DE2009088C3 - Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffes - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines LuftschiffesInfo
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Description
enge Grenzen gesetzt sind.
Eine andere bekannte Lösung (deutsche Offen-
legungsschrift 1 481 223, S. 5, 1. Absatz) besteht darin,
Methan oder Wasserstoff als Auftriebsgas zu verwen-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb den und als Ballastausgleich Dieselöl zu tanken und
eines Luftschiffes, bei dem ein Auftriebsgas verwendet 65 dann Teile des Gases synchron mit dem Dieselöl zur
wird, das leichter als Luft und brennbar ist. wie Erd- Antriebsenergie zu verbrauchen. Analog arbeitet ein
gas oder Methan, und das für den Energiebedarf des aus der österreichischen Patentschrift 84 023 bekann-
; gebraucht wird. tes Verfahren, bei dem als Auftriebsausgleich flüssiger
SS ^ ^ ™jl dem
kannten Verfahren arbeu«:mk Luf^chif ^ bestimmte
Traglast ein,go b. „Auf ^^1^
bzw. be. best.mmtei Auf.nc^o'umen
sprechend dem Kraftstoffuntul
kapazität. Vn^rhlu- (Giff ird
Ein schon se r any bekanm r VorscM^. (O.ff aru.
1855. I ans gem udiim,
Dampfmaschine angc nebene.Lu ftsch,.f.
Dampfmaschine angc nebene.Lu ftsch,.f.
Verbrauch der Kohle
durch Verhe.zen ^15^^^,8^ wenn
triebs-Leuchtgases zu korpperis.ercr, Selbst vvenn
von den Nachteden des^Dampfen eJ
bedingt dieses Verfahre einersJtsJ^ ^ f
n.cht gasförmiger Br ennstoffJ^d ande«erseIt ,« d e
Umsetzung des Auft lebs-^uch^ es bs7er us ver
Verbrennungssauerstoff mitgeführt wird, womit noch zusätzlich ein nicht unerhebliches Totgewicht durch
die Hochdruck'Sauerstofftanks notwendig ist.
Alle diese Lösungen haben den Nachteil, daß, bezogen auf eine bestimmte Nutzlast, das Volumen des
Luftschiffs weit größer sein muß, als dies allein aus dem für die Nutzlast benötigten Auftriebsgas-Volumen
notwendig wäre. Dieses speziell für den Ausgleich der durch den Kraftstoffverbrauch hervorgerufenen Auftriebsunterschäede
benötigte Volumen des Luftschiffs ist erheblich und bringt wesentliche Nachteile im Her-Stellungsaufwand,
im Luftwiderstand, in der Windempfindlichkeit u. dgl. mit sich.
Grundsätzlich fällt unter diese Verfahrensweise auch eine andere bekannte Variante, nach der das mit
laufendem Verbrauch an festen oder flüssigen Kraftstoffen überschüssige Auftriebsgas einfach abgelassen
„rird was allerdings nur für sehr billige Auftriebsease
ί Fra»e kommen dürfte. ~
Ein ^aus der deutschen Patentschrift 460 963 he- *°
kanntes Verfahren versucht eine konstruktiv auf wen-Jiice
Lösung, welche zudem nur dann funktionsfähig ist" wenn das Brenngas keine eigene Auftriebswirkune
lu'fweisttz B Blaugas beim LZ 127, schwerer als Luft,
, 5 ko.m3_ 30000 m3 mit 14000 kcal/m3 und —0,2 kc
Auftrieb'm3 Normale Betankuna mit flüssigem Kraft"-So!
■ 3000 kg) " ~
-in orundsätzlich anderes bekanntes Verfahrensnrinzip"besteht,
insbesondere bei dem nicht brennhären aber wertvollen Auftriebst Helium, darin 3"
Heutsche Patentschrift 679 023, TjSA.-Patentschrift
' 598 002) das beim Verbrauch des K -aftstoffs in den
Abgasen"'enthaltene Wasser wiederzugewinnen und
ils"Ballastwasser an Bord zu behalten, om wenigstens
nicht die volle zum Kraftstoffverbrauch äquivalente MeL an (teurem) Auftriebsgas in die Atmosphäre
abasten zu müssen (LZ 130, über 100°;. Auftriebsausgleich
durch Ballastwasser aus Abgasen!)
