DE102019206904A1 - Method for cooling a fluid mixture - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist. Das Fluidgemisch wird zunächst in mindestens einem Verdichter 1 verdichtet und mittels Rückkühler 2 und Wärmeübertrager 3, 4, 5 gekühlt, wobei mindestens eine erste Komponente des Fluidgemischs kondensiert und eine zweite Komponente in einem gasförmigen Zustand verbleibt. Ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs wird von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs in einem Phasentrenner 6 separiert. Während der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit mindestens der ersten flüssigen Komponente gebildet ist, mittels Regelventil 8 entspannt wird, treibt der zweite Masseteilstrom, der mit mindestens der zweiten gasförmigen Komponente gebildet ist, eine Turbine 7 an. Beide Masseteilströme werden danach wieder gemischt und in Gegenrichtung durch den Wärmeübertrager 3, 4,5 geleitet, bevor der Kühlzyklus erneut beginnt.The invention relates to a method for performing a cooling process with a fluid mixture that is formed with at least two components. The fluid mixture is first compressed in at least one compressor 1 and cooled by means of dry coolers 2 and heat exchangers 3, 4, 5, at least one first component of the fluid mixture condensing and a second component remaining in a gaseous state. A first partial mass flow of the fluid mixture is separated from a second partial mass flow of the fluid mixture in a phase separator 6. While the first partial mass flow of the fluid mixture, which is formed with at least the first liquid component, is expanded by means of control valve 8, the second partial mass flow, which is formed with at least the second gaseous component, drives a turbine 7. Both partial mass flows are then mixed again and passed in the opposite direction through the heat exchanger 3, 4.5 before the cooling cycle begins again.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind insbesondere für die Kühlung von Hochtemperatursupraleitern geeignet.The invention relates to a method for performing a cooling process with a fluid mixture that is formed with at least two components. The methods according to the invention are particularly suitable for cooling high-temperature superconductors.
Hochtemperatursupraleiter, die mit Kupferoxid gebildet sind und eine kritische Temperatur oberhalb von 77 K, der Kondensationstemperatur von Stickstoff bei atmosphärischem Druck, aufweisen, werden üblicherweise mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Um die Stromtragfähigkeit der Supraleiter zu erhöhen, werden Temperaturen unterhalb von 77 K angestrebt. Für diese Aufgabe kann der Stickstoff auf einen subatmosphärischen Druck entspannt werden, wobei sich durch den Joule-Thomson Effekt die Temperatur erniedrigt. Solche Anlagen benötigen jedoch eine kontinuierliche Zufuhr von flüssigem Stickstoff. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad niedrig, da nur die latente Kälteleistung genutzt wird. Der dafür benötigte subatmosphärische Druck wird zudem oft als Sicherheitsrisiko bewertet.High temperature superconductors, which are formed with copper oxide and have a critical temperature above 77 K, the condensation temperature of nitrogen at atmospheric pressure, are usually cooled with liquid nitrogen. In order to increase the current-carrying capacity of the superconductors, temperatures below 77 K are aimed for. For this task, the nitrogen can be expanded to a sub-atmospheric pressure, the temperature being lowered by the Joule-Thomson effect. However, such systems require a continuous supply of liquid nitrogen. In addition, the efficiency is low because only the latent cooling capacity is used. The sub-atmospheric pressure required for this is also often assessed as a safety risk.
