DE2263771B2 - Kryokabel - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kryokabel zur Übertragung elektrischer Energie, bei dem die elektrischen Leiter mittels Abstandhaltern innerhalb eines in einer Rohrleitung vorgesehenen Flüssiggases geführt kind.

Kryokabel gehören zum bekannten Stande der Technik. Dabei ist bei den bisher bekannten Ausbildungen von Kryokabeln vorgesehen, daß der Wärmetransport, ν der notwendig wird, weil von den elektrischen Leitern Joulesche Wärme an die Umgebung abgegeben wird, mittels einer auf tiefen bis sehr tiefen Temperaturen gehaltenen Flüssigkeit erfolgt. Aus der DT-OS 665 941 ist ein Kryokabel bekannt, bei dem die elek-Irischen Leiter in Kühlirohren, die nur teilweise mit dem zur Kühlung vorgesehenen Flüssiggas gefüllt sind, innerhalb der Flüssigkeil verlegt sind. Um die entstehenden Wärmemengen abzuführen, wird dem Flüssiggas mittels Pumpen eine vorbestimmte Strömungsgeschwindigkeit erteilt Die Flüssigkeit wird dabei im allgemeinen in einem Kreislauf geführt, in dem Kälteerzeuger angeordnet sind. Nachteilig ist, daß es zur Festlegung der elektrischen Leiter erforderlich ist, Halterungen vorzusehen, di« zugleich auch Strömungswider- stände bilden. Eiti weiterer Nachteil besteht darin, daO zur Aufnahme der Strömungswiderstände der strömenden Flüssigkeiten nur verhältnismäßig aufwendige Kupplungen, die in längeren Rohrleitungen notwendigenveise vorgehen werden müssen verwendbar sind. Ein weiterer Njchteil ergibt sich dadurch, daß es »us elektrischen Gründen zwar vorteilhaft ware, die elektrischen Leiter als Litzenleiter auszubilden, es jedoch dann in Kauf genommen werden muß, daß infolge der dadurch verursachten unebenen Oberfläche zusätzliche Strömungsverluste auftreten.

Wekere Schwierigkeiten ergaben sich bisher oeim sogenannten Kaltfahren langer Rohrktungeri. Verwendet man zum Beispiel flüssigen Stickstoff in e.nem noch wärmen Rohr, so entsteht infolge der Wärmeeinwirkung auf das flüssige Kühlmittel an der Kaltfront ein Phasenwechsei. Das führt zu heftigen Druckoszillationen und Rückströmungen mit der nachteiligen Folge, daß dadurch die zum Umwälzen der Flüssigkeit angeordneten Pumpen zerstört werden können.

Leitet man das Kaltfahren mit der Gasphase ein, mn dem Ziel, auf die Flüssigkeitsphas^ n.n/.uJteJlen. sobald die Siedetemperatur erreicht ist, so ist es notwendig. zwei Pumpen und Umschalteinrichtungen vorzusehen, von denen die eine für einen großen Massenstrom bei kleiner Druckhöhe für den Normalbetrieb und die andere für einen kleinen Massenstrom mit großer Druckhöhe in der Abkühlphase vorgesehen ist. Außerdem müssen für beide Betriebszustände geeignete Wärmetauscher vorgesehen werden. Das führt zu erhöhten Aufwendungen für den Betrieb der bisher bekannten Kryokabel. Hinzu kommt, daß es notwendig war, neben den Kühlanlagen Vorratsbehälter für das verwendete flüssige Kühlmedium vorzusehen, um während der Spitzenzeiten der elektrischen Belastung den dadurch erhöhten Kühlmittelbedarf zu bestreiten.

Auch für das sogenannte Warmfahren ergaben sich bei den bisher bekannten Kryokabeln. bei denen eine strömende Flüssigkeit zum Kühlen der elektrischen Leiter verwendet wurde, wegen des dabei auftretenden Druckanstiegs erhebliche Nachteile, da die Rohrleitung so ausgebildet sein mußte, daii sie hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften der durch den Druckanstieg verursachten hohen mechanischen Beanspruchung gewachsen war. Auch während des Betriebes eines Kryokabels der bisher bekannten Art mußten verhältnismäßig hohe Drucke in Kauf genommen werden, um zu vermeiden, daß die zu einem wesentlichen Teil infolge der Rohrreibung sich bis zum Kabelende hin stetig erwärmende Flüssigkeit verdampfte. Schließlich war bei den bisher bekannten Kryokabeln auch nachteilig, daß eine Speicherung der Wärmeenergie nur nach Maßgabe der spezifischen Wärmekapazität der verwendeten Flüssigkeit erfolgen konnte und daß es sowohl aus strömungstechnischen Gründen wie auch wegen der Schwierigkeiten, die sich hinsichtlich der Wärmeübertragung ergaben, nicht möglich war, die Verdampfungsenthalpie zu nutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kryokabel zu schaffen mit einfachem Aufbau, das außerdem mit geringerem Aufwand und somit auf wirtschaftliche Weise zu betreiben ist und das den daran, zu stellenden Sicherheitsahforderungen genügt

