Zweiflutiges kryogenenes Transfersystem mit Pumpe zur verlustreduzierten Flüssigheliumversorgung

TurboHeTra

Motivation

An den meisten Universitäten und Forschungseinrichtungen wird tiefkalt-verflüssigtes Helium – LHe – bei 4 K (-269 °C) für Kühlaufgaben nahe des Absoluten Nullpunkts verwendet. In diesen Bereich fallen fast alle Anwendungen der Supraleitung (Hochfeldmagnete, NMR, Teilchenbeschleuniger), Grundlagen- sowie Materialuntersuchungen.
An der TU Dresden betreibt die Schaufler-Professur die zentrale Heliumverflüssigungsanlage. Standardmäßig erfolgt die Befüllung von kryogenen LHe-Transportbehältern mittels einflutiger Transferleitungen. Dieser Transferprozess ist stark verlustbehaftet. Rund 30 % der initialen Flüssigmenge verdampfen, müssen aufwändig aufgefangen, aufgereinigt und erneut energieaufwändig verflüssigt werden. So entstehen – an allen solchen Anlagen – jeweils zusätzliche Stromkosten im zwei- bis dreistelligen Megawattstunden-Bereich pro Jahr.

Zielsetzung

In einem Vorgängerprojekt konnte bereits ein funktionierendes zweiflutiges Prototyp-System demonstriert und vermessen werden. Der eigentliche LHe-Transfer wird mittels einer kryogenen Turbopumpe bewirkt. Das im Zielgefäß freiwerdende Heliumkaltgas kann via zweiflutiger Transferleitung gleich wieder in das Ausgangs-Reservoir zurückgeleitet werden. Das erlaubt eine Reduzierung der Verdampfungsverluste von 30 % auf 4 %.
Im Rahmen des vorliegenden DFG-Projekts soll nun die zweiflutige Transferleitung konstruktiv weiterentwickelt und simplifiziert werden, um eine höhere Kompaktheit und damit eine bessere Einsetzbarkeit andernorts zu erzielen.
Weiterentwickelt werden soll auch die LHe-Förderpumpe. Simulationsgestützt erfolgt eine Optimierung der Pumpencharakteristik sowie des Pumpenwirkungsgrads. Nach der Fertigung eines verbesserten Prototyps sollen vertiefende Untersuchungen zum Kavitationsverhalten und zum Langzeitverhalten der Motorlager erfolgen.
Eine zu entwickelnde Systemsteuerung soll es erlauben, das Systems auch an anderen Heliumanlagen mit anderen Einsatzbedingungen zu verwenden.

Relevanz für Industrie und Gesellschaft

Die geförderte Entwicklung ermöglicht enorme Einsparungen (bzgl. Strombedarf, bzgl. Transferaufwand, bzgl. erneuter Prozessierung). Existierende und künftige Heliumanlagen (oft über DFG-Großgeräteförderung beschafft) können deutlich besser und effektiver genutzt werden. Oftmals sind Bestandsanlagen bereits bis zur Kapazitätsgrenze ausgelastet. Bei genannter Reduzierung des Verdampfungsverlusts steigt die Flüssighelium-Bereitstellungskapazität schlagartig um rund 1/3 an.

Laufzeit

01/2025 – 12/2028

Danksagung

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer: 566285956

Kontakt

Mr Prof. Dr.rer.nat. et Ing.habil. Christoph Haberstroh

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