DE19835285C1 - Vorrichtung zur Bereitstellung einer kryogenen Flüssigkeit - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer kryogenen Flüssigkeit weist einen Vorratstank 1 auf, welcher mittels einer Zuleitung 2', 2'' mit einem Verbraucher 3 verbunden ist. Ein Zwischenspeicher 4 ist vorgesehen, welcher über einen ersten Leitungsteil 2' der Zuleitung mit dem Vorratstank 1 verbunden ist und über einen zweiten Leitungsteil 2'' der Zuleitung mit dem Verbraucher 3 verbunden ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer kryogenen Flüssigkeit
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem Vorratstank und einer Zuleitung,
mittels welcher die kryogene Flüssigkeit zu einem Verbraucher geleitet wird.
Derartige Vorrichtungen werden regelmäßig dort verwendet, wo eine größere Menge
einer kryogenen Flüssigkeit benötigt wird. Dies ist insbesondere bei eine kryogene
Flüssigkeit verbrauchenden Verfahren wie beispielsweise Tumbler und Kutter zur
Behandlung von Fleisch oder Kühl- und Frostanlagen der Fall.
Die kryogene Flüssigkeit wie beispielsweise flüssiger Stickstoff (LN2) wird dabei in
einem speziellen großvolumigen Vorratstank, welcher regelmäßig von einer die
kryogene Flüssigkeit liefernden Firma bei Bedarf aufgefüllt wird, bereitgestellt. Übli
cherweise faßt ein derartiger Vorratstank etwa 2000 bis 50.000 Liter dieser kryoge
nen Flüssigkeit.
Wegen der Größe des Vorratstanks beziehungsweise wegen der Anlieferung der
kryogenen Flüssigkeit mit Spezialfahrzeugen muß der Vorratstanks fast immer in
größerer Entfernung vom Verbraucher angeordnet werden. Die Länge der Zuleitung
vom Vorratstank zum Verbraucher kann daher bis zu 200 Meter betragen.
Je nach Verbraucher ist die benötigte Menge an kryogener Flüssigkeit pro Zeitein
heit nicht sehr groß. Häufig wird die kryogene Flüssigkeit dem Verbraucher auch in
Intervallen zugeführt. Die dem Verbraucher zugeführte kryogene Flüssigkeit befindet
sich daher häufig längere Zeit in der Zuleitung.
Damit sich die kryogene Flüssigkeit in der Zuleitung nicht zu stark erwärmt und in
den gasförmigen Zustand übergeht, ist es erforderlich, die Zuleitung mit einer Wär
meisolierung zu versehen. Es ist bekannt, die Zuleitung in einem Rohr zu führen,
welches ein Hochvakuum aufweist. Bei einer derartigen Hochvakuum-Isolierung
können Kosten entstehen in Höhe von etwa DM 800,00 bis DM 1.000,00 pro Meter.
Eine preiswertere Variante der Isolierung ist es, die Zuleitung mit hoch wirksamen
Isolierstoffen zu umhüllen. Zusätzlich kann die Zuleitung noch mit Gesteinswolle
ummantelt werden. Bei einer derartigen Isolierung können die Kosten aber immer
noch etwa DM 500,00 pro Meter betragen.
Aus der DE 197 04 362 C1 sowie der DE 194 04 361 C1 ist eine Betankungsein
richtung für kryogene Kraftstoffe zum Betanken von Fahrzeugen jeder Art mit unter
kühlter Flüssigkeit aus einer derartigen Betankungseinrichtung bekannt, bei der ein
Treibstofftank zur Betankung mittels einer Leitung für kryogene Medien mit einem
Speicherbehälter verbunden ist. Der Speicherbehälter ist innerhalb eines größeren
Speicherbehälters angeordnet, mit dem er mittels einer Leitung für kryogene Medien
verbunden ist. Der im größeren Speicherbehälter angeordnete Speicherbehälter
kann gegenüber dem größeren Speicherbehälter isoliert ausgeführt sein.
