CH657446A5 - Kaelteerzeugungsverfahren und anlage zu dessen durchfuehrung. - Google Patents

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CH657446A5 CH5742/81A CH574281A CH657446A5 CH 657446 A5 CH657446 A5 CH 657446A5 CH 5742/81 A CH5742/81 A CH 5742/81A CH 574281 A CH574281 A CH 574281A CH 657446 A5 CH657446 A5 CH 657446A5
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Alexei Mikhailovich Arkharov
Alexandr Timofeevich Desyatov
Vitaly Leonidovich Bondarenko
Vladimir Grigorievich Pronko
Boris Davydovich Krakovsky
Sergei Mikhailovich-B Korsakov
Viktor Petrovich Jushin
Alexandra Mikhailovna Kopova
Petr Vladimirovich Gorodnov
Julian Yaroslavovich Borisov
Vadim Viktorovich Ermilov
Jury Pavlovich Romanteev
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Vnii Gelievoi Tekhn
Mo Vysshee Tekhnicheskoe Uchil
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Description

Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der Kältetechnik und bezieht sich auf ein Kälteerzeugungsverfahren sowie auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung kann erfolgreich bei der Kälteerzeugung auf einem Temperaturniveau verwendet werden, das dem Siedepunkt des in der Kälteanlage umlaufenden Kältemittels naheliegt, wobei als Kältemittel leichte Gase, z.B. Helium, Wasserstoff, angewendet werden sollten.
Eine Anwendung kann auch bei der Erdgaskühlung und -Verflüssigung sowie bei der Zerlegung von Luft und anderen gasförmigen Medien erfolgen, insbesondere wenn tiefe Temperaturen erzeugt oder benutzt werden, z. B. bei physikalischen Experimenten, auf dem Gebiete der Energetik, Kerntechnik, Elektrotechnik, Biologie usw.
Es ist ein Verfahren zur Kälteerzeugung bei kryogenen Kälteanlagen bekannt («Theorie und Berechnung von kyro-genen Systemen», Arkharov A.M., Marfenina I.V., Mikulin E.I., Moskau, Verlag «Maschinostroenie, 1978, Seiten 118 — 119,209—216), das durch Verdichten eines einen Vor2
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Unter Drosselung ist der Vorgang der Entspannung eines Gases ohne Arbeitsleistung zu verstehen. Die Drosselung erfolgt beim Durchfluss des Gases durch einen örtlichen hydraulischen Widerstand, der Drossel genannt wird. Dabei leistet das sich entspannende Gas eine Arbeit, indem es Reibungskräfte und örtliche Widerstandskräfte überwindet. Jedoch wird diese Arbeit in Wärme umgewandelt und vom Gasstrom aufgenommen, d.h. sie bleibt im Drosselungsbereich erhalten und wird nicht abgeführt.
Der entspannte Vorlauf wird an den Kälteverbraucher abgeleitet, wo nach erfolgter Erhitzung der Vorlauf in einen Rücklauf umgewandelt wird, der weiter verdichtet wird. Damit kommt der Kreislauf zum Schluss und die genannten Verfahrensschritte werden wiederholt.
Bei der Drosselung unter den Betriebsverhältnissen der kryogenen Kälteanlagen erfolgt die Abkühlung des sich entspannenden Kältemittels. Vorrichtungen zur Entspannung des Kältemittels, die den Drosselprozess realisieren, d.h. Drosselventile, haben keine bewegten Bauglieder, so dass die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der kryogenen Kälteanlagen nicht beeinflusst wird.
Der Drosselprozess stellt jedoch einen ungenügend wirksamen Expansionsvorgang dar, weil er nicht umkehrbar ist. Das letztere bedeutet, dass die Energie des sich entspannenden Gases aus dem Drosselungsbereich nicht abgeführt, sondern gestreut wird. Die Energie kann also im weiteren nicht nützlich verwertet werden.
Somit ist die Abkühlung des Kältemittels während der Drosselung nicht durch den Entzug der Energie aus dem entspannten Gas, sondern durch Verminderung dessen Energie während der Verdichtung bei der Umgebungstemperatur hervorgerufen. Streng gesagt ist die Drosselung lediglich ein Mittel zur Erzeugung einer Kälte auf gegebenem Temperaturniveau, die durch die Verdichtung des Kältemittels bei der Umgebungstemperatur bedingt ist.
Dem Fachmann ist bekannt, dass unter dem Aussenmedium eine Gesamtheit von Objekten beliebiger Art zu verstehen ist, die die Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels umgeben. Es ist auch bekannt, dass unter dem Umgebungsmedium eine Gesamtheit von Objekten beliebiger Art verstanden wird, die die Anlage zur Realisierung des Kälteerzeugungsverfahrens umgeben. Die Umgebungstemperatur wird immer als konstant angenommen, während die Temperatur des Aussenmediums geändert werden kann.
Die ungenügend hohe Wirksamkeit des oben genannten Kälteerzeugungsverfahrens, bei dem als Hauptprozess die Drosselung angesehen wird, zeigt sich darin, dass bei Verwendung dieses Verfahrens in der kryogenen Anlage in dieser spezifische Energieaufwände für die Kälteerzeugung auf dem gegebenen Temperaturniveau zunehmen.
Der Energieaufwand im Laufe der Kälteerzeugung wird üblich durch das Verhältnis der hauptsächlich für die Verdichtung des Kältemittels bei der Umgebungstemperatur aufgewendeten Leistung zur Kälteleistung gekennzeichnet. Die beiden genannten Kenngrössen werden gewöhnlich in W gemessen. Dieses Verhältnis wird als spezifischer Energieauf657 446
wand genannt und als dimensionslose Zahl (W/W) gemessen.
