DE1551614A1 - Verfahren und Einrichtung zur Verfluessigung von Neon mittels Entspannungsturbine - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Verfluessigung von Neon mittels Entspannungsturbine

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DE1551614A1 DE19671551614 DE1551614A DE1551614A1 DE 1551614 A1 DE1551614 A1 DE 1551614A1 DE 19671551614 DE19671551614 DE 19671551614 DE 1551614 A DE1551614 A DE 1551614A DE 1551614 A1 DE1551614 A1 DE 1551614A1
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turbine
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Description

K. L SCHIFF Dr. A. v. HUNER
PATENTANWÄLTE Mönchen HO, SerelterangerettlB DA-1515
Telefon 29 73 6Ä
BESCHREIBUNG
zu der Patentanmeldung
des
NAUTSGHNO.IZSLEDOVATELSKI SEKTOR PRI PHISITSGHESKIA PAKULTET NA SOFIISKI UNIVERSITET
betreffend
Verfahren und Einrichtung zur Verflüssigung von Neon mittels Entspannungsturbihe
Prioritätt 1. April 1967 'Nr. 1-444 Bulgarien.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Neonverflüssigung mit einer Entspannungsturbine, womit das Problem zur Herstellung von flüssigem Neon in grossen Mengen nach einen hochwirksamen Kreisprozess bei verhältnisraässig geringem Energieverbrauch und hohen Verflüssigungagrad gelöst wird.
Es sind zwei Verfahren zur Neonverflüssigung bekannt .
Das eine Verfahren stellt einen einfachen Drosse·" lungszyklus nach vorhergehendem Abkühlen mit flüssigem Stickstoff dar. Da sich der Zyklus durch einen niedrigen Gesamt-
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wirkungsgrad auaseichnet, ist «ur Erlangung eines annehmba ren VerflOsslgungsgrades (0,15 bis 0,18) ein hoher Neondruck (180 bis 220 atü) erforderlich, was naturgemäss mit grossea Energieverbrauch und einer aufwendigen Anlage verbunden ist.
Das andere Verfahren ist eine Kondensation des Neons beim Durchleiten durch eine Wanne mit flüssigem V/asser stoff. Dieses an sich sehr einfache und wirksame Verfahren enthält jedoch in Wirklichkeit die ganze Anlage für die V/asserstoffverfllissigung mit illen damit verbundenen Gefahren und Unkosten. Da zum Verflüssigen von 1 Liter Neon 4 Liter Wasserstoff zu verdampfen sind, kann das Verfahren - sofern es sich um grössere Neonmengen handelt - mir in Verbindung «it gros3en Wasserstoffquellen (beispielsweise bei Raketenpolygonen, wie in dem angeführten Beispiel} angewendet wer den.
Durch die vorliegende Erfindung werden die Nachiei-Ie der oben aufgezeigten zwei Verfahren beseitigt. Erfindungs geraäss wird ein Zyklus mit isantropischer Expansion von Neon nach vorhergehender Abkühlung mit flüssigem Stickstoff benutzt, wodurch der Neondruck auf etwa 30 atü enaässigt werden kann. Der Energieverbrauch, der proportional dem Druck
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verhältnis ist, vermindert sich etwa 6 Mal im Vergleich zum Zyklus mit einfacher Drosselung, was bei der Herstellung grosser Neonmengen zweifelsohne von Bedeutung ist. Es ist nicht erforderlich, den sehr gefährlichen und teuren flüssigen Wasserstoff zu benutzen.
Das erfindungsgemässe Neonverflüssigungsverfahren besteht in der Benutzung eines kombinierten Zyklus mit Stickst off kühlung. Drosselung und Expansion eines Teils des Neons in einer Entspannungeturbine, wobei die Hauptkältequelle das Neon ist. Die Voriirendung dar Entspannungsturbine beim Neon ist im Vergleich »um Wasserstoff und zum Helium besonders günstig, da hier die Schallgeschwindigkeit gering ist, was einen Zyklus nit isentropischer Gasexpansion zulässt, ohne die bekannten,den Kolbenentspcinnungsmaschirten eigenen Nach teile rait in Kavf nehmen au müssen.
