DE1426924A1

DE1426924A1 - Tiefkuehlung

Info

Publication number: DE1426924A1
Application number: DE19641426924
Authority: DE
Inventors: Lashmet Peter Kerns; Geist Jacob Meyer; Kenneth Zeitz
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1963-01-18
Filing date: 1964-01-17
Publication date: 1969-02-27
Also published as: GB1054993A; US3199304A; NL6400312A

Description

DR. F. ZMMISTEIN - DR. E. ASSMANN - PR. R. PATENTANWÄLTE

TELEFON! aS847B TELBSfMMME: ZUMPAT SIaCHECKKONTO: MONOHEN 01189

BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHWJ8ER

β MONOHEN 2, BR«UHAUe8TRA88E

] 4 2 b 9 2 4

1/Zw.

2/2/1

AP-144

Dr, ExpL

Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, Pennsylvania,USA.

Tiefkühlung

Die Erfindung betrifft eine Tiefkühlung, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen für eine Tiefkühlung bei niedriger Temperatur durch die Expansion von Gas·

Ein Ziel der Erfindung richtet sich auf Techniken für Tiefkühlung, bei der sehr niedrige Temperaturen erreicht
werden.

Weiterhin befaßt sich die Erfindung mit Tiefkühltechniken, mit denen man eine größtmögliche Kühlung bei geringstem Energieaufwand erhält.

909809/0067

_ 2 —

Schließlich richtet sicli die Erfindung noch auf Tiefkühlverfahren, die einfach und leicht durchzuführen sind, sowie auf eine Tiefkühlvorrichtirag_f die verhältnismäßig "billig hergestellt, leicht aufgebaut, unterhalten und betrieben werden kann und die robust und dauerhaft im Gebrauch ist«

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, in der schematisch in einem Blockschema das erfinaungsgemäße Tiefkühlsystem erläutert wird,.

Die Erfindung beruht kurz auf der Feststellung, daß eine Tiefkühlung unter Berücksichtigung der oben angegebenen Ziele dadurch erreicht werden kann, daß man einen erste.n und einen zweiten Strom eines Druckgases vorsieht, einen ersten Teil des ersten Stromes expandieren läßt, den zweiten Strom durch Wärmeaustausch mit dem expandierten, ersten Teil abkühlt, den zweiten Teil des ersten Stromes expandiert, weiterhin den zweiten Strom durch Wärmeaustausch "mit dem expandierten, zweiten Teil kühlt und weiterhin den gekühlten, zweiten Strom expandiert» Nach einer bevorzugten Ausf&arungsform der Erfindung wird der zweite Teil durch Wärmeaustausch mit dem expandierten, ersten Teil gekühlt, bevor der zweite Teil expandiert, wobei der Druck des ersten Stromes vor der Expansion merklieh höher ist als der Druck des zweiten Stromes vor der Expansion, und wobei der Druck der ersten Stromes nach der Expansion merklich größer ist als der Druck des zweiten Stromes nach der Expansion, und wobei der erste und zweite Teil die Gesamtheit des ersten Stromes bilden und der erste waä zweite Teil isentropisch expandiert

werden und der zweite Strom adiabatisch expandiert werden und als Gas in beiden Strömen He^lium verwendet wird.

Bei dem in der Zeichnung gezeigten Tiefkühlsystem werden zwei Ströme eines normalerweise gasförmigen Materials in geschlossenen Kreisen und im "Wärmeaustausch untereinander geführt. Der erste Strom wird durch einen Kompressor 1 komprimiert und mit erhöhtem Druck an eine Leitung 3 abgegeben, duroh die der Strom durch den Wärmeaustauscher 5 geführt wird· Eine von der leitung 3 strömungsabwärts vom Austauscher 5 abzweigende Leitung 7 führt einen Teil deß Stromes der Leitung 3 ab und leitet ihn zu der Expansionsmaschine 9»' in der der Zweigstrom unter Arbeitsleistung expandiert und gekühlt wird· Dieser expandierte Zweigstrom in der Leitung 7 wird dann durch einen Wärmeaustauscher 11 geführt, in dem er im Wärmeaustausch mit dem anderen Strom erwärmt wird und er wird von dort zu einer Rückführungsleitung 13 geführt, in der er durch den Wärmeaustauscher 15 im Wärmeaustausch mit dem Rest des durch die Leitung 3 strömenden Materials geführt wird, strömt anschleißend durch den Wärmeaustauscher 5, in dem er duroh Wärmeaustausch mit dem aus dem Kompressor austretenden Strom erwärmt wird, worauf er in den Einlaß des Kompressors 1 geleitet wird.

