DE2529261A1 - SPACER FOR COAXIAL PIPE SYSTEMS - Google Patents
SPACER FOR COAXIAL PIPE SYSTEMSInfo
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Description
Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte AktiengesellschaftCable and metal works Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft
1 l4021 l402
27. Juni 1975June 27, 1975
Die vorliegende Erfindung betrifft Abstandshalter für koaxiale Rohrsysteme mit einem zwischen den konzentrisch angeordneten Rohren bestehenden Temperaturgefälle, ζ. B. für ein in supraleitendem Zustand betriebenes elektrisches Kabel oder ein Rohrsystem für den Transport erwärmter oder gekühlter flüssiger oder gasförmiger Medien, wobei im Raum zwischen jeweils zwei Rohren eine oder mehrere die begrenzenden Rohrflächen zumindest an einzelnen Stellen längs des Rohrsystems berührende Wendeln aus übereinander angeordneten Bändern eines isolierenden Materials geringer thermischer Leitfähigkeit angeordnet sind.The present invention relates to spacers for coaxial pipe systems with a spacer arranged concentrically between them Pipes existing temperature gradient, ζ. B. for an electrical cable operated in a superconducting state or a pipe system for the transport of heated or cooled liquid or gaseous media, wherein in the space between each two pipes one or more of the limiting pipe surfaces touching at least at individual points along the pipe system made of superimposed strips of an insulating Material of low thermal conductivity are arranged.
Es ist bereits bekannt, z. B. für die Übertragung elektrischer Energie,tiefstgekühlte Kabel zu verwenden, bei denen die Leiterstränge im Innern eines mit flüssigem Helium gefüllten Rohres angeordnet sind. Der Wärmeschutz nach außen wird durch weitere, dieses Rohr konzentrisch umgebende und jeweils Zwischenräume bildende Rohre jeweils größeren Durchmessers gebildet. In dem Raum zwischen dem innersten und dem nächstfolgenden Rohr kann ein Vakuum aufrecht erhalten werden, während der Raum zwischen dem zweiten und dritten Rohr üblicherweise zur Unterteilung des von außen nach innen gerichteten Temperaturgefälles mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Der Raum zwischen dem dritten und dem letzten, auf Raumtemperatur stehenden Rohr ist wiederum evakuiert.It is already known e.g. B. to use for the transmission of electrical energy, cryogenic cables, in which the conductor strands inside a tube filled with liquid helium are arranged. The heat protection to the outside is provided by additional spaces that surround this pipe concentrically and in each case forming tubes each larger diameter formed. In the space between the innermost and the next following pipe can a vacuum can be maintained while the space between the second and third tubes is usually used for subdivision of the temperature gradient directed from the outside to the inside is filled with liquid nitrogen. The space between the third and the last pipe at room temperature is again evacuated.
Ähnlich aufgebaute Rohrsysteme können aber auch als sog. Kälteleitungen zum Transport von flüssigen Gasen oder anderen tiefgekühlten Medien Anwendung finden. Wesentlich bei all diesenHowever, similarly structured pipe systems can also be used as so-called cold lines for the transport of liquid gases or other deep-frozen media. Essential in all of these
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Konstruktionen 1st, daß die Wärmeverluste, sei es durch Wärmeleitung oder Strahlung, auf ein Minimum reduziert werden, damit ein wirtschaftlicher Betrieb solcher Systeme überhaupt möglich ist.Constructions is that the heat losses, be it by conduction or radiation, are reduced to a minimum such systems can even be operated economically.
Zu diesem Zweck sind bereits zahlreiche Vorschläge für verlustarme Abstandshalter gemacht worden, die jedoch in Form einer das innere Rohr umgebenden Wendel oder auch als Scheiben oder sonstige radial angeordnete Stützelemente ausgebildet sind.For this purpose, numerous proposals for low-loss spacers have already been made, but in the form of a das inner tube surrounding helix or as disks or other radially arranged support elements are formed.
Bekannt ist es auch bereits (DOS 1 775 4lO), Abstandshalter für koaxiale Rohrsysteme in Form einer aus lose übereinander angeordneten Bändern bestehende Wendel einzusetzen, die im aufgebrachten Zustand noch verdrillt ist, um den Wärmeübergang von dem einen zu dem anderen Rohr weiter zu verringern.It is already known (DOS 1 775 40), spacers for use coaxial pipe systems in the form of a coil consisting of loosely stacked bands, which is still twisted in the applied state in order to transfer the heat from the one to the other pipe to further reduce.
Ausgehend von dieser bekannten Wendelkonstruktion liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wärmeübergang zwischen jeweils zwei Rohren durch eine besondere Ausbildung der zu einer Wendel zusammengefaßten Bänder weiter zu verschlechtern.Based on this known coil construction, the invention is based on the object of the heat transfer between each to deteriorate two tubes by a special design of the bands combined to form a helix.
