EP3511650A1 - 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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EP3511650A1
EP3511650A1 EP18020652.6A EP18020652A EP3511650A1 EP 3511650 A1 EP3511650 A1 EP 3511650A1 EP 18020652 A EP18020652 A EP 18020652A EP 3511650 A1 EP3511650 A1 EP 3511650A1
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EP
European Patent Office
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cooling
nitrogen
reservoir
liquid nitrogen
bath
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EP18020652.6A
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EP3511650B1 (de
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Lutz Decker
Alexander Alekseev
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Linde Kryotechnik AG
Linde GmbH
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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 claims.
  • High and medium voltage cables and busbars can be designed as high-temperature superconductors (HTSC). Such cables and busbars may carry direct current or alternating current and are also referred to as "HTSC current feeders". 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 apparatus for cooling objects, in which or a cooling medium supplied from a first reservoir via a first cooling medium line to an object to be cooled, brought into thermal contact with this and subsequently discharged via a second cooling medium line.
  • the cooling medium is supplied after the thermal contact with the object via the second cooling medium line to a second reservoir and stored there until a predetermined filling level is reached in the first or in the second reservoir.
  • the cooling medium from the second reservoir is supplied to the object for cooling and brought into thermal contact with this and then returned to the first reservoir, after which it is again available for cooling the object.
  • the same flow paths in both directions of flow should at least partially be used.
  • the method and the device should be particularly suitable for cooling superconducting cables.
  • the object of the present invention is therefore to remedy this situation and to provide improved technical possibilities for cooling corresponding consumers using liquid nitrogen with high availability.
  • the present invention proposes a method and a device for cooling a consumer, in particular a power supply, preferably a HTSC power supply, as well as a system with a corresponding device and a consumer with the features of the independent claims.
  • a power supply preferably a HTSC power supply
  • Preferred embodiments are subject of the dependent claims and the following description.
  • the liquid nitrogen in the systems mentioned above is conveyed by means of a pump (so-called circulation pump) and subcooled in a subcooler to the required cooling temperature.
  • the liquid nitrogen is passed to the consumer where it is warmed up and returned to the circulation pump.
  • the liquid nitrogen carried in this way as a circulation stream is also called "circulating nitrogen”.
  • the term "subcooler” is used because the liquid nitrogen is a supercooled liquid after cooling.
  • the heat exchanger in a subcooler in its simplest form, is a coil placed in a nitrogen bath ("bad nitrogen").
  • the warmer circulating nitrogen is guided inside the coil and cooled by the external, colder bath nitrogen.
  • the bath nitrogen evaporates continuously.
  • Alternative to coil heat exchangers other types of heat exchangers can be used.
  • the pressure in the cooling circuit downstream of the pump is selected so that the circulating nitrogen always remains liquid and no vapor bubbles occur. From a thermodynamic point of view, this means that the pressure in the circuit should always be higher than in the bath of the subcooler, and that the circulating nitrogen must not be warmed above the boiling point.
  • the lowest temperature of the circulation nitrogen is achieved at the outlet 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 effect supercooling, the nitrogen bath must therefore be brought to a corresponding temperature.
  • the pressure of the bad nitrogen can be reduced by a pressure reduction in which evaporating nitrogen is pumped out continuously using a mechanical (for example, oil-lubricated) vacuum pump.
  • the lower limit of the achievable by the pressure reduction temperature is about 63 K, which corresponds to a vapor pressure of about 0.13 bar.
  • the nitrogen would freeze.
  • a corresponding pressure reduction typically leads to nitrogen and cold losses, because the pumped nitrogen and its cold can not be recovered or only with great difficulty as a rule.
  • the losses of bad nitrogen resulting from evaporation in the subcooler are typically compensated by replenishment of 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 Badstickstoff can also be reduced by one or more closed cooling devices (also referred to as cryocooler) are integrated into the subcooler.
  • the one or more chillers cool and liquefy / re-condense the bad nitrogen evaporating during cooling down to the required cooling temperature; a vacuum pump is not needed in this case. In this way, nitrogen and cold losses can be reduced.
  • 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 liquefied and recycled into the system.
  • the cooling path thus extends between the first end and a second end.
  • the liquid nitrogen is in such systems in the form of a circulatory stream repeated (ie continuously in circulation) subjected to a first cooling, the cooling section supplied at the first end, transported from the first end to the second end along the cooling path, the cooling section at the second end taken, subjected to a second cooling, the cooling section fed back to the second end, transported from the second end to the first end along the cooling path and the cooling section at the first end again taken.
  • the first cooling is done using a first supercooled nitrogen bath in a subcooler and the second cooling carried out using a second supercooled nitrogen bath in another subcooler.
  • the first nitrogen bath can be at least partially undercooled by means of a closed cooling device and the second nitrogen bath at least partially by reducing the pressure to a subatmospheric pressure level.
  • the pressure reduction takes place in that gaseous nitrogen is pumped out of a head space above a nitrogen bath from a subcooler by means of a mechanical vacuum pump, in particular, and is discharged, in particular, to the surrounding atmosphere.
  • an equalization of the nitrogen losses by the pumping down for pressure reduction by feeding nitrogen from a reservoir is made, which can be filled, for example using an air separation plant with liquid nitrogen.
  • the reservoir and the closed cooling device at the first end of the cooling section, the vacuum pump required for pressure reduction, however, are arranged at the other end of the cooling section.
  • a corresponding vacuum pump is a comparatively small unit that is much easier to accommodate at the second end, especially when the space at the second end is limited.
  • a corresponding vacuum pump can also be connected via a line to the provided at the second end of the cooling section subcooler and does not have to be arranged and the immediate vicinity of the same. This way you can be made by repositioning a further favorable adaptation to the available space.
  • the nitrogen losses occurring in the second nitrogen bath due to the pressure reduction due to the pumping off can likewise be compensated from a reservoir, which, however, is now arranged at the opposite end of the cooling section.
  • the compensated for the losses from the reservoir nitrogen is introduced at the end of the cooling section, where the reservoir is arranged in the circulation stream and at the other end of the cooling section, where the pressure reduction takes place, discharged from the circulation stream and to fill the used there arranged Stickstoffbads.
  • the circulation stream thus serves to transport this nitrogen.
  • the present invention contemplates and improves its availability without requiring full redundancy with respect to the closed cooling device.
  • the present invention is therefore based on a method for cooling a consumer via a cooling section, which extends between a first end and a second end.
  • the method is carried out in at least a first time period in a first method mode and in at least a second, different time period in a second method mode.
