DE19915853A1

DE19915853A1 - Pumpensystem zum Fördern von kryogenen Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19915853A1
Application number: DE19915853A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dresler
Original assignee: Linde Technische Gase GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2000-10-12
Also published as: DE50004652D1; ATE255707T1; CA2368908C; EP1173703A1; EP1173703B1; CA2368908A1; US6481218B1; WO2000061990A1; ES2211537T3

Abstract

Es wird ein Pumpensystem zur Förderung kryogener Flüssigkeiten vorgeschlagen, das sich beispielsweise zur H¶2¶-Betankung von Kraftfahrzeugen eignet. Es besteht aus einem Behälter 1 zur Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit, in dem mindestens eine Pumpe 2 angeordnet ist, die die kryogene Flüssigkeit in ein Druckgehäuse 3 fördert, welches über eine Abgabeleitung 4 mit einem Verbraucher, z. B. dem Kraftfahrzeug, in Verbindung steht. Durch Aufteilung des Behälters 1 in zwei, vorzugsweise durch das Druckgehäuse 3 getrennte Räume h und f sowie durch eine spezielle Anordnung des Flüssigkeitszulaufs i und der Gasrückführung j, wird eine automatische Konstanthaltung des Flüssigkeitsspiegels m im Behälter 1 und damit eine sichere Betriebsweise des Pumpensystems erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpensystem zum Fördern von kryogenen Flüssigkeiten, bestehend aus einem einen Flüssigkeitsraum und einen Gasraum bildenden Vorrats tank für die kryogene Flüssigkeit und mindestens einer in einem Behälter angeordne ten Pumpe, wobei der Behälter mit dem Vorratstank derart in Verbindung steht, daß im Behälter ein Flüssigkeitsspiegel einstellbar ist.

Zur Förderung von kryogenen Flüssigkeiten mit Temperaturen von unter -200°C werden bisher in der Regel einzylindrige Pumpen verwendet, welche von oben in ein Isoliergefäß eingeführt werden. Aus montagetechnischen Gründen erfolgt auch die Abführung des Förderstromes über diese obere Pumpenmontageöffnung im Isolier gefäß. Die Befüllung der Gefäße mit den zu fördernden Medien erfolgt meistens von einem großen Vorratstank aus, wobei die Bestimmung der maximalen Füllhöhe in die sen Gefäßen durch Überlaufrohre (Peilrohre) oder Inhaltsanzeigen ermittelt wird. Die Steuerung der maximalen Füllhöhe erfolgt meistens manuell oder über einen durch die Flüssigkeit ausgelösten Kontakt, durch welchen ein Magnetventil in der Zu- oder Ab gasleitung angesteuert wird. Da die Pumpen ohne Unterkühlung der Förderflüssigkeit nicht betrieben werden können, besitzen diese großvolumigen Gefäße eine Druckauf baueinrichtung, wodurch die Förderflüssigkeit kurzzeitig unterkühlt werden kann.

Da insbesondere Wasserstoff in verflüssigter Form immer mehr an Bedeutung gewinnt und Kraftfahrzeuge bereits mit Wasserstoff betrieben werden, ist es notwendig, geeig nete Pumpen zum Betanken dieser Fahrzeuge bereitzustellen.

Die bekannten Pumpen mögen für Laborexperimente mit kleinen Förderströmen und großen zulässigen Druckpulsationen geeignet sein, für eine schnelle, pulsationsfreie Kraftfahrzeugflüssigbetankung ist diese Art von Pumpen aber ungeeignet. Außerdem müssen derartige "Tankstellenpumpen" jederzeit einsatzbereit sein (kaltgestellt), so daß durch die konstruktiv erforderliche kompakte Bauweise bei den bekannten Pum pen ein enormer Wärmefluß in die zu fördernde Flüssigkeit stattfindet und die dadurch für die Funktion erforderliche Flüssigkeitsunterkühlung bald aufgehoben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpensystem der ein gangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem auch größere Mengen an kryogenen Flüssigkeiten, insbesondere auch flüssiger Wasserstoff, wirtschaftlich und zuverlässig gefördert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) der Behälter in zwei Räume (h, f) aufgeteilt ist, wobei der eine Raum (h) vollstän dig unterhalb des Gasraums des Vorratstanks angeordnet ist und über eine Flüs sigkeitszufuhrleitung mit dem Flüssigkeitsraum des Vorratstanks in Verbindung steht, während der andere Raum (f) oberhalb des Raums (h) und zumindest teil weise ebenfalls unterhalb des Gasraums des Vorratstanks angeordnet ist, wobei der Raum (f) über eine Gasrückführleitung mit dem Gasraum des Vorratstanks in Verbindung steht,
b) die Saugseite der Pumpe mit dem Raum (h) in Verbindung steht, während die Druckseite mit einer außerhalb des Behälters vorgesehenen Abgabestelle zur Ab gabe der kryogenen Flüssigkeit an einen Verbraucher in Verbindung steht,
c) die Räume (h) und (f) über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden sind un
d) oberhalb des offenen Endes der im Raum (f) mündenden Gasrückführleitung ein Gasraum verbleibt.

