DE1751665B2

DE1751665B2 - DEVICE FOR GENERATING REFRIGERATION AND / OR LIQUIFYING A GAS

Info

Publication number: DE1751665B2
Application number: DE19681751665
Authority: DE
Inventors: Jacobus Abraham van den; Haisma Jan; Kroon Ferdinand Jehan Maria; Eindhoven Born (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-07-27
Filing date: 1968-07-06
Publication date: 1976-05-20
Also published as: AT283291B; BE718597A; NL6710358A; DE1751665A1; FR1573734A; CH489765A; SE333385B; US3557566A; GB1230419A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte und/oder zum Verflüssigen eines Gases mit einer Zufuhrleitung für das komprimierte Hochdruckgas, die über Kühleinrichtungen und die Hochdruckteile mehrerer Wärmetauscher, in denen sich das Hochdruckgas bis unter die zugehörige Inversionstemperatur abkühlt, an das Strahlrohr eines Ejektors angeschlossen ist, dessen Saugseite mit einem Minimumdruckreservoir verbunden ist, das über ein Drosselventil und ein weiteres Reservoir an die Auslaßleitung des Ejektors angeschlossen ist, wobei aus dem weiteren Reservoir eine Leitung für Niederdruckgas in die Niederdruckteile der Wärmetauscher führt.The invention relates to a device for generating cold and / or for liquefying a gas with a supply line for the compressed high-pressure gas, the cooling devices and the high-pressure parts several heat exchangers in which the high pressure gas is below the associated inversion temperature cools, is connected to the jet pipe of an ejector, the suction side of which with a minimum pressure reservoir is connected, which is connected via a throttle valve and a further reservoir to the outlet line of the ejector, with off the further reservoir leads a line for low-pressure gas into the low-pressure parts of the heat exchanger.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der am 20. Juni 1966 offengelegten niederländischen Patentanmeldung 64 14 856, insbesondere Fig. 8, bekannt.A device of this type is disclosed in Dutch patent application laid open on June 20, 1966 64 14 856, in particular FIG. 8, is known.

Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Energie des dem Ejektor zugeführten Hochdruckgases wenigstens teilweise zum Absaugen des Dampfes aus dem Minimumdruckreservoir und zum Erhohen des Drucks dieses Dampfes bis zu dem in der Auslaßleitung vorherrschenden Druck benutzL In dem Minimumiuckreservoir herrscht ein niedrigerer Druck und so™ it eine niedrigere Temperatur als >n der Auslaßle,. tune Die Kälte wird somit bei einer niedrigeren Temperatur geliefert als der dem Druck in der Auslaßleitung entsprechenden Temperatur. Dies hat den Vorteil, daß ein günstiges Druckverhaitnis in den Wärmetauschern erzielt wird, in denen das Hochdruckes und das expandierte Gas Wärme tauschen. Ferner kann bei geschlossenen Systemen, bei denen das Hochdruckgas von einem Kompressor geliefert wird und die Auslaßleitung sich an die Saugse.te des Kompressors anschließt, das Kompressionsverhältnis verhältnismäßig gering sein. Infolge dieser Eigenschaften eignet sich die Vorrichtung besonders gut zum Erzeugen von Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen, die sehr niedrigen Dampfdrücken entsprechen. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß im Ejektor sowohl eine Temperaturerniedrigung des zugeführten Gases mfolge des Joule-Kelvin-Effekts als auch eine Kompression des abzuführenden Gases erfolgt Der Bedarf an bei Temperaturen von weniger als 4" K gelieferter Kalte nimmt immer mehr zu, insbesondere zum Kühlen von supraleitenden Spulen und Rechen- bzw. Speicherelementen elektronischer Rechenmaschinen. Bei diesen Temperaturen treten sehr niedrige Dampfspannungen über der Flüssigkeit im Minimumdruckreservoir auf, in dem der zu kühlende Gegenstand angeordnet ist. Soll Kälte bei Γ K geliefert werden, so gehört dazu bei Verwendung von Helium als Gas eine Dampfspannung im Minimumdruckreservoir von 0,12 mm Hg. Um diese niedrigen Drücke in dem Minimumdruckreservoir aufrechtzuerhalten, ist eine äußerst effektive Saugwirkung des Ejektors notwendig.In this known device, the energy of the high-pressure gas supplied to the ejector is at least partially used to suck off the steam from the minimum pressure reservoir and to increase the pressure of this steam up to the pressure prevailing in the outlet line. In the minimum pressure reservoir there is a lower pressure and thus a lower one Temperature as> n of outlet le ,. tune The refrigeration is thus supplied at a lower temperature than the temperature corresponding to the pressure in the outlet pipe. This has the advantage that a favorable pressure ratio is achieved in the heat exchangers in which the high pressure and the expanded gas exchange heat. Furthermore, in closed systems in which the high pressure gas is supplied by a compressor and the outlet line connects to the suction section of the compressor, the compression ratio can be relatively low. As a result of these properties, the device is particularly suitable for generating cold at very low temperatures, which correspond to very low vapor pressures. It is particularly advantageous that the ejector both lowers the temperature of the supplied gas due to the Joule-Kelvin effect and compresses the gas to be discharged of superconducting coils and computing or storage elements of electronic computing machines. At these temperatures, very low vapor tensions occur over the liquid in the minimum pressure reservoir in which the object to be cooled is located as a gas, a vapor tension in the minimum pressure reservoir of 0.12 mm Hg. In order to maintain these low pressures in the minimum pressure reservoir, an extremely effective suction effect of the ejector is necessary.

