DE102015113448A1

DE102015113448A1 - Verfahren und Anlage zur Verflüssigung von kryogenen Gasen

Info

Publication number: DE102015113448A1
Application number: DE102015113448.9A
Authority: DE
Inventors: Dennis Krieg; Claus Wilke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Zur Kühlung kryogener Gase 2 ist ein Verfahren und eine Anlage vorgesehen, bei denen das kryogene Gas 2 in einem Primärsystem 4 separat von den jeweiligen Kühlgaskreisläufen 14–19 geführt wird. In diesem Primärsystem 4 mit den Wärmetauschern 5–10 wird das kryogene Gas nach und nach auf ~–270°C abgekühlt, während in dem Sekundärsystem 12 mit den Verfahrensstufen 23–28 das Kühlgas 2 gleichmäßig gekühlt wird. Die beiden letzten Verfahrensstufen 27, 28 sind magnetokalorisch ausgelegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen von kryogenen Gasen, bei dem die Temperatur des kryogenen Gases in mehreren Verfahrensstufen verringert wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Verflüssigung kryogenen Gases mit einem von hintereinander angeordneten Wärmetauschern gebildeten Kühlkreislauf.
Kryogene Gase werden bei atmosphärischem Druck erst unter sehr niedrigen Temperaturen flüssig. Diese kryogenen Gase weisen Siedepunkte auf, die bei Neon bei 27,1 K (~–246°C) liegen, bei Wasserstoff 20,4 K (~–259°C) und bei Helium 4,2 K (~–269°C).
Insbesondere der Siedepunkt von Helium liegt sehr nahe am absoluten Nullpunkt (~–273°C). Des Weiteren verfügen diese kryogenen Gase über eine Inversionskurve, die bereits niedrige Temperaturen erfordert, bevor das Gas durch eine isenthalpe Entspannung überhaupt kälter wird und damit über ein Joule-Thomson-Ventil verflüssigt werden kann. Die Verflüssigung ist damit sehr aufwendig und teuer. Trotzdem wird ein solches Gas in flüssiger Form für die Industrie immer wichtiger. So werden sie z. B. als Kühlmittel für den Supraleiter oder als Trägergase in der Halbleiterindustrie benötigt. Auch für den Transport von Wasserstoff beispielsweise in großen Mengen lässt sich dieser Transport durch Verflüssigung wesentlich vereinfachen, sodass die Bedeutung der Verflüssigung kryogener Gase immer mehr zunimmt. Bekannt ist es, derartige kryogene Gase über Entspannung und indirekten Wärmetausch zu kühlen. Eine weitere Möglichkeit ist die Ausnutzung des sogenannten magnetokalorischen Effekts. Hierbei wird mit einem magnetischen Material gearbeitet, das magnetisiert und entmagnetisiert wird, um dann das kryogene Gas indirekt zu kühlen. Solche Verfahren werden in der US 4,332,135 und der DE 38 43 065 A1 beschrieben. Diese Verfahren leiden insbesondere bei sinkenden Temperaturen unter einem immer schlechteren Wirkungsgrad und sind daher sehr energieintensiv. Bei magnetokalorischen Verfahren entstehen bei höheren Temperaturen, also z. B. im Bereich der Umgebungstemperatur thermodynamische Effekte, die die Kühlung deutlich verkomplizieren. Des Weiteren können mit magnetischem Material jeweils nur bestimmte Temperaturbandbreiten abgedeckt werden. Die dafür erforderlichen seltenen Erden sind teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Anlage energieeffizient und dabei insbesondere die Anlage systemtechnisch einfach strukturiert und robust auszubilden.
Die Aufgabe wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, dass das kryogene Gas in mehreren Verfahrensstufen in einem Primärsystem durch Wärmetausch mit einem Kühlgas und anschließend in einer oder mehreren magnetokalorischen Verfahrensstufen an magnetischem Material weiter verringert wird, wobei das jeweilige Kühlgas und auch das magnetische Material in jeder Verfahrensstufe bzgl. Temperatur regeneriert und die Wärme im Kühlgas dabei über angeschlossene Kühlgaskreisläufe wieder reduziert wird.
