DE2340702B2 - Vorrichtung zum kuehlen eines kuehlobjektes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Kühlobjektes mit einem ein- oder mehrstufigen Kältekreislauf, dessen letzte Stufe mindestens eine Entspannungsvorrichtung und mindestens einen Wärmetauscher sowie einen Abscheider-Verdampfer enthält, mit einer Leitung für ein verdichtetes Kältemittel, welche die Entspannungsvorrichtungen und die für das verdichtete Kältemittel bestimmten Querschnitte der Wärmetauscher miteinander verbindet und durch den Abscheider-Verdampfer hindurch zum Kühlobjekt führt mit einer weiteren Leitung, die vom Kühlobjekt ausgehend über mindestens eine weitere Entspannungsvorrichtung in den Abscheider-Verdampfer einmündet, sowie mit einer dritten Leitung für das entspannte Kältemittel, die vom Dampfraum des Abscheider-Verdampfers ausgeht und die für das entspannte Kältemittel bestimmten Querschnitte der Wärmetauscher miteinander verbindet

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der GB-PS 11 14 306 bekannt In dem Kältekreislauf der bekannten Vorrichtung soll speziell Wasserstoff für den Einsatz in Kernreaktoren verflüssigt werden. Es ist aber auch die Verflüssigung anderer tiefsiedender Gase möglich.

Aus der GB-PS 11 84 364 sind mehrere Vorrichtungen bekannt die zum Kühlen eines Kühlobjektes mittels mehrstufiger Kältekreisläufe dienen. In diesen Vorrichtungen durchläuft das zu verflüssigende, verdichtete Kältemittel zunächst mehrere Wärmetauscher, die zum Teil mit Fremdkälte versorgt werden. Die Entspannung erfolgt in Ejektoren und Drosselventilen in der Weise, daß zwei in die Druck- bzw. die Saugsehe der Ejektoren eingeführte Teilströme im Ejektor vermischt und in einem anschließenden Behälter in eine flüssige sowie eine dampfförmige Phase getrennt werden. Die Flüssigkeit wird laufend abgeführt und in einem Drosselventil weiter entspannt, worauf die dabei entstehende flüssige Phase entweder direkt zum Kühlen des Kühlobjektes benutzt oder nochmals in einem Drosselventil entspannt wird. In beiden Fällen wird die bei der Drosselentspannung entstandene dampfförmige Phase zur Saugseite der Ejektoren zurückgeführt. Es können mehrere Ejektoren hintereinander oder parallel geschaltet werden.

Die Kälteleistung am Kühlobjekt ist gleich der Enthalpiedifferenz zwischen Eintritts- und Austrittsstelle des Kühlobjektes, multipliziert mit dem Kältemittelmassenfluß durch das Kühlobjekt. Da die Enthalpiezunahme des Kältemittels und damit seine Temperaturerhöhung im Kühlobjekt in vielen Fällen klein gehalten werden muß. kann bei gegebener Kälteleistung die Temperaturerhöhung des Kältemittels nur über den Kältemittelmassenfluß durch das Kühlobjekt beeinflußt werden. Dieser ist jedoch bei der erstgenannten der bekannten Vorrichtungen in seinem Maximum durch den in die letzte Stufe des Kältekreislaufs einfließenden Kältemittelmassenfluß festgelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln die eine gegenüber den bekannten Vorrichtungen bei gleicher Kälteleistung verbesserte und verbilligte Kühlung des Kühlobjektes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Entspannungsvorrichtungen in der Leitung für das verdichtete Kältemittel bezüglich der Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Abscheider-Verdampfer angeordnet und eine oder mehrere der Entspannungsvorrichtungen Ejektoren sind, deren Saugseiten einen Teil des vom Kühlobjekt kommenden entspannten oder teilentspannten Kältemittels aufnehmen.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß ohne Zufuhr von Fremdenergie und ohne Anwendung bewegter Teile unter alleiniger Ausnutzung der innerhalb der letzten Stufe vorhandenen Druckenergie der Kältemittelmassenstrom durch das Kühlobjekt vergrößert und somit bei konstanter Kälteleistung des Kältekreises das Enthalpiegefälle innerhalb des Kühlobjektes verkleinert werden kann, wodurch insgesamt eine gleichmäßigere

Kühlung zu erzielen ist Die Verbesserung der Kühlung infolge der gegenüber den bekannten Vorrichtungen herabgesetzten Temperaturerhöhung des Kältemittels im Kühlobjekt macht sich besonders vorteilhaft bei der Kühlung solcher Systeme bemerkbar, die einen großen Kälteaufwand erfordern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist demnach beispielsweise zur kostensparenden Kühlung supraleitender Systeme, insbesondere bei Magneten oder Tieftemperaturkabeln geeignet, da hier nur äußerst geringe Temperaturerhöhungen des Kältemittels im Kühlobjekt zugelassen werden können.

