WO2010136161A1 - Verfahren und vorrichtung zur zuführung eines flüssigen gases in ein gefäss - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zuführung eines flüssigen gases in ein gefäss Download PDF

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line
receiving
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Uwe Meyer
Jürgen Glasow
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Definitions

  • the invention relates to a method for supplying a liquid into a vessel, in particular a method for supplying the liquid into a vessel which has a temperature above the temperature of evaporation of the liquid, such as.
  • a method for supplying a liquid into a vessel which has a temperature above the temperature of evaporation of the liquid, such as.
  • the invention relates to a device for supplying a liquid into a vessel, in particular for supplying liquid gas into a tank or a transport vessel, and to a vessel equipped with such a device.
  • Applications of the invention are particularly in the handling of liquid gases such. As liquid nitrogen or helium.
  • liquid gases for cooling technical equipment.
  • the gases such as liquid helium or liquid nitrogen
  • a storage tank into a thermally insulated vessel, in particular a transport vessel or other, intended for cooling vessel, for. B. transferred to a cooling chamber.
  • the transfer of liquid gas takes place in practice z. B. via a vacuum-insulated transfer line between the storage tank and the thermally insulated vessel.
  • the rigid and non-insulated end of the transfer line ends in the gas space of the vessel below its lid.
  • the object of the invention is to provide an improved method for supplying liquid, in particular liquid gas or low-boiling liquids, into a vessel, with which disadvantages of conventional methods are overcome.
  • the invention is intended to enable in particular
  • the object of the invention is also to provide an improved apparatus for supplying a liquid into a vessel, with the disadvantages of Conventional transfer devices are overcome and in particular a minimization of evaporation losses in the liquid supply allows.
  • the object of the invention is also to provide an improved vessel for holding a liquid, in particular a liquid gas, which overcomes the disadvantages of conventional vessels and which in particular allows uptake of the liquid with minimal loss of material.
  • the invention is based on a first
  • An aspect of the general technical teaching to provide a method for supplying a liquid into a vessel, in which the liquid flows through a transfer line into a receiving line arranged in the vessel.
  • the receiving conduit extends in the vessel in the vertical direction between an upper end open to the surrounding gas space, into which the liquid is passed, and a lower end.
  • liquid is supplied to a vessel at a temperature below the vaporization temperature of the liquid.
  • the liquid (liquified gas or low-boiling liquid) is referred to herein as liquid gas.
  • the invention is based, in a second aspect, on the general technical teaching, to provide a receiving line which is suitable for supplying a
  • Liquid is arranged in a vessel and a tubular body having a first, upper end, which is provided for introducing the liquid, and a second, lower end, which is provided for the discharge of the liquid into the vessel, comprises, wherein the tubular body is formed of a plastic material, in particular a glass fiber reinforced material, and / or stainless steel.
  • the invention is based on the general technical teaching of providing a vessel for receiving a liquid, which is equipped with at least one receiving line according to the invention.
  • the receiving line is provided at the end of the transfer line separate line piece.
  • the transfer line and the receiving line can z. B. be separate components or alternatively interconnected components, wherein in a region between the transfer line and the receiving line pressure equalization with the gas space open to the environment is possible. In this area there is an open exhaust gas discharge.
  • the receiving line represents an open line extension of the transfer line.
  • the receiving line is arranged so that the liquid under the action of gravity, d. H. with a vertical component flows from the top to the bottom of the receiving line.
  • the inventive use of the receiving line for transporting the liquid and its introduction into the vessel has the following advantages.
  • the invention prevents a spraying of the liquid against the inner wall or completely prevented.
  • the rate of evaporation of the liquid is reduced when it is introduced into the vessel, since the liquid can evaporate only on the lateral surface of the receiving line, which is much smaller than that of the inner wall of the vessel, in particular of the poorly heat-conducting glass fiber material.
  • This advantageous effect is also achieved with a receiving line made of stainless steel, since there is no direct connection and thus no significant thermal coupling between the receiving line and the transfer line.
  • the open-top end of the receiving line is adapted for pressure equalization between the transfer line and the open to the environment gas space of the vessel. Due to the pressure equalization at the upper end of the receiving line, irregular flows, in particular vortices or turbulences, are advantageously avoided in the vessel.
  • the upper and lower ends of the open conduit act as dampers.
  • the liquid flows into the vessel without any turbulence, which accelerates the cooling of the inner wall of the vessel and makes the evaporation of e.g. B. is minimized by splashes on the inner wall of the vessel.
  • the inner diameter of the receiving line is selected to be greater than the outer diameter of the transfer line at its upper end.
  • the transfer line protrudes into the upper end of the receiving line, wherein the pressure equalization takes place through the gap between the transfer line and the inner wall of the receiving line.
  • the tubular body in this case has a particularly simple construction.
  • the axial opening is formed by the open lower end of the receiving line.
  • at least one radial opening may be provided at the lower end of the receiving line.
  • the radial opening is provided in the wall of the tubular body in the radial direction, ie perpendicular to the longitudinal extent of the tubular body.
  • the radial opening advantageously offers the possibility that the liquid at the lower end of the receiving line can flow laterally into the vessel and into a liquid bath collecting in it.
  • the receiving line can also be placed on a bottom of the vessel with the at least one radial opening without obstructing the outflow of the liquid into the vessel.
