EP3511650B1 - 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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EP3511650B1
EP3511650B1 EP18020652.6A EP18020652A EP3511650B1 EP 3511650 B1 EP3511650 B1 EP 3511650B1 EP 18020652 A EP18020652 A EP 18020652A EP 3511650 B1 EP3511650 B1 EP 3511650B1
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EP
European Patent Office
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cooling
nitrogen
liquid nitrogen
reservoir
circulating flow
Prior art date
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EP3511650A1 (de
Inventor
Lutz Decker
Alexander Alekseev
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Linde Kryotechnik AG
Linde GmbH
Original Assignee
Linde Kryotechnik AG
Linde GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B19/00—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour
    • F25B19/005—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour the refrigerant being a liquefied gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a consumer and a system with a corresponding device and a consumer according to the preambles of the independent patent claims.
  • High and medium voltage cables and busbars can be designed as high-temperature superconductors (HTSC). Such cables and busbars can carry direct current or alternating current and are also referred to as »HTSC current guides «. They require cooling to a temperature of less than 100 K, preferably less than 80 K.
  • HTSC high-temperature superconductors
  • DE 10 2012 016 292 A1 which is considered to be the closest prior art, discloses a method and a device for cooling objects, in which a cooling medium is fed from a first reservoir via a first cooling medium line to an object to be cooled, brought into thermal contact with it and is then discharged via a second coolant line. After the thermal contact with the object, the cooling medium is fed to a second storage container via the second cooling medium line and stored there until a predetermined filling level is reached in the first or in the second storage container. The cooling medium is then fed from the second reservoir to the object for the purpose of cooling and brought into thermal contact with it and then fed back into the first reservoir, whereupon it is again available for cooling the object. Due to the pendulum guidance of the cooling medium between the two reservoirs, the same flow paths should be able to be used in both flow directions, at least in part. The method and the device should be particularly suitable for cooling superconducting cables.
  • the object of the present invention is therefore to remedy this 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 an HTSC power supply, and a system with a corresponding device and a consumer with the features of the independent patent claims.
  • a power supply preferably an HTSC power supply
  • Preferred configurations are the subject matter of the dependent patent claims and the following description.
  • the liquid nitrogen in the systems mentioned at the outset is conveyed by means of a pump (so-called circulation pump) and subcooled to the required cooling temperature in a subcooler.
  • the liquid nitrogen is routed to the consumer, where it is warmed up and fed back to the circulation pump.
  • the liquid nitrogen that is circulated in this way is also referred to as “circulated nitrogen”.
  • «supercooler» is used because liquid nitrogen, after appropriate cooling, is a supercooled liquid.
  • the heat exchanger in a subcooler is a coiled tube that is placed in a nitrogen bath ("bath nitrogen").
  • bath nitrogen The warmer circulating nitrogen is guided inside the pipe coil and cooled by the colder bath nitrogen lying outside.
  • the nitrogen in the bath evaporates continuously.
  • coiled-tube heat exchangers other types of heat exchangers can be used.
  • the pressure in the cooling circuit downstream of the pump is selected in such a way that the circuit nitrogen always remains liquid and no vapor bubbles form. From a thermodynamic point of view, this means that the pressure in the circuit should always be higher than in the subcooler bath and that the circuit nitrogen must not be heated above the boiling point.
  • the lowest temperature of the cycle nitrogen is reached at the exit from the subcooler. This temperature is essentially determined by the temperature of the bath nitrogen used in the subcooler (and the heat transfer in the subcooler). In order to bring about supercooling, the nitrogen bath must therefore be brought to an appropriate temperature.
  • the pressure of the bath nitrogen can be reduced by a pressure reduction in which evaporating nitrogen is continuously pumped off using a mechanical (e.g. oil-lubricated) vacuum pump.
  • the lower limit of the temperature that can be reached by reducing the pressure is about 63 K, which corresponds to a vapor pressure of about 0.13 bar.