Je nachdem, auf welchem Temperaturniveau sich die Ejektoren innerhalb der letzten Stufe des Kältekreises befinden, kann diesen hierbei über ihre Saugseiten flüssiges und/oder kaltes dampfförmiges oder teilweise angewärmtes dampfförmiges Kältemittel zugeführt werden.

Die Kühlvorrichtung ist deshalb alternativ so ausgebildet, daß die Saugseiten der Ejektoren mit dem Kühlobjekt entweder unmittelbar oder über den Dampfraum des Abscheider-Verdampfers oder über dessen Flüssigkeitsraum verbunden sind.

Zusätzlich ergeben sich noch die Möglichkeiten, daß die Saugseiten der Ejektoren über einen der Wärmetauscher oder eine Rohrschlange im Abscheider-Verdampfer mit dem Kühlobjekt verbunden sind.

Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsvorrichtungen Ejektoren sind und die vom Kühlobjekt ausgehende Leitung über ein Drosselventil in einen Abscheider mündet, dessen Flüssigkeitsraum mit der Saugseite des bei niedrigerem Druck arbeitenden Ejektors und dessen Dampfraum mit der Saugseite des bei höherem Druck arbeitenden Ejektors verbunden ist ^₅

Dabei ergibt sich auch in diesem Falle die Möglichkeit, daß der Dampfraum des Abscheiders über den zwischen den Ejektoren angeordneten Wärmetauscher mit der Saugseite des bei höherem Druck arbeitenden Ejektors verbunden ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in Fig. 1 bis 15 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. In den Figuren ist der Einfachheit halber jeweils nur die letzte Stufe eines Kältekreises dargestellt Das Kältemittel ist Helium. Hierbei betreffen alle dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung letzte Stufen mit jeweils zweistufiger Entspannung.

In Fig. 1 strömt über Leitung 1 als Kältemittel gasförmiges Helium aus der oder den — nicht dargestellten — Vorkühlstufen unter erhöhtem Druck durch einen Wärmetauscher 2 zu einer ersten als Ejektor 3 ausgeführten Entspannungsstufe, wo es auf einen mittleren Druck entspannt wird. Nach dieser ersten Entspannung wird das Kältemittel in einem Wärmetauscher 5 weiter abgekühlt und in einem Drosselventil 6 einer zweiten Entspannung unterworfen. Teilweise verflüssigt oder noch bei überkritischem Druck tritt das Helium nunmehr in einen Abscheider-Verdampfer 7 ein, wird in dessen Flüssigkeitsbad unterkühlt und einem Kühlobjekt 8 zugeführt, dem es Wärme entzieht, wodurch es selbst wieder erwärmt wird.

Das vom Kühlobjekt 8 kommende Helium wird bei 10 in zwei Teilströme aufgeteilt. Der eine Teilstrom wird in einem Drosselventil 9 entspannt, hierbei abgekühlt, teilweise verflüssigt und dem Abscheider-Verdampfer 7 zugeführt. Aus dem Abscheider-Verdampfer 7 wird der Dampfteil des kalten Heliums über Leitung 4 abgezogen, im Wärmetausch mit zum Kühlobjekt 8 strömenden Helium erwärmt und den nicht gezeigten Vorkühlstufen zugeführt Der andere Teilstrom des vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliums wird nach Anwärmung im Wärmetauscher 5 in die Saugseite il des Ejektors 3 und damit in das zum Kühlobjekt 8 strähnende Helium eingespeist wobei er innerhalb des Ejektors 3 auf dessen Ausgangsdruck verdichtet wird.

Die Kühlvorrichtung ermöglicht auf einfache Weise ohne zusätzliche Zufuhr von Fremdenergie eine Vergrößerung der zum Kühlobjekt 8 strömenden Heluimmassen gegenüber dem durch Leitung 1 fließenden Massenstrom. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich durch das Ansaugen von Helium höherer Enthalpie die Enthalpie des Heliums am Ausgang des Ejektors 3 erhöht, was sich im Sinne einer Vergrößerung der Temperaturdifferenz des dem Ejektor 3 nachgeschalleten Wärmetauschers 5 auswirkt

Die Variante der Kühlvorrichtung gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 dadurch, daß die in die Saugseite Il des Ejektors 3 einzuführende TejJmenge des vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliums erst nach einer ersten Erwärmung im Wärmetauscher 5 bei 20 abgezweigt wird, wobei vorher die gesamte das Kühlobjekt 8 verlassende Heliummenge in den Abscheider-Verdampfer 7 drosselentspannt wird. Gemäß dieser Variante wird also in die Saugseite Jl des Ejektors 3 Helium niedrigeren Druckes als bei der Variante gemäß F i g. 1 eingeführt Diese Ausführurigsform hat den Vorteil, daß das in die Saugseite 11 des Ejektors 3 eingeführte Helium nicht in einem gesonderten Querschnitt des Wärmetauschers 5 erwärmt zu werden braucht, wobei allerdings der geringere Druck des angesaugten Gases in Kauf genommen werden muß.