Mit Hilfe dieses Verfahrens erreicht man eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades gegenüber den bekannten Verfahren und gleichzeitig eine wesentlich geringere Komplexität im Vergleich zu reinen magnetokalorischen Verfahren. Das magnetokalorische Verfahren wird erst bei bereits weit abgesenkten Temperaturen eingesetzt, sodass es zu negativen thermodynamischen Effekten nicht kommen kann. Vorteilhaft ist weiter, dass die jeweils zum Einsatz kommenden Kühlgaskreisläufe gleich aufgebaut sind, also auch den gleichen Wirkungsgrad erbringen und somit dazu beitragen, dass eine gleichmäßige Verringerung der Temperaturen möglich wird. Dabei werden die einzelnen jeweils miteinander verbundenen Abkühlungsschritte jeweils in etwa gleich ausfallen, sodass das Gesamtverfahren damit vorteilhaft vergleichmäßigt wird.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Primärsystem mit den Wärmetauschern für das kryogene Gas und das Sekundärsystem mit den Kühlgaskreisläufen für die Regenerierung des Kühlgases klar voneinander abgegrenzt werden. Damit kann es nicht zu Problemen kommen und umgekehrt wird damit erreicht, dass eine Gleichmäßigkeit der einzelnen Abkühlungsschritte gesichert werden kann. Das gesamte Verfahren wird damit übersichtlicher und energieeffizient.
Ein guter und gleichmäßiger Ausgangspunkt des Abkühlungsvorgangs ist dadurch gewährleistet, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren das kryogene Gas vor dem ersten indirekten Kühlvorgang in einem Verdichter komprimiert und in einem Kühler auf Umgebungstemperatur gekühlt wird oder aus einem Gasbehälter in entsprechendem Zustand der ersten Verfahrensstufe zugeführt wird. Der Kompressor erfüllt dabei vorrangig die Aufgabe, Druckverluste in Folge von Rohrreibung zu überwinden. Zur Vorkühlung des Gasstromes kann zweckmäßig ein verbleibender Gasstrom nach dem letzten Kühlschritt im Gegenstromverfahren eingesetzt werden.
Nach einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf die magnetokalorischen Verfahrensstufen folgend ein abschließendes Ventil, vorzugsweise ein Joule-Thomson-Ventil eingesetzt wird. Dies ist insbesondere zweckmäßig, um die endgültige Verflüssigung des kryogenen Gases zu regulieren bzw. abzusichern.
Weiter vorn ist erwähnt, dass die Wärmetauscher des Primärsystems über Kühlgas gekühlt werden, das je Verfahrensschritt einen immer gleichen Kühlgaskreislauf durchläuft. Hierzu ist gemäß einer Ausführung vorgesehen, dass das Kühlgas im Sekundärsystem nach dem Kühlen des kryogenen Gases im Wärmetauscher des Primärsystems mit der Wärme des nachfolgenden Kreislaufes belegt, dann verdichtet und weiter erwärmt wird, um nach Abgabe dieser zusätzlichen Wärme an die Umgebung oder den vorhergehenden Kühlgaskreislauf ohne Phasenwechsel entspannt, gekühlt und zum Kühlen des kryogenen Gases in der nächsten Verfahrensstufe verwendet zu werden. Das Kühlgas wird also im Sekundärsystem in einem jeweils gleichen Kühlgaskreislauf regeneriert, wobei die abzugebende Wärme entweder beim ersten Kühlgaskreislauf in die Umgebung abgegeben wird oder aber an den jeweils vorhergehenden Kühlgaskreislauf. Auf diese Weise gelingt es, etwa –50°C pro Verfahrensstufe das eigentliche kryogene Gas abzukühlen und so der Verflüssigung nach und nach nahezukommen bzw. sie zu erreichen.
