DE1501715A1 - Einrichtung zur Verfluessigung von Gasen - Google Patents

Einrichtung zur Verfluessigung von Gasen

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DE1501715A1 DE19661501715 DE1501715A DE1501715A1 DE 1501715 A1 DE1501715 A1 DE 1501715A1 DE 19661501715 DE19661501715 DE 19661501715 DE 1501715 A DE1501715 A DE 1501715A DE 1501715 A1 DE1501715 A1 DE 1501715A1
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Description

5412-66/Dr.v.B/Eo.
Case HY.36
British Patent Appl.13883/65 1 g η 111 ε
Filed 1st April 1965 I OU I / I 0
Hymatic Engineering Company Limited, Glover Street, Eedditch, Worcestershire, England.
Einrichtung zur Verflüssigung von Gasen.
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Verflüssigung von Gasen, bei denen ein unter hohem Druck stehendes Gas durch einen Kanal eines Y/ärmeaustauschers zu einer festen Drosselstelle geleitet wird, an der das Gas expandiert, z.B. auf Atmosphärendruck. Das expandierte Gas, das durch die isenthalpische Expansion unter der Inversionstemperatür kalter ist als das zugeführte Gas wird dann durch den anderen Kanal· des Wärmeaustauschers geleitet, wobei das Gas fortlaufend abgekühlt und schließlich verflüssigt wird.
Die Erfindung betrifft Gasverflüssiger dieser Art mit zwei oder mehr Stufen. Gase mit niedriger Inversionstemperatur,
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z.B. Wasserstoff, dessen Inversionstemperatur bei etwa 183° K liegt, müssen nämlich zur Verflüssigung unter die Inversionatemperatur vorgekiihlt werden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch eine erste Stufe desselben Typs, in der ein Gas verwendet wird, wie Luft oder Stickstoff, dessen Inversionstemperatur über der normalen Raumtemperatur liegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zur Verflüssigung von Gasen der oben genannten Art anzugeben, die zwei oder mehr Stufen enthält und sich durch einen besonders gedrängten Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen.
Eine Einrichtung zur Verflüssigung von Gasen mit einer ersten Stufe, in der ein erstes Gas, dessen Inversionstemperatur über der normalen Raumtemperatur liegt, durch einen ersten Kanal eines Wärmetausehers strömt, expandiert, durch einen zweiten Kanal des Wärmetauschers zurückströmt und ein Gas, dessen Inversionstemperatur unter der normalen Raumtemperatur liegen,kann, kühlt, welches in einer zweiten Stufe durch einen Kanal eines Wärmetauschers dieser zweiten Stufe strömt, expandiert und dann durch einen zweiten Kanal dieses Wärmetauschers zurückströmt, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher der ersten Stufe innerhalb des heißen Endes des Wärmetauschers der zweiten Stufe angeordnet ist. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung
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hat jeder Wärmetauscher im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders und der Wärmetauscher der ersten Stufe ist koaxial innerhalb dee heißen Endes des Wärmetausohers der zweiten Stufe montiert. In diesem Falle kann der Raum im kalten Ende des Wärmetauschers der zweiten Stufe durch eine Kammer ftir das Arbeltsmedium der ersten Stufe eingenommen werden, die gegen den Wärmetauscher der zweiten Stufe isoliert ist.
Sie Wahl des für diesen Zweck verwendeten Isoliermaterials 1st nicht unwesentlich, es soll nämlich eine geringe Wärmekapazität haben und sein Isolationsvermögen soll nach Möglichkeit mit sinkender Temperatur zunehmen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird also ein Isoliermaterial verwendet, das sowohl eine niedrige Wärmekapazität als auch ein Wärmeisolationevermögen, das mit absinkender Temperatur besser wird, hat.
Ein Material, das sich als besonders geeignet erwiesen hat, 1st Polystyrolschaum. Ebenfalls geeignet 1st eine Asbestverbindung, wie sie von der Firma Central Manufacturing and Trading Company (Dudley) Limited unter dem Handelsnamen "Sindanyo" vertrieben wird. Das Isoliermaterial kann die Form.eines tiefen Bechers haben, der in das kalte Ende des Wärmetauschers der zweiten Stufe paßt.
Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Längsschnittansicht eines auf dem Prinzip des Joule-
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Thompson-Effektes arbeitenden zweistufigen Gasverflttssigers.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein kleiner, zweistufiger Wasserstoffverfltissiger, der in ein Dewargefäß 10 paßt. In das Innere des Gefäßes eretreokt sioh ein dünnwandiges Zwischenrohr 11 aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z.B. rostfreiem Stahl oder einem Kunststoff* Die Außenseite des Rohrs 11 trägt einen Wärmetauscher 12 der zweiten Stufe, der praktisch tiber die ganze Länge des Rohres bis zu einem Expansionskopf 13 am unteren Ende reicht.
Innerhalb des Zwischenrohres befindet sich ein Wärmetau-: scher 17 der ersten Stufe, der sich tiber etwa zwei Drittel der Länge des Zwischenrohres nach unten erstreckt. Die Wärmetauscher können in beliebiger Weise ausgebildet sein und enthalten normalerweise eine wendelförmig gerippte Rühre, die wendelförmig um die Achse der Einrichtung gewickelt 1st. Der innere Wärmetauscher ist auf einem Innenrohr 18 montiert, das aus dim gleichen Werkstoff wie das Zwischenrohr 11 bestehen kann. Am unteren Ende trägt das Innenrohr 18 einen Expansionskopf für die erste Stufe, der eine poröse Membrane 20 zum Ausfrieren und Entfernen von Premdgasen sowie eine kleine Expansionsöffnung 21 aufweisen kann (siehe z.B. britische Patentschrift 863 961).
Dem innenliegenden Wärmetauscher 17 der ersten Stufe wird durch einen mittleren Rohranschluß 22 am oberen Ende des ersten
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Kanals der Rohrwendelanordnung Luft zugeführt, die vom unteren Ende dieser Rohrwendel zum Expanaionskopf 19 gelangt. Sie strömt dann durch die poröse Membrane 20 und expandiert durch die Drosselöffnung 21. Da die Temperatur dabei unterhalb der Inversionstemperatur der Luft liegt, tritt eine Abkühlung auf. Die abgekühlte expandierte Luft strömt durch den Gegenatromkanal des inneren Wärmetauschers der ersten Stufe in Berührung mit den Rippen der wendeiförmigen Röhre und wird dann oben durch einen Auslaß 23, der gewöhnlich zur Atmosphäre führt, abgelassen. Im Betrieb sinkt die Temperatur im Bereich des Expansionskopfes 19 laufend ab, bis sich ein Teil der Luft bei einer Temperatur von 80° K, die wesentlich unterhalb der Inversionstemperatur des Wasserstoffes liegt, verflüssigt.
Der Raum im unteren Ende des Zwischenrohres 11 zwischen dem Expansionskopf 19 der ersten Stufe und dem Expansionskopf 13 der zweiten Stufe bildet eine Kältekammer 24, in der sich die verflüssigte Luft vom Expansionskopf der ersten Stufe ansammelt.
Der am unteren Ende des zur zweiten Stufe gehörigen äußeren Wärmetauschers angeordnete Expansionskopf 13 enthält in entsprechender Weise eine poröse Membrane 31 und eine Expansionsöffnung 32. Durch einen Einlaß 33 wird Wasserstoff zugeführt, der durch den ersten Kanal des äußeren Wärmetauschers 12 nach unten strömt und von dort zum Expansionskopf 13 gelangt,
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dort expandiert der Wasserstoff und strömt dann durch den zweiten Kanal des äußeren Wärmetauschers nach oben, wo er durch einen seitlichen Rohrstutzen 34 austritt. Der Wasserstoff wird dann wieder komprimiert, abgekühlt und dem Kreislauf wieder zugeführt.
