DE19835285C1 - Vorrichtung zur Bereitstellung einer kryogenen Flüssigkeit - Google Patents

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.