DE3837962A1 - Verfahren und vorrichtung zum verdampfen und/oder anwaermen von tiefkalten fluessigkeiten oder zum anwaermen von tiefkalten gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Anwärmen von tiefkalten Flüssigkeiten oder zum Anwärmen von tiefkalten Gasen durch indirekten Wärmetausch mit durch Dampf erhitztem Wasser.

In flüssigem Zustand gelagerten tiefkalten Gasen muß für viele Anwendungen Wärme zugeführt werden, um sie zu verdampfen und/oder anzuwärmen. So wird z.B. Wasserstoff, in Zukunft an Bedeutung als Energieträger gewinnen wird, aus Wirtschaftlichkeitsgründen zunehmend in flüssigem Zustand gespeichert und bei Bedarf vor Ort verdampft und angewärmt. Auch in anderen Anwendungsbereichen müssen in kurzer Zeit große Mengen von flüssigem Wasserstoff verdampft werden. Als Beispiel seien Teststände für Raketentriebwerke oder Kraftfahrzeugmotoren genannt. Ähnliche Probleme ergeben sich, wenn in kurzer Zeit große Gasmengen angewärmt werden müssen, z.B. weil kaltes Abgas anfällt und Nebelbildung nach dem Ablassen in die Umgebung verhindert werden muß.

Es ist üblich, den zu verdampfenden und/oder anzuwärmenden Stoffen durch Wärmetausch mit einem Flüssigkeitsbad Wärme zuzuführen. Das Flüssigkeitsbad wird dabei elektrisch beheizt oder durch Dampf erhitzt.

Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, daß sie in der Praxis nicht zufriedenstellend arbeiten und insbesondere erst nach längerer Anlaufzeit einsatzbereit sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem bekannten Verfahren verbessertes Verfahren zu entwickeln, das insbesondere in kürzester Zeit einsatzbereit ist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dampf mindestens teilweise durch Verbrennen von Wasserstoffgas erzeugt wird. Da diese Art von Dampferzeugung innerhalb einer Startzeit von nur etwa 1 Sekunde ihre volle Leistung erreicht, ergeben sich sehr kurze Anlaufzeiten für das Verfahren. Somit können auch kurzzeitig in großen Mengen anfallende tiefkalte Gase oder Flüssigkeiten verdampft und/oder angewärmt werden.

Außerdem kann durch eine wenig aufwendige Steuerung der Wasserstoffzufuhr die erzeugte Dampfmenge eingestellt werden. Damit ergibt sich der Vorteil, daß die Wärmeleistung des Systems leicht geregelt werden kann. Dabei ist es auch möglich, den Wärmetausch zwischen Dampf und zu verdampfenden und/oder anzuwärmenden Stoffen ohne Wasserbad durchzuführen.

In einer speziellen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Wasserstoff wird der zur Dampferzeugung zu verbrennende Wasserstoff mindestens teilweise dem Strom des verdampften Wasserstoffs entnommen. Dadurch wird die zur Dampferzeugung und -erhitzung benötigte Energie direkt aus dem am Verfahren beteiligten Gas gewonnen und muß nicht über Fremdmedien wie elektrische Energie oder Heizgas bezogen werden. Dadurch werden auch Sicherheitsprobleme wie z.B. die Explosionsgefahr bei Elektroerhitzern vermieden.

In einer weiteren speziellen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Sauerstoff wird der zum Verbrennen benötigte Sauerstoff mindestens teilweise dem Strom des verdampften Sauerstoffs entnommen. Auf diese Weise braucht der Sauerstoff nicht durch zusätzliche Einrichtungen von außen in die Verbrennung eingebracht zu werden. Falls sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff in dem Verfahren verdampft werden sollen, wie etwa bei der Anwendung zur Erzeugung und Erwärmung von Treibstoff für Raketentriebwerke, ergibt sich in Kombination mit dem vorhergehenden Erfindungsmerkmal, das sich auf das Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Wasserstoff bezieht, ein Verfahren, das im wesentlichen ohne Stoff- und Energiezufuhr von außen durchgeführt werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem durch Verbrennen erzeugten Dampf Wasser in flüssigem oder dampfförmigem Zustand beigemischt. Durch Verdampfen und/oder Erhitzen von zusätzlich beigemischtem Wasser läßt sich die beim Verbrennen entstandene Wärme besonders günstig zur Erhitzung des Wasserbades nutzen.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn das dem Dampf beigemischte Wasser der Wärmetauscheinrichtung entnommen wird. So wird der zur Erhitzung des Wasserbades kondensierte Dampf wieder zur Dampferzeugung zurückgeleitet, so daß ein im wesentlichen geschlossener Dampf-/Wasserkreislauf entsteht.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verdampfen und/oder Anwärmen von tiefkalten Flüssigkeiten oder zum Anwärmen von tiefkalten Gasen mit einem über eine Dampfleitung mit einem Dampferzeuger verbundenen Wasserbadanwärmer, durch den Rohre für die zu verdampfenden und/oder anzuwärmenden Stoffe führen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dampferzeuger eine Verbrennungseinrichtung enthält, in der mindestens ein Teil des Dampfes durch Verbrennen von Wasserstoff erzeugt wird.

ln einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Dampferzeuger über eine Wasserleitung mit dem Wasserbad des Wasserbadanwärmers verbunden.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Fig. 1 zeigt hierbei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Wasserstoff.

Der flüssige Wasserstoff wird einem Tank 1 über eine Leitung 3 entnommen und einem Wasserbadanwärmer 5 zugeführt. Er wird im Wärmetausch mit dem Wasserbad verdampft und angewärmt und gasförmig über eine Leitung 18 weitergeführt.