Die vorgeschlagene Aufteilung des Behälters in zwei Räume, in Verbindung mit einer Gasrückführleitung, ermöglicht eine selbständige Konstanthaltung des Flüssigkeits niveaus in diesem Behälter, wobei die Flüssigkeit im Raum (f) immer im Siedezustand ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Behälter mittels eines Druckgehäuses in die Räume (h, f) aufgeteilt, welches einerseits mit der Druckseite der Pumpe und andererseits mit der außerhalb des Behälters vorgesehe nen Abgabestelle zur Abgabe der kryogenen Flüssigkeit an einen Verbraucherin Ver bindung steht. An dieses Druckgehäuse sind zweckmäßigerweise mehrere, d. h. min destens zwei Pumpen angeschlossen, wobei die Druckseiten der Pumpen mit dem gemeinsamen Druckgehäuse in Verbindung stehen. Von Vorteil ist außerdem eine thermische Trennung der Räume (h) und (f), was gemäß der bevorzugten Ausfüh rungsform ebenfalls durch das Druckgehäuse erreicht wird.

Die Pumpe ist mit Vorteil als Kolbenpumpe mit Zugstange und Federrückholung aus gebildet, wobei der Pumpendruckhub durch Ausüben von Zugkräften auf den Kolben mittels der Zugstange durchführbar und der Kolben mittels Federn in eine Ausgangs position rückholbar ist. Zweckmäßigerweise sind mehrere solcher Pumpen in den Be hälter eingeführt. Aufgrund des möglichen Einzeleinbaus und der auf Zug arbeitenden Pumpen werden die für die Wärmeleitung relevanten Querschnitte an den Pumpen sowie am Behälter sehr klein gehalten, wodurch nur eine sehr geringe Wärmeein bringung in die Behälterflüssigkeit erfolgt. Zur weiteren Verringerung der Wärme einbringung in den Behälter ist die Zugstange vorzugsweise über eine Abdichtung aus dem Behälter herausgeführt. Bei der besonders praktikablen Lösung, wonach die. Pumpe von oben in den Behälter eingesetzt ist, ist die Zugstange über einen wärme isolierten Behälterhals aus dem Behälter herausgeführt. Um die Gaswärmeleitung weiter zu minimieren, kann in dem Behälterhals eine Isolierpatrone vorgesehen werden.

Das erfindungsgemäße Pumpensystem ist für eine ganze Reihe von Anwendungen mit Vorteil einzusetzen. In Verbindung mit einem entsprechenden Taumelscheibenantrieb ist die Anzahl sowie der Durchmesser der einzelnen Pumpen in einem gemeinsamen Druckgehäuse stark variabel, so daß die Pumpen nach diesem Konstruktionsprinzip praktisch allen geforderten Fördermengen bei minimaler Druckpulsation angepaßt werden können. Aufgrund der Vorzüge dieses Pumpenkonzeptes gegenüber dem bis herigen ist der Einsatz solcher Pumpen auch als Bordpumpe bei der neuen Flugzeug generation mit Wasserstoffantrieb denkbar. Aufgrund der geringen Massen des Pum pensystems sind die Abkühlverluste sehr gering. Durch den sehr einfachen Konstruk tionsaufbau wird eine sehr preiswerte, betriebssichere und technisch hochwertige Pumpe zur Verfügung gestellt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den Einbau einer dreizylindrigen Wasserstoffpumpe in einen Behälter.

Fig. 2 einen Vollschnitt einer der drei in das Druckgehäuse eingeschobenen Pumpen.

