EP3511649B1 - Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines verbrauchers sowie system mit entsprechender vorrichtung und verbraucher - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kühlen eines verbrauchers sowie system mit entsprechender vorrichtung und verbraucher Download PDF

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EP3511649B1
EP3511649B1 EP18020651.8A EP18020651A EP3511649B1 EP 3511649 B1 EP3511649 B1 EP 3511649B1 EP 18020651 A EP18020651 A EP 18020651A EP 3511649 B1 EP3511649 B1 EP 3511649B1
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EP
European Patent Office
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cooling
nitrogen
circulating flow
liquid nitrogen
reservoir
Prior art date
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Active
Application number
EP18020651.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3511649A1 (de
Inventor
Lutz Decker
Alexander Alekseev
Wim van Dorth
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Linde Kryotechnik AG
Linde GmbH
Original Assignee
Linde Kryotechnik AG
Linde GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B19/00—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour
    • F25B19/005—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour the refrigerant being a liquefied gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a consumer and a system with a corresponding device and a consumer according to the preambles of the independent patent claims.
  • High and medium voltage cables and busbars can be designed as high-temperature superconductors (HTSC). Such cables and busbars can carry direct current or alternating current and are also referred to as »HTSC current guides «. They require cooling to a temperature of less than 100 K, preferably less than 80 K.
  • HTSC high-temperature superconductors
  • DE 10 2012 016 292 A1 discloses a method and a device for cooling objects, in which a cooling medium is fed from a first reservoir via a first cooling medium line to an object to be cooled, brought into thermal contact with it and is then discharged via a second coolant line. After the thermal contact with the object, the cooling medium is fed to a second storage container via the second cooling medium line and stored there until a predetermined filling level is reached in the first or in the second storage container. The cooling medium is then fed from the second reservoir to the object for the purpose of cooling and brought into thermal contact with it and then fed back into the first reservoir, whereupon it is again available for cooling the object. Due to the pendulum guidance of the cooling medium between the two reservoirs, the same flow paths should at least partially be able to be used in both flow directions. The method and the device should be particularly suitable for cooling superconducting cables.
  • the present invention proposes a method and a device for cooling a consumer, in particular a power supply, preferably an HTSC power supply, and a system with a corresponding device and a consumer with the features of the independent patent claims.
  • a power supply preferably an HTSC power supply
  • Preferred configurations are the subject matter of the dependent patent claims and the following description.
  • the liquid nitrogen in the systems mentioned at the outset is conveyed by means of a pump (so-called circulation pump) and subcooled to the required cooling temperature in a subcooler.
  • the liquid nitrogen is routed to the consumer, where it is warmed up and fed back to the circulation pump.
  • the liquid nitrogen that is circulated in this way is also referred to as “circulated nitrogen”.
  • «supercooler» is used because liquid nitrogen, after appropriate cooling, is a supercooled liquid.
  • the heat exchanger in a subcooler is a coiled tube that is placed in a nitrogen bath ("bath nitrogen").
  • bath nitrogen The warmer circulating nitrogen is guided inside the pipe coil and cooled by the colder bath nitrogen lying outside.
  • the nitrogen in the bath evaporates continuously.
  • coiled-tube heat exchangers other types of heat exchangers can be used.
  • the pressure in the cooling circuit downstream of the pump is selected in such a way that the circuit nitrogen always remains liquid and no vapor bubbles form. From a thermodynamic point of view, this means that the pressure in the circuit should always be higher than in the subcooler bath and that the circuit nitrogen must not be heated above the boiling point.
  • the lowest temperature of the cycle nitrogen is reached at the exit from the subcooler. This temperature is essentially determined by the temperature of the bath nitrogen used in the subcooler (and the heat transfer in the subcooler). In order to bring about supercooling, the nitrogen bath must therefore be brought to an appropriate temperature.
  • the pressure of the bath nitrogen can be reduced by a pressure reduction in which evaporating nitrogen is continuously pumped off using a mechanical (e.g. oil-lubricated) vacuum pump.
  • the lower limit of the temperature that can be reached by reducing the pressure is about 63 K, which corresponds to a vapor pressure of about 0.13 bar.
  • the nitrogen in the bath would freeze.
  • a corresponding pressure reduction typically leads to nitrogen and cold losses because of the Pumped nitrogen and its cold can usually not be recovered or only with great effort.
  • the losses of bath nitrogen occurring in the subcooler as a result of evaporation are typically compensated for by topping up with fresh liquid nitrogen from a suitable reservoir, for example a cryogenic tank.
  • a suitable reservoir for example a cryogenic tank.
  • the reservoir is filled, for example, using an air separation plant or a nitrogen liquefier.
  • the temperature of the bath nitrogen can also be reduced by incorporating one or more closed loop coolers (also known as cryocoolers) into the subcooler.
  • the one or more refrigerating machines cool and liquefy/recondense the bath nitrogen which evaporates during cooling down to the required cooling temperature; a vacuum pump is not required in this case. In this way, nitrogen and cold losses can be reduced.
  • Brayton or Stirling coolers are typically used as cryocoolers.
  • the term "closed" cooling device is understood here to mean a device in which gaseous nitrogen is not discharged from the system due to the process, but is returned to the system in liquefied form.
  • the cooling section thus extends between the first end and a second end.
  • the liquid nitrogen is in such systems in the form of a circulatory stream repeatedly (i.e. continuously circulating) subjected to a first cooling, fed to the cooling line at the first end, transported from the first end to the second end along the cooling line, the cooling line at the second end removed, subjected to a second cooling, fed back to the cooling line at the second end, transported from the second end to the first end along the cooling line and removed again from the cooling line at the first end.
  • the first cooldown is performed using a first subcooled nitrogen bath in a subcooler and the second cooldown is performed using a second supercooled nitrogen bath in a second subcooler.
  • the first nitrogen bath can be at least partially supercooled by means of a closed cooling device and the second nitrogen bath can be at least partially supercooled by pressure reduction to a subatmospheric pressure level.
  • the pressure reduction takes place in that gaseous nitrogen is pumped out of a headspace above the nitrogen bath from a supercooler by means of a vacuum pump, in particular a mechanical one, and in particular is discharged to the surrounding atmosphere.
  • the nitrogen losses caused by the pumping out to reduce the pressure are compensated for by feeding in nitrogen from a reservoir, which can be filled with liquid nitrogen, for example using an air separation plant.
  • the present invention now proposes arranging the reservoir and the closed cooling device at the first end of the cooling section, and the vacuum pump required for pressure reduction at the other end of the cooling section.
  • a corresponding vacuum pump represents a comparatively small unit that can be accommodated much more easily at the second end, in particular if the installation space at the second end is limited.
  • a corresponding vacuum pump can also be connected via a line to the subcooler provided at the second end of the cooling section and does not have to be arranged in the immediate vicinity of it. In this way, a further favorable adaptation to the available space can be made by repositioning.
  • the nitrogen losses occurring in the second nitrogen bath due to the pressure reduction caused by pumping out are also compensated for from a reservoir, which, however, is now arranged at the opposite end of the cooling section.
  • the nitrogen taken from the reservoir to compensate for the losses is fed into the circulatory flow at the end of the cooling section where the reservoir is located and discharged from the circulatory flow at the other end of the cooling section, where the pressure reduction takes place, and used to fill up the nitrogen bath arranged there.
  • the circulating flow is therefore used to transport this nitrogen.
  • the present invention is based on a method for cooling a consumer via a cooling section that extends between a first end and a second end.
  • liquid nitrogen is repeatedly subjected to a first cooling in the form of a circulating stream, i.e. continuously in the circuit and in particular without intermediate storage in a container, fed to the cooling section at the first end, transported from the first end to the second end along the cooling section, the Taken out cooling line at the second end, subjected to a second cooling, the cooling line at the second Fed end, transported from the second end to the first end along the cooling section and removed from the cooling section at the first end.
  • the circulatory flow is in particular always guided in the same direction and is not experienced, as for example in the DE 10 2012 016 292 A1 , a reversal of direction.
  • the first cooldown is performed using a first subcooled nitrogen bath and the second cooldown using a second subcooled nitrogen bath, the first nitrogen bath being at least partially supercooled by means of a closed cooling device and the second nitrogen bath being at least partially supercooled by pressure reduction to a subatmospheric pressure level .
  • a quantity of nitrogen evaporating from the second nitrogen bath due to the pressure reduction to the subatmospheric pressure level is at least partially compensated for in the process from a reservoir.
  • the liquid nitrogen is conducted in the form of the circulating stream through one or more first cooling passages, in particular during transport from the first end to the second end along the cooling section, and through one during transport from the second end to the first end along the cooling section or a plurality of second cooling passages fluidly separated from the one or more first cooling passages.
  • One or more different cooling passages are therefore provided for guiding from the first to the second end than for guiding from the second end to the first end.
