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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltfahren sowie insbesondere zum Teillastbetrieb zumindest eines Kaltkompressors bzw. einer Mehrzahl an in Serie geschalteten Kaltkompressoren in einer Kälteanlage für insbesondere kryogene Temperaturen.
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Kryotechnische Kälteanlagen sind dazu ausgebildet, extrem niedrige, tiefkalte, Temperaturen zu erzeugen, sogenannte kryogene Temperaturen. Der Temperaturbereich der üblicherweise mit kryotechnischen Anlagen erreicht wird liegt unterhalb von etwa 120 K. Zum Kühlen in diesem Temperaturbereich werden sogenannte Kryogene (Tieftemperatur-Kühlmittel), wie beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff und Helium verwendet. Mit diesen Kryogenen, insbesondere Helium, können Temperaturen von ca. 4 K erreicht werden wobei auch Temperaturen bis 1,8 K möglich sind.
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Bei dieser Art von kryogenen Kälteanalagen kommen spezielle Kaltkompressoren zum Einsatz, die für diesen Temperaturbereich ausgelegt sind. Diese Kaltkompressoren weisen im Vergleich zu Kompressoren für wärmere Temperaturen eine geringere Leistungsaufnahme auf und sind auch in Ihrer Bauweise vergleichsweise kompakter. Oftmals werden solche Kaltkompressoren, in denen das Kühlmittel komprimiert wird, hintereinander geschaltet. D. h., mehrere solche Kaltkompressoren bzw. Kompressionsstufen verdichten stufenweise das Kühlmittel.
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Kryogene Kälteanlagen, insbesondere solche, die z. B. zum Kühlen von supraleitenden Magneten oder supraleitenden Kavitäten verwendet werden, wie sie u. a. in Teilchenbeschleunigern vorzufinden sind, müssen eine gewisse Kühlleistung aufweisen, damit gewährleistet ist, dass die zu kühlende Anlage eine stabile Betriebstemperatur hat. Gerade bei supraleitenden Materialien kann ein Überschreiten der kritischen Temperatur des Supraleiters fatale Folgen für die Anlage haben.
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Um nun eine Kompressionsstufe kaltzufahren, also von einer Temperatur, die oberhalb der gewünschten Betriebstemperatur liegt, abzukühlen, hat man bisher zwei Kühlmittelströme unterschiedlicher Temperaturen miteinander vermischt, um dann mit der sich einstellenden Mischtemperatur die Kaltkompressoren kaltzufahren.
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Üblicherweise wird dazu ein Heliumstrom mit einer Temperatur in Höhe von 300 K mit einem Heliumstrom mit einer Temperatur in Höhe von ca. 4,5 K vermischt. Dies ist aufgrund mehrerer Aspekte problematisch und ungünstig. Zum einen wird der 4,5 K Heliumstrom für gewöhnlich aus dem Verdampfen von Flüssighelium gewonnen. Das Erzeugen von flüssigem Helium ist allerdings extrem energieaufwändig und daher teuer. Man bedient sich also einer vergleichsweise kostenintensiven Ressource lediglich um eine Mischtemperatur einzustellen. Weiterhin ist das Mischen der Kühlmittelströme aufgrund des großen Temperaturunterschieds (z. B. 300 K) exergetisch ungünstig. Die Verwendung und der Verbrauch von flüssigem Helium in diesem Zusammenhang sind daher sehr unwirtschaftlich.
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Hinzu kommt, dass durch die große Temperaturdifferenz der Kühlmittelströme die gewünschte Temperatur nicht ohne Weiteres genau eingestellt werden kann. Hierzu ist eine zusätzliche Ausrüstung von Nöten, wie z. B. eine Mischkammer. Aufgrund der hohen Dichteunterschiede der Kühlmittelströme ist es jedoch schwierig, in einer solchen Mischkammer eine homogene Mischung zu erreichen. Des Weiteren können mit diesem Verfahren Temperaturen unterhalb von 4,5 K nicht erreicht werden.
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Es ist weiterhin bekannt, dass im Teillastbetrieb einer Kälteanlage bei Temperaturen in Höhe von 4,5 K und darunter dem Hauptprozessstrom verdampftes Flüssighelium mit einer Temperatur in Höhe von 4,5 K zugemischt wird.
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Des Weiteren ist bekannt, dass der Austrittsstrom (typischerweise 5 K, 3 bar) der Kaltkompressoren wieder auf die Saugseite der Kaltkompressoren geführt wird und mit einem kalten Prozessstrom abgekühlt wird (Kündig, Andres et al. „The coldcompressor systems for the LHC cryoplants at CERN").
