DE19850911C2 - Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur mit einem Kühlungsbehälter zum Aufnehmen eines ersten tiefkalten Flüssiggases, einem Wärmetauscherkreislauf, der durch den Kühlungsbehälter und zu dem Verbraucher geführt ist und in dem ein zweites tiefkaltes Flüssiggas strömt, und einer Fülleinrichtung zum Ein- und Nachfüllen von Flüssiggas in den Wärmetauscherkreislauf.

Derartige Flüssiggas-Kühlungssysteme sind aus dem Stand der Technik beispielsweise zur Kühlung von Monochromotoren bekannt, bei denen Flüssigstickstoff bei Umgebungsdruck in einen isolierten Kühlungsbehälter eingefüllt wird, um das in dem Wärmetauscherkreislauf umlaufende zweite Flüssiggas, ebenfalls Flüssigstickstoff oder ein anderes geeignetes Gas zu kühlen. Der Wärmetauscherkreislauf hat einerseits einen Unterkühlungswärmetauscher, der im Flüssiggasbad in dem Kühlungsbehälter angeordnet ist, und andererseits einen üblichen Wärmetauscher, der mit dem Verbraucher wärmeleitend verbunden ist, um diesen zu kühlen. Es ist bekannt, daß bei Kühlsystemen dieser Art, das Problem auftritt, daß beispielsweise Flüssigstickstoff bei Umgebungsdruck (1 bar) eine Siedetemperatur von 77 K hat, so daß sich selbst bei Einfüllung von unterkühltem Flüssiggas mit der Zeit im Flüssiggasbad des Kühlungsbehälters eine Temperatur von 77 K einstellt, und daß das in dem Wärmetauscherkreislauf umlaufende Flüssiggas zur Kühlung des Verbrauchers nicht unter diese Temperatur abgekühlt werden kann.

Bei gewissen Anwendungen (z. B. bei Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Kabeln) sollte jedoch zum Erreichen und Aufrechterhalten des supraleitenden Zustands auf Temperaturen von weniger als 77 K abgekühlt werden. Auch andere Anwendungen bzw. Verbraucher des Flüssiggas-Kühlungssystems können eine Abkühlung auf Temperaturen unter 77 K bzw. unter die jeweilige Siedetemperatur (bei Umgebungsdruck) des verwendeten Flüssiggases erforderlich machen. Außerdem kann durch ein Absenken der Temperatur des tiefkalten Flüssiggases unter die Siedetemperatur sichergestellt werden, daß im Wärmetauscherkreislauf auch im Rücklauf einphasiges Flüssiggas vorliegt.

Flüssiggas-Kühlungssysteme, die das Erreichen und Aufrechterhalten von Temperaturen von weniger als 77 K gewährleisten, sind beispielsweise aus der DE 196 52 764 A1 bekannt.

Den bekannten Flüssiggas-Kühlungssystemen ist gemeinsam, daß ein Nachfüllen des Wärmetauscherkreislaufes während des Betriebes (unter Druck) nicht möglich ist. Die aus dem Stand der Technik (vgl. z. B. die DE 196 52 764 A1) bekannten Fülleinrichtungen zum Ein- und Nachfüllen von Flüssiggas in den Wärmetauscherkreislauf ermöglichen das Ein- und Nachfüllen nur während einer Betriebsunterbrechung. Dies führt zum einen dazu, daß auch kleinere Leckagen im Wärmetauscherkreislauf zum Trockenlaufen des Flüssiggas-Kühlungssystems im Dauerbetrieb führen. Zum anderen führt die fehlende Möglichkeit des Nachfüllens während des Betriebes dazu, daß keine kontinuierliche Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases aus dem Wärmetauscherkreislauf während des Betriebes möglich ist. Eine derartige kontinuierliche Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases ist jedoch bei bestimmten Anwendungen, z. B. zur Kühlung von Hochstromdurchführungen von HTSL-Kabeln, notwendig. Schließlich sind die bekannten Flüssiggas-Kühlungssysteme auch empfindlich gegenüber Störungen. So kann z. B. das Nachfüllen des Kühlungsbehälters Druckschwankungen im Wärmetauscherkreislauf und damit Temperaturschwankungen zur Folge haben.

