DE1528919A1 - Vakuummantelheber fuer tiefsiedende Fluessigkeiten - Google Patents
Vakuummantelheber fuer tiefsiedende FluessigkeitenInfo
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Description
4939
3ο,Juli 1968
Dr.Ki-my
Neue Seite 1 ■ ..*"'V'.!:',:?" rl.t«»/:
Die Erfindung betrifft einen Vakuummantelheber für tiefsiedende
Flüssigkeiten·
Tiefsiedende Flüssigkeiten, wie Stickstoff, Wasserstoff oder
Helium, werden mit Hilfe von Vakuummantelhebern vom Verflüssiger
in Vorratskannen und aus diesen zum Verbraucher umgefüllt. Ein Vakuummantelheber besteht aus einem flüssigkeitsführenden Innenrohr, welches von einem Mantelrohr umschlossen
ist· Der Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohr ist evakuiert.
Die durch Wärmeeinstrahlung bedingte Wärmezufuhr zum flüssigkeitsführenden Innenrohr des Hebers verursacht VerdampfungsVerluste,
die beim Überhebern grösserer Mengen flüssigen Kältemittels
bzw. beim Dauerbetrieb, wie er beispielsweise bei Verdampferkryostaten
gegeben ist, insbesondere bei Helium wegen dessen
kleiner Verdampfungswärme beträchtlich sein können. Wegen der
hohen Verflüssigungskosten für Helium ist also die Wärmezufuhr
zum flüssigkeitsführenden Innenrohr eines Vakuummantelhebers so klein wie möglieh zu halten.
Eine Verminderung der eingestrahlten Wärmemenge lässt sich erreichen,
indem man Vakuummantelrohr und Innenrohr aufden einander
zugekehrten Oberflächen poliert oder in den Vakuumraua Jpj Superisolierungen einführt· Beide Hasenahmen ergeben zwar
m einen' gewissen Erfolg, reichen aber für viele Anwendung»fälle
-» nicht; aus. Insbesondere haben Superiolierungen häufig den
-^ Nachteil, durch Nachgasen das Vakuum in nicht zulässige» Maße
zm verschleoht«m
Ee wurde auch schon vorgetchlagen, ein· Heberleitung für
siges Helium mit flüeiigem Stickstoff zu kühlen. Der Vakuumraura des Heber· wird hier mit ein·» ptm&mms
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gefüllt und das Vakuummantelrohr wird durch einen aussen liegenden,
von flüssigem Stickstoff durchströmten Wärmeaustauscher kalt gehalten. Diese Methode hat den Nachteil, dass ein zweites
Kältemittel zur Kühlung des Hebers benötigt wird. Darüber hinaus
muss der Vakuummantelheber mit einer dicken Isolationsschicht umgeben werden, wenn Aneisen von aussen vermieden werden soll.
Dadurch wird der Heber so unhandlich, dass die Methode für viele Fälle nicht anwendbar ist.
Zur Verbesserung der bisher bekannten Vorrichtungen wird erfindungsgemäss
vorgeschlagen, in einem Vakuummantelheber für tiefsiedende Flüssigkeiten innerhalb eines Vakuummantelrohres
ein fltissigkeitsführendes Innenrohr mit einem gegenüber dem
Innenrohr wärmeisolierten Strahlungsschutzrohr zu umgeben und
an diesem Strahlungsschutzrohr ein Wärmeaustauscherelement
anzuordnen, welches an das Gasaustrittsrohr des Verbrauchergefässes
angeschlossen ist« Weiter ist vorgesehen, dass als Strahlung
schutzrohr ein auf der Aussenseite poliertes Kupferrohr und
als Wärmeaustauscherelement ein Kupferrohr verwendet wird, an
welches an beiden Enden je ein kurzes Rohrstück aus schlecht
wärmeleitendem Material angesetzt ist und dass sich die Lötverbindung
zwischen dem Wärmeaustauscherelement und dem Strahlungs
schutzrohr über einen Längenbereich, vorzugsweise über den überwiegenden Längenbereich des rohrförmigen Wärmeaustauscherelementes
erstreckt.
