DE2450766A1

DE2450766A1 - Self-regulating cooling system for cryogenic cables - has two-phase coolant transmitting cooling effect over whole cable length

Info

Publication number: DE2450766A1
Application number: DE19742450766
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Rohner; Ernst Prof Scheffler
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1974-10-25
Filing date: 1974-10-25
Publication date: 1976-05-06

Abstract

The self-regulating cooling system for cryogenic cables, both of superconductive and normally conductive type, or for cryogenic pipelines has a two-phase medium as coolant that automatically transmits the cooling effect from only one cooled and over the whole length of the cable. In a system using several concentric tubes, the inner surface of the outer tube or the outer surface of the inner tube has rifling or ridges, or is covered in a porous layer of metal, plastics, ceramics, or similar, or is covered in a metallic net. The coolant may contain an additive to speed evaporation. The cooled end may be provided with known cooling coils.

Description

Selbstregulierendes Kühlsystem für langgestrecktes Guts insbesondere für elektrische Kabel Die Erfindung betrifft ein selbstregulierendes Kühlsystem für langgestrecktes Gut, wie Supraleiter- bzw. Tieftemperaturkabel oder Rohrleitungen für den Transport von Tieftemperatur-Flüssigkeiten oder -gasen, aber auch normal leitende Kabel mit Zwangskühlung. Self-regulating cooling system for elongated goods in particular for electrical cables The invention relates to a self-regulating cooling system for elongated goods such as superconductor or low-temperature cables or pipelines for the transport of cryogenic liquids or gases, but also normal conductive cables with forced cooling.

Tiefgekühlte Kabel sind bereits bekannt, bei denen zur Übertragung elektrischer Energie im Innern eines mit flüssigem Helium gefüllten Rohres Leiterstränge angeordnet sind. Dieses, die Leiterstränge aufnehmende Rohr, das vorteilhaft gewellt ist, wird zum Schutz nach außen von weiteren konzentrischen Rohren umgeben, die jeweils etwas größeren Durchmesser besitzen, so daß entsprechende Zwischenräume gebildet werden. Im innersten Zwischenraum kann beispielsweise ein Vakuum aufrechterhalten werden, während der mittlere Zwischenraum zum Zwecke der Unterteilung des vom Kabelinnern nach Außen gerichteten Temperaturgefälles und damit zur Erzielung einer Zwischenkühlung mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Um sicherzustellen, daß der Abtransport der von den elektrischen Leitern erzeugten und durch die unvollkommene thermische Isolierung entstehende Wärme reibungslos erfolgt, wird dem flüssigen Kühlmedium durch in Abständen auf der Strecke angeordnete Pumpstationen eine vorbestimmte Strömungsgeschwindigkeit erteilt. Je nach den im Kabel zu beriicksichtigenden Strömungsverlusten ist eine mehr oder weniger große Anzahl über die Strecke verteilter Pumpstationen erforderlich, die das Kühlmedium durch das Rohrsystem zu befördern haben.Frozen cables are already known to be used for transmission electrical energy inside a tube filled with liquid helium, strands of conductors are arranged. This, the conductor strands receiving tube, which is advantageously corrugated is, is surrounded by further concentric tubes for protection to the outside, the each have a slightly larger diameter, so that corresponding spaces are formed. For example, a vacuum can be maintained in the innermost interspace while the middle space is used to divide the interior of the cable outward temperature gradient and thus to achieve intermediate cooling is filled with liquid nitrogen. To ensure that the removal of the generated by the electrical conductors and by the imperfect thermal insulation resulting heat occurs smoothly, the liquid cooling medium is carried through at intervals pumping stations arranged on the route a predetermined flow rate granted. Depending on the flow losses to be taken into account in the cable, one is more or less large number of pumping stations distributed along the route are required, the have to convey the cooling medium through the pipe system.

Aber nicht nur fiir elektrische Kabel ist eine solche Kiihlung notwendig, bekannt sind auch Rohrsysteme, Ze B. aus vier konzentrischen Rohren, die zur Fortleitung flüssiger Gase, wie Wasserstoff oder Helium, verwendet werden und zur Abschirmung gegenüber den herrschenden Umgebungstemperaturen durch flüssige oder gasförmige Kühlmittel gekühlt werden.But such cooling is not only necessary for electrical cables, Also known are pipe systems, Ze B. consisting of four concentric pipes, which are used for forwarding liquid gases, such as hydrogen or helium, can be used and for shielding compared to the prevailing ambient temperatures by liquid or gaseous Coolant to be cooled.

