DE19645488C1 - System und Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank - Google Patents
System und Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem KryotankInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Entnehmen von
kaltem Gas aus einem Kryotank, welches einen isolierten
Speicherbehälter und eine Entnahmeleitung aufweist.
Ein Kryotank ist ein isolierter Vorratsbehälter, in dem flüssige, tiefkalte
Gase in der Regel unter Überdruck gespeichert werden. Die tiefe
Temperatur der verflüssigten Gase kann durch eine Vakuumisolation
über längere Zeitspannen aufrechterhalten werden. Solche Kryotanks
werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik als Treibstofftanks
eingesetzt. Sie können verflüssigten Wasserstoff (LH2), flüssiges
Erdgas (LNG), verflüssigten Stickstoff (LN2) oder dergleichen enthalten.
Bei der Entnahme von flüssigem Gas aus einem Kryotank kommt es zu
einem Druckabfall in dem Tank. Für viele Anwendungen, beispielsweise
den obengenannten Einsatz als Treibstofftank für ein Kraftfahrzeug, ist
es aber erforderlich, den Druck im Tank konstant zu halten. Der
konstante Innendruck im Kryotank dient unter anderem einer
kontinuierlichen Versorgung eines oder mehrerer Verbraucher mit dem
Flüssiggas.
Zur Druckerhöhung in dem Kryotank wurden bisher elektrische
Heizeinrichtungen im Inneren des Kryotanks oder
Druckaufbauverdampfer (DE-OS 23 29 053) eingesetzt. Ein
Druckaufbauverdampfer entnimmt dem Kryotank eine kleine Menge des
flüssigen Gases, das Gas wird außerhalb des Kryotanks verdampft und
dem Tank wieder zugeführt. Dabei kann das "Druckaufbau-Gas"
aufgrund der Druckunterschiede zwischen der flüssigen und der
gasförmigen Phase ohne zusätzliche Hilfsmittel zirkulieren. Diese Art der
Aufrechterhaltung oder Erhöhung des Innendrucks in einem Kryotank
mittels Druckaufbauverdampfer eignet sich insbesondere für große,
stehende Flüssiggasspeicher. Die Leistung der Druckaufbauverdampfer
ist vom Füllstand in dem Speichertank abhängig. Ferner können
Probleme aufgrund des Phasenwechsels entstehen.
Die auch dem Druckaufbau dienenden, oben genannten elektrischen
Heizeinrichtungen sind in der Regel als Widerstandsheizungen realisiert.
Diese benötigen nicht nur elektrische Energie, sondern sie erfordern
auch aufwendige vakuumdichte sowie tieftemperatur- und
druckbeständige Durchführungen. Bei einem Defekt erzeugen sie hohe
Reparaturkosten. Die bisher bekannten Lösungen zum Aufrechterhalten
oder Erhöhen des Drucks in einem Kryotank bei Entnahme von flüssigem
Gas sind somit nicht vollkommen zufriedenstellend.
Darüber hinaus ist aus der DE 44 11 338 A1 eine Vorrichtung zur
Unterdrückung des Gasphasendruckes in Speicherbehältern für tiefkalte
verflüssigte Gase bekannt, die die wärmsten Flüssigkeitsschichten an der
Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels bei Flüssigkeitsentnahme abzieht.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein System und ein Verfahren zum
Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank anzugeben, mit denen
der Druck im Tank konstant gehalten oder sogar erhöht werden kann und
die auch in kleinen, mobilen Kryotanks einsetzbar sind, beispielsweise in
Treibstoff-Kryotanks für den Kraftfahrzeugbereich. Die Vorrichtung und
das Verfahren sollten dabei möglichst einfach, wartungsfreundlich und
kostengünstig sein, damit sie auch bei in großer Stückzahl hergestellten
Tanks noch wirtschaftlich eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen von Anspruch
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße System weist einen isolierten Speicherbehälter
für flüssiges Gas, eine Entnahmeleitung und eine
Verdampfungskammer, oder ein Verdampfungsvolumen, auf. Die
Verdampfungskammer ist mit der Entnahmeleitung verbunden und kann
die Form einer Erweiterung der Entnahmeleitung oder eines kleinen
Behälters haben. Vorzugsweise ist die Entnahmeleitung mindestens von
dem Speicherbehälter bis zur Verdampfungskammer isoliert, während
die Verdampfungskammer einen nicht-isolierten Raum aufweist. Je nach
Anwendungsfall ist das Stück der Entnahmeleitung, welches von der
Verdampfungskammer zu einem oder mehreren Verbrauchern führt,
isoliert oder nicht isoliert. Die Entnahmeleitung weist
zweckmäßigerweise im Speicherbehälter ein Steigrohr auf.