  • the receiving conduit can be arranged in the vessel so that the lower end of the receiving conduit has a distance from the bottom of the vessel. A rapid inflow of the liquid into the barrel would thus result.
  • the vessel and the tubular body of the receiving conduit are preferably a solid composite.
  • the vessel equipped with the tubular body enables the liquid supply according to the invention with a reduced evaporation rate.
  • the tubular body of the receiving conduit may be detachably connected to the vessel.
  • the receiving line can be partially used in various vessels for liquid supply.
  • the receiving line can be releasably secured in a vessel opening.
  • the receiving line can be releasably secured to an inner wall of the vessel. In this case, there may be advantages for improved stability of the receiving conduit in the vessel.
  • the detachable attachment of the receiving line to the vessel further has the advantage that, according to a further variant of the invention, the receiving line can be removed from the latter after the liquid has been fed into the vessel.
  • the tubular body of the receiving line made of a plastic with a thermal conductivity is less than or equal to 0.2
  • Glass fiber reinforced plastic offers advantages in terms of high stability both at room temperature and at the temperature of liquid gases below z. B. - 100 0 C. Furthermore, glass fiber reinforced plastic has a low heat conduction, z. B. approx. 0.2 W / mK, so that the receiving line quickly cools when supplying the liquid and thus evaporation of the liquid in the receiving line can be minimized.
  • the vessel into which the liquid is supplied is preferably a thermally insulated container, such.
  • a thermally insulated container such as a Dewar vessel, a cryotank or a cold chamber.
  • the thermally insulated container is intended to hold a low-boiling liquid, upon the evaporation of which a pressure is built up, in particular for holding liquid nitrogen or oxygen or a liquid noble gas, in particular liquid helium or argon, or a composition thereof.
  • Figure 1 a schematic sectional view of a vessel with a receiving line
  • Figure 2 is a schematic sectional view taken along the line I - I in Figure 1;
  • Figure 3 a schematic sectional view of another
  • Figure 4 different variants of radial openings of receiving lines according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of the transfer of a liquid gas from a storage tank into a transport vessel
  • FIG. 6 is a graph illustrating the liquid consumption improved with the invention when transferring liquid helium.
  • FIG. 1 illustrates a transport vessel 10 for liquid helium 1 in a schematic sectional view.
  • a receiving line 30 is arranged, which is adapted to supply the liquid helium 1 in the transport vessel 10.
  • the transport vessel 10 has a thermally insulated vessel wall 11, at the upper end of which a vessel opening 12 and at the lower end of which a vessel bottom 13 is provided.
  • the vessel wall 11 is z. B. shaped so that an ellipsoidal interior is formed with a curved vessel bottom 13.
  • the vessel wall 11 comprises a thermally insulating material. For example, a double-walled construction of the vessel wall 11 made of glass and / or steel is set up with an evacuated wall interior.
  • the transport vessel 10 is for receiving z. B. 150 1 liquid helium at a temperature of - 268 0 C provided.
  • the vessel opening 12 has z. B. a diameter of 20 to 30 cm.
  • the transfer line 20 includes z. B. a flexible stainless steel tube with a thermal insulation.
  • a vacuum insulation or for the supply of liquid HeIi- in the transport vessel 10 may be provided a cooling with liquid or vapor nitrogen.
  • the transfer line 20 with a diameter of z. B. 1 cm to 2 cm is z. B. connected to a storage tank (see Figure 5).
  • the receiving conduit 30 comprises a tubular body 35 which is arranged vertically or at least inclined relative to the horizontal in the transport vessel 10.
  • the tubular body 35 has an upper end 31 and a lower end 32, which are respectively arranged correspondingly in the vessel opening 12 and the vessel bottom 13 adjacent.
  • the tubular body 35 is z. B. from GRP (glass fiber reinforced plastic), PTFE, polyimide or stainless steel. Of the
  • Tube body 35 forms z.
  • B a straight hollow cylinder with an axial length in the range of 50 cm to 100 cm, an outer diameter in the range of 4 cm to 7 cm and a wall thickness less than 1 cm.
  • the implementation of the invention in practice is not limited to these dimensions, but can be varied depending on the specific application and in particular adapted to the dimensions of the transport vessel 10.
  • the upper end 31 of the tubular body 35 is connected to the vessel opening 12 by means of a first fixing device 36.
  • the first fixing device 36 comprises z. B. a plurality of support rods 37 between the outer surface of the tubular body 35 and the inside of the vessel opening 12 (see Figure 2).
  • a free line end 22 of the transfer line 20 projects into the upper end 31 of the tubular body 35.
  • the lower end 32 of the tubular body 35 is connected to the vessel bottom 13 by means of a second fixing device 38 (here simultaneously a table for receiving samples).
  • the second fixing device 38 comprises a support table, which on the
  • Container bottom 13 is fixed and has an opening with holding elements 39 for positive reception of the tubular body 35.
  • FIG. 3 illustrates, in a schematic sectional view, a further embodiment of the invention, in which a dewar vessel 10 for receiving the liquid gas is provided.
  • the de-vessel 10 has a cylindrical interior (corresponding to the rectangular cross-section of Figure 3).
  • the vessel wall 11 and the vessel bottom 13 are z. B. made of stainless steel and / or glass with a vacuum insulation.
  • the vessel opening 12 can be closed with a lid 14 (shown in dashed lines).