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Erst wenn die gewünschte Temperatur und der gewünschte Druck in der Kälteanlage und insbesondere bei den Kaltkompressoren vorliegen, wird die Kälteanlage mit dem zu kühlenden Objekt verbunden.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs dargelegten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehend diskutierten Nachteile gemindert werden.
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Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind unter anderem in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte aufweist: Abkühlen des mindestens einen Kaltkompressors (oder einer Mehrzahl an in Serie geschalteten Kaltkompressoren), indem ein erstes kaltes Fluid mit einer ersten Temperatur durch den mindestens einen Kaltkompressor geleitet wird, wobei sich das erste Fluid durch insbesondere direkten Wärmetausch mit dem mindestens einen Kaltkompressor erwärmt, Abkühlen eines regelbaren Teilstroms des erwärmten ersten Fluids, der insbesondere 0 bis 100% des zweiten Fluidstroms beträgt, nach dem Verlassen des mindestens einen Kaltkompressors auf die erste Temperatur, Zurückführen des auf die erste Temperatur abgekühlten Teilstroms in den mindestens einen Kaltkompressor.
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Durch diese Art der Regelung können die von der Kälteanlage geforderten Temperaturen genauer geregelt werden. Weiterhin können über das Zurückführen des Teilstroms Temperaturen unterhalb 4.5 K erreicht werden, insbesondere indem der zurückgeführte Teilstrom über ein Ventil entspannt wird. Die Temperatur des Teilstroms muss dazu allerdings unterhalb der Inversionstemperatur liegen, damit der Joule-Thomson Effekt ausgenutzt werden kann. Dadurch wird insbesondere der Teillastbetrieb stabiler und die Verfügbarkeit der zu kühlenden Anlage steigt.
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Ein tiefkaltes, erstes Fluid kann insbesondere Temperaturen im Bereich von 120 K bis 1.8 K aufweisen. (Entsprechend der Definition von oben und Handbook of cryogenic engineering, J. G. Weisend II).
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Sofern mehrere in Serie geschaltete Kompressoren vorhanden sind, wird das erste Fluid durch die hintereinander in Serie geschalteten Kaltkompressoren geleitet, also von einem Kaltkompressor in den nächsten Kaltkompressor. Der Teilstrom wird bevorzugt stromab des letzten Kaltkompressors abgezogen und wird bevorzugt in den ersten Kaltkompressor zurückgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Abkühlen des mindestens einen Kaltkompressors mit dem ersten Fluid, der mindestens eine Kaltkompressor durch ein zweites Fluid mit einer zweiten Temperatur auf eine dritte vordefinierbare Temperatur abgekühlt wird, wobei diese Abkühlung insbesondere durch Wärmetausch mit dem zweiten Fluid erfolgt, wobei das zweite Fluid durch den mindestens einen Kaltkompressor geleitet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abkühlen des Teilstroms des durch insbesondere direkten Wärmetausch mit dem mindestens einen Kaltkompressor erwärmten ersten Fluids in einer oder mehreren Stufen erfolgt, insbesondere in drei Stufen.
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Das Zurückführen und Abkühlen des Teilstroms des ersten Fluids ist vergleichsweise wirtschaftlich, da das erste Fluid idealerweise nur wenig erwärmt wurde, und daher nur um wenige Kelvin gekühlt werden muss.
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Bevorzugt erfolgt das Abkühlen des Teilstroms in einer ersten Stufe zunächst mit einem ersten Kühlmittel mit einer vierten Temperatur insbesondere durch indirekte Wärmeübertragung in einem ersten Wärmeübertrager, wobei das erste Kühlmittel insbesondere Helium ist, und wobei die vierte Temperatur insbesondere in einem Bereich von 5 K bis 12 K liegt und insbesondere 8 K beträgt. Der Druck des Heliums liegt vorzugsweise zwischen 3 und 5,5 bar und beträgt insbesondere 5 bar.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung erfolgt das Abkühlen des Teilstroms in einer insbesondere sich an die erste Stufe anschließenden zweiten Stufe mittels eines zweiten Kühlmittels mit einer fünften Temperatur, und zwar insbesondere durch indirekte Wärmeübertragung in einem zweiten Wärmeübertrager, wobei das zweite Kühlmittel insbesondere Helium ist, und wobei die fünfte Temperatur insbesondere in einem Bereich von 4 K bis 5 K liegt, und wobei das Helium insbesondere flüssig ist, und wobei die fünfte Temperatur insbesondere 4.5 K beträgt. Der Druck des flüssigen Heliums liegt bevorzugt zwischen 1 und 1,35 bar, insbesondere bei 1,25 bar.