  • a “cooling passage” refers to a fluid-guiding structure that is provided with heat-exchange surfaces.
  • the circulatory flow is and can therefore not be performed in the same cooling passages in the context of the present invention, as in the DE 10 2012 016 292 A1 is the case due to the shuttle service there. If a "fluidic separation" of the cooling passages is mentioned here, it is of course not excluded that the cooling passages are open at their terminal ends and are connected to one another via lines that carry the circulating flow.
  • the cooling section comprises a first feed opening, a first extraction opening, a second feed opening and a second extraction opening for the liquid nitrogen, the first feed opening being connected to the first extraction opening in particular via the first Cooling passage(s) and the second feed opening with the second extraction opening, in particular via the second cooling passage(s) mentioned are connected.
  • the first feed opening and the second removal opening are located at the first end, the first removal opening and the second feed opening at the second end of the cooling section.
  • an “opening” designates a connection of any type, for example a flange or connecting piece.
  • the liquid nitrogen in the circulating stream is fed via the first feed opening at the first end of the cooling section to this cooling section or to the first cooling passage or passages and removed via the first removal opening at the second end.
  • the liquid nitrogen if a corresponding circulatory flow is formed, is fed via the second feed opening at the second end of the cooling section to this cooling section or to the second cooling passage or passages and removed via the second removal opening at the first end.
  • a first pressure level of the liquid nitrogen supplied at the first end of the cooling section is always above a second pressure level of the liquid nitrogen removed at the second end of the cooling section.
  • a third pressure level of the liquid nitrogen supplied at the second end of the cooling section is always at or below the second pressure level.
  • a fourth pressure level of the liquid nitrogen removed at the first end of the cooling section is below the third pressure level.
  • the liquid nitrogen is advantageously not subjected to any pressure-increasing measures at the second end of the cooling section. So here is, for example, in contrast to the one mentioned several times DE 10 2012 016 292 A1 , no device for pressure build-up evaporation and no pump. A corresponding increase in pressure takes place within the scope of the present invention, in particular only at the first end of the cooling section using a circulation pump. Furthermore, within the scope of the present invention, the liquid nitrogen of the circulating stream is used, ie no switching valves are provided.
  • liquid nitrogen is removed from the reservoir and introduced into the circulatory stream before the circulatory stream is fed to the cooling section at the first end, and that liquid nitrogen is discharged from the circulatory stream and at least partially fed into the second nitrogen bath after the Circulation stream of the cooling section is removed at the second end.
  • the liquid nitrogen taken from the reservoir and introduced into the circulatory stream is advantageously introduced into the circulatory stream using a mixing device. In this way, it is possible to avoid unequal temperature distributions and set a homogeneous mixed temperature level, particularly when the introduced nitrogen and the already present circulating nitrogen have different temperature levels.
  • the liquid nitrogen in the form of the circulating stream is therefore advantageously passed through a circulating pump, after it has been removed at the first end of the cooling section and before it is fed in again at the first end of the cooling section, at which a suitable pressure difference can also be set.
  • the liquid nitrogen conducted in the form of the circulating flow can be fed to the circulating pump at a first pressure level of at least 2 bar (abs.).
  • the first pressure level can be about 10 bar (abs.).
  • a corresponding pressure level results in particular from the pressure level downstream of the circulating pump, which can be above the first pressure level and, for example, at approx. 15 bar (abs.), and from the pressure losses over the cooling section.
  • the liquid nitrogen taken from the reservoir and introduced into the circulatory flow is taken from the reservoir in particular at a second pressure level above the first pressure level.
  • the injected nitrogen is in particular likewise fed to the circulation pump together with the circulation stream.
  • a corresponding setting of the first and second pressure levels always results in a mandatory flow direction from the reservoir to the point of entry into the circulatory flow.
  • the injected nitrogen is typically expanded from the second to the first pressure level by means of a suitable valve before it is introduced into the circulating stream.
  • cooling can be used.
  • the liquid nitrogen carried in the form of the circulating flow can be subjected to the first cooling before and/or after it is passed through the circulating pump. Details are also explained in more detail with reference to the drawings, in which the Figures 4 to 6 embodiments of the present invention shown provide cooling before and after the circulation pump.
  • the liquid nitrogen in the reservoir is typically in a non-supercooled state, while subcooled nitrogen is present in the recycle stream, if the nitrogen injected from the reservoir is not subjected to any further cooling prior to being injected into the recycle stream, a significant cooling will occur Temperature increase that must be compensated for by a corresponding cooling capacity in the assigned subcooler. This can prove to be disadvantageous. Therefore, according to a particularly preferred embodiment of the present invention, it is provided that the liquid nitrogen removed from the reservoir and introduced into the circulation flow is cooled using a third subcooled nitrogen bath before it is introduced into the circulation flow.
  • Such a cooling of the injected nitrogen can therefore be carried out in particular by using a further (third) supercooled nitrogen bath.
  • the third supercooled nitrogen bath is provided by removing further liquid nitrogen from the reservoir at the first pressure level and expanding it to a third pressure level with partial evaporation.
  • the third pressure level can, for example, be at atmospheric pressure or slightly, ie in particular at most 0.5 bar, above atmospheric pressure. In this way, corresponding additional cold can be generated and there is a partial evaporation of the expanded nitrogen.
  • a portion of the additional liquid nitrogen from the reservoir that is not vaporized during the expansion to the third pressure level can be at least partially fed to the third nitrogen bath and a portion of the additional liquid nitrogen from the reservoir that has evaporated during the expansion to the third pressure level can be at least partially used as a coolant in the closed cooling device can be used.
  • a cooling device with a Brayton cooler is used in particular as the closed cooling device, there is a further saving in energy.
  • the present invention also extends to a device for cooling a consumer via a cooling path that extends between a first end and a second end.
  • the device has means that are set up to repeatedly subject liquid nitrogen in the form of a circulatory stream, ie continuously in the circuit and in particular without intermediate storage in a container, to a first cooling, feeding it to the cooling section at the first end, from the first end to to be transported along the cooling line at the second end, to be taken from the cooling line at the second end, to be subjected to a second cooling, to be fed to the cooling line at the second end, to be transported from the second end to the first end along the cooling line and to the cooling line at the to be taken from the first end.
  • the means are set up in particular to always lead in the same direction, so that this is not, as for example in the DE 10 2012 016 292 A1 , experiences a reversal of direction.
  • These means include, in particular, appropriate lines and a circulation pump.
  • the device has means which are set up to carry out the first cooling using a first supercooled nitrogen bath and the second cooling using a second supercooled nitrogen bath.
  • the apparatus includes respective first and second nitrogen baths. It further comprises a closed cooling device arranged to cool the first nitrogen bath and means arranged to at least partially supercool the second nitrogen bath by pressure reduction to a sub-atmospheric pressure level.
  • the latter include in particular an appropriate vacuum pump.
  • Means are also provided which are set up to at least partially compensate for a quantity of nitrogen evaporating from a reservoir as a result of the pressure reduction to the subatmospheric pressure level from the second nitrogen bath. A corresponding reservoir is also part of the proposed device.
  • the device provided according to the invention is characterized in particular by means that are set up to remove liquid nitrogen from the reservoir and introduce it into the circulatory flow before the circulatory flow is fed to the cooling section at the first end, and to discharge liquid nitrogen from the circulatory flow and at least partially to the second nitrogen bath after the recycle stream is withdrawn from the cooling section at the second end.
  • these means can also include corresponding lines and the like.
  • one or more first cooling passages are provided and for transporting from the second end to the first end along the cooling section one or more second cooling passages, which are fluidically connected from the one or more first cooling passages is or are separate.
  • FIG 1 a system according to an embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • the system shown comprises a consumer 1, which, as mentioned, can in particular be an (HTSL) cable system.
  • the consumer 1 is cooled using liquid nitrogen, which is conducted in a circulatory flow 2 .
  • the liquid nitrogen in cycle stream 2 is cooled in a heat exchanger 3 in the example shown, fed to a circulation pump 4, cooled in another heat exchanger 5, and used again to cool consumer 1.
  • a circulation pump 4 cooled in another heat exchanger 5
  • only one of the two heat exchangers 3 and 5 can also be provided.
  • the heat exchangers 3 and 5, if present, are each arranged in a subcooled nitrogen bath in a subcooler 6.
  • the nitrogen in the circulating stream 2 can be cooled to a temperature level of, for example, approximately 67 K and can be used at this temperature level to cool the consumer 1 .
  • cooling consumer 1 heats up to a temperature level of, for example, approx. 73 K.
  • the sub-cooling of the nitrogen bath in the sub-cooler 6 is effected by pressure reduction using a pump 7 which pumps out nitrogen evaporating from the nitrogen bath and in this way reduces the pressure level in the sub-cooler 6 .