  • the nitrogen in the bath would freeze.
  • a corresponding reduction in pressure typically leads to nitrogen and cold losses, because the pumped nitrogen and its cold can usually not be recovered or only with great effort.
  • the losses of bath nitrogen occurring in the subcooler as a result of evaporation are typically compensated for by topping up with fresh liquid nitrogen from a suitable reservoir, for example a cryogenic tank.
  • a suitable reservoir for example a cryogenic tank.
  • the reservoir is filled, for example, using an air separation plant or a nitrogen liquefier.
  • the temperature of the bath nitrogen can also be reduced by incorporating one or more closed loop coolers (also known as cryocoolers) into the subcooler.
  • the one or more refrigerating machines cool and liquefy/recondense the bath nitrogen which evaporates during cooling down to the required cooling temperature; a vacuum pump is not required in this case. In this way, nitrogen and cold losses can be reduced.
  • 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 fed back into the system.
  • the cooling section thus extends between the first end and a second end.
  • the liquid nitrogen is in such systems in the form of a circulatory stream repeatedly (i.e. continuously circulating) subjected to a first cooling, fed to the cooling line at the first end, transported from the first end to the second end along the cooling line, the cooling line at the second end removed, subjected to a second cooling, fed back to the cooling line at the second end, transported from the second end to the first end along the cooling line and removed again from the cooling line at the first end.
  • the first cooldown is performed using a first subcooled nitrogen bath in a subcooler and the second cooldown carried out using a second subcooled nitrogen bath in another subcooler.
  • the first nitrogen bath can be at least partially supercooled by means of a closed cooling device and the second nitrogen bath can be at least partially supercooled by pressure reduction to a subatmospheric pressure level.
  • the pressure reduction takes place in that gaseous nitrogen is pumped out of a head space above the nitrogen bath from a subcooler by means of a vacuum pump, in particular a mechanical one, and is in particular discharged to the surrounding atmosphere.
  • the nitrogen losses caused by the pumping out to reduce the pressure are compensated for by feeding in nitrogen from a reservoir, which can be filled with liquid nitrogen, for example using an air separation plant.
  • the reservoir and the closed cooling device can be arranged at the first end of the cooling section, while the vacuum pump required for pressure reduction can be arranged at the other end of the cooling section.
  • a corresponding vacuum pump represents a comparatively small unit that can be accommodated much more easily at the second end, in particular if the installation space at the second end is limited.
  • a corresponding vacuum pump can also be connected via a line to the subcooler provided at the second end of the cooling section and does not have to be arranged in the immediate vicinity of it. This way can a further favorable adaptation to the available space can be made by repositioning.
  • the nitrogen losses occurring in the second nitrogen bath due to the pressure reduction caused by pumping out can also be compensated for from a reservoir, which, however, is now arranged at the opposite end of the cooling section.
  • the nitrogen taken from the reservoir to compensate for the losses is fed into the circulatory flow at the end of the cooling section where the reservoir is located and discharged from the circulatory flow at the other end of the cooling section, where the pressure reduction takes place, and used to fill up the nitrogen bath arranged there.
  • the circulating flow is therefore used to transport this nitrogen.
  • the present invention is based on such a system and improves its availability without requiring full redundancy with regard to the closed cooling device.
  • the present invention is based on a method for cooling a consumer via a cooling section that extends between a first end and a second end.
  • 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 circulatory stream, ie continuously in the circuit and in particular without intermediate storage in a container, and in each case successively subjected to a first cooling, fed to the cooling section at the first end, from the first end transported to the second end along the cooling line, removed from the cooling line at the second end, subjected to a second cooling, fed to the cooling line at the second end, transported from the second end to the first end along the cooling line, and removed from the cooling line at the first end .
  • the circulatory flow is in particular always guided in the same direction and is not experienced, as for example in the DE 10 2012 016 292 A1 , a reversal of direction.
