DE1948520B2 - Rohrleitung, insbesondere für tiefgekühlte Kabel, aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rohrleitung, insbesondere für tiefgekühlte Kabel, aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten, durch Vakuumräume voneinander getrennten Rohren, von denen wenigstens das ^5S innere, zur Führung eir.es Kühlmittels bestimmte Rohr als Wellrohr ausgebildet ist.

Tiefgekühlte, insbesondere supraleitende, Kabel lassen für die Übertragung großer elektrischer Energiemengen erhebliche Vorteile erwarten. Als elektrische Leiter können für diese Kabel elektrisch normalleitende Metalle insbesondere hoher Reinheit, beispielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden, deren ohmscher Widerstand bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist als bei Raumtemperatur. Besonders geeignet ^6s für solche Kabel sind supraleitende Metalle, deren ohmscher Widerstand bei Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der vom jeweils verwendeten Supraleitermaterial abhängigen kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur völlig verschwindet. Als Supraleitermaterialien kommen dabei insbesondere die Metalle Niob und Blei sowie sogenannte Hochfeldsupraleitermaterialien, beispielsweise supraleitende Legierungen aus Niob und Titan bzw. Niob und Zirkon, gegebenenfalls mit Zusätzen weiterer Stoffe, und supraleitende Verbindungen wie Niob-Zinn (Nb3Sn) in Frage. Die Supraleiter können zur elektrischen Stabilisierung mit elektrisch zu ihnen parallelgeschaheteten, bei der Betriebstemperatur der Supraleiter elektrisch normalleitenden Metallen gut elektrisch leitend und gut wärmeleitend verbunden oder in diese Menlle eingebettet sein. Zur Kühlung von Leitern aus elektrisch normalleitendem Metall eignen sich insbesondere Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur unterhalb von etwa 150⁰K, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff, flüssiger Stickstoff oder flüssiges Erdgas, oder kalte Gase entsprechender Tempeiaturen. Zur Kühlung von Supraleitern kommen bei den derzeit verfügbaren Supraleitermaterialien praktisch nur flüssiges oder kaltes gasförmiges Helium in Frage.

Bei bekannten Kabeln sind die Leiter innerhalb eines Rohres angeordnet, das mit Kühlmittel gefüllt ist bzw. von diesem durchströmt wird. Um die ?.ur Kühlung der Leiter erforderliche Kühlleistung möglichst klein zu halten und unnötige Kühlmittelverluste zu vermeiden, müssen die Leiter und das zu ihrer Kühlung dienende Kühlmittel gegenüber der äußeren Umgebung des Kabels thermisch isoliert sein. Diese thermische Isolation besteht in der Regel aus Rohren, welche den Leiter und das diesen umschließende Rohr umgeben. Die Rohre können beispielsweise als Strahlungsschilde ausgebildet sein und durch ein zweites Kühlmittel gekühlt werden, welches eine höhere Temperatur besitzt als das zur Kühlung des Leiters dienende Kühlmittel. Die Zwischenräume zwischen den Rohren sind, soweit sie nicht von Kühlmittel durchströmt werden, evakuiert und können zusätzlich mehrere Lagen aus schlecht wärmeleitendem Material und reflektierenden Metallschichten enthalten. Diese Lagen können beispielsweise aus Polyäthylenterephthalatfolien bestehen, die mit reflektierenden Aluminiumschichten überzogen sein können.

Es ist auch bereits ein supraleitendes Kabel bekannt (österreichische Patentschrift 2 56 956 und »Elektrotechnische Zeitschrift«, Ausgabe A, Bd. 89 (1%8), S. 325 bis 330, insbesondere S. 329), bei dem die konzentrisch zueinander angeordneten, durch Vakuumräume voneinander getrennten Rohre als biegsame, dehnbare und dichte Wellrohre in Art eines Metallschlauches ausgebildet sind. Das innere Rohr dient dabei zur Führung des Kühlmittels für die Leiter des Kabels. Die Wellrohre können in verhältnismäßig großen Längen hergestellt, auf Trommeln aufgewickelt transportiert und am Verlegungsort wie ein gewöhnliches Kabel verlegt und miteinander zu beliebig langen Rohrleitungen verbunden werden. Außerdem können wegen der Dehnbarkeit der Wellrohre die unterschiedlichen bei der Abkühlung der Wellrohre aultretenden Schrumpfungen in einfacher Weise ausgeglichen werden.