Der minimal erzielbare Ansaugdruck eines Ejektors wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Gas das Strahlrohr verläßt. Daher ist eine Überschallausbildung des Strahlrohres zum Erzielen dieser niedrigen Ansaugdrücke empfehlenswert.The minimum achievable suction pressure of an ejector is determined by the speed at which the Gas leaves the nozzle. Therefore a supersonic design of the jet pipe is necessary to achieve this low suction pressures recommended.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung dieser Art zu schaffen, bei der mittels eines niedrigeren Ansaugdrucks des Ejektors Kälte bei niedrigeren Temperaturen geliefert werden kann als bisher möglich war.The invention aims to provide a device of this type in which by means of a lower suction pressure the ejector's cold can be delivered at lower temperatures than was previously possible.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Temperatur des Hochdruckgases vor Eintritt in das Strahlrohr derart einstellbar ist, daß die Enthalpie des Gases der Isenthalpen entspricht, die wenigstens nahezu die Begrenzungslinie des Flüssigkeits-Dampfgebietes im TS-Diagramm des Gases berührt, und daß die Entropie des Gases geringer ist als die zu dem kritischen Punkt gehörende Entropie.This object is achieved in that the temperature of the high pressure gas before entering the Jet pipe is adjustable in such a way that the enthalpy of the gas corresponds to the isenthalpics, which is at least almost touches the boundary line of the liquid-vapor area in the TS diagram of the gas, and that the Entropy of the gas is less than the entropy belonging to the critical point.

Es hat sich gezeigt, daß dadurch der minimal erzielbare Ansaugdruck um einen Faktor 10 herabsinkt. Infolge dieses sehr niedrigen Ansaugdrucks des Ejektors kann Kälte bei sehr niedrigen Temperaturen erzeugt werden.It has been shown that the minimum achievable suction pressure is reduced by a factor of 10 as a result. As a result of this very low suction pressure of the ejector, cold can occur at very low temperatures be generated.

Eine günstige Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem letzten Wärmetauscher und dem Strahlrohr liegende Teil der Hochdruckgas-Zufuhrleitung nacheinander einen im weiteren Reservoir liegenden Wärmetauscher und eine einstellbare Heizvorrichtung aufweist.A favorable embodiment of the device according to the invention is characterized in that the part of the high-pressure gas supply line located between the last heat exchanger and the jet pipe one after the other a heat exchanger located in the further reservoir and an adjustable heating device having.

