DE19525638A1

DE19525638A1 - Kühlverfahren mittels tiefsiedender Gase und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19525638A1
Application number: DE1995125638
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Sc Techn Quack; Christoph Dr Rer Na Haberstroh; Ole Dipl Ing Fredrich
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1995-07-14
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: DE19525638C2; WO1997004278A1; DE19628205A1; EP0839305A1; DE19628205C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kältebereitstellung mittels gleichzeitiger innerer Wärmeübertragung und arbeitsleistender Entspannung, insbesondere zur Kühlung von supraleitenden Geräten. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Nach dem Stand der Technik existiert eine bestimmte Art von Gaskältekreisläufen, um unterhalb von 120 Kelvin Kälte zu erzeugen. Als Kältemittel werden die tiefsiedenden Gase Methan, Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Neon, Wasserstoff oder Helium verwendet.

Die gebräuchlichen Prozesse sollen anhand der in den Abb. 1 bis 4 skizzierten Fließbilder erläutert werden.

Das Kältemittel wird bei Umgebungstemperatur von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet. Anschließend wird der Hochdruckstrom a in einem ersten Wärmetauscher 3 im Gegenstrom zum Niederdruckstrom b abgekühlt. Nach dem Austritt aus dem ersten Wärmetauscher, also auf einem mittleren Temperaturniveau, wird ein Teilstrom c abgezweigt und in einer arbeitsleistenden Expansion 4 auf den Niederdruck entspannt. Der andere Teilstrom wird nach der Abzweigstelle in einem zweiten und dritten Wärmetauscher 5, 6 weiter abgekühlt und schließlich in einem Drosselventil 7 ins Zweiphasengebiet entspannt. Die nach der Drosselung entstandene Flüssigkeit verdampft in einem Verdampfer 8 unter Aufnahme der Kälteleistung.

Der aus dem Verdampfer kommende Dampf wird zunächst im Wärmetauscher 6 etwas aufgewärmt, bevor er sich mit dem aus der Expansionsmaschine 4 kommenden Teilstrom vereinigt. Gemeinsam werden sie im zweiten und ersten Wärmetauscher 5 und 3 auf Um gebungstemperatur aufgewärmt (Abb. 1).

Diese Art Kältekreislauf nennt man "Claude-Kreislauf". Den "oberen" Teil einschließlich der arbeitsleistenden Entspannung nennt man Vorkühlstufe, den "unteren" Teil mit dem dritten Wärmetauscher 6 und dem Drosselventil 7 nennt man Joule-Thomson- Stufe.

Es gibt eine ganze Reihe von Modifikationen des einfachen Claude- Kreislaufes. Allen bisher bekannten Modifikationen gemeinsam ist die Aufteilung des Hochdruckstromes in einen zur Vorkühlung dienenden Teilstrom mit arbeitsleistender Entspannung und den Joule-Thomson Teilstrom.

Es wurde z. B. vorgeschlagen, das Drosselventil 7 durch eine zweite arbeitsleistende Entspannung 7′′ zu ersetzen (Abb. 2), die in das Dampf-Flüssigkeitsgebiet hineinführt.

In einer anderen Modifikation wird die Aufteilung auf die beiden Teilströme schon bei Umgebungstemperatur vorgenommen. Der Vorkühlstrom c wird auf einen höheren Druck 1′ verdichtet und dann separat im Wärmetauscher 3′ abgekühlt. Nach seiner Entspannung 4 wird er entweder dem Hochdruckstrom oder dem Niederdruckstrom zugeführt (Abb. 3).