Desweiteren ist aus der DE 40 12 600 C2 ein Mikrotom bekannt, mit einer Kühl
kammer, mit einem von oben zugänglichen und beobachtbaren Kühlkammerraum, in
welchem ein Objekthalter zur Halterung eines zur bearbeitenden Objektes sowie ein
Bearbeitungswerkzeug für das Objekt angeordnet sind. Objekthalter und Bearbei
tungswerkzeug sind zur Einstellung einer gewünschten Temperatur mittels Heizwi
derständen gesteuert temperierbar. Des weiteren ist ein Vorratstank vorgesehen, zur
Aufnahme eines flüssigen Kryogens, der über eine in den Kühlkammerraum mün
dende Zuführleitung für verdampftes, gasförmiges Kryogen mit dem Kühlkammer
raum verbunden ist. Weiterhin ist ein beheizbares Element im Strömungsweg des
gasförmigen Kryogens zur Einstellung einer vorbestimmten Temperatur der Gasat
mosphäre in dem Kühlkammerraum vorgesehen. Das beheizte Element ist als ein
die Zuführleitung bildender Heizkörper ausgebildet, der in seiner zum Kühlkammer
raum gerichteten Seitenwand eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Mün
dungsöffnungen für das gasförmige Kryogen aufweist wobei der Heizkörper an den
Vorratstank über eine schlecht wärmeleitende Verbindungsleitung angeschlossen
ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine eingangs genannte Vorrichtung derart auszubil
den, daß die Zuleitung im wesentlichen ohne aufwendige Isolierung auskommt.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung ist ein Zwischenspeicher vorgesehen, welcher über einen er
sten Leitungsteil mit dem Vorratstank verbunden ist und über einen zweiten Lei
tungsteil mit dem Verbraucher verbunden ist. Der Zwischenspeicher ist in ähnlicher
Weise wie der Vorratstank wärmeisoliert.
Der Zwischenspeicher, dessen Fassungsvermögen regelmäßig nur einen Bruchteil
des Fassungsvermögens des Vorratstanks entspricht, läßt sich wegen seiner gerin
gen Größe mühelos in der Nähe des Verbrauchers anordnen. Hierdurch kann der
zweite meistens wärmeisolierten Leitungsteil, mittels welchem der Verbraucher mit
dem Zwischenspeicher verbunden ist, sehr kurz gehalten werden. Der erste Lei
tungsteil, mittels dem der Zwischenspeicher mit dem Vorratstank verbunden ist, ist
dementsprechend sehr lang. Regelmäßig beträgt die Länge des zweiten Leitungs
teils weniger als die Hälfte der Länge des ersten Leitungsteils. Häufig beträgt sie nur
ein Viertel oder ein Achtel. Sie kann aber auch weniger als ein Zehntel betragen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es in vorteilhafter Weise möglich, darauf
zu verzichten, den ersten Leitungsteil zu isolieren. Der erste Leitungsteil braucht
somit keine besondere Isolierung mehr aufzuweisen. Der Wärmeverlust des ersten
Leitungsteils kann größer als 20 Watt pro Meter sein. Er kann beispielsweise 30
Watt pro Meter betragen oder sogar größer als 35 Watt pro Meter, beispielsweise 40
Watt pro Meter sein. In der Regel wird der erste Leitungsteil allenfalls mit einer
Schutzisolierung versehen werden. So kann er mit einer Isolierung gegen Korrosion
oder mechanische Beschädigungen versehen sein oder einen Schutz gegen Berüh
ren der kalten Leitung aufweisen. Es braucht nur noch der zweite, sehr kurze Lei
tungsteil isoliert zu werden. Denn die dem Verbraucher zugeführte kryogene Flüs
sigkeit steht vor der Zuführung nur noch in dem zweiten Leitungsteil. Der Wärme
leitwert der Isolierung des zweiten Leitungsteils kann beispielsweise 1 bis 2 Watt pro
Meter betragen.
Damit die in dem zweiten Leitungsteil stehende kryogene Flüssigkeit sich nicht er
wärmt und in den gasförmigen Zustand übergeht, sollte der zweite Leitungsteil mit
einer Isolierung versehen werden. Die Isolierung hängt davon ab, wieviel Flüssigkeit
pro Zeiteinheit dem Verbraucher zugeführt wird. Ist die zugeführte Menge gering,
muß eine sehr gute Isolierung gewählt werden, ist die dem Verbraucher zugeführte
Flüssigkeitsmenge groß, sind nicht so hohe Anforderungen an die Isolierung zu
stellen. Wegen der Kürze des zweiten Leitungsteils kann in besonderen Fällen so
gar gänzlich auf eine Isolierung des zweiten Leitungsteils verzichtet werden.