Dieses bekannte Verfahrensprinzip besitzt hinsieht-Hch
des notwendigen weit größeren Volumens des Luft- 4» schiffs die gleichen Nachteile wie die vorhergehend
iSrichenen Verfahren
ta?S sTnd «hiÄ auch Verfahren, be, denen
dem Auftriebsgas Wasserdampf entweder zur Reduzieruns
der Feuergefahr (deutsche Patentschrift « "TioiljoderalsWärmeträgerzurAurhcizunefUSA,
triebsgases ungenutzt bleiben muß, wobei zwangläufig die sich hauptsächlich aus dem großen Auftnebsvolumen
ergebenden schon vorhergehend genannten Nachteile unvermeidlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffs zu schaffen, mit dem die
Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden, bei dem also insbesondere ein verbessertes Verhältnis
von Nutzlast zu Auftriebsgasvolumen sowie eine vereinfachte
Auftriebsregulierung zum Ausgleich verbrauchten Kraftstoffs erreicht wird.
Demgemäß besteht die Erfindung in einem Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß die beim Verbrauch des; Auttriersgases
anfallenden Umsetzungsprodukte Wasser und/oder Wasserstoff für den Ersatz des durch den
Verbrauch des Gases hervorgerufenen Auftriebsyerlust
herangezogen werden, indem das während des Betriebes
bei der Verbrennung des Gases entsteh=:: .* passer
zu Wasserdampf erhitzt und der Wasserdampf ebenso wie der durch Umsetzung von Gas mit Wasserdampf
erzeugte Wasserstoff besonderen Traggaszellen des Luftschiffes zugeführt wird.
Bei einer gegebenen Nutzlast benötigt das erlindungsgemäße
Verfahren ein ganz erheblich geringeres LuIischiffvolumen
bzw. eine spezifisch geringere Gasfüliungsmenge und besitzt mithin entsprechend größere
Wirtschaftlichkeit. Bei einem bestimmten LuftbChitlvolumen
ist mit dem erfindungsgemaüen Ver aluen
natürlich umgekehrt eine entsprechenderheblichen.
UuiA.^i gewährleistet. Letzten Endes wird durch die
Ausschaltung der Notwendigkeit zur Mitnahme win
flüssigem Kraftstoff auch eine sehr wesentliche Uefahrenquelle ausgeschlossen.
Insbesondere ist es crfindungsgcmaL vorteiinan,
wenn der Wasseranteil der UmseUungsprodukte des
verbrauchten Gases durch Abkuhlu"g un^On^
saüon aus dem Abgas abgesch^dennndvorzugwe^
in Wärmetauschern mit Abwarme der Verbrennung
einrichtungen wieder zu Wasserdampf ^wan^t
wird, welcher beispiclswc.se zu 62,5 /„ des - asseran
teils des verbrauchten Gases in Traggaszellen des Luf.schiffs geführt wird, und da bei auch,zum Au, ,gleich
für den Auftrieb von mit etwa 00 C*^mer ^
für den Auftrieb von mit etwa 0 f ^ ^
gefüllten Ausgle.chszellen des Luftschiffs dient bc.
die warme Luft mindestens te.lwc.se vom Aasscr-
Sases ^X
Ab eSί daUvgon daß Ts zuletzt genannte Veri
Wi i Zh it dem
^^^jS* werden dadurch erzielt daß
Ab eSί davon daß Ts zuletzt genannte e Methan (CH4) und andere Koh.env^ssersto fc^^urc
fahren in keiner Weise im Zusammenhang mit dem 5<>
Umsetzung ^Wasserdampf über KaUl>sa tore η
Auftriebsausgleich für verbrauchten Kraftstoff, son- (ζ. B. Chromoxid/Z.nkox.d oder N.ckelox.d) zu Wa
dem lediglich für die Höhenstabilisierung beschrieben d Khld nd Kohlend.o*^ nach
ist (wofür energiemäßig ein Unterschied von mehreren
feiser £ä
(ζ. B. Chromoxid/Z.nkox.d oder N.ckelox.d) zu Wa
serstoff und Kohlenmonoxid und Kohlend.o*^ nach
e.nander oder nebeneinander ^n
gr»„dsä,2lich« Nach,eil verbunden, da» das Auflritta-
dampf bzw. einem gesättigten Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch unabhängig von der Temperatur der
Atmosphäre stabil gehalten wird, wobei auch die Flughöhe reguliert wird.