Rina-beispielsweise Ausführung einer erfindungsge» massen Anlage irt in den drei Figuren dargestellts
■Abb. 1 gibt das Schema des Neonverflüssigungszyklus wieder,"
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Ahb. 2 stellt einen senkrechten Schnitt durch die Neonverflüssigungsanlage dar,"
Abb. 3 gibt einen Schnitt durch die Entspannungen J turbine.
Das Verfahren verläuft wie folgt:
Das gereinigte und im Behälter 1 gesammelte Neon wird vom !Compressor 2 angesaugt, hoch-verdichtet und dem Wärmeaustauscher 11 zugeführt, wo es vom entspannten Neonrück« strom abgekühlt wird. Das hoch verdichtete Neon strömt weiter durch den Wärmeaustauscher der Stickstoffwanne 12 und kühlt sich auf 78°K ab. Nach dem Wärmeaustauscher 13 passiert ein Teil des Neons die folgenden Wärmeaustauscher 14 und 15, während sich der andare Teil, nach der Drosselung im Drosselventil 4 auf einen Zwischendruck in der Entspannungsturbine auf etwa 1 atü entspannt und sich hierauf im unteren Ende des War meaustauschers 14 dem niedergespannten Neonrückstrom an schliesst. Das auf eine für den Drosselvorgang günstigste Temperatur abgekühlte hoch verdichtete Neon wird nach Durchströmen der Wärmeaustauscher 14 und 15 im Hauptdrosselventil 5 entspannt, wobei sich ein Teil des Gases verflüssigt. Die gewonnene Flüssigkeit, mit gesättigtem Dampfgemischt, wird weiter als Kühlsole beispielsweise zur Kühlung einer grossen
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Rohrschlange 6 in einer Neonwanne 10 benutst, wahrend eich die hinter des Wärmeaustauscher 15 erhaltenen Dampfe «it des aus der Entspannungturbine kommenden Niederdruckgasstrom vereinigen. Sie geben ihre Kälte nacheinander sur Abkühlung des eintretenden hochgespannten Gases in den Wärmeaustauschern 15,14,13 und 11 ab, worauf sie über den Gasbehälter 1 und den Kompressor 2 erneut in den regenerativen Zyklus aurück» kehren.
Es ist auch noch die Möglichkeit vorgesehen, gegebenenfalls flüssiges Neon aus dem Verflüssiger in Dewarsche Gefässe abzuzapfen. In diesem Fall arbeitet die Stickstoffwanne nur während des Anfahrens. Die von der Entspannungsturbine entfaltete Leistung wird von dem auf derselben Welle bei Stickstofftemperaturen arbeitenden Turboverdichter 7 verwertet. Als arbeitendes Medium dient hierbei ebenfalls Neon. Die erhaltene Energie wird in der Stickstoffwanne 8 durch den Wärmeaustauscher 16 in Form von Wärme abgeleitet. Hierauf wird das Gas im Kollektor 9 gesammelt, von wo es der Verdichter erneut ansaugt.
