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Dokumentenidentifikation DE10229378A1 22.01.2004
Titel Verfahren zur Höhenregulierung eines mit Helium gefüllten Luftschiffes
Anmelder Hildebrandt, Heinz, 13088 Berlin, DE
Erfinder Hildebrandt, Heinz, 13088 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 26.06.2002
DE-Aktenzeichen 10229378
Offenlegungstag 22.01.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2004
IPC-Hauptklasse B64B 1/62
Zusammenfassung In einem mit Helium gefüllten Luftschiff wird ein Teil des Heliums durch überhitzten Wasserdampf als Traggas ersetzt. Durch das Wechselspiel von Erwärmung und Abkühlung des überhitzten Wasserdampfes wird der Auftrieb des Luftschiffes reguliert. Dabei wird erfindungsgemäß ein besonderer Effekt dadurch erreicht, dass alles Wasser an Bord verbleibt und nicht ins Freie abgegeben wird. So ist es möglich, alle vorkommenden Auftriebs- und Abtriebsprobleme eines Luftschiffes während des Fluges sowie während und nach der Landung ohne Ballastaufnahme zu lösen. Für den überhitzten Wasserdampf sind getrennte, wärmeisolierte Ballone im Luftschiff vorgesehen, die im Leerzustand erfindundungsgemäß senkrecht hängend in Schwebe gehalten werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Nutzung von überhitztem Wasserdampf für die Höhenregulierung eines mit Helium gefüllten Luftschiffes. Helium ist, wie bekannt, das am besten geeignete Traggas zum Betreiben eines Luftschiffes. Aber auch mit überhitztem Wasserdampf könnte man ein Luftschiff füllen. Die Verwendung von Wasserdampf wegen seiner Unbrennbarkeit wurde zum ersten Mal schon in der DE 214019 aus dem Jahre 1908 als Ersatz für das damals nicht genügend vertügbare Helium vorgeschlagen. Damals hat man damit gerechnet, dass Wasser verloren geht und ersetzt werden muss (... "das die Nachfüllung überall leicht geschehen kann" ... gemeint ist das Nachfüllen von Wasser). Auch in neuerer Zeit wurde dieser Gedanke vorgeschlagen (DE 1945608 von 1973). Jedoch erlangte überhitzter Wasserdampf bisher nur Bedeutung als Verbrennungswasser in Heißluftballonen im Gemisch mit heißer Luft und in kleinen Luftschiffen für Werbezwecke, die nach dem gleichen Prinzip wie Heißluftballone betrieben werden.

Die alleinige Verwendung von überhitztem Wasserdampf in einem Luftschiff wäre

wie bereits erwähnt, möglich, ergäbe aber keinen Vorteil gegenüber dem jetzt genügend verfügbaren Helium.

Ein Luftschiff wird nur dann erfolgreich sein, wenn es praktisch an jedem beliebigen Ort der Erde also auch in einer Wüste oder in arktischen Gebieten ohne große Vorbereitungen am Boden landen und vor allem seine Last absetzen und je nach Bedarf mit oder ohne neue Last- bzw. Ballastaufnahme weiterfliegen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein Teil des Heliums in einem mit Helium gefüllten Luftschiff durch überhitzten Wasserdampf als Traggas in getrennten Ballonen ersetzt wird. Erst die erfindungsgemäße, besondere Art der Kombination von Helium mit überhitztem Wasserdampf in einem Luftschiff ergibt eine Lösung, bei der die ganz verschiedenen, spezifischen, technischen Vorteile jedes der beiden einzelnen Traggase voll ausgenutzt werden. Das Helium erzeugt den notwendigen starken Auftrieb. Der überhitzte Wasserdampf, erfindungsgemäß angewendet, ermöglicht es, gemeinsam alle 6 im folgenden beschriebenen, verschiedenen, typischen Betriebszustände beim Betreiben eines Luftschiffes uneingeschränkt zu realisieren und nicht nur wie bei anderen Verfahren einen Teil davon:

  • 1. Start
  • 2. Höhenregulierung
  • 3. Kompensation des Auftriebs, der durch Verbrauchsmaterial während des Fluges entsteht.
  • 4. Das Landen
  • 5. Auftriebskompensation nach dem Ausladen der Nutzlast
  • 6. Erzeugung eines gewissen Bodendrucks zur Verankerung am Boden bzw. als Verankerungshilfe nach dem Ausladen der Nutzlast.

