DE102023203282A1

DE102023203282A1 - Verdampferanordnung, kraftstoffversorgungssystem und verfahren

Info

Publication number: DE102023203282A1
Application number: DE102023203282.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Sebastian Von Der Bank
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2023-04-11
Filing date: 2023-04-11
Publication date: 2024-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdampferanordnung (3) zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids, insbesondere von Wasserstoff, für eine mit dem Fluid zu versorgende Einheit, insbesondere zumindest eine Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks, umfassend
v) zumindest eine Förderanordnung (10) zur Förderung des flüssigen kryogenen Fluids aus zumindest einem Reservoir (4) in eine Leitung (5),
vi) einen Verdampfer (20), um das kryogene Fluid zu gasförmigem Fluid mit einem ersten Temperaturniveau zu verdampfen,
vii) eine Abscheidevorrichtung (30) zur Abscheidung von stromab des Verdampfers (20) in dem gasförmigen Fluid vorhandenen Flüssigkeitstropfen und
viii) eine Wärmetauschanordnung (40) zur Erwärmung des gasförmigen Fluids stromab der Abscheidevorrichtung (30) auf ein zweites Temperaturniveau.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdampferanordnung zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids, insbesondere von Wasserstoff, für eine mit dem Fluid zu versorgenden Einheit, insbesondere zumindest eine Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffversorgungssystem, wobei der Kraftstoff als kryogenes Fluid, insbesondere Wasserstoff, speicherbar oder gespeichert ist, und ein Verfahren.
Bei Verwendung von Wasserstoff als Energieträger wird dieses vorteilhaft als kryogenes Fluid in flüssigem Zustand in zumindest einer als Tank dienenden Speichereinrichtung gespeichert, weil die Dichte des flüssigen kryogenen Wasserstoffs deutlich höher ist als die Dichte gasförmigen Wasserstoffes, der unter hohem Druck (beispielsweise 700 bar) bei Umgebungstemperatur gespeichert ist.
Zur Verwendung in einer mit dem Wasserstoff zu versorgenden Einheit, insbesondere einer Brennkammer, ist eine geeignete Aufbereitung, insbesondere Verdampfung und Erwärmung auf ein von der zu versorgenden Einheit abhängiges Temperaturniveau, erforderlich, die komponentenschonend möglichst kontrolliert verlaufen sollte. Dabei ist die kontrollierte Verdampfung ein wesentlicher Schritt.
In der US 2019 / 0154201 A1 ist ein Verdampfer zur Verdampfung einer kryogenen Flüssigkeit, z. B. von Stickstoff, Sauerstoff oder flüssigem Erdgas, unter Nutzung einer Temperaturdifferenz gegenüber Umgebungstemperatur angegeben. Dabei ist ein vertikal ausgerichtetes Verdampferrohr einer Wärmetauschereinheit vorgeschaltet. Für einen kontrollierten Verdampfungsprozess unter Vermeidung von Druckstößen z. B. aufgrund von Tropfenverdampfung wird eine möglichst vollständige Verdampfung innerhalb des Verdampferrohres angestrebt. Zu diesem Zweck sind innerhalb des Verdampferrohres Platten und/oder Leitbleche für eine verbesserte Mischung vorhanden, um den Wärmeübergangskoeffizienten in die Flüssigphase durch Kollision mit der Verdampferrohr-Wand zu verbessern. Optional kann eingangsseitig des Verdampferrohres ein Drallgenerator angeordnet sein, um dem sogenannten Leidenfrost-Effekt entgegenzuwirken, der mit einer Filmbildung an der Rohrinnenwand durch verdampfendes Fluid in Verbindung mit einer Wirkungsgradverschlechterung der Verdampfung einhergeht.
Für die angestrebte möglichst vollständige Verdampfung innerhalb des Verdampferrohres ist ein sehr großer Bauraum des Verdampfers erforderlich.
Die US 2007 / 0227160 A1 zeigt einen Wärmetauscher zur Verdampfung und Erwärmung von flüssigem zu gasförmigem Wasserstoff in einem Luftfahrt-Antriebssystem innerhalb eines Wärmetauschers.
Weitere Anordnungen zur Verdampfung kryogener Flüssigkeiten sind in den Druckschriften DE 196 17 916 B4 , DE 696 31 936 T2 , DE 10 056 785 A1 und WO 2013 / 167 639 A1 angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdampferanordnung sowie ein Kraftstoffversorgungssystem und ein Verfahren für einen kontrollierten Verdampfungsprozess in kompakter Ausbildung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für die Verdampferanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für das Kraftstoffversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Bei der Verdampferanordnung ist vorgesehen, dass diese

i) zumindest eine Förderanordnung, insbesondere zumindest eine Förderpumpe, zur Förderung des flüssigen kryogenen Fluids aus zumindest einem Reservoir in eine Leitung,
ii) einen Verdampfer, um das kryogene Fluid zu gasförmigem (insbesondere kryogenem) Fluid mit einem ersten Temperaturniveau zu verdampfen,
iii) eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung von stromab des Verdampfers in dem gasförmigen Fluid vorhandenen (noch restlichen) Flüssigkeitstropfen und
iv) eine Wärmetauschanordnung zur Erwärmung des gasförmigen Fluids stromab der Abscheidevorrichtung auf ein zweites Temperaturniveau umfasst.

Die vier angegebenen Komponenten(-Gruppen) „Förderanordnung“, „Verdampfer“, „Abscheidevorrichtung“ und „Wärmetauschanordnung“ bilden funktionale Abschnitte, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Das Reservoir ist insbesondere als Speichervorrichtung bzw. Tank für das flüssige, kryogene Fluid ausgebildet.
Die Leitung verläuft von dem Reservoir an die mit dem Fluid zu versorgende Einheit, insbesondere der Brennkammer, und kann dabei zumindest abschnittsweise mehrere parallel angeordnete Leitungsabschnitte umfassen. Die funktionalen Abschnitte bilden Leitungsabschnitte der Leitung.
Das zweite Temperaturniveau ist insbesondere von der Anwendung abhängig und kann variieren. Das zweite Temperaturniveau kann anpassbar sein, beispielsweise um unterschiedliche Fluid-Massenströme auszugleichen und beispielsweise eine Mindestgeschwindigkeit an Brennstoffdüsen zumindest einer Brennkammer sicherzustellen, etwa um einem Flammenrückschlag vorzubeugen.