Das restliche Material in der Leitung 3 gelangt duroh den Wärmeaustauscher 15 und einen weiteren Wärmeaustauscher 17 und wird ä§jin unter Arbeitsleistung in einer Expansionsmaschine 19 expandiert, in der er gekühlt wird und er wird

9809/0067

von dort aus durch den Wärmeaustauscher 21 geführt, in dem er gegen den anderen Strom erwärmt wird. Er gelangt dann durch den Wärme aus tauscher 17 auf seinem Rückweg durch den Kompressor 1 durch die Leitung 13 und von dort durch die Wärmeaustauscher 15 und. 5 zum Einlaß des Kompressors 1 ο Das restliche Material wird dann einem Wärmeaustausch mit sich selbst vor und nach der Expansion im V/ärmeaustauscher 17 unterworfen und bildet den gesamten Rest des Stromes in diesem ersten abgeschlossenen Kreislauf.

Der andere oder zweite abgeschlossene Kreislaufstrom, . dessen Volumen nur einen kleineren Teil des Strömungsvolumens des' ersten Stromes ausmacht, verläßt den Kompressor 23 bei höherem Druck und wird durch die Leitung 25 und den Wärmeaustauscher 27 und von dort durch den Austauscher 11 im Gegenstrom mit dem Strom der Leitung 7 geführt. Dieses Material im zweiten Kreislauf gelangt dann durch den Austauscher 29 und durch den Austauscher 21 und von dort zu einem Austauscher 31, in dem der zweite Strom im Wärmeaustausch mit sioh selbst vor und nach der Expansion steht·

Die Expansion und teilweise Verflüssigung dieses zweiten ■ abgeschlossenen Gaskreislaufes wird durch ein Expansionsventil 33 bewirkt, von dem aus der gekühlte, expandierte und zum Teil verflüssigte Gasstrom im Wärmeaustausch durch die zu kühlende** Einrichtung strömt, die mit 35 bezeichnet ist, von wo er durch' die Rtiokleiturig 37 über Austauscher 31, 29 und 27 in dieser' Reihenfolge zurückgeführt und dann mit Einlaß des Kompressors 23 zugeleitet wird, .

Als Bgispiel für die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Systems.sei angenommen, daß das Medium in den beiden, abgeschlossenen Kreisläufen aus Helium besteht. Dieses Helium wird in einem Kompressor 1 auf 24,82 ata (353 psia) komprimiert und tritt mit einer Temperatur von +71,11⁰C (160⁰F) in den Austauscher 5 ein. Das Helium verläßt diesen Austauscher 5 mit einer Temperatur von -184,44⁰C (-300⁰J¹) und einem Druck von 23»3 ata (331 psia). Der Durch die Zweigleitung 7 abgezogene Zweigstrom beträgt 36 $ des Gesamtstromes und er wird in der Expansionsmaschine 9 auf einen Druck von 2,50 ata (35,5 psia) und eine Temperatur von -213,89⁰C (-353⁰F) expandiert. Im Austauscher 11 wird dieser Seitenstrom auf -212,22⁰C (-35O⁰P) erwärmt und strömt durch die Leitung 13 zurück.

Der restliche Strom in Leitung 3» der etwa 64 ^af> des Gesamtstromes ausmacht, wird im Austauscher 15 auf -200,00⁰C (-328⁰F) und im Austauscher 17 weiterhin auf -260,00⁰C (-436⁰I) gekühlt· Er wird noch weiter in der Expansionsmaschine 19 auf -265,55°C (-446 F) abgekühlt und sinkt auf einen Druck von 2,46 ata (35,0 psia)· Im Austauscher 21 wird dieser expandierte Strom leicht neuerdings auf -265,00⁰C (-445⁰F) auf seinem Weg zur Rückleitung 13 erwärmt. In der Hückleitung 13 wird das zurücklaufende Material im Austauscher 17 auf-201,67°C (-331⁰F), im Austauscher 15 auf -191,11⁰C (-312⁰F) und im Austauscher 5 auf +65,56 C (150 F) erwärmt, worauf der Strom in den Kompressor 1 bei e,inem Druck eintritt, der wegen der Reibung in dem System auf 2,36 ata (33,5 psia) abgefallen ist.

909809/0067

An der anderen oder zweiten Seite, d,h. "bei dem zweiten, ■ geschlossenen Kreislauf, der zwischen dem Kompressor 23 und der Einrichtung 35 vorliegt, hat das Arbeitsmedium ein viel geringeres Volumen als in dem vorher "beschriebenen Kreislauf, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Menge im zweiten Kreislauf nur 5 $ der Menge des ersten Kreislaufs. Dieser zweite Strom tritt aus dem Kompressor 23 .bei einem Druck von 5,52 ata (78,5 psia) bei einer Temperatur von;·+71,11⁰C (160⁰I) aus und verläßt den Austauscher 27 bei -2Ql,67⁰C (-331⁰I) ο Der Strom wird im Austauscher 11 auf -213,33°C (-352⁰I) und im Austauscher 29 auf -260,0O⁰C (-436⁰P),abgekühlt. Er wird noch weiter im Austauscher 21 auf -265,00⁰C ■ (-445⁰F) und im Austauscher 31 auf -268>06°G (-450,5°^) abgekühlt. Durch die Reibung in der Leitung hat sich der- Druck bis hierher auf 5»27 ata (75,0 psia) verminderte