  • the nitrogen pumped out is, for example, discharged to the atmosphere (amb). Nitrogen losses caused by pumping out are compensated for by liquid nitrogen from a reservoir 8 via a valve 9 .
  • the reservoir 8 can be fed by means of an air separation plant.
  • the reservoir 8 is provided with a pressure build-up evaporator 10 here.
  • a bidirectional connection, not specifically designated, to the reservoir 8 is provided in the example shown.
  • the pressure level of the nitrogen in the circulating flow 2 upstream of the circulating pump 4 and at the same time in the reservoir is typically above 2 bar (abs.), for example approximately 10 bar (abs.).
  • the pressure level of the nitrogen in the circulating stream 2 downstream of the Circulation pump 4 is above this, for example at about 15 bar (abs.).
  • the pressure level in the subcooler 6 is below atmospheric pressure, in particular at 0.1 to 0.5 bar (abs.), for example at approx. 0.2 bar (abs.).
  • FIG 2 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • a closed cooling device 11 can also be used, which is used in the system according to FIG figure 2 is provided in addition to the pump 7.
  • the nitrogen from the sub-cooler 6 is additionally cooled using a suitable refrigeration machine, which can in particular include one or more Stirling coolers and/or one or more Brayton coolers operated using neon and/or helium.
  • the nitrogen enters the cooling device 11 in gaseous form and is returned to the subcooler 6 in liquid form.
  • a pressure control device 21 is provided, which instead of in the system according to figure 1 provided connection is set up with the reservoir 8 for pressure adjustment. In this way the pressure level in the reservoir 8 can be adjusted to a value which is independent of the pressure level upstream of the circulation pump 4 .
  • FIG 3 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • FIG. 3 The system according to figure 3 is particularly advantageous when a longer cooling distance is to be overcome.
  • a further sub-cooler 12 with a heat exchanger 13 is arranged at one end of the consumer 1 or a corresponding cooling section of the sub-cooler 6 with the heat exchangers 3 and/or 5 and at the other end of the consumer 1 or the corresponding cooling section.
  • the sub-cooler 6 is provided with the pump 7
  • the further sub-cooler 12 is equipped with the cooling device 11 . In this way, excessive heating of the nitrogen in the circulating stream 2 over the (long) cooling section can be prevented.
  • FIG. 4 a system according to an embodiment of the invention is shown in a simplified schematic representation and is denoted overall by 100.
  • FIG. 1 a system according to an embodiment of the invention is shown in a simplified schematic representation and is denoted overall by 100.
  • the cooling device 11 and the reservoir 8 at the same end of the consumer 1 or a corresponding cooling section and are assigned to the subcooler 6 arranged there.
  • the subcooler 12 arranged at the other end is equipped with the pump 7 .
  • the pump 7, on the other hand can be arranged at the other end, taking up little installation space, at which there may be a lack of space or where other devices are arranged.
  • nitrogen is introduced from the reservoir 8 at one end into the circulating flow 2 via the valve 9 and not into a corresponding subcooler.
  • This additionally injected nitrogen is mixed into the circulating flow 2 by means of a mixing device 14 .
  • this nitrogen is removed from the circulating stream 2 again and fed via a valve 15 and a corresponding line to the subcooler 12 provided there.
  • the pressure level in the reservoir 8 is therefore (slightly) higher than the pressure level of the nitrogen in the circulatory stream 2 upstream of the circulatory pump 4.
  • the pressure difference used can in principle be higher or lower than the pressure level of the nitrogen in the circulatory stream 2 upstream of the circulatory pump 4.
  • figure 5 1 shows a system according to a further embodiment of the invention in a simplified schematic representation and is denoted overall by 200 .
  • a second or further sub-cooler 18 with a corresponding heat exchanger 16 is used here.
  • the nitrogen to be fed into the circulating stream 2 is expanded by means of the valve 9 after it has been removed from the reservoir 8 and passed through the heat exchanger 16 .
  • a nitrogen bath in the further subcooler 18 is provided by further nitrogen which is taken from the reservoir 8 and expanded to atmospheric pressure or slightly above by means of a further valve 17 . Some of the nitrogen released via the valve 17 evaporates. The vaporized portion is vented to the atmosphere (atm). The portion that remains in liquid form is supercooled and can therefore be used as a cooling medium.
  • the pressure level in the further sub-cooler 18 is at or slightly above atmospheric pressure, i.e. typically a maximum of 0.5 bar.
  • the nitrogen to be fed into the circulating flow 2 is already at a temperature level of typically less than 80 K, so that corresponding losses during mixing in via the mixing device are avoided.
  • the required cooling capacity of the cooling device 11 can also be reduced to a corresponding extent in this way.
  • FIG 6 a system according to a further embodiment of the invention is shown in a simplified schematic representation and is denoted overall by 300 .
  • gaseous nitrogen flowing out of the further subcooler 18 is also used as a cooling medium in the cooling device 11, which can have a Brayton cooler here in particular.
  • a corresponding heat exchanger 19 is provided for this purpose. In this way, energy losses can be further reduced.
  • FIG. 7 illustrates a cooling line that can be provided in a system according to the previous figures. This is summarized here with 1000.
  • a consumer is indicated by 1 and a circulating stream by 2.
  • Cooling passages separated by a dashed line 1100 are labeled 1010 and 1020 illustrated.
  • the cooling passages 1010 and 1020 are for transporting the liquid nitrogen in the form of the circulating stream 2 from the first end to the second end along the cooling line on the one hand (“first cooling passage” 1010) and for transporting it from the second end to the first end along the cooling line on the other hand (“second cooling passage” 1020) provided and fluidically separated from each other in the sense explained above.
  • the first end of the cooling section 1000 has the reference number 1001, the second end of the cooling section has the reference number 1002.
  • a feed opening (for the circulating flow 2 at the first end 1001 into the cooling section 1000 or the first cooling passage 1010) is denoted by 1011 ("first feed opening”).
  • a removal opening (for the circuit stream 2 at the second end 1002 from the cooling section 1000 or the first cooling passage 1010) is denoted by 1012 ("first removal opening”).
  • a feed opening (for the circuit flow 2 at the second end 1002 in the cooling section 1000 or the second cooling passage 1020) is denoted by 1021 (“second feed opening”).
  • a removal opening (for the circulatory flow 2 at the first end 1001 from the cooling section 1000 or the second cooling passage 1020) is denoted by 1022 (“second removal opening").

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Verbrauchers sowie ein System mit einer entsprechenden Vorrichtung und einem Verbraucher gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
    • Stand der Technik
  • Hoch- und Mittelspannungskabel sowie Stromschienen können als Hochtemperatursupraleiter (HTSL) ausgebildet sein. Solche Kabel und Stromschienen können Gleichstrom oder Wechselstrom führen und werden auch als »HTSL-Stromführungen« bezeichnet. Sie bedürfen einer Kühlung auf eine Temperatur von weniger als 100 K, bevorzugt weniger als 80 K.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf HTSL-Stromführungen als Verbraucher beschrieben wird, eignet sie sich in der gleichen Weise auch zur Kühlung anderer Verbraucher, die eine Kälteleistung auf einem vergleichbaren Kühltemperaturniveau benötigen, insbesondere Supraleitermaterialien, jedoch auch beispielsweise Kabel, Stromführungen und weitere Strukturen aus konventionellen Metallen wie Kupfer und Aluminium.
  • Zur Kühlung entsprechender Verbraucher können unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden. Diese arbeiten beispielsweise mit Flüssigstickstoff als Kühlmedium, wie unten noch im Detail erläutert. Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus der DE 10 2013 011 212 A1 und der EP 1 355 114 A3 bekannt. In der DE 197 55 484 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem anstelle von Stickstoff ein flüssiges Gemisch eingesetzt wird, das aus Stickstoff und Sauerstoff besteht.
  • In der unten noch näher erläuterten DE 10 2012 016 292 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Objekten offenbart, bei dem bzw. der ein Kühlmedium aus einem ersten Vorratsbehälter über eine erste Kühlmediumsleitung einem zu kühlenden Objekt zugeführt, mit diesem im Wärmekontakt gebracht und anschließend über eine zweite Kühlmediumsleitung abgeführt wird. Das Kühlmedium wird nach dem Wärmekontakt mit dem Objekt über die zweite Kühlmediumsleitung einem zweiten Vorratsbehälter zugeführt und dort gespeichert, bis eine vorgegebene Füllhöhe im ersten oder im zweiten Vorratsbehälter erreicht wird. Anschließend wird das Kühlmedium aus dem zweiten Vorratsbehälter zwecks Kühlung dem Objekt zugeführt und mit diesem in Wärmekontakt gebracht und anschließend in den ersten Vorratsbehälter zurückgeführt, woraufhin es erneut zur Kühlung des Objekts zur Verfügung steht. Durch die Pendelführung des Kühlmediums zwischen den beiden Vorratsbehältern sollen zumindest teilweise die gleichen Strömungswege in beiden Strömungsrichtungen genutzt werden können. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen sich insbesondere zum Kühlen supraleitender Kabel eignen.
