Title:
Gasgekühlte Stromzuführung
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführung eines Verbrauchers mit tiefkaltem Gas, wobei die Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist und das tiefkalte Gas als Kühlmittel durch den Plattenwärmetauscher geführt wird. Beschrieben wird weiterhin der Aufbau einer gasgekühlten Stromzuführung, welche als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.




Inventors:
Alekseev, Alexander, Dr. (82515, Wolfratshausen, DE)
Application Number:
DE102016011311A
Publication Date:
03/22/2018
Filing Date:
09/20/2016
Assignee:
Linde Aktiengesellschaft, 80331 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102008030212A1N/A2009-04-23
DE60032468T2N/A2007-09-27
DE19904822C1N/A2000-05-18



Foreign References:
36543771972-04-04
Claims:
1. Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführung eines Verbrauchers mit tiefkaltem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist und dass das tiefkalte Gas als Kühlmittel durch den Plattenwärmetauscher geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das tiefkalte Gas, durch Verdampfen von flüssigem kryogenem Kältemittel, insbesondere von flüssigem Stickstoff, gewonnen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das tiefkalte Gas im Gegenstrom oder Kreuzstrom zur Fließrichtung des Stroms in der Stromzuführung geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung Strom von einem konventionellen elektrischen Kabel hin zu einem gekühlten Verbraucher leitet, insbesondere zu einem Hochtemperatursupraleiter, einem Kurzschlussstrombegrenzer, einem Magneten, Transformator, Motor oder Generator.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmetauscher mehrere Temperaturzonen aufweist.

6. Gasgekühlte Stromzuführung, welche mit einem konventionellen elektrischen Kabel und einem Verbraucher in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.

7. Gasgekühlte Stromzuführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmetauscher aus gelöteten Blechen besteht, welche als Stromleiter fungieren und dass in den Zwischenräumen Gasverteiler und Kanäle für ein Kühlmittel vorgesehen sind.

8. Gasgekühlte Stromzuführung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bleche Aluminiumlegierungen verwendet werden.

9. Gasgekühlte Stromzuführung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der der Plattenwärmetauscher eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 m2/m3 aufweist.

10. Gasgekühlte Stromzuführung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung in einen Kryostat oder einen ähnlich isolierten Behälter eingebracht ist.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführung eines Verbrauchers mit tiefkaltem Gas, sowie eine gasgekühlte Stromzuführung, welche mit einem konventionellen elektrischen Kabel und einem Verbraucher in Verbindung steht.

Supraleitende oder hochtemperatursupraleitende Bauteile, z. B. Kabel oder Magnete, müssen für den Betrieb auf tiefkalte Temperaturen von bis zu wenigen Kelvin gekühlt und während ihrem Betrieb auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden, um supraleitende Zustände zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Um derartige Bauteile zu kühlen, können Kühlflüssigkeiten, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, verwendet werden, die in einem Kühlkreislauf zirkulieren und dabei das zu kühlende Bauteil durchströmen.

Der benötigte Strom wird von einem konventionellen elektrischen Kabel, über eine Stromzuführung, hin zu den supraleitenden oder hochtemperatursupraleitenden Bauteilen, welche im Folgenden als Verbraucher bezeichnet werden, geleitet. Als weitere Verbraucher kommen auch Kurzschlussstrombegrenzer oder Überstrombegrenzer, Magnete oder Transformatoren in Betracht.

Um den Temperaturgradienten zwischen dem konventionellen elektrischen Kabel, also der Umgebungstemperatur, und dem Verbraucher, welcher auf kryogene Temperaturen abgekühlt ist, zu überbrücken, um den Wärmeeintrag zu minimieren und um eine optimale Stromzuführung zu ermöglichen, werden die Stromzuführungen ebenfalls gekühlt. Hierzu wird oft, wie beispielsweise in DE19904822 beschrieben, tiefkaltes Gas verwendet. Berechnungen zeigen, dass sich die notwendige Kühlleistung bei 77 K von 41 W/kA auf 27 W/kA verringert, wenn die Stromzuführung mit tiefkaltem Gas, welches insbesondere aus dem abgedampften Gas von tiefkaltem verflüssigtem Gas (Boil-off Gas) gewonnen wird, gekühlt wird.

