DE19648902A1 - Verfahren zur Realisierung eines Gemisch- Joule- Thomson-Prozesses und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Realisierung eines Gemisch- Joule- Thomson-Prozesses und Vorrichtung zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Realisierung eines Gemisch-Joule-
Thomson-Prozesses zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 60 bis 250 Kelvin und
Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Nach dem Stand der Technik existiert eine bestimmte Art von Verfahren, um im
Temperaturbereich von 60 bis 250 Kelvin Kälte zu erzeugen. Ein gebräuchlicher Prozeß soll
anhand des Fließbildes (Fig. 2) erläutert werden.
Das Kältemittel wird in einem Kompressor 1 von einem Niederdruck auf einen Hochdruck
verdichtet und in einem Nachkühler 2 bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Nachfolgend wird
der Hochdruckstrom in einem Wärmeübertrager 3 im Gegenstrom zum Niederdruckstrom
abgekühlt und schließlich in einem Drosselventil 4 ins Zweiphasengebiet entspannt. Nach der
Drosselung wird der flüssige Anteil des Kältemittels in einem Verdampfer 5 unter Aufnahme der
Kälteleistung teilweise verdampft. Das aus dem Verdampfer kommende Kältemittel wird im
Wärmeübertrager 3 wieder aufgewärmt und dem Kompressor zugeführt.
Als Kältemittel werden Gemische aus Gasen mit Normalsiedetemperaturen unter 320 K
verwendet. Dazu gehören Wasserstoff Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Kohlenwasserstoffe,
halogenierte Kohlenwasserstoffe und andere chemische Verbindungen.
Diese Art von Verfahren bezeichnet man als "Gemisch-Joule-Thomson-Prozeß".
Die Effektivität des Gemisch-Joule-Thomson-Prozesses hängt stark von der Zusammensetzung
des Gemisches ab. Thermodynamisch günstig verhalten sich Gemische mit einem vermehrten
Anteil höhersiedender Komponenten, wie z. B. Propan oder i-Butan. Das verdichtete und
nachgekühlte Kältemittel liegt vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager 3 dann nicht rein
gasförmig, sondern teilweise verflüssigt vor. Die Verwendung solcher Gemische ermöglicht es,
den Wirkungsgrad des Prozesses gegenüber einem Verfahren ohne Teilkondensation bei
Umgebungstemperatur wesentlich (um 10-15%) zu erhöhen (A.Alexeev, H.Quack,
Ch.Haberstroh, Low cost mixture Joule Thomson Refrigerator, Cryogenics, Proceedings of the
16th International Cryogenic Engineering Conference, Kitakyushu, Japan, 1996).
Es ist für solche Anlagen von Vorteil als Kompressor einen ölgeschmierten Verdichter
einzusetzen. Die wartungsfreie Zeit dieser Maschinen liegt weit über 20000 Betriebsstunden.
Dadurch wird eine hohe Zuverlässigkeit der Kälteanlage gewährleistet, denn es sind keine andere
mechanisch bewegten Bauteile vorhanden.
Die Verwendung eines ölgeschmierten Verdichters ist aber mit dem Nachteil verbunden, daß es
über das Hochdruckgas aus dem Kompressor zur Verschleppung von Öl kommt. Würde dieses in
den Kaltteil gelangen, dann wird es bei den im Refrigerator auftretenden tiefen Temperaturen
ausflieren und diesen verstopfen. Es ist also eine Ölabscheidung aus dem Druckgas zwingend
erforderlich, so daß dem Verdichter entsprechende Bauteile nachgeschaltet werden. Aufgrund der
relativ hohen Temperaturen ist sowohl mit aerosolen als auch dampfförmigen Ölanteilen zu
rechnen. Die Reinigungseinheit, wie in Fig. 3 dargestellt, besteht daher aus zwei Komponenten,
einem Flüssigkeitsölabscheider 6 mit Ölrückführung 10 in den Kompressor und einem Adsorber 7
zum Entfernen von dampfförmigen Ölanteilen und noch verbliebenen feinsten Tröpfchen
(R.C.Longsworth, M.J.Boiarski, L.A.Klusmier, 80 K Closed Cycle Throttle Refrigerator,
Proceedings of the 8th International Cryocooler Conference, Vail Co., Juni 1994).
Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß der bereits bei Umgebungszustand verflüssigte
Anteil des Kältemittels im Flüssigkeitsölabscheider und im Adsorber mit dem Öl aus dem
Hochdruckstrom abgetrennt wird und deshalb nur der gasförmige Anteil des Kältemittels zur
Erzeugung der Kälte benutzt werden kann. Die Vorteile solcher Gemische, die bei
Umgebungstemperatur und Hochdruck teilverflüssigt sind, können mit der bisherigen Anordnung
nicht genutzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den flüssigen Anteil des Kältemittels, welcher aus dem
Hochdruckstrom in der Ölabscheidung des Kompressors abgetrennt wird, für die Kälteerzeugung
zu nutzen und damit einen effektiveren Gemisch-Joule-Thomson-Prozeß mit einem
ölgeschmierten Verdichter zu verwirklichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen
der Ansprüche 1-5 und die Vorrichtungen nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche
6-13 gelöst.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der Ausnutzung des gesamten
Hochdruckstromes zur Kälteerzeugung. Dadurch kann bei sonst gleichen Parametern,
insbesondere gleicher Antriebsleistung eine günstigere Zusammensetzung des Kältemittels
gewählt und somit eine höhere Kälteleistung erbracht werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es
zeigen:
Fig. 1 Gemisch Joule-Thomson-Prozeß mit einem ölgeschmierten Verdichter mit Vorkühlung
des Hochdruckstromes
Fig. 2 schematische Darstellung eines Gemisch-Joule-Thomson-Verfahrens
Fig. 3 schematische Darstellung eines bewährten Gemisch-Joule-Thomson-Verfahrens mit
einem ölgeschmierten Verdichter und Ölrückführung
Fig. 4 schematische Darstellung des Verfahrens nach Ausführungsbeispiel 2 mit
Gleichstromführung des Kältemittel-Öl-Gemisches
Fig. 5 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 3 mit
Gegenstromvorkühlung des Hochdruckstromes in einem Teil des Wärmeübertragers 3
Fig. 6 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 4 mit einem
Drosselorgan 4, welches im Wärmeübertragers 3 integriert ist und
Gegenstromvorkühlung des Hochdruckstromes in einem Teil des Wärmeübertragers 3
Fig. 7 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 5 mit einem
Unterkühler 11
Fig. 8 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 6 mit einem
Unterkühler 11 und Vorkühlung des Hochdruckstromes im Wärmeübertrager 3
Fig. 9 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 7 mit einem
Unterkühler 11 und dem im Wärmeübertrager 3 integrierten Drosselorgan 9
Fig. 10 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 8 mit einem
Unterkühler 11 und einem Drosselorgan 9
Fig. 11 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 9 mit Vorkühlung
des Hochdruckstromes im Gleichstrom
Fig. 12 schematische Darstellung der Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel 10 mit Vorkühlung
des Hochdruckstromes im Gegenstrom
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines modifizierten Joule-Thomson-Kreislaufes
dargestellt. Diese besteht aus einem ölgeschmierten Verdichter 1, einem Nachkühler 2, einem
Flüssigkeitsölabscheider 6, einem Adsorber 7, einem Vorkühler 8, einem Wärmeübertrager 3,
einem Drosselorgan 4, dem Verdampfer 5 und einem weiteren Drosselorgan 9.