Durch die Zwischenschaltung einer separaten Abscheidevorrichtung stromab des Verdampfers kann der Verdampfer als vergleichsweise kompaktes Verdampfersystem ausgebildet sein, da eine vollständige Verdampfung aller Flüssigkeitstropfen innerhalb von z. B. Verdampferrohren des Verdampfers nicht erforderlich ist. Die Flüssigkeitstropfen werden insbesondere während des Verdampfungsvorgangs aufgrund der hohen Beschleunigung bei Übergang von der Flüssigphase in die Gasphase von der Gasströmung mitgerissen. Dieser, vergleichsweise geringe, flüssige Massenstromanteil an kryogenem Fluid, z. B. bis zu 10 % oder bis zu 5 %, vorzugsweise bis zu 2 % oder 3 %, kann zunächst in Tropfenform innerhalb des Gasstroms verbleiben und wird stromab des Verdampfers mittels der Abscheidevorrichtung abgeschieden und/oder endverdampft. Durch die Abscheidung wird einem unkontrollierten Nachverdampfen der Flüssigkeitstropfen z. B. unter Generierung von Druckstößen, wie sie beispielsweise in langen Rohrverdampfungseinrichtungen vorkommen, entgegengewirkt.
Mittels der Förderanordnung kann vorteilhafterweise ein weiter Betriebsbereich abgedeckt werden, wenn die Förderanordnung, umfassend zumindest eine Fördereinrichtung, dazu ausgelegt ist, zwischen 2 % und 110 % eines maximalen Fluidbedarfs der zu versorgenden Einheit zu fördern, wobei die Austrittstemperatur des Fluids aus der Förderanordnung unterhalb des Siedepunktes liegt. Zur effizienten Abdeckung des vergleichsweise großen Regelbereiches umfasst die Förderanordnung vorzugsweise mehrere Förderpumpen insbesondere in Ausbildung axialer und/oder radialer Turbopumpen, die z. B. parallel angeordnet sind. Vorzugsweise ist die Förderanordnung regelbar ausgebildet, wobei vorteilhafterweise auf ein weiteres Regelorgan, beispielsweise ein Regelventil bzw. Regelventilanordnungen, zur Massenstromeinstellung innerhalb der Leitung verzichtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante ist der Verdampfer (als Verdampfersystem) dazu ausgelegt, einen Massenstrom mit maximal bis zu 50 %, vorzugsweise maximal bis zu 30 % (oder bis zu 20 % oder bis zu 10 %), des maximalen Fluidbedarfs der zu versorgenden Einheit (nahezu vollständig, bis auf die mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen) zu verdampfen, um in Kombination mit der Abscheidevorrichtung einen Fluidbedarf in einem unteren Lastbereich der zu versorgenden Einheit mit vollständig verdampftem Fluid abzudecken. Dies ist insbesondere bei Einsatz in einem Flugzeug vorteilhaft, wobei insbesondere bei Betriebspunkten im unteren Lastbereich (mit ein Fluidbedarf von bis zu 50 % bzw. bis zu 30 % des maximalen Fluidbedarfs und vergleichsweise geringen Vordrücken), z. B. bei Start des Flugzeugtriebwerks, eine Verdampfung erforderlich ist. Bei derartigen Betriebspunkten liegen bei Verwendung von Wasserstoff aufgrund der vergleichsweise geringen Vordrücke (von z. B. bis zu 5 bar) in der Regel thermodynamisch unterkritische Bedingungen innerhalb des kryogenen Fluids vor, sodass zur Kraftstoffaufbereitung eine Verdampfung erforderlich ist. Bei höheren Vordrücken, einhergehend mit thermodynamisch überkritischen Bedingungen (ohne Existenz getrennter Gas- und Flüssigphase), ist keine Verdampfung erforderlich und die Erwärmung des kryogenen Fluids kann, insbesondere unter Verwendung von Abwärme unter Nutzung zu Kühlzwecken, innerhalb der Wärmetauschanordnung erfolgen. Vorzugsweise werden der Verdampfer und/oder die Abscheideanordnung in diesem Betriebsbereich mittels einer vorhandenen Bypassleitung umgangen. Durch die Auslegung auf den unteren Lastbereich kann der Verdampfer vorteilhaft kompakt ausgebildet sein.
Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn stromauf des Verdampfers, stromab der Förderanordnung, eine Bypassleitung abzweigt, die stromab der Abscheidevorrichtung in die Leitung mündet. So können die funktionalen Abschnitte zur Verdampfung (Verdampfer) und Flüssigkeitsabscheidung (Abscheidevorrichtung) strömungstechnisch umgangen werden, wenn diese nicht benötigt werden, beispielsweise bei Betriebspunkten mit thermodynamisch überkritischen Bedingungen innerhalb des kryogenen Fluids. Die Erwärmung des kryogenen Fluids kann dann, insbesondere unter Abwärmenutzung (d. h. zu Kühlzwecken), innerhalb der Wärmetauschanordnung erfolgen. Möglich ist auch eine Nutzung des nicht oder gering erwärmten kryogenen Fluides in der zu versorgenden Einheit, z. B. der Brennkammer, wobei z. B. gezielt die (geringen) Temperaturen ausgenutzt werden können, z. B. zur Beeinflussung des Verbrennungsverhaltens innerhalb der Brennkammer. Die Fluid-Temperatur beeinflusst dabei insbesondere die Flammentemperatur und/oder mit der Reaktionskinetik in Zusammenhang stehende Größen, wie Verbrennungsstabilität und (Stickoxid-)Emissionen. Zur Umschaltung der Strömung ist vorzugsweise eine geeignete Öffnungseinrichtung, insbesondere ein Ventilmittel, vorhanden. Mittels der Bypassleitung kann bei Betriebspunkten mit höheren Massenströmen der Druckverlust innerhalb der Leitung geringgehalten werden.
Vorzugsweise ist der Verdampfer derart ausgelegt ist, dass das erste Temperaturniveau der Siedetemperatur des kryogenen Fluids zuzüglich eines Temperaturdeltas, von z. B. bis zu 5 K oder bis zu 10 K oder bis zu 20 K, entspricht. Bei Wasserstoff als kryogenem Fluid kann das erste Temperaturniveau z. B. -240 °C oder - 230 °C entsprechen. Aufgrund des Temperaturdeltas wird z. B. auch bei geringen, systembedingten Druckschwankungen eine zumindest weitgehend vollständige Verdampfung des Wasserstoffes sichergestellt. Gleichzeitig wird die zuzuführende (elektrische) Energie mittels des Verdampfers auf möglichst geringe Mengen begrenzt, was zur kompakten Ausbildung des Verdampfers und einem möglichst geringen elektrischen Energiebedarf für die Verdampfung selbst beiträgt. Die restliche, verfügbare Kälte des weiterhin kryogenen Fluids kann z. B. innerhalb der Wärmetauschanordnung für das thermale Management der Gasturbine eingesetzt werden, wodurch sich der thermische Wirkungsgrad derselben deutlich verbessern lässt.