Aufgrund des Druckgefälles zwischen dem Kryotank und einem
Verbraucher kommt es beim Öffnen eines Ventils in der isolierten
Entnahmeleitung zu einer Strömung des flüssigen Gases bis zu der
kleinen unisolierten Verdampfungskammer außerhalb des Tanks. Da die
Verdampfungskammer, oder das Verdampfungsvolumen, zur Umgebung
nicht isoliert ist, kommt es darin zu einer spontanen Verdampfung des
flüssigen Gases, die eine Druckerhöhung in der Entnahmeleitung
bewirkt. Die Flüssigkeit (das flüssige Gas) in der Entnahmeleitung und
ein Teil des gebildeten Gases (der verdampften Flüssigkeit) aus der
Verdampfungskammer strömen aufgrund dieser Druckerhöhung in den
Kryotank zurück, bis der Druck in der Entnahmeleitung wieder
ausgeglichen ist. Danach strömt wieder Flüssigkeit (flüssiges Gas)
durch die Steigleitung nach oben. Dadurch entsteht eine natürliche
Druckschwingung, oder Pulsation, auf der Behälterseite der
Verdampfungskammer.
Da nur ein Teil des über die Entnahmeleitung in die
Verdampfungskammer geförderten Flüssiggases verdampft und in den
Kryotank zurückströmt, kann auf der Verbraucherseite der
Verdampfungskammer gleichwohl eine relativ stetige Versorgung mit
Flüssiggas erreicht werden.
In dem Speicherbehälter des Kryotanks bewirkt die Rückströmung des
Gasanteils eine Druckerhöhung, die den durch die Entnahme des
Flüssiggases bedingten Druckabfall kompensiert. Der Umfang dieses
Druckaufbaus ist von der Auslegung der Entnahmeleitung und der
Größe der Verdampfungskammer abhängig.
Die Erfindung sieht zum ersten Mal ein System und ein Verfahren zum
Entnehmen von kalten Gasen aus einem Kryotank vor, welche den
Druckabfall aufgrund der Entnahme von Flüssiggas ohne zusätzliche
Tankeinbauten, Rohrleitungen, elektrische Einrichtungen und
dergleichen ausgleichen. Für die gewünschte Wirkung muß lediglich die
Konstruktion der Entnahmeleitung außerhalb des Kryotanks angepaßt
werden. Das System und das Verfahren gemäß der Erfindung sind
besonders wartungsfreundlich und preisgünstig, weil keine zusätzlichen
Einbauten im Tank vorgesehen und keine zusätzlichen Leitungen in den
und aus dem Tank geführt werden müssen und weil keinerlei
bewegliche Teile notwendig sind. Da keine zusätzlichen
Durchführungen für Leitungen, Elektrokabel und dergleichen
vorgesehen werden müssen, wird auch die Isolation des Kryotanks
durch die Druckaufbaueinrichtung nicht beeinträchtigt. Schließlich
ergeben sich keine Stillstandszeiten für den Druckaufbau im
Speicherbehälter, weil ein Druckausgleich oder Druckaufbau
automatisch mit der Entnahme des flüssigen Gases erfolgt.
Versuche mit dem erfindungsgemäßen System und dem Verfahren
haben gezeigt, daß durch die gezielte Verdampfung eines Teils der
Flüssigkeitsmenge in der Entnahmeleitung mittels dem nicht isolierten
Verdampfungsvolumen Druckschwingung, oder Pulsation, erzeugt
werden kann, die ausreichend ist, um den Druckabfall im
Speicherbehälter aufgrund der Entnahme von flüssigem Gas zu
kompensieren.
Es kann eine Umgehungsleitung vorgesehen werden, um flüssiges Gas
unter Umgehung der Verdampfungskammer aus dem Speicherbehälter
zu entnehmen. Die Umgehungsleitung wird insbesondere dann zum
Einsatz kommen, wenn eine Druckabsenkung im Kryotank erfolgen soll.
Es kann auch eine Umschalteinrichtung vorgesehen werden, um bei
einer starken Abnahme des Flüssigkeitspegels im Kryotank oder einer
zu starken Druckerhöhung im Speicherbehälter zwischen der Entnahme
von flüssigem Gas und der Entnahme von gasförmigem Gas
umzuschalten. Auch diese Maßnahme dient dem Druckabbau im
Speicherbehälter.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen
mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf die Zeichnung erläutert. In den
Figuren zeigen:
Fig. 1 ein System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem
Kryotank gemäß der Erfindung und
Fig. 2 eine Umgehungsleitung für das erfindungsgemäße System.
