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Gaskäiteanlage Die Erfindung- betrifft eine Gaskälteanlage mit einem
Kältemittelkreislauf, in welchem ein schwer verflüssigbares Gas als Kältemittel
zirkuliert, das in einem Kompressor verdichtet und nach Abgabe- der Kompressionswärme
an die Umgebung im Wärmeaustausch mit entspanntem Kältemittel gekühlt wird, wonach
es mindestens einem Kälteverbraucher durch Wärmeaustausch Wärme entzieht und anschließend
arbeitsleistend in mindestens einer Expansionsmaschine entspannt und nach Wärmeaustausch
mit dem verdichteten Kältemittel wieder zum Kompressor zurückgeführt wird. Die Einzelelemente
der Kälteanlage sind im wesentlichen Kompressor, Wärmeaustauscher und mindestens
- eine Expansionsmaschine, die als Turbine oder auch als Kolbenmaschine zum Expandieren-
von Gas ausgebildet ist. Unter schwer verflüssigbarem Gas wird hauptsächlich ein
Gas verstanden, dessen Zustand bei normalen Verhältnissen, nämlich bei 0° C und
1 ata, angenähert ideal ist, das dort also praktisch den idealen Gasgesetzen gehorcht.
Solche Gase sind z. B. Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, ferner auch die Edelgase,
wie Helium, Neon usw.
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Die Anwendung einer derartigen Gaskälteanlage, bei welcher ein Kälteverbraucher
vor mindestens einer Entspannungsmaschine angeordnet ist, bringt nach einer der
Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis insbesondere dann wesentliche Vorteile mit
sich, wenn der als Wärmeaustauscher ausgebildete Kälteverbraucher aus Platzgründen
möglichst klein ausgeführt werden muß, d. h. wenn das Kältemittel der Kälteverbraucherstelle
durch einen bzw. mehrere Strömungskanäle von großer Länge und kleinem Querschnitt
zugeführt werden muß. Auch aus Gründen einer guten Wärmeübertragung kann es erforderlich
sein, eine große Austauschfläche durch einen Strömungskanal von. großer Länge und
kleinem Querschnitt für das Kältemittel zu ermöglichen. Diese Ausbildung des Wärmeaustauschers
'bedingt aber einen großen Strömungswiderstand und bewirkt damit -einen großen Druckabfall
im Wärmeaustauscher.
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Beispielsweise treten auch hohe Druckabfälle bei Kühleinrichtungen
von Elektromagneten auf, wenn die elektrischen Leitungen eines Elektromagneten höhl
ausgeführt sind und man durch den Hohlraum der Leiter das tiefgekühlte Gas zirkulieren
läßt. Da die - Querschnitte dieser Hohlräume klein und die Strömungswege lang sind,
hat dieses einen relativ hohen Druckabfall zur Folge: Zur überwindung des Druckabfalles
im Kälteverbraucher muß- das Druckverhältnis des Kompressors erhöht werden, was
einen vergrößerten Leistungsaufwand bedeutet und unter Umständen auch eine Verteuerung
der Maschine selbst mit sich bringt.
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Bei Berechnung der zusätzlichen Leistung, die der Verdichter bei isothermischer
Kompression zur überwindung des Druckabfalles im Kälteverbraucher liefern muß und
die durch die Formel
gegeben ist (wobei G die umlaufende Kältemittelmenge, R die- Gaskonstante, T die
absolute Umgebungstemperatur, p1 der Eintrittsdruck des Kältemittels in den Kälteverbraucher
und p2 der Druck am Austritt aus dem Kälteverbraucher ist), ergibt sich; daß bei
einer Gaskälteanlage, bei welcher der Kälteverbräucher vor der bzw. den Entspannungsmaschinen
angeordnet wird, gegenüber einer Ausführungsform mit arbeitsleistender Entspannung
des Kältemittels - zur Aufbringung der im Kälteverbraucher abzugebenden Kälteleistung
- vor dem Kälteverbraucher, die auf Grund des Druckabfalles im Kälteverbraucher
aufzubringende zusätzliche Kompressorleistung um mindestens nahezu einen Faktor
erniedrigt werden kann, der dem Quadrat des Druckverhältnisses der im wesentlichen
zur Erzeugung der im Kälteverbraucher abzugebenden Kälteleistung dienenden Entspannungsmaschine
entspricht.
Während bei Gaskälteanlagen mit arbeitsleistender Entspannung
des Kältemittels nach seiner; Durchströmung eines Kälteverbrauchers, insbesondere
wenn dieser einen hohen Strömungswiderstand aufweist, eine erhebliche Reduktion
der Kompressorleistung erreicht werden - kann, wird die, erzeugte Kälteleistung
in der :Entspannungsmaschine kleiner im Vergleich zu einer Gäskälteanlage, "in welcher
der Kälteverbraucher hinter zier Entspannungsmaschine angeordnet ist. Dieses.ist-dadurch
bedingt, daß, die Entspannungsmaschine bei der erstgenannten Anlage im Vergleich
zu der zweitgenannten bei einer tieferen, mittleren Temperatur arbeitet. Um die
gleiche Kälteleistung zu erreichen, -ist daher bei der erstgenannten Anlage eine
Erhöhung des Druckverhältnisses der arbeitsleistenden Entspannung des Kältemittels
nach seinem Austritt aus dem Kälteverbräucher erforderlich, was einen Zuwachs an
Kompressorleistung zur Folge hat.
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Die Erfindung hat sich die vorteilhafte Weiterbildung einer derartigen
Gaskälteanlage -zur. Aufgabe gemacht, bei der diese zusätzliche Kompressorleistung
dadurch zumindestens weitgehend reduziert wird, daß die mittlere Temperatur bei
der arbeitsleistenden Entspannung@angehoben wird.