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung beim Kryokabel der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß Flüssiggas sich im Ruhestand befindet und daß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels oder in Abhängigkeit von dem Betriebszustand innerhalb der Flüssigkeit selbst eine axial zur Rohrleitung geführte Wärmesenke angeordnet ist. Dabei besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Kryokäbels gemäß der Erfin-

dung darin, daß die Wärmesenke von einem in einer Rohrleitung geführten Gas, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt des Flüssiggases zur Kühlung der elektrischen Leiter, gebildet wird- Dabei hat es sich beispielsweise als zweckmäßig erwiesen, als Gas für die Wärmesenke Helium zu verwenden, wenn zur Kühlung der elektrischen Leiter flüssiger Stickstoff verwendet wurde.

Der Massenstrom des für die Wärmesenke vorgesehenen Gases wird dabei so gemessen, daß die Erwärmung über die Länge der Rohrleitung klein bleibt.

Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung des Kryokabels gemäß der Erfindung besteht darin, daß zur Unterteilung der Rohrleitung in mit das gleiche Gas wie das zur Kühlung der elektrischen Leiter vorgesehene Gas enthaltenden Gasbehältern verbundene Rohrleitungsabschniue Schotte vorgesehen sind. Zweckmäßig ist es dabei, daß das zur Bildung von Flüssiggas vorgesehene Gas unter geringem Überdruck über dem Atmosphärendruck steht. Wird als Gas zur Bildung des Flüssiggases Luft verwendet, so ist es ohne weitere möglich, an Stelle der Gasbehälter mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Ansaugstutzen vorzusehen, doch ist es in diesem Falle notwendig, Filter einzusetzen, durch die der in der Luft enthaltene Wasserdampf und das ebenfalls in der Luft enthaltene COi ausgeschieden werden. damit die dadurch verursachten ungünstigen Wirkungen in der Rohrleitung vermieden werden. Ein insbesondere bei der Verwendung von flüssigem Helium als Kühlmedium sich ergebender Vorzug des Kryokabels gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Helium bei allen Betriebszuständen nur in einer emzigen Phase vorliegt, so daß es lediglich notwendig ist, eine für eine einzige Phase des Kühlmittels geeignete Kälteanlage vorzusehen. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist es zweckmäßig, daß am Außenumfang der als Wärmesenke dienenden Leitung Rippen, Nocken od. dgl. vorgesehen sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Kryokabels gemäß der Erfindung besteht darin, daß am Außenumfang der Rohrleitung evakuierte, die Rohrleitung umgreifende Hohlräume vorgesehen sind. Zweckmäßig ist es ferner, daß die Rohrleitung aus einem flexiblen, schlecht wärmeleitenden Stoff besteht.

Eine Ausgestaltung des Kabels, die eine sehr einfache Montage und Verlegung ermöglicht, besteht darin, daß die Rohrleitung zur Aufnahme der elektrischen Leiter aus zwei in Axialrichtung gebildeten Halbschakn besteht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Kryokabels gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. I einen Querschnitt durch den inneren Teil des Kryokabels,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung der unteren Schale der Rohrleitung für das Kryokabel.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht werden die elek-Irischen Leiter 1, von denen in der Zeichnung drei dargestellt sind, innerhalb des in der Rohrleitung 2 enthaltenett Flüssiggases 3 geführt. Das geschieht mittels in der Rohrleitung angeordneter Abstandshalter 4, auf die eine Halterung S for die oberhalb des Spiegels des FlUssiggases geführte Wärmesenke aufgesteckt ist. Die Wärmesenke wird — wie aus der Zeichnung hervorgeht - aus einer Rohrleitung 6 mit darin enthaltenem Gas, das einen niedrigeren Siedepunkt hat als das zur Kühlung der elektrischen Leiter vorgesehene Flüssiggas 3, gebildet. Um die Halbschalen der Rohrleitung zur Aufnahme der elektrischen Leiter 1, von denen in F i g. 2 nur die untere Schale dargestellt ist, miteinander zu verbinden, sind jeweils am oberen Rand der HaIbschaJen Verschlußlippen 7 vorgesehen, durch die, insbesondere wenn die Halbschalen der Rohrleitung 2 aus Kunststoff bestehen, die Verbindung beider Schalen durch einfaches Verschweißen möglich ist An den Schalen der Rohrleitung 2 sind die die Rohrleitung umgreifenden Hohlräume 8 vorgesehen, die innen zweckmäßig verspiegelt und evakuiert sind. Die erforderliche Evakuierung und damit die notwendige Wärmeisolation ist dadurch auf einfache Weise erzielbar, daß die Hohlräume zunächst mit COi gefüllt werden, das beim Abkühlen mit der Wirkung ausgefriert wird, daß ein Vakuum entsteht. Selbstverständlich ist es auch möglich, an Stelle von CO2 andere Gase mit hohem Tripel-Punkt zu verwenden. Die erforderliche Evakuierung des Hohlraums der Rohrleitung 2 vor Inbetriebnahme kann mittels der mit den in der Zeichnung nicht dargestellten Gasbehältern verbundenen Rohrleitung erfolgen, wenn diese — wie dies zweckmäßig ist — über Ventile mit gleichfalls in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumpumpen verbunden ist. Werden fahrbare Vakuumpumpen verwendet, so kann die Evakuierung abschnittsweise durchgeführt werden.