Andererseits tritt jedoch bei Rohrleitungen mit Wellrohren die Schwierigkeit auf, daß das zur Führung des Kühlmittels dienende V ellrohr mechanisch instabil ist. Während im Inneren des mit Kühlmittel gefüllten Wellrohres ein Kühlmitteldruck von 1 atü odei mehr herrscht, ist das Wellrohr außen von dem zur thermischen Isolation erforderlichen Vakuum mit Restgasdrucken von etwa 10"³ bis IQ-⁵ Torr umgeben. Da die-

ses Vakuum dem Kühlmitteldruck keinen Widerstand entgegensetzt versucht der Kühlmitteldruck das biegsame und dehnbare Wellrohr aufzublähen und zu strekken. Dabei kann das Wellrohr unkontrollierbar verbogen bzw. geknickt werden. Dies k nn zu thermischen Kontakten des Wellrohres mit dem umgebenden Rohr führen, was wiederum eine starke Wärmeeinleitung in das innere Wellrohr und hohe Kühlmittelverlubte zur Folge hat. Bei dem bekannten Kabel ist das innere Wellrohr fcfcgen das nächste Rohr durch Abstandhalter ίο aus schlecht wärmeleitendem Material abgestützt, die im Vakuumraum zwischen beiden Rohren in Schraubenlinien entlang der ganzen Länge des inneren Wellrohres verlaufen. Gleichartige Abstützungen sind zwischen den weiter außen liegenden Wellrohren vorgesehen. Solche Abstandhalter stellen jedoch, da sie sich über die ganze Rohrlänge erstrecken, eine verhältnismäßig gute Wärmebrücke zwischen d^n Rohren dar und haben daher einen erhöhten Kühln.iudverbrauch zur Folge. Außerdem kann durch solche Abstandhalter zwischen den einzelnen Wellrohren die mechanische Stabilität des inneren Rohres und damit der ganzen Rohrleitung nicht mit Sicherheit gewährleistet werden, da immer ein biegsames und dehnbares Wellrohr gegen das andere abgestützt ist. Ferner wird durch solche Abstandhalter das Einbringen von wärmeisolierenden Folien aus schlecht wärmeleitendem Material in die Vakuumräume zwischen den Wellrohren behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, be\ einer Rohrleitung der eingangs erwähnten Art die mechanisehe Stabilität des Wellrohres zu sichern, ohne dabei die Vorteile des flexiblen Wellrohres, insbesondere den einfachen Ausgleich der thermischen Dehnung bzw. Kontraktion und die leichtere Verlegbarkeit, aufzugeben. Ferner soll auch die thermische Isolation des Wellrohres gegenüber den umgebenden Rohren bzw. der äußeren Umgebung der Rohrleitung verbessert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß das innere Wellrohr durch in seinem Inneren ingeordnete. eine Verschiebung des Wellrohres oder einzelner Teile davon in Richtung der Längsachse der Rohrleitung erlaubende starre Abstützungen gegen Verbiegen gesichert.

Durch die starren Abstützungen wird erreicht, daß sich das Wellrohr nicht durch Verbiegen oder Knicken innerhalb der Rohrleitung in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Rohrleitung verschieben kann. Unkontrollierbare thermische Kontakte des Wellrohres mit dem umgebenden Rohr können daher nicht auftreten. Dagegen behindern die starren Abstutzurgen eine Verschiebung des Wellrohres oder einzelner Teile davon in Richtung der Längsachse der Rohrleitung nicht, so daß sich das Wellrohr in seiner Längsrichtung ungehindert ausdehnen bzw. zusammenziehen kann.

Da bei der erfindungsgemäßen Rohrleitung die das innere Wellrohr umgebenden äußeren Rohre zur Sicherung der mechanischen Stabilität des inneren Wellrohres nicht herangezogen werden müssen, kann das innere Wellrohr gegen das nächste Rohr durch schlecht wärmeleitende Abstandhalter abgestützt werden, die entlang des Wellrohres in großen Abständen voneinander, vorzugsweise in Abständen von einigen Metern, angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß der das Wellrohr umgebende, zur thermischen Isolation dienende Vakuumraum nur an verhältnismäßig wenigen Stellen durch Abstandhalter überbrückt wird. Außerdem bilden die in großen Abständen voneinander angeordneten Abstandhalter praktisch kein Hindernis für das Einlegen von schlecht wärmeleitenden, wärmeisolierenden Folien in den Vakuumraum.