Die Verflüssigungseinrichtung besteht aus einer Wärmeaustauschergruppe, die mit dem aentralen Tragrohr 46 in dem
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Dewarschen Gefäss 19 mit Hochvakuumisolierung steckt. Der Vakuumteil des Dewarschen Gefässes ist mit dem Vakuummantel 33 verbunden, in dem sich die Wanne 35 mit dem flüssigen Neon befindet. Ober das Vakuumrohr 24 ist der Vakuumteil mit dem Mantel der Entspannungsturbinengruppe verbunden, so dass die drei Einselteile des Verdichters gemeinsame Isolierung aufweisen. Als Isolation gegen Wärmestrahlung dienen Stickstoffschirme 41 und 36. Der Schirm 41 ist mit der Hauptstickstoff- wann· 21 des Verflüssigen, der Schirm 36 mit einer eigenen Stickstoffwanne 37 verbunden. Die an der Welle der Entspannungsturbine anfallende Energie wird über das System Rohrschlange 29, Aufnehmer 23 in die mit der Expansionsgruppe zur samnten montierten, aber von ihr isolierten Stickstoffwanne 51 abgeführt. Auf diese Weiße werden die Stickstoffdämpfe Über das Rohr 50 in die freie Atmosphäre geleitet. Die ganze Kon struktion stützt sich auf dem zentralen Rohr 46, das am obe ren Deckel 17 unbeweglich angeschweisst ist. Am Deckel ist auch das Dewarscha 3efäss 19 angeflanscht, während der Vakumaman· tel 33 in derselben Art am unteren Deckel 30 befestigt ist.
Die Entspannungsturbine 3 ist eine radiale Zentripetalturbine mit hohem Reaktionsgrad, wodurch das Verarbeiten
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eines grossen Temperaturgefälles in einer einzigen Stufe möglich ist. Da hieraus eine hohe Drehzahl (über 100 000 U/min) resultiert, ist die Turbinenwelle in aerostatisehen Gaslagern abgestützt. Das Arbeitsmedium ist ebenfalls Neon, das vom Hauptstrom abgezweigt und auf passende Temperatur abgekühlt ist. Dia Entspannungsturbine besteht aus dem Düsenapparat 56 mit Deckel 57r dem Laufrad 70 mit daran angeschlossenem Diffusor 61, dem eingebauten Stutzen 60 mit der Labyrinthdichtung 59. Das Laufrad 70 ist auf der Welle 62 mit der Labyrinthdichtung 63 montiert. Auf dieselbe Welle ist auch das Laufrad des Ventilators 69 aufqeaogen. Die senkrechte Anordnung der Tür bine beseitigt die Gefahr einet Durclihängens besonders im Konsolteiü.. was sich sonst bei den hohen Drehzahlen als verhängnisvoll erweisen würde. Das Eigengewicht des Läufers, sowie die ReaktionskraiM* des Frei Strahls werden von einem axialen Spuilarjet 68 aufaeriommen. Das Neon tiitt durch den Stutzen 54 unter Diuck in die Kammer des Lagers, wird in den Arbeitsöffnungen des Laqeis gedrosselt und entweicht über den Stutzen 67. Die Radiallager 65 arbeiten grundsätzlich in der gleichen tfeise. Das Neon gelangt durch die Eintrittsstutzen 55 unter Druck in die ringförmigen Kammern Bwisehen die Lager und das Gehäuse 64 -and entweicht über den Stutzen 66.