Dadurch kann die Temperatur derart eingestellt werden, daß die Enthalpie des Gases stets dem erwähnten Wert entspricht.This allows the temperature to be adjusted so that the enthalpy of the gas is always the mentioned value corresponds.

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Eine weitere günstige Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem letzten Wärmetauscher und dem Strahlrohr liegende Teil der Hochdruckgas-Zufuhrleitung einen im weiteren Reservoir liegenden Wärmetauscher enthalt und eine Umlaufleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts und stromabwärts des Wärmetauschers an die Hochdruckgas-Zufuhrleitung angeschlossen ist und ein Ventil zum Einstellen des die Umlaufleitung durchfließenden Teiles des Hochdruckgases aufweist.Another favorable embodiment is characterized in that the between the last heat exchanger and the part of the high-pressure gas supply line which is located on the jet pipe has a further reservoir contains lying heat exchanger and a circulation line is provided, the upstream and downstream of the heat exchanger is connected to the high pressure gas supply line and a valve for Adjusting the portion of the high pressure gas flowing through the circulation line.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Umlaufleitung eine einstellbare Heizvorrichtung enthält. Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.It is advantageous if the circulation line contains an adjustable heating device. The invention is explained in more detail with reference to the drawings.

In F i g. 1 bezeichnet 1 einen Kompressor. Der AblaßIn Fig. 1 denotes 1 a compressor. The indulgence

2 dieses Kompressors schließt sich an einen Wärmetauscher 3 an, in dem das komprimierte Hochdruckmedium mit dem dem Einlaß 4 zufließenden, expandierten Niederdruckmedium Wärme tauscht. Darauf tauscht das komprimierte Medium im Wärmetauscher 5 Wärme mit einer schematisch dargestellten Kaltgas-Kühlmaschine 6. Das Hochdruckmedium tauscht dann im Wärmetauscher 7 wieder mit dem expandierten Medium Wärme. Im Wärmetauscher 8 wird das Hochdruckmedium ferner durch eine Kaltgas-Kühlmaschine 9 abgekühlt, worauf das Medium im Wärmetauscher 10 wieder mit dem expandierten Medium Wärme tauscht. Der Ablaß des letzten Wärmetauschers 10 schließt sich an ein Verteilerventil 11 an. An dieses Ventil schließen sich zwei Leitungen 12 und 13 an, die an der Stelle 14 zusammentreffen und sich dann gemeinsam an das Strahlrohr 15 des Ejektors 16 anschließen. Der Diffusor 17 des Ejektors 16 schließt sich an eine Leitung 18 an, die in ein Reservoir 19 ausmündet. Der Dampfraum des Reservoirs 19 steht über die Leitung 30 und die Niederdruckseiten der Wärmetauscher 10,7 und2 of this compressor is connected to a heat exchanger 3, in which the compressed high-pressure medium exchanges heat with the expanded low-pressure medium flowing into the inlet 4. Exchange on it the compressed medium in the heat exchanger 5 heat with a cold gas cooling machine shown schematically 6. The high pressure medium then exchanges in the heat exchanger 7 again with the expanded one Medium heat. In the heat exchanger 8, the high-pressure medium is also passed through a cold gas cooling machine 9 cooled, whereupon the medium in the heat exchanger 10 again with the expanded medium heat exchanges. The outlet of the last heat exchanger 10 connects to a distribution valve 11. To this Two lines 12 and 13 are connected to the valve, which meet at point 14 and then join together to the jet pipe 15 of the ejector 16. The diffuser 17 of the ejector 16 connects to a Line 18, which opens into a reservoir 19. The vapor space of the reservoir 19 is available via the line 30 and the low-pressure sides of the heat exchangers 10, 7 and