  • liquid nitrogen is repeated in the form of a circulating stream, ie continuously in circulation and in particular without intermediate storage in a container, and each successively subjected to a first cooling supplied to the cooling line at the first end, from the first end transported to the second end along the cooling path, taken from the cooling section at the second end, subjected to a second cooling, supplied to the cooling section at the second 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 circulation stream is always guided in particular in the same direction and does not experience, such as in the DE 10 2012 016 292 A1 , a reversal of direction.
  • the first cooling is carried out using a first supercooled nitrogen bath and the second cooling using a second supercooled nitrogen bath, wherein the first nitrogen bath in the first process mode is at least partially supercooled by means of a closed cooling device and the second nitrogen bath is at least partially subcooled in the first and in the second process mode by reducing the pressure to a subatmospheric pressure level.
  • a quantity of nitrogen which evaporates from the second nitrogen bath due to the pressure reduction to the subatmospheric pressure level in the first and in the second process mode is thereby at least partially compensated from a reservoir in the process.
  • the liquid nitrogen is guided in the context of the inventive method in the form of the circulation stream in particular during transport from the first end to the second end along the cooling section through one or more first cooling passages and during transport from the second end to the first end along the cooling section by a or a plurality of second cooling passages fluidly separated from the one or more first cooling passages.
  • one or more other cooling passages are provided for the guidance from the first to the second end than for the guidance from the second end to the first end.
  • a "cooling passage” designates a fluid guide structure which is provided with heat exchange surfaces.
  • the circulation flow is and can not be performed in the same cooling passages in the context of the present invention, as in the DE 10 2012 016 292 A1 due to the local shuttle operation is the case. If we are talking here of a "fluidic separation" of the cooling passages, it should of course not be ruled out that the cooling passages are open at their terminal ends and are connected to one another via lines which conduct the circulation flow.
  • the cooling section comprises a first feed opening, a first removal opening, a second feed opening and a second removal opening for the liquid nitrogen, wherein the first feed opening with the first removal opening in particular via the first mentioned (s).
  • Cooling passage (s) and the second feed opening are connected to the second discharge opening, in particular via the mentioned second (s) cooling passage (s).
  • the first feed opening and the second removal opening are located at the first end, the first removal opening and the second supply opening at the second end of the cooling section.
  • An "opening” refers to a connection of any kind in the language used here, for example a flange or connecting piece.
  • the liquid nitrogen in the circulating stream is supplied via the first feed opening at the first end of the cooling section of this cooling section or the first cooling passages and removed via the first removal opening at the second end.
  • the liquid nitrogen if a corresponding circulation stream is formed, fed via the second feed opening at the second end of the cooling section of this cooling section or the second cooling 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 withdrawn 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 withdrawn at the first end of the cooling section is below the third pressure level.
  • the liquid nitrogen is advantageously not subjected to pressure-increasing measures at the second end of the cooling section. So here is, for example, in contrast to the several mentioned DE 10 2012 016 292 A1 , no pressure build-up device and no pump. A corresponding increase in pressure takes place in the context of the present invention, in particular only at the first end of the cooling section using a circulation pump. Furthermore, in the context of the present invention, the liquid nitrogen of the circulation stream, so there are no switching valves are provided.
  • liquid nitrogen is taken from the reservoir and introduced into the circulation stream before the circulation stream is fed to the cooling section at the first end, and liquid nitrogen is discharged from the circulation stream and at least partially fed to the second nitrogen bath, after the circulation stream of the cooling section taken from the second end.
  • the second method mode is performed.
  • the closed cooling device used at the first end of the cooling section operates at full power, ie, the first method mode represents in particular the control mode.
  • the second method mode is a method mode Closed cooling device used at the end of the cooling section does not work or at least can not work or work at full power. It is therefore an emergency or backup process mode, which is carried out, for example, in the case of a partial or complete unplanned failure of the closed cooling device, but also, for example, during corresponding planned events, for example in the case of routinely required maintenance.
  • the first nitrogen bath is at least partially subcooled in the first process mode by means of the closed cooling device, this does not exclude that the first nitrogen bath is also subcooled in the second process mode at least partially by means of the closed cooling device, but this then works with it lower power.
  • the present invention makes use of the fact that in order to compensate for the usual evaporation losses which occur in the subcooling at the second end of the cooling section, a reservoir for liquid nitrogen is already available at the first end of the cooling section, the contents of which are now advantageously also for bridging periods, in which the closed cooling device used at the first end of the cooling section does not work, or at least does not operate at full power, can be used.
  • Corresponding nitrogen is advantageously already subcooled before being introduced into the mentioned circulation stream in a subcooler and can therefore be used to fill the first supercooled nitrogen bath at the first end of the cooling section.
  • a pressure reduction in the first nitrogen bath by means of a pump, similar to the second nitrogen bath.
  • the method according to the invention comprises, in the second method, the closed cooling device is not operated or only to a reduced extent or with reduced power and taken to compensate from the reservoir further liquid nitrogen, supercooled and fed to the first supercooled nitrogen bath, and that in the second mode of operation by means of a pump from the first nitrogen bath, gaseous nitrogen is pumped off under reduced pressure to a subatmospheric pressure level in the first supercooled nitrogen bath.
  • a container used for receiving the first nitrogen bath ie the corresponding subcooler
  • a two- to three-fold storage volume is provided.
  • a closed cooling device in which one or more refrigerant circuits are formed with one or more refrigerants, which in the first operating mode using a first number of compressors and in the second operating mode with a second or smaller number of compressors is or will be compressed.
  • the first number of compressors may be two and the second number of compressors one.
  • a closed cooling device can be used, in which part of the compression and thus cooling power provided in the first method mode with a larger number of operated compressors can also be provided in the second operating mode, in which there is less or only one compressor be used.
  • This lower cooling capacity can be compensated by the inventive use of the liquid nitrogen, which is withdrawn from the reservoir and fed to the first nitrogen bath.
  • a failure of a compressor of two or more compressors can be tolerated, as long as a corresponding compensation of the reduced cooling capacity by means of the liquid nitrogen is possible.
  • a corresponding closed cooling device can be set up without redundant design for emergency operation.
  • the liquid nitrogen withdrawn from the reservoir and introduced into the circulation stream is advantageously introduced into the circulation stream using a mixing device.
  • a mixing device In this way, in particular when the introduced nitrogen and the already existing cycle nitrogen have different temperature levels, it is possible to avoid unequal distributions in the temperature and to set a homogeneous mixing temperature level.