Bekannt ist eine Anlage zur Durchführung eines Kälteerzeugungsverfahrens (»Theorie und Berechnung von kryogenen Systemen«, Moskau, Verlag »Mashinostroenie«, 1978, Seiten 209 — 210), welche einen isothermischen Kompressor als Quelle für das verdichtete Kältemittel enthält und ein mit diesem über Vor- und Rücklaufleitungen verbundenes Kühlsystem sowie einen Kälteverbraucher aufweist. Das Kühlsystem weist einen Wärmeaustauscher und eine als Drosselventil ausgebildete Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels auf. Der Wärmeaustauscher und die genannte Vorrichtung sind in der Vorlaufleitung in Reihe geschaltet. Die Rücklaufleitung verbindet den Kälteverbraucher über den Wärmetauscher mit der Quelle des verdichteten Kältemittels.
Das als Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels verwendete Drosselventil ist einfach im Betrieb und betriebssicher, weil es keine bewegten Bauglieder aufweist. Die Verwendung des Drosselventils übt keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der ganzen Anlage aus. Trotzdem kann mit einem solchen Drosselventil nur ein ungenügend wirksamer Drosselprozess realisiert werden, was zur Zunahme spezifischer Energieaufwände in der Anlage zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens führt, deren Hauptprozess die Drosselung ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Kälteerzeugungsverfahren und eine Anlage zu dessen Durchführung von solcher Bauart zu schaffen, die es gestatten, die Kälteleistung bei gegebenen Energieaufwänden zu erhöhen oder die Energieaufwände bei gegebener Kälteleistung bei einer genügend hohen Zuverlässigkeit der Anlage und kleinen Abmessungen derselben zu vermindern.
Den Fachleuten, welche in der Kälte- und Kryogentech-nik tätig sind, ist bekannt, dass der Fachausdruck »Kälteleistung« eine Kältemenge definiert, die von der Anlage in einer Zeiteinheit auf dem gegebenen Temperaturniveau erzeugt wird.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Kälteerzeugungsverfahren und durch eine Anlage gelöst, welche gemäss den Merkmalen in den Ansprüchen 1 und 4 definiert sind.
Durch eine Durchführung des Entspannungsprozesses nach Anspruch 1 wird dessen Wirksamkeit gegenüber dem Drosselprozess verbessert, weil die aus dem Entspannungsbereich abzuführende Schallenergie in bezug auf das entspannte Kältemittel eine äussere Arbeit ist. Die Grösse dieser Arbeit bestimmt eine mögliche zusätzliche Kälteleistung im vorgeschlagenen Entspannungsprozess.
Es ist zweckmässig, dass die Schallenergie aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in eine Wärmeenergie abgeführt wird.
Eine solche technische Lösung ermöglicht die Abführung der in Wärme umgewandelten Schallenergie aus dem Entspannungsbereich mit tieferer Temperatur zu einem eine höhere Temperatur aufweisenden Bereich der Anlage, was einer zusätzlichen Kälteerzeugung im Entspannungsbereich gleichwertig ist und die Kälteleistung der gesamten Anlage steigert, die das vorgeschlagene Kälteerzeugungsverfahren realisiert.
Solch eine technische Lösung ist besonders wichtig, weil der Faktor für die Umformung der Schallenergie in Wärmeenergie recht hoch ist.
Es wird empfohlen, dass die Schallenergie aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in elektrische Energie abgeführt wird.
Im Ergebnis einer solchen Prozessführung wird es möglich, die umgewandelte Schallenergie mittels Elektroden über den Bereich des Tieftemperaturteils der Anlage hinaus abzu3
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führen, in dem das Kälteerzeugungsverfahren durchgeführt wird, und im folgenden die abgeführte elektrische Energie zu benutzen, was gleichbedeutend mit einer Verminderung spezifischer Energieaufwände für die Kälteerzeugung ist.
Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Anlage weist sie eine genügende Wirksamkeit unter Beibehaltung der Zuverlässigkeit und der Einfachheit der Ausführung auf. Die genügende Wirksamkeit dieser Anlage ist dadurch bedingt, dass darin das oben beschriebene Verfahren zur Kälteerzeugung effektiv durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist, wenn die Anlage einzelne oder alle Merkmale der Ansprüche 5—9 aufweist.
Eine bauliche Lösung nach Anspruch 5 bietet die Möglichkeit, die Schallenergie vom zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmten Gasstrahl-Wandler mit ihrer weiteren Umwandlung in Wärme sicher und recht einfach zu übertragen, die ans Aussenmedium abgegeben wird.
Es ist günstig, wenn bei der Anlage zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens auch die Merkmale nach Anspruch 6 zur Anwendung kommen.
In dieser Weise wird erreicht, dass der Becher, welcher an einem Ende geschlossen und mit seinem offenen Ende dem genannten Gasstrahl-Wandler zugewandt ist, ein Wellenleiter ist, in dessen Innerem sich elastische Schwingungen des gasförmigen Mediums ausbreiten, die vom zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmte Gasstrahl-Wandler erzeugt werden. Hierbei geht die Energie elastischer Schwingungen in eine Wärme über, so dass das geschlossene Rohrende erhitzt wird, das mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt steht, wodurch Wärme ans Aussenmedium abgeführt wird.
