DE2541792A1

DE2541792A1 - Elektrisches tieftemperatur-kabel oder rohranordnung zur uebertragung tiefgekuehlter fluessigkeiten oder gase

Info

Publication number: DE2541792A1
Application number: DE19752541792
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Ziemek
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1975-09-19
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1977-03-24
Also published as: DE2541792C2; FR2324971B1; FR2324971A1; GB1543650A; JPS5239819A

Description

Kabel- und Ketallwerk Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

1 1*119

18. Sept. 1975

Elektrisches Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnung zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Tieftemperatur-Kabel oder eine Rohranordnung zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase aus mehreren konzentrischen, vorzugsweise gewellten metallischen Rohren, zwischen denen jeweils ein Teniperaturgefälle besteht, wobei im Raum zwischen jeweils zwei Rohren eine oder mehrere auf das jeweils innere Rohr schraubenlinienförmig herumgelegte isolierende Abstandshalterwendeln und abwechselnde Schichten Metallfolien und Kunststoffolien angeordnet sind.

Bereits bekannte Tieftemperatur-Kabelkonstruktionen oder auch Rohranordnungen zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase haben in ihrem Schichtenaufbau eine sogenannte Zwischenkühlung vorgesehen, die im wesentlichen darin besteht, daß z. B. der Zwischenraum zwischen zwei übereinander angeordneten Rohren mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. (DOS 1 936 64l). Durch eine solche Zwischenkühlung kann der Wärmeeinbruch gering gehalten werden, der Aufbau ist jedoch recht aufwendig und erfordert neben flüssigem Helium für den eigentlichen Tieftemperaturbereich auch flüssigen Stickstoff und den dafür notwendigen anlagemäßigen Aufwand.

Es sind auch bereits Vorschläge gemacht worden den Aufbau eines elektrischen Kabels oder einer konzentrischen Rohranordnung so zu wählen, daß keine Stickstoffzwischenkühlung mehr erforderlich wird. Ein Hauptproblem ist dabei die Abstützung der einzelnen Rohre gegeneinander und die Reduktion

7098 12/0185

des Strahlungsanteils bei Wärmeeinbruch. Hier sind z. B. zur Reduktion des Wärmelextungsanteiles Abstandshalter mit einer Fadenaufhängung entwickelt worden, (DOS 2 129 556) solche Abstandshalter sind jedoch nur mit großen Schwierigkeiten so aufzubringen, daß keine Kanäle für die Strahlung entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnungen zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase zu schaffen, bei der ein ausreichender Wärmeschild ohne Zwischenkühlung,ζ. B. durch Stickstoff, gegeben ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens zwei Abstandshalterwendeln mit jeweils gegenläufigem Schlag derart übereinandergelegt sind, daß definierte Kreuzungspunkte entstehen, an denen sich die Wendeln berühren. und sich gleichzeitig nur an diesen Stellen gegeneinander und gegenüber den begrenzenden Rohrwandungen abstützen; der jeweils durch eine Umschlingung eines Rohrteilabschnittes mindestens der unteren Wendeln begrenzte Raum ist von einer Anzahl abwechselnder Schichten Netall- und Kunststoffolien gefüllt, wobei die Abstandshalterwendeln an jeder Stelle ihres Umlaufes um das jeweilige Rohr diesen Schichtenaufbau aus Metall- und Kunststoffolien überragen. Auf diese Weise werden durchlaufende Spalte oder Kanäle, die den Wärmeeinfall durch Strahlung vergrößern, vermieden. An den Kreuzungspunkten der Wendeln wird das innere Rohr jeweils ausreichend gegen das äußere abgestützt, die Abstützung ist punktförmig, es ergibt sich ein großer Wärmewiderstand und deshalb eine geringe Wärmeleitung.