Für eine präzise und schnelle Regelbarkeit ist der Verdampfer vorzugsweise zur Verdampfung des kryogenen Fluids unter Erwärmung mittels aus elektrischer Energie erzeugter Wärme ausgebildet. So kann, z. B. anders als bei Verwendung von Umgebungswärme, ein definierter Wärmestrom zur Verdampfung eingekoppelt werden. Der Verdampfer kann gegenüber der Umgebung z. B. mittels Vakuum und/oder Helium isoliert sein, um äußere Vereisungen unter allen Bedingungen sicher zu vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann bei Verwendung der elektrischen Energie, insbesondere mittels einer elektrischen Heizanordnung, vorteilhaft sichergestellt werden, dass vor Start der zu versorgenden Einheit und z. B. bei Verwendung von Wasserstoff als kryogenem bzw. gasförmigem Fluid, ein Vereisen bzw. Umfrieren der Leitungsabschnitte z. B. durch Umgebungsluft, wie es insbesondere im unteren Temperaturbereich möglich ist, vermieden wird. So kann auf eine zusätzliche Isolation in den beheizten Bereichen verzichtet werden. Bezüglich der Vereisungsvermeidung sei darauf hingewiesen, dass es dabei nicht auf die Luftfeuchtigkeit ankommt, sondern aufgrund der sehr niedrigen Temperatur Sauerstoff und/oder Stickstoff selbst an wasserstoffkalten Oberflächen gefrieren würden. Vorzugsweise wird mittels der Wärmeeinkopplung (und/oder Isolierung) an den mit Luft in Kontakt tretenden Oberflächen eine Temperatur oberhalb der Gefrierpunkte von Sauerstoff (-218°C) und/oder Stickstoff (-210°C) erreicht.
In einer einfachen Ausbildungsvariante umfasst eine Heizanordnung des Verdampfers mehrere, z. B. zumindest drei, in Reihe geschaltete, elektrische Heizvorrichtungen, die jeweils einem Leitungsabschnitt zu dessen elektrischer Beheizung zugeordnet sind. Die Heizvorrichtungen sind vorzugsweise die Leitungsabschnitte umgebend angeordnet. In einer einfachen, kostengünstigen Variante sind die einzelnen Heizvorrichtungen nicht regelbar ausgebildet und können bedarfsweise, z. B. in Abhängigkeit des Massenstroms, zugeschaltet werden. Zu Skalierung der Massenströme können innerhalb des Verdampfers mindestens zwei oder mehrere elektrische Verdampfereinheiten, umfassend vorzugsweise mehrere Heizvorrichtungen, parallel geschaltet werden.
In einer bevorzugten Ausbildungsvariante beträgt ein Neigungswinkel zumindest eines, vorzugsweise jedes, der elektrisch beheizten Leitungsabschnitte zwischen 25° und 85°, insbesondere zwischen 35° und 60°, gegenüber der (bzgl. Schwerkraftrichtung und/oder G-Kraftrichtung) horizontalen Richtung.
Dabei kann der Verdampfer mit den Leitungsabschnitten und/oder die Abscheidevorrichtung, insbesondere mittels einer kardanischen Aufhängung, derart gelagert sein, dass die Lage (mit dem Neigungswinkel in dem angegebenen Bereich und/oder entsprechender Position eines Sammlers der Abscheidevorrichtung wie in Ruheposition) bei Lageänderung des Verdampfers und/oder der Abscheidevorrichtung, wie sie beispielsweise in einem Flugzeug stattfinden kann, gegenüber einem aus der Schwerkraft und/oder G-Kraft resultierenden Kräftevektor beibehalten wird. Dabei werden Effekte aus Beschleunigungen ausgeglichen, ähnlich wie bei einer kardanischen Aufhängung, wobei die Verdampferanordnung ihre vorteilhafte Funktionalität beibehalten kann. Zusätzlich oder alternativ kann ein Beschleunigungssensor und/oder eine Steuereinrichtung vorhanden sein, welche die Lage des Verdampfers und/oder der Abscheidevorrichtung entsprechend anpasst. Zu- und Abführungen der Leitung zu/von den entsprechend gelagerten Komponenten sind vorzugsweise mit beweglichen Elementen ausgebildet.
In einem Flugzeug mit einem entsprechenden Kraftstoffversorgungssystem sind der Verdampfer und/oder die Abscheidevorrichtung in dem Flugzeugrumpf, vorzugsweise in einem Bereich des Schnittpunktes oder des Punktes mit dem geringsten Abstand der Achsen des Flugzeugs (Hoch-, Quer- und Längsachse) angeordnet, da dort die geringsten Beschleunigungskräfte bzw. G-Kräfte wirken.
Durch die entsprechende Neigung der Leitungsabschnitte wird im Betrieb durch die Schwerkraft und/oder G-Kraft bzw. den resultierenden Beschleunigungsvektor eine Separation bereits verdampften, gasförmigen Fluids von flüssigem Fluid erreicht, wobei das gasförmige Fluid kontrolliert innerhalb des (bezüglich Schwerkraft-/G-Kraftrichtung) oberen Bereiches der Leitungsabschnitte nach oben strömen kann und das flüssige Fluid innerhalb des unteren Bereichs der Leitungsabschnitte nach unten strömen kann. Auf diese Weise kann effektiv einer Siedekrise und/oder dem Leidenfrost-Effekt vorgebeugt werden, bei dem sich zwischen der Leitungswand und der Flüssigkeit ein Gaspolster bilden kann, das die direkte Wärmeübertragung zwischen Wand und Flüssigkeit unterbindet.
In einer besonders kompakten Ausbildungsvariante ist die Abscheidevorrichtung als Zyklon-Tropfenabscheider (Tröpfchen- und/oder Aerosol-Zyklonabscheider) ausgebildet.
Vorzugsweise ist auf einer in Schwerkraftrichtung bzw. Beschleunigungsvektor weisenden Unterseite des Zyklon-Tropfenabscheiders ein, insbesondere trichterförmiger, Sammler angeordnet, von dessen Unterseite (Boden) ausgehend eine Rückleitung angeordnet ist, die stromauf des Verdampfers, insbesondere stromauf der Förderanordnung, in das Reservoir und/oder (z. B. unter Zwischenschaltung einer weiteren Förderanordnung) in die Leitung, mündet. Der Zyklon-Tropfenabscheider und/oder der Sammler kann/können ebenfalls eine Vorrichtung zur Nachstellung der Neigung derart aufweisen, dass die Unterseite des Sammlers den bzgl. Schwerkraftrichtung bzw. Beschleunigungsvektor tiefsten Bereich des Sammlers bildet. Ein in dem Auslauf des Sammlers bzw. Trichters der Abscheideeinrichtung erzeugter leichter Unterdruck, gegenüber dem Eintritt, kann den Abfluss des in dem Sammler bzw. Trichter gesammelten flüssigen Fluids unterstützen. Stromab des Sammlers kann eine Öffnungseinrichtung, insbesondere ein Ventil, vorhanden sein, die bei einem bestimmten Kriterium, beispielsweise bei einem bestimmten Füllstand, der z. B. mittels eines optional vorhandenen Füllstandsensors ermittelt wird, die Rückleitung öffnet. Auf diese Weise wird eine kontrollierte Rückführung des kryogenen Fluids zur erneuten Förderung in die Leitung gewährleistet.
