DE1551281A1

DE1551281A1 - Impulsrohr-Kuehlverfahren

Info

Publication number: DE1551281A1
Application number: DE19671551281
Authority: DE
Inventors: Garrett Dipl-Chem Micha Ernest; Webster Thomas John
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1966-02-21
Filing date: 1967-02-18
Publication date: 1970-03-19
Also published as: FR1511438A; GB1132652A; US3431746A; NL6702286A; NL130631C

Description

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Augsburg, den 17, Februar 1967

The'British Oxygen Company Limited, Hammersmith House,

London W. 6, England

Impulsrohr-Kuhlverfahren

Die Erfindung betrifft Impulsrohr-Kühlverfahren zum Kühlen von Gasen» - . '/ ·

Bei derartigen Verfahren wird das zu kühlende Gas verdichtet, dann zwecks Kühlung durch einen Regenerator, geführt und anschließend, nachdem seine Turbulenz im "^: wesentlichen beseitigt wurde, dem Einlaß eines Impulsrohres zugeführt. Das Gas wird sodann zum abgelegenen

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Ende des Impulsrohres hin adiabatisch verdichtet, so daß es sich während des Hindurchströmens durch das Impulsrohr fortschreitend erwärmt. Das infolge seiner Verdichtung erwärmte Gas wird am nachstehend als "warmes Ende" bezeichneten abgelegenen Impulsrohrende mittels eines Wärmeaustauschers gekühlt und kann dann im Impulsrohr zurück zu dem nachstehend als "kaltes Ende" bezeichneten Einlaßende des Impulsrohres hin adiabatisch expandieren. Durch diese adiabstische Expansion wird das Gas auf eine Temperatur abgekühlt, welche an dem kalten Ende des Impulsrohres tiefer ist als die Temperatur, mit welcher das Gas in das Impulsrohr eintritt. Das gekühlte expandierte Gas gibt dann einen Teil seiner Kälte an einen Wärmeaustauscher ab, mittels welchem diese Kälte zwecks Verwertung leicht abgeführt werden kann. Zuletzt wird das Gas über oder durch den Regenerator hindurch wieder zurückgeführt, welch letzterer den noch verbleibenden Kälterest des zurückströmenden Gases unmittelbar speichert, welcher dann dazu dient, das während des jeweils folgenden Arbeitsspiels eintretende Gas vorzukühlen.

Dabei können durch Anwendung von Druckschwingungen

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hoher Prequenz, ζ. B. von hundert Schwingungen ge Minute oder mehr, mit verhältnismäßig kleinen Kältemittelmengen verhältnismäßig große Kühlleistungen erzielt werden. _;

Derartige Verfahren werden bei Schwingungsfrequenzen bis hinauf zu 400 Schwingungen je Minute angewandt und dadurch ist es möglich, Luft von Umgebungstemperatur bis auf Temperaturen von unterhalb -40° C abzukühlen. Die Kälteausbeute des Verfahrens nimmt im Verhältnis mit der Schwingungsfrequenz zu. Es wurde jedoch erkannt j daß einer der die Anwendung einer maximelen Frequenz beschränkenden Paktoren die Zeitspanne ist, die erforderlich ist, um an dem warmen Ende des Impulsrohres die Wärme des verdichteten Gases abzuführen. ·

Bekannte Kühlanlagen zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens v/eisen ein Zweiwegventil zur Steuerung der Strömung des verdichteten Gases zu und von einem Regenerator auf, en weich letzterem sich ein Wärmeaustauscher anschließt, der zugleich dos kälte Endö des Impulsrohres bildet und r.ls otrömungsglätter wirkt. Das andere, warme Ende des Isipulsrohres ist mit

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einem weiteren Wärmeaustauscher verbunden, durch welch letzteren ein geeignetes Kühlmittel, wie z. B. Wasser, hindurchetrömt.

Beim Betrieb dieser bekannten Kühlanlage wird das durch das Zweiwegventil zuströmende Gas, während es von dem, dem Zweiwegventil zugewandten warmen Ende des Regenerators zu dessen, dem Impulsrohr zugewandten kalten Ende strömt, auf eine Temperatur Τ_Λ abgekühlt* Das Gas

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strömt dann zur Verminderung seiner Turbulenz durch den Strömungeglätter und weiter zum kalten Ende des Impulsrohres, in welchem es dann verdichtet wird, wobei sich ein Temperaturgefälle bildet, das an dem warmen Impulsrohrende ein Maximum erreicht. Sie Verdichtung ist Im Grunde eine adiabatische Verdichtung, wodurch sich das verdichtete Gas an dem warmen Impulsrohrende auf eine Temperatur T_m erwärmt. Dieses Gas mit der Temperatur T_ strömt dann durch den erwähnten weiteren Wärmeaustauscher, wo es sich auf eine Temperatur Tj₁ abkühlt, und kann dann-wieder entlang des Impulsrohres adiabatisch zu dessen kaltem Ende zurückexpandieren, wobei es eich eine Temperatur T. abkühlt.