  • the receiving conduit 30 comprises the tubular body 35 with the upper end 31 and the lower end 32, which has radial openings 34 for the discharge of the liquid into the interior of the dewar vessel 10.
  • the tubular body 35 is connected to the inner surface of the vessel wall 11. It may be a detachable connection, for. B. using cuffs 15 (shown in phantom) may be provided. Alternatively or additionally, the tubular body with the inner surface of the vessel wall 11 fixedly connected, for. B. glued or screwed.
  • the axial length of the tubular body 35 is selected depending on the application of the invention. Preferably, as shown in Figure 3, it is less than the height of the Dewar vessel.
  • FIG. 4 illustrates, by way of example, various variants of radial outlet openings 34, which may be provided at the lower end 32 of the tubular body 35.
  • the axial lower end of the tubular body 35 can be closed (variants A, B and C) or with an axial Opening 33 (variant D) should be open.
  • variant A a plurality of circular or ellipsenförmi- ger, radial openings 34 is provided, which are distributed in the circumferential direction at the lower end 32 of the tubular body 35 are introduced into the wall of the tubular body.
  • a perforation is provided which encompasses a plurality of point-shaped radial outlet openings 34 in one or more rows.
  • a particularly high liquid passage allows the variant C, in which the radial openings 34 are formed as rectangular windows with intermediate webs 36.
  • variant D shows the combination of slot-shaped radial openings 34 with the axial opening 33 at the lower end 32 of the tubular body 35.
  • FIG. 5 schematically illustrates an exemplary embodiment of the supply according to the invention of a liquid gas 1 from a thermally insulated storage tank 40 into a transport vessel 10.
  • the liquid gas 1 eg liquid nitrogen or helium
  • the transport vessel 10 with the receiving conduit 30 according to the invention is constructed, for example, as shown above in Figure 1.
  • the storage tank 40 comprises a cryostat vessel with a vacuum-insulated vessel wall.
  • the liquid gas 1 is passed via the transfer line 20 (lift), which comprises a flexible pipe connection between the storage tank 40 and the transport vessel 10.
  • the liquid transport takes place under the effect of the vapor pressure formed in the interior of the storage tank 40 above the liquid gas.
  • the throughput through the transfer line 20 is adjustable with the valve 21.
  • the liquid gas 1 flows over the transfer line 20 into the receiving line 30 and from its lower end 32 to the bottom of the transport vessel 10.
  • the open ends 31, 32 of the tubular body 35 allow a pressure equalization between the upper gas volume and the pressure on the already existing liquid column, so that turbulence in the liquid Gas 1 can be minimized or completely suppressed.
  • FIG. 6 shows the helium consumption V (Heii qu ) for several series of experiments 1, 2, 3, ... (abscissa) without (curve A) and with (curve B) of the receiving line according to the invention. Only in the first cooling of the cryostat a high liquid consumption was measured in both cases.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß (10) beschrieben, bei dem die Flüssigkeit durch eine Transferleitung (20) in das Gefäß fließt, wobei im Gefäß (10) eine Aufnahmeleitung (30) angeordnet ist, in deren oberes, offenes Ende (31) die Flüssigkeit über die Transferleitung (20) eingeleitet wird und an deren unterem Ende (32) die Flüssigkeit in das Gefäß (10) austritt. Es wird auch eine Aufnahmeleitung (30) beschrieben, die zur Zuführung von verflüssigtem Gas in ein Gefäß (10) eingerichtet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Zuführung eines flüssigen Gases in ein Gefäß
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß, insbesondere ein Verfahren zur Zuführung der Flüssigkeit in ein Gefäß, das eine Temperatur o- berhalb der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit aufweist, wie z. B. die Zuführung von flüssigem Gas in einen Tank oder ein Transportgefäß. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß, insbesondere zur Zuführung von flüssigem Gas in einen Tank oder ein Transportgefäß, und ein mit einer derartigen Vor- richtung ausgestattetes Gefäß. Anwendungen der Erfindung sind insbesondere bei der Handhabung von flüssigen Gasen wie z. B. flüssigem Stickstoff oder Helium gegeben.
Die Anwendung flüssiger Gase zur Kühlung technischer Einrich- tungen ist allgemein bekannt. Typischerweise werden die Gase, wie flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff, aus einem Vorratstank in ein thermisch isoliertes Gefäß, insbesondere ein Transportgefäß oder ein anderes, zur Kühlung vorgesehenes Gefäß, z. B. eine Kühlkammer umgefüllt. Das Umfüllen von flüssigem Gas erfolgt in der Praxis z. B. über eine vakuumisolierte Transferleitung zwischen dem Vorratstank und dem thermisch isolierten Gefäß. Das starre und nicht isolierte Ende der Transferleitung endet im Gasraum des Gefäßes unterhalb von dessen Deckel. Wenn die Temperatur im Gefäß zu- nächst noch der Raumtemperatur entspricht oder anderweitig, z. B. durch Einsetzen eines Gegenstandes mit Raumtemperatur erhöht ist und oberhalb der Verdampfungstemperatur des flüssigen Gases liegt, verdampft das flüssige Gas beim Einströmen in das Gefäß, insbesondere beim Auftreffen auf die Behälter- wandung. Dieser Verdampfungsvorgang dauert an, bis das die Verdampfungswärme unterschritten wurde und sich im Gefäß Flüssigkeit sammeln kann.