  • the first cooling is performed using a first subcooled nitrogen bath and the second cooling is performed using a second subcooled nitrogen bath, wherein the first nitrogen bath is at least partially supercooled in the first process mode by means of a closed cooling device and the second nitrogen bath is at least partially supercooled in the first and in the second process mode by pressure reduction to a subatmospheric pressure level.
  • a quantity of nitrogen evaporating from the second nitrogen bath due to the pressure reduction to the subatmospheric pressure level in the first and in the second process mode is at least partially compensated for in the process from a reservoir.
  • the liquid nitrogen is conducted in the form of the circulating stream through one or more first cooling passages, in particular during transport from the first end to the second end along the cooling section, and through one during transport from the second end to the first end along the cooling section or a plurality of second cooling passages fluidly separated from the one or more first cooling passages.
  • One or more different cooling passages are therefore provided for guiding from the first to the second end than for guiding from the second end to the first end.
  • a “cooling passage” refers to a fluid-guiding structure that is provided with heat-exchange surfaces.
  • the circulatory flow is and can therefore not be performed in the same cooling passages in the context of the present invention, as in the DE 10 2012 016 292 A1 is the case due to the shuttle service there. If a "fluidic separation" of the cooling passages is mentioned here, it is of course not excluded that the cooling passages are open at their terminal ends and are connected to one another via lines that carry the circulating flow.
  • the cooling section comprises a first feed opening, a first extraction opening, a second feed opening and a second extraction opening for the liquid nitrogen, the first feed opening being connected to the first extraction opening in particular via the first Cooling passage(s) and the second feed opening are connected to the second extraction opening in particular via the mentioned second 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 feed opening at the second end of the cooling section.
  • an “opening” refers to a connection of any type, for example a flange or spigot.
  • the liquid nitrogen in the circulating stream is fed via the first feed opening at the first end of the cooling section to this cooling section or to the first cooling passage or passages and removed via the first removal opening at the second end.
  • the liquid nitrogen if a corresponding circulatory flow is formed, is fed via the second feed opening at the second end of the cooling section to this cooling section or to the second cooling passage or passages and removed via the second removal opening at the first end.
  • a first pressure level of the liquid nitrogen supplied at the first end of the cooling section is always above a second pressure level of the liquid nitrogen removed at the second end of the cooling section.
  • a third pressure level of the liquid nitrogen supplied at the second end of the cooling section is always at or below the second pressure level.
  • a fourth pressure level of the liquid nitrogen removed at the first end of the cooling section is below the third pressure level.
  • the liquid nitrogen is advantageously not subjected to any pressure-increasing measures at the second end of the cooling section. So here is, for example, in contrast to the one mentioned several times DE 10 2012 016 292 A1 , no device for pressure build-up evaporation and no pump. A corresponding increase in pressure takes place within the scope of the present invention, in particular only at the first end of the cooling section using a circulation pump. Furthermore, within the scope of the present invention, the liquid nitrogen of the circulating stream is used, ie no switching valves are provided.
  • liquid nitrogen is taken from the reservoir and fed into the circulatory stream before the circulatory stream is fed to the cooling section at the first end, and liquid nitrogen is discharged from the circulatory stream and at least partially fed to the second nitrogen bath after the circulatory stream is fed to the cooling section taken from the second end.
  • the second method mode is therefore carried out within the scope of the present invention.
  • the closed cooling device used at the first end of the cooling section works at full power, so the first process mode represents in particular regular operation.
  • the second process mode is a process mode in which the at the first The closed cooling device used at the end of the cooling section does not work or can at least not work at full capacity. It is therefore an emergency or backup process mode, which is carried out, for example, in the event of a partial or complete unplanned failure of the closed cooling device, but also, for example, in the case of corresponding planned events, for example maintenance that is routinely required.
  • the present invention makes use of the fact that, to compensate for the usual evaporation losses that occur during supercooling 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 can now advantageously also be used to bridge periods in which the closed cooling device used at the first end of the cooling section is not working or at least not working at full power.
