НАСОС ДЛЯ ПЕРЕКАЧКИ КРИОГЕННОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
PUMP FOR CRYOGENIC FLUID

Изобретение относится к насосу для перекачки криогенной текучей среды, прежде всего криогенного углеводорода, из емкости в находящийся под более высоким давлением резервуар. Насос включает в себя цилиндр с расположенным в нем поршнем, который может совершать в цилиндре происходящие вперед и назад возвратно-поступательные движения, при этом объем низкотемпературной камеры цилиндра при происходящем в направлении хода поршня первом возвратно-поступательном движении поршня уменьшается, а объем высокотемпературной камеры, которая расположена в цилиндре с противолежащей от низкотемпературной камеры стороны поршня, соответственно увеличивается, при этом, наоборот, при втором происходящем в противоположном направлении хода поршня возвратно-поступательном движении поршня объем высокотемпературной уменьшается, а объем низкотемпературной камеры соответственно увеличивается. Кроме того, насос включает в себя оканчивающийся в низкотемпературной камере впускной канал для текучей среды, к которому подсоединена или является подсоединяемой емкость, выходящий из высокотемпературной камеры выпускной канал для текучей среды, к которому подсоединен или является подсоединяемым резервуар, и соединительный трубопровод для текучей среды, через который обе камеры соединены друг с другом (US 2003051486 А1, 20.03.2003)
У обычных подобных криогенных насосов проблема заключается в том. что они имеют лишь относительно короткие периоды работы без технического обслуживания. Прежде всего, это относится к обычным криогенным поршневым насосам с малыми геометрическими размерами (например, диаметр поршня менее примерно 20 мм). Для подобных насосов стремятся, прежде всего с точки зрения применения в автомобилях, к существенно уменьшенным затратам на техническое обслуживание, включая значительное увеличение периодов работы без технического обслуживания.
В основу данного изобретения положена задача разработки улучшенного насоса, который, прежде всего, пригоден также и для использования в автомобилях.
Эта задача решена посредством насоса согласно п.1 формулы изобретения и, прежде всего, тем, что по меньшей мере одно нагревающее устройство выполнено для' того, чтобы текущую во время первого возвратно-поступательного движения из низкотемпературной камеры через соединительный трубопровод для текучей жидкости в высокотемпературную камеру текучую среду нагревать таким образом, что в высокотемпературной камере устанавливается, прежде всего изохорно, повышающееся с температурой давление, которое превышает давление в резервуаре. У насоса согласно изобретению за счет расположения поршня между обеими камерами имеющийся в распоряжении для текучей среды объем во время происходящего вперед и назад возвратно-поступательного движения поршня остается постоянным. Поэтому из по меньшей мере приблизительно применимого уравнения состояния для идеального газа Р*V/Т= постоянная величина, при этом Р - это давление, V - объем и Т - температура, при постоянном давлении (V= постоянная величина) получается пропорциональная зависимость между давлением Р и температурой Т. Подобные изменения состояния называются изохорными изменениями состояния.
У насоса согласно изобретению нагревающее устройство вызывает по существу изохорное изменение состояния текучей среды. Прежде всего, втекающая в высокотемпературную камеру текучая среда нагревается так сильно, что давление текучей среды превышает давление в резервуаре, так что текучая среда может вытекать через выпускной канал из высокотемпературной камеры до тех пор, пока не установится равновесие между давлением в высокотемпературной камере и давлением в резервуаре.
В результате нагревающее устройство вызывает не только нагревание подаваемой в высокотемпературную камеру текучей среды, но и повышение давления, так что по меньшей мере часть текучей среды может течь в резервуар. Поэтому у насоса согласно изобретению текучую среду с использованием нагревающего устройства можно закачивать в находящийся под более высоким давлением резервуар.
Поскольку нагревающее устройство может быть выполнено относительно надежным и также компактным, то может быть реализован в целом надежный и могущий быть изготовленным малогабаритным насос. Благодаря компактной конструкции насос требует не только меньшего объема для размещения, например в автомобиле, но и делает возможным то, что насос согласно изобретению может быть сравнительно просто теплоизолирован от окружающей среды. Кроме того, ни конструкция «поршень-цилиндр», ни нагревающее устройство не требуют больших затрат на техническое обслуживание, так что у насоса может быть достигнут относительно длительный период работы без технического обслуживания, например более двух тысяч часов работы без технического обслуживания.
