DE19639733A1 - Verfahren zum Verdichten eines Gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Gases mit konstantem Druck, konstanter Temperatur und zeitlich veränderlichem Massenstrom auf einen konstanten Enddruck durch dynamische Kompression mit Hilfe einer Turboverdichter­ anlage, die eine Anlage zur Hauptverdichtung und eine Anlage zur Nachverdichtung enthält.

Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus den Druckschriften von Guy Gisteau-Baguer, "High Power Refrigeration at Temperatures Around 2 K", ICEC (International Cryogenic Engineering Conference) 16, 1996, Kitakyushu, Japan, und von M.Kauschke, C.Haberstroh, H.Quack "Safe and Efficient Operation of Multistage Cold Compressor Systems", CEC (Cryogenic Engineering Conference) 1995 Colum­ bus, USA, bekannt.

An Teilchenbeschleunigern kerntechnischer Forschungseinrichtungen werden kryoge­ ne Kälteanlagen großer Leistung eingesetzt, die zur Kühlung von supraleitenden Ma­ gneten und Hohlraumresonatoren benötigt werden. Die Kühlung erfolgt bei Temperatu­ ren unter dem Lambdapunkt (T_λ = 2,17 K) von Helium, also beispielsweise bei 2 K. Der Dampfdruck von Helium bei 2 K beträgt 3129 Pa (31 mbar). In solchen Heliumkältean­ lagen muß Helium von 31 mbar auf Atmosphärendruck verdichtet werden. Dies ent­ spricht einem Kompressionsverhältnis von 32 : 1. Für die Verdichtung der bei großer Kälteleistung auftretenden großen Massenströme werden nach dem Stand der Technik Turboverdichter eingesetzt. Benötigt werden in der Regel bis fünf Verdichterstufen. Es werden kalte Verdichter eingesetzt, um bei entsprechend geringem Volumenstrom kleinere Turboverdichter einsetzen zu können, auch läßt die höhere Dichte bei tiefer Temperatur hohe Druckverhältnisse pro Stufe zu. Zudem kann bei kalter Verdichtung der Wärmeaustauscher, der das Gas auf Umgebungstemperaturen aufwärmt, wesent­ lich einfacher gestaltet werden.

Die Hauptschwierigkeit dabei ist, daß Turboverdichter nur in beschränktem Ausmaß eine Variation der Gaseintrittstemperatur und des Massenstromes bei stabilem Betrieb aller Verdichterstufen ermöglichen. Dies steht im Gegensatz zu den meist geforderten Betriebsarten bei verminderter Kälteleistung, bei schnellen Laständerungen und beim Kaltfahren der Kälteanlage. Häufig werden Änderungen des Enddruckes, auch auf weit unter Atmosphärendruck, in Kauf genommen. Dies kann im warmen Teil der Kältean­ lage zu unerwünschtem Einströmen von Luft in den Kältekreislauf führen. Häufig wer­ den auch volumetrisch wirkende Kompressoren eingesetzt, die bei Teillast ein erhöh­ tes Druckverhältnis übernehmen, aber nur für einen begrenzten Massenstrom geeig­ net sind. Oder der bei verminderter Kälteleistung kleinere Massenstrom wird um einen zusätzlichen Massenstrom ergänzt, was einen schlechten Gesamtwirkungsgrad der Kälteanlage zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Nachteile weitgehend zu vermeiden.

Kennzeichnend an der Erfindung ist, daß die dynamische Verdichtung in einer Turbo­ verdichteranlage so vorgenommen wird, daß das Gas bei maximalem Massenstrom bei der Hauptverdichtung den Enddruck erreicht und unter Umgehung der Nachver­ dichtung einer Weiterverwendung zugeführt wird. Der Vorteil besteht darin, den erfor­ derlichen Enddruck bei einem Hauptbetriebsfall thermodynamisch günstig zu errei­ chen, bei dem die Nachverdichtung nicht in Betrieb zu sein braucht. Bei einem gegen­ über dem maximalen Massenstrom reduzierten Massenstrom wird das Gas in die Nachverdichtung geleitet, dort auf den Enddruck verdichtet und dann der Weiterver­ wendung zugeführt. Der Vorteil besteht darin, daß das Verfahren für einen wichtigen Teillastfall ebenfalls thermodynamisch günstig ausgelegt und betrieben werden kann. Die Nachverdichtung verdichtet hierbei über ein bestimmtes Druckverhältnis auf den Enddruck. Die bezüglich der Drücke unten anschließenden Maschinen saugen bei tie­ feren Drücken.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das zu verdichtende Gas bei kryogenen Temperaturen vorliegt. Ein Anwärmen vor der Ver­ dichtung erfordert zusätzliche Wärmeaustauscher kombiniert mit einem warmen Ver­ dichter, der wegen des größeren Volumenstromes dann wesentlich größer sein muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn der Druck des zu verdichtenden Gases im Unterdruckbereich zwischen dem Siededruck des Ga­ ses und dem Atmosphärendruck liegt. In diesem Druckbereich mit prinzipiell hohen Volumenströmen ist beim Einsatz von Turboverdichtern der Einsatzbereich durch die verfügbare Baugröße der Verdichter am wenigsten eingeschränkt.

Die mehrstufige Ausführung der Hauptverdichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, insbesondere beim Einsatz von Zwischenkühlern, eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Verdichtung.