Da der erste Leitungsteil keine Wärmeisolierung haben muß, kann auf eine Stan
dardleitung zurückgegriffen werden. Hierdurch ergibt sich ein sehr großer Kosten
vorteil. Denn, durch die fehlende Wärmeisolierung ist der erste Leitungsteil nicht nur
einfacher herzustellen, sondern läßt sich darüber hinaus auch bedeutend einfacher
handhaben, so daß sich die Leitungsinstallation wesentlich vereinfacht. In der Praxis
ergibt sich dadurch eine Kosteneinsparung von ca. 90%.
Durch den ersten Leitungsteil fließt nur noch dann eine kryogene Flüssigkeit, wenn
der Zwischenspeicher, nachdem er nahezu entleert wurde, wieder aufgefüllt wird.
Beim Auffüllen kann eine große Menge Flüssigkeit pro Zeiteinheit durch den ersten
Leitungsteil geschickt werden, so daß sich die Flüssigkeit nur kurzzeitig im ersten
Leitungsteil befindet und somit keine Zeit hat, sich zu erwärmen.
Um die Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit zu vergrößern und damit die Verweilzeit
der Flüssigkeit im ersten Leitungsteil zu verringern, wird der Querschnitt des ersten
Leitungsteils zweckmäßigerweise sehr groß gewählt. So ist es vorteilhaft, für den
ersten Leitungsteil ein Rohr mit einem Durchmesser von ca. 20 Millimeter zu ver
wenden. Aber auch bei einem Rohr mit einem Durchmesser von 15 Millimetern kann
die kryogene Flüssigkeit ohne wesentliche Erwärmung durch den ersten Leitungsteil
geschickt werden.
Als besonders zweckmäßig hat sich eine Ausführungsform der Erfindung herausge
stellt, bei der der erste Leitungsteil an seinem dem Zwischenspeicher zugewandten
Ende eine Abzweigung aufweist, mittels welcher während einer ersten Füllphase
sich in dem ersten Leitungsteil befindliches Gas abgeleitet werden kann. Denn,
wenngleich sich auch die im ersten Leitungsteil befindliche kryogene Flüssigkeit
während der Befüllung des Zwischenspeichers nicht wesentlich erwärmt, so geht
anfänglich ein sehr kleiner Teil der sich im ersten Leitungsteil befindlichen kryoge
nen Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand über.
Denn die Zeit zwischen zwei Füllvorgängen des Zwischenspeichers kann zwischen
wenigen Stunden und mehreren Tagen betragen. Um zu verhindern, daß sich das im
ersten Leitungsteil anfänglich entstandene Gas in den Zwischenspeicher gelangt,
wird es über die Abzweigung am Zwischenspeicher vorbei beispielsweise ins Freie
geleitet. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, daß der erste Leitungsteil in seinem
dem Zwischenspeicher zugewandten Ende ein Ventil aufweist, mittels dem die Zu
führung zum Zwischenspeicher während der Phase, während der das im ersten Lei
tungsteil entstandene Gas über die Abzweigung am Zwischenspeicher vorbeigeleitet
wird, verschließbar ist.
Nachdem die Abzweigung geöffnet und die Zuführung zum Zwischenspeicher ge
schlossen ist, wird vom Vorratstank kryogene Flüssigkeit in den ersten Leitungsteil
geleitet. Hierdurch entweicht zunächst das in dem ersten Leitungsteil befindliche
Gas aus dem ersten Leitungsteil. Durch die aus dem Vorratstank in den ersten Lei
tungsteil geleitete kryogene Flüssigkeit kühlt der erste Leitungsteil sehr schnell ab,
wodurch sich die nachfolgende kryogene Flüssigkeit nicht mehr wesentlich erwärmt,
und in ihrem flüssigen Zustand verbleibt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Temperatursensor vorgesehen ist, mittels wel
chem die Temperatur des sich an dem Zwischenspeicher zugewandten Ende des
ersten Leitungsteils in der Leitung befindlichen Mediums feststellbar ist. Mittels des
Sensors kann somit festgestellt werden, ob sich im ersten Leitungsteil noch Gas be
findet oder der erste Leitungsteil bereits wieder völlig mit einer kryogenen Flüssigkeit
gefüllt ist. Befindet sich im ersten Leitungsteil bereits wieder nur kryogene Flüssig
keit, so wird die Zuführung zum Zwischenspeicher mittels des Ventils geöffnet und
die Abzweigung geschlossen. Hierdurch gelangt die durch den ersten Leitungsteil
fließende kryogene Flüssigkeit sehr schnell in den Zwischenspeicher.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
Zeichnung.