An sich ist es zwar bereits bekannt (DOS 1 936 64l), eine oder mehrere Wendeln als Abstandshalterung um das jeweils innere Rohr herumzulegen, diese Konstruktion dient jedoch nicht dem Ersatz einer Zwischenkühlung durch hindurchströmen-

709 812/0185

den Stickstoff. Einem Ersatz der Zivi sch enkühlung dienen auch nicht die zwischen den Wendeln angeordneten Schichten aus Metall- und Kunststoffolien (Superisolierung), da diese Schichten über die Abstandshalterwendeln hinübergezogen sind und zumindest im Bereich der Stützwendeln stark komprimiert werden, so daß der eigentliche Effekt der Superisolierung, eine geringst mögliche Wärmeübertragung durch reflektierende und schlecht wärmeleitende Flächen zu erreichen, verhindert wird. Demgegenüber sieht die Erfindung vor, daß an den Kreuzungspunkten der Abstandshalterwendeln untereinander und an den Berührungspunkten mit den begrenzenden Rohrflächen tatsächlich nur die Abstandshalterwendeln zum Tragen kommen, denn diese ragen an jeder Stelle ihres Umlaufes aus dem Schichtenaufbau der sogenannten Superisolierung heraus. Die zur Wärmeisolierung im Raum zwischen den einzelnen Wendeln untergebrachte Superisolierung kann danach voll wirksam bleiben, das gilt auch dann, wenn beim Herstellen und Verlegen des Kabels dieses gebogen wird und sich damit der Schichtenaufbau verschiebt. Nach wie vor bleibt als allein tragendes Element im Schichtenaufbau die übereinander gewickelten Abstandshalterwendeln, während der als Superisolierung aufgebaute Wärmeschild als tragendes Element nicht herangezogen wird.

In Weiterführung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Schlaglänge der verwendeten Abstandehalterwendeln gleich zu wählen. Dadurch befinden sich die Kreuzungspunkte der Wendeln immer an ein und derselben Stelle, so daß eine einwandfreie Druckübertragung von dem äußeren zum inneren Rohr allein über die Abstandshalterwendeln möglich ist.

Die Abstandshalterwendeln selbst können ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit hat es sich darüber hinaus ale zweckmäßig erwiesen, wenn jede der Abstandshalterwendeln in sich verdrillt ist. Damit werden die Be-

709812/0185

rührungsflächen der Wendeln untereinander verringert, die Berührung wird dann längs einer Linie bzw. punktförmig erfolgen, der Wärmeübergang wird stark reduziert.

Vorteilhaft ist es auch, wenn in Weiterbildung der Erfindung die im Schichtenaufbau jeweils obere Abstandshalterwendel im Querschnitt größer bzw. von der Materialauswahl her steifer als die jeweils darunterliegende ist. Das hat zur Folge, daß im Verlaufe einer Wendel zwischen jeweils zwei Kreuzungspunkten stabile Brücken gebildet werden, die ein Zusammenquetschen der sogenannten Superisolierung verhindern und dafür sorgen, daß mehr isolierende Zwischenräume im Schichtenaufbau gebildet werden. Dieser "Brückenbau" ist insbesondere dann unerläßlich, wenn Rohre größeren Durchmessers in Abstand gehalten werden müssen und zu diesen Zweck mehrere Wendeln übereinander angeordnet sind.

Werden mehrere Wendeln zur Abstandshalterung zweier im Schichtenaufbau eines Kabels oder einer Rohrleitung verwendeter Rohre eingesetzt, dann ist es auch vorteilhaft, wenn der Raum zwischen der im Schichtenaufbau obersten Ab stand shal t erwendel frei von Metall- und Kunststoffolien« ist.