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Das erwärmte erste Fluid bzw. der Teilstrom wird also vorzugsweise stufenweise abgekühlt und zwar insbesondere auf 4.5 K. Die Temperaturgradienten zwischen dem ersten Fluid bzw. dem Teilstrom und insbesondere dem zweiten Kühlmittel sollten nicht zu groß sein, da ansonsten der Wärmeübertrag auf das zweite Kühlmittel vergleichsweise groß werden würde und einen erhöhten Verbrauch des zweiten Kühlmittels mit sich bringen würde. Ein erhöhter Verbrauch ist aber vergleichsweise unwirtschaftlich, da insbesondere das Erzeugen des zweiten Kühlmittels mit Temperaturen um 4.5 K energetisch aufwändig ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Teilstrom in einer insbesondere sich an die zweite Stufe anschließenden dritten Stufe auf die erste Temperatur abgekühlt wird, wobei die besagte Abkühlung auf die erste Temperatur insbesondere durch Drosseln des ersten Fluids erreicht wird. Der Druck auf der Austrittsseite des Drosselventils entspricht dabei insbesondere dem Saugdruck des ersten Kaltkompressors. Sofern nur ein Wärmeübertrager bzw. Kühlmittel zum Abkühlen des Teilstroms verwendet wird, kann sich diese Drosselung auch an die einzig vorhandene erste Stufe anschließen. Sofern – abgesehen von der Drosselung – mehr als zwei Stufen zum Abkühlen des Teilstroms vorhanden sind, kann die Drosselung jeweils diesen Stufen nachfolgen.
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Durch die Drosselung des Teilstroms kommt es insbesondere zum sogenannten Joule-Thomson Effekt, der aufgrund von bekannten physikalischen Prinzipien zur weiteren Abkühlung des Teilstroms führt. Diese Drosselung wird insbesondere in einem Bypass-Kreislauf vermittels eines Drosselventils durchgeführt, wobei der Bypass Kreislauf den Kreislauf bezeichnet, in dem der Teilstrom stufenweise abgekühlt und anschließend in den mindestens einen Kaltkompressor zurückgeführt wird. In diesem Bypass-Kreislauf sind insbesondere der erste und der zweite Wärmeübertrager vorgesehen, durch die die Abkühlung des Teilstroms in der ersten bzw. zweiten Stufe erfolgt. Die Drosselung findet bevorzugt stromab dieser Wärmeübertrager statt.
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In einer bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass durch die Abkühlung des Teilstroms mit dem zweiten Kühlmittel mit der fünften Temperatur, das zweite Kühlmittel erwärmt und insbesondere verdampft wird. Das so erwärmte zweite Kühlmittel kann insbesondere dem Teilstrom beigemischt werden. Bevorzugt ist weiterhin bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die zweite Temperatur in einem Bereich von 30 K bis 60 K liegt, bevorzugt in einem Bereich von 35 K bis 45 K, oder 40 K beträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die dritte Temperatur in einem Bereich von 30 K bis 60 K, bevorzugt 45 K bis 55 K, oder sie beträgt vorzugsweise 50 K.
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In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Temperatur in einem Bereich zwischen 1,8 K und 5 K liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2 K bis 4,5 K.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zweite Fluid mit der zweiten Temperatur zum Abkühlen des Kaltkompressors aus einem Schildvorlauf der Kälteanlage abgezogen, der insbesondere zum Temperieren und/oder zum thermischen Abschirmen der Kälteanlage vorgesehen ist. Dieser Schildvorlauf weist also insbesondere das zweite Fluid mit der zweiten Temperatur bereits auf, so dass auch hier die Gewinnung des zweiten Fluids vergleichsweise wirtschaftlich geschieht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischer Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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2 einen schematischer Aufbau einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in Verbindung mit 2 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. eine Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird zunächst ein zweites Fluid F' mit einer zweiten Temperatur, beispielsweise 40 K, durch einen Kaltkompressor 1 sowie ggf. weitere Kaltkompressoren 1a, 1b, 1c geleitet 101. Wenn die Kaltkompressoren 1, 1a, 1b, 1c durch direkten Wärmetausch mit dem zweiten Fluid F' auf eine dritte vordefinierbare Temperatur, beispielsweise 50 K, abgekühlt sind 102, wird ein erstes tiefkaltes Fluid F mit einer ersten Temperatur, beispielsweise 4,5 K, durch die in Serie geschalteten Kaltkompressoren 1, 1a, 1b, 1c geleitet 103. Bei dem ersten und dem zweiten Fluid F, F' handelt es sich insbesondere um gasförmiges Helium.
