DE1528919A1 - Vakuummantelheber fuer tiefsiedende Fluessigkeiten - Google Patents

Vakuummantelheber fuer tiefsiedende Fluessigkeiten

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DE1528919A1 DE19641528919 DE1528919A DE1528919A1 DE 1528919 A1 DE1528919 A1 DE 1528919A1 DE 19641528919 DE19641528919 DE 19641528919 DE 1528919 A DE1528919 A DE 1528919A DE 1528919 A1 DE1528919 A1 DE 1528919A1
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Description

4939
3ο,Juli 1968
Dr.Ki-my
Neue Seite 1 ■ ..*"'V'.!:',:?" rl.t«»/:
Vakuummantelheber für tiefsiedende Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft einen Vakuummantelheber für tiefsiedende Flüssigkeiten·
Tiefsiedende Flüssigkeiten, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Helium, werden mit Hilfe von Vakuummantelhebern vom Verflüssiger in Vorratskannen und aus diesen zum Verbraucher umgefüllt. Ein Vakuummantelheber besteht aus einem flüssigkeitsführenden Innenrohr, welches von einem Mantelrohr umschlossen ist· Der Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohr ist evakuiert. Die durch Wärmeeinstrahlung bedingte Wärmezufuhr zum flüssigkeitsführenden Innenrohr des Hebers verursacht VerdampfungsVerluste, die beim Überhebern grösserer Mengen flüssigen Kältemittels bzw. beim Dauerbetrieb, wie er beispielsweise bei Verdampferkryostaten gegeben ist, insbesondere bei Helium wegen dessen kleiner Verdampfungswärme beträchtlich sein können. Wegen der hohen Verflüssigungskosten für Helium ist also die Wärmezufuhr zum flüssigkeitsführenden Innenrohr eines Vakuummantelhebers so klein wie möglieh zu halten.
Eine Verminderung der eingestrahlten Wärmemenge lässt sich erreichen, indem man Vakuummantelrohr und Innenrohr aufden einander zugekehrten Oberflächen poliert oder in den Vakuumraua Jpj Superisolierungen einführt· Beide Hasenahmen ergeben zwar m einen' gewissen Erfolg, reichen aber für viele Anwendung»fälle -» nicht; aus. Insbesondere haben Superiolierungen häufig den -^ Nachteil, durch Nachgasen das Vakuum in nicht zulässige» Maße zm verschleoht«m
Ee wurde auch schon vorgetchlagen, ein· Heberleitung für siges Helium mit flüeiigem Stickstoff zu kühlen. Der Vakuumraura des Heber· wird hier mit ein·» ptm&mms
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gefüllt und das Vakuummantelrohr wird durch einen aussen liegenden, von flüssigem Stickstoff durchströmten Wärmeaustauscher kalt gehalten. Diese Methode hat den Nachteil, dass ein zweites Kältemittel zur Kühlung des Hebers benötigt wird. Darüber hinaus muss der Vakuummantelheber mit einer dicken Isolationsschicht umgeben werden, wenn Aneisen von aussen vermieden werden soll. Dadurch wird der Heber so unhandlich, dass die Methode für viele Fälle nicht anwendbar ist.
Zur Verbesserung der bisher bekannten Vorrichtungen wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, in einem Vakuummantelheber für tiefsiedende Flüssigkeiten innerhalb eines Vakuummantelrohres ein fltissigkeitsführendes Innenrohr mit einem gegenüber dem Innenrohr wärmeisolierten Strahlungsschutzrohr zu umgeben und an diesem Strahlungsschutzrohr ein Wärmeaustauscherelement anzuordnen, welches an das Gasaustrittsrohr des Verbrauchergefässes angeschlossen ist« Weiter ist vorgesehen, dass als Strahlung schutzrohr ein auf der Aussenseite poliertes Kupferrohr und als Wärmeaustauscherelement ein Kupferrohr verwendet wird, an welches an beiden Enden je ein kurzes Rohrstück aus schlecht wärmeleitendem Material angesetzt ist und dass sich die Lötverbindung zwischen dem Wärmeaustauscherelement und dem Strahlungs schutzrohr über einen Längenbereich, vorzugsweise über den überwiegenden Längenbereich des rohrförmigen Wärmeaustauscherelementes erstreckt.
Ein im Vakuumraum des Hebers angeordnetes gekühltes Strahlungsschutzrohr, welches das flussigkeitsführende Innenrohr umgibt, vermindert die VerdarapfungsVerluste beim Oberhebern flüssiger Kältemittel beträchtlich« Dies wird durch einen Vergleich der: durch Strahlung vom Vakuummantelrohr (bisher üblicher Heber) bftw· vom gekühlten Strahlungsschutz, (erfindungsgemässe** Heber) zum Innenrohr gelangenden Wärmemengen deutlich (für die Abschätzung wurden für das Emissionsvermögen die Werte Sc » O93 und£, matt * °·25* **ne Heberlänge von X m und im Fall des gekühlten Hebers die in Fig. 1 b gezeigte Anordnung der Rohre zugrunde gelegtI)
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BAD
8 9.1 9
Μ· *~) wm
\ Pemperatur
äes Urnen-
pohrs		 Temperatur
des Vakuum
mantels bzw.