Es zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Anordnung.
Wie der Zeichnung entnommen werden kann, ist ein Vorratstank 1 über einen ersten
Leitungsteil 2' mit einem Zwischenspeicher 4 verbunden. Der erste Leitungsteil 2' ist
über ein Haupt-Magnetventil 10 mit einem Auslaß 11 des Vorratstanks 1 verbunden.
Im Vorratstank 1 befindet sich flüssiger Stickstoff (LN2). Der flüssige Stickstoff wird
über einen Einlaß 12 in den Vorratstank 1 geleitet. Der flüssige Stickstoff wird re
gelmäßig mittels Tanklastwagen angeliefert. Der Vorratstank 1 hat, ein Fassungs
vermögen von etwa 30.000 Litern. Zur Vermeidung einer Erwärmung des flüssigen
Stickstoffs ist der Vorratstank 1 mittels Hochvakuum wärmeisoliert. Der Druck im
Vorratstank 1 beträgt etwa 1 bis 15 bar, vorzugsweise 6 bis 7 bar.
Der erste Leitungsteil 2' kann eine Länge von 50 bis 200 Meter haben. Eine übliche
Länge des ersten Leitungsteils 2' ist 70 Meter. Der Querschnitt des ersten Leitungs
teils 2' beträgt etwa 200 Quadratmillimeter. Der erste Leitungsteil besteht aus einem
nicht wärmeisolierten Rohr.
Am dem Zwischenspeicher 4 zugewandten Ende des ersten Leitungsteils 2' ist ein
Temperatursensor 6 vorgesehen, mittels dem die Temperatur des sich an der Steile
im ersten Leitungsteil 2' befindlichen Mediums feststellbar ist. Die Temperatur kann
zwischen minus 147°C und minus 196°C liegen. Der erste Leitungsteil 2' teilt sich
an seinem dem Zwischenspeicher zugewandte Ende in zwei Zweig auf. Beide
Zweige sind mit dem Zwischenspeicher 4 verbunden. Der erste Zweig ist mit einem .
Einlaß 17, der zweite Zweig mit einem zweiten Auslaß 16 verbunden. Im ersten
Zweig ist ein erstes Magnetventil 7 angeordnet. Im zweiten Zweig sind ein zweites
Magnetventil 8 und ein drittes Magnetventil 9 angeordnet. Zwischen dem zweiten
Magnetventil 8 und dem dritten Magnetventil 9 befindet sich eine erste Abzweigung
5.
Der Zwischenspeicher 4 hat ein Fassungsvermögen von etwa 600 Liter. Er ist in
ähnlicher Weise wie der Vorratstank 1 mittels Hochvakuum wärmeisoliert. An einem
ersten Auslaß 15 des Zwischenspeichers 4 ist ein zweiter Leitungsteil 2" ange
schlossen. Der zweite Leitungsteil 2" ist etwa 5 m lang und wärmeisoliert. Mittels
des zweiten Leitungsteils 2" ist ein Verbraucher 3 mit dem Zwischenspeicher 4 ver
bunden. Der Verbraucher 3 kann beispielsweise ein Tumbler oder eine Kühl- und
Frostanlage sein. Die vom Verbraucher 3 benötigte Menge an kryogener Flüssigkeit
kann etwa 5 bis 10 Liter pro Minute betragen. Sie kann in Intervallen von etwa 5 Mi
nuten Dauer und 5 Minuten Pause zugeführt werden. Zur geregelten Zuführung von
kryogener Flüssigkeit zum Verbraucher 3 ist ein viertes Magnetventil 14 im zweiten
Leitungsteil 2" angeordnet. An seinem dem Verbraucher 3 zugewandten Ende weist
der zweite Leitungsteil 2" eine zweite Abzweigung 18 auf, in welcher ein fünftes Ma
gnetventil 13 angeordnet ist.