Der Zyklon-Tropfenabscheider hat vorzugsweise eine kryogene Betriebstemperatur, weshalb der Zyklon-Tropfenabscheider selbst gut isoliert ist, um Vereisungserscheinungen, durch gefrierende Luftfeuchtigkeit und/oder gefrierenden Sauerstoff und/oder Stickstoff zu verhindern. Als Isoliermittel kann Vakuum oder bei gewünschtem leichtem Überdruck gasförmiges Helium eingesetzt werden.
Zum Erhalt einer flüssigkeitsfreien Gasströmung kann zudem vorgesehen sein, dass, insbesondere unmittelbar, stromauf des Austritts der Abscheidevorrichtung (direkt angrenzend an selbigen) zumindest eine statische Abscheidevorrichtung, z. B. mit (in Strömungsrichtung) längsausgerichteten Stäben, in der Leitung angeordnet ist.
Für eine effiziente, bedarfsangepasste weitere Erwärmung des Gases weist die Wärmetauschanordnung zumindest einen Leitungsabschnitt mit zumindest einer Wärmequelle auf, die insbesondere dazu ausgelegt ist, das gasförmige Fluid auf das zweite Temperaturniveau zu erwärmen, wobei die Wärmequelle für eine präzise und schnelle Regelbarkeit auch bei Start der zu versorgenden Einheit eine elektrisch beheizbare Heizanordnung umfasst. Mittels der elektrisch beheizbaren Heizanordnung kann zudem sichergestellt werden, dass vor Start der zu versorgenden Einheit und z. B. bei Verwendung von Wasserstoff als kryogenem bzw. gasförmigem Fluid, ein Umfrieren der Leitungsabschnitte z. B. durch Umgebungsluft, wie es insbesondere im unteren Temperaturbereich möglich ist, vermieden wird.
Dabei weist vorzugsweise die Wärmetauschanordnung zumindest einen weiteren Leitungsabschnitt mit zumindest einer weiteren Wärmequelle auf, wobei Abwärme, insbesondere der zu versorgenden Einheit oder in deren Peripherie angeordneter Komponenten und/oder von dieser generierter oder diese durchströmender Fluidströme (beispielsweise Kompressorwärme, Turbinenkühlung, gekühlte Kühlluft oder Minderung der Wärmebildsignatur oder Abgaskondensation), nutzbar oder genutzt ist. Die Abwärme soll beispielsweise bei Kühlung heißer Bereiche der mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit, insbesondere des Flugzeugtriebwerks nach dessen Start, dem gasförmigen Fluid zugeführt werden, wobei das gasförmige, kryogene Fluid als Kühlmedium dient. Die heißen Bereiche können beispielsweise bei Generierung gekühlter Kühlluft, direkter oder indirekter Kühlung von Verdichter-Komponenten und/oder direkter oder indirekter Kühlung von Hochdruck-Turbinenstufen, beispielsweise der Leitschaufeln, entstehen. Möglich ist auch, das Abgas unter den Taupunkt zu kühlen, um Dampf an den Oberflächen der Wärmetauschanordnung zu kondensieren. Das auskondensierte Wasser kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden, beispielsweise in die Brennkammer eingebracht werden, um die Verbrennungstemperatur zu reduzieren.
Die Leitungsabschnitte können parallel zueinander angeordnet sein, wobei je nach zu verwendender Wärmequelle der/die entsprechende/n Leitungsabschnitte mittels einer Öffnungseinrichtung geöffnet wird. Möglich ist auch eine Anordnung in Reihe, wobei jeweils alle Wärmequellen durchströmt und/oder nicht benötigte Wärmequellen mittels einer Bypassleitung umgangen werden.
Bei dem Kraftstoffversorgungssystem zur Kraftstoffversorgung einer mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit, insbesondere zumindest einer Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks, ist der Kraftstoff als kryogenes Fluid speicherbar oder gespeichert. Das Kraftstoffversorgungssystem umfasst zumindest ein Reservoir (umgangssprachlich auch Tank genannt) und eine Verdampferanordnung nach einer der vorstehend angegebenen Ausbildungsvarianten.
Bei dem Verfahren zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids, insbesondere von Wasserstoff, für eine mit dem Fluid zu versorgenden Einheit, insbesondere zumindest einer Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks, wird das flüssige kryogene Fluid

i) mittels zumindest einer Förderanordnung aus zumindest einem Reservoir in eine Leitung gefördert,
ii) anschließend einem Verdampfer zugeführt, mittels dessen das kryogene Fluid zu gasförmigem Fluid mit einem ersten Temperaturniveau verdampft wird,
iii) anschließend einer Abscheidevorrichtung zugeführt, mittels welcher stromab des Verdampfers in dem gasförmigen Fluid vorhandene Flüssigkeitstropfen abgeschieden werden, und
iv) anschließend einer Wärmetauschanordnung zugeführt, mittels welcher das gasförmige Fluid stromab der Abscheidevorrichtung auf ein zweites Temperaturniveau erwärmt wird.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind vorstehend sinngemäß in Zusammenhang mit der Verdampferanordnung angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 ein beispielhaftes Fließschema mit Teilen eines Kraftstoffversorgungssystems mit funktionalen Abschnitten einer Verdampferanordnung zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids.

1 zeigt ein Fließschema von Teilen eines Kraftstoffversorgungssystems 1 umfassend eine Verdampferanordnung 3 zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids, insbesondere von Wasserstoff. Die Verdampferanordnung 3 eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Flugzeug, bei dem Wasserstoff als Kraftstoff zumindest eines Triebwerks, mit zumindest einer Brennkammer 2 als mit Kraftstoff zu versorgender Einheit, verwendet wird.
Bei der Verdampfung kryogener Fluide kann es aufgrund ungleichmäßiger Verdampfung (z. B. unter Nachverdampfung von Flüssigkeitstropfen) z. B. zu Stoßwellenbildung kommen, welche eine mechanische Belastung der Komponenten des Kraftstoffversorgungssystems 1 bedingt. Bei Flugzeugen ergibt sich diese Problematik potentiell bei Betriebspunkten, bei welchen die Wasserstoffaufbereitung bei thermodynamisch unterkritischen Bedingungen stattfindet, wie sie etwa bei vergleichsweise geringen Versorgungsdrücken (Vordrücken) vorliegen, z. B. bei dem Start des Triebwerks.