Das Kältemittel wird im Kompressor 1 vom Niederdruck auf Hochdruck verdichtet und im
Nachkühler 2 bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der bei der Nachkühlung entstehende
ölhaltige Flüssiganteil des Kältemittels wird im Flüssigkeitsölabscheider 6 abgetrennt und in einem
Drosselorgan 9 entspannt. Dieses bei der Drosselung abgekühlte Kältemittel-Öl-Gemisch strömt
durch den Vorkühler 8 zurück zum Kompressor 1. Der überwiegend gasförmige Anteil des
Hochdruckstromes wird im Adsorber 7 gereinigt. Im Vorkühler 8 wird das abgetrennte,
gedrosselte und kältere Kältemittel-Öl-Gemisch genutzt, um den noch auf Hochdruck befindlichen
Kältemittelstrom vorzukühlen. Nachfolgend wird der Hochdruckstrom im Wärmeübertrager 3 im
Gegenstrom zum Niederdruckstrom abgekühlt und schließlich im Drosselorgan 4 ins
Zweiphasengebiet entspannt. Nach der Drosselung wird das Kältemittel im Verdampfer 5 unter
Aufnahme der Kälteleistung teilweise verdampft. Das aus dem Verdampfer 5 kommende
Kältemittel wird im Wärmeübertrager 3 aufgewärmt und dem Kompressor 1 zugeführt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von der Vorrichtung nach Fig. 1
dadurch, daß im Vorkühler 8 der Hochdruckstrom im Gleichstrom vom gedrosselten Kältemittel-
Öl-Gemisch gekühlt wird.
Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kommt ohne einen Vorkühler aus. Hierbei wird das vom
Flüssigkeitsölabscheider 6 abgetrennte und in einem Drosselorgan 9 entspannte Kältemittel-Öl-
Gemisch im Wärmeübertrager 3 mit dem Niederdruckstrom vereinigt und die zusätzliche
Kühlleistung durch den Wärmeübertrager 3 übertragen.
Ein weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Integration des Drosselorgans 9 in
den Wärmeübertrager 3 beispielsweise durch Ausgestaltung als Kapillare und die Übertragung der
Kühlleistung im Wärmeübertrager 3.
Vorteilhaft ist auch die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform. Dort wird das abgetrennte
Flüssigkeis-Öl-Gemisch vor der Entspannung in dem Unterkuhler 11 unterkühlt und anschließend
im Drosselorgan 9 entspannt und mit dem Niederdruckstrom gemeinsam über den Vorkühler 8
zum Verdichter 1 geführt.
Diese in Fig. 8 dargestellte Variante nutzt ebenfalls die Unterkühlung des Flüssigkeis-Öl-
Gemisches im Unterkühler 11 und die Drosselung im Drosselorgan 9. Anschließend wird die
entspannte Flüssigkeit mit dem Niederdruckstrom im Wärmeübertrager 3 vereinigt.
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung für die Unterkühlung des Kältemittel-Öl-Gemisch in einem
Unterkühler 11 und dem im Wärmeübertrager 3 integrierten Drosselorgan 9 sowie die
Übertragung der zusätzlichen Kühlleistung im Wärmeübertrager 3.
Die Vorkühlung des Hochdruckstromes wird in Fig. 10 nach Unterkühlung des Kältemittel-Öl-
Gemisches im Unterkühler 11 und Entspannung im Drosselorgan 9 nach Zusammenführung mit
dem Niederdruckstrom im Unterkühler 11 vorgenommen.
Die Vorkühlung des Hochdruckstromes nach Unterkühlung des Kältemittel-Öl-Gemisches im
Unterkühler 11 wird in Fig. 11 nach Entspannung im Drosselorgan 9 im Gleichstrom
vorgenommen, bevor es mit dem Niederdruckstrom vereinigt wird und den Unterkühler
durchströmt.
In Fig. 12 ist die vorteilhafte Ausführung der Kühlung des Hochdruckstromes nach Unterkühlung
des Kältemittel-Öl-Gemisches im Unterkühler 11 und Entspannung im Drosselorgan 9 im
Gegenstrom dargestellt. Danach werden das Gemisch mit dem Niederdruckstrom vereinigt und
über Unterkühler 11 zum Verdichter 1 zurückgeführt.