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Das Durchleiten des ersten Fluids F durch die Kaltkompressoren 1, 1a, 1b, 1c bewirkt eine Erwärmung des besagten ersten Fluids F, insbesondere durch direkten Wärmetausch mit den Kaltkompressoren 1, 1a, 1b, 1c. Nachdem das erste Fluid F die Kaltkompressoren 1, 1a, 1b, 1c durchflossen hat, wird ein insbesondere regelbarer Teilstrom T, der zwischen 0% und 100% des ersten Fluidstroms F aus den Kaltkomressoren 1, 1a, 1b, 1c betragen kann, über eine insbesondere dreistufige Kühlanordnung in den ersten Kaltkompressor 1 zurückgeführt 107.
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Die dreistufige Kühlanordnung weist eine erste Stufe 104 auf, die den Teilstrom T mittels eines ersten Kühlmittels K, das eine vierte Temperatur, insbesondere 8 K, aufweist, abkühlt, wobei diese Abkühlung insbesondere über einen indirekten Wärmetausch zwischen dem Teilstrom T und dem ersten Kühlmittel K in einem ersten Wärmeübertrager 2 efolgt.
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In einer sich an die erste Stufe 104 anschließenden zweiten Stufe 105 wird der Teilstrom T mit einem zweiten Kühlmittel K', das eine fünfte Temperatur, insbesondere 4,5 K, aufweist, abgekühlt, wobei diese Abkühlung insbesondere über einen indirekten Wärmetausch zwischen dem Teilstrom T und dem zweiten Kühlmittel K' in einem zweiten Wärmeübertrager 3 erreicht wird.
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Das zweite Kühlmittel K kann dann bedarfsweise dem Teilstrom T zugemischt werden. Insbesondere haben der Teilstrom T und das zweite Kühlmittel K' ungefähr gleiche Drücke.
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An die zweite Stufe 105 des Abkühlens des Teilstroms T schließt sich eine dritte Stufe 106 des Abkühlens an. Hier wird eine weitergehende Abkühlung des Teilstroms T insbesondere durch Drosselung des Teilstroms T vermittels eines Drosselventils 4 erreicht. Nach Durchströmen der dritten Stufe 106 wird der Teilstrom T, wie oben erwähnt, wieder in den ersten Kaltkompressor 1 zurückgeführt 107.
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Wenn der bzw. die Kaltkompressoren
1,
1a,
1b,
1c die erste Temperatur erreicht haben
110, können die Kaltkompressoren
1,
1a,
1b,
1c insbesondere im Teillastbetrieb
111 gefahren werden, wobei insbesondere weiterhin ein Teilstrom T, wie oben beschrieben, durch die drei Kühlstufen
104,
105 106 gekühlt und in den Kaltkompressor
1 zurückgeführt
107 werden kann. Bezugszeichenliste
| 1 | Kaltkompressor |
| 2 | Erster Wärmeübertrager |
| 3 | Zweiter Wärmeübertrager |
| 4 | Drosselung, Drosselventil |
| 101 | Durchleiten des zweiten Fluids mit zweiter Temperatur |
| 102 | Kaltkompressor ist auf dritte Temperatur abgekühlt |
| 103 | Durchleiten des ersten Fluids mit erster Temperatur |
| 104 | Erste Stufe des Abkühlens des Teilstroms |
| 105 | Zweite Stufe des Abkühlens des Teilstroms |
| 106 | Dritte Stufe des Abkühlens des Teilstroms |
| 107 | Rückführung des Teilstroms in den Kaltkompressor |
| 108 | Bedarfsweise Zumischung des zweiten Kühlmittels in den Teilstrom |
| 110 | Kaltkompressor hat erste Temperatur |
| 111 | Teillastbetrieb des Kaltkompressors |
| F | Erstes Fluid bzw. erster Fluidstrom |
| F' | Zweites Fluid bzw. zweiter Fluidstrom |
| K | Erstes Kühlmittel |
| K' | Zweites Kühlmittel |
| T | Teiltrom des ersten Fluidstroms |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Kündig, Andres et al. „The coldcompressor systems for the LHC cryoplants at CERN” [0009]