Eine weitere Variante der Kühlvorrichtung ist in F i g. 3 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die erste Entspannung mittels eines Drosselventils 30 durchgeführt, während für die zweite Entspannungsstufe ein Ejektor 31 verwendet wird, dessen Saugseite 32 über eine Wärmetauschvorrichtung 33 im Abscheider-Verdampfer 7 mit dem Ausgang des Kühlobjektes 8 in Verbindung steht. Hierbei wird die in die Saugseite 32 des Ejektors 31 einzuführende Teilmenge des vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliums zweiphasig oder bei überkritischem Druck im Flüssigkeitsbad des Abscheider-Verdampfers 7 gekühlt oder verflüssigt und flüssig oder bei überkritischem Druck in den Ejektor 31 eingeführt. Diese Variante ermöglicht die zusätzliche Speisung des Ejektors 31 mit flüssigem oder überkritischem Helium unter erhöhtem Druck, nämlich dem Ausgangsdruck des Kühlobjektes 8, was sich besonders vorteilhaft auf die Saugleistung des Ejektors 31 und damit auf die zusätzliche Erhöhung des Heüummassenflusses durch das Kühlobjekt 8 auswirkt

Weitere konstruktiv etwas einfacher auszuführende Varianten der Kühlvorrichtung mit einem Ejektor als zweite Entspannungsstufe sind in F i g. 4 und 5 dargestellt, wobei in F i g. 4 in die Saugseite 32 des Ejektors 31 gasförmiges Helium aus dem Dampfraum des Abscheider-Verdampfers 7 nach Abzweigung aus dem vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliumstrom bei 40 eingeführt wird, während gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 der in die Saugseite 32 des Ejektors 31 einzuführende Teil des Heliumstromes flüssig aus dem Flüssigkeitsbad des Abscheider-Verdampfers 7 entnommen wird.

Eine konstruktiv einfache Variante der Kühlvorrichtung nach F i g. 3 zeigt F i g. 6. Hierbei ist die Saugseite

32 des Ejektors 31 unmittelbar mit dem Ausgang des Kühlobjektes 8 verbunden, so daß zwar einerseits der Wärmetausch mit der Flüssigkeit im Abscheider-Verdampfer 7 entfällt, andererseits jedoch eine verringerte Saugleistung des Ejektors 31 in Kauf genommen werden muß.

Bei den Varianten nach F i g. 7 bis 14 bestehen beide Entspannungsstufen der letzten Stufe des Kältekreises aus Ejektoren 3,3t. Hierbei wird das Helium im ersten Ejektor 3 auf einen mittleren Druck und im zweiten Ejektor 31 auf etwa den Eingangsdruck des Kühlobpktes 8 entspannt. Hinsichtlich der Art und Weise der Erhöhung des das Kühlobjekt 8 durchstömenden Heliummassenflusses gibt es eine Reihe von vorteilhaften Möglichkeiten, die im folgenden beschrieben werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7 wird wie beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 dem ersten Ejektor 3 über dessen Saugseite 11 ein Teil des das Kühlobjekt 8 verlassenden Heliums nach teilweiser Anwärmung im Wärmetauscher 5 gasförmig zugeführt. Ein weiterer Teil des das Kühlobjekt 8 verlassenden Heliums wird bei 70 abgezweigt, im Flüssigkeitsbad des Abscheider-Verdampfers 7 gekühlt oder verflüssigt und in die Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 eingeführt.

Die Varianten gemäß F i g. 8 und 9 unterscheiden sich von der Variante gemäß F i g. 7 nur durch die Anschlußstelle der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31, während der erste Ejektor 3 hier wie nach der Ausführungsform nach F i g. 7 betrieben wird. So wird gemäß F i g. 8 der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 verdampftes Helium aus dem Abscheider-Verdampfer 7 bei 40 zugeführt, während gemäß F i g. 9 der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 flüssiges Helium aus dem Flüssigkeitsbad des Abscheider-Verdampfers 7 zugeführt wird.

