DE19648902C2

DE19648902C2 - Verfahren zur Realisierung eines Gemisch- Joule- Thomson-Prozesses und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE19648902C2
Application number: DE1996148902
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Alexeev
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2016-11-27
Also published as: DE19648902A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ein Verfahren zur Kälteerzeugung in einem Temperaturbereich von 60 K bis 250 K mit einem modifizierten Joule-Thomson-Verfahren mit einem ölgeschmierten Verdichter und einer Nachkühlung, wobei der gasförmige Hochdruckstrom von Flüssigkeitstropfen befreit und im Adsorber gereinigt wird sowie Vorrichtungen gemäß den Patentansprüchen 6 bis 13 zur Durchführung des 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.

Die Eigenschaften und Besonderheiten dieser Kältemittelkomponenten sind in der Literatur (Jungnickel, H., Agsten, R., Krausm, W. E., Grundlagen der Kältetechnik, 3. Auflage, Berlin, Verlag Technik GmbH, 1990, Seite 50 Tafel 3.2.) beschrieben.

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 16^th 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 ausfrieren und diesen verstopfen. In der Literatur (Drees, H., Kühlanlagen, 15. Auflage, Verlag Technik GmbH, 1992, Seite 129, Tafel 4.2.) finden sich Angaben über die niedrigsten Einsatztemperaturen verschiedener Öle. Für synthetische Öle werden minimale Temperaturen von -100°C angegeben. 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 8^th 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.

Im Unterschied zum beschriebenen Verfahren der mechanischen und adsorptiven Abtrennung von Verunreinigungen ist aus DE 44 00 556 A1 eine Vorrichtung bekannt, die Verunreinigungen des Hochdruckgases bei einem Joule-Thomson-Prozeß aus dem Kreislauf durch eine Bypassanordnung entfernt.

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 Gleichtromführung 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

Ausführungsbeispiel 1

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.

Ausführungsbeispiel 2

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.

Ausführungsbeispiel 3

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung kommt ohne einen Vorkühler aus. Herbei 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.

Ausführungsbeispiel 4

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.

Ausführungsbeispiel 5

Vorteilhaft ist auch die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform. Dort wird das abgetrennte Flüssigkeis-Öl-Gemisch vor der Entspannung in dem Unterkühler 11 unterkühlt und anschließend im Drosselorgan 9 entspannt und mit dem Niederdruckstrom gemeinsam über den Vorkühler 8 zum Verdichter 1 geführt.

Ausführungsbeispiel 6

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.

Ausführungsbeispiel 7

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.

Ausführungsbeispiel 8

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.

Ausführungsbeispiel 9

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.

Ausführungsbeispiel 10

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.

Bezugszeichenliste

1

Verdichter/Kompressor

2

Nachkühler

3

Wärmeübertrager

4

Drosselorgan

5

Verdampfer

6

Flüssigkeitsölabscheider

7

Adsorber

8

Vorkühler

9

Drosselorgan

10

Flüssigkeitsrückführung

11

Unterkühler

Claims

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 durch Kälte vorgekühlt wird, die aus dem flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisch durch Drosselung und Verdampfung des Kältemittelanteiles gewonnen wird, und das Kältemittel-Öl-Gemisch aus dem Hochdruckstrom abgetrennt wird.

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 es 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 (Fig. 1) oder im Gleichstrom (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) (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 (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) (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) (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 nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß (Fig. 9) das Drosselorgan (9) im Wärmeübertrager (3) integriert ist.

12. 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) (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, 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 (Fig. 11) oder im Gegenstrom (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.