DE2011110A1

DE2011110A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Kälteenergie bei sehr tiefer Temperatur

Info

Publication number: DE2011110A1
Application number: DE19702011110
Authority: DE
Inventors: Emile Grenoble Carboneil (Frankreich)
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1969-03-14
Filing date: 1970-03-10
Publication date: 1970-10-01
Also published as: NL165835B; NL7003651A; NL165835C; GB1309426A; FR2036462A5; BE747329A; CA930560A; US3633373A

Description

Frankreich, E.F. 69 07355

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälteenergie bei sehr tiefer Temperatur unter Einsatz der Kältefreisetzung während einer Gasdesorption.

Es wurde^ereits ein Verfahren zur Rüokgewinnung der Kältefreisetzung während einer Desorption eines Gases vorgeschlagen, und zwar indem man eine warme Quelle von einer Temperatur der Größenordnung von 20⁰K vorsieht und nacheinander eine Adsorptionsmittelmasee absorbieren und desortieren läßt, die während dieser Arbeitsgänge abwechselnd von der warmen Temperatur auf eine sehr kalte Temperatur gebracht wird. Wenn auch diese

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Arbeitsweise die Erzielung sehr tiefer !Temperaturen gestattet, so ist sie doch mit einer wenig befrMigenden Energieausbeute verbunden*

Die Erfindung hat sich die Aufgabe eines Verfahrens zur Erzeugung von Kälteenergie bei sehr tiefer Temperatur gestellt, das eine beträchtlich verbesserte Energiea-usbeute bietet und die Erzielung noch tieferer Temperaturen gestattet, als dies bei den auf demselben Prinzip beruhenden bekannten Verfahren möglich war.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens zwei Kolonnen von thermisch isolierten Kammern betreibt, die mit Adsorptionsmitteln versehen sind, die mit wärmeleitenden Mitteln in Querrichtung dieser Kolonnen vereinigt sind, indem man an einem warmen Ende der einen Kolonne adsorbiertes Gas ansaugt, das man an ein entsprechendes Ende mindestens einer zweiten Kolonne fördert und dann in cyolischem Betrieb Ansaug- und Förderkreis umschaltet, wobei man die freigesetzten Wärmeeinheiten, die in einer Zone nahe der Ansaug-Förderöffnung auftreten, die der in Adsorption stehenden Kolonne zugeordnet ist, naoh außen abzieht, und wobei man einen gesohlossenen G-askreislauf bei sehr niedriger Verflüssigungstempextur teils in Längsrichtung im Inneren der genannten Kolonnen und in gutem thermischem Kontakt mit den Wärmeleitmitteln, teils außerhalb der Kolonnen in Kontakt mit einem eine Kältequelle bildenden Organ erzeugt, und der geschlossene Kreislauf in den Kolonnen im Gegenstrom zu dem Adsorptions-Desorptionsgas er-

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folgtv.

Diese Anordnung gestattet, wie nachstehend noch näher erläutert werden soll, Adsorptions- und DeSorptionsvorgänge an Adsorptionsmitteln vorzunehmen, die auf annähernd konstanter Temperatur gehalten werden, \eLohe sich zwischen der warmen und der kalten Temperatur einstuft.

Die Erfindung hat auch einen Kälteerzeuger zum Gegenstande, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er mindestens zwei Kolonnen, die mit Adsorptionsmitteln auf im wesentlichen radialen thermisch leitenden Trägern und Einrichtungen für einen geschlossenen Kreislauf eines Wärmeübertragungsgases mit in Längsrichtung in jeder Kolonne in Kontakt mit den Trägern angeordneten Wärmeaustauschern ausgerüstet sind, ferner Einrichtungen zur Überführung eines Adsorptlons-Desorptipnsgases vom einen Ansaug-■Pörderende der einen Kolonne zu einem Ansaug-FÖrderende einer anderen Kolonne und umgekehrt und Einrichtungen zur Umwälzung des Wärmeübertragungsgases in cyclischer Weise stets im Gegenstrom zu dem Kreislauf des Adsorptions-Desorptionsgases^in den Kolonnen sowie Einrichtungen zur thermischen Abführung nach außen auf der Höhe der Ansaug-Iörderenden für das Adsorptions-Desörptionsgas aufweist.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der na obst eisenden Be s ehre ibung - bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

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Pig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Adsorptions-Desorptionskälteerzeugers nach der Erfindung.

Pig. 2 ist eine schematische Teilansicht einer anderen Aueftihrungsform.

Pig. 3 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausftihrungsform.