Die Verdampfung von flüssigem Gas bei der Zuführung in zunächst ungekühlte Gefäße stellt ein Problem in der Praxis dar, da eine erhebliche Gasmenge (Flash-Gas) ungenutzt an die Umgebungsluft abgegeben wird, die einen unerwünschten Verdampfungsverlust und somit einen entsprechenden Kostenfaktor darstellt. Wenn auch die reine Bilanz der stofflichen Zusammensetzung der Luft hierbei als nahezu ausgeglichen betrachtet werden kann, gestaltet sich die Energiebilanz über die Separierung und Verflüssigung von Helium und Stickstoff aus der Luft durch die Verluste noch negativer und führt so zu einer zusätzlichen Umweltbelastung.
Zur Verminderung der beim Umfüllen von flüssigem Gas gebildeten Abgases wird in DE 23 07 287 vorgeschlagen, das Abgas mit einem Verdichter zu verdichten und in einen Vorratsbehälter zu fördern. Diese Technik hat jedoch Nachteile, die sich aus dem komplexen Aufbau (Verwendung eines geregelten Verdichters) und der Beschränkung auf ortsfeste Anlagen ergeben. Gleichzeitig bedeutet dies einen zusätzlichen Energieraufwand.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Zuführung von Flüssigkeit, insbesondere von flüssigem Gas oder tiefsiedenden Flüssigkeiten, in ein Gefäß bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Verfahren überwunden werden. Die Erfindung soll insbesondere ermöglichen, dass
Verdampfungsverluste bei der Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß minimiert werden. Die Aufgabe der Erfindung ist auch, eine verbesserte Vorrichtung zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß bereitzustellen, mit der Nachteile her- kömmlicher Umfüllvorrichtungen überwunden werden und die insbesondere eine Minimierung von Verdampfungsverlusten bei der Flüssigkeitszuführung ermöglicht. Die Aufgabe der Erfindung ist auch, ein verbessertes Gefäß zur Aufnahme einer Flüssig- keit, insbesondere eines flüssigen Gases, bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Gefäße überwunden werden und die insbesondere Aufnahme der Flüssigkeit mit minimalem Mate- rialverlust ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch Verfahren oder Vorrichtungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Verfahrensbezogen basiert die Erfindung gemäß einem ersten
Gesichtspunkt auf der allgemeinen technischen Lehre, ein Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß bereitzustellen, bei dem die Flüssigkeit durch eine Transferleitung in eine im Gefäß angeordnete Aufnahmeleitung fließt. Die Auf- nahmeleitung erstreckt sich im Gefäß in vertikaler Richtung zwischen einem oberen, zum umgebenden Gasraum offenen Ende, in das die Flüssigkeit geleitet wird, und einem unteren Ende. Erfindungsgemäß wird Flüssigkeit in ein Gefäß mit einer Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit zugeführt. Die Flüssigkeit (verflüssigtes Gas oder tiefsiedende Flüssigkeit) wird hier als flüssiges Gas bezeichnet.
Vorrichtungsbezogen beruht die Erfindung gemäß einem zweiten Gesichtspunkt auf der allgemeinen technischen Lehre, eine Aufnahmeleitung bereitzustellen, die zur Zuführung einer
Flüssigkeit in ein Gefäß eingerichtet ist und einen Rohrkörper mit einem ersten, oberen Ende, das zur Einleitung der Flüssigkeit vorgesehen ist, und einem zweiten, unteren Ende, das zum Austritt der Flüssigkeit in das Gefäß vorgesehen ist, umfasst, wobei der Rohrkörper aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem glasfaserverstärktem Material, und/oder Edelstahl gebildet ist.
Vorrichtungsbezogen basiert die Erfindung gemäß einem dritten Gesichtspunkt auf der allgemeinen technischen Lehre, ein Gefäß zur Aufnahme einer Flüssigkeit bereitzustellen, das mit mindestens einer erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung ausgestattet ist.
Die Aufnahmeleitung ist ein am Ende der Transferleitung vorgesehenes gesondertes Leitungsstück. Die Transferleitung und die Aufnahmeleitung können z. B. getrennte Bauteile oder alternativ miteinander verbundene Bauteile sein, wobei in einem Bereich zwischen der Transferleitung und der Aufnahmeleitung ein Druckausgleich mit dem zur Umgebung offenen Gasraum möglich ist. In diesem Bereich besteht eine offene Abgasableitung. Die Aufnahmeleitung stellt eine offene Leitungsverlängerung der Transferleitung dar. Vorzugsweise ist die Aufnah- meleitung so angeordnet, dass die Flüssigkeit unter der Wirkung der Schwerkraft, d. h. mit einer vertikalen Komponente vom oberen zum unteren Ende der Aufnahmeleitung fließt.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Aufnahmeleitung zum Transport der Flüssigkeit und deren Einleitung in das Gefäß hat die folgenden Vorteile. Erstens wird ein direkter Kontakt der zugeführten Flüssigkeit mit der Innenwand des Gefäßes ausgeschlossen. Entsprechend wird ein Verdampfen der Flüssigkeit, insbesondere bei Beginn der Zuführung und/oder während das Gefäß eine Innentemperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit aufweist, durch einen Kontakt mit der Innenwand des Gefäßes unterbunden. Im Unterschied zur herkömmlichen Technik, bei der Flüssigkeit vom kalten und starren Ende der Transferleitung direkt in das Gefäß spritzt und an der Innenwand des Gefäßes verdampft, wird mit der Erfindung ein Spritzen der Flüssigkeit gegen dessen Innenwand beschränkt oder komplett unterbunden. Die Verdampfungsrate der Flüssigkeit wird bei der Zuführung in das Gefäß verringert, da die Flüssigkeit nur an der im Vergleich zur Gefäß- Innenwand viel kleineren Mantelfläche der Aufnahmeleitung, insbesondere des schlecht wärmeleitenden Glasfasermaterials, verdampfen kann. Diese vorteilhafte Wirkung wird auch mit einer Aufnahmeleitung aus Edelstahl erzielt, da zwischen der Aufnahmeleitung und der Transferleitung keine direkte Verbindung und somit keine wesentliche Wärmekopplung besteht.
