Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.

Die thermodynamischen Eigenschaften von Flüssighelium erfordern einen hohen technischen Aufwand zu dessen Lagerung und Transfer. Aufgrund der extrem niedrigen Normalsiedetemperatur von 4,2 K ist die Verflüssigung des unter Normbedingungen gasförmigen Heliums sehr energieintensiv. Darüber hinaus besitzt Helium eine sehr niedrige Verdampfungsenthalpie, weshalb bereits geringe Wärmeeinträge signifikante Verdampfungsverluste verursachen. Infolge der räumlichen Trennung von Heliumverflüssigungsanlagen und Verbrauchern ist ein Flüssigheliumtransfer in der Regel unvermeidlich. Beim Transfervorgang durch Wärmeeintrag und Druckverluste generiertes Heliumkaltgas muss erneut dem energieaufwändigen Verflüssigungsprozess zugeführt werden, bevor es als Kältemittel verwendet werden kann. Zur Etablierung eines verlustarmen Flüssigheliumtransfers mit einflutigen flexiblen Transferleitungen sind daher die Verdampfungsverluste im Rahmen der thermohydraulischen Optimierung zu reduzieren. Die Optimierung erfolgt dabei durch die Kopplung von systematischen Messungen mit thermohydraulischen Berechnungen. Untersuchungen mit instrumentierten Versuchstransferleitungen erfolgen an einem an der Heliumverflüssigungsanlage der Technischen Universität Dresden neu eingerichteten Versuchsstand. Dabei stellt sich heraus, dass der Gesamtdruckverlust vorwiegend durch das im flexiblen Abschnitt eingesetzte Wellrohr verursacht wird. Mittels eines gesonderten Messaufbaus werden verschiedene Wellrohrtypen hinsichtlich der resultierenden Reibungsdruckverluste untersucht und eine verlustarme Wellrohrgeometrie identifiziert. Neben den Druckverlusten wird auch der Wärmeeintrag durch Modifikationen des Isolationsaufbaus reduziert. Im Zuge der thermohydraulischen Optimierung vermindern sich die Verdampfungsverluste, wodurch die pro Zeiteinheit in der Transportkanne deponierte Flüssigheliummenge zunimmt. Zusätzliche Messungen während des Stillstands der Transferleitung liefern Rückschlüsse auf das Verhalten der Transferleitung, wenn kein Flüssighelium transferiert wird. Im Stillstand neigen die betrachteten Transferleitungsgeometrien zu thermisch angetriebenen Druckschwingungen, sogenannten thermoakustischen Oszillationen. Diese beeinflussen die Betriebssicherheit und die Lagergüte des stationären Speichers negativ, weshalb geeignete Methoden zur Dämpfung der thermoakustischen Oszillationen vorgeschlagen werden.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Stand der Wissenschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gegenstand und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Helium als Kälteträger 6 2.1 Grundlegende Stoffeigenschaften von Helium . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Vorkommen, Gewinnung und Verwendung von Helium . . . . . . . . . . . 7 2.3 Bereitstellung von Flüssighelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Aufbau einer flexiblen Transferleitung für Flüssighelium . . . . . . . . . . . 12 3 Berechnungsgrundlagen 14 3.1 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.1 Gesamtdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.2 Reibungsdruckverlust im Glattrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Reibungsdruckverlust im Rohr mit parallelen Wellen . . . . . . . . 15 3.1.4 Zweiphasenmultiplikator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.5 Druckverlust durch Höhenänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.6 Beschleunigungsdruckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.7 Druckverlust durch Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Gesamtwärmeeintrag der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Lokaler Wärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1 Strahlungswärmestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2 Wärmetransport durch die MLI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.3 Wärmetransport durch die Rohrwand . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.4 Wärmetransport entlang der Konstruktionselemente . . . . . . . . 25 3.3.5 Konvektiver Wärmeübergang bei einphasiger Strömung . . . . . . . 25 3.3.6 Wärmeübergang beim Sieden einer erzwungenen Strömung . . . . 26 3.4 Thermoakustische Oszillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4.1 Definition und Entstehung einer thermoakustischen Oszillation . . . 28 3.4.2 Abschätzung von Amplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . . . 31 4 Messaufbau und Versuchsdurchführung 34 4.1 Charakterisierung der Transferleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3 Untersuchte Transferleitungskonfigurationen . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Druckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.3 Untersuchte Wellrohrgeometrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Messmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.3 Volumenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.4 Wägeeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.5 Supraleitende Füllstandssonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.6 Datenaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5 Thermohydraulisches Berechnungsmodell 44 5.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3.3 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6 Ergebnisse der messtechnischen Untersuchung 59 6.1 Wärmeeintrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.3 Austrittsdampfgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.4 Transferrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.5 Einkühl- und Aufwärmverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.6 Schwingungsneigung der Transferleitung im Stillstand . . . . . . . . . .72 6.6.1 Auftreten thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . . 72 6.6.2 Ermittlung des Temperaturprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.6.3 Berechnung von Druckamplitude und Frequenz . . . . . . . . . . . 76 6.6.4 Resultierender Wärmeeintrag in den Heliumspeicher . . . . . . . . 79 6.6.5 Dämpfung thermoakustischer Oszillationen . . . . . . . . . . . . . 79 6.7 Reibungsdruckverlust in parallel gewellten Rohren . . . . . . . . . . . . 81 7 Design- und Anwendungsempfehlungen 87 8 Zusammenfassung 91 Literatur 94 Anhang 100 A Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 1 . . 100 B Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 2 . . 101 C Messwerte von Druck, Volumenstrom und Massenänderung für HeTra 3 . . 103 D Messwerte des Kannendrucks für alle untersuchten Transferleitungen . . . 105 E Reibungsbeiwerte der Wellrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 F Berechnung des Wärmeeintrags durch thermoakustische Oszillationen . . . 107