DE29510530U1 - Device for evaporating cryogenic liquids - Google Patents
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Description
BeschreibungDescription
Vorrichtung zur Verdampfung kryogener Flüssigkeiten 5Device for evaporating cryogenic liquids 5
Die Erfindung ist in dem technischen Bereich anzuwenden, wo Gase als kryogene Flüssigkeiten gelagert und zum Einsatz wieder verdampft werden müssen, wie z.B. der Wasserstoff als Energieträger für Verbrennungsmaschinen.The invention is applicable in the technical field where gases must be stored as cryogenic liquids and evaporated again for use, such as hydrogen as an energy source for combustion engines.
Die Umwandlung zwischen Tank und Einsatzort, z.B. Verbrennungsmotor, erfolgt durch einen oder mehrere Wärmetauscher, wobei zur Energiezuführung Luft oder Kühlflüssigkeit Verwendung finden (DE-OS 21 08 183, DE 42 44 328). Durch die tiefen Temperaturen der kryogenen Flüssigkeit kommt es zu starken Vereisungen, denn z.B. bei der Verdampfung von Methan für Brennzwecke mittels Wärmezuführung durch die Verbrennungsluft tritt eine Luftabkühlung um 40 bis 50 K ein. Die auftretende Vereisung führt zur Minderung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung, was eine unvollständige Verdampfung nach sich zieht und damit einen unrunden Motorbetrieb bewirkt. Eine unvollständige Verdampfung wirkt sich generell nachteilig bei allen Prozessen aus, die auf eine Flüssiglagerung und gasförmige Verarbeitung ausgerichtet sind. Eine Möglichkeit, das Vereisen bei Einsatz von Luft oder Rauchgas als Wärmeträger zu vermindern, beschreibt das Patent DD 2 14 172. Das Prinzip beruht auf einem zweistufigen Wärmeentzug der Luft, indem die Luft mit normalem Feuchtigkeitsgehalt durch das bereits verdampfte Flüssiggas um 15 bis 20 K abgekühlt wird und somit bei nur geringer Teilvereisung 50 bis 90% ihrer Feuchtigkeit kondensiert und abgeschieden werden kann. Die so vorgetrocknete Luft gelangt dann in den zweiten Wärmetauscher, der als Verdampfer wirkt. Durch die nunmehr geringe Luftfeuchtigkeit kommt es zu wesentlich geringeren Vereisungen. Völlig vereisungsfrei ist die Verdampfung kryogener Flüssigkeiten auch durch diese Verfahrensweise nicht durchführbar. Je tiefer die Verdampfungstemperatur liegt, um so größer istThe conversion between the tank and the place of use, e.g. combustion engine, takes place through one or more heat exchangers, whereby air or coolant are used to supply energy (DE-OS 21 08 183, DE 42 44 328). The low temperatures of the cryogenic liquid lead to severe icing, because, for example, when methane is evaporated for combustion purposes by supplying heat through the combustion air, the air cools by 40 to 50 K. The icing that occurs leads to a reduction in the efficiency of heat transfer, which results in incomplete evaporation and thus causes uneven engine operation. Incomplete evaporation generally has a detrimental effect on all processes that are geared towards liquid storage and gaseous processing. One way of reducing icing when using air or flue gas as a heat transfer medium is described in patent DD 2 14 172. The principle is based on a two-stage heat extraction from the air, whereby the air with normal moisture content is cooled by 15 to 20 K by the already evaporated liquid gas, and thus 50 to 90% of its moisture can be condensed and separated with only a small amount of partial icing. The air pre-dried in this way then enters the second heat exchanger, which acts as an evaporator. The now low humidity leads to significantly less icing. Even with this method, the evaporation of cryogenic liquids cannot be carried out without icing. The lower the evaporation temperature, the greater the
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die Vereisungsgefahr.the risk of icing.
