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EP4248468A1 - Vorrichtung zum übertragen elektrischer energie mit einem supraleitenden stromträger - Google Patents

Vorrichtung zum übertragen elektrischer energie mit einem supraleitenden stromträger

Info

Publication number
EP4248468A1
EP4248468A1 EP21797997.0A EP21797997A EP4248468A1 EP 4248468 A1 EP4248468 A1 EP 4248468A1 EP 21797997 A EP21797997 A EP 21797997A EP 4248468 A1 EP4248468 A1 EP 4248468A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
cooling medium
cooling channel
channel
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21797997.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Herzog
Thomas Kutz
Dr. Wolfgang Reiser
Stefan Huwer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vision Electric Super Conductors GmbH
Messer SE and Co KGaA
Original Assignee
Vision Electric Super Conductors GmbH
Messer SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vision Electric Super Conductors GmbH, Messer SE and Co KGaA filed Critical Vision Electric Super Conductors GmbH
Publication of EP4248468A1 publication Critical patent/EP4248468A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/16—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/14—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by the disposition of thermal insulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a device for transmitting electrical energy using a superconducting cable according to the preamble of patent claim 1 .
  • a superconducting current carrier in particular a superconducting cable or a superconducting busbar, comprises at least one electrical conductor element which changes to the superconducting state at a sufficiently low temperature (transition temperature, T c ).
  • T c transition temperature
  • superconductor transition temperatures vary over a wide range, ranging from T c ⁇ 10 K for classic metallic superconductors to values of T c > 100 K for high-temperature ceramic superconductors. The discovery and industrial exploitation of superconductors with an even higher transition temperature in the near future cannot be ruled out.
  • the superconducting cable In order to maintain the superconducting state, the superconducting cable must be cooled with a suitable cooling medium.
  • the superconducting current carrier In order to implement effective cooling, the superconducting current carrier is accommodated, for example, in a tubular or rectangular cooling channel (cryostat), through which the cooling medium is guided during operation.
  • cryostat tubular or rectangular cooling channel
  • Superconducting current carriers of this type are widely known and are described, for example, in EP 2 328 156 A1, EP 2 608 223 A1, or EP 2 793 240 B1.
  • a supercooled, liquefied gas such as liquid nitrogen, liquid oxygen, liquid hydrogen, liquefied natural gas or liquefied noble gas, in particular liquid helium, is used as the cooling medium for cooling superconducting current carriers.
  • “Supercooled liquefied gas” is understood here to mean a gas that is at a temperature below the boiling point at the prevailing pressure.
  • the absorption of heat initially only causes the temperature of the liquefied gas to rise, without a change in the state of aggregation occurring. Examples of such cooling systems are described in US Pat. Nos.
  • the known systems have disadvantages that come into play in particular in the case of long cooling sections.
  • more cooling medium must be fed through the line as the length of the current carrier increases.
  • the increasing volume flow can only be achieved with a larger flow cross section and/or with a greater flow rate.
  • the costs of the arrangement quickly increase to an extent that is no longer economically justifiable; in the latter case, the high flow rate also increases the dissipative heat input due to the friction of the cooling medium on the inner wall of the pipeline and thereby reduces the efficiency of the cooling.
  • a method for cooling objects, in particular superconducting cables, is known from WO 2014 026 873 A1, in which a supercooled cryogenic cooling medium is guided through an annular channel arranged around a superconducting cable.
  • the cooling takes place by means of two reservoirs at both ends of the cable, from which the cooling medium is guided in a pendulum manner through the ring channel is directed. Due to the pendulum guidance, there is no need for an independent return line, through which additional heat is introduced into the system, but the requirement for two storage containers leads to a high level of equipment complexity.
  • US Pat. No. 7,453,041 B1 describes an arrangement for cooling a superconducting cable, in which a superconducting cable is accommodated coaxially in a first (inner) tubular channel which is connected to a feed for a cooling medium.
  • the first duct is accommodated coaxially within a second (outer) tubular duct which is flow-connected to the inner duct at at least one front end of the arrangement and is equipped with an outlet for the cooling medium.
  • a cooling medium with a temperature below the transition temperature of the superconducting cable material for example supercooled liquid nitrogen, is passed through the inner channel and cools the superconducting cable.
  • the cooling medium that is then fed back via the outer channel acts as a heat shield that shields the inner channel from the entry of heat from the environment. In this way, the introduction of heat can be reduced over the entire length of the cable and the arrangement can therefore be designed to be longer.
  • the invention is therefore based on the object of creating a device for the transmission of electrical energy with a superconducting current carrier, which allows efficient cooling of even longer line sections with comparatively little outlay on equipment.
  • a device for transmitting electrical energy with a superconducting current carrier i.e. in particular a cable or a busbar, in which the current carrier to be cooled is accommodated in a first cooling channel, which first cooling channel is connected via a coolant supply line to a supply device for a first cooling medium and with a surrounding the first cooling duct and is equipped with at least one second cooling duct, which is thermally connected and intended for the passage of a second cooling medium, with a supercooled, liquefied gas being used as the first cooling medium, is therefore characterized according to the invention in that the second cooling medium is a liquefied gas is used and the at least one second cooling channel is equipped with at least one gas phase separator.
  • a device thus comprises a first (inner) cooling channel in which a superconducting current carrier to be cooled is arranged and a heat shield which surrounds the first cooling channel and is thermally connected to a second cooling channel through which a second cooling medium flows.
  • the heat shield is, for example, the second cooling duct itself, which is arranged coaxially or in some other way around the first cooling duct, or it is, for example, a tubular construction made of a material with good thermal conductivity, which surrounds the first cooling duct and has one or more through which the second cooling medium flows Channels is thermally connected.
  • a supercooled, liquefied gas such as supercooled liquefied nitrogen, supercooled liquefied oxygen, supercooled liquefied hydrogen, supercooled liquefied natural gas or inert gas, is used to cool the superconducting current carrier the transition temperature of the superconducting cable material remains.
  • the first cooling medium is fed into the first cooling channel at a feed point, which is located, for example, at a head end of a device according to the invention or in the middle region between the two head ends of a device according to the invention.
  • the first cooling medium can also be circulated and subjected to supercooling when it enters the first cooling channel.
  • the cooling medium used in the second cooling channel or the second cooling channels also uses a liquefied gas, which can be the same as or different from the gas used in the first cooling channel.
  • this is at a higher temperature than the cooling medium in the first cooling channel and can at least partially evaporate due to the heat input from the environment;
  • it is therefore not necessary to keep the cooling medium in the second cooling channel constantly in the liquid state - for example by cooling to a corresponding temperature or by applying a corresponding pressure - which means that cooling medium is saved to a not inconsiderable extent can.
  • a gas phase arising due to the evaporation of cooling medium in the second cooling channel is separated from the still liquid second cooling medium in the gas phase separator or in the gas phase separators and removed from the second cooling channel via an exhaust gas line.
  • the gas phase is then released into the ambient atmosphere via the exhaust line or used for some other purpose.
  • the exhaust pipe can also run, at least in sections, through a third cooling duct which runs coaxially around the second cooling duct and which in this case represents an additional heat shield.