Das oben offene Ende der Aufnahmeleitung ist für einen Druckausgleich zwischen der Transferleitung und dem zur Umgebung offenen Gasraum des Gefäßes eingerichtet. Durch den Druckausgleich am oberen Ende der Aufnahmeleitung werden vorteilhafterweise irreguläre Strömungen, insbesondere Wirbel oder Turbulenzen, im Gefäß vermieden. Die an den oberen und unteren Enden offene Aufnahmeleitung wirkt als Dämpfer. Die Flüssig- keit fließt turbulenzfrei in das Gefäß, wodurch die Abkühlung der Innenwand des Gefäßes beschleunigt und die Verdampfung z. B. von Spritzern an der Innenwand des Gefäßes minimiert wird. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Innendurchmesser der Aufnahmeleitung an deren oberen Ende größer als der Außendurchmesser der Transferleitung gewählt. Besonders bevorzugt ragt die Transferleitung in das obere Ende der Aufnahmeleitung, wobei der Druckausgleich durch den Spalt zwischen der Transferleitung und der Innenwand der Aufnahmeleitung erfolgt.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Flüssigkeit am unteren Ende der Aufnahmeleitung in das Gefäß zu leiten. Gemäß einer ersten Variante ist mindestens eine axiale Öffnung am unteren Ende der Aufnahmeleitung vorgese- hen. Vorteilhafterweise weist der Rohrkörper in diesem Fall einen besonders einfachen Aufbau auf. Die axiale Öffnung wird durch das offene untere Ende der Aufnahmeleitung gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann am unteren Ende der Aufnahme- leitung mindestens eine radiale Öffnung vorgesehen sein. Die radiale Öffnung ist in der Wand des Rohrkörpers in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Längsausdehnung des Rohrkörpers vorgesehen. Die radiale Öffnung bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit, dass die Flüssigkeit am unteren Ende der Aufnah- meleitung seitlich in das Gefäß und ein sich in diesem sammelndes Flüssigkeitsbad einströmen kann. Die Aufnahmeleitung kann mit der mindestens einen radialen Öffnung auch auf einem Boden des Gefäßes aufgesetzt werden, ohne dass das Ausströmen der Flüssigkeit in das Gefäß behindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Aufnahmeleitung im Gefäß so angeordnet sein, dass das untere Ende der Aufnahmeleitung einen Abstand vom Boden des Gefäßes aufweist. Ein schnelles Einströmen der Flüssigkeit in das Ge- faß wäre somit die Folge.
Gemäß dem oben genannten dritten Gesichtspunkt stellen das Gefäß und der Rohrkörper der Aufnahmeleitung vorzugsweise einen festen Verbund dar. Das mit dem Rohrkörper ausgestattete Gefäß ermöglicht die erfindungsgemäße Flüssigkeitszuführung mit einer verminderten Verdampfungsrate. Gemäß einer alternativ Ausführungsform der Erfindung kann der Rohrkörper der Aufnahmeleitung lösbar mit dem Gefäß verbunden sein. Vorteilhafterweise wird damit das Innenvolumen eines vorhandenen Ge- fäßes besser genutzt. Des Weiteren kann die Aufnahmeleitung teilweise in verschiedenen Gefäßen zur Flüssigkeitszuführung verwendet werden. Gemäß einer ersten Variante kann die Aufnahmeleitung in einer Gefäßöffnung lösbar befestigt sein. Vorteilhafterweise vereinfacht dies das Einsetzen und die Entfernung der Aufnahmeleitung am Gefäß und eine Sichtkontrolle der Befestigung der Aufnahmeleitung. Alternativ oder zusätzlich kann die Aufnahmeleitung an einer Innenwand des Gefäßes lösbar befestigt sein. In diesem Fall können sich Vorteile für eine verbesserte Stabilität der Aufnahmeleitung im Gefäß ergeben.
Die lösbare Befestigung der Aufnahmeleitung am Gefäß hat ferner den Vorteil, dass gemäß einer weiteren Variante der Er- findung die Aufnahmeleitung nach der Zuführung der Flüssigkeit in das Gefäß aus diesem entnommen werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rohrkörper der Aufnahmeleitung aus einem Kunst- stoff mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 0,2
W/mK, insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet. Glasfaserverstärkter Kunststoff bietet Vorteile hinsichtlich einer hohen Stabilität sowohl bei Raumtemperatur als auch bei der Temperatur von flüssigen Gasen unterhalb von z. B. - 1000C. Des Weiteren weist glasfaserverstärkter Kunststoff eine eine geringe Wärmeleitung, z. B. rd. 0,2 W/mK, auf, so dass sich die Aufnahmeleitung bei Zuführung der Flüssigkeit schnell abkühlt und somit eine Verdampfung der Flüssigkeit in der Aufnahmeleitung minimiert werden kann.