Die Variante gemäß Fig. 10 unterscheidet sich von derjenigen gemäß F i g. 7 dadurch, daß für die Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 ein Teil des vom Kühlobjekt 8 kommenden und in die Saugseite 11 des ersten Ejektors 3 einzuführenden Heliums bei 100 abgezweigt und unmittelbar dieser zugeführt wird. Diese Variante ist dann von Vorteil, wenn das Kühlobjekt 8 unter überkritischem Druck gekühlt wird, wenn also während des Kühlens kein Phasenübergang des Heliums stattfindet

Eine weitere Variante der Kühlvorrichtung ist in Fi g. 11 dargestellt Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird dem ersten Ejektor 3 bei 20 über dessen Saugseite ein Teil des aus dem Abscheider-Verdampfer 7

dampfförmig abgezogenen Heliums nach dessen teilweiser Erwärmung im Wärmetauscher 5 zugeführt, wahrend in die Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 ein Te,| des vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliums nach «ssen Kühlung in einer Rohrschlange 71 im Flüssigkeitsbad des Abscheider-Verdampfers 7 eingeführt

Die Fig. I₂ bis 14zeigen Varianten der Kühlvorrichtung d,e sich von der Ausführungsform gemäß F i g. 11 7w_Pi^dUrCp u^{ie Anschluß}stellen der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 unterscheiden.

EiS *.^Fi-^g-^{12 Wird der} S^eite 32 des zweiten AhTrI !f f,'^{n eM des} verdampften Heliums aus dem Abscheider-Verdampfer 7 unmittelbar bei 40 zugeführt,

EieSn % ι™^{0 Fig}-^{13 der Sau}*'^seite 32 des zweiten fE F ^{ein Teil des flu}»'gen Heliums aus dem telh ^gkeitS;^{aum des} Abscheider-Verdampfers 7 unmittelbar mgee.tet wird. Gemäß der Ausführungsform

zweiten EU, ^f^ ^{wird der Sau}e^seite 32 des vom Küniih Γ« ^{ein bei 10 a}bgezweigter Teil des vom Kuhlobjekt 8 kommenden Heliums direkt zuge-

Variante der Kühlvorrichdargestellt, die dann von Bedeutung VP i-n ,^Um,^{das Kuhlob}Jekt 8 als Zweiphasengemisch UbTrTi η ,^{m Falle wird das} Zweiphasen-Sheider ι« ^DrosseIventil 150 .in einen zusätzlichen d« HeI ul¹h^lemspannt·ⁱⁿ dem eine Phasentrennung Verda^X^¹ £****? ^dem Druck im Abscheider' Phas SI ΐ™ ^Druck «"«findet Die flüssige

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bei 10 und das ⁷° ^{und dem} Abscheider 151

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kühlen eines Kühlobjektes mit einem ein- oder mehrstufigen Kältekreislauf, dessen letzte Stufe mindestens eine Entspannungsvorrichtung und mindestens einen Wärmetauscher sowie einen Abscheider-Verdampfer enthält, mit einer Leitung für ein verdichtetes Kältemittel, welche die Entspannungsvorrichtungen und die für das verdichtete Kältemittel bestimmten Querschnitte der Wärmetauscher miteinander verbindet und durch den Abscheider-Verdampfer hindurch zum Kühlobjekt führt, mit einer weiteren Leitung, die vom Kühlobjekt ausgehend über mindestens eine weitere Entspannungsvorrichtung in den Abscheider-Verdampfer einmündet, sowie mit einer dritten Leitung für das entspannte Kältemittel, die vom Dampfraum des Absche^:der-Verdampfers ausgeht und die für das entspannte Kältemittel bestimmten Querschnitte der Wärmetauscher miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsvorrichtungen (3, 6, 30, 31) in der Leitung (1) für das verdichtete Kältemittel bezüglich der Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Abscheider-Verdampfer (7) angeordnet und eine oder mehrere der Entspannungsvorrichtungen Ejektoren (3,31) sind, deren Saugseiten (11,32) einen Teil des vom Kühlobjekt (8) kommenden, entspannten oder teilentspannten Kältemittels aufnehmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseiten (11, 32) der Ejektoren (3,31) mit dem Kühlobjekt (8) entweder unmittelbar oder über den Dampfraum des Abscheider-Verdampfers (7) oder über dessen Flüssigkeitsraum verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseiten (11, 32) der Ejektoren (3, 31) über einen der Wärmetauscher (5) oder eine Rohrschlange (71) im Abscheider-Verdampfer (7) mit dem Kühlobjekt (8) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsvorrichtungen Ejektoren (3, 31) sind und die vom Kühlobjekt (8) ausgehende Leitung über ein Drosselventil (150) in einen Abscheider (151) mündet, dessen Flüssigkeitsraum mit der Saugseite (32) des bei niedrigerem Druck arbeitenden Ejektors (31) und dessen Dampfraum mit der Saugseite (11) des bei höherem Druck arbeitenden Ejektors (3) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfraum des Abscheiders (151) über den zwischen den Ejektoren (3,31) angeordneten Wärmetauscher (5) mit der Saugseite (11) des bei höherem Druck arbeitenden Ejektors (3) verbunden ist.