DE102011013345A1

DE102011013345A1 - Kälteanlage

Info

Publication number: DE102011013345A1
Application number: DE102011013345A
Authority: DE
Inventors: Lutz Decker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-09-13
Also published as: JP2012189314A; FR2972521A1; JP6032905B2; US20120227418A1

Abstract

Es wird eine Kälteanlage zur Kühlung einer Last beschrieben; diese weist einen Kältekreislauf, wenigstens einen Verdichter, der der Verdichtung des in dem Kältekreislauf zirkulierenden Kältemittels dient, mehrere Wärmetauscher (HX1–HX6), in denen das Kältemittel gegen sich selbst abgekühlt wird, und zwei, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeitende Expansionsvorrichtungen (TU1, TU2), in denen zumindest zeitweilig zumindest ein Teilstrom des Kältemittels kälteleistend entspannt wird, auf. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine weitere Expansionsvorrichtung (TU3) vorgesehen, wobei diese derart in den Kältekreislauf eingebunden ist, dass das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemittel nach Kühlung der Last zumindest zeitweilig zumindest teilweise in der weiteren Expansionsvorrichtung (TU3) kälteleistend entspannt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, aufweisend

– einen Kältekreislauf,
– wenigstens einen Verdichter, der der Verdichtung des in dem Kältekreislauf zirkulierenden Kältemittels dient,
– mehrere Wärmetauscher, in denen das Kältemittel gegen sich selbst abgekühlt wird, und
– zwei, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeitende Expansionsvorrichtungen, in denen zumindest zeitweilig zumindest ein Teilstrom des Kältemittels kälteleistend entspannt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage
Eine gattungsgemäße Kälteanlage sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage sind beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2011 009 965 bekannt.
Gattungsgemäße Kälteanlagen werden üblicherweise zum Abkühlen bzw. Aufwärmen kryogener Lasten, wie zum Beispiel supraleitender Magnete, verwendet, wobei hierzu der sog. Claude-Prozess zur Anwendung kommt. Das Abkühlen erfolgt im Regelfall von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von 5 K. Der Claude-Prozess ist auf eine definierte Kühltemperatur ausgelegt. Wird nunmehr Kühlung auf einem anderen Temperaturniveau benötigt, wie zum Beispiel während des kontrollierten Abkühlens oder Aufwärmens supraleitender Magnete, sind die Strömungsquerschnitte speziell innerhalb der kälteerzeugenden Expansionsstufen weitgehend gegeben. Dies hat zur Folge, dass der vorhandene Verdichtermassenstrom nur teilweise in diesen Expansionsstufen genutzt werden kann. Die installierte Antriebsleistung steht also während eines derartigen Zeitraumes nur beschränkt der Kälteerzeugung zur Verfügung.
Um dieses Problem zu beheben, wurden bereits Lösungen realisiert, bei denen der nicht nutzbare Verdichtermassenstrom mittels eines Hilfskältemittels – üblicherweise flüssiger Stickstoff – über zusätzliche Wärmetauscher gekühlt und über eine Mischstrecke temperiert wird, bevor er die Kühlung der Last unterstützt. Von Nachteil hierbei ist jedoch, dass die Ausnutzung des gesamten Verdichtermassenstroms nur durch einen zusätzlichen Verbrauch an Hilfskältemittel möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Kälteanlage sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage anzugeben, die bzw. das im Wesentlichen auf jedem Temperaturniveau eine Ausnutzung des gesamten Verdichtermassenstroms ermöglicht, ohne dass hierzu ein Hilfskältemittel vorgesehen werden muss.