DE1551311C3 - Vorrichtung zum Kühlen bzw. Kondensieren eines Mediums - Google Patents

Description

einen aus zwei Teilen 2 und 3 verschiedenen Durchmessers bestehenden Verdränger. Der Kolben und der Verdränger sind über eine Kolbenstange 4 bzw. eine Verdrängerstange 5 mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden, das diese Teile mit einem gegenseitigen Phasenunterschied bewegen kann. Während dieser Bewegung ändert der Kolben 1 mit seiner oberen Fläche auch das Volumen eines Kompressionsraums 6. Die durch den Übergang zwischen den Verdrängerteilen 2 und 3 gebildete Ringfläche 7 beeinflußt das Volumen eines Zwischenexpansionsraumes 8, während die obere Fläche des Verdrängerteiles 3 das Volumen eines Endexpansionsraumes 9 ändert. Der Kompressionsraum 6 steht durch einen Kühler 10, einen ersten Regenerator 11 und einen ersten Gefrierer 12 mit dem Zwischenexpansionsraum 8 in Verbindung. Der Zwischenexpansionsraum 8 steht durch einen zweiten Regenerator 13 und einen zweiten Gefrierer 14 mit dem Expansionsraum 9 in Verbindung. Im Betrieb stellen sich in den Expansionsräumen 8 und 9 sehr niedrige Temperaturen ein, wobei die Temperatur in dem Raum 8 höher ist als die in dem Raum 9.

Die Vorrichtung enthält weiter einen Kompressor 20 für ein Medium mit niedriger Kondensationstemperatur, z. B. Helium. Der Auslaß des Kompressors schließt sich an eine Leitung 21 des Hochdruckmediums an. Diese Leitung enthält eine Anzahl von Wärmeaustauschern 22, in denen das Hochdruckmedium Wärme mit dem Niederdruckmedium in der Leitung 23 austauscht, die sich an den Einlaß des Kompressors anschließt. Die Leitung 21 enthält weiter Wärmeaustauscher 24, 25, 26, 27, in denen das Hochdruckmedium in Reihenfolge Wärme austauscht mit den Expansionsräumen 8 bzw. 9 der Kühlmaschinen A und B.

Das Medium wird in diesen Wärmeaustauschern jeweils auf eine niedrigere Temperatur gekühlt. Nach dem Durchgang durch die Wärmeaustauscher wird das gekühlte Medium einer Drossel 29 zugeführt, in welcher der Druck des Mediums erniedrigt wird. Das flüssige Medium wird in einem Behälter 30 gesammelt. In dem Behälter 30 ist eine Kühlwendel untergebracht, durch die ein anderes Medium geführt werden kann. Der Dampf des Behälters 30 wird durch die Leitung 23 wieder dem Einlaß des Kompressors 20 zugeführt.

Es hat sich gezeigt, daß durch diese Art der Durchführung des Wärmeaustausches eine Menge Medium auf die gewünschte Temperatur abgekühlt werden kann, die etwa das Vierfache der Menge ist, die durch eine einzige Kaltgas-Kühlmaschine entsprechender Bauart abgekühlt werden kann.

Obgleich das Medium in einer Drossel 29 expandiert wird, kann statt dessen z. B. ein Ejektor benutzt werden.

F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung, bei der ein Hochdruckmedium durch drei Kaltgas-Kühlmaschinen A, B und C gekühlt wird, die je drei Expansionsräume enthalten. Das Medium in der Leitung 21 wird zunächst mit den Expansionsräumen 31 jeder der Maschinen mit der höchsten Expansionstemperatur in Reihenfolge in thermische Verbindung gebracht. Darauf tauscht das Medium in Reihenfolge mit den Expansionsräumen 8 und 9 jeder dieser Maschinen Wärme aus. Deutlichkeitshalber sind die Wärmeaustauscher, in denen das Hochdruckmedium Wärme mit dem Niederdruckmedium austauscht, das durch die Leitung 23 zu dem Kompressor zurückkehrt, weggelassen.

Bei dieser Vorrichtung ist die Menge des Mediums, die bis zu einer bestimmten Temperatur abgekühlt werden kann, erheblich größer als das Dreifache der Menge, die durch eine Maschine geliefert werden kann.

