DE102008016647A1

DE102008016647A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen von kryogenem Fluid

Info

Publication number: DE102008016647A1
Application number: DE102008016647A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dahmen
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2009-10-08

Abstract

Verfahren und Vorrichtung (1) zum Bereitstellen von kryogenem Fluid, wobei ein Fluid mittels einer Kompressionsvorrichtung (2) komprimiert wird und anschließend abgekühlt wird. Die Kompressionsvorrichtung (2) und/oder eine Fluidfördereinrichtung sind dabei von einer Elektromaschine (21), welche zumindest teilweise supraleitende Spulenwicklungen (24) aufweist, angetrieben. Das abgekühlte Fluid (LIN) wird zumindest teilweise zum Kühlen der Spulenwicklungen (24) verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen von kryogenem Fluid, wobei ein Fluid mittels einer elektrisch angetriebenen Kompressionsvorrichtung komprimiert und anschließend abgekühlt wird. Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Erhöhen der Effizienz einer kryogenen Anlage mit Kompressionsvorrichtungen, wie beispielsweise von Luftzerlegungs- oder Gasverflüssigungsanlagen.
In kryogenen Prozessen, d. h. physikalische oder chemische Verfahren, die bei tiefen Temperaturen von in der Regel kleiner als –170°C stattfinden, werden meist Kompressoren oder Pumpen zum Fördern oder Verdichten von entsprechenden Fluiden eingesetzt. Als Fluide kommen zum Beispiel Gase oder Flüssigkeiten unter Druck und bei kryogenen Temperaturen in Frage. Gasbehandlungsanlagen unterschiedlicher Ausführungen, wie beispielsweise Gasseparationsanlagen wie Luftzerleger oder Gasverflüssigungsanlagen, für beispielsweise Helium, Wasserstoff oder auch LNG (liquid natural gas) arbeiten bei entsprechenden kryogenen Temperaturen.
Es ist dabei unter Anderem häufig erforderlich, ein gasförmiges Fluid zunächst zu verdichten und anschließend zur Kälteerzeugung zu entspannen. Dabei entfaltet der Joule-Thomson-Effekt seine Wirkung. Allgemein werden Elektromotoren zum Antrieb der Kompressoren oder Pumpen eingesetzt. In der Vergangenheit sind vor allem Asynchronmotoren, die mit Drehstrom betrieben werden, bei kryogenen Anlagen eingesetzt worden. Nachteiligerweise ergibt sich bei großen Förder- oder Verdichtungsarbeiten auch eine besonders hohe Stromaufnahme dieser Elektromaschinen. Dieser relativ hohe Strom- und Energieverbrauch schlägt sich nachteilig in den Kosten zur Bereitstellung von kryogenen Fluiden wie beispielsweise flüssigem Stickstoff, Sauerstoff oder auch Edelgasen nieder.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bereitstellung von kryogenen Fluiden zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. 11 gelöst.
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen von kryogenem Fluid vorgeschlagen, bei dem ein Fluid mittels einer Kompressionsvorrichtung komprimiert und anschließend abgekühlt wird. Die Kompressionsvorrichtung oder eine Fördervorrichtung wird dabei von einer Elektromaschine, welche zumindest teilweise supraleitende Spulenwicklungen aufweist, angetrieben.
Die Spulenwicklungen werden dabei zumindest teilweise von dem abgekühlten Fluid gekühlt. Die Kühlung kann dabei unmittelbar oder mittelbar durch ein weiteres Kühlmedium erfolgen oder aber auch, falls das Fluid eine Mischung von verschiedenen Teilen aufweist, durch abgetrennte bzw. abgespaltene Teilfluide vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Kühlung durch Bestandteile von zunächst abgekühlter und potenziell zerlegter Luft erfolgen.