Wichtig für eine effektive Kühlung ist hingegen auch die Qualität des Wärmeaustausches. Je höher eine Wärmeaustauschfläche ist, desto effizienter kann die Kühlung und dadurch die Stromleitung erfolgen. Bisherige Stromzuführungen sind wie auch 1 zeigt, vor allem als normales Kabel, welches von außen mit Gas gekühlt wird ausgeführt. In seltenen Fällen wird die Austauschfläche beispielsweise durch Rippen oder ähnlichen Geometrien verändert. Größere Wärmeaustauschflächen waren bisher schwierig mit elektrisch leitenden Teilen zu kombinieren, da die Integration in einen Stromkreislauf aufwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine gasgekühlte Stromzuführung und ein Verfahren zur Kühlung der Stromzuführung anzugeben, bei der die Wärmeaustauschfläche vergrößert ist und so eine verbesserte Stromleitung gewährleistet ist.

Verfahrensseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist und dass das tiefkalte Gas als Kühlmittel durch den Plattenwärmetauscher geführt wird. Vorrichtungsseitig ist zur Lösung der Aufgabe die gasgekühlte Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt. Vorteilhafterweise besteht der Plattenwärmetauscher aus gelöteten Blechen, welche als Stromleiter fungieren und in den Zwischenräumen sind Gasverteiler und Kanäle für ein Kühlmittel vorgesehen. Besonders bevorzugt kann durch die Strukturierung der Bleche die Wärmeaustauschfläche zusätzlich erhöht werden. Zudem kann durch die Strukturierung eine Kanalstruktur generiert werden, so dass der Gasstrom sowohl im Gegenstrom als auch im Kreuzstrom zu dem Strom, welcher in den stromführenden Blechen geleitet wird, geführt werden kann.

Bevorzugt werden als Bleche Aluminiumlegierungen verwendet. Besonders bevorzugt weist der Plattenwärmetauscher eine spezifische Oberfläche von 100 bis 1000 m2/m3 auf. Durch die Variation der Anzahl der Bleche oder der Stapelhöhe kann der Plattenwärmetauscher einfach an die zu leitende Stromstärke und die dadurch erwartete Wärmeentwicklung angepasst werden.

Durch die Verwendung eines Plattenwärmetauschers, in welchem die Stromzuführung integriert ist, kann die Wärmeaustauschfläche erhöht werden. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr ergibt sich auch ein geringerer Wärmeeintrag in das System des Verbrauchers, wodurch dort Kühlleistung eingespart werden kann.

Vorteilhafterweise wird das tiefkalte Gas, durch Verdampfen von flüssigem kryogenem Kältemittel, insbesondere von flüssigem Stickstoff, gewonnen. Das verdampfte Gas, welches auch als Boil-off Gas bezeichnet wird, wird dem Plattenwärmetauscher zugeführt. Bevorzugt wird das tiefkalte Gas im Gegenstrom oder Kreuzstrom zur Fließrichtung des Stroms in der Stromzuführung geführt. Zudem wird bevorzugt, dass der Plattenwärmetauscher mehrere Temperaturzonen aufweist. Vorteilhafterweise herrscht im Bereich des Verbrauchers eine Temperatur nahe der der Kühlung, des Verbrauchers, also bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff vorteilhafterweise 60–80 K, während hingegen in der Nähe des konventionellen Kabels eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur, bevorzugt ca. 293 K herrscht. Um den Wärmetausch zu optimieren ist es vorteilhaft wenn die Strukturierungen der Bleche des Wärmetausches so optimiert sind, dass im kalten Bereich des Plattenwärmetauschers eine hohe spezifische Oberfläche, also eine große Wärmeaustauschfläche vorliegt und im warmen Bereich eine kleinere spezifische Oberfläche.

