DE102013015850A1

DE102013015850A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes

Info

Publication number: DE102013015850A1
Application number: DE201310015850
Authority: DE
Inventors: Philipp Arnold; Lutz Decker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, der der Abkühlung einer Kältelast, vorzugsweise eines Magneten (M), dient, beschrieben. In diesem zirkuliert ein Kältemittel, das in mehreren Stufen gegen sich selbst abgekühlt wird (E1, E2, ...), in einen ersten Teilstrom (10, 11), der kälteleistend entspannt wird (T1, T2), und einen zweiten Kältemittel-Teilstrom (3, 4, 5), der entspannt (V8) und der Kältelast oder einem Dewar (D) zugeführt wird, aufgeteilt wird, der erste Teilstrom (10, 11) und der aus der Kältelast oder dem Dewar (D) zurückgeführte zweite Teilstrom (6) auf einem festgelegten Temperaturniveau zusammengeführt werden, wobei die Kühlung der Kältelast (M) durch Entnahme verflüssigten Kältemittels (23) aus dem Dewar (D) oder durch eine direkte Entspannung (V10) des zweiten Kältemittel-Teilstromes erfolgt. Erfindungsgemäß wird zumindest zeitweilig während der Abkühlung der Kältelast (M) – der erste Teilstrom (10, 11) auf einem höheren Temperaturniveau dem aus der Kältelast (M) abgezogenen Kältemittelstrom (20, 21) zugeführt, – der zweite Kältemittel-Teilstrom (5') mit einem dritten, nicht der Abkühlung (E1, E2, ...) unterworfenen Kältemittel-Teilstrom (2') zusammengeführt und der abzukühlenden Kältelast (M) zugeführt, – wobei die Massenströme der beiden vorgenannten Kältemittel-Teilströme (2', 5') variierbar sind (V1, V2), und – der aus der abzukühlenden Kältelast (M) abgezogene Kältemittel-Teilstrom (20) zumindest teilweise direkt der Kältemittel-Verdichtung (V) zugeführt (22) und/oder zumindest teilweise auf unterschiedlichen Temperaturniveaus dem entspannten ersten Kältemittel-Teilstrom (10, 11) zugeführt wird (21, 24).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, der der Abkühlung einer Kältelast, vorzugsweise eines Magneten, dient,

a) in dem ein in ihm zirkulierendes Kältemittel verdichtet wird,
b) in mehreren Stufen gegen sich selbst abgekühlt wird,
c) ein erster Teilstrom des Kältemittels vor oder während dieser Abkühlung abgezogen und kälteleistend entspannt wird,
d) der nicht entspannte zweite Kältemittel-Teilstrom entspannt und der Kältelast oder einem Dewar zugeführt und
e) der erste Teilstrom und der aus der Kältelast oder dem Dewar zurückgeführte zweite Teilstrom auf einem festgelegten Temperaturniveau zusammengeführt werden,
f) wobei die Kühlung der Kältelast durch Entnahme verflüssigten Kältemittels aus dem Dewar oder durch eine direkte Entspannung des zweiten Kältemittel-Teilstromes erfolgt.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes ist bspw. in der DE 102011009965 beschrieben. Derartige Kältekreisläufe, in denen vorzugsweise Helium als Kältemittel zirkuliert, dienen der Abkühlung eines Magneten oder Dewars, der Verflüssigung in einem Dewar und/oder der Erzeugung einer Nutzkälteleistung unterhalb einer Temperatur von 60 K. Das ein- oder mehrstufig verdichtete Kältemittel wird zunächst gegen sich selbst sowie ggf. ein externes Kältemittel, vorzugsweise gegen flüssigen Stickstoff, abgekühlt. Falls erforderlich durchströmt das Kältemittel einen ersten (Tieftemperatur) Adsorber, der insbesondere der Abtrennung von Stickstoff aus dem Kältemittel- bzw. Heliumstrom dient. Stickstoff und ggf. weitere Komponenten, insbesondere Neon, gelangen durch Undichtheiten in den Kältekreislauf. Da sie am kalten Ende des Kälteprozesses ausfrieren könnten, ist es erforderlich, sie aus dem Kältemittelstrom abzutrennen. Anschließend erfolgt eine Auftrennung des Kältemittelstromes in einen ersten Teilstrom, der weiter gegen sich selbst abgekühlt und vor der Zuführung in den Dewar bzw. die zu kühlende Last entspannt wird, sowie einen zweiten Kältemittelstrom. Der erste Teilstrom wird im Regelfall einem zweiten Adsorptionsprozess, der insbesondere der Abtrennung von Neon und/oder Wasserstoff dient, unterworfen. Der zweite Kältemittelteilstrom wird in einer oder mehreren Expansionsturbinen kälteleistend entspannt und anschließend dem aus dem Dewar bzw. der zu kühlenden Last abgezogenen, anzuwärmenden ersten Kältemittelteilstrom zugemischt. Die vereinigten Kältemittelströme werden gegen sich selbst angewärmt und erneut der vorerwähnten Verdichtung unterworfen.