Das Problem der Vereisung des Verdampfers für kryogene Flüssigkeiten beim Einsatz gasförmiger Wärmeträger, wie Luft, Rauch- oder Abgase aus Verbrennungsmaschinen, sowie eine platzsparende, kompakte Anordnung einer Vergasungsvorrichtung wird erfindungsgemäß durch ein zweistufiges Verfahren mit indirektem Wärmetausch gelöst. In der ersten Stufe wird der kryogenen Flüssigkeit, insbesondere Wasserstoff, zur Verdampfung die Energie in einem Wärmetauscher indirekt durch das arteigene bei der Verdampfung entstandene Gas als Wärmeträger zugeführt. Die für die Verdampfung benötigte und abgegebene Energie erhält das arteigene Gas von außen in einer zweiten Stufe durch indirekte Wärmeübertragung von einem gasförmigen und/oder flüssigen Medium mit höherem Energieniveau, d.h. es herrscht ein Temperaturunterschied. Die Energiezufuhr von außen erfolgt bei dem erfindunsgemäßen Verfahren in bekannterweise durch gasförmige und/oder flüssige Medien. Diese können atmosphärische oder komprimierte Luft, Rauch- oder Abgase sowie Kühlflüssigkeit aus einem anderen Prozeß sein. Die Verbindung zwischen der ersten Stufe, die als Verdampfer fungiert, und der zweiten Stufe zur Gasaufheizung kann vorzugsweise als Drossel durch Querschnittsverengung und/oder Einbau eines Drosselelernentes zum Aufbau einer Druckdifferenz zwischen beiden Stufen wirken. Dadurch wird die Wärmeaufnahme für die Verdampfung sowie die Verdampfungszeit größer, und desweiteren verdampfen eventuell mitgerissene Flüssigkeitspartikel durch die Entspannung vollständig. Die durch die Drosselung entstandene Entspannungskälte kann sich weiterhin positiv auswirken, wenn das in der zweiten Stufe als Wärmeträger dienende Medium gekühlt werden muß, wie es der Fall ist bei einer Gasverbrennungsmaschine mit Turbolader und kryogener Brennstofflagerung. In diesem Falle kann ein Kühler, der ansonsten zwingend notwendig ist zur optimalen Temperatureinstellung für den Verbrennungsvorgang, entbehrlich sein.The problem of icing of the evaporator for cryogenic liquids when using gaseous heat carriers, such as air, smoke or exhaust gases from combustion engines, as well as a space-saving, compact arrangement of a gasification device is solved according to the invention by a two-stage process with indirect heat exchange. In the first stage, the energy for evaporation is supplied to the cryogenic liquid, in particular hydrogen, indirectly in a heat exchanger by the gas produced during evaporation as a heat carrier. The energy required and released for evaporation is obtained by the gas from outside in a second stage by indirect heat transfer from a gaseous and/or liquid medium with a higher energy level, i.e. there is a temperature difference. In the process according to the invention, the energy is supplied from outside in a known manner by gaseous and/or liquid media. These can be atmospheric or compressed air, smoke or exhaust gases and cooling liquid from another process. The connection between the first stage, which acts as an evaporator, and the second stage for heating the gas can preferably act as a throttle by narrowing the cross-section and/or installing a throttle element to create a pressure difference between the two stages. This increases the heat absorption for evaporation and the evaporation time, and any liquid particles that may be entrained evaporate completely due to the expansion. The expansion cold created by the throttling can also have a positive effect if the medium used as a heat transfer medium in the second stage has to be cooled, as is the case with a gas combustion engine with a turbocharger and cryogenic fuel storage. In this case, a cooler, which is otherwise essential for the optimal temperature setting for the combustion process, can be dispensed with.
Zur besseren Wärmeübertragung werden in bekannterweise durchFor better heat transfer,
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Einbauten das wärmeabgebende und wärmeaufnehmende Medium im Grenzschichtbereich in turbulente Strömung versetzt. Um günstige Strömungsverhältnisse und damit ebenfalls eine intensive Wärmeübertragung zu erreichen sowie gegebenenfalls eine ausreichende Energiemenge für die Verdampfung zur Verfügung zu haben, kann zusätzlich arteigenes Gas zwischen der ersten und zweiten Stufe der verdampften kryogenen Flüssigkeit zugesetz werden aus dem Gaspolster der kryogenen Flüssigkeitslagerung und/oder durch teilweise Kreislaufführung des die Anlage verlassenden arteigenen Gases.Installations cause the heat-emitting and heat-absorbing medium in the boundary layer area to flow in a turbulent manner. In order to achieve favorable flow conditions and thus also intensive heat transfer and, if necessary, to have a sufficient amount of energy available for evaporation, additional gas of the same type can be added between the first and second stages of the evaporated cryogenic liquid from the gas cushion of the cryogenic liquid storage and/or by partially recycling the gas of the same type leaving the system.