Es hat sich herausgestellt, dass es besonders zweckmäßig ist, wenn in den Kühlkreisläufen der ersten Verfahrensstufen als Kühlgas Tetrafluormethan (CF₄) oder Stickstoff (N₂) oder insbesondere bei den magnetokalorischen Verfahrensstufen Neon (Ne), Wasserstoff (H₂) oder Helium eingesetzt wird. Insbesondere in den letzten Verfahrensstufen ist es so möglich, das magnetische Material mit dem Helium oder einem anderen Kühlgas so weit abzukühlen, dass die Verflüssigung erreicht wird.
Bezüglich der einzelnen Verfahrensstufen ist es besonders zweckmäßig, wenn das kryogene Gas in der ersten Verfahrensstufe auf ~–50°C und in den nachfolgenden Verfahrensstufen zwei, drei und vier auf ~–100°C, ~–150°C und ~–200°C gekühlt wird und dass in der ersten magnetokalorischen Verfahrensstufe fünf eine Kühlung auf ~–250°C und bei Bedarf in der Verfahrensstufe sechs auf ~–270°C vorgenommen wird. Mit dieser gleichmäßigen Abkühlung des kryogenen Gases und der indirekten Abkühlung zunächst über kühlgasbetriebene Wärmetauscher und dann zusätzlich mit magnetischen Materialien betriebene Wärmetauscher kann auf die beschriebene Art und Weise Stufe für Stufe das kryogene Gas in den gewünschten Zustand überführt werden.
Bezüglich der Verfahrensstufen fünf und sechs sieht die Erfindung vor, dass zur Abkühlung des kryogenen Gases in der fünften und/oder sechsten Verfahrensstufe das magnetische Material durch Anlegen eines Magnetfeldes erwärmt wird und dass diese Wärme vom Kühlgas des zugeordneten Kreislaufes reduziert wird und dass anschließend das magnetische Material durch Entfernen des Magnetfeldes weiter abgekühlt und zum Kühlen des kryogenen Gases verwendet wird, wobei das Kühlgas im Kühlgaskreislauf regeneriert wird. Als Kühlgas kommen hier bevorzugt Neon, Wasserstoff und Helium in Frage. Beim Arbeiten mit dem magnetischen Material macht sich die Erfindung den bekannten physikalischen Effekt zunutze, dass sich ein magnetisierbares Material durch Einbringen in ein ausreichend hohes Magnetfeld um einen bestimmten Betrag erwärmt und nach Entfernung des Magnetfeldes um den gleichen Betrag wieder abkühlt.
Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Anlage mit einem von hintereinander angeordneten und von einem kryogenen Gas nacheinander durchströmten Wärmetauschern gebildeten Primärsystem und einem davon klar getrennten Sekundärsystem aus wärmeabführend miteinander verbundenen, ansonsten getrennten, jeweils einem der Wärmetauscher des Primärsystems zugeordneten Kühlkreisläufen. Mit Hilfe einer derartigen Anlage wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung gebracht und zwar so, dass damit die Abkühlung der kryogenen Gase gelingt und zwar in einzelnen Verfahrensstufen mit entsprechend ausgebildeten Wärmetauschern.
Bezüglich der Wärmetauscher sieht die erfindungsgemäße Anlage vor, dass die ersten Wärmetauscher des Primärsystems über den jeweils zugeordneten Kühlgaskreislauf und ein oder mehrere nachgeordnete Wärmetauscher vom zugeordneten Kühlkreislauf kühlbares und über Magnete beeinflussbares magnetisches Material versorgt ausgebildet sind. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass das Abkühlen der kryogenen Gase insbesondere bei den ganz tiefen Temperaturen über das magnetische Material ohne verfahrensmäßige Probleme erreicht werden kann, während insbesondere die ersten Schritte der Abkühlung zweckmäßigerweise über die indirekte Kühlung im Wärmetauscher durch das Kühlgas erfolgen.