Понятием «криогенная текучая среда» или «текучая среда» обозначается среда, которая имеет чрезвычайно низкую температуру, которая, прежде всего, лежит вблизи температуры кипения среды. Например, в случае криогенной жидкости речь может идти о криогенном водороде, температура кипения которого лежит примерно при 20 К. Кроме того, криогенная текучая среда в насосе, в емкости или в резервуаре находится в жидкой фазе и/или в газовой фазе.
Предпочтительные усовершенствования изобретения приводятся в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно одному предпочтительному усовершенствованию изобретения, по меньшей мере одно охлаждающее устройство выполнено для того, чтобы остающуюся в высокотемпературной камере, не стекающую через выходное отверстие текучая среду, которая во время второго возвратно-поступательного движения течет из высокотемпературной камеры через соединительный трубопровод для текучей среды назад в низкотемпературную камеру, охлаждать так, что в низкотемпературной камере устанавливается снижающееся с температурой, прежде всего изохорно, давление, которое является более низким, чем давление в емкости.
Таким образом, при втором возвратно-поступательного движении поршня остающаяся в высокотемпературной камере текучая среда через соединительный трубопровод для текучей среды с охлаждением и одновременным, по существу изохорным, снижением давления подается назад в низкотемпературную камеру. Вследствие устанавливающегося тогда в низкотемпературной камере более низкого давления текучая среда может тогда течь из емкости через впускной канал для текучей среды в низкотемпературную камеру до тех пор, когда давление в низкотемпературной камере достигнет давления в емкости. Затем может происходить описанное ранее первое возвратно-поступательного движение поршня, вследствие чего текучая среда закачивается в высокотемпературную камеру и затем в резервуар.
Поэтому благодаря размещению охлаждающего устройства становится возможным подавать оставшуюся в высокотемпературной камере текучую среду с понижением температуры и снижением давления снова в низкотемпературную камеру для того, чтобы сделать возможным попутное течение дополнительной текучей среды из емкости в низкотемпературную камеру. В свою очередь, при этом охлаждающее устройство может быть выполненным особо надежным и компактным, так что в целом может быть реализован компактный и надежный, простой в техническом обслуживании насос.
Предпочтительно, соединительный трубопровод для текучей среды проведен через по меньшей мере одно нагревающее устройство и/или по меньшей мере одно охлаждающее устройство, так что нагревающее устройство и/или охлаждающее устройство образуют часть соединительного трубопровода для текучей среды. Благодаря этому может быть особо просто достигнуто целенаправленное нагревание и/или целенаправленное охлаждение криогенной текучей среды. Кроме того, благодаря этому насос может быть выполнен особо компактным.
По меньшей мере одно нагревающее устройство может иметь теплообменник, через который проведен соединительный трубопровод для текучей среды. Поскольку теплообменники являются очень надежными конструкциями, то благодаря использованию теплообменника опять может быть увеличен период работы насоса без технического обслуживания.
При этом первичная ветвь теплообменника, предпочтительно, образует часть соединительного трубопровода для текучей среды. В случае первичной ветви речь идет о трубопроводе для текучей среды, который проходит через теплообменник. В протекающую через первичную ветвь текучую среду может быть перенесено тепло, например, от, прежде всего, электрического нагревательного устройства или от протекающей во вторичной ветви теплообменника текучей среды. При этом в случае вторичной ветви речь идет об отделенном от первичной ветви трубопроводе для текучей среды, который может быть расположен относительно первичной ветви с образованием противоточного потока, прямоточного потока, перекрестного потока или перекрестно-противоточного потока.
Предпочтительно, нагревающее устройство имеет регенератор, через который проведен соединительный трубопровод для текучей среды, при этом регенератор предусмотрен также в качестве охлаждающего устройства для текучей среды, вытекающей из высокотемпературной камеры во время второго возвратно-поступательного движения через соединительный трубопровод для текучей среды в низкотемпературную камеру.
Регенератор можно рассматривать в качестве переносчика тепла, который одновременно функционирует в качестве аккумулятора тепла и холода. Если текущая из низкотемпературной камеры в высокотемпературную камеру текучая среда протекает через регенератор, то текучая среда нагревается, например, с охлаждением расположенной в регенераторе аккумулирующей массы. Если оставшаяся в высокотемпературной камере более теплая текучая среда течет назад в низкотемпературную камеру, то она снова охлаждается с нагреванием аккумулирующей массы. Поэтому регенератор в целом образует компонент насоса согласно изобретению, который служит также в качестве как охлаждающего устройства, так и нагревающего устройства, так что насос может быть реализован с особо компактной конструкцией. Кроме того, регенератор не нуждается по существу в техническом обслуживании, так что может быть также реализован особо надежный насос с малой потребностью в техническом обслуживании.
