Titel Wärmeübertragungseinrichtung für die Kältebereitstellung in Kühlfahrzeugen, deren Kraftfahrzeugmotor mit LNG angetrieben wird

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft die Kältebereitstellung für Kühlfahrzeuge, die tiefkaltes verflüssigtes Erdgas LNG (liquified natural gas) als Antriebsenergie nutzen. Stand der Technik

Tiefkaltes verflüssigtes Erdgas, das für den Antrieb von Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt wird, verdampft man zum Zwecke der Regasifizierung üblicherweise mit Hilfe von Umgebungsluft und/oder Motorabwärme. Die dabei frei werdende energetisch wertvolle Kälteleistung bleibt vielfach ungenutzt, was aber nicht zwangsläufig so sein muss. Vielmehr sollte diese zurückgewonnen und dem Kühlfahrzeug als Transportkälte zur Verfügung gestellt werden.

Der Stand der Technik hält dazu folgende, in Patentschriften dokumentierte technische Lösungen bereit.

In den Druckschriften DE 195 31 122 und EP 0 788 908 wird eine Kühleinrichtung beschrieben, die den Transportraum eines Kühlfahrzeuges kühlt, dessen

Kraftfahrzeugmotor mit regasifizierten LNG betrieben wird. Das in einem

kälteisolierten Tank mitgeführte, tiefkalte LNG wird über ein hermetisch

geschlossenes System in den Transportraum gepumpt und dort in einem

Wärmeübertrager durch Wärmeaufnahme aus der umgewälzten Transportraumluft verdampft. Parallel zu diesem Wärmeübertrager ist zusätzlich ein

Latentkältespeicher geschaltet, der aus dem Speichermaterial ebenfalls Wärme an das zu verdampfende, hermetisch abgeschlossene LNG abgibt. Das verdampfte LNG strömt schließlich als gasförmiger Brennstoff zum Motor. Ist der LNG- Fluss bei Motorstillstand unterbrochen, so kann die Kühlung des Transportraumes mit Hilfe des Kältespeichers aufrecht erhalten werden, indem die umgewälzte Raumluft die Speichermasse erwärmt. Dargestellt wird in der

Druckschrift ein Sattelzug mit einer Sattelzugmaschine, die den LNG-Tank enthält, und mit einem Sattelauflieger, der den Transportraum mit dem Luftkühler und dem Kältespeicher enthält. Die flüssiges LNG zuführende Leitung und die verdampftes LNG abführende Leitung, und damit auch die Sattelzugmaschine und der

Sattelauflieger, können mit Hilfe von Kupplungen unter herrschendem

Betriebsdruck leckagefrei getrennt werden. Bei dem dann unterbrochenen

LNG- Fluss kann der Kältespeicher die Kühlung fortsetzen. Die vorgeschlagene Kühltechnik hat den Vorteil der sehr einfachen Gestaltung. Dem steht jedoch ein wesentlicher Nachteil gegenüber, nämlich dass das gesamte aus der Pumpe, den Leitungen, den Kupplungen und den Wärmeübertragern bestehende System der Gefahr ausgesetzt ist, dass die mit der tiefen, bis -161 °C reichenden

Temperatur des LNG einhergehende verringerte Materialbelastbarkeit eine

Undichtigkeit verursacht, die dazu führt, dass brennbares Erdgas in den

Transportraum und in die Umgebung des Transportfahrzeuges gelangt.

In der DE 10 2010 020476 ist ebenfalls ein mit tiefkaltem LNG angetriebenes Kühlfahrzeuge beschrieben, bei dem parallel zum LNG- Tank unter Inkaufnahme eines beachtliche Kostenaufwandes ein zusätzlicher Tank, der tiefkalten

verflüssigten Stickstoff enthält, mitgeführt ist. Dessen Regasifizierung macht in einem dafür vorgesehenen Wärmeübertrager wertvolle Kälteleistung für das im Transportraum gelagerte Kühlgut verfügbar, und zwar sowohl während des Fährbetriebes als auch während des Stillstandes bei abgeschaltetem Motor, wobei der entstehende gasförmige Stickstoff gefahrlos an die Umgebung abgeführt wird. Die parallele oder alternative Nutzung der durch die

