DE2541792C2 - Elektrisches Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnung zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnung zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase -aus mehreren konzentrischen, vorzugsweise gewellten, metallischen Rohren, zwischen denen jeweils ein Temperaturgefälle besteht. Im Raum zwischen jeweils zwei Rohren sind auf das jeweils innere Rohr isolierende Abstandshalterwendeln schraubenlinienförmig mit gegenläufigem Schlag herumgelegt und abwechselnde Schichten aus Metall- und Kunststoffolie (Superisolierung) angeordnet.

Bereits bekannte Tiefternperatur-Kabelkonstruktionen oder auch -Rohranordnungen zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase haben in ihrem Schichtenaufbau eine sogenannte Zwischenkühlung vorgesehen, die im wesentlichen darin besteht, daß z. B. der Zwischenraum zwischen zwei übereinander angeordneten Rohren mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist (DE-OS 19 36 641). Durch eine solche Zwischenkühlung kann der Wärmeeinbruch gering gehaben we^-den, der Aufbau ist jedoch recht aufwendig und erfordert neben flüssigem Helium für den eigentlichen Tieftemperaturbereich auch flüssigen Stickstoff und den dafür notwendigen anlagemäßigen Aufwand.

Es sind auch bereits Vorschläge gemacht worden, den Aufbau eines elektrischen Kabels oder einer konzentrischen Rohranordnung so zu wählen, daß keine Stickstoffzwischenkühlung mehr erforderlich wird. Ein Hauptproblem ist dabei die Abstützung der einzelnen Rohre gegeneinander und die Reduktion des Strahlungsanteils bei Wärmeeinbruch. Hier sind z.B. zur Reduktion des Wärmeleitungsanteiles Abstandshalter mit einer Fadenaufhängung entwickelt worden, (DE-OS 21 29 556) solche Abstandshalter sind jedoch nur mit großen Schwierigkeiten so aufzubringen, daß keine Kanäle für die Strahlung entstehen.

Neben dieser Faden-Abstandschalterkonstruktion ist aber auch schon ejng Vielzahl anderer Maßnahmen zur Abstandshalterung zwei konzentrischer Rohre bekannt geworden.

So wurden bereits für supraleitende Energieübertragungsleitungen aus konzentrischen Rohren, auch in gewellter Form, zur Abstandshalterung im Querschnitt dreieckförmige Abstandshalterwendeln vorgeschlagen (DE-AS 16 40 807). Die durch die profilierten Abstandshalter bedingte Verlustwärme macht eine Zwischenkühlung unerläßlich. Im wesentlichen das gleiche gilt für eine andere Kabelkonstruktion, bei der zwischen einem inneren Leiterseil und einem äußeren, ein Kühlmittel führenden Rohr ebenfalls eine profilierte Wendel zur Abstandshalterung dient (DE-AS Ils 13397).

Bekannt sind aber auch abstandshaltende Elemente in Form von auf der Oberfläche eines inneren Rohres längsverlaufenden Kunststoffstreifen (DE-AS 16 65 599). Auch diese Maßnahme reicht nicht aus, die Wärmeverluste so weit zu drücken, daß ein wirtschaftlicher Betrieb des Kabels gewährleistet ist

Bekannt ist es auch, die Abstandshalter mehrschichtig aufzubauen und zu diesem Zweck die sogenannte Superisolierung in siner oder mehreren Lagen wendelförmig auf das jeweils innere zweier konzentrischer Rohre aufzuwickeln (DE-OS 17 65 527). Da in diesem Fall die von den beiden begrenzenden Rohrwandungen herrührenden Druckkräfte die mehrschichtige Superisolierung zusammendrücken, wird hierbei die an sich gute Wärmeisolierung dieser Schichten stark vermindert. Das gilt auch für eine andere, wärmeisolierende Abstandshalterkonstruktion (DE-OS 19 36 641), bei der eine Kombination von Superisolierung und sich kreuzenden Abstandshalterwendeln herangezogen wird.