Особо предпочтительно, регенератор и теплообменник расположены последовательно вдоль соединительного трубопровода для текучей среды. Тем самым оба компонента могут быть особо просто встроены в соединительный трубопровод для текучей среды.
Предпочтительно, регенератор, при рассмотрении со стороны низкотемпературной камеры, расположен перед теплообменником в соединительном трубопроводе для текучей среды. Тем самым действующий в качестве аккумулятора тепла и холода регенератор является особо эффективным, так как через него во время первого возвратно-поступательного движения поршня протекает холодная текучая среда из низкотемпературной камеры и он, тем самым, охлаждается по существу до температуры холодной текучей среды. Кроме того, тогда регенератор по время второго возвратно-поступательного движения поршня может более сильно охлаждать текущую из высокотемпературной камеры назад в низкотемпературную камеру более теплую текучую среду.
Согласно одному предпочтительному усовершенствованию изобретения выпускной канал имеет клапан одностороннего действия, который выполнен с возможностью протекания лишь в направлении выпуска. Тем самым становится возможным вытекание текучей среды в выпускной канал для текучей среды и, тем самым, в резервуар, когда давление в высокотемпературной камере превышает давление в резервуаре. С другой стороны, текучая среда не может протекать из резервуара в высокотемпературную камеру.
Особо предпочтительным является прохождение выпускного канала для текучей среды, при рассмотрении в направлении выпуска, за клапаном одностороннего действия через образованное теплообменником или, прежде всего, одним теплообменником охлаждающее устройство. Тем самым текучая среда, которая протекла через клапан одностороннего действия, охлаждается и, тем самым, при необходимости, её давление, которое может быть выше, чем давление в резервуаре, согласуется с давлением в резервуаре.
Прежде всего, часть выпускного канала может быть образована вторичной ветвью теплообменника, через первичную ветвь которого проходит соединительный трубопровод для текучей среды между высокотемпературной камерой и низкотемпературной камерой. Вследствие этого текучая среда, которая течет в резервуар с дросселированным расширением, может отдавать тепло протекающей в первичной ветви во время первого возвратно-поступательного движения холодной текучей среде. Таким образом, становится возможным нагревать подаваемую из низкотемпературной камеры в высокотемпературную камеру холодную текучую среду посредством протекающей через выпускной канал в резервуар текучей среды, в то время как текущая в резервуар текучая среда охлаждается. Тем самым насос может эксплуатироваться особо эффективно, и внешние, например приводимые в действие электроэнергией, источники холода и/или тепла, не должны использоваться или должны использоваться лишь в незначительной степени.
Предпочтительно, впускной канал для текучей среды имеет клапан, который выполнен с возможностью протекания лишь в направлении впуска. В случае клапана речь идет, прежде всего, о клапане одностороннего действия или управляемом клапане, например магнитном клапане, который управляется посредством устройства управления клапаном. Благодаря этому, с одной стороны, может быть достигнуто то, что текучая среда может течь из емкости в низкотемпературную камеру, когда давление в низкотемпературной камере лежит ниже давления в емкости. С другой стороны, может быть предотвращено вытекание текучей среды в емкость.
Согласно одному усовершенствованию изобретения, предусмотрен механический или пневматический или электромагнитный привод поршня. Особо предпочтительным является привод поршня, механически развязанный от поршня, так что поршень может быть особо хорошо термически изолирован от окружающей среды.
Предпочтительно, поршень выполнен по меньшей мере частично магнитным, при этом привод поршня имеет две кольцевые катушки. При этом одна кольцевая катушка охватывает один конец, а другая кольцевая катушка - другой конец цилиндра. Далее, привод поршня имеет устройство управления для кольцевых катушек, которое выполнено так, что ток через кольцевые катушки течет таким образом, что в цилиндре генерируется магнитное поле, которое приводит к действие поршень в одном или в другом направлении движения поршня. Благодаря этому может быть реализован простой, механически развязанный от поршня привод поршня, так что устройство «цилиндр-поршень» может быть термически хорошо изолировано от окружающей среды.
Предпочтительно впускной канал, а также конец соединительного трубопровода для текучей среды оканчиваются в основании низкотемпературной камеры, а выходной канал, а также другой конец соединительного трубопровода для текучей среды входят в основание высокотемпературной камеры.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения насос расположен внутри емкости. Тем самым криогенный насос может быть простым образом термически изолирован от окружающей среды.