Diese Aufgabe wird bei einem Abstandshalter der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß zumindest die einander benachbarten der übereinander angeordneten Bänder ein im Querschnitt unterschiedliches Profil aufweisen. Das hat zur Folge, daß die an sich lose übereinanderliegenden Bänder einander nur ρunkt- oder linienförmig über bestimmte Strecken längs des Rohrsystems berühren, so daß Wärmebrücken zwischen dem jeweils inneren und dem äußeren Rohr nur an vereinzelten Stellen auftreten. Unabhängig davon ist durch die aufgebrachte Wendel der Abstand über die ganze Länge stets gewährleistet, eine Berührung zwischen zwei Rohren, die ggf. zu einem Ausfall z. B. des Kabels oder der Leitung führen könnte, tritt nicht auf.This object is achieved in a spacer of the type described at the outset in that at least the adjacent strips of the superposed strips have a profile that differs in cross section. This has the consequence that the loosely superimposed bands are only mutually exclusive Touch points or lines over certain distances along the pipe system, so that thermal bridges between each inner and outer tube occur only in isolated places. Regardless of this, the applied coil is the Distance over the entire length always guaranteed, a contact between two pipes, which may lead to a failure z. B. des Cable or line, does not occur.
Vorteilhaft wird man in Weiterbildung der Erfindung das Querschnittsprofil der benachbarten Bänder so wählen, daß zwischenIn a further development of the invention, the cross-sectional profile of the adjacent bands will advantageously be chosen so that between
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den Lagen ein Minimum an gegenseitigem Kontakt besteht, um so Gebiete erhöhter Wärmeübertragung weiter zu reduzieren. Zum gleichen Zweck kann man auch in Fortführung der Erfindung ein oder mehrere Bänder verwenden, deren Querschnitt entlang ihrer Längsachse sich periodisch ändert.There is a minimum of mutual contact between the layers in order to further reduce areas of increased heat transfer. To the The same purpose can also be used in a continuation of the invention, one or more bands whose cross-section along their Longitudinal axis changes periodically.
Da die aus den einzelnen Bändern bestehende Wendel auf das jeweils innere Rohr aufgewickelt wird, ist es weiterhin vorteil-' haft, um den Fertigungsablauf nicht zu stören und darüber hinaus zu vermeiden, daß die Wendel zur Abstandshalterung nicht in der ordnungsgemäßen Weise aufgebracht wird, für die Bänder ein Querschnittsprofil zu wählen, das auch beim Aufwickeln ein seitliches Verrutschen der einzelnen Lagen verhindert. In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß in wechselnder Folge Bänder mit konvexem bzw. konkavem Querschnitt verwendet werden.Since the coil consisting of the individual bands on the respective inner tube is wound up, it is furthermore advantageous in order not to disrupt the production process and beyond To avoid that the helix for the spacer is not applied in the correct manner, one for the bands To choose a cross-sectional profile that prevents the individual layers from slipping sideways even when being wound up. In this In connection with this, it has proven to be particularly advantageous that bands with a convex or concave cross-section alternate be used.
Die Wendel kann in Weiterführung der Erfindung aus drei profilierten Bändern bestehen, aber auch vier oder mehr Bänder sind geeignet, als selbsttragende Wendel zwischen konzentrische Rohre gewickelt zu werden, um für eine mechanisch feste, die Wärme schlecht leitende Abstandshalterung zu sorgen.In a continuation of the invention, the helix can be profiled from three There are bands, but four or more bands are also suitable as a self-supporting helix between concentric tubes To be wound to provide a mechanically strong, heat-poorly conductive spacer.
Die einzelnen Bänder der Wendel können aus beliebigem,für tiefe Temperaturen geeignetem Material hergestellt sein. So haben sich z. B. Kunststoffe auf der Bais von Polytetrafluoräthylen als geeignet erwiesen. Mitunter kann es aber auch weitere Vorteile bringen, wenn die einzelnen aneinandergrenzenden Bänder aus unterschiedlichem Material hergestellt sind, wobei sich z. B. auch Schichten unterschiedlicher Wärmeübergangszahlen und mechanischer Festigkeit einander abwechseln können. Ebenso kann eine Materialauswahl je nach Aufbau der Wendel zweckmäßig sein, wenn an unterschiedlichen Stellen des wendelförmigen Abstandshalters verschiedene mechanische Kräfte, z. B. Zug- und Druckkräfte, wirksam werden.The individual bands of the helix can be made of any, for deep Temperatures suitable material be made. So z. B. Plastics based on polytetrafluoroethylene have proven to be suitable. Sometimes it can also have other advantages bring when the individual adjacent bands are made of different materials, with z. B. layers of different heat transfer coefficients and mechanical strength can also alternate with one another. as well Depending on the structure of the helix, a material selection can be useful if at different points of the helical spacer various mechanical forces, e.g. B. tensile and compressive forces become effective.