  • the liquid nitrogen guided in the form of the circulation stream is advantageously passed through a circulation pump after its removal at the first end of the cooling section and before a renewed supply at the first end of the cooling section, at which a suitable pressure difference can also be set.
  • the guided in the form of the circulating stream liquid nitrogen of the circulation pump at a first pressure level of at least 2 bar (abs.) are supplied.
  • the first pressure level can be about 10 bar (abs.).
  • a corresponding pressure level results in particular from the pressure level downstream of the circulation pump, which may be above the first pressure level and, for example, at about 15 bar (abs.), And from the pressure losses across the cooling section.
  • the liquid nitrogen withdrawn from the reservoir and introduced into the circulation stream is supplied to the reservoir, in particular at a second pressure level above the first Taken from pressure levels.
  • the injected nitrogen is in particular also, together with the circulation stream, fed to the circulation pump.
  • a flow direction always necessarily results from the reservoir to the point of introduction into the circulation flow.
  • the introduced nitrogen is typically depressurized from the second to the first pressure level by means of a suitable valve before it is introduced into the circulation stream.
  • cooling can be used.
  • the guided in the form of the circulating current liquid nitrogen can be subjected to the first cooling, before and / or after it is passed through the circulation pump. Details are also explained in more detail with reference to the drawings, wherein in the FIGS. 4 to 6 shown embodiments of the present invention provide a cooling before and after the circulation pump.
  • the liquid nitrogen in the reservoir is typically in non-supercooled state, in the circulating stream, however, is undercooled nitrogen, it comes when the infiltrated from the reservoir nitrogen is not subjected to further cooling before it is introduced into the recycle stream, to a significant Temperature increase, which must be compensated by a corresponding cooling capacity in the associated subcooler. Therefore, as already mentioned, it is advantageously provided in the context of the present invention for the liquid nitrogen withdrawn from the reservoir and introduced into the circulation stream to be cooled using a third supercooled nitrogen bath before it is introduced into the circulation stream.
  • the third supercooled nitrogen bath is also used for subcooling the liquid nitrogen fed into the first supercooled nitrogen bath in the second operating mode.
  • Such a cooling of the introduced into the cycle stream and, in the second process mode, fed into the first supercooled nitrogen bath liquid nitrogen can thus be made in particular by the use of another, ie third, supercooled nitrogen bath.
  • the third supercooled nitrogen bath is provided by further liquid nitrogen is removed from the reservoir at the first pressure level and is expanded with partial evaporation to a third pressure level.
  • the third pressure level may be, for example, at atmospheric pressure or slightly, ie in particular at most 0.5 bar, above the atmospheric pressure. In this way, corresponding additional cold can be generated and there is a partial evaporation of the expanded nitrogen.
  • a non-vaporized portion of the further liquid nitrogen from the reservoir at least partially fed to the third nitrogen bath during the expansion to the third pressure level and a portion of the further liquid nitrogen evaporated from the reservoir at least partially as coolant in the vaporized during the relaxation to the third pressure level closed cooling device can be used.
  • a cooling device with a Brayton cooler is used in particular as the closed cooling device, a further energy saving results.
  • the present invention also extends to a device for cooling a consumer via a cooling path extending between a first end and a second end.
  • the device is operable in at least a first time period in a first mode of operation and in at least a second, different time period in a second mode of operation and has means adapted to, in the first and second modes of operation, for liquid nitrogen in the form of a circulating stream, ie continuously in the cycle and in particular without intermediate storage in a container, repeatedly and in each case successively subject to a first cooling to supply the cooling section at the first end, to transport from the first end to the second end along the cooling section, remove the cooling section at the second end to subject a second cooling, to supply the cooling section at the second end, to transport from the second end to the first end along the cooling section and to remove the cooling section at the first end.
  • the means are in particular arranged to always lead the same in the same direction, so that this not, as in the DE 10 2012 016 292 A1 , undergoes a revers
  • the apparatus comprises means which are adapted to carry out the first cooling in the first and in the second operating mode using a first supercooled nitrogen bath and the second cooling using a second supercooled nitrogen bath.
  • the first and the second nitrogen bath or containers are part of the device. It further includes a closed cooling device adapted to cool the first nitrogen bath in the first mode of operation and means adapted to at least partially subcool the second nitrogen bath in the first and second modes of operation by reducing pressure to a subatmospheric pressure level.
  • the latter in particular comprise a vacuum pump.
  • Means are furthermore provided which are set up to at least partially compensate for a quantity of nitrogen evaporating from the second nitrogen bath due to the pressure reduction to the subatmospheric pressure level from the first and second operating modes, for which purpose the device has corresponding lines and in particular corresponding valves.
  • the device is characterized in particular by means which are adapted to remove liquid for the said compensation from the reservoir liquid nitrogen and infiltrate into the circulation stream before the circulation stream of the cooling section is supplied at the first end, and liquid nitrogen from the circulation stream sesschleusen and at least partially supply the second nitrogen bath after the recycle stream of the cooling section is removed at the second end.
  • means are provided which are set up whenever, in the second operating mode, the closed cooling device is not operated or only operated at reduced power, to withdraw further liquid nitrogen from the reservoir, to subcool and supply it to the first supercooled nitrogen bath.
  • a pump is provided which is adapted to pump in the second operating mode from the first nitrogen bath gaseous nitrogen under pressure reduction to a subatmospheric pressure level.
  • Part of the device is also a control device, which is set up to output a control input to the device, so that it operates in the first or in the second operating mode.
  • the control device can, for example, also be configured to recognize that the closed cooling device can not operate or only with reduced power and to switch on this basis from the first to the second operating mode.
  • Liquid media are exemplified by black (filled) gaseous media with white (unfilled) flow arrows.
  • FIG. 1 a system according to a non-inventive embodiment is shown in a simplified schematic representation.
  • the system shown comprises a consumer 1 which, as mentioned, may in particular be a (HTSC) cable system.
  • the consumer 1 is cooled using liquid nitrogen, which is conducted in a circulation stream 2.
  • the liquid nitrogen of the cycle stream 2 is subjected to cooling in a heat exchanger 3 in the example shown, fed to a circulation pump 4, cooled in a further heat exchanger 5, and used again to cool the consumer 1.
  • a circulation pump 4 cooled in a further heat exchanger 5
  • the heat exchangers 3 and 5, if present, are each arranged in a subcooled nitrogen bath in a subcooler 6.
  • the nitrogen in the circulation stream 2 can be cooled in this way to a temperature level of, for example, about 67 K and used at this temperature level for cooling the consumer 1. It heats up during the cooling of the consumer 1 to a temperature level of, for example, about 73 K.
