DE60017620T2

DE60017620T2 - Wärmetauschersystem für Tieftemperaturflüssigkeit mit Fluidausstoßvorrichtung

Info

Publication number: DE60017620T2
Application number: DE60017620T
Authority: DE
Inventors: Tibor I. Lak; Gene Rogers; James F. Weber; Michael V. Merlin; Iii Timothy L. Gaynor; John E. Davis; David L. Gerhardt
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-03-04
Also published as: AU774450B2; JP2000258076A; US6164078A; EP1033542A3; AU1956000A; JP4562846B2; EP1033542A2; EP1033542B1; DE60017620D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Kühlsysteme und insbesondere auf Tieftemperaturkühlsysteme.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Antriebssysteme, welche flüssigen Tieftemperatursauerstoff und/oder Wasserstoff benutzen, wie das Spaceshuttle, Atlas/Centaur, Delta usw., werden derzeit von den Speichertanks einer Einrichtung befüllt und anschließend wird es ihnen ermöglicht, in den Flugtanks abzukühlen, um die von der Flüssigkeit als Folge von Wärmebrücken zu der Umgebung, der Übertragungsleitung und dem Abkühlen der Tankwände absorbierte Wärme abzugeben. Das Abkühlen der Flüssigkeitsmasse ist wünschenswert, um die Dichte der Flüssigkeit zu erhöhen, so dass mehr Impulsmasse in dem Tank gespeichert werden kann, und auch um den Dampfdruck der Flüssigkeit zu verringern, so dass der Betriebsdruck des Tankes und das Gewicht des Tankes minimiert werden.
Der Stand der Technik offenbart zahlreiche Verfahren und Systeme zum Kühlen der Tieftemperaturflüssigkeit. Die Tieftemperaturflüssigkeit kann über Stutzen an den Tanks gekühlt werden. Aufgrund von Gewichtsbeschränkungen und mit derartiger Tieftemperaturkühlung verbundenen Problemen wird jedoch ein Tieftemperaturflüssigkeitsstrom abgekühlt. Der Tieftemperaturflüssigkeitsstrom, welches anfänglich den Tank befüllt, kann vor dem Eintritt in den Tank abgekühlt werden. Die Tieftemperaturflüssigkeit in dem Tank wird weiterhin durch Verringerung der Temperatur eines Dauerumlaufstroms von Tieftemperaturflüssigkeit abgekühlt.
Der Stand der Technik offenbart ein Tieftemperaturwärmetauschersystem, welches eine Röhre oder Röhren umfasst, welche sich durch ein Reservoir erstrecken. Der Tieftemperaturstrom, welcher gekühlt werden soll, wird durch die Röhren gelenkt. Das Reservoir ist mit einem anderen Tieftemperaturfluid mit einer niedrigeren Temperatur gefüllt. Die Röhren, durch welche der Tieftemperaturfluidstrom fließt, sind in dem Reservoir untergetaucht, was dazu führt, dass der Tieftemperaturfluidstrom gekühlt wird, während er sich durch die Röhren bewegt.
US-A-5 644 920 zeigt ein Tieftemperaturkühlsystem mit einem Unterdruckreservoir und einer Röhre, welche sich durch das Reservoir erstreckt. Ein Kompressor ist mit dem Vakuumauslass des Reservoirs verbunden, welcher Dampf aus dem Reservoir abzieht, was den Druck und die Temperatur darin erniedrigt. Als Ergebnis wird von der sich durch das Reservoir erstreckenden Röhre Wärme absorbiert.
Das Tieftemperaturfluid in dem Wärmetauscherreservoir kann bei Unterdruck vorliegen, um es bei einer niedrigeren Temperatur zu halten und einen Wärmeaustausch zwischen ihm und dem Tieftemperaturfluidstrom zu unterstützen. Der Stand der Technik offenbart, einen eigenen Kompressor zu benutzen, um den Unterdruck erzeugen und den Dampf vor der Entladung aus dem Reservoir zu komprimieren. Dieses Verfahren und System benötigt direkt die Benutzung des Kompressors, welcher ein komplexes Ausrüstungsteil ist.
