DE2353536C3 - Verfahren zur Kühlung von Tieftemperaturkabeln - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung der Kabel eines Tieftemperatur-Kabel-Systems mit drei Leitern, die durch ein in einem Strömungskanal fließendes Kühlmittel gekühlt werden, und mit drei, je einen Strömungskanal umgebenden Strahlungsschilden, wobei Kühlmittel aus Kälteanlagen dem Kabel-System zugeführt und aus diesem abgeführt wird.

Bekannte Tieftemperaturkabel besitzen einen zentralen Strömungskanal, der von einem Kühlmittel, z. B. flüssigem Helium, durchströmt wird. Der elektrische Leiter ist in mehreren Bändern schraubengangförmig an der Oberfläche dieses zentralen Strömungskanales angeordnet. Damit wird eine hinreichende Flexibilität des Kabels erzielt

Da das gekühlte Kabel gegenüber der herrschenden Außentemperatur abgeschirmt werden muß, folgen im Kabelquerschnitt in radialer Richtung nach außen zunächst die elektrische Isolation, daraufhin ein dngförmiger Vakuumraum mit Superisolierung, ein weiterer Ringkanal für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel, der als Strahlungsschild bezeichnet wird, ein nochmaliger ringförmiger Vakuumraum mit Superisolierung und als letztes die äußere Korrosionsschutzschicht Der erforderliche Abstand zwischen den einzelnen Schichten im Kabel wird durch Stütz- bzw. Abstandselemente, beispielsweise Stützringe, fixiert.

Das Kühlmittel im Strahlungsschild besitzt je nach Kabelausführung eine Temperatur bis maximal 120 K. Deshalb kann als Kühlmittel für den Strahlungsschild flüssiger oder gasförmiger Stickstoff verwendet werden, oder aber Helium, welches aus den Strömungskanälen des supraleitenden Kabels austritt Da größere elektrische Leistungen bislang vor allem als Drehstrom erzeugt und in elektrische Fernleitungen eingespeist werden, müssen in einem für Drehstrom bestimmten Tieftemperaturkabel drei elektrische Leiter vorgesehen werden. Die bekannten Tieftemperaturkabel werden mit Kälteanlagen versorgt, die als Stationen längs der Fernleitung errichtet werden. Um eine genügende Betriebssicherheit solcher Fernleitungen zu gewährleisten, werden diese in einzelne Teilabschnitte, die ihrerseits bezüglich ihrer Kältemittelversorgung unabhängig sind, aufgeteilt Dies bedeutet, daß die Leitungsführung für das Kältemittel so sein muß, daß jeder Fernleitungsabschnitt durch eine von anderen Kälteanlagen unabhängige Kälteanlage versorgt wird. Als zusätzliche erschwerende Bedingung bei der Leitungsführung kommt hinzu, daß das Kühlmittel unter möglichst geringem Wärmeverlust in die Kälteanlage zurückgeführt werden muß. Zweckmäßigerweise werden aus wirtschaftlichen Gründen hierzu ebenfalls die Strömungskanäle bzw. Strahlungsschilde der Kabel verwendet Dies muß aber unter Einhaltung der erforderlichen Temperatur geschehen. Dabei ergibt sich außerdem noch als Schwierigkeit, daß die Strömungskanäle bzw. Strahlungsschilde bei einem einmal gegebenen Kabeltyp und dem verwendeten Kühlmittel definierte Strömungswiderstände besitzen und damit gleichzeitig eine obere Grenze für den Massenstrom des Kühlmittels festgelegt wird.