Supraleitende Materialien haben beim Unterschreiten ihrer kritischen Temperatur keinen elektrischen Widerstand mehr. Somit wird durch Einsatz supraleitender Spulenwicklungen in einer entsprechenden Elektromaschine der Wirkungsgrad derselben erheblich verbessert. Häufig ist es notwendig, besonders niedrige Temperaturen zum Erzielen von Supraleitung bzw. einem Unterschreiten der kritischen Temperatur zu erreichen. Kryogenes Fluid, das zum Beispiel eine Temperatur unterhalb von –160 Grad C hat, eignet sich besonders gut zum Kühlen von Spulenwicklungen. Häufig liegt beispielsweise flüssiger Stickstoff bei Temperaturen von 81 K und Drücken um 1,5 Bar vor. Wird das in dem Kälteprozess vorliegende kryogene Fluid durch einen Abzweig zum Kühlen von beispielsweise einer einen Hochtemperatursupraleiter aufweisenden Spule verwendet, ergibt sich insgesamt eine verbesserte Effizienz des Verfahrens zum Bereitstellen des Fluids, sowie der das Verfahren implementierenden prozesstechnischen Anlage.
Es ist ferner möglich, anstelle einer Elektromaschine, welche eine Kompressionsvorrichtung antreibt, eine oder mehrere Elektromaschinen mit zumindest teilweise supraleitenden Spulenwicklungen zu betreiben und mit von der kryogenen Fluid bereitstellenden Anlage zu kühlen. Es können insbesondere Elektromaschinen, welche Pumpen oder Turbinen als Fördervorrichtungen antreiben, vorteilhaft supraleitende Spulenwicklungen aufweisen. Darüber hinaus werden auch Generatoren, die in kryotechnischen Anlagen vorgesehen sein können, entsprechend mit supraleitenden Spulen- oder Spulenwicklungen ausgeführt und mit abgekühltem Fluid unterhalb der jeweiligen kritischen Temperatur betrieben. Insofern wird im Folgenden bei einer Bezugnahme auf die jeweilige Elektromaschine mit supraleitenden Spulenwicklungen auch verstanden, dass in einer kryotechnischen Anlage potenziell Einrichtungen, wie Pumpen, Verdichter, Turbinen oder Generatoren zur Steigerung der Effizienz der Anlage mit bereitzustellendem Fluid gekühlt werden.
Es sind Hochtemperatursupraleiter bekannt, zum Beispiel Ytrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), die eine kritische Temperatur von 93 K aufweisen. Andere supraleitende Materialien lassen sich auch zu Drähten formen, die in einer Elektromaschine, beispielsweise als Rotor oder Stator, eingesetzt werden können. Das im flüssigen Zustand als Kühlmittel wirkende kryogene Fluid aus dem jeweiligen kryogenen Prozess kann nach seiner Verwendung als Kühlmedium als gasförmiges Medium dem Gaseprozess rückgeführt werden. Es entsteht somit kein Verlust an kryogenem Produkt. Da für die Energieumwand lung im Motor nach Erreichen der Supraleitungstemperatur der ohmsche Widerstand verschwindet, kommt nur noch der induktive Widerstand in der Elektromaschine zum Tragen. Es ergibt sich somit ein erheblich höherer Wirkungsgrad der gesamten Anlage, welche kryogenes Fluid bereitstellt.
Das Fluid, wie zum Beispiel Luft oder Stickstoff oder auch Wasserstoff oder Helium können ferner in einem Entspannungsprozess abgekühlt werden. Insbesondere bei der Heliumverflüssigung wird das Abkühlen des Heliums durch mehrere Turboexpander erzielt. Beispielsweise in einer Luft- oder Gaszerlegungsanlage kann das abgekühlte Fluid zwischen einer Rektifikationssäule und einem Tank für ein flüssiges Luftzerlegungsprodukt zum Kühlen der Spulenwicklungen abgezweigt werden. Bei der Luftverflüssigung eignet sich insbesondere flüssiger Sauerstoff wie auch flüssiger Stickstoff. Vorzugsweise wird jedoch Stickstoff verwendet, da dieser ein inertes Produkt darstellt und einfacher zu handhaben ist. Abgekühltes Fluid, wie zum Beispiel flüssiger Stickstoff, kann auch an einem Verdampfer oder Abscheider für Stickstoff in einer Luftzerlegungsanlage zum Kühlen der Spulenwicklungen abgezweigt bzw. abgegriffen werden. Der sich im Kühlprozess der Spulenwicklungen erwärmende Stickstoff kann gasförmig wieder der Kolonne oder Rektifikationssäule zugeführt werden.