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gattungsgemäße Kälteanlage vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens eine weitere Expansionsvorrichtung vorgesehen ist, wobei diese derart in den Kältekreislauf eingebunden ist, dass das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemittel nach Kühlung der Last zumindest zeitweilig zumindest teilweise in der weiteren Expansionsvorrichtung kälteleistend entspannt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtermassenstrom während der Abkühl- und/oder Aufwärmprozedur derart auf die drei Expansionsvorrichtungen verteilt wird, dass im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt der gesamte Verdichtermassenstrom derr Kühlung der zu kühlenden Last dient.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der- bzw. desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die in der Figur dargestellte Kälteanlage weist mehrere Wärmetauscher HX1 bis HX6, einen Abscheider D, mehrere Ventile V1 bis V9 sowie drei Expansionsvorrichtungen TU1 bis TU3 auf. Nachfolgend seien die Abkühl- sowie Aufwärmprozedur einer kryogenen Last, die mittels der erfindungsgemäßen Kälteanlage gekühlt werden soll, näher erläutert.
Zu Beginn der Abkühlprozedur beträgt die Temperatur der abzukühlenden kryogenen Last ca. 300 K. Über die Leitung 1 wird das mittels eines in der Figur nicht dargestellten Verdichters auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtete Kältemittel dem ersten Wärmetauscher HX1 zugeführt. Bei geöffnetem Regelventil V7 wird ein Teilstrom des Kältemittels über die Leitungsabschnitte 1, 2 und 3 der zu kühlenden Last zugeführt. Das angewärmte Kältemittel wird bei geöffnetem Regelventil C9 über die Leitung 4 von der zu kühlenden Last abgezogen und nach Abkühlung im Wärmetauscher HX2 über die Leitungsabschnitte 4', 20 und 21 der Expansionsvorrichtung TU3 zugeführt und in dieser kälteleistend entspannt.
Anschließend wird der entspannte Kältemittelteilstrom über die Leitungsabschnitte 22, 23, 6 und 7 nach Durchgang durch die Wärmetauscher HX4 bis HX1 wieder vor den Verdichter bzw. die Verdichtereinheit der erfindungsgemäßen Kälteanlage geführt.
Ein Teilstrom des der zu kühlenden Last zugeführten Kältemittels wird bei geöffnetem Regelventil V2 über Leitung 13 der zweiten Expansionsvorrichtung TU2 zugeführt, in dieser kälteleistend entspannt und anschließend über die Leitungsabschnitte 14 und 15 dem von der zu kühlenden Last abgezogenen Kältemittelstrom im Leitungsabschnitt 4' zugemischt. Der Wärmetauscher HX3 weist eine By-pass-Leitung 12 auf, in der ein Regelventil V4 angeordnet ist. Mittels der beiden Regelventile V2 und V4 kann die Eintrittstemperatur der Expansionsvorrichtung TU2 geregelt werden.
Der nicht der Expansionsvorrichtung TU3 zugeführte Kältemittelstrom wird über die Leitung 5, in der ein Regelventil V5 angeordnet ist, in den Niederdruck entspannt bzw. dem Kältemittelstrom in der Leitung 6 zugemischt. Mit sinkender Rücklauftemperatur nimmt der Durchfluss über das Ventil V5 stetig ab, bis er zur Gänze erliegt.
Gleichzeitig wird die erste Expansionsvorrichtung TU1 zugeschaltet und mit sinkender Rücklauftemperatur verstärkt mit Leistung beaufschlagt. Dazu wird ein Teil des verdichteten Kältemittelstromes über Leitung 10, in der ein Regelventil V1 angeordnet ist, der Expansionsvorrichtung TU1 zugeführt und nach erfolgter Entspannung über die Leitung 11 dem der Expansionsvorrichtung TU3 zugeführten Kältemittelstrom zugemischt.
Während dieser Abkühlphase werden permanent mengenmäßig kleine Kältemittelteilströme über die gering geöffneten Ventile V6 und V8 den Wärmetauschern HX6 und HX5 zugeführt, um diese gleichzeitig mit abzukühlen.
Mittels der vorbeschriebenen Prozedur kann die zu kühlende Last auf eine Temperatur von ca. 100 K abgekühlt werden. Um ein weiteres Abkühlen auf eine Temperatur von ca. 30 K zu erreicht, schließen die Regelventile V7 und V9, während die Regelventile V6 und V8 weiter geöffnet werden.
