DE68908197T2 - Verfahren und Apparat zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten. - Google Patents

Verfahren und Apparat zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten.

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DE68908197T2
DE68908197T2 DE89101471T DE68908197T DE68908197T2 DE 68908197 T2 DE68908197 T2 DE 68908197T2 DE 89101471 T DE89101471 T DE 89101471T DE 68908197 T DE68908197 T DE 68908197T DE 68908197 T2 DE68908197 T2 DE 68908197T2
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf kryogene Aufbewahrungsdewars, Tanks oder Behälter mit Vakuummantel, die zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten wie z. B. flüssigen Wasserstoff an einem Standort zur Entnahme des flüssigen Kryogens nach Bedarf des Benutzers geeignet sind.
  • Transport, Aufbewahrung und/oder Verteilung von industriellen Gasen wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Argon, Neon und ähnlichem, deren Kondensationstemperaturen bei Atmosphärendruck im kryogenen Bereich, z.B. unterhalb -130 ºF (-90 ºC) liegen, wird am wirtschaftlichsten, wenn die Gase in Flüssigphase gehalten werden. Im normalen Verlauf der Gasverflüssigung sind große Menge an Kühlung erforderlich. Wenn die Flüssigkeit an den Standort des Verbrauchers gebracht und in einen kryogenen Aufbewahrungsdewar eingebracht wird, wird sie im allgemeinen zum Gebrauch für den Kunden in ein Gas überführt und setzt infolgedessen Kälte frei. Konventionelle Aufbewahrungsdewars lassen die durch Verdampfung des aufbewahrten Kryogens erzeugte Kälte in die Atmosphäre ab.
  • Im Falle von Daueraufbewahrung von Kryogen ist für den Kunden bei einer nicht zu großen Entnahmerate die Möglichkeit gegeben, daß aufgrund von Eindringen von Wärme das aufbewahrte Kryogen im Dewar verdampft wird und der Dampf in die Atmosphäre austritt und auf diese Weise ein Verlust an Kryogen, das zum Gebrauch für den Verbraucher verfügbar ist, verursacht wird. Wenn z.B. der flüssige Wasserstoff in einem konventionellen kryogenen Dewar mit 1500 Gallonen Fassungsvermögen, der ein Innen- und Außengefäß mit dazwischenliegendem Vakuumraum enthält und der Vakuumraum eine konventionelle Mehrschichtisolierung beinhaltet, muß der Verbraucher zur Vermeidung von Verlust an auf bewahrtem Kryogen durch Belüftung ein Minimum von annähernd 80.000 ft³ pro Monat an Dampf entnehmen, um das ganze angelieferte Kryogen zu verwerten.
  • Ein erster Schritt, den Flüssigkeitsbestand aufrechtzuerhalten und die ßelüfung des verdampften Kryogen im Inneren des Tanks zu vermeiden, wird um U.S. Patent Nr. 3,698,200, das sich auf eine zwischen dem Innen- und Außengefäß angebrachten, festen Strahlungsabschirmung stützt, die durch das Produkt beim Befüllen in das Innengefäß gekühlt wird, beschrieben und beansprucht. Diese Technik wird in Verbindung mit konventioneller Mehrschichtisolierung, Vakuumummantelung und einem Flüssigstickstoff-Reservoir im Inneren der Tanks verwendet und insbesondere zur Aufbewahrung von verflüssigtem Helium, das bei ca. 4 ºK verdampft, übernommen.
  • Vorkühlung der Strahlungsabschirmung wird dadurch erreicht, daß ein Teil der im Inneren des Tanks aufbewahrten Flüssigkeit während des Abfüllens belüftet wird und so die Strahlungsabschirmung vorkühlt.