Es ist einleuchtend, daß es für eine rasche Produktion von flüssigem Wasserstoff mit gutem Wirkungsgrad nicht nur erforderlich ist, den Wasserstoff selbst sondern auch die Teile der Einrichtung zuerst auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb der Inversionstemperatur des Wasserstoffes liegt. Es ist hierfür wünschenswert, daß das kalte Ende der ersten Stufe des Verflüssigers in gutem Wärmekontakt mit dem Wärmetauscher der zweiten Stufe steht. Wenn andererseits hinsichtlich der Temperaturen ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, hat der Wärmeaustauscher der ersten Stufe eine wesentlich höhere Temperatur als das kalte Ende des Wärmetauscher der zweiten Stufe, so daß jede übertragene Wärmemenge eine zusätzliche Belastung für den Wärmetauscher der zweiten Stufe darstellt, dessen letztlicher Zweck die Verflüssigung des Wasserstoffs ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein sehr günstiger Kompromiß getroffen. Als erstes werden die Rippen des wendeiförmigen Rohres der zweiten Stufe im Bereich des Expansionskopfes der ersten Stufe entfernt, so daß ein Teil 38 des wendeiförmigen Rohres in einen engeren Wärmekontakt mit der ersten
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Stufe gebracht werden kann· Zweitens wird die Kammer 24 im kalten Ende des Wärmetauschers der zweiten Stufe, in der dich die flüssige Luft ansammelt, mit einem tiefen Becher 39 ausgefüttert, der aus einem Material besteht, das eine geringe Wärmekapazität und ein Isoliervermögen hat, das mit absinkender Temperatur des kalten Endes der zweiten Stufe des Verflüssigerβ absinkt. Der Becher 39 kann beispielsweise aus Polystyrolschaum-8toff oder einer Asbestrerbindung bestehen, wie sie von der Firma Central lianafaoturing and Trading Company (Dudley) Limited unter dem Handelsnamen "Sindanyo" vertrieben wird.■
Bs ist bekannt, daß der aus dem Expansionskopf 13 der zweiten Stufe austretende Wasserstoff nicht direkt auf den Boden des Yakuumgefäfles auftreffen soll, da diese in der Praxis häufig durch die zu kühlende Einrichtung, z.B. Photozelle, gebildet wird. Der Expansionskopf kann daher mit einem Diffuser ▼ersehen werden, aus dem das Gas radial austritt. Der Diffuser kann mit nichtabsorbierender Baumwolle gefüllt sein.
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Claims (7)

Patentansprüche
1. j) Einrichtung zum Verflüssigen von Gasen mit einer ersten Stufe, in der ein erstes Gas, dessen Inversions temperatur über der normalen Raumtemperatur liegt, durch einen ersten Kanal eines Wärmetauschers strömt, expandiert, durch einen zweiten Kanal des Wärmetauschers zurückströmt und ein Gas, dessen Inversionstemperatur unter der normalen Raumtemperatur liegen kann, kühlt, welches in einer zweiten Stufe durch einen Kanal eines zur zweiten Stufe gehörenden Wärmetauschers strömt, expandiert und dann durch einen zweiten Kanal des zur zweiten Stufe gehörenden Wärmetauschers zurückströmt, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher der ersten Stufe (17)im heißen Ende des Wärmetauschers (12) der zweiten Stufe angeordnet ist.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher im wesentlichen die Form von Hohlzylindern haben, und daß der Wärmetauscher (17) der ersten Stufe koaxial innerhalb des heißen Endes des Wärmetauschers (12) der zweiten Stufe angeordnet ist.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum im kalten Ende des Wärmetauschers (12) der zweiten Stufe durch eine Kammer (24) für das Arbeitsmedium der ersten Stufe eingenommen wird, die
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gegen den Wärmetauscher (12) der zweiten Stufe isoliert ist.
4·) Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation der Kammer eine niedrige Wärmekapazität und ein Isolationsvermögen, das mit abnehmender Temperatur zunimmt, hat.
5.) Einrichtung naoh Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial aus Polystyrolschaumstoff besteht.
6.) Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial aus einer Asbestverbindung (nach Art des unter der Bezeichnung "Sindanyo" erhältlichen Produktes) besteht.
7.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung die Form eines tiefen Bechers (39) hat, der in das kalte Ende des Wärmetauschers (12) der zweiten Stufe paßt.
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