Zur Durchführung des Verfahrens dient eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die, besonders für Verbrennungsmaschinen, aus zwei Wärmetauschern zur indirekten Wärmeübertragung, vorzugsweise nach dem Kreuzstromprinzip, in Kompaktbauweise besteht, wie in Bild 1 und 2 als Konstruktionsmodell dargestellt: Der erste Wärmetauscher als Verdampfer (3) hat Kanäle (10) für die zu verdampfende kryogene Flüssigkeit sowie weitere Kanäle zur Durchströmung des im zweiten Wärmetauscher aufgeheizten arteigenen Gases der verdampften kryogenen Flüssigkeit. Der als Verdampfer dienende Wärmetauscher (3) kann als günstige Variante für eine Kompaktbauweise in der Anschlußkammer (2) des zweiten Wärmetauschers (11) untergebracht werden, wobei die Kanäle für das aufgeheizte arteigene Gas im Kreuzstrom als Verlängerung der Kanäle (7) des zweiten Wärmetauschers (11) angeordnet sind. Die kryogene Flüssigkeit wird durch ein Doppelmantelrohr dem Verdampfer (3) zugeführt, wobei das die Vorrichtung verlassende arteigene Gas das flüssigkeitsführende Innenrohr umspült. Die Anbindung dieses Doppelmantelrohres an die Tankleitung erfolgt in bekannterweise durch eine vakuumisolierte Kupplung.Der zweite Wärmetauscher (11) besitzt zur indirekten Aufheizung der den ersten Wärmetauscher (3) verlassenden Dämpfe der kryogenen Flüssigkeit Kanäle (7), in denen das arteigene Gas strömt. Durch nach dem Kreuzstromprinzip angeordnete Kanäle (12) wird dem System von außen mittels fühlbarer Wärme eines gasförmigen und/ oder flüssigen Mediums die für die Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit notwendige Energie zugeführt.To carry out the method, a device according to the invention is used, which, particularly for combustion engines, consists of two heat exchangers for indirect heat transfer, preferably according to the cross-flow principle, in a compact design, as shown in Figures 1 and 2 as a design model: The first heat exchanger as an evaporator (3) has channels (10) for the cryogenic liquid to be evaporated and further channels for the flow of the gas of the evaporated cryogenic liquid heated up in the second heat exchanger. The heat exchanger (3) serving as an evaporator can be accommodated in the connection chamber (2) of the second heat exchanger (11) as a favorable variant for a compact design, with the channels for the heated gas of the same type being arranged in cross-flow as an extension of the channels (7) of the second heat exchanger (11). The cryogenic liquid is fed to the evaporator (3) through a double-jacket pipe, whereby the gas leaving the device flows around the liquid-carrying inner pipe. This double-jacket pipe is connected to the tank line in the usual way by means of a vacuum-insulated coupling. The second heat exchanger (11) has channels (7) in which the gas flows for indirectly heating the vapors of the cryogenic liquid leaving the first heat exchanger (3). The energy required for the evaporation of the cryogenic liquid is supplied to the system from the outside by means of sensible heat from a gaseous and/or liquid medium through channels (12).
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Ein gutisoliertes Verbindungsstück zwischen dem ersten Wärmetauscher (3) und zweiten Wärmetauscher (11) kann gleichzeitig als Drossel durch Querschnittsverengung (13) gegenüber dem Gesamtquerschnitt der Kanäle (10) im Verdampfer oder andere bekannte Drosselmöglichkeiten zur Erzeugung einer deutlichen Druckdifferenz dienen. Durch ein Isolierblech (5) innerhalb der Anschlußkammer (2) ist das Verbindungsstück gegen die Außenatmosphäre isoliert, so daß keine Vereisung nach außen auftreten kann, die jedoch nicht funktionsgefährdend wäre.A well-insulated connecting piece between the first heat exchanger (3) and the second heat exchanger (11) can simultaneously serve as a throttle by narrowing the cross-section (13) compared to the total cross-section of the channels (10) in the evaporator or other known throttling options to generate a significant pressure difference. The connecting piece is insulated from the outside atmosphere by an insulating sheet (5) inside the connection chamber (2), so that no icing can occur on the outside, although this would not endanger the function.