Auch hier wird der isolierende Effekt der sogenannten Superisolierung dadurch gemindert, daß in den Stützbereichen die einzelnen Schichten oder Lagen dicht zusammengepreßt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnungen zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase zu

schaffen, be? der ein ausreichender Wärmeschild ohne Zwischenkühlung, z. B. durch Stickstoff, gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgeraäß durch die im Patentanspruch I angegebenen Merkmale gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung werden durchlaufende Spalte oder Kanäle, die den Wärmeeinfall durch Strahlung vergrößern, vermieden. An den Kreuzungsp'unkten der Wendeln wird da* innere Rohr jeweils ausreichend gegen das äußere abgestützt, die Abstützung ist punktförmig, es ergibt sich ein großer Wänriewiderstand uncf deshalb eine geringe Wärmeleitung. An den Kreuzungspunkten der Abstandshalterwendeln untereinander und an den Berührungspunkten mit den begrenzenden Rohrflächen kommen tatsächlich nur die Abstandshalterwendeln zum Tragen, denn diese ragen an jeder Stelle ihres Umlaufes aus dem Schichtenaufbau der sogenannten Superisolierung heraus. Die zur Wärmeisolierung im Raum zwischen den einzelnen Wendeln untergebrachte Superisolierung kann danach voi! wirksam bleiben, das gilt auch dann, wenn beim Herstellen und Verlegen des Kabels dieses gebogen wird und sich damit der Schichtenaufbau verschiebt Nach wie vor bleibt ab allein tragendes Element im Schichtenaufbau die übereinander gewickelten Abstandshalterwendeln, während der als Superisolierung aufgebaute Wärmeschild als tragendes Element nicht herangezogen wird.

In Weiterführung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Schlaglänge der verwendeten Abstandshalterwendeln gleich zu wählen. Dadurch befinden sich die Kreuzungspunkte der Wendeln immer an ein und derselben Stelle, so daß eine einwandfreie Druckübertragung von dem äußeren zum inneren Rohr « allein über die Abstandshalterwendeln möglich ist

Die Abstandshalterwendeln selbst können ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit hat es sich darüber hinaus als zweckmäßig erwiesen, wenn jede der Abstandshalter- *o wendeln in sich verdrillt ist. Damit werden die Berührungsflächen der Wendeln untereinander verringert, die Berührung wird dann längs einer Linie bzw. punktförmig erfolgen, der Wärmeübergang wird stark reduziert.

Vorteilhaft ist es auch, wenn in Weiterbildung der Erfindung die im Schichtenaufbau jeweils obere Abslandshalterwendel im Querschnitt größer bzw. von der Materialauswahl her steifer als die jeweils darunterliegende ist Das hat zur Folge, daß im Verlaufe einer Wendel zwischen jeweils zwei Kreuzungspunkten stabile Brücken gebildet werden, die ein Zusammenquetschen der sogenannten Superisolierung verhindern und dafür sorgen, daß mehr isolierende Zwischenräume im Schichtenaufbau gebildet werden. Dieser »Brückenbau« ist insbesondere dann unerläßlich, wenn Rohre größeren Durchmessers in Abstand gehalten werden müssen und zu diesen Zweck mehrere Wendeln übereinander angeordnet sind.

Werden mehrere Wendeln zur Abstandshalterung zweier im Schichtenaufbau eines Kabels oder einer Rohrleitung verwendeter Rohre eingesetzt, dann ist es auch vorteilhaft, wenn der Raum zwischen der im Schichtenaufbau obersten Abstandshalterung frei von Metall- und Kunststoffolien ist.