Regasifizierung des tiefkalten LNG freigesetzten Kälteleistung erfolgt beim Betrieb des Motors unter dem vorbeschriebenen gewichtigen Gefahrenpotential des brennbaren Erdgases. Schließlich wird für Kühlfahrzeuge, die mit tiefkaltem LNG betrieben werden, in den Druckschriften WO 2011/141287 und US 2013/0055728 eine technische Lösung vorgeschlagen, die zur Rückgewinnung der Kälteleistung mit einem flüssigen, nichtbrennbaren Zwischenmedium arbeitet und so die vom Erdgas ausgehende Gefahr im Bereich des Transportraumes ausschließt. Dargestellt ist ein Sattelzug mit Zugmaschine und Auflieger, in dem sich wie üblich der zu kühlende Transportraum befindet. In diesem wird die zum Zwecke der Kühlung aus umgewälzter Luft abzuführende Wärme in einem Wärmeübertrager an das Zwischenmedium übertragen. Dieses wird mit Hilfe einer Pumpe in einem geschlossenen Wärmeübertragungskreislauf geführt, der aber mit Hilfe von Kupplungen und teilweise flexiblen Leitungen trennbar ist. Das Zwischenmedium transportiert dabei die aufgenommene Wärme zu einem zweiten, auf der

Zugmaschine nahe dem LNG- Speicher und dem Verbrennungsmotor platzierten Wärmübertrager, um sie hier an das mit einer Pumpe zugeführte LNG zu übertragen. Was das Gefährdungspotential der durch die tiefe Temperatur bedingten Materialbelastung einerseits und des brennbaren Erdgases

andererseits betrifft, so kann die kompakte, sich mit kurzen Leitungswegen begnügende Anordnung der von LNG beaufschlagten Komponenten auf der Zugmaschine als vorteilhaft angeführt werden. Einen wesentlichen Nachteil weist jedoch das vorgeschlagene Verfahren der Übertragung der Wärme an das LNG auf. Es erfolgt rekuperativ über eine das Zwischenmedium und das LNG trennende Wand. Deren Oberflächentemperatur auf der vom Zwischenmedium beaufschlagten Seite unterscheidet sich wegen des sehr geringen

Transportwiderstandes der Wärmeleitung durch die dünne Wand einerseits und des Wärmeübergangs an das verdampfenden LNG andererseits nur sehr geringfügig von der Temperatur des LNG. Das Zwischenmedium muss deshalb so beschaffen sein, das es bis hinab zur Temperatur des LNG, also bis -161 °C, nicht gefriert und fließbar ist. Ein derartiges flüssiges Zwischenmedium, von dem zusätzlich noch zu fordern ist, dass es im Falle einer Leckage für die Umwelt, insbesondere für das im Transportraum gelagerte Kühlgut, unschädlich ist, steht nur äußerst begrenzt und dann auch nur sehr kostenaufwendig zur

Verfügung. Zudem erfordert dessen Förderung zum Wärmeübertrager des Transportraumes wegen der tiefen Temperatur und der durch sie bewirkten hohen Viskosität des Zwischenmediums eine hohe Pumpleistung. Die vorgeschlagene Technik ist somit ebenfalls nicht zufriedenstellend.

Aufgabenstellung

Aus dem vorbeschriebenen Stand der Technik, insbesondere aus dessen

Nachteilen, leitet sich die erfinderische Aufgabenstellung ab.