  • In DE-A-2,042,869 wird ein Dewar beschrieben, bei dem eine Maßnahme zur Extraktion der maximalen Menge an Kühlung aus verdamftem Gas (boil-off gas) getroffen wird, wobei es durch eine Abschirmung oder durch Abschirmungen durchgeleitet wird. Während der Nicht-Durchleitung fehlt diesem Vorschlag jedoch jegliche Maßnahme zur Speicherung oder Kühlung, so daß es zum Abfangen von Wärmelecks verwendet werden könnte.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es hat sich zur Schaffung eines Dewars, bei dem es kein oder ein mini-maler Verlust an produkt während der Aufbewahrung am Standort des Verbrauchers kommt, herausgestellt, daß eine Übergangswärme-Abschirmung zwischen dem Innen- und dem Außenbehälter im Vakuumraum des Dewars angebracht werden sollte. Desweiteren kann die Übergangswärme-Abschirmung so konstruiert sein, daß ein Wärmeaustausch mit verdampftem Kryogen, das normalerweise am oberen Ende des Gefäßes entnommen wird, stattfinden kann, so daß beim Entnehmen die Übergangswärme-Abschirmung durch das Produkt gekühlt und die Zufuhr von Wärme in das Innengefäß des Dewars vermieden wird. Darüberhinaus enthält der Dewar eine Kühlvorrichtung, die im Wärmeaustausch mit der Entnahmeleitung steht, wobei die Kühlung der Übergangswärme-Abschirmung entsprechend erleichtert wird und eine bessere Vorrichtung zur Vorbeugung vom Produktverlust vorgenommen wird. Alternativ hierzu kann eine fluide Kühlvorrichtung in Verbindung mit der Übergangswärme-Abschirmung verwendet werden, um den gleichen Effekt zu erzielen.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kryogenen Aufbewahrungsgefäßes.
  • Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils eines erfindungsgemäßen kryogenen Aufbewahrungsbehälters.
  • Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer wechselweisen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
  • Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linien 4-4 der Fig. 3.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Dewar 10 zum Aufbewahren kryogener Flüssigkeiten des Typs gezeigt, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Solche kryogenen Aufbewahrungsdewars oder Kundenstationen 10, wie sie im Handel bekannt sind, sind zum Halten von kryogenen Flüssigkeiten, z. B. Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon, Helium oder ähnlichem in flüssiger Form zum Gebrauch für Verbraucher oder Kunden bei ihrer täglichen Tätigkeit bekannt. Eine Anzahl solcher Aufbewahrungsvorrichtungen wurde geschaffen, so daß der Kunde entweder flüssiges oder kaltes verdampftes Kryogen aus dem Tank entnehmen kann.
  • Der konventionelle Dewar, als 10 wiedergegeben, enthält einen Innentank 12 und einen Außentank 14, wobei der Innentank durch eine geeignete Isolierung wie z.B. einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff beschichtet und in der Außenschale 14 mittels Rohrleitungen 18 oder Drehzapfen 20, die durch geeignete vakuumdichte Abdeckungen 19 bzw. 21 abschlossen sind, gehalten wird. Der Innentank 12 enthält einen Flüssigkeitskanal 22, der durch den Außentank 14 nach außen führt, um das im Inneren des Innengefäßes verdampfte Kryogen an den Ort des Gebrauchs zu befördern. Falls der Kunde die Entnahme von Flüssigkeit wünscht, ist eine geeignete Entnahmevorrichtung am Boden des Tanks (nicht gezeigt) angebracht, wie sie in der Technik wohlbekannt ist.
