DE19821308A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung

Info

Publication number
DE19821308A1
DE19821308A1 DE19821308A DE19821308A DE19821308A1 DE 19821308 A1 DE19821308 A1 DE 19821308A1 DE 19821308 A DE19821308 A DE 19821308A DE 19821308 A DE19821308 A DE 19821308A DE 19821308 A1 DE19821308 A1 DE 19821308A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
refrigerant
oil
heat exchanger
joule
thomson
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19821308A
Other languages
English (en)
Inventor
Alexander Alexeev
Hans Quack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer Griesheim GmbH
Original Assignee
Messer Griesheim GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messer Griesheim GmbH filed Critical Messer Griesheim GmbH
Priority to DE19821308A priority Critical patent/DE19821308A1/de
Priority to EP99924849A priority patent/EP1078208B1/de
Priority to PCT/EP1999/002932 priority patent/WO1999058905A1/de
Priority to US09/674,948 priority patent/US6463744B1/en
Priority to DE59901262T priority patent/DE59901262D1/de
Priority to AT99924849T priority patent/ATE216481T1/de
Priority to JP2000548667A priority patent/JP2002514734A/ja
Priority to PE1999000375A priority patent/PE20000391A1/es
Publication of DE19821308A1 publication Critical patent/DE19821308A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/002—Lubrication
    • F25B31/004—Lubrication oil recirculating arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F25B43/003—Filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Lubricants (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, bei dem das Kältemittel mit einem ölgeschmierten Verdichter verdichtet wird, anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird und anschließend Öl aus dem Kältemittel abgetrennt wird, bevor das Kältemittel einem Joule-Thomson-Wärmeübertrager zugeführt wird, wird das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager zusätzlich gekühlt. Bei einer Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, die einen ölgeschmierten Verdichter zur Verdichtung eines Kältemittels, einen nachgeschalteten Nachkühler zur Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur, eine daran anschließende Vorrichtung zur Abtrennung von Öl aus dem Kältemittel und einen der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager aufweist, ist zwischen dem Nachkühler und dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager ein Ölkondensator angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, bei dem das Kältemittel mit einem ölgeschmierten Verdichter verdichtet wird, anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird und anschließend Öl aus dem Kältemittel abgetrennt wird, bevor das Kältemittel einem Joule-Thomson- Wärmeübertrager zugeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, die einen ölgeschmierten Verdichter zur Verdichtung eines Kältemittels, einen nachgeschalteten Nachkühler zur Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur, eine daran anschließende Vorrichtung zur Abtrennung von Öl aus dem Kältemittel und einen der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager aufweist.
Nach dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um im Temperaturbereich von 65 bis 150 K Kälte zu erzeugen. Bei diesen Verfahren wird ein gasförmiges Kältemittel in einem Kompressor von einem relativ geringen Druck (Niederdruck) auf einen relativ hohen Druck (Hochdruck) verdichtet und in einem Nachkühler auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird das verdichtete Kältemittel im Hochdruckstrom in einem Wärmeübertrager im Gegenstrom zu dem noch nicht verdichteten Kältemittel abgekühlt und schließlich mit Hilfe eines Drosselventils in das Zweiphasengebiet des Kältemittels entspannt. Nach der Entspannung wird der flüssige Anteil des Kältemittels in einem Verdampfer unter Aufnahme der Kälteleistung teilweise verdampft. Das aus dem Verdampfer kommende Kältemittel im Niederdruckstrom wird dem Gegenstrom-Wärmeübertrager zugeführt und darin durch das verdichtete Kältemittel aufgewärmt. Anschließend wird das aufgewärmte Kältemittel dem Kompressor wieder zugeleitet.
Als Kältemittel werden oft Gemische aus Gasen mit Normalsiedetemperaturen unter 320 K verwendet. Dazu gehören zum Beispiel Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Kohlenwasserstoffe und halogenierte Kohlenwasserstoffe. Die zuvor beschriebenen Verfahren werden bei einer Verwendung derartiger Stoffgemische als Kältemittel als "Gemisch-Joule-Thomson-Verfahren" bezeichnet.