Die äußeren, das innere Wellrohr umgebenden Rohre können starr ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wie bei dem bekannten supraleitenden Kabel auch für die äußeren Rohre Wellrohre zu verwenden. Wenn dabei — wie bei dem bekannten supraleitenden Kabel — der Zwischenraum zwischen zwei das innere Wellrohr umgebenden, ebenfalls als Wellrohr ausgebildeten Rohren zur Führung eines zweiten Kühlmittels ausgenutzt wird, können gemäß weiterer Erfindung auch diese zwei Wellrohre durch in dem Zwischenraum angeordnete starre Abstützungen gegen Verbiegen gesichert sein. Ohne die starren Abstützungen würde auch bei diesen von Vakuum umgebenen Wellrohren wegen des Kühlmitteldrucks im Zwischenraum die Gefahr einer mechanischen Instabilität gegen Verbiegen bzw. Knicken bestehen.

Die starren Abstützungen können vorteilhaft so ausgebildet sein, daß sie mit jeder Wellung des abzustützenden Wellrohres in Berührung stehen.

Mit besonderem Vorteil können als Abstützungen starre Schienen dienen, die in Halterungen an der Wand des Wellrohres gleitend gelageit sind. Solche Abstützungen haben den großen Vorteil, daß sie nach dem Verlegen des Wellrohres in das Wellrohr eingeschoben werden können. Das Wellrohr kann also zunächst ohne Abstützungen auf Trommeln aufgewickelt und an den Verlegungsort transportiert werden.

Außer zur Kühlung und thermischen Isolierung von tiefgekühlten Kabeln kann die erfindungsgemäße Rohrleitung beispielswiese auch als Leitung zum Transport flüssiger, tiefsiedender Gase vorteilhaft verwendet werden.

Bei Verwendung der Rohrleitung für ein tiefgekühltes Kabel kann vorteilhaft der starr ausgebildete Leiter des Kabels als Abstützung für das innere Wellrohr vorgesehen sein. Insbesondere kann das innere Wellrohr durch auf dem Leiter befestigte Isolierstoffteile abgestützt sein. Auch der als Abstützung dienende Leiter des Kabels kann nach dem Verlegen des Wellrohres in dieses eingezogen werden.

An Hand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rohrleitung in Seitenansicht, teilweise im Schnitt.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Rohrleitung nach F i g. 1. F i g. 3, 4, 5a und 5b zeigen Querschnitte durch das innere Wellrohr bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Rohrleitung für tiefgekühlte Kabel.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Rohrleitung ist aus vier konzentrisch zueinander angeordneten Wellrohren 1 bis 4 aufgebaut. Das innere Wellrohr 1, das zur Führung eines Kühlmittels, beispielsweise flüssigen Heliums, dient, ist durch drei T-förmige starre Schienen 5 bis 7 gegen Verbiegen gesichert. Diese Schienen sind in klauenförmigen Halterungen 8 an der Innenwand des Wellrohres 1 gleitend gelagert. Die Schienen 5 bis 7 können nach dem Verlegen der Rohrleitung in das Wellrohr 1 eingeschoben werden. Sie können aus einzelnen Stücken zusammengesetzt sein, die kürzer sind als das Wellrohr 1 und nacheinander in das Wellrohr 1 eingeschoben werden können. Wenn man die Stoßstellen zwischen den einzelnen Stücken der Schienen 5 bis 7 räumlich gegeneinander versetzt, bleibt die mechani-

sehe Stabilität des Wellrohres 1 erhalten, ohne daß die einzelnen Stücke der Schienen 5 bis 7 miteinander verbunden werden müssen. Die Stoßstellen der Schienen 5 bis 7 können daher zum Ausgleich der thermischen Dehnungen bzw. Zusammenziehungen der Schienen dienen. Das Wellrohr 1 ist vom nächsten Wellrohr 2 durch einen evakuierten Raum getrennt und durch in großem Abstand voneinander angeordnete Abstandhalter 9 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik, gegen das Wellrohr 2 abgestützt. Die Abstandhalter 9 sind ringförmig und mit einem Profil versehen, das eine ausreichende mechanische Festigkeit gewährleistet und ein Verschieben der Wellrohre gegeneinander in Richtung der Längsachse der Rohrleitung ermöglicht. Die Entfernung zwischen den einzelnen Abstandhaltern kann beispielsweise etwa 3 m betragen.