Strahlungs
schutzes
7~X7		 durch Strah
lung über
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Wärme (Q)
/koal/hj7 		-Λ . loo
^A		 2,92 10 "2 1,33
üblicher ■■
Vakuumman-
te Hieber
(A)		 4,2 293 0,219 100 0,7 10"5 0,3
Vakuumman-
tG!heber
mit gekühl
tem Strah
lungsschutz
(B)		 4,2 100
4,2 70
Die Kühlung des Strahlungsschutzrohres kann auf rationellste Weise durchgeführt werden, indem der noch relativ große Kälteinhalt des aus dem Verbrauchergefäß abdampfenden gasförmigen Kältemittels ausgenutzt wird. Bei der Konstruktion des Wärmeaustauscherelementes ist zu beachten, daß auf dem Wege über dieses Element keine Wärme in das Vorratsgefäß für das flüssige Kältemittel gelangen darf. Dies ist durch den Einbau schlecht wärmeleitender Zwischenstücke an den Enden des Wärmeaustauseherelementes zu erreichen. . f
In vielen Fällen, insbesondere bei Anwendung des Verdampfer- ; prtßips· zur Erzeugung tiefer Temperaturen> wird in der Tieftemperaturtechnik das V3?orratsgefäß für das flüssige Kältemittel mit einem ständig darin verbleibenden Heber mit Absperrventil und Kupplung ausgerüstet^^in. welchejoi^d^inn die zu den verschiedenen Verbrauchern führenden, Anschluj&ebejr eingekuppelt werden können, in einem solchen Fa^'isiiies^Mclitiimöglich, in den
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Vakuummantel des zum Verbraucher führenden Hebers, wie bisher üblich, auf der dem'Vorratsgefäß zugekehrten Seite etwas Aktivkohle zur Verbesserung des Vakuums einzubringen. Im Gegenteil würde hier die Aktivkohle als unerwünschte Wärmebrücke zwischen dem hier nicht im flüssigen.-Helium, sondern in der Kupplung befindlichen und daher warmen Vakuummantel und dem flüssigkeitsführenden Innenrohr wirken. Um auch einen solchen Heber mit der zur Vakuumverbesserung bewährten Aktivkohle ausrüsten zu können, wird zweckmässig die Kohle in einem siebartigen Behälter untergebracht, welcher entweder am flüssigkeitsführenden Inrienrohr oder, wo dies nicht möglich ist, an der kältesten Stelle des gekühlten Strahlungsschutzes anzubringen ist.
Gegenüber den bisher bekannten und gebräuchlichen Vorrichtungen hat ein Vakuummantelheber mit abgasgekühltem Strahlungsschutz den Vorteil, daß die Wärmeeinstrahlung zum flüssigkeitsführenden Innenrohr erheblich vermindert ict . Damit ergeben sich Einsparungen von flüssigem Kältemittel, die insbesondere bei Helium (ca. DM 75.— pro Liter Flüssigkeit) zu erheblichen finanziellen Einsparungen führen können. Einen Fortschritt stellt auch die Kühlung des Strahlungsschutzes im Heber mit dem ohnehin anfallenden Kaltgas aus dem Verbraucher gegenüber der bekannten Kühlung des Vakuummantels mit einem Hilfskältemittel dar. Es entfällt die Bereithaltung und Handhabung des Hilfskältemittels und auch hiermit ist eine Kosteneinsparung verbunden. Die vakuumdichte Ausführung des Hebers mit gekühltem Strahlungsschutz ist nicht schwieriger als beim normalen Heber, so daß auch beim Einbau des Strahlungsschutzes die Eigenschaften des üblichen Hebers hinsichtlich Güte und Erhaltung des Vakuums in vollem Umfang bestehen blei ben. Auf die Vorteile, die durch die Einführung des Hebers mit abgasgekühltem Strahlungsschutz für spezielle Anwendungsfälle gegeben sind, wird im einzelnen bei der Beschreibung der. Anwendungsbe^spiele hingewiesen.