Diese besteht im Wesentlichen in der Entwicklung einer Wärmeübertragungs- einrichtung zur Bereitstellung von Transportkälte für Kühlfahrzeuge, die mit tiefkaltem verflüssigtem Erdgas angetrieben werden. Dabei soll dem Kühlraum und dem darin befindlichen Kühlgut durch Luftumwälzung Wärme entzogen und nachfolgend an das zu verdampfende LNG übertragen werden, was allerdings voraussetzt, dass das sehr tiefe Temperaturniveau des LNG, das bis -161 °C betragen kann, sicher beherrscht wird. Insbesondere ist die Gefahr abzuwenden, dass in einem Schadensfall Erdgas NG (natural gas) in den Kühlraum des

Kühlfahrzeuges und/oder in einen geschlossenen Raum, in dem das Kühlfahrzeug eventuell abgestellt ist, eintritt. Befindet sich der Kühlraum im Sattelauflieger eines Sattelzuges, so ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass sich die

Sattelzugmaschine, in der sich der LNG- Tank befindet, vom Sattelauflieger einfach trennen lässt.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellungen sind geeignete technische Mittel anzugeben.

Lösung der Aufgabenstellung

Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen. Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass die Kühlluft im

Transportraum des Kühlfahrzeuges nur bis tiefstens -30 °C abzukühlen ist, dass also für den Wärmetransport zum LNG eine sehr hohe treibende

Temperaturdifferenz zur Verfügung steht, die es zulässt, die Wärmeübertragung über ein flüssiges Zwischenmedium zu führen, um sich so gegen das dem tiefen Temperaturniveau des LNG anzulastende Gefährdungspotential, das heißt gegen die Verringerung der Materialbelastbarkeit und gegen die mögliche Leckage brennbaren Gases, abzusichern.

Zu diesem Zweck wird der thermische Widerstand Rth = DT / Q, das heißt, der Quotient aus der treibenden, am Widerstand Rth abfallenden

Temperaturdifferenz DT und der zu übertragenden Wärmeleistung Q des rekuperativen Wärmeübertragers, in welchem die Verdampfung des LNG erfolgt, gezielt so erhöht, dass die Temperatur der Wand, die den wärmeabgebenden vom wärmeaufnehmenden Stoffstrom trennt, auf der dem LNG abgewandten

Oberfläche so hoch ist, dass das sie benetzende Zwischenmedium nicht gefriert und sicher fließfähig ist. Wird die zulässige Abkühlung des Zwischenmediums nicht zu tief gefordert, zum Beispiel nur bis -85 °C, so sind geeignete Wärmeträger sehr gut verfügbar.

Das flüssige Zwischenmedium, von einer Umwälzpumpe im geschlossenen Wärmeträgerkreislauf gefördert, ermöglicht trotz strikter räumlicher Trennung die Wirkverbindung zwischen dem Luftkühler im Transportraum und dem

LNG- Verdampfer und damit die kompakt zusammenfassende,

einfach abzusichernde Anordnung der durch tiefkaltes LNG beaufschlagten Komponenten LNG- Speicher, LNG- Pumpe und LNG- Wärmeübertrager, zum Beispiel auf der Zugmaschine eines Sattelzuges, und bietet gleichzeitig einen kurzen Leitungsweg für das durch Regasifizierung produzierte brennbare Erdgas zum Verbrennungsmotor. Im Übrigen gestattet die Umweltfreundlichkeit des Zwischenmediums, dass der in gedämmten teilweise flexiblen Leitungen geführte Kreislauf mit Hilfe beidseitig absperrender Schnellverschlusskupplungen geöffnet werden kann, um beispielsweise den Auflieger eines Sattelzuges von der

Zugmaschine zu trennen. Vorteilhaft erfolgt die Wärmeübertragung an das LNG in einem aus kaltzähem Werkstoff gefertigten Rohrbündelwärmeübertrager, der das zu verdampfende LNG in den Rohren und das wärmeabgebende Zwischenmedium im Mantelraum führt und der so gestaltet ist, dass die in Folge der im Betrieb auftretenden großen zeitlichen und örtlichen Temperaturänderungen keine unbeherrschbaren mechanischen Spannungen verursachen. Vorteilhaft geeignet ist ein

Rohrbündelwärmeübertrager mit Schwimmkopf und zwei Mantelwegen.