Eine mögliche Alternative zum vorgenannten Verfahren stellen Brayton-Kreisläufe dar. In einem Brayton-Kreislauf kann Helium, Neon oder ein Gemisch aus diesen Gasen als Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, in einem Wärmeübertrager vorgekühlt und danach in einer Turbine arbeitsleistend entspannt werden. Mit der Kälte des entspannten Gases wird dann die Kühlaufgabe erfüllt. Somit kann für die Kühlung lediglich ein Temperaturbereich, der zwischen der Turbineneintrittstemperatur und der Turbinenaustrittstemperatur liegt, genutzt werden. Bei dem für die Kühlung von Hochtemperatursupraleitern relevanten Temperaturbereich von 75 K bis 65 K, resultieren dann auch kleine Druckverhältnisse mit denen die Turbine betrieben wird. Die geringe Turbinenleistung führt umgekehrt dazu, dass sehr hohe Masseströme des Kältemittels benötigt und damit auch unvorteilhaft die Größe der Anlage zunimmt. Alternativ dazu könnte ein Brayton-Kreislauf auch mit einer Turbine, die mit einem großen Druckverhältnis betrieben wird, durchgeführt werden. Dies würde sich allerdings bei den sehr niedrigen zu erzielenden Temperaturen negativ auf den Wirkungsgrad des Verfahrens auswirken. Der Wirkungsgrad kann verbessert werden, wenn das Kältemittel mehrere Turbinen durchströmt und zwischen zwei Turbinen immer wieder aufgewärmt wird. Nachteilig wirkt sich bei dieser technischen Lösung aus, dass mehrere Turbinen mit vergleichsweise geringer Drehzahl betrieben werden müssen und eine Vielzahl kostenintensiver rotierender Maschinen benötigt wird.Brayton cycles are a possible alternative to the aforementioned method. In a Brayton cycle, helium, neon or a mixture of these gases can be compressed as a refrigerant in a compressor, pre-cooled in a heat exchanger and then expanded to perform work in a turbine. The cooling task is then fulfilled with the coldness of the relaxed gas. Thus, only a temperature range between the turbine inlet temperature and the turbine outlet temperature can be used for cooling. In the temperature range of 75 K to 65 K relevant for cooling high-temperature superconductors, the pressure ratios with which the turbine is operated are also small. Conversely, the low turbine output means that very high mass flows of the refrigerant are required, which in turn increases the size of the system, which is disadvantageous. Alternatively, a Brayton cycle could also be implemented with a turbine operated at a high pressure ratio. However, at the very low temperatures to be achieved, this would have a negative effect on the efficiency of the process. The efficiency can be improved if the refrigerant flows through several turbines and is repeatedly warmed up between two turbines. The disadvantage of this technical solution is that several turbines have to be operated at a comparatively low speed and a large number of cost-intensive rotating machines are required.
Prinzipiell kann auch ein Claude-Kreislauf, bei dem ein Gas mit einem durch eine Turbine geführten Teilstrom vorgekühlt und anschließend durch adiabate Drosselung verflüssigt wird, genutzt werden. Dabei kämen jedoch nur Stickstoff und Sauerstoff als Komponenten, mit denen das Gas gebildet ist, in Frage. Weiterhin würden diese Kreisläufe ein sehr niedriges Druckniveau nach der Drosselung voraussetzen und aufgrund der niedrigen Gasdichte entsprechend große Anlagen benötigen. Üblicherweise ergeben sich auch Probleme mit der Abdichtung gegen den Umgebungsdruck.In principle, a Claude cycle, in which a gas is pre-cooled with a partial flow passed through a turbine and then liquefied by adiabatic throttling, can also be used. In this case, however, only nitrogen and oxygen would come into question as components with which the gas is formed. Furthermore, these circuits would require a very low pressure level after throttling and, due to the low gas density, would require correspondingly large systems. Usually there are also problems with sealing against ambient pressure.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, effiziente und zuverlässige Kühlverfahren mit einem hohen Wirkungsgrad vorzuschlagen, die die oben aufgeführten Nachteile vermeiden.The object of the invention is therefore to propose efficient and reliable cooling methods with a high degree of efficiency which avoid the disadvantages listed above.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in Anspruch 1 und Anspruch 2 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.According to the invention, the object is achieved with the features mentioned in claim 1 and claim 2. Advantageous variants result from the features mentioned in the subclaims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem (a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler gekühlt wird, (b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste, zweite und dritte Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird, (c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird, (d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte und zweite Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wärme aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, (e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur abgekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner geleitet, mittels eines Regelventils entspannt und dem von dem Expander kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte, zweite und erste Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers geleitetes Anwendungsfluid Wärme abgibt, wobei das Anwendungsfluid von einer Ausgangs- auf eine Endtemperatur abgekühlt wird, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durchgeführt wird.The invention relates to a method for carrying out a cooling process with a fluid mixture which is formed with at least two components, in which (a) the fluid mixture is compressed from a low pressure to a high pressure in at least one compressor and then cooled in a recooler, (b) the fluid mixture is passed successively through a first, second and third stage of a heat exchanger, wherein the fluid mixture gives off heat and is cooled to a first temperature, (c) the fluid mixture is passed into a phase separator and a first mass partial flow of the fluid mixture by condensation of a second mass partial flow of the fluid mixture is separated, (d) the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture is passed through the third and second stage of the heat exchanger, wherein the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture absorbs heat and is heated to a second temperature, (e) the second gaseous mass partial flow of the Fluidgem Ischs coming from the second stage of the heat exchanger in an expander, work-producing expanded and thereby cooled to a third temperature, (f) the first partial mass flow of the fluid mixture passed from the phase separator, expanded by means of a control valve and the second gaseous partial mass flow of the fluid mixture coming from the expander is admixed again, (g) the fluid mixture formed with the first and the second partial mass flow is passed through the third, second and first stage of a heat exchanger, absorbs heat and an application fluid passed in countercurrent through the third stage of the heat exchanger gives off heat, the Application fluid is cooled from an initial temperature to a final temperature, and the fluid mixture coming from the first stage of the heat exchanger is passed back into the at least one compressor and the refrigeration cycle defined by steps (a) - (g) is performed again.