  • the supercooling of the nitrogen bath in the subcooler 6 is effected by a pressure reduction using a pump 7 which pumps off nitrogen vaporized from the nitrogen bath and thus reduces the pressure level in the subcooler 6.
  • the pumped nitrogen is discharged, for example, to the atmosphere (amb). Loss of nitrogen resulting from the pumping are compensated by liquid nitrogen from a reservoir 8 via a valve 9.
  • the reservoir 8 can be fed by means of an air separation plant can.
  • the reservoir 8 is provided here with a pressure build-up evaporator 10.
  • the pressure level of the nitrogen in the circulation stream 2 upstream of the circulation pump 4 and at the same time in the reservoir is typically above 2 bar (abs.), For example at about 10 bar (abs.).
  • the pressure level of the nitrogen in the circulation stream 2 downstream of Circulation pump 4 is located above this, for example, at about 15 bar (abs.).
  • the pressure level in the subcooler 6 is below the atmospheric pressure, in particular at 0.1 to 0.5 bar (abs.), For example, at about 0.2 bar (abs.).
  • FIG. 2 a system according to a further non-inventive embodiment is shown in a simplified schematic representation.
  • a closed cooling device 11 which in the system according to FIG. 2 is provided in addition to the pump 7.
  • the nitrogen from the subcooler 6 is additionally cooled using a suitable chiller, which may in particular comprise one or more Stirling coolers and / or one or more Brayton coolers operated using neon and / or helium.
  • the nitrogen enters in gaseous form in the cooling device 11 and is recycled liquid into the subcooler 6.
  • a pressure regulating device 21 is provided, which instead of in the system according to FIG. 1 provided connection with the reservoir 8 is set for pressure adjustment.
  • the pressure level in the reservoir 8 can be set to a value that is independent of the pressure level upstream of the circulation pump 4.
  • FIG. 3 a system according to a further non-inventive embodiment is shown in a simplified schematic representation.
  • the system according to FIG. 3 is particularly advantageous if a longer cooling distance to be overcome.
  • a further subcooler 12 is arranged with a heat exchanger 13.
  • the subcooler 6 is provided with the pump 7, the further subcooler 12 is equipped with the cooling device 11. In this way, excessive heating of the nitrogen in the circulation stream 2 over the (long) cooling section can be prevented.
  • FIG. 4 a system according to a further non-inventive embodiment is shown in a simplified schematic representation.
  • the cooling device 11 and the reservoir 8 at the same end of the consumer 1 and a corresponding cooling section and are assigned to the subcooler 6 arranged there.
  • the arranged at the other end subcooler 12, however, is equipped with the pump 7. In this way, the much space-consuming devices, namely the cooling device 11 and the reservoir 8, can be concentrated here.
  • the pump 7, however, can be arranged under stress of little space at the other end, where there may be a lack of space or other facilities are arranged.
  • nitrogen from the reservoir 8 is introduced here via the valve 9 at one end into the circulation stream 2 and not into a corresponding subcooler.
  • This additionally introduced nitrogen is mixed in by a mixing device 14 in the circulation stream 2.
  • At the other end of this nitrogen is discharged from the circulation stream 2 again and fed via a valve 15 and a corresponding line to the subcooler 12 provided there.
  • FIG. 5 a system according to a further non-inventive embodiment is shown in a simplified schematic representation.
  • the possible problem is addressed that the nitrogen fed through the valve 9 has a comparatively high temperature and so that during mixing by means of the mixing device 14 leads to a corresponding increase in temperature in the circulation stream 2.
  • another subcooler 18 with a corresponding heat exchanger 16 is used here.
  • the nitrogen to be fed into the circulation stream 2 is thereby expanded after removal from the reservoir 8 by means of the valve 9 and passed through the heat exchanger 16.
  • a nitrogen bath in the further subcooler 18 is provided by further nitrogen withdrawn from the reservoir 8 and vented to atmospheric pressure or slightly above it by means of another valve 17.
  • the relaxed over the valve 17 nitrogen evaporates partially.
  • the evaporated part is discharged to the atmosphere (atm).
  • the liquid remaining fraction is in the supercooled state and can therefore be used as a cooling medium.
  • the pressure level in the further subcooler 18 is at atmospheric pressure or slightly, i. typically at most 0.5 bar, above.
  • the nitrogen to be fed into the circulation stream 2 is already present at a temperature level of typically less than 80 K, so that corresponding losses during mixing 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 non-inventive embodiment is shown in a simplified schematic representation.
  • FIGS. 7A and 7B For example, a system according to an embodiment of the present invention is illustrated in simplified schematic representation in a first and a second mode of operation and designated 100.
  • the first mode of operation or process which in FIG. 7A is substantially the same as the (single) mode of operation or mode of operation used in the system of FIG. 6 is possible.
  • a compressor that compresses one or more refrigerants in one or more refrigeration circuits in the closed cooling device 11, shown explicitly and designated 20.
  • Such a compressor can also in the cooling device of the system according to FIG. 6 be provided.
  • the evaporated nitrogen from the subcooler 15 is not used, partially or completely, as a cooling medium in the closed cooling device 11, or is instead discharged to the atmosphere (atm) is basically optional.
  • FIGS. 7A and 7B Further, a valve 22 and a pump 23 are shown, which in the first operating mode according to FIG. 7A closed or not in operation. This is additionally illustrated by dashed flow arrows.
  • the first operating mode according to FIG. 7A the entire cooling capacity for cooling the nitrogen bath in the subcooler 6 is provided by the closed cooling device 11.
  • the closed cooling device 11 is instead the second operating or process mode according to FIG. 7B carried out or initiated.
  • the inactivation of the closed cooling device 11 in the second mode of operation is represented by corresponding dashed elements in FIG FIG. 7B illustrated.
  • the closed cooling device 11 is not operated or only with reduced power and from the reservoir 8 further liquid nitrogen is removed, supercooled via the valve 22 and the first supercooled nitrogen, ie the subcooler 6, respectively.
  • gaseous nitrogen is also pumped out by means of the pump 19 from the first nitrogen bath, that is to say from the subcooler 6, by means of the pump 23 under pressure reduction to a subatmospheric pressure level.
  • a system according to another embodiment of the present invention is illustrated in simplified schematic representation in a first and a second mode of operation and designated 200.