Die Erfindung schlägt vor, in den Rohrbündelwärmeübertrager einen zusätzlichen, den üblich vorhandenen Widerstand gezielt erweiternden thermischen Widerstand einzufügen. Dieser wird erfindungsgemäß durch Anordnung koaxial verlaufender Schutzrohre erreicht, welche die LNG führenden Wärmeübertragungsrohre so umhüllen, dass ein hermetisch geschlossener mit einem trockenen Gas, beispielsweise Stickstoff oder Luft, zu füllender Zwischenraum entsteht, dessen geringe Schichtdicke zwischen den Rohren so auszulegen ist, dass sich auf der dem Zwischenmedium zugewandten Oberfläche des Schutzrohres die gewünschte ausreichend hohe Temperatur einstellt.

Als weitere sicherheitstechnische Maßnahme wird vorgeschlagen, den Druck des hermetisch zwischen den koaxialen Rohren und in den Freiräumen zwischen den Rohrplatten eingeschlossenen trockenen Gases deutlich niedriger zu wählen als den minimalen LNG- Druck, so dass der bei einer Undichtigkeit infolge

eindringenden Erdgases auftretende Druckanstieg den dafür vorgesehenen Sicherheitsdruckschalter und über diesen die Sperrung der LNG- Zufuhr auslöst. Der Nachteil, dass wegen des vergrößerten thermischen Widerstandes im

Rohrbündelwärmeübertrager für die Sicherstellung der erforderlichen

Wärmedurchgangsleistung die Wärmeübertragungsfläche erhöht werden muss, wird durch die nun gegebene Möglichkeit kompensiert, ein gleichermaßen wirksames wie kostengünstiges flüssiges Zwischenmedium zu wählen.

Diesbezüglich ist Therminol D12 eine vorteilhafte Lösung. Es handelt sich um eine synthetische Wärmeträgerflüssigkeit auf der Basis aliphatischer

Kohlenwasserstoffe, die als Wärmeträgerflüssigkeit bis hinab zu -85 °C nicht gefriert und pumpfähig ist, die bei einer Leckage im Störfall für die Umwelt unschädlich ist und die für gelegentliche unbeabsichtigte Kontakte mit

Lebensmitteln zugelassen ist. Das flüssige Zwischenmedium überträgt im Transportraum des Kühlfahrzeuges die Kälteleistung, das heißt, es nimmt aus der zu kühlenden Luft die zum LNG zu transportierende Wärme auf. Hierfür ist ein innen mit dem flüssigen

Zwischenmedium und außen mit der von einem Ventilator geförderten

Kühlraumluft beaufschlagter Rippenrohrwärmeübertrager eingesetzt.

Der Wärmeübergang außen ist durch hohe Rippen und durch die hohe

Strömungsgeschwindigkeit der Luft und der Wärmeübergang innen ist durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Zwischenmediums so günstig realisierbar, dass der thermische Widerstand des Wärmedurchgangs minimiert ist und die dadurch maximierte Temperatur des Zwischenmediums in eine reduzierte

Viskosität und damit in eine entsprechend geringe Antriebsleistung der den Zwangsumlauf sicherstellenden Umwälzpumpe resultiert.

Ausführungsbeispiel

Im nachstehenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung an Hand einer schematischen Darstellung in Figur 1 der erfindungsgemäß gestalteten

Wärmeübertragungseinrichtung für die Kältebereitstellung in Kühlfahrzeugen, deren Kraftfahrzeugmotor mit LNG angetrieben wird, näher erläutert.

Alle durch das vom LNG geprägten mit tiefem Temperaturniveau belasteten Bauteile bestehen aus kaltzähem Material. Alle auf tiefen Temperaturen

befindlichen Bauteile sind durch eine Dämmung vor unerwünschtem Wärmeeinfall geschützt.

