DE10217092A1

DE10217092A1 - Cooling high-temperature superconductors

Info

Publication number: DE10217092A1
Application number: DE2002117092
Authority: DE
Inventors: Horst Holzberger
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-11-06
Also published as: EP1355114A2; EP1355114A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Elementen durch Wärmeaustausch mit einer kryogenen Flüssigkeit. Die kryogene Flüssigkeit wird durch eine gleiche in einem Ausgleichsbehälter (2) gespeicherte kryogene Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt, in einem geschlossenen Kreislauf geführt und in indirektem Wärmeaustausch mit einem Kälteträger gekühlt.The invention relates to a method for cooling elements by heat exchange with a cryogenic liquid. The cryogenic liquid is pressurized by an identical cryogenic liquid stored in an expansion tank (2), conducted in a closed circuit and cooled in indirect heat exchange with a coolant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Elementen durch Wärmeaustausch mit einer kryogenen Flüssigkeit, wobei die kryogene Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt, in einem geschlossenen Kreislauf geführt und in indirektem Wärmeaustausch mit einem Kälteträger gekühlt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Kühlung von Elementen, die eine Ringleitung zur Führung einer kryogenen Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf aufweist, wobei in der Ringleitung ein Wärmetauscher und Mittel zur Beförderung der kryogenen Flüssigkeit in dem geschlossenen Kreislauf vorgesehen sind. The invention relates to a method for cooling elements by Heat exchange with a cryogenic liquid, the cryogenic liquid with Pressurized, guided in a closed cycle and indirect Heat exchange is cooled with a coolant. The invention further relates to a corresponding device for cooling elements that have a ring line for guiding a cryogenic liquid in a closed circuit, a heat exchanger and means for conveying the cryogenic in the ring line Liquid are provided in the closed circuit.

Hochtemperatursupraleitende Kabel (HTSL-Kabel) müssen im Betrieb immer unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten supraleitenden Materials gehalten werden. In der Praxis wird dies bisher dadurch erreicht, dass die HTSL-Kabel in direktem Wärmeaustausch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Dabei nimmt der flüssige Stickstoff die in den HTSL-Kabeln entstehende Verlustleistung auf und erwärmt sich beziehungsweise verdampft zum Teil. Bei einer Kreislaufführung des als Kühlmedium verwendeten Stickstoffs muss dieser daher ebenfalls wieder abgekühlt bzw. rückverflüssigt werden. Dies wird nach dem Stand der Technik durch indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Helium erreicht, wobei aus Kostengründen verdampftes Helium wieder rückverflüssigt wird. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch aufwändig und teuer. High temperature superconducting cables (HTSL cables) must always be below during operation the transition temperature of the superconducting material used. In In practice, this has so far been achieved in that the HTSL cable in direct Heat exchange can be cooled with liquid nitrogen. The liquid takes Nitrogen heats up the power loss in the HTSL cables and heats up or partially evaporates. When the cooling medium is recirculated nitrogen used must therefore also be cooled down again or be reliquefied. According to the state of the art, this is done by indirect Heat exchange with liquid helium achieved, for cost reasons evaporated helium is liquefied again. However, this known method is complex and expensive.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, wobei die kryogene Flüssigkeit verlustarm in einem Kreislauf geführt wird und die Einphasigkeit der Flüssigkeit möglichst über den gesamten Kreislauf erhalten bleibt. The object of the present invention is therefore to provide an inexpensive method and a to develop corresponding device of the type mentioned, the cryogenic liquid is circulated with little loss and the single-phase the liquid is preserved as far as possible over the entire cycle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Elemente durch Wärmeaustausch mit einer kryogenen Flüssigkeit gekühlt werden, wobei die kryogene Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt, in einem geschlossenen Kreislauf geführt und in indirektem Wärmeaustausch mit einem Kälteträger gekühlt wird, wobei die im geschlossenen Kreislauf geführte kryogene Flüssigkeit durch eine gleiche in einem Ausgleichsbehälter gespeicherte kryogene Flüssigkeit mit Druck beaufschlagt wird. This object is achieved by a method in which the Elements are cooled by heat exchange with a cryogenic liquid, wherein the cryogenic liquid is pressurized in a closed Circulated and cooled in indirect heat exchange with a coolant is, the cryogenic liquid carried in a closed circuit through a same cryogenic liquid stored in an expansion tank with pressure is applied.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass mit der Ringleitung ein Ausgleichsbehälter für unter erhöhtem Druck gespeicherte kryogene Flüssigkeit verbunden ist. A device of the type mentioned is characterized in that with the Ring line a surge tank for cryogenic stored under increased pressure Liquid is connected.