Vorzugsweise hat das abgekühlte Fluid eine Temperatur zwischen 0 und 80 K. In diesem Temperaturbereich sind so genannte Hochtemperatursupraleiter bekannt, die in Elektromaschinen für Induktivitäten eingesetzt werden können.
Eine Vorrichtung zur Bereitstellung von kryogenem Fluid weist eine Kompressionsvorrichtung und/oder mindestens eine Fördereinrichtung zum Verdichten oder Fördern eines Fluids auf, welche als Antrieb eine Elektromaschine mit zumindest teilweise supraleitenden Spulenwicklungen hat. Es ist ein Wärmetauscher zum Kühlen des verdichteten Fluids vorgesehen, und die Spulenwicklungen sind durch das abgekühlte Fluid zumindest teilweise gekühlt.
Als Elektromaschine eignet sich zum Beispiel ein Asynchronmotor, der über eine Drehstromfrequenz angesteuert werden kann. Denkbar sind jedoch auch Synchronmotoren oder andere Elektromaschinen, bei denen ein Einsatz von supraleitenden Materialien und damit eine Absenkung des ohmschen Widerstandes im Betrieb implementierbar sind. Als Kompressionsvorrichtung sind Kolbenverdichter aber auch Rotationsverdichter und dabei insbesondere Schraubenverdichter oder Turboverdichter einsetzbar.
Das abgekühlte Fluid zur Kühlung der supraleitenden Spulenwicklungen hat dabei vorzugsweise die gleiche oder eine geringere Temperatur als die kritische Temperatur der supraleitenden Materialien in den Spulenwicklungen.
Der Wärmetauscher kann zum Beispiel als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt werden. Es ist auch möglich, einen weiteren Wärmetauscher zum Abkühlen eines weiteren Fluides vorzusehen, wobei das weitere Fluid durch das abgekühlte Fluid gekühlt wird und das weitere Fluid mittels einer Kühlleitung zu den Spulenwicklungen geführt ist.
Es ist zum Beispiel möglich, bei einer Helium- oder ähnlichen Gasverflüssigungsanlage, die Temperaturen um die 3 bis 4 K erfordert, flüssigen Stickstoff bei 81 K einerseits zur Kühlung der eingesetzten Kompressionsvorrichtung bzw. deren Elektroantriebe und andererseits zum Vorkühlen von Heliumgas zu verwenden. Ferner eignet sich eine entsprechende Vorrichtung zum Bereitstellen von kryogenem Fluid insbesondere in einer Gaszerlegungsanlage, wobei ein kryogenes Zerlegungsprodukt zum Kühlen der supraleitenden Materialien verwendet wird.
Vorzugsweise werden in der Anlage eingesetzte Förder- oder Verdichtungseinrichtungen oder auch Generatoreinrichtungen mit elektromechanischen Maschinen implementiert, welche zumindest teilweise supraleitenden Spulenwicklungen haben.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Erhöhen der Effizienz einer kryogenen Anlage. Dabei wird durch mindestens eine von einer Antriebseinrichtung angetriebenen Kompressionsvorrichtung ein Fluid komprimiert. Die Antriebseinrichtung wird durch eine Elektromaschine, welche zumindest teilweise supraleitende Spulenwicklungen aufweist, ausgetauscht. Ferner erfolgt dann eine Kühlung der supraleitenden Spulen durch das in der Anlage abgekühlte Fluid.
Alternativ zum Austausch der Elektromaschine, welche eine Kompressionsvorrichtung antreibt, oder zusätzlich dazu kann die Effizienz der kryogenen Anlage erhöht werden, indem vorhandene fluidfördernde Vorrichtungen, wie Pumpen, Turbinen oder auch in der Anlage eingesetzte Generatoren gegen jeweilige Vorrichtungen ersetzt werden, die entweder selbst supraleitende Spulenwicklungen haben oder von Elektromaschinen mit supraleitenden Spulen angetrieben werden.