Es hat sich als besonders zweckmäßig herausgestellt, dass das in den zugeordneten Kühlgaskreisläufen eingesetzte Kühlgas Tetrafluormethan (CF₄) oder Stickstoff (N₂) oder insbesondere bei den Kühlgaskreisläufen der magnetokalorischen Verfahrensstufen Neon (Ne), Wasserstoff (H₂) oder Helium ist. Insbesondere bei den magnetokalorischen Verfahrensstufen ist der Einsatz von Helium zweckmäßig, um die besonders niedrigen Temperaturen sicher zu erreichen.
Das Abkühlen des Kühlgases bzw. das Regenerieren ist besonders vorteilhaft zu erreichen, wenn wie erfindungsgemäß vorgeschlagen jeder Kühlgaskreislauf eine Wärmesenke in Form eines Wärmetauschers für die nachfolgende Verfahrensstufen aufweist und an die Wärmesenke des vorhergehenden Kühlgaskreislaufes angeschlossen ist, wobei die Wärmesenke des ersten Kühlgaskreislaufes die kumulierte Wärme an die Umgebung abgebend ausgebildet ist. Die in den einzelnen Kühlgaskreisläufen anfallende „überflüssige“ Wärme wird auf diese Weise sehr gleichmäßig und zielgerichtet von einem Kühlgaskreislauf in den anderen übergeben und kann dann in die Atmosphäre abgegeben werden, ohne dass dabei die Verfahrensführung belastet würde.
Die Regeneration des Kühlgases wird besonders zweckmäßig verwirklicht, indem zwischen den Wärmesenken jedes Kühlgaskreislaufes ein Verdichter und eine Drossel oder Turbine geschaltet ist, wobei die Drossel eine Gasverbindung zum zugeordneten Wärmetauscher des Primärsystems aufweist, um so die indirekte Kühlung in den Wärmetauschern vornehmen zu können. In diesem Zusammenhang darf noch einmal daran erinnert werden, dass die einzelnen Kühlgaskreisläufe alle gleich aufgebaut sind, weil auf diese Weise eine gleichmäßige und sichere Abkühlung der kryogenen Gase schrittweise zu erreichen ist.
Einen hohen Wirkungsgrad erreicht die Erfindung u. a. auch dadurch, dass die Wärmetauscher und/oder die Wärmesenken als Gegenstrom-Plattenwärmetauscher ausgebildet sind. In diesen Plattenwärmetauschern ist eine gleichmäßige Belastung des entsprechenden Verfahrensschrittes möglich, was sich bezüglich der angestrebten Energieeffizienz besonders positiv auswirkt.
Eine weitere zweckmäßige Ausbildung der erfindungsgemäßen Anlage sieht vor, dass der zum Magnetisieren des magnetischen Materials dienende Magnet als schwenkbarer, alternierender Magnet den Verfahrensstufen fünf und sechs zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die Beladung und Regeneration der beiden magnetischen Verfahrensstufen abwechselnd durchzuführen, wobei durch die Anordnung mehrerer, paralleler Verfahrensstufen ein quasi kontinuierlicher Prozess erreicht werden kann.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verfahren und eine Anlage entwickelt worden sind, die das Abkühlen kryogener Gase bei atmosphärischem Druck bis zum flüssigen Zustand möglich macht und zwar im gleichmäßigen Betrieb, also energieeffizient und vom Aufbau her auch sehr robust und einfach strukturiert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
1 ein Verfahrensschema,
2 ein vereinfachtes Schema einer magnetokalorischen Verfahrensstufe und
3 einen vereinfacht wiedergegebenen alternierend wirkenden Magneten.
Aus 1 lässt sich deutlich erkennen, dass die Anlage 1 zum Kühlen des kryogenen Gases 2 in ein Primärsystem 4 und ein Sekundärsystem 12 unterteilt ist. Das Primärsystem 4 zeigt eine Reihe von Wärmetauschern, die in den aneinander anschließenden Verfahrensstufen 23–28 gleich ausgebildet sind. Bezüglich der beiden letzten Verfahrensstufen 27, 28 liegt eine magnetokalorische Ausbildung vor, auf die weiter hinten noch eingegangen wird.