Im einzelnen arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, daß die im Erdgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe,
insbesondere das Methan, durch partielle Oxidation mit Wasserdampf teilweise zu gasförmigem
Wasserstoff umgesetzt werden, und zwar entsprechend den entweder nacheinander oder auch
nebeneinander ablaufenden Umsetzungsreaktionen:
CH4 + H2O = CO +3 H2
CO + H,0 = CO, + H2
CH4 + 2 Ή,Ο = CO2 + 4 H,
CO + H,0 = CO, + H2
CH4 + 2 Ή,Ο = CO2 + 4 H,
(D (2) (3) »5
Diese für den im Erdgas hauptsächlich vorkommenden Kohlenwasserstoff Methan (CH4) im Beispiel angegebene Umsetzung gilt erfindungsgemäß für andere
Kohlenwasserstoffe analog, z. B.
C1H18 -!■ 8 HoO = 8 CO i 17 H, (4)
8 CO -;- 8 \{~O - 8 CO, - 8 CO., (5)
CJ\lH -i- 16 H2O - 8 CO2 i 25 Fi2 " (6)
Dabei erfolgt die Umsetzung der Kohlenwasser-Stoffe vorzugsweise dadurch, daß sie, z. B. das Methan,
durch Umsetzung über Katalysatoren (z, B. Cr-Oxid mit Zinkoxid, Ni-Oxid od. dgl.) zu Wasserstoff und
Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid gespalten werden, wonach das Kohlendioxid durch Ausfrieren abgeschieden
werden kann.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, jeweils ein Quantum Erdgas zu entnehmen und dessen Auftrieb
durch Wasserdampf zu ersetzen, wobei man weniger als das Volumen des verbrauchten Erdgases durch
Dampf von 100 C ersetzen muß, wenn die Temperatur des reinen Erdgases kleiner ist als 57 C. Im allgemeinen
wird man anstreben, das Erdgas mit noch niedrigerer Temperatur einzufüllen. Dann ist die den
Auftrieb ersetzende Dampfmenge kleiner als das verbrauchte Erdgasvolumen. Das Luftschiff wird dabei
durch Luftzufuhr in die Ausgleichszellen bzw. durch den Gasdruck im Zwischenraum der Doppelwandlung
der Prallhülle in bekannter Weise prall gehalten. Bei Sattdarnpf unter normalem Atmosphären- oder einem 4S
bestimmten Partialdruck in Mischung mit anderen Gasen kann man große Wärmemengen zu- oder abführen,
ohne daß sich dabei die gegebene Dampftemperatur ändert. Damit ist die Temperatur einer
Gasmasse auf längere Zeit gleichzuhaltcn, solange die Sattdampfbedingungen bei Voll- oder Teildruck vorhanden
sind.
Wenn Erdgas oder anderes Traggas infolge einer höheren Temperatur größeren Auftrieb als Wasserdampf
von 100 C haben, kann auch mehr als das verbrauchte Volumen an Erdgas durch Dampf ersetzt
werden.
Dies geschieht z. B. durch die Verbrennung von Erdgas nach der Gleichung
CH4 -i- 2O2 (aus Luh) ---■-■. CO2 f 2 H2O,
wobei CO2 entweicht. Durch Abkühlung der Motorabgase
läßt sich das 2 H2O praktisch vollständig niederschlagen.
Es genügen schon 1 Mol H2O für das verbrannte Mol Methan, wenn letzteres 57 C .latte und
dabei denselben Auftrieb wie Wasserdampf erzeugt. Bei einer Metalltemperatur von 100 C ist jedoch
1,25 H2O zuzusetzen, um den Auftrieb glcichzuhalten.
60 Bei Umsetzung eines anderen Teiles Methan mit Wasserdampf in einem Reaktionsofen mit Katalysatoren wie ZnO, Cr2O3 oder Ni-Oxiden bei 400 bis
800 C erhält man über die Gleichung (1) 3 Mol H2.
Hierbei entsteht 2,6 kp Auftrieb für einen verbrauchten Kubikmeter Methan von 100 C
Bei Umsetzung von 2 Mol H2O mit einem Mol
Methan von 100 C erhält man ohne Abscheidung des CO, 4 Mol H2 von 100 C entsprechend 4 kp neuem
Auftrieb. Nach Abkühlung und Ausscheidung des CO2 und Wiedererwärmung des Wasserstoffs auf
100 C erhält man nach Abzug von 0,77 kp/m3 Auftrieb durch das umgesetzte Methan 4,14 kp neuen Auftrieb.
Man kann diese zusätzlichen zwei Volumina Wasser stoff nicht im Luftschiff unterbringen, ohne das vor
dem Aufstieg in größere Höhe vorzusehende Luftvolumen der Ausgleichszellen zu sehr einzuschränken.