Wird als Flüssiggas 3 zur Kühlung der elektrischen Leiter 1 Stickstoff verwendet und enthält die als Wärmesenke vorgesehene Rohrleitung 6 Helium, so wird bei der Inbetriebnahme durch die Rohrleitung 6 für die Wärmesenke zunächst kaltes Helium gepumpt Das hat nach hinreichender örtlicher Abkühlung die Folge, daß der in der Rohrleitung 2 enthaltene Stickstoff kondensiert. Dabei sinkt der Druck innerhalb der Rohrleitung 2 so weit ab, daß aus den in der Zeichnung nicht dargestellten Gasbehältern so lange Gas angesaugt wird, bis die Rohrleitung 2 mit dem Flüssiggas angefüllt ist oder aber zumindest so lange, bis die elektrischen Leiter 1 in dem Flüssigkeitsgas untertauchen. Sobald elektrischer Strom eingeschaltet wird, geben die elektrischen Leiter 1 an das Flüssigkeitsbad 3 Wärme ab. Diese Wärme wird infolge natürlicher Konvektion an die als Wärmesenke dienende Rohrleitung 6 übertragen. Das hat zur Folge, daß der Spiegel des Flüssigkeitsgases 3 zeitweilig absinkt, daß die Wärmesenke nur einen Teil des verdampfenden Stickstoffs rückzukondensieren vermag. Infolgedessen wird in der Spitzenzeit elektrischer Energieaufnahme ein Teil der Kälteleistung aus der Enthalpie der dabei auftretenden Verdampfung bestritten. In Zeitabschnitten geringerer Belastung wird dann die zur Kühlu"g der elektrischen Leiter 1 erforderliche Flüssigkeit wieder aufgefüllt. Ein Vorzug des Kryokabeis gemäß der Erfindung besteht schließlich darin, daß eine Kälteerzeugermaschine ohne weiteres für zwei oder mehrere abwechselnd betriebene Kabel verwendbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. jCryokebeJzur Übertragung elektrischer Energie, bei dem die elektrischen Leiter mittels Abstand- haltern innerhalb eines in einer Rohrleitung vorgesehenen Flüssiggases geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssiggas (3) sich im Ruhestand befindet und daß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels oder in Abhängigkeit von dem Betriebszustand innerhalb der Flüssigkeit selbst eine axial zur Rohrleitung (2) geführte Wärmesenke angeordnet ist

2. Kryokabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke von einem in einer Rohrleitung (6) geführten Gas, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt des Flüssiggases (3) zur Kühlung der elektrischen Leiter (1) gebildet wird.

3. Kryokabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterteilung der Rohrleitung (2) in mit das gleiche Gas wie das zur Kühlung der elektrischen Leiter (1) vorgesehene Gas enthaltenden Gasbehältern verbundene Rohrleitungsabschnitte Schotte vorgesehen sind.

4. Kryokabel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang der als Wärmesenke dienenden Leitung (6) Rippen, Nocken od. dgl. vorgesehen sind.

5. Kryo- abel nach einem der vorhergehenden yo Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumf.ang der F.ohrlei· jng (2) evakuierte, die Rohrleitung umgreifet.de Hohlräume (8) vorgesehen sind.

6. Kryokabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (2) aus einem flexiblen, schlecht wärmeleitenden Stoff besteht.