Für die Verdichtung des Kältemittels ist es vorteilhaft, einen ölgeschmierten Verdichter einzusetzen. Der wartungsfreie Zeitraum für ölgeschmierte Verdichter ist mit über 20000 Betriebsstunden relativ lang. Dadurch wird ein hohe Zuverlässigkeit der gesamten Kälteanlage gewährleistet, denn es sind keine weiteren Komponenten mit mechanisch bewegten Bauteilen vorhanden.
Die Verwendung eines ölgeschmierten Verdichters ist mit dem Nachteil verbunden, daß Öl aus dem Verdichter in das Kältemittel gelangen kann und so in den Kältekreislauf verschleppt werden kann. Gelangt das Öl in den kalten Teil der Kälteanlage, dann friert es bei den im Verdampfer auftretenden tiefen Temperaturen aus und verstopft den Verdampfer. Dem Verdichter müssen daher entsprechende Bauteile nachgeschaltet werden, um Öl aus dem Kältemittel nach dessen Verdichtung abzuscheiden. Aufgrund der relativ hohen Temperaturen des verdichteten Kältemittels sind in der Regel sowohl aerosole, als auch dampfförmige Ölanteile in dem Kältemittel vorhanden. Als Reinigungseinheit kann vorteilhaft ein Flüssigkeitsölabscheider mit Ölrückführung in den Verdichter und ein nachgeschalteter Adsorber zum Entfernen von dampfförmigen Ölanteilen und noch verbliebenen feinsten Tröpfchen eingesetzt werden. Diese Anordnung wurde bereits beschrieben (R. C. Longsworth, M. J. Boiarski, L.A. Klusmier 80 K Closed Cycle Throttle Refrigerator, Proceedings of the 8th International Crvocooler Conference, Vail Co., June 1994).
Ein Adsorber ist ein mit Adsorptionsmittel gefüllter Behälter. Als Adsorptionsmittel dienen feste Stoffe, die aufgrund ihrer Eigenschaften andere Stoffe, in diesem Fall das Öl, binden können. Der Adsorptionsprozeß stellt eine Anlagerung von Molekülen aus der gasförmigen oder flüssigen Phase an die Festkörperoberfläche des Adsorptionsmittels dar. Als Adsorptionsmittel werden vor allem Aktivkohle, Silikagel und Zeolithe (Molekularsiebe) verwendet. Bei einem Gemisch-Joule-Thomson-Verfahren werden die Öltröpfchen und das dampfförmige Öl in dem Adsorber auf der inneren Oberfläche des Adsorptionsmittel angelagert.
Die Funktionsweise eines Adsorbers ist diskontinuierlich. Der Adsorber ist beladen, wenn die ganze innere Oberfläche des Adsorptionsmittels von den fremden Molekülen besetzt ist. Dann kann der Adsorber seine Funktion nicht mehr erfüllen. Daher wird der Adsorber in regelmäßigen Zeitabständen ausgetauscht bzw. regeneriert. Der Zeitraum zwischen dem Austausch bzw. der Regeneration des Adsorbers bestimmt nachteilig den wartungsfreien Zeitraum der gesamten Kältemaschine. Ein üblicher Wartungszeitraumes liegt im Bereich von 5000 bis 10000 Betriebsstunden.
Ein weiterer Nachteil des Adsorbers ist die Selektivität des Adsorptionsmittels in Bezug auf bestimmte Komponenten eines Kältemittelgemisches, das heißt seine Eigenschaft, verschiedene Komponenten unterschiedlich zu adsorbieren (H. Jungnickel, R. Agsten, W.-E. Kraus, Grundlagen der Kältetechnik, Verlag Technik GmbH, 1990, S. 309). Beim Durchströmen des Adsorbers verschiebt sich die Zusammensetzung des Gemisches aus diesem Grund in der Regel zugunsten der tiefsiedenden Komponenten.
Die Effektivität eines Gemisch-Joule-Thomson-Verfahrens hängt stark von der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches ab. Bei der ständigen Zirkulation des Kältemittelgemisches werden höhersiedende Komponenten im Adsorber mehr und mehr adsorbiert, so daß die Gesamtzusammensetzung sich verändert. Die Änderung der Zusammensetzung führt zu einer wesentlichen Verschlechterung der Charakteristika des Systems und die erforderliche Kälteleistung oder Kühltemperatur werden nicht mehr erreicht. Eine Erneuerung des Kältemittelgemisches ist dann notwendig.