Ausgehend von der zuvor beschriebenen Problematik liegt somit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Flüssiggas- Kühlungssystem anzugeben, welches einen störungsfreien Dauerbetrieb bei gleichzeitiger Möglichkeit der kontinuierlichen Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases aus dem Wärmetauscherkreislauf gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Fülleinrichtung einen druckgeregelten Versorgungstank für das zweite tiefkalte Flüssiggas aufweist, der zum Ein- oder Nachfüllen des Wärmetauscherkreislaufs mit einem Einfüll­ behälter strömungsverbunden ist, in welchem das zweite tiefkalte Flüssiggas in flüssiger Form vorliegt, und in welchen eine abgehende Leitung und eine zuführende Leitung des Wärmetauscherkreislaufs sowie eine mit dem Versorgungstank verbundene Einfülleitung einmünden, wobei die Einfülleitung und die abgehende Leitung im unteren Bereich des Einfüllbehälters einmünden.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht die Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks, auch oberhalb des Umgebungsdrucks, über eine Regelung des Drucks im Versorgungstank. Diese Druckregelung erfolgt in an sich bekannter Weise beispielsweise über eine geregelte Heizung im Versorgungstank und federbelastete Druckregler oder druckgeregelte Ventile. Über die Druckregelung im Wärmetauscher­ kreislauf ist gewährleistet, daß z. B. das Nachfüllen des Kühlungs­ behälters nicht zu Druckschwankungen im Wärmetauscherkreislauf führt. Der Versorgungstank kann auch durch Tankfahrzeuge mit Flüssigkeitspumpen unter Druck nachgefüllt werden, während das Flüssiggas-Kühlsystem weiter betrieben wird. Der Tankvorgang entspricht dabei dem Stand der Technik. Hierdurch ist ein auch über sehr lange Zeiträume kontinuierlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystem sichergestellt. Auch das Trockenlaufen des Flüssiggas-Kühlungssystems wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das relativ zu eventuellen Leckagen große Volumen des Versorgungstanks auch im Dauerbetrieb sicherstellt, daß stets genug Flüssiggas zur Füllung des Wärmetauscherkreislaufes zur Verfügung steht. Schließlich ist über das Volumen des Versorgungstanks auch zu gewährleisten, daß eine kontinuierliche Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases aus dem Wärmetauscherkreislauf ohne Beeinträchtigung der Funktion des Wärmetauscherkreislaufes möglich ist. Die Dimensionierung des Versorgungstankes erfolgt dabei nach den Anforderungen an den Wärmetauscherkreislauf. Der Einfüllbehälter ermöglicht das kontinuierliche Ein- oder Nachfüllen des Wärmetauscherkreislaufes ohne eine aufwendige Ventilanordnung.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Flüssiggas-Kühlsystem dadurch, daß eine Vakuumpumpe zum Abpumpen von gasförmigem ersten Flüssiggas aus dem Kühlungsbehälter vorgesehen ist, um den Innendruck im Kühlungsbehälter unter Umgebungsdruck zu senken oder zu halten. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Temperatur des ersten tiefkalten Flüssiggases dauerhaft unterhalb von 77 K liegt, was für gewisse Anwendungen zwingend erforderlich ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das erfindungsgemäße Flüssiggas-Kühlungssystem dadurch, daß der Wärmetauscherkreislauf mindestens eine Entnahmeeinrichtung zur Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases aufweist. Diese Entnahme wird erst durch die erfindungsgemäße Verbindung eines Versorgungstankes mit dem Wärmetauscherkreislauf möglich. Sie gewährleistet, daß die erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlsysteme auch dann eingesetzt werden können, wenn eine Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases aus dem Wärmetauscherkreislauf erforderlich ist oder wenn die Möglichkeit einer Leckage abgesichert werden muß. Die Erfindung gewährleistet dabei zudem, daß das aus dem Wärmetauscherkreislauf entnommene zweite tiefkalte Flüssiggas dem Wärmetauscherkreislauf über den Versorgungstank wieder zuführbar ist, ohne daß das Flüssiggas-Kühlsystem hierdurch beeinträchtigt würde.