Erfindungsgemäß wird eine kryogene Flüssigkeit als Kälteträger in einem geschlossenen Kreislauf geführt und zur Kühlung von Bauteilen, Anlagenteilen oder sonstigen Elementen eingesetzt. Die kryogene Flüssigkeit wird dabei unter erhöhtem Druck durch die Kreislaufleitung gefördert und mit einem Kühlmedium in indirektem Wärmeaustausch abgekühlt. Die Beaufschlagung der kryogenen Flüssigkeit mit Druck als auch die Druckhaltung und Druckregelung erfolgen mittels eines Ausgleichsbehälters, der mit der gleichen kryogenen Flüssigkeit unter erhöhtem Druck befüllt und mit dem Kreislauf direkt verbunden ist. Weiterhin hat der Ausgleichsbehälter die Aufgabe, große, plötzlich entstehende Gasbildungen im geschlossenen Kreislauf sowie Leckageverluste zu kompensieren. According to the invention, a cryogenic liquid is used as a coolant in one closed circuit and for cooling components, system parts or other elements used. The cryogenic liquid is increased Pressure is conveyed through the circuit line and with a cooling medium in indirect Heat exchange cooled down. Pressurizing the cryogenic liquid as well as the pressure maintenance and pressure control are carried out by means of a Expansion tank containing the same cryogenic liquid under increased pressure filled and directly connected to the circuit. Furthermore, the expansion tank the task of large, sudden gas formation in a closed circuit as well as to compensate for leakage losses.

Vorzugsweise wird die im geschlossenen Kreislauf geführte kryogene Flüssigkeit mit kryogener Flüssigkeit gleicher chemischer Zusammensetzung, welche unter geringerem Druck als die im Kreislauf geführte Flüssigkeit steht, gekühlt. Besonders bevorzugt wird als kryogene Flüssigkeit flüssiger Stickstoff verwendet. Dieser wird mit einem über dem Atmosphärendruck liegenden Druck im geschlossenen Kreislauf geführt und mit flüssigem Stickstoff als Kühlmedium gekühlt, welcher mit einem niedrigeren Druck als der Kreislaufstickstoff vorliegt. The cryogenic liquid carried in the closed circuit is preferably included cryogenic liquid of the same chemical composition, which under lower pressure than the circulating liquid is cooled. Especially liquid nitrogen is preferably used as the cryogenic liquid. This is with a closed circuit pressure above atmospheric pressure led and cooled with liquid nitrogen as the cooling medium, which with a lower pressure than the circulating nitrogen.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, die im geschlossenen Kreislauf geführte Flüssigkeit mit einem Druck zwischen 1 und 36 bar, bevorzugt zwischen 2 und 20 bar, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 9 bar, zu beaufschlagen. Bei der Kühlung von HTSL-Kabeln wird der Druck im Kühlkreislauf in Abhängigkeit von der Kabellänge und dessen Isolationsverlusten gewählt. It has proven to be particularly favorable to run in a closed circuit Liquid with a pressure between 1 and 36 bar, preferably between 2 and 20 bar, particularly preferably between 2 and 9 bar. When cooling The pressure in the cooling circuit of HTSL cables depends on the cable length and its insulation losses chosen.

