Passive Kühlung von flüssigen Gasen in einem System

Die Erfindung betrifft ein System mit einer Anordnung, die eine innere Wand und eine äußere Wand aufweist, wobei die innere Wand ein flüssiges Gas in einem ersten Raum umschließt und zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand ein zweiter Raum gebildet wird.

Das System kann beispielsweise als Rohrleitung oder Armatur ausgeführt sein. Rohrleitungen bestehen aus Rohren, Rohrverbindungen und den zugehörigen Armaturen. Sie dienen zum Transport von Fluiden und riesel- oder pumpfähigen Feststoffen sowie der Übertragung von mechanischer und thermischer Energie.

Eine Armatur bezeichnet ein Bauteil zum Verändern, Steuern und/oder Regeln von Stoffströmen, das insbesondere bei Rohrleitungen und bei Behältern für Gase und Flüssigkeiten verwendet wird.

Darüber hinaus kann ein System auch als Behälter ausgeführt sein. Ein Behälter oder Behältnis ist ein Gegenstand, der in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, der insbesondere dem Zweck dient, seinen Inhalt von seiner Umwelt zu trennen. Dazu dient meist eine Wand, die als flächiges Gebilde den Hohlraum umschließt. Als flüssiges Gas bzw. als Flüssiggas werden durch Kühlung und/oder Kompression verflüssigte Gase bezeichnet, die entweder bei Normaldruck aufgrund der Verdampfungsenthalpie und/oder bei entsprechender Wärmeisolation kalt und flüssig bleiben o- der unter Druck stehen, um den verflüssigten Zustand zu bewahren.

Darüber hinaus können flüssige Gase in ausreichend isolierten Systemen aufbewahrt und transportiert werden. Gegebenenfalls kann die Temperatur des Flüssiggases in einem System durch passive Kühlung, insbesondere durch langsames und kontinuierliches Sieden eines kleinen Anteils des flüssigen Gases, konstant gehalten werden.

Die DE 21 03 581 C2 offenbart eine Rohrleitung zum Transport von Flüssigkeiten bei tiefer Temperatur, bestehend aus einem axial belastbaren Innenrohr und einem koaxialen Außenrohr, die durch Verbindungsstücke aneinander abgestützt sind und zwischen denen eine Wärmedämmschicht vorgesehen ist.

Die US 7 578 315 B2 beschreibt eine Verbundrohrbaugruppe, umfassend ein inneres, nicht drucktragendes Rohr, das innerhalb eines äußeren drucktragenden Rohres angeordnet ist. Ein erstes Isoliermaterial isoliert das Innenrohr vom Außenrohr, wobei das Isoliermaterial und das Außenrohr einen Fluidkanal bilden, in den über Durchgangslöcher oder Entlüftungsöffnungen ein Fluidstrom aus dem inneren Rohr einströmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System mit einer Anordnung anzugeben, das flüssige Gase passiv ausreichend kühlen kann. Dazu soll das System konstruktiv so gestaltet sein, dass keine Energie zur Kühlung aufgewendet werden muss. Darüber hinaus soll das System besonders einfach ausgebildet sein und kostengünstig realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System mit einer Anordnung gelöst.

Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Erfindungsgemäß weist die innere Wand mindestens eine Öffnung zur Expansion des flüssigen Gases in den zweiten Raum auf.

Vorzugsweise dient das System zum Bereitstellen von Gasen, die zum Transport und/oder zur Lagerung verflüssigt werden. Insofern versteht sich das System vorzugsweise als letzter Transportabschnitt zwischen Lagerung bzw. Transport und der Verwendung, die dann jedoch in der Gasphase vorgesehen ist.

Dazu weist die Anordnung einen ersten Raum als innere Transportröhre auf, die durch die innere Wand abgeschlossen wird, wobei die innere Wand von einer äußeren Wand umgeben ist. Die äußere Wand wiederum ist vorzugsweise isoliert ausgeführt, wobei die Isolierung den Anforderungen von extremen Tieftemperaturen genügt.

Idealerweise weist die Anordnung mehr als zwei, vorzugsweise mehr als drei, insbesondere mehr als vier, Öffnungen auf, durch die das Flüssiggas in den zweiten Raum, der zwischen innerer und äußerer Wand gebildet wird, expandiert. Dabei verdampft das Flüssiggas und entzieht dem System die Verdampfungsenthalpie. Dadurch wird das System, insbesondere das Flüssiggas innerhalb der inneren Wand, so gekühlt, dass keine externe Kühlung des Systems notwendig ist, um das Flüssiggas im flüssigen Zustand zu bewahren.