In all diesen Fällen, wo der Zwischenraum zwischen jeweils zwei Rohren mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium gefüllt ist, kommt es darauf an, daß zum ständigen Wärmetransport das flüssige oder gasförmige Medium umgewälzt wird. Je länger die durch das Kabel oder die Rohrleitung zu überbrückenden Strecken sind, um so schwieriger und aufwendiger wird es, das Kühlmedium in dem verlegten Rohr oder Kabel umzuwälzen, da neben der entsprechenden Anzahl von Pumplationen auch erhöhte Drücke notwendig werden.In all these cases where the gap between every two pipes is filled with a liquid or gaseous medium, it is important that the liquid or gaseous medium is circulated for constant heat transport. The longer the distances to be bridged by the cable or pipeline, it becomes all the more difficult and expensive, the cooling medium in the laid pipe or to circulate cables, as in addition to the corresponding number of pumping stations increased pressures become necessary.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den bekannten Kühlsystemen, eine Möglichkeit zu schaffen, die es erlaubt, auf die bekannten Pumpstationen und Anlagen zum Umwälzen des kühlenden flüssigen oder gasförmigen Mediums zu verzichten.The invention is therefore based on the object, based on the known cooling systems to create a possibility that allows the known Pumping stations and systems for circulating the cooling liquid or gaseous To dispense with the medium.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem selbstregulierenden Kühlsystem dadurch erreicht, daß als Kühlmedium ein zweiphasiges Arbeitsmedium dient, daß durch Kühlung nur des einen Endes des langgestreckten Gutes selbsttätig über die ganze Länge die Kühlung übernimmt. Bei einem solchen, sich selbst regulierenden Kühlsystem wird die z.B. über die Kabellänge entstehende Wärme, z.B. abgegeben von den elektrischen Leitern, dadurch abgeführt, daß das Arbeitsmedium verdampft, zum gekühlten Ende strömt 9 dort kondensiert und im flüssigen Zustand wieder zurückströmt. Dieser über die Rohrlänge bestehende Kreislauf des Kühlmediumsstellt sich dadurch ein, daß der am gekühlten Ende des Gutes durch die vorgegebene Kühltemperatur festgelegte Dampfdruck P sich im ganzen zur 0 Verfügung stehenden Raum bis auf gewisse Verluste p (x) auszubilden bestrebt ist und überall dort, wo die Temperatur der Flüssigkeit höher ist, als dem Dampfdruck P + p (x) entspricht, 0 diese zum Sieden bringt und ihr damit Wärme entzieht. Diese Wärme wird vom so erzeugten Dampf, der dem Druckgefälle in Richtung zum gekühlten Ende hin folgt, bei der Kondensation wieder abgegeben.This object is achieved according to the invention in a self-regulating Cooling system achieved in that a two-phase working medium is used as the cooling medium, that by cooling only one end of the elongated good automatically over cooling takes over the entire length. With such a oneself regulating cooling system, the heat generated e.g. over the cable length, e.g. given off by the electrical conductors, carried away by the fact that the working medium evaporated, to the cooled end 9 flows there condensed and in the liquid state flows back again. This circulates the cooling medium over the length of the pipe the fact that the at the cooled end of the goods by the predetermined cooling temperature defined vapor pressure P is in the entire available space except for certain Losses p (x) strive to develop and wherever the temperature of the Liquid is higher than the vapor pressure P + p (x) corresponds, 0 this to boiling brings and thus removes heat. This heat is generated by the steam, the follows the pressure gradient in the direction of the cooled end, in the case of condensation released again.

Ein solcher ohne mechanische Pumpleistung sich einstellender Kreislauf kann durch die verschiedensten Maßnahmen unterstützt werden. So hat es sich in Durchführung der Erfindung z.B. als vorteilhaft erwiesen, bei einem aus zwei ineinanderliegenden Rohren bestehenden Kühlsystem die Innenwand des äußeren Rohres und / oder die Außenwand des inneren Rohres zumindest teilweise z.B. durch Riffelungen oder Rillen aufzurauhen.Such a cycle that occurs without mechanical pumping power can be supported by a wide variety of measures. So it did in implementation of the invention has proven advantageous, for example, in one of two nested Pipes existing cooling system the inner wall of the outer pipe and / or the outer wall to roughen the inner tube at least partially, e.g. by corrugations or grooves.