Um eine möglichst gleichmäßige Verdampfung und Erwärmung des Wasserstoffes zu erreichen, umfasst die erfindungsgemäße Verdampferanordnung 3 mehrere, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete funktionale Abschnitte. Zur Skalierung des Massenstroms können davon mehrere Einheiten parallel geschaltet werden.
In einem ersten funktionalen Abschnitt weist die Verdampferanordnung 3 zumindest eine Förderanordnung 10 zur Förderung des in flüssigem Zustand vorliegenden Wasserstoffes aus einem Reservoir 4 in eine Leitung 5 auf. Die Förderanordnung 10 ist in den flüssigen Wasserstoff innerhalb des Reservoirs 4 eingetaucht. Die Förderanordnung 10 umfasst insbesondere zumindest eine (in ihrer Drehzahl) regelbare Förderpumpe, welche den Druck zur Förderung des Wasserstoffes auf einen, je nach Betriebspunkt der mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit erforderlichen, Vordruck anhebt. Zur effizienten Abdeckung eines großen Regelbereiches sind vorzugsweise mehrere Förderpumpen, insbesondere in Ausbildung als axiale und/oder radiale Turbopumpen, vorhanden, die z. B. parallel angeordnet sind. Bei einem Flugzeugtriebwerk ist für Startbedingungen des Triebwerks beispielsweise ein Vordruck von 5 bar und/oder bei Volllast beispielsweise ein Vordruck von 50 bar einstellbar.
Die zumindest eine Förderanordnung 10 ist vorzugsweise dazu ausgelegt, zwischen 2 % und 110 % des maximalen Fluidbedarfs der zu versorgenden Einheit zu fördern. Die Austrittstemperatur des Wasserstoffes aus der Förderanordnung 10 liegt dabei unterhalb des Siedepunktes.
In einem stromab der Förderanordnung 10 angeordneten, zweiten funktionalen Abschnitt weist die Verdampferanordnung 3 einen Verdampfer 20 auf. Der Verdampfer 20 ist dazu ausgelegt, den zunächst flüssig vorliegenden Wasserstoff zu Gas mit einem ersten Temperaturniveau zu verdampfen. Das erste Temperaturniveau entspricht der Siedetemperatur zuzüglich eines Temperaturdeltas von z. B. bis zu 5 K, 10 K oder bis zu 20 K, um z. B. auch bei geringen Druckschwankungen eine zumindest weitgehend vollständige Verdampfung des Wasserstoffes sicherzustellen. Gleichzeitig wird die zuzuführende (elektrische) Energie innerhalb des Verdampfers 20 auf möglichst geringe Mengen begrenzt, was zur kompakten Ausbildung des Verdampfers 20 und einem möglichst geringen elektrischen Energiebedarf beiträgt. Die weitere Erwärmung des Gases erfolgt, wie weiter unten beschrieben, mittels einer gesonderten Wärmetauschanordnung 40, welche vorzugsweise (auch) mit anderen Wärmequellen betrieben werden kann. Bei Wasserstoff als kryogenem Fluid kann das erste Temperaturniveau (je nach Vordruck) z. B. einer Temperatur von - 240 °C oder - 230 °C entsprechen.
Bei Verwendung mit einem Flugzeugtriebwerk ist der Verdampfer 20 vorzugsweise dazu ausgelegt, einen Massenstrom mit bis zu 30 %, vorzugsweise bis zu 20 % des maximalen Wasserstoffbedarfs des Flugzeugtriebwerks nahezu vollständig zu verdampfen. Auf diese Weise kann der Verdampfer 20 vergleichsweise kompakt ausgelegt sein und dennoch den Wasserstoffbedarf bei den erforderlichen Betriebspunkten mit unterkritischen Bedingungen abdecken, wie z. B. Start des Triebwerks, wobei in der Regel ein derart geringer Wasserstoff-Massenstrom ausreicht.
Der Verdampfer 20 ist zur Verdampfung des Wasserstoffes mittels Wärmeerzeugung unter Verwendung elektrischer Energie ausgebildet, wodurch eine präzise und schnelle Regelbarkeit, beispielsweise verglichen zur Verwendung von Verbrennung als Wärmequelle, erreicht werden kann. Wie 1 in einer vergleichsweise einfach zu regelnden Ausbildungsvariante beispielhaft zeigt, sind vorzugsweise mehrere, in 1 beispielhaft drei, in Reihe angeordnete und gesondert zuschaltbare Heizvorrichtungen 221, 222, 223 vorhanden, die jeweils hintereinander angeordnete Leitungsabschnitte 211, 212, 213 beheizen. Die Heizvorrichtungen 221, 222, 223 sind für eine einfache Ausbildung vorzugsweise nicht regelbar und/oder mit gestuften Stromstärken betreibbar ausgebildet. Die Heizvorrichtungen 221, 222, 223 sind beispielsweise jeweils die Leitungsabschnitte 211, 212, 213 umgebend angeordnet. In Abhängigkeit des Wasserstoff-Massenstroms können entsprechend mehr oder weniger Heizvorrichtungen 221, 222, 223 zugeschaltet werden. In 1 ist zwischen den einzelnen Leitungsabschnitten 211, 212, 213 beispielhaft jeweils eine Krümmung angeordnet. Die Leitungsabschnitte 211, 212, 213 können auch ohne Krümmung hintereinander angeordnet sein.
Die Leitungsabschnitte 211, 212, 213 sind vorzugsweise jeweils in Neigungswinkeln α bezüglich einer Schwerkraftrichtung G angeordnet, wobei α zwischen 25° und 85°, insbesondere zwischen 35° und 60°, z. B. etwa 45°, gegenüber der horizontalen Richtung beträgt. Dabei kann der Verdampfer 20 derart gelagert sein, dass bei Lageänderung des Verdampfers 20, wie sie beispielsweise in einem Flugzeug stattfinden kann, der Winkel α in dem angegebenen Bereich beibehalten wird. Durch die entsprechende Neigung der Leitungsabschnitte 211, 212, 213 wird im Betrieb eine Separation bereits verdampften, gasförmigen Wasserstoffes von flüssigem Wasserstoff erreicht, wobei der gasförmige Wasserstoff kontrolliert innerhalb des oberen Bereiches der Leitungsabschnitte 211, 212, 213 nach oben strömt und der flüssige Wasserstoff innerhalb des unteren Bereichs der Leitungsabschnitte 211, 212, 213 nach unten strömt.