  • the separated liquid phase remains in the second cooling channel or is fed back into the flow of the second cooling medium. After passing through the second cooling channel, the liquid phase is used again - replacing the portion of the discharged gas phase and renewed supercooling - for cooling the superconducting cable in the first cooling channel or it is used for another purpose, for example for cooling a power supply connected to the superconducting cable.
  • a layer with a low heat transfer coefficient is provided between the first cooling duct and the heat shield and/or between the first cooling duct and the second cooling duct, which layer allows only the lowest possible heat transfer from the second to the first cooling duct.
  • Thermal insulation such as vacuum insulation, encloses the heat shield and the second cooling duct or the second cooling ducts, or the second cooling duct, if this acts as a heat shield in a coaxial arrangement with the first cooling duct.
  • the gas phase separator preferably comprises a container in which the liquid phase and gas phase are separated by gravity, ie the gas phase collects in a geodetically upper section of the container and is discharged from there via an exhaust pipe.
  • other mechanisms for phase separation can also be used to advantage in the gas phase separator or separators, for example a temperature or pressure controlled fitting or a liquid-tight but gas-permeable membrane.
  • a plurality of gas phase separators arranged at a distance from one another in the longitudinal direction of the second cooling channel are also conceivable according to the invention.
  • the gas phase separator should be arranged within an outer insulation of the device according to the invention, which surrounds the second cooling channel and possibly the third cooling channel, or the gas phase separator has and/or its own highly effective insulation, for example an arrangement within a vacuum chamber.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that supercooled second cooling medium is used as the first cooling medium.
  • the first and second cooling medium consist of the same substance, for example liquid nitrogen, and can also be taken from the same reservoir.
  • the cooling medium is supercooled before it is introduced into the first cooling channel - or it is constantly circulated and in each case supercooled before being introduced again into the first cooling channel - and is also always in the supercooled, liquid state within the first cooling channel.
  • the cooling medium introduced from the first into the second cooling channel heats up by a temperature difference of 2K to 10K, for example, due to the heat input from the environment. It can also reach its boiling point temperature and partially evaporate.
  • the cooling medium serves as a heat shield for the cooling medium in the first cooling channel, which in this respect absorbs a smaller amount of heat.
  • the still liquid cooling medium from the second cooling channel can in particular be fed to another cooling task, for example to cool a power supply line.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides for at least one flow connection to be provided between the first and second cooling duct for introducing cooling medium from the first into the second cooling duct.
  • the cooling medium routed through the first cooling channel is therefore identical to the cooling medium routed through the second cooling channel.
  • the cooling medium is therefore supplied in the supercooled state to the first cooling channel, in which it takes over the cooling of the superconducting current carrier, and reaches the second cooling channel via the flow connection or via a plurality of flow connections, in which it acts as a heat shield for the first cooling channel or cools a heat shield thermally connected to the second cooling passage or cooling passages.
  • At least part of the cooling medium can evaporate in the second cooling channel due to the heat input from the environment.
  • the vaporized cooling medium is separated from the liquid phase and discharged.
  • the cooling medium that remains in the liquid state passes through the second cooling channel and can then be used again, for example, it is brought to the operating temperature required for cooling the superconducting current carrier in a subcooler together with fresh cooling medium replacing the gas phase that has been removed and fed back into the first cooling channel.
  • the device according to the invention has two head sections which delimit the cooling device for the superconducting current carrier.
  • a flow connection between the first and second cooling channel is provided at least in the area of a head section, via which the cooling medium enters from the first into the second cooling channel during operation of the device. This arrangement of the flow connection at the end ensures that the first cooling medium is guided along the superconducting current carrier to its head section, and that the entire current carrier is adequately cooled as a result.
  • the cooling medium supply line for introducing the first Cooling medium can be arranged at the opposite head section or at another point, approximately in the middle between the two head sections.
  • the coolant supply line opens into the first cooling channel approximately in the middle between the two head sections, and there is a flow connection between the cooling channels at each of the two head ends.
  • the or at least one flow connection can also be provided at any other location between the head ends of the device.
  • a plurality of flow connections are provided between the first and second cooling ducts, which are arranged at a distance from one another in the longitudinal direction of the cooling ducts.
  • a plurality of flow connections are provided spaced apart from one another in the longitudinal extension of the device over the length of the device, through which a small partial flow of the cooling medium flowing through the first cooling channel flows into the second cooling channel.
  • the first cooling medium is continuously replaced by fresh, supercooled, liquefied gas from the cooling medium supply line.
  • the low temperature required to maintain superconductivity is maintained in the inner cooling channel.
  • the flow speed of the cooling medium flowing in the first channel decreases with increasing distance from the feed point of the fresh cooling medium, as a result of which the introduction of heat due to the friction of the cooling medium on the line walls is reduced.
  • the number and diameter of the passage openings or lines provided as flow connections between the first and second cooling channel are determined in particular by the length of the device and are to be selected in such a way that sufficient cooling of the superconducting current carrier is ensured even at the furthest point from the feed point.
  • the flow connection between the first cooling duct and at least one second cooling duct are equipped with fittings for controlling the coolant flow.
  • the supply of the cooling medium can be precisely adjusted to the respective Requirements, such as the heat input from the environment, the ambient temperature, etc. are adjusted.
  • the superconducting current carrier is either connected to an electrical element, such as a normally conducting power supply or a consumer, for example a magnet or a machine, or there is another device according to the invention there, by means of which the cooling of a further section of the superconducting Current carrier takes place.
  • an electrical element such as a normally conducting power supply or a consumer, for example a magnet or a machine
  • the devices are combined to form a larger arrangement for the transmission of electrical energy, similar to the arrangement described in US Pat. No. 7,453,041 B2.
  • the devices are arranged in a row one behind the other and used to cool a correspondingly long superconducting current carrier. In this way, the operation of very long superconducting current carriers with a length of 10 km to 100 km or more is also conceivable.
  • Fig. 1 The section of a device according to the invention in a first
  • Fig. 2 The section of a device according to the invention in another
  • Fig. 3 The device from Fig. 2 in cross section along the section line III-III in
  • Fig. 4 A device according to the invention in a further embodiment in cross section
  • the device 1 shown in Fig. 1 comprises a superconducting current carrier, which in the exemplary embodiments shown here is a superconducting cable 2 or at least a section of a superconducting current carrier 2, which is a cooling arrangement 3 for cooling the superconductor 2 is accommodated.
  • the cooling arrangement 3 has a tubular or box-shaped housing 4 which, for example, has a length of a few hundred meters to a few kilometers and ends at head sections 5, 6 on both sides.
  • the superconducting cable 2 is arranged substantially along the axis of the case 3 .
  • a first tubular or box-shaped cooling channel 7 Surrounding, for example coaxially, to the superconducting cable 2 runs a first tubular or box-shaped cooling channel 7 and surrounding, for example coaxially with it, a second tubular or box-shaped cooling channel 8, which are separated from one another by a jacket 9 made of a thermally highly insulating material.
  • the cooling channels 7, 8 are connected to bushings 11a, 11b; 12a, 12b are connected to one another in terms of flow, otherwise there is no flow connection between the cooling channels 7, 8 in the exemplary embodiment according to FIG.
  • a gas discharge channel 13 is arranged radially on the outside of the second cooling channel 8 and is in turn surrounded by thermal insulation, for example vacuum insulation 14 . There is no flow connection between the second cooling duct 8 and the gas discharge duct 13, with the exception of a flow connection in the area of a gas phase separator 15, which is described in more detail below is.