  • Außentank 14 enthält durch geeignete Abdeckungen 25 und 27 verschlossene flache Öffnungskanäle 24 und 26, durch die die Rohrleitungen und die Apparatur aus dem Inneren des Außengefäßes 14 in das Innengefäß 12 hindurchgeführt werden können. Außengefäß 14 enthält eine geeignete Überdruckleitung 30 und ein damit verbundenes Überdruckventil 31. Bei Aufbewahrungsdewars oder Tanks dieses Typs kann im allgemeinen der Raum zwischen dem Innentank 12 und dem Außentank 14 evakuiert werden, um auf diese Weise zusätz-liche Isolierung zu schaffen und das Eindringen von Wärme aus der Atmosphäre in den Innentank 12 zu verzögern. Außentank 14 kann mehrere Stützen, die allgemein als 28 wiedergegeben sind, enthalten, so daß das Gefäß in vertikaler Position aufgestellt werden kann, wobei sich auf diese Weise verdampftes Kryogen nahe des oberen Bereichs des Innengefäßes 12 ansammeln kann. Wie bereits aus der Technik bekannt, kann Dewar 10 auch zur horizontalen Aufstellung konstruiert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Übergangswärme-Abschirmung 34, aus einem geeigneten leitenden Material wie z. B. Al hergestellt, im Vakuumraum zwischen dem Innengefäß 12 und dem Außengefäß 14 angebracht. Wärmeabschirmung 34 ist ein Paar gering wärmeleitender (z.B. Glasfaser) Halterungen 36 und 38 angebracht, die wiederum an den Innengefäßhalterungen 18 bzw. 20 befestigt sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Wärmeabschirmung 34 vorzugsweise mit einer Schicht konventioneller Mehrschichtisolierung überzogen. An Aufhängungen 36 und 38 sind ein Paar Kühlvorrichtungen 40 und 42 angebracht, die aus einem Metall mit hoher spezifischer Wärme und hoher Wärmeleitfähigkeit und von größerer Masse als die Übergangs-Wärmeabschirmung 34 gefertigt wurden. Kühlvorrichtugen 40 und 42 können abhängig vom Typ des herzustellenden Dewars aus individuellen Segmenten oder Gußstücken als Festkörper hergestellt sein. Der Dampfableitungskanal 22, der mit dem Inneren des Innengefäßes 12 in Verbindung steht, ist im Wärmeaustausch mit den Kühlvorrichtungen 40 bzw. 42 bzw. die Wärmeabschirmung 34 vor dem auslaufenden Außengefäß 14 an Öffnungskanal 24 angeordnet.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 2 kann die Übergangswärme-Abschirmung 34 an ihrer Außenseite eine Isolierung 35 des gleichen Typs angebracht haben, der zur Isolierung des Innengefäßes 12 verwendet wurde und als 16 wiedergegeben ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Kühlvorrichtung 40 an der Aufhängung 36 durch Verschrauben, allgemein als 41 wiedergegeben, befestigt werden.
  • Zusätzliche Rohrleitungen 44, die zur normalen Sicherheitsentspannungseinrichtung (nicht gezeigt) führen, sind im Wärmeaustausch an die Kühlvorrichtungen 40, 42 angebracht, um zusätzliche Kühlung abzuleiten, falls aufgrund von Überdrucksbildung im Innengefäß 12 Flüssigkeitsfluß durch diese Rohrleitungen auftritt.
  • Der Tank nach Fig. 1 und 2 nutzt die Kühlungskapazität des verdampften Gases, um Wärmelecks in den Kontainer abzufangen und auf diese Weise die Aufbewahrungszeit des flüssigen Kryogens zu verlängern sowie Verluste aufgrund von Dampfentweichung in die Atmosphäre durch das normale Überdruckventilsystem (nicht gezeigt) zu reduzieren. Die kryogene Flüssigkeit oder das kaltes Gas, die aus dem Tank entnommen werden, um aufgewärmt und vom Kunden verbraucht zu werden, führen der Übergangswärme-Abschirmung 34 Kälte zu. Diese wird in der Übergangswärme-Abschirmung 34 und in den Kühlvorrichtungen 40 und 42 gespeichert, um Wärmelecks in den Kontainer nach Beendigung des Fließens der kalten Flüssigkeit durch die Entnahmeleitung 22 abzufangen. Beim Abfangen von Wärmelecks in den Kontainer wird die Wärmeenergie der Übergangswärme-Abschirmung 34 zunehmen und die gespeicherte Kühlkapazität der Übergangswärme- Abschirmung 34 aufgebraucht. Wenn das kalte Gas in nachfolgender Zeit entnommen wird, wird der Fluß des kalten Gases die Wärmeenergie der Übergangsabschirmung 34 wieder herabsetzen, wobei so Kühlung in der Abschirmung und in den Kühlvorrichtungen (34, 40, 42) akkumuliert wird. Wenn kein Flüssigkeitsfluß stattfindet, wird durch das Abfangen von Wärmelecks durch die Übergangswärme-Abschirmung die netto-Wärmeübertragung in den Sauerstoffkontainer reduziert, wobei auf diese Weise die Aufbewahrungszeit verlägert und Energie gespart wird.