Der Zwischenraum zwischen dem Wellrohr 2 und dem nächsten Wellrohr 3 ist zur Führung eines zweiten Kühlmittels, beispielsweise flüssigen Stickstoffes, vorgesehen. Zur Sicherung der Wellrohre 2 und 3 gegen Verbiegen sind im Zwischenraum zwischen beiden Wellrohren als starre Abstützungen doppel-T-förmigc Schienen 10 bis 12 vorgesehen, die in klauenförmigen Halterungen 13 und 14 an der Wand der Wellrohre 2 und 3 gleitend geführt sind. Auch die Schienen 10 bis 12 können nach dem Verlegen der Rohrleitung in den Zwischenraum zwischen den Wellrohren 2 und 3 eingeschoben werden. Als äußerer Mantel ist bei der Rohrleitung das Wellrohr 4 vorgesehen. Das Wellrohr 3 ist von diesem Wellrohr 4 durch einen weiteren Vakuumraum getrennt und gegen das Wellrohr 4 durch in großem Abstand voneinander angeordnete Abstandhalter 15 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik, abgestützt. Aus den F i g. 1 und 2 ist zu ersehen, daß die starren Abstützungen 5 bis 7 und 10 bis 12 innerhalb derjenigen Räume der Rohrleitung angeordnet sind, die im Betriebszustand von Kühlmittel durchströmt werden. Die Wärmeisolation der Rohrleitung wird daher durch diese starren Abstützungen nicht im geringsten beeinträchtigt. Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Rohrleitung kann zum Transport von Flüssiggasen oder als Kühl- und Wärmeisolationssystem für ein tiefgekühltes Kabel verwendet werden, im letztgenannten Fall werden die Leiter des Kabels in das Wellrohr 1 eingezogen, wo sie von flüssigem Kühlmittel umgeben sind. Der von einem zweiten Kühlmittel erfüllte Zwischenraum zwischen den Wellrohren 2 und 3 dient als Strahlungsschild.

Bei Verwendung der Rohrleitung für tiefgekühlte Kabel kann auch der Leiter des Kabels selbst als starre Abstützung des inneren Wellrohres herangezogen wer den. Verschiedene Beispiele dafür sind in den F i g. 3,4. 5a und 5b dargestellt

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform ist im Innern des inneren Wellrohres 20 der Rohrleitung ein starrer, rohrförmiger, tiefgekühlter Leiter 21 angeordnet Dieser Leiter kann beispielsweise ein Aluminhimrohr sein. Der rohrförmige Leiter 21 ist von einer rohrförmigen Hülle 22 aus Isoliermaterial, beispielsweise Kunststoff, umgeben, die mit Längsrippen 23 versehen ist Durch diese Längsrippen 23. die mit jeder Wel lung des Wellrohres 20 in Berührung stehen, ist das Wellrohr 20 gegen Verbiegungen gesichert. Die Längsrippen 23 können auch spiralförmig um die Längsachse des rohrförmigen Leiters 21 verlaufen. Beim Betrieb des Kabels erfüllt das Kühlmittel für den Rohrleiter 21 den hohlen Innenraum des Rohrleiters und den Zwischenraum zwischen der Isolierstoffhülle 22 und dem Wellrohr 20. Der mit der Isolierstoffhülle versehene Leiter kann nach dem Verlegen der Rohrleitung in das Wellrohr 20 eingezogen werden. Das Wellrohr 20 kann ίο ähnlich wie das Wellrohr 1 bei der Rohrleistung nach den F i g. 1 und 2 von weiteren Wellrohren umgeben sein.

Die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform zeigt einen Querschnitt durch das innere Wellrohr 30 einer Rohrleitung für ein supraleitendes Kabel. Der zur Abstützung des Wellrohres 30 ausgenutzte Leiter 31 des Kabels, der einen rechteckigen Querschnitt besitzt, kann beispielsweise aus einer Kupfermatrix 32 bestehen, in die eine Vielzahl von supraleitenden Niob-Titan-Drähten 33 eingelagert ist. An den Außenkanten des Leiters 31 sind entlang des Leiters verlaufende Streifen 34 aus Isoliermaterial, beispielsweise Kunststoff, befestigt, die mit der Innenwand des Wellrohres 30 in Berührung stehen und dieses gegen Verbiegen *5 sichern. Beim Betrieb des Kabels strömt das Kühlmittel für den Leiter durch den hohlen Innenraum des Leiters und durch den Zwischenraum zwischen dem Leiter und dem Wellrohr 30. Auch dieser Leiter kann nach dem Verlegen der Rohrleitung in das Wellrohr 30 eingezogen werden. Ebenso wie das Wellrohr 1 in den F i g. 1 und 2 ist auch das Wellrohr 30 von weiteren Wellrohren umgeben.