Pig. 4 zeigt in einem Teilschnitt größeren Maßstabes eine Einzelheit einer Adsorptionskolonne.

Gemäß Pig. 1 besifc zt der Kälteerzeuger zwei Kolonnen 1 und 2, deren jede aus zwei Kammern 3 und 4 "bzw. 3' und 4' gebildet ist, die thermisch isoliert sind. Die Kammern 3 und 4 einerseits und 3' und 4' andererseits sind miteinander Über eine Leitung 5 bzw. 5' und durch eine Leitung 6, 6' mit einer Schlange 7 bzw. 7¹ eines ersten Austauschers 8 bzw. 8' verbunden und dann mit Schlangen 9 und 9¹ eines gemeinsamen Austauschers 10 und von dort mit zwei Ventilen 11 und 12 einerseits und 11' und ^•andererseits verbunden. Die Ventile 11 und 12* sind an die Hochdruokseite eines Kompressors 13 für Kühlmittel, beispielsweise Wasser, angeschlossen, während die Ventile 11* und 12 an die Niederdrückeinlaßseite dieses Kompressors 13 angesohlossen sind. Wenn man also die Ventile 11 und 11* öffnet, während die Ventile 12 und 12· geschlossen sind, kann ein fesförmiges Strömungsmittel aus den Kammern 3¹ und 4' angesaugt und in

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Pfeilrichtung zu den Kammern 3 und 4 geschickt werden, während sich ein umgekehrter Betrieb einstellt, wenn die Ventile 12 und 12^r offen und die Ventile 11 und 11· geschlossen sind.

In jeder der Kammern 3, 3', 4 und 4^f befinden sich Stapel von Adsorptionsmitteln, die mit wärmeleitenden !Prägern fest vereinigt sind; der ganze Aufbau mindestens in den Kammern 3 und 3¹ ist derart, daß die Wärmeleitung in radialer Richtung der Kolonne erfolgt,, während Unterbrechungen in der Wärmeleitung in Längsrichtung gewährleistet sind.

Pur die Fertigung der Stapel dieser Adsorptionsmittel verwendet man vorzugsweise Wickelkörper aus wärmeleitendem Band, auf dem Adsorptionsmittelkörner eingelassen sind. Solche Leltmittelbänder mit eingelassenem Adsorptionsmittel, z. B. in Form von Flachspulen, sind in der deutschen Patentanmeldung P 19 33 995.8 der Anmelderin vom 4. Juli 1969 "Gasadsorbierendes Element, Verfahren zu dessen Herstellung und eine adsorbierende Elemente enthaltende Vorrichtung" beschrieben. Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich, ist in der Kinjraer 3 bzw. 3^f ein Stapel, z. B. _aus Flaohepulen 13 a bis 13 g bzw. 13V a bis 13'g unter jeweiliger Zwischenschaltung von thermisch isolierenden, jedoch gasdurchlässigen Einrichtungen, z. B. gelochten Isolierabstandshaltern 40, angeordnet. In der Kammer 4 bzw. 4' braucht man nur ein oder mehrere Adsorptionsmitte!bänder 13 -h bzw. 13' h anzuordnen, ohne daß eine Wärmeisolierung in Längsrichtung notwendig wäre«

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In den Kammern 4 und 4' befindet sioh ein erstee Rohrbündel 15 bzw. 15', das aus einem Kältemittelbehälter 16 ζ. Β. mit flüssigem Stickstoff gespeist wird und in dem diese Kälteflüssigkeit verdampft, während ihre Dämpfe durch eine Leitung 17 bzw. 17',eine Sohlange 18 bzw. 18' des Austauschers 10 und ein Ventil 19 bzw. 19' abströmen. Hielt dargestellte Schalteinrichtungen besorgen nacheinander die Öffnung des Ventils 19 und die Schliessung des Ventils 19', wenn das Adsorptions-Desorptionsgas in die Kolonne 1 geschickt wird, und die Schliessung des Ventiles 19 und öffnung des Ventiles 19', wenn das Gas in die Kolonne 2 geschickt wird. Dieser Behälter 16 steht seinerseits über eine Auslaßl-eitung und eine Schlange 21 des Austauschers 10 mit der Außenluft in offener Verbindung.