Die Anwendung dieses Verfahrens empfiehlt sich jedoch vor dem Start, um Wasserstoff als maximal
tragfähiges Auftriebsgas in die Tragzellen ein-uiuhren.
Diese Methode ist zugleich sehr wirtschaftlich m bezug auf die Kosten der Füllung für eine größere
Nutzlast, da bei der zunehmenden Verteilung Frd.-.iin
vielen Orten leicht erhältlich ist.
Infolge der geringen Wärmekapazität des \V;;-serstoffs
ist man in der Lage, auch für Fahrten in gr>>; orer.
Zeitabständen nach Abkühlung den vollen Auftrieb durch maßige Wärmezufuhr wieder herzustellen.
Dabei wird man die Wärmezufuhr \orzugs,wci-c
durch Sattdampf so einstellen, daß die Temperatur tier
Auftriebsgase konstant gehalten wird. Dabei kann auch die Erwärmung von W'asserstoff empfehlenswert
sein, obwohl man je Kubikmeter nur geringe Auftrxh-steigerung
von 2? g/m:l bei 100 C erzielt. D.ihe:
wächst aber das Volumen auf das 1,367LiJlIe. so da:'·
ein Kubikmeter Wasserstoff von ü C stau i .20 kp nr durch Erwärmen auf 100 C !.64 l-.p;m:i Auftrieb
erzeugt.
Es ist ferner empfehlenswert, den durch Spaltung aus dem Erdgas erzeugten Wasserstoff durch Alpineren
von CO, zu befreien und in Brennstoffzellen /um
Erzeugen elektrischer Energie fur den Antrieb tics
Luftschiffes oder mindestens der Hilfsantriebc. /. H. der elektrischen Zentrale, zu verwenden.
Die Füllung von Luftschiffen mit aus Erdgas erzeugtem Wasserstoff empfiehlt sich insbesondere in arktischen
Gebieten zur Vergrößerung der Nutzlast an Öl oder Mineralien. Es wird hierzu vorgeschlagen, am
Lastabgabeort den Wasserstoff wieder gegen eine Dampffüllung bei einem Elektrizitäiswcrk auszutauschen.
Am Ladeort für öl oder Erz wird man dafür den den Dampfauftrieb ausgleichenden großen Wasserballast
gegen öl, Erz od. dg1, austauscnen sowie zur
Erzielung einer besonders großen Nutzlast den Dampf gegen Wasserstoff auswechseln, wenn kein Erdgas
aufzunehmen ist. Der Wasserstoff kann immer aus Kohlenwasserstoffen flüssiger Art durch einen der
vorgenannten Reaktion ähnlichen l'rozeß erzeugt wer den, wenn ausschließlich öl abgebende Quellen vorliegen.
Die den Auftrieb erzeugenden Gase können auch
auf verschiedenen Temperaturen mit Hilfe der Sattdampfbedingungen gehalten werden, wenn als HeizzwischcnmiUel
eine Mischung von Dampf und einem Gas verwendet wird, so daß ein beliebig kleiner Partialdruck
des Wasserdampfes die Sattdampftemperatur bestimmt. Auf diese Weise kann man auch den Dampf
unter einem geregelten Druck auf einer etwas höheren Temperatur als 100 C mit absoluter Garantie halten,
soweit das mit dem Material der Hülle zu vereinbaren ist. Auf diese Weise ist es möglich, derartige Luftschiffe
in der einen Transportrichtung auch mit weniger Ballast ausschließlich mit Luft zu betreiben, wenn nur
wenig Nutzlast vorliegt. Eine im Betrieb auftretende größere Abwärmemenge der Antriebsmotoren wird
dadurch abgeführt, daß der Dampfheizkörper über ein Überdruckventil eine entsprechende Menge Dampf
ableitet und in einem gr' 3en Wärmeaustauscher entspannt,
der vom Antriebsluftstrom des Luftschiffes gekühlt wird. Die aus der Motorenabwärme erzeugte
Dampfmenge kann dann beliebig groß sein.
