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Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung eines verflüssigten tiefsiedenden Gases
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bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur von 77 K oder weniger gehalten wird.
Die Erfindung schafft ferner eine Einrichtung zur Speicherung eines tiefsiedenden Flüssiggases, bestehend aus einem Inneugefäss zum Speichern des Gases und einem das Innengefäss umgebenden äusseren Gefäss, von dem das Innengefäss durch einen Isolierraum getrennt ist, und bei der den Gasraum des Innengefässes eine Dampfleitung mit der Atmosphäre verbindet, wobei die Dampfleitung in wärmetauschendem Kontakt mit einem Teil der Isolation steht und eine thermische Abschirmung innerhalb des Isolationsraumes, der das Innengefäss umgibt, in unmittelbarer Nähe desselben angeordnet ist, und die Dampfleitung an der inneren Oberfläche der Abschirmung. befestigt ist.
Das Innengefäss wird innerhalb der thermischen Abschirmung, die aus Metall besteht, durch mehrere hohle, röhrenförmige Abstandhalter aus Kunststoff starr gestützt bzw. sind diese an dem oberen und unteren Ende des Innengefässes und der thermischen Abschirmung befestigt und ist die thermische'Abschirmung mit dem äusseren Gehäuse mittels eines hohlen, röhrenförmigen Stützteiles aus Kunststoff starr verbunden.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Längsschnitt ein die wesentlichen Merkmale der Erfindung aufweisendes Gefäss zur Lagerung von Flüssiggasen.
Die Erfindung wird nachstehend in Begriffen und Ausdrücken einer Anlage zum Speichern von Flüssighelium beschrieben werden. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch für die Lagerung anderer tiefsiedender Flüssiggase anwendbar ist, deren Siedepunkte bei atmosphärischem Druck unter etwa 100 K liegt, beispielsweise von Wasserstoff und Neon.
Sehr niedrigsiedende Gase, wie. z. B. Helium und Wasserstoff, sind äusserst schwierig und zweckensprechend in ziemlich wesentlichen Mengen, z. B. 1001 oder mehr, in einem tragbaren Behälter zu speichern.
Es ist bekanntlich erwünscht, tiefsiedende Industriegase, wie Sauerstoff und Stickstoff in flüssiger Form zu transportieren. An diesen Gasen und für den Transport von noch tiefer siedenden Gasen besteht ein steigendes Bedürfnis. Das Problem des Transportes und der Manipulation von sehr tiefsiedenden Gasen, wie Helium und Wasserstoff in flüssiger Form ist jedoch viel ernster als bei flüssigem Sauerstoffund Stickstoff. Beispielsweise ist zum Verdampfen von 11 Flüssighelium eine Wärmemenge von etwa 750 cal erforderlich d. h., nur etwa 1% der zum Verdampfen von Flüssigsauerstoff erforderlichen Wärmemenge. Infolgedessen muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass möglichst wenig Wärme durch den Behälter in das Flüssighelium gelangt.
Die bekannten Verfahren zur Beschränkung dieses Wärmeeintrittes wiegen die volumetrischen Vorteile der Lagerung in flüssiger anstatt in Gasform teilweise auf, weil sie einen äusserst grossen Isolierraum zwischen dem Gefäss für die Lagerung des Heliums und der Aussenummantelung des tragbaren Behälters erfordern, wodurch die Aussenmasse des Behälters für eine bestimmte Kapazität vergrössert werden und die Transportfähigkeit eines derartigen Behälters herabgesetzt wird.
Der Wärmeeintritt in einen Behälter kann nicht vollständig verhindert werden. Die Erfindung zieht aus dieser Tatsache Vorteile bei der Schaffung eines möglichst kleinen, tragbaren Behälters, indem der auf Wärmeleitung und-strahlung zurückzuführende Wärmeeintritt dadurch auf ein Minimum herabgesetzt wird, dass bei einem dreiwandigen vakuumisolierten Behälter zur Lagerung von Flüssiggas wenigstens eine dampfgekühlte Wärmeabschirmung aus Metall zwischen der Aussenummantelung und dem Flüssiggasspeicher vorgesehen ist.