  • the system 200 differs from the system 100 essentially in that the closed cooling device 11 is provided with two compressors or compressor stages, here denoted 20a and 20b. If one or one of them fails, as with respect to the second operating mode in FIG. 8B shown, the correspondingly reduced cooling capacity can be compensated by the supply of nitrogen from the reservoir 8.
  • a control device 50 is shown in greatly simplified form, which is set up to output a control input to the device, so that it operates in the first or in the second operating mode.
  • the control device 50 can also be set up to recognize that the closed cooling device 11 can not be operated or only with reduced power and, on this basis, can be switched from the first to the second operating mode.
  • FIG. 9 illustrates a cooling path that may be provided in a system according to the preceding figures. This is summarized here with 1000. As before, a consumer with 1 and a circulation stream with 2 are indicated. Dashed line 1100 separate cooling passages are illustrated at 1010 and 1020. The cooling passages 1010 and 1020 are for transporting the liquid nitrogen in the form of the cycle stream 2 from the first end to the second end along the cooling path on the one hand ("first cooling passage” 1010) and for transport from the second end to the first end along the cooling path on the other (“second cooling passage” 1020) provided and fluidly separated from each other in the previously explained sense.
  • first cooling passage 1010
  • second cooling passage second cooling passage
  • the first end of the cooling section 1000 here bears the reference numeral 1001, the second end of the cooling section the reference numeral 1002.
  • a feed opening (for the circulation stream 2 at the first end 1001 in the cooling section 1000 and the first cooling passage 1010) is denoted by 1011 ("first feed port ").
  • a removal opening (for the circulation stream 2 at the second end 1002 from the cooling section 1000 or the first cooling passage 1010) is designated by 1012 ("first removal opening").
  • a feed opening for the circulation stream 2 at the second end 1002 into the cooling section 1000 and the second cooling passage 1020, respectively
  • 1021 (“second feed opening”
  • a removal opening (for the circulatory flow 2 at the first end 1001 from the cooling section 1000 and the second cooling passage 1020, respectively) is designated by 1022 (“second removal opening").

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Abstract

Ein Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers (1) über eine Kühlstrecke, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wird vorgeschlagen, wobei das Verfahren in wenigstens einem ersten Zeitraum in einem ersten Verfahrensmodus und in wenigstens einem zweiten, unterschiedlichen Zeitraum in einem zweiten Verfahrensmodus durchgeführt wird. Im ersten und im zweiten Verfahrensmodus wird flüssiger Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms (2) eingesetzt, der unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads unterkühlt wird, wobei das erste Stickstoffbad im ersten Verfahrensmodus zumindest teilweise mittels einer geschlossenen Kühleinrichtung (11) und das zweite Stickstoffbad im ersten und im zweiten Verfahrensmodus zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt wird, und eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise aus einem Reservoir (8) ausgeglichen wird. Wenn im zweiten Verfahrensmodus die geschlossene Kühleinrichtung (11) nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben wird, wird aus dem Reservoir (8) weiterer flüssiger Stickstoff entnommen, unterkühlt und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad zugeführt. Ferner wird dann mittels einer Pumpe (19) aus dem ersten Stickstoffbad gasförmiger Stickstoff unter Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau abgepumpt. Eine entsprechende Vorrichtung und ein System (100, 200) aus einer derartigen Vorrichtung sowie einem entsprechenden Verbraucher (1) sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

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, insbesondere dann wenn der als Kühlmedium eingesetzte Flüssigstickstoff an zwei unterschiedlichen Enden einer Kühlstrecke gekühlt wird. Daher können Systeme eingesetzt werden, in denen der Flüssigstickstoff zwar an den zwei unterschiedlichen Enden der Kühlstrecke gekühlt wird, aber raumbeanspruchende Apparate an einem Ende einer Kühlstrecke gruppiert werden. Ein entsprechendes, nicht aus dem Stand der Technik bekanntes System wird nachfolgend, und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, noch im Detail erläutert.
  • In einem entsprechenden System kann aber dann, wenn an einem Ende der Kühlstrecke eine geschlossene Kühleinrichtung eingesetzt wird, bei einem Ausfall dieser Kühleinrichtung durch diese Kühleinrichtung keine Kühlleistung mehr bereitgestellt werden. Da entsprechende Systeme, insbesondere zur Kühlung von HTSL-Stromführungen, jedoch eine sehr hohe Verfügbarkeit aufweisen müssen, damit ein sicherer Betrieb über längere Zeiträume von bis zu mehreren Jahren gewährleistet werden kann, muss ein entsprechender Ausfall vermieden werden. Hierzu können mehrere redundante, jeweils 100% der erforderlichen Kühlleistung erbringende geschlossene Kühleinrichtungen eingesetzt werden. Dies erweist sich jedoch hinsichtlich der Investitionskosten als unvorteilhaft.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, hier Abhilfe zu schaffen und verbesserte technische Möglichkeiten zur Kühlung entsprechender Verbraucher unter Verwendung von Flüssigstickstoff mit hoher Verfügbarkeit 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 veranschaulicht. 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 wird sondern dieser verflüssigt und 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 weiteren 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.
  • Zur Überwindung dieses Nachteils können in entsprechenden Systemen das Reservoir und die geschlossene Kühleinrichtung am ersten Ende der Kühlstrecke, die zur Druckreduktion erforderliche Vakuumpumpe hingegen am anderen Ender der Kühlstrecke angeordnet werden. 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.
  • In den soeben erläuterten Systemen können die in dem zweiten Stickstoffbad aufgrund der Druckreduktion durch das Abpumpen auftretenden Stickstoffverluste ebenfalls aus einem Reservoir ausgeglichen werden, 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. Von einem derartigen System geht die vorliegende Erfindung aus und verbessert dessen Verfügbarkeit, ohne eine volle Redundanz hinsichtlich der geschlossenen Kühleinrichtung zu erfordern.
  • Wie bereits erwähnt, geht die vorliegende Erfindung also von einem Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers über eine Kühlstrecke aus, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren dabei in wenigstens einem ersten Zeitraum in einem ersten Verfahrensmodus und in wenigstens einem zweiten, unterschiedlichen Zeitraum in einem zweiten Verfahrensmodus durchgeführt.
  • In dem Verfahren wird im ersten und im zweiten Verfahrensmodus flüssiger Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms wiederholt, d.h. kontinuierlich im Kreislauf und insbesondere ohne Zwischenspeicherung in einem Behälter, und jeweils nacheinander 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. Im ersten und im zweiten Verfahrensmodus werden die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchgeführt, wobei das erste Stickstoffbad im ersten Verfahrensmodus zumindest teilweise mittels einer geschlossenen Kühleinrichtung unterkühlt wird und das zweite Stickstoffbad im ersten und im zweiten Verfahrensmodus zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt wird. Eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau im ersten und im zweiten Verfahrensmodus 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.
