So funktioniert ein Wasserstoffverflüssiger

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So funktioniert ein Wasserstoffverflüssiger

In unseren früheren Blogs über Wasserstoff haben wir bereits mehrfach den Unterschied zwischen gasförmigem und flüssigem Wasserstofferwähnt. Nach seiner Herstellung in gasförmiger Form wird Wasserstoff häufig in flüssiger Form gelagert oder transportiert und kann dann für die Verwendung gegebenenfalls wieder gasförmig gemacht werden.
In diesem Blog geht es um die Verflüssigungsanlage, die gasförmigen Wasserstoff in flüssigen Wasserstoff umwandelt. Wir erläutern, wofür der Verflüssiger eingesetzt wird, und stellen drei verschiedene Techniken vor, mit denen Wasserstoff so weit abgekühlt werden kann, dass er flüssig wird.

Was ist ein Verflüssiger für Wasserstoff?

Ein Verflüssiger ist ein Gerät, das zur Verflüssigung von Wasserstoffgas verwendet werden kann. Wasserstoff wird flüssig, wenn er bei Atmosphärendruck die extrem niedrige Temperatur von -252,9 °C erreicht; der Verflüssiger ist ein Kühlsystem, das diese Temperatur unter den richtigen Bedingungen erreichen kann.
Das Erreichen kryogener Temperaturen ist nicht so ohne weiteres möglich. Es wird jedoch aktiv nach den besten Techniken für extreme Kühlung geforscht, und es gibt mehrere leistungsfähige Verflüssiger. Beispiele sind die so genannte Pulsröhre, der Stirling-Kryogenerator, der Joule-Thomson-Kühler und der Gifford-McMahon (GM)-Kryokühler.

Präsentation von drei Arten von Verflüssigern

Drei bekannte Verflüssiger, die erfolgreich zur Verflüssigung von Wasserstoff eingesetzt werden, sind der GM-Kryokühler, der Stirling-Kryogenerator und der (Joule-Thomson) -Verflüssiger, der Wasserstoff mit einem Medium verflüssigt, das noch kälter ist als die erforderlichen -252,9 °C.

Der GM-Kryokühler

Der erste Verflüssiger, der mit ausgeklügelten Techniken extrem niedrige Temperaturen erreicht, ist der Gifford-McMahon (GM)-Kryokühler. Der GM-Kühler ist ein effizientes Kühlsystem, das sich eines so genannten Kühlkreislaufs bedient. Indem das Wasserstoffgas an der kältesten Stelle des Kryokühlers vorbeigeführt wird, wird es kalt genug, um die flüssige Form zu erreichen.

Wie funktioniert das? Der GM-Kryokühler verwendet ein Arbeitsmedium, in diesem Fall Helium. Die Funktionsweise und der Kühlzyklus des Systems werden anhand einer schematischen Darstellung erläutert. Der Zyklus umfasst vier Phasen:

  • In der ersten Phase ist die Hochdruckseite des Verdichters über ein Drehventil mit dem „kalten Kopf“ verbunden, der den Verdränger, den Regenerator und die Wärmetauscher enthält. Der kalte Wärmetauscher kommt mit Wasserstoff in Kontakt, der kondensiert. Der Verdränger bewegt sich in die äußerste linke Position und befördert das warme Helium aus der warmen Kammer durch den Regenerator in die kalte Kammer. Dabei gibt das Helium vorübergehend Wärme an den Regenerator ab und erreicht die kalte Kammer mit der Temperatur Te.

  • In der zweiten Phase wird die Größe der Kältekammer maximiert, und der kalte Kopf wird über das Drehventil mit der Niedrigdruckseite des Kompressors verbunden. Ein Teil des Heliums fließt zur warmen Seite des kalten Kopfes zurück. Das Helium dehnt sich isotherm aus und entzieht dem Wasserstoff über den Wärmetauscher in der Kältekammer Wärme.

  • In der dritten Phase bewegt sich der Verdränger in die äußerste rechte Position, und kaltes Gas strömt durch den Regenerator, wo es sich wieder erwärmt, in die warme Kammer.

  • In der vierten Phase schließlich wird die warme Kammer über das Drehventil mit der Hochdruckseite des Verdichters verbunden. Die bei der isothermen Verdichtung freigesetzte Wärme wird über den Wärmetauscher auf der heißen Seite des kalten Kopfes abgeführt, woraufhin sich der Zyklus wiederholt.

Der GM-Kryokühler wurde bereits 1963 von Gifford-McMahon entwickelt und wird seitdem in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt, hauptsächlich für kleine Systeme wie MRT-Geräte, Kryopumpen und die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff.

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Eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines GM-Kryokühlers.
Quelle: Wikipedia

Der Stirling-Kryogenerator

Ein zweiter Verflüssiger, der sich sehr gut für die Verflüssigung von Wasserstoff eignet, ist der Stirling-Kryogenerator. Auch dieser Kühler erreicht ausreichend niedrige Temperaturen, so dass das Wasserstoffgas beim Durchströmen des Kühlers in seine flüssige Form übergeht.

Der Stirling-Kryogenerator basiert auf einer sehr alten Methode, dem Stirling-Zyklus, der bereits 1816 von Robert Stirling entwickelt wurde. Ähnlich wie der GM-Kryokühler kann der Kryogenerator praktisch jedes Gas oder jede Flüssigkeit auf extrem niedrige Temperaturen (unter -253 °C) abkühlen.