Durch das Expansionsventil 33 wird der Druck des Mediums im Strom 25 auf 0,1055 ata (1,5 psia) erniedrigt und die Temperatur fällt auf -270,67⁰C (-455,2⁰I¹), wobei in diesem Augenblick bei Gleichgewicht der größte Teil des Heliums in flüssiger und nur ein Teil in Dampfphase vorliegt. Vfegen des Wirkungsgrads-des Expansionsventils 33 wird, vermieden, daß die Gleichgewicht sbe dingungen der Verflüssigung völlig erreicht werden.

Das zum Teil verflüssigte Helium kühlt die Einrichtung 35 ab,, wobei das verflüssigte Helium wenigstens zum Teil verdampft und tritt aus der Einrichtung 35 unter den gleichen Bedingungen

909809/0067

INSPECTED

von Temperatur und Druck aus und wird im Austauscher 31 auf eine Temperatur von -265,56⁰C (-446⁰I), im Austauscher 29 'auf -216,11⁰C (-357⁰I) und im Austauscher 27 auf +66,11⁰C (151⁰I) erwärmt, worauf θβ in die Saugseite des Kompressors 23 eintritt und dort neuerdings komprimiert wird, so daß sich der Kreislauf wiederholen kann.

Ein wichtiges Merkmal· der Erfindung besteht darin, daß bei Kompressoren in zwei völlig verschiedenen Kreisläufen unterschiedliche Betriebsweisen ermöglichen, so daß man spe- Biellen Umständen gerecht werden kann. Weiterhin mußten bisher die Expansionsmaschinen des ersten Kreises das gesamte- Arbeitsmedium auf den Druck des anderen Kreises entspannen, z.B. auf 0,1055 ata (1,5 psia), so daß die Expansionseinrichtung außerordentlich groß wurde«,

Aue den obigen Ausführungen ergibt sich, daß alle zu Anfang genannten Ziele durch die Erfindung erreicht werden.

90 9 8 09/0067

Claims

U26924

Patentansprüche

1. Tiefkühlverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein · erster und ein zweiter Strom aus Druckgas verwendet wird, daß ein erster Teil des ersten Stromes expandiert wird, daß der zweite Strom durch Yvärme austausch mit dem ersten, expandierten" Teil gekühlt wird, daß ein zweiter Teil des ersten. Stromes expandiert wird, daß weiterhin der zweite Strom durch Wärmeaustausch mit dem expandierten, zweiten Teil gekühlt wird und daß weiterhin .der gekühlte zweite Strom expandiert wird.

^} 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil durch Wärmeaustausch mit dem expandierten ersten Teil gekühlt wird, "bevor der zweite Teil expandiert wird»

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des ersten Stromes vor der Expansion merklich größer ist als der Druck des zweiten. Stromes vor der Expansion·

-4·· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des ersten Stromes nach der Expansion merklich hpfcer ist als der Druck des zweiten Stromes nach der Expansion,

909809/0067 ·

• U26924

. 5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Teil den gesamten ersten Strom "bilden«

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Teil isentropisch und der zweite Strom adiabatisch expandiert warden«

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium für den zweiten Strom Helium verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium für den ersten und den zweiten Strom Helium verwendet wird·

9. Tiefkühlvorrichtung, gekennzeichnet durch Mittel, durch die ein treter und zweiter Strom eines komprimierten Gases erzeugt wird, duroh Mittel, durch die ein erster Teil des ersten Stromes expandiert wird, durch Mittel, durch die der zweite Strom durch Wärmeaustausch mit dem ersten, expandierten Teil gekühlt wird, durch Mittel, durch die ein zweiter Teil des ersten Stromes expandiert wird, durch Mittel, durch die weiterhin der zweite Strom durch Y/ärmeaus tausch mit diesem expandierten

zweiten Teil gekühlt wird und durch Mittel, duroh die der zweite weiterhin abgekühlt wird.

909809/0067

10· Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel, durch die der zweite Teil durch Wärmeaustausch mit dem expandierten, ersten Teil vor der Expansion des zweiten Teils gekühlt wird« .

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, daduroh gekennzeichnet, dafl die Mittel für die an erster und an zweiter Stelle erwähnt« Expansion Mittel für eine isentropische Expansion und für die an dritter Stelle erwähnte Expansion Mittel für eine adiabatisohe Expansion sind.

ORIGINAL INSPECTED

909809/00 6 7