  • Für diesen Ausgleich wird aus dem Reservoir flüssiger Stickstoff entnommen und in den Kreislaufstrom eingeschleust, bevor der Kreislaufstrom der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und flüssiger Stickstoff wird aus dem Kreislaufstrom ausgeschleust und zumindest teilweise dem zweiten Stickstoffbad zugeführt, 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.
  • Ist nun am ersten Ende der Kühlstrecke nur eine, nicht oder nicht vollständig redundant ausgeführte geschlossene Kühleinrichtung vorgesehen, kommt es hier bei einem Ausfall derselben zu einem nicht tolerierbaren Einbruch in der Kühlleistung am ersten Ende der Kühlstrecke. In solchen Fällen wird daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung der zweite Verfahrensmodus durchgeführt. Mit anderen Worten arbeitet in dem ersten Verfahrensmodus die an dem ersten Ende der Kühlstrecke verwendete geschlossene Kühleinrichtung mit voller Leistung, der erste Verfahrensmodus stellt also insbesondere den Regelbetrieb dar. Hingegen handelt es sich bei dem zweiten Verfahrensmodus um einen Verfahrensmodus, in dem die an dem ersten Ende der Kühlstrecke verwendete geschlossene Kühleinrichtung nicht oder zumindest nicht mit voller Leistung arbeitet oder arbeiten kann. Es handelt sich also um einen Not- oder Backup-Verfahrensmodus, der beispielsweise bei einem teilweise oder vollständigen ungeplanten Ausfall der geschlossenen Kühleinrichtung, aber auch beispielsweise bei entsprechenden geplanten Ereignissen, beispielsweise bei routinemäßig erforderlichen Wartungen, durchgeführt wird.
  • Ist also hier davon die Rede, dass das erste Stickstoffbad im ersten Verfahrensmodus zumindest teilweise mittels der geschlossenen Kühleinrichtung unterkühlt wird, schließt dies nicht aus, dass das erste Stickstoffbad auch im zweiten Verfahrensmodus zumindest teilweise mittels der geschlossenen Kühleinrichtung unterkühlt wird, allerdings arbeitet diese dann mit geringerer Leistung.
  • Die vorliegende Erfindung macht sich zunutze, dass zum Ausgleich der üblichen Verdampfungsverluste, die bei der Unterkühlung am zweiten Ende der Kühlstrecke auftreten, am ersten Ende der Kühlstrecke ohnehin ein Reservoir für flüssigen Stickstoff bereitsteht, dessen Inhalt nun in vorteilhafter Weise auch zur Überbrückung von Zeiträumen, in denen die an dem ersten Ende der Kühlstrecke verwendete geschlossene Kühleinrichtung nicht oder zumindest nicht mit voller Leistung arbeitet, verwendet werden kann. Entsprechender Stickstoff wird dabei vor seiner Einschleusung in den erwähnten Kreislaufstrom vorteilhafterweise ohnehin in einem Unterkühler unterkühlt und kann daher zur Befüllung des ersten unterkühlten Stickstoffbads am ersten Ende der Kühlstrecke verwendet werden. Ergänzend wird dabei eine Druckreduktion in dem ersten Stickstoffbad mittels einer Pumpe vorgenommen, ähnlich wie in dem zweiten Stickstoffbad.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst, mit anderen Worten, dass im zweiten Verfahrensmodus die geschlossene Kühleinrichtung nicht oder nur in reduziertem Umfang bzw. mit reduzierter Leistung betrieben wird und zum Ausgleich aus dem Reservoir weiterer flüssiger Stickstoff entnommen, unterkühlt und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad zugeführt wird, und dass im zweiten Verfahrensmodus ferner mittels einer Pumpe aus dem ersten Stickstoffbad gasförmiger Stickstoff unter Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau in dem ersten unterkühlten Stickstoffbad abgepumpt wird.
  • Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sichergestellt, dass es auch bei einem Ausfall der geschlossenen Kühleinrichtung ohne Verwendung einer entsprechenden, vollständig redundanten weiteren Kühleinrichtung zu keinem Ausfall der Kühlung oder übermäßigen Reduzierung der Kühlleistung kommen kann. Ein entsprechendes System kann daher mit deutlich erhöhter Verfügbarkeit betrieben werden. Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ist insbesondere vorgesehen, dass ein zur Aufnahme des ersten Stickstoffbads verwendeter Behälter, also der entsprechende Unterkühler, ausreichend groß dimensioniert wird. Typischerweise wird dabei gegenüber anderen Systemen, bei denen keine entsprechende Einspeisung im zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist, ein zwei- bis dreifaches Speichervolumen vorgesehen.
  • Mit besonderem Vorteil kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine geschlossene Kühleinrichtung verwendet werden, in der ein oder mehrere Kältemittelkreisläufe mit einem oder mehreren Kältemitteln ausgebildet sind, das oder die in dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer ersten Anzahl von Verdichtern und in dem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten, geringeren Anzahl an Verdichtern verdichtet wird oder werden. Insbesondere kann die erste Anzahl von Verdichtern zwei und die zweite Anzahl von Verdichtern eins betragen. Mit anderen Worten kann eine geschlossene Kühleinrichtung verwendet werden, bei der ein Teil der in dem ersten Verfahrensmodus mit einer größeren Anzahl an betriebenen Verdichtern erbrachten Verdichtungs- und damit Kälteleistung auch in dem zweiten Betriebsmodus bereitgestellt werden kann, in dem weniger oder nur ein Verdichter verwendet werden. Diese geringere Kälteleistung kann dabei durch den erfindungsgemäßen Einsatz des flüssigen Stickstoffs, der aus dem Reservoir abgezogen und dem ersten Stickstoffbad zugeführt wird, ausgeglichen werden. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann also beispielsweise ein Ausfall eines Verdichters von zwei oder mehreren Verdichtern toleriert werden, so lange ein entsprechender Ausgleich der reduzierten Kälteleistung mittels des flüssigen Stickstoffs möglich ist. Auf diese Weise kann eine entsprechende geschlossene Kühleinrichtung ohne redundante Ausführung für einen Notbetrieb eingerichtet werden.
  • 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. Daher ist, wie bereits erwähnt, im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise 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. Das dritte unterkühlte Stickstoffbad wird dabei auch zur Unterkühlung des in dem zweiten Betriebsmodus in das erste unterkühlte Stickstoffbad eingespeisten flüssigen Stickstoffs verwendet.