Ein Teil des gasförmigen Wasserstoffs wird als ein Seitenstrom 6 abgezweigt und durch die Speichereinrichtung 8 über Leitung 10 in den Dampferzeuger 12 eingebracht. Dort wird der Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff oder Luft 11 verbrannt. Die Speichereinrichtung 8 dient insbesondere zum Start des Dampferzeugers bei Inbetriebnahme der Vorrichtung. Es braucht damit kein Wasserstoff von außen (etwa aus Druckflaschen) bezogen zu werden, sondern der zum Anfahren benötigte Brennstoff kann der Speichereinrichtung entnommen werden. Diese Ausführungsform ist besonders günstig, wenn der gasförmige Wasserstoff unter Druck erzeugt wird. Es ist darüber hinaus möglich, den Seitenstrom 6 vor der Speichereinrichtung 8 zusätzlich zu verdichten, um den für den Start des Dampferzeugers notwendigen Druck zu erreichen.

Der in der Figur dargestellten Ausführungsform verhilft eine Leitung 21 zu einer besonders vorteilhaften Vorrichtung zur Erhöhung des Druckes in der Speichereinrichtung 8. Über diese Leitung kann beispielsweise beim Anfahren des Dampferzeugers flüssiger beziehungsweise verdampfender Wasserstoff in die Speichereinrichtung 8 eingeführt werden, um den notwendigen Zünddruck im Dampferzeuger herzustellen. Die durch Leitung 21 strömende Wasserstoffmenge wird dabei durch ein in der Figur nicht gezeigtes Ventil gesteuert.

Der beim Verbrennen erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung 13 dem Wasserbadanwärmer 5 zugeführt und dort kondensiert. Die zugeführte Wassermenge wird an der Oberfläche des Wasserbades als Überlauf 14 wieder abgeführt und über eine Pumpe 16 in den Dampferzeuger 12 eingebracht. Das in den Dampferzeuger eingespritzte Wasser 17 wird in dem sehr heißen Dampf aus der Verbrennungsreaktion verdampft und erhitzt und erneut dem Wasserbad zugeführt. Es entsteht so ein im wesentlichen geschlossener Dampf-/Wasserkreislauf, nur die in der Verbrennungsreaktion gebildete zusätzliche Wassermenge 15 muß entfernt werden.

Eine mögliche Erweiterung des Verfahrens auf das Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Sauerstoff ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist z.B. für die Bereitstellung von Treibstoff an einem Teststand für Raketentriebwerke besonders vorteilhaft.

Parallel zum Wasserstoff wird hier flüssiger Sauerstoff 4 einem Tank 2 entnommen und durch den Wasserbadanwärmer 5 geführt. Es wird ein Seitenstrom 7 vom Strom 19 abgezweigt und über eine Speichereinrichtung 9 zum Sauerstoffeingang 11 des Dampferzeugers 12 geleitet. Dadurch muß weder Sauerstoff noch Luft von außen dem System zugeführt werden. Die Aussagen über Seitenstrom 6 und Speichereinrichtung 8 des Wasserstoffzweiges gelten analog für den in Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Sauerstoffzweig. Über Leitung 22 kann flüssiger beziehungsweise verdampfender Sauerstoff direkt in die Speichereinrichtung 9 eingeführt werden, um den Druck im Dampferzeuger zum Anfahren der Anlage zu erhöhen.

Insgesamt ergibt sich ein Verfahren zum Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff, dem in diesem speziellen Fall keine Stoffe und keine Energie von außen zugeführt werden müssen. Eine Vorrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet, kann also weitgehend unabhängig von den Infrastruktureinrichtungen der Umgebung aufgestellt werden. Außerdem kann eine solche Anlage sehr kompakt gestaltet werden.

Unabhängig von der speziellen Ausführungsform weist das Verfahren den Vorteil einer guten Regelbarkeit auf, so daß immer die für die jeweilige Menge anzuwärmenden Stoffes benötigte Dampfmenge zur Verfügung gestellt werden kann. Es können etwa Durchflußmesser in den Leitungen 3 und/oder 4 oder - technisch leichter realisierbar - in den Leitungen 18 und/oder 19 die Menge des zu erwärmenden Stoffes bestimmen. Zusammen mit der Verdampfungswärme und der gewünschten Endtemperatur kann eine Regeleinrichtung die für die Verbrennung benötigte Wasserstoff- und/oder Sauerstoffmenge berechnen und über Ventile in den Leitungen 6 und/oder 7 einstellen. Dabei ist auch eine Steuerung der Wasserpumpe 16 möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verdampfen und/oder Anwärmen von tiefkalten Flüssigkeiten oder zum Anwärmen von tiefkalten Gasen durch indirekten Wärmetausch mit durch Dampf erhitztem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf mindestens teilweise durch Verbrennen von Wasserstoffgas erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Dampferzeugung zu verbrennende Wasserstoff (10) mindestens teilweise dem Strom (18) des verdampften Wasserstoffs entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Verdampfen und Anwärmen von flüssigem Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Verbrennen benötigte Sauerstoff (11) mindestens teilweise dem Strom (19) des verdampften Sauerstoffs entnommen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem durch Verbrennen erzeugten Dampf Wasser (17) in flüssigem oder dampfförmigem Zustand beigemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Dampf beigemischte Wasser der Wärmetauscheinrichtung (5) entnommen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem über eine Dampfleitung mit einem Dampferzeuger verbundenen Wasserbadanwärmer, durch den Rohre für die zu verdampfenden und/oder anzuwärmenden Stoffe führen, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (12) eine Verbrennungseinrichtung enthält, in der mindestens ein Teil des Dampfes durch Verbrennen von Wasserstoff (10) erzeugt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger über eine Wasserleitung (14) mit dem Wasserbad des Wasserbadanwärmers (5) verbunden ist.