Im Wesentlichen lassen sich die effizienzsteigernden Effekte durch den vom Stand der Technik abweichenden Einsatz fluiddynamisch oder mechanisch mit dem kryogenen Fluid wechselwirkender elektrischer Einrichtungen erzielen, die zumindest teilweise supraleitende Spulenwicklungen aufsweisen. Die kühlung erfolgt durch das in der Anlage vorliegende kryogene Fluid.
Unter Fluid kann dabei auch eine Mischung aus mehreren Fluiden verstanden werden. Die Kühlung der supraleitenden Spulen erfolgt beispielsweise durch Implementieren einer Abzweigung für das kryogene Fluid aus dem Fluidkreislauf der Anlage. Dies kann prinzipiell an jeder beliebigen Stelle im Kreislauf erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Es zeigt dabei:
1: ein beispielhaftes Verfahrensfließbild für ein Verfahren bzw. eine Anlage zum Bereitstellen von kryogenem Fluid;
2: ein Blockdiagramm einer Kompressionsvorrichtung; und
3: ein beispielhaftes Verfahrensfließbild für eine Gasverflüssigungsanlage.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die 1 zeigt ein Verfahrensfließbild für eine kryogene prozesstechnische Anlage 1. Die Anlage 1 dient beispielsweise der Luftzerlegung, wobei gereinigte Umgebungsluft durch eine Leitung 12 in einer Kompressionsvorrichtung 2 zunächst verdichtet wird, in einem Wärmetauscher 4 abgekühlt wird und einem Luftzerleger 5, der eine hier nicht dargestellte Rektifikationskolonne aufweist, zugeführt wird. In der jeweiligen Rektifikationssäule, die auch als Kolonne oder Trennsäule bezeichnet wird, erfolgt eine Trennung in die Hauptbestandteile der Luft, Stickstoff und Sauerstoff. Die Fraktionierung der Luft erfolgt dabei nach dem bekannten Linde-Verfahren auf das hier nicht näher eingegangen wird.
Aus der Zerlegungsanlage 5 sind an entsprechenden Leitungen 14, 15, 19, 20 die Zerlegungsprodukte abgreifbar. Beispielsweise wird von der Zerlegungsanlage an einer Leitung 19 flüssiger Stickstoff LIN in einen Tank oder Kryostaten 8 geliefert. An einer Leitung 20 ist flüssiger Sauerstoff LOX abgreifbar, der ebenfalls in einen Tank 9 geführt ist. Die Zerlegungsanlage 5 liefert ferner an einer Leitung 14, die durch den Gegenstromwärmetauscher 4 geführt ist und mit der weiteren Leitung 18 an einen Sauerstofftank verbunden ist, gasförmigen Sauerstoff GOX. Analog ist über eine Leitung 15, die ebenfalls durch den Gegenstromwärmetauscher 4 geführt ist und mit der Leitung 17 an einen Stickstofftank 6 gekoppelt ist, gasförmiger Stickstoff GAN abgreifbar.
Durch den Wärmetauscher 4 wird die von der Kompressionsvorrichtung 2 komprimierte Luft über die Leitungen 13 und 16 in flüssigem Zustand der Luftzerlegungsanlage 5 bzw. der hier nicht dargestellten Kolonne zugeführt. Der Verdichter bzw. die Kompressionsvorrichtung 2 ist dabei, was in der 1 im Detail nicht dargestellt ist, von einer Elektromaschine angetrieben, welche supraleitenden Spulen aufweist. Eine Kühlung der supraleitenden Spulen erfolgt über einen Abzweig 10 von der Leitung 19 mittels flüssigem Stickstoff LIN als Kühlmedium. Der Stickstoff hat dabei eine Temperatur, die unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Materials in der Spule der Elektromaschine des Kompressors 2 liegt. Das durch die Kühlung erwärmte Kühlmaterial bzw. Fluid wird in einer Leitung 11 z. B. in gasförmigem Zustand wiederum der Zerlegungsanlage 5 zugeführt. In der 1 ist eine so genannte Cold-Box, also ein isolierter Tieftemperaturbereich der prozesstechnischen Anlage als Kasten angedeutet.