Daher besteht ein Bedürfnis, einen Unterdruck in dem Wärmetauscherreservoirsystem zu erzeugen, welcher eine einfachere eigene Ausrüstung benötigt als ein Kompressor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Tieftemperaturflüssigkeits-Wärmetauschersystem ein Unterdruckreservoir, eine Röhre und eine anfängliche Fluidausstoßvorrichtung. Das Unterdruckreservoir weist einen Vakuumauslass auf. Die Röhre erstreckt sich durch das Reservoir. Die anfängliche Fluidausstoßvorrichtung weist einen Ansaugkammereinlass auf, welcher funktional mit dem Vakuumauslass des Reservoirs verbunden ist.
Bei weiteren Aspekten der Erfindung sind Ansaugkammereinlässe einer Vielzahl von Fluidausstoßvorrichtungen funktionell mit dem Vakuumauslass des Reservoirs oder einer Vielzahl von Auslässen des Reservoirs verbunden. Die Vielzahl von Fluidausstoßvorrichtungen kann in Reihe oder parallel mit den Auslässen funktionell verbunden sein. Die anfängliche Fluidausstoßvorrichtung kann einen oder mehrere Fluidstromeinlassstutzen umfassen. Die anfängliche Fluidausstoßvorrichtung kann eine Dampfausstoßvorrichtung sein.
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erzeugen von Unterdrücken in einem Tieftemperaturfluid-Wärmetauscherreservoir den Schritt des Entladens eines anfänglichen Fluidstroms in eine anfänglich Fluidausstoßvorrichtung mit einer Ansaugkammer, welche funktionell mit einem Auslass des Reservoirs verbunden ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung weist eine Vielzahl von anfänglichen Fluidströmen auf, welche sich zu einer Vielzahl von anfänglichen Fluidausstoßvorrichtungen mit Ansaugkammern entladen, wobei die Ansaugkammern funktionell mit einer Vielzahl von Auslässen des Reservoirs verbunden sind. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vielzahl von Fluidströmen in einen oder mehrere in Reihe verbundene Fluidausstoßvorrichtungen entladen, wobei eine erste Fluidausstoßvorrichtung der in Reihe verbundenen Fluidausstoßvorrichtungen eine Ansaugkammer aufweist, welche funktionell mit einem Auslass der anfänglichen Fluidausstoßvorrichtung verbunden ist. Der Fluidstrom kann Dampf sein.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein abkühlendes Tieftemperaturfluid durch das Reservoir gelenkt werden. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das abkühlende Tieftemperaturfluid flüssigen Stickstoff, flüssigen Wasserstoff oder jede andere Tieftemperaturflüssigkeit mit geeigneten Eigenschaften.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein eingehender Tieftemperaturfluidstrom durch eine Röhre gelenkt, welche sich durch das Reservoir erstreckt. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das eingehende Tieftemperaturfluid flüssigen Sauerstoff oder flüssigen Wasserstoff.
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines Unterdrucks in einem Tieftemperaturfluid-Wärmetauscherreservoir den Schritt des Benutzens einer Fluidausstoßvorrichtung, um den Druck in dem Reservoir zu verringern. Weitere Aspekte dieses Aspektes der Erfindung wurden oben in Verbindung mit dem Verfahren zum Erzeugen von Unterdrücken in einem Tieftemperaturfluid-Wärmetauscherreservoir diskutiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt schematisch ein Tieftemperaturflüssigkeits-Wärmetauschersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bezugnehmend nun auf 1 benutzt ein Tieftemperaturflüssigkeits-Wärmetauschersystem 10 eine Fluidausstoßvorrichtung 12, um einen Unterdruck in dem Reservoirtank 14 des Systems zu erzeugen. Die Fluidausstoßvorrichtung 12 weist keine beweglichen Teile auf, daher ist das System 10 einfacher als die Tieftemperaturflüssigkeits-Wärmetauschersysteme gemäß dem Stand der Technik, welche ein eigenes mechanisches System benutzen, um den Unterdruck zu erzeugen. Die Fluidausstoßvorrichtung 12 benutzt einen unter Druck gesetzten Fluidstrom 36, welcher durch ein mechanisches System mit beweglichen Teilen wie einem Kompressor, einer Pumpe oder einem Boiler erzeugt werden kann.
Das Reservoir 14 ist ein Tank, welcher ein abkühlendes Tieftemperaturfluid 16 enthält. Das Tieftemperaturfluid 16 ist als auf der rechten Seite in das Reservoir 14 als Reservoireinlassstrom 18 hineingehend gezeigt. Das Tieftemperaturfluid 16 ist als das Reservoir 14 aus dem Boden als Reservoirauslassstrom 20 verlassend gezeigt.