Möglich ist auch, dass bei dem Verdampfer 20 bei Vorhandensein zusätzlicher Wärme eine zusätzliche oder alternative Wärmequelle, insbesondere unter Nutzung von Abwärme, zur Verdampfung genutzt wird.
Als dritter funktionaler Abschnitt ist stromab des Verdampfers 20 eine Abscheidevorrichtung 30 zur Abscheidung von stromab des Verdampfers 20 in dem Gas vorhandener Flüssigkeitstropfen angeordnet. Die Abscheidevorrichtung 30 ist, für eine kompakte Ausbildung, insbesondere als Zyklon-Tropfenabscheider 31 ausgebildet. Der Zyklon-Tropfenabscheider 31 weist eine zylindrische Drallkammer 35 auf, in welche das Gas im Betrieb unter Drallerzeugung insbesondere tangential eingebracht wird.
In Schwerkraftrichtung G, bzw. in Richtung des Beschleunigungsvektors, an der nach unten weisenden Seite der Abscheidevorrichtung 30 ist ein z. B. trichterförmiger Sammler 32 zur Sammlung von abgeschiedenen Flüssigkeitstropfen angeordnet.
Ausgehend von dem in Schwerkraftrichtung G, bzw. des Beschleunigungsvektors, nach unten weisenden Boden des Sammlers 32 ist eine Rückleitung 34 angeordnet. Die Rückleitung 34 verläuft zwischen dem Sammler 32 und der Förderanordnung 10 und mündet beispielsweise in dem Reservoir 4 in einem Vorlauf der Förderanordnung 10. Ein in dem Vorlauf der Förderanordnung 10 erzeugter Unterdruck unterstützt die Förderung des in dem Sammler 32 gesammelten Wasserstoffes. Stromab des Sammlers 32 kann eine Öffnungseinrichtung 33, insbesondere ein Ventil, vorhanden sein, die bei einem bestimmten Kriterium, beispielsweise bei einem bestimmten Füllstand, der z. B. mittels eines optional vorhandenen Füllstandsensors ermittelt wird, die Rückleitung 34 öffnet.
Ein Austritt der Abscheidevorrichtung 30 ist an der dem Sammler 32 gegenüberliegenden Oberseite der Abscheidevorrichtung 30 umfassend einen Deckel angeordnet. Zur Abscheidung eventuell durch den Drallbereich getretener Tropfen ist vorzugsweise stromauf des Austritts zumindest eine statische Abscheidevorrichtung 36 vorhanden. Die statische Abscheidevorrichtung 36 kann beispielsweise in Strömungsrichtung, d. h. längs ausgerichtete, Stäbe, Rohre und/oder Stangen umfassen, an welchen sich die Flüssigkeitstropfen absetzen können.
Im Betrieb bewegt sich das tangential eingebrachte, die Flüssigkeitstropfen aufweisende Gas in einer wirbelnd-rotierenden Bewegung in dem oberen Teil der Drallkammer 35 nach unten, bis die untere Kante eines im oberen Bereich der Drallkammer 35 angeordneten, inneren Trennrohrs erreicht ist. Dort bewegt sich die Strömung langsam weiterrotierend durch das Trennrohr nach oben in Richtung Deckel des Zyklon-Tropfenabscheiders 31. Dabei passiert die Strömung die von dem Deckel in das innere Trennrohr hinabhängende statische Abscheidevorrichtung 36 umfassend Stäbe, Rohre und/oder Stangen. An dem Deckel befindet sich der Austritt seitlich.
Als vierten funktionalen Abschnitt umfasst die Verdampferanordnung 3 eine stromab der Abscheidevorrichtung 30 angeordnete, hier andeutungsweise dargestellte Wärmetauschanordnung 40 zur Erwärmung des gasförmigen Wasserstoffes stromab der Abscheidevorrichtung 30 auf ein zweites Temperaturniveau.
Das zweite Temperaturniveau ist anwendungsabhängig und entspricht einer Solltemperatur oder einem Solltemperaturbereich, mit welchem der Wasserstoff der zu versorgenden Einheit, beispielsweise der Brennkammer 2 des Flugzeugtriebwerks, zugeführt werden soll. Das zweite Temperaturniveau kann variieren und kann anpassbar sein, beispielsweise um das Volumen unterschiedlicher Wasserstoff-Massenströme auszugleichen und so beispielsweise eine Mindestgeschwindigkeit an Brennstoffdüsen der zumindest einen Brennkammer 2 sicherzustellen, etwa um einem Flammenrückschlag vorzubeugen.
Die Wärmetauschanordnung 40 weist in 1 beispielhaft zwei Leitungsabschnitte 411, 412 mit jeweils zumindest einer Wärmequelle 421, 422 auf. Die Leitungsabschnitte 411, 412 sind in ihrem Strömungsquerschnitt unter Berücksichtigung der Dichte und des Massenstromes des verdampften Wasserstoffes ausgelegt. Als erste Wärmequelle 421 ist vorzugsweise eine elektrisch beheizbare Heizanordnung zur Zugabe mittels elektrischer Energie erzeugter Wärme Q_el vorhanden, um das zweite Temperaturniveau ohne Vorhandensein einer anderen Wärmequelle, beispielsweise Abwärme, zu erreichen. Die elektrisch beheizbare Heizanordnung wird insbesondere zum Start der mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit, beispielsweise des Flugzeugtriebwerks, betrieben. Die Heizanordnung sowie die Leitungs-Oberflächen und/oder Strömungsquerschnitte sind entsprechend ausgelegt.
Vorzugsweise ist zusätzlich die zumindest eine weitere Wärmequelle 422 vorhanden, die in 1 symbolisch, nicht detailliert, dargestellt ist. Die weitere Wärmequelle 422 nutzt insbesondere Abwärme Q und ist z. B. als zumindest eine Kühlanordnung zur Kühlung heißer Bereiche der mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit, insbesondere des Flugzeugtriebwerks, nach dessen Start ausgebildet, wobei das gasförmige Fluid als Kühlmedium dient. Die heißen Bereiche können beispielsweise bei der Generierung gekühlter Kühlluft, direkter oder indirekter Kühlung von Verdichter-Komponenten und/oder direkter oder indirekter Kühlung von Hochdruck-Turbinenstufen, beispielsweise der Leitschaufeln, gebildet sein. Möglich ist auch, die Abgastemperatur unter den Taupunkt zu kühlen, um Dampf an den Oberflächen der Wärmetauschanordnung 40 zu flüssigem Wasser zu kondensieren.
In 1 sind die Leitungsabschnitte 411, 412 beispielhaft in Reihe angeordnet. Möglich ist auch eine parallele Anordnung, wobei insbesondere je nach eingesetzter Wärmequelle 421, 422 zwischen den Leitungsquerschnitten 411, 412 z. B. mittels geeigneter Ventilmittel umgeschaltet werden kann.