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In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen;
Figur la einen Vertikalschnitt durch einen Vakuummantelheber mit abgas gekühlt em Strahlungsschutz -} -
Figur Ib zwei Horizontalschnitte durch den Vakuummantelheber mit abgasgekühltem Strahlungsschutz,
Figur 2 die schematische Schnittzeichnung eines als Verbindung zwischen Verflüssiger und Vorratsgefäß dienenden Hebers mit abgasgekühltem Strahlungsschutz, -
Figur 3 die schematische Schnittzeichnung eines als Verbindung zwischen einem Vorratsgefäß und einem Flüssigkeitskyostaten dienenden Hebers mit abgas gekühlt; em Strahlungsschutz.
Wie aus Fig. la.ersichtlich ist, besteht der Heber aus dem flüssigkeitsführenden Innenrohr 1, welches auf der ganzen Länge von dem teilweise verjüngten, teilweise zu einer Dose aufgeweiteten Vakuummantelrohr 2 umgeben ist. In dem aus dem Vorratsgefäß oder der HeberkuSplung herausragenden Teil des Hebers ist das Innenrohr 1 von einem innerhalb des Vakuummantels 2 angeordneten Strahlungsschutzrohr 3 umgeben. An das Strahlungsschutzrohr 3 (Cu) ist ein Wärmeaustauscherrohr 4 aus gut wärmeleitendem Material (Cu) auf nahezu der ganzen Länge angelötet» Lediglich die beiden nach aussen mündenden Enden und 42 des Wärmeaustauscher 4, von denen das Ende 41 in der in Fig. la enthaltenden Teilschnittzeichnung des um 90° gedrehten Hebers zu erkennen ist, bestehen aus einem schlechtwärmeleitendem Material (Edelstahl) und stehen nicht in wärmeleitendem Kontakt mit dem Strahlungsschutzrohr 3· Damit ist sichergestellt, daß weder über das mit dem Plansch 5 an die nicht gezeigte, zum Rückgewinnungssystem führende Abgasleitung angeschlossene Endstück 42 des Wärmeaustauschers 4 Wärme von ausen zum .Strahlungsschutz 3 gelangen kann, noch über das an : den nichtgezeigten Verbraucher angeschlossene Endstück 41 des Wärmeaustauschers 4 Wärme vom Strahlungsschutz 3 zum Verbrau chor gelangen kann.1 Auf der dem Verbraucher zugekehrt&n
'-■.■;■■'. ' κ- >
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Seite des Hebers ist an das Ende des Strahlungsschutzrohres 3 welches an dieser Stelle am kältesten ist, ein Sieb β angesetzt, welches Aktivkohle enthält. Die auf der Saite des Verbrauchers auf den verjüngten Teil de.-: VakuunWtels 2 aufgesetzten Dichtungsmanschetten 7 bewirkenj, daß das in den. -,Verbrai.
DexspaeL oweise
einströmende Kältemittel zunächst den Verbraucher ( / Verdampf erkryostat) durchströmt und dann in den Wärmeaustaurcher des Hebers gelangt, und nicht im "Kurzschluß" unter Umgehung des Verbrauchers direkt vom Austritt aus dem Inn3nrohr 1 in den Wärmeaustauscher 4 gelangen kann.
Die Lage der Rohre 1, 2, 3 und 4 ine.-nander ist aus den :'n Pig. Ib enthaltenden Schnitten A-B u:id C-D ersichtlich, <. .i-e den in Fig. la eingezeichneten Schnittlinien mit gleicher Bezeichnung entsprechen. Schnitt A-B ζ ;igt außerdem die verschieden geformten, aus dünnem Edelstahlb .ech bestehenden Abs" andsstücke 8 und ".9> mit denen die Rohre ., 2, 3 und 4 ineinander zentriert sind. Es wird so eine hinriichend stabile Halterung der Rohre ineinander erreicht, ohne laß Wärme von einem !.ohr zum anderen gelangt, wo dies nicht e 'wünscht ist. Schnitt· C-D zeigt das Sieb β in der Aufsicht.
Die schematische Darstellung in Fig. 2 zeigt als Anwendungsbeispiel einen als Verbindung vom Verflüssiger 10 zum Vorratsgefäß 11 dienenden Heber mit abgasgekühltem Strahlungsschutz.-Er ist in den Verflüssiger mittels d :r Ringverschraubung 12 und in das mit einem elastischen AnS'ihlußstück 13 ausgerüstete Vorratsgefäß 11 "mittels der-Ringver.s ihraübung 14 gasdicht eingesetzt. Üblicherweise ist das Vorra .sgefäß 11 über die mit einer Gummiblase 15 versehene Abgas! -itung 16 an die zum Gasbehälter führende, .nicht gezeichnete Abgasleitung des Rüokgewinnungssystems angeschlossen. Bei Vorwendung eines abgas;-gekühlten Hebers muß diese Leitung j;doch durch das Vent:,1 1-7 verschlossen werden.