Dabei sind die Öffnungen so im System verteilt, dass bevorzugt ein gleichmäßiger Wärmeentzug über das gesamte System erfolgt.

Bei einer günstigen Variante der Erfindung ist die innere Wand mit mindestens einem Distanzelement innerhalb der äußeren Wand angeordnet. Je größer die Anordnung ausgebildet ist, desto mehr Distanzelemente sind zwischen der inneren und äußeren Wand angeordnet. Dadurch bildet sich vorteilhaft und gleichmäßig beabstandet ein zweiter Raum zwischen der inneren und äußeren Wand, in den das verdampfte Flüssiggas strömen kann. Die gleichmäßige Beabstandung und die umfängliche Umschließung der inneren Wand durch die äußere Wand begünstigen in Kombination mit gleichmäßig verteilten Öffnungen, durch die das Flüssiggas in den zweiten Raum verdampft, eine hervorragende passive Kühlung der inneren Wand. Dadurch wird das Flüssiggas im flüssigen Zustand gehalten.

Idealerweise weist die Anordnung mindestens einen Stutzen auf. Vorzugsweise ist der Stutzen an der äußeren Wand angeordnet. Hierdurch kann das verdampfte Flüssiggas, nach dem Entzug der Verdampfungsenthalpie, einer weiteren Verwendung zugeführt werden.

Bei einer alternativen Variante kann das über den Stutzen ausströmende Gas auch einer Zwischenspeicherung zugeführt werden.

Vorteilhafterweise ist die Siedekühlung durch verflüssigte Gase in kontinuierlich durchströmten Systemen hervorragend dazu geeignet, das System passiv zu kühlen. Insbesondere in Systemen, die als Armaturen und/oder Rohrleitungsformstücke ausgebildet sind, die ungünstig ausreichend isoliert werden können, ist die passive Kühlung in Kombination mit dem Bereitstellen im gasförmigen Zustand des zuvor flüssigen Gases zur weiteren Verwendung vorteilhaft verknüpft.

Idealerweise weist das System mindestens einen Sensor auf. Dabei kann der Sensor innerhalb der inneren Wand und/oder an der inneren Wand und/oder im zweiten Raum zwischen innerer und äußerer Wand und/oder an der äußeren Wand und/oder an einer Öffnung und/oder an einem Stutzen und/oder an einem Distanzelement angeordnet sein.

Die vorteilhafte Implementierung mindestens eines Sensors realisiert eine Überwachung des Systems. Dadurch lässt sich der Zustand des Systems permanent überwachen und gegebenenfalls automatisiert beeinflussen.

Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist der Sensor als Temperatursensor ausgeführt, beispielsweise als Widerstandsthermometer. Bevorzugt nimmt der Temperatursensor die Temperatur des flüssigen Gases auf. Bei einer günstigen Variante der Erfindung ist der Sensor als Drucksensor ausgebildet. Idealerweise kann der Drucksensor den Druck zwischen innerer und äußerer Wand de- tektieren.

Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist der Sensor als Durchflusssensor ausgeführt. Dabei kann beispielsweise der Durchfluss aus der inneren Wand in den Raum zwischen innerer und äußerer Wand und/oder der Durchfluss am Stutzen gemessen werden.

Bei einer alternativen Variante der Erfindung umfasst das System mindestens ein Element zur Veränderung eines Öffnungsquerschnitts. Das Element kann beispielsweise als Klappe zum Regeln und/oder Steuern der Expansion des flüssigen Gases dienen. Alternativ kann auch eine Klappe innerhalb der inneren Wand den Zustrom des flüssigen Gases beeinflussen. Des Weiteren kann ein solches Element den Zufluss des flüssigen Gases bei einer zu hohen Systemtemperatur unterbrechen.

Vorzugsweise kann das System auch ein Element zur Veränderung des Stutzenquerschnitts umfassen. Dadurch kann bevorzugt der Gaszustrom zur weiteren Verwendung gesteuert und/oder geregelt werden.

Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist die innere Wand aus einem besonders wärmeleitfähigen Material ausgebildet. Das kann beispielsweise Kupfer bzw. eine Kupferlegierung oder Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung sein.

Bevorzugt ist die äußere Wand und/oder der Stutzen und/oder die Distanzelemente aus einem besonders schlecht wärmeleitfähigen Material ausgebildet. Das kann beispielsweise tieftemperaturbeständige Kunststoffe wie PE-UHMW oder PTFE sein. Aber auch tieftemperaturbeständige Stähle wie austenitische Edelstähle, Titanlegierungen oder Maraging-Stähle sind einsetzbar. Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann eine Wand und/oder können alle Wände der Anordnung eine Beschichtung aufweisen, die den Wärmeübergang sowie den Wärmedurchgang zur Erfüllung der Systemaufgabe beeinflussen.

Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung weist die Innenwand der äußeren Wand eine Beschichtung auf, die den Wärmedurchgang durch das Außenrohr zusätzlich verringert.

Idealerweise ist das System mit einer Isolierung umgeben, die für den Einsatz bei tiefen Temperaturen geeignet ist. Dabei ist insbesondere die äußere Wand mit einer Isolierung versehen, beispielsweise einem mit speziellen Harzen imprägnierten Kunstharzpressholz.

Bei einer alternativen Variante der Erfindung weist die innere Wand Kühlrippen auf, wodurch besser die Verdampfungsenthalpie aus der inneren Rohrwandung entzogen werden kann.

Beispiele für verflüssigte Gase in dem System sind vorzugweise flüssiges Propan, flüssiges Methan, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Stickstoff, flüssiger Wasserstoff, flüssiges Helium.

Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist das System mit einer Anordnung generativ erzeugt. Dadurch lassen sich komplexe Geometrien der Anordnung und/oder spezielle Formen der Öffnungen realisieren.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines Systems mit einer Anordnung zur passiven Kühlung flüssiger Gase die Anordnung durch selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial erzeugt.

Die Bezeichnung generativ oder additiv erzeugt umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und somit dreidimensionale Bau- teile erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Hartungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das „3D-Drucken“ sind Kunststoffe, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.

Eine besonders günstige Form der additiven Ausbildung ist das selektive Laserschmelzen. Beim selektiven Laserschmelzen wird der metallische Aufbauwerkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird diese Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten aufgeschmolzen sind. Die fertigen Teile der Anordnung werden vom überschüssigen Pulver gereinigt. Um die gewünschten Eigenschaften des jeweiligen Teils der Anordnung zu erzielen, kann der jeweils passende Werkstoff in Pulverform eingesetzt werden.

Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Teile der Anordnung aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBM) zum Einsatz kommen.

Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist das System konventionell erzeugt. Die Bezeichnung konventionell erzeugt bezeichnet eine Anordnung, die mittels Urformen, Umformen oder einem subtraktiven Fertigungsverfahren erzeugt und gegebenenfalls zusammengesetzt wird.

Gemäß der Erfindung wird das Systems mit einer Anordnung von flüssigen Gasen durchströmt, dabei durch das System selbst passiv gekühlt und zur gasförmigen Bereitstellung des Gases verwendet. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung eines beispielgebenden Systems,

Fig. 2 eine Darstellung eines Querschnitts eines beispielgebenden Systems,

Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung aus einer anderen Perspektive,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Systems.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene Darstellungen eines beispielgebenden Systems 9, das eine Anordnung 1 mit einer inneren Wand 2 und einer äußeren Wand 3 aufweist. In den dargestellten Ausführungsvarianten ist das System 9 als Rohrleitungsstück mit einem Stutzen 8 zur Entnahme des Gases für eine weitere Verwendung dargestellt.

Die innere Wand 2 umschließt einen ersten Raum 4, in dem das flüssige Gas transportiert wird. Das dargestellte System 9 weist in der inneren Wand 2 zwanzig Öffnungen 6 auf, durch die das flüssige Gas in den zweiten Raum 5 expandiert. Dabei verdampft das flüssige Gas und entzieht dem System 9, insbesondere dem flüssigen Gas im ersten Raum 4, die Verdampfungsenthalpie, wodurch das System 9 eine enorme passive Kühlung erfährt.

Je vier Öffnungen 6 bilden einen imaginären Ring, bei dem eine Öffnung 6 von der nächsten Öffnung 6 jeweils um 90 ° versetzt angeordnet ist, wie im Schnitt A-A der Fig. 2 besonders deutlich wird.

Zwischen zwei solchen Ringen aus Öffnungen 6 ist ein weiterer, gedachter Ring aus vier Distanzelementen 7 angeordnet. Jedes Distanzelement 7 ist um 90 ° versetzt zum nächsten Distanzelement 7 positioniert, wobei die Öffnungen 6 jeweils um 45 ° versetzt zu den Distanzelementen 7 angeordnet sind.

Die Distanzelemente 7 beabstanden die innere Wand 2 von der äußeren Wand 3, wo- bei sich zwischen innerer Wand 2 und äußerer Wand 3 der zweite Raum 5 bildet. In diesem zweiten Raum 5 strömt das verdampfte Gas in Richtung Stutzen 8, der das Gas seiner weiteren Verwendung zuführt.