Vorteilhafterweise leitet die Stromzuführung Strom von einem konventionellen elektrischen Kabel hin zu einem gekühlten Verbraucher, insbesondere zu einem Hochtemperatursupraleiter, einem Kurzschlussstrombegrenzer, einem Magneten, Transformator, Motor oder Generator.

Bevorzugt ist die gasgekühlte Stromzuführung in einen Kryostat oder einen ähnlich isolierten Behälter eingebracht. Der Behälter ist dabei vorteilhafterweise sowohl thermisch isoliert als auch elektrisch isoliert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der gasgekühlten Stromzuführung ist diese als Plattenwärmetauscher mit einer spezifischen Oberfläche von 500 m2/m3 ausgeführt. Die Platten selbst dienen der Stromführung. Die zwischen den Platten liegenden Kanäle dienen der Führung des Kühlmittels. Der Plattenwärmetauscher ist in einem Kryostat platziert, welcher durch eine thermische und elektrische Isolierung nach außen hin abgeschirmt ist.

Dem Kryostat wird am kalten Ende flüssiges Kühlmittel, in diesem Beispiel flüssiger Stickstoff, zugeführt. An diesem Ende steht die Stromzuführung auch mit dem Verbraucher, in diesem Beispiel einem Supraleiter, in Verbindung. Die bevorzugte Temperatur beträgt 77 K. Durch den Wärmeeintrag der Stromzuführung verdampft der flüssige Stickstoff. Der gasförmige Stickstoff wird über eine Gasverteilungszone in den Plattenwärmetauscher geführt und dort über mehrere Kanäle zwischen den stromführenden Platten verteilt. Am warmen Ende des Plattenwärmetauschers hat sich das Gas ungefähr auf Umgebungstemperatur, also auf ca. 293 K erwärmt. Dazwischen befindet sich eine aktive Kühlungszone, in der ein Temperaturgradient herrscht. Dort steht der Plattenwärmetauscher mit dem konventionellen Kabel in Verbindung. Das obere Ende der gasgekühlten Stromzuführung befindet sich in einer bevorzugten Ausführungsform bereits außerhalb des Kryostaten. Das erwärmte Gas kann aufgefangen und weiter verarbeitet werden oder unter Umständen recycelt werden oder an die Umgebung abgegeben werden.

In besonderen Ausführungsformen können auch Zwischenkühlungen vorgesehen sein und beispielsweise ein Teil des kalten Stickstoffs oder ein weiteres Kühlmittel an einem oder mehr zusätzlichen Punkten dem Plattenwärmetauscher zugeführt werden. So kann das Temperaturniveau insbesondere bei 123–153 K gehalten werden.

Insgesamt ergeben sich so die Vorteile der Verwendung eines Plattenwärmetauschers als gasgekühlte Stromzuführung dadurch, dass die Fertigung von Plattenwärmetauschern bereits bekannt ist und so eine kostengünstige Fertigung in verschiedenen Größen möglich ist. Zudem kann durch die geeignete Strukturierung der Kanäle der Druckverlust niedrig gehalten werden, aber trotzdem ein guter Wärmeaustausch ermöglicht werden. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstromanwendungen.

Im Folgenden werden in drei Figuren Ausführungsbeispiele aus dem Stand der Technik und erfindungsgemäße Ausführungen skizziert.