Die zusätzlichen Merkmale nach Anspruch 6 ermöglichen ferner, dass die durch den stabförmigen Gasstrahl-Wellenstrahler ausgestrahlte Schallenergie in der zweiten Fokalzone der Entspannungskammer konzentriert und in Wärme umgewandelt wird. Über das wärmeleitende Bauelement wird sie ans Aussenmedium abgeführt, so dass das in der Kammer entspannte Kältemittel abgekühlt wird.
Die Lösung nach Anspruch 7 macht es möglich, aus der Kammer zur Entspannung des Kältemittels Energie nicht in Form von Wärme, sondern in Form einer elektrischen Energie abzuführen, was bei weiterer Verwertung der abgeführten Elektroenergie für den Energiebedarf der Anlage besonders vorteilhaft ist, die das Kälteerzeugungsverfahren realisiert.
Die im Anspruch 8 angegebene technische Lösung ermöglicht die Ausstrahlung der maximalen Leistung bei der Entspannung des Kältemittels im stabförmigen Gasstrahl-Schallstrahler.
Wird die Beziehung t> 0,55 erfüllt, so findet eine Zerstörung der Grenzschicht statt, die sich auf der Aussenfläche des Stabes beim Austritt des Kältemittelstrahls aus der Düse bildet. Dies trägt zur Erhöhung der auszustrahlenden Wellenleistung bei.
Schliesslich ermöglicht eine Lösung nach Anspruch 9, die Bauart der beschriebenen Anlage zur Entspannung des Kältemittels und damit den Aufbau der gesamten Anlage zu vereinfachen.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass die vom stabförmigen Gasstrahl-Schallstrahler ausgestrahlte Schallenergie im Resonator in Wärme umgewandelt und unmittelbar aus dem Resonator ans Aussenmedium abgeleitet wird, d.h. es wird vermieden, dass die Schallenergie zum Schallenergiewandler hin gerichtet wird, dessen Funktion der Resonator ausübt, der mit einem Kühlmittel versehen ist.
Somit wird durch das vorgeschlagene Kälteerzeugungsverfahren und die Anlage zu seiner Durchführung ermöglicht, die Kälteleistung bei gegebenen Energieaufwänden zu erhöhen oder die Energieaufwände für die Kälteerzeugung unter Beibehaltung der früher erreichten Kälteleistung zu senken. All dies wird gewährleistet durch Ausnutzung eines besser umkehrbaren Entspannungsprozesses und technischer Lösungen, durch die dieser Prozess realisiert wird.
Darüberhinaus wird eine ausreichend hohe Zuverlässigkeit der Anlage zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens ohne Vergrösserung deren Abmessungen garantiert.
Die erwähnten Vorteile der Erfindung werden nachstehend an Hand von konkreten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 Schaltbild einer Anlage zur Durchführung des er-findungsgemässen Kälteerzeugungsverfahrens;
Fig. 2 eine Anlage im Teillängsschnitt zur Entspannung des Kältemittels in vergrössertem Massstab, wobei der Schallenergiewandler als Becher ausgebildet ist, und die Linie eines Teils des Direktstromes in Form einer Spiralwindung erscheint;
Fig. 3 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels mit einer Kammer in Form eines Ellipsoids, wobei der Schallenergiewandler als wärmeleitendes Bauelement ausgeführt ist und die Leitung eines Teils des Vorlaufs in Form einer Spiralwindung erscheint;
Fig. 4 schematisch eine Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels mit einer Kammer in Form eines Ellipsoids, wobei der Schallenergiewandler als bekannter akustischelektrischer Wandler ausgeführt ist;
Fig. 5 schematisch eine Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels mit einer Kammer in Gestalt eines Ellipsoids und mit stabförmigen Gasstrahl-Schallstrahler in der Form eines Stabes mit einem Resonator und mit einer den Stab umgebenden Düse, wobei der Stab und die Düse entlang der Hauptachse des Ellipsoids angeordnet sind, und
Fig. 6 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 5, wobei jedoch der Resonator ein Kühlmittel aufweist und die Leitung eines Teils des Vorlaufs in Form einer Spiralwindung schematisch dargestellt ist.
Das erfmdungsgemässe Kälteerzeugungsverfahren wird wie folgt durchgeführt.
Man verdichtet ein gasförmiges Kältemittel isotherm bei der Umgebungstemperatur auf einen Druck, der um ein Mehrfaches den kritischen Druck dieses gasförmigen Kältemittels übersteigt, so dass ein Vorlauf gebildet wird. Der Vorlauf des verdichteten Kältemittels wird dann durch einen Rücklauf dieses Kältemittels auf eine durch wärmephysikalische Eigenschaften des Kältemittels bestimmte Temperatur abgekühlt, worauf mindestens ein Teil des Vorlaufs entspannt und nachher der Vorlauf an den Kälteverbraucher abgeleitet wird.
Im Kälteverbraucher wird der Vorlauf des Kältemittels durch Entnahme von Wärme aus dem Kälteverbraucher erhitzt und in einen Rücklauf umgewandelt, der weiter zur Verdichtung gelangt. Dabei erfolgt die Entspannung mindestens eines Teils des Vorlaufs unter Erzeugung einer Sehallenergie, die aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in eine andere Energieform abgeführt wird. Im ersten Fall der Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens nach der Erfindung wird die erzeugte Schallenergie aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in Wärmeenergie abgeführt. Im anderen Fall der Durchführung des er-findungsgemässen Verfahrens wird die erzeugte Schallenergie aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in eine elektrische Energie abgeführt.