Bei einer konventionellen kryogenen Anlage bzw. bei einem üblichen Verfahren zum Bereitstellen kryogener Fluide wird der Verdichter, beispielsweise ein Schraubenverdichter, über eine Elektromaschine, wie einem Asynchronmotor angetrieben. Obwohl Asynchronmaschinen bereits einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, geht durch ohmsche Verluste in den jeweiligen Spulen Energie verloren. Ein Umbau zur Erhöhung der Effizienz einer entsprechenden kryogenen Anlage kann aufwandsgünstig durch Austausch des jeweiligen Antriebsmittels, wie zum Beispiel dem Asynchronmotor, durch eine Elektromaschine mit supraleitenden Spulenwicklungen geschehen. Ferner wird eine Abzweigung, wie sie in der 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, für kryogenes Fluid mit einer Temperatur, welche unterhalb der kritischen Temperatur der supraleitenden Materialien in den Spulen ist, geschaffen. Ein Rückfluss 11 in den Fluidkreislauf der prozesstechnischen Anlage kann dann ebenso erfolgen.
Durch eine entsprechende Maßnahme wird eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung sowohl der Kompressionsvorrichtung 2 wie auch der kryotechnischen Anlage insgesamt geschaffen. Es ergibt sich synergetisch durch die Verwendung des vorliegenden kryogenen Fluids, wie beispielsweise flüssigem Stickstoff NIN zur Kühlung von supraleitenden Elementen der Elektromaschine im Verdichter 2, eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Üblicherweise wird das kryogene Produkt, wie LOX (flüssiger Sauerstoff) oder LIN (flüssiger Stickstoff), welches niedrige Temperaturen hat, lediglich den jeweiligen Tanks oder Kryostaten 8, 9 zugeführt.
Die in der 1 dargestellte Anlage zum Bereitstellen dieser kryogenen Fluide (wobei auch gasförmiger Stickstoff GAN und gasförmiger Sauerstoff GOX als Fluid aufgefasst werden) erzielt durch die Rückkopplung eines Fluides als Kühlmittel eine Verbesserung der Effizienz gegenüber konventionellen Anlageformen.
Ferner können in der 1 nicht dargestellte Pumpen, Turbinen oder Generatoren mit supraleitenden Spulen oder Spu lenteilen ausgestattet werden, welche von dem vorliegenden kryogenen Produkt gekühlt werden.
In der 2 ist beispielhaft eine Kompressionsvorrichtung 2 mit einem HTS-(Hochtemperatursupraleiter)Motor dargestellt. Der Kompressor bzw. die Kompressionsvorrichtung oder der Verdichter 2 weist einen Elektroantrieb 21 auf und beispielsweise einen Schraubenverdichter als Rotationsverdichter 22. Es ist schematisch eine Kopplung des Antriebs 21 über eine Achse 25 mit den Schrauben 26 der Verdichtereinheit 22 angedeutet. Der Verdichter 2 komprimiert eintretendes Fluid 12, wie zum Beispiel Luft zu komprimiertem Fluid 13.
Die in der 2 dargestellte Antriebseinheit 21 ist zum Beispiel als Synchronmotor ausgeführt mit einem Stator 23 und einem Rotor 24. Der Rotor 24 ist dabei in einem hochtemperatursupraleitenden Material gefertigt, der Rotor bzw. die Läuferwicklung weist somit bei Temperaturen unterhalb der jeweiligen kritischen Temperatur für die Supraleitung keinen ohmschen Widerstand mehr auf. Die kritische Temperatur wird durch Kühlung mittels einem kryogenen Fluid, beispielsweise LIN erreicht.
Durch die Verwendung eines entsprechenden HTS-Elektromotors 21 als Antrieb, hat der Verdichter bzw. die Kompressionsvorrichtung 2 einen extrem hohen Wirkungsgrad und eine niedrige Energieaufnahme. Durch die Verwendung von supraleitenden Rotorspulenwindungen 24 können hohe Magnetfelder bei geringen Ausmaßen der Spulen erzielt werden. Im Vergleich zu konventionellen Elektromotoren kann somit auch das Volumen der Antriebseinheit 21 reduziert werden.