In einer früheren Studie (H. Quack, Maximum efficiency of helium refrigeration cycles using non-ideal components, Adv. in Cryog. Eng. Vol. 39, Part B, 1993) wurde nachgewiesen, daß sich eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Kreisläufe ergibt, wenn man keine Aufteilung des Hochdruckstromes in einen Vorkühl- und einen Joule-Thomson-Strom vornimmt, sondern den gesamten Strom in mehreren kleinen Schritten arbeitsleistend entspannt. Diese Entspannungen 10 bzw. 12 können entweder in Reihe (Abb. 4a) oder parallel angeordnet sein (Abb. 4b). Wie oben erwähnt, ergibt diese Prozeßführung einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß die Entspannung in einer großen Zahl von Maschinen vorgenommen werden muß, wodurch sich ein großer maschineller und finanzieller Aufwand ergibt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kreislauf zu verwirklichen, in dem zwar Kälte in einem großen Temperaturbereich in vielen kleinen Einzelexpansionen erzeugt wird, ohne jedoch dafür viele Expansionsmaschinen zu verwenden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren dadurch gelöst, daß das gesamte Hochdruckgas in einem quer zur Expansionsrichtung langgestreckten Volumen gleichzeitig arbeitsleistend entspannt und durch das Niederdruckgas im Gegenstrom gekühlt wird. Der Wärmeübergang vom warmen Hochdruckgas zum kalten Niederdruckgas bewirkt einen ausgeprägten Temperaturgradienten entlang des Entspannungsvolumens. Zusätzlich kann auch der Niederdruckstrom bei seiner Passage durch den Wärmetauscher arbeitsleistend entspannt werden.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst. Im Hochdruckteil ist hierfür eine Expansionseinheit vorgesehen, die ein langgestrecktes Volumen aufweist. Entlang dieses veränderlichen Volumens gewährleistet ein Wärmetauscher den optimalen Wärmeübergang vom Hoch- zum Niederdruckstrom.

Das Hochdruckgas fließt nicht gleichmäßig durch das Entspannungsvolumen, denn es ist an den Zyklus der Expansionsmaschine (Einströmen, Entspannen, Ausschieben) gebunden. Daher erweist sich ein Wärmespeicher, als integraler Bestandteil des Wärmetauschers, und zwei Volumenspeicher als vorteilhaft.

Die so entstandene Einheit aus Wärmetauscher und Entspannungsmaschine bildet den erfindungsgemäßen Wärmetauscher- Expander (vgl. Abb. 6).

Das im Kompressor verdichtete Gas wird im oben beschriebenen Wärmetauscher-Expander soweit abgekühlt, daß der Zustand vor der Joule-Thomson Stufe ausreicht, um das Gas in der Joule-Thomson Stufe verflüssigen zu können.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Ausnutzung des gesamten Hochdruckstromes, d. h. es findet keine Aufteilung in Teilströme statt. Dadurch kann bei sonst gleichen Parametern, insbesondere gleichem Massenstrom, eine höhere Kälteleistung erbracht werden.

Mit Neon als Arbeitsstoff steht Kälteleistung bei einer Temperatur (ca. 40 K) zur Verfügung, die für Anwendungen der Hochtemperatursupraleitung von besonderem Interesse ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Abb. 1-4 Fließbilder zum Stand der Technik

Abb. 5 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufes mit einem Wärmetauscher-Expander

Abb. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauscher- Expanders.

Die Abb. 5 und 6 zeigen einen Gaskältekreislauf, der z. B. mit Neon als Arbeitsmedium betrieben werden kann. Das im Kompressor 1 verdichtete Gas wird im nachgeschalteten Kühler 2 auf Umgebungstemperatur zurückgekühlt. Nach Öffnen des Einlaßventils 16 strömt das Hochdruckgas in den Wärmetauscher-Expander 14 ein. Es wird der Arbeitszyklus einer oszillierenden Entspannungsmaschine realisiert. Nach dem isobaren Einströmen wird das Einlaßventil geschlossen und dem Gas die Möglichkeit gegeben, sich unter Leistung von Arbeit auszudehnen. Bei Erreichen des Auslaßdruckes öffnet das gesteuerte Auslaßventil 20. Jetzt wird etwas Arbeit benötigt, um das Gas aus dem Entspannungsraum 22 auszuschieben. Beim Einströmen und der Expansion wird mehr Arbeit geleistet, als beim Ausschieben aufgebracht werden muß.