Das der zu kühlenden Last zugeführte Kältemittel wird nunmehr auf zwei Teilströme aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird über die erste Expansionsvorrichtung TU1 geführt und damit über die Leitungsabschnitte 10, 11, 20, 15 und 40 der zu kühlenden Last zugeführt, während der zweite Kältemittelteilstrom über die zweite Expansionsvorrichtung TU2 und damit über die Leitungsabschnitte 2, 13, 14 und 40 der zu kühlenden Last zugeführt wird. Während des Abkühlvorganges wird der der dritten Expansionsvorrichtung TU3 zugeführte Massenstrom sukzessive verringert, bis die Expansionsvorrichtung TU3 ausschließlich aus der ihr vorgeschalteten Expansionsvorrichtung TU1 gespeist wird.
Um die letzte Stufe der Abkühlprozedur – hierbei erfolgt ein Abkühlen der Last auf eine Temperatur von ca. 5 K – zu realisieren, wird die dritte Expansionsvorrichtung TU3 mit sinkender Rücklauftemperatur immer stärker angedrosselt und schließlich gestoppt. Der Verdichtermassenstrom strömt nunmehr ausschließlich über die beiden Expansionsvorrichtungen TU1 und TU2, die nunmehr parallel, aber auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten, zur Last. Das von der zu kühlenden Last zurückströmende Kältemittel wird über V8 in den Phasenabscheider D entspannt. Durch den bei dieser Temperatur auftretenden Joule-Thomson-Effekt kühlt es sich noch einmal ab und verflüssigt sich teilweise. Das verflüssigte Kältemittel wird über Leitungsabschnitt 32 durch den Wärmetauscher HX6 geführt und im Gegenstrom verdampft, der Dampfanteil aus dem Phasenabscheider D wird über den Leitungsabschnitt 31 direkt zum Wärmetauscher HX5 geführt.
Während der Aufwärmprozedur wird der vorbeschriebene Verfahrensablauf in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt.
Wie aus der vorbeschriebenen Verfahrensführung ersichtlich, steht der gesamte Verdichtermassenstrom in jeder Phase der Abkühl- sowie Aufwärmprozedur zur Gänze zur Kühlung zur Verfügung.
Gegenüber einer gattungsgemäßen Kälteanlage, wie sie beispielsweise in der eingangs erwähnten deutschen Patentanmeldung 10 2011 009 965 beschrieben ist, weist die erfindungsgemäße Kälteanlage wenigstens drei zusätzliche Prozessleitungen inklusive zugehöriger Ventile auf. Dadurch wird eine Verteilung des verbleibenden Verdichtermassenstroms ermöglicht, die es erlaubt, zu jedem Zeitpunkt den gesamten Verdichtermassenstrom zur Kühlung der kryogenen Last heranzuziehen.
Mittels der erfindungsgemäßen Kälteanlage bzw. des mittels ihr realisierbaren Verfahrensweise kann nunmehr der gesamte Verdichtermassenstrom zur Kälteerzeugung genutzt werden. Damit erreicht die erfindungsgemäße Kälteanlage während des Betriebs, der Abkühl- sowie der Aufwärmprozedur der kryogenen Last einen maximalen Wirkungsgrad. Der bisher erforderliche Einsatz eines zusätzlichen Hilfskältemittels kann damit entfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011009965 [0003, 0022]

Claims

Kälteanlage zur Kühlung einer Last, aufweisend – einen Kältekreislauf, – wenigstens einen Verdichter, der der Verdichtung des in dem Kältekreislauf zirkulierenden Kältemittels dient, – mehrere Wärmetauscher (HX1–HX6), in denen das Kältemittel gegen sich selbst abgekühlt wird, und – zwei, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeitende Expansionsvorrichtungen (TU1, TU2), in denen zumindest zeitweilig zumindest ein Teilstrom des Kältemittels kälteleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Expansionsvorrichtung (TU3) vorgesehen ist, wobei diese derart in den Kältekreislauf eingebunden ist, dass das in dem Kältekreislauf zirkulierende Kältemittel nach Kühlung der Last zumindest zeitweilig zumindest teilweise in der weiteren Expansionsvorrichtung (TU3) kälteleistend entspannt werden kann.
Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtermassenstrom während der Abkühl- und/oder Aufwärmprozedur derart auf die drei Expansionsvorrichtungen (TU1, TU2, TU3) verteilt wird, dass im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt der gesamte Verdichtermassenstrom der Kühlung der zu kühlenden Last dient.
Verwendung einer Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage zur Kühlung einer kryogenen Last, vorzugsweise eines supraleitenden Magneten dient.