Прежде всего, насос согласно изобретению пригоден для транспортировки криогенной текучей среды из емкости низкого давления в находящийся под более высоким давлением буферный накопитель, который, например, является частью смесеобразующей системы приводного агрегата, который использует криогенную текучую среду в качестве топлива. В случае подобного приводного агрегата речь может идти, например, о двигателе внутреннего сгорания, газовой турбине или реактивном двигателе.
Преимущественным у насоса согласно изобретению является то, что он может быть использован не только для транспортировки топлива в направлении подключенного после насоса приводного агрегата, но также повышает давление криогенной текучей среды. При этом с помощью насоса согласно изобретению могут быть, например, достигнуты требуемые для работающих с внешним смесеобразованием двигателей внутреннего сгорания давления от примерно 0,2 до 0,5 МПа. С помощью насоса согласно изобретению могут быть также достигнуты давления от примерно 1,0 до 2,0 МПа, которые требуются для двигателя внутреннего сгорания, который работает при так называемом внутреннем смесеобразовании с ранним началом впрыска в начале хода сжатия. Кроме того, могут быть достигнуты давления от примерно 10 до 20 МПа для двигателей внутреннего сгорания, которые работают с впрыском топлива при позднем, например находящемся при примерно 5° перед верхней мертвой точкой, начале впрыска. Также, с помощью насоса согласно изобретению могут быть достигнуты и необходимые для реактивных двигателей в авиации или космонавтике давления впрыска для камер сгорания реактивных двигателей, которые лежат в области от примерно 3,0 до 5,0 МПа.
Диаметр поршня насоса может находиться, например, в области между 1 2 и 20 мм. так что, в целом, может быть реализован очень компактный насос с относительно малой интенсивностью подачи примерно от 1 до 10 грамм в секунду жидкого водорода, который особо пригоден для использования в автомобилях с работающем на водороде двигателем, прежде всего, в легковых автомобилях, но также и в грузовых автомобилях.
Примеры осуществления изобретения описаны ниже при помощи прилагаемого рисунка.
На фиг.1 схематически показана блок-схема топливной системы.
Изображенная топливная система 1 включает в себя емкость 3 низкого давления для криогенного водорода, резервуар 5 для криогенного водорода, и насос 7 для подачи криогенного водорода из емкости 3 в резервуар 5. Насос 7 имеет цилиндр 9. в котором расположен поршень 11, который может выполнять происходящие вперед и назад в направлении продольной оси цилиндра возвратно-поступательное движение.
Поршень 11 разделяет внутреннее пространство цилиндра на низкотемпературную камеру 13 и высокотемпературную камеру 15. Как понятно из чертежа, объем низкотемпературной камеры 13 при происходящем в направлении I хода поршня первом возвратно-поступательном движении поршня 11 уменьшается, тогда как объем высокотемпературной камеры 15 увеличивается. Наоборот, при происходящем в противоположном направлении II хода поршня втором возвратно-поступательном движении поршня 11 объем высокотемпературной камеры 15 уменьшается, тогда как объем низкотемпературной камеры 13 соответственно увеличивается, так что общий объем низкотемпературной камеры 13 и высокотемпературной камеры 15 остается постоянным.
Как также понятно из чертежа, в ограничивающем низкотемпературную камеру 13 основании 17 цилиндра 9 оканчивается впускной канал 19. который подключен к емкости 3. Кроме того, из ограничивающего высокотемпературную камеру 15 основания 21 цилиндра 9 выведен выпускной канал 23, к которому подключен резервуар 5. Кроме того, между низкотемпературной камерой 13 и высокотемпературной камерой 15 проходит трубопровод 25 для текучей среды, один конец которого оканчивается в основании 17. а другой конец - в основании 21.
Соединительный трубопровод 25 для текучей среды проходит, начинаясь из низкотемпературной камеры 13, через регенератор 27 и затем через теплообменник 29. При этом регенератор 27, а также первичная ветвь (не показана) теплообменника 29 образуют часть соединительного трубопровода 25 для текучей среды.
Выпускной канал 23 для текучей среды имеет клапан 31 одностороннего действия и проходит, при рассмотрении в направлении выпуска, за клапаном 31 одностороннего действия через вторичную ветвь 33 теплообменника 29, так что вторичная ветвь 33 образует часть выпускного канала 23 для текучей среды. Выпускной канал 23 для текучей среды оканчивается, при рассмотрении в направлении выпуска, за вторичной ветвью 33 в резервуаре 5.
В случае первичной ветви и вторичной ветви 33 теплообменника 29 речь идет, соответственно, о трубопроводах для текучей жидкости, которые термически связаны между собой, так что может происходить обмен тепловой энергией между протекающей во второй ветви 33 текучей средой и протекающей в первой ветви текучей средой.