Das erfmdungsgemässe Kälteerzeugungsverfahren wird im folgenden bei der Behandlung der Wirkungsweise der
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Anlage zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens näher betrachtet.
Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Kälteerzeugungsverfahrens ist wie folgt ausgeführt.
Die Anlage enthält eine als Kompressor ausgebildete Quelle 1 (Fig. 1) für verdichtetes Kältemittel.
Im vorliegenden Fall dient als Kältemittel gasförmiges Helium.
Vom Kompressor 1 weg führt eine Vorlaufleitung 2 und zu diesem hin eine Rücklaufleitung 3, welche als konventionelle Rohrleitungen ausgebildet sind.
Die Anlage enthält auch ein mit dem Kompressor 1 über die Vorlaufleitung 2 verbundenes Kühlsystem 4 und einen Kälteverbraucher 5, der mit dem Kühlsystem 4 ebenfalls über die Leitung 2 und mit dem Kompressor 1 über die Rücklaufleitung 3 in Verbindung steht, die das Kühlsystem 4 passiert.
Das Kühlsystem 4 weist drei Kühlstufen 6,7,8 auf, die längs der Vorlaufleitung 2 hintereinander angeordnet sind. Die Strömungsrichtung im Vorlauf in Fig. 1 ist durch den Pfeil A angedeutet.
Die Kühlstufen 6,7, 8 sind miteinander, mit dem Kompressor 1 und mit dem Kälteverbraucher 5 über die Vorlaufleitung 2 und Rücklaufleitung 3 verbunden.
In anderen Fällen kann man nur eine Kühlstufe oder mehr als drei Kühlstufen verwenden.
Die Anzahl der Kühlstufen wird durch die Eigenschaften des in der Anlage zirkulierenden Kältemittels sowie durch die Anforderungen an deren Zuverlässigkeit und energetische Effektivität festgelegt.
Die — in Richtung A des Vorlaufs gesehen — erste Kühlstufe 6 enthält zwei Wärmeaustauscher 9,10 bekannter Bauart, die in Richtung A des Vorlaufs ebenfalls hintereinander angeordnet sind.
Die Kühlstufe 6 besitzt auch eine Expansionsmaschine 11, die zur Entspannung eines Teils des Vorlaufs bestimmt ist. Die Expansionsmaschine 11 hat eine beliebige dazu geeignete Bauart.
Die Expansionsmaschine 11 ist mit ihrem Eintritt 12 an die Vorlaufleitung 2 an einem Abschnitt zwischen den Wärmeaustauschern 9 und 10 und mit ihrem Austritt 13 an die Rücklaufleitung 3 an einem Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 10 und der Kühlstufe 7 angeschlossen.
Die Kühlstufe 7 enthält zwei Wärmeaustauscher 14 und 15, die wie auch die Wärmeaustauscher 9,10 in Richtung A des Vorlaufs hintereinander angeordnet sind, und eine Expansionsmaschine 16. Diese ist zur Entspannung eines Teils des Vorlaufs bestimmt und hat eine beliebige, dazu geeignete Bauart.
Der Eintritt 17 der Expansionsmaschine 16 ist an die Vorlaufleitung 2 an einem Abschnitt zwischen den Wärmeaustauschern 14 und 15 und der Austritt 18 der Expansionsmaschine 16 an die Rücklaufleitung 3 an einem Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 15 und der Kühlstufe 8 angeschlossen.
Die Kühlstufe 8 enthält einen Wärmeaustauscher 19 bekannter Bauart, der — in Richtung A des Vorlaufs gesehen — hinter den Wärmeaustauschern 14 und 15 angeordnet ist, und eine Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels, die an die Vorlaufleitung an einem Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 19 und dem Kälteverbraucher 5 angeschlossen ist.
Als Kälteverbraucher 5 dient eine wärmeabgebende Abschirmung, die mit demselben Bezugszeichen 5 bezeichnet ist und eine beliebige bekannte Bauart hat. Der Kälteverbraucher 5 ist zur Kälteentnahme aus dem Direktstrom und zur Formierung eines Rücklaufs in Richtung B bestimmt, der die Kühlstufen 8,7,6 der Reihe nach durchfliesst und mit der Quelle 1 des verdichteten Kältemittels verbunden ist.
Die Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels enthält eine mit der Vorlaufleitung 2 über eine Austrittsöffnung (nicht gezeigt) verbundene Kammer 20a und einen in der Kammer 20a angeordneten zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmten Gasstrahl-Wand-ler 21, der an die Vorlaufleitung 2 angeschlossen ist, und einen in der Kammer 20a angeordneten Schallenergiewandler 22, der mit dem genannten Gasstrahl-Wandler (21) in Verbindung sowie mit dem Aussenmedium in energetischem Kontakt steht, dessen Temperaturniveau das Temperaturniveau des Gasstrahl-Wandlers 21 überschreitet. Im vorliegenden Fall ist das Aussenmedium ein Teil des Vorlaufs, der aus der Vorlaufleitung 2 am Abschnitt zwischen den Wärmeaustauschern 14 und 15 austritt, eine als übliche Rohrleitung (mit gleichem Bezugzeichen 23 bezeichnet) ausgeführte Leitung 23 durchströmt und die Aussenfläche des Schallenergiewandlers 22 umgibt. Die Leitung 23 des Vorlaufteils ist weiter mit dem Eintritt 17 der Expansionsmaschine 16 verbunden.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist der Schallenergiewandler 22 als Becher ausgebildet, der mit gleichem Bezugzeichen 22 bezeichnet ist und ein geschlossenes Ende 24 und ein offenes Ende 25 aufweist. Das geschlossene Ende 24 des Bechers 22 ist am weitesten vom Gasstrahl-Wandler 21 entfernt und steht mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt, während das offene Ende des Bechers 22 dem Gasstrahl-Wandler 21 so zugewandt ist, dass das Maximum der vom Wandler 21 ausgestrahlten Wellenenergie durch den Innenraum des Bechers 22 zu dessen geschlossenem Ende 24 übertragen wird. Der Wärmekontakt des geschlossenen Endes 24 des Bechers 22 mit dem oben erwähnten Aussenmedium ist durch Wärmeübertragung zum Teil des Vorlaufs hin hergestellt, welcher durch die Leitung 23 fliesst.