Aus mehreren konzentrischen Rohren aufgebaute elektrische Kabel oder Rohrleitungen können in glatter Ausführung oder auch gewellt eingesetzt werden. Die Wellung hat gegenüber der glatten Ausführung den Vorteil einer erhöhten Flexibilität, so daß praktisch beliebige Längen solcher Kabel- oder Rohrsysteme herstellbar sind. Die Wellung selbst Jcann z.B. sinusförmig verlaufen, in besonderen .Fällen hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die metallischen Rohre in Richtung auf die Abstandshalterwendeln mit einer spitzen Wellung zu versehen, so daß der Wärmeübergang an den Stellen der Berührung zwischen den Wendeln und der Rohrwandung weiter verringert wird. Diese aus wärmeisolierenden Gründen gewählte Formung des Wellrohres hat aber auch noch Vorteiledadurch, daß der Strömungswiderstand des fließenden Mediums verringert und damit die Pumpenleistung zum Durchtreiben des Kühlmedhims reduziert werden kann. Hier hat sich auch eine Wellung als vorteilhaft erwiesen, bei der zwischen den Stellen der Spitzenwellung längere Strecken ebener Rohrflächen liegen.

Vorteilhaft kann es mitunter auch sein, wenn jede einzelne Abs'andswendel aus einzelnen miteinander verdrillten Teüwendeln besteht, denn > inmal wird die Steifigkeit und damit die Brückenbildung zwischen zwei Kreuzungspunkten verbessert und zum anderen werden weitere materialfeste Zwischenräume in radialer Richtung erzeugt die neben der nunmehr punkt- oder Hnienförmigen Berührung der einzelnen Teüwendeln weiter dazu beitragen, daß die Wärmeübertragung in dem Bereich der Abstandshalterwendeln verringert wird.

Die Erfindung sei an Hand des ia der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles für ein Rohrsystem aus konzentrisch angeordneten Wellrohren ohne Zwischenkühlung näher erläutert:

Das innere Rohr 1 dient zum Transport des thermisch zu schützenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, welches sich auf einer tieferen (höheren) Temperatur befindet als das äußere Rohr 2. Das Rohr 1 kann z. B. auch gleichzeitig zur Aufnahme supraleitfähiger Leiterstränge dienen und wäre dann als sogenanntes Supraleiterkabel anzusprechen. Zur Reduzierung der Wärmeleitung zwischen den Rohren 1 und 2 wird der gebildete Ringraum evakuiert und zur mechanischen Fixierung des Innenrohres 1 werden die beiden thermisch schlecht leitenden Abstandshaltern endein 3 und 4 aufgebracht. Beide Wendeln, im entgegengesetzten Schlag aufgebracht, sollen z. B. eine Schlaglänge von 30 cm haben. Gleichsinnig zur Wendel 3 wird in den bei jeder Umschlingung gebildeten Raum eine Lage aus etwa 20 Doppellagen sogenannter Superisolierung 5 gelegt, und zwar so eng wie möglich an die Wendel 3 heran. Die Dicke der Superisolierung wird auf die Wendelhöhe so abgestimmt, daß die Wendel 3 überall über die Superisolierung herausragt.

Die zweite Wendel 4 wird analog zur ersten mit gleichem Schlag aber so über die Wendel 3 gelegt, daß definierte Kreuzungspunkte 6 entstehen. Diejp Kreuzungspunkte 6 sind die eigentlichen Stellen der Abstützung, da hier Wendel auf Wendel zu liegen kommt, eine Druckübertragung auf die Superisolation unterbleibt Die einz/Jnen Lagen der Superisolierung werden nicht zusammengedrückt, die beabsichtigte gute Isolierung solcher Schichten ist damit stets gewährleistet.

Gleichsinnig mit der zweiten Wendel 4 ist ein weiteres Paket Superisolierung 7 in den Zwischenraum zwischen jeweils einem U.nlauf gelegt, ebenfalls !Tiöglichst dicht an die Wendel 4 herangezogen und in der Dicke so bemessen, daß die Wendel 4 stets über der

Superisolierung 7 herausragt.