Aus der US-PS 3162 716 ist ein supraleitendes Kabelsystem bekannt, bei dem die elektrisch isolierten Leitungen gemeinsam in einem inneren Rohr geführt werden, das von tiefkaltem flüssigem Helium durchströmt wird. Dieses für die direkte Kühlung der elektrischen Leiter verwendete Helium wird durch ein das innere Rohr in konzentrischer Anordnung umgebendes weiteres Rohr in die Kälteanlage zurückgeführt. Für die Führung der Kühlmittelströme sind dabei zwei Möglichkeiten vorgesehen: Einmal kann das Helium in jedem einzelnen Kabelabschnitt, dem jeweils eine Kälteanlage zugeordnet ist, in der Weise separat zirkulieren, daß das tiefkalte flüssige Helium aus der Kälteanlage zunächst durch den zugehörigen Abschnitt des inneren Rohres und danach durch das nach außen anschließende Rohr in umgekehrter Richtung in die Kälteanlage zurückgeführt wird. Zum anderen kann das tiefkalte flüssige Helium aber auch sämtliche inneren Rohrabschnitte hintereinander durchströmen, wobei es in den einzelnen Kälteanlagen jeweils rückgekühlt wird, um erst danach ohne iede Zwischenkühlung durch das

nach außen anschließende Rohr in nur eine einzige der Kälteanlagen zurückgeführt zu werden, die es als tiefgekühlter flüssiger Heliumstrom wieder .erläßt Bei diesem Kabelsystem liegen jedoch, abweichend von der vorliegenden Problemstellung, nicht drei einzeln gekühlte und jeweils mit eigenen Strahlungsschilden versehene Leiter vor. Die Führung der Kühlmittelströme weist als entscheidende Nachteile auf, daß die hin- und rückgeführten Kühlmittelmengen jeweils gleich sein müssen und somit eine auf flexible Weise >° durchführbare Optimierung nicht möglich ist, und daß ersichtlich nachteilige Wärmeleitungsverluste zwischen dem im inneren Rohr und dem im nach außen anschließenden Rohr strömenden Kühlmitteln auftreten. '5

Aus der Zeitschrift »Cryogenics«, Juni 1969 (Seite 174, rechte Spalte unten sowie Seite 175, linke Spalte oben und Fig. 12) ist ein dreiadriges supraleitendes Kabel bekannt, bei dem die den drei Phasen entsprechenden supraleitenden Schichten auf konzentrisch angeordneten Rohren angebracht sind, die wiederum konzentrisch von einem Strahlungsschild umgeben sind. Zwei der Leitungsrohre werden von hinfließendem, das dritte von zurückfließendem flüssigem Helium gekühlt Zur Kühlung des Strahlungsschild des sind mehrere separate Rohre vorgesehen, die zum einen Teil von hinfließendem, zum anderen Teil von zurückfließendem flüssigem Stickstoff durchströmt werden. Auch diese Kabelanordnung entspricht insoweit nicht der vorliegenden Problemstellung als allen drei Leitern ein gemeinsamer Strahlungsschild zugeordnet ist Des weiteren ist es nachteilig, daß zwei verschiedene Kühlmittel vorgesehen und somit zwei getrennte Systeme von Kälteanlagen erforderlich sind. Außerdem gilt auch für dieses Kabelsystem, daß für jedes Kältemittel die jeweils hin- und zurückströmenden Gesamtmengen gleich sein müssen.

Weiterhin ist aus der DT-AS 19 62 745 ein Kabelsystem für den Bereich der Tieftemperatur- oder Supraleitfähigkeit bekannt, bei dem die drei Leiter in jeweils eigenen Rohrleitungen geführt und von einem gemeinsamen Strahlungsschild umgeben sind. Dabei wird ein tiefkalter flüssiger Kühlmittelstrom aus einer Kälteanlage abgezogen, gleichmäßig auf die drei Rohrleitungen zur Kühlung der elektrischen Leiter verteilt und nach Durchströmen jeweils eines Teilabschnittes des Kabelsystems in der anschließenden Kälteanlage rückgekühlt Ein weiterer, auf höherer Temperatur befindlicher Kühlmittelstrom wird der Kälteanlage entnommen und zur Kühlung des Strahlcngsschildes verwendet sowie nach Durchströmen eines Teilabschnittes der nächsten Kälteanlage zur Rückkühlung zugeführt Dabei wird zur Kühlung der elektrischen Leiter sowie des Strahlungsschildes dasselbe Kühlmittel verwendet Dies eröffnet die Möglichkeit, die jeweils auf unterschiedlichem Temperaturniveau in die Kälteanlagen eingeführten Kühlmittelströme dort zu mischen und nach Rückkühlung wiederum mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen und in jeweils variierbaren Mengenverhältnissen in den nächstfolgenden Kabelabschnitt zurückzuführen. Die in der DT-AS zu diesem Kabelsystem enthaltenen Ausführungsbeispiele beziehen sich sämtlich auf eine elektrische Ringleitung, bei der die Kühlmittelströme durch das gesamte Leitungssystem zirkulieren. Außerdem ist auch in dieser Veröffentlichung kein Hinweis enthalten, wie die Kühlmittelführung beim Vorliegen dreier separater Strahlungsschilde für jeden einzelnen der drei Leiter zu gestalten sei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das auf einfache Weise eine gleichmäßige und zuverlässige Kühlung von Kabeln eines Tieftemperatur-Kabel-Systems mit drei Leitern sowie drei je einen Leiter zugeordneten Strahlungsschilden ermöglicht