Ein im Vakuumraum des Hebers angeordnetes gekühltes Strahlungsschutzrohr,
welches das flussigkeitsführende Innenrohr umgibt,
vermindert die VerdarapfungsVerluste beim Oberhebern flüssiger
Kältemittel beträchtlich« Dies wird durch einen Vergleich der:
durch Strahlung vom Vakuummantelrohr (bisher üblicher Heber)
bftw· vom gekühlten Strahlungsschutz, (erfindungsgemässe** Heber)
zum Innenrohr gelangenden Wärmemengen deutlich (für die Abschätzung wurden für das Emissionsvermögen die Werte
Sc » O93 und£, matt * °·25* **ne Heberlänge von X m und
im Fall des gekühlten Hebers die in Fig. 1 b gezeigte Anordnung der Rohre zugrunde gelegtI)
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BAD
8 9.1 9
Μ· *~) wm
\ | Pemperatur äes Urnen- pohrs |
Temperatur des Vakuum mantels bzw. Strahlungs schutzes 7~X7 |
durch Strah lung über tragene Wärme (Q) /koal/hj7 |
-Λ . loo ^A |
2,92 10 "2 | 1,33 |
üblicher ■■ Vakuumman- te Hieber (A) |
4,2 | 293 | 0,219 | 100 | 0,7 10"5 | 0,3 |
Vakuumman- tG!heber mit gekühl tem Strah lungsschutz (B) |
4,2 | 100 | ||||
4,2 | 70 |
Die Kühlung des Strahlungsschutzrohres kann auf rationellste Weise durchgeführt werden, indem der noch relativ große Kälteinhalt des aus dem Verbrauchergefäß abdampfenden gasförmigen
Kältemittels ausgenutzt wird. Bei der Konstruktion des Wärmeaustauscherelementes
ist zu beachten, daß auf dem Wege über dieses Element keine Wärme in das Vorratsgefäß für das flüssige
Kältemittel gelangen darf. Dies ist durch den Einbau schlecht wärmeleitender Zwischenstücke an den Enden des Wärmeaustauseherelementes
zu erreichen. . f
In vielen Fällen, insbesondere bei Anwendung des Verdampfer- ;
prtßips· zur Erzeugung tiefer Temperaturen>
wird in der Tieftemperaturtechnik das V3?orratsgefäß für das flüssige Kältemittel
mit einem ständig darin verbleibenden Heber mit Absperrventil
und Kupplung ausgerüstet^^in. welchejoi^d^inn die zu den verschiedenen Verbrauchern führenden, Anschluj&ebejr eingekuppelt werden
können, in einem solchen Fa^'isiiies^Mclitiimöglich, in den
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Vakuummantel des zum Verbraucher führenden Hebers, wie
bisher üblich, auf der dem'Vorratsgefäß zugekehrten Seite
etwas Aktivkohle zur Verbesserung des Vakuums einzubringen.
Im Gegenteil würde hier die Aktivkohle als unerwünschte Wärmebrücke zwischen dem hier nicht im flüssigen.-Helium,
sondern in der Kupplung befindlichen und daher warmen Vakuummantel
und dem flüssigkeitsführenden Innenrohr wirken. Um auch einen solchen Heber mit der zur Vakuumverbesserung
bewährten Aktivkohle ausrüsten zu können, wird zweckmässig
die Kohle in einem siebartigen Behälter untergebracht, welcher entweder am flüssigkeitsführenden Inrienrohr oder, wo
dies nicht möglich ist, an der kältesten Stelle des gekühlten Strahlungsschutzes anzubringen ist.
Gegenüber den bisher bekannten und gebräuchlichen Vorrichtungen
hat ein Vakuummantelheber mit abgasgekühltem Strahlungsschutz den Vorteil, daß die Wärmeeinstrahlung zum flüssigkeitsführenden
Innenrohr erheblich vermindert ict . Damit ergeben sich
Einsparungen von flüssigem Kältemittel, die insbesondere bei Helium (ca. DM 75.— pro Liter Flüssigkeit) zu erheblichen
finanziellen Einsparungen führen können. Einen Fortschritt stellt auch die Kühlung des Strahlungsschutzes im Heber mit
dem ohnehin anfallenden Kaltgas aus dem Verbraucher gegenüber der bekannten Kühlung des Vakuummantels mit einem Hilfskältemittel
dar. Es entfällt die Bereithaltung und Handhabung des Hilfskältemittels und auch hiermit ist eine Kosteneinsparung
verbunden. Die vakuumdichte Ausführung des Hebers mit gekühltem Strahlungsschutz ist nicht schwieriger als beim normalen Heber,
so daß auch beim Einbau des Strahlungsschutzes die Eigenschaften des üblichen Hebers hinsichtlich Güte und Erhaltung des Vakuums
in vollem Umfang bestehen blei ben. Auf die Vorteile, die durch
die Einführung des Hebers mit abgasgekühltem Strahlungsschutz für spezielle Anwendungsfälle gegeben sind, wird im einzelnen
bei der Beschreibung der. Anwendungsbe^spiele hingewiesen.
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In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen;
Figur la einen Vertikalschnitt durch einen Vakuummantelheber
mit abgas gekühlt em Strahlungsschutz -} -
Figur Ib zwei Horizontalschnitte durch den Vakuummantelheber
mit abgasgekühltem Strahlungsschutz,
Figur 2 die schematische Schnittzeichnung eines als Verbindung zwischen Verflüssiger und Vorratsgefäß dienenden
Hebers mit abgasgekühltem Strahlungsschutz, -
Figur 3 die schematische Schnittzeichnung eines als Verbindung
zwischen einem Vorratsgefäß und einem Flüssigkeitskyostaten
dienenden Hebers mit abgas gekühlt; em
Strahlungsschutz.
