DE69005733T3 - Verfahren und Apparat zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten. - Google Patents

Verfahren und Apparat zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten.

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DE69005733T3
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf kryogene Transport- oder Aufbewahrungsdewars, Tanks oder Container vom vakuumummantelten Typ, die zum Transport oder zum Aufbewahren von kryogenen Flüssigkeiten wie z.B. flüssiger Wasserstoff oder flüssiges Helium geeignet sind. Aufbewahrungsdewars am Standort des Benutzers dienen der Entnahme von flüssigem Kryogen je nach dessen Bedarf.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Transport, Aufbewahrung und/oder Verteilung von industriellen Gasen wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Argon, Neon und ähnlichen, deren Kondensationstemperaturen bei atmosphärischem Druck im kryogenen Bereich liegen, z.B. unterhalb von -130ºF (-90ºC) wird am wirtschaftwichsten, wenn die Gase in Flüssigphase gehalten werden. Im gewöhnlichen Verlauf der Verflüssigung von Gasen sind große Kühimengen erforderlich. Wenn die Flüssigkeit an den Standort des Benutzers gebracht wird und in einen kryogenen Aufbewahrungsdewar eingespeist wird, wird die Flüssigkeit normalerweise für die Verwendung des Kunden in ein Gas umgewandelt, wobei so Kühlung freigesetzt wird. Konventionelle Aufbewahrungsdewars lassen die durch Verdampfung des gespeicherten Kryogens erzeugte Kühlung in die Atmosphäre ab.
  • Wenn die Entnahmerate nicht sehr groß ist, ist im Falle einer Langzeit-Aufbewahrung von Kryogen am Standort des Kunden die Möglichkeit gegeben, daß aufgrund des Eindringens von Wärme gespeichertes Kryogen im Inneren des Dewars verdampft und der Dampf in die Atmosphäre entweicht und auf diese Weise ein Verlust des zum Gebrauch für den Verbraucher (Kunden) zur Verfügung stehenden Kryogens verursacht wird. Wenn z.B. Flüssigkeit in einem konventionellen, kryogenen, 5685 dm³ (1500 Gallon) Dewar gespeichert wird, der aus einem Innen- und Außengefäß und einem Vakuumraum zwischen dem Innen- und Außengefäß besteht und der Vakuumraum eine konventionelle Mehrschichtisolierung aufweist, muß der Verbraucher zur Vermeidung von Verlust des gespeicherten Kryogens durch Lüftung ein Minimum von annähernd 2264 m³ (80 000 ft³) pro Monat an Dampf entnehmen, um all das gelieferte Kryogen zu verwenden.
  • Eine Annäherung, den Flüssigkeitsbestand zu erhalten und ein Belüften des verdampften Kryogens im Inneren des Tanks zu vermeiden, wird im US Patent 3,698,200 offenbart und in Anspruch genommen. Die Erfindung des Patentinhabers stützt sich auf ein zwischen dem Jnnen- und dem Außengefäß befindliches, schweres Strahlungsschild, das beim Befüllen des Innengefäßes durch das Produkt gekühlt wird. Diese Technik wird in Verbindung mit konventioneller Mehrschichtisolierung, Vakuumummantelung und einem Flüssigstickstoff-Reservoir im Inneren des Tanks verwendet und ist insbesondere zum Aufbewahren von verflüssigtem Helium, das bei etwa 4ºK verdampft, angepaßt.
  • Vorkühlung des Strahlungsschildes gemäß der Patentinhaber wird so durchgeführt, daß ein Teil der im Inneren des Tanks gespeicherten Flüssigkeit während des Befüllens entweichen kann und so das Strahlungsschild abkühlt.