Gattungsgemäße Verfahren kommen bspw. in Helium-Kälteanlagen zur Anwendung. Dabei ist der Fachmann oftmals mit dem Problem konfrontiert, dass große Lasten mit mehreren Tonnen Material, beispielsweise Magnete, in vergleichsweise kurzer Zeit kontrolliert abzukühlen sind (nachfolgend als „Cool Down-Betrieb” bezeichnet). Der reguläre Betriebszustand (nachfolgend als „Steady State-Betrieb” bezeichnet) derartiger Kältekreisläufe bzw. Kälteanlagen erfordert jedoch im Regelfall eine wesentlich geringere Kälteleistung als ein Abkühlen großer Lasten. Bisher werden für derartige Anwendungsfälle spezielle Lösungen, die bspw. zusätzliche Entspannungsturbinen vorsehen, realisiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes anzugeben, mittels dessen der vorbeschriebenen Problematik mit einem Standard-Kälteprozess, der keines zusätzlichen Equipments bedarf, begegnet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest zeitweilig während der Abkühlung der Kältelast

g) der erste Teilstrom auf einem höheren Temperaturniveau dem aus der Kältelast abgezogenen Kältemittelstrom zugeführt wird,
h) der zweite Kältemittel-Teilstrom mit einem dritten, nicht der Abkühlung unterworfenen Kältemittel-Teilstrom zusammengeführt und der abzukühlenden Kältelast zugeführt wird,
i) wobei die Massenströme der beiden vorgenannten Kältemittel-Teilströme variierbar sind, und
k) der aus der abzukühlenden Kältelast abgezogene Kältemittel-Teilstrom zumindest teilweise direkt der Kältemittel-Verdichtung zugeführt und/oder zumindest teilweise auf unterschiedlichen Temperaturniveaus dem entspannten ersten Kältemittel-Teilstrom zugeführt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

– das verdichtete Kältemittel gegen ein externes Kühlmedium, vorzugsweise gegen flüssigen Stickstoff, vorgekühlt wird,
– die Temperatur an wenigstens einer Stelle des Kältekreislaufes dadurch geregelt wird, dass die effektiv genutzte Wärmetauscherfläche wenigstens eines Wärmetauschers durch die Aufteilung des Kältemittelstromes variiert wird,
– das Kältemittel vor der Aufteilung in einen ersten und einen zweiten Kältemittel-Teilstrom wenigstens einem ersten Adsorptionsprozess, der vorzugsweise der Abtrennung von Stickstoff und/oder Neon dient, unterworfen wird,
– der zweiten Kältemittel-Teilstrom wenigstens einem zweiten Adsorptionsprozess, der vorzugsweise der Abtrennung von Stickstoff, Neon und/oder Wasserstoff dient, unterworfen wird,
– das Kältemittel Helium, Wasserstoff, Neon oder ein wenigstens 50 Vol.-% Helium aufweisendes Gemisch ist, und
– dem dritten, nicht der Abkühlung unterworfenen Kältemittel-Teilstrom auf einem oder mehreren unterschiedlichen Temperaturniveaus Teilströme des zweiten Kältemittel-Teilstromes zugemischt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles, das beispielhaft einen Helium-Kältekreislauf zeigt, näher erläutert.
Der mittels einer ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichtereinheit V auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtete Kältemittelstrom 1 wird im Steady State-Betrieb über Leitung 2 zunächst durch den ersten Wärmetauscher E1 geführt und in diesem gegen ein externes Kältemittel 30, bei dem es sich vorzugsweise um verflüssigten Stickstoff handelt, abgekühlt. Dem Wärmetauscher E1 ist ein erster Tieftemperaturadsorber A1 nachgeschaltet, der insbesondere der Abtrennung von Stickstoff aus dem Heliumstrom dient. Stickstoff und ggf. weitere Komponenten, insbesondere Neon, gelangen bspw. durch Undichtheiten in den Kältekreislauf. Da sie am kalten Ende des Kälteprozesses ausfrieren könnten, ist es erforderlich, sie aus dem Kältemittelstrom abzutrennen.