  • Corresponding nitrogen is advantageously supercooled in any case in a supercooler before it is introduced into the circulation flow mentioned and can therefore be used to fill the first supercooled nitrogen bath at the first end of the cooling section. will be added while a pressure reduction in the first nitrogen bath made by means of a pump, similar to the second nitrogen bath.
  • the method according to the invention comprises that in the second method mode the closed cooling device is not operated or only operated to a reduced extent or with reduced power and, to compensate, further liquid nitrogen is taken from the reservoir, supercooled and fed to the first supercooled nitrogen bath, and that in the second process mode gaseous nitrogen is also pumped out of the first nitrogen bath by means of a pump under pressure reduction to a subatmospheric pressure level in the first supercooled nitrogen bath.
  • a container used to hold the first nitrogen bath ie the corresponding sub-cooler
  • a storage volume that is two to three times that is provided compared to other systems in which no corresponding feed is provided in the second operating mode.
  • a closed cooling device can be used with particular advantage in the context of the present invention, in which one or more refrigerant circuits are formed with one or more refrigerants, which or in the first operating mode using a first number of compressors and in the second operating mode with a second, smaller number of compressors is or will be compressed.
  • the first number of compressors can be two and the second number of compressors can be one.
  • a closed cooling device can be used in which part of the compression and thus refrigeration capacity provided in the first process mode with a larger number of compressors operated can also be provided in the second operating mode, in which fewer or only one compressor be used.
  • This lower refrigeration capacity can be compensated for by the use of liquid nitrogen according to the invention, which is drawn off from the reservoir and fed to the first nitrogen bath.
  • liquid nitrogen according to the invention, which is drawn off from the reservoir and fed to the first nitrogen bath.
  • the liquid nitrogen taken from the reservoir and introduced into the circulatory stream is advantageously introduced into the circulatory stream using a mixing device. In this way, it is possible to avoid unequal temperature distributions and set a homogeneous mixed temperature level, particularly when the introduced nitrogen and the already present circulating nitrogen have different temperature levels.
  • the liquid nitrogen in the form of the circulating stream is therefore advantageously passed through a circulating pump, after it has been removed at the first end of the cooling section and before it is fed in again at the first end of the cooling section, at which a suitable pressure difference can also be set.
  • the liquid nitrogen conducted in the form of the circulating flow can be fed to the circulating pump at a first pressure level of at least 2 bar (abs.).
  • the first pressure level can be about 10 bar (abs.).
  • a corresponding pressure level results in particular from the pressure level downstream of the circulating pump, which can be above the first pressure level and, for example, at approx. 15 bar (abs.), and from the pressure losses over the cooling section.
  • the liquid nitrogen taken from the reservoir and introduced into the circulating stream is added to the reservoir, in particular at a second pressure level above the first pressure levels taken.
  • the introduced nitrogen is in particular also fed to the circulation pump together with the circulation flow.
  • a corresponding setting of the first and second pressure levels always results in a mandatory flow direction from the reservoir to the point of entry into the circulatory flow.
  • the injected nitrogen is typically expanded from the second to the first pressure level by means of a suitable valve before it is introduced into the circulating stream.
  • cooling can be used.
  • the liquid nitrogen carried in the form of the circulating flow can be subjected to the first cooling before and/or after it is passed through the circulating pump. Details are also explained in more detail with reference to the drawings, in which the Figures 4 to 6 embodiments of the present invention shown provide cooling before and after the circulation pump.
  • the liquid nitrogen in the reservoir is typically in a non-supercooled state, while subcooled nitrogen is present in the recycle stream, if the nitrogen injected from the reservoir is not subjected to any further cooling prior to being injected into the recycle stream, a significant cooling will occur Temperature increase that must be compensated for by a corresponding cooling capacity in the assigned subcooler. Therefore, as already mentioned, it is advantageously provided within the scope of the present invention that the liquid nitrogen taken from the reservoir and introduced into the circulation stream is cooled using a third supercooled nitrogen bath before it is introduced into the circulation stream. The third supercooled nitrogen bath is also used for supercooling the liquid nitrogen fed into the first supercooled nitrogen bath in the second operating mode.