Wie aus Fig. la.ersichtlich ist, besteht der Heber aus dem
flüssigkeitsführenden Innenrohr 1, welches auf der ganzen Länge von dem teilweise verjüngten, teilweise zu einer Dose
aufgeweiteten Vakuummantelrohr 2 umgeben ist. In dem aus dem
Vorratsgefäß oder der HeberkuSplung herausragenden Teil des
Hebers ist das Innenrohr 1 von einem innerhalb des Vakuummantels 2 angeordneten Strahlungsschutzrohr 3 umgeben. An das Strahlungsschutzrohr
3 (Cu) ist ein Wärmeaustauscherrohr 4 aus gut wärmeleitendem Material (Cu) auf nahezu der ganzen Länge
angelötet» Lediglich die beiden nach aussen mündenden Enden
und 42 des Wärmeaustauscher 4, von denen das Ende 41 in der
in Fig. la enthaltenden Teilschnittzeichnung des um 90° gedrehten
Hebers zu erkennen ist, bestehen aus einem schlechtwärmeleitendem Material (Edelstahl) und stehen nicht in wärmeleitendem
Kontakt mit dem Strahlungsschutzrohr 3· Damit ist
sichergestellt, daß weder über das mit dem Plansch 5 an die
nicht gezeigte, zum Rückgewinnungssystem führende Abgasleitung
angeschlossene Endstück 42 des Wärmeaustauschers 4 Wärme von ausen zum .Strahlungsschutz 3 gelangen kann, noch über das an :
den nichtgezeigten Verbraucher angeschlossene Endstück 41
des Wärmeaustauschers 4 Wärme vom Strahlungsschutz 3 zum Verbrau chor gelangen kann.1 Auf der dem Verbraucher zugekehrt&n
'-■.■;■■'. ' κ-
>
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Seite des Hebers ist an das Ende des Strahlungsschutzrohres 3
welches an dieser Stelle am kältesten ist, ein Sieb β angesetzt,
welches Aktivkohle enthält. Die auf der Saite des Verbrauchers auf den verjüngten Teil de.-: VakuunWtels 2 aufgesetzten
Dichtungsmanschetten 7 bewirkenj, daß das in den. -,Verbrai.
DexspaeL oweise
einströmende Kältemittel zunächst den Verbraucher ( / Verdampf erkryostat) durchströmt und dann in den Wärmeaustaurcher
des Hebers gelangt, und nicht im "Kurzschluß" unter Umgehung des Verbrauchers direkt vom Austritt aus dem Inn3nrohr 1 in
den Wärmeaustauscher 4 gelangen kann.
Die Lage der Rohre 1, 2, 3 und 4 ine.-nander ist aus den :'n
Pig. Ib enthaltenden Schnitten A-B u:id C-D ersichtlich,
<. .i-e den in Fig. la eingezeichneten Schnittlinien mit gleicher Bezeichnung
entsprechen. Schnitt A-B ζ ;igt außerdem die verschieden
geformten, aus dünnem Edelstahlb .ech bestehenden Abs" andsstücke
8 und ".9> mit denen die Rohre ., 2, 3 und 4 ineinander
zentriert sind. Es wird so eine hinriichend stabile Halterung
der Rohre ineinander erreicht, ohne laß Wärme von einem !.ohr
zum anderen gelangt, wo dies nicht e 'wünscht ist. Schnitt· C-D
zeigt das Sieb β in der Aufsicht.
Die schematische Darstellung in Fig. 2 zeigt als Anwendungsbeispiel einen als Verbindung vom Verflüssiger 10 zum Vorratsgefäß 11 dienenden Heber mit abgasgekühltem Strahlungsschutz.-Er
ist in den Verflüssiger mittels d :r Ringverschraubung 12
und in das mit einem elastischen AnS'ihlußstück 13 ausgerüstete
Vorratsgefäß 11 "mittels der-Ringver.s ihraübung 14 gasdicht eingesetzt. Üblicherweise ist das Vorra .sgefäß 11 über die mit
einer Gummiblase 15 versehene Abgas! -itung 16 an die zum Gasbehälter
führende, .nicht gezeichnete Abgasleitung des Rüokgewinnungssystems
angeschlossen. Bei Vorwendung eines abgas;-gekühlten
Hebers muß diese Leitung j;doch durch das Vent:,1 1-7
verschlossen werden.