Aus mehreren konzentrischen Rohren aufgebaute elektrische Kabel oder Rohrleitungen können in glatter Ausführung oder auch gewellt eingesetzt werden. Die Wellung hat gegenüber der glatten Ausführung den Vorteil einer erhöhten Flexibilität, so daß praktisch beliebige Längen solcher Kabel- oder Rohrsysteme herstellbar sind. Die Wellung selbst kann z. B. sinusförmig verlaufen, in besonderen Fällen hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die metallischen Rohre in Richtung auf die Abstandshalterwendeln mit einer spitzen Wellung zu versehen, so daß der Wärmeübergang an den Stellen der Berührung zwischen den Wendeln und der Rohrwandung weiter verringert wird. Diese aus wfirmeisolierenden Gründen gewählte Formung

709812/0185

'V

des Wellrohres hat aber auch noch Vorteile dadurch, daß der Strömungswiderstand des fließenden Mediums verringert und damit die Pumpenleistung zum Durchtreiben des Kühlmediums reduziert werden kann. Hier hat sich auch eine Wellung als vorteilhaft erwiesen, bei der zwischen den Stellen der Spitzenwellung längere Strecken ebener Rohrflächen liegen.

Vorteilhaft kann es mitunter auch sein, wenn jede einzelne Abstandswendel aus einzelnen miteinander verdrillten Teilwendeln besteht, denn einmal wird die Steifigkeit und damit die Brückenbildung zwischen zwei Kreuzungspunkten verbessert und zum anderen werden weitere materialfreie Zwischenräume in radialer Richtung erzeugt, die neben der nunmehr punkt- oder linienförmigen Berührung der einzelnen Teilwendefci weiter dazu beitragen, daß die Wärmeübertragung in dem Bereich der Abstandshalterwendeln verringert wird.

Die Erfindung sei an Hand des in der Fig. dargestellten Ausführungsbeispieles für ein Rohrsystem aus konzentrisch angeordneten Wellrohren ohne Zwischenkühlung näher erläutert:

Das innere Rohr 1 dient zum Transport des thermisch zu schützenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, welches sich auf einer tieferen (höheren) Temperatur befindet als das äußere Rohr 2. Das Rohr 1 kann z. B. auch gleichzeitig zur Aufnahme supraleitfähiger Leiterstränge dienen und wäre dann als sog. Supraleiterkabel anzusprechen. Zur Reduzierung der Wärmeleitung zwischen den Rohren 1 und 2 wird der gebildete Ringraum evakuiert und zur mechanischen Fixierung des Innenrohres 1 werden die beiden thermisch schlecht leitenden Abstandshalt erwendeln 3 und 4 aufgebracht. Beide Wendeln, im entgegengesetzten Schlag aufgebracht, sollen z. B. eine Schlaglänge von 30 cm haben. Gleichsinnig zur Wendel 3 wird in den bei jeder Umschlingung gebildeten Raum eine Lage aus etwa Doppellagen sogenannter Superisolierung 5 gelegt, und zwar

709812/0185

so eng wie möglich an die Viendel 3 heran. Die Dicke der Superisolierung wird auf die Wendelhöhe so abgestimmt, daß die Wendel 3 überall über die Superisolierung herausragt.

Die zweite Wendel 4 wird analog zur ersten mit gleichem Schlag aber so über die Wendel 3 gelegt, daß definierte Kreuzungspunkte 6 entstehen. Diese Kreuzungspunkte 6 sind die eigentlichen Stellen der Abstützung, da hier Wendel auf Wendel zu liegen kommt, eine Druckübertragung auf die Superisolation unterbleibt. Die einzelnen Lagen der Superisolierung werden nicht zusammengedrückt, die beabsichtigte gute Isolierung solcher Schichten ist damit stets gewährleistet.

Gleichsinnig mit der zweiten Wendel 4 ist ein weiteres Paket Superisolierung 7 in den Zwischenraum zwischen jeweils einep Umlauf gelegt, ebenfalls möglichst dicht an die Wendel 4 herangezogen und in der Dicke so bemessen, daß die Wendel 4 stets über der Superisolierung 7 herausragt.

Im gleichen Sinne wie die Wendeln 3 und 4 können weitere Wendeln über die jeweils untere gelegt werden, das kann beliebig oft wiederholt werden, je nach der Anforderung an den Wärmewiderstand des Kabels oder der Rohrleitung, wobei es aus wärmetechnischen Gründen oft zweckmäßig sein kann, bei der letzten Wendel auf die Anordnung einer Superisolierung zu verzichten.