Um das im Versorgungstank befindliche zweite Flüssiggas für die Verwendung im Wärmetauscherkreislauf vorzukühlen, ist es vorteilhaft, zwischen dem Versorgungstank und dem Wärmetauscherkreislauf ein im ersten Flüssiggas angeordneten Vorunterkühler vorzusehen. Dieser Vorunterkühler kühlt das aus dem Versorgungstank kommende Flüssiggas in dem Fall, in dem sich das erste tiefkalte Flüssiggas auf einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck befindet, soweit ab, daß sichergestellt ist, daß dem Wärmetauscherkreislauf nur einphasiges Flüssiggas zugeführt wird.

Ordnet man gemäß einer weiteren Ausgestaltung den Einfüllbehälter im wesentlichen im Kühlungsbehälter unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des ersten Flüssiggases an, so wird auch hierdurch eine Vorkühlung des aus dem Versorgungstank nachgefüllten Flüssiggases gewährleistet.

Schließlich erfährt das erfindungsgemäße Flüssiggas-Kühlsystem eine bevorzugte Ausgestaltung auch dadurch, daß in den Einfüllbehälter unter dem Flüssigkeitsspiegel des zweiten Flüssiggases eine mit dem Versorgungstank verbundene Einfülleitung und die abgehende Leitung des Wärmetauscherkreislaufes mündet und daß in den Einfüllbehälter oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des zweiten Flüssigkeitsgases die einkommende Leitung des Wärmetauscherkreislaufes mündet. Hierdurch wird sichergestellt, daß zumindest auf der Vorlaufseite des Wärmetauscherkreislaufes nur einphasiges tiefkaltes Flüssiggas transportiert wird.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Flüssiggas-Kühlsystem zur Kühlung eines Verbrauchers auf Tieftemperatur auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystems

Fig. 2 eine schematische vergrößerte Darstellung der Verbindung zwischen Wärmetauscherkreislauf und Versorgungstank bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystems zur Kühlung eines Verbrauchers 1 auf Tieftemperatur weist einen Kühlungsbehälter 2 zur Aufnahme eines ersten tiefkalten Flüssiggases 3, einen Wärmetauscherkreislauf 4, der durch den Kühlungsbehälter 2 und zu dem Verbraucher 1 geführt ist und in dem ein zweites tiefkaltes Flüssiggas 5 strömt sowie eine Fülleinrichtung 6 zum Ein- und Nachfüllen von Flüssiggas in den Wärmetauscherkreislauf 4 auf.

Erfindungsgemäß weist die Fülleinrichtung 6 einen mit dem Wärmetauscherkreislauf 4 verbundenen, druckgeregelten Versorgungstank 7 für das zweite tiefkalte Flüssiggas 5 auf.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystems ist der Kühlungsbehälter 2 durch eine Abdeckung 8 gasdicht verschlossen. Wie bereits erwähnt, enthält der Kühlungsbehälter 2 ein Flüssiggasbad eines ersten tiefkalten Flüssiggases 3. Als Flüssiggase kommen neben dem bereits angesprochenen und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwandten Stickstoff (N₂) auch Argon (Ar), Neon (Ne), Wasserstoff (H₂), Helium (He) oder Sauerstoff (O₂) in Frage. Diese Flüssiggase können in geeigneter Kombination für das erste tiefkalte Flüssiggas 3 im Kühlungsbehälter 2 und das zweite tiefkalte Flüssiggas 5 im Wärmetauscherkreislauf 4 verwendet werden. An der Abdeckung 8 des Kühlungsbehälters 2 ist bei dem dargestellten Ausführunsbeispiel eine Entnahmeleitung 9 für die Stickstoffgasphase 10 angebracht. Für die Entnahme ist eine Vakuumpumpe 11 mit einer Vakuum- Druckregeleinrichtung 12 vorgesehen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Entnahmeleitung 9 vor der Vakuum-Pumpe 11 ein Gasanwärmer 13 angeordnet.