In Fig. 1 ist ein Behälter 1 dargestellt, der zur Aufnahme und zur Befestigung der drei von oben einzeln eingeschobenen Pumpen 2 ein fest integriertes, in die Vorratsflüssig keit eingetauchtes Druckgehäuse 3 aufweist. Durch dieses Druckgehäuse sind die Druckseiten der drei Pumpen 2 miteinander verbunden. Die Fortleitung der weitgehend pulsationsfreien Druckflüssigkeit aus dem Druckgehäuse 3 erfolgt über eine ebenfalls in den Behälter 1 integrierte Druckleitung 4. Durch den Einzeleinbau der auf Zug ar beitenden Pumpen 2 können die für die Wärmeleitung relevanten Querschnitte an den Pumpen 2 sowie dem Behälter 1 sehr klein gehalten werden. Dies wird insbesondere durch die dünnen Zugstangen 29 und das dünnwandige und kleine Behälterhalsrohr 6 erreicht. Insbesondere für den Betrieb mit flüssigem Wasserstoff ist die mit der Erfin dung erzielte verminderte Wärmeeinbringung von außergewöhnlicher Bedeutung, da flüssiger Wasserstoff eine sehr tiefe Temperatur von ca. -253°C und sehr geringe Ver dampfungswärme aufweist. Erschwerend kommt noch hinzu, daß die Pumpe als "Tankstellenpumpe" immer betriebsbereit (kaltgestellt) sein muß und der durch Wär meeinbringung entstehende Gasanfall als schädlich gewertet wird. Da Wasserstoffgas den Höchstwert der Gaswärmeleitung aller technischen Gase besitzt, wird im Behälter halsrohr 6 eine Isolierpatrone 7 aus dünnwandigem Glasgewebe-Epoxitharz mit Iso lierschüttung mit den Durchführungen für die Zugstangen 29 verwendet. Durch diese Maßnahme wird die Wärmeeinbringung in den Behälter weiter reduziert.

Das Druckgehäuse 3 dient im Behälter 1 nicht nur der Aufnahme der Pumpen 2, son dem es teilt auch den Behälter 1 in zwei Räume h und f auf. Während der Raum h unmittelbar über die Flüssigzulaufleitung i mit der Flüssigkeit im Vorratstank K in Ver bindung steht, wird die Flüssigkeit in den Raum f über die Gasrückführleitung j einge bracht. Hierzu mündet die Gasrückführleitung j in den Räumen h, f sowie im Gasraum des Vorratstankes K, so daß bei o eintretende, mit dem Tank kommunizierende Flüs sigkeit über die Rohrmündung p in den Raum f einströmt. Das beim Abkühlen der Pumpe anfallende Gas wird dem Gasraum G des Vorratstanks K zugeführt. Steigt das Flüssigkeitsniveau m über die Rohrmündung p, so erfolgt ein Flüssigkeitsverschluß und das im Raum f befindliche Gas kann nicht entweichen. Da der Druck im Vorrats behälter P₁ um den Betrag P₀ + Dichte der Flüssigkeit × Höhe größer ist als der Tank druck P₀, ist auch die sich im Behälter 1 befindende Flüssigkeit im Siedezustand um diesen Betrag wärmer als im Vorratstank K. Beim Pumpbetrieb tritt, wie in Fig. 2 dar gestellt, die zu fördemde Flüssigkeit über die Bohrungen c in die Pumpen ein. Da diese Eintrittsbohrungen dem Raum h (Fig. 1) zugeordnet sind, wird aus diesem die zu för demde Flüssigkeit entnommen. Dabei senkt sich der in der Gasrückführleitung j stehende Flüssigkeitsspiegel n um den Betrag der Widerstände in der Flüssigkeits zulaufleitung i ab. Die daraus resultierende Druckabsenkung im Behälter 1 bewirkt eine Absenkung des Flüssigkeitsspiegels m, so daß der höhere Gasdruck P₁ über die Rohrmündung p so weit abgebaut wird, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt und die Flüssigkeit wieder die Gasabfuhr versperrt. Da die aus dem vollen Vorratstank K (hohe Flüssigkeitssäule) strömende Förderflüssigkeit jetzt nicht im Gleichgewicht von Druck und Temperatur ist, sondern die niedrigere Temperatur des Vorratstanks K bei P₀ (Siedezustand) besitzt, erfolgt eine Abkühlung des Temperatur niveaus im Raum h (die Pumpe fördert bei vollem Tank nur die ankommende kältere Flüssigkeit). Aufgrund der räumlichen Aufteilung des Behälters 1 durch das Druckge häuse 3 in zwei Räume h und f erfolgt ein immer konstantes, sich selbst einregelndes Flüssigkeitsniveau m im Behälter 1 (auch beim Betrieb der Pumpe) sowie eine thermi sche Trennung der Flüssigkeiten. Durch diese thermische Trennung beider Räume h und f bleibt auch beim Pumpbetrieb die Flüssigkeit im oberen Raum f immer im Siede zustand von P₁ und der Wärmeeinfall über das Halsrohr 6 sowie die in Fig. 2 darge stellte Ableitung der geringen Pumpenwärme über das Ventil 4 wird in Gasform über den Flüssigkeitsverschluß p dem Vorratstank K zugeführt. Eine Nichtaufteilung des Behälters hätte zur Folge, daß beim Pumpbetrieb und vollem Vorratstank K die nur sehr geringe und schädliche Wärmeeinbringung über das Behälterhalsrohr 6 nicht aus reichen würde, die ankommende kältere Flüssigkeit entsprechend dem Druck P₁ in den Siedezustand anzuwärmen. Aufgrund dieser Tatsache würde eine Einkondensation von Gas erfolgen und die kalte Flüssigkeit würde im Behälter 1 immer höher steigen und eine Vereisung des Behälteroberteils durch Überfluten verursachen.