Die dem Verbraucher 3 zugeführte kryogene Flüssigkeit wird über den zweiten Lei
tungsteil 2" dem Zwischenspeicher 4 entnommen. Der Druck im Zwischenspeicher 4
beträgt etwa 2 bis 5 bar. Für den Fall, daß sich im zweiten Leitungsteil 2" wegen ei
ner zu langen Verweildauer bereits Gas gebildet hat, wird zunächst das fünfte Ma
gnetventil 13 geöffnet und das sich im zweiten Leitungsteil 2" befindliche Gas über
die zweite Abzweigung 18 ins Freie geleitet. Nachdem das Gas aus dem zweiten
Leitungsteil 2" entfernt und der zweite Leitungsteil 2" wieder vollständig mit kryoge
ner Flüssigkeit gefüllt ist, wird das fünfte Magnetventil 13 geschlossen und das vierte
Magnetventil geöffnet, so daß dem Verbraucher 3 von Anfang an kryogene Flüssig
keit zugeführt werden kann.
Wenn der Zwischenspeicher 4 nahezu leer ist, wird das Haupt-Magnetventil 10 ge
öffnet. Da sich im ersten Leitungsteil 2' wegen der langen Verweilzeit Gas gebildet
hat, wird zunächst das zweite Magnetventil 8 geöffnet und das erste Magnetventil 7
sowie das dritte Magnetventil 9 geschlossen. Hierdurch wird erreicht, daß das sich in
dem ersten Leitungsteil 2' befindliche Gas während einer ersten Füllphase über die
erste Abzweigung 5 ins Freie strömt. Durch die vom Vorratstank 1 in den ersten
Leitungsteil 2' geleitete kryogene Flüssigkeit kühlt sich der erste Leitungsteil 2' sehr
schnell ab, so daß die Flüssigkeit nach sehr kurzer Zeit nicht mehr in den gasförmi
gen Zustand übergeht. Wird mittels des Temperatursensors 6 festgestellt, daß sich
an dem Zwischenspeicher 4 zugewandten Ende im ersten Leitungsteil 2' kryogene
Flüssigkeit befindet, wird das zweite Magnetventil 8 geschlossen und das erste Ma
gnetventil 7 geöffnet. Hierdurch gelangt über den Einlaß 17 des Zwischenspeichers
4 kryogene Flüssigkeit in den Zwischenspeicher 4.
Da sich im Zwischenspeicher 4 im Laufe der Zeit Gas gebildet haben kann, bleibt
das dritte Magnetventil 9 zunächst geöffnet, so daß das von der in den Zwischen
speicher 4 geleiteten Flüssigkeit verdrängte Gas über den zweiten Auslaß 16 und
die erste Abzweigung 5 entweichen kann. Nachdem der Zwischenspeicher 4 ausrei
chend mit kryogener Flüssigkeit gefüllt ist, werden das erste Magnetventil 7 und das
dritte Magnetventil 9 wieder geschlossen.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Bereitstellung einer kryogenen Flüssigkeit mit einem Vorratstank
(1) und einer Zuleitung (2', 2"), mittels welcher die kryogene Flüssigkeit zu einem
Verbraucher (3) geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Zwischenspeicher (4) vorgesehen ist, welcher über einen ersten Leitungsteil
(2') der Zuleitung, welcher keine besondere Kälteisolierung aufweist, mit dem Vor
ratstank (1) verbunden ist und über einen zweiten Leitungsteil (2") der Zuleitung,
dessen Länge weniger als die Hälfte der Länge des ersten Leitungsteils beträgt, mit
dem Verbraucher (3) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Leitungsteil (2') an seinem dem Zwischenspeicher (4) zugewandten
Ende eine erste Abzweigung (5) aufweist, mittels welcher während einer ersten Pha
se sich in dem ersten Leitungsteil (2') befindliches Gas abgeleitet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Temperatursensor (6) vorgesehen ist, mittels welchem die Temperatur des
sich am dem Zwischenspeicher (4) zugewandten Ende des ersten Leitungsteils (2')
in der Leitung befindlichen Mediums feststellbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes Ventil (7) vorgesehen ist, mittels dem der erste Leitungsteil (2') an
seinem dem Zwischenspeicher (4) zugewandten Ende während der ersten Phase
verschließbar ist.
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