  • Eine derartige Abkühlung des in den Kreislaufstrom eingeschleusten und, in dem zweiten Verfahrensmodus, in das erste unterkühlte Stickstoffbad eingespeisten flüssigen Stickstoffs kann also insbesondere durch die Verwendung eines weiteren, also dritten, unterkühlten Stickstoffbads vorgenommen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden 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 ist in wenigstens einem ersten Zeitraum in einem ersten Betriebsmodus und in wenigstens einem zweiten, unterschiedlichen Zeitraum in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar und weist Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, im ersten und im zweiten Betriebsmodus flüssigen Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms, d.h. kontinuierlich im Kreislauf und insbesondere ohne Zwischenspeicherung in einem Behälter, wiederholt und jeweils nacheinander 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 sowie eine Kreislaufpumpe.
  • Ferner weist die Vorrichtung Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, im ersten und im zweiten Betriebsmodus die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchzuführen. Das erste und das zweite Stickstoffbad bzw. entsprechende Behälter, sind Teil der Vorrichtung. Sie weist ferner eine geschlossene Kühleinrichtung auf, die dafür eingerichtet ist, im ersten Betriebsmodus das erste Stickstoffbad abzukühlen, und Mittel, die dafür eingerichtet sind, das zweite Stickstoffbad im ersten und im zweiten Betriebsmodus zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau zu unterkühlen. Letztere umfassen insbesondere eine Vakuumpumpe. Es sind ferner Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, im ersten und im zweiten Betriebsmodus eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise aus einem Reservoir auszugleichen, wozu die Vorrichtung entsprechende Leitungen und insbesondere entsprechende Ventile aufweist.
  • Die Vorrichtung zeichnet sich dabei insbesondere durch Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, für den genannten Ausgleich 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.
  • Erfindungsgemäß sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, immer dann, wenn im zweiten Betriebsmodus die geschlossene Kühleinrichtung nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben wird, aus dem Reservoir weiteren flüssigen Stickstoff zu entnehmen, zu unterkühlen und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad zuzuführen. Ferner ist eine Pumpe vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, im zweiten Betriebsmodus aus dem ersten Stickstoffbad gasförmigen Stickstoff unter Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau abzupumpen.
  • Teil der Vorrichtung ist auch eine Steuereinrichtung, die dafür eingerichtet ist, eine Ansteuervorgabe an die Vorrichtung auszugeben, so dass diese in dem ersten oder in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise auch dafür eingerichtet sein, zu erkennen, dass die geschlossene Kühleinrichtung nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben werden kann und auf dieser Grundlage von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
  • 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 Vorrichtung gemäß Ausgestaltungen implementiert sein können. Es versteht sich dabei, dass die dort erwähnten Verfahrensmodi entsprechenden Betriebsmodi der Vorrichtung entsprechen. 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 nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 5 zeigt ein System gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figur 6 zeigt ein System gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung.
    • Figuren 7A und 7B zeigen ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung in einem ersten und einem zweiten Betriebs- bzw. Verfahrensmodus.
    • Figuren 8A und 8B zeigen ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung in einem ersten und einem zweiten Betriebs- bzw. Verfahrensmodus.
    • Figur 9 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, das 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 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 weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt.
  • Im Gegensatz zu dem in Figur 3 gezeigten System befinden sich in dem System 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 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 nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt.
  • In dem System 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 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 nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt.
  • In Erweiterung zu dem in Figur 5 veranschaulichten System 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.
  • In den Figuren 7A und 7B ist ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung in einem ersten und einem zweiten Betriebs- bzw. Verfahrensmodus dargestellt und mit 100 bezeichnet. Der erste Betriebs- bzw. Verfahrensmodus, der in Figur 7A dargestellt ist, entspricht im Wesentlichen dem (einzigen) Betriebs- bzw. Verfahrensmodus, der in dem System gemäß Figur 6 möglich ist. Als Ergänzung ist in dem System 100 gemäß Figur 7A und 7B ein Verdichter, der ein oder mehrere Kältemittel in einem oder mehreren Kältekreisläufen in der geschlossenen Kühleinrichtung 11 verdichtet, explizit dargestellt und mit 20 bezeichnet. Ein derartiger Verdichter kann auch in der Kühleinrichtung des Systems gemäß Figur 6 vorgesehen sein. Ob der verdampfte Stickstoff aus dem Unterkühler 15 nicht, teilweise oder vollständig als Kühlmedium in der geschlossenen Kühleinrichtung 11 verwendet wird oder stattdessen an die Atmosphäre (atm) abgeführt wird, ist grundsätzlich optional.
  • In den Figuren 7A und 7B sind ferner ein Ventil 22 und eine Pumpe 23 dargestellt, die in dem ersten Betriebsmodus gemäß Figur 7A geschlossen bzw. nicht in Betrieb sind. Dies ist zusätzlich durch gestrichelte Flusspfeile veranschaulicht. In dem ersten Betriebsmodus gemäß Figur 7A wird die gesamte Kühlleistung zur Abkühlung des Stickstoffbads in dem Unterkühler 6 durch die geschlossene Kühleinrichtung 11 erbracht. Fällt in dem System 100 gemäß den Figuren 7A und 7B die geschlossene Kühleinrichtung 11 zumindest teilweise aus oder wird diese zumindest teilweise abgeschaltet, wird stattdessen der zweite Betriebs- bzw. Verfahrensmodus gemäß Figur 7B durchgeführt bzw. eingeleitet. Die Inaktivierung der geschlossenen Kühleinrichtung 11 in dem zweiten Betriebsmodus ist durch entsprechende gestrichelte Elemente in Figur 7B veranschaulicht. Wie hieraus ersichtlich, wird im zweiten Verfahrensmodus gemäß Figur 7B die geschlossene Kühleinrichtung 11 nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben und aus dem Reservoir 8 wird weiterer flüssiger Stickstoff entnommen, über das Ventil 22 unterkühlt und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad, also dem Unterkühler 6, zugeführt. In dem zweiten Verfahrensmodus wird ferner mittels der Pumpe 19 aus dem ersten Stickstoffbad, also aus dem Unterkühler 6, mittels der Pumpe 23 gasförmiger Stickstoff unter Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau abgepumpt.