Dieser nachteilige Einfluß der Selektivität des Adsorptionsmittels auf die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches ist um so größer, je größer das Volumen des Adsorbers ist. Daher ist es nicht sinnvoll, das Volumen des Adsorbers zu vergrößern, um die wartungsfreie Zeit in bezug auf die Beladung mit Öl zu verlängern, weil gleichzeitig die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches dadurch mit in der Regel negativen Auswirkungen verändert wird.
Für die thermodynamische Effektivität des Kreislaufs des Kältemittelgemisches ist es wichtig, bestimmte Zusammensetzungen des Kältemittelgemisches zu verwenden. Hauptkriterium zur Auswahl der Zusammensetzung ist die Größe und Verteilung der Temperaturdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckstrom im Joule-Thomson- Wärmeübertrager. Die Temperaturdifferenz soll möglichst gering und die Verteilung der Temperaturdifferenz im Wärmeübertrager soll möglichst gleichmäßig sein.
Kältemittelgemische, die eine besonders günstige Temperaturdifferenzverteilung im Wärmeübertrager bieten, sind vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager meist nicht gasförmig, sondern teilweise verflüssigt. Dies wird durch Zugabe von höhersiedenden Komponenten, wie zum Beispiel Propan oder iso-Butan erreicht (A. Alexeev, H. Quack, Ch. Haberstroh, Low cost mixture Joule Thomson Refrigerator, Cryogenics, Proceedings of the 16th International Cryogenic Engineering Conference Kitakyushu, Japan, 1996).
Die höhersiedenden Gemisch-Komponenten besitzen in der Regel auch eine höhere Gefriertemperatur. Bei tiefen Temperaturen im Kaltteil können diese Komponenten ausfrieren und den Verdampfer verstopfen. Aus diesem Grund sollte der Anteil von höhersiedenden Komponenten im Kältemittelgemisch möglichst gering sein. Die Vorteile des Einsatzes von Kältemittelgemischen werden so nicht voll genutzt, die potentiell vorhandene Effektivität wird nicht erreicht. Das ist ein weiterer Nachteil der im Stand der Technik bekannten Gemisch-Joule-Thomson-Verfahren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Effektivität des Gemisch-Joule-Thomson- Prozesses mit ölgeschmierten Verdichtern zu steigern. Der Wirkungsgrad des Verfahrens und der Vorrichtung zur Kälteerzeugung soll erhöht werden und die wartungsfreie Zeit eines gegebenenfalls angeordneten Adsorbers und damit der Vorrichtung zur Kälteerzeugung soll verlängert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson- Wärmeübertrager zusätzlich gekühlt wird.
Die Vorrichtung für die zusätzliche Abkühlung wird hier Ölkondensator genannt. Denn überraschenderweise kondensieren durch die relativ geringe zusätzliche Abkühlung in beträchtlichem Maße vorteilhaft weitere Ölanteile aus dem Kältemittelstrom.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 90 bis 110 K geeignet.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor der Ölabtrennung zusätzlich gekühlt wird.
Ebenso ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Kältemittel nach der Abtrennung des Öls und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager zusätzlich gekühlt wird. Dazu wird nach der Abtrennung des Öls der Kältemittelstrom vorteilhaft in einem weiteren Wärmeübertrager (Vorkühler) gekühlt, so daß das Kältemittel im Joule-Thomson-Wärmeübertrager teilweise verflüssigt vorliegt. Die Wärmeübertrager zur Kühlung des Hochdruckstromes unter die Umgebungstemperatur, das bedeutet Ölkondensator und Vorkühler, beziehen ihre Kälteleistung vorteilhaft von einer Kälteanlage.