Die Förderung der kryogenen Flüssigkeit im geschlossenen Kreislauf wird von Vorteil mittels einer Pumpe, vorzugsweise einer Kreiselpumpe, erreicht, wobei besonders vorteilhaft, der Massenstrom der im Kreislauf geführten kryogenen Flüssigkeit stufenlos regelbar ist. Bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff hat sich ein einstellbarer Massendurchsatz im Kreislauf zwischen 60 g/s und 2 kg/s bewährt, wobei der Durchsatz je nach Bedarf variieren kann. The promotion of the cryogenic liquid in a closed circuit is an advantage achieved by means of a pump, preferably a centrifugal pump, particularly advantageous, the mass flow of the circulating cryogenic liquid continuously is adjustable. When using liquid nitrogen has become an adjustable Mass throughput in the circuit between 60 g / s and 2 kg / s has been proven, whereby the Throughput may vary as needed.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Kühlung von hochtemperatursupraleitenden Teilen oder Maschinen, insbesondere Kabeln, Starkstromkabeln, Motoren, Generatoren, Strombegrenzern, Transformatoren, wie Leistungstransformatoren oder Bahntransformatoren, Energiespeichern oder Kurzschlussstrombegrenzern. Die Erfindung ermöglicht erstmals die kostengünstige Kühlung von Hochtemperatursupraleitern im großtechnischen Maßstab. Energieversorgungsunternehmen steht damit eine Möglichkeit zur verlustarmen Energieübertragung zur Verfügung. The invention is particularly suitable for cooling high-temperature superconducting parts or machines, in particular cables, Power cables, motors, generators, current limiters, transformers, such as Power transformers or rail transformers, energy storage or Short circuit current limiters. For the first time, the invention enables economical Cooling high-temperature superconductors on an industrial scale. This gives energy supply companies a low-loss option Energy transfer available.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigt The invention and further details of the invention are described below explained in more detail by the embodiment shown in the drawing. in this connection shows

die Figur das Verfahrensschema einer erfindungsgemäßen Anlage zur Kühlung von hochtemperatursupraleitenden Kabeln. the figure shows the process diagram of a system according to the invention for cooling high temperature superconducting cables.

Die in der Figur gezeigte Anlage zur Kühlung eines hochtemperatursupraleitenden Kabels umfasst einen Speicherbehälter 1 sowie einen Ausgleichsbehälter 2 für flüssigen Stickstoff. Die beiden Behälter 1, 2 sind über eine Leitung 3 so miteinander verbunden, dass bei Bedarf flüssiger Stickstoff aus dem Speicherbehälter 1 in den Ausgleichsbehälter 2 geleitet werden kann. The system shown in the figure for cooling a high-temperature superconducting cable comprises a storage tank 1 and an expansion tank 2 for liquid nitrogen. The two containers 1 , 2 are connected to one another via a line 3 such that liquid nitrogen can be passed from the storage container 1 into the expansion tank 2 if required.

Das zu kühlende Hochtemperatursupraleiterkabel wird in direktem Wärmeaustausch mit flüssigem Stickstoff gekühlt, der in einem geschlossenen Stickstoffkreislauf zirkuliert. Das Hochtemperatursupraleiterkabel besteht aus einer Vielzahl von auf einem flexiblen Innenrohr aufgewickelten supraleitenden Drähten. Das Innenrohr bildet einen ersten Kühlkanal 4, durch den flüssiger Stickstoff als Kühlmedium geleitet wird und das Hochtemperatursupraleiterkabel von innen kühlt. Das gesamte Kabel ist von einem isolierten Mantel umhüllt, wobei der ringförmige Zwischenraum zwischen dem Kabel und dem Mantel einen zweiten Kühlkanal 5 bildet, durch den ebenfalls flüssiger Stickstoff zur Außenkühlung des Kabels fließt. Die Endverschlüsse, d. h. die Anschlüsse des supraleitenden Kabels an ein normalleitendes Kabel, werden ebenfalls mit dem in dem geschlossenen Kreislauf zirkulierenden flüssigen Stickstoff gekühlt. The high-temperature superconductor cable to be cooled is cooled in direct heat exchange with liquid nitrogen, which circulates in a closed nitrogen cycle. The high-temperature superconductor cable consists of a large number of superconducting wires wound on a flexible inner tube. The inner tube forms a first cooling channel 4 , through which liquid nitrogen is passed as the cooling medium and cools the high-temperature superconductor cable from the inside. The entire cable is covered by an insulated jacket, the annular space between the cable and the jacket forming a second cooling channel 5 , through which liquid nitrogen also flows for external cooling of the cable. The terminations, ie the connections of the superconducting cable to a normal conducting cable, are also cooled with the liquid nitrogen circulating in the closed circuit.