Zwischen der Aussenummantelung und dem Innengefäss ist vorzugsweise ein lichtundurchlässiges Isoliermaterial, angeordnet, so dass die Wärmemenge herabgesetzt wird, die infolge von Wärmeleitung und -strahlung durch die von der Aussenummantelung und der Wärmeabschirmung gebildete Umhüllung in die von der Wärmeabschirmung und dem Innengefäss gebildete Umhüllung eintreten kann. Die Wärmeabschirmung ist so angeordnet, dass die gesamte durch Festkörper- und Gasleitung sowie durch Wärmestrahlung von der Wärmeabschirmung in das Innengefäss sickernde Wärmemenge sehr klein ist. Das Flüssighelium das durch die Wärme verdampft wird, die durch diese innere Umhüllung zwischen der Wärmeabschirmung und dem Innengefäss übertragen wird, gelangt im Wärmetausch mit der Wärmeabschirmung aus dem Behälter in die Umgebungsatmosphäre.
Die durch die äussere Umhüllung, welche von der Aussenummantelung und der Wärmeabschirmung gebildet wird, tretende Wärme erwärmt das verdampfte Helium, wobei die Wärmeabschirmung selbst gekühlt wird. Bei einer derartigen Anlage wird der grösste Teil der durch die äussere Umhüllung übertragenen Wärme abgefangen, so dass nur ein relativ kleiner Teil der durch die äussere Umhüllung tretenden Wärme in das Innengefäss eintreten kann. Infolge der gegenüber der latenten Verdampfungswärme des Flüssigheliums hohen spezifischen Wärme des Heliumdampfes erzielt man mit diesem Verfahren eine beachtliche Herabsetzung der Menge Flüssighelium, die zum Abführen der duroh die Wärmeabschirmung hindurch gelangenden Wärme verdampft werden muss.
Bei Verwendung einer derartigen Isolierung zur Lagerung von Flüssighelium werden gewöhnlichnicht mehr als 10goder die Wärme-
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abschirmung erreichenden Wärme zu dem Innengefäss übertragen.
Die Wärmeabschirmung ist genügend stark, so dass sie das Innengefäss starr tragen und dass sie an der Aussenummantelung befestigt werden kann. Die zweistufige Stützanordnung wird aus Materialien hergestellt, die bei relativ hoher Festigkeit eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben und dadurch die durch direkte Wärmeleitung übertragene eintretende Wärme wirksam beschränken.
Mit dem Ausdruck"lichtundurchlässige Isolierung"wird in der Beschreibung eine aus zwei Komponenten bestehende Isolierung bezeichnet, in der ein strahlungsdurchlässiges Material von geringer Wärmeleitfähigkeit und ein für Wärmestrahlung undurchlässiges Material verwendet werden, das den Durchgang von Infrarotstrahlung herabsetzt, ohne die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung wesentlich zu erhöhen.
Nachstehend wird ein tragbarer Behälter zur Lagerung von Flüssiggas ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch auf grössere Behälter, die beweglich oder ortsfest sein können, Anwendung finden kann. Derartige Behälter können beispielsweise bei Anhängern oder Behälterwagen verwendet werden.
Die Zeichnung zeigt ein Gefäss 10 zur Lagerung von Flüssiggas. Dieses Gefäss ist stehend in der Wärmeabschirmung 11 angeordnet, mit der es durch Abstandhalter 12 und 14 verbunden ist, welche starr an dem Gefäss 10 und der Wärmeabschirmung 11 befestigt sind. Diese Absrandhalter bestehen vorzugsweise aus einem Material, bei dem das Verhältnis zwischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit relativ hoch ist, beispielsweise aus verstärktem Kunststoff. Ein geeignter Kunststoff ist ein Melamin- oder Epoxydharz mit einem Aussteifungsmaterial wie Glasfasern, zur Erhöhung der Zugfestigkeit.
Aus derartigen Materialien können relativ lange Teile hergestellt werden, die sich ausgezeichnet zum Stützen eines Gegenstandes in Fällen eignen, in denen nur eine minimale Wärmeübertragung durch direkte Wärmeleitung zulässig ist,
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beispielsweise mit Zapfen 13 an dem oberen Ende des Gefässes 10 und der Wärmeabschrimung 11 befestigt.
Das Gefäss 10 ist auch am unteren Ende gehalten, u. zw. mit Abstandhaltern 14, die'radial amStützringI5 befestigt sind, und am Stützzapfen 14a. Der Stützring 15 soll ebenfalls aus einem Material hergestellt sein, bei dem das Verhältnis zwischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit relativ hoch ist, beispielsweise aus austenitischem rostfreiem Stahl. Die Abstandhalter 12 bzw. 14 sollen in gleichmässigen Abständen um die Lösungsmittelachse des Gefässes 10 so angeordnet sein, so dass das bevorzugte Verfahren der Abstützung des Gefässes 10, das durch eine Zugbelastung auf die Abstandhalter starr festgehalten wird, eine gleich- mässige Verteilung der Belastung ergibt.
