DE2423609A1

DE2423609A1 - Verfahren zum kuehlen von kryokabeln

Info

Publication number: DE2423609A1
Application number: DE2423609A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Daus
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1974-05-15
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1975-11-27
Also published as: FR2329956A1; US4015437A; GB1487499A; FR2329956B1

Description

MESSER GRIESHEIM GICBH , ^MG

Kennwort: Kryokabel
Erfinder: Dr. Daus

Verfahren zum Kühlen von Kryokabeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Kryokabeln mit tiefsiedenden Gasen.

Bei der Übertragung sehr großer elektrischer Leistungen können die Widerstandsverluste im Übertragungskabel so groß werden, daß das Kabel durch Überhitzung gefährdet wird. Man ist daher schon seit mehreren Jahren bemüht, Kabel zu konstruieren, die zum Transport großer elektrischer Leistungen geeignet sind. Die Konstruktion derartiger Hochleistungskabel läuft in allen Fällen darauf hinaus, die Kabel mit einer leistungsfähigen Kühlung zu versehen. Als Kühlmedien werden hierzu unter anderem auch verflüssigte tiefsiedende Gase vorgesehen.

Die mit solchen kryogenen Flüssigkeiten gekühlten Kabel werden im folgenden als Kryokabel bezeichnet. Man unterscheidet hierbei zwei Arten von Kryokabeln, nämlich die supraleitenden Kabel, bei denen es sich um Höchstleistungskabel handelt und die Hochleistungskabel, die die Widerstandsverminderung normalleitender Metalle mit sinkenden Temperaturen ausnutzen.

Im Falle supraleitender Kabel, bei denen der supraleitende Kabelkern unter die jeweilige Sprungtemperatur gekühlt werden muß, ist die kryogene Flüssigkeit, zum Beispiel Helium,

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unbedingt notwendig. Bei Hochleistungskabeln, die beispielsweise Kupfer oder Aluminium als Leiter verwenden, bringt die Anwendung tiefer Temperaturen auf Grund der starken Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes Vorteile. So nimmt beispielsweise der spezifische elektrische Widerstand reinsten Kupfers bei der Abkühlung von Raumtemperatur auf 20° K fast

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um den Paktor 10 ab. Hierbei ist die Temperaturabhängigkeit

des spezifischen elektrischen Widerstandes zwischen 20 und 30° K ganz besonders groß.

Den Vorteilen, die Kryokabel hinsichtlich der übertragbaren elektrischen Leistung bieten, steht als Nachteil ein verhältnismäßig großer Aufwand gegenüber, der durch die speziellen Erfordernisse der Tieftemperaturtechnik bedingt wird. So ist es erforderlich, auf der gesamtenKabellänge in bestimmten Abständen Kühlstationen vorzusehen, in denen das kryogene Kältemedium, nachdem es sich erwärmt hat, rückgekühlt wird. Diese Erwärmung ist auch bei supraleitenden Kabeln unvermeidlich, da auch bei bester Isolation aus der Umgebung Wärme aufgenommen wird. Außerdem müssen auf der gesamten Kabellänge in bestimmten Abständen Pumpstationen verteilt werden, um den Druckverlust auszugleichen, den das kryogene Kältemittel beim Durchströmen des Kühlkanals entlang des Kryokabels erfährt.

Als Kühlmedium für die Kühlung von Kryokabeln kann ein tiefsiedendes verflüssigtes Gas im Siedegleichgewicht verwendet werden. In diesem Falle tritt die Kühlflüssigkeit mit der zum Druck gehörigen Gleichgewichtstemperatur in die Leitung ein. Jede Wärmezufuhr, sei es von innen, sei es von außen, führt dann zu einer Bildung von Sattdampf, so daß mit wachsendem Abstand vom Eintritt der Dampfanteil immer größer wird. Spätestens an der Stelle, an der die gesamte Kühlflüssigkeit verdampft ist, muß sich eine Rückkühlstation befinden, die dem Kabel frische Flüssigkeit zuführt.

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•Vorteilhafter ist es, wenn der Druck im Kryokabel so weit erhöht wird, daß die Dampfbildung völlig unterbunden werden kann. Die Flüssigkeit ist in diesem Tall unterkühlt und die Wärmeaufnahme führt zu einer Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur. Es muß dann spätestens an der Stelle eine Rückkühlstation vorgesehen werden, an der die Flüssigkeitstemperatur auf Grund der Wärmezufuhr so weit angestiegen ist, daß der zugehörige Sattdampfdruck dem Druck im Kühlsystem entspricht. Ein derartiges System hat den Vorteil eines verminderten Sicherheitsrisikos, da bei einem Ausfall einer Pump- oder einer Rückkühlstation die Flüssigkeit noch verdampf en kann und die Kühlung des Kabels 'fortführen kann, ehe das Kabel durch zu starke Erhitzung zerstört wird.