Eingeschlossener Kreis eines gasförmigen Kältemittels von sehr niedrigem Verdampfungspunkt, z. B. Helium, geht von einer der beiden Umwälzpumpen 24, 25 aus, die in das flüssige Stickstoff-, bad des Behälters 16 eintauchen, und besteht weiter aus einer Sohlange 26 bzw. 26'., dem Austauscher 8 bzw. 8', einer Schlange 27 bzw. 27' in der isothermen Kammer 4 bzw. 4¹ und einer Sohlange 28 bzw. 28' in der Kammer 3 bzw. 3¹ mit einem äußeren Verbindungsrohr 29 zwisohen den beiden Kolonnen 1 und 2; die Verbindungsleitung wirkt mit einem Organ 30 zusammen, das die Kältequelle bildet.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

Das Gerät arbeitet nach Art einer Sohaukel unter dem Geaiohta-

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punkt der Adsorptions- und DeSorptionsvorgänge. Während einer Phase wird also das adsorbierte und desorbierte Gasströmungsmittel - das beispielsweise aus einer Mischung von Helium und Wasserstoff besteht - durch-den Kompressor 13 in Pfeilrichtung gefördert. Die die Adsorptionsstapel 13^!a bis 13'h der Kammern

' durch

3¹ und 4¹ unter Unterdruck/streichenden Gase desorbieren, während die Stapel 13 a bis 13 h der Kammern 3 und 4 unter Druck das Gas, das gerade desorbiert worden ist, nach Wiederverdioh-, tung adsorbieren. Während dieser Phase steht die Umwälzpumpe 24 in Betrieb und die Umwälzpumpe 25 still, so daß gasförmiges Helium im Sinne des Pfeiles V umläuft» d. h. in Gegenstem zu dem adsorbierten und desorbierten Gasstrom in den Kolonnen 1 und 2.

In der folgenden Phase saugt der Kompressor 13 das Gas an, das aus den Adsorbensstapeln 13a bis 13h der Kammern 3 und 4 desorbiert wird, und fördert es in die Adsorbensstapel 13'a bis 13'h der Kammern 3^f und 4¹, wo das Gas adsorbiert wird. Während dieser Phase steht die Umwälzpumpe 24 still und die Umwälzpumpe 25 in Betrieb, so daß Heliumgas im Sinne des Pfeiles V* umläuft, d. h. wiederum im Gegenstrom zur Adsorptions-Desorptionsgasbewegung«

WähMid aller Phasen werden die Ventile 19 und 19' abwechselnd geöffnet, so daß die während der Adsorptionsphasen freigesetzte Wärme durch Verdampfung von flüssigem Stickstoff abgeführt wird. Zu beachten ist jedoch, daß es keinen Umlauf von flüssigem Stickstoff in dem Kreis 15 bzw. 15', welcher der Kolonne

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1 bzw. 2 zugeordnet ist, während der Desorption gibt. Alle Adsorptions- und DeSorptionsvorgänge erfolgen also in den Kammern 4 und 4' bei konstanter Temperatur, d. h. warmer Temperatur.

Dagegen ist festzustellen, daß sich das andere Ende der Kolonnen 1 und 2 auf kalter Temperatur mit einem geregelten Temperaturgefälle zwischen den beiden Enden jeder Kolonne 1 und 2 befindet und daß sich an der Stelle des Organs 30 eine gewisse Kälteleistung entwickelt, die bei einer sehr tiefen Taaperatur zur Verfügung steht. Die Erscheinung läßt sich in folgender Weise erklären:

In der Phase, wo die Adsorbensstapel 13'a bis 13'h ein Gas desorbieren, ergibt sich aufgrund des DeSorptionsvorganges eine Kältefreisetzung, während gleichzeitig^sobald das Gas in den Adsorbensstapeln 13a bis 13 h adsorbiert wird, sich eine Wärmefreisetzung ergibt. Daraus ftlgt, daß die duroh. die Desorption der Gaee in den Adsorbensstapeln 13^fa bis 13'h erzeugte Abkühlung einerseits duroh den Übertragungsgasstrom, der in den Sohlangen 27^f und 28' umläuft, und andererseits duroh den Adsorptions- und Desorptionsgaastrom, der eue den Kolonnen 3* und 4¹ duroh die leitung 6' austritt, abgeführt wird. Diese Freigabe duroh die Leitung 6^f wird to der Schlange 7¹ über die Schlange 26* auf das Übertragungsströmungsmittel im Auetatsoher 8* übertragen, so daß die während der Desorptlonsphase erzeugte Kälte vollständig (bei Punktioneirreversibilität der Auatauso-her)