3 mit dem Einlaß 4 des Kompressors 1 in Verbindung. Das Reservoir 19 steht über die Leitung 21 und ein Drosselventil 22 mit dem Minimumdruckreservoir 23 in Verbindung. Der Dampfraum des Minimumdruckreservoirs 23 steht in offener Verbindung mit der Saugseite 24 des Ejektors 16.3 with the inlet 4 of the compressor 1 in connection. The reservoir 19 is via the line 21 and a Throttle valve 22 with the minimum pressure reservoir 23 in connection. The vapor space of the minimum pressure reservoir 23 is in open connection with the suction side 24 of the ejector 16.

Die Leitung 13 steht an der Stelle 25 im Wärmetausch mit dem Medium im Reservoir 19, während die Leitung 42 im Wärmetausch mit einer Heizvorrichtung 26 steht.The line 13 is at point 25 in heat exchange with the medium in the reservoir 19, while the line 42 is in heat exchange with a heating device 26.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Helium wird im Kompressor 1 bis zu etwa 30 ata verdichtet und dann in den Wärmetauschern 3,5,7,8 und 10 abgekühlt. In dem Ventil 11 wird der Heliumstrom in einen Teil, der durch die Leitung 13 in Berührung mit flüssigem Helium unter atmosphärischem Druck fließt, und einen durch die Leitung 12 in Berührung mit der Heizvorrichtung 26 fließenden Teil aufgeteilt. Die beiden Teilströme werden an der Stelle 14 wieder miteinander vermischt. Das Ventil 11 verteilt den Strom in der Weise, daß an der Stelle 14 das Medium einen Enthalpieinhalt hat, der der Enthalpie entspricht, die zu der die Begrenzungslinie des Flüssigkeit-Dampfgebietes gerade berührenden Isenthalpen gehört. In Fig.2 ist in dem TS-Diagramm die Begrenzungslinie des Flüssigkeits-Dampfgebietes mit 30' und die berührende lsenthalpe mit 3Γ bezeichnet. Ist der Druck des Mediums 30 ata, so muß die Temperatur an der Stelle 14 Ti sein. In diesem Falle liegt der Punkt 33', der durch ρ — 30 ata und Ti bestimmt wird, auf der Isenthalpen 3Γ, welche das Flüssigkeits-Dampfgebiet gerade berührt. Beträgt der Druck 20 ata, wenn z. B. ein g₅ geringerer umlaufender iviassenstrom erwünscht ist, so muß das Ventil 11 derart eingestellt werden, daß ein größerer Massenstrom durch die Leitung 12 fließt.The device works as follows: Helium is compressed in the compressor 1 up to about 30 ata and then cooled in the heat exchangers 3, 5, 7, 8 and 10. In the valve 11, the helium flow is divided into a part flowing through the line 13 in contact with liquid helium under atmospheric pressure and a part flowing through the line 12 in contact with the heater 26. The two partial flows are mixed with one another again at point 14. The valve 11 distributes the flow in such a way that at the point 14 the medium has an enthalpy content which corresponds to the enthalpy associated with the isenthalpic just touching the boundary line of the liquid-vapor region. In FIG. 2, in the TS diagram, the boundary line of the liquid-vapor area is denoted by 30 'and the contacting lsenthalpe is denoted by 3Γ. If the pressure of the medium is 30 ata, the temperature at point 14 must be Ti . In this case the point 33 ', which is determined by ρ - 30 ata and Ti , lies on the isenthalpic 3Γ, which just touches the liquid-vapor area. If the pressure is 20 ata, if e.g. B. a g ₅ lower circulating iviassenstrom is desired, the valve 11 must be adjusted so that a larger mass flow through the line 12 flows.

infolgedessen erhöht sich die Temperatur an der Stelle 14 auf den Wert Ti, der der Enthalpie des Punktes 34' entspricht Es ist dann dafür gesorgt, daß die Anfangsverhältnisse derart sind, daß der Entropiewert des Mediums vor dem Eintritt in den Ejektor geringer ist als die dem kritischen Punkt 35' zugehörende Entropie. Auf diese Weise ergibt sich stets eine gute Ansaugwirkung.As a result, the temperature at point 14 increases to the value Ti, which corresponds to the enthalpy of point 34 '. It is then ensured that the initial conditions are such that the entropy value of the medium before entering the ejector is less than that critical point 35 'associated entropy. In this way, there is always a good suction effect.