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß aus jeder Kälteanlage zwei Kühlmittelslröme dem Kabelsystem zugeführt werden, von denen der erste zunächst dem zweiten und dritten Strömungskanal und der zweite Kühlmittelstrom den Strahlungsschilden zugeführt wird, wobei der aus dem zweiten und dritten Strömungskanal austretende erste Kühlmittelstrom teilweise durch den erste!· Strömungskanal in die Kälteanlage zurückgeführt und teilweise mit dem zweiten Kühlmittelstrom vereinigt wird.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist demnach die Verwendung von nur einem Kühlmittel, z. B. Helium, in flüssigem und/oder gasförmigem Zustand, welches in zwei Kühlmittelströme mit im Normalfall unterschiedlichen Temperaturen die Kälteanlage verläßt und in einen Fernleitungsabschnitt, bestehend aus drei elektrischen Leitern, eingespeist wird. Diese drei Leiter, beispielsweise Supraleiter, können entweder jeder für sich in einem Kabel liegen, wobei dann diese drei Kabel gemeinsam verlegt werden, oder in einem einzigen dreiadrigen Kabel mit entsprechenden Abstandselementen. Beide Arten von Kabelsystemen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichermaßen gekühlt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt bezüglich der Kühlung eine erhebliche Flexibilität, da bei einem festgelegten Kabeltyp die Möglichkeit besteht die Kühlmittelversorgung dem System über zwei einstellbare Temperaturen anzupassen. Außerdem können aufgrund der Verwendung nur eines Kühlmittels, die beiden Teilströme prinzipiell an jeder Stelle gemischt werden. Als besonders wirtschaftlich erweist sich auch, daß nur der eine der beiden Teilströme, nämlich der hier so bezeichnete erste Kühlmittelstrom, auf eine sehr tiefe Temperatur gekühlt werden muß, da nur dieser die eigentliche Kühlung der Leiter besorgt Erst nachdem der erste Kühlmittelstrom dazu verwendet wurde, die Leiter selbst zu kühlen, durchströmt ein Teil dieses Kühlmittelstroms und der gesamte zweite Kühlmittelstrom die einzelnen Abschnitte der Strahlungsschilde.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt insbesondere gegenüber den in der DT-AS 19 62 745 enthaltenen Ausführungsbeispielen den Vorteil, daß es für ein Leitungssystem mit drei gekühlten und jeweils mit separaten Strahlungsschilden versehenen Leitern geschlossene, jeweils einer Kälteanlage zugeordnete Kühlmittelkreisläufe vorsieht Des weiteren muß tiefkaltes Kühlmittel zunächst nur für zwei der drei Rohrleitungen zur Verfügung gestellt werden, da dieser Kühlmittelanteil auch noch zur Kühlung der dritten Rohrleitung verwendet wird. Die Möglichkeit, einen Anteil des Kühlmittels aus den tiefkalten Rohrleitungen den Strahlungsschilden zuzuführen und die Menge dieses Anteils jeweils der Menge des für die Strahlungsschilde direkt bestimmten wärmeren Kühlmitteli'.romes aus der Kälteanlage anzupassen, stellt einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Der erste Kühlmittelstrom wird nach Durchströmen der beiden Strömungskanäle, denen er zugeführt wird, derart weitergeleitet, daß aus seiner Gesamtmenge ein