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Die Neonverflüssigungsanlage wirkt folgendermassent
Vom Verdichter gelangt das Hochdruckgas in den Kollektor 18 {Kupferrohrring) und verteilt eich auf die Röhrchen des Zweisektional-Hampson-Wärmeaustau8chers mit Neon- (47) und Stickstoffsektion (45). Durch die Stickstoffdämpfβ und das Niederdruckneon, die sich im Raum zwischen den Rohren der beiden Sektionen des Wärmeaustauschers empor bewegen, abgekühlt, tritt das Hochdruckneon durch den Kollektor 20 und 44 in die Rohrschlange 43 der Stickstoffwanne 21 (konisches Gefäss, in dem der Stickstoff bei einem Druck nahe dem atmosphärischen siedet) und kühlt sich auf etwa 77 bis 78°K ab. Aus dem Kollektor 22 verteilt sich das Hochdruckneon auf die Röhrchen des Wärmeaustauschers 42 (ebenfalls Hampson-Bauart mit Querbeaufschlagung der Röhrchen rom surttckströmenden Niederdruckneon). Mach Durchlaufen des Kollektors 23 teilt sich das Neon in swei Strömet Ein Teil entspannt sich im Drosselventil 25 auf einen Zwischendruck und gelangt sum Laufrad der Entspannungsturbine 27, von wo sich das ~ auf etwa 2 atü entspannte und entsprechend abgekühlte - Gas über das Kupferrohr 49, das durch das sentrale, die ganze Konstruktion tragende Rohr 46 geführt ist, mit dem zurückströmenden Niederdruckneon im Rohrswischen raum des Wärmeaustauschers 39 vereinigt. Der übrige
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Teil des Hochdruckneons tritt über den Kollektor 40 in die Röhrchen desnelben Wärmeaustauschers 39 und hierauf über den Kollektor 31 in dan Wäiauiaustauscher der Kühlen Zone des VerfHiesigers 32. Die letzte Kältequelle im Verflüssiger ist das Hauptdrosselventil 38, wo sich das Hochdruckneon auf etwa 2 atU entspannt und teilweise verflüssigt. Die Flüssigkeit verteilt sich zwischen die Wicklungen des Mangets 34 in der Neonwanne 35, während die bei der Wärmeaufnahme gebildeten Dämpfe in den RohrZwischenraum der Wärmeaustauscher als Neonrücketrom hinüberwandern. Bei Bedarf kann man über ein besonderes zentrales Rohr 48 aus der Wanne flüssiges Neon in Dewarsche Gefässe abzapfen.
Die EntSpannungsturbine hat folgende Wirkungsweise:
Das Hochdruckneon gelangt mit etwa 10 bis 15 atü in die Verteilungskammer 58 und wird im DUsenapparat 56 beschleunigt. Das auf Kosten des Wärmegefälles in den Düsen beschleunigte Gas entspannt sich zwischen den Schaufeln des Laufrads 70 auf etwa 1 atü und verläset die Entspannungsturbine Über den Diffusor 61 und den Stutzen 60. Die Labyrinthdichtungen 59 und 63 ermöglichen die Verarbeitung des ganzen Druckgefälles nach dem DUsenapparat nur innerhalb des Lauf - rad 3.
Patentansprüche
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    IJ Neonverflttssigungsverfahren bei aittlerea Druck, dadurch gekennzeichnet , dass in einer Entspannungsturbine ait Entspannung von Mitteldruckneon als Hauptkaltequelle verflüssigt und ein kombinierter Kühlzyklus von in der Entspannungseinrichtung sich entspannendem Neon und von flüssigem Stickstoff verwendet wird.
  2. 2. NeonverflOssigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet , dass man den Verflüssiger auch als Rückkühler ohne Abzapfung von flüssigem Neon in Dewar» sehe Gefässe betreiben kann.
  3. 3. Entspannungsturbine sur Neonverflüssigung, dadurch g e · kennzeichnet, dass si« als radial· zentripetale ait hohem Reaktionsgrad wirkend· Turbine ait ae^frostatlachen Qaslagern ausgeführt ist.
  4. 4. Ent spannungs turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass sie aus Laufrad (70) besteht, das auf eine Welle (62) aufgezogen ist, auf deren anderem Ende sich das Laufrad (69) des Ventilators befindet, wobei
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    sich seitlich des Laufrades (70) die Düse (56) befindet und axial zum Laufrad (70) ein Diffusor (61) montiert ist.
  5. 5. Entspannungsturbine nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Saug- und Drucköffnung des Gebl&ses mit dem Kollektor (9) mittels der beiden Enden eines Schlangenrohres (29) verbunden ist, das 5ii einer Stickstoffv/anne (0) liecrt.
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DE19671551614 1966-04-01 1967-03-15 Verfahren und Einrichtung zur Verfluessigung von Neon mittels Entspannungsturbine Pending DE1551614A1 (de)

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