  • the device 1 also includes a coolant supply line 17 which establishes a flow connection between a cooling device 18 and the first cooling channel 7 .
  • the cooling device 17 is, for example, a supercooler for supercooling a liquefied cryogenic medium, for example liquid nitrogen.
  • the cooling device 18 is also flow-connected to the second cooling channel 8 via a return line 19 .
  • the cooling device 18 is connected to a reservoir 20 from which fresh cooling medium can be supplied when the device 1 is in operation.
  • the gas phase separator 15 is arranged on an upper part of the housing 3 - viewed geodetically - and comprises a container 21 which is flow-connected to the second cooling channel 8 via a supply line 22 and a return line 23 .
  • a gas line 23 opens out from an upper section of the container 21 and opens into the gas discharge channel 13 .
  • the device 1 is part of an overall arrangement for transmitting electrical energy.
  • an identical device 25 which is only indicated here, is connected to the head section 6 , with the superconducting cable 2 being guided through end walls 26 , 27 on the end faces of both devices 1 , 25 .
  • other electrical elements can also be connected to the head sections 5, 6, as shown here by way of example in the area of the head section 5.
  • the superconducting cable 2 is passed through a front end wall 28 and connected to an electrical element 29, which can be, for example, an electrical consumer or a power supply or also a device according to the invention.
  • the superconducting cable 2 is cooled with a supercooled liquefied gas, for example supercooled nitrogen, supercooled LNG, supercooled liquefied oxygen or a supercooled liquefied inert gas.
  • a supercooled liquefied gas for example supercooled nitrogen, supercooled LNG, supercooled liquefied oxygen or a supercooled liquefied inert gas.
  • the cooling medium is removed from the reservoir 20, brought to a temperature below its boiling point in the cooling device 18, i.e. supercooled, and fed into the first cooling channel 7 via the coolant supply line 17 by means of a conveying device (not shown here), such as a pump.
  • the cooling medium runs through the cooling channel 7 in both directions up to the head sections 5, 6 at a temperature at which the superconducting conductor elements of the superconducting cable 2 are in the superconducting state.
  • the cooling medium flows into the second cooling channel 8, runs through it from both head sections 5, 6 and flows into the return line 19, through which it is fed to the cooling device 18 in the exemplary embodiment shown here, where it is cooled and fed back into first cooling channel 7 is fed. If the coolant supply line 17 in the area of a head section 5, 6, the cooling medium flows through the first cooling channel 7 only in the direction of the other head section 6, 5.
  • the cooling medium in the second cooling channel 8 serves as a heat shield against the ingress of heat from the environment. Due to the heat input, the temperature of the cooling medium in the cooling channel 8 increases up to its boiling temperature and finally evaporates in part.
  • the cooling medium is therefore present in the second cooling channel 8 as a phase mixture composed of liquid and gaseous components.
  • the gas phase contained in the cooling medium is separated from the liquid phase in the gas phase separator 15 . While the liquid phase is returned to the cooling device 18, the separated gas phase passes through the gas discharge channel 13 and finally escapes via the exhaust gas line 16. In an alternative embodiment, there is no gas discharge channel 13 and the gas phase is passed from the gas phase separator 15 directly into the ambient atmosphere.
  • the shielding against heat input from the outside is further improved.
  • the gaseous cooling medium is discharged into the ambient atmosphere or supplied for further use. As a result, part of the cooling medium circulated via the cooling channels 7 , 8 and the cooling device 18 is lost and has to be replaced by fresh cooling medium from the storage tank 20 .
  • a construction made of a material with good thermal conductivity can also be provided as a heat shield, which is arranged around the first cooling duct 7, for example in the form of one around the first cooling duct 7 arranged pipe jacket.
  • the second cooling channel is designed as a duct running parallel to the first cooling channel within the vacuum insulation 14, which is thermally connected to the mentioned structure; several second cooling channels thermally connected to the construction can also be used within the vacuum insulation 14 .
  • the device 101 shown in FIGS. 2 and 3 also has a housing 103 with a first, a superconducting current carrier such as a superconducting cable 102 coaxially enclosing cooling channel 107 and a second cooling channel 108 arranged coaxially around the inner cooling channel 107, which is surrounded by a jacket 109 made of a thermally well-insulating material from one another and by vacuum insulation 114.
  • a plurality of gas phase separators are provided in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the gas phase separator 115 is equipped with an exhaust pipe for discharging the gas phase separated in the gas phase separator 115 .
  • the device 101 is constructed in the same way as the device 1 .
  • cooling medium flows from a coolant supply, not shown here, in the direction of the arrow through the cooling channel 107 and cools the superconducting cable 102.
  • a small partial flow of the cooling medium flows through the bushings 116a, 116b, 116c into the cooling channel 108.
  • the flow rate of the cooling medium flowing through the cooling channel 107 decreases as the distance from the coolant supply increases, and the flow speed and the heat input caused by friction on the inner wall of the jacket 9 decrease.
  • the cooling medium flows through the second cooling channel 108 in the direction of a coolant discharge line, not shown here. In doing so, it absorbs heat from the environment and partially evaporates, ie it is present within the second cooling channel 108 as a phase mixture composed of liquid and gaseous components.
  • the gas phase contained in the cooling medium is separated in a plurality of gas phase separators 115, which are arranged at regular intervals on the cooling channel 108, in the manner described above from the still liquid cooling medium and separated from the liquid phase and via the exhaust pipe 113 passed into the surrounding atmosphere.
  • the cooling medium that is still liquid is, for example, cooled in a cooling device in the manner described above and fed back to the cooling channel 107, but it can also be used in other ways, for example to cool a non-superconducting power supply (not shown here) connected to the superconducting cable 102 ).
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 differs from the exemplary embodiment shown in FIG. 3 only in that the flow connections between the cooling channels 107, 108 are not implemented via simple bushings 116a, 116b, 116c, but instead of a bushing 116a, 116b, 116c a line 117, which can be regulated by means of a fitting 118 according to a predetermined program or as a function of measured parameters, such as the ambient temperature or the temperature of the cooling medium in one of the cooling channels 117, 118.

Landscapes

  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger Eine Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger, bei dem zu kühlender supraleitender Stromträger in einem ersten Kühlkanal aufgenommen ist, welcher erste Kühlkanal über eine Kühlmittelzuleitung an eine Versorgungseinrichtung für ein erstes Kühlmedium angeschlossen und von mindestens einem zweiten Kühlkanal zum Durchleiten eines zweiten Kühlmediums umgeben ist, der mit einer Kühlmittelableitung für erwärmtes zweites Kühlmedium strömungsverbunden ist, wobei als erstes Kühlmedium ein unterkühltes, verflüssigtes Gas zum Einsatz kommt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz kommt und der zweite Kühlkanal mit Mitteln zum Abführen einer durch Verdampfen von zweitem Kühlmedium entstehenden Gasphase ausgerüstet ist.