Teil durch den verbleibenden Strömungskanal in die Kälteanlage zurückfließt und ein anderer Teil in den zweiten Kühlmittelstrom für die Strahlungsschilde einmündet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind diese beiden Teile gleich groß, wobei dann die eine Hälfte vollständig durch den verbleibenden Strömungskanal und die andere Halte ebenfalls vollständig zusammen mit dem zweiten Kühlmittelstrom durch die Strahlungsschilde geleitet wird.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle drei Strahlungsschilde von dem aus dem dritten Strömungskanal austretenden Teil des ersten Kühlmittelstroms bis an zwei Stellen durchströmt, an dem diese Strahlungsschilde untereinander verbunden sind. Zur Festlegung der betreffenden Verbindungsstellen sind für das Kabelsystem thermodynamische Rechnungen durchzuführen, um die optimale Lage dieser Verbindungsstellen zu bestimmen. Dagegen wird eine Verbindung der Strömungskanäle außer an den Enden des betreffenden Fernleitungsabschnittes, nicht benötigt, so daß die elektrische Isolation der Leiter nicht durchbrochen werden muß.

Mit Vorteil durchströmt der zweite Kühlmittelstrom einen der drei Strahlungsschilde in entgegengesetzter Flußrichtung, wie der in diesem Strahlungsschild aus dem dritten Strömungskanal eintretende Teilstrom des ersten Kühlmittelstroms, mit welchem er sich an der Verbindungsstelle der drei Strahlungsschilde vereinigt. Die zugrundeliegende Leitungsführung bewirkt dabei, daß an jeder Stelle des Kabelsystems die Summe aller in einer Richtung fließenden Massenströme des Kühlmittels gleich ist der Summe der in entgegengesetzter Richtung fließenden Massenströme.

In Weiterbildung dieses Verfahrens strömen die auf die Verbindungsstelle der Strahlungsschilde zufließenden Kühlmittelströme von der Verbindungsstelle der drei Strahlungsschilde über je ein Teilstück des ersten und zweiten Strahlungsschildes in die Kälteanlage zurück. Damit ist der Kühlmittelkreislauf für den betreffenden Fernleitungsabschnitt geschlossen. Der betreffende Abschnitt ist in seiner Kühlmittelversorgung von anderen Abschnitten unabhängig.

Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vor allem für supraleitende Kabelsysteme. Es ist jedoch auch für Tieftemperaturkabel, die noch im normalleitenden Bereich arbeiten, von Vorteil.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Bei dem dargestellten Beispiel eines supraleitenden Drehstromkabels verläßt ein erster Kühlmittelstrom, bestehend aus tiefgekühltem Helium, eine Kälteanlage 4, die einem bestimmten in der Figur dargestellten Teilabschnitt des Kabels zugeordnet ist, und strömt über eine Anschlußleitung 5 in einen zweiten Strömungskanal 2 und in einen dritten Strömungskanal 3. Bei Eintritt in diese Strömungskanäle 2, 3 beträgt die Temperatur dieses Teilstromes etwa 4,5 K bei einem Druck von 8 bar. Der den zweiten Strömungskanal 2 durchströmende Teil des ersten Kühlmittelstromes tritt atn Ende des dargestellten Kühlabschnittes in einen ersten Strömungskanal 1 ein und wird über eine Anschlußleitung ii bei einem Druck von etwa 1,5 bar und einer Temperatur von 6,5 K in die Kälteanlage 4 zurückgeführt.

