Beschreibung

Kryo-Technologie ist ein unverzichtbarer Bestandteil einer industrialisierten Gesellschaft, dessen Bedeutung kontinuierlich wächst. War die Kryotechnologie im Wesentlichen bis vor wenigen Jahrzehnten auf Spezialanwendungen in Medizin, der Luft- und Raumfahrt, supraleitenden Magneten und der Diagnostik anzutreffen, so hat sich das Spektrum auf den Bereich der Lebensmittel, des Energietransports und der Energiespeicherung beispielweise LNG (bei ≈ 110 Kelvin)bzw. Flüssig-Wasserstoff (bei ≈  20 Kelvin) substanziell erweitert. Abzusehen ist, dass der Betrieb von kryogenen Infrastrukturen gesellschaftlich von zentraler Bedeutung sein wird.

Der Begriff Kryotechnik beschreibt die Techniken zur Erzeugung und Betrieb von Anlagen mit Fluiden bei Temperaturen von weniger als 120 Kelvin und umfasst ein weites Spektrum flüssiger wie gasförmiger Fluide wie Helium (4.2 Kelvin), Wasserstoff (20 Kelvin) bis hin zu Erdgas (LNG 110 Kelvin). 

Der Betrieb kryogener Einrichtungen erfordert grundlegende Kenntnisse des Wärme- und Phasenübergangs von Fluiden, um energetisch effiziente Prozesse abbilden und maschinentechnisch planen zu können. Hierfür bedarf es der Grundkenntnisse aus unterschiedlichen Disziplinen des Apparatebaus, der Anlagenverfahrenstechnik, der Messtechnik unter besonderer Berücksichtigung der tiefen Temperaturen. Die Auswirkungen der tiefen Temperaturen beeinflussen nicht nur die Auslegung und Dimensionierung von Komponenten, Rohrleitungen, sondern betreffen auch die Dynamik kryogener Systeme und müssen bei der Mess-, Regel- und Steuerungstechnik geeignet berücksichtigt werden. Auch die Sicherheitstechnik kryogener Anlagen unterscheidet sich von der konventioneller Rohrleitungs- oder chemischer Trägernetze. Kryogene Anlagen können bei Wärmeeinbruch beispielsweise große Drücke aufbauen, so dass geeignete Maßnahmen bereits bei der Planung berücksichtigt werden müssen

Ein weiterer Aspekt bei der Realisierung kryogener Einrichtungen ist die Berücksichtigung der spezifischen Materialeigenschaften bei tiefen Temperaturen, die sich von denen des klassischen Ingenieurbaus abhebt. Aus den thermodynamischen Zusammenhängen sowie mikrostrukturellen Eigenschaften lassen sich thermische und mechanische Parameter zur weiteren Auslegung ableiten. Neben den metallischen Legierungen werden Verbundwerkstoffe als Struktur- und Funktionsmaterialien betrachtet. 

Ziele

Ziel der Vorlesung ist es die Grundlagen der Kälteerzeugung und der Verflüssigung von Fluiden mit einer Siedetemperatur unter 120 K zu vermitteln. Hierfür müssen die wesentlichen Grundlagen der Thermodynamik, des Phasenwechsels und Wärmeübertragungsmechanismen verstanden und die wesentlichen Komponenten einer derartigen Tieftemperaturanlage bilanziert werden können. 

Der Zusammenhang der thermischen und mechanischen Materialparameter bei kryogenen Temperaturen mit den physikalischen Vorgängen wird hergestellt. Anhand praktischer Beispiele wird der Einfluss auf die Auslegung dargelegt. 

Der prinzipielle Aufbau von Kryostaten wird detailliert erläutert und anhand von Beispielen nähergebracht. Hierbei lernt man die wesentlichen Konstruktionsprinzipien und Standardkomponenten der Mess- und Regeltechnik, sowie die wesentlichen Normen und Sicherheitseinrichtungen kennen.

Inhalte

• Einführung in die Kryo-Technologie
  
  
• Kreisprozesse und Verfahren der Kälteerzeugung (Joule-Thompson/Brayton/Claude/Stirling)
• Kryogene Betriebsmedien
• Beispiele von Kryoanwendungen und deren Komponenten (Bad-, Zwangs-, Kontaktkühlung)
  
  
• Thermische Isolation (Vakuum-, Superisolation) und thermische Schilde
• Lagerung und Transfer von kryogenen Fluiden (z.B. Kannen, LKW, Pipeline, Schiff)
• Anforderungen an Mess-/Regel-/Sicherheitstechnik in kryogenem Umfeld
• Spezifische Konstruktionsmerkmale für Kryostatsysteme

• Einfluss tiefer Temperaturen auf metallische Legierungen und Verbundwerkstoffe
• Anforderungen und Qualifikation von Struktur- und Funktionsmaterialien für den kryogenen Temperaturbereich
• Anlagen zur Materialcharakterisierung bei tiefen Temperaturen

Vorkenntnisse:

Sicherer Umgang der im Bachelor vermittelten Kenntnisse der Physik, der Wärme- und Stoffübertragung und der Konstruktionslehre

Arbeitsaufwand: 20 Vorlesungsstunden + 6 Praktische Einheiten + ca. 96 Nachbereitungsstunden = 120 Stunden