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GVI®-Systeme - Eine vielversprechende Alternative zu gängigen Multilayer-Isolierungen in der Kryotechnik

• Mikroporöse Stützstruktur

• Vakuumdichte, dünnwandige metallische Hülle

• Dauerhafte Evakuierung

GVI® Eigenschaften / Applikationen

8, Braunschweiger Supraleitseminar 16./17. Juni 2015 © 2015 TEB Dr. Kerspe J. Kerspe 1

J. H. Kerspe TEB Dr. Kerspe www.vakuum-isolierung.de © 2015 2

In wenigen Worten: Wer wir sind und was wir tun

Seit 2013 haben König Metall in Gaggenau und TEB Dr. Kerspe in Mauer ihre jeweiligen

Kompetenzen in einem gemeinsamen Projekt gebündelt und arbeiten bei der

Entwicklung, Anwendung und Herstellung der gestützten Vakuum-Isolierungen eng

zusammen.

8. Braunschweiger Supraleitseminar 16./17. Juni 2015

Facts • Established 1901

• Management Board:

• Nina Zwiebelhofer, Hans-Jörg Leuze, Thomas Stöhr

• Ca. 500 employees

• Area (production and administration) ca. 40.000 m²

The Main Technologies Punching

Metal Forming (bending

Pressing/ deep drawing) CNC-Laser Technology

Robot Welding

Tube punching

Tube Bending and Forming

Tube Technology for safety Appl

Separate Shop for manufacturing

Prototypes

Tool/ Die Shop

GVI ® - Technology

J. H. Kerspe TEB Dr. Kerspe www.vakuum-isolierung.de © 2015 8. Braunschweiger Supraleitseminar 16./17. Juni 2015 3

Different R&D-Projects together with well-known clients as well as industrial applications and a number of

publications are document of state of the art of GVI®-Systems.

More than 30 years of experience and basic know how are the input of TEB

into the joint project

TEB (TechnologieEntwicklung & Beratung / Technology Development & Consultancy) founded in 1985 by Dr.-Ing. Jobst Kerspe

Before this Dr. Kerspe was engaged in the R&D-project „Sodium-Sulfur-battery“ of BBC/ ABB

where he managed the battery shop

TEB is focused on the development, Application and manufacturing of supported vacuum-insulations.

Vakuum-Isolierung – was ist das ??

Durch Evakuierung des Isolierspaltes bis in den Bereich “großer freier

Weglängen” wird die Konvektion weitestgehend ausgeschaltet.

In reinen Vakuum-Dämmungen (Dewar; MLI) müssen zusätzlich

Maßnahmen zur Unterdrückung der Wärmestrahlung getroffen werden.

In gestützten Vakuum-Isolierungen spielt außerdem die Festkörper-

leitung eine Rolle



Aufbau von GVI®-Strukturen

GVI® steht für „gestützte Vakuum-Isolierung“ - GVI® gehört damit zu den äußerst effizienten

Dämmverfahren bei denen der Druck im Isolierspalt mehr oder weniger stark abgesenkt ist.

Eine uns allen bekannte Vakuum-Isolierung ist die Thermos®-Kanne – im Laborbereich auch als „Dewar-

Gefäß“ bekannt; aus der Kryotechnik sind die sogenannten Multilayer-Isolierungen (MLI) bekannt. Diese

Isolierverfahren benötigen zur Aufrechterhaltung der Dämmwirkung Vakua im Bereich des Hochvakuums

und sind selbst nicht druckbelastbar! Das macht diese Isolierungen teuer, anfällig und schränkt die Einsatzmöglichkeiten erheblich ein!

Bei GVI®-Systemen ist der Isolierspalt mit einem mikroporösen,

druckbelastbaren Stützkörper ausgefüllt, weshalb diese

Systeme einerseits bereits im Grobvakuumbereich ihre volle

Dämmwirkung entwickeln und andererseits mechanisch hoch

belastbar sind. Aufgrund des selbsttragenden, druckbelast-

baren Aufbaus können GVI®-Systeme in nahezu jeder Form

hergestellt werden.