Bei einer anderen Ausführungsform nach Fig. 3 enthält die Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels eine Kammer 26, die in Form eines Ellipsoids ausgebildet ist, in dessen — in Richtung des Vorlaufs gesehen — erster Fokalzone 27 der zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmte Gasstrahl-Wandler 21 angeordnet ist, der als stabförmiger Gasstrahl-Wellenstrahler ausgeführt ist, der mit gleichem Bezugzeichen 21 bezeichnet und mit der Vorlaufleitung 2 verbunden ist. Der Schallenergiewandler 22a ist in der anderen Fokalzone 28 der Kammer 26 angeordnet und als wärmeleitendes Bauelement einer beliebigen bekannten Bauart ausgeführt, das durch gleiches Bezugzeichen 22a bezeichnet, entlang der Hauptachse 26a des Ellipsoids angeordnet ist und aus der Kammer 26 mit seinem einen Ende 29 herausragt, das mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt steht. Die Kammer 26 weist eine Eintrittsöffnung 30 und zwei Öffnungen 31 zum Austritt der Leitung 2 des im stabförmigen Gasstrahl-Wellenstrahlers 21 entspannten Vorlaufs auf.
Der Wärmekontakt des aus der Kammer 26 herausragenden Endes 29 des wärmeleitenden Bauelementes 22 mit dem oben erwähnten Aussenmedium ist hergestellt durch Wärmeübertragung zu einem Vorlaufteil hin, welcher durch die Leitung 23 fliesst.
Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels enthält ebenfalls eine Kammer 26, die in Form eines Ellipsoids ausgebildet ist, in dessen — in Richtung des Vorlaufs gesehen — erster Fokalzone 27 ein zur Umwandlung mechanischer Energie in Wellenenergie bestimmter Gasstrahl-Wandler 21 angeordnet ist, der auch als stabförmiger Gasstrahl-Schallstrahler (mit gleichem Bezugzeichen 21 bezeichnet) ausgeführt ist und mit der Vorlaufleitung 2 in Verbindung steht, sowie einen in der anderen Fokalzone 28
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angeordneten Schallenergiewandler 32, der als bekannter akustisch-elektrischer Wandler (mit gleichem Bezugzeichen 32 bezeichnet) ausgebildet ist und mit dem Aussenmedium in elektrischem Kontakt steht.
Die Kammer 26 weist eine Eintrittsöffnung 30 und Öffnungen 31 zum Austritt der Leitung 2 des im stabförmigen Gasstrahl-Schallstrahler 21 entspannten Vorlaufs auf.
Der elektrische Kontakt des akustisch-elektrischen Wandlers 32 mit dem obenerwähnten Aussenmedium ist hergestellt durch Übertragung elektrischer Energie mit Hilfe von Leitern 33,34 über die Kammer 26 hinaus, wo sie mit einem Elektroenergieverbraucher 35 über Klemmen 36 verbunden sind, der als Bestandteil des in bezug auf die genannte Vorrichtung 20 äusseren Mediums auftritt.
Der in der Kammer 26 untergebrachte ellipsoidförmige Gasstrahl-Schallstrahler 21 nach Fig. 5 stellt — entlang der Hauptachse 26a des Ellipsoids angeordnet — einen Stab, der an seinem Ende 38 einen Resonator 31 trägt und eine mit der Direktstromleitung 2 verbundene und den Stab 37 umgebende, sich verjüngende Düse 40, dar, deren Austrittsquerschnitt sich in einem gewissen Abstand vom offenen Ende 42 des Resonators 39 befindet.
Der Stab 37 weist an seiner Aussenfläche eine zylindrische Erhebung 43 auf, die im Bereich des Austrittsquerschnittes 41 der Düse 40 mit einem Spalt 44 relativ zur Innenfläche der Düse 40 im Austrittsquerschnitt 41 angeordnet Ist. Die Grösse des Spaltes 44 wird in Abhängigkeit von der Breite der zylindrischen Erhebung 43, dem Durchmesser des Stabs 37 innerhalb der Düse 40, dem Durchmesser des Stabes 37 an dessen Ende 38 ausserhalb der Düse 40 und dem Innendurchmesser der sich verjüngenden Düse im Austrittsquerschnitt 41 durch folgende Beziehung bestimmt:
S =0,5 (dc—dcT) und t=0,5(dcT—d)ist, wobei t > 0,58 ist; hierin bedeuten:
5 — Grösse des Spaltes 44 in m;
dc — Innendurchmesser der sich verjüngenden Düse 40
im Austrittsquerschnitt 41 in m; d — Durchmesser des Stabes 37 innerhalb der Düse 40 in m;
t — Breite der zylindrischen Erhebung 43 in m; dcT — Durchmesser des Stabs 37 an dessen Ende 38 ausserhalb der Düse in m.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 stellt der in der el-lipsoidförmigen stabförmigen Gasstrahl-Strahler 21 — entlang der Hauptachse 26a des Ellipsoids angeordnet — einen Stab 37, der an seinem Ende 38 einen Resonator trägt, und eine mit der Vorlaufleitung 2 verbundene und den Stab 37 umgebende, sich verjüngende Düse 40 dar, deren Austrittsquerschnitt 41 sich in einem gewissen Abstand vom offenen Ende 42 des Resonators 39 befindet, während am geschlossenen Ende des Resonators ein Kühlmittel 45 vorhanden ist, das mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt steht.