F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung, in der zwei kälteerzeugende Maschinen E und F anderer Bauart verwendet werden. Jede dieser Maschinen enthält einen aus zwei Teilen 41 und 42 ungleichen Durchmessers zusammengebauten kolbenartigen Körper, der in einem Zylinder bewegbar ist. Der kolbenartige Körper ist durch eine Kolbenstange mit einem nicht dargestellten Triebwerk verbunden. Während der Bewegung ändern sich die Volumina der Räume 44,45 und 46.

Der Raum 44 steht über einen Kühler 47, einen ersten Regenerator 48 sowie einen Gefrierer 49 mit dem Raum 45 und der Raum 45 über einen zweiten Regenerator 50 sowie einen zweiten Gefrierer 51 mit dem Expansionsraum 46 in Verbindung. Im Betrieb der Vorrichtung herrscht im Raum 44 nahezu Zimmertemperatur, während sich in den Räumen 45 und 46 reihenmäßig niedrigere Temperaturen einstellen.

An den Raum 44 schließt sich eine Leitung 52 an, die über ein regelbares Abschlußglied 54 und einen Behälter 55 zum Auslaß eines Kompressors 56 führt. An den Raum 44 schließt sich weiter eine Leitung 53 an, die über ein regelbares Abschlußglied 57 und einen Behälter 58 zum Einlaß des Kompressors 56 führt.

Die Wirkungsweise dieser Maschine ist folgende: Wenn der kolbenartige Körper 41, 42 die obere Lage einnimmt, öffnet sich das Abschlußglied 54 und es füllen sich die Räume 44, 45 und 46 mit Hochdruckmedium. Im geöffneten Zustand des Abschlußgliedes 54 bewegt sich der kolbenartige Körper nach unten. In einem bestimmten Augenblick schließt sich das Abschlußglied 54, während das Abschlußglied 57 sich öffnet. Der Druck in den Räumen 44, 45 und 46 sinkt dann ab, so daß in den Räumen 45 und 46, in denen das Medium im wesentlichen enthalten ist, bei niedriger Temperatur Kälte erzeugt wird.

Wie bei der Vorrichtung nach F i g. 1 kann diese Kälte zum Kühlen des von einem Kompressor 20 stammenden Hochdruckmediums benutzt werden. Das dieses Hochdruckmedium enthaltende System ist mit dem nach F i g. 1 identisch.

Auch bei dieser Vorrichtung wird wieder eine mehr als proportionale Vergrößerung der Kälteproduktion im Vergleich zu der einer einzigen Kältemaschine erzielt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum Kühlen bzw. Kondensieren eines Mediums mit mindestens einer Kaltgas-Kühlmaschine des Mehrraumtyps, die wenigstens einen Kompressionsraum veränderlichen Volumens enthält, in dem im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur vorherrscht und der mit mindestens zwei Expansionsräumen gleichfalls veränderlichen Volumens zusammenwirkt, in denen im Betrieb reihenmäßig niedrigere mittlere Temperaturen vorherrschen, wobei die erwähnten Räume miteinander verbunden sind und in jeder der Verbindungen mindestens ein Regenerator vorgesehen ist, durch den ein Arbeitsmedium hin- und herfließen kann, welche Vorrichtung weiterhin ein Leitungssystem enthält, das von einem zu kühlenden bzw. zu kondensierenden Medium durchflossen ist, das in Reihenfolge mit den Expansionsräumen reihenmäßig niedrigerer Temperatur Wärme austauscht, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Kaltgas-Kühlmaschinen des Mehrraumpyps (A, B; A, B, C, E, F) das in dem Leitungssystem (21, 23) strömende Medium zunächst mit dem Expansionsraum (8; 31; 45) mit der höchsten mittleren Temperatur der ersten Maschine (B; A; F) und dann in Reihenfolge mit den entsprechenden Expansionsräumen jeder der weiteren Maschinen Wärme austauscht, worauf das Medium anschließend in der gleichen Reihenfolge mit jeder weiteren Gruppe entsprechender Expansionsräume Wärme austauscht.

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen bzw. Kondensieren eines Mediums mit mindestens einer Kaltgas-Kühlmaschine des Mehrraumtyps, die wenigstens einen Kompressionsraum veränderlichen Volumens enthält, in dem im Betrieb eine höhere mittlere Temperatur vorherrscht und der mit mindestens zwei Expansionsräumen gleichfalls veränderlichen Volumens zusammenwirkt, in denen im Betrieb reihenmäßig niedrigere mittlere Temperaturen vorherrschen, wobei die erwähnten Räume miteinander verbunden sind und in jeder der Verbindungen mindestens ein Regenerator vorgesehen ist, durch den ein Arbeitsmedium hin- und herfließen kann, welche Vorrichtung weiterhin ein Leitungssystem enthält, das von einem zu kühlenden bzw. zu kondensierenden Medium durchflossen ist, das in Reihenfolge mit den Expansionsräumen reihenmäßig niedrigerer Temperatur Wärme austauscht.

   Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DT-AS 13 672 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird die die Kälte erzeugende Maschine durch eine Kaltgas-Kühlmaschine des Mehrraumtyps, d. h. eine Kaltgas-Kühlmaschine mit mehreren Expansionsräumen gebildet, die, je größer ihre Entfernung von dem Kompressionsraum ist, eine um so niedrigere Temperatur aufweisen. In dieser Vorrichtung kann ein Medium gekühlt werden, indem es in einem Leitungssystem in Reihenfolge mit den Expansionsräumen stets niedrigerer Temperatur in thermische Verbindung gebracht wird. Das Medium wird dabei bis zu etwa der Temperatur des Expansionsraumes mit der niedrigsten Temperatur abgekühlt, wobei das Medium also durch den Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel in den anderen Expansionsräumen vorgekühlt wird, die eine höhere mittlere Temperatur aufweisen.

   Das gekühlte Medium, z. B. Helium, kann darauf in einer Expansionsvorrichtung im Druck erniedrigt werden, wobei es flüssig wird.

   Die Endtemperatur des zu kühlenden Mediums ist dabei ein feststehender Wert, der durch die Art des Mediums, den Druck und die beabsichtigte Anwendung des gekühlten Mediums bestimmt wird.

   Infolgedessen ist auch die Temperatur des letzten Expansionsraumes und somit auch die der anderen Expansionsräume fixiert. Die in den verschiedenen Expansionsräumen erzeugte Menge der Kälte ist im allgemeinen um so größer, je höher die Temperatur in diesen Räumen ist.

   Dies bedeutet, daß mittels einer bestimmten Maschine nur eine bestimmte Menge Medium auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden kann. Soll eine größere Menge dieses Mediums auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden, so ist es selbstverständlich möglich, zwei Kaltgas-Kühlmaschinen anzuwenden, wobei ein Teil des Mediums mit einer und ein anderer Teil mit der anderen Maschine Wärme aus- 2$ tauscht, so daß die erzeugte Kältemenge und somit die abkühlbare Mediummenge das Zweifache betragen. Bei Vergrößerung der Anzahl der Maschinen nimmt die erzeugte Menge Kälte und somit die Menge abkühlbaren Mediums direkt proportional mit dieser Anzahl zu.
   Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß bei Verwendung mehrerer kälteerzeugender Maschinen eine passende Wahl der Reihenfolge des Wärmeaustauches des zu kühlenden Mediumstroms mit den verschiedenen Expansionsräumen es ermöglicht, eine Kälteproduktion (Menge gekühlten Mediums) zu erzielen, die mehr als proportional mit der Anzahl verwendeter Maschinen zunimmt.

   Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Kaltgas-Kühlmaschinen des Mehrraumtyps das in dem Leitungssystem strömende Medium zunächst mit dem Expansionsraum mit der höchsten mittleren Temperatur der ersten Maschine und dann in Reihenfolge mit den entsprechenden Expansionsräumen jeder der weiteren Maschinen Wärme austauscht, worauf das Medium anschließend in der gleichen Reihenfolge mit jeder weiteren Gruppe entsprechender Expansionsräume Wärme austauscht.

   Bei dieser Vorrichtung wird somit der ganze Mediumstrom allen Expansionsräumen entlang geführt.

   Es hat sich überraschenderweise ergeben, daß bei einer Vorrichtung mit zwei kälteerzeugenden Maschinen auf diese Weise eine Kälteproduktion (Menge abgekühlten Mediums) erhalten wird, die etwa das Vierfaehe der Produktion einer einzigen Maschine ist.

   Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

   F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung mit zwei KaItgas-Kühlmaschinen, die das zu verflüssigende Gas vorkühlen,

   F i g. 2 schematisch eine Vorrichtung entsprechend der nach Fig. 1, aber mit drei Kaltgas-Kühlmaschinen zum Vorkühlen des Mediums und

   F i g. 3 schematisch eine ähnliche Vorrichtung mit kälteerzeugenden Vorrichtungen anderer Bauart.

   F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung mit zwei Kaltgas-Kühlmaschinen A und B gleicher Bauart.

   jede dieser Maschinen enthält einen Kolben 1 und