Das zu kühlende und ggf. zu reinigende und zu verflüssigende kryogene Gas 2, insbesondere Helium, Wasserstoff und Neon, wird in dem schon erwähnten Verdichter 3 auf Druck gebracht und in einem angeschlossenen Kühler auf Umgebungstemperatur gekühlt. Alternativ kann das komprimierte kryogene Gas auch direkt dem Prozess zugeführt werden, z. B. aus einem Gasbehälter oder nach einem Elektrolyseprozess im Falle von Wasserstoff. Dieser Kompressor bzw. Verdichter 3 erfüllt vorrangig die Aufgabe, Druckverlust in Folge von Rohrreibung zu überwinden. Turbinen werden im Primärsystem nicht verwendet und es ist nicht als Kreisprozess ausgelegt. Die finale Verflüssigung in einer Drossel bzw. in einem Joule-Thomson-Ventil kann wahlweise vorgenommen werden.
Wie schon erwähnt, wird das kryogene Gas 2 in den ersten Wärmetauscher 5 eingeführt und zwar in der Verfahrensstufe 23. In diesem Wärmetauscher 5 wird das Gas auf rund –50°C gekühlt. In bevorzugter Bauweise wird dazu ein Gegenstromwärmetauscher verwendet. Angestrebt wird – wie schon erwähnt – die Primärgastemperatur von ca. –50°C beim Austritt aus dem Wärmetauscher 5.
Die Kühlung im Wärmetauscher 5 erfolgt durch einen ersten Kühlgaskreislauf 14 im Sekundärsystem 12. In dem Verdichter 35 werden der Druck und die Temperatur des Kühlgases erhöht. Die Temperatur wird in einem nachfolgenden Wärmetauscher bzw. einer Wärmesenke 31 an die Umgebung abgegeben, sodass die Temperatur dieses Kühlgases auf nahe der Umgebungstemperatur sinkt. Diese Prozessschritte werden bevorzugt mehrstufig ausgelegt, um eine möglichst isotherme Kompression zu ermöglichen. In einer nachfolgenden Drossel 36 oder alternativ einer Turbine wird das Kühlgas des Kühlgaskreislaufes 14 entspannt und kühlt sich so ab. Im schon erwähnten Wärmetauscher 5 entzieht dieses Kühlgas des Kühlgaskreislaufes 14 dem kryogenen Gas 2 Wärme und kühlt es so ab. Im Anschluss durchläuft das Kühlgas die schon erwähnte Wärmesenke 30. Hier dient die Wärmesenke 30 dann gleichzeitig für den zweiten Kühlgaskreislauf 15 als Wärmesenke. Als mögliche Kühlgase kommen hier z. B. CF₄ und N₂ in Frage. Ziel ist es, einen Phasenwechsel vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zu vermeiden, sowie möglichst geringe Druckverhältnisse zu realisieren, auch um die Kompression mit optimalem Lastmoment betreiben zu können.
Das kryogene Gas 2 wird im zweiten Wärmetauscher 6 auf ca. –100°C abgekühlt. Wie im ersten Kühlgaskreislauf 14 erfolgt auch im zweiten Kühlgaskreislauf 15 der Wärmetransport. Im Kompressor 35‘ wird das Kühlgas komprimiert, wobei die Temperatur steigt. Der Wärmetauscher 32‘ dient hier gleichzeitig wieder als Wärmesenke. Die Wärme wird in den vorhergehenden Kühlgaskreislauf 14 abgeführt, wobei dieser Kühlgaskreislauf 14 die Wärme in die Umgebung abgibt. In einer Drossel 36‘ oder Turbine wird das Kühlgas entspannt und kühlt sich so ab. Nachdem das Kühlgas im Wärmetauscher 6 dem kryogenen Gas 2 die Wärme entzogen hat, durchläuft es – wie schon erwähnt – den als Wärmesenke 32‘ dienenden Wärmetauscher. Als Kühlgase kommen hier z. B. CF₄ und N₂ in Frage.