Das im Kühlfahrzeug in einem Speicher mitgeführte tiefkalte LNG wird in dem dafür vorgesehenen Rohrbündel- Wärmeübertrager (9) regasifiziert, um als gasförmiges Erdgas (15) den Kraftfahrzeugmotor anzutreiben. Die hier für die Verdampfung des LNG benötigte Wärme wird durch den wärmeabgebenden Stoffstrom eines flüssigen Zwischenmediums (5) übertragen, das in einem hermetisch geschlossenen Wärmeübertragungskreislauf unter Nutzung flexibler Schlauchleitungen (7) und einer Umwälzpumpe (8) bei Ein- und Austritt (12, 13) des Zwischenmediums (5) in bzw. aus dem Mantelraum im Zwangsumlauf geführt ist und seinerseits die Wärme mit einem Rippenrohr- Wärmeübertrager (3) aus der im Transportraum des Kühlfahrzeuges mit einem Ventilator (2) umgewälzten Kühlluft (1) als Kälteleistung bezieht. Der LNG- Verdampfer ist als Rohrbündelwärmeübertrager (9) mit Schwimmkopf und zwei Mantelwegen ausgeführt, so dass die in Folge der im Betrieb

auftretenden großen zeitlichen und örtlichen Temperaturänderungen keine unbeherrschbaren mechanischen Spannungen verursachen.

Das am LNG- Eintritt (14) zugeführte tiefkalte LNG tritt über die

Wärmeübertragerhaube (16) ein und wird über einen Rohrboden (17) auf die LNG führenden Wärmeübertragungsrohre (18) verteilt, fließt zur Umlenkhaube (19) im Schwimmkopf des Rohrbündelwärmeübertragers (9), wird umgelenkt und fließt, wiederum in Wärmeübertragungsrohren (18) geführt, zum Rohrboden (17) zurück, um von dort in den oberen Teil der durch eine Trennwand geteilten

Wärmeübertragerhaube (16) zu gelangen und schließlich über den

Austrittsstutzen (15) teilweise oder vollständig regasifiziert, direkt oder über einen zusätzlichen mit Motorabwärme betriebenen Wärmeübertrager,

den Verbrennungsmotor des Kühlfahrzeuges zu erreichen.

Alle LNG führenden Wärmeübertragungsrohre (18) des Rohrbündel- wärmeübertragers (9) sind von koaxial verlaufenden Schutzrohren (21) umgeben, die von dafür vorgesehenen zusätzlichen Rohrböden getragen werden, so dass der Zwischenraum zwischen den LNG führenden Wärmeübertragungsrohren (18) und den Schutzrohren (21), wie auch die Räume zwischen den Rohrböden an den Enden, mit einem trockenen Gas (22) als Schutzgas gefüllt, als thermischer Widerstand wirken, der sich dem üblichen Transportwiderstand des

Wärmedurchgangs durch eine einfache Rohrwand überlagert. Aus dem damit gezielt vergrößerten, dem Wärmetransport vom Zwischenmedium (5) zum LNG entgegen stehenden thermischen Widerstand resultiert eine deutlich erhöhte treibende Temperaturdifferenz, was zur Folge hat, dass die

Oberflächentemperatur der vom Zwischenmedium (5) benetzten Schutzrohre (21) deutlich höher ist als diejenige des bis -161 °C kalten LNG. Unter dieser

Voraussetzung, das heißt bei entsprechender Wahl der in der Regel sehr dünnen Schichtdicke des trockenen Schutzgases (22), beispielsweise Stickstoff oder Luft, stehen Zwischenmedien (5) zur Verfügung, die weder gefrieren, noch wegen zu hoher Viskosität unpumpbar werden. Der Nachteil, dass wegen des vergrößerten thermischen Widerstandes im

LNG- Verdampfer für die Sicherstellung des erforderlichen Wärmedurchganges die Wärmeübertragungsfläche erhöht werden muss, wird durch die nun gegebene Möglichkeit kompensiert, ein gleichermaßen wirksames wie kostengünstiges flüssiges Zwischenmedium (5) zu wählen. Diesbezüglich ist Therminol D12 eine vorteilhafte Lösung. Es handelt sich um eine synthetische Wärmeträgerflüssigkeit auf der Basis aliphatischer Kohlenwasserstoffe, die als Wärmeträgerflüssigkeit bis hinab zu -85 °C pumpfähig ist, die bei einer Leckage im Störfall für die Umwelt unschädlich ist und die für gelegentliche unbeabsichtigte Kontakte mit

Lebensmitteln zugelassen ist. Das Zwischenmedium (5) tritt über den Stutzen am Eintritt (12) in den durch ein Trennblech (20) geteilten Mantelraum des

Rohrbündelwärmeübertragers (9) ein und strömt über die sich ergebenden zwei Mantelwege im Gegenstrom zum LNG zum Stutzen am Austritt (13).