In Fig. 2 ist ein Vollschnitt einer der drei in das Druckgehäuse eingeschobenen Pum pen dargestellt. Die am Druckgehäuse (Fig. 1, Bezugsziffer 3) mittels Schrauben 30 befestigte Pumpe weist einen Pumpenzylinder 1 auf, welcher über ein Strömungsteil 2 mit einem Deckelflansch 10 verschraubt ist. Dabei wird ein Ringspalt d gebildet, in wel chem ein mit einer Tellerfeder 8 belastetes Membran-Druckventil 6, 7 angebracht ist. Durch das Vorhandensein dieses Ringspaltes d sowie dessen beidseitiger Abdichtung 27 wird der Einzeleinbau der Pumpen in das gemeinsame Druckgehäuse möglich.

Die drei Pumpen werden durch einen nicht dargestellten, am Behälterdeckel befestig ten Taumelscheibenantrieb betätigt. Im Behälter, der nur wenige Liter Fassungsvermö gen aufweist, befindet sich die zu fördernde kryogene Flüssigkeit. Die Übertragung der Zugkräfte für den Pumpendruckhub vom Antrieb zu den in die Behälterflüssigkeit ein getauchten Pumpen erfolgt über die im Behälterdeckel abgedichteten Zugstangen 29. Bei Hubumkehr werden die Kolben 14, 17 durch die Kraft der Federn 23 in eine Aus gangsposition entgegen dem Druckhub gebracht. Hierbei wird ein gehaltener, durch Federn an den Pumpenzylinder 1 angedrückter Kolbenring 15, 16 an Stegen des Kol benkörpers 14 zur Anlage gebracht. Über den sich so einstellenden Spalt wird die Flüssigkeit aus dem vorausgegangenen Hubzyklus auf die Druckseite a des Kolbens drucklos umgeschoben. Gleichzeitig wurde bei diesem Hubbeginn ein Ventil 4, in wel chem eine Dichtung 5 zur Abdichtung der Zugstange 29 angebracht ist, durch die Zug stange 29 über die Reibung zwingend geöffnet. Hierbei wurde die durch die Kolben ringreibung erzeugte Wärme abgeführt, so daß hierdurch stets eine optimale Zylinder füllung garantiert wird. Durch dieses Verfahren ändert sich auch die Temperatur der Druckflüssigkeit gegenüber der Vorratsflüssigkeit nicht, was sich positiv auf die Mes sung der Abgabemenge auswirkt.

Bei Hubumkehr wird durch die Zugstange 29 erst das Ventil 4 geschlossen, ehe der Kolbenring 15, 16 den Spalt am Kolbenkörper 14 schließt und die Druckflüssigkeit über das, durch die Feder 8 belastete Membran-Auslaßventil 6, 7 aus dem Pumpenzylinder 1 in das gemeinsame Druckgehäuse (Fig. 1, Bezugsziffer 3) geschoben wird.