Der Stickstoffkreislauf umfasst neben den beiden parallel geschalteten Kühlkanälen 4, 5 für das supraleitende Kabel zwei Wärmetauscherschlangen 6, 7 und eine Kreiselpumpe 8. Anstelle der Wärmetauscherschlangen ist es ebenso möglich, andere Typen von Wärmetauschern, wie zum Beispiel Rippenrohrwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher, einzusetzen. Die Zuführung zur Kühleinheit 5 weist ferner noch ein Regelventil 23 auf, welches die Aufgabe hat, die Teilströme für die Innenkühlung 4 und die Außenkühlung 5 zu regeln. Parallel zu den beiden Kühlkanälen 4, 5 ist noch eine mit einem Ventil 28 versehene Bypass-Leitung 27 vorgesehen. In addition to the two cooling channels 4 , 5 connected in parallel for the superconducting cable, the nitrogen circuit comprises two heat exchanger coils 6 , 7 and a centrifugal pump 8 . Instead of the heat exchanger coils, it is also possible to use other types of heat exchangers, such as finned tube heat exchangers or plate heat exchangers. The feed to the cooling unit 5 also has a control valve 23 , which has the task of regulating the partial flows for the internal cooling 4 and the external cooling 5 . A bypass line 27 provided with a valve 28 is also provided parallel to the two cooling channels 4 , 5 .

Die Wärmetauscherschlangen 6, 7 befinden sich in einem drucklosen Flüssigstickstoffbad 9, welches über Leitung 10 aus dem Speicherbehälter 1 nachgefüllt werden kann. Mit dem Stickstoffkreislauf ist ferner eine mit einem Abgasventil 30 verschließbare Abgasleitung 29 verbunden. Außerdem ist eine Evakuierungsleitung 11 vorgesehen, die ebenfalls mittels eines Ventils 12 geöffnet bzw. geschlossen werden kann, und an die eine Vakuumpumpe 13 angeschlossen ist. Stromabwärts der Abzweigung der Evakuierungs- und der Abgasleitung 11 bzw. 29 ist ein Ventil 26 in den Stickstoffkreislauf geschaltet. The heat exchanger coils 6 , 7 are located in a pressureless liquid nitrogen bath 9 which can be refilled from the storage container 1 via line 10 . An exhaust pipe 29, which can be closed with an exhaust gas valve 30, is also connected to the nitrogen circuit. In addition, an evacuation line 11 is provided, which can also be opened or closed by means of a valve 12 and to which a vacuum pump 13 is connected. A valve 26 is connected into the nitrogen circuit downstream of the branch of the evacuation and exhaust pipes 11 and 29 , respectively.

Der Speicherbehälter 1 ist über eine erste Zuleitung 14 zur Zuführung gasförmigen Stickstoffs mit dem Stickstoffkreislauf verbunden. In die Zuleitung 14 sind ein luftbeheizter Verdampfer 15 sowie ein elektrisch beheizter Anwärmer 16 integriert. Stromabwärts des Anwärmers 16 mündet eine mit einem Regelventil 17 versehene Flüssigstickstoffleitung 18 in die Leitung 14. An der Mündungsstelle der Leitungen 18 und 14 ist ein Venturimischrohr 19 vorgesehen, um die über die Flüssigstickstoffleitung 18 zugeführte Flüssigkeit dem in Leitung 14 strömenden Gas zuzumischen. The storage container 1 is connected to the nitrogen circuit via a first feed line 14 for supplying gaseous nitrogen. An air-heated evaporator 15 and an electrically heated heater 16 are integrated in the feed line 14 . Downstream of the heater 16 , a liquid nitrogen line 18 provided with a control valve 17 opens into the line 14 . A venturi mixing tube 19 is provided at the mouth of the lines 18 and 14 in order to mix the liquid supplied via the liquid nitrogen line 18 with the gas flowing in line 14 .

Von der Flüssigstickstoffleitung 18 zweigt stromaufwärts des Regelventils 17 eine weitere Leitung 20 ab, die mit einem Ventil 21 versehen ist und die ebenfalls in die Zuleitung 14 mündet. In die Zuleitung 14 ist zwischen dem Venturimischrohr 19 und der Mündung von Leitung 20 ein weiteres Regelventil 22 geschaltet. A further line 20 branches off from the liquid nitrogen line 18 upstream of the control valve 17 , said line being provided with a valve 21 and also opening into the supply line 14 . A further control valve 22 is connected in the feed line 14 between the venturi mixing pipe 19 and the mouth of line 20 .