  • DE-A-2,042,869 offenbart ein Dewar zum Aufbewahren oder Transportieren von kryogenen Flüssigkeiten des Typs, die ein Außengefäß und ein darin befindliches Innengefäß enthält, wobei das Innengefäß Mittel des Zugangs und der Entnahme kryogener Flüssigkeit aus dessen Innerem und Isolierung zwischen den Innen- und Außengefäßen einschließt, mindestens ein metallisches Strahlungswärmeschild zwischen den Innen- und Außengefäßen angebracht ist, das Wärmeschild Mittel zum Speichern der Kühlung enthält, wobei die Mittel zum Speichern der Kühlung, die dazu dienen, mit verdampftem Kryogen bei der Entnahme aus dem Innengefäß in Kontakt zu treten auch eine Wärmesenke im Wärmeaustausch mit den Mitteln der Entnahme der kryogenen Flüssigkeit einschließen. Ein ähnlicher Dewar ist in CH-A-486,662 offenbart.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Dewar zum Aufbewahren und Transportieren von kryogenen Flüssigkeiten des Typs geschaffen, der ein Außengefäß und ein darin befindliches Innengefäß enthält, wobei das Innengefäß Mittel des Zugangs und der Entnahme der kryogenen Flüssigkeit aus dessen Innerem und Isolierung zwischen den Innen- und Außengefäßen enthält und ein metallisches, zwischen besagten Innen- und Außengefäßen (12, 14) befindliches Wärmeschild (34) durch eine Wärmesenke (40, 42) im Wärmeaustausch mit dem Schild (34) charakterisiert ist, wobei die Wärmesenke aus Metall mit hoher spezifischer Wärme und hoher wärmeleitfähigkeit und von größerer Masse als das Wärmeschild (34) ist; und Entnahmeleitungen (22, 23) zur Entnahme von Kryogen aus dem Innengefäß (12), wobei die Leitungen in direktem Wärmeaustausch mit dem Schild (34) und der Wärmesenke (40, 42) sind; wobei die Kühlkapazität des Kryogens, das aus dem Innengefäß (12) entnommen wird, durch die feste Wärmesenke (40, 42) durch Wärmeübergang und durch Herabsetzung seiner Enthalpie extrahiert wird, so daß nach Einstellen des Kryogenflusses ein Hauptanteil der Wärme, die durch die Außengefäßwand entweicht, durch die Wärmeschilder (34) und die Wärmesenke absorbiert wird.
  • Um einen kryogenen Dewar zu schaffen, der zu keinem oder einem minimalen Verlust an Produkt während der Aufbewahrung am Standort des Benutzers führt, hat sich herausgestellt, daß ein Übergangswärmeschild zwischen dem Innen- und Außengefäß im Vakuumraum des Dewars angebracht werden sollte. Darüberhinaus sollte das Übergangswärmeschild so konstruiert sein, daß es im Wärmeaustausch mit der kryogenen Flüssigkeit, dem Dampf oder der superkritischen Flüssigkeit (einzeln oder insgesamt als kryogene Flüssigkeit bezeichnet), die normalerweise vom Boden oder vom oberen Bereich entnommen wird, eingestellt werden kann, so daß bei Entnahme des Produktes dieses das Übergangswärmeschild kühlt, um Eindringen von Wärme in das Innengefäß des Dewars zu vermeiden. Wenn das Übergangswärmeschild eine Wärmesenke einschließt, die sich im Wärmeaustausch mit der Entnahmeleitung befindet, wird die Kühlung des Übergangswärmeschildes ausreichend erleichtert und eine bessere Vorrichtung zur Vermeidung von Produktverlust erzielt. Alternativ kann eine fluide Wärmesenke in Verbindung mit dem Übergangswärmeschild zum Erzielen des gleichen Effektes verwendet werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des kryogenen Aufbewahrungsdewars gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des oberen Bereiches des kryogenen Aufbewahrungsdewars der vorliegenden Erfindung.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Dewar 10 zum Aufbewahren von kryogener Flüssigkeit des Typ gezeigt, auf welchen die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Solche kryogenen Aufbewahrungsdewars oder Kundenstationen 10, wie sie im Handel bekannt sind, werden zum Halten einer kryogenen Flüssigkeit, z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium oder ähnlichem in flüssiger Form für den Verbrauch durch einen Verbraucher oder Kunden bei ihren täglichen Arbeitsoperationen verwendet. Kundenstationen wie z.B. 10 können entweder tragbar oder stationär sein.
  • Der konventionelle, als 10 gezeigte Dewar schließt ein Innengefäß oder Tank 12 und ein Außengefäß oder Tank 14 ein, wobei der Innentank durch eine geeignete Isolierung wie z.B. einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff überzogen, am Außengehäuse 14 mittels Röhren oder Zapfen 18 und 20 gehalten und durch geeignete vakuumdichte Deckel 19 bzw. 21 geschlossen ist. Innentank 12 schließt eine Flüssigkeitsleitung 22 ein, die vom Außentank 14 nach außen führt, um flüssiges Kryogen, das ins Innere des Innengefäßes eingedampft ist, zum Ort der Verwendung zu liefern. Innentank 12 kann auch mit einer Flüssigkeitsleitung 23 versehen sein, die aus dem Außentank 14 nach außen führt, um flüssiges Kryogen in der Praxis der Erfindung einzusetzen. Im Falle, daß der Abnehmer die Entnahme von Flüssigkeit zur Verwendung des Kunden wünscht, wird eine geeignete Entnahmevorrichtung, die das Übergangswärmeschild nicht kühlt, am Boden des Tanks (nicht gezeigt), wie in der Technik allgemein bekannt, angebracht.