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Dieses zu dem kalten Ende des Impulsrohres zurückkehrende Gas gibt dann etwas von seiner Kälte an den erstgenannten Wärmeaustauscher ab und erwärmt sich hierdurch auf eine Temperatur T . Die von diesem erstgenannten Wärmeaustauscher durch geeignete, bekannt· Mittel abgeführte Kälte wird dann für einen bestimmten Verwendungszweck gespeichert. Ein Vorteil des bekannten Impulsrohrkühlverfahrens ist, daß hiermit bei sehr tiefen (Temperaturen nooh Kälte erzeugt werden kann.

Zuletzt strömt das Qa a mit der Temperatur T_Q über oder durch den Regenerator wieder zurück, welcher das Gas für das jeweils folgende Arbeitsspiel vorkühlt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden₍ bei Impulsrohr-Kühlverfahren der eingangs dargelegten Art am warmen Rohrende die Wärm· schneller als bei d«a bekannten Verfahren abzuführen, um hierdurch die Anwendung einer höheren Sohwingungsfrequenz au ermöglichen und folglich je apparative Einheit gegebener Gröfl· sine' größere Kälteausbeute zu erhalten.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgab· beinhaltet die

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Erfindung ein ilmpul sr ohr~Kühl verfahr en _t welche« dadmjreh gekennseiohnet let, daß bei jedem Arbeitsspiel te« nut verdiohtete Gas durch naehströmendes kühleres 9as vom warnen Impalsrohrende verdrängt

Nach einen weiteren Merkmal der Erfindung wird das fön dem warmen Ende des Impulsrohres rerdrängte Gas gekühlt, wieder verdichtet und wieder einem neuen Arbeitsspiel unterworfen.

Durch das erfindungsgemäße Abführen des erwärmten und verdichteten Gases kann die Betriebsfrequenz der lühlanlage erhöht und die lemperaturdifferens »wischen dem in das Impulsrohr eintretendenGas und dem aus Ihm austretenden Gas vergrößert werden. Je. größer die Betriebsfrequenz ist, desto größer ist die je Zeiteinheit verarbeitete Qesmenge und som^t auch die je Zeiteinheit •rsielbare Kühlleistung.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der beiliegenden Zeichnung im einzelnen beispielsweise beschrieben. Es stellen dar:

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BAD ORlG⁵NAL Figur 1 «lsi Boheme tische s Blockschaltbild

einer Auaführungeform einer Impulerohr-Kühlanlage xur Aueführung des Kühlrer fahren» gemäß der Erfindung und

figur 2 ein schematißchea Blockschaltbild

einer weiteren* Ausführungsfonn einer Iapulerohr-Kühlanlage tür Aueführung des Kühlverfahrens ge- - maß der Erfindung.

Bin erfindungagenHßeB Verfahren »ur der Zelt, welche zur Kühlung des Gases es warmen Impulsrohrende erforderlich ist, wird nun alt Besug auf Figur 1 der Zeichnungen beschrieben.

In der in Figur 1 gezeigten Anlage entsprechen der Regenerator 2, dfcr Wärmeaustauscher und Turbuleneverminderer 3 eowi# das ifcpulsrohr 4 den jeweiligen bereits ia Zusaanenhang mit der bekannten Anlage erwähnten Teilen.

Mittels eine«: YentiL»6 wird der Anlage Gag «ugeführt

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und mittels eines Ventils 7 aus der Anlage das verbrauchte Gas wieder abgeführt. Gemäß der Erfindung wird an dem warmen Ende des Impulsrohree 4- mittels eines weiteren Ventils 8 warmes Gas jeweils nach Abschluß seiner Verdichtung abgeführt.

Während des Bei^riebes sind, wenn verdichtetes Gas über das Ventil 6 zugeführt wird, die Ventile 7 und 8 geschlossen. Wenn dann das Gas in dem Impulsrohr 4 verdichtet wurde, öffnet dae Ventil 8 und die an dem warmen Ende des Impulsrohres 4 befindliche Ansammlung warmen Gases wird bei konstantem Druck verdrängt, während das Ventil 6 geöffnet bleibt. Danach schließen die Ventile 6 und 8 und öffnet das Ventil 7, durch welch letzteres dann das durch den Regenerator 2 zurückströmende Gas abgeführt wird. Dieses wechselseitige öffnen und Schließen der Ventile wiederholt sieh dann periodisch. Dabei geht das von dem warmen Ende des Impulsrohres 4- herkommende und durch das Ventil 8 in die AußenatmoSphäre abgeführte Gas praktisch verloren.