Fig. 1 zeigt ein System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem
Kryotank gemäß der Erfindung. Ein Kryotank 10, d. h. ein Speichertank
für bei Tieftemperatur verflüssigte Gase, welche in dem Tank unter
erhöhtem Druck, z. B. 5 bar, gespeichert sind, umfaßt einen inneren
Speicherbehälter 12 und einen Vakuum-Isolationsmantel 14. Die
Vakuum-Isolation dient dazu, die Temperatur des verflüssigten Gases
weitgehend aufrechtzuerhalten. Der Kryotank 10 hat bei einer typischen
Anwendung im Kraftfahrzeugbereich die Form eines liegenden Zylinders
mit einem Durchmesser von beispielsweise einem halben Meter und
einer Länge von beispielsweise einem Meter. Die Enden des Tanks
können, wie gezeigt, abgerundet sein. Übliche Tankvolumen liegen im
Bereich von 100 bis 140 Litern. Beispiele für das gespeicherte
Flüssiggas sind verflüssigter Wasserstoff (LH2), verflüssigter Stickstoff
(LN2) oder flüssiges Erdgas (LNG).
Ein Steigrohr oder eine Steigleitung 16 in dem Speicherbehälter 12 ist
Teil einer Entnahmeleitung 18, welche aus dem Tank 10 herausführt
und außerhalb des Tanks mit einem Vakuum-Isolationsmantel 20 isoliert
ist.
Die Entnahmeleitung 18 führt zu einem Verdampfungsvolumen 22, das
bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Form einer nicht-
isolierten Erweiterung der Entnahmeleitung 18 hat. Das
Verdampfungsvolumen 22 kann jedoch auch als ein kleiner, mit der
Entnahmeleitung 18 verbundener nicht isolierter Becher ausgestaltet
sein. Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird
das Verdampfungsvolumen 22 durch einen nicht-isolierten und im
übrigen unveränderten Abschnitt der Entnahmeleitung 18 gebildet.
Von dem Verdampfungsvolumen 22 führt die Entnahmeleitung 18, je
nach Anwendungsfall wieder isoliert oder nicht-isoliert, zu einem
Absperrventil 24, das mit einem oder mehreren Verbrauchern (nicht
gezeigt) verbunden ist. An dem Verdampfungsvolumen 22 kann
zusätzlich eine Heizeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen werden.
Im Speicherbehälter 12 herrscht ein Überdruck, der bei der Speicherung
von verflüssigten Gasen der angegebenen Art im Bereich von
beispielsweise 5 bar liegt. Aufgrund des Druckgefälles zwischen dem
Tank 10 und dem Verbraucher, der in der Regel bei Umgebungsdruck
liegt, kommt es zu einer Flüssigkeitsströmung durch das Steigrohr 16
der Entnahmeleitung 18 bis zu dem nicht-isolierten
Verdampfungsvolumen 22, das außerhalb des Tanks 10 liegt. Der
Zulauf des Flüssiggases ist in Fig. 1 mit F (Flüssigkeit) bezeichnet. In
dem Verdampfungsvolumen oder der Verdampfungskammer 22 kommt
es zu einer spontanen Verdampfung eines Teils des Flüssiggases, die
eine Druckerhöhung in der Entnahmeleitung 18 bewirkt. Durch diesen
erhöhten Druck wird die Flüssigkeit im Steigrohr und ein Teil des
verdampften Gases in den Speicherbehälter 12 zurückgedrückt, und
dieser Rückstrom hält an, bis der Druck in der Entnahmeleitung 18
wieder ausgeglichen ist. Die Rückströmung des Gases ist in Fig. 1 mit G
(Gas) bezeichnet. Dann strömt wieder Flüssiggas durch das Steigrohr
16 in die Entnahmeleitung 18 nach. Der Zyklus der spontanen
Verdampfung von Flüssiggas in dem Verdampfungsvolumen und der
Rückströmung eines Teils des verdampften Gases wiederholt sich
kontinuierlich, so daß eine natürliche Druckschwingung oder Pulsation
entsteht. Diese Druckschwingung oder Pulsation läuft bei Öffnung des
Ventils 24 automatisch ab, ohne daß von außen steuernd eingegriffen
werden muß.