  • In den Figuren 8A und 8B ist ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung in einem ersten und einem zweiten Betriebs- bzw. Verfahrensmodus dargestellt und mit 200 bezeichnet. Das System 200 unterscheidet sich von dem System 100 im Wesentlichen dadurch, dass die geschlossene Kühleinrichtung 11 zwei, hier mit 20a und 20b bezeichnete Verdichter bzw. Verdichterstufen eines Verdichters vorgesehen sind. Fällt einer bzw. eine hiervon aus, wie bezüglich des zweiten Betriebsmodus in Figur 8B dargestellt, kann die entsprechend reduzierte Kälteleistung durch die Einspeisung des Stickstoffs aus dem Reservoir 8 ausgeglichen werden.
  • In den Figuren 8A und 8B ist ferner eine eine Steuereinrichtung 50 stark vereinfacht veranschaulicht, die dafür eingerichtet ist, eine Ansteuervorgabe an die Vorrichtung auszugeben, so dass diese in dem ersten oder in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet. Die Steuereinrichtung 50 kann beispielsweise auch dafür eingerichtet sein, zu erkennen, dass die geschlossene Kühleinrichtung 11 nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben werden kann und auf dieser Grundlage von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
  • Ergänzend ist in Figur 9 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 (15)

  1. Verfahren zur Kühlung eines Verbrauchers (1) über eine Kühlstrecke, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wobei
    - das Verfahren in wenigstens einem ersten Zeitraum in einem ersten Verfahrensmodus und in wenigstens einem zweiten, unterschiedlichen Zeitraum in einem zweiten Verfahrensmodus durchgeführt wird,
    - im ersten und im zweiten Verfahrensmodus 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,
    - im ersten und im zweiten Verfahrensmodus die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchgeführt wird, wobei im ersten Verfahrensmodus das erste Stickstoffbad zumindest teilweise mittels einer geschlossenen Kühleinrichtung (11) unterkühlt wird und im ersten und im zweiten Verfahrensmodus das zweite Stickstoffbad zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau unterkühlt wird,
    - im ersten und im zweiten Verfahrensmodus eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise aus einem Reservoir (8) ausgeglichen wird, indem aus dem Reservoir (8) flüssiger Stickstoff entnommen, unterkühlt und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird, bevor der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und indem 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,
    - im zweiten Verfahrensmodus die geschlossene Kühleinrichtung (11) nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben wird und aus dem Reservoir (8) weiterer flüssiger Stickstoff entnommen, unterkühlt und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad zugeführt wird, und
    - im zweiten Verfahrensmodus ferner mittels einer Pumpe (19) aus dem ersten Stickstoffbad gasförmiger Stickstoff unter Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau abgepumpt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem 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.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als die geschlossene Kühleinrichtung (11) eine geschlossene Kühleinrichtung (11) verwendet wird, in der ein oder mehrere Kältemittelkreisläufe mit einem oder mehreren Kältemitteln ausgebildet sind, das oder die in dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung einer ersten Anzahl von Verdichtern (20a, 20b) und in dem zweiten Betriebsmodus mit einer zweiten, geringeren Anzahl an Verdichtern (20a) verdichtet wird oder werden.
  4. 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.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, 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.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, 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.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, 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.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem der im ersten und im zweiten Verfahrensmodus aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff sowie der im zweiten Verfahrensmodus aus dem Reservoir (8) entnommene und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad zugeführte weitere flüssige Stickstoff unter Verwendung eines dritten unterkühlten Stickstoffbads abgekühlt wird, bevor er in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, 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.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem als die geschlossene Kühleinrichtung (11) eine Kühleinrichtung mit einem Brayton-Kühler verwendet wird.
  13. Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrauchers (1) über eine Kühlstrecke, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, wobei die Vorrichtung in wenigstens einem ersten Zeitraum in einem ersten Betriebsmodus und in wenigstens einem zweiten, unterschiedlichen Zeitraum in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist und aufweist:
    - Mittel, umfassend Wärmetauscher (3, 5, 13) und eine Kreislaufpumpe (4), die dafür eingerichtet sind, im ersten und zweiten Betriebsmodus flüssigen Stickstoff in Form eines Kreislaufstroms (2) kontinuierlich im Kreislauf und 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,
    - Mittel, die dafür eingerichtet sind, im ersten und zweiten Betriebsmodus die erste Abkühlung unter Verwendung eines ersten unterkühlten Stickstoffbads und die zweite Abkühlung unter Verwendung eines zweiten unterkühlten Stickstoffbads durchzuführen, eine geschlossene Kühleinrichtung (11), die dafür eingerichtet ist, im ersten Betriebsmodus das erste Stickstoffbad abzukühlen und Mittel, umfassend eine Vakuumpumpe (7) die dafür eingerichtet sind, das zweite Stickstoffbad im ersten und zweiten Betriebsmodus zumindest teilweise durch Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau zu unterkühlen, und
    - Mittel, die dafür eingerichtet sind, eine aufgrund der Druckreduktion auf das unteratmosphärische Druckniveau aus dem zweiten Stickstoffbad verdampfende Stickstoffmenge zumindest teilweise aus einem Reservoir (8) auszugleichen, indem sie aus dem Reservoir flüssigen Stickstoff entnehmen und in den Kreislaufstrom (2) einschleusen, bevor der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem ersten Ende zugeführt wird, und indem sie flüssigen Stickstoff aus dem Kreislaufstrom (2) ausschleusen und zumindest teilweise dem zweiten Stickstoffbad zuführen, nachdem der Kreislaufstrom (2) der Kühlstrecke an dem zweiten Ende entnommen wird,
    - Mittel, die dafür eingerichtet sind, immer dann, wenn im zweiten Betriebsmodus die geschlossene Kühleinrichtung (11) nicht oder nur mit reduzierter Leistung betrieben wird, aus dem Reservoir (8) weiteren flüssigen Stickstoff zu entnehmen, zu unterkühlen und dem ersten unterkühlten Stickstoffbad zuzuführen,
    - eine Pumpe (19), die dafür eingerichtet ist, im zweiten Betriebsmodus aus dem ersten Stickstoffbad gasförmigen Stickstoff unter Druckreduktion auf ein unteratmosphärisches Druckniveau abzupumpen, und
    - eine Steuereinrichtung (50), die dafür eingerichtet ist, eine Ansteuervorgabe an die Vorrichtung auszugeben, so dass diese in dem ersten oder in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem 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.
  15. System (100, 200) mit einem zu kühlenden Verbraucher (1), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14.
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EP3943833A1 (de) * 2020-07-23 2022-01-26 Linde GmbH Verfahren und vorrichtung zur kühlung eines supraleitenden kabels und entsprechendes system

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