Die Kühlung der supraleitenden Spule 24 kann zum Beispiel durch einen hohlen Rotor und Durchfluss des Kühlmediums, wie zum Beispiel dem flüssigen Stickstoff, erfolgen. Es ist ebenfalls möglich, die Spule zu kapseln und vom kühlenden Fluid umfließen zu lassen. Es sind heutzutage Supraleiter bekannt, die eine kritische Temperatur von bis zu 135 K aufweisen. Derartige Hochtemperatursupraleiter (HTS) lassen sich somit durch einfach zugängliche kryogene Fluide kühlen. Ein häufig eingesetzter Hochtemperatursupraleiter ist Ytrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) mit einer kritischen Temperatur von 93 K. Hochtemperatursupraleiterdrähte können auch aus einer Matrix aus Silber oder einer Silberlegierung bestehen, die Filamente aus HTS-Materialien aufweist. Bekannt ist zum Beispiel das HTS-Material BSCCO-2223 mit einer kritischen Temperatur von 117 K.
In der Vergangenheit waren zum Erzielen von Supraleitung Temperaturen von unter 20 K notwendig, die nur durch flüssiges Helium ereicht werden konnten. Einerseits ist Helium schwer flüssig herzustellen und nur unter großem Energieaufwand zu gewinnen. Ferner ergeben sich bei Helium zusätzliche Probleme durch eine effiziente Abdichtung der Leitungen. Die Heliumverflüssigung ist technisch sehr aufwendig, da im Gegensatz zu Luftzerlegern eine Verflüssigung nicht rein durch Gasentspannung und Gegenstromkühlung erfolgen kann. Vielmehr muss eine Vorkühlung über eine mechanische Expansionsmaschine stattfinden. Allerdings kann auch die Effizienz von Anlagen zur Bereitstellung von flüssigem Helium unter Verwendung von Elektroantrieben mit supraleitenden Eigenschaften verbessert werden.
Anstelle einer beispielhaft dargestellten Kompressionseinrichtung, kann eine ähnlich aufgebaute Pumpe in dem Fluidkreislauf der jeweiligen kryogenen Anlage vorliegen, wobei die Pumpe aufgrund der HTS-Elektromaschine keine Verdichtungsarbeit sondern Förderarbeit leistet.
In der 3 ist beispielsweise ein schematisches Prozessfließbild für die Heliumverflüssigung angegeben. Eine entsprechende Anlage 27 hat in einem Kryostaten 28 Helium He gespeichert. Dieses wird über eine Leitung 41 verdichtet und durch Gegenstromwärmetauscher 34, 35 geführt. Anschließend erfolgt nach Durchfluss der Leitung 44 eine Komprimierung durch Verdichtereinrichtungen 30, 31, 32. Das verdichtete Heliumgas wird erneut durch eine Leitung 45 einem weiteren Verdichter 33 zugeführt und mittels einer Leitung 46 durch einen Wärmetauscher 35 geführt.
Im Wärmetauscher 35 wird das gasförmige Helium durch flüssigen Stickstoff LIN unterhalb seiner Inversionstemperatur vorgekühlt und mittels einer Leitung 47 einem ersten Expander 36 zugeführt. Die entsprechende Expansionsmaschine 36 entspannt das komprimierte Heliumgas wodurch die Temperatur gesenkt wird. Das bereits expandierte und abgekühlte Heliumgas wird durch den Gegenstromwärmetauscher 34 geleitet und mittels einer Leitung 49 einem weiteren Expansionsprozess im Expander 37 unterzogen. Schließlich erfolgt nach Durchlauf der Leitung 50 an einem Abscheider 38 die Trennung in flüssiges Helium, welches über die Leitung 51 dem Kryostaten 28 zugeführt wird, und andererseits dem Abführen von gasförmigem Helium über die Leitungen 52, 53, 54 und Durchfluss der Wärmetauscher 34, 35. Das derart abgeführte gasförmige Helium wird erneut einer Komprimierung durch den Verdichter 33 unterzogen und wiederum den Expansionsprozessen in den Expandern 36, 37 unterzogen.