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an das Übertragungsmittel abgegeben wird, das in den Schlangen 27' und 28' zirkuliert. Das Übertragungsmittel,gibt einen Teil dieser Kälte an die Kältequelle 30 ab, ein anderer Teil dieser Kälte wird zur Abführung der freigesetzten Wärme benutzt, die sich in den Adsorbensstapeln 13a bis 13g bildet, während diejenige, die sich in dem Stapel 13 h bildet, durch die Stickst off Verdampfungsschlange 15 abgeführt wird, die lediglich in der Adsorptionsstufe in der Kolonne in Betrieb ist. Im Verlauf der folgenden Stufe ist das Spiel wohl umgekehrt, wobei die Urolaufrichtung des Übertragungsmittelstromes (Umwälzpumpe 24 steht still und Umwälzpumpe 25 ist in Betrieb) gewechselt ist und das Ventil 19* geöffnet wird, während das Ventil 19 geschlossen ist.

Es Jefc zu bemerken, daß die an der Quelle 30 verfügbare Enthalpie gleioh der Enthalpiedifferenz zwischen dem Niederdruckgas, das zur Saugseite des Kompressors 13 vom warmen Ende des Austauschers 8¹ geht, und der Enthalpie des Hoohdruckgases abweicht, in folgender Weise ist:

EntMLpie des Hochdruckgases zwischen den Kammern 4 und 3, zu der sich die Enthalpie des Hoohdruckgases in adsorbierter Form in der Kammer 4 addiert.

Itd vorliegenden Pail, wo die warme Quelle aus flüssigem Stickstoff von beispielsweise 77 K besteht, kann das duroh den Kompressor beförderte Gasgemisch Helium und Wasserstoff und/oder Neon in solchem Anteil enthalten, daß ein erheblicher thermi-

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soher Effekt während der Adsorption und der Desorption in der Temperaturzone nahe 77⁰K in den Kammern 4 und 4' erhalten wird.

Der Wasserstoff wird im wesentlichen in der Kammer 4 oder 4^f adsorbiert, während der Rest in der warmen Zone der Regeneratoren 3 oder 3¹ adsorbiert wird. Helium wird im wesentlichen in den kalten Zonen der Kammern 3 oder 3¹ adsorbiert werden.

Die Temperaturen, die man an der Quelle 30 erzielen kann, sind eine Funktion der Adsorptions- und Desorptionsverhältnisse in den Regeneratoren 3 und 3¹ sowie der Irreversibilität der Vorrichtung bezüglich der Wärmeaustauschvorgänge. Das vorliegende Verfahren gestattet die Erzielung von so niedrigen Temperatüren,

ο ο

wie 20 K und selbst 6 bis 10 K bei Einsatz der Adsorbentien in dem Zyklus zwisohen einem Hochdruok gleich oder über 10bar und einem Niederdruck unterhalb 1 bar, jedoch möglichst nahe diesem Wert.

Gemäß einer Abwandlung der Erfindung (Fig. 2) kann man auf noch tiefere Temperaturen herabgehen, indem man die Böden der Kolonnen 3 und 3', wie durch die Kapillare32 angedeutet , miteinander verbindet, die in Kontakijfeit der Endquelle 30 verläuft und duroh die Rohre 33 und 34 an die Kolonnen 3 und 3¹ angeschlossen ist. Auf diese Weise erssielt man eine Isoenthalpie der Entspannung zwieohen den Hoohdruok- und Niederdruokkolonnen 3 und 3'.

Pig. 3 zeigt eine vereinfachte Auaführungsform eiraa Kälteer-

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zeugers nach der Erfindung, bei dem die wesentlichen Bestandteile, die mit denjenigen der Ausführungsform nach Fig. liden-. tisch sind, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet worden sind. Hier ist jedoch auf ein Mittel verzichtet, um mittels fltissigen Stickstoffs eine warme Temperatur unterhalb der Umgebungs-

zu
temperatur aufrechterhalten. Statt dessen werden die Schlangen 15 und 15' durch einen einfachen Strom gespeist, der durch eine Umwälzpumpe 35 bzw. 36 abwechselnd,in die eine oder die andere der Schlangen 15, 15' geschickt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung ist anwendbar auf elektronische Vorrichtungen, Anzeige- und Meßgeräte, Supraleiterspulen sowie auf die Kühlung von elektrotechnischen Anlagen, die bei kalter lemperatur arbeiten«

