebracht wird. Eingangs kann angenommen werden, dass der Verbraucher nun einen Mindestdruck für einen Teillastbetrieb (z.B. für einen Leerlauf um das Wärmetauschmedium zu erwärmen oder eine „limp home“ -Funktion zur Fahrt mit verminderter Leistung) von beispielsweise 4 bar aufweist. Wenn der Druck im Kryobehälter 100 nun aufgrund der Fehlbetankung nur 5 bar beträgt, wäre es mit einem Druckverlust des Entnahmesystems von 2 bar im Teillast- Betrieb nicht einmal möglich, den Verbraucher mit der minimalen Leistung bei 4 bar Druck zu betreiben. Erfmdungsgemäß kann nun jedoch der Druckverlust des Entnahmesystems reduziert werden, insbesondere wenn ein Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung 210 geführt wird. Somit kann der Druckverlust des Entnahmesystems beispielsweise auf 1 bar gesenkt werden, womit bei einem Druck pKB im Kryobehälter 100 von 5 bar ein Mindestdruck von 4 bar am Verbraucher erzielbar ist. Hierbei kann ein gewisses Unterschreiten der Mindesttemperatur Tmin des Verbrauchers über einen vorbestimmten Zeitraum, z.B. 10 Minuten, in Kauf genommen werden.
Das System ermöglich durch selektives Zuschalten der Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 in diesem Fall auch, dass der Druck pKB im Kryobehälter 100 so rasch wie möglich angehoben werden kann, während der Druck stromabwärts des Knotenpunktes 152 im Wesentlichen konstant am Mindestdruck pmin gehalten wird.
Figur 4 zeigt, dass ein großer Teil des Entnahmesystems in einem einstückigen Ventilblock 250 verwirklicht sein kann. Die Eingangsleitungen 109, 110 bzw. 130, die Ausgangsleitung 150, die Abzweigleitung 160, die erste Rückführleitung 180, die zweite Rückführleitung 190 und/oder die Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 können alle zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, im Inneren des einstückigen Ventilblocks 250 verwirklicht sein, z.B. aus Ausnehmungen wie gefräßte, gebohrte oder bei einem Gießverfahren hergestellte Löcher des einstückigen Ventilblocks 250. Bevorzugt weist der einstückige Ventilblock 250 zumindest eine, bevorzugt zwei, Eingangsöffnungen für die Entnahmeleitungen 109, 110 bzw. 130, eine Eingangsöffnung für die erste Rückführleitung 180, eine Ausgangsöffnung für die Ausgangsleitung 150 und eine Ausgangsöffnung für die Abzweigleitung 160 auf, sowie vier Anschlussöffnungen zum Anschluss des Wärmetauschers mit den Eingangsöffnungen El, E2 bzw. den Ausgangsöffnungen Al, A2. Um die Ventile zu verwirklichen, kann der einstückige Ventilblock 250 Ventilausnehmungen aufweisen, die an den entsprechenden Leitungen innerhalb des einstückigen Ventilblocks ansetzen.
Es können auch zwei oder mehr einstückige Ventilblocke vorgesehen werden, z.B. wenn der erste einstückige Ventilblock die Eingangsleitungen 109, 110 bzw. 130 und die erste Rückführleitung 180 umfasst und der zweite einstückige Ventilblock die Ausgangsleitung 150, die Abzweigleitung 160 und die zweite Rückführleitung 190. In diesem Fall könnten die beiden einstückigen Ventilblöcke entsprechende Anschlussöffnungen aufweisen, um die Überbrückungsleitungen 210, 220, 230 zwischen den einstückigen Ventilblöcken zu führen.