Es hat sich ergeben, daß durch diese Einstellung der Enthalpie der Ansaugdruck um einen Faktor 10 geringer sein kann als bei Vorrichtungen, bei denen der Mediumstrom vor dem Eintritt in das Strahlrohr auf einen möglichst geringen Wert, d. h. auf etwa 4° K abgekühlt wird. Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 kann ein Druck von 10 mm Hg aufrechterhalten werden, der einer Temperatur von 1,75° K entspricht. Das dem Sirahlrohr 15 zugeführte Helium expandiert darin und an dem Ende des Strahlrohres hat es infolge der Überschallform eine sehr hohe Geschwindigkeit und einen niedrigen Druck. Im Diffusor 17 erhöht sich der Druck des Mediums gemeinsam mit dem aus dem Reservoir 23 abgesaugten Dampf wieder auf etwa I ata. Darauf fließt der Strom durch die Leitung 18 in das Reservoir 19. Aus dem Reservoir 19 fließt Dampf durch die Leitung 20 und die Wärmetauscher dem Einlaß des Kompressors zu. Ein anderer Teil des Mediums aus dem Reservoir 19 wird durch das Drosselventil 22, wo der Druck erniedrigt wird, dem Reservoir 23 zugeführt.It has been found that this setting of the enthalpy increases the suction pressure by a factor of 10 can be lower than with devices in which the medium flow before entering the jet pipe the lowest possible value, d. H. is cooled to about 4 ° K. In the device according to FIG. 1 can a pressure of 10 mm Hg, which corresponds to a temperature of 1.75 ° K, is maintained. That the Sirahlrohr 15 supplied helium expands therein and at the end of the jet pipe it has as a result of Supersonic form very high speed and low pressure. In the diffuser 17 increases Pressure of the medium together with the steam sucked out of the reservoir 23 back to about I ata. The current then flows through the line 18 into the reservoir 19. Steam flows through the reservoir 19 line 20 and the heat exchangers to the inlet of the compressor. Another part of the medium from the Reservoir 19 is supplied to reservoir 23 through throttle valve 22, where the pressure is lowered.

Aur diese Weise entsteht eine Vorrichtung, die bei sehr niedrigen Temperaturen im Reservoir 23 Kälte erzeugen kann.Aur this way a device arises which at very low temperatures in the reservoir 23 cold can generate.

Fig.3 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die in großen Zügen der nach F i g. 1 entspricht. Die Einstellung der erwünschten Temperatur an der Stelle 14 wird in diesem Falle dadurch vorgenommen, daß im Wärmetauscher 25 der ganze Hochdruckheliumstro-n mit dem flüssigen Helium im Reservoir 19 Wärme tauscht, worauf der ganze Heliumstrom mit einer regelbaren Heizvorrichtung 30 angewärmt wird, derart, daß die Temperatur an der Stelle 14 wieder der Enthalpie der Isenthalpen 31' des Diagrammes der F i g. 2 für den vorherrschenden Druck entspricht.FIG. 3 schematically shows a device which, in broad outline, the according to FIG. 1 corresponds. the Adjustment of the desired temperature at the point 14 is made in this case in that in Heat exchanger 25 all of the high pressure helium flow exchanges heat with the liquid helium in the reservoir 19, whereupon the entire flow of helium with a adjustable heater 30 is heated, so that the temperature at the point 14 again Enthalpy of the isenthalps 31 'of the diagram in FIG. 2 for the prevailing pressure.