Der Abstand der Wärmeabschirmung 11 von dem Innengefäss ist kleiner als der von der Aussenumman- telung und vorzugsweise so klein wie möglich, ohne dass eine Berührung des Innengefässes eintritt. Diese Anordnung der Wärmeabschirmung 11 gestattet es, die Dicke der äusseren Umhüllung und die Baumasse des Behälters 10 auf ein Minimum zu reduzieren. Die Wärmeabschirmung 11 wird vorzugsweise an ihrem oberen Ende von einem hohlen Stützkörper 17 getragen, der mit der Wärmeabschirmung 11 durch ein in einem Rücklaufrohr 19 angeordnetes Verbindungsorgan 17a verbunden ist. Derobere Teil des Stützkörpers
17 wird von gekrümmten, radialen Armen 18 gehalten, die sich von dem Stützkörper 17 zur Seitenwand der Aussenummantelung 16 erstrecken.
Dadurch, dass der Stützkörper 17 in das Rücklaufrohr 19 herunterführt, und die Arme 18 an der Seitenwand der Aussenummantelung 16 befestigt sind, wird der Vorteil, der dadurch erhalten wird, dass diese Teile bevorzugt aus einem Material bestehen, bei dem das Verhältnis zwischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit relativ hoch ist, voll ausgenutzt.
Infolgedessen ist die durch direkte Wärmeleitung über die Stützorgane auf die Wärmeabschirmung 11 übertragene Wärmemenge auf ein Minimum reduziert, ohne dass der Abstand zwischen der Oberseite der Wärmeabschirmung 11 und dem oberen Ende der Aussenummantelung 16 stark vergrössert werden muss. Die Befestigung der gekrümmten Arme 18 an der Seitenwand der Aussenummantelung 16 ermöglicht den Einbau der Innenteile des Behälters vor dem Aufsetzen der Decke der Aussenummantelung 16.
Das Gefäss 10 zur Lagerung von Flüssiggas wird vor einem. Wärmeeintritt vorzugsweise durch eine lichtundurchlässige Isolierung geschützt. In der bevorzugten Ausuhrungsform der Erfindung wird eine lichtundurchlässige Isolierung der in der USA-Patentschrift Nr. 3, 007, 596 näher beschriebenen Art verwendet. Diese kann beispielsweise miteinander abwechselnd parallele Lagen aus einer wärmereflektierenden Metallfolie wie z. B. Aluminium enthalten, die durch Teilchen aus Glasfaserpapier oder-filzin einer Grösse von weniger als 1 Mikron getrennt sind. Diese Isolierung wird vorzugsweise um die Wärmeabschirmung 11 herumgelegt und füllt den Raum zwischen der Aussenummantelung 16 und der Wärmeab - schirmung 11 im wesentlichen vollständig aus.
Diese Isolierung bewirkt auch eine seitliche Abstutzung der aus der festgelegten Wärmeabschirmung und dem Innengefäss. Die beste Isolierwirkung erhält man, wenn der Isolierraum zwischen der Aussenummantelung und der Wärme abschirmung auf weniger als
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25 Mikron Quecksilbersäule evakuiert wird.
Man kann auch eine lichtundurchlässige Isolierung verwenden, die aus einem Pulver und Vakuum besteht und ausführlicner in der USA-Patentschrift Nr. 2, 967, 152 beschrieben ist. Diese Isolierung kann beispielsweise aus gleichen Gewichtsteilen Kupferflocken und feinverteilte Siliciumdioxyd bestehen. Das zuletzt genannte Material hat eine sehr geringe Körperleitfähigkeit, ist aber sehr strahlungsdurchlässig.
Die Kupferflocken bewirken eine beträchtliche Herabsetzung des Eintrittes von Strahlungswärme.