Der Wärmetauscherkreislauf 4 umfaßt ein Rohrleitungssystem 14, das von einem Unterkühlungswärmetauscher 15, welcher in dem ersten tiefkalten Flüssiggas 3 im Kühlungsbehälter 2 angeordnet ist, über eine Flüssiggaspumpe 16 zu einem Verbraucher 1 führt, der über einen weiteren Wärmetauscher 17 wärmeleitend mit dem Flüssiggas in dem Rohrleitungssystem 14 verbunden ist. Für den Fall, daß es sich bei dem Verbraucher 1 um ein HTSL-Kabel oder dergleichen handelt, kann dieser Verbraucher 1 auch direkt in ein Rohrstück des Rohrleitungssystems 14 eingebracht und von dem zweiten tiefkalten Flüssiggas 5 umspült werden, so daß dann ein Wärmetauscher 17 im klassischen Sinne nicht notwendig ist. In Fig. 1 ist weiter dargestellt, daß das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystems eine Flüssiggasversorgungseinrichtung 18 für den Kühlungsbehälter 2 mit einer Füllstandmeßeinrichtung 19 umfaßt, welche das Füllniveau des ersten tiefkalten Flüssiggases 3 im Kühlungsbehälter 2 erfaßt und ein Signal an ein steuerbares Ventil 20 ausgeben kann, um eine Speiseleitung 21 für Flüssigstickstoff abhängig von Füllniveau zu öffnen oder zu schließen.

Daß das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlungssystems mit einem unter Unterdruck stehenden Kühlungsbehälter 2 arbeitet, stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.

In Fig. 1 ist weiter dargestellt, daß bei dem Ausführungsbeispiel der Wärmetauscherkreislauf 4 eine Entnahmeeinrichtung 22 zur Entnahme von tiefkaltem Flüssiggas, insbesondere zur kontinuierlichen Entnahme, aufweist, welches insbesondere zur Kühlung von Hochstromdurchführung in Verbindung mit HTSL-Kabeln verwendet wird.

Weiter ist in Fig. 1 dargestellt, daß zwischen dem Versorgungstank 7 und dem Wärmetauscherkreislauf 4 ein Vorunterkühler 23 zur Vorunterkühlung des aus dem Versorgungstank 7 entnommenen zweiten tiefkalten Flüssiggases 5 vorgesehen ist.

Die konkrete Verbindung zwischen dem Versorgungstank 7 und dem Wärmetauscherkreislauf 4 ist in Fig. 1 innerhalb des gestrichelt umrandeten Bereiches nur schematisch dargestellt. Dieser gestrichelt umrandete Bereich ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Fig. 2 zeigt eine mit dem in Fig. 2 nicht dargestellten Versorgungstank verbunden Rohrleitung 24, die über den Vorunterkühler 23 in einen Einfüllbehälter 25 mündet. Wie aus Fig. 2 ohne weiteres ersichtlich ist, mündet die Rohrleitung 24 hinter dem Vorunterkühler 23 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des zweiten Flüssiggases 5 in den Einfüllbehälter 25. Ebenfalls unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des zweiten Flüssiggases 5 im Einfüllbehälter 25 mündet die abgehende Leitung 26 des Wärmetauscherkreislaufes 4. Demgegenüber mündet die einkommende Leitung 27 des Wärmetauscherkreislaufes 4 in den Einfüllbehälter 25 vorzugsweise oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des zweiten tiefkalten Flüssiggases 5 innerhalb des Einfüllbehälters 25.

In Fig. 2 ist auch dargestellt, daß sich der Einfüllbehälter 25 im Kühlungsbehälter 2 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des ersten tiefkalten Flüssiggases 3 befindet.

Eine Entgasung des Einfüllbehälters 25 wird über ein Entgasungsventil 30 ermöglicht. Zur Entlüftung beim Befüllen des Wärmetauscherkreislaufes 4 ist verbunden sowohl mit der einkommenden Leitung 27 als auch mit dem Einfüllbehälter 25 ein Entlüftungsventil 31 vorgesehen. Schließlich ist zur Befüllung des Wärmetauscherkreislaufs 4 zwischen dem Entlüftungsventil und der einkommenden Leitung 27 auf der einen Seite und dem Einfüllbehälter 25 auf der anderen Seite ein Absperrventil 32 angeordnet. Das Entgasungsventil 30 und das Entlüftungsventil 31 können auch als mechanischen Entlüfter oder elektrischen Füllstandsregler ausgeführt sein. Das Absperrventil 32 zur Befüllung schließlich kann auch als Rückschlagventil ausgebildet sein.