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Die Erfindung sei anhand des in den Figuren 1 und 2 als Ausführungsbeispiel dargestellten Abstandshalters für ein Rohrsystem näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the spacer for a pipe system shown in FIGS. 1 and 2 as an exemplary embodiment.
In der Fig. 1 diene das innere Rohr 1 zum Transport des thermisch zu schützenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, welches sich auf einer tieferen (höheren) Temperatur befindet als das äußere Rohr 2. Zur Reduzierung der Wärmeleitung zwischen den Rohren ist der Ringraum evakuiert und zur mechanischen Fixierung des Innenrohres 1 der thermisch schlecht leitende Abstandshalter 3 aufgebracht.In Fig. 1, the inner tube 1 is used to transport the thermally Liquid or gaseous medium to be protected, which is at a lower (higher) temperature than the external one Tube 2. To reduce the heat conduction between the tubes, the annular space is evacuated and the thermally poorly conductive spacer 3 is applied to mechanically fix the inner tube 1.
Eine solche Anordnung ist z. B. Teil eines Supraleiterkabels, wobei der Innenraum des Rohres 1, in dem sich der Supraleiter befindet, mit Helium von ca. 4K durchspült wird, während das Rohr 2 außen von flüssigem Stickstoff von ca. 770C umströmt wird. Zwischen den Rohren herrscht also eine Temperaturdifferenz von ca. 73 K.Such an arrangement is e.g. B. part of a superconductor cable, the interior of the tube 1, in which the superconductor is located, is flushed with helium of approx. 4K, while the tube 2 is surrounded by liquid nitrogen of approx. 77 0 C on the outside. There is therefore a temperature difference of approx. 73 K between the pipes.
Da der größte Anteil der Wärmeübertragung über die bei solchen Rohrsystemen nun einmal erforderliche Abstandshalterung erfolgt, kommt es darauf an, daß hier Abstandshalter verwendet werden, die einmal in der Lage sind, die konzentrischen Rohre über die gesamte Länge, d. h. z. B. bei der Verwendung von Wellrohren über eine Fertigungslänge von 250 m, in Lage zu halten und außerdem möglichst wenig Wärmeverluste hervorrufen.Since most of the heat transfer takes place via the spacer required in such pipe systems, it is important that spacers are used here that are once able to move the concentric tubes over the entire length, d. H. z. B. when using corrugated pipes over a production length of 250 m, and also cause as little heat loss as possible.
Aus diesem GLrunde ist z. B. für die Abstandshalterung der Rohre und 2 die Wendel 3 vorgesehen, die, wie in der Fig. 2 in einem vergrößerten Maßstab dargestellt, aus einzelnen Bändern mit im Querschnitt unterschiedlichem Profil besteht. Die an eich lose übereinander angeordneten Bänder können auch in gewissen Abständen fest miteinander verbunden sein.For this GLrunde z. B. for the spacing of the pipes and 2 the helix 3 is provided, which, as shown in FIG. 2 on an enlarged scale, consists of individual bands with im Cross-section consists of a different profile. The bands, which are loosely arranged one above the other, can also be firmly connected to one another at certain intervals.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist die Wendel 3 aus drei übereinander angeordneten Bändern aufgebaut, von denen die Blinder k As can be seen from FIG. 2, the helix 3 is made up of three bands arranged one above the other, of which the blind k
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einen konvexen, ζ. Β. ellipsenartigen Querschnitt, aufweisen,
während das dazwischenliegende Band 5 einen konkaven, z. B.
hyperbelartigen, Querschnitt zeigt. Die Krümmungen der Bandquerschnitte sind hierbei so gewählt, daß die Bänder einander
lediglich an den Stellen 6 berühren, so daß der Wärmeübergang durch diese Wendel nur äußerst gering ist. Die in diesem Ausführungsbeispiel
gewählte Form der einzelnen Bänder k und 5
hat darüber hinaus den Vorteil, daß die einzelnen Lagen gegen ein seitliches Verrutschen stabil sind, d. h. auch beim Aufwickeln
der aus diesen Bändern bestehenden Wendel auf das
Rohr 1 kommt es nicht zu einem Auseinanderfallen der einzelnen Lagen.a convex, ζ. Β. elliptical cross-section, while the intermediate band 5 has a concave, z. B.
shows hyperbolic, cross-section. The curvatures of the strip cross-sections are chosen so that the strips only touch each other at points 6, so that the heat transfer through this coil is extremely low. The shape of the individual bands k and 5 selected in this exemplary embodiment
also has the advantage that the individual layers are stable against slipping sideways, ie even when winding the coil consisting of these tapes onto the
Tube 1 does not cause the individual layers to fall apart.
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