Die von der Wärmeabschirmung 11 und dem Innengefäss 10 gebildete innere Umhüllung kann mit der lichtundurchlässigen Isolierung, welche aus einem Pulver und Vakuum besteht, gefüllt oder ohne Zusatz von Isoliermaterial auf weniger als 0, 001 Mikron Quecksilbersäule evakuiert werden. In dem zuletzt genannten Fall müssen die diesen inneren Zwischenräum umschliessenden Oberflächen hochglanzpoliert werden. Die innere Umhüllung bildet jedoch vorzugsweise einen Teil eines Raumes, der auf einen gemeinsamen niedrigen positiven Druck von weniger als etwa 25 Mikron Quecksilbersäule evakuiert wurde. In
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Flächen der WärmeabschirmungInnengefässes 10 in Kombination mit der evakuierten inneren Umhüllung das Innengefäss 10 von der Wär- me abschirmung 11.
In einer am Boden des Gefässes 10 befestigten Umschliessung 36 ist ein Absorbens 35 wie Kieselsäuregel oder Natriumzeolith A angeordnet, welches die Aufrechterhaltung des Hochvakuum zwischen der Wärmeabschirmung und dem Gefäss unterstützt.
Eine andere Ausführungsform weist ein schrägliegendes Gefäss zur Lagerung von Flüssiggas auf. Das
Gefäss kann, wie in der Zeichnung angedeutet, von einer zweistufigen Stützanordnung gehaltert werden, die an einem Ende rohrförmige und am andern Ende radial angeordnete Abstandhalter aufweist. Das Spei- chergefäss kann auch an beiden Enden mit Abstandhaltern einer der beiden Arten getragen werden. In der liegenden Ausführung kann die Wärmeabschirmung an beiden Enden von dem in der Zeichnung gezeigten Stützsystem gehaltert werden. Die seitliche Abstützung der Wärmeabschirmung kann durch die Isolierung bewirkt werden, doch wird für diesen Zweck vorzugsweise ein starres Abstützsystem der vorstehend beschriebenen Art verwendet.
Von der in dem Gefäss 10 enthaltenden Flüssigkeit verdampfendes Gas wird durch den Abzug 20 und und die Leitung 21 abgezogen, die vorzugsweise eine abgeflachte Strecke 21a zwischen dem Innengefäss 10 und der Wärmeabschirmung 11 hat und direkt zum Boden des evakuierten Raumes zwischen der Wärmeabschirmung und dem Gefäss führt. Von dort wird das Gas ins Freie über eine Leitung 22 abgegeben, die eine abgeflachte Strecke 22a hat, die beispielsweise in Schlangenform an der Oberfläche der Wärmeab- schirmung 11 befestigt sein kann. Der überhitzte Dampf verlässt die Wärmeabschirmung bei 23. Gegebenenfalls kann die Leitung 22 durch das Rücklaufrohr 19 und das hohle Stützorgan 17 führen und bei 24 aus dem oberen Ende der Aussenummantelung 16 herausführen.
An dieser Stelle sind ein Sicherheitsventil 25, welches den Austritt des verdampften Gases in die Atmosphäre gestattet, und eine Brechscheibe 26 eingebaut. Die Leitung 22 wird durch die Leitung 27 fortgesetzt, die ein Handventil 28 und eine auf dem Stutzen 30 sitzende Kappe 29 enthält. Über das Handventil 28 kann man gegebenenfalls mit Hilfe einer aussen gelegenen Druckquelle den Innendruck in dem Behälter aufbauen.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Dampfleitung 22 an der Innenfläche der aus Metall bestehenden Wärmeabschirmung befestigt, so dass der Dampf die Wärmeabschirmung und den Raum zwischen ihr und dem Gefäss auf eine gewünschte niedrige Temperatur kühlen kann, die etwa bei der Temperatur des Flüssigstickstoffes liegt, wobei das verdampfte Gas auf wenigstens 1500K erwärmt wird.
Insbesondere muss die Wärmeabschirmung auf einer solchen Temperatur gehalten werden, dass der Temperaturunterschied zwischen der Wärmeabschirmung 11 und dem Innengefäss 10 nicht mehr als 50% des Temperaturunterschiedes zwischen der Aussenummantelung 16 und dem Innengefäss 10 und vorzugsweise 2-4Wo dieses Temperaturunterschiedes beträgt.
Weil das Wärmeausstrahlungsvermögen der Wärmeabschirmung eine Funktion der vierten Potenz der Temperatur ist, muss in dem evakuierten Raum zwischen der Wärmeabschirmung 11 und dem Innengefäss 10 eine niedrige Temperatur aufrechterhalten werden, damit die durch diesen Raum übertragene Strahlungswärme auf einen tragbaren Wert herabgesetzt
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Ausbildung kann die Wärmeabschirmung eintretende Wärme gut abfangen, so dass die Verdampfungsverluste an Helium bei einem Behälter mit einer Kapazität von 100 l auf weniger als 2% der Kapazität pro Tag herabgesetzt werden. Ausserdem können auch in dem Isolierraum in der Nähe der Aussenummantelung
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Dampfleitungen vorgesehen sein, um die mit dem verdampften Gas erzielte Kühlwirkung noch zu vergrö- ssern.