Einen wesentlichen Anteil des für ein Kryokabel erforderlichen Aufwandes stellen die Rückkühlstationen dar. Es liegt auf der Hand, daß ein Kryokabel um so teurer wird, je kürzer die Abstände zwischen zwei Rückkühlstationen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei mit tiefsiedenden Gasen als Kühlmedium betriebenen Kryokabe3n den Abstand zwischen den Rückkühlstationen erheblich über die Länge zu vergrößern, die mit bisherigen Kühlverfahren erreichbar ist.

Es wurde nun gefunden, daß sich dies erreichen läßt, wenn gemäß der Erfindung in den Kühlstationen Matsch des tiefsiedenden Gases erzeugt und als Kühlmedium verwendet wird.

Matsch ist ein Gemisch aus Flüssigkeit und Eis, welches sich am Tripelpunkt mit der Gasphase im Gleichgewicht befindet. Wird gemäß der Erfindung Matsch als Kühlmedium für Kryokabel verwendet, so beginnt dieTemperatur dieses Kühlmediums nach Eintritt in das Kryokabel erst dann anzusteigen, wenn das gesamte Eis geschmolzen ist. Danach schließt sich eine Phase der Erwärmung der Flüssigkeit an, bei der schließlich der Siedezustand erreicht wird.

x) noch eine zeitlang

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Gegenüber den bisherigen Kühlverfahren für Kryokabel bietet das erfindungsgemäße Verfahren bei sonst gleichen Bedingungen eine wesentlich größere Kühlleistung, da die Schmelzwärme des Eises mit zu Kühlzwecken ausgenutzt wird. Gegenüber einem Kabel, in dem nur mit Flüssigkeit gekühlt wird, erreicht ein mit Matsch gekühltes Kabel die zulässige maximale Temperatur erst später, so daß der Abstand zwischen den Kühlstationen größer werden kann. Bei gegebener Gesamtlänge des Kabels ergibt dies eine Verringerung der Zahl der Kühlstationen und damit eines wesentlichen Postens der Inve ütionskosten. Zwar werden die Investitionskosten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch etwas erhöht, daß in jeder Kühlstation ein Zusatzgerät zur Herstellung von Matsch vorhanden sein muß. Diese zusätzlichen Investitionskosten sind aber wesentlich geringer, als die Kostenersparnis, die sich durch die Verringerung der Zahl der Rückkühlstationen ergibt.

Geht man davon aus, daß in einer bisherigen, mit Flüssigkeit betriebenen Kühlstation sowohl zur Tripelpunktstemperatur als auch zur kritischen Temperatur ein Sicherheitsabstand von beispielsweise 2° K eingehalten wird und daß Matsch mit einem Eis^anteil von 50 Gewichtsprozent sich technisch einwandfrei herstellen und pumpen läßt, so ist es möglich, durch Anwendung .von Matsch bei Stickstoff die Zahl der Kühlstationen um cirka bei Wasserstoff sogar um 30% zu vermindern.

Als Herstellungsverfahren für den Matsch eignet sich das Verfahren des pulsierenden Abpumpens und das Verfahren der Düsenentspannung. Bei dem Verfahren des pulsierenden Abpumpens befindet sich verflüssigtes tiefsiedendes Gas in einem isolierten Behälter. Mittels einer Vakuumpumpe wird aus dem Gasraura des isolierten Behälters ständig Gas abgepumpt, wodurch der Druck ständig auf dem zur Erzeugung des Eises erforderlichen Niveau gehalten wird.

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Da die Flüssigkeit die Verdampfungswärme für das abgezogene Gas aufbringen muß, kühlt sie sich ab. Sobald der Tripelpunktsdruck erreicht ist,'setzt die Eisbildung ein. Durch periodisches Ändern der Saugleistung der Vakuumpumpe kann das Absinken des Eises eingeleitet und das Vermischen des Eises mit der Flüssigkeit zu Matsch bewirkt werden.