  • Insbesondere zur Kühlung von Verbrauchern über längere Kühlstrecken, insbesondere entlang von Kabeln bzw. HTSL-Stromführungen, erweisen sich herkömmliche Kühlvorrichtungen, beispielsweise hinsichtlich ihres Platzbedarfs, mitunter als nicht zufriedenstellend. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, hier Abhilfe zu schaffen und verbesserte technische Möglichkeiten zur Kühlung entsprechender Verbraucher unter Verwendung von Flüssigstickstoff bereitzustellen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrauchers, insbesondere einer Stromführung, vorzugsweise einer HTSL-Stromführung, sowie ein System mit einer entsprechenden Vorrichtung und einem Verbraucher mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Typischerweise wird der Flüssigstickstoff in den eingangs erwähnten Systemen mittels einer Pumpe (sogenannte Kreislaufpumpe) gefördert und in einem Unterkühler auf die erforderliche Kühltemperatur unterkühlt. Der Flüssigstickstoff wird zum Verbraucher geleitet, dort angewärmt und wieder zur Kreislaufpumpe zurückgeführt. Der auf diese Weise als Kreislaufstrom geführte Flüssigstickstoff wird auch als »Kreislaufstickstoff« bezeichnet. Die Bezeichnung »Unterkühler« wird verwendet, weil der Flüssigstickstoff nach einer entsprechenden Kühlung eine unterkühlte Flüssigkeit darstellt.
  • Der Wärmetauscher in einem Unterkühler stellt in der einfachsten Ausführung eine Rohrschlange dar, die in einem Stickstoffbad (»Badstickstoff«) platziert wird. Der wärmere Kreislaufstickstoff wird innerhalb der Rohrschlange geführt und durch den außenliegenden, kälteren Badstickstoff gekühlt. Der Badstickstoff verdampft hierbei kontinuierlich. Alternativ zu Rohrschlangenwärmetauschern können andere Typen von Wärmetauschern eingesetzt werden.
  • Es können auch Schaltungen eingesetzt werden, in denen eine Unterkühlung des Kreislaufstickstoffs stromauf der Kreislaufpumpe kombiniert mit einer Unterkühlung stromab der Kreislaufpumpe vorgenommen wird. Hierzu werden zwei Wärmetauscher benötigt und in geeigneter Weise im Unterkühler platziert. Ein entsprechendes System ist beispielsweise in der beigefügten Figur 1 dargestellt. Auch andere Varianten der Unterkühlung, insbesondere nur stromauf oder nur stromab der Kreislaufpumpe, kommen grundsätzlich in Betracht.
  • Der Druck im Kühlkreislauf stromab der Pumpe wird so gewählt, dass der Kreislaufstickstoff stets flüssig bleibt und keine Dampfblasen entstehen. Aus thermodynamischer Sicht bedeutet dies, dass der Druck im Kreislauf immer höher sein sollte als im Bad des Unterkühlers, und dass der Kreislaufstickstoff nicht über den Siedepunkt angewärmt werden darf.
  • Die tiefste Temperatur des Kreislaufstickstoffs wird dabei am Austritt aus dem Unterkühler erreicht. Diese Temperatur wird im Wesentlichen durch die Temperatur des im Unterkühler eingesetzten Badstickstoffs (und den Wärmeübergang im Unterkühler) bestimmt. Um eine Unterkühlung zu bewirken, muss das Stickstoffbad also eine entsprechende Temperatur gebracht werden.
  • Zur Temperaturerniedrigung kann der Druck des Badstickstoffs durch eine Druckreduktion reduziert werden, bei der verdampfender Stickstoff kontinuierlich unter Verwendung einer mechanischen (beispielsweise ölgeschmierten) Vakuumpumpe abgepumpt wird. Die untere Grenze der durch die Druckreduktion erreichbaren Temperatur liegt bei etwa 63 K, was einem Dampfdruck von ca. 0,13 bar entspricht. Bei tieferen Temperaturen würde der Badstickstoff gefrieren. Eine entsprechende Druckreduktion führt dabei typischerweise zu Stickstoff- und Kälteverlusten, weil der abgepumpte Stickstoff und dessen Kälte in der Regel nicht oder nur sehr aufwendig zurückgewonnen werden können.
  • Die in dem Unterkühler durch das Verdampfen entstehenden Verluste an Badstickstoff werden typischerweise durch das Nachfüllen von frischem flüssigem Stickstoff aus einem geeigneten Reservoir, beispielsweise einem Tieftemperaturtank, kompensiert. Das Reservoir wird dabei beispielsweise unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage oder eines Stickstoffverflüssigers befüllt.
  • Die Temperatur des Badstickstoffs kann auch verringert werden, indem ein oder mehrere geschlossene Kühleinrichtungen (auch als Kryokühler bezeichnet) in den Unterkühler integriert werden. Die eine oder die mehreren Kältemaschinen kühlen und verflüssigen/rekondensieren den bei der Kühlung verdampfenden Badstickstoff bis auf die erforderliche Kühltemperatur; eine Vakuumpumpe wird in diesem Fall nicht benötigt. Auf diese Weise können Stickstoff- und Kälteverluste reduziert werden. Als Kryokühler werden typischerweise Brayton- oder Stirling-Kühler eingesetzt. Unter dem Begriff »geschlossene« Kühlreinrichtung wird dabei hier eine Einrichtung verstanden, in der gasförmiger Stickstoff nicht verfahrensbedingt aus dem System ausgeschleust sondern dieser verflüssigt in das System zurückgeführt wird.
  • Der Einsatz einer mechanischen Vakuumpumpe für die Kälteerzeugung im Unterkühler stellt (aus Investitionskostensicht) eine relativ preisgünstige, jedoch energetisch ineffiziente Lösung dar. Dies liegt insbesondere daran, dass die wertvolle (da bei sehr tiefen Temperaturen vorliegende) Kälte des abgesaugten kalten Stickstoffdampfs nicht genutzt sondern vernichtet wird. Der Einsatz von Kältemaschinen in den geschlossenen Kühleinrichtungen ist energetisch in der Regel vorteilhaft, jedoch sind entsprechende Geräte relativ teuer, sodass ihr Einsatz häufig nicht wirtschaftlich ist.
  • Es können daher grundsätzlich auch Systeme eingesetzt werden, in denen beide Techniken zur Temperaturverringerung verwendet werden. Auf diese Weise kann der Verlust an Stickstoff und Kälte verringert, gleichzeitig aber der Investitionsaufwand für geschlossene Kühlreinrichtungen in Grenzen gehalten werden.
  • Es ist dabei möglich, einen Unterkühler mit einer entsprechenden Vakuumpumpe und zusätzlich mit einer geschlossenen Kühlreinrichtung auszustatten. Insbesondere dann, wenn Verbraucher, beispielsweise Kabel, über längere Kühlstrecken gekühlt werden sollen, können aber auch Systeme zum Einsatz kommen, in denen an beiden Enden der Kühlstrecke, nachfolgend als »erstes« und »zweites« Ende bezeichnet, Unterkühler angeordnet sind.
  • In derartigen Systemen erstreckt sich die Kühlstrecke also zwischen dem ersten Ende und einem zweiten Ende. Der flüssige Stickstoff wird in derartigen Systemen in Form eines Kreislaufstroms wiederholt (d.h. kontinuierlich im Kreislauf) einer ersten Abkühlung unterworfen, der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt, von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen, einer zweiten Abkühlung unterworfen, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende wieder zugeführt, von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert und der Kühlstrecke an dem ersten Ende wieder entnommen. Die erste Abkühlung wird unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads in einem Unterkühler und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads in einem zweiten Unterkühler durchgeführt.
  • In einem entsprechenden System, wie es beispielsweise in der beigefügten Figur 3 dargestellt ist, kann das erste Stickstoffbad zumindest teilweise mittels einer geschlossenen Kühleinrichtung und das zweite Stickstoffbad zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt werden. Die Druckreduktion erfolgt dabei dadurch, dass aus einem Unterkühler mittels einer insbesondere mechanischen Vakuumpumpe gasförmiger Stickstoff aus einem Kopfraum über einem dem Stickstoffbad abgepumpt und insbesondere an die umgebende Atmosphäre abgeführt wird.
  • Wie bereits erwähnt, wird ein Ausgleich der Stickstoffverluste durch das zur Druckreduktion erfolgende Abpumpen durch Einspeisen von Stickstoff aus einem Reservoir vorgenommen, das beispielsweise unter Verwendung einer Luftzerlegungsanlage mit flüssigem Stickstoff befüllt werden kann.