  • Bei z.B. einem konventionellen Dewar oder Aufbewahrungstank, wie in Fig. 1 gezeigt, der ohne Übergangswärme-Abschirmung 34 zum Aufbewahren von 5,67 m³ (1500 Gallonen) von flüssigem Wasserstoff verwendet wird, wird der Tank nach Erreichen des Soll-Überdrucks aufgrund des Aufwärmens des aufbewahrten Kryogens kontinuerlich durch sein normales Entlüftungssystem 44 entgast, wobei so Produkt verloren geht, außer, der Verbraucher entnimmt annähernd 2264 m³ (80 000 ft³) pro Monat aus dem Dampfraum des Gefäßes. Installieren einer erfindungsgemäßen Übergangswärme-Abschirmung gibt dem Kunden die Wahlmöglichkeit, nur annähernd 707,5 m³ (25 000 ft³) pro Monat an Dampf bei diskontinuerlichem Modus über den Monat hinweg ohne Verlust an Dampf durch den normalen Entlüftungsapparat zu entnehmen. Während der Verbraucher also in beiden Beispielen seinen Bedarf über den Monat hinweg variieren kann, wird der notwenige Bedarf zur Vermeidung von Verlust von aufbewahrtem Produkt von ungefähr 2264 m³ (80 000 ft³) pro Monat auf ungefähr 707,5 m³ (25 000 ft³) pro Monat reduziert und gibt ihm so mehr Flexibilität hinsichtlich seiner Produktverwendung. Eine besonders effektive Übergangswärme-Abschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus Aluminium mit einer Dicke von weniger als 3,175 nm (125") hergestellt werden. Die Kühlvorrichtungen 40, 42 sollten je ein Gesamtgewicht von ca. 150 Pfund haben, um zusätzliche Speicherkapazität für die aus dem entnommenen Dampf erhaltene Kühlung zu schaffen.
  • Die festen Kühlvorrichtungen 40 und 42 extrahieren und speichern durch Wärmeübertragung und durch Herabsetzung ihrer Enthalpie Kälte aus der austretenden Kryogenflüssigkeit. Wenn der Kryogenfluß beendet ist, wird die Temperatur der Übergangswärme-Abschirmung 34 aufgrund von Wärmeeintritt in den Tank oder Dewar 10 ansteigen. Die festen Kühlvorrichtungen 40 und 42 werden einen Großteil dieses Wärmelecks durch Freisetzen von gespeicherter Kälte selbst und mittels Wärmeabschirmung 34 absorbieren, wobei so der netto-Wärmeeintritt in das aufbewahrte Kryogen reduziert wird. Verschiedene Materialien können für die Übergangswärme-Abschirmungen und festen Kühlvorrichtungen verwendet werden, um das Leistungsvermögen des Übergangswärme-Abschirmungssystems zu optimieren. Die festen Kühlvorrichtungen 40 und 42 können an geeigneter Stelle aufgestellt werden, um Gestaltung und Betrieb des Tanks 10 zu optimieren und können zur Verwendung von dünnen Abschirmungen zur Schafftung von optimaler Kälteübertragung führen. Da das feste Kühlvorrichtungsmaterial an verschiedenen Stellen aufgestellt werden kann, kann es insbesondere dann effizienter durch verdampftes Kryogen gekühlt werden, wenn dieses bei hoher Rate lediglich für eine kurze Zeitspanne entnommen wird. Wärmegradienten zwischen dem kalten Gas und den entferntesten Teilen der festen Kühlvorrichtung können minimiert werden und so die Extraktion und Speicherung von Kühlung zu verbessern.
