DE102007035616A1

DE102007035616A1 - Pumpe, insbesondere für kryogene Medien

Info

Publication number: DE102007035616A1
Application number: DE200710035616
Authority: DE
Inventors: Wilfried-Henning Reese
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Es wird eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, beschrieben. Erfindungsgemäß sind Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes vorgesehen. Hierbei sind die Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes und/oder die Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums zu wenigstens einem weiteren Bauteil der Verdrängungsmaschine vorzugsweise regelbar ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben.
Gattungsgemäße Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Werden derartige Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen zum Pumpen kryogener Medien, wie bspw. Flüssig-Wasserstoff (LH₂), verwendet, treten "Probleme" auf, die beim Pumpen nicht-kryogener Medien kein Thema sind.
Gegenwärtig wird insbesondere im Hinblick auf die sog. Hochdruck-Wasserstofferzeugung, die aufgrund der immer öfter angewendeten Flüssig-Wasserstoff-Speicherung und der Anwendung zur Befüllung von Fahrzeug-Hochdruckspeichern an Bedeutung gewinnt, den dafür verwendbaren Pumpenkonstruktionen verstärkte Aufmerksamkeit geschenkt.
Bekannte Pumpenkonstruktionen, die die Realisierung einer Hochdruck-Wasserstofferzeugung ermöglichen, erzeugen gegenwärtig neben dem (gewünschten) Hochdruckwasserstoffgas – hierunter sei gasförmiger Wasserstoff, der unter einem Druck von 250 bis 900 bar vorliegt, zu verstehen – erhebliche Mengen an Niederdruckwasserstoffgas – hierunter sei gasförmiger Wasserstoff, der unter einem Druck von 1,0 bis 8,0 bar vorliegt, zu verstehen. Der Mengenanteil dieses Niederdruckwasserstoffgas kann bis zu 30% betragen.
Zur Bildung dieses (unerwünschten) Niederdruckwasserstoffgases kommt es, da die bekannten Pumpenkonstruktionen den Zylinderraum des Verdrängungskolbens mit dem zugeführten, zu pumpenden Medium permanent kühlen, um eine Rückkondensation der Gasmenge zu erreichen, die als Restgas im Tot- bzw. Schadraum der Pumpe zurückbleibt und/oder aufgrund der Reibung des Kolbens entstanden ist. Zur Förderung dieses Niederdruckwasserstoffgases sind zusätzliche Kompressoren erforderlich, um das Niederdruckgas bei ca. 450 bar zu speichern und bei einer Befüllung dem Fahrzeugtank zuzuführen.
Der aktuelle Stand der gegenwärtigen Fülltechnik sieht vor, keine LH₂-Pumpe zu verwenden. Der im Speichertank an der Flüssigwasserstoff-Tankstelle gespeicherte Flüssigwasserstoff wird bei einem Speicherdruck von ca. 2,5 bis 5 bar entnommen, in Wärmetauschern auf Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend einem Vorkompressor zugeführt. Dieser erzeugt einen Zwischendruck von ca. 25 bar und führt das Gas einem Kolbenverdichter zu, der den Wasserstoff auf 250 bis 300 bar verdichtet. Der derart verdichtete Wasserstoff wird in einem Speicherbündel zwischengespeichert. Zur Betankung wird zunächst der Fahrzeugtank durch Überströmen aus den Speicherbänken bis ca. 450 bar gefüllt. Um eine Betankung bis 700 bar Speicherdruck realisieren zu können, wird mittels eines sog. Booster-Kompressors mit hoher Förderleistung der zwischengespeicherte Wasserstoff aus dem Speicherbündel entnommen, auf ca. 850 bar komprimiert und dem Fahrzeug zugeführt.
Das noch kalte Niederdruckwasserstoffgas kann in den LH₂-Speicherbehälter, aus dem der zu fördernde Wasserstoff entnommen wurde, zurückgeführt werden. Diese Verfahrensweise führt jedoch im Falle größerer Mengen an Kaltgas zu einer unerwünschten Druck- und Temperaturerhöhung der im Speicherbehälter befindlichen Flüssigkeit. Somit muss der Tankdruck nach Erreichen des maximal zulässigen Arbeitsdruckes entweder durch Abblasen von Gas oder durch Komprimieren des abzublasenden Gases und Zwischenspeichern des komprimierten Gases erniedrigt werden.
Von Vorteil wäre es, könnten die bekannten Verdrängungsmaschinen bzw. Pumpen, die der Förderung von LH₂ dienen, auch als Kaltgaskompressoren verwendet werden. Dadurch könnte das Kaltgas bereits bei niedriger Temperatur aus dem Speicherbehälter entnommen und bei einem höheren Druck – dieser liegt vorzugsweise zwischen 350 bis 450 bar – bei etwa Umgebungstemperatur (zwischen)gespeichert werden. Dieser (Zwischen)Speicher würde bei der Befüllung eines Fahrzeugtanks mit Wasserstoff als erstes entleert, um erneut einen (Zwischen)Speicherraum zu schaffen.
Bei der vorbeschriebenen Kaltgaskompression können aufgrund der erforderlichen Kompressions- und Ausschubbarbeit zur Förderung des Mediums und der entstehenden Kolbenreibung wesentlich höhere Dichtungstemperaturen auftreten als bei der Flüssigförderung. Diese höheren Dichtungstemperaturen haben im Regelfall eine Zerstörung der Dichtungen oder zumindest geringere Standzeiten der Dichtungen zur Folge.
Ein weiteres technisches Problem von LH₂-Verdrängungsmaschinen bzw. -Pumpen besteht darin, dass diese nach einer Stillstandperiode vor einem erneuten Start zunächst kaltgefahren werden müssen. Dies geschieht üblicherweise dadurch, dass Fördermedium, das aus dem Speicherbehälter entnommen und im Kreislauf als Kaltgas zu dem Speicherbehälter zurückgeführt wird, die LH₂-Verdrängungsmaschinen bzw. -Pumpe durchströmt. Jedoch wird auch bei dieser Verfahrensweise unerwünschte Wärme in den Speicherbehälter eingebracht. Da bei einer Verwendung der LH₂-Verdrängungsmaschinen bzw. -Pumpe als Füllpumpe in einer Wasserstoff-Tankstelle für Fahrzeuge mehrere längere Stillstandszeiten pro Tag erwartet werden (müssen), können durch die vorbeschriebene Kaltfahrprozedur erhebliche Wärmemengen in den Speicherbehälter eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, anzugeben, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Verdrängungsmaschine, insbesondere eine Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes vorgesehen sind.
Mittels der erfindungsgemäß vorzusehenden Kühlung der Wandung des Zylinderraumes und damit des Zylinderraumes selbst, ist eine Regelung der Temperatur der Zylinderwand sowie des Zylinderraumes möglich.
Unter dem Begriff "Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes" seien sowohl Konstruktionen zu verstehen, die ein direktes Umströmen der Wandung des Zylinderraumes mit einem Kühlmedium ermöglichen als auch Konstruktionen, bei denen über einen entsprechenden Wärmetauscher bzw. ein Wärmetauschersystem eine thermische Verbindung zwischen Kühlmedium und Zylinderraumwandung realisierbar ist. Auch beliebige Kombinationen der beiden vorgenannten Konstruktionen seien mitumfasst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass

– Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums zu wenigstens einem weiteren Bauteil der Verdrängungsmaschine, wie bspw. Kolbenstange, Kolbenstangenführung, etc., vorgesehen sind,
– die Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes und/oder die Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums zu wenigstens einem weiteren Bauteil der Verdrängungsmaschine regelbar ausgebildet sind,
– das Kühlmedium ein kryogenes Kühlmedium, bspw. Flüssig-Stickstoff oder Flüssig-Wasserstoff ist und
– das Kühlmedium das mittels der Verdrängungsmaschine zu fördernde Medium ist.

Insbesondere die vorgenannte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine, die eine Regelung der Kühlung des Zylinderraumes und/oder weiterer Bauteile der Verdrängungsmaschine ermöglicht, erlaubt es, eine Kühlung nur dann zu realisieren, wenn sie gewünscht oder erforderlich ist. So ist bspw. im Regelfall während der Flüssigförderung keine Kühlung notwendig, so dass das Zuführen eines Kühlmediums während dieses Zeitraumes unterbleiben kann.
Grundsätzlich ist eine Kühlung all derjenigen Bauteile wünschenswert, die eine (unerwünschte) Wärmelast in das zu fördernde Medium einbringen. Dazu zählen bspw. die Kolbenstange sowie die Kolbenstangenführung. Insbesondere vor einem Warmstart der Verdrängungsmaschine bzw. der Pumpe macht neben einer Vorkühlung des Kolbenraumes über die Zylinderwand eine Kühlung der vorgenannten Bauteile Sinn.
Als Kühlmedium eignen sich grundsätzlich alle ein- oder mehrkomponentigen Medien, die eine Realisierung der gewünschten Kühlung ermöglichen. Insbesondere kryogene Kühlmedium, bspw. Flüssig-Stickstoff oder Flüssig-Wasserstoff können hierbei zur Anwendung kommen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Kühlmedium das mittels der Verdrängungsmaschine bzw. der Pumpe zu fördernde Medium selbst ist, da sich bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verdrängungsmaschine das Bereitstellen eines separaten Kühlmediums erübrigt. Bei dieser Ausgestaltung bedarf es, zusätzlich zu den konstruktiven Maßnahmen an der Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe selbst, lediglich einer Zu- und Abführleitung, die die Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe mit dem Speicherbehälter, aus dem sowohl das zu fördernde Medium als auch das Kühlmedium entnommen werden, verbindet.
Die erfindungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe schafft mit einem überschaubaren konstruktiven und finanziellen Aufwand die Möglichkeit, gattungsgemäße Verdrängungsmaschine bzw. Pumpe für unterschiedlichste Anwendungsfälle zu nutzen und die mit der Kompression bestimmter Medien verbundenen Nachteile weitestgehend zu vermeiden. Die Erfindung erlaubt darüber hinaus eine schnellere Kaltfahrprozedur, so dass die Wiederinbetriebnahme einer Pumpe nach einer (längeren) Stillstandszeit innerhalb eines kürzeren Zeitraumes erfolgen kann.

Claims

Verdrängungsmaschine, insbesondere Pumpe, aufweisend einen innerhalb eines Zylinderraumes angeordneten Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes vorgesehen sind.
Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Verdrängungsmaschine wenigstens ein weiteres Bauteil, wie bspw. Kolbenstange, Kolbenstangenführung, etc., aufweist, das mit dem zu fördernden Medium in thermischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums zu wenigstens einem weiteren Bauteil der Verdrängungsmaschine vorgesehen sind.
Verdrängungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums in den Bereich der Wandung des Zylinderraumes und/oder die Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums zu wenigstens einem weiteren Bauteil der Verdrängungsmaschine regelbar ausgebildet sind.
Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein kryogenes Kühlmedium, bspw. Flüssig-Stickstoff oder Flüssig-Wasserstoff ist.
Verdrängungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium das mittels der Verdrängungsmaschine zu fördernde Medium ist.