Alle Rohrleitungen und Armaturen im Flüssigstickstoffkreislauf sind in vakuumisolierter Bauart ausgeführt. Auch die Vorrichtungen zur Durchflussmessung und Temperaturmessung sind vakuumisoliert. Druckmessungen werden dagegen am warmen unisolierten Teil des jeweiligen Rohrstutzens, in dem die Temperaturmesseinheit untergebracht ist, vorgenommen. Selbstverständlich sind aus Sicherheitsgründen alle Anlagenteile, in denen Flüssigkeit eingesperrt werden kann, mit entsprechenden Sicherheitsablässen oder Überströmklappen gegen Beschädigung oder Zerstörung abgesichert. All pipes and fittings in the liquid nitrogen circuit are vacuum-insulated Design carried out. Also the devices for flow measurement and Temperature measurements are vacuum insulated. Pressure measurements, however, are on warm uninsulated part of the respective pipe socket in which the Temperature measuring unit is housed. Of course, are off For safety reasons, all parts of the system in which liquid can be locked up, with appropriate safety drains or overflow flaps against damage or destruction secured.

Zur Inbetriebnahme der in der Figur gezeigten Anlage wird der Stickstoffkreislauf zunächst durch Öffnen des Ventils 12 und Starten der Vakuumpumpe 13 über die Evakuierungsleitung 11 evakuiert. Hierbei wird eventuell in den Rohrleitungen des Stickstoffkreislaufs vorhandene Feuchtigkeit entfernt. Die Ventile 26 und 28 sind geschlossen. To start up the system shown in the figure, the nitrogen circuit is first evacuated by opening the valve 12 and starting the vacuum pump 13 via the evacuation line 11 . This removes any moisture present in the nitrogen circuit pipes. The valves 26 and 28 are closed.

Der Stickstoffkreislauf wird anschließend mit warmem Stickstoffgas gespült. Hierzu wird über Leitung 14 flüssiger Stickstoff aus dem Speicherbehälter 1 abgezogen, in dem Luftverdampfer 15 gegen Umgebungsluft verdampft und auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. In dem nachgeschalteten elektrischen Anwärmer 16 wird der gasförmige Stickstoff dann auf ungefähr 330K angewärmt. Nach Öffnen der Ventile 22 und 28 strömt dieses warme Gas über Leitung 14 und die Bypassleitung 27 in die Kühlkanäle 4, 5 und wird dann über die Abgasleitung 29 in die Atmosphäre abgeblasen. The nitrogen cycle is then flushed with warm nitrogen gas. For this purpose, liquid nitrogen is withdrawn from the storage container 1 via line 14 , evaporated against ambient air in the air evaporator 15 and warmed to approximately ambient temperature. In the downstream electric heater 16 , the gaseous nitrogen is then heated to approximately 330K. After opening the valves 22 and 28 , this warm gas flows via line 14 and the bypass line 27 into the cooling channels 4 , 5 and is then blown off into the atmosphere via the exhaust line 29 .

Erfindungsgemäß wird die Anlage definiert abgekühlt, um mechanische Spannungen zu vermeiden. Hierzu ist eine Kalt- und Warmgaserzeugungseinheit vorgesehen, die eine definierte, schrittweise Abkühlung bzw. Erwärmung mit Gastemperaturen zwischen 100K und 330K ermöglicht. Der Gasdurchsatz ist ebenfalls in weiten Grenzen einstellbar. Die Größe der Temperaturschritte beträgt vorzugsweise 20 bis 40K. According to the invention, the system is cooled in a defined manner to mechanical stresses to avoid. For this purpose, a cold and hot gas generation unit is provided, which a defined, gradual cooling or heating with gas temperatures between 100K and 330K. The gas throughput is also wide Limits adjustable. The size of the temperature steps is preferably 20 to 40K.

Ausgehend von der oben beschriebenen Spülphase mit warmem Stickstoffgas wird die Temperatur des über Zuleitung 14 in den Bypass 27 und die Kühlkanäle 4, 5 eingeleiteten Gases allmählich abgesenkt. Das Dosierventil 17 wird hierzu geöffnet, so dass aus Leitung 18 flüssiger Stickstoff ausströmt. Der flüssige Stickstoff wird in dem Venturimischrohr 19 dem gasförmigen Stickstoff zugemischt. Das Dosierventil 17 wird dabei so geregelt, dass der in Leitung 14 fließende Gasstrom stromabwärts des Venturimischrohres 19 die gewünschte Temperatur erreicht. Die Temperaturmessung erfolgt mittels eines Temperatursensors 24, der in der Abgasleitung 12 angeordnet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das komplette supraleitende Kabel die gewünschte Temperatur angenommen hat. Starting from the flushing phase with warm nitrogen gas described above, the temperature of the gas introduced into the bypass 27 and the cooling channels 4 , 5 via the feed line 14 is gradually lowered. The metering valve 17 is opened for this purpose, so that liquid nitrogen flows out of line 18 . The liquid nitrogen is mixed in the venturi mixing tube 19 with the gaseous nitrogen. The metering valve 17 is regulated so that the gas stream flowing in line 14 downstream of the Venturi mixing tube 19 reaches the desired temperature. The temperature measurement is carried out by means of a temperature sensor 24 , which is arranged in the exhaust pipe 12 . This ensures that the entire superconducting cable has reached the desired temperature.