Wenn das für den Betriebsablauf zur Verfügung

stehende Gss beispielsweise Luft ist, kann dieser

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Gasverlust in Kauf genommen werden, nicht jedoch, wenn die Anlage mit einem teueren Gas, z. B. Helium, betrieben ..wird, in welchem lalle es dann erforderlich ist, ein geschlossenes Kreislaufsystem nach der in Eigur 2 dargestellten Art zu verwenden. Eine Anlage mit einem derartigen geschlossenen Kreislaufsystem ist auch hinsichtlich der Kälteerzeugung leistungsfähiger als die Anlage nach !Figur 1.

In der Anlage nach ilgur 2 sind der Regenerator 2, der Wärmeaustauscher und Turbulenzverminderer 3 sowie das Impulsrohr 4- gleich den entsprgehenden, in Figur 1 beschriebenen Anlageteilen. '

In einem Kompressionszylinder 9 wird Gas verdichtet und strömt dann durch einen Kühler 10 zu dem Regenerator Das warme Ende des Impulsrohres 4 weist ein auf Druck ansprechendes Ventil 11 auf, welches sich öffnet, wenn der Gasdruck an dem warmen Impulsrohrend© über eine vorbestimmte Höhe ansteigt und welches sich schließt, wenn dieser Druck unter eine bestimmte Höhe abfällt. Das durch das Ventil 11 abgeführte Gas strömt durch einen Speicher 12, wo es gekühlt wird, bevor es weiter über ein Rückschlagventil 13 in den Verdichtungsraum

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dee Kompressionszylinders 9 strömt. Der Speicher 12 ist genügend groß, um das. während einer Vielzahl von Arbeitsspielen über das Ventil 11 verdrängte Gas aufnehmen su können, wodurch gewährleistet ist, daß das von dem Speioher aufgenommene Gas genügend Zeit hat, um sieh abzukühlen, bevor es in den Kompressionszylinder 9 zurückströmt.

Während des Betriebes wird das Gas durch den sich in dem Kompressionszylinder 9 nach oben bewegenden Kolben in dem Regenerator 2 und dem Impulsrohr 4 verdichtet. Wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Kolbenhubendes befindet, wird durch den im Impulsrohr 4 herrschenden Druck das Ventil 11 geöffnet und das warme Gas mit konstantem Druck aus dem Impulsrohr 4 verdrängt, bo daß es durch das Ventil 11 in den Speicher 12 strömt.

Wenn sich der Kolben dann wieder zurückbewegt, fällt der Druck in dem Impulsrohr 4, wodurch das Ventil schließt, so daß daa in dem Impulsrohr 4 und in dem

Regenerator 2 befindliche Gas in Richtung auf den Kolben

y des Kompressionszylinders 9 zu adiabatisch expandiert.

Wenn sioh dann der Kolben in der Nähe des unteren

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Endes seines Erpaneionshubes befindet, ist der Druck ^genügend tief, gefallen, so daß das in dem Speicher ■ich abkühlende Gas über das Rückschlagventil 13 in den Koapreasionssylinder 9 einströmen kann und diesen wieder auffüllt.

Dieser Betriebsablauf wiederholt sich bei jedem Kolbenhub*

■■«να*: ■

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Claims

Patentansprüche

1. Impulsrohr-Kühlverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Arbeitsspiel das warme verdichtete Gas durch nachströmendes kühleres Gas vom warmen Impulsrohrende verdrängt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das von dem warmen Ende des Impulsrohres verdrängte Gas gekühlt, wieder verdichtet und wieder einem neuen Arbeitsspiel unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während jedes Arbeitsspieles zunächst Gas in einen Regenerator eingelassen wird, anschließend verdichtetes Gas vom warmen Impulsrohrende verdrängt, sodann der Gaszu- und -Abstrom kurzfristig unterbrochen und zuletzt durch den Regenerator rückgeführtes Gas abgelassen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während jedes Arbeitsspieles in einem Kompressionszylinder verdichtetes Gas über einen Kühler in den Regenerator eingeführt wird., ferner eine Überschußgasmenge

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BAD ORfGiNAL

-von oberhalb eines bestimmten Grenzdruckes gelegenen Druck von dem warmen Impulsrohrende zur Kühlung in einen Speicher abgelassen und dann diese gekühlte Gasmenge aus dem Speicher zwecks Wiederverdichtung in die Kompressionsstufe zurückgeführt wird.

5. Vorrichtung zur Ausführung des Kühlverfahrene nach Anspruch 1 oder 3 mit einem Gasverdichter, einem diesem nachgeschalteten Regenerator und einem sich daran anschließenden Impulsrohr mit eingangs-, d. he k'altendseitigem Wärmeaustauscher, gekennzeichnet durch ein warmend sei tig am Impulsrohr (4) angeordnetes Gasablaßventil (8)(Figur 1).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 2ur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder/und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasablaßventil (11) - gegebenenfalls über einen Zwischenspeicher (12) und ein Rückschlagventil (13) in den Gasverdichter (9) zurückführt · (Figur 2). -

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