Das kryogene Gas 2 wird im dritten Wärmetauscher 7 auf ca. –150°C abgekühlt. Wie in der ersten und zweiten Verfahrensstufe 23, 24 erfolgt auch in der Verfahrensstufe 25 der Wärmetransport. Im Kompressor 35‘‘ wird das Kühlgas komprimiert, wobei die Temperatur steigt. Der Wärmetauscher 32‘ dient wieder als Wärmesenke. Die Wärme wird hier in den zweiten Kühlgaskreislauf 15 abgeführt. In der Drossel 36‘‘ oder Turbine wird das Kühlgas entspannt und kühlt sich so ab. Nachdem das Kühlgas des dritten Kühlgaskreislaufes 16 im Wärmetauscher 7 dem kryogenen Gas 2 Wärme entzogen hat, durchläuft es den Wärmetauscher 30‘, der als Wärmesenke für den vierten Kühlgaskreislauf 17 dient. Als Kühlgas kommt hier vor allem N₂ in Frage.
Das kryogene Gas 2 wird im vierten Wärmetauscher 8 auf ca. –200°C abgekühlt. Der Wärmetransport erfolgt wie in den vorherigen Kühlgaskreisläufen 14–16. Im Kompressor 3‘ wird das Kühlgas komprimiert, wobei die Temperatur steigt. Der Wärmetauscher 30‘ dient als Wärmesenke. Die Wärme wird hier in den vorherigen Kühlgaskreislauf 16 übergeben. In einer Drossel 36‘‘‘ wird das Gas entspannt und kühlt sich so ab. Nachdem das Kühlgas im Wärmetauscher 8 dem kryogenen Gas 2 Wärme entzogen hat, durchläuft es den Wärmetauscher 33, der wieder als Wärmesenke ausgebildet ist und zwar für den fünften Kühlgaskreislauf 18. Als Kühlgase kommen hier bevorzugt Neon, Wasserstoff und Helium in Frage.
Das kryogene Gas 2 wird im fünften Wärmetauscher 9 auf ca. –250°C abgekühlt. Diese Verfahrensstufe 27 ist eine magnetokalorische Stufe. Durch das Anlegen eines Magnetfeldes bzw. Magneten 22 wird das magnetische Material 21 magnetisiert und erwärmt sich dabei. Diese Wärme wird durch den Sekundärkreislauf 18 abgeführt. Der Wärmetransport erfolgt dabei wie in den vorherigen Kühlgaskreisläufen 14–17. Im Kompressor 35‘‘‘‘ wird das Kühlgas komprimiert, wobei die Temperatur steigt. Der Wärmetauscher dient in diesem Kühlgaskreislauf 18 wieder als Wärmesenke 31. Die Wärme wird hier in den vorherigen Kühlgaskreislauf 17 abgeführt. In einer Drossel 36‘‘‘‘ wird das Kühlgas entspannt und kühlt sich so ab. Nachdem das Gas im Wärmetauscher 9 dem magnetischen Material 21 Wärme entzogen hat, durchläuft es den Wärmetauscher 31, welcher als Wärmesenke für den letzten Kühlgaskreislauf 19 dient. Als Kühlgas kommen bevorzugt Neon, Wasserstoff und Helium in Frage. Das Magnetfeld wird nach der Kühlung durch das Kühlgas entfernt, wodurch sich das magnetische Material 21 stark abkühlt. Das kryogene Gas 2 wird eingeleitet und kühlt sich am magnetischen Material 21 ab. An diese Stufe kann sich – wie angedeutet – ein Joule-Thomson-Ventil 40 anschließen. Das Verfahren kann in dieser Verfahrensstufe 27 abgebrochen werden, wenn die notwendige Kühlung bzw. Reinheit des kryogenen Gases erreicht wurde oder das Gas bereits verflüssigt vorliegt. Neon und Wasserstoff können in dieser Verfahrensstufe 27 bereits verflüssigt sein, bei Helium wird in der Regel die sechste Verfahrensstufe 28 notwendig sein.