Nach Erreichen der Solltemperatur wird der nächste Temperaturschritt eingeleitet. Der Durchfluss durch das Dosierventil 17 wird entsprechend erhöht, um eine weitere Temperaturabsenkung zu erzielen. Die Gesamtdurchflussmenge des dem Stickstoffkreislauf zugeführten Gases wird dabei mittels des Regelventils 22 konstant gehalten. Auf diese Weise wird die Temperatur des Stickstoffkreislaufes allmählich bis auf etwa 100K abgesenkt. Das Wärmetauscherbad 9 ist üblicherweise bereits mit Flüssigstickstoff gefüllt, so dass eine Vorkühlung dieses Teils des Stickstoffkreislaufes nicht notwendig ist. After reaching the target temperature, the next temperature step is initiated. The flow through the metering valve 17 is increased accordingly in order to achieve a further temperature reduction. The total flow rate of the gas supplied to the nitrogen circuit is kept constant by means of the control valve 22 . In this way, the temperature of the nitrogen cycle is gradually lowered to about 100K. The heat exchanger bath 9 is usually already filled with liquid nitrogen, so that pre-cooling of this part of the nitrogen cycle is not necessary.

Sobald das Thermometer 24 in der Abgasleitung 12 100K anzeigt, wird der gesamte Stickstoffkühlkreislauf mit flüssigem Stickstoff gefüllt. Dies geschieht, indem Ventil 21 langsam geöffnet und die Ventile 17 und 22 entsprechend geschlossen werden. Der Zustrom an gasförmigem Stickstoff wird hierdurch unterbunden und flüssiger Stickstoff strömt über Leitung 20 aus dem Speicherbehälter 1 direkt in die Zuleitung 14. Die Ventile 28 und 30 werden geschlossen, so dass der Bypass 27 und die Abgasleitung 29 abgesperrt sind, und Ventil 26 geöffnet, um den Stickstoffkreislauf in Betrieb zu setzen. As soon as the thermometer 24 in the exhaust line 12 shows 100K, the entire nitrogen cooling circuit is filled with liquid nitrogen. This is done by slowly opening valve 21 and closing valves 17 and 22 accordingly. The inflow of gaseous nitrogen is thereby prevented and liquid nitrogen flows via line 20 from the storage container 1 directly into the supply line 14 . Valves 28 and 30 are closed, so that bypass 27 and exhaust line 29 are shut off, and valve 26 is opened to start the nitrogen cycle.

Die Strömungsverbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter 2 und dem Stickstoffkreislauf wird dann geöffnet. Der Ausgleichsbehälter 2 ist mit einer Tankdruckregelung versehen, die vorzugsweise ferneinstellbar ist. Über diese Tankdruckregelung kann der Druck im Ausgleichsbehälter 2 und im Stickstoffkreislauf eingestellt und automatisch geregelt werden. Vorzugsweise wird ein Druck zwischen 2 und 9 bar eingestellt und aufrechterhalten. The flow connection between the expansion tank 2 and the nitrogen circuit is then opened. The expansion tank 2 is provided with a tank pressure control, which is preferably remotely adjustable. The pressure in the expansion tank 2 and in the nitrogen circuit can be set and automatically controlled via this tank pressure control. A pressure between 2 and 9 bar is preferably set and maintained.