Hiermit ist dem Kühlmedium die Möglichkeit gegeben, schneller zu verdampfen, wodurch der thermische Ausgleich über die gesamte Länge verbessert wird. Anstatt eine Rillung oder Riffelung der Oberfläche vorzunehmen, kann es oft in Weiterführung der Erfindung auch vorteilhaft sein, eine poröse Schicht an der Innenwand des das Kühlmittel führenden Rohres anzuordnen. Als geeignet haben sich z.B. poröse Schichten aus Metall, Kunststoff oder Keramik erwiesen. Ebenso können durch dem Ar--beitsmedium beigefügte Zusätze die Verdampfungsgeschwindigkeit erhöht und damit ebenfalls die Wirksamkeit der Kühlung verbessert werden.This gives the cooling medium the opportunity to evaporate faster, whereby the thermal compensation is improved over the entire length. Instead of To make a grooving or corrugation of the surface, it can often be continued of the invention also be advantageous to a porous layer on the inner wall of the To arrange coolant leading pipe. Porous layers, for example, have proven suitable made of metal, plastic or ceramic. Likewise, through the working medium added additives increases the rate of evaporation and thus also the Improved cooling efficiency will.

Eine Förderung der Verdampfungsgeschwindigkeit und damit eine Intensivierung der Kühlung kann ferner auch dadurch erreicht werden, daß bei einem rohrförmigen Kühlsystem die Innenwand des das Arbeitsmedium führenden Rohres zumindest teilweise durch ein metallisches Netz überdeckt ist.A promotion of the evaporation rate and thus an intensification The cooling can also be achieved in that a tubular Cooling system at least partially the inner wall of the pipe carrying the working medium is covered by a metallic net.

Bei all diesen getroffenen Zusatzmaßnahmen kommt es darauf an, daß durch die selbsttätige Regulierung des Kühlmittelkreislaufes bei größeren Temperaturabweichungen das Verdampfen bzw. Sieden des Kühlmittels heftiger und damit der Wärmetransport intensiver wird.With all these additional measures taken, it is important that through the automatic regulation of the coolant circuit in the event of larger temperature deviations the evaporation or boiling of the coolant more violently and thus the heat transport becomes more intense.

Zur Kühlung des einen Endes des langgestreckten Gutes werden vorteilhaft an sich bekannte Kühlschlangen verwendet.To cool one end of the elongated good are advantageous known cooling coils are used.

Auch hier kann durch entsprechende Oberflächenbeschaffenheit oder Ausbildung der Oberfläche des das Arbeitsmedium führenden Systems die Kondensationsgeschwindigkeit nach Bedarf gesteigert werden.Here, too, can be achieved through the appropriate surface finish or Formation of the surface of the system carrying the working medium, the condensation rate can be increased as required.

Zur Unterstützung des Kühlmittelrückflusses durch die Schwerkraft kann das gekühlte Ende etwas höher angebracht und somit über die Länge des gekühlten Gutes ein Gefälle eingebaut werden. Werden für das sich selbst regulierende Kühlsystem kühlmiltelführende Rohre verwendet, haben sich in Durchführung der Erfindung sog. Wellrohre als zweckmäßig erwiesen. Denn abgesehen von der Möglichkeit, solche Rohre praktisch endlos herzustellen, so daß nur mit wenigen Muffen und Verbindungselementen eine einfache Montage über lange Strecken möglich ist, dient die durch die Wellung erreichte Flexibilität solcher Systeme zum Ausgleich der beim Anfahren oder bei Störungen entstehenden thermischen Kontraktion oder Expansion, so daß keine Pufferelemente eingebaut werden müssen.To support the coolant return flow through gravity the cooled end can be attached a little higher and thus over the length of the cooled Good to be built in a slope. Are for the self-regulating cooling system Coolant-carrying pipes used, have so-called in the implementation of the invention. Corrugated pipes proven to be useful. Because apart from the possibility of such pipes practically endless to produce, so that only a few sleeves and connecting elements A simple assembly over long distances is possible, the purpose of which is the corrugation achieved flexibility of such systems to compensate for the start-up or at Disturbances resulting from thermal contraction or expansion, so that no buffer elements must be installed.