Nach der Erfindung werden nach der Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur überwiegend flüssige Ölanteile aus dem Kältemittel abgetrennt. Wenn der Partialdruck der Öldämpfe im Strom des verdichteten Kältemittels nach dem Flüssigkeitsölabscheider weniger als ca. 10-3 mbar beträgt oder wenn die gewünschte Verdampfungstemperatur über 120 K liegt, dann kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die zusätzliche Abkühlung im Ölkondensator vorteilhaft nur mit einem Flüssigkeitsölabscheider als Abtrennungsstufe für das Öl schon eine technisch sinnvolle Reinheit des Kältemittels erzielt werden.
Nach der Erfindung weist das Kältemittel vor Eintritt in den Joule-Thomson- Wärmeübertrager eine Temperatur von 233 bis 243 K auf.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Druck das Kältemittels vor Eintritt in den ölgeschmierten Verdichter 1 bis 3 bar, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 bar und besonders bevorzugt 1,6 bis 1,8 bar, beträgt und daß das Kältemittel nach dessen Verdichtung in dem ölgeschmierten Verdichter einen Druck von 10 bis 28 bar, vorzugsweise 12 bis 18 bar und besonders bevorzugt 14 bis 16 bar, aufweist.
Erfindungsgemäß ist es ebenso vorgesehen, nach der Abtrennung des überwiegend flüssigen Ölanteils aus dem Kältemittel anschließend den überwiegend dampfförmigen Ölanteil aus dem Kältemittel abzutrennen. Die Abtrennung erfolgt vorteilhaft mit einem Flüssigkeitsölabscheider und nachgeschaltetem Adsorber, wobei in dem Flüssigkeitsölabscheider die im Kältemittelstrom enthaltenen Öltröpfchen abgeschieden werden und der verbleibende Kältemittelstrom mit nunmehr geringen dampfförmigen Ölanteilen in einem Adsorber weiter gereinigt wird. Die Öldämpfe aus dem Kältemittelgas nach der Verdichtung kondensieren relativ gut aus und werden im Flüssigkeitsölabscheider relativ gut abgeschieden. Die Konzentration des Restöls im gasförmigen Kältemittel nach dem Flüssigkeitsölabscheider ist relativ gering, wodurch der Adsorber wesentlich entlastet wird. Der Adsorber wird von relativ kaltem Kältemittel durchflossen und dadurch gekühlt. So vergrößert sich die spezifische Kapazität des Adsorptionsmittels im Adsorber gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik und der Wartungszeitraum des Adsorbers und damit der gesamten Vorrichtung zur Kälteerzeugung wird verlängert.
Ferner kann bei einer Verwendung von Kältemittelgemischen vorteilhaft den Anteil an höhersiedenden Bestandteilen verringert werden. Denn auch vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager werden derartige Kältemittelgemische teilweise verflüssigt. Dadurch wird gleichzeitig die Effektivität der Anlage erhöht und die Gefahr des Ausfrierens dieser Bestandteile bei tiefen Temperaturen im Kaltteil der Anlage wesentlich reduziert.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß als Kältemittel ein Gemisch eingesetzt wird, welches Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen enthält. Vorzugsweise enthält das Gemisch 25 bis 45 mol % Stickstoff, 15 bis 42 mol % Methan, 5 bis 15 mol % Propan, Rest Ethan oder Ethylen. Der Vorteil besteht darin, daß das Kältemittelgemisch aus relativ wenig Komponenten besteht. Komponenten mit Normalsiedetemperatur bei Umgebungstemperatur, zum Beispiel iso-Butan, sind nicht mehr notwendig. Die Entwicklung von Kältemittelgemischen und Wartung des Kältemittelgemisches ist damit deutlich vereinfacht.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung gelöst, bei der zwischen dem Nachkühler und dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager ein Ölkondensator angeordnet ist.
Nach der Erfindung ist der Ölkondensator nach dem Nachkühler und vor einer Vorrichtung zur Ölabscheidung angeordnet.
Erfindungsgemäß ist ein Adsorber nach der Vorrichtung zur Ölabscheidung und vor dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager angeordnet.