Im gleichen Sinne wie die Wendeln 3 und 4 können weitere Wendeln über die jeweils untere gelegt werden, das kann beliebig oft wiederholt werden, je nach der Anforderung an den Wärmewiderstand des Kabels oder der Rohrleitung, wobei es aus wärmetechnischen Gründen oft zweckmäßig sein kann, bei der letzten Wendel auf die Anordnung einer Superisolierung zu verzichten.

Wie aus der Figur ersichtlich, erfolgt die Abstützung des äußeren Rohres 2 auf dem Innenrohr 1 lediglich an den Kreuzungspunkten der Abstandshalterwendel 3 und 4 und an den Berührungsflächen zwischen der jeweils obersten bzw. untersten Wendel und Rohrwandung. Die mitverwendeten Superisolierungsschichten werden durch die Abstützung nicht beeinträchtigt, ihre Wirksamkeit bleibt voll erhalten. Durch besondere Ausbildung der Abstandshalterwendeln selbst, z. B. durch eine Verdrillung, werden die Berührungsflächen an den Stützpunkten weiter verringert, so kann bei geeigneter Wahl der Verdrillung die Abstützung von Schicht zu Schicht zunächst von einer Fläche zu einer Spitze dann von einer Spitze zu einer Spitze etc.

erfolgen. Die Wärmeleitung wird damit auf ein Minimum reduziert. Denn das Unterbrechen der Wärmeleitungskanäle in den Stützen bringt einen großen Wärmewiderstand und damit eine geringe Wärmeleitung mit sich.

ίο Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen und Einrichtungen kann bei der dargestellten Ausführung eines Wärmeschildes auf eine Zwischenkühlung mit Stickstoff verzichtet werden. Der Aufbau solcher Kabel und Leitungen wird damit wesentlich vereinfacht, im

π Gegensatz zu bekannten Konstruktionen mit Abstandshalterwendeln und Superisolierung wird durch die besondere Anordnung von Wendeln und Superisolierung ohne gegenseitige Beeinflussung ein Maximum an Wärmewiderstand erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

■ Patentansprüche:

1. Elektrisches Tieftemperatur-Kabel oder Rohranordnung zur Übertragung tiefgekühlter Flüssigkeiten oder Gase aus mehreren konzentrischen, vorzugsweise gewellten, metallischen Rohren, zwischen denen jeweils ein Temperaturgefälle besteht, wobei im Raum zwischen jeweils zwei Rohren auf das jeweils innere Rohr isolierende Abstandshalterwendeln schraubenlinienförmig mit gegenläufigem «o Schlag herumgelegt und abwechselnde Schichten aus Metall- und Kunststoffolien (Superisolierung) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden konzentrischen Rohre sich an den durch den gegenläufigen Schlag der Abstandshalter- »5 wendeln definierten Kreuzungspunkten dieser Wendeln abstützen und die Superisolierung mindestens im Bereich der untersten Wendel ebenfalls schraubenlinienförmig den Raum zwischen den einzelnen Windungen ausfüllt, wobei die Abstandshalterwendein an j«isr Stelle ihres Umlaufes die zwischen den Windungen befindliche Superisolierung in der Höhe überragen.

Z Kabel- oder Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaglänge der ^2ä verwendeten Abstandshalterwendeln gleich, ist

3. Kabel oder Rohrleitueg nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter- -wendeln in sich verdrillt sind.

4. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1 oder *> einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Schtchtenaufbau jeweils obere Abstandshalterwendel im Quesschnit? größer bzw. von der Materialauswahl her steifer als die jeweils darunterliegende ist

5. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der im Schichtenaufbau obersten Abstandshalterwendei frei von Metall- und Kunststoffolien ist ⁴<>

6. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Rohre in Richtung auf die Abstandshalterwendeln mit einer Spitzenwellung versehen sind.

7. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stellen der Spitzenwellung längere Strecken ebener Rohrflächen liegen.

8. Kabel oder Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abstandshalterwendei aus einzelnen miteinander verdrillten Teilwendeln besteht