Eine weitere Herabsetzung des Wärmeeintrittes kann dadurch erzielt werden, dass die Dampfleitungen in die Nähe der wichtigsten Tragorgan verlegt oder um diese herumgewickelt werden, damit diese Organe gekühlt werden und ein Teil der durch Wärmeleitung übertragenen Wärme abgefangen wird.
Das Einfüllen und Abziehen der Flüssigkeit erfolgt über die Full- un Abzugsleitung 31, die in dem Gefäss 10 angeordnet ist und sich fast bis zum Boden der Gefässes erstreckt. Das obere Ende der Leitung 31 ist vorzugsweise an einer schraubenlinienförmig angeordneten Leitung 32 befestigt, die in dem Isolierraum zwischen der Wärmeabschirmung 11 und dem Innengefäss 10 angeordnet ist und in dem mitder Kap- pe 34 abgeschlossenen Ventil 33 endet. Zur Abgabe jeweils nur eines kleinen Teiles des Inhaltes des Gefässes 10 braucht das Gas im normalen Betrieb nur einen kleinen Überdruck von z. B. 0, 14 bis 0, 28 atü zu haben. Wenn jedoch eine grössere Menge auf einmal abgegeben werden soll, muss der Gasdruck anfänglich höher sein und z.
B. 0, 28 b s 1, 05 atü betragen, weil der Gasdruck während des Abziehens der Flüssigkeit sinkt. Wenn der ganze Flüssigkeitsinhalt auf einmal abgezogen werden soll, schliesst man an den Stutzen 30 eine aussen gelegene Druckquelle an, damit während der ganzen Abgabe ein Gasdruck von mehr als etwa 0, 28 atü aufrechterhalten wird.
Die für Helium bevorzugte Einstellung des Sicherheitsventils ist von der Art der Verwendung des Behälters abhängig. Bei der Bestimmung eines für eine bestimmte Anwendung optimalen Druckes sind folgende Gesichtspunkte zu beachten :
1. In dem Behälter muss ein positiver Druck vorhanden sein, der so hoch ist, dass er eine Rilckdiffu- sion von Luft und das Einfrieren von Luft in dem Behälter'verhindert, weil dies zum Verstopfen der Leitungen und Ventile führen würde.
2. Es ist ein niedriger Sättigungsdruck erwünscht, damit die latente Verdampfungswärme des Flüssigheliums so hoch wie möglich bleibt und das Auftreten von Verdampfungsverlusten verzögert wird.
3. Der eingestellte Druck muss so hoch sein, dass wenigstens ein Teil des Flüssigkeitsinhaltes zweckentsprechend abgezogen werden kann, ohne dass eine aussenliegende Druckgasquelle verwendet werden muss.
Bei höhersiedenden Flüssiggasen soll der eingestellte Druck vorzugsweise etwas höher sein.
Ein wichtiges Merkmal deserfindungsgemässen Behälters besteht darin, dass er nicht nur einen sehr geringen Wärmeeintritt hat, wie dies bei seiner Verwendung zur Lagerung von Flüssighelium erforderlich ist und vor allem durch die besondere Anordnung der Wärmeabschirmung erzielt wird, sondern dass er auch angemessen robust und daher besonders zum Transport derartiger Flüssiggase geeignet ist.
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ein inneres Gefäss aufweist, das innerhalb eines äusseren Gehäuses angeordnet ist, von dem es durch einen Isolationsraum getrennt ist, wobei das verdampfte Gas, das im Gasraum des Innengefässes gebildet wird, in wärmetauschenden Kontakt mit einem.
Teil der Isolation gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum bei einem Druck unter 25 Mikron Quecksilber gehalten wird und dass das verdampfte Gas kontinuierlich in wärmetauschenden Kontakt mit einer thermischen Abschirmung (11) gebracht wird, welche in dem Isolationsraum, der das Innengefäss (10) umgibt, in unmittelbarer Nähe desselben angeordnet ist, und dass diese Abschirmung bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur von 770K oder weniger gehalten wird.