Das Tieftemperaturflüssigkeits-Wärmetauschersystem 10 kühlt einen Tieftemperaturfluidstrom 22. Der Strom 22 fließt durch eine Röhre 24, welche sich durch das Reservoir 14 erstreckt. Die Röhre 24 ist in dem kühlenden Tieftemperaturfluid 16 in dem Reservoir 14 untergetaucht. Das kühlende Tieftemperaturfluid 16 ist kälter als der Strom 22. Der Strom 22 verlässt die Röhre 24 und das Reservoir 14 als ein kälterer Tieftemperaturflüssigkeitsstrom 26. Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen viele Anordnungen des Reservoirs 14 und der Röhre 24, wie Fachleuten bekannt ist.
Das Reservoir 14 wird durch die Benutzung der Fluidausstoßvorrichtung 12 bei Unterdruck gehalten. Die Fluidausstoßvorrichtung 12 umfasst eine Ansaugkammer 30, welche funktionell mit einer Vakuumöffnung 32 in dem Reservoir verbunden ist. Die Öffnung 32 ist an der Oberseite des Reservoirs 12 ange ordnet, so dass sie Zugriff zu einem Tankleerraum 34 in dem Reservoir hat.
Um die Fluidausstoßvorrichtung 12 zu benutzen, den Unterdruck zu erzeugen, wird der unter Druck stehende Fluidstrom 36 in einen Fluidstromeinlassstutzen 38 der Ausstoßvorrichtung 12 gelenkt. Wenn der Strom 36 durch die Fluidausstoßvorrichtung 12 fließt, wird Dampf 40 von dem Tankleerraum 34 nach oben, durch die Vakuumöffnung 32 und in die Ansaugkammer 30 der Ausstoßvorrichtung gezogen, was dazu führt, dass ein Unterdruck in dem Reservoir 14 erzeugt wird. Der Dampf 40 vermischt sich mit dem Hochdruckfluidstrom 36, um einen Ausstoßvorrichtungsentladungsstrom 42 zu bilden, welcher die Ausstoßvorrichtung durch ein Entladungsende 44 der Fluidausstoßvorrichtung 12 verlässt. Das Entladungsende 44 ist von dem Fluidstromeinlassstutzen 38 distal angeordnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können viele unterschiedliche Variationen bezüglich der Benutzung von Fluidausstoßvorrichtungen haben. Eine Fluidausstoßvorrichtung kann jeden geeigneten unter Druck gesetzten Fluidstrom zum Betrieb benutzen, wobei das Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann. Die Fluidausstoßvorrichtung 12 und der unter Druck stehende Fluidfluss 36 sind ausgelegt, lokales gefrieren in der Ausstoßvorrichtung zu verhindern. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Dampffluss der unter Druck gesetzte Fluidstrom. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Fluidausstoßvorrichtung mehrere Einlassstutzen aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Ansaugkammern mehrerer Fluidausstoßvorrichtungen funktionell mit einer oder mehreren Reservoiröffnungen verbunden sein. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann einen Vielzahl von Fluidausstoßvorrichtungen funktionell entweder in Serie oder parallel verbunden sein. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können andere Fluidausstoßvorrichtungsa nordnungen aufweisen, wie Fachleute sie entwerfen können, welche zu dem gewünschten und vorgegebenen Unterdruck in dem Reservoir 14 führen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Unterdruck in dem Reservoir weniger als 10 kPa (1,5 psia). Ausführungsbeispiele der Erfindung benutzen jede geeignete Kombination von Tieftemperaturfluiden als das kühlende Tieftemperaturfluid 16 und den Tieftemperaturfluidstrom 22. Beispiele der kühlenden Tieftemperaturfluide umfassen flüssigen Stickstoff oder flüssigen Wasserstoff. Beispiele von Tieftemperaturfluidströmen umfassen flüssigen Sauerstoff und flüssigen Wasserstoff. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kühlt das Tieftemperaturflüssigkeits-Wärmetauschersystem 10 den flüssigen Sauerstoff oder den flüssigen Wasserstoff des eingehenden Tieftemperaturstroms 22 auf weniger als 66,7 K bzw. 14,4 K (120°R bzw. 26°R) ab.