Description

Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Energie mit einem supraleitenden Kabel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Ein supraleitender Stromträger, insbesondere ein supraleitendes Kabel oder eine supraleitende Stromschiene, umfasst wenigstens ein elektrisches Leiterelement, das bei einer hinreichend niedrigen Temperatur (Sprungtemperatur, Tc) in den supraleitenden Zustand übergeht. Sprungtemperaturen von Supraleitern variieren in einem weiten Bereich und reichen von Tc < 10 K bei klassischen metallischen Supraleitern bis zu Werten von Tc >100 K bei keramischen Hochtemperatursupraleitern. Die Entdeckung und industrielle Verwertung von Supraleitern mit noch höherer Sprungtemperatur in naher Zukunft ist nicht ausgeschlossen.
Zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes muss das supraleitende Kabel mit einem geeigneten Kühlmedium gekühlt werden. Zur Umsetzung einer effektiven Kühlung ist der supraleitende Stromträger beispielsweise in einem rohrförmigen oder rechteckigen Kühlkanal (Kryostat) aufgenommen, durch den während des Betriebs das Kühlmedium geführt wird. Supraleitende Stromträger dieser Art sind vielfach bekannt und beispielsweise in der EP 2 328 156 A1 , der EP 2 608 223 A1 , oder der EP 2 793 240 B1 beschrieben.
Als Kühlmedium zur Kühlung supraleitender Stromträger dient beispielsweise ein unterkühltes, verflüssiges Gas, wie flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Wasserstoff, verflüssigtes Erdgas oder verflüssigtes Edelgas insbesondere flüssiges Helium. Als „unterkühltes verflüssigtes Gas“ wird hier ein Gas verstanden, das auf einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur beim jeweils herrschenden Druck vorliegt. Im Gegensatz zur Verwendung eines nicht- unterkühlten, also bei der entsprechenden Siedetemperatur vorliegenden, verflüssigten Gases bewirkt dabei die Aufnahme von Wärme zunächst nur eine Temperaturerhöhung des verflüssigten Gases, ohne dass eine Änderung des Aggregatzustandes eintritt. Beispiele für derartige Kühlsysteme werden in den Druckschriften US 6 732 536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 , US 2006/0150639 A1 oder der EP 3 017 238 A1 beschrieben. Bei all diesen Systemen wird das verflüssigte Gas unterkühlt und mittels einer Pumpe dem supraleitenden Stromträger zugeführt. Nach erfolgter Kühlung wird das Kühlmedium zum Unterkühler zurückgeführt, um zwischenzeitlich aufgenommene Wärme abzuführen. Der Wärmeeintrag erfolgt bei der Kühlung supraleitender Stromträger dabei ganz überwiegend durch die Förderpumpe und/oder durch Wärmeeintrag aus der Umgebung, weshalb supraleitende Stromträger in der Regel mit einer guten thermischen Isolierung, beispielsweise eine Vakuumisolierung ausgestattet sind.
Die bekannten Systeme weisen Nachteile auf, die insbesondere bei langen Kühlstrecken zum Tragen kommen. Um den Wärmeeintrag ausgleichen zu können, muss mit zunehmender Stromträgerlänge mehr Kühlmedium durch die Leitung geführt werden. Der zunehmende Volumenstrom ist jedoch nur mit einem größeren Strömungsquerschnitt und/oder mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen. Im ersteren Falle steigen die Kosten der Anordnung rasch in ein wirtschaftlich nicht mehr zu vertretendes Maß, im letzteren Falle steigert die hohe Strömungsgeschwindigkeit auch den dissipativen Wärmeeintrag aufgrund der Reibung des Kühlmediums an der Innenwand der Rohrleitung und mindert dadurch die Effizienz der Kühlung.
Aus diesen Gründen werden Anordnungen zur Übertragung elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger üblicherweise in strömungstechnisch voneinander getrennte Kühlabschnitte unterteilt, die jeweils eine Länge von beispielsweise einem Kilometer Länge haben und für die jeweils ein eigenes Kreislauf-Kühlsystem zum Einsatz kommt. Der apparative Aufwand, auf diese Weise ein elektrisches Energieübertragungssystem mit größerer Länge zu schaffen, ist allerdings beträchtlich.
Aus der WO 2014 026 873 A1 ist ein Verfahren zum Kühlen von Objekten, insbesondere von supraleitenden Kabeln bekannt, bei dem ein unterkühltes kryogenes Kühlmedium durch einen um ein supraleitendes Kabel herum angelegten Ringkanal geführt wird. Die Kühlung erfolgt mittels zweier Vorratsbehälter an beiden Kabelenden, aus denen das Kühlmedium in Pendelführung durch den Ringkanal geleitet wird. Durch die Pendelführung erübrigt sich eine eigenständige Rückleitung, durch die zusätzliche Wärme in das System eingetragen wird, das Erfordernis zweier Vorratsbehälter führt allerdings zu einem hohen apparativen Aufwand.
Die US 7 453 041 B1 beschreibt eine Anordnung zum Kühlen eines supraleitenden Kabels, bei dem ein supraleitendes Kabel koaxial in einem ersten (inneren) rohrförmigen Kanal aufgenommen ist, der an eine Zuführung für ein Kühlmedium angeschlossen ist. Der erste Kanal ist koaxial innerhalb eines zweiten (äußeren) rohrförmigen Kanals aufgenommen, der an zumindest einem stirnseitigen Ende der Anordnung mit dem inneren Kanal strömungsverbunden und mit einer Ausleitung für das Kühlmedium ausgerüstet ist. Im Betrieb der Anordnung wird ein Kühlmedium mit einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Kabelmaterials, beispielsweise unterkühlter flüssiger Stickstoff, durch den inneren Kanal geleitet und kühlt das supraleitende Kabel. Das anschließend über den äußeren Kanal zurückgeführte Kühlmedium wirkt als Wärmeschild, der den inneren Kanal vor dem Eintrag von Wärme aus der Umgebung abschirmt. Auf diese Weise kann der Eintrag an Wärme über die Gesamtlänge des Kabels vermindert und die Anordnung somit länger ausgelegt werden.
Problematisch bei diesem Gegenstand ist jedoch, dass zur Aufrechterhaltung der Kreislauffunktion und der Kühleffizienz der Stickstoff in beiden Kanälen stets im flüssigen Zustand gehalten werden muss, was einen beträchtlichen apparativen Aufwand erfordert und die effektive Länge eines mit einem Kühlsystem ausgerüsteten Kabelabschnitts reduziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger zu schaffen, die mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand eine effiziente Kühlung auch längerer Leitungsabschnitte erlaubt.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger, also insbesondere einem Kabel oder einer Stromschiene, bei dem der zu kühlende Stromträger in einem ersten Kühlkanal aufgenommen ist, welcher erste Kühlkanal über eine Kühlmittelzuleitung an eine Versorgungseinrichtung für ein erstes Kühlmedium angeschlossen ist und mit einem den ersten Kühlkanal umgebenden, mit mindestens einem zweiten, zum Durchleiten eines zweiten Kühlmediums bestimmten, Kühlkanal thermisch verbundenen Wärmeschild ausgerüstet ist, wobei als erstes Kühlmedium ein unterkühltes, verflüssigtes Gas zum Einsatz kommt, ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz kommt und der mindestens eine zweite Kühlkanal mit wenigstens einem Gasphasenseparator ausgerüstet ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst also einen ersten (inneren) Kühlkanal, in welchem ein zu kühlender supraleitender Stromträger angeordnet ist und einen den ersten Kühlkanal umgebenden Wärmeschild, der mit einem von einem zweiten Kühlmedium durchflossenen zweiten Kühlkanal thermisch verbunden ist. Beim Wärmeschild handelt es sich beispielsweise um den koaxial oder in anderer Weise um den ersten Kühlkanal herum angeordneten zweiten Kühlkanal selbst oder um eine beispielsweise rohrförmige Konstruktion aus einem gut wärmeleitenden Material, das den ersten Kühlkanal umgibt und das mit einem oder mehreren, vom zweiten Kühlmedium durchflossenen Kanälen thermisch verbunden ist. Zur Kühlung des supraleitenden Stromträgers dient ein unterkühltes, verflüssigtes Gas, wie unterkühlter verflüssigter Stickstoff, unterkühlter verflüssigter Sauerstoff, unterkühlter verflüssigter Wasserstoff, unterkühltes verflüssigtes Erdgas oder Edelgas, das derart temperiert ist, dass es im inneren Kühlkanal stets im flüssigen Zustand und auf einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Kabelmaterials bleibt.