  • Ein Nachteil der beispielsweise in Figur 3 gezeigten Anordnung ist nun allerdings der, dass an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende der Kühlstrecke, d.h. in der Figur 3 an deren linkem und rechtem Ende, beträchtlichen Bauraum beanspruchende Apparate, nämlich das Reservoir einerseits und die geschlossene Kühleinrichtung andererseits, angeordnet werden müssen. Hierdurch können sich insbesondere dann Probleme ergeben, wenn an dem zweiten Ende der Kühlstrecke, d.h. an dem rechten Ende in der Figur 3, der Bauraum begrenzt ist.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt nun zur Überwindung dieses Nachteils vor, das Reservoir und die geschlossene Kühleinrichtung am ersten Ende der Kühlstrecke, die zur Druckreduktion erforderliche Vakuumpumpe hingegen am anderen Ender der Kühlstrecke anzuordnen. Eine entsprechende Vakuumpumpe stellt eine vergleichsweise klein bauende Einheit dar, die an dem zweiten Ende deutlich einfacher unterbringbar ist, insbesondere wenn an dem zweiten Ende der Bauraum begrenzt ist. Eine entsprechende Vakuumpumpe kann auch über eine Leitung an den am zweiten Ende der Kühlstrecke vorgesehenen Unterkühler angebunden werden und muss nicht und unmittelbarer Nachbarschaft desselben angeordnet werden. Auf diese Weise kann durch eine Umpositionierung eine weitere günstige Anpassung an den zur Verfügung stehenden Bauraum vorgenommen werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die in dem zweiten Stickstoffbad aufgrund der Druckreduktion durch das Abpumpen auftretenden Stickstoffverluste ebenfalls aus einem Reservoir ausgeglichen, das allerdings nun am entgegengesetzten Ende der Kühlstrecke angeordnet ist. Der zum Ausgleich der Verluste aus dem Reservoir entnommene Stickstoff wird an dem Ende der Kühlstrecke, an dem das Reservoir angeordnet ist, in den Kreislaufstrom eingeschleust und an dem anderen Ende der Kühlstrecke, an dem die Druckreduktion erfolgt, aus dem Kreislaufstrom ausgeschleust und zum Auffüllen des dort angeordneten Stickstoffbads verwendet. Der Kreislaufstrom dient also zum Transport dieses Stickstoffs.
  • Wie bereits erwähnt, geht die vorliegende Erfindung von einem Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers über eine Kühlstrecke aus, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt. In dem Verfahren wird flüssiger Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms wiederholt, d.h. kontinuierlich im Kreislauf und insbesondere ohne Zwischenspeicherung in einem Behälter einer ersten Abkühlung unterworfen, der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt, von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen, einer zweiten Abkühlung unterworfen, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende zugeführt, von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert und der Kühlstrecke an dem ersten Ende entnommen. Der Kreislaufstrom wird dabei insbesondere stets in der gleichen Richtung geführt und erfährt nicht, wie beispielsweise in der DE 10 2012 016 292 A1 , eine Richtungsumkehr.Die erste Abkühlung wird unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchgeführt, wobei das erste Stickstoffbad zumindest teilweise mittels einer geschlossenen Kühleinrichtung und das zweite Stickstoffbad zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt wird. Eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge wird in dem Verfahren dabei zumindest teilweise aus einem Reservoir ausgeglichen.
  • Der flüssige Stickstoff wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form des Kreislaufstroms insbesondere beim Transport von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke durch eine oder mehrere erste Kühlpassagen geführt und beim Transport von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke durch eine oder mehrere zweite Kühlpassagen, die fluidisch von der einen oder den mehreren ersten Kühlpassagen getrennt ist oder sind, geführt. Es sind also für die Führung von dem ersten zu dem zweiten Ende eine oder mehrere andere Kühlpassagen vorgesehen als für die Führung von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende. Eine "Kühlpassage" bezeichnet dabei eine Fluidführungsstruktur, die mit Wärmeaustauschflächen versehen ist. Der Kreislaufstrom wird und kann also im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in den gleichen Kühlpassagen geführt werden, wie es in der DE 10 2012 016 292 A1 aufgrund des dortigen Pendelbetriebs der Fall ist. Ist hier von einer "fluidischen Trennung" der Kühlpassagen die Rede, sei hiermit selbstverständlich nicht ausgeschlossen, dass die Kühlpassagen an ihren terminalen Enden geöffnet sind und über Leitungen, die den Kreislaufstrom führen, miteinander verbunden sind.
  • Mit anderen Worten umfasst die Kühlstrecke im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine erste Einspeiseöffnung, eine erste Entnahmeöffnung, eine zweite Einspeiseöffung und eine zweite Entnahmeöffnung für den flüssigen Stickstoff, wobei die erste Einspeiseöffnung mit der ersten Entnahmeöffnung insbesondere über die erwähnte(n) erste(n) Kühlpassage(n) und die zweite Einspeiseöffnung mit der zweiten Entnahmeöffnung insbesondere über die erwähnte(n) zweite(n) Kühlpassage(n) verbunden sind. Die erste Einspeiseöffnung und die zweite Entnahmeöffnung befinden sich dabei an dem ersten Ende, die erste Entnahmeöffnung und die zweite Einspeiseöffnung am zweiten Ende der Kühlstrecke. Eine "Öffnung" bezeichnet dabei im hier verwendeten Sprachgebrauch einen Anschluss beliebiger Art, beispielsweise einen Flansch oder Anschlussstutzen. Der flüssige Stickstoff in dem Kreislaufstrom wird über die erste Einspeiseöffnung an dem ersten Ende der Kühlstrecke dieser Kühlstrecke bzw. der oder den ersten Kühlpassagen zugeführt und über die erste Entnahmeöffnung an dem zweiten Ende entnommen. Zeitgleich, d.h. nicht in einem Pendelbetrieb, wird der flüssige Stickstoff, wenn ein entsprechender Kreislaufstrom gebildet ist, über die zweite Einspeiseöffnung an dem zweiten Ende der Kühlstrecke dieser Kühlstrecke bzw. der oder den zweiten Kühlpassagen zugeführt und über die zweite Entnahmeöffnung am ersten Ende entnommen.
  • Zur nochmaligen Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann die Bildung des Kreislaufstroms auch unter Beschreibung der vorliegenden Druckniveaus erläutert werden. Ein erstes Druckniveau des an dem ersten Ende der Kühlstrecke zugeführten flüssigen Stickstoffs liegt dabei stets oberhalb eines zweiten Druckniveaus des an dem zweiten Ende der Kühlstrecke entnommenen flüssigen Stickstoffs. Zeitgleich liegt ein drittes Druckniveau des an dem zweiten Ende der Kühlstrecke zugeführten flüssigen Stickstoffs stets bei oder unterhalb des zweiten Druckniveaus. Ein viertes Druckniveau des an dem ersten Ende der Kühlstrecke entnommenen flüssigen Stickstoffs liegt unterhalb des dritten Druckniveaus. Es ergeben sich für das erste Druckniveau P1, das zweite Druckniveau P2, das dritte Druckniveau P3 und das vierte Druckniveau P4 also stets die Beziehungen P1 > P2, P2 ≥ P3 und P3 > P4.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der flüssige Stickstoff dabei vorteilhafterweise am zweiten Ende der Kühlstrecke keinen druckerhöhenden Maßnahmen unterworfen. Hier befindet sich also, beispielsweise im Gegensatz zu der mehrfach erwähnten DE 10 2012 016 292 A1 , keine Einrichtung zur Druckaufbauverdampfung und keine Pumpe. Eine entsprechende Druckerhöhung erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere nur an dem ersten Ende der Kühlstrecke unter Verwendung einer Kreislaufpumpe. Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der flüssige Stickstoff des Kreislaufstroms, es sind also keine Umschaltventile vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass aus dem Reservoir flüssiger Stickstoff entnommen und in den Kreislaufstrom eingeschleust wird, bevor der Kreislaufstrom der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und dass flüssiger Stickstoff aus dem Kreislaufstrom ausgeschleust und zumindest teilweise dem zweiten Stickstoffbad zugeführt wird, nachdem der Kreislaufstrom der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen wird. Auf diese Weise ergeben sich die bereits zuvor erwähnten Vorteile, insbesondere eine Reduzierung des Bauraums am zweiten Ende der Kühlstrecke.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der aus dem Reservoir entnommene und in den Kreislaufstrom eingeschleuste flüssige Stickstoff vorteilhafterweise unter Verwendung einer Mischeinrichtung in den Kreislaufstrom eingeschleust. Auf diese Weise lassen sich insbesondere dann, wenn der eingeschleuste Stickstoff und der bereits vorliegende Kreislaufstickstoff unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen, Ungleichverteilungen in der Temperatur vermeiden und ein homogenes Mischtemperaturniveau einstellen.