Die Erfindung betrifft ein weiteres Verfahren bzw. eine Variante des oben beschriebenen Verfahrens zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem (a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler gekühlt wird, (b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste, zweite und dritte Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird, (c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird, (d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte und zweite Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wärme aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, (e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur abgekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner geleitet und zumindest ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mittels eines Regelventils entspannt und dem von dem Expander kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) der mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs und dem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs gebildete Teil des Fluidgemischs durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und dem von der Anwendung kommenden ersten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs wieder beigemischt wird und das rekombinierte Fluidgemisch durch die zweite und die erste Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird und dabei Wärme aufnimmt, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durchgeführt wird.The invention relates to a further method or a variant of the method described above for performing a cooling process with a fluid mixture which is formed with at least two components, in which (a) the fluid mixture is compressed in at least one compressor from a low pressure to a high pressure and then is cooled in a recooler, (b) the fluid mixture is passed successively through a first, second and third stage of a heat exchanger, wherein the fluid mixture gives off heat and is cooled to a first temperature, (c) the fluid mixture is passed into a phase separator and a first Mass partial flow of the fluid mixture is separated by condensation from a second mass partial flow of the fluid mixture, (d) the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture is passed through the third and second stage of the heat exchanger, the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture absorbing heat and heating it to a second temperature mt is, (e) the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture coming from the second stage of the heat exchanger is expanded to perform work in an expander and is thereby cooled to a third temperature, (f) the first mass partial flow of the fluid mixture is passed out of the phase separator and at least a first part of the first mass partial flow of the fluid mixture is fed to an application, and a second part of the first mass partial flow of the fluid mixture is expanded by means of a control valve and is added again to the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture coming from the expander, (g) which is mixed with the second part of the first mass partial flow Fluid mixture and the second partial mass flow of the fluid mixture formed part of the fluid mixture is passed through the third stage of the heat exchanger, absorbs heat and the coming from the application first part of the first partial mass flow of the fluid mixture is added again and the recombined Fluidgem isch passed through the second and the first stage of the heat exchanger and absorbs heat, and the fluid mixture coming from the first stage of the heat exchanger is passed back into the at least one compressor and the cooling cycle defined by steps (a) - (g) again is carried out.
Die im Expander in Schritt (e) gewonnene Arbeitsleistung kann zur Kompression des Fluidgemischs in dem mindestens einen Verdichter in Schritt (a) genutzt werden. Der Expander kann dabei mit einer oder mehreren Turbinen gebildet sein. Eine oder mehrere Turbinen können insbesondere mit einem großen Druckverhältnis gefahren werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass die zweite Temperatur oder die Turbineneintrittstemperatur des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs wesentlich größer ist als die Ausgangstemperatur des Anwendungsfluids oder die dritte Temperatur.The work done in the expander in step (e) can be used to compress the fluid mixture in the at least one compressor in step (a). The expander can be formed with one or more turbines. One or more turbines can in particular be operated with a large pressure ratio. This can be achieved in that the second temperature or the turbine inlet temperature of the second mass partial flow of the fluid mixture is significantly higher than the outlet temperature of the application fluid or the third temperature.