Das erste Kühlmedium wird an einer Einspeisestelle in den ersten Kühlkanal eingeleitet, die sich beispielsweise an einem Kopfende einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder im Bereich der Mitte zwischen den beiden Kopfenden einer erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet. Das erste Kühlmedium kann dabei auch im Kreislauf geführt und jeweils beim Eintritt in den ersten Kühlkanal einer Unterkühlung unterzogen werden. Bei dem im zweiten Kühlkanal bzw. den zweiten Kühlkanälen eingesetzten Kühlmedium kommt gleichfalls ein verflüssigtes Gas zum Einsatz, bei dem es sich um das gleiche oder ein anderes als das im ersten Kühlkanal eingesetzte Gas handeln kann. Dieses liegt jedoch auf einer höheren Temperatur als das Kühlmedium im ersten Kühlkanal vor und kann aufgrund des Wärmeeintrags aus der Umgebung zumindest teilweise verdampfen; im Unterschied zu Vorrichtungen nach dem Stande der Technik ist es also nicht erforderlich, das Kühlmedium im zweiten Kühlkanal beständig - etwa durch Kühlen auf eine entsprechende Temperatur oder durch Anlegen eines entsprechenden Drucks - im flüssigen Zustand zu halten, wodurch in nicht unerheblichem Umfang Kühlmedium eingespart werden kann. Vielmehr wird eine aufgrund der Verdampfung von Kühlmedium im zweiten Kühlkanal entstehende Gasphase im Gasphasenseparator oder in den Gasphasenseparatoren vom noch flüssigen zweiten Kühlmedium getrennt und über eine Abgasleitung aus dem zweiten Kühlkanal entfernt. Über die Abgasleitung wird die Gasphase anschließend in die Umgebungsatmosphäre entlassen oder einer anderweitigen Verwendung zugeführt. Die Abgasleitung kann auch zumindest abschnittsweise durch einen koaxial um den zweiten Kühlkanal verlaufenden dritten Kühlkanal verlaufen, der in diesem Fall einen zusätzlichen Wärmeschild darstellt.
Die abgetrennte Flüssigphase verbleibt im zweiten Kühlkanal bzw. wird wieder in den Strom des zweiten Kühlmediums zurückgeführt. Nach Durchlaufen des zweiten Kühlkanals wird die Flüssigphase erneut - unter Ersetzung des Anteils der abgeführten Gasphase und erneuter Unterkühlung - zur Kühlung des supraleitenden Kabels im ersten Kühlkanal eingesetzt oder sie wird einer sonstigen Verwendung zugeführt, beispielsweise zur Kühlung einer an das supraleitende Kabel angeschlossenen Stromzuführung.
Zwischen dem erstem Kühlkanal und dem Wärmeschild und/oder zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal ist eine Schicht mit einem geringen Wärmedurchgangskoeffizienten vorgesehen, der nur einen möglichst geringen Wärmeübergang aus dem zweiten in den ersten Kühlkanal erlaubt. Eine thermische Isolierung, beispielsweise eine Vakuumisolierung, umschließt den Wärmeschild und den zweiten Kühlkanal oder die zweiten Kühlkanäle, bzw. den zweiten Kühlkanal, falls dieser in koaxialer Anordnung zum ersten Kühlkanal als Wärmeschild fungiert.
Der Gasphasenseparator umfasst bevorzugt einen Behälter, in dem die Trennung von flüssiger Phase und Gasphase aufgrund der Schwerkraft erfolgt, sich die Gasphase also in einem geodätisch oberen Abschnitt des Behälters sammelt und von dort über eine Abgasleitung abgeführt wird. Jedoch können im Gasphasenseparator oder in den Gasphasenseparatoren auch andere Mechanismen zur Phasentrennung mit Vorteil eingesetzt werden, beispielsweise eine temperaturöder druckgesteuerte Armatur oder eine flüssigkeitsdichte, jedoch gasdurchlässige Membran. Auch eine Mehrzahl von in Längsrichtung des zweiten Kühlkanals beabstandet voneinander angeordneten Gasphasenseparatoren sind erfindungsgemäß vorstellbar.
Der Gasphasenseparator sollte innerhalb einer äußeren Isolierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein, die den zweiten Kühlkanal und ggf. den dritten Kühlkanal umgibt, oder der Gasphasenseparator besitzt und/oder eine eigene hochwirksame Isolierung, etwa eine Anordnung innerhalb einer Vakuumkammer.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Kühlmedium unterkühltes zweites Kühlmedium zum Einsatz kommt.
Bei dieser Ausgestaltung bestehen erstes und zweites Kühlmedium aus derselben Substanz, beispielsweise flüssiger Stickstoff, und können auch demselben Vorratsbehälter entnommen werden. Jedoch wird das Kühlmedium vor der Einleitung in den ersten Kühlkanal unterkühlt - oder es wird beständig im Kreislauf geführt und vor der erneuten Einleitung in den ersten Kühlkanal jeweils unterkühlt - und befindet sich auch innerhalb des ersten Kühlkanals stets im unterkühlten, flüssigen Zustand. Das aus dem ersten in den in den zweiten Kühlkanal eingeleitete Kühlmedium erwärmt sich aufgrund des Wärmeeintrags aus der Umgebung um eine Temperaturdifferenz von beispielsweise 2K bis 10K. Dabei kann es auch seine Siedepunkttemperatur erreichen und teilweise verdampfen. Im zweiten Kühlkanal dient das Kühlmedium als Wärmeschild für das Kühlmedium im ersten Kühlkanal, das insofern eine geringere Wärmemenge aufnimmt.