Die Durchflussmenge des im geschlossenen Kreislauf geführten flüssigen Stickstoffs kann durch die Kreiselpumpe 8 und ein im Kreislauf auf der Pumpendruckseite angeordnetes Regelventil 31 geregelt werden. Die Grobeinstellung der Durchflussmenge erfolgt durch Regelung der Drehzahl der Pumpe 8. Ferner ist ein mit einem Ventil 33 versehener Pumpenbypass 32 vorgesehen, durch den ein Teilstrom des von der Pumpe 8 geförderten Stroms zur Ansaugseite der Pumpe 8 zurückgefördert wird, so dass auch bei geringen Durchflüssen im Stickstoffkreislauf stets die für eine ordnungsgemäße Funktion der Pumpe 8 erforderliche Mindestmenge an Flüssigkeit ansteht. Die Kreiselpumpe 8 sorgt dafür, dass der flüssige Stickstoff turbulent durch den Kreislauf geführt wird und das Hochtemperatursupraleiterkabel 4, 5 turbulent umströmt und dabei die in dem Kabel 4, 5 entstehende Verlustleistung aufnimmt. The flow rate of the liquid nitrogen carried in the closed circuit can be regulated by the centrifugal pump 8 and a control valve 31 arranged in the circuit on the pump pressure side. The rough adjustment of the flow rate takes place by regulating the speed of the pump 8 . Furthermore, a pump bypass 32 provided with a valve 33 is provided, through which a partial flow of the flow conveyed by the pump 8 is conveyed back to the suction side of the pump 8 , so that even with low flows in the nitrogen circuit, the minimum amount required for the pump 8 to function properly is always provided liquid is present. The centrifugal pump 8 ensures that the liquid nitrogen is passed through turbulent circulation and the high temperature superconductor cables 4, 5 turbulent flow around it and which receives 5 resulting power loss in the cable. 4

Die Feinregelung des Durchsatzes an flüssigem Stickstoff durch den geschlossenen Kreislauf erfolgt mittels des Regelventils 31. Außerdem kann noch mittels des Regelventils 23 die Verteilung des flüssigen Stickstoffs auf die beiden Kühlkanäle 4, 5 eingestellt werden. The throughput of liquid nitrogen through the closed circuit is finely regulated by means of the control valve 31 . In addition, the distribution of the liquid nitrogen over the two cooling channels 4 , 5 can also be set by means of the control valve 23 .

Der in den Kühlkanälen 4, 5 angewärmte Stickstoff strömt anschließend durch den Wärmetauscher 7, der sich in dem drucklosen Flüssigstickstoffbad 9 befindet. Je nach Ausführung der Wärmetauscher 6 und 7, der im Kreislauf geführten Stickstoffmenge und der aufzunehmenden Verlustleistung ist es auch günstig, im Behälter 9 einen Unterdruck vorzusehen, um eine höhere Temperaturdifferenz zwischen dem im Kreislauf geführten Stickstoff und dem im Behälter 9 befindlichen Flüssigstickstoff zu erzielen. Die Temperatur des Stickstoffs wird dadurch noch weiter abgesenkt, wodurch sich die Stromübertragungsrate des zu kühlenden HTSL-Kabels erhöhen lässt. The nitrogen heated in the cooling channels 4 , 5 then flows through the heat exchanger 7 , which is located in the pressureless liquid nitrogen bath 9 . Depending on the design of the heat exchangers 6 and 7 , the quantity of nitrogen circulated and the power loss to be absorbed, it is also advantageous to provide a negative pressure in the container 9 in order to achieve a higher temperature difference between the nitrogen circulated and the liquid nitrogen in the container 9 . This lowers the temperature of the nitrogen even further, which means that the current transfer rate of the HTSL cable to be cooled can be increased.

Im Wärmetauscher 7 gibt der Kreislaufstickstoff die aufgenommene Wärme an das Stickstoffbad 9 ab und wird dabei annähernd auf die Temperatur des Bades 9 unterkühlt, wodurch der Kreislaufstickstoff blasenfrei wird. Danach wird der Kreislaufstickstoff von der Kreiselpumpe 8 angesaugt und beschleunigt und durch den zweiten Wärmetauscher 6 gedrückt. In dem zweiten Wärmetauscher 6 gibt der Kreislaufstickstoff die Verlustleistung der Pumpe 8 ebenfalls an das Stickstoffbad 9 ab und wird gegebenenfalls noch weiter abgekühlt, um dann wieder den Kühlkanälen 4, 5 zugeführt zu werden. In the heat exchanger 7 of the cycle nitrogen emits the absorbed heat to the nitrogen bath 9 and is thereby sub-cooled nearly to the temperature of the bath 9, whereby the cycle nitrogen is bubble-free. The circulating nitrogen is then sucked in and accelerated by the centrifugal pump 8 and pressed through the second heat exchanger 6 . In the second heat exchanger 6 , the circulating nitrogen also gives off the power loss of the pump 8 to the nitrogen bath 9 and is optionally further cooled in order to then be fed back to the cooling channels 4 , 5 .