  • Außentank 14 schließt niedriger liegende Durchgänge 24 und 26, die durch geeignete Deckel 25 und 27 geschlossen sind, ein, damit Leitung 22 und Instrumentausrüstung (nicht gezeigt) im
  • Inneren des Außengefäßes 14 in das Innengefäß 12 gebracht werden können. Außengefäß 14 enthält einen oberen, durch einen geeigneten Deckel 23a verschlossenen Durchgang 23b, so daß Leitung 23 im Inneren des Außengefäßes 14 in das Innengefäß 12 geleitet werden kann, sowie eine geeignete Ablaßleitung 30 und ein damit verbundenes Ablaßventil 31. Die Aufbewahrungsdewars oder Tanks diesen Typs sorgen im allgemeinen für Evakuierung des Raums zwischen dem Innen- und dem Außentank 14 und weisen so zusätzliche Isolierung auf und verlangsamen die Wärmeeindringung aus der Atmosphäre in den Innentank 12. Außentank 14 kann eine Mehrzahl von Stützen, die allgemein als 28 bezeichnet werden, enthalten, so daß das Gefäß in vertikaler Position aufgestellt werden kann und auf diese Weise verdampftes Kryogen nahe des oberen Bereichs des Innengefäßes 12 akkumuliert wird. Eine Reihe von Verstärkungsringen 32 können um den Kreisumfang des Außentanks 14 in Abhängigkeit von der Kapazität des Dewars 10 enthalten sein. Dewar 10 kann auch zur horizontalen Aufstellung konstruiert werden, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Übergangswärmeschild 34, das aus geeignetem leitenden Material, wie z.B. Aluminium oder Kupfer hergestellt ist, im Vakuumraum zwischen Innengefäß 12 und Außengefäß 14 angeordnet. Wärmeschild 34 ist an ein Paar Halterungen mit hoher Wärmeleitung 36 und 38 angebracht, die wiederum an den Halterungen des Innengefäßes 18 und 20, die über geringe Wärmeleitfähigkeit verfügen (z.B. Glasfaser) angebracht sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist Wärmeschild 34 vorzugsweise mit einer Schicht aus konventioneller Mehrschichtisolierung überzogen. Auf den Halterungen 36 und 38 ist ein Paar Wärmesenken 40 und 42 angebracht, die aus einem Metall mit hoher spezifischer Wärme und hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. Aluminium oder Kupfer) hergestellt sind und vorzugeweise, aber nicht notwendigerweise, über eine größere Masse als das Übergangswärmeschild 34 verfügen. Abhängig vom Typ des herzustellenden Dewars können die Wärmesenken 40, 42 aus einzelnen Segmenten erzeugt oder als festes Stück gegossen werden. Die Dampfentnahmeleitung 22 und Flüssigkeitsleitung 23, die mit dem Inneren des Innengefäßes 12 in Verbindung stehen, sind im Wärmeaustausch mit den Wärmesenken 40 bzw. 42 und dem Wärmeschild 34 angeordnet, bevor sie aus dem Außengefäß 14 durch die Durchgänge 24 bzw. 23b nach außen führen.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 2 kann das Übergangswärmeschild 34 an seiner Außenoberfläche eine Isolierung 35 vom gleichen Typ, der zum Isolieren des Innengefäßes 12 verwendet wurde und in Abbildung 16 gezeigt ist, aufweisen. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Wärmesenke 14 an Halterung 36 durch Anschrauben, allgemein als 41 gezeigt, befestigt werden.
  • Eine zusätzliche, zur normalen Sicherheitsablaßvorrichtung führende Leitung 44 (nicht gezeigt) wird im Wärmeaustausch mit den Wärmesenken 40, 42 angeordnet, um zusätzliche Kühlung in dem Fall abzuleiten, daß Flüssigkeitsfluß durch diese Leitung aufgrund eines gebildeten Überdrucks des Innengefäßes 12 auftritt.