Nach der Erfindung ist nach dem Nachkühler und nach der Vorrichtung zur Ölabscheidung ein Vorkühler angeordnet.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Ölkondensator und/oder der Vorkühler als Verdampfer in einem separaten Kältekreislauf eingebunden sind.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß nach der Vorrichtung zur Ölabscheidung oder nach dem Adsorber und vor dem Vorkühler ein Wärmeübertrager angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Vorkühler als Dreistrom-Wärmeübertrager ausgelegt ist, durch welchen der Kältemittelstrom aus dem Joule-Thomson- Wärmeübertrager und der Strom des Kühlmediums aus dem separaten Kältekreislauf im Gegenstrom zum Kältemittelstrom aus der Vorrichtung zur Ölabscheidung oder dem Adsorber geführt wird.
Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen (Fig. 1 bis Fig. 6) beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung eines Gemisch-Joule-Thomson-Kälteapparates mit ölgeschmiertem Verdichter und Ölrückführung und mit zusätzlicher Kühlung des Hochdruckstromes,
Fig. 2 schematische Darstellung einer Variante des Gemisch-Joule-Thomson- Kälteapparates nach Fig. 1 mit ölgeschmiertem Verdichter und Ölrückführung mit zusätzlicher Kühlung des Hochdruckstromes.
Fig. 3 schematische Darstellung eines Kälteapparates gemäß Fig. 1 mit zusätzlichem Adsorber,
Fig. 4 schematische Darstellung eines Kälteapparates gemäß Fig. 2 mit zusätzlichem Adsorber,
Fig. 5 schematische Darstellung eines Kälteapparates ohne Vorkühler, jedoch mit zusätzlichem Adsorber, und
Fig. 6 schematische Darstellung einer Vorrichtung ohne Vorkühler und ohne Adsorber.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Gemisch-Drossel-Prozesses dargestellt. Dieser Prozeß kann als modifizierter Joule-Thomson-Prozeß aufgefaßt werden. Die Vorrichtung besteht aus einem ölgeschmierten Verdichter 1, einem Nachkühler 2, einem Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3, einem Drosselorgan 4, einem Verdampfer 5, einem Flüssigkeitsölabscheider 6, einer Kapillarleitung 8, einem Ölkondensator 9, einem Vorkühler 10, einem Wärmeübertrager 17 und einer Kälteanlage 11.
Das im Kompressor 1 verdichtete Gemisch wird in dem Nachkühler 2 bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird das Kältemittel in dem Ölkondensator 9 bis unter Umgebungstemperatur vorgekühlt, wobei das Gemisch gasförmig bleibt. Die nachfolgende Abtrennung des Öls aus dem Kältemittelgemisch findet in zwei Stufen statt. Zuerst werden Öltröpfchen und Ölaerosol in dem Flüssigkeitsölabscheider 6 abgeschieden. Das abgeschiedene Öl im Flüssigkeitsölabscheider 6 wird durch eine Kapillarleitung 8 dem Verdichter 1 wieder zugeführt und der Ölkreislauf so geschlossen. Der Hochdruckstrom nach dem Flüssigkeitsölabscheider 6 fließt dann durch den Wärmeübertrager 17. Vom Wärmeübertrager 17, der vorzugsweise als Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist, wird der Hochdruckstrom dem Vorkühler 10 und anschließend dem Joule-Thomson- Wärmeübertrager 3 zugeführt. Das Kältemittelgemisch wird durch den Vorkühler 10 abgekühlt, so daß das Kältemittelgemisch teilweise verflüssigt wird. Der Hochdruckstrom wird im Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3 im Gegenstrom zum Niederdruckstrom abgekühlt und schließlich im Drosselorgan 4 ins Zweiphasengebiet entspannt. Nach der Drosselung wird das Kältemittelgemisch im Verdampfer 5 unter Aufnahme von Kälteleistung teilweise verdampft. Das aus dem Verdampfer 5 kommende Kältemittelgemisch wird im Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager 3 aufgewärmt. Dieser Niederdruckstrom wird über den Wärmeübertrager 17 dem Verdichter 1 wieder zugeführt. Die Kälte für den Ölkondensator 9 und den Vorkühler 10 wird von mindestens einer zusätzlichen Kälteanlage 11 bereitgestellt.
Die Kälteanlage 11 besteht vorzugsweise aus einem Verdichter 12, einem Kondensator 13 und den Drosselorganen 14 und 15. Zusätzlich kann im Bedarfsfall ein weiteres Drosselorgan 16 in der Leitung nach dem Ölkondensator 9 angeordnet sein.