König Metall und TEB arbeiten mit eigens entwickelten, hoch

reinen Füllstoffen, die nochmals eine Steigerung der

mechanischen Belastbarkeit bei gleichzeitig verbesserten

Dämmeigenschaften bewirken!

Vakuumdichter Isolierspalt

mit Stützkörper

Va

ku

um

dic

hte

Ble

ch

-

Hü

lle

Bauformen GVI®

A) VIP (Vacuum Insulated Panel) = planare (vorgefertigte) Elemente, die auch zur Errichtung

kompletter Isolierräume verwendet werden können

GVI ®

B) VIC (Vacuum Insulated Cabinet) = komplette Einhausung von Speichertanks und Prozessen

PCM-Speicher [Valeo/ KM] G+H Montage


Konventionelle Dämmungen

nanoporöse Dämmungen evaku

ierte Däm

mu

ng

en


- Dämmvermögen

Wesentliche Eigenschaft von Dämmsystemen ist

natürlich das Dämmvermögen bzw. die spezifische

Wärmeleitfähigkeit l

Nebenstehender Vergleich (für hohe Temperaturen oberhalb

Raumtemperatur!) zeigt, daß evakuierte Dämmungen

gegenüber konventionellen Dämmungen (z.B. Glaswolle,

PUR-Schaum, Polystyrol) deutlich bessere Dämmeigen-

schaften aufweisen.

Faktor 20 bis 30 besser als konventionelle Dämmstoffe

und

Faktor 2 bis 5 besser als nano-/ mikroporöse Dämmstoffe

Dämmvermögen unterschiedlicher Systeme - bei hohen Temperaturen

Regelbare Wärmedämmung (RWD)

Das Dämmvermögen von GVI®-Systemen ist

regelbar

Am nebenstehenden Beispiel einer regelbaren

Hochtemperaturdämmung läßt sich zeigen: Durch Zugabe

geringer Wasserstoffmengen (bis max. 100 mbar H2-

Partialdruck) steigt die Wärmeleitung des Systems auf

Werte, die deutlich über dem l-Wert der nicht evakuierten

Dämmung liegen!

Im Isoliermodus ist der benötigte Wasserstoff an einen

Getter gebunden und kann durch Erwärmung des Hydrid

Speichers an das GVI®-System abgegeben werden – nach

Abkühlung des Hydrid Speichers wird der Wasserstoff

vollständig zurück gebunden.

Für den Betrieb einer RWD sind keine mechanischen

Bauteile – wie Ventile oder Pumpen - notwendig


Übersichtsdarstellung unterschiedlicher Dämmverfahren (Quelle: Active Space Technologies)

Achtung Äpfel mit Birnen verglichen! GVI-Systeme (auch WDS) sind bei tiefen Temperaturen tatsächlich deutlich besser als hier dargestellt!

MLI / -190°C

GVI-WDS/ 300°C Aerogel / ≈ 50°C

GVI-Faserboard / -190°C

Tatsächliche Werte!

Glasfaser (nicht verdichtet!!) / -80°C

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Dämmvermögen im Kryo-Bereich: Systemvergleich GVI® / MLI

In diesem Schaubild sind l-Werte

verschiedener evakuierter Systeme für

den Kryobereich (bei LN2 Temperatur)

dargestellt – und zwar einerseits als unter

Laborbedingungen ermittelter Meßwert

und zusätzlich die eher „realen“ Werte, die

sich durch Messungen am Bauteil mit

möglichen Wärmebrücken (z.B. über

Stützstrukturen) ergeben!

Bei GVI®-Systemen sind Stützstrukturen

jedoch aufgrund der Druckbelastbarkeit

des Systems nicht notwendig, so daß im

realen Bauteil die erreichbaren Dämm-

eigenschaften von MLI- und GVI®-

Systemen identisch sind – bei deutlich

verringertem Aufwand für ein GVI®-

System!

- Dämmvermögen im

Kryobereich

Zur Erläuterung: Wärmebrückeneffekte bei MLIs


Beispiel Abstützung Mediumrohr in einer Kryoleitung:

Die MLI ist nicht druckbelastbar, d.h. das Mediumrohr

muß über komplexe Stützelemente im Mantelrohr

zentriert werden.