  • Der Tank gemäß Fig. 1 und 2 nutzt die Kühlkapazität der in Form von verdampftem Gas, flüssigem Kryogen oder superkritischer Flüssigkeit gespeicherten kryogenen Flüssigkeit, um ein Wärmeleck in den Container aufzufangen und auf diese Weise die Aufbewahrungszeit des flüssigen Kryogens zu verlängern und die Verluste, die auf den Austritt von Dampf in die Atmosphäre durch das normale Ablaßventilsystem (nicht gezeigt) zurückzuführen sind, zu reduzieren. Die kryogene Flüssigkeit (z.B. flüssiges Kryogen, kaltes Gas oder superkritische Flüssigkeit), die vom Tank entnommen wird, um vom Kunden aufgewärmt und in gasförmiger Form verwendet zu werden, wird das Übergangswärmeschild 34 durch Herabsetzung seiner Temperatur mit Kühlung versorgen. Die Kühlung wird im Übergangswärmeschild 34 und den Wärmesenken 40 und 42 gespeichert, um Eindringen von Wärme in den Container abzufangen, wenn keine kalte Flüssigkeit durch die Entnahmeleitung 22, 23 fließt. Durch das Auffangen von Wärmelecks in den Container wird der Grad der thermischen Energie des Übergangsschildes 34 zunehmen und die gespeicherte Kühlkapazität des Übergangswärmeschildes 34 auf diese Weise erschöpft. Wenn flüssiges Kryogen, kaltes Gas oder superkritische Flüssigkeit zu einem späteren Zeitpunkt entnommen wird, wird der Flüssigkeitsfluß die Höhe der thermischer Energie des Übergangsschildes 34 wieder herabsetzen und somit Kühlung im Schild und in den Wärmesenken (34, 40 und 42) angereichert. Wenn keine Flüssigkeit durchfließt, reduziert das Abfangen der Wärmelecks durch das Übergangsschild 34 den Nettowärmeübergang in den Kryogenbehälter und verlängert so die Aufbewahrungszeit und spart Energie.
  • Z.B. wird der Tank in einem konventionellen Dewar oder Aufbewahrungstank ohne Übergangswärmeschild, wie in Fig. 1 gezeigt, der zum Speichern von 5685 dm³ (1500 Gallonen) flüssigen Wasserstoffs verwendet wird, nach Erreichen des eingestellten Überdrucks aufgrund des Aufwärmens des gespeicherten Kryogens kontinuierlich durch sein normales Belüftungssystem 44 entgasen und somit Produkte verloren gehen, außer, wenn der Verbraucher annähernd 2264 m³ (80 000 ft³) pro Monat aus dem Dampfraum im Gefäß entnimmt. Die Installierung eines Übergangswärmeschildes gemäß der vorliegenden Erfindung gibt dem Kunden die Wahlmöglichkeit, weniger als 20 000 ft³ pro Monat an Dampf absatzweise über den Monat hinweg, ohne Verlust von Dampf durch die normale Entlüftungsvorrichtung, zu entnehmen. Während so in beiden Beispielen der Verbraucher seinen Bedarf über den Monat hinweg variieren kann, ist der nötige Bedarf, um einen Verlust an gespeichertem Produkt zu vermeiden, auf etwa 2264 m³ (80 000 ft³) pro Monat auf weniger als 566 m³ (20 000 ft³) pro Monat reduziert, wobei der Verbraucher so mehr Flexibilität bezüglich seiner Produktverwendung erhält. Ein besonders effektives, erfindungsgemäßes Übergangswärmeschild kann aus Alumunium mit einer Dicke von weniger als 0,32 cm (0,125") hergestellt werden. Jede Wärmesenke 40, 42 sollte ein Gesamtgewicht von etwa 150 Pfund haben, um zusätzliche Speicherkapazität der aus der Dampfentnahme erhaltenen Kühlung zu schaffen.