Im nachfolgenden Wärmetauscher E2 erfolgt eine Auftrennung des Heliumstromes in einen ersten Teilstrom 10 sowie einen zweiten Teilstrom 3. Die Massenströme beider Teilströme werden mittels des Regelventils V7 geregelt und ggf. variiert. Der vorbeschriebene erste Kältemittelteilstrom 10 wird in den Expansionsturbinen T1 und T2, zwischen denen im Wärmetauscher E3 eine Zwischenkühlung erfolgt, kälteleistend entspannt. Anschließend wird dieser Teilstrom im Steady State-Betrieb über die Leitungsabschnitte 11 und 12 sowie Regelventil V6 dem noch zu beschreibenden Kältemittelrückstrom 6 beigemischt.
Der vorerwähnte zweite Kältemittelteilstrom 3 wird in den Wärmetauschern E3 und E4 weiter abgekühlt und anschließend einem zweiten Tieftemperaturadsorber A2, der insbesondere der Abtrennung von Neon und/oder Wasserstoff dient, zugeführt. Über die Leitungsabschnitte 4 und 5, in denen ein Regelventil V2' vorgesehen ist, wird dieser zweite Teilstrom durch den Wärmetauscher E5 geführt und weiter abgekühlt, bevor er über das Regelventil V8 in den Dewar D entspannt wird.
Der aus den Dewar D über Regelventil V9 abgezogene, anzuwärmende Kältemittelrückstrom 6 wird zunächst im Wärmetauscher E5 und nach Zumischung des ersten Teilstromes 11/12 in den Wärmetauschern E4 bis E1 angewärmt und über Leitung 7 erneut der Verdichtereinheit V zugeführt.
Die Kühlung der Kältelast, bei der es sich bspw. um einen Magneten M handelt, erfolgt im Steady State-Betrieb durch direkte Entspannung des Heliums über Regelventil V10, und Zuführung zu dem zu kühlenden Magneten M über die Leitungsabschnitte 23 und 25. Das bei der Kühlung des Magneten M verdampfte Helium wird über die Leitung 24 und Regelventil V11 dem aus dem Dewar D entnommenen Kältemittelrückstrom 6 an geeigneter Stelle zugemischt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes wird nurmehr zumindest zeitweilig während der Abkühlung der Kältelast bzw. des Magneten M der vorbeschriebene erste Kältemittelteilstrom 11, der in den Expansionsturbinen T1 und T2 kälteleistend entspannt wird, dem aus der Kältelast abgezogenen Kältemittelstrom, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, auf einem höheren Temperaturniveau zugemischt. Dazu wird im Cool Down-Betrieb das Regelventil V6 geschlossen und der erste Kältemittelteilstrom nach erfolgter Entspannung über die Leitungsabschnitte 11 und 13 bei geöffnetem Regelventil V5 vor den Wärmetauscher E1 bzw. die Verdichtereinheit V geführt.
Die Vorlauftemperatur der abzukühlenden Kältelast M wird als Mischtemperatur des vorbeschriebenen zweiten Kältemittelteilstromes 4, der bei geschlossenem Regelventil V2' über Leitung 5' und Regelventil V2 geführt wird, und eines dritten Kältemittelteilstromes 2', dessen Massenstrom mittels Regelventil V1 variiert werden kann, geregelt. Die beiden vorgenannten Teilströme 2' und 5' werden nach ihrer Vermischung über Leitung 25 der einzukühlenden Kältelast M zugeführt. Das während des Cool Down-Betriebes aus der Kältelast M abgezogene Kältemittel 20 wird über Leitung 22 und Regelventil V4 zumindest teilweise direkt der Verdichtereinheit V zugeführt und – in Funktion der erlaubten Maximaltemperatur am Eintritt des Wärmetauschers E1 – teilweise über Leitung 21 und Regelventil V3 und/oder Leitung 24 und Regelventil V11 dem Wärmetauscher E1 bzw. E5 zugeführt.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise erfordert gegenüber der bisher realisierten Verfahrensweise lediglich zwei zusätzliche Ventile V5 und V6. Mittels dieser kann am Austritt des Turbinenstrangs entschieden werden, ob der kälteleistend entspannte erste Kältemittelteilstrom im Steady State-Betrieb den „herkömmlichen” Weg durch die Wärmetauscher E4, E3 und E2 nimmt, oder im Cool Down-Betrieb die vorgenannten Wärmetauscher umgeht. Mittels dieser Wahlmöglichkeit kann die Kälteleistung der Expansionsturbinen T1 und T2 in jedem Betriebsfall optimal für den jeweiligen Einsatzzweck genutzt werden.