Claims

Ansprüche:
1. System, umfassend einen Kryobehälter (100), insbesondere einen LNG-Behälter oder einen Wasserstoffbehälter, einen externen Wärmetauscher (140) und einen internen Wärmetauscher (170), wobei der externe Wärmetauscher (140) über einen Mediumeingang (Ml) und einen Mediumausgang (M2) für Wärmetauschmedium verfügt und der interne Wärmetauscher (170) innerhalb des Kryobehälters (100) angeordnet ist, um das im Kryobehälter (100) befindliche Kryofluid als Wärmetauschmedium zu nutzen, wobei der externe Wärmetauscher (140) ein erstes Wärmetauscherrohr (141) mit einem ersten Eingang (El) und einem ersten Ausgang (Al) und ein zweites Wärmetauscherrohr (142) mit einem zweiten Eingang (E2) und einem zweiten Ausgang (A2) umfasst oder wobei der externe Wärmetauscher (140) nur ein erstes Wärmetauscherrohr (141) mit einem ersten Eingang (El) und einem ersten Ausgang (Al) umfasst und das System ferner einen weiteren externen Wärmetauscher mit einem zweiten Wärmetauscherrohr mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang umfasst; wobei der interne Wärmetauscher (170) einen dritten Eingang (E3) und einen dritten Ausgang (A3) umfasst; wobei eine Entnahmeleitung (109, 110, 130) des Kryobehälters (100) mit dem ersten Eingang (El) des externen Wärmetauschers (140) verbunden ist, wobei eine Ausgangsleitung (150) an einen ersten Ausgang (Al) des externen Wärmetauschers (140) angeschlossen ist, wobei eine Abzweigleitung (160) an einem ersten Knotenpunkt (151) an die Ausgangsleitung (150) angeschlossen und mit dem dritten Eingang (E3) des internen Wärmetauschers (170) verbunden ist, wobei eine erste Rückführleitung (180) an den dritten Ausgang (A3) des internen Wärmetauschers (170) angeschlossen und mit dem zweiten Eingang (E2) des zweites Wärmetauscherrohrs (142) verbunden ist; und wobei eine zweite Rückführleitung (190) an den zweiten Ausgang (A2) des zweites Wärmetauscherrohrs (142) angeschlossen und an einem zweiten Knotenpunkt (152) an die Ausgangsleitung (150) angeschlossen ist, wobei sich der zweite Knotenpunkt (152) stromabwärts des ersten Knotenpunkts (151) befindet; dadurch gekennzeichnet, dass das System zumindest eine der folgenden selektiv zuschaltbaren Überbrückungsleitungen (210, 220, 230) aufweist: eine erste Überbrückungsleitung (210) für das erste Wärmetauscherrohr (141) des externen Wärmetauschers (140), wobei die erste Überbrückungsleitung (210) vor dem ersten Eingang (El) an die Entnahmeleitung (109, 110, 130) anschließt und nach dem ersten Ausgang (Al) an die Ausgangsleitung (150) anschließt; eine zweite Überbrückungsleitung (220) für das zweite Wärmetauscherrohr (142), wobei die zweite Überbrückungsleitung (220) vor dem zweiten Eingang (E2) an die erste Rückführleitung (180) anschließt und nach dem zweiten Ausgang (A2) an die zweite Rückführleitung (190) anschließt; eine dritte Überbrückungsleitung (230) für den internen Wärmetauscher (170), wobei die dritte Überbrückungsleitung (230) vor dem dritten Eingang (E3) an die Abzweigleitung (160) anschließt und nach dem dritten Ausgang (A3) an die erste Rückführleitung (180) anschließt.
2. System nach Anspruch 1, umfassend eine Steuereinrichtung (240) und zumindest einen Sensor (241, 242, 243) zur Bestimmung von Druckmesswerten und/oder Temperaturmesswerten, wobei der Sensor (241, 242, 243) im Kryobehälter (100), in der Entnahmeleitung (109, 110, 130), in der Abzweigleitung (160) in der ersten Rückführleitung (180), in der zweiten Rückführleitung (190) oder in der Ausgangsleitung (150) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, einen Massenstrom von Kryofluid durch die erste, zweite und/oder dritte Überbrückungsleitung (210, 220, 230) in Abhängigkeit der vom Sensor (241, 242, 243) empfangenen Druckmesswerte und/oder Temperaturmesswerte zu steuern.
3. System nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, eine Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152), einen Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) und einen Druck im Kryobehälter (100) zu empfangen oder zu bestimmen und einen Massenstrom über die Abzweigleitung (160), die erste, zweite und/oder dritte Überbrückungsleitung (210, 220, 230) unter den Bedingungen zu regeln, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) an oder über einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt, der Druck stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) an oder über einem vorbestimmten Mindestdruck liegt und der Druck im Kryobehälter (100) minimiert wird.