Obwohl momentan bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung oben stehend detailliert beschrieben wurden, sollte klar verstanden werden, dass viele Abwandlungen oder Modifikationen der hier gelehrten grundlegenden erfinderischen Konzepte, welche entsprechenden Fachleuten einfallen können, nach wie vor in den Bereich der vorliegenden Erfindung wie durch die angehängten Ansprüche definiert fallen.

Claims

Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem umfassend: ein Unterdruckreservoir (14) mit einem Vakuumauslass (32), einen Einlass für ein erstes Tieftemperaturfluid und einem Auslass für das erste Tieftemperaturfluid, eine Röhre (24) für ein zweites Tieftemperaturfluid, welche sich durch das Unterdruckreservoir erstreckt, einen Eingangsort, an welchem die Röhre in das Unterdruckreservoir hineingeht, einen Ausgangsort, an welchem die Röhre aus dem Unterdruckreservoir herauskommt, und eine an dem Vakuumauslass fluidmäßig angebrachte Fluidausstoßvorrichtung (12).
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 1, wobei das erste Tieftemperaturfluid eine Flüssigkeit umfasst.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Tieftemperaturfluid eine Flüssigkeit umfasst.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Fluidausstoßvorrichtung einen Fluidstromeinlassstutzen (38) zur Aufnahme eines dritten unter Druck stehenden Fluids hierdurch umfasst, wobei der Fluidstromeinlassstutzen in einer Ansaugkammer (30) angeordnet ist, welche fluidmäßig mit dem Vakuumauslass verbunden ist.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 4, wobei das dritte unter Druck stehende Fluid Dampf umfasst.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Ansaugkammer Tieftemperaturfluiddampf von dem Vakuumauslass empfängt.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 6, wobei sich das dritte unter Druck stehende Fluid und der Tieftemperaturfluiddampf in der Ansaugkammer miteinander vermischen, um eine Ausstoßvorrichtungsentladungsströmung (42) zu bilden, welcher die Ausstoßvorrichtung durch ein Entladungsende verlässt.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 7, wobei ein Fluid, welches aus dem Entladungsende der Ausstoßvorrichtung herauskommt, nicht direkt in den Einlass für das erste Tieftemperaturfluid fließt.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Reservoir mit dem ersten Tieftemperaturfluid gefüllt ist, wobei das erste Tieftemperaturfluid die Röhre umgibt.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Temperatur des zweiten Tieftemperaturfluids an dem Ausgangsort weniger als 66,7 K (120°R) ist.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das zweite Tieftemperaturfluid flüssigen Sauerstoff umfasst.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–11, wobei das zweite Tieftemperaturfluid flüssiger Wasserstoff ist.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Temperatur des zweiten Tieftemperaturfluids an dem Ausgangsort weniger als etwa 14,4 K (26°R) ist.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach Anspruch 1, wobei der Unterdruck des Reservoirs weniger als etwa 10 kPa (1,5 psia) ist.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–14, wobei das erste Tieftemperaturfluid flüssigen Stickstoff umfasst.
Tieftemperaturfluid-Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–15, wobei das erste Tieftemperaturfluid kälter ist als das zweite Tieftemperaturfluid an dem Ausgangsort.
Verfahren zum Abkühlen eines Tieftemperaturfluids unter Benutzung eines Unterdruckreservoirs mit einem Vakuumauslass, einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, einer sich durch das Unterdruckreservoir erstreckenden Röhre umfassend einen Eingangsort, an welchem die Röhre in das Unterdruckreservoir hineingeht, und einen Ausgangsort, an welchem die Röhre das Unterdruckreservoir verlässt, und einer Fluidausstoßvorrichtung, welche fluidmäßig an dem Vakuumauslass angebracht ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bewirken, dass ein erstes Tieftemperaturfluid durch den Fluideinlass in das Unterdruckreservoir hineingeht, so dass es das Reservoir füllt und durch den Fluidauslass aus ihm herauskommt, b) Bewirken, dass ein zweites Tieftemperaturfluid durch die Röhre fließt, so dass es durch das erste Tieftemperaturfluid gekühlt wird, und c) Bewirken, dass ein drittes unter Druck stehendes Fluid durch die Fluidausstoßvorrichtung fließt.
Verfahren nach Anspruch 17, welches das Wärmetauschersystem nach einem der Ansprüche 1–16 benutzt, wobei das erste Tieftemperaturfluid eine Flüssigkeit umfasst.