Als weitere sicherheitstechnische Maßnahme wird vorgeschlagen, den Druck des hermetisch zwischen den koaxialen Rohren und in den Freiräumen zwischen den Rohrplatten eingeschlossenen trockenen Gases (22) deutlich niedriger zu wählen als den minimalen LNG- Druck, so dass der bei einer Undichtigkeit infolge eindringenden Erdgases auftretende Druckanstieg den dafür vorgesehenen Sicherheitsdruckschalter (24) und über diesen die Sperrung der LNG- Zufuhr auslöst.

Das flüssige Zwischenmedium (5) überträgt im Transportraum des Kühlfahrzeuges die Kälteleistung, das heißt, es nimmt aus der Kühlraumluft (1) die zum LNG zu transportierende Wärme auf. Hierfür wird ein innen mit dem flüssigen

Zwischenmedium (5) und außen mit der von einem Ventilator (2) geförderten Kühlraumluft (1 ) beaufschlagter Rippenrohrwärmeübertrager (3) eingesetzt.

Der Wärmeübergang außen ist durch hohe Rippen und durch die hohe

Strömungsgeschwindigkeit der Kühlraumluft (1) und der Wärmeübergang innen ist durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Zwischenmediums (5) so günstig realisierbar, dass der thermische Widerstand des Wärmedurchgangs minimiert ist und die dadurch maximierte Temperatur des Zwischenmediums (5) in eine reduzierte Viskosität und damit in eine entsprechend geringe Antriebsleistung der den Zwangsumlauf sicherstellenden Umwälzpumpe (8) resultiert. Im Übrigen gestattet die Umweltfreundlichkeit des Zwischenmediums (5), dass der in gedämmten, teilweise flexiblen Schlauchleitungen (7) geführte Kreislauf mit Hilfe beidseitig absperrender Schnellverschlusskupplungen (6) geöffnet werden kann, um beispielsweise den Auflieger eines Sattelzuges von der Zugmaschine zu trennen.

Bezugszeichenliste

LNG Verflüssigtes Erdgas (liquified natural gas)

NG Regasifiziertes Erdgas

Rth Thermischer Widerstand

Q Wärmeleistung

DT Temperaturdifferenz

PHZ Druck, oberer Grenzwert, Schutz durch Auslösung bzw.

sicherheitsrelevante Schaltfunktion

1 Kühlraumluft

2 Ventilator

3 Rippenrohrwärmeübertrager

4 Gedämmte Kühlraumwand

5 Wärmeübertragendes Zwischenmedium

6 Beidseitig absperrende Schnellverschlusskupplung

7 Flexible Leitung

8 Umwälzpumpe

9 Rohrbündelwärmeübertrager (mit Schwimmkopf und zwei Mantelwege)

10 Dämmung

11 Dämmung

12 Eintritt des Zwischenmediums in den Mantelraum

13 Austritt des Zwischenmediums aus dem Mantelraum

14 LNG- Eintritt

15 Austrittsstutzen für verdampftes LNG

16 Wärmeübertragerhaube mit Trennwand und LNG- Stutzen

17 Rohrboden

18 LNG führendes Wärmeübertragungsrohr

19 Umlenkhaube (im Schwimmkopf des Rohrbündelwärmeübertragers)

20 Trennblech (im Mantelraum des Rohrbündelwärmeübertragers) Schutzrohr (koaxial zum LNG führenden Rohr)

Trockenes Gas (als hermetisch eingeschlossenes Schutzgas)

Serviceventil

Sicherheitsdruckschalter (Schließt bei steigendem Druck die LNG- Zufuhr.)