  • Wie bereits erwähnt, kommen in Verfahren der erläuterten Art insbesondere sogenannte Kreislaufpumpen zum Einsatz. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher der in Form des Kreislaufstroms geführte flüssige Stickstoff nach seiner Entnahme am ersten Ende der Kühlstrecke und vor einer erneuten Zuführung am ersten Ende der Kühlstrecke vorteilhafterweise durch eine Kreislaufpumpe geführt, an derer auch eine geeignete Druckdifferenz eingestellt werden kann.
  • Insbesondere kann dabei der in Form des Kreislaufstroms geführte flüssige Stickstoff der Kreislaufpumpe auf einem ersten Druckniveau von wenigstens 2 bar (abs.) zugeführt werden. Beispielsweise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung das erste Druckniveau dabei bei ca. 10 bar (abs.) liegen. Ein entsprechendes Druckniveau ergibt sich insbesondere aus dem Druckniveau stromab der Kreislaufpumpe, das oberhalb des ersten Druckniveaus und beispielsweise bei ca. 15 bar (abs.) liegen kann, und aus den Druckverlusten über die Kühlstrecke.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der aus dem Reservoir entnommene und in den Kreislaufstrom eingeschleuste flüssige Stickstoff dem Reservoir insbesondere auf einem zweiten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus entnommen. Der eingeschleuste Stickstoff wird dabei insbesondere ebenfalls, zusammen mit dem Kreislaufstrom, der Kreislaufpumpe zugeführt. Durch eine entsprechende Einstellung des ersten und zweiten Druckniveaus ergibt sich dabei stets zwingend eine Strömungsrichtung aus dem Reservoir zur Einschleusestelle in den Kreislaufstrom. Der eingeschleuste Stickstoff wird typischerweise mittels eines geeigneten Ventils von dem zweiten auf das erste Druckniveau entspannt, bevor er in den Kreislaufstrom eingeschleust wird.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Varianten der Abkühlung zum Einsatz kommen. Der in Form des Kreislaufstroms geführte flüssige Stickstoff kann dabei der ersten Abkühlung unterworfen werden, bevor und/oder nachdem er durch die Kreislaufpumpe geführt wird. Details sind auch unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert, wobei die in den Figuren 4 bis 6 gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Abkühlung vor und nach der Kreislaufpumpe vorsehen.
  • Da der flüssige Stickstoff in dem Reservoir typischerweise in nicht unterkühltem Zustand vorliegt, in dem Kreislaufstrom hingegen unterkühlter Stickstoff vorliegt, kommt es dann, wenn der aus dem Reservoir eingeschleuste Stickstoff keiner weiteren Abkühlung unterworfen wird, bevor er in den Kreislaufstrom eingeschleust wird, zu einer deutlichen Temperaturerhöhung, die durch eine entsprechende Kälteleistung in dem zugeordneten Unterkühler ausgeglichen werden muss. Dies kann sich als nachteilig erweisen. Daher ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der aus dem Reservoir entnommene und in den Kreislaufstrom eingeschleuste flüssige Stickstoff unter Verwendung eines dritten unterkühlten Stickstoffbads abgekühlt wird, bevor er in den Kreislaufstrom eingeschleust wird.
  • Eine derartige Abkühlung des eingeschleusten Stickstoffs kann also insbesondere durch die Verwendung eines weiteren (dritten) unterkühlten Stickstoffbads vorgenommen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass das das dritte unterkühlte Stickstoffbad dadurch bereitgestellt wird, dass weiterer flüssiger Stickstoff aus dem Reservoir auf dem ersten Druckniveau entnommen und unter teilweiser Verdampfung auf ein drittes Druckniveau entspannt wird. Das dritte Druckniveau kann dabei beispielsweise bei Atmosphärendruck oder leicht, d.h. insbesondere maximal 0,5 bar, oberhalb des Atmosphärendrucks liegen. Auf diese Weise kann entsprechende zusätzliche Kälte generiert werden und es erfolgt eine teilweise Verdampfung des entspannten Stickstoffs.
  • Vorteilhafterweise kann ein bei der Entspannung auf das dritte Druckniveau nicht verdampfter Anteil des weiteren flüssigen Stickstoffs aus dem Reservoir zumindest teilweise dem dritten Stickstoffbad zugeführt und ein bei der Entspannung auf das dritte Druckniveau verdampfter Anteil des weiteren flüssigen Stickstoffs aus dem Reservoir zumindest teilweise als Kühlmittel in der geschlossenen Kühleinrichtung verwendet werden. In dieser Verfahrensvariante, in der insbesondere als die geschlossene Kühleinrichtung eine Kühleinrichtung mit einem Brayton-Kühler verwendet wird, ergibt sich eine weitere Energieeinsparung.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrauchers über eine Kühlstrecke, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt. Die Vorrichtung weist Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, flüssigen Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms, d.h. kontinuierlich im Kreislauf und insbesondere ohne Zwischenspeicherung in einem Behälter, wiederholt einer ersten Abkühlung zu unterwerfen, der Kühlstrecke an dem ersten Ende zuzuführen, von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke zu transportieren, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende zu entnehmen, einer zweiten Abkühlung zu unterwerfen, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende zuzuführen, von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke zu transportieren und der Kühlstrecke an dem ersten Ende zu entnehmen. Die Mittel sind insbesondere dafür eingerichtet, den stets in der gleichen Richtung zu führen, so dass dieser nicht, wie beispielsweise in der DE 10 2012 016 292 A1 , eine Richtungsumkehr erfährt. Diese Mittel umfassen insbesondere entsprechende Leitungen und eine Kreislaufpumpe.
  • Ferner weist die Vorrichtung Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchzuführen. Die Vorrichtung umfasst ein entsprechendes erstes und ein entsprechendes zweites Stickstoffbad. Sie weist ferner eine geschlossene Kühleinrichtung auf, die dafür eingerichtet ist, das erste Stickstoffbad abzukühlen, und Mittel, die dafür eingerichtet sind, das zweite Stickstoffbad zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau zu unterkühlen. Letztere umfassen insbesondere eine entsprechende Vakuumpumpe. Es sind ferner Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise aus einem Reservoir auszugleichen. Ein entsprechendes Reservoir ist ebenfalls Teil der vorgeschlagenen Vorrichtung.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, aus dem Reservoir flüssigen Stickstoff zu entnehmen und in den Kreislaufstrom einzuschleusen, bevor der Kreislaufstrom der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und flüssigen Stickstoff aus dem Kreislaufstrom auszuschleusen und zumindest teilweise dem zweiten Stickstoffbad zuzuführen, nachdem der Kreislaufstrom der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen wird. Auch diese Mittel können insbesondere entsprechende Leitungen und dergleichen umfassen.
  • Insbesondere sind zum Transportieren des flüssigen Stickstoffs in Form des Kreislaufstroms von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke eine oder mehrere erste Kühlpassagen und zum Transport von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke eine oder mehrere zweite Kühlpassagen, die fluidisch von der einen oder den mehreren ersten Kühlpassagen getrennt ist oder sind, bereitgestellt ist oder sind.
  • Zu den weiteren Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und deren vorteilhaften Ausgestaltungen sei auf die obigen, das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen betreffenden Erläuterungen ausdrücklich verwiesen. Explizit soll dies für die Einspeise- und Entnahmeöffnungen, die Druckbedingungen, die fehlende Druckerhöhung am zweiten Ende und die fehlenden Umschaltventile gelten, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß bevorzugter Ausgestaltungen implementiert sein können. Vorteilhafterweise ist eine entsprechende Vorrichtung oder eine Ausgestaltung hiervon dafür eingerichtet, ein entsprechendes Verfahren oder eine Variante hiervon auszuführen.
  • Dies gilt auch für das erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehene System mit einem zu kühlenden Verbraucher, welches sich erfindungsgemäß durch eine entsprechende Vorrichtung auszeichnet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in der Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1 zeigt ein System gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 2 zeigt ein System gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 3 zeigt ein System gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 4 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 5 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 6 zeigt ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 7 veranschaulicht eine Kühlpassage, die in einem System gemäß den vorstehenden Figuren bereitgestellt sein kann.
  • In den Figuren sind gleiche oder einander funktionell entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung derartiger Elemente wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Flüssige Medien sind mittels schwarzer (ausgefüllter), gasförmige Medien mittels weißer (nicht ausgefüllter) Flusspfeile veranschaulicht.
    • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist ein System gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt.
  • Das in Figur 1 gezeigte System umfasst einen Verbraucher 1, bei dem es sich, wie erwähnt, insbesondere um ein (HTSL-)Kabelsystem handeln kann. Der Verbraucher 1 wird unter Verwendung von flüssigem Stickstoff, der in einem Kreislaufstrom 2 geführt wird, gekühlt. Nach der Verwendung zur Kühlung des Verbrauchers 1 wird der flüssige Stickstoff des Kreislaufstroms 2 im dargestellten Beispiel einer Abkühlung in einem Wärmetauscher 3 unterworfen, einer Kreislaufpumpe 4 zugeführt, in einem weiteren Wärmetauscher 5 abgekühlt, und erneut zur Kühlung des Verbrauchers 1 verwendet. Alternativ zur Darstellung gemäß Figur 1 kann auch nur einer der beiden Wärmetauscher 3 und 5 vorgesehen sein.