1 gasgekühlte Stromzuführung nach dem Stand der Technik

2 Plattenwärmetauscher als Stromzuführung

3 erfindungsgemäße gasgekühlte Stromzuführung

In 1 ist schematisch eine gasgekühlte Stromzuführung nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein konventionelles elektrisches Kabel 2 mit dem in Stromrichtung 1 geführten elektrischen Strom steht über eine Stromzuführung 3 mit einem Verbraucher 8 in Verbindung. Die Stromzuführung 3 ist dabei umgeben von einem Kryostat 5. Der Verbraucher 8 steht mit einem eigenen Kryostat 7 in Verbindung. Am kalten Ende dieses Kryostat wird flüssiger Stickstoff L über die Zuführung 6 zugegeben. Am kalten Ende herrscht bevorzugt ein Temperatur T1, welche niedriger ist als die Temperatur T2 am warmen Ende der Stromzuführung. Durch den Wärmeeintrag, welcher durch die Stromleitung entsteht, wird der flüssige Stickstoff verdampft und der gasförmige Stickstoff 4, wird im Gegenstrom der Stromrichtung 1 entlang der Stromzuführung 3 geführt. Dabei wird Wärme ausgetauscht. Die Stromzuführung 3 wird gekühlt und der gasförmige Stickstoff 4 erwärmt. Dieser verlässt am warmen Ende den Kryostat am Ausgang G. Die Wärmeaustauschfläche ist sehr gering, so dass wahlweise viel Kühlmittel benötigt wird, oder die Länge der Stromzuführung bzw. der Kühlstrecke angepasst werden muss.

2 stellt schematisch einen Plattenwärmetauscher dar, der als erfindungsgemäße gasgekühlte Stromzuführung verwendet werden kann. Bezugszeichen, die die gleichen Bestandteile beschreiben, wurden im Folgenden erneut verwendet. Dargestellt ist ein Plattenwärmetauscher, welcher umrahmt von zwei Außenblechen 13 aus mehreren Blechen 15 zusammengesetzt ist, in deren Zwischenraum sich Kanäle 14 befinden. Die Bleche 15 sind stromleitend und fungieren als Stromzuführung. Die Stromführung 1' ist über die komplette Breite des Bleches verteilt. Der Plattenwärmetauscher ist in verschiedene Zonen aufgeteilt. Bei der kalten Zone (Temperatur T1) steht der Plattenwärmetauscher über eine Verbindungszone 9 mit dem Verbraucher in Verbindung. Daran anschließend befindet sich die Gasverteilungszone 10a, in welcher der gasförmige Stickstoff 4' an der Stelle G1 eintritt und zwischen den Blechen 15 in den Kanälen 14 verteilt wird. In der aktiven Kühlzone 12 findet der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel, also in diesem Beispiel dem Stickstoff, und den stromführenden Blechen 15 statt. Das Gas wird in einer weiteren Gasverteilerzone 10b gesammelt und über G2 aus dem Plattenwärmetauscher ausgeleitet. Das warme Ende des Plattenwärmetauschers (Temperatur T2 entspricht ungefähr Umgebungstemperatur) steht über die Zone 11 mit einem konventionellen elektrischen Kabel in Verbindung.

3 zeigt schematisch die gasgekühlte Stromzuführung 16, ausgeführt als Plattenwärmetauscher, in Verbindung mit einem konventionellen Kabel 2 und einem Verbraucher 8. Die Stromzuführung 16 ist zudem in einen Kryostat 17 eingebettet. Dieser ist elektrisch und thermisch isoliert und mit einem Füllmaterial 18 ausgekleidet, um die Gasführung durch die Kanäle des Plattenwärmetauschers hindurch zu gewährleisten. Das warme Ende der Stromzuführung kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt, bereits außerhalb des Kryostat angebracht sein.

Bezugszeichenliste

1, 1'
Stromrichtung
2
Konventionelles Kabel
3
Stromzuführung
4, 4'
Gasförmiger Stickstoff
5
Kryostat Stromzuführung
6
Zuführung flüssiger Stickstoff
7
Kryostat Verbraucher
8
Verbraucher
9
Verbindung mit dem Verbraucher
10, 10a/10b
Gasverteilungszone
11
Verbindung mit dem konventionellen Kabel
12
Aktive Kühlzone
13
Außenbleche
14
Kanäle
15
Bleche
16
Stromzuführung
17
Kryostat Plattenwärmetauscher
18
Füllmaterial Kryostat
G, G2
Ableitung gasförmiger Stickstoff
G1
Zuleitung gasförmiger Stickstoff
L
flüssiger Stickstoff
T1
Temperatur T1
T2
Temperatur T2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 19904822 [0004]