  • Such cooling of the liquid nitrogen introduced into the circulating flow and, in the second process mode, fed into the first supercooled nitrogen bath can therefore be carried out in particular by using a further, ie third, supercooled nitrogen bath.
  • the third supercooled nitrogen bath is provided in that further liquid nitrogen is removed from the reservoir at the first pressure level and expanded to a third pressure level with partial evaporation.
  • the third pressure level can, for example, be at atmospheric pressure or slightly, ie in particular at most 0.5 bar, above atmospheric pressure. In this way, corresponding additional cold can be generated and there is a partial evaporation of the expanded nitrogen.
  • a portion of the additional liquid nitrogen from the reservoir that is not vaporized during the expansion to the third pressure level can be at least partially fed to the third nitrogen bath and a portion of the additional liquid nitrogen from the reservoir that has evaporated during the expansion to the third pressure level can be at least partially used as a coolant in the closed cooling device can be used.
  • a cooling device with a Brayton cooler is used in particular as the closed cooling device, there is a further saving in energy.
  • the present invention also extends to a device for cooling a consumer via a cooling path that extends between a first end and a second end.
  • the apparatus is operable in a first mode of operation for at least a first period of time and in a second mode of operation for at least a second, different period of time and comprises means adapted to supply liquid nitrogen in the form of a circulating stream, i.e.
  • the means are set up in particular to always lead in the same direction, so that this is not, as for example in the DE 10 2012 016 292 A1 , experiences a reversal of direction.
  • These means include, in particular, corresponding lines and a circulation pump.
  • the device has means which are set up to carry out the first cooling using a first supercooled nitrogen bath and the second cooling using a second supercooled nitrogen bath in the first and in the second operating mode.
  • the first and the second nitrogen bath or corresponding containers are part of the device.
  • It also has a closed cooling device that is set up to cool the first nitrogen bath in the first operating mode, and means that are set up to supercool the second nitrogen bath in the first and in the second operating mode at least partially by reducing the pressure to a subatmospheric pressure level.
  • the latter include in particular a vacuum pump.
  • Means are also provided which are set up in the first and in the second operating mode to at least partially compensate for the amount of nitrogen evaporating from the second nitrogen bath due to the pressure reduction to the subatmospheric pressure level from a reservoir, for which purpose the device has corresponding lines and in particular corresponding valves.
  • the device is characterized in particular by means that are set up to remove liquid nitrogen from the reservoir for the named equalization and introduce it into the circulatory flow before the circulatory flow is fed to the cooling section at the first end, and liquid nitrogen from the circulatory flow discharge and at least partially fed to the second nitrogen bath, after the circulatory flow of the cooling section is removed at the second end.
  • means are provided which are set up to remove further liquid nitrogen from the reservoir, to supercool it and to feed it to the first supercooled nitrogen bath whenever the closed cooling device is not operated in the second operating mode or is only operated with reduced power. Furthermore, a pump is provided which is set up to pump gaseous nitrogen out of the first nitrogen bath in the second operating mode while reducing the pressure to a subatmospheric pressure level.
  • control device that is set up to output a control specification to the device so that it works in the first or in the second operating mode.
  • the control device can, for example, also be set up to recognize that the closed cooling device cannot be operated or can only be operated with reduced power and to switch from the first to the second operating mode on this basis.
  • one or more first cooling passages are provided for transporting the liquid nitrogen in the form of the circulating flow from the first end to the second end along the cooling section and one or more second cooling passages are provided for transporting from the second end to the first end along the cooling section is or are fluidly separated from the one or more first cooling passages.
  • FIG 1 a system according to an embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • the system shown comprises a consumer 1, which, as mentioned, can in particular be an (HTSL) cable system.