Die Erfindung sei anhand des in der Figur als Ausführungsbeispiel dargestellten Kühlsystems für ein supraleitendes Kabel näher erläutert.The invention is based on the in the figure as an embodiment illustrated cooling system for a superconducting cable explained in more detail.

Zum Transport flüssiger oder gasförmiger Medien, die während des Transportes auf gleichbleibender tiefer Temperatur gehalten werden sollen, dient, wie aus der Figur ersichtlich, das beispielsweise aus Kupfer oder nicht rostendem Stahl hergestellte z.B. parallel gewellte oder mit einer wendelförmig verlaufenden Wellung versehene Metallrohr 1. Dieses Metallrohr führt in seinem Innern flüssiges Helium, das gleichzeitig zur Kühlung der drei Phasenleiter 2 verwendet wird. Konzentrisch zum Rohr 1 ist ein weiteres Rohr 3 vorgesehen, wobei der evakuierte Raum zwischen den Rohren 1 und 2 die Abstandshalter 4 und evtl. eine Superisolation enthält. Das nächstfolgende Rohr 5 ist durch die Abstandshalter 6 in Lage gehalten, im Raum zwischen dem Rohr 5 und dem Rohr 3 ist flüssiger Stickstoff 7 etwa in der angegebenen Form eingefüllt. Ein weiteres Rohr 8, konzentrisch zum Rohr 5 durch die Abstandshalter 9 gehalten, dient zur weiteren Abstufung des von Innen nach Außen steigenden Temperaturgefälles, der Zwischenraum zwischen dem Rohr 5 und dem Rohr 8 ist evakuiert und enthält die eigentliche Superisolation. Ein äußerer Mantel 10 z.B.For the transport of liquid or gaseous media that occur during transport should be kept at a constant low temperature, serves as from the Figure can be seen, for example, made of copper or stainless steel e.g. parallel corrugated or helical corrugation Metal tube 1. This metal tube contains liquid helium, which at the same time is used to cool the three phase conductors 2. Concentric to tube 1 is Another pipe 3 is provided, the evacuated space between the pipes 1 and 2 contains the spacers 4 and possibly a super insulation. The next one Tube 5 is held in place by spacers 6 in the space between the tube 5 and the tube 3 is filled with liquid nitrogen 7 approximately in the specified form. Another pipe 8, held concentrically to the pipe 5 by the spacers 9, serves to further graduate the temperature gradient increasing from inside to outside, the space between the pipe 5 and the pipe 8 is evacuated and contains the actual super insulation. An outer jacket 10 e.g.

aus einem geeigneten thermoplastischen Kunststoff, wie Polyvinylchlorid oder Polyäthylen, dient als äußerer mechanischer Schutz.made of a suitable thermoplastic such as polyvinyl chloride or polyethylene, serves as external mechanical protection.

Abweichend von den bekannten usführungen, bei denen im Zwischenraum zwischen den Rohren 3 und 5 befindlicher Stickstoff durch Pumpen hindurchgetrieben werden muß, handelt es sich bei der dargestellten Konstruktion um ein in sich geschlossenes System, bei dem durch einen druckdichten Abschluß von außen kein Eingriff in den Kühlmittelumlauf vorgenommen wird.Deviating from the known designs, with those in the gap Nitrogen located between the tubes 3 and 5 is driven through by pumps must be, the construction shown is a self-contained one System in which, thanks to a pressure-tight seal from the outside, there is no interference with the Coolant circulation is made.

Denn durch das verwendete zweiphasige Arbeitsmittel - im unteren Bereich des dargestellten Querschnittes flüssig, darüber aber im gasförmigen Zustand - erfolgt, wenn das Kabel an einem Ende etwa mittels Rohrschlangen gekühlt wird, ein ständiger Wärmetransport dadurch, daß das Kühlmittel gasförmig in Richtung der Eühlschlangen und anschließend in flüssigem Zustand wieder im Rohr zurückströmt. Dieses sich selbst regulierende Kühlsystem funktioniert über eine durch die Rohrgeometrie vorgegebene Strecke einwandfrei.Because due to the two-phase work equipment used - in the lower area of the cross-section shown is liquid, but above it in the gaseous state - takes place, if the cable is cooled at one end by means of pipe coils, a constant one Heat transport in that the coolant is gaseous in the direction of the Eühlschlangen and then flows back in the pipe in a liquid state. This yourself regulating cooling system works via a predetermined by the pipe geometry Route flawless.