Der Wärmeübertrager kann als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet sein. Dabei kann der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) den Gegenstromwärmetauscher in einer dem Massestrom, Masseteilstrom und/oder Teil des Masseteilstroms des Fluidgemischs in Schritt (g) entgegengesetzten Richtung durchströmen, wobei der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) Wärme abgibt und der Massestrom, Masseteilstrom und/oder Teil des Masseteilstroms des Fluidgemischs in Schritt (g) Wärme aufnimmt. Vorzugsweise durchströmt auch der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (d) den Gegenstromwärmetauscher in einer dem Massestrom des Fluidgemischs in Verfahrensschritt (b) entgegengesetzten Richtung, wobei der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) Wärme abgibt und der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (d) Wärme aufnimmt.The heat exchanger can be designed as a counterflow heat exchanger. The mass flow of the fluid mixture in step (b) can flow through the countercurrent heat exchanger in a direction opposite to the mass flow, mass partial flow and / or part of the mass partial flow of the fluid mixture in step (g), the mass flow of the fluid mixture in step (b) giving off heat and the Mass flow, mass partial flow and / or part of the mass partial flow of the fluid mixture in step (g) absorbs heat. The second partial mass flow of the fluid mixture also preferably flows through the countercurrent heat exchanger in step (d) in a direction opposite to the mass flow of the fluid mixture in process step (b), the mass flow of the fluid mixture emitting heat in step (b) and the second mass partial flow of the fluid mixture in step ( d) absorbs heat.
Vorzugsweise ist der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Komponenten gebildet, die eine Kondensationstemperatur bei dem Hochdruck aufweisen, die größer als die erste Temperatur ist. Dadurch kann/können die den in Schritt (c) ersten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildende(n) Komponente(n) während und/oder nach der Durchströmung der ersten, zweiten und/oder dritten Stufe des Wärmeübertragers in Schritt (b) zumindest zu einem großen Teil kondensieren und im Phasentrenner dann in einem flüssigen Zustand vorliegen. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager so ausgebildet, dass die Kondensation zumindest einer den in Schritt (c) ersten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildende(n) Komponente(n) bereits bevor das Fluidgemisch die dritte Stufe des Wärmeübertragers durchströmt hat, einsetzt.The first partial mass flow of the fluid mixture is preferably formed with components which have a condensation temperature at the high pressure which is greater than the first temperature. As a result, the component (s) forming the first partial mass flow of the fluid mixture in step (c) can be at least to a large extent during and / or after the flow through the first, second and / or third stage of the heat exchanger in step (b) Condense part and then exist in the phase separator in a liquid state. The heat exchanger is preferably designed so that the condensation of at least one component (s) forming the first partial mass flow of the fluid mixture in step (c) begins before the fluid mixture has flowed through the third stage of the heat exchanger.
Zudem wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (c) mit mindestens einer Komponente gebildet ist, die eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck aufweist, die niedriger als die dritte Temperatur ist. Vorzugsweise weisen alle den zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildenden Komponenten eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck auf, die niedriger als die dritte Temperatur ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die den zweiten Masseteilstrom bildende(n) Komponente(n) des Fluidgemischs während des gesamten Kühlprozesses bzw. im gesamten Kühlzyklus nicht kondensiert/kondensieren und in einem gasförmigen Zustand vorliegt/vorliegen.In addition, it is advantageous if the second partial mass flow of the fluid mixture in step (c) is formed with at least one component which has a condensation temperature at the low pressure that is lower than the third temperature. Preferably, all of the components forming the second mass partial flow of the fluid mixture have a condensation temperature at the low pressure which is lower than the third temperature. It can thereby be achieved that the component (s) of the fluid mixture forming the second mass partial flow do not condense / condense and is / are present in a gaseous state during the entire cooling process or in the entire cooling cycle.
Der erste Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs kann mit derselben Komponente oder denselben Komponenten gebildet sein, wie der zweite Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs. Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn der erste Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer Komponente des Fluidgemischs gebildet ist und der zweite Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer anderen Komponente des Fluidgemischs gebildet ist.The first part of the first mass partial flow of the fluid mixture can be formed with the same component or the same components as the second part of the first mass partial flow of the fluid mixture. However, it can also prove to be advantageous if the first part of the first mass partial flow of the fluid mixture is formed with one component of the fluid mixture and the second part of the first mass partial flow of the fluid mixture is formed with another component of the fluid mixture.
Der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs kann mit Helium, Neon, Stickstoff und/oder Wasserstoff als Komponente des Fluidgemischs gebildet sein. Der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs kann mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder einem oder mehreren Kohlenwasserstoff(en) als Komponente(n) des Fluidgemischs gebildet sein.The second mass partial flow of the fluid mixture can be formed with helium, neon, nitrogen and / or hydrogen as a component of the fluid mixture. The first mass partial flow of the fluid mixture can be formed with oxygen, nitrogen and / or one or more hydrocarbon (s) as component (s) of the fluid mixture.