  • the consumer 1 is cooled using liquid nitrogen, which is conducted in a circulatory flow 2 .
  • the liquid nitrogen in cycle stream 2 is cooled in a heat exchanger 3 in the example shown, fed to a circulation pump 4, cooled in another heat exchanger 5 and used again to cool consumer 1.
  • a circulation pump 4 cooled in another heat exchanger 5 and used again to cool consumer 1.
  • only one of the two heat exchangers 3 and 5 can also be provided.
  • the heat exchangers 3 and 5, if present, are each arranged in a subcooled nitrogen bath in a subcooler 6.
  • the nitrogen in the circulating stream 2 can be cooled to a temperature level of, for example, approximately 67 K and can be used at this temperature level to cool the consumer 1 .
  • cooling consumer 1 heats up to a temperature level of, for example, approx. 73 K.
  • the sub-cooling of the nitrogen bath in the sub-cooler 6 is effected by pressure reduction using a pump 7 which pumps out nitrogen evaporating from the nitrogen bath and in this way reduces the pressure level in the sub-cooler 6 .
  • the nitrogen pumped out is, for example, discharged to the atmosphere (amb). Nitrogen losses caused by pumping out are compensated for by liquid nitrogen from a reservoir 8 via a valve 9 .
  • the reservoir 8 can be fed by means of an air separation plant.
  • the reservoir 8 is provided with a pressure build-up evaporator 10 here.
  • a bidirectional connection, not specifically designated, to the reservoir 8 is provided in the example shown.
  • the pressure level of the nitrogen in the circulating flow 2 upstream of the circulating pump 4 and at the same time in the reservoir is typically above 2 bar (abs.), for example approximately 10 bar (abs.).
  • the pressure level of the nitrogen in the circulating stream 2 downstream of the Circulation pump 4 is above this, for example at about 15 bar (abs.).
  • the pressure level in the subcooler 6 is below atmospheric pressure, in particular at 0.1 to 0.5 bar (abs.), for example at approx. 0.2 bar (abs.).
  • FIG 2 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • a closed cooling device 11 can also be used, which is used in the system according to FIG figure 2 is provided in addition to the pump 7.
  • the nitrogen from the sub-cooler 6 is additionally cooled using a suitable refrigeration machine, which can in particular include one or more Stirling coolers and/or one or more Brayton coolers operated using neon and/or helium.
  • the nitrogen enters the cooling device 11 in gaseous form and is returned to the subcooler 6 in liquid form.
  • a pressure control device 21 is provided, which instead of in the system according to figure 1 provided connection is set up with the reservoir 8 for pressure adjustment. In this way the pressure level in the reservoir 8 can be adjusted to a value which is independent of the pressure level upstream of the circulation pump 4 .
  • FIG 3 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • the system according to figure 3 is particularly advantageous when a longer cooling distance is to be covered.
  • a further sub-cooler 12 with a heat exchanger 13 is arranged at one end of the consumer 1 or a corresponding cooling section of the sub-cooler 6 with the heat exchangers 3 and/or 5 and at the other end of the consumer 1 or the cooling section.
  • the sub-cooler 6 is provided with the pump 7
  • the further sub-cooler 12 is equipped with the cooling device 11 . In this way, excessive heating of the nitrogen in the circulating stream 2 over the (long) cooling section can be prevented.
  • FIG 4 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • the cooling device 11 and the reservoir 8 at the same end of the consumer 1 or a corresponding cooling section and are assigned to the subcooler 6 arranged there.
  • the subcooler 12 arranged at the other end is equipped with the pump 7 .
  • the pump 7, on the other hand can be arranged at the other end, taking up little installation space, at which there may be a lack of space or where other devices are arranged.
  • nitrogen is introduced from the reservoir 8 at one end into the circulating flow 2 via the valve 9 and not into a corresponding subcooler.
  • This additionally injected nitrogen is mixed into the circulating flow 2 by means of a mixing device 14 .