  • Es ist auch möglich, mehr als eine Übergangswärme-Abschirmungs- und Kühlvorrichtungskombination zu verwenden, um Wärmeeintritt in den Dewar 10 besser abzufangen.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 ist eine schematische Darstellung des Tanks 10 wiedergegeben, bei dem das Innengefäß 12 und das Außengefäß 14 mit einem fluiden Kühlvorrichtungssystem versehen sind. Das fluide Kühlvorrichtungssystem ist besonders an diejenige Übergangswärme- Abschirmung 34 angepasst, bei der feste Kühlvorrichtungen notwendigerweise für richtige Aufstellung oder Aufhängung zu groß wären oder wo es unpraktisch oder unüblich ist, erforderliche Kühlung in Übergangswärme-Abschirmungen mit festen Kühlvorrichtungen zu speichern.
  • Die fluide Kühlvorrichtung besteht aus der bereits vorhandenen Entnahmeleitung 50, wobei der Tank verfielfacht wird, um eine Mehrzahl von Rohrleitungen, die um die Übergangswärme-Abschirmung 34 herum und im Wärmeaustausch mit ihr angebracht sein können, sowie eine gleiche Anzahl von fluiden Kühlvorrichtungskanälen 52, die an Einlaßsammelleitungen 54 bzw. Aulaßsammelleitungen 56 angeschlossen sind, zu schaffen. Die fluiden Kühlvorrichtungs-Sammelleitungen 54 and 56 werden zur Schaffung eines kontinuierlichen fluiden Zirkulationsweges als Kühlvorrichtung, wie in den Zeichnungen gezeigt, verwendet und schließen ein Reservoir 58 und, wenn nötig, eine Zirkulationsvorrichtung 60 mit ein. Das fluide Kühlvorrichtungssystem verwendet ein wiederverwendbares Fluid, wobei das jeweilig gewählte Fluid durch das im Dewar 10 gespeicherte Kryogen und die Betriebsgrenzwerte der Temperatur der Übergangswärme-Abschirmung bestimmt werden. Wenn z.B. der Dewar 10 zur Aufbewahrung von flüssigem Wasserstoff verwendet wird, kann das fluide Kühlvorrichtung-Fluid Stickstoff sein. Während Fig. 3 die Verwendung einer Zirkulationsvorrichtung 60 zeigt, kann das System so gestaltet werden, daß keine zusätzliche Energie durch die Verwendung einer Zirkulationsvorrichtung nötig ist.
  • Bei Betrieb extrahiert das System von Fig. 3 und 4 Kälte aus dem Kryogen, das aus dem Dewar 10 durch Leitungen 50 austritt. Die Kühlung wird in der fluiden Kühlvorrichtung (52, 54, 56) gespeichert. Durch Auswahl von geeigneten Fluiden mit hoher spezifischer Wärme oder hoher latenter Wärme kann beachtliche Kühlung gespeichert und bei Aussetzen von Kryogenfluß aus dem Aufbewahrungstank freigesetzt werden, wobei sich die Übergangswärme-Abschirmung aufwärmt. Abhängig von seiner Betriebstemperatur kann das Kühlvorrichtungsfluid in einem Reservoir 58 innerhalb oder außerhalb des Vakuummmantels des Dewars 10 gelagert werden. Wenn eine Flüssigkeit als Kühlvorrichtungs-Fluid verwendet wird, kann es gekühlt und gefroren werden. In Fällen, bei denen komprimiertes Gas als Kühlvorrichtungsfluid verwendet wird, kann es abhängig von seinem Enthalpiegrad außerhalb oder innerhalb des Vakuummantels gelagert werden. Komprimiertes Gas kann abgekühlt, kondensiert oder gefroren werden. Bei allen Fällen, in denen Einfrieren involviert ist, muß währed der Gestaltungsphase das Verhalten der Fluids während der Einfrier- und Wärmearbeiten der Kühlvorrichtung ausreichend berücksichtigt werden. Bei Fällen, in denen die physikalischen Werte des Übergangswärme-Abschirmungssystems externe Mittel zur Zirkulation des Kühlvorrichtungsfluids bedingen, können Pumpen oder Kompressoren verwendet werden.