Bei Überschreitung des Auslegedruckes (maximaler Förderdruck) wird durch den Kol benring 15, 16 ein als Tellerfeder ausgebildeter Druckbegrenzer 17 vom Kolbenkörper 14 gedrückt und der Überdruck über die Bohrungen e abgebaut. Zum Zeitpunkt dieser Hubumkehr wurde auch sofort ein am unteren Pumpenzylinderende befindliches Bo denventil 20, welches über eine definierte Reibung einer Dichtung 21 auf dem unteren Teil 18 der Zugstange 29 geöffnet wird, geöffnet. Es kann nun über die Bohrungen c die Vorratsflüssigkeit, ohne ein Ventil öffnen zu müssen, druckverlustfrei in das vom Kolben 14, 17 freigegebene Volumen b in den Pumpenzylinder nachströmen. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird aufgrund der Durchmesserverkleinerung der Zugstange 18 die Reibung zwischen dieser und dem Bodenventil 20 aufgehoben und das Bodenven til 20 schließt durch das eigene Gewicht.

Mit der beschriebenen Pumpenanordnung ist es möglich, Flüssigkeiten auch mit klei nen Verdampfungswärmen, wie z. B. flüssigen Wasserstoff im Siedezustand (ohne sta tische Säule) mit gutem Förderwirkungsgrad zu pumpen. Da durch die Zwangsöffnung des Ventils 4 die Erwärmung des Pumpenzylinders ausgeschlossen wird, erfolgt bei jedem Hub eine optimale Zylinderfüllung, wobei die sonst übliche Anwärmung der För derflüssigkeit verhindert wird.

Claims

1. Pumpensystem zum Fördern von kryogenen Flüssigkeiten, bestehend aus einem einen Flüssigkeitsraum (L) und einen Gasraum (G) bildenden Vorratstank (K) für die kryogene Flüssigkeit und mindestens einer in einem Behälter (1) angeordneten Pumpe (2), wobei der Behälter (1) mit dem Vorratstank (K) derart in Verbindung steht, daß im Behälter (1) ein Flüssigkeitsspiegel (m) einstellbar ist, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) der Behälter (1) in zwei Räume (h, f) aufgeteilt ist, wobei der eine Raum (h) vollständig unterhalb des Gasraums (0) des Vorratstanks (K) angeordnet ist und über eine Flüssigkeitszufuhrleitung (i) mit dem Flüssigkeitsraum (L) des Vorratstanks in Verbindung steht, während der andere Raum (f) oberhalb des Raums (h) und zumindest teilweise ebenfalls unterhalb des Gasraums (G) des Vorratstanks (K) angeordnet ist, wobei der Raum (f) über eine Gasrückführlei tung (j) mit dem Gasraum (G) des Vorratstanks (K) in Verbindung steht,
b) die Saugseite der Pumpe (2) mit dem Raum (h) in Verbindung steht, während die Druckseite mit einer außerhalb des Behälters (1) vorgesehenen Abgabe stelle zur Abgabe der kryogenen Flüssigkeit an einen Verbraucher in Verbin dung steht,
c) die Räume (h) und (f) über eine Verbindungsleitung (q) miteinander verbunden sind und
d) oberhalb des offenen Endes der im Raum (f) mündenden Gasrückführleitung (j) ein Gasraum (s) verbleibt.

2. Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) mittels eines Druckgehäuses (3) in die Räume (h, f) aufgeteilt ist, das einerseits mit der Druckseite der Pumpe (2) und andererseits mit der außerhalb des Behäl ters (1) vorgesehenen Abgabestelle zur Abgabe der kryogenen Flüssigkeit in Ver bindung steht.

3. Pumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, d. h. mindestens zwei Pumpen (2) in dem Behälter (1) angeordnet sind, deren Druckseiten mit dem gemeinsamen Druckgehäuse (3) in Verbindung stehen.

4. Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (2) als Kolbenpumpe mit Zugstange (29) und Federrückholung ausgebildet ist, wobei der Pumpendruckhub durch Ausüben von Zugkräften auf den Kolben (14, 17) mittels der Zugstange (29) durchführbar und der Kolben (14, 17) mittels Federn (23) in eine Ausgangsposition rückholbar ist.

5. Pumpensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (29) über eine Abdichtung (5) aus dem Behälter (1) herausgeführt ist.

6. Pumpensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (29) über einen wärmeisolierten Behälterhals (6) aus dem Behälter (1) herausge führt ist.

7. Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (h, f) weitgehend thermisch voneinander getrennt sind.