  • Die Wärmetauscher 3 und 5, soweit jeweils vorhanden, sind in jeweils in einem unterkühlten Stickstoffbad in einem Unterkühler 6 angeordnet. Der Stickstoff in dem Kreislaufstrom 2 kann auf diese Weise auf ein Temperaturniveau von beispielsweise ca. 67 K abgekühlt und auf diesem Temperaturniveau zur Kühlung des Verbrauchers 1 verwendet werden. Er erwärmt sich bei der Kühlung des Verbrauchers 1 auf ein Temperaturniveau von beispielsweise ca. 73 K.
  • Die Unterkühlung des Stickstoffbads in dem Unterkühler 6 wird durch eine Druckreduktion unter Verwendung einer Pumpe 7 bewirkt, die aus dem Stickstoffbad verdampfenden Stickstoff abpumpt und auf diese Weise das Druckniveau in dem Unterkühler 6 verringert. Der abgepumpte Stickstoff wird beispielsweise an die Atmosphäre (amb) abgeführt. Durch das Abpumpen entstehende Stickstoffverluste werden durch flüssigen Stickstoff aus einem Reservoir 8 über ein Ventil 9 ausgeglichen. Das Reservoir 8 kann mittels einer Luftzerlegungsanlage gespeist werden, kann. Das Reservoir 8 ist hier mit einem Druckaufbauverdampfer 10 versehen.
  • Zur Einstellung des Druckniveaus des Stickstoffs in dem Kreislaufstrom 2 stromauf der Kreislaufpumpe 4 ist im dargestellten Beispiel eine nicht gesondert bezeichnete bidirektionale Verbindung mit dem Reservoir 8 vorgesehen. Das Druckniveau des Stickstoffs in dem Kreislaufstrom 2 stromauf der Kreislaufpumpe 4 und zugleich in dem Reservoir liegt dabei typischerweise oberhalb von 2 bar (abs.), beispielsweise bei ca. 10 bar (abs.). Das Druckniveau des Stickstoffs in dem Kreislaufstrom 2 stromab der Kreislaufpumpe 4 liegt oberhalb hiervon, beispielsweise bei ca. 15 bar (abs.). Das Druckniveau in dem Unterkühler 6 liegt unterhalb des Atmosphärendrucks, insbesondere bei 0,1 bis 0,5 bar (abs.), beispielsweise bei ca. 0,2 bar (abs.).
  • In Figur 2 ist ein System gemäß einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt.
  • Da die Druckreduktion in dem Unterkühler 6 durch das Abpumpen des Stickstoffs mittels der Pumpe 7 zu Stickstoff- und Kälteverlusten führt, kann auch auf eine geschlossene Kühleinrichtung 11 zurückgegriffen werden, die in dem System gemäß Figur 2 zusätzlich zu der Pumpe 7 vorgesehen ist. In der Kühleinrichtung 11 wird der Stickstoff aus dem Unterkühler 6 unter Verwendung einer geeigneten Kältemaschine, die insbesondere einen oder mehrere Stirling-Kühler und/oder einen oder mehrere, unter Verwendung von Neon und/oder Helium betriebene Brayton-Kühler umfassen kann, zusätzlich gekühlt. Der Stickstoff tritt dabei gasförmig in die Kühleinrichtung 11 ein und wird flüssig in den Unterkühler 6 zurückgeführt.
  • Ferner ist in dem System gemäß Figur 2 eine Druckregeleinrichtung 21 vorgesehen, die anstelle der in dem System gemäß Figur 1 vorgesehenen Verbindung mit dem Reservoir 8 zur Druckeinstellung eingerichtet ist. Auf diese Weise kann das Druckniveau in dem Reservoir 8 auf einen Wert eingestellt werden, der unabhängig von dem Druckniveau stromauf der Kreislaufpumpe 4 ist.
  • In Figur 3 ist ein System gemäß einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt.
  • Das System gemäß Figur 3 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine längere Kühlstrecke überwunden werden soll. Hierbei ist an einem Ende des Verbrauchers 1 bzw. einer entsprechenden Kühlstrecke der Unterkühler 6 mit den Wärmetauschern 3 und/oder 5 und am anderen Ende des Verbrauchers 1 bzw. der entsprechenden Kühlstrecke ein weiterer Unterkühler 12 mit einem Wärmetauscher 13 angeordnet. Der Unterkühler 6 ist dabei mit der Pumpe 7 versehen, der weitere Unterkühler 12 ist mit der Kühleinrichtung 11 ausgestattet. Auf diese Weise kann eine zu starke Erwärmung des Stickstoffs in dem Kreislaufstrom 2 über die (lange) Kühlstrecke verhindert werden. In Figur 4 ist ein System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Im Gegensatz zu dem in Figur 3 gezeigten System befinden sich in dem System 100 gemäß Figur 4 die Kühleinrichtung 11 und das Reservoir 8 an demselben Ende des Verbrauchers 1 bzw. einer entsprechenden Kühlstrecke und sind dem dort angeordneten Unterkühler 6 zugeordnet. Der am anderen Ende angeordnete Unterkühler 12 ist hingegen mit der Pumpe 7 ausgestattet. Auf diese Weise können die viel Bauraum beanspruchenden Einrichtungen, nämlich die Kühleinrichtung 11 und das Reservoir 8, hier konzentriert werden. Die Pumpe 7 kann hingegen unter Beanspruchung von wenig Bauraum am anderen Ende angeordnet werden, an dem ggf. Raumnot herrscht bzw. andere Einrichtungen angeordnet sind.
  • Zum Ausgleich des Stickstoffverlusts durch das Abpumpen mittels der Pumpe 7 wird hier über das Ventil 9 Stickstoff aus dem Reservoir 8 am einen Ende in den Kreislaufstrom 2 und nicht etwa in einen entsprechenden Unterkühler eingeschleust. Dieser zusätzlich eingeschleuste Stickstoff wird dabei mittels einer Mischeinrichtung 14 in den Kreislaufstrom 2 eingemischt. Am anderen Ende wird dieser Stickstoff aus dem Kreislaufstrom 2 wieder ausgeschleust und über ein Ventil 15 und eine entsprechende Leitung dem dort vorgesehenen Unterkühler 12 zugeführt.
  • In Abweichung zu dem in Figur 1 dargestellten System wird in dem System 100 gemäß Figur 4 der Stickstoff nur in Richtung von dem Reservoir 6 zu der Einspeisestelle, d.h. zu der hier vorgesehenen Mischeinrichtung 14. Es ist kein bidirektionaler Stickstofffluss vorgesehen, wie in dem in Figur 1 dargestellten System grundsätzlich möglich. Das Druckniveau in dem Reservoir 8 ist daher (etwas) höher als das Druckniveau des Stickstoffs in dem Kreislaufstrom 2 stromauf der Kreislaufpumpe 4. Der verwendete Druckunterschied kann grundsätzlich höher oder niedriger als das Druckniveau des Stickstoffs in dem Kreislaufstrom 2 stromauf der Kreislaufpumpe 4 sein.
  • In Figur 5 ist ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt und insgesamt mit 200 bezeichnet.
  • In dem System 200 gemäß Figur 5 ist das mögliche Problem adressiert, dass der über das Ventil 9 eingespeiste Stickstoff eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist und damit bei der Einmischung mittels der Mischeinrichtung 14 zu einer entsprechenden Temperaturerhöhung in dem Kreislaufstrom 2 führt.
  • Daher wird hier ein zweiter bzw. weiterer Unterkühler 18 mit einem entsprechenden Wärmetauscher 16 eingesetzt. Der in den Kreislaufstrom 2 einzuspeisende Stickstoff wird dabei nach der Entnahme aus dem Reservoir 8 mittels des Ventils 9 entspannt und durch den Wärmetauscher 16 geführt. Ein Stickstoffbad in dem weiteren Unterkühler 18 wird durch weiteren Stickstoff, der aus dem Reservoir 8 entnommen und mittels eines weiteren Ventils 17 auf Atmosphärendruck oder leicht darüber entspannt wird, bereitgestellt. Der über das Ventil 17 entspannte Stickstoff verdampft zum Teil. Der verdampfte Teil wird an die Atmosphäre (atm) abgeführt. Der flüssig verbliebene Anteil liegt in unterkühltem Zustand vor und kann daher als Kühlmedium eingesetzt werden.