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Die Erfindung beseht darin, daß die Kühlung. des verdichteten Kälteiniftels
durch entspanntes Kältemittel -in `-zwei StüFen" erfölgt und das verdichtete Kältemittel
zwischen diesen beiden Kühlstufen durch einen Wärmeaustauscher geführt wird, in
dem es im Wärmeaustausch mit dem aus dem Kälteverbraucher austretenden, noch --nicht
entspannten Kältemittel zwischengekühlt wird.
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Mit Hilfe der Erfindung ist es-nun möglich, eine größere Kälteleistung
-"bei gleichem Druckverhältnis der arbeitsleistenden: --Ents,pännung -und damit
eine weit wirtschaftlichere Gestaltung einer Gaskälteanlage zu erreichen..
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Verglichen mit dem Gewinn an eingesparter Kompressorleistung . auf
: Grund-. einer: -Anordnung - der Entspannungsmaschine hinter dem Kälteverbraucher
bei extrem hohen Druckverlusten in. letzterem wäre zwar . die zusätzlich -.z aufzubringende
Kompressorleistung auf Grund,der erforderlichen Erhöhung des Druckverhältnisses:
bei . der.- arbeitsleistenden- Entspannung nicht sehr groß, doch fällt diese zusätzlich
aufzubringende Kompressorleistung um so stärker ins Gewicht, wen& `die Druckverluste
im Kälteverbraucher nicht extrem hoch sind.
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Als Entspannungsmaschinen können - vorteilhaft Expansionsturbinen
verwendet werden.. Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gaskälteanlage bringt
dieses weiterhin den Vorteil mit sich; daß die-Turbine in einem niedrigeren.-Druckgebiet
gegenüber den bekannten Anlagen-arbeitet und somit ein größeres Durchsatzvolumen
--besitzt. Hierdurch wird ein besserer Wirkungsgrad , auf Grund der, größeren Dimensionierung
der- Turbine erreicht: Die Erfindung ist- an -Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Die F i g. 1 und . _ 2 zeigen verschiedene Ausführungsformen für -.
-.erfindungsgemäß ausgebildete Gaskälteanlagen.-Gemäß F i g. 1-b- die Gaskälteanlage,
in der beispielsweise Helium: als Kältemittel zirkuliert, aus einem Kolbenkompressor
1, einem Kühler 2 zum Abführen der Kompressionswärme, Wärmeaustauschern 3, 6 und
7 sowie einem Wärmeaustauscher 4, der zur Aufnahme der in :der,Anlage erzeugten:Kälteleistung
dient, und einer. ' ein- oder mehrstufigen Expansionsturbine 5, welche auch durch
mehrere Turbinen in Serie ersetzt sein kann.
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Die - Wirkungsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Gaskälteanlage
ist folgende: Das über eine nicht dargestellte Leitung in das System eingespeisteKältemittel
wird im Kompressor 1 verdichtet und .nach Entzug seiner Kompressionswärme im Kühler
2 in dem als Gegenströmer ausgebildeten Wärmeaustauscher 3 durch Wärmeaustausch
mit Niederdruckgas gekühlt. In dem Wärmeaustauscher 6 wird das Kältemittel vor seinem
Eintritt in den Kälteverbraucher 4 zunächst mit dem aus dem Kälteverbraucher
austretenden Kältemittel vor dessen arbeitsleistender Entspannung durch Wärmeaustausch
gekühlt und anschließend durch Wärmeaustausch mit dem entspannten Kältemittel im
Wärmeaustauscher 7 weiter gekühlt. In dem Kälteverbraucher 4 gibt: das Kältemittel-
die- -gewünschte _ Kälteleistung, beispielsweise an- das im - Wärmeaustauscher befindliche
Medium; das gekühlt werden soll, ab und.@erwärmt sich hierbei. In der Expansionsturbine
5, die in dieser Ausführungsform zur Erzeugung der im-, abgegebenen Kälteleistung
sowie zur Deckung der thermodynamischen Verluste in den Wärmeaustauschern 3, 6 und
7 dient, wird das Kältemittel entspannt, kühlt sich: hierbei auf die tiefste
Temperatur im gesamten Kreislauf ab und strömt sodann durch die Wärmeaustauscher
7 und 3 unter Erwärmung zur Saugseite des Kompressors zurück.
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F i g. 2 zeigt - bei gleicher Wirkungsweise nur in konstruktiver Hinsicht
eine variante Ausführungsform zu F i g. 1. Hierbei ist 'an Stelle der Wärmeaustauscher
3 und 7 ein.; einziger - Wärmeaustauseher 1Ö" vorgesehen. Nach Kühlung des unter
Hochdruck stehenden-- Kältemittels .durch Wärmeaustausch -mit Niederdruckgas wird
das Kältemittel durch einen dem Wärmeaustauscher 6 in F i g.1 entsprechenden Wärmeaustauscher
9 geleitet, worin es im. Gegenstrom-zu dem aus dem Kälteverbraucher
4 strömenden- . Kältemittel und vor dessen- Eintritt -in. .die Expansionsturbine
5 sich weiter kühlt, um darauf wieder zur- weiteren Abkühlung bis auf die gewünschte
Eintrittstemperatur des Kälteverbrauchers in den Wärmeaustauscher 10 einzutreten.
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Zur Wärmeisolation der sich im Gebiet-- tiefer Temperaturen befindenden.
Teile der in. der @Zeichnung dargestellten Anlagen können diese beispielsweise von
einem unter Hochvakuum (etwa 10-sTorr) stehenden Gehäuse-eingeschlossen sein. .