Die nachfolgenden allgemeinen Aussagen beziehen sich der Einfachheit halber auf Helium und Luft im Normzustand. Sie gelten aber auch entsprechend angepasst, wenn andere Druck- und Temperaturverhältnisse vorliegen. Der Nachteil von ca. 35% Auftriebsverlust durch Anwendung von überhitztem Wasserdampf an Stelle von Helium fällt bei der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Nutzung nicht sehr ins Gewicht.

Verwendet man nämlich das flüssige Wasser bzw. den überhitzten Wasserdampf bei dem Wechselspiel von Verdampfung und Kondensation im Kreislauf, so dass alles Wasser an Bord verbleibt und nichts nach außen abgegeben wird, dann entsteht bei der Kondensation ein ca. 1,8 mal größerer Abtrieb, als der durch den Wasserdampf erzeugte nutzbare Auftrieb. Auch ist dieser Abtrieb 1,2 mal größer als jener, der beim Ablassen einer volumengleichen Menge Helium entstünde.

Das erfindungsgemäße vorgeschlagene Verfahren eignet sich für alle Typen von Luftschiffen unabhängig davon, ob es sich um ein Prallluftschiff, ein Kielluftschiff, ein halbstarres oder ein starres Luftschiff handelt. Das gilt für Passagierluftschiffe ebenso wie für Luftschiffe zur Lastenbeförderung.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird die praktische Anwendung der Erfindung näher erläutert.

Angenommen ein Luftschiff mit 350.000 m3 Helium als Traggas soll maximal 100 t Nutzlast tragen. Erfindungsgemäß würde solch ein Luftschiff dann durch den Ersatz eines Teils des Heliums durch überhitzten Wasserdampf als Traggas modifiziert werden. Folgende angenommene Daten mögen als Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Kombination der beiden Traggasse Helium und überhitzter Wasserdampf dienen:

  • – Start eines Luftschiffes mit 100 t Nutzlast
  • – Maximale Auftriebszunahme während des Fluges durch Verbrauch von Material 20 t (vorwiegend Treibstoff)
  • – Maximal zu kompensierender Auftrieb nach dem Entladen von 100 t Nutzlast.
  • – Geforderter Bodendruck als Verankerungshilfe nach dem Entladen der Nutzlast 10 t (reicht bei Windstille oder bei nur geringem Wind)

Insgesamt ist also ein Abtrieb von 130 t erforderlich. Sinnvoll erscheint es, beim Start und während des Fluges als Temperatur für den überhitzten Wasserdampf 115 °C zu wählen. Diese Temperatur ist mit den derzeit zur Verfügung stehenden Hüllenmaterialien problemlos zu beherrschen. Eine angenommene Schwankung der Temperatur zwischen 110°C und 120°C beeinflusst nur geringfügig den Auftrieb. Das Luftschiff hätte dann entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren folgende wichtige Konstruktionsmerkmale:

  • – Gesamtvolumen der beiden Traggase 385.000 m3

    davon Helium 284.000 m3

    überhitzter Wasserdampf 101.000 m3

    entspricht 57 t Wasser
  • – Anteil des Heliums am Auftrieb 316 t
  • – Anteil des Wasserdampfes am Auftrieb 73t
  • – Abtrieb erzeugt durch Kondensation des gesamten Wasserdampfes 57t + 73t = 130t

Es wird geschätzt, dass die erfindungsgemäße Lösung auch gewichtssparend ist. Eine Gewichtsbilanz des Gewichts der Hilfsaggregate des hier vorgeschlagenen Kombinationsluftschiffes im Verhältnis zum Gewicht der Hilfsaggregate anderer Lösungsvarianten wird gewiss zu Gunsten des Kombinationsluftschiffes ausfallen. In der Praxis könnte das bedeuten, dass das Gesamtvolumen eines mit Helium und mit überhitztem Wasserdampf gefüllten Luftschiffes auch nicht größer ist, als das Volumen eines nur mit Helium gefüllten Luftschiffes. Beide volumengleichen Luftschiffe könnten demzufolge dann die gleiche Nutzlast tragen. (im obigen Beispiel nicht berücksichtigt) Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren eignet sich auch besonders gut zur Höhenstabilisierung eines Luftschiffes, das für Beobachtungszwecke, zur Bekämpfung von Waldbränden oder aus anderen Gründen kürzere oder längere Zeit über einen bestimmten Punkt der Erde unbeweglich stehen soll.