Das Kühlmittel 45 ist in Form von Rippen ausgeführt, die mit gleichem Bezugzeichen 45 bezeichnet sind und sich von der Stirnseite des Resonators in Richtung der Hauptachse 26a des Ellipsoids und von der Mantelfläche des Resonators in der zur Hauptachse 26a des Ellipsoids senkrechten Richtung erstrecken. Der Wärmekontakt des Kühlmittels 45 mit dem Aussenmedium wird hergestellt durch Wärmeübertragung. Als Aussenmedium tritt hierbei ein Teil des Vorlaufs auf, welcher über die Leitung 23 ins Innere der Kammer 26 über Öffnungen gelangt, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind.
Die vorgeschlagene Anlage zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens funktioniert folgendermassen.
Ein Kältemittel, z.B. gasförmiges Helium, wird im Kompressor 1 auf einen Druck von 25 bis 30 bar bei der Umgebungstemperatur verdichtet und bildet dabei einen Vorlauf,
der über die Vorlaufleitung 2 in Richtung A durch das Kühlsystem 4 und in den Kälteverbraucher 5 gelangt. Im Kühlsystem 4 durchfliesst der Vorlauf hintereinander die Stufen 6, 7, 8, wo er durch einen Rücklauf gekühlt wird, der über die Rücklaufleitung 3 in Richtung B strömt.
In der — in Richtung A des Vorlaufs gesehen — ersten Kühlstufe 6 wird der Vorlauf in den Wärmeaustauschern 9,
10 auf eine Temperatur abgekühlt, die um das 2 bis 3fache gringer als die Umgebungstemperatur ist, und an die Kühlstufe 7 weitergeleitet. Hierbei gelangt ein Teil des Vorlaufs zum Eintritt 12 der Expansionsmaschine 11, wird in der Expansionsmaschine 11 auf einen Druck von 1,2 bis 1,3 bar entspannt und über den Austritt 13 der Expansionsmaschine
11 an die Rücklaufleitung 3 am Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 10 und der Kühlstufe 10 geleitet.
In der Kühlstufe 7 wird der Vorlauf einer aufeinanderfolgenden Abkühlung in den Wärmeaustauschern 14 und 15 auf eine Temperatur ausgesetzt, die um das 14 bis 15fache tiefer als die Umgebungstemperatur ist, und der Kühlstufe 8 zugeleitet. Dabei wird ein Teil des Vorlaufs über die Leitung 23 dem Eintritt 17 der Expansionsmaschine 16 zugeführt, in dieser auf einen Druck von 1,2 bis 1,3 bar entspannt und über den Ausgang 18 der Expansionsmaschine 11 an die RückStromleitung 3 am Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 15 und der Kühlstufe 8 geleitet.
In der Kühlstufe 8 wird der übrige Teil des Vorlaufs im Wärmeaustauscher 19 auf eine der kritischen naheliegende Temperatur gekühlt und der Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels zugeführt und weiter an den Kälteverbraucher 5 geleitet, wo dieser Vorlaufteil durch den Entzug einer Wärme aus dem Kälteverbraucher 5 erwärmt wird und einen Rücklauf entspannten Heliums bildet, der über die Rücklaufleitung durch die Kühlstufen 8,7,6 zum Eintritt des Kompressors 1 fliesst.
In der Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels wird bei einer der kritischen naheliegenden Temperatur die Entspannung des Direktstromes auf einen Druck von 1,2 bis 1,3 bar unter Erzeugung einer Schallenergie im zur Umwandlung mechanischer Energie in Wellenenergie bestimmten Gasstrahl-Wandler 21 vorgenommen, die aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in eine andere Energieform im Wellenenergiewandler 22 abgeführt wird.
Die Abführung der umgewandelten Energie erfolgt durch den energetischen Kontakt des Schallenergiewandlers 22 mit dem Aussenmedium. Die Wellenverbindung zwischen dem Gasstrahl-Wandler 21 und dem Wellenenergiewandler 22 sichert grösstmögliche Abführung der Wellenenergie, indem sie in eine andere Energieform umgewandelt wird.
Bei der Ausführung der Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels nach Fig. 2 wird die vom Gasstrahl-Wandler 21 erzeugte Schallenergie über den Schallenergiewandler 22 hinweg durch dessen offenes Ende 25 übertragen, der in diesem Fall als Wellenleiter dient, und sie geht infolge Ab-sorbtionserscheinungen in eine Wärme an dem geschlossenen Ende 24 des Wandlers 22 über. Die freigesetzte Wärme wird durch die Wärmeübertragung ans Aussenmedium abgeleitet, das ein Teil des Vorlaufs ist, der über die Leitung 23 strömt. Im Ergebnis wird das in der genannten Vorrichtung
20 entspannte Helium abgekühlt.