Wie 1 zeigt, ist vorzugsweise eine Bypassleitung 50 vorhanden, die stromab der Förderanordnung 10 und stromauf des Verdampfers 20 aus der Leitung 5 abzweigt und stromauf des Leitungsabschnitts 411, d. h. stromauf der Wärmetauschanordnung 40 und stromab der Abscheidevorrichtung 30 in die Leitung 5 mündet. Mittels der Bypassleitung 50 kann der Verdampfer 20 und die Abscheidevorrichtung 30 umgangen werden, wenn diese nicht benötigt werden, beispielsweise bei Betriebspunkten, bei welchem der Wasserstoff bei thermodynamisch überkritischen Bedingungen vorliegt.
Im Betrieb liegt der flüssige Wasserstoff in dem Reservoir 4 mit Anfangsbedingungen vor, beispielsweise mit einer Anfangstemperatur von rund 19 K und einem Anfangsdruck von rund 3 bar, wobei die Dichte rund 71 kg/m³ beträgt. In einem niedrigen Lastbereich, beispielsweise bei Start des Flugzeugtriebwerks, liegt der Wasserstoff an einem angestrebten Endpunkt bei Austritt aus der Verdampferanordnung 3 beispielsweise mit einer Temperatur von 280 K, einem Druck von 5 bar und einer Dichte von rund 0,45 kg/m³ vor, wobei die Enthalpiedifferenz bezüglich der Anfangsbedingungen rund 3900 kJ/kg beträgt. Der Wasserstoff liegt bei unterkritischen Bedingungen vor, sodass eine Verdampfung erforderlich ist. Etwa 10 % der gesamten zugeführten Wärmemenge werden für die Verdampfung des Wasserstoffes benötig.
Bei anderen beispielshaften Betriebsbedingungen, wie sie z. B. bei Volllast vorliegen, beträgt der Druck z. B. 50 bar (Dichte rund 4,1 kg/m³), wobei die Enthalpiedifferenz bzgl. des Anfangspunktes rund 3850 kJ/kg beträgt. Der Dichteunterschied bzgl. des Anfangspunktes beträgt rund einen Faktor 17. Der Wasserstoff liegt dabei bei überkritischen Bedingungen vor, sodass eine Verdampfung nicht erforderlich ist.
Bei der bei unterkritischen Bedingungen erforderlichen Verdampfung und Erwärmung wird ein erforderlicher Wasserstoff-Massenstrom mittels der Förderanordnung 10 aus dem Reservoir 4 mit einem erforderlichen Vordruck von beispielsweise 5 bar gefördert. Anschließend wird der Wasserstoff-Massenstrom in den Verdampfer 20 geleitet, wo er mittels zumindest einer der elektrischen Heizvorrichtungen 221, 222, 223 verdampft wird. In der Flüssigphase liegt vorzugsweise eine derart geringe Geschwindigkeit des Massenstroms (von z. B. unter 2 m/s) vor, dass nach Übergang in die Gasphase die Schallgeschwindigkeit des Wasserstoffes nicht überschritten wird. Beim Übergang von der Flüssigphase in die Gasphase wird der Wasserstoff-Volumenstrom stark beschleunigt, beispielsweise um einen Faktor von mehr als 100, z. B. um einen Faktor von rund 160. Aufgrund dessen werden zahlreiche Flüssigkeitstropfen von dem Gasstrom mitgerissen. Bei höheren Drücken fällt die Volumenexpansion geringer aus.
Zur Reduktion des Druckverlustes ist vorzugsweise der Strömungsquerschnitt innerhalb der Leitung 5 stromab des Verdampfers 20, z. B. zumindest innerhalb der Abscheidevorrichtung 30, größer ausgebildet als stromauf des Verdampfers 20.
Der Gasstrom strömt in die Abscheidevorrichtung 30 ein, wobei unter Nutzung von Zentripedalkräften abgeschiedene Flüssigkeitstropfen mit den Wänden des Zyklon-Tropfenabscheiders 31 in Kontakt kommen und dort verdampfen. Verbleibende Flüssigkeitstropfen bilden kleinere oder größere Konglomerate, welche sich unter Einwirkung der Schwerkraft in Richtung des Sammlers 32 bewegen. Bei beispielsweise Erreichen eines bestimmten Füllstandes öffnet sich die Öffnungseinrichtung 33. Aufgrund des mittels der Förderanordnung 10 erzeugten Unterdrucks und/oder unter Schwerkrafteinwirkung wird der flüssige Wasserstoff vom Boden des Sammlers 32 wieder an die Förderanordnung 10 zurückgeführt, um erneut gefördert in die Leitung 5 zu werden.
Der gasförmige Wasserstoff strömt weiter zu der Wärmetauschanordnung 40, die bei Start des Flugzeugtriebwerks unter Erwärmung mittels elektrischer Energie betrieben wird. Innerhalb der Wärmetauschanordnung 40 wird der Wasserstoff auf das zweite Temperaturniveau erwärmt und beispielsweise der zumindest einen Brennkammer 2 zugeführt.
Insbesondere mittels der Abscheidevorrichtung 30, insbesondere in Ausbildung als Zyklon-Tropfenabscheider 31, kann die Verdampferanordnung 3 bei Sicherstellung einer gleichmäßigen Verdampfung besonders kompakt ausgebildet sein. Vorteilhafterweise können mittels der Verdampferanordnung 3 sowohl das zweite Temperaturniveau, als Wasserstoff-Austrittstemperatur, als auch der Massenstrom geregelt werden. Verfälschungen des Massenstroms aufgrund abgeschiedener Tropfen sind dabei gering, beispielsweise im Bereich weniger Prozent (beispielsweise 2 % bis 3 %).