In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur Durchführung eines Gemisch-Drossel-Prozesses dargestellt. Der Vorkühler 10 nach der Flüssigkeitsölabscheidung im Flüssigkeitsölabscheider 6 ist hier als Dreistrom- Wärmeübertrager ausgelegt, durch welchen der Niederdruckstrom aus dem Joule- Thomson-Wärmeübertrager 3 und das Vorkühlmedium aus der Kälteanlage 11 im Gegenstrom zum Hochdruckstrom fließen und wodurch der Wärmeübertrager 17 hier entfällt. Der Kreislauf ist besonders effizient. Die Kälte für den Vorkühler 10 und den Ölkondensator 9 wird in mindestens einer Kältemaschine 11 erzeugt.
Die Vorrichtung nach Fig. 3 entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung und die Vorrichtung nach Fig. 4 stimmt im wesentlichen mit der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung überein, wobei zusätzlich ein Adsorber 7 zwischen dem Flüssigkeitsölabscheider 6 und dem Wärmetauscher 17 bzw. dem Dreistrom- Wärmeübertrager als Vorkühler 10 angeordnet ist. Bei diesen Vorrichtungen werden die dampfförmigen Ölanteile in dem Adsorber 7 zusätzlich aus dem Kältemittel adsorbiert.
Eine apparativ vorteilhafte Variante der Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei wird das Kältemittel nach dem Nachkühler 2 nur im Ölkondensator 9 gekühlt und die Ölabtrennung im Flüssigkeitsölabscheider 6 wird erleichtert. Nach der Ölabscheidung werden die Öldämpfe im einem Adsorber 7 adsorbiert. Das gereinigte Kältemittel tritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3 ein und wird anschließend entsprechend einem Joule-Thomson-Prozeß nach dem Stand der Technik weiter behandelt. Die Kälte für den Ölkondensator 9 wird von einer Kältemaschine 11 erzeugt.
Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung weist nur einen Flüssigkeitsölabscheider 6 zur Abtrennung des Öls aus dem Kältemittelgemisch aus. Bei dieser Vorrichtung wird kein Adsorber 7 benötigt. Die Kälte für den Ölkondensator 9 wird in einer Kältemaschine 11 erzeugt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, bei dem das Kältemittel mit einem ölgeschmierten Verdichter (1) verdichtet wird, anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird und anschließend Öl aus dem Kältemittel abgetrennt wird, bevor das Kältemittel einem Joule-Thomson- Wärmeübertrager (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) zusätzlich gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor der Ölabtrennung zusätzlich gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach der Abtrennung des Öls und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) zusätzlich gekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel vor Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) eine Temperatur von 233 bis 243 K aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck das Kältemittels vor Eintritt in den ölgeschmierten Verdichter (1) 1 bis 3 bar, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 bar und besonders bevorzugt 1,6 bis 1,8 bar, beträgt und daß das Kältemittel nach dessen Verdichtung in dem ölgeschmierten Verdichter (1) einen Druck von 10 bis 28 bar, vorzugsweise 12 bis 18 bar und besonders bevorzugt 14 bis 16 bar, aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur überwiegend flüssige Ölanteile aus dem Kältemittel abgetrennt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abtrennung des überwiegend flüssigen Ölanteils aus dem Kältemittel anschließend der überwiegend dampfförmige Ölanteil aus dem Kältemittel abgetrennt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel ein Gemisch enthaltend Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen, eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 25 bis 45 mol % Stickstoff, 15 bis 42 mol % Methan, 5 bis 25 mol % Propan, Rest Ethan oder Ethylen enthält.
10. Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, die einen ölgeschmierten Verdichter (1) zur Verdichtung eines Kältemittels, einen nachgeschalteten Nachkühler (2) zur Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur, eine daran anschließende Vorrichtung zur Abtrennung von Öl aus dem Kältemittel und einen der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson-Gegenstromwärmeüberträger (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Nachkühler (2) und dem Joule-Thomson- Gegenstromwärmeübertrager (3) ein Ölkondensator (9) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölkondensator (9) nach dem Nachkühler (2) und vor einer Vorrichtung zur Ölabscheidung (6) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adsorber (7) nach der Vorrichtung zur Ölabscheidung (6) und vor dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager (3) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Nachkühler (2) und nach der Vorrichtung zur Ölabscheidung (6) ein Vorkühler (10) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölkondensator (9) und/oder der Vorkühler (10) als Verdampfer in einem separaten Kältekreislauf (11) eingebunden sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vorrichtung zur Ölabscheidung (6) oder nach dem Adsorber (7) und vor dem Vorkühler (10) ein Wärmeübertrager (17) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkühler (10) als Dreistrom-Wärmeübertrager ausgelegt ist, durch welchen der Kältemittelstrom aus dem Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) und der Strom des Kühlmediums aus dem separaten Kältekreislauf (11) im Gegenstrom zum Kältemittelstrom aus der Vorrichtung zur Ölabscheidung (6) oder dem Adsorber (7) geführt wird.
DE19821308A 1998-05-12 1998-05-13 Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung Withdrawn DE19821308A1 (de)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19821308A DE19821308A1 (de) 1998-05-13 1998-05-13 Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung
EP99924849A EP1078208B1 (de) 1998-05-12 1999-04-30 Verfahren und vorrichtung zur kälteerzeugung
PCT/EP1999/002932 WO1999058905A1 (de) 1998-05-12 1999-04-30 Verfahren und vorrichtung zur kälteerzeugung
US09/674,948 US6463744B1 (en) 1998-05-12 1999-04-30 Method and device for producing cold
DE59901262T DE59901262D1 (de) 1998-05-12 1999-04-30 Verfahren und vorrichtung zur kälteerzeugung
AT99924849T ATE216481T1 (de) 1998-05-12 1999-04-30 Verfahren und vorrichtung zur kälteerzeugung
JP2000548667A JP2002514734A (ja) 1998-05-12 1999-04-30 低温発生法及び低温発生装置
PE1999000375A PE20000391A1 (es) 1998-05-12 1999-05-07 Procedimiento y dispositivo de generacion de frio

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19821308A DE19821308A1 (de) 1998-05-13 1998-05-13 Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19821308A1 true DE19821308A1 (de) 1999-11-18

Family

ID=7867557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19821308A Withdrawn DE19821308A1 (de) 1998-05-12 1998-05-13 Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19821308A1 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1197711A2 (de) * 2000-09-15 2002-04-17 IGC-APD Cryogenics, Inc. Betriebssicherer, ölgeschmierter Heliumverdichter mit ölfreier Gasabgabe
EP1315940A1 (de) * 2000-04-04 2003-06-04 Venturedyne Ltd. Kaskadenkälteanlage
EP1362211A2 (de) * 2001-02-23 2003-11-19 IGC Polycold Systems, Inc. Tieftemperatur-umlaufgaskühlsystem im geschlossenen kreislauf
WO2007065621A2 (de) * 2005-12-05 2007-06-14 Vericold Technologies Gmbh Heliumkompressoreinheit für kryo-anwendungen
DE10138255B4 (de) * 2001-08-03 2012-06-06 Gea Grasso Gmbh Anordnung für Kaskadenkälteanlage
CN110553428A (zh) * 2019-08-27 2019-12-10 中国科学院理化技术研究所 一种载冷循环系统
CN110553429A (zh) * 2019-08-27 2019-12-10 中国科学院理化技术研究所 一种载冷循环系统

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1315940A1 (de) * 2000-04-04 2003-06-04 Venturedyne Ltd. Kaskadenkälteanlage
EP1315940A4 (de) * 2000-04-04 2005-08-03 Venturedyne Ltd Kaskadenkälteanlage