Bei einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 3 wird in der Vorrichtung 20 der Vorlauf in Richtung A der Kammer 26 zugeführt und im stabförmigen Gasstrahl-Schallstrahler
21 unter Erzeugung einer Schallenergie entspannt. Die erzeugte Schallenergie wird durch an den Wänden der Kammer 26 wirkende Reflexionserscheinungen in der zweiten Fokalzone 28 auf der Oberfläche des wärmeleitenden Bauelementes 22a konzentriert und geht in eine Wärme infolge Ab-
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sorbtionserscheinungen über, welche durch die Wärmeleitung des Bauelementes 22a hervorgerufen sind.
Die sich entwickelnde Wärme wird über das wärmeleitende Bauelement 22a zu dessen aus der Kammer 26 herausragendem Ende 29 hin übertragen und dann durch die Wärmeübertragung an den über die Leitung 23 fliessenden Vorlaufteil abgeführt. Auf solche Weise wird die Energie des entspannten Kältemittels als Wärme von dem von der Kammer 26 umschlossenen Entspannungsbereich mit tieferer Temperatur zum Aussenmedium mit höherer Temperatur übertragen. Dadurch wird das aus den Öffnungen 31 der Kammer 26 austretende Kältemittel gekühlt.
In einem anderen Fall wird, wie in Fig. 4 gezeigt, in der Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels der Vorlauf in Richtung A in die Kammer 26 geleitet und im stabförmigen Gasstrahl-Strahler 21 unter Erzeugung einer Schallenergie entspannt. Die erzeugte Schallenergie wird durch Reflexion von den Wänden der Kammer 26 in der zweiten Fokalzone 28 auf der Oberfläche des bekannten akustisch-elektrischen Wandlers 32 konzentriert und in eine elektrische Energie umgewandelt.
Die sich entwickelnde Elektroenergie wird aus der Kammer 26 über die Leiter 34 herausgeführt und einem Elektroenergieverbraucher 35 zugeführt, der ein Bestandteil des — in bezug auf die Vorrichtung 20 — äusseren Mediums ist.
Auf solche Weise erfolgt die Übertragung der Energie des entspannten Kältemittels in Form einer elektrischen Energie von dem von der Kammer 26 umschlossenen Entspannungsbereich mit tieferer Temperatur zum Aussenmedium mit höherer Temperatur. Dadurch wird das aus den Öffnungen 31 der Kammer 26 austretende entspannte Kältemittel abgekühlt.
Im stabförmigen Gasstrahl-Strahler 21 geschieht eine Entspannung des verdichteten Kältemittels unter Erzeugung einer Schallenergie. Der Vorlauf des verdichteten Kältemittels wird in der sich verjüngenden Düse entspannt, indem es den Stab 37 mit Erhebung 43 umströmt und den Resonator 39 füllt, wird vom Resonator 39 reflektiert und kommt mit dem aus der Düse ausfliessenden Heliumstrom zur Wechsel-s Wirkung. Durch eine solche, sich periodisch wiederholende Wechselwirkung wird eine Wellenenergie erzeugt. Die Erhebung 43 am Stab 37 zerstört die Grenzschicht im aus der Düse 40 austretenden Heliumstrom was zu einer Erhöhung der auszustrahlenden Wellenenergie beiträgt.
io Bei der Entspannung des verdichteten Kältemittels im stabförmigen Gasstrahl-Strahler 21, wie in Fig. 6 gezeigt ist, verlaufen Vorgänge, die den obenbeschriebenen analog sind. Dabei breitet sich die erzeugte Schallenergie ebenfalls über den Innenraum des Resonators 39 aus und geht infolge Abis sorbtionserscheinungen in Wärme über. Durch das als Rippen (mit gleichem Bezugzeichen bezeichnet) ausgebildete Kühlmittel 45 wird die sich an der Innenfläche des Resonators 39 entwickelnde Wärme durch den Wärmeübertragungseffekt zum Aussenmedium als Teil des Vorlaufs über-20 tragen, der über die Leitung 23 strömt. Die so verwirklichte Abführung eines Teils der Energie des entspannten Kältemittels in Form von Wärme vom Resonator 39 zum Aussenmedium trägt zu einer zusätzlichen Kühlung des Kältemittels bei dessen Entspannung mit Erzeugung von Schallener-25 giebei.
Das beschriebene Kälteerzeugungsverfahren und die Anlage zu dessen Durchführung wurden unter Laborverhältnissen erfolgreich geprüft.
Die Prüfergebnisse zeigten, dass durch Anwendung des 30 Verfahrens und der zugehörigen Anlage die Kälteleistung bei gegebenen Energieaufwänden erhöht wird oder die Energieaufwände bei gegebener Kälteleistung herabgesetzt werden.
Die ausgeführte Anlage hat eine hohe Zuverlässigkeit 35 und kleine Abmessungen.
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2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

657 446 PATENTANSPRÜCHE
1. Kälteerzeugungsverfahren, bei dem man ein Kältemittel verdichtet, das einen Vorlauf bildet, anschliessend diesen durch einen Rücklauf dieses Kältemittels abkühlt und mindestens einen Teil des Vorlaufs entspannt, worauf der Vorlauf an den Kälteverbraucher abgeleitet wird, wo nach erfolgter Erhitzung des Vorlaufs dieser in einen Rücklauf umgeformt und zur Verdichtung weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung mindestens eines Teils des Vorlaufs unter Erzeugung einer Schallenergie vorgenommen wird, die aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in eine andere Energieform abgeführt wird.
2. Kälteerzeugungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in Wärmeenergie abgeführt wird.
3. Kälteerzeugungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie aus dem Entspannungsbereich durch ihre Umwandlung in elektrische Energie abgeführt wird.
4. Anlage zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens nach Anspruch 1, welche eine Quelle für das verdichtete Kältemittel und ein mit dieser über eine Vorlaufleitung (2) verbundenes Kühlsystem (4) mit mindestens einer Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels aufweist, welches Kühlsystem mit dem Kälteverbraucher (5) in Verbindung steht, der seinerseits mit der Quelle des verdichteten Kältemittels über eine durch das genannte Kühlsystem geführte Rücklaufleitung (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (20) zur Entspannung des Kältemittels in einer mit der Vorlaufleitung (2) verbundenen Kammer (20a) angeordnet ist, in welcher Kammer (20) sich ein an die Vorlaufleitung (2) angeschlossener, zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmter Gasstrahl-Wandler (21) und ein mit diesem in Wellenverbindung stehender Schallenergiewandler (22) befindet, der mit einem Aussenmedium in energetischer Verbindung steht, dessen Temperaturniveau das Temperaturniveau des Gasstrahl-Wandlers (21) überschreitet.
5 = 0,5(dc—d)undt = 0,5(d—dcT), wobei t> 0,58 ist, worin 5 die Grösse des Spaltes (44) in m, dc den Innendurchmesser der sich verjüngenden Düse (40) im Austrittsquerschnitt (41) in m, d den Durchmesser des Stabes (37) innerhalb der Düse (40) in m, t die Breite der zylindrischen Erhebung (43) in m und dcT den Durchmesser des Stabes (37) ausserhalb der Düse (40) in m bedeuten.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallenergiewandler (22) als Becher ausgebildet ist, dessen offenes Ende dem Gasstrahl-Wandler (21) zugewandt ist und dessen geschlossenes Ende (24) mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt steht.
6. Anlage nach Anspruch 4, bei der der zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmte Gasstrahl-Wandler als stabförmiger Gasstrahl-Wellenstrahler ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (26) der Vorrichtung (20) zur Entspannung des Kältemittels die Form eines Ellipsoids hat, in dessen — in Richtung der Vorlaufleitung (2) gesehen — erster Fokalzone (27) sich der genannte stabförmige Gasstrahl-Wellenstrahler (21) und in dessen anderer Fokalzone (28) der Wellenenergie-Wandler (22a) befindet, der als wärmeleitendes Bauelement ausgeführt ist, das entlang der Hauptachse (26a) des Ellipsoids angeordnet ist und mit seinem einen Ende (29) aus der Kammer herausragt, das mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt steht.
7. Anlage nach Anspruch 4, bei der der zur Umwandlung mechanischer Energie in Schallenergie bestimmte Gasstrahl-Wandler (21) als stabförmiger Gasstrahl-Wellenstrahler ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (26) der Vorrichtung (20) zur Entspannung des Kältemittels die Form eines Ellipsoids hat, in dessen — in Richtung der Vorlaufleitung (2) gesehen — erster Fokalzone (27) der genannte stabförmige Gasstrahl-Wellenstrahler (21) und in dessen anderer Fokalzone (28) ein als akustischelektrischer Wandler ausgebildeter und mit dem Aussenmedium in elektrischer Verbindung stehender Schallenergiewandler (32) vorgesehen sind.
8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, bei der der stabförmige Gasstrahl-Wellenstrahler einen entlang der Hauptachse des Ellipsoids angeordneten Stab aufweist, der an seinem Ende einen als Becher ausgebildeten Resonator trägt, und eine entlang der Hauptachse des Ellipsoids angeordnete mit der Vorlaufleitung verbundene und den Stab umgebende, sich verjüngende Düse besitzt, deren Austrittsquerschnitt in einem Abstand vom offenen Ende des Resonators entfernt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (37) an seiner Mantelfläche eine zylindrische Erhebung (43) besitzt, die im Bereich des Austrittsquerschnittes (41) der Düse (40) mit einem Spalt (44) relativ zur Innenfläche der Düse (40) in deren Austrittsquerschnitt (41) angeordnet ist, wobei die Grösse des Spaltes (44) in Abhängigkeit von der Breite der zylindrischen Erhebung (43) und dem Durchmesser des Stabes (38) ausserhalb der Düse (40), dem Durchmesser des Stabes (37) innerhalb der Düse (40) und dem Innendurchmesser der sich verjüngenden Düse (40) im Austrittsquerschnitt (41) der folgenden Beziehung genügt:
9. Anlage nach Anspruch 6, bei der der stabförmige Gasstrahl-Wellenstrahler einen entlang der Hauptachse des Ellipsoids angeordneten Stab besitzt, der an seinem Ende einen als Becher ausgebildeten Resonator und eine entlang der Hauptachse des Ellipsoids angeordnete, mit der Vorlaufleitung verbundene und den Stab umgebende, sich verjüngende Düse aufweist, deren Austrittsquerschnitt sich in einem Abstand vom offenen Ende des Resonators befindet, dadurch gekennzeichnet, dass am geschlossenen Ende des Resonators (39) ein Kühlmittel (45) vorgesehen ist, das in Form von Rippen ausgeführt ist, welche mit dem Aussenmedium in Wärmekontakt stehen und sich von der Stirnseite des Resonators (39) in Richtung der Hauptachse (26a) des Ellipsoids und von der Mantelfläche des Resonators in der zur Hauptachse (26a) des Ellipsoids senkrechten Richtung erstrecken.
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