  • Das Druckniveau in dem weiteren Unterkühler 18 liegt bei Atmosphärendruck oder leicht, d.h. typischerweise maximal 0,5 bar, darüber. Durch die beschriebene Abkühlung liegt der in den Kreislaufstrom 2 einzuspeisende Stickstoff bereits auf einem Temperaturniveau von typischerweise weniger als 80 K vor, so dass entsprechende Verluste bei der Einmischung über die Mischeinrichtung vermieden werden. Die erforderliche Kühlkapazität der Kühleinrichtung 11 kann auf diese Weise ebenfalls in entsprechendem Umfang verringert werden.
  • In Figur 6 ist ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt und insgesamt mit 300 bezeichnet.
  • In Erweiterung zu dem in Figur 5 veranschaulichten System 200 wird hier aus dem weiteren Unterkühler 18 abströmender gasförmiger Stickstoff auch als Kühlmedium in der Kühleinrichtung 11, die hier insbesondere einen Brayton-Kühler aufweisen kann, verwendet. Hierzu ist ein entsprechender Wärmetauscher 19 vorgesehen. Auf diese Weise können Energieverluste weiter verringert werden.
  • Ergänzend ist in Figur 7 eine Kühlstrecke veranschaulicht, die in einem System gemäß den vorstehenden Figuren bereitgestellt sein kann. Diese ist hier mit 1000 zusammengefasst. Wie zuvor sind ein Verbraucher mit 1 und ein Kreislaufstrom mit 2 angegeben. Durch eine gestrichelte Linie 1100 getrennte Kühlpassagen sind mit 1010 und 1020 veranschaulicht. Die Kühlpassagen 1010 und 1020 sind zum Transportieren des flüssigen Stickstoffs in Form des Kreislaufstroms 2 von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke einerseits ("erste Kühlpassage" 1010) und zum Transport von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke andererseits ("zweite Kühlpassage" 1020) vorgesehen und im zuvor erläuterten Sinne fluidisch voneinander getrennt.
  • Das erste Ende der Kühlstrecke 1000 trägt hier das Bezugszeichen 1001, das zweite Ende der Kühlstrecke das Bezugszeichen 1002. Eine Einspeiseöffnung (für den Kreislaufstrom 2 am ersten Ende 1001 in die Kühlstrecke 1000 bzw. die erste Kühlpassage 1010) ist mit 1011 bezeichnet ("erste Einspeiseöffnung"). Eine Entnahmeöffnung (für den Kreislaufstrom 2 am zweiten Ende 1002 aus der Kühlstrecke 1000 bzw. der ersten Kühlpassage 1010) ist mit 1012 bezeichnet ("erste Entnahmeöffnung"). Eine Einspeiseöffnung (für den Kreislaufstrom 2 am zweiten Ende 1002 in die Kühlstrecke 1000 bzw. die zweite Kühlpassage 1020) ist mit 1021 bezeichnet ("zweite Einspeiseöffnung"). Eine Entnahmeöffnung (für den Kreislaufstrom 2 am ersten Ende 1001 aus der Kühlstrecke 1000 bzw. der zweiten Kühlpassage 1020) ist mit 1022 bezeichnet ("zweite Entnahmeöffnung").

Claims (13)

  1. Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers (1) über eine Kühlstrecke, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wobei
    - flüssiger Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms (2) kontinuierlich und im Kreislauf wiederholt einer ersten Abkühlung unterworfen, der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt, von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen, einer zweiten Abkühlung unterworfen, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende zugeführt, von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert und der Kühlstrecke an dem ersten Ende entnommen wird,
    - die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchgeführt wird, wobei das erste Stickstoffbad zumindest teilweise mittels einer geschlossenen Kühleinrichtung (11) und das zweite Stickstoffbad zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt wird,
    - eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise aus einem Reservoir (8) ausgeglichen wird,
    - aus dem Reservoir (8) flüssiger Stickstoff entnommen und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird, bevor der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und
    - flüssiger Stickstoff aus dem Kreislaufstrom (2) ausgeschleust und zumindest teilweise dem zweiten Stickstoffbad zugeführt wird, nachdem der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen wird,
    - dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Stickstoff in Form des Kreislaufstroms (2) beim Transport von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke durch eine oder mehrere erste Kühlpassagen geführt wird und beim Transport von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke durch eine oder mehrere zweite Kühlpassagen, die fluidisch von der einen oder den mehreren ersten Kühlpassagen getrennt ist oder sind, geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff unter Verwendung einer Mischeinrichtung (14) in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der in Form des Kreislaufstroms (2) geführte flüssige Stickstoff nach seiner Entnahme am ersten Ende der Kühlstrecke und vor einer erneuten Zuführung am ersten Ende der Kühlstrecke durch eine Kreislaufpumpe (4) geführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der in Form des Kreislaufstroms (2) geführte flüssige Stickstoff der Kreislaufpumpe (4) auf einem ersten Druckniveau von wenigstens 2 bar (abs.) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff dem Reservoir (8) auf einem zweiten Druckniveau oberhalb des ersten entnommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der in Form des Kreislaufstroms (2) geführte flüssige Stickstoff der ersten Abkühlung unterworfen wird, bevor und/oder nachdem er durch die Kreislaufpumpe (4) geführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird, bevor der Kreislaufstrom (2) durch die Kreislaufpumpe (4) geführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff unter Verwendung eines dritten unterkühlten Stickstoffbads abgekühlt wird, bevor er in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das das dritte unterkühlte Stickstoffbad dadurch bereitgestellt wird, dass weiterer flüssiger Stickstoff aus dem Reservoir (8) auf dem ersten Druckniveau entnommen und unter teilweiser Verdampfung auf ein drittes Druckniveau entspannt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein bei der Entspannung auf das dritte Druckniveau nicht verdampfter Anteil des weiteren flüssigen Stickstoffs aus dem Reservoir (8) zumindest teilweise dem dritten Stickstoffbad zugeführt und ein bei der Entspannung auf das dritte Druckniveau verdampfter Anteil des weiteren flüssigen Stickstoffs aus dem Reservoir (8) zumindest teilweise als Kühlmittel in der geschlossenen Kühleinrichtung (11) verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als die geschlossene Kühleinrichtung (11) eine Kühleinrichtung mit einem Brayton-Kühler verwendet wird.
  12. Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrauchers (1) über eine Kühlstrecke (1000), die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wobei die Vorrichtung zumindest folgendes umfasst:
    - mindestens zwei Wärmetauscher (3, 5, 13) und eine Kreislaufpumpe (4), die dafür eingerichtet sind und so in Verbindung stehen, dass flüssiger Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms (2) kontinuierlich im Kreislauf geführt wird und wiederholt einer ersten Abkühlung am ersten Wärmetauscher (5) unterworfen wird , anschließend der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert wird, der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen wird und einer zweiten Abkühlung in einem zweiten Wärmetauscher (13) unterworfen wird, anschließend der Kühlstrecke an dem zweiten Ende zugeführt wird und anschließend von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke transportiert wird und der Kühlstrecke an dem ersten Ende wieder entnommen wird,
    - wobei die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads (6), welches den ersten Wärmetauscher (5) umgibt, und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads (12), welches den zweiten Wärmetauscher (13) umgibt durchgeführt wird, wobei eine geschlossene Kühleinrichtung (11), so eingerichtet ist, dass das erste Stickstoffbad (6) abgekühlt wird und mit diesem dazu in Verbindung steht und eine Vakuumpumpe (7), dafür eingerichtet ist, dass das zweite Stickstoffbad (12) zumindest teilweise durch eine Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt wird und so mit dem zweiten Stickstoffbad (12) in Verbindung steht
    - ein Reservoir (8), welches dafür eingerichtet ist, eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad (12) verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise auszugleichen, wozu
    - das Reservoir (8) über ein Ventil (9) mit dem Kreislaufstrom (2) in Verbindung steht, um flüssigen Stickstoff zu entnehmen und in den Kreislaufstrom (2) einzuschleusen, bevor der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und flüssiger Stickstoff aus dem Kreislaufstrom (2) ausgeschleust und zumindest teilweise dem zweiten Stickstoffbad (12) zugeführt wird, nachdem der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen wird, wozu der Kreislaufstrom (2) über ein Ventil (15) mit dem zweiten Stickstoffbad (12) in Verbindung steht,
    - dadurch gekennzeichnet, dass zum Transportieren des flüssigen Stickstoffs in Form des Kreislaufstroms (2) von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende entlang der Kühlstrecke eine oder mehrere erste Kühlpassagen (1010) und zum Transport von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende entlang der Kühlstrecke eine oder mehrere zweite Kühlpassagen (1020), die fluidisch von der einen oder den mehreren ersten Kühlpassagen getrennt ist oder sind, bereitgestellt ist oder sind.
  13. System (100, 200, 300, 400) mit einem zu kühlenden Verbraucher (1), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12.
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