Die s chemat is ehe Darstellung in Fig» 3 zeigt als weiterer;
•Anwendungsbeispiel einen abgasgekühl en Heber zur kontinuier-
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lichen Nachfüllung eines unto? vermindertem Druck friedenden
Kältemittelbades bzw. speziell Heliumbades. Der Heber ist wiederum
mittels üblicher., hier nicht eingezeichneter Dichtungselement
ο einerseits in das Vorratsgefäß 11 für das flüssige·
Kältemittel bzw.. Helium, andererseits in den Flüssigkeitskryostaten
18 gasdicht eingesetzt. Die Abgasleitung 16 des Vorratsgefässes 11 ist in diesem Fall über den Flansch 19 an
den nicht gezeigten Gasbehälter angeschlossen. DJe Kühlung
des Hebers erfolgt mit dem im Kryostaten 18 anfallenden Kaltgas. Um das im Flüssigkeits'-.ryostaten 18 enthaltene Kältemlttelbsw.
Heliumbad unter vermindertem Druck sieden zu lassen, wodurch bekanntlich die Temperatur des Bades unter die normale
Siedetemperatur abgesenkt werden kann ^ muß das anfal]ende Gas
abgepumpt "werden. Der Wärmeaustauscher 4 des Hebers ist al nein diesem "^aIl über den Flansch 5 an eine nicht gezeichnete
Vakuumpumpe anzuschließen ^-Der Wärmeaustauscher 4 mnR dementsprechend
so dimensioniert serri,. daß der erforderl ehe Unterdruck
üb■-r dem Flüssigkeitsbnd ?m Kryostaten lS erzeugt werden
kann. Das flüssigkeitsführende Tnnenrohr 1 des Hebers ist hier
auf der Austrittsseite für d.'e Flüssigkeit-, d.h. der in den
Kryostaten einmündenden Seite mit einem von aussen betätigbaren
Ventil 20 ausgerüstet, welches die Möglichkeit bietet, das aus
dem Vorratsgefäß 11 mit der normalen Siedetemüeratur entnommene
flüssige Kältemittel bzw. Helium unter Entspannung und damit
Abkühlung in den Kryostaten 18 einzufüllen.
Die Verwendung ej'ncs abgasgekühlten Hebers bietet für den in
Fig. J dargestellten Fall der kontinuierlichen Nachfüllung von
unter vermindertem Druck siedenden Flüssigkeitsbädern, speziell Heliumbädern, große Vorteile. Da die Verdampfung von Kältemittel
innerhalb des Hebers durch die Kühlung weitestgehend unterdrückt wird, enthält" die zum Entspannungsventil gelangende FTüssigkeit
weit weniger C-as, als dies bei Verwendung eines üblichen Vakuummantelhebers
der Fall wäre. Beim Nachfüllen von Flüssigkeit durch ο in Entspannungsventil. In einen unter vermindertem Druck stehenden
Kryostaten ist aber der ^asanteil in der zum Entsnannungsventil
gelangenden r''lüsalgke"jt .im Hinblick auf die W-rtschaftlicbkoit
des Vorfai'^onn von-entscheidender Bedeutung. Ein--zu.
hoher '!annnto'T orrjalwert nämlicl] die Trennung von Gas und Flüs-
:ij.-:ko1\ v. ar.·,, rT. ρ ßnisp&nnung. 00981*8/0729
Claims (4)
- PATENTANSPRÜCHE( 1. Vakuummantulhobar für tief siedende' Flüssigkeiten, d a d u r c h V yp;' ο k ο η η ζ ο i ohne t, daß innerhalb eines Vakuummantolrohrs (2) ein flüssigkeitsführendes Ini;©nrohr (1) von einem gegenüber .dem Innenrohr (1) wärmeisolierten Strahlungsschutzrohr (3) umgeben ist, und daß an diesem Strahlungsschutzrohr (>) ein Warmeaustauscherelement (4) angeordnet ist, welches- an das Gasaustrittsrohr des VeKbrauehergcfässes angeschlossen ist..
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e. k e η η ζ ο ic hn e t, daß als Strahlungsschutzrohr (3) ein auf der Aussenseitc poliertos Kupferrohr vorgesehen ist.
- " 3· Vorrichtung nach Anspruch I5 d a d u r eh.ge kenn ζ ei c hn e t, daß als Wärmeaustauscherelement (4) ein Kupferrohr vorgesehen ist/ an welches an beiden Enden je ein kurzes Rohrstüek aus schlecht wärmeleitendem Material (41, 42) angesetzt istfc
- 4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und/5, da du r c h g e k ο η n~ z e i chn e ts daß sich die Lötverbindung zwischen dom Wärmeaustauschcrolemont (4) und dem Strahlungsschutzrohr (3) über einen Längenbereich, vorzugsweise über den überwiegende-n Längenboreich des rohrförmigen Wärmeaustauscherelementes (4) erstreckt.SAD ORiGlNAL-3'Leer.se i te
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