Wie das funktioniert. Der Kryogenerator ist ein geschlossenes System, das Heliumgas zur Kühlung eines anderen Mediums oder Stoffes, z. B. Wasserstoff, verwendet. Die Kühlung wird durch abwechselndes Komprimieren und Expandieren des Heliumgases erreicht. Die Kompression erfolgt bei Raumtemperatur, um die Wärmeableitung zu ermöglichen, während die Expansion bei der erforderlichen niedrigen Temperatur erfolgt (und für diese sorgt).

Das Gas wird mit Hilfe eines Verdrängers durch das System geleitet, passiert verschiedene Wärmetauscher und einen Regenerator. Dieses intelligente System ist in der Lage, extreme Kälte effizient zu erreichen, ohne dabei giftige Gase freizusetzen, was diese Methode sehr umweltfreundlich macht.

Wie der Gifford-McMahon (GM)-Kryokühler wird auch der Stirling-Kryogenerator in erster Linie für kleine Systeme verwendet. Für große Systeme werden in der Regel Joule-Thomson-Systeme verwendet, die wir im nächsten Abschnitt dieses Blogs beschreiben.

https://www.youtube.com/watch?v=GqIapDKtvzc&t=438s

Ein veraltetes, aber dennoch faszinierendes Video von Philips Cryogenics über die Entwicklung und Technologie des Kryogenerators.

Möchten Sie mehr über die Funktionsweise des Stirling-Kryogenerators und des GM-Kryokühlers erfahren? In diesem Artikel, der in Cold Facts veröffentlicht wurde, werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den beiden Methoden erläutert.

Verflüssigung unter Verwendung eines noch kälteren Materials

Schließlich lässt sich Wasserstoff verflüssigen, indem man ihn mit einem noch kälteren Stoff als flüssigem Wasserstoff abkühlt: flüssiges Helium. Flüssiges Helium hat eine Temperatur von mindestens -269 °C (bei Atmosphärendruck) und ist damit wesentlich kälter als flüssiger Wasserstoff mit -252,9 °C. Bei dieser Art von System wird Helium nach der Joule-Thomson-Methode verflüssigt.

Ein hervorragendes Beispiel für ein Projekt, bei dem diese Methode angewandt wurde, ist die Studie über die Europäische Spallationsquelle (ESS). Vor einigen Jahren untersuchte die ESS das beste Design für einen Wasserstoffverflüssiger, der flüssiges Helium als Kühlmittel verwendet. Der flüssige Wasserstoff sollte schließlich als Kühlmittel bei Dispersionsexperimenten verwendet werden.

Wie funktioniert dieser Verflüssiger? Die Konstruktion des ESS besteht aus zwei separaten Teilen, einem für flüssiges Helium und einem für Wasserstoff. Der Heliumkühler ist über relativ lange Transferleitungen mit einem Turbinenexpansionssystem verbunden, das an die Cold Box für Wasserstoff angeschlossen ist. Dieser wird dann an einem Moderator-Reflektorstecker befestigt , ebenfalls mit den erforderlichen Übertragungsleitungen.

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Vorgeschlagenes Flussdiagramm für den kryogenen Wasserstoffkreislauf und den Heliumkühler im Rahmen des ESS-Projekts.

Quelle: Physics Procedia (2015)

Das Helium wird durch einen Kreislauf geleitet und entsprechend aufbereitet, um die gewünschte Temperatur zur Kühlung des Wasserstoffs zu erreichen. Das Gas durchläuft verschiedene Wärmetauscher und wird unter dem erforderlichen Druck erhitzt und abgekühlt, um schließlich die gewünschte Temperatur zu erreichen und zu halten.

Aufgrund der mit diesem Projekt verbundenen Strahlenschutzmaßnahmen sind die Standorte und Entfernungen zwischen dem Heliumkühler und dem Turbinenexpansionssystem unter der Wasserstoff-Coldbox recht groß. Die Komponenten des Systems sind durch lange Übertragungsleitungen verbunden; deshalb

Das Know-how von Demaco spielt hier eine wichtige Rolle. Demaco ist Experte für die Entwicklung und Herstellung von Transferleitungen für kryogene Flüssigkeiten und war daher der perfekte Partner für dieses Projekt. Bei Projekten wie dem ESS-Projekt führen wir gemeinsam mit unseren Kunden ein Brainstorming zu komplexen Fragen durch, die auch die Verflüssigung des Wasserstoffs betreffen. Keine Herausforderung ist für uns zu groß, und wir sind stolz auf unser Know-how bei verschiedenen Wasserstoffprojekten.

Möchten Sie mehr über das ESS-Projekt erfahren? In diesem Artikel in der Zeitschrift Physics Procedia gehen Klaus und seine Kollegen sehr ausführlich auf den fortschrittlichen Verflüssiger ein.

Möchten Sie mehr wissen?

Haben Sie Fragen zu unserer Arbeit? Nehmen Sie Kontakt mit uns auf oder sehen Sie sich unsere Produkte und Projekte an, um weitere Informationen zu erhalten.

Möchten Sie mehr über unsere Arbeit mit flüssigem Wasserstoff erfahren? Dann werfen Sie einen Blick auf diese Seite oder unsere jüngsten Blogs über Boil-off-Gas und Wasserstoffpipelines. In diesen Artikeln können Sie alles über die Eigenschaften von flüssigem Wasserstoff und die Beteiligung von Demaco an der Entwicklung der besten kryogenen Infrastrukturen lesen.

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