Im Tank bewirkt die Rückströmung des Gasanteils eine Druckerhöhung,
die den durch die Entnahme bedingten Druckabfall kompensiert. Die
rückströmende Gasmenge ist bei jedem Füllstand des
Speicherbehälters 12 ausreichend, um den durch die Entnahme der
Flüssigkeit entstehenden Druckverlust auszugleichen. Tatsächlich kann
die Druckerhöhung mittels dem Pulsations-Druckaufbau so hoch sein,
daß in Abständen auf eine Entnahme von Flüssigkeit ohne
automatischen Druckaufbau umgeschaltet werden muß.
Hierzu wird die in Fig. 2 gezeigte Umgehungseinrichtung mit der das
Verdampfungsvolumen umgangen wird, verwendet. In Fig. 2 ist der
Kryotank bei 10 angedeutet. Dieser ist mit einem Druckmesser 26
verbunden, um den Innendruck im Speicherbehälter 12 zu erfassen.
Neben der bereits in Fig. 1 gezeigten Entnahmeleitung 18, dem
Verdampfungsvolumen 22 und dem zum Verbraucher führenden Ventil
24 ist ein kurzer Rohrstutzen 28, zum Anschluß des
Verdampfungsvolumens und ein Ventil 30 vorgesehen, das
vorzugsweise druckgesteuert ist. Das Ventil 30 hat eine
Druckentlastungsfunktion damit im Verdampfungsvolumen 22 kein
unzulässiger Überdruck entstehen kann. Der Leitungsabschnitt 36 auf
der vom Tank 10 abgewandten Seite des Ventils 24 führt entsprechend
der Darstellung in Fig. 1 zu einem (nicht gezeigten) Verbraucher.
Das Druckmeßgerät 26 gibt Drucksignale an das druckgesteuerte Ventil
30 aus. Wenn ein bestimmter Druck im Kryotank 10, z. B. 6 bar,
überschritten wird, schließt sich das Ventil 30 automatisch. Dadurch
wird ein Zustrom von Flüssigkeit zur Verdampfungskammer 22
verhindert, und das Flüssiggas strömt direkt zum Verbraucher, ohne
Druckaufbau in dem Speicherbehälter 12. Die Wirkung des Pulsations-
Druckaufbaus kann somit auf einen vorgegebenen Druckbereich
begrenzt werden.
Zusätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen System und dem
Verfahren vorgesehen sein, bei einer Druckerhöhung im
Speicherbehälter 12 aufgrund des Pulsations-Druckaufbaus, oder auch
bei der allmählichen Erwärmung des Tankinhalts von der Entnahme von
Flüssigkeit auf eine Entnahme von kaltem Gas umzuschalten, und so
einen übermäßigen Druckanstieg zu verhindern.
Die in der obigen Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger
Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.
Claims (9)
1. System zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank (10),
mit einem isolierten Speicherbehälter (12) für tiefkaltes,
verflüssigtes Gas und einer Entnahmeleitung (18), welche aus dem
Speicherbehälter (12) herausführt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Verdampfungsvolumen (22) mit der Entnahmeleitung (18)
verbunden ist, wobei flüssiges Gas durch die Entnahmeleitung (18)
in das Verdampfungsvolumen gelangt, dort teilweise verdampft und
das verdampfte Gas zumindest teilweise in den Speicherbehälter
(18) zurückströmt.
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entnahmeleitung (18) auf ihrer Länge zwischen dem
Speicherbehälter (12) und dem Verdampfungsvolumen (22) isoliert
ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verdampfungsvolumen einen nicht isolierten Raum (22) in
Form einer Erweiterung der Entnahmeleitung (18) oder in Form
eines kleinen Behälters aufweist.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verdampfungsvolumen (22) beheizt ist.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entnahmeleitung (18) ein Steigrohr (16) im Inneren des
Speicherbehälters (12) aufweist.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Umgehungsleitung (28), um flüssiges Gas unter Umgehung
des Verdampfungsvolumens (22) aus dem Speicherbehälter (12)
zu entnehmen.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Umschalteinrichtung, um von einer Entnahme von flüssigem
Gas auf eine Entnahme von gasförmigem Gas umzuschalten.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas verflüssigter Wasserstoff (LH2), verflüssigter
Stickstoff (LN2) oder flüssiges Erdgas (LNG) ist.
9. Verfahren zum Entnehmen von kaltem Gas aus einem Kryotank
(10), bei dem das Gas in flüssiger Phase aus dem Kryotank
entnommen wird, das flüssige Gas beim Entnehmen außerhalb des
Kryotanks (10) teilweise verdampft wird und ein Teil des
verdampften Gases in den Kryotank zurückgeführt wird.
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