Da insbesondere bei der Heliumbereitstellung durch Heliumverflüssigung besonders viel Komprimierungsarbeit geleistet werden muss, welche durch die Verdichter 29, 30, 31, 32, 33 erfolgt, kann durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades der jeweiligen elektrischen Antriebe die Effizienz der Anlage deutlich gesteigert werden. Daher ist ein Abzweig 56 mit flüssigem Stickstoff LIN vorgesehen, der zur Kühlung der in der 3 nicht dargestellten Elektromaschinen zum Antrieb der jeweiligen Verdichter bzw. Kompressoren 39-33 dienen. Die Elektroantriebe verfügen dabei, wie bereits hinsichtlich den 1 und 2 erläutert wurde, Spulen oder Teile von Spulenwicklungen, die bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff von etwa –196°C supraleitende Eigenschaften haben. Anstelle einer aufwendigen und teuren Heliumkühlung erfolgt die Kühlung der Elektromaschinen mittels dem preiswerteren und einfacher handhabbaren flüssigem Stickstoff LIN.
Denkbar ist auch eine Kombination der Anlagen zur Luftverflüssigung oder Bereitstellung von kryogenen Fluiden aus 1 mit der Gasverflüssigung gemäß 3. Zum Beispiel kann flüssiger Stickstoff aus der Anlage 1 in 1 zum Vorkühlen des Heliums im Wärmetauscher 35 der 3 verwendete werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einzelner Ausführungsbeispiele näher erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Die beispielhaft genannten Asynchron- oder Synchronelektromaschinen können durch andere Elektromotoren, die supraleitende Spulenwicklungen haben, ersetzt werden. Nur beispielhaft seien Unipolarmaschinen, Gleichstrommaschinen sowie Asynchron- und Synchronmaschinen genannt. Ferner lassen sich kryogene Anlagen mit Verdichtern bzw. Elektroantrieben modifizieren und den jeweiligen prozesstechnischen Vorgaben anpassen. Es kommen darüberhinaus auch andere als die vorgenannten hochtemperatursupraleitenden Materialien zum Einsatz in Spulenwicklungen in Frage. Vorzugsweise sollte lediglich das als Kühlmittel verwendete kryogene Fluid eine Temperatur aufweisen, die niedriger ist als die jeweilige kritische Temperatur der Spulenwicklungen, um einen synergetischen energieeinsparenden Effekt zu erzielen. Es kommen ferner weitere mechanisch oder fluiddynamisch mit dem in der Anlage vorliegenden Fluid wechselwirkende Vorrichtungen in Frage, die mit supraleitenden Spulen oder Elementen ausgestattet werden können und damit die Energieaufnahme der Anlage potenziell vermindern und deren Effizienz erhöhen. Es seien beispielsweise Generatoren, Pumpen oder Turbinen genannt.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen von kryogenem Fluid, bei dem ein Fluid mittels einer Kompressionsvorrichtung (2) komprimiert und anschließend abgekühlt wird, wobei die Kompressionsvorrichtung (2) und/oder eine Fluidfördereinrichtung von einer Elektromaschine (21), welche zumindest teilweise supraleitende Spulenwicklungen (24) aufweist, angetrieben wird, und wobei das abgekühlte Fluid (LIN) zumindest teilweise zum Kühlen der Spulenwicklungen (24) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluid in einem Entspannungsprozess abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kryogene Fluid (LIN) auf eine Temperatur abgekühlt wird, welche gleich oder geringer ist als eine kritische Temperatur der supraleitenden Spulenwicklungen (24).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Spulenwicklungen (24) hochtemperatursupraleitendes (HTS) Material aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei ein Luftzerlegungsprodukt (LIN) als abgekühltes Fluid, insbesondere Stickstoff, aus einem Kreislauf einer Luftzerlegungsanlage (5) zum Kühlen der Spulenwicklungen (24) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das abgekühlte Fluid zwischen einer Rektifikationssäule (5) und einem Tank (8) für ein flüssiges Luftzerlegungsprodukt zum Kühlen der Spulenwicklungen (24) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das abgekühlte Fluid als flüssiger Stickstoff (LIN) an einem Verdampfer für Stickstoff in einer Luftzerlegungsanlage (5) zum Kühlen der Spulenwicklungen (24) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das abgekühlte Fluid eine Temperatur zwischen 0 und 80 Kelvin aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Kompressionsvorrichtung (2) einen Kolbenverdichter, einen Rotationsverdichter, insbesondere einen Schraubenverdichter, oder einen Turboverdichter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die Elektromaschine (21) einen Asynchronmotor umfasst.