Das kryogene Gas wird insbesondere bei Helium in der sechsten Verfahrensstufe 28 weiter gekühlt, wobei auch diese Verfahrensstufe 28 magnetokalorisch ausgeführt ist. Die Abkühlung wird auf ~–270°C abgestellt. Auch hier wird durch das Anlegen eines Magnetfeldes oder des Magneten 22 das magnetische Material 21 erwärmt. Diese Wärme wird durch den schon erwähnten Kühlkreislauf 19 abgeführt. Der Wärmetransport erfolgt dabei wie in den vorherigen Kühlgaskreisläufen 14–18. Im Kompressor 35‘‘‘‘‘ wird das Kühlgas komprimiert, wobei die Temperatur steigt. Der Wärmetauscher der hier als Wärmesenke 31 dient, führt die aufgenommene Wärme in den vorherigen Kühlgaskreislauf 18 ab. In der Drossel 36‘‘‘‘‘ wird das Kühlgas entspannt und kühlt sich so ab. Dieses Gas entzieht dann, wie schon erwähnt, dem magnetischen Material 21 im zugeordneten Wärmetauscher 10 die Wärme und wird zum Kompressor 35‘‘‘‘‘ gebracht. Als Kühlgas kommt hier Helium in Frage.
Das Magnetfeld wird nach der Kühlung in der Verfahrensstufe 28 durch das Kühlgas des Kühlgaskreislaufes 19 entfernt, wodurch sich das magnetische Material 21 stark abkühlt. Das kryogene Gas 2 wird eingeläutet und kühlt sich am magnetischen Material 21 ab. In dieser Verfahrensstufe 28 kann Helium verflüssigt werden. Bei Bedarf ist auch hier der Anschluss eines Joule-Thomson-Ventils 40 möglich. Die Gasverbindung zwischen den Drosseln 36 und den Wärmetauschern 5–10 ist mit 37 bezeichnet.
Der Magnet 22 kann bei Bedarf, wie in den 2 und 3 angedeutet, so ausgelegt werden, dass er die magnetischen Materialien 21 alternierend magnetisiert. Während das eine magnetische Material 21 magnetisiert und durch einen zugeordneten Kühlgaskreislauf 18 regeneriert wird, wird das nächste Material 21‘ zur Kühlung des kryogenen Gases verwendet. In 2 ist angedeutet, dass das Kühlgas der Kühlgaskreisläufe 18, 19 verwendet wird, um das magnetische Material 21 abzukühlen, um dann das kryogene Gas 2 am entmagnetisierten Material 21 vorbeizuführen. Mit 22 ist der Magnet bzw. das Magnetfeld angedeutet. Ein alternierender Magnet ist in 3 angedeutet, wobei der Magnet 22 sich in einem Aufnahmerohr 38 befindet und hin und her geschwenkt werden kann, mit Hilfe der Magnetschalter 39.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4332135 [0003]
DE 3843065 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Verflüssigen von kryogenen Gasen, bei dem die Temperatur des kryogenen Gases in mehreren Verfahrensstufen in einem Primärsystem durch Wärmetausch mit einem Kühlgas und anschließend in einer oder mehreren magnetokalorischen Verfahrensstufen an magnetischem Material weiter verringert wird, wobei das jeweilige Kühlgas und auch das magnetische Material in jeder Verfahrensstufe bzgl. Temperatur regeneriert und die Wärme im Kühlgas dabei über angeschlossene Kühlgaskreisläufe wieder reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärsystem mit den Wärmetauschern für das kryogene Gas und das Sekundärsystem mit den Kühlgaskreisläufen für die Regenerierung des Kühlgases klar voneinander abgegrenzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Gas vor dem ersten indirekten Kühlvorgang in einem Verdichter komprimiert und in einem Kühler auf Umgebungstemperatur gekühlt wird oder aus einem Gasbehälter in entsprechendem Zustand der ersten Verfahrensstufe zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die magnetokalorischen Verfahrensstufen folgend ein abschließendes Ventil, vorzugsweise ein Joule-Thomson-Ventil eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas im Sekundärsystem nach dem Kühlen des kryogenen Gases im