Die praktische Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung wäre sicher am besten mit mehreren mit überhitztem Wasserdampf gefüllten Ballonen im Innern eines Luftschiffes zu realisieren. Der Wärmeisolierung gegenüber dem Heliumbereich kommt dabei besondere Bedeutung zu.

Diese ist beispielsweise mit jeweils 3 konzentrisch ineinander angeordneten Ballonen erreichbar. Der innere Ballon kann die vorgesehene Menge an überhitztem Wasserdampf aufnehmen und entleert sich bei durch Ventilatoren unterstützter Abkühlung in Folge Kondensation des Wasserdampfes an den dafür installierten Kühlern. Die beiden äußeren Ballone haben nur einen geringen Abstand zueinander und sind mit vielen Stegen untereinander verbunden. Sie bilden so, mit einem bestimmten Gas gefüllt, unter Druck stehend, die Trennkammer zum Heliumbereich des Luftschiffes. Der Druck des Gases innerhalb dieser schalenförmigen Ballonkammer muss geringfügig größer sein, als der Gasdruck des umgebenden Heliums.

Um im Falle der Entleerung des mit überhitztem Wasserdampf gefüllten inneren Ballons ein völliges Zusammenfallen desselben zu vermeiden, wird weiterhin erfindungsgemäß vorgeschlagen, diesen Ballon im oberen Bereich so zu befestigen, dass die leere Ballonhülle über der Verdampfungsanlage hängt oder sie mit soviel Helium zu füllen, dass der Auftrieb des Heliumgases ausreicht um die Ballonhülle senkrecht hängend in Schwebe zu halten. Das begünstigt das völlige Entleeren dieses Ballons von Wasserdampf. Andererseits ist das Füllen des Ballons mit überhitztem Wasserdampf einfacher, wenn die leere Ballonhülle über dem Verdampfer schwebt.

Selbstverständlich wird die Temperatur des Wassers in gut wärmeisolierten Wassertanks während der Betriebszeit des Luftschiffes ständig nahe dem Kochpunkt gehalten. Für die Verdampfung des Wassers und die anschließende Überhitzung des Wasserdampfes auf beispielsweise 115 °C ist dann nur noch eine begrenzte Energiezufuhr verbunden mit sehr geringen Kosten notwendig.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur optimalen Höhenregulierung eines mit Helium gefüllten Luftschiffes, dadurch gekennzeichnet, dass ein bestimmter Teil des Heliums durch überhitzten Wasserdampf als Traggas in getrennten Ballonen ersetzt wird, wobei der überhitzte Wasserdampf je nach Bedarf durch Abkühlung und Wiedererwännung zur Regulierung des Auf- und Abtriebes in der Weise verwendet wird, dass ein Kreislauf des Wassers bestehend aus Verdampfen und Kondensation gebildet wird, bei dem alles Wasser an Bord verbleibt und kein Wasser ins Freie abgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge überhitzten Wasserdampfes so bemessen ist, dass sie bei der Kondensation den Auftrieb kompensieren kann, der durch Verbrauchsmaterial während des Fluges und nach dem Entladen der Nutzlast entsteht und die Kondensatmenge darüber hinaus zur anschließenden Erzeugung eines gewissen Bodendruckes durch das Luftschiff ausreicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich für die zur Aufnahme von überhitztem Wasserdampf dienenden Ballone im oberen Bereich eine Befestigungsvorrichtung befindet oder eine gewisse Heliummenge vorhanden ist, die so bemessen ist, dass sie ausreicht, die vom überhitzten Wasserdampf entleerten Ballonhüllen in senkrechter Lage hängend über die Verdampfer- und Kondensationsanlage zu halten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliummenge entweder direkt in die vom überhitzten Wasserdampf entleerten Ballone eingelassen wird und dort verbleibt oder im oberen Bereich dieser Ballonhüllen jeweils ein kleiner Teilballon zur Aufnahme der notwendigen Heliummenge vorhanden ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Wasserdampfballone groß genug ist, um die Volumenvergrößerung des überhitzten Wasserdampfes in Folge abnehmenden Außendruckes bei zunehmender Flughöhe bis zur festgelegten maximalen Flughöhe des Luftschiffes aufnehmen zu können.
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