EP1965157A2 (de) * 2000-09-15 2008-09-03 IGC-APD Cryogenics, Inc. Ausfallsichere ölgeschmierte Heliumkompressoreinheit mit ölfreier Gaszufuhr
EP1197711A3 (de) * 2000-09-15 2002-10-23 IGC-APD Cryogenics, Inc. Betriebssicherer, ölgeschmierter Heliumverdichter mit ölfreier Gasabgabe
EP1197711A2 (de) * 2000-09-15 2002-04-17 IGC-APD Cryogenics, Inc. Betriebssicherer, ölgeschmierter Heliumverdichter mit ölfreier Gasabgabe
EP1965157A3 (de) * 2000-09-15 2008-09-17 IGC-APD Cryogenics, Inc. Ausfallsichere ölgeschmierte Heliumkompressoreinheit mit ölfreier Gaszufuhr
CN102200356B (zh) * 2001-02-23 2014-03-26 布鲁克斯自动化公司 超低温闭环再循环气体冷却系统
US7111467B2 (en) 2001-02-23 2006-09-26 Brooks Automation, Inc. Ultra-low temperature closed-loop recirculating gas chilling system
EP1362211A4 (de) * 2001-02-23 2005-12-21 Tieftemperatur-umlaufgaskühlsystem im geschlossenen kreislauf
EP1362211A2 (de) * 2001-02-23 2003-11-19 IGC Polycold Systems, Inc. Tieftemperatur-umlaufgaskühlsystem im geschlossenen kreislauf
DE10138255B4 (de) * 2001-08-03 2012-06-06 Gea Grasso Gmbh Anordnung für Kaskadenkälteanlage
WO2007065621A2 (de) * 2005-12-05 2007-06-14 Vericold Technologies Gmbh Heliumkompressoreinheit für kryo-anwendungen
WO2007065621A3 (de) * 2005-12-05 2007-10-25 Vericold Technologies Gmbh Heliumkompressoreinheit für kryo-anwendungen
CN110553428A (zh) * 2019-08-27 2019-12-10 中国科学院理化技术研究所 一种载冷循环系统
CN110553429A (zh) * 2019-08-27 2019-12-10 中国科学院理化技术研究所 一种载冷循环系统
CN110553429B (zh) * 2019-08-27 2021-09-17 中国科学院理化技术研究所 一种载冷循环系统
CN110553428B (zh) * 2019-08-27 2021-09-17 中国科学院理化技术研究所 一种载冷循环系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69629461T2 (de) Selbstreinigendes tieftemperaturkühlsystem
EP1078208B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur kälteerzeugung
DE69900758T2 (de) Verflüssigung eines mit methan angereicherten stromes
DE2820212A1 (de) Verfahren zum verfluessigen von erdgas
DE10055321A1 (de) Verfahren zum Verflüssigen eines Gases
DE2207509A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Neon und Helium Erzeugung aus Luft
WO2008022689A2 (de) Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes
DE2438336A1 (de) Vorrichtung zum verfluessigen bei sehr niedriger temperatur kondensierender gase
DE19821308A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung
WO2015154786A2 (de) Anlage zur verringerung eines kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen gasstroms und entsprechendes verfahren
DE19648902C2 (de) Verfahren zur Realisierung eines Gemisch- Joule- Thomson-Prozesses und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
EP1084207B1 (de) Verfahren zur kälteerzeugung im temperaturbereich von 90 bis 110 k.
DE4017611A1 (de) Verfahren zur verfluessigung von gasen
DE102013012656A1 (de) Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom
DE19820961A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung
DE19747985A1 (de) Verfahren zur Realisierung eines Gemisch-Joule-Thomson-Prozesses und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE19820960A1 (de) Kältemittelgemisch für einen Gemisch-Drossel-Prozeß
DE19821272A1 (de) Kältemittelgemisch für einen Gemisch-Drossel-Prozeß
EP0537616B1 (de) Verfahren zur Abtrennung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen aus Gasgemischen
DE19922364B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Kryolagerung biologischer Stoffe
DE19748966B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung und Lagerung von flüssiger Luft
EP1140323B1 (de) Verfahren zur trennung von kohlenwasserstoffen aus einem gasstrom mittels einer membrantrenneinrichtung
DE102011003391A1 (de) Anlage zum kryotechnischen Verflüssigen eines Gases oder Gasgemischs und zugehöriges Reinigungsverfahren
DE19841388A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung superreiner Luft
DE3827813A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur reinigung eines mit daempfen eines fremdstoffs beladenen abgases unter rueckgewinnung des fremdstoffs

Legal Events

Date Code Title Description
8139 Disposal/non-payment of the annual fee