4. System nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, den Massenstrom durch die erste Überbrückungsleitung (210) oder die zweite Überbrückungsleitung (220) zu erhöhen, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) über einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
5. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, den Massenstrom durch die dritte Überbrückungsleitung (230) zu erhöhen, wenn die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt.
6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das System dazu ausgebildet ist, das Wärmetauschmedium zu Beginn eines Betriebs mit einer ersten Temperatur bereitzustellen und nach einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Beginn des Betriebs das Wärmetauschmedium mit einer zweiten Temperatur bereitzustellen, die höher ist als die erste Temperatur, wobei der externe Wärmetauscher (140) dazu ausgelegt ist, das Kryofluid zu Beginn des Betriebs bei einer einmaligen Durchführung des Kryofluids durch das erste Wärmetauscherrohr (141) zumindest auf die vorbestimmte Mindesttemperatur eines Verbrauchers zu bringen, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, zu Beginn des Betriebs keinen Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung (210) und/oder die zweite Überbrückungsleitung (220) zu führen, und nach dem vorbestimmten Zeitraum einen Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung (210) und/oder die zweite Überbrückungsleitung (220) zu führen, gegebenenfalls unter der Bedingung, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) an einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt.
7. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das System dazu ausgebildet ist, das Wärmetauschmedium zu Beginn eines Betriebs mit einer ersten Temperatur bereitzustellen und nach einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Beginn des Betriebs das Wärmetauschmedium mit einer zweiten Temperatur bereitzustellen, die höher ist als die erste Temperatur, wobei der externe Wärmetauscher (140) dazu ausgelegt ist, das Kryofluid zu Beginn des Betriebs bei einer einmaligen Durchführung des Kryofluids durch das erste Wärmetauscherrohr (141) nur auf eine Temperatur zu bringen, die unter der vorbestimmten Mindesttemperatur eines Verbrauchers liegt, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, zu Beginn des Betriebs einen Massenstrom an Kryofluid über die dritte Überbrückungsleitung (230) zu führen, gegebenenfalls unter der Bedingung, dass die Temperatur stromabwärts des zweiten Knotenpunkts (152) an einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt, und nach dem vorbestimmten Zeitraum keinen Massenstrom an Kryofluid über die dritte Überbrückungsleitung (230) zu führen.
8. System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Steuereinheit (240) dazu ausgebildet ist, den Massenstrom an Kryofluid über die erste Überbrückungsleitung (210) zu erhöhen, wenn der Druck im Kryobehälter (100) oder stromabwärts des zweiten Knotenpunktes (152) unter einem vorbestimmten Schwellwert liegt, wobei die Steuereinheit (240) bevorzugt dazu ausgebildet ist, eine Bedingung hinsichtlich einer geforderten Mindesttemperatur des Verbrauchers zu lockern oder außer Kraft zu setzten.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Überbrückungsleitung (210) ein Ventil (211) an der Anschlussstelle an die Entnahmeleitung (130), ein Ventil an der Anschlussstelle an die Ausgangsleitung (150) oder ein Ventil zwischen den genannten Anschlussstellen aufweist; wobei die zweite Überbrückungsleitung (220) ein Ventil (221) an der Anschlussstelle an die erste Rückführleitung (180), ein Ventil an der Anschlussstelle an die zweite Rückführleitung (190) oder ein Ventil zwischen den genannten Anschlussstellen aufweist; und/oder wobei die dritte Überbrückungsleitung (230) ein Ventil an der Anschlussstelle an die Abzweigleitung (160), ein Ventil an der Anschlussstelle an die erste Rückführleitung (180) oder ein Ventil zwischen den genannten Anschlussstellen aufweist.
10. Fahrzeug, umfassend ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ausgangsleitung (150) mit einem Verbraucher, insbesondere einem Motor oder einer Brennstoffzelle, des Fahrzeugs verbunden ist, wobei der Verbraucher dazu ausgelegt ist, in einem Normalbetrieb betrieben zu werden, wenn der Verbraucher Kryofluid mit einer vorbestimmten Mindesttemperatur und einem vorbestimmten Mindestdruck empfängt.
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