Das Gefäß, in das die Flüssigkeit zugeführt wird, ist vorzugsweise ein thermisch isolierter Behälter, wie z. B. ein Dewar-Gefäß, ein Kryotank oder eine Kältekammer. Der thermisch isolierte Behälter ist zur Aufnahme einer tief sieden- den Flüssigkeit, bei deren Verdampfung ein Druck aufgebaut wird, insbesondere zur Aufnahme von flüssigem Stickstoff oder Sauerstoff oder ein flüssige Edelgas, insbesondere flüssige Helium oder Argon, oder eine Zusammensetzung aus diesen vorgesehen. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Schnittansicht eines Gefäßes mit einer Aufnahmeleitung;
Figur 2 : eine schematische Schnittansicht entlang der Linie I - I in Figur 1;
Figur 3: eine schematische Schnittansicht einer weiteren
Ausführungsform eines Gefäßes mit einer Aufnahmeleitung;
Figur 4 : verschiedene Varianten radialer Öffnungen an erfindungsgemäßen Aufnahmeleitungen;
Figur 5: eine schematische Illustration des Umfüllens eines flüssigen Gases von einem Vorratstank in ein Transportgefäß; und
Figur 6: eine Kurvendarstellung zur Illustration des mit der Erfindung verbesserten Flüssigkeitsverbrauchs beim Umfüllen von flüssigem Helium.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf das Umfüllen eines flüssigen Gases für Kühlzwecke in ein Transportgefäß oder einen Kryostaten beschrieben. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Kühleinrichtungen beschränkt, sondern bezieht sich allgemein auf den Transport tiefsiedender Flüssigkeiten. Figur 1 illustriert ein Transportgefäß 10 für flüssiges Helium 1 in schematischer Schnittansicht. Eine Transferleitung 20 mit einer Ventileinrichtung 21, z. B. einem manuell betätigbaren Ventil, ragt in den Innenraum des Transportgefäßes 10. Im Transportgefäß 10 ist eine Aufnahmeleitung 30 angeordnet, die zur Zuführung des flüssigen Heliums 1 in das Transportgefäß 10 eingerichtet ist.
Das Transportgefäß 10 weist eine thermisch isolierte Gefäß- wand 11 auf, an deren oberen Ende eine Gefäßöffnung 12 und an deren unteren Ende ein Gefäßboden 13 vorgesehen ist. Die Gefäßwand 11 ist z. B. so geformt, dass ein ellipsoidförmiger Innenraum mit einem gekrümmten Gefäßboden 13 gebildet wird. Die Gefäßwand 11 umfasst ein thermisch isolierendes Material. Beispielsweise ist ein doppelwandiger Aufbau der Gefäßwand 11 aus Glas und/oder Stahl mit einem evakuierten Wandinnenraum eingerichtet. Das Transportgefäß 10 ist zur Aufnahme von z. B. 150 1 flüssigem Heliums bei einer Temperatur von - 268 0C vorgesehen. Die Gefäßöffnung 12 hat z. B. einen Durchmesser von 20 bis 30 cm.
Die Transferleitung 20 umfasst z. B. ein flexibles Edelstahlrohr mit einer thermischen Isolation. Beispielsweise kann eine Vakuumisolation oder für die Zuführung von flüssigem HeIi- um in das Transportgefäß 10 eine Kühlung mit flüssigem oder dampfförmigen Stickstoff vorgesehen sein. Die Transferleitung 20 mit einem Durchmesser von z. B. 1 cm bis 2 cm ist z. B. mit einem Speichertank verbunden (siehe Figur 5).
Die erfindungsgemäße Aufnahmeleitung 30 umfasst einen Rohrkörper 35, der vertikal oder mindestens gegenüber der Horizontalen geneigt im Transportgefäß 10 angeordnet ist. Der Rohrkörper 35 weist ein oberes Ende 31 und ein unteres Ende 32 auf, die jeweils entsprechend in der Gefäßöffnung 12 und an den Gefäßboden 13 angrenzend angeordnet sind.
Der Rohrkörper 35 besteht z. B. aus GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), PTFE, Polyimid oder auch aus Edelstahl. Der
Rohrkörper 35 bildet z. B. einen geraden Hohlzylinder mit einer axialen Länge im Bereich von 50 cm bis 100 cm, einem Außendurchmesser im Bereich von 4 cm bis 7 cm und einer Wandstärke geringer als 1 cm. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist nicht auf diese Maße beschränkt, sondern kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung variiert und insbesondere an die Maße des Transportgefäßes 10 angepasst werden.
Das obere Ende 31 des Rohrkörpers 35 ist mittels einer ersten Fixiereinrichtung 36 mit der Gefäßöffnung 12 verbunden. Die erste Fixiereinrichtung 36 umfasst z. B. eine Vielzahl von Haltestäben 37 zwischen der Außenoberfläche des Rohrkörpers 35 und der Innenseite der Gefäßöffnung 12 (siehe Figur 2) . Ein freies Leitungsende 22 der Transferleitung 20 ragt in das obere Ende 31 des Rohrkörpers 35.