Das noch flüssige Kühlmedium aus dem zweiten Kühlkanal kann dabei insbesondere einer anderen Kühlaufgabe, beispielsweise zur Kühlung einer Stromzuführung zugeführt werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht jedoch vor, zwischen erstem und zweitem Kühlkanal wenigstens eine Strömungsverbindung zum Einleiten von Kühlmedium aus dem ersten in den zweiten Kühlkanal vorzusehen. In diesem Fall ist also das durch den ersten Kühlkanal geführte Kühlmedium identisch mit dem durch den zweiten Kühlkanal geführte Kühlmedium. Das Kühlmedium wird also im unterkühlten Zustand dem ersten Kühlkanal zugeführt, in welchem es die Kühlung des supraleitenden Stromträgers übernimmt, und gelangt über die Strömungsverbindung, oder über eine Mehrzahl von Strömungsverbindungen, in den zweiten Kühlkanal, in dem es als Wärmeschild für den ersten Kühlkanal fungiert oder einen mit dem zweiten Kühlkanal oder den zweiten Kühlkanälen thermisch verbundenen Wärmeschild kühlt. Im zweiten Kühlkanal kann durch den Wärmeeintrag aus der Umgebung zumindest ein Teil des Kühlmediums verdampfen. Das verdampfte Kühlmedium wird von der flüssigen Phase getrennt und abgeführt. Das im flüssigen Zustand verbliebene Kühlmedium durchläuft den zweiten Kühlkanal und kann anschließend erneut eingesetzt werden, beispielsweise wird es zusammen mit frischem, die abgeführte Gasphase ersetzendem Kühlmedium in einem Unterkühler auf die zur Kühlung des supraleitenden Stromträgers erforderliche Betriebstemperatur gebracht und erneut in den ersten Kühlkanal eingespeist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Kopfabschnitte auf, die die Kühleinrichtung für den supraleitende Stromträger begrenzen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei wenigstens im Bereich eines Kopfabschnitts eine Strömungsverbindung zwischen erstem und zweitem Kühlkanal vorgesehen, über die im Betrieb der Vorrichtung Kühlmedium aus dem ersten in den zweiten Kühlkanal eintritt. Durch diese endseitige Anordnung der Strömungsverbindung wird gewährleistet, dass das erste Kühlmedium entlang des supraleitenden Stromträgers bis zu dessen Kopfabschnitt geführt und dadurch eine hinreichende Kühlung des gesamten Stromträgers erfolgt. Die Kühlmediumszuleitung zum Einleiten des ersten Kühlmediums kann dabei am entgegengesetzten Kopfabschnitt oder an einem anderen Punkt, etwa in der Mitte zwischen beiden Kopfabschnitten angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung vorstellbar ist insbesondere auch eine Anordnung, bei der die Kühlmittelzuleitung etwa in der Mitte zwischen den beiden Kopfabschnitten in den ersten Kühlkanal einmündet, und an beiden Kopfenden jeweils eine Strömungsverbindung zwischen den Kühlkanälen besteht. Allerdings kann die oder zumindest eine Strömungsverbindung auch an einem beliebigen anderen Ort zwischen den Kopfenden der Vorrichtung vorgesehen sein.
Alternativ oder ergänzend zur vorstehenden Ausgestaltung sind zwischen erstem und zweitem Kühlkanal eine Mehrzahl von Strömungsverbindungen vorgesehen die in Längsrichtung der Kühlkanäle beabstandet voneinander angeordnet sind.
In diesem Falle sind also über die Länge der Vorrichtung eine Mehrzahl an Strömungsverbindungen in Längserstreckung der Vorrichtung beabstandet voneinander vorgesehen, durch die jeweils ein kleiner Teilstrom des durch den ersten Kühlkanal strömenden Kühlmediums in den zweiten Kühlkanal einströmt. Das erste Kühlmedium wird dabei fortwährend durch frisches unterkühltes verflüssigtes Gas aus der Kühlmediumszuleitung ersetzt. Dadurch bleibt im inneren Kühlkanal die zur Aufrechterhaltung der Supraleitung erforderliche niedrige Temperatur erhalten. Gleichzeitig nimmt mit zunehmendem Abstand von der Einspeisestelle des frischen Kühlmediums die Strömungsgeschwindigkeit des in ersten Kanal fließenden Kühlmediums ab, wodurch der Eintrag von Wärme aufgrund der Reibung des Kühlmediums an den Leitungswänden reduziert wird. Anzahl und Durchmesser der als Strömungsverbindungen zwischen erstem und zweiten Kühlkanal vorgesehenen Durchtrittsöffnungen oder Leitungen bestimmen sich dabei insbesondere nach der Länge der Vorrichtung und sind so zu wählen, dass auch am entferntesten Punkt von der Einspeisestelle eine hinreichende Kühlung des supraleitenden Stromträgers gewährleistet wird.
In einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Strömungsverbindung zwischen dem ersten Kühlkanal und wenigstens einen zweiten Kühlkanal mit Armaturen zur Steuerung des Kühlmediumsdurchflusses ausgerüstet. Auf diese Weise kann die Zufuhr des Kühlmediums genau an die jeweiligen Erfordernisse, beispielsweise an den Wärmeeintrag aus der Umgebung, die Umgebungstemperatur etc. angepasst werden.
Außerhalb der Kopfabschnitte der Vorrichtung ist der supraleitende Stromträger entweder an ein elektrisches Element, etwa eine normalleitende Stromzuführung oder ein Verbraucher, beispielsweise ein Magnet oder eine Maschine, angeschlossen oder es befindet sich dort eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, mittels der die Kühlung eines weiteren Abschnitts des supraleitenden Stromträgers erfolgt.
In einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zu einer größeren Anordnung zur Übertragung elektrischer Energie zusammengefasst, ähnlich der in der US 7453 041 B2 beschriebenen Anordnung. Die Vorrichtungen werden dazu in Reihe hintereinander angeordnet und zur Kühlung eines entsprechend langen supraleitenden Stromträgers eingesetzt. Auf diese Weise ist auch der Betrieb sehr langer supraleitender Stromträgers von 10 km bis 100 km Länge oder darüber hinaus denkbar.
Anhand der Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 : Den Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten
Ausführungsform im Längsschnitt,
Fig. 2: Den Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer anderen
Ausführungsform im Längsschnitt,
Fig. 3: Die Vorrichtung aus Fig. 2 im Querschnitt längs der Schnittlinie Ill-Ill in
Fig. 1
Fig. 4: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen supraleitenden Stromträger, bei dem es sich in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen um ein supraleitendes Kabel 2 oder zumindest einen Abschnitt eines supraleitenden Stromträgers 2, das in einer Kühlanordnung 3 zum Kühlen des Supraleiters 2 aufgenommen ist. Die Kühlanordnung 3 besitzt ein rohr- oder kastenförmiges Gehäuse 4, das beispielsweise eine Länge von einigen hundert Metern bis einigen Kilometern aufweist und beidseitig an Kopfabschnitten 5, 6 endet.
Das supraleitende Kabel 2 ist im Wesentlichen entlang der Achse des Gehäuses 3 angeordnet. Umgebend, beispielsweise koaxial zum supraleitenden Kabel 2 verläuft ein erster rohrförmiger oder kastenförmiger Kühlkanal 7 und umgebend, beispielsweise koaxial zu diesem ein zweiter rohr- oder kastenförmiger Kühlkanal 8, die durch einen Mantel 9 aus einem thermisch gut isolierenden Material voneinander getrennt sind. Im Bereich der Kopfabschnitte 5, 6 sind die Kühlkanäle 7, 8 an Durchführungen 11 a, 11 b; 12a, 12b strömungstechnisch miteinander verbunden, im Übrigen besteht im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 keine Strömungsverbindung zwischen den Kühlkanälen 7, 8.