  • this nitrogen is removed from the circulating stream 2 again and fed via a valve 15 and a corresponding line to the subcooler 12 provided there.
  • the pressure level in the reservoir 8 is therefore (slightly) higher than the pressure level of the nitrogen in the circulatory stream 2 upstream of the circulatory pump 4.
  • the pressure difference used can in principle be higher or lower than the pressure level of the nitrogen in the circulatory stream 2 upstream of the circulatory pump 4.
  • FIG 5 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • another sub-cooler 18 with a corresponding heat exchanger 16 is used here.
  • the nitrogen to be fed into the circulating stream 2 is expanded by means of the valve 9 after it has been removed from the reservoir 8 and passed through the heat exchanger 16 .
  • a nitrogen bath in the further subcooler 18 is provided by further nitrogen which is taken from the reservoir 8 and expanded to atmospheric pressure or slightly above by means of a further valve 17 . Some of the nitrogen released via the valve 17 evaporates. The vaporized portion is vented to the atmosphere (atm). The portion that remains in liquid form is supercooled and can therefore be used as a cooling medium.
  • the pressure level in the further sub-cooler 18 is at or slightly above atmospheric pressure, i.e. typically a maximum of 0.5 bar.
  • the nitrogen to be fed into the circulating flow 2 is already at a temperature level of typically less than 80 K, so that corresponding losses during mixing in via the mixing device are avoided.
  • the required cooling capacity of the cooling device 11 can also be reduced to a corresponding extent in this way.
  • FIG 6 a system according to a further embodiment not according to the invention is shown in a simplified schematic representation.
  • gaseous nitrogen flowing out of the further subcooler 18 is also used as a cooling medium in the cooling device 11, which can have a Brayton cooler here in particular.
  • a corresponding heat exchanger 19 is provided for this purpose. In this way, energy losses can be further reduced.
  • FIG. 7A and 7B 1 shows a system according to an embodiment of the present invention in a simplified schematic representation in a first and a second operating or method mode and is denoted by 100 .
  • the first operating or process mode which is Figure 7A is shown corresponds essentially to the (single) operating or method mode in the system according to FIG figure 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 denoted by 20.
  • Such a compressor can also be used in the cooling device of the system according to FIG figure 6 be provided.
  • the vaporized nitrogen from the subcooler 15 is not, partially or fully used as a cooling medium in the closed cooling device 11 or is instead discharged to the atmosphere (atm) is basically optional.
  • a valve 22 and a pump 23 are also shown, which in accordance with the first mode of operation Figure 7A are closed or not in operation. This is additionally illustrated by dashed flow arrows.
  • the entire cooling capacity for cooling the nitrogen bath in the subcooler 6 is provided by the closed cooling device 11. Occurs in the system 100 according to the Figures 7A and 7B If the closed cooling device 11 is at least partially switched off or is at least partially switched off, the second operating or method mode according to FIG Figure 7B carried out or initiated. The inactivation of the closed cooling device 11 in the second operating mode is indicated by corresponding dashed elements in FIG Figure 7B illustrated.
  • the closed cooling device 11 is not operated or is only operated with reduced power and further liquid nitrogen is removed from the reservoir 8, supercooled via the valve 22 and fed to the first supercooled nitrogen bath, ie the subcooler 6.
  • gaseous nitrogen is also pumped out of the first nitrogen bath, ie from the subcooler 6, by means of the pump 19 by means of the pump 23, with the pressure being reduced to a subatmospheric pressure level.
  • FIG. 8A and 8B a system according to a further embodiment of the present invention is shown in a simplified schematic representation in a first and a second operating or method mode and is denoted by 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 of a compressor, denoted here by 20a and 20b. If one of them fails, as with regard to the second operating mode in Figure 8B shown, the correspondingly reduced cooling capacity can be compensated for by feeding in the nitrogen from the reservoir 8 .