1
Verdichter/Kompressor
2
Nachkühler
3
Wärmeübertrager
4
Drosselorgan
5
Verdampfer
6
Flüssigkeitsölabscheider
7
Adsorber
8
Vorkühler
9
Drosselorgan
10
Flüssigkeitsrückführung
11
Unterkühler
Claims (13)
1. Verfahren zur Kälteerzeugung in einem Temperaturbereich von 60 K bis 250 K mit einem
modifizierten Joule-Thomson-Verfahren mit mindestens einem ölgeschmierten Verdichter
(1) und einer Nachkühlung, wobei der gasförmige Hochdruckstrom von
Flüssigkeitstropfen befreit und im Adsorber (7) gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß
der gasförmige Hochdruckstrom vorgekühlt wird. Dazu wird Kälte benutzt, die aus dem
flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisch durch Drosselung und Verdampfung des
Kältemittelanteiles gewonnen wird. Das Kältemittel-Öl-Gemisch wird aus dem
Hochdruckstrom abgetrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-Öl-Gemisch erst entspannt wird
und anschließend den gereinigten Hochdruckstrom im Gegen-, Kreuz- oder Gleichstrom
kühlt, bevor sie mit dem Niederdruckstrom vereinigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-Öl-Gemisch entspannt, mit dem
Niederdruckstrom vereinigt wird und danach den Hochdruckstrom kühlt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-Öl-Gemisch unterkühlt,
anschließend entspannt und mit dem Niederdruckstrom vereinigt wird und danach den
Hochdruckstrom kühlt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-Öl-Gemisch unterkühlt,
anschließend entspannt wird und danach den Hochdruckstrom kühlt und anschließend mit
dem Niederdruckstrom vereinigt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 dadurch
gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch in einem Drosselorgan (9) entspannt wird und in einem Vorkühler (8) im
Gegenstrom nach Fig. 1 oder im Gleichstrom nach Fig. 4 den gereinigten
Hochdruckstrom kühlt und danach zum Verdichter (1) geführt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 3 dadurch
gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch in einem Drosselorgan (9) entspannt und anschließend mit dem
Niederdruckstrom im Wärmeübertrager (3) nach Fig. 5 vereinigt wird und den
Hochdruckstrom im Gegenstrom kühlt, wobei dazu ein Teil des Wärmeübertragers (3)
genutzt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 3 dadurch
gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch nach Fig. 6 in einem Drosselorgan (9) entspannt wird, welches im
Wärmeübertrager (3) integriert ist und im Gegenstrom den Hochdruckstrom in einem Teil
des Wärmeübertragers (3) kühlt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4 dadurch
gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch in dem Unterkühler (11) nach Fig. 7 unterkühlt wird, danach im
Drosselorgan (9) entspannt, mit dem Niederdruckstrom vereinigt und über den
Vorkühler (8) zur Kühlung des Hochdruckstromes über den Unterkühler (11) zurück zum
Verdichter (1) geführt wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 4 dadurch
gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch in dem Unterkühler (11) nach Fig. 8 unterkühlt und im Drosselorgan (9)
entspannt wird und danach mit dem Niederdruckstrom vereinigt wird und danach den
Hochdruckstrom im Gegenstrom im Wärmeübertrager (3) kühlt und über den
Unterkühler (11) zurück zum Verdichter (1) geführt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 4, und 10 insbesondere
dadurch gekennzeichnet, daß
nach Fig. 9 das Drosselorgan (9) im Wärmeübertrager (3) integriert ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, und 4 insbesondere
dadurch gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch in dem Unterkühler (11) nach Fig. 10 unterkühlt und im Drosselorgan (9)
entspannt wird und danach mit dem Niederdruckstrom vereinigt wird und den
Hochdruckstrom im Gegenstrom im Unterkühler (11) kühlt und anschließend zurück zum
Verdichter (1) geführt wird
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, und 5 insbesondere
dadurch gekennzeichnet, daß
das im Flüssigkeitsölabscheider (6) aus dem Hochdruckstrom abgeschiedene Kältemittel-
Öl-Gemisch in dem Unterkühler (11) unterkühlt und im Drosselorgan (9) entspannt wird
und danach im Gleichstrom nach Fig. 11 oder im Gegenstrom nach Fig. 12 im Vorkühler
(8) den Hochdruckstrom kühlt und anschließend mit dem Niederdruckstrom vereinigt
wird und dann den Vorkühler 11 durchströmt und zum Verdichter (1) zurückgeführt
wird.
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