Bei einem ansonsten baugleichen GVI®-System stützt

sich das Mediumrohr auf dem hoch druckbelastbaren

Füllstoff ab >> keine unerwünschten Wärmebrücken!

Beispiel Abzweig an einer Kryoleitung:

Die Folien der MLI verlaufen bereichsweise in Wärme-

flußrichtung und begünstigen so einen erhöhten

Wärmeeintrag.

Bei einem ansonsten baugleichen GVI®-System ist der

Wärmefluß im Füllstoff nicht richtungsabhängig >> keine

unerwünschten Wärmebrücken!

GVI ® - Vorteile und Kundennutzen

GVI®-Systeme stehen für:

1) Nahezu identische Dämmwerte, wie bei den MLI-Systemen

2) Sehr hohe mechanische Festigkeit, Steifigkeit und Druckbelastbarkeit

3) Geringe Vakuumanforderungen

4) die Möglichkeit, beliebige Formen herzustellen

Mit GVI®-Systemen lassen sich daher:

Unterschiedlichste - kleine, große, leichte, massive, … -

Systeme realisieren

multifunktionale Systeme entwickeln

Kosten reduzieren und Lebensdauern verlängern


GVI ® als Konstruktions-/ Bauelemente

Große (flächige) Wandelemente – ggf. mit

integrierten Befestigungselementen – lassen

sich zu ganzen Räumen zusammenstellen


Beispiel Kryo-Therapieeinrichtung

(Rheumatherapie)

-150°C

-60°C -60°C

Beispiele von VIP-Anwendungen (VIP mit Folien-Hülle)


Mit flexiblen VIPs isolierte Kryo-Leitung [Kaefer] Innenliegende Gehäuseisolierung –

Supraleitender Trafo [Wacker]

Beispiele von GVI®-Behältern


Klimakammer (1/2 m³) für schnelle Temperatur-

wechsel zwischen -100° und +100°C [TEB]

Klimaschrank für schnelle Temperaturwechsel

zwischen -80° und +120°C – Gesamtverlust-

leistung < 100 W [TEB]

Eckige LN2-Lagertanks [TEB]

Beispiele von GVI®-Anwendungen im Rohrleitungsbau


Modell der HERA-Ringleitung (Helium)

Kombination GVI/ MLI im gleichen

Vakuumraum: Alle Stützelemente sind

zur Vermeidung von Wärmebrücken-

effekten mit GVI-Füllstoff ausgeführt [TEB; Linde]

FW „Kammerpipe“ (hocheffiziente Variante eines

Stahlmantelrohres) für den Transport tiefkalter Medien [FW Fernwärmetechnik GmbH]

Zusammenfassung und Ausblick


GVI®-Systeme zeichnen sich durch gute bis sehr gute Dämmeigenschaften bei moderaten Vakua (Grob-

vakuumbereich) aus. Gleichzeitig werden mit derartigen Dämmungen hervorragende mechanische

Eigenschaften erreicht, so daß auf Stützelemente verzichtet werden kann und so unerwünschte

Wärmebrücken entfallen.

Obgleich die labormäßig ermittelten Wärmeleitfähigkeiten von MLIs geringfügig besser sind als die

ausgesuchter GVI®-Systeme, bewegen sich die Gesamtwärmeeinträge an realen Behältern/ Apparaten

für beide Dämmprinzipien häufig auf gleichem Niveau.

Außerdem lassen sich mit GVI-Systemen komplexere – auch großflächige ebene – Formen realisieren.

Hinsichtlich der Fertigungskosten und Erfüllung anspruchsvoller Lebensdaueranforderungen bieten

GVI®-Systeme zudem gravierende Vorteile gegenüber MLIs mit ihren sehr hohen Vakuuman-

forderungen.

Mit neuen Füllstoffen und optimierten Fertigungsverfahren werden die genannten Vorteile von GVI®-

Systemen gegenüber den klassischen MLIs noch stärker sichtbar werden.

Thanks for your attention !

Kalte Kiste! Schon – aber Dank GVI bleiben die Füße warm


gvi -systeme - eine vielversprechende alternative zu ... · tube technology for safety appl ......

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