Впускной канал 19 имеет клапан 35, через который может протекать поток в направлении впуска, то есть из емкости 3 низкого давления в направлении низкотемпературной камеры 13. В случае клапана 35 речь может идти, прежде всего, о клапане одностороннего действия или об управляемом устройством управления (не показано) магнитном клапане.
Согласно описанному варианту осуществления предусмотрен электромагнитный привод для поршня 11. Привод включает в себя две кольцевые катушки 37a, 37b, при этом соответственно одна катушка 37a, 37b охватывает один конец цилиндра 9. Через кольцевые катушки 37a, 37b от непоказанного управляющего устройства может пропускаться электрический ток таким образом, что он генерирует внутри цилиндра 9 магнитное поле, которое приводит в движение по меньшей мере частично выполненный магнитным поршень 11 по выбору в одном или в другом направлении I, II хода поршня.
Емкость низкого давления 3 заполнена до показанного для примера уровня 39 криогенным водородом. Температура криогенного водорода может составлять, например, около 23 Кельвинов. Кроме того, давление в емкости 3 низкого давления может составлять около 0,2 МПа. В противоположность этому, давление и температура в резервуаре 5 могут быть более высокими. Например, температура криогенного водорода может составлять там около 35 Кельвинов, а давление - около 2 МПа.
Далее на примере насосного цикла будет описан принцип действия насоса 7 или топливной системы 1. При этом поршень 11 сначала выполняет происходящее в направлении 1 хода поршня первое возвратно-поступательное движение. При этом поршень 11 движется от основания 21 к основанию 13, так что объем высокотемпературной камеры 15 увеличивается, а объем низкотемпературной камеры 13 соответственно уменьшается. При этом содержащийся в низкотемпературной камере 13 криогенный водород через соединительный трубопровод 25 выжимается в высокотемпературную камеру 15. При этом холодный водород в регенераторе 27 нагревается с охлаждением регенератора 27. Кроме того, водород в первичной ветви теплообменника 29 нагревается до лежащей выше температуры в резервуаре температуры TW.
Для этого теплообменник 29 включает в себя нагревающее устройство 41, которое включает в себя, например, нагревательную спираль, которая намотана вокруг первичной ветви. Кроме того, происходит нагревание протекающего через первичную ветвь водорода посредством вторичной ветви. Из нагревания криогенного водорода следует, прежде всего, изохорное повышение давления текучей среды в высокотемпературной камере 15. при этом после достижения уровня давления в резервуаре 5 водород через клапан 31 может протекать при дросселированном расширении через выпускной канал 23 для текучей среды и вторичную ветвь 33 в резервуар 5.
При происходящем в противоположном направлении II хода поршня втором возвратно-поступательном движении поршня 11 поршень 11 движется от основания 17 к основанию 21. При этом объем низкотемпературной камеры 13 увеличивается, в то время как объем высокотемпературной камеры уменьшается. Оставшийся в высокотемпературной камере 15 водород течет через соединительный трубопровод 25 для текучей среды и, тем самым, через первичную ветвь теплообменника 29. при этом не происходит никакого приема или отдачи тепла, так как теплообменник 29 на основании первого возвратно-поступательного движения имеет по существу такую же температуру TW, какую имеет текущая назад из высокотемпературной камеры 15 текучая среда. Затем текучая среда течет через холодный из предыдущей фазы поршня регенератор 27, так что водород охлаждается регенератором 27. Вследствие этого давление в низкотемпературной камере 13 снижается ниже давления в емкости, так что из емкости 3 в низкотемпературную камеру 13 может течь дополнительный водород. Как только поршень 11 достигнет основания 21, насосный цикл заканчивается, и может начаться, в соответствии с предыдущим описанием, новый цикл подачи водорода из емкости 3 низкого давления к резервуару 5.
В описанном варианте осуществления преимуществом является то. что последовательное расположение регенератора 27 и теплообменника 29 в соединительном трубопроводе 25 для текучей среды, с одной стороны, вызывает изохорное нагревание с соответствующим повышением давления подаваемого из низкотемпературной камеры 13 в высокотемпературную камеру 15 криогенного водорода. Оставшийся в высокотемпературной камере 15 остаток криогенного водорода, который не вытек через клапан 31 в резервуар 5, регенеративно охлаждается с понижением давления в регенераторе 27 и затем подогревается вытекающим из емкости 3 низкого давления водородом, и в теплообменнике 29 с использованием выделяющегося при изентальпийном дросселировании текущего в резервуар 5, прежде всего сверхкритического, водорода тепла снова доводится до температуры TW.