Wie aus der Fig. ersichtlich, erfiLgt die Abstützung des äußeren Rohres 2 auf dem Innenrohr 1 lediglich an den Kreuzungspunkten der Abstandshalterwendeln 3 und 4 und an den Berührungsflächen zwischen der jeweils oberster bzw. untersten Wendel und Rohrwandung. Die mitverwendeten Superisolierungsschichten werden durch die Abstützung nicht beeinträchtigt, ihre Wirksamkeit bleibt voll erhalten. Durch besondere Ausbildung der Abstandshalterwendeln selbst, z. B. durch eine Verdrillung, werden die

- 7 709812/0185

Berührungsflächen an den Stützpunkten weiter verringert, so kann bei geeigneter Wahl der Verdrillung die Abstützung von Schicht zu Schicht zunächst von einer Fläche zu einer Spitze dann von einer Spitze zu einer Spitze etc. erfolgen. Die Wärmeleitung wird damit auf ein itiniimum reduziert. Denn das Unterbrechen der Warmeleitungskanäle in den Stützen bringt einea großen Wärmewiderstand und damit eine geringe Wärmeleitung mit sich.

Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen und Einrichtungen kann bei der dargestellten Ausführung eines Wärmeschildes auf eine ' Zwischenkühlung mit Stickstoff verzichtet werden. Der Aufbau solcher Kabel und Leitungen wird damit wesentlich vereinfacht, im Gegensatz zu bekannten Konstruktionen mit Abstandshalterwendeln und Superisolierung wird durch die besondere Anordnung von Wendeln und Superisolierung ohne gegenseitige Beeinflussung ein Maximum an Wärmewiderstand erreicht.

709812/0185

Leerseite

Claims

Kabel- und tietallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft 1 I4l9 18. Sept. 1975 Patentansprüche

1.1 Elektrisches Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnung zur ^r Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase aus mehreren konzentrischen, vorzugsweise gewellten metallischen Rohren, zwischen denen jeweils ein Temperaturgefälle besteht, wobei im Raum zwischen jeweils zwei Rohren eine oder mehrere auf das jeweils innere Rohr schraubenlinienförmig herumgelegte isolierende Abstandshalterwendeln und abwechselnde Schichten Metall- und Kunststoffolien (Superisolierung) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Abstandshalterwendeln mit jeweils gegenläufigem Schlag derart übereinander gelegt sind, daß definierte Kreuzungspunkte entstehen, an denen sich die Wendeln berühren und sich gleichzeitig nur an diesen Stellen gegeneinander und gegenüber den begrenzenden Rohrwandungen abstützen, daß der jeweils durch eine Umschlingung eines Rohrteilabschnittes mindestens der unteren Wendeln begrenzte Raum von einer Anzahl abwechselnder Schichten Ketall- und Kunststoffolien gefüllt ist und daß die Ab stand shalterwendeln an jeder Stelle ihres Umlaufes um das jeweilige Rohr diesen Schichtenaufbau aus Metall- und Kunststoffolien überragen.

2. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaglänge der verwendeten Abstandshalterwendeln gleich ist.

3. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandehalterwendeln in sich verdrillt sind.

70 9812/0185

4. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Schichtenaufbau jeweils obere Abstandshalterwendel im Querschnitt größer bzw. von der fiaterialauswahl her steifer als die jeweils darunterliegende ist.

5· Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der im Schichtenaufbau obersten Abstandshalterwendel frei von Metall- und Kunststoffolien ist.

6. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Rohre in Richtung auf die Abstandshalterwendeln mit einer Spitzemrellung versehen sind.

7. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Stellen der Spitzenwellung längere Strecken ebener Rohrflächen liegen.

8. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1, oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abstandshalterwendel aus einzelnen miteinander verdrillten Teilwendeln besteht.

709812/0185