Wärmetauscher des Primärsystems mit der Wärme des nachfolgenden Kreislaufes belegt, dann verdichtet und weiter erwärmt wird, um nach Abgabe dieser zusätzlichen Wärme an die Umgebung oder den vorhergehenden Kühlgaskreislauf ohne Phasenwechsel entspannt, gekühlt und zum Kühlen des kryogenen Gases in der nächsten Verfahrensstufe verwendet zu werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkreisläufen der ersten Verfahrensstufen als Kühlgas Tetrafluormethan (CF₄) oder Stickstoff (N₂) oder insbesondere bei den magnetokalorischen Verfahrensstufen Neon (Ne), Wasserstoff (H₂) oder Helium eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kryogene Gas in der ersten Verfahrensstufe auf ~–50°C und in den nachfolgenden Verfahrensstufen zwei, drei und vier auf ~–100°C, ~–150°C und ~–200°C gekühlt wird und dass in der ersten magnetokalorischen Verfahrensstufe fünf eine Kühlung auf ~–250°C und bei Bedarf in der Verfahrensstufe sechs auf ~–270°C vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abkühlung des kryogenen Gases in der fünften und/oder sechsten Verfahrensstufe das magnetische Material durch Anlegen eines Magnetfeldes erwärmt wird und dass diese Wärme vom Kühlgas des zugeordneten Kreislaufes reduziert wird und dass anschließend das magnetische Material durch Entfernen des Magnetfeldes weiter abgekühlt und zum Kühlen des kryogenen Gases verwendet wird, wobei das Kühlgas im Kühlgaskreislauf regeneriert wird.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Verflüssigung kryogenen Gases mit einem von hintereinander angeordneten und von einem kryogenen Gas (2) nacheinander durchströmten Wärmetauschern (5–10) gebildeten Primärsystem (4) und einem davon klar getrennten Sekundärsystem (12) aus wärmeabführend miteinander verbundenen, ansonsten getrennten, jeweils einem der Wärmetauscher (5–10) des Primärsystems (4) zugeordneten Kühlkreisläufen (14–19).
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wärmetauscher (5–8) des Primärsystems (4) über den jeweils zugeordneten Kühlgaskreislauf (14–17) und ein oder mehrere nachgeordnete Wärmetauscher (9, 10) vom zugeordneten Kühlkreislauf (18, 19) kühlbares und über Magnete (22) beeinflussbares magnetisches Material (21) versorgt ausgebildet sind.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das in den zugeordneten Kühlgaskreisläufen (14–17) eingesetzte Kühlgas Tetrafluormethan (CF₄) oder Stickstoff (N₂) oder insbesondere bei den Kühlgaskreisläufen (18, 19) der magnetokalorischen Verfahrensstufen (27, 28) Neon (Ne), Wasserstoff (H₂) oder Helium ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlgaskreislauf (14–19) eine Wärmesenke (30, 31) in Form eines Wärmetauschers für die nachfolgende Verfahrensstufen (23–28) aufweist und an die Wärmesenke (32, 33) des vorhergehenden Kühlgaskreislaufes (14–19) angeschlossen ist, wobei die Wärmesenke (30) des ersten Kühlgaskreislaufes (14) die kumulierte Wärme an die Umgebung abgebend ausgebildet ist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmesenken (30–33) jedes Kühlgaskreislaufes (14–19) ein Verdichter (35) und eine Drossel (36) oder Turbine geschaltet ist, wobei die Drossel (36) eine Gasverbindung (37) zum zugeordneten Wärmetauscher (5–10) des Primärsystems (4) aufweist.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (5–10) und/oder die Wärmesenken (30–33) als Gegenstrom-Plattenwärmetauscher ausgebildet sind.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Magnetisieren des magnetischen Materials (21) dienende Magnet (22) als schwenkbarer, alternierender Magnet den Verfahrensstufen (27, 28) zugeordnet ist.