  • Die festen Wärmesenken 40 und 42 extrahieren und speichern Kühlung aus der austretenden kryogenen Flüssigkeit durch Wärmeübertragung und durch Herabsetzung ihrer Enthalpie. Wenn der Kryogenfluß eingestellt ist, wird die Temperatur des Übergangswärmeschildes 34 aufgrund des Eindringens von Wärme in den Tank oder Dewar 10 ansteigen. Die festen Wärmesenken 40 und 42 werden mittels Freisetzen von gespeicherter Kühlung ihrerseits und durch Wärmeübertragung zum Wärmeschutzschild 34 einen Großteil dieses Wärmelecks absorbieren und auf diese Weise das Nettowärmeleck in das gespeicherte Kryogen reduzieren. Um die Leistung des Übergangswärmeschildsystems zu optimieren, können für das Übergangswärmeschild und die festen Wärmesenken unterschiedliche Materialien verwendet werden. Die festen Wärmesenken 40 und 42 können zur Optimierung der Gestaltung und Funktionsweise des Tanks 10 an geeigneter Stelle positioniert werden und können zur Verwendung einer dünnen Abschirmung führen, um die optimale Kühlungsübertragung zu schaffen. Da das Material der feste Wärmesenke an verschiedenen Stellen angebracht werden kann, kann es durch die kryogene Flüssigkeit, verdampftes Kryogen oder superkritische Flüssigkeit effizienter gekühlt werden, insbesondere dann, wenn Flüssigkeit mit einer hohen Rate nur für eine kurze Zeitperiode entnommen wird. Wärmegradienten zwischen der Flüssigkeit und den am meisten entfernten Teilen der festen Wärmesenke können minimiert werden und verbessern so die Extraktion und Speicherung der Kühlung.
  • Es ist auch möglich, mehr als eine Kombination aus Übergangswärmeschild und Wärmesenke auszunutzen, um mehr Wärmelecks in den Dewar 10 abzufangen.

Claims (8)

1. Dewar zum Aufbewahren oder Transportieren von kryogenen Flüssigkeiten des Typs, der ein Außengefäß und ein darin befindliches Innengefäß enthält, wobei das Innengefäß Mittel zur Entnahme und zur Einspeisung der kryogenen Flüssigkeit aus und in dessen Inneres, Isolierung zwischen den Innen- und Außengefäßen und ein zwischen den Innen- und Außengefäßen (12, 14) angebrachtes metallisches Wärmeschild (34) enthält, charakterisiert durch eine Wärmesenke (40, 42) im Wärmeaustausch mit dem Schild (34), wobei die Wärmesenke aus Metall mit hoher spezifischer Wärme und hoher Wärmeleitfähigkeit und von größerer Masse als das Wärmeschild (34) ist; und eine Entnahmeleitung (23) zur Entnahme von flüssigem Kryogen aus dem Innengefäß (12), wobei diese Leitung in direktem Wärmeaustausch mit dem Schild (34) und den Wärmesenken (40, 42) ist; wobei die Kühlkapazität des aus dem Innengefäß (12) entnommenen Kryogens durch die feste Wärmesenke (40, 42) mittels Wärmeübertragung und durch Herabsetzung seiner Enthalphie extrahiert wird, und nach Einstellen des Kryogenflusses ein Hauptanteil des Wärmelecks durch die Außengefäßwand (14) hindurch von den Wärmeschildern (34) und der Wärmesenke absorbiert wird.
2. Dewar nach Anspruch 1, worin das Metall der Senke Aluminium ist.
3. Dewar nach Anspruch 1, worin das Metall der Senke Kupfer ist.
4. Dewar nach Anspruch 1, worin die Senke Mittel zum Zirkulieren eines wärmeextrahierenden Fluids durch die Leitungen einschließt.
5. Dewar nach Anspruch 4, worin das wärmeextrahierende Fluid eine hohe spezifische Wärme oder hohe latente Wärme aufweist.
6. Dewar nach Anspruch 4 oder 5, worin das wärmeextrahierende Fluid Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Sauerstoff und/oder Neon ist.
7. Dewar nach einem der Ansprüche 4 bis 6, worin sich zwischen den Innen- und Außengefäßen ein Vakuumraum befindet und das wärmeextrahierende Fluid in diesem Vakuumraum gespeichert wird.
8. Verfahren zur Verlustvermeidung des in einem vakuumummantelten Dewar gespeicherten Kryogens, der auf unregelmäßige Entnahme zurückzuführen ist, die aufgrund des Eindringens von Wärme in den Dewar zum Aufwärmen und Verdampfen des gepeicherten Kryogens führt, das die Schritte:
Anbringen einer festen Wärmesenke (40, 42) im Wärmeaustausch mit flüssigem Kryogen, wenn es aus dem Dewar zur Verwendung entnommen wird; und Schaffung eines Übergangswärmeschildes (34) im Vakuummantel, wobei das Wärmeschild im Wärmeaustausch mit der Wärmesenke ist,
umfaßt.
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