Claims (9)

1. Ein Dewar zum Aufbewahren und Transportieren von kryogenen Flüssigkeiten mit einem Außengefäß und einem darin befindlichen Innengefäß, wobei das besagte Innengefäß Mittel zum Einlassen und Entnehmen der kryogenen Flüssigkeit aus seinem Inneren, eine Isolierung zwischen besagten Innen- und Außengefäßen sowie eine zwischen besagten Innen- und Außengefäßen (12, 14) befindliche metallische Wärmeabschirmung (34) umfaßt, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (40, 42; 52, 54, 56) im Wärmeaustausch mit besagter Abschirmung (34), wobei die besagte Kühlvorrichtung aus einem Metall mit hoher spezifischer Wärme und hoher Wärmeleitfähigkeit und von größerer Masse als die Wärmeabschirmung (34) besteht oder eine Mehrzahl von Leitungsrohren umfaßt, die im Wärmeaustausch mit besagter Abschirmung (34) stehen; sowie ein Leitungsrohr (22) zur Entnahme des abzuführenden verdampften Kryogens aus besagtem Innengefäß (12), dieses Leitungsrohr in direktem Wärmeaustausch mit besagter Abschirmung (34) und mit besagte Kühlvorrichtung (40, 42; 52, 54, 56) steht, wobei die Kühlkapazität des verdampften Kryogens, das aus dem Innengefäß (14) entnommen wird, durch besagte feste Kühlvorrichtung (40, 42) oder besagte fluide Kühlvorrichtung (52, 54, 56) mittels Wärmeübertragung und mittels Herabsetzung seiner Enthalpie extrahiert und nach Beendigung des Kryogenflusses ein Hauptteil der durch die Außengefäßwand austretenden Wärme durch die Wärmeabschirmungen (34) und die Kühlvorrichtung absorbiert wird.
2. Ein Dewar nach Anspruch 1, worin im Metall der besagten Vorrichtung Aluminium ist.
3. Ein Dewar nach Anspruch 1, worin besagte Leitungsrohre der besagten Vorrichtung Mittel zur Zirkulation eines wärme-extrahierenden Fluids durch besagte Leitungsrohre einschliessen.
4. Ein Dewar nach Anspruch 3, worin besagtes wärmeextrahierendes Fluid über hohe spezifische Wärme oder hohe latente Wärme verfügt.
5. Ein Dewar nach Anspruch 3 oder 4, worin besagtes wärmeextrahierendes Fluid Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Sauerstoff und/oder Neon ist.
6. Ein Dewar nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin ein Vakuumraum zwischen besagten Innen- und Außengefäßen ist und besagtes wärme-extrahierendes Fluid im besagtem Vakuumraum aufbewahrt wird.
7. Verfahren zur Vorbeugung des Verlustes eines in einem vakuumummanteltem Dewar aufbewahrten Kryogens, der auf seltene Entnahme zurückzuführen ist, was dazu führt, daß sich die auf bewahrte Flüssigkeit aufgrund vom Wärmeübergang im besagten Dewar erwärmt und verdampt, wobei die Schritte des:
Anbringens einer Kühlvorrichtung (40, 42; 52, 54, 56) im Wärmeübergang mit verdampften Kryogen, wenn es aus dem Dewar zum Gebrauch entnommen wird sowie Schaffung einer metallischen Übergangswärme-Abschirmung (34) in besagter Vakuumummantelung, wobei die besagte Wärmeabschirmung im Wärmeübertragung mit besagter Kühlvorrichtung ist,
beinhaltet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin besagte Kühlvorrichtung eine feste Kühlvorrichtung ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, worin besagte Kühlvorrichtung eine fluide Kühlvorrichtung ist.
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