Durch Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Abschnitte können beliebig lange Strecken überbrückt werden. Auf Pumpstationen zum Umlauf des Kühlmittels kann dabei verzichtet werden.By connecting several such sections one after the other, you can arbitrarily long distances can be bridged. Can be used on pumping stations to circulate the coolant be dispensed with.

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit konzentrischen Rohren kann vorteilhaft auch eine Anordnung getroffen werden, bei der in dem vom Arbeitsmedium durchströmten Rohr die Leiter, das Innenrohr oder dgl. exzentrisch angeordnet sind.Deviating from the illustrated embodiment with concentric Pipes can also be advantageously made an arrangement in which in the from Working medium flowed through the pipe, the conductor, the inner pipe or the like. Eccentric are arranged.

Das Ingangsetzen des Kühlsystems bei dem in der Figur als Ausführungsbeispiel dargestellten Kabel kann beispielsweise so vor sich gehen, daß das Rohrsystem über die vorgegebene Länge evakuiert wird, um Störstoffe aus dem Kabelinnern zu entfernen. Dann wird der zur Verfügung stehende Raum zwischen den Rohren 3 und 5 in der Regel zu etwa 1/3 mit dem flüssigen Arbeitsmittel, etwa Stickstoff gefüllt, wobei die Menge im wesentlichen von den vorgegebenen Raumverhältnissen, z.B. viel oder wenig toter Raum, abhängig ist. Bis auf eine oder mehrere durch Ventile verschließbare Öffnungen wird dann das System abgeschlosssen und gekühlt. Der Druck im Arbeitsmittel führanden Raum sinkt ab, über eine entsprechende Leitung kann nun aus einem Vorratsbehälter gasförmiges oder flüssiges Arbeitsmedium nachgesaugt werden. Das System wird nach Abschluß der Füllung druckdicht verschlossen, es erfolgt die Kühlung des einen Endes, bis sich der Kühlmechanismus von selbst einstellt.The starting of the cooling system in the embodiment shown in the figure shown cable can for example go so that the pipe system over the specified length is evacuated in order to remove contaminants from the interior of the cable. Then the available space between the tubes 3 and 5 is usually filled to about 1/3 with the liquid working medium, such as nitrogen, with the Amount essentially depends on the given space, e.g. a lot or a little dead space that is dependent. Except for one or more closable with valves Openings then the system is closed and cooled. The pressure in the work equipment The leading room sinks, a corresponding line can now be used from a storage container gaseous or liquid working medium can be sucked in. The system is after Completion of the filling sealed pressure-tight, one end is cooled, until the cooling mechanism adjusts itself.

Claims

1 Self-regulating cooling system for elongated goods, such as superconductor or low-temperature cables or pipelines for the transport of low-temperature liquids, but also normally conductive cables with forced cooling, characterized in that as Cooling medium is a two-phase working medium that only cools the one The end of the elongated product automatically takes over the cooling over the entire length.

2. Cooling system according to claim 1 of two or more nested Tubes, characterized in that the inner wall of the respective outer tube and / or the outer wall of the inner tube at least partially, e.g. by corrugations or grooves are roughened.

3. Cooling system according to claim 1 of two or more nested Tubes, characterized in that the inner wall of the respective outer tube and / or the outer wall of the inner tube at least partially covered by a porous layer made of metal, plastic, ceramic or the like.

is covered.

4. Cooling system according to claim 1 of two or more nested Tubes, characterized in that the inner wall of the respective outer tube and / or the outer wall of the inner tube at least partially by a metallic one Network is covered.

5. Cooling system according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the working medium contains additives that increase the rate of evaporation.

6. Cooling system according to claim 1 or one of the following, characterized in that that for cooling one end of the elongated material known cooling coils are used.

7. Cooling system according to one or more of claims i to 6 of two or several tubes lying one inside the other, characterized in that the tubes are designed as corrugated pipes.