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Claims

Patentansprüohe

1.)Verfahren zur Erzeugung einer bei sehr kalter Temperatur verfügbaren Kälteenergie durch Freisetzen von Kälte während einer Gasdesorption, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens zwei Kolonnen von thermisch isolierten Kammern, die mit Adsorptionsmittel beschickt sind, welche mit Wärmeleitern in Querrichtung der Kolonnen vereinigt sind, in der Weise betreibt, daß man am einen war-men Ende einer erien Kolonne adsorbiertes (ras ansaugt, das man in das entsprechende Ende mindestens einer zweiten Kolonne schickt, dann im Zyklus die Ansaug- und Förderkreise umkehrt, daß man nach außen die freigesetzten Wärmeeinheiten abführt, die in einer Zone nahe der Ansaug-Förderöffnung, die an der in Adsorption befindlichen Kolonne zugeordnet ist, auftreten, und daß man einen geschlossenen Q*skreislauf bei sehr niedriger Verflüssigungstemperatur teilweise in Längsrichtung des Kolonneninneren und in gutem Wärmekontakt mit den thermischen Leitern und teilweise aus den Kolonnen heraus erzeugt, und diesen Teil mit einen eine Kältequelle bildenden Organ in Kontakt bringt, wobei der geschlossene Gaakreislauf in den Kolonnen im Gegenstron zu dem Adsorptions-Deeorptionsges verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet duroh die Verwendung von Helium als Oas für den geschlossenen Kreislauf.

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3. Kälteerzeuger zur Durchführung des Verfahrens na oh Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet-.4Urch mindestens zwei mit Adsorptionsmitteln auf im wesentlichen radialen thermisch leitenden Trägern und Einrichtungen für den geschlossenen Kreislauf eines Wärmeübertragungsgases mit in Längsrichtung in Jeder Kolonne in Kontakt mit den !Trägern "angeordneten Wärmeaustauschern ausgerüstete Kolonnen, Überführungseinriohtungen für ein Msorptions-Desorptionsgas vom einen Ansaug-3?örderende einer Kolonne zu einem Ansaug-Iörderende einer anderen Kolonne und umgekehrt und durch Einrichtungen zur Umwälzung des Wärmetibertragungsgases in einem Zyklus, der stets im Gegenstrom zu dem Kreislauf des Aisorptions-Desorptionsgases in den Kolonnen verläuft sowie durch Einrichtungen zur Wärmeabführung nach außen im Bereich der Ansaug-Pörderenden des Adsorptions-Desorptionsgases.

4. Kälteerzeuger naoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführungsmittel aus einer Umwälzeinrichtung für eine Kühlfüssigkeit bei Umgebungstemperatur oder einem Kältemittel, wie flüssigem Stickstoff, bestehen.

5. KälteerBeufe]?4iaoh Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Kapillarentspannmigeleitung, die nahe einem die Kältequelle bildenden Organ angeordnet und mit ihren Enden an die Adsorptions-Desorptionskolonnen angeeohloesen ist, welohe den Ansaug-Förderenden abgewandt sind.

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6. Kälteerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen radialen Wärmeleiterträger aus Metallbändern bestehen, auf denen Adsorptionsmittel vorzugswei-' se durch Inkrustation festgelegt sind, und die Träger durch Wärmeisolierabstandshalter voneinander getrennt sind.

7. Kälteerzeuger nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kolonne zwei in offener Verbindung miteinander stehende Kammern aufweist, deren eine die Einführungskammer des Adsorptions-Desorptionsgases ist und mit einem Umwälzraittel für eine Spülflüssigkeit bei konstan-ter Temperatur vereinigt ist.

8. Kälteerzeuger naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichiBb, daß die Umwälzmittel für den geschlossenen Wärmeübertragungsgaskreis auf der warmen Seite einen Austauscher aufweisen, der thermisch mit einem Teil der Übertragungsmittel für das Adsorptions-Desorptionsgas zusammenwirken.

9. Kälteerzeuger nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführungsmittel aus einem Wärmeaustauscher bestehen, der thermisoh mit einem Teil der Überführungamittel des Adsorptions-Desorptionsgases zusammenwirkt.

10. Kälteerzeuger naoh Anspruoh 3, gekenneelohnet durch Gyoliaohe Umschalteinriohtungen, die im Umlaufsinne des Adaorptions-Desorptionagtses und des Wärmeübertragungsgases syn-

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chronisiert sind«

11. Kälteerzeuger nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zusätzliche intermittierend arbeitende Einrichtungen zur Warmeabführung nach außen in Synchronisierung mit den cyclischen Umschalteinrichtungen, welche die Einschaltung der WärmeabfühBinrichtungen lediglich auf die in Adsorption
stehende Kolonne gewährleisten.

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