Durch Querverbindungen 13 zwischen dem zweiten 2 und dritten 3 Strömungskanal kann entweder ein Teil des im dritten Strömungskanal 3 geführten Teilstroms des ersten Kühlmittelstroms dem im zweiten Strömungskanal 2 fließendem Teilstrom zugemischt werden oder umgekehrt, wenn es erwünscht ist, mehr oder weniger als die Hälfte des ersten Kühlmittelstroms durch den ersten Strömungskanal 1 zur Kälteanlage 4 zurückzuführen.

Der am Ende des dritten Strömungskanals 3 austretende andere Teil des ersten Kühlmittelstromes wird an diesem Ende des Kühlabschnittes in drei Strahlungsschilde 7, 8 9 eingespeist und durchströmt diese bis zu zwei Verbindungsstellen 10. Hier vereiniger sich die drei Teilströme mit einem aus der Kälteanlage 4 über eine Anschlußleitung 6 und den dritten Strahlungsschild 9 anströmenden zweiten Kühlmittelstrom, der die Kälteanlage 4 unter einem Druck von 8 bar und bei einer Temperatur von 60 K verläßt Die sich durchmischenden Kühlmittelströme fließen über den ersten und zweiten Strahlungsschild 7,8 und über eine Anschlußleitung 12 in die Kälteanlage 4 zurück.

Die einzelnen Fernleitungs-Kühlabschnitte sind alle symmetrisch in bezug auf die Kälteanlage 4 aufgebaut. Die Bezeichnungen erster, zweiter, dritter Strörnungskanal und erster, zweiter, dritter Strahlungsschild wurden eingeführt, um eine einfache Beschreibungsari zu ermöglichen. Sie bezeichnen keine besonderer Eigenschaften der betreffenden Strömungskanäle bzw Strahlungsschilde und sind deshalb sinngemäß vertauschbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kühlung der Kabel eines Tieftemperatur-Kabel-Systems mit drei Leitern, die jeweils durch ein in einem Strömungskanal fließen- s des Kühlmittel gekühlt werden, und mit drei, je einen Strömungskanal umgebenden Strahlungsschilden, wobei Kühlmittel aus Kälteanlagen dem Kabelsystem zugeführt und aus diesem abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus jeder Kälteanlage (4) zwei Kühlmittelströme dem Kabelsystem zugeführt (5,6) werden von denen der erste zunächst dem zweiten (2) und dritten (3) Strömungskanal und der zweite Kühlmittelstrom den Strahlungsschilden (7,8,9) zugeführt wird, wobei der aus dem zweiten und dritten Strömungskanal (2. 3) austretende erste Kühlmittelstrom teilweise durch den ersten Strömungskanal (1) in die Kälteanlage (4) zurückgeführt und teilweise mit dem zweiten Kühlmittelstrom vereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem zweiten Strömungskanal (2) zugeführte Teilstrom des ersten Kühlmittelstroms vollständig durch den ersten Strömungskanal (1) in die Kälteanlage (4) zurückgeführt und der dem dritten Strömungskanal (3) zugeführte Teilstrom des ersten Kühlmittelstroms vollständig mit dem zweiten Kühlmittelstrom vereinigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem zweiten und dritten Strömungskanal (2, 3) austretende Teil des ersten Kühlmittelstroms, der mit dem zweiten Kühlmittelstrom vereinigt wird, alle drei Strahlungsschilde (7, 8, 9) bis an zwei Verbindungsstellen (10) durchströmt, an der diese Strahlungsschilde (7,8,9) untereinander verbunden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlmittelstrom einen (9) der drei Strahlungsschilde (7. 8, 9) in entgegengesetzter Flußrichtung durchströmt, wie der in diesen Strahlungsschild (9) eintretende Teilstrom des ersten Kühlmittelstroms, mit welchem er sich an den Verbindungsstellen (10) der drei Strahlungsschilde (7,8,9) vereinigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Verbindungsstellen (10) der Strahlungsschilde (7, 8, 9) zufließenden Kühlmittelteilströme von den Verbindungsstellen (10) der drei Strahlungsschilde über je ein Teilstück des ersten (7) und zweiten (8) Strahlungsschildes in die Kälteanlage (4) zurückfließen.