Bei der in den F i g. 5a und 5b dargestellten Ausführungsform eines tiefgekühlten Kabels mit einer erfindungsgemäßen Rohrleitung besteht der Leiter 40 aus drei gegeneinander verschwenkbaren Teilen. Beim Einschieben des Leiters in das innere Wellrohr 41 können diese verschwenkbaren Teile, wie F i g. 5a zeigt, zusammengeklappt sein, so daß der Leiter besonders leicht in das Wellrohr 41 eingeschoben werden kann. Nach dem Einschieben werden die einzelnen Teile des Leiters, wie F i g. 5b zeigt, geschwenkt und gegen das Wellrohr 41 verspreizt. An den Außenseiten der einzelnen Teile des Leiters 40 sind Isolierstoffstreifen 42 angebracht, die das Gleiten des Wellrohres 41 auf den Teilen des Leiters 40 erleichtern und zur Isolation des Leiters 40 gegen das Wellrohr 41 dienen. Auch bei dieser Ausführungsform ist das Wellrohr 41 von weiteren Wellrohren umgeben.

Gegebenenfalls können an verschiedenen Stellen des Leiters eines tiefgekühlten Kabels, beispielsweise des Leiters 31 in F i g. 4, flexible Zonen zum Ausgleich der thermischen Dehnung brw. Schrumpfung des Leiters vorgesehen sein. An diesen Stellen, an denen der Leitei also nicht starr ist kann das den Leiter umgebende Wellrohr 30 vorteilhaft unterbrochen und durch eir starres Rohr ersetzt sein. Durch diese Maßnahme isi dann auch an den flexiblen Stellen des Leiters 31 die mechanische Stabilität der Rohrleitung gesichert. Als Material für die Wellrohre ist beispielsweisf Edelstahl geeignet. Die das Strahlungsschild bildender Wellrohre können vorteilhaft auch aus einem gut war meleitenden Material, beispielsweise Kupfer, bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Rohrleitung, insbesondere für tiefgekühlte Kabel, aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten, durch Vakuumräume voneinander getrennten Rohren, von denen wenigstens das innere, zur Führung eines Kältemittels bestimmte Rohr als Weilrohr ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, daß das innere Wellrohr (1) durch in ό seinem Inneren angeordnete, eine Verschiebung des Wellrohres oder einzelner Teile davon in Richtung der Längsachse der Rohrleitung erlaubende starre Abstützungen (5 bis 7) gegen Verbiegen gesichert ist.

2. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (1) gegen das nächste Rohr (2) durch schlecht wärmeleitende, im Abstand von einigen Metern voneinander angeordnete Abstandhalter (9) abgestützt ist.

3. Rohrleitung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Zwischenraum zwischen zwei weiteren, das innere Wellrohr (1) umgebenden, ebenfalls als Wellrohre ausgebildeten Rohren (2, 3) zur Führung eines zweiten Kühlmittels dient und daß diese zwei Wellrohre durch in dem Zwischenraum angeordnete starre Abstützungen (10 bis 12) gegen Verbiegen gesichert sind.

4. Rohrleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Abstützungen (5 bis 7. 10 bis 12) mit jeder Wellung des abzustützenden Wellrohres (1,2,3) in Berührung stehen.

5. Rohrleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstützungen starre Schienen (5 bis 7. 10 bis 12) dienen, die in Halterungen (8,13,14) an der Wand des Wellrohres (1, 2,

3) gleitend gelagert sind.

6. Rohrleitung für ein tiefgekühltes Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der starr ausgebildete Leiter (21) des Kabels als Abstützung für das innere Wellrohr (20) vorgesehen ist.

7. Rohrleitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Wellrohr (20) durch auf dem Leiter (21) befestigte Isolierstoffteile (22, 23) abgestützt ist.