Vorrichtung (1) zur Bereitstellung von kryogenem Fluid mit einer Kompressionsvorrichtung (2) zum Verdichten eines Fluids und einer Fluidfördereinrichtung, wobei die Kompressionsvorrichtung (2) und/oder die Fluidfördereinrichtung als Antrieb eine Elektromaschine (21) mit zumindest teilweise supraleitenden Spulenwicklungen (24) aufweist, und mit einem Wärmetauscher (4) zum Kühlen des verdichteten Fluids, wobei die Spulenwicklungen (24) durch das abgekühlte Fluid zumindest teilweise gekühlt sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei die Spulenwicklungen (24) hochtemperatursupraleitendes Material aufweisen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, dass das abgekühlte Fluid eine Temperatur aufweist, welche gleich oder geringer als eine kritische Temperatur der supraleitenden Spulenwicklungen (24) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11–13, wobei das abgekühlte Fluid eine Temperatur zwischen 0 und 80 Kelvin aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11–14, wobei der Wärmetauscher (4) ein Gegenstromwärmetauscher ist.
Vorrichtung (27) nach einem der Ansprüche 11–15, wobei ein weiterer Wärmetauscher (35) zum Abkühlen eines weiteren Fluids (LIN) durch das abgekühlte Fluid (He) vorgesehen ist und das weitere abgekühlte Fluid (LIN) mittels einer Kühlleitung (56) zu den Spulenwicklungen (24) geführt ist.
Vorrichtung (1, 27) nach einem der Ansprüche 11–16, wobei eine Abzweigung (19, 56) in einem Fluidkreislauf der Vorrichtung (1, 27) zur Zuführung von abgekühltem Fluid zu den Spulenwicklungen (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11–27, wobei ferner ein Verdampfer für Stickstoff vorgesehen ist und mittels einer Kühlleitung flüssiger Stickstoff zum Kühlen der Spulenwicklungen an dem Verdampfer abgezweigt ist.
Vorrichtung (1, 27) nach einem der Ansprüche 11–18, wobei die Kompressionsvorrichtung (2) einen Kolbenverdichter, einen Rotationsverdichter, insbesondere einen Schraubenverdichter, oder einen Turboverdichter umfasst.
Vorrichtung (1, 27) nach einem der Ansprüche 11–19, wobei die Elektromaschine einen Asynchronmotor umfasst.
Gaszerlegungsanlage mit mindestens einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11–20.
Gaszerlegungsanlage nach Anspruch 21, wobei ein Gaszerlegungsprodukt (LIN) zum Kühlen der Spulenwicklungen (24) zwischen dem Wärmetauscher (4) und einer Rektifikationssäule abgezweigt wird.
Coldbox (57) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11–20.
Verfahren zum Erhöhen der Effizienz einer kryogenen Anlage, welche mittels mindestens einer von einer Antriebseinrichtung (21) angetriebenen Kompressionsvorrichtung (22) ein Fluid komprimiert und/oder mittels einer von einer Antriebseinrichtung (21) angetriebenen Fluidfördervorrichtung das Fluid fördert, wobei die Antriebseinrichtung (21) durch eine Elektromaschine, welche zumindest teilweise supraleitende Spulenwicklungen (24) aufweist, ausgetauscht wird und eine Kühlung der supraleitenden Spulen (24) durch das in der Anlage abgekühlte Fluid erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Kühlung der supraleitenden Spulen (24) durch Schaffen einer Abzweigung für kryogenes Fluid aus dem Fluidkreislauf der Anlage erfolgt.