Bei dem Verfahren der Matschherstellung durch Düsenentspannung wird bereits verflüssigtes oder unter hohem Druck stehendes tiefkaltes Gas in einer Düse abwechselnd auf einen Druck unterhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Eis- Gebiet und anschließend auf einen Druck oberhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas- Flüssigkeit- Gebiet isenthalp entspannt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist das zuletzt genannte Herstellungsverfahren besonders geeignet, da sich damit ein besonders feinkörniger Matsch erzeugen läßt. Der prozentuale Eisanteil im Matsch kann dadurch sehr hoch gehalten werden, ohne das die Pumpfähigkeit des Matsches beeinträchtigt wird.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren bei mit Wasserstoff gekühlten Kabeln, wenn die höchste zulässige Kabeltemperatur weit unter der kritischen Temperatur des Wasserstoffs liegt. Dies kann zum Beispiel der Fall sein bei herkömmlichen Kabeln aus Reinstkupfer , bei denen zwischen 20,4 und 13,8° K der elektrische Widerstand um die Hälfte sinkt, während der Mehraufwand an Kühlleistung nur um 50$ steigt. Dies ist aber auch der Fall bei supraleitenden Kabeln, bei denen die Temperatur des Kühlmediums immer so niedrig sein muß, daß die supraleitenden Elemente auch unter dem Einfluß magnetischer Felder nicht den supraleitenden Zustand verlieren.

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich hierbei eine Verringerung der Rückkühlstationen um mehr als die Hälfte erreichen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Aufgliederung eines Kryokabels in schematischer Form, Fig. 2 die durch das erfindungsgonäße Verfahren erreichbare Verbesserung des Temperaturverlaufs in Kryokabeln.

In Fig. 1 ist in schematischer Form die Aufgliederung eines Kryokabels 1 dargestellt. Das Kryokabel 1 beginnt beim Stromerzeuger 2 und endet beim Verbraucher 3. Auf der gesamten Länge des Kryokabels 1 sind in bestimmten Abständen Pumpstationen 4 und Rückkühlstationen 5 verteilt. Der Einfachheit halber sind in Fig. 1 nur zwei Pumpstationen k und eine Rückkühlstation 5 eingezeichnet. Wesentlich für die Höhe der Investitionskosten ist die zulässige Länge IL- zwischen zwei Rückkühlstationen 5. In Fig. 2 ist in schematischer Form in einem Diagramm dargestellt, wie die Länge L. durch das erfindungsgemäße Verfahren vergrößert wird. In dem Diagramm ist der Temperaturverlauf [k] über der Kabellänge L in [km] aufgetragen. Ebenfalls eingetragen ist die Tripelpunktstemperatur und die kritische Temperatur des verwendeten tiefsiedenden Gases. Die gestrichelt gezeichnete Linie 6 gibt den Temperaturverlauf im Kryokabel bei Verwendung einer unterkühlten Flüssigkeit als Kühlmedium wieder. Die tiefste zulässige Temperatur bei Beginn muß oberhalb der Tripelpunktstemperatur liegen, da sonst die Gefahr einer Vereisung in der Kühlstation besteht. Als maximale Länge ergibt sich L_K . Das erfindungsgemäße Kühlverfahren ist durch die Kurve 7 wiedergegeben. Die tiefste Temperatur bei Beginn ist die Tripelpunktstemperatur, die sich zunächst nicht ändert, bis das gesamte Eis geschmolzen ist.

Danach ist der Verlauf der gleiche wie in Kurve 6. Der Sprung in Kurve 6 und 7 berücksichtigt die Wärmezufuhr durch eine Pumpstation.

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Claims

Ansprüche

l.J Verfahren zum Kühlen von Kryokabeln mit tiefsiedenden Gasen, welche in auf die Kabellänge verteilten Kühlstationen rückgekühlt werden und deren Druckverlust in ebenfalls auf die Kabellänge verteilten Pumpstationen ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kühlstationen (5) Matsch des tiefsiedenden Gases erzeugt und als Kühlmedium verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium zwischen zwei Kühlstationen (5) vom Matschzustand bis zum Erreichen des Siedepunktes erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Kühlmedium dienende Matsch in den Kühlstationen (5) erzeugt wird, indem bereits verflüssigtes oder unter hohem Druck stehendes tiefkaltes Gas in einer Düse abwechselnd auf einen Druck unterhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Eis-Gebiet und anschließend auf einen Druck oberhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Flüssigkeit-Gebiet isenthalp entspannt wird.

95 Ba/ne

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