Der arbeitsleistenden Entspannung überlagert ist ein Wärmestrom vom Hoch- zum Niederdruckstrom. Im Gegensatz zum kontinuierlich fließenden Niederdruckstrom ist der Hochdruckstrom dem Zyklus des Expanders 19 unterworfen. Daher bedarf es eines Wärmespeichers 18 zwischen beiden Strömen, sowie zweier Volumenspeicher 15 und 21 auf der warmen bzw. kalten Seite. Die Aufgabe des Wärmespeichers übernimmt die Wand zwischen Wärmetauscher 17 und dem Expander 19; als Hochdruckspeicher dient das Leitungsvolumen zwischen Kompressor und Einlaßventil und als kalter Mitteldruckspeicher fungiert das Hochdruckvolumen des Joule-Thomson Austauschers 6.

Das entspannte und abgekühlte Gas passiert den Joule-Thomson- Gegenstromwärmetauscher 6, wird dort durch den Niederdruckstrom weiter gekühlt und kann anschließend über ein Drosselventil 7′ oder einen weiteren Expander 7′′ bis in das 2-Phasen-Gebiet entspannt werden.

Im Verdampfer 8 verdampft flüssiges Kältemittel (z. B. Neon) unter Aufnahme von Wärme und ist damit in der Lage, an dieser Stelle bestimmte Applikationen der Hochtemperatursupraleitung 9 vibrationsarm und kontinuierlich zu kühlen.

Der entstehende Dampf wird im Gegenstrom durch den Wärmetauscher 6 und den Expander-Wärmetauscher 14 geleitet, um anschließend im Kompressor erneut verdichtet zu werden.

Bezugszeichenliste

1, 1′ Verdichter/Kompressor
2, 2′ Kühler
3 Wärmetauscher
4 Expansionsmaschine
5 Wärmetauscher
6 Wärmetauscher
7 Entspannungseinheit
7′ Drosselventil
7′′ Expansionsmaschine
8 Verdampfer
9 Kühlprobe/-gut
10 Entspannungsschritte, nacheinander
11 Wärmetauscher
12 Entspannungsschritte, parallel
13 Wärmetauscher
14 Wärmetauscher-Expander
15 Volumenspeicher, warm
16 Einlaßventil
17 Wärmetauscher
18 Wärmespeicher
19 Expander
20 Auslaßventil
21 Volumenspeicher, kalt
22 Entspannungsraum/-volumen
a Hochdruckstrom
b Niederdruckstrom
c Vorkühlstrom

Claims

1. Kühlverfahren mittels tiefsiedender Gase, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte vom Kompressor (1) auf hohen Druck verdichtete Gasstrom und/oder der von der Joule- Thomson-Stufe zurückkehrende kalte Niederdruckgasstrom während ihrer Passage durch den Wärmetauscher-Expander (14) arbeitsleistend entspannt werden und gleichzeitig in gegenseitigem Wärmeaustausch stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistende Entspannung in einem quer zur Expansionsrichtung langgestreckten Volumen erfolgt, das infolge des intensiven Wärmeübergangs zwischen Hoch- und Niederdruckstrom einen ausgeprägten inneren Temperaturgradienten vom Einlaß zum Auslaß aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckstrom nach Passage des Wärmetauscher-Expanders (14) direkt in den Verdampfer (8) geleitet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kompressor (1) und Joule-Thomson Stufe oder zwischen Kompressor (1) und Verdampfer (8) ein Wärmetauscher-Expander (14) geschaltet ist, der eine Einheit aus wenigstens einer Entspannungsmaschine und Wärmetauscher darstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Wärmetauscher-Expanders (14) ein Wärmespeicher (18) vorgesehen ist, und vor und nach dem Wärmetauscher- Expander (14) Volumenspeicher (15, 21) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Hochdruckstrom (a) und/oder für den Niederdruckstrom (b) eine Entspannungsmaschine vorgesehen ist.