Die erfindungsgemäße Verdampferanordnung kann neben ihrer Verwendung bei einem Kraftstoffversorgungssystem in einem Flugzeug auch in zahlreichen anderen Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden, beispielsweise in (stationären) Gasturbinen, elektrochemischen Brennstoffzellen, (Kolben- und/oder Drehkolben-) Motoren, insbesondere in mobilen Anwendungen (in der Luftfahrt, bei Land- oder Wasserfahrzeugen) und/oder in stationären Anwendungen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffversorgungssystem
2: Brennkammer
3: Verdampferanordnung
4: Reservoir
5: Leitung
10: Förderanordnung
20: Verdampfer
211: Leitungsabschnitt
212: Leitungsabschnitt
213: Leitungsabschnitt
221: Heizvorrichtung
222: Heizvorrichtung
223: Heizvorrichtung
30: Abscheidevorrichtung
31: Zyklon-Tropfenabscheider
32: Sammler
33: Ventil
34: Rückleitung
35: Drallkammer
36: statische Abscheidevorrichtung
40: Wärmetauschanordnung
411: Leitungsabschnitt
412: Leitungsabschnitt
421: Wärmequelle
422: Wärmequelle
50: Bypassleitung
α: Neigungswinkel
G: Schwerkraft
Qel: mittels elektrischer Energie erzeugte Wärme
Q: Abwärme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20190154201 A1 [0004]
US 20070227160 A1 [0006]
DE 19617916 B4 [0007]
DE 69631936 T2 [0007]
DE 10056785 A1 [0007]
WO 2013167639 A1 [0007]

Claims

Verdampferanordnung (3) zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids, insbesondere von Wasserstoff, für eine mit dem Fluid zu versorgende Einheit, insbesondere zumindest eine Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks, umfassend i) zumindest eine Förderanordnung (10) zur Förderung des flüssigen kryogenen Fluids aus zumindest einem Reservoir (4) in eine Leitung (5), ii) einen Verdampfer (20), um das kryogene Fluid zu gasförmigem Fluid mit einem ersten Temperaturniveau zu verdampfen, iii) eine Abscheidevorrichtung (30) zur Abscheidung von stromab des Verdampfers (20) in dem gasförmigen Fluid vorhandenen Flüssigkeitstropfen und iv) eine Wärmetauschanordnung (40) zur Erwärmung des gasförmigen Fluids stromab der Abscheidevorrichtung (30) auf ein zweites Temperaturniveau.
Verdampferanordnung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Förderanordnung (10) dazu ausgelegt ist, zwischen 2 % und 110 % eines maximalen Fluidbedarfs der zu versorgenden Einheit zu fördern, wobei die Austrittstemperatur des Fluids aus der Förderanordnung (10) unterhalb des Siedepunktes liegt.
Verdampferanordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (20) dazu ausgelegt ist, einen Massenstrom mit maximal bis zu 50 %, vorzugsweise bis zu maximal 30 %, des maximalen Fluidbedarfs der zu versorgenden Einheit zu verdampfen.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Verdampfers (20), stromab der Förderanordnung (10), eine Bypassleitung (50) abzweigt, die stromab der Abscheidevorrichtung (30) in die Leitung (5) mündet.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (20) derart ausgelegt ist, dass das erste Temperaturniveau der Siedetemperatur des kryogenen Fluids zuzüglich eines Temperaturdeltas, von z. B. bis zu 5 K oder bis zu 10 K oder bis zu 20 K, entspricht.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (20) zur Verdampfung des kryogenen Fluids mittels aus elektrischer Energie erzeugter Wärme ausgebildet ist.
Verdampferanordnung (3) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizanordnung des Verdampfers (20) mehrere in Reihe geschaltete, elektrische Heizvorrichtungen (221, 222, 223) umfasst, die jeweils einem Leitungsabschnitt (21) zu dessen elektrischer Beheizung zugeordnet sind.
Verdampferanordnung (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungswinkel (α) zumindest eines der elektrisch beheizten Leitungsabschnitte (21) zwischen 25° und 85°, insbesondere zwischen 35° und 60°, gegenüber der horizontalen Richtung beträgt.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (20) und/oder die Abscheidevorrichtung (30), insbesondere mittels einer kardanischen Aufhängung, derart gelagert ist, dass die Lage bei Lageänderung des Verdampfers (20) und/oder der Abscheidevorrichtung (30), gegenüber einem aus der Schwerkraft und/oder G-Kraft resultierenden Kräftevektor beibehalten wird.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidevorrichtung (30) als Zyklon-Tropfenabscheider (31) ausgebildet ist.
Verdampferanordnung (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer in Schwerkraftrichtung (G) weisenden Unterseite des Zyklon-Tropfenabscheiders (31) ein Sammler (32) angeordnet ist, von dessen Unterseite ausgehend eine Rückleitung (34) angeordnet ist, die stromauf des Verdampfers (20), insbesondere stromauf der Förderanordnung (10), in das Reservoir (4) und/oder in die Leitung (5) mündet.
Verdampferanordnung (3) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere unmittelbar, stromauf des Austritts der Abscheidevorrichtung (30) zumindest eine statische Abscheidevorrichtung (36), z. B. mit längsausgerichteten Stäben, in der Leitung (5) angeordnet ist.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschanordnung (40) zumindest einen Leitungsabschnitt (411) mit zumindest einer Wärmequelle (421) aufweist, die insbesondere dazu ausgelegt ist, das gasförmige Fluid auf das zweite Temperaturniveau zu erwärmen, wobei die Wärmequelle (421) eine elektrisch beheizbare Heizanordnung umfasst.
Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschanordnung (40) zumindest einen weiteren Leitungsabschnitt (412) mit zumindest einer weiteren Wärmequelle (422) aufweist, wobei Abwärme, insbesondere der zu versorgenden Einheit oder in deren Peripherie angeordneter Komponenten und/oder von dieser generierter oder diese durchströmender Fluidströme, nutzbar oder genutzt ist.
Kraftstoffversorgungssystem (1) zur Kraftstoffversorgung einer mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit, insbesondere zumindest einer Brennkammer (2) eines Flugzeugtriebwerks, wobei der Kraftstoff als kryogenes Fluid, insbesondere Wasserstoff, speicherbar oder gespeichert ist, umfassend zumindest ein Reservoir (4) und eine Verdampferanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei insbesondere zumindest ein Leitungsabschnitt zwischen einer Wärmetauschanordnung (40) und der mit Kraftstoff zu versorgenden Einheit wärmeisoliert ausgebildet ist.
Verfahren zur Verdampfung und Erwärmung eines kryogenen Fluids, insbesondere von Wasserstoff, für eine mit dem Fluid zu versorgenden Einheit, insbesondere zumindest eine Brennkammer (2) eines Flugzeugtriebwerks, mittels einer insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildeten Verdampferanordnung (3), bei dem das flüssige kryogene Fluid i) mittels zumindest einer Förderanordnung (10) aus zumindest einem Reservoir (4) in eine Leitung (5) gefördert wird, ii) anschließend einem Verdampfer (20) zugeführt wird, mittels dessen das kryogene Fluid zu gasförmigem Fluid mit einem ersten Temperaturniveau verdampft wird, iii) anschließend einer Abscheidevorrichtung (30) zugeführt wird, mittels welcher stromab des Verdampfers (20) in dem gasförmigen Fluid vorhandene Flüssigkeitstropfen abgeschieden werden, und iv) anschließend einer Wärmetauschanordnung (40) zugeführt wird, mittels welcher das gasförmige Fluid stromab der Abscheidevorrichtung (30) auf ein zweites Temperaturniveau erwärmt wird.