  • control device 50 is also illustrated in a highly simplified manner, which is set up to output a control specification to the device so that it works in the first or in the second operating mode.
  • the control device 50 can also be set up, for example, to recognize that the closed cooling device 11 cannot be operated or can only be operated with reduced power and to switch from the first to the second operating mode on this basis.
  • FIG. 9 illustrates a cooling line that can be provided in a system according to the previous figures. This is summarized here with 1000.
  • a consumer is indicated by 1 and a circulating stream by 2.
  • Cooling passages are illustrated at 1010 and 1020 separated by a dashed line 1100 .
  • the cooling passages 1010 and 1020 are for transporting the liquid nitrogen in the form of the circulating stream 2 from the first end to the second end along the cooling line on the one hand (“first cooling passage” 1010) and for transporting it from the second end to the first end along the cooling line on the other hand (“second cooling passage” 1020) provided and fluidically separated from each other in the sense explained above.
  • the first end of the cooling section 1000 has the reference number 1001, the second end of the cooling section has the reference number 1002.
  • a feed opening (for the circulating flow 2 at the first end 1001 into the cooling section 1000 or the first cooling passage 1010) is denoted by 1011 ("first feed opening”).
  • a removal opening (for the circuit stream 2 at the second end 1002 from the cooling section 1000 or the first cooling passage 1010) is denoted by 1012 ("first removal opening”).
  • a feed opening (for the circuit stream 2 at the second end 1002 in the cooling section 1000 or the second cooling passage 1020) is denoted by 1021 ("second feed opening”).
  • a bleed port (for the recycle flow 2 at the first end 1001 from the cooling section 1000 or the second cooling passage 1020) is denoted by 1022 ("second removal opening").

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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 , die als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird, 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.
  • Gemäß der Erfindung 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 (13)

  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, dadurch gekennzeichnet, dass dass 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der in Form des Kreislaufstroms (2) geführte flüssige Stickstoff nach seiner Entnahme am ersten Ende der Kühlstrecke und vor einer erneuten Zuführung am ersten Ende der Kühlstrecke durch eine Kreislaufpumpe (4) geführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der in Form des Kreislaufstroms (2) geführte flüssige Stickstoff der Kreislaufpumpe (4) auf einem ersten Druckniveau von wenigstens 2 bar (abs.) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff dem Reservoir (8) auf einem zweiten Druckniveau oberhalb des ersten entnommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der in Form des Kreislaufstroms (2) geführte flüssige Stickstoff der ersten Abkühlung unterworfen wird, bevor und/oder nachdem er durch die Kreislaufpumpe (4) geführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem der aus dem Reservoir (8) entnommene und in den Kreislaufstrom (2) eingeschleuste flüssige Stickstoff in den Kreislaufstrom (2) eingeschleust wird, bevor der Kreislaufstrom (2) durch die Kreislaufpumpe (4) geführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der 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.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das das dritte unterkühlte Stickstoffbad dadurch bereitgestellt wird, dass weiterer flüssiger Stickstoff aus dem Reservoir (8) auf dem ersten Druckniveau entnommen und unter teilweiser Verdampfung auf ein drittes Druckniveau entspannt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein bei der Entspannung auf das dritte Druckniveau nicht verdampfter Anteil des weiteren flüssigen Stickstoffs aus dem Reservoir (8) zumindest teilweise dem dritten Stickstoffbad zugeführt und ein bei der Entspannung auf das dritte Druckniveau verdampfter Anteil des weiteren flüssigen Stickstoffs aus dem Reservoir (8) zumindest teilweise als Kühlmittel in der geschlossenen Kühleinrichtung (11) verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, , bei dem als die geschlossene Kühleinrichtung (11) eine Kühleinrichtung mit einem Brayton-Kühler verwendet wird.
  12. Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrauchers (1) über eine Kühlstrecke, 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
  13. System (100, 200) mit einem zu kühlenden Verbraucher (1), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12.
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