Die Nachverdichtung kann in vielen Ausgestaltungen der Erfindung mit nur einer Ver­ dichterstufe durchgeführt werden. Die Zusatzinvestition für den Betrieb bei Teillast ist dann besonders gering.

Die Turboverdichteranlage kann vorteilhafterweise beim erfindungsgemäßen Verfah­ ren zwischen aufeinanderfolgenden Turboverdichterstufen Zwischenkühler oder Zwi­ schenerhitzer enthalten. Dadurch kann der Betrieb der Anlage durch Anpassung und Regelung der Temperatur stabil gehalten werden. Mit Zwischenkühlung kann zudem die Anzahl der für einen wirtschaftlichen Betrieb benötigten Turboverdichterstufen und deren Baugröße verringert werden. Außerdem verbessert sich der thermodynamische Wirkungsgrad der Verdichtungsanlage.

Die Hauptverdichtung, bei mehrstufiger Ausführung vorzugsweise die erste Stufe der Hauptverdichtung, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft mit einer Dreh­ zahlregelung ausgestattet werden. Diese ermöglicht, insbesondere beim Betrieb mit mehr als zwei Betriebsarten, während der Laständerungen und beim dynamischen Betrieb die Einstellung und Regelung auf einen konstanten Enddruck.

Das zu verdichtende Gas kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auch Helium sein. Bei diesem Gas können insbesondere bei der Anwendung des Verfahrens in einer He­ liumkälteanlage oder in einer Heliumverflüssigungsanlage bei der Verdichtung sowohl sehr niedrige Anfangstemperaturen als auch sehr niedrige Anfangsdrücke auftreten, für die sich, wie weiter oben dargestellt, das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut eignet. Insbesondere werden die Nachteile, wie sie bei Verfahren nach dem Stand der Technik bei der gleichen Anwendung aufgetreten sind, vermieden.

Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsform mit einer Fig. näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Bei­ spiel einer Anwendung in einer Heliumkälteanlage.

Das Verfahren ist Teil einer in der Figur nicht dargestellten Heliumkälteanlage und ist als Turboverdichteranlage ausgeführt. Sie besteht aus einer Hauptverdichtung C1 bis C4 mit Zwischenkühlung 3 nach der Turboverdichterstufe C2, einer Nachverdichtung mit der Turboverdichterstufe C5 und einer Umgehung 6 dieser Stufe C5. Der tiefkalte Heliumstrom 1 gelangt mit einem Massenstrom von 100 g/s bei einem Druck von 31 mbar und einer Temperatur von 2 K in die erste Turboverdichterstufe C1, dann in die zweite Turboverdichterstufe C2 und über die Leitung 2 bei einem Zwischendruck von etwa 6 mbar in den Zwischenkühler 3, mit dessen Hilfe auch eine stabile Zwi­ schentemperatur eingestellt werden kann. Von dort wird der Heliumstrom 4 in die dritte und vierte Turboverdichterstufe C3 und C4 geleitet, auf einen Enddruck von 1 bar ver­ dichtet, über die Umgehung 5 an der Nachverdichtung mit der Turboverdichterstufe C5 vorbeigeleitet und, was in der Figur nicht dargestellt ist, als Heliumstrom 6 dem Kälte­ kreis der Heliumkälteanlage zugeführt. Bei einem Teillastbetrieb mit einem Massen­ strom von 80 g/s stellt sich entsprechend den Betriebskennlinien der Turboverdichter­ stufen C1 und C2 im Heliumstrom 4 ein reduzierter Zwischendruck von < 6 mbar ein. In den Turboverdichterstufen C3 und C4 wird ein Druck < 1 bar erreicht und in der Turboverdichterstufe C5 wird der Heliumstrom auf den Enddruck von 1 bar verdichtet.

Die erste Turboverdichterstufe C1 der Hauptverdichtung wird mit einer Drehzahlrege­ lung ausgerüstet. Hierdurch wird beim Übergang auf den Teillastbetrieb und beim dy­ namischen Betrieb der Heliumkälteanlage der konstante Enddruck des Heliumstromes 6 auf 1 bar geregelt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verdichten eines Gases mit konstantem Druck, konstanter Tempe­ ratur und zeitlich veränderlichem Massenstrom auf einen konstanten Enddruck durch dynamische Kompression mit Hilfe einer Turboverdichteranlage, die eine Anlage zur Hauptverdichtung und eine Anlage zur Nachverdichtung enthält, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gas bei maximalem Massenstrom bei der Hauptverdichtung den Enddruck erreicht und unter Umgehung der Nachverdich­ tung einer Weiterverwendung zugeführt wird und daß das Gas bei einem gegen­ über dem maximalen Massenstrom reduzierten Massenstrom von der Hauptver­ dichtung in die Nachverdichtung geleitet, dort auf den Enddruck verdichtet und dann der Weiterverwendung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdichtende Gas bei kryogenen Temperaturen vorliegt und kalt verdichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des zu verdichtenden Gases im Unterdruckbereich zwischen dem Sie­ dedruck des Gases und dem Atmosphärendruck liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverdichtung mehrstufig ausgeführt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverdichtung eine Turboverdichterstufe enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turboverdichteranlage zwischen aufeinanderfolgenden Stufen Zwischenkühler oder Zwischenerhitzer enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptverdichtung, bei mehrstufiger Ausführung vorzugsweise die erste Turbover­ dichterstufe, eine Drehzahlregelung besitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdichtende Gas Helium ist.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 7 in einer Heliumkäl­ teanlage oder Heliumverflüssigungsanlage.