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Kryosysteme

Für die Lagerung und zum Transport von flüssigen Gasen (z. B. Stickstoff, LN2 bei -196 °C) ist eine gute Isolation der Behältnisse unerläßlich. Die physikalisch beste Möglichkeit ein System zu isolieren ist die Vakuumisolation mit einer Vielzahl reflektierender Folien zur Strahlungsreduzierung. Diese Methode ist allen anderen weit überlegen. Ein Vergleich zeigt das deutlich:

S c h a u m i s o l a t i o n 0,035 W/mK Vakuumpanele 0,004 W/mK Perlite mit Vakuum 0,001 W/mK Hochvakuum mit refl. Folien 0,00025 W/mK Verluste (Watt) ---> 1 m Rohrlänge, 30 mm Durchmesser 20 16 4 1 Isolierdicke (cm) 10 1 1 1

Voraussetzung für eine technisch optimale vakuumisolierte Leitung sind folgende Punkte: - Vakuum besser als 1 x 10E-5 mbar im kalten Zustand - Vakuum stabil für mindestens 2 Jahre ohne nachzuevakuieren - Vielschichtisolation mit 30 Lagen - Vakuum nachprüfbar - äußere Hülle sollte keine kalten Flecke aufweisen Vakuumisolierte Transferleitungen zum Transport von flüssigen Gasen sind heute Standard in der Industrie und in Forschungsstätten. Es gibt sie in starrer und flexibler Ausführung. Unten sieht man eine typische vakuumisolierte Transferleitung.

VAKUUM Ein ausreichendes Vakuum ist entscheidend für eine gute Isolierung. Dieses Vakuum kann nicht einfach nur durch einmaliges Evakuieren aufrecht erhalten werden. Weitere Maßnahmen müssen getroffen werden. Neben entsprechender Sauberkeit bei der Fertigung, müssen verschiedene Materialien, wie Getter, Molekularsiebe oder Aktivkohle mithelfen, dieses Vakuum 10 oder mehr Jahre zu gewährleisten. Verschlechtert sich das Vakuum unter 1x10E-4 mbar, kann sich die Isolierleistung schon bis zu 50 % verringern. Bei einem Vakuum unter 1x10E-3 mbar kann sich die Isolierleistung um mehrere Faktoren verschlechtern.

Druckbereich Druck in (mbar) Moleküle pro cm³ mittlere freie Weglänge Umgebungsdruck 1013,25 2,7 x 10E19 68 nm Grobvakuum 300 -> 1 10E19 -> 10E16 0,01 -> 100 µm Feinvakuum 1 -> 10E-3 10E16 -> 10E13 0,1 -> 100 mm Hochvakuum (HV) 10E-3 -> 10E-7 10E13 -> 10E9 100 mm -> 1 km Ultrahochvakuum (UHV) 10E-7 -> 10E-12 10E9 -> 10E4 1 -> 10E5 km extrem hohes Vakuum <10E-12 <10E4 >10E5 km

Beispiele Staubsauger 800 10E19 70 nm Drehschieberpumpe 1 -> 10E-3 10E16 -> 10E13 100 µm -> 10 cm Hochvakuumisol. Rohrleitung 10E-4 -> 10E-5 10E12 -> 10E11 1 m -> 10 m Druck auf dem Mond ~10E-11 4 x 10E5 10000 km Interplanetarer Raum 10 Interstellarer Raum 1

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Vakuumisolierte Transferleitungen eignen sich hervorragend für die neuartigen Hochtemperatur-Supraleiter-Kabel (HTSL). Sie können seit einigen Jahren in großen Längen hergestellt werden und begnügen sich mit einer Funktionstemperatur des flüssigen Stickstoffs (ca. -200 °C).

LNG

H2

Was ist LNG? Kühlt man Erdgas auf etwa -163°c ab, kondensiert es und wird flüssig. Man nennt es LNG (liquid natural gas). Die Flüssigkeit nimmt etwa 1/600 des Volumens vom Gas ein. Das Gewicht beträgt etwa 45% vom Wasser. Erdgas besteht typischerweise aus etwa 90° Methan, etwas Ethan, Propan und schwereren Wasserstoffen. Umweltfreundliche Verbrennung setzt sich weiter durch. Erdgas wird in Zukunft mehr Anteil am Gesamtenergieverbrauch vieler Länder haben. In Norwegen werden Fähren mit Gas angetrieben, Dieselöl wird dadurch ersetzt. Wie wird LNG aufbewahrt und transportiert? Bei einer Temperatur von etwa -163°C müssen Tanks und Rohrleitungssysteme gut isoliert werden. In bester Weise erfüllt eine Vakuumisolierung diesen Zweck. Sie ist die optimale Möglichkeit, LNG mit geringsten Verlusten zu speichern und zu transportieren. Für die Verteilung von Erdgas leisten doppelwandige, vakuumisolierte Rohrleitungssysteme einen wichtigen Beitrag.

Was ist H2? Wasserstoff gilt als der Energieträger der Zukunft. Er verursacht keine schädlichen Emissionen. Er enthält pro kg mehr Energie als jeder andere Brennstoff. Er wird u.a. verwendet beim Schweißen, als Raketenbrennstoff, in Wasserstoffverbrennungsmotoren, in Brennstoffzellen. Wichtige Methoden zur industriellen Gewinnung von Wasserstoff sind die Dampfreformierung und die Elektrolyse. Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wirkungsgrad dabei liegt bei 50-70%. Wie wird H2 aufbewahrt und transportiert? Die Speicherung von Wasserstoff ist weitestgehend auf 3 Arten möglich. 1. Als Druckgasspeicherung in speziellen Druckbehältern bis 700 bar. 2. Als Flüssigwasserstoffspeicherung in vakuumisolierten Behältern 3. Speicherung in Metallhydriden

Stoffdaten

Wärmeleitfähigkeit

LN2 / N2 Gleichgewicht

Material Wärmeleitfäfigkeit W/(m*K) Edelstahl 15 Glas 0,76 Glaswolle 0,035-0,05 Polyurethan 0,024-0,035 Kork 0,035-0,046 Luft 0,0261 Vakuumpanele 0,004-0,006 Vielschicht-Vakuumisolierung (SI) 0,00025

Kältemittel N2 H2 He Endzustand Metall (Stainless Steel) 77 K 20,4 4,2 K Anfangszustand Metall (Stainless Steel) 300 K 300 K 300 K Ausnutzung von kg Flüssigkeit / kg Metall kg Flüssigkeit / kg Metall kg Flüssigkeit / kg Metall Verdampfungswärme 0,43 0,2 4,2 Verdampfungswärme und Enthalpie 0,27 0,037 0,1

Datenquelle: J.B. Jacobs (1962) Adv. Cryog. 8.529

Achtung: Gerechnete Werte stimmen nicht mit dieser Datenquelle überein!!!

1 Watt -> 18,2 g/h Verdampfung von flüssigem Stickstoff 1 Watt -> 173,5 g/h Verdampfung von flüssigem Helium