Fig.4 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die den Vorrichtungen nach F i g. 1 und 3 entspricht. Bei dieser Vorrichtung ist eine Umlaufleitung 32 vorgesehen, die sich einerseits an der Stelle 31 über ein Einstellventil 34 an die Zufuhrleitung des Hochdruckheliums anschließt. Die Stelle 31 liegt, in der Strömungsrichtung des Hochdruckmediums gesehen, vor der Austrittsseite des letzten Wärmetauschers 10. Die Umlaufleitung 32 schließt sich an der Stelle 14 wieder an die Hochdruckleitung an.Fig.4 shows schematically a device that the Devices according to FIG. 1 and 3 corresponds. In this device, a circulation line 32 is provided which connects on the one hand at the point 31 via an adjusting valve 34 to the supply line of the high pressure helium. The point 31 is, seen in the flow direction of the high pressure medium, in front of the outlet side of the last heat exchanger 10. The circulation line 32 closes again at the point 14 to the High pressure line.

Durch die Einstellung des Ventils 34 wird ein Teil des Hochdruckheliums durch die Leitung 32 der Stelle 14 zufließen. Dieser Teil des Heliumstroms hat eine höhere Temperatur als der andere Teil des Heliumstroms, der den Wärmetauscher 10 passiert und dann im Wärmetauscher 25 weiter abgekühlt ist. Durch entsprechende Einstellung des Ventils 34 wird eine solche Menge Helium durch die Umlaufleitung 32 fließen, daß an der Stelle 14 wieder die erwünschte Temperatur erzielt wird.By adjusting the valve 34, some of the high pressure helium is released through the line 32 to the point 14 flow in. This part of the helium flow is at a higher temperature than the other part of the helium flow, the passes the heat exchanger 10 and then in the heat exchanger 25 has cooled down further. By appropriately setting the valve 34, such a quantity Helium flow through the circulation line 32 that at the point 14 the desired temperature is achieved again will.

Es wird einleuchten, daß der Anschluß der Umlaufleitung 32 an der Stelle 31 der Zufuhrleitung nur als Beispiel gewählt ist. Gegebenenfalls kann der Anschluß weiter stromaufwärts, z. B. an der Stelle 40 oder weiter stromabwärts, z. B. an der Stelle 41 erfolgen.It will be evident that the connection of the circulation line 32 at the point 31 of the supply line only as Example is selected. Optionally, the connection can be further upstream, e.g. B. at point 40 or further downstream, e.g. B. take place at point 41.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for generating cold and / or for liquefying a gas with a supply line for the compressed high-pressure gas, which has several ■ rer heat exchangers in which the high pressure gas is below the associated inversion temperature cools, is connected to the jet pipe of an ejector, whose suction side with a minimum pressure reservoir is connected, which is connected via a throttle valve and another reservoir to the outlet line of the ejector is connected, with a line for low-pressure gas «5 leads into the low-pressure parts of the heat exchanger, characterized in that the temperature of the high pressure gas is adjustable before entering the jet pipe (15) that the Enthalpy of the gas of the isenthalps (31 ') corresponds to at least almost the boundary line (30') of the Liquid-vapor area in the TS diagram of the Touches the gas, and that the entropy of the gas is less than that at the critical point (35 ') associated entropy.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the last heat exchanger (10) and the jet pipe (15) lying part of the high pressure gas supply line one after the other in the further reservoir (19) lying heat exchanger (25) and an adjustable heating device (30) having.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the last heat exchanger (10) and the jet pipe (15) lying part of the high pressure gas supply line one below Reservoir (19) lying heat exchanger (25) and a circulation line (12; 32) is provided the upstream and downstream of the heat exchanger (25) to the high pressure gas supply line is connected and a valve (U; 34) for adjusting the flow through the circulation line (12; 32) Has part of the high pressure gas.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the circulation line (12) has an adjustable Contains heater (26).