Der durch den Wärmeeintrag in das Stickstoffbad 9 entstehende gasförmige Stickstoff wird durch entsprechende, in der Zeichnung nicht dargestellte Öffnungen an die Atmosphäre abgeführt oder bevorzugt anderen Verbrauchern zugeführt beziehungsweise rückverflüssigt. Über Leitung 10 wird aus dem Bad 9 verdampfter Stickstoff durch flüssigen Stickstoff aus dem Speicherbehälter 1 ersetzt. Hierzu ist eine übliche Füllstandsüberwachung in dem Behälter 9 vorgesehen, die Ventil 25 bei einer Niveauunterschreitung öffnet und nach Erreichen des maximalen Füllstandes wieder schließt. The gaseous nitrogen resulting from the heat input into the nitrogen bath 9 is discharged to the atmosphere through corresponding openings, not shown in the drawing, or is preferably fed to other consumers or re-liquefied. Via line 10 , vaporized nitrogen from the bath 9 is replaced by liquid nitrogen from the storage container 1 . For this purpose, a conventional fill level monitoring is provided in the container 9 , which opens the valve 25 when the level falls below and closes again after the maximum fill level is reached.

In analoger Weise wird der Ausgleichsbehälter 2 bei Bedarf aus dem Speicherbehälter 1 nachgefüllt. In an analogous manner, the equalizing reservoir 2 is refilled as needed from the storage container. 1

Zusammenfassend weist die Erfindung die folgenden Vorteile auf:

- Die im geschlossenen Kreislauf geführte kryogene Flüssigkeit bleibt auf der gesamten Kreislaufstrecke einphasig.
- Der Druck im Kreislauf ist stufenlos regelbar.
- Der im Kreislauf geführte Massenstrom ist, beispielsweise mittels einer drehzahlgeregelten Kreiselpumpe, einem Regelventil auf der Pumpendruckseite und einer Pumpen-Bypass-Regelung, ebenfalls in weiten Grenzen stufenlos regelbar.
- Der Kühlkreislauf kann langsam und gezielt abgekühlt und angewärmt werden.
- Der Kühlkreislauf kann kontrolliert mit der kryogenen Flüssigkeit, insbesondere flüssigem Stickstoff, befüllt bzw. entleert werden.
- Der Kühlkreislauf ist evakuierbar, um Verunreinigungen abziehen zu können.

In summary, the invention has the following advantages:

- The cryogenic liquid in the closed circuit remains single-phase throughout the circuit.
- The pressure in the circuit is infinitely variable.
- The circulating mass flow is also continuously variable within wide limits, for example by means of a speed-controlled centrifugal pump, a control valve on the pump pressure side and a pump bypass control.
- The cooling circuit can be slowly and specifically cooled and warmed up.
- The cooling circuit can be filled or emptied in a controlled manner with the cryogenic liquid, in particular liquid nitrogen.
- The cooling circuit can be evacuated to remove contaminants.

Claims

1. A method for cooling elements by heat exchange with a cryogenic liquid, wherein the cryogenic liquid is pressurized, guided in a closed circuit and cooled in indirect heat exchange with a refrigerant, characterized in that the circulated cryogenic liquid by a same cryogenic liquid stored in an expansion tank ( 2 ) is pressurized.

2. The method according to claim 1, characterized in that the in circulation guided cryogenic liquid with cryogenic liquid of the same chemical Composition that circulates under less pressure than that Liquid is standing, is cooled.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that as cryogenic liquid liquid nitrogen is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the circulated liquid with a pressure between 1 and 36 bar, preferably between 1 and 20 bar, particularly preferably between 2 and 9 bar, is applied.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cryogenic liquid is circulated by means of a pump ( 8 ).

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the Mass flow of the cryogenic liquid circulating is infinitely variable is.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that evaporated cryogenic liquid is re-liquefied.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the elements ( 4 , 5 ) are cooled by direct heat exchange with the cryogenic liquid.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that high-temperature superconductors, in particular high-temperature superconducting cables ( 4 , 5 ), are cooled with the cryogenic liquid.

10. Device for cooling elements with a ring line for guiding a cryogenic liquid in a closed circuit, wherein a heat exchanger and means for conveying the cryogenic liquid in the closed circuit are provided in the ring line, characterized in that with the ring line an expansion tank ( 2 ) is connected to cryogenic liquid stored under increased pressure.