Das untere Ende 32 des Rohrkörpers 35 ist mittels einer zweiten Fixiereinrichtung 38 (hier gleichzeitig Tisch zur Aufnahme von Proben) mit dem Gefäßboden 13 verbunden. Die zweite Fixiereinrichtung 38 umfasst einen Trägertisch, der auf dem
Gefäßboden 13 fixiert ist und eine Öffnung mit Halteelementen 39 zur formschlüssigen Aufnahme des Rohrkörpers 35 aufweist.
Am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35 sind eine axiale Öff- nung 33 und/oder radiale Öffnungen 34 vorgesehen, durch welche das flüssiges Helium von der Aufnahmeleitung 30 in das Transportgefäß 10 austreten kann. Varianten der radialen Öffnungen 34 sind unten unter Bezug von Figur 4 beispielhaft genannt. Figur 3 illustriert in schematischer Schnittansicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Dewar-Gefäß 10 zur Aufnahme des flüssigen Gases vorgesehen ist. Das De- war-Gefäß 10 weist einen zylinderförmigen Innenraum (entsprechend mit dem rechteckigen Querschnitt gemäß Figur 3) auf. Die Gefäßwand 11 und der Gefäßboden 13 sind z. B. aus Edelstahl und/oder Glas mit einer Vakuumisolation gebildet. Die Gefäßöffnung 12 kann mit einem Deckel 14 (gestrichelt ge- zeigt) geschlossen werden.
Die Aufnahmeleitung 30 umfasst den Rohrkörper 35 mit dem oberen Ende 31 und dem unteren Ende 32, das radiale Öffnungen 34 zum Austritt der Flüssigkeit in den Innenraum des Dewar- Gefäßes 10 aufweist. Der Rohrkörper 35 ist mit der Innenoberfläche der Gefäßwand 11 verbunden. Es kann eine lösbare Verbindung, z. B. unter Verwendung von Manschetten 15 (gestrichelt gezeigt) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Rohrkörper mit der Innenoberfläche der Gefäßwand 11 fest verbunden, z. B. verklebt oder verschraubt sein.
Die axiale Länge des Rohrkörpers 35 ist in Abhängigkeit von der Anwendung der Erfindung gewählt. Vorzugsweise ist sie, wie in Figur 3 dargestellt, geringer als die Höhe des Dewar- Gefäßes.
Figur 4 illustriert beispielhaft verschiedene Varianten radialer Austrittsöffnungen 34, die am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35 vorgesehen sein können. In Abhängigkeit von der Anwendung der Erfindung und insbesondere der Anpassung des Rohrkörpers 35 an die Geometrie des Gefäßes, in welches das flüssige Gas eingeleitet werden soll, kann das axiale untere Ende des Rohrkörpers 35 geschlossen (Varianten A, B und C) oder mit einer axialen Öffnung 33 (Variante D) offen sein. Gemäß Variante A ist eine Vielzahl kreis- oder ellipsenförmi- ger, radialer Öffnungen 34 vorgesehen, die in Umfangsrichtung verteilt am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35 in die Wand des Rohrkörpers eingebracht sind. Gemäß Variante B ist eine Perforation vorgesehen, die eine Vielzahl punktförmiger radialer Austrittsöffnungen 34 in einer oder mehreren Reihen um- fasst. Einen besonders hohen Flüssigkeitsdurchtritt ermöglicht die Variante C, bei der die radialen Öffnungen 34 als rechteckige Fenster mit Zwischenstegen 36 gebildet sind.
Schließlich zeigt Variante D die Kombination von schlitzförmigen radialen Öffnungen 34 mit der axialen Öffnung 33 am unteren Ende 32 des Rohrkörpers 35.
Figur 5 illustriert schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zuführung eines flüssigen Gases 1 von einem thermisch isolierten Speichertank 40 in ein Transportgefäß 10. Das flüssige Gas 1 (z. B. flüssiger Stickstoff oder Helium) wird in das Transportgefäß 10 umgefüllt („gehebert"). Das Transportgefäß 10 mit der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung 30 ist bspw. so aufgebaut, wie es oben in Figur 1 gezeigt ist. Der Speichertank 40 umfasst ein Kryostat-Gefäß mit einer vakuumisolierten Gefäßwand.
Das flüssige Gas 1 wird über die Transferleitung 20 (Heber) , die eine flexible Rohrverbindung zwischen dem Speichertank 40 und dem Transportgefäß 10 umfasst, geleitet. Der Flüssigkeitstransport erfolgt unter der Wirkung des im Innenraum des Speichertanks 40 über dem flüssigen Gas gebildeten Dampf- drucks. Der Durchsatz durch die Transferleitung 20 ist mit dem Ventil 21 einstellbar.
Bei der Befüllung des zunächst noch auf Raumtemperatur befindlichen Transportgefäßes 10 strömt das flüssige Gas 1 über die Transferleitung 20 in die Aufnahmeleitung 30 und von deren unterem Ende 32 zum Boden des Transportgefäßes 10. Die offenen Enden 31, 32 des Rohrkörpers 35 ermöglichen einen Druckausgleich zwischen dem oberen Gasvolumen und dem Druck auf die bereits existierende Flüssigkeitssäule, so dass Turbulenzen in dem flüssigen Gas 1 minimiert oder vollständig unterdrückt werden.