Wirbelschikanen in den Kanälen führen zur Ausbildung turbulenter Strömungsgrenzschichten und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung.Vortex chicanes in the channels lead to the formation of turbulent flow boundary layers and thus to an increase in the efficiency of heat transfer.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde insbesondere zur Verdampfung flüssigen Wasserstoffs entwickelt, der als Energieträger für Verbrennungsmaschinen eingesetzt wird. Die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung sind vor allem die Bannung der Vereisungsgefahr sowie die kompakte, platzsparende und einfache Bauweise der Vorrichtung. Sie ist schnell und bequem an eine Maschine anzubringen. Besonders positiv wirkt sich die Kompaktbauweise und Anordnung der einzelnen Elemente beim Einsatz für eine Verbrennungsmaschine mit Turbolader aus, indem der Kühler für die heiße komprimierte Luft aus dem Turbolader entfällt.The device according to the invention was developed in particular for the evaporation of liquid hydrogen, which is used as an energy source for combustion engines. The advantages of the method and the device are above all the elimination of the risk of icing and the compact, space-saving and simple design of the device. It can be attached to a machine quickly and easily. The compact design and arrangement of the individual elements have a particularly positive effect when used for a combustion engine with a turbocharger, as the cooler for the hot compressed air from the turbocharger is no longer required.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellen die Bilder 1 und 2 dar, an denen die Erfindung erläutert werden soll:Figures 1 and 2 show an embodiment of the invention, which will be used to explain the invention:
Der flüssige Wasserstoff strömt über den Doppelmantelrohranschluß (1) in den Verdampfer (3) und verdampft in den Kanälen (10). Durch die Querschnittsverengung (13) des Verbindungsstückes zwischen Verdampfer (3) und Wärmetauscher (11) wird eine Druckdifferenz erzeugt. Die Querschnittsverengung (13) ist deutlich geringer gegenüber dem Gesamtquerschnitt der Kanäle (10) und erzeugt eine Druckdifferenz. Durch das Trennblech (4) findet die Abgrenzung zwischen Verdampfer (3) und Wärtmetauscher (11) statt. Zur Isolie-The liquid hydrogen flows through the double-walled pipe connection (1) into the evaporator (3) and evaporates in the channels (10). The cross-sectional constriction (13) of the connecting piece between the evaporator (3) and the heat exchanger (11) creates a pressure difference. The cross-sectional constriction (13) is significantly smaller than the total cross-section of the channels (10) and creates a pressure difference. The separating plate (4) separates the evaporator (3) and the heat exchanger (11). For insulation
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rung des Verbindungsstückes beider Stufen bzw. Wärmetauscher ist das Isolierblech (5) eingebaut. Der verdampfte Wasserstoff strömt nunmehr in den Wärmetauscher (11) und durch die Kanäle (7). Die Umlenkkammer (6) dient zur Strömungsumlenkung und Verteilung des aufzuheizenden Wasserstoffs auf die einzelnen Kanäle (7), die unmittelbar in den Verdampfer (3) weiterverlaufen und dort nach dem Kreuzstromprinzip angeordnet sind. Ein Teil der Kanäle (7) aus dem Wärmetauscher (11) münden direkt in die Anschlußkammer (2) und umspülen die Drosselstelle (13). Der gasförmige Wasserstoff verläßt nach Abgabe eines Teils seiner fühlbaren Wärme im Verdampfer (3) die Vorrichtung durch das DoppelmantelrohrThe insulating sheet (5) is installed in the connection piece of both stages or heat exchangers. The evaporated hydrogen now flows into the heat exchanger (11) and through the channels (7). The deflection chamber (6) serves to deflect the flow and distribute the hydrogen to be heated to the individual channels (7), which continue directly into the evaporator (3) and are arranged there according to the cross-flow principle. Some of the channels (7) from the heat exchanger (11) open directly into the connection chamber (2) and flow around the throttle point (13). The gaseous hydrogen leaves the device through the double-walled pipe after releasing some of its sensible heat in the evaporator (3).
Die heiße Luft aus dem Turbolader der Verbrennungsmaschine wird über das Anschlußstück(8) in den Wärmetauscher (11) geleitet und strömt rechtwinklig zum aufzuheizenden gasförmigen Wasserstoff durch die Kanäle (12). Im Bild 1 sind zur Ausbildung einer Turbulenz im Grenzschichtbereich der Kanäle Wirbelschikanen in den Kanälen (12) teilweise angedeutet.The hot air from the turbocharger of the combustion engine is fed into the heat exchanger (11) via the connector (8) and flows through the channels (12) at right angles to the gaseous hydrogen to be heated. In Figure 1, vortex chicanes in the channels (12) are partially indicated to create turbulence in the boundary layer area of the channels.
Claims (5)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7377235B2 (en) | 2004-09-21 | 2008-05-27 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Heat exchanger for hydrogen-operated fuel supply systems |
| CN120868780A (en) * | 2025-09-25 | 2025-10-31 | 山西首钢国际工程技术有限公司 | Industrial furnace flue gas carbon reduction desulfurization and denitrification system |
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1995
- 1995-06-29 DE DE29510530U patent/DE29510530U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7377235B2 (en) | 2004-09-21 | 2008-05-27 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Heat exchanger for hydrogen-operated fuel supply systems |
| CN120868780A (en) * | 2025-09-25 | 2025-10-31 | 山西首钢国际工程技术有限公司 | Industrial furnace flue gas carbon reduction desulfurization and denitrification system |
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