Vorzugsweise ist der zweite Masseteilstrom mit Neon mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Stickstoff mit einem Stoffmengenanteil von 20 mol-% gebildet.
Der erste Masseteilstrom kann auch mit Stickstoff mit einem Stoffmengenanteil von 17 mol-% und mit Sauerstoff mit einem Stoffmengenanteil von 3 mol-% gebildet sein.The second mass partial flow is preferably formed with neon with a mole fraction of 80 mol% and the first mass partial flow of the fluid mixture with nitrogen with a mole fraction of 20 mol%.
The first mass partial flow can also be formed with nitrogen with a mole fraction of 17 mol% and with oxygen with a mole fraction of 3 mol%.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 65 K und 75 K effizient durchgeführt werden. Sie eignen sich daher insbesondere zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern. Dabei ist das Anwendungsfluid und/oder der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs vorteilhaft mit Stickstoff gebildet.The methods according to the invention can in particular be carried out efficiently in a temperature range between 65 K and 75 K. They are therefore particularly suitable for cooling high-temperature superconductors. The application fluid and / or the first partial mass flow of the fluid mixture is advantageously formed with nitrogen.
Die Wahl der Komponenten des Fluidgemischs bestimmt auch die Druck- und Temperaturniveaus mit denen das Verfahren effizient betrieben werden kann. Beispielsweise kann der Niedrigdruck kleiner oder gleich 0,6 MPa sein und der Hochdruck größer oder gleich 1,2 MPa sein. Vorzugsweise sind der mindestens eine Verdichter und/oder der Expander so eingerichtet, dass das Verhältnis zwischen dem Hochdruck und dem Niedrigdruck mindestens 3:1 beträgt.The choice of the components of the fluid mixture also determines the pressure and temperature levels with which the process can be operated efficiently. For example, the low pressure can be less than or equal to 0.6 MPa and the high pressure can be greater than or equal to 1.2 MPa. The at least one compressor and / or the expander are preferably set up such that the ratio between the high pressure and the low pressure is at least 3: 1.
Die Temperatur des Fluidgemischs kann nach Durchströmen des Vorkühlers in Schritt (a) des Verfahrens auf Umgebungstemperaturniveau liegen und beispielsweise 300 K betragen. Der Wärmeübertrager kann so ausgebildet sein, dass die erste Temperatur des Fluidgemischs nach Durchströmen des Wärmeübertragers in Schritt (b) des Verfahrens weniger als 70 K beträgt. Dabei kann die Temperatur des Fluidgemischs nach Durchströmen der ersten Stufe des Wärmeübertragers weniger als 120 K und nach Durchströmen der zweiten Stufe des Wärmeübertragers weniger als 85 K betragen. Die zweite Temperatur des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, die identisch mit der Expandereintrittstemperatur sein kann, kann dementsprechend zwischen 85 K und 120 K liegen. Die dritte Temperatur, die identisch mit der Expanderaustrittstemperatur sein kann, kann weniger als 70 K, vorzugsweise weniger als 65 K, betragen. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des ersten Masseteilstroms nach der Entspannung mittels des Regelventils in Schritt (f) weniger als 65 K.After flowing through the precooler in step (a) of the method, the temperature of the fluid mixture can be at the ambient temperature level and can be 300 K, for example. The heat exchanger can be designed such that the first temperature of the fluid mixture after flowing through the heat exchanger in step (b) of the method is less than 70 K. The temperature of the fluid mixture can be less than 120 K after flowing through the first stage of the heat exchanger and less than 85 K after flowing through the second stage of the heat exchanger. The second temperature of the second mass partial flow of the fluid mixture, which can be identical to the expander inlet temperature, can accordingly be between 85 K and 120 K. The third temperature, which can be identical to the expander outlet temperature, can be less than 70 K, preferably less than 65 K. The temperature of the first partial mass flow after the expansion by means of the control valve in step (f) is preferably less than 65 K.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dann ein Anwendungsfluid von einer Ausgangstemperatur, die größer oder gleich 75 K sein kann, auf eine Endtemperatur, die kleiner oder gleich 65 K sein kann, gekühlt werden. Alternativ kann auch die Kälte eines ersten Teils des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer Temperatur von vorzugsweise weniger als 65 K bei einer Anwendung, z.B. bei der Kühlung von Hochtemperatursupraleitern, genutzt werden.With the method according to the invention, an application fluid can then be cooled from an initial temperature, which can be greater than or equal to 75 K, to a final temperature, which can be less than or equal to 65 K. Alternatively, the cold of a first part of the first mass partial flow of the fluid mixture with a temperature of preferably less than 65 K in an application, e.g. in the cooling of high-temperature superconductors.
