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Anordnung zur Abstandshalterung bei koaxialen Rohrsystemen Zur Ubertragung
elektrischer Energie beispielsweise sind sogenannte tiefstgekühlte Kabel bekannt
geworden, bei denen die Leitungsstränge im Inneren eines mit flüssigem Helium gefüllte
Rohres angeordnet sind. Der Wärmeschutz nach außen wird durch weitere, dieses Rohr
konzentrisch umgebende und Zwischenräume bildende Rohre jeweils größeren Durchmessers
gebildet. Im Raum zwischen dem innersten und dem nächstfolgenden Rohr wird ein Vakuum
aufrechterhalten, während der Raum zwischen dem zweiten und dritten Rohr zur Unterteilung
des von innen nach außen gerichteten Temperaturgefälles mit flüssigem StickSbff
gefüllt ist. Der Zwischenraum vom dritten zum letzten, auf Raumtemperat'r stehenden
Rohr ist wiederum evakuiert.
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Bekannt ist es auch bereits, für den Transport von Flassigkeiten oder
Gasen koaxiale Anordnungen zu verwenden1 die aus mehreren konzentrischen Rohren
bestehen. Bei Verwendung von zwei Rohren wird das innere Rohr zur Fortleitung der
Flüssigkeit oder des Gases benutzt, während der Raum zwischen den Rohren thermisch
isoliert ist. Eine thermische Isolierung ist beispielsweise durch Evakuierung oder
Einbringen eines Isolierstoffes, z. B. eines Schatunstoffes, möglich.
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Zur Zentrierung und Abstützung solcher Rohrsysteme sind bereits Abstandshalter
vorgeschlagen worden, die aus wendelförmigen Stegen bestehen. Da solche Wendeln
infolge des iron innen nach außen gerichteten Temperaturgefälles eine lnunterbrochene
wärmeleitende Brücke darstellen, hat man bereits versucht, den Wärmeübergang zwischen
den Rohren durch entsprechende Materialauswahl zu reduzieren. Die hierbei ermittelten
Werte für die Wärmeverluste haben sich jedoch auch dann noch für eine wirtschaftliche
Auslegung von solchen koaxialen Anordnungen als zu hoch erwiesen, wenn man beispielsweise
Wendeln aus Polytetrafluoräthylen verwendet.
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Diese Schwierigkeiten bei koaxialen Rohrsystemen mit einem zwischen
den konzentrisch angeordneten Rohren bestehenden Temperaturgefälle, beispielsweise
für ein im supraleitenden Zustand betriebenes elektrisches Kabel oder ein Rohrsystem
für den Transport erwärmter oder gekühlter flüssiger oder gasförmiger Medien werden
durch die Erfindung überwunden. Gemäß der Erfindung snd an dem jeweils inneren Rohr
ein oder mehrere strangförmige Hohlkörper angeordnet, die zur Aufnahme eines flüssigen
oder gasförmigen Mediums mit einem spezifischen Gewicht kleiner als das des den
Ringraum zwischen den jeweiligen Rohren füllenden Mediums dienen und deren Durchmesser
im Betriebszustand des koaxialen Rohrsystems kleiner als der Abstand zwischen den
Rohren ist.
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Eine solche Anordnung, bei der die strangförmigen Hohlkörper lediglich
bei der Herstellung des Rohrsystems zur Abstandshalterung und Zentrierung der konzentrischen
Rohre verwendet sind, hat den besonderen Vorteil, daß das innere Rohr in dem umgebenden
äußeren Rohr praktisch in der Schwebe gehalten wird, so daß eine Wärmeübertragung
durch einander berührende Flächen von Innen- und Außenrohr bzw.
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der zwischengeschalteten Hohlkörper nicht möglich ist. Erhebliche
Vorteile bringt das gemäß der Erfindung vorgeschlagene koaxiale Rohrsystem insbesondere
auch dann, wenn es sich Herbei um ein supraleitendes Kabel handelt, bei dem
das
innere Rohr mit Helium und der Ringraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr
mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. In diesem Fall kann nämlich der strangförmige
Hohlkörper gleichzeitig als Rücklauf für das Heliumgas verwendet werden, so daß
die Wärmebilanz der Gesamtkonstruktion weiter verbessert wird. Der spezifisch schwerere
Stickstoff hält das mit Helium gefüllte Innenrohr sowie die darauf aufgebrachten
strangförmigen Hohlkörper in der Schwebe, wobei das Helium in den Hohlkörpern noch
zusätzlich die Aufgabe übernimmt, den umgebenden Stickstoff zu kühlen.
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In Weiterführung der Erfindung wird man die Anordnung so treffen,
daß der oder die Hohlkörper wendelförmig um das jeweils innere Rohr herumgelegt
und zumindest in Abständen an diesem befestigt sind, um eventuelle Differenzkräfte,
die sich aus der Kräftedifferenz Gewichtabnahine infolge Auftrieb,vermindert durch
das Eigengewicht des Innenrohres mit den auf ihm aufgebrachten strangförmigen Hohlkörpern,
auszugleichen. Das kann durch in größeren Abständen, beispielsweise alle 10 m, angeordnete
Abstandshalter erfolgen.