Es sei betont, dass die beiden Regelventile V2 und V5 auch auf anderen Temperaturniveaus angeordnet werden können. So kann die Leitung 13 bspw. auch zwischen den Wärmetauschern E2 und E3 in die Leitung 6 münden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes ermöglicht eine optimale Nutzung der vorzusehenden Expansionsturbinen unter Ausnutzung der höheren Leistung bei höheren Temperaturen. Darüber hinaus werden die Expansionsturbinen näher an der mittleren Einkühltemperatur betrieben, woraus eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades resultiert. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die im Regelfall geforderte präzise Regelung der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf zur einzukühlenden Kältelast. Des Weiteren ist auch ohne die in der 1 dargestellte Vorkühlung mittels eines externen Kältemediums 30 eine vergleichsweise hohe Einkühlleistung realisierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011009965 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, der der Abkühlung einer Kältelast, vorzugsweise eines Magneten (M), dient, a) in dem ein in ihm zirkulierendes Kältemittel verdichtet wird (V), b) in mehreren Stufen gegen sich selbst abgekühlt wird (E1, E2, ...), c) ein erster Teilstrom (10, 11) des Kältemittels (1, 2) vor oder während dieser Abkühlung abgezogen und kälteleistend entspannt wird (T1, T2), d) der nicht entspannte zweite Kältemittel-Teilstrom (3, 4, 5) entspannt (V8) und der Kältelast oder einem Dewar (D) zugeführt und e) der erste Teilstrom (10, 11) und der aus der Kältelast oder dem Dewar (D) zurückgeführte zweite Teilstrom (6) auf einem festgelegten Temperaturniveau zusammengeführt werden, f) wobei die Kühlung der Kältelast (M) durch Entnahme verflüssigten Kältemittels (23) aus dem Dewar (D) oder durch eine direkte Entspannung (V10) des zweiten Kältemittel-Teilstromes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweilig während der Abkühlung der Kältelast (M) g) der erste Teilstrom (10, 11) auf einem höheren Temperaturniveau dem aus der Kältelast (M) abgezogenen Kältemittelstrom (20, 21) zugeführt wird, h) der zweite Kältemittel-Teilstrom (5') mit einem dritten, nicht der Abkühlung (E1, E2, ...) unterworfenen Kältemittel-Teilstrom (2') zusammengeführt und der abzukühlenden Kältelast (M) zugeführt wird, i) wobei die Massenströme der beiden vorgenannten Kältemittel-Teilströme (2', 5') variierbar sind (V1, V2), und k) der aus der abzukühlenden Kältelast (M) abgezogene Kältemittel-Teilstrom (20) zumindest teilweise direkt der Kältemittel-Verdichtung (V) zugeführt (22) und/oder zumindest teilweise auf unterschiedlichen Temperaturniveaus dem entspannten ersten Kältemittel-Teilstrom (10, 11) zugeführt wird (21, 24).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Kältemittel (1, 2) gegen ein externes Kühlmedium (30), vorzugsweise gegen flüssigen Stickstoff, vorgekühlt wird (E1).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an wenigstens einer Stelle des Kältekreislaufes dadurch geregelt wird, dass die effektiv genutzte Wärmetauscherfläche wenigstens eines Wärmetauschers (E1–E5) durch die Aufteilung des Kältemittelstromes (3, 10) variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (1, 2) vor der Aufteilung in einen ersten (10) und einen zweiten Kältemittel-Teilstrom (3) wenigstens einem ersten Adsorptionsprozess (A1), der vorzugsweise der Abtrennung von Stickstoff und/oder Neon dient, unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Kältemittel-Teilstrom (3) wenigstens einem zweiten Adsorptionsprozess (A2), der vorzugsweise der Abtrennung von Stickstoff, Neon und/oder Wasserstoff dient, unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel Helium, Wasserstoff, Neon oder ein wenigstens 50 Vol.-% Helium aufweisendes Gemisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem dritten, nicht der Abkühlung (E1, E2, ...) unterworfenen Kältemittel-Teilstrom (2') auf einem oder mehreren unterschiedlichen Temperaturniveaus Teilströme des zweiten Kältemittel-Teilstromes (2, 3, ...) zugemischt werden.