409 649/112
Claims (5)
- ,j einem bekannten Verfahren dieser Art (ZiοI-
» einem , ,..„_.. w„„i„„ der Akademie1959, S. 235)■α ι Tranon« in einem i-uhsmhh verwendeter ÄeSofT SenS S Luftschiff reise. dem Auf-Ssisvo umen entzogen und zur Energieerzeugung nrdl Fortbewegung verbraucht. Der mit fortschre.-ei dem Verbrauch an Auftriebswasserstoff eintretende SchwTnd an Auftriebsenergie wird dadurch kompensiert daß der als Auftriebsgas verbietende Wassers off dem Verbrauch entsprechend mehr und mehr erwärTwird. Auf diese Weise ,st der Verbrauch an Auftriebsgas zur Energieerzeugung auf e.ner Luftschiff eise nur auf einen Teil des Auftnebsgases beschränkt, weil ein wesentlicher Anteil des AuftriebseasS nicht entbehrt werden kann. Außerdem ist der Lm auftrieb notwendige und nicht zur Energieerzeugung einsetzbare Gasanteil n.cht unbegre^t hoch ^rufrmb-r und zwar einerseits wegen der Grenzen de Matenalbeanspruchung der Luftschiffhülle und andererseits wegen der Wärmeverluste he. hohen Temperaturen und der damit gegebenen Unw.rtschaftlichkeit des Verfahrens.Es ist -luch bekannt (schweizerische Patentschrift 49 511) beim Antrieb von Luftschiffen durch gesondert mi'teeführie flüssige bzw. feste Kraft- bzw. Brennstoffe dk warmen Abgase aus der Energieerzeugung teilweise in das Auftriebsgas einzuleiten um damn den bei Luftschiffhüllen älterer Bauart üblichen Gav.erlust durch Diffusion des Auftriebsgases durch die Ballonhülle auszugleichen. Für dieses bekannte Verfahren ist das Mitführen fester bzw. flüssiger kraft- bzw Brennstoffe für die Erzeugung der hortbewe-"uncsenenzie Voraussetzung. Damit aber ergibt sich der~Npchteil, daß die Auftriebsenergie und mithin auch das Volumen des Auftriebsgasvolumen, der Billon- bzw Prallhüllc auch für das Tragen der nut-Patentansprüche:J. Verfahren zum Betrieb eines Luftschiffes, bei dem ein Auftriebsgas verwendet wird, das leichter als Luft und brennbar ist, wie Erdgas oder Methan, und das für den Energiebedarf des Luftschiffs gebraucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Verbrauch des Auftriebsgases anfallenden Umsetzungsprodukte Wasser und/oder *° Wasserstoff für den Ersatz des durch den Verbrauch des Gases hervorgerufenen Auftriebsverlust herangezogen werden, indem das während des Betriebes bei der Verbrennung des Gases entstehende Wasser zu Wasserdampf erhitzt und der Wasserdampf >5 ebenso wie der durch Umsetzung von Gas mit Wasserdampf erzeugte Wasserstoff besonderen Traggaszellen des Luftschiffs zugeführt wird. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasseranteil der Umsetzungsprodukte des verbrauchten Gases durch Abkühlung lind Kondensation aus dem Abgas abgeschieden und vorzugsweise in Wärmetauschern mit Abwärme der Verbrennungseinrichtungen wieder zu Wasserdampf umgewandelt wird, welchrr beispielsweise zu 62,5 "u des Wasseranteils des verbrauchten Gases in Traggaszellen des Luftschiffs geführt wird, und dabei auch zum Ausgleich für den Auftrieb von mit etwa 100 C warmer Luft gefüllten Ausgieichszellen des Luftschiffs dient, wobei die warme Luft mindestens teilweise vom Wasserdampf verdrängt wird.
- 3. Veifahren nach Anspruch 1 und, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Methan (CH1) und andere Kohlenwasserstoffe durch Umsetzung mit Wasserdampf über Katalysatoren (z. B. Chromoxid/Zinkoxid oder Nickeloxid) zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid und Kohlendioxid nacheinander oder nebeneinander gespalten werden.
- 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Erdgas-Kohlenwasserstoffen erzeugte Wasserstoff als Betriebsstoff für Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird, womit Hilfsgebläse oder Elektromotoren für Groögebläse zum +5 Strahl-Antrieb des Luftschiffs für normale Fluggeschwindigkeit angetrieben werden, während Spitzenleistungen durch leichtgewichtige Wärmekraftmaschinen unmittelbar mit Auftriebsgas gedeckt werden.
- 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gase in einer in bekannter Weise gegen Wärmeverluste isolierten Traggashülle über Wärmezufuhr mittels Sattdampf bzw. einem gesättigten Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch unabhängig von der Temperatur der Atmosphäre stabil gehalten wird,wobei auch die Flughöhe reguliert wird.
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