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Dies können gesonderte Klemmen sein, mit deren Hilfe der strangförmige
Hohlkörper am Innenrohr festgeklemmt wird und die gleichzeitig die Sicherung des
Abstandes zwischen Innen-und Außenrohr übernehmen. Es ist aber möglich und oft von
besonderem Vorteil, am Hohlkörper selbst in Abstanden angeordnete Rippen vorzusehen,
die die Abstandshalterung übernehmen.
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Um den Auftrieb des mit Helium gefüllten Innenrohres in dem flüssigen
Stickstoff weiter zu erhöhen, ist es auch m fi lich, die Steigung der Wendel mit
der der Hohlkörper um das innere Rohr herumgelegt ist, zu verändern. Für die Hohlkörper
wird man zweckmäßig beispielsweise aus Polyäthylen hergestellte Schrumpfschläuche
verwenden, die bei der Hepstellung des koaxialen Rohrsystems druckgefüllt die Zentrierung
der einzelnen Rohre übernehmen, und die anschließend durch Erwärmen derart geschrumpft
werden, daß ihr Durchmesser kleiner als der Abstand zwischen Innenbund Außenrohr
ist.
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Die Erfindung sei an Hand des in der Figur als Ausführungsbeispiel
dargestellten supraleitenden Kabels näher erläutert.
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Zum Betrieb des aus den konzentrisch zueinander angeordneten Rohren
1 und 2 und weiteren nicht dargestellten äußeren konzentrischen Rohren bestehenden
elektrischen Kabels in supraleitendem Zusta nd befindet sich in dem Innenrohr 1,
das auch zur Aufnahme elektrischer Leiter dienen kann, flüssiges Helium mit einer
Temperatur von etwa 4 0 K. Im Raum zwischen den in der Figur angedeuteten Rohren
1 und 2 befindet sich flüssiger Stickicff mit einer Temperatur von etwa 77 ° K.
Der Wärmeübergang durch Strahlung zwischen den beiden Rohren ist außerordentlich
klein, da die Temperaturen sehr tief sind und die beiden Oberflächen der MetaAlrohre
gut reflektierend ausgebildet werden können. Der gröK-te Anteil der Wärmeübertragung
erfolgt daher bei einem solchen Rohrsystem durch die nun einmal erforderliche Abstandshalterung
zwischen den Rohren. Um nun den Anforderungen, die an solche thermischen Abstandshalter
gestellt werden, zu genügen und auf der anderen Seite eine rationelle Fertigung
solcher Systeme sicherzustellen, sind um das mit Helium gefüllte Innenrohr wendelförmig
die strangförmigen Hohlkörper in Form eines endlosen Schlauches herumgelegt. Während
der Fertigung weisen diese Hohlkörper 3 die in der Figur angedeutete Form auf, d.
h. sie liegen mit ihrer Außenfläche sowohl an dem Innenrohr 1 als auch an dem äußeren
Rohr 2 an, so daß die Zentrierung gewährleitet ist. Während der Zeit der Fertigung
wird man diese Hohlkörper 3 zur Aufnahme der auftretenden mechanischen Kräfte zweckmäßig
mit einer Druckluftfüllung versehen. Ist das Kabel jedoch verlegt, dann wird man
durch Ablassen der Druckluft die Hohlkörper 3, die beispielsweise aus einem schrumpffähigen
Polyäthylen hergestellt sein können, derart schrumpfen, daß sich die in der Figur
gestrichelt angedeutete Form 3 a ergibt.Eine Berührung zwisi en dem Innenrohr 1
und dem Außenrohr 2 über diese Hohlkörper 3 ist dann nicht mehr möglich,
so
daß sich eine Anordnung äußerst geringer Wärmeverluste ergibt, da das innere Rohr
1, das mit Helium gefüllt ist, dessen spezifisches Gewicht geringer ist als das
des das Innenrohr umströmenden Stickstoffes, in diesem praktisch in der Schwebe
gehalten wird.
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Zur Erhöhung des Auftriebs wird man den rohrförmigen Hohlkörper 3
ebenfalls mit Helium füllen, wobei weiterhin die Steigung der Wendel erhöht werden
kann. Die Führung eines weiteren Heliumstvomes in dem strangförmigen Hohlkörper
3 hat den Vorteil, daß dieser Hohlkörper gleichzeitig zur Rückleitung des im Innenrohr
fließenden Heliums verwendet werden kann. Hin- und Rückleitung sind damit in das
Innere des Kabels verlegt, so daß es einer gesonderten zusätzlichen Leitung zur
Führung des Heliums nicht bedarf. Gleichzeitig dient das in dem Hohlkörper 3 strömende
Helium mit zur Kühlung des umgebenden Stickstoffes. Auf diese Weise wird ein in
sich geschlossenes Kühlsystem geschaffen, das wenig Wärme von außen heranläßt.