Experimentelle Ergebnisse, die in Figur 6 illustriert sind, haben mit einem 150 1 - Testkryostaten ergeben, das bei Verwendung der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung mehr als doppelt so viele Test- oder Zyklenszenarien durchgeführt werden können als ohne die Aufnahmeleitung. So zeigt Figur 6 den Helium-Verbrauch V (Heiiqu) für mehrere Versuchsreihen 1, 2, 3, ... (Abszisse) ohne (Kurve A) bzw. mit (Kurve B) der erfindungsgemäßen Aufnahmeleitung. Lediglich bei der Erstabkühlung des Kryostaten wurde in beiden Fällen ein hoher Flüssigkeitsverbrauch gemessen. Bei der Entnahme und einem erneuten Eintauchen zusätzlicher Versuchsproben in dem bereits ab- gekühlten Behälter wurden zum Wiederabkühlen auf ein stabiles Temperaturniveau von 4,2 K (Temperatur des flüssigen Heliums) nur etwa 30 bis 40 1 anstatt der herkömmlich erforderlichen 100 bis 110 1 flüssigen Heliums benötigt. Vorteilhafterweise kann somit bei Verwendung der erfindungsgemäßen Aufnahmelei- tung für das Einfüllen von flüssigem Helium in einem Kryostaten mit einer hohen Zyklen- oder Versuchsanzahl eine Vorausreduzierung auf 30% bis 50% erzielt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Zuführung einer Flüssigkeit in ein Gefäß (10) , bei dem
- die Flüssigkeit durch eine Transferleitung (20) in das Gefäß fließt, dadurch gekennzeichnet dass
- im Gefäß (10) eine Aufnahmeleitung (30) angeordnet ist, in deren oberes, offenes Ende (31) die Flüssigkeit über die
Transferleitung (20) eingeleitet wird und an deren unterem Ende (32) die Flüssigkeit in das Gefäß (10) austritt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem - am oberen Ende der Aufnahmeleitung (30) ein Druckausgleich zwischen einem Innenraum der Aufnahmeleitung (30) und einer Umgebung des Gefäßes (10) vorgesehen ist.
3. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung (30) einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Transferleitung (20) aufweist und vorzugsweise die Transferleitung (20) in die Aufnahmeleitung (30) ragt.
4. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Flüssigkeit durch mindestens eine axiale Öffnung (33) am unterem Ende (32) der Aufnahmeleitung (30) in das Gefäß (10) austritt.
5. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Flüssigkeit durch mindestens eine radiale Öffnung (34) am unterem Ende (32) der Aufnahmeleitung (30) in das Gefäß (10) austritt.
6. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung (30) auf dem Gefäßboden (13) aufsitzt.
7. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung (30) mit einem Abstand vom Gefäßboden (13) angeordnet ist.
8. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung (30) in einer Gefäßöffnung (12) des Gefäßes (10) lösbar befestigt ist.
9. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung an einer Gefäßwand (11) des Gefäßes (10) lösbar befestigt ist.
10. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Flüssigkeit mindestens eines von Stickstoff, Edelgas, insbesondere Helium, und Sauerstoff umfasst.
11. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung einen geraden Rohrkörper (35) umfasst, das sich in vertikaler Richtung im Gefäß (10) erstreckt.
12. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- die Aufnahmeleitung aus einem Kunststoffmaterial oder Edel- stahl gebildet ist.
13. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- nach der Zuführung der Flüssigkeit in den Gasbehälter die Aufnahmeleitung (30) aus dem Gefäß (10) entnommen wird.
14. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem
- das Gefäß (10) einen Kryotank umfasst.
15. Aufnahmeleitung (30), die zur Zuführung von verflüssigtem Gas in ein Gefäß (10) eingerichtet ist, umfassend:
- einen Rohrkörper (35) mit einem ersten Ende (31) , das zur Einleitung der Flüssigkeit vorgesehen ist, und einem zweiten Ende (32) das zum Austritt der Flüssigkeit in das Gefäß (10) vorgesehen ist, wobei
- der Rohrkörper (35) aus einem Kunststoffmaterial oder Edelstahl gebildet ist.
16. Aufnahmeleitung nach Anspruch 15, bei dem
- der Rohrkörper (35) aus glasfaserverstärktem Kunststoff, PTFE oder Polyimid gebildet ist.
17. Aufnahmeleitung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, bei dem
- der Rohrkörper (35) am unterem Ende mindestens eine axiale Öffnung (33) und/oder mindestens eine radiale Öffnung (34) aufweist .
18. Aufnahmeleitung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem
- der Rohrkörper (35) mindestens eine Fixiereinrichtung (36, 37, 38, 39) zur Verbindung mit dem Gefäß (10) aufweist.
19. Gefäß, das zur Aufnahme einer Flüssigkeit eingerichtet und mit mindestens einer Aufnahmeleitung (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 18 ausgestattet ist.
20. Gefäß nach Anspruch 19, bei dem
- die Aufnahmeleitung (30) fest mit dem Gefäß verbunden ist.
21. Gefäß nach Anspruch 19, bei dem
- die Aufnahmeleitung (30) lösbar mit dem Gefäß verbunden ist.
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