Die s chemat is ehe Darstellung in Fig» 3 zeigt als weiterer; •Anwendungsbeispiel einen abgasgekühl en Heber zur kontinuier-
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lichen Nachfüllung eines unto? vermindertem Druck friedenden
Kältemittelbades bzw. speziell Heliumbades. Der Heber ist wiederum mittels üblicher., hier nicht eingezeichneter Dichtungselement ο einerseits in das Vorratsgefäß 11 für das flüssige· Kältemittel bzw.. Helium, andererseits in den Flüssigkeitskryostaten 18 gasdicht eingesetzt. Die Abgasleitung 16 des Vorratsgefässes 11 ist in diesem Fall über den Flansch 19 an den nicht gezeigten Gasbehälter angeschlossen. DJe Kühlung des Hebers erfolgt mit dem im Kryostaten 18 anfallenden Kaltgas. Um das im Flüssigkeits'-.ryostaten 18 enthaltene Kältemlttelbsw. Heliumbad unter vermindertem Druck sieden zu lassen, wodurch bekanntlich die Temperatur des Bades unter die normale Siedetemperatur abgesenkt werden kann ^ muß das anfal]ende Gas abgepumpt "werden. Der Wärmeaustauscher 4 des Hebers ist al nein diesem "^aIl über den Flansch 5 an eine nicht gezeichnete Vakuumpumpe anzuschließen ^-Der Wärmeaustauscher 4 mnR dementsprechend so dimensioniert serri,. daß der erforderl ehe Unterdruck üb■-r dem Flüssigkeitsbnd ?m Kryostaten lS erzeugt werden kann. Das flüssigkeitsführende Tnnenrohr 1 des Hebers ist hier auf der Austrittsseite für d.'e Flüssigkeit-, d.h. der in den Kryostaten einmündenden Seite mit einem von aussen betätigbaren Ventil 20 ausgerüstet, welches die Möglichkeit bietet, das aus dem Vorratsgefäß 11 mit der normalen Siedetemüeratur entnommene flüssige Kältemittel bzw. Helium unter Entspannung und damit Abkühlung in den Kryostaten 18 einzufüllen.
Die Verwendung ej'ncs abgasgekühlten Hebers bietet für den in Fig. J dargestellten Fall der kontinuierlichen Nachfüllung von unter vermindertem Druck siedenden Flüssigkeitsbädern, speziell Heliumbädern, große Vorteile. Da die Verdampfung von Kältemittel innerhalb des Hebers durch die Kühlung weitestgehend unterdrückt wird, enthält" die zum Entspannungsventil gelangende FTüssigkeit weit weniger C-as, als dies bei Verwendung eines üblichen Vakuummantelhebers der Fall wäre. Beim Nachfüllen von Flüssigkeit durch ο in Entspannungsventil. In einen unter vermindertem Druck stehenden Kryostaten ist aber der ^asanteil in der zum Entsnannungsventil gelangenden r''lüsalgke"jt .im Hinblick auf die W-rtschaftlicbkoit des Vorfai'^onn von-entscheidender Bedeutung. Ein--zu. hoher '!annnto'T orrjalwert nämlicl] die Trennung von Gas und Flüs- :ij.-:ko1\ v. ar.·,, rT. ρ ßnisp&nnung. 00981*8/0729
BAD OWQINAL

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    ( 1. Vakuummantulhobar für tief siedende' Flüssigkeiten, d a d u r c h V yp;' ο k ο η η ζ ο i ohne t, daß innerhalb eines Vakuummantolrohrs (2) ein flüssigkeitsführendes Ini;©nrohr (1) von einem gegenüber .dem Innenrohr (1) wärmeisolierten Strahlungsschutzrohr (3) umgeben ist, und daß an diesem Strahlungsschutzrohr (>) ein Warmeaustauscherelement (4) angeordnet ist, welches- an das Gasaustrittsrohr des VeKbrauehergcfässes angeschlossen ist..
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e. k e η η ζ ο ic hn e t, daß als Strahlungsschutzrohr (3) ein auf der Aussenseitc poliertos Kupferrohr vorgesehen ist.
  3. " 3· Vorrichtung nach Anspruch I5 d a d u r eh.ge kenn ζ ei c hn e t, daß als Wärmeaustauscherelement (4) ein Kupferrohr vorgesehen ist/ an welches an beiden Enden je ein kurzes Rohrstüek aus schlecht wärmeleitendem Material (41, 42) angesetzt istfc
  4. 4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und/5, da du r c h g e k ο η n~ z e i chn e ts daß sich die Lötverbindung zwischen dom Wärmeaustauschcrolemont (4) und dem Strahlungsschutzrohr (3) über einen Längenbereich, vorzugsweise über den überwiegende-n Längenboreich des rohrförmigen Wärmeaustauscherelementes (4) erstreckt.
    SAD ORiGlNAL
    -3'
    Leer.se i te
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