Radial außenseitig am zweiten Kühlkanal 8 ist ein Gasabzugskanal 13 angeordnet, der wiederum von einer thermischen Isolierung, beispielsweise einer Vakuumisolierung 14 umschlossen ist. Zwischen dem zweiten Kühlkanal 8 und dem Gasabzugskanal 13 besteht keine Strömungsverbindung, mit Ausnahme einer Strömungsverbindung im Bereich eines unten näher beschriebenen Gasphasenseparators 15. Der Gasabzugskanal 13 ist mit einer Abgasleitung 16 strömungsverbunden, die im Ausführungsbeispiel im Bereich eines Kopfabschnittes, hier des Kopfabschnitts 5, vorgesehen ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Kühlmittelzuleitung 17, die eine Strömungsverbindung zwischen einer Kühleinrichtung 18 und dem ersten Kühlkanal 7 herstellt. Bei der Kühleinrichtung 17 handelt es sich beispielsweise um einen Unterkühler zum Unterkühlen eines verflüssigten kryogenen Mediums, beispielsweise Flüssigstickstoff. Die Kühleinrichtung 18 ist zudem über eine Rückführleitung 19 mit dem zweiten Kühlkanal 8 strömungsverbunden. Weiterhin ist die Kühleinrichtung 18 an einen Vorratsbehälter 20 angeschlossen, aus dem im Betrieb der Vorrichtung 1 bei Bedarf frisches Kühlmedium zugeführt werden kann. Der Gasphasenseparator 15 ist an einem - geodätisch gesehen - oberen Teil des Gehäuses 3 angeordnet und umfasst einen Behälter 21 , der über eine Zuführleitung 22 und eine Rückleitung 23 mit dem zweiten Kühlkanal 8 strömungsverbunden ist. Weiterhin mündet aus einem oberen Abschnitt des Behälters 21 eine Gasleitung 23 aus, die in den Gasabzugskanal 13 einmündet.
Die Vorrichtung 1 ist Teil einer Gesamtanordnung zum Übertragen elektrischer Energie. Am Kopfabschnitt 6 schließt sich im hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine hier nur angedeutete identische Vorrichtung 25 an, wobei sich das supraleitende Kabel 2 durch stirnseitige Abschlusswände 26, 27 beider Vorrichtungen 1 , 25 hindurch geführt ist. Anstelle einer Vorrichtung 25 können sich indes auch andere elektrische Elemente an den Kopfabschnitten 5, 6 anschließen, wie hier beispielhaft im Bereich des Kopfabschnitts 5 gezeigt. Dort ist das supraleitende Kabel 2 durch eine stirnseitige Abschlusswand 28 hindurchgeführt und mit einem elektrischen Element 29 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um einen elektrischen Verbraucher oder um eine Stromzuführung oder ebenfalls um eine erfindungsgemäße Vorrichtung handeln kann.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird das supraleitende Kabel 2 mit einem unterkühlten verflüssigten Gas gekühlt, beispielsweise unterkühlter Stickstoff, unterkühltes LNG, unterkühlter verflüssigter Sauerstoff oder ein unterkühltes verflüssigtes Edelgas. Hierzu wird das Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 20 entnommen, in der Kühleinrichtung 18 auf eine Temperatur unterhalb ihres Siedepunktes gebracht, also unterkühlt, und über die Kühlmittelzuleitung 17 mittels einer hier nicht gezeigten Fördereinrichtung, etwa eine Pumpe, in den ersten Kühlkanal 7 eingespeist. Das Kühlmedium durchläuft den Kühlkanal 7 in beiden Richtungen bis zu den Kopfabschnitten 5, 6 mit einer Temperatur, bei der sich die supraleitenden Leiterelemente des supraleitenden Kabels 2 im supraleitenden Zustand befinden. Im Bereich der Kopfabschnitte 5, 6 fließt das Kühlmedium in den zweiten Kühlkanal 8 ein, durchläuft diesen von beiden Kopfabschnitten 5, 6 her und strömt in die Rückführleitung 19, durch die es im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung 18 zugeführt, dort gekühlt und erneut in ersten Kühlkanal 7 eingespeist wird. Falls sich die Kühlmittelzuleitung 17 im Bereich eines Kopfabschnittes 5, 6 befindet, durchströmt das Kühlmedium den ersten Kühlkanal 7 nur in die Richtung des anderen Kopfabschnittes 6, 5.
Das Kühlmedium im zweiten Kühlkanal 8 dient als Wärmeschild vor dem Eindringen von Wärme aus der Umgebung. Durch den Wärmeeintrag erhöht sich die Temperatur des Kühlmediums im Kühlkanal 8 bis zu seiner Siedetemperatur und verdampft schließlich zum Teil. Das Kühlmedium liegt im zweiten Kühlkanal 8 also als ein aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen zusammengesetztes Phasengemisch vor. Die im Kühlmedium enthaltene Gasphase wird im Gasphasenseparator 15 von der flüssigen Phase abgetrennt. Während die flüssige Phase zur Kühleinrichtung 18 zurückgeführt wird, durchläuft die abgetrennte Gasphase den Gasabzugskanal 13 und entweicht schließlich über die Abgasleitung 16. In einer alternativen Ausgestaltung ist kein Gasabzugskanal 13 vorhanden und die Gasphase wird aus dem Gasphasenseparator 15 direkt in die Umgebungsatmosphäre geleitet. Durch die Führung des gasförmigen Kühlmediums durch den Gasabzugskanal 13 wird die Abschirmung vor Wärmeeintrag von außen weiter verbessert. Das gasförmige Kühlmedium wird schließlich in die Umgebungsatmosphäre entlassen oder einer weiteren Verwendung zugeführt. Demzufolge geht ein Teil des über die Kühlkanäle 7, 8 und die Kühleinrichtung 18 im Kreislauf geführten Kühlmediums verloren und muss durch frisches Kühlmedium aus dem Vorratstank 20 ersetzt werden.
Anstelle der hier gezeigten koaxialen Anordnung von erstem Kühlkanal 7 und zweitem Kühlkanal 8 kann im Übrigen als Wärmeschild auch eine Konstruktion aus einem gut wärmeleitenden Material vorgesehen sein, die um den ersten Kühlkanal 7 herum angeordnet ist, beispielsweise in Form eines um den ersten Kühlkanal 7 herum angeordnetes Rohrmantels. In diesem Falle ist der zweite Kühlkanal als ein innerhalb der Vakuumisolierung 14 parallel zum ersten Kühlkanal verlaufende Leitung ausgestaltet, die mit der erwähnten Konstruktion thermisch verbunden ist; dabei können auch mehrere mit der Konstruktion thermisch verbundene zweite Kühlkanäle innerhalb der Vakuumisolierung 14 zum Einsatz kommen.
Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Vorrichtung 101 weist ebenfalls ein Gehäuse 103 mit einem ersten, einen supraleitenden Stromträger wie beispielsweise ein supraleitendes Kabel 102 koaxial umschließenden Kühlkanal 107 und einen zweiten, koaxial um den inneren Kühlkanal 107 angeordneten Kühlkanal 108 auf, die durch einen Mantel 109 aus einem thermisch gut isolierenden Material voneinander und von einer Vakuumisolierung 114 umgeben ist. Strömungstechnisch zwischen dem Kühlkanal 108 und dem Gasabzugskanal 116 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine Mehrzahl an längs dem Kühlkanal 108 beabstandet voneinander angeordneten Gasphasenseparator vorgesehen, von denen hier indes nur ein Gasphasenseparator 115 gezeigt ist. Der Gasphasenseparator 115 ist mit einer Abgasleitung zum Abführen der im Gasphasenseparator 115 abgetrennten Gasphase ausgerüstet.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 besteht jedoch eine Strömungsverbindung zwischen den Kühlkanälen 7, 8 nicht im Bereich der Kopfabschnitte des Gehäuses 103, sondern über in Längsrichtung des Gehäuses 103 beabstandet, beispielsweise in einer Distanz von 100m bis 1000m voneinander angeordnete Durchführungen 116a, 116b, 116c im Mantel 109; im Übrigen ist die Vorrichtung 101 gleich der Vorrichtung 1 aufgebaut.
Im Betrieb der Vorrichtung 101 strömt Kühlmedium aus einer hier nicht gezeigten Kühlmittelzuführung in Pfeilrichtung durch den Kühlkanal 107 und kühlt das supraleitende Kabel 102. Durch die Durchführungen 116a, 116b, 116c strömt dabei jeweils ein kleiner Teilstrom des Kühlmediums in den Kühlkanal 108 ab. Dadurch vermindert sich der Mengenstrom des durch den Kühlkanal 107 fließenden Kühlmediums mit zunehmender Entfernung von der Kühlmittelzuführung, und die Strömungsgeschwindigkeit sowie der durch Reibung an der Innenwand des Mantels 9 verursachte Wärmeeintrag nimmt ab.
Das Kühlmedium strömt durch den zweiten Kühlkanal 108 in Richtung einer hier nicht gezeigten Kühlmittelausleitung. Dabei nimmt es Wärme aus der Umgebung auf und verdampft teilweise, liegt also innerhalb des zweiten Kühlkanals 108 also als ein aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen zusammengesetztes Phasengemisch vor. Die im Kühlmedium enthaltene Gasphase wird im einer Mehrzahl von Gasphasenseparatoren 115, die in regelmäßigen Abständen am Kühlkanal 108 angeordnet sind, in der oben beschriebenen Weise vom noch flüssigen Kühlmedium abgetrennt und der von der flüssigen Phase abgetrennt und über die Abgasleitung 113 in die Umgebungsatmosphäre geleitet. Das noch flüssige Kühlmedium wird beispielsweise in der zuvor beschriebenen Weise in einer Kühleinrichtung gekühlt und erneut dem Kühlkanal 107 zugeführt, es kann jedoch auch in anderer Weise eingesetzt werden, beispielsweise zur Kühlung einer an das supraleitende Kabel 102 angeschlossenen nicht-supraleitenden Stromzuführung (hier nicht gezeigt).
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die Strömungsverbindungen zwischen den Kühlkanälen 107, 108 nicht über einfache Durchführungen 116a, 116b, 116c realisiert werden, sondern anstelle einer Durchführung 116a, 116b, 116c tritt eine Leitung 117, die mittels einer Armatur 118 nach einem vorgegebenen Programm oder in Abhängigkeit von gemessenen Parametern, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur oder der Temperatur des Kühlmediums in einer der Kühlkanäle 117, 118 geregelt werden kann.
Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung 25 Vorrichtung
2 Supraleitendes Kabel 26 Abschlusswand
3 Kühlanordnung 27 Abschlusswand
4 Gehäuse 28 Abschlusswand
5 Kopfabschnitt 29 Elektrisches Element
6 Kopfabschnitt 101 Vorrichtung
7 Erster Kühlkanal 102 Supraleitendes Kabel
8 Zweiter Kühlkanal 103 Gehäuse
9 Mantel 104 -
10 105 -
11 a, 11 b Durchführung 106 -
12a, 12b Durchführung 107 Erster Kühlkanal
13 Gasabzugskanal 108 Zweiter Kühlkanal
14 Vakuumisolierung 109 Mantel
15 Gasphasenseparator 110 -
16 Abgasleitung 111 -
17 Kühlmittelzuleitung 112 -
18 Kühleinrichtung 113 Abgasleitung
19 Rückführleitung 114 Vakuumisolierung
20 Vorratsbehälter 115 Gasphasenseparator
21 Behälter 116a, 116b, 116c Durchführungen
22 Zuleitung 117 Leitung
23 Rückleitung 118 Armatur
24 Gasleitung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Übertragen elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger, bei dem zu kühlender Stromträger (2, 102) in einem ersten Kühlkanal (7, 107) aufgenommen ist, welcher erste Kühlkanal (7, 107) über eine Kühlmittelzuleitung (17) an eine Versorgungseinrichtung (20, 18) für ein erstes Kühlmedium angeschlossen ist und mit einem den ersten Kühlkanal (7, 107) umgebenden, mit wenigstens einem zweiten, von einem zweiten Kühlmedium durchflossenen Kühlkanal (8, 108) thermisch verbundenen Wärmeschild ausgerüstet ist, wobei als erstes Kühlmedium ein unterkühltes, verflüssigtes Gas zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz kommt und der mindestens eine zweiter Kühlkanal (8, 108) mit wenigstens einem Gasphasenseparator (15, 1 15) ausgerüstet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gasphasenseparator (15, 1 15) einen mit dem zweiten Kühlkanal strömungsverbundenen Behälter umfasst, dessen geodätisch oberer Abschnitt mit einer Abgasleitung (16) zum Abführen der Gasphase strömungsverbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphase im Gasphasenseparator über ein Schwimmerventil, eine Armatur oder (15, 115) eine flüssigkeitsdichte, jedoch gasdurchlässige Membran abgeleitet wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Kühlmedium unterkühltes zweites Kühlmedium zum Einsatz kommt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Kühlkanal (7, 107) und mindestens einem zweitem Kühlkanal (8, 108) wenigstens eine Strömungsverbindung (1 1 a, 1 1 b; 12a, 12b; 1 16a, 1 16b, 1 16c) zum Einleiten von Kühlmedium aus dem ersten in mindestens einen zweiten Kühlkanal vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strömungsverbindung (1 1 a, 1 1 b; 12a, 12b) zwischen erstem Kühlkanal (7, 107) und mindestens einem zweitem Kühlkanal (8, 108) im Bereich eines von der Kühlmittelzuleitung (17) des ersten Kühlkanals (7, 107) beabstandeten Kopfabschnitts (5, 6) der Vorrichtung (1 ) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Kühlkanal (7, 107) und mindestens einem zweitem Kühlkanal (8, 108) eine Mehrzahl von Strömungsverbindungen (1 16a, 116b, 116c) vorgesehen sind, die in Längsrichtung der Kühlkanäle (7, 107; 8, 108) beabstandet voneinander angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung zwischen dem ersten Kühlkanal (7, 107) und wenigstens einen zweiten Kühlkanal (8, 108) mit Armaturen zur Steuerung des Kühlmediumsdurchflusses ausgerüstet sind. Anordnung zur Übertragung elektrischer Energie mit einem supraleitenden Stromträger in der eine Mehrzahl an Vorrichtungen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche miteinander verbunden sind.
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