Durch die erfindungsgemäße Verbindung des zum Wärmetauscherkreislauf 4 gehörenden Einfüllbehälters 25 mit dem druckgeregelten Versorgungstank 7 über die Rohrleitung 24 und den Vorunterkühler 23 ist gewährleistet, daß im Einfüllbehälter 25 stets derselbe Druck herrscht, wie im druckgeregelten Versorgungstank 7. Damit herrscht auch im gesamten Wärmetauscherkreislauf 4 ein konstanter Druck, unabhängig von Schwankungen des Flüssigkeitsstandes des ersten tiefkalten Flüssiggases 3 im Kühlungsbehälter 2 und unabhängig von einer Entnahme, beabsichtigt oder unbeabsichtigt, von Flüssiggas aus dem Wärmetauscherkreislauf 4. Mit den heute bekannten druckgeregelten Versorgungstanks ist auch gewährleistet, daß bei dem Befüllvorgang des Versorgungstanks 7 der Druck in diesem bis auf geringfügige Schwankungen konstant bleibt, so daß ein unterbrechungsfreier Betrieb des erfindungsgemäßen Flüssiggas-Kühlsystems über eine beliebig lange Zeit gewährleistet werden kann.

Claims (6)

1. Flüssiggas-Kühlungssystem zur Kühlung eines Verbrauchers (1) auf Tief­ temperatur mit einem Kühlungsbehälter (2) zum Aufnehmen eines ersten tiefkalten Flüssiggases (3), einem Wärmetauscherkreislauf (4), der durch den Kühlungsbehälter (2) und zu dem Verbraucher (1) geführt ist und in dem ein zweites tiefkaltes Flüssiggas (5) strömt, und mit einer Fülleinrichtung (6) zum Ein- und Nachfüllen von Flüssiggas in den Wärmetauscherkreislauf (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Fülleinrichtung (6) einen druckgeregelten Versorgungstank (7) für das zweite tiefkalte Flüssiggas (5) aufweist, der zum Ein- oder Nachfüllen des Wärmetauscherkreislaufs (4) mit einem Einfüllbehälter (25) strömungs­ verbunden ist, in welchem das zweite tiefkalte Flüssiggas in flüssiger Form vorliegt, und in welchen eine abgehende Leitung (26) und eine zuführende Leitung (27) des Wärmetauscherkreislaufs (4) sowie eine mit dem Versor­ gungstank (7) verbundene Einfülleitung (24) einmünden, wobei die Einfül­ leitung (24) und die abgehende Leitung (26) im unteren Bereich des Einfüllbe­ hälters (25) einmünden.

2. Flüssiggas-Kühlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumpumpe (11) zum Abpumpen von gasförmigem ersten tiefkalten Flüs­ siggas (3) aus dem Kühlungsbehälter (2) vorgesehen ist, um den Innendruck im Kühlungsbehälter (2) unter Umgebungsdruck zu senken oder zu halten.

3. Flüssiggas-Kühlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmemtauscherkreislauf (4) mindestens eine Entnahmeeinrich­ tung (9) zur Entnahme des zweiten tiefkalten Flüssiggases (5) aufweist.

4. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Versorgungstank (7) und dem Wärmetauscherkreislauf (4) ein im ersten tiefkalten Flüssiggas (3) angeordneter Vorunterkühler (23) vorgesehen ist.

5. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfüllbehälter (25) im wesentlichen im Kühlungsbehälter (2) unter­ halb des Flüssigkeitsspiegels des ersten tiefkalten Flüssiggases (3) ange­ ordnet ist.

6. Flüssiggas-Kühlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei bestimmungsgemäßer Befüllung des Einfüllbehälters (25) die ein­ kommende Leitung (27) des Wärmetauscherkreislaufs (4) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des zweiten tiefkalten Flüssiggases (5) im Einfüllbe­ hälter (25) und die mit dem Versorgungstank verbundene Einfülleitung (24) sowie die abgehende Leitung (26) des Wärmetauscherkreislaufs (4) unter­ halb des Flüssigkeitsspiegels des zweiten tiefkalten Flüssiggases (5) im Einfüllbehälter (25) in diesen einmündet.