Die Erfindung bietet unter anderem die folgenden weiteren Vorteile: Da nur der zweite Masseteilstrom durch den Expander geleitet wird, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die geringen Drücke eines Claude-Kreislaufs, der mit Stickstoff als Kältemittel betrieben wird, vermieden werden. Dadurch kann eine die erfindungsgemäßen Verfahren durchführende Anlage in kompakter Bauweise realisiert werden. Dies ermöglicht auch eine effizientere Abdichtung einer entsprechenden Anlage gegen den Umgebungsdruck. Da vorzugsweise nur der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs Stickstoff enthalten kann, wird zudem eine Kondensation des Stickstoffs an dem Expander bzw. an der Turbine vermieden. Auch dies trägt dazu bei, dass eine Turbine mit einem hohen Druckverhältnis gefahren werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der geringen Anzahl rotierender Maschinen, die für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren benötigt werden. Dies trägt insbesondere zur höheren Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bei.The invention offers, inter alia, the following further advantages: Since only the second partial mass flow is passed through the expander, the low pressures of a Claude cycle operated with nitrogen as the refrigerant can be avoided with the method according to the invention. As a result, a system carrying out the method according to the invention can be implemented in a compact design. This also enables a corresponding system to be more efficiently sealed against the ambient pressure. Since preferably only the first partial mass flow of the fluid mixture can contain nitrogen, condensation of the nitrogen on the expander or on the turbine is also avoided. This also contributes to the fact that a turbine can be operated with a high pressure ratio. Another advantage is the small number of rotating machines that are required to carry out the method according to the invention. This particularly contributes to higher cost efficiency, reliability and availability.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen - Verfahrens, bei dem ein Anwendungsfluid gekühlt wird, und
2 eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Teil des Fluidgemischs direkt der Anwendung zugeführt wird.
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1 a schematic representation of the invention - Method in which an application fluid is cooled, and
2 a schematic representation of a variant of the method according to the invention in which part of the fluid mixture is fed directly to the application.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, bei dem zunächst sowohl Stickstoff als auch Neon in einem gasförmigen Zustand vorliegen, in einem Kompressor
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste
In Schritt (c) wird das Fluidgemisch, das nach Schritt (b) mit Stickstoff in einem flüssigen Zustand und mit Neon in einem gasförmigen Zustand gebildet ist, in einen Phasentrenner
In Schritt (d) wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder in Gegenrichtung durch die dritte 5 und zweite Stufe
In Schritt (e) wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigen Neon gebildet ist, von der zweiten Stufe
In Schritt (f) wird der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, aus dem Phasentrenner
In Schritt (g) wird das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete bzw. rekombinierte Fluidgemisch wieder durch die dritte 5, zweite 4 und erste Stufe
Ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe
Das von der ersten Stufe
In
In Schritt (a) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, bei dem zunächst sowohl Sauerstoff, Stickstoff als auch Neon in einem gasförmigen Zustand sind, in einem Kompressor
In Schritt (b) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch durch eine erste
In Schritt (c) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, das nach Schritt (b) mit Stickstoff und Sauerstoff jeweils in einem flüssigen Zustand und mit Neon in einem gasförmigen Zustand gebildet ist, in einen Phasentrenner
In Schritt (d) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder in Gegenstromrichtung durch die dritte 5 und zweite Stufe
In Schritt (e) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigen Neon gebildet ist, von der zweiten Stufe
In Schritt (f) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und mit flüssigem Sauerstoff gebildet ist, einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und mit flüssigem Sauerstoff gebildet ist, mittels eines Regelventils
In Schritt (g) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte Stufe
Das von der ersten Stufe
Die oben zitierten Werte für Druck- und Temperaturniveaus resultieren aus einer numerischen Simulation der erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei wurden realistische Prozessverluste in der Simulation berücksichtigt. Vorzugsweise sind der Kompressor
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