DE2340702C3 - Vorrichtung zum Kühlen eines Kühlobjektes - Google Patents

Description

)ie Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen es Kühlobjektes mit einem ein- oder mehrstufigen Itekreislauf, dessen letzte Stufe mindestens eine tspannungsvorrichtung und mindestens einen Wärtauscher sowie einen Abscheider-Verdampfer entt, mit einer Leitung für ein verdichtetes Kältemittel, *5 lche die Entspannungsvorrichtungen und die für das ■dichtete Kältemittel bestimmten Querschnitte der irmetauscher miteinander verbindet und durch den Abscheider-Verdampfer hindurch zum KühSobjekt 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 Vorrichlung 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 Saugseite 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 ucr 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 angecdnet und eine oder mehrere der Entspannungsvorrichtungen Ejektoren sind, deren Saugseiten einen Teil des vom Kühlobjekt kommenden entspannten oder teilentspannter. 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 Tief temperaturkabeln 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 Dampf raum 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 Ejektnren 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

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 F i g. 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 oetreffen 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 eine.n 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 DamDfteil des kalten Heliums über Leitung 4 abgezogen, Un 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 11 des Ejektors 3 und damit in das zum Kühlobjekt 8 strömende 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 nachgeschalteten Wärmetauschers 5 auswirkt

Die Variante der Kühlvorrichtung gemäß Fig.2 unterscheidet sich von der gemäß F i g. 1 dadurch, daß die in die Saugseite 11 des Ejektors 3 einzuführende Teilmenge 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 11 des Ejektors 3 Helium niedrigeren Druckes als bei der Variante gemali Fig. 1 eingeführt Diese Ausführungsform 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 Entspannung^ stufe 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 Heliummassenflusses 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 Fig.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 F i g. 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 Fi g. 7 bis 14 bestehen beide Entspannungsstufen der letzten Stufe des Kältekreises aus Ejektoren 3,31. Hierbei wird das Helium im ersten Ejektor 3 auf einen mittleren Druck und im zweiten Ejektor 31 auf etwa den Eingangsdruck des Kühlobjektes 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 Fig.7 wird wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 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 Fig.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 F i g. 11 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird dem ersten Ejektor 3 bei 20 über dessen Saugseite 11 ein Teil des aas dem Abscheider-Verdampfer dampfförmig abgezogenen Heliums nach dessen teilweiser Erwärmung im Wärmetauscher 5 zugeführt, während in die Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 ein Teil des vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliums nach dessen Kühlung in einer Rohrschlange 71 im Flüssigkeitsbad des Abscheider-Verdampfers 7 eingeführt wird.

Die F i g. 12 bis 14 zeigen Varianten der Kühlvorrichtung, die sich von der Ausführungsform gemäß F i g. 11

ίο nur durch die Anschlußstellen der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 unterscheiden.

Gemäß Fig. 12 wird der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 ein Teil des verdampften Heliums aus dem Abscheider-Verdampfer 7 unmittelbar bei 40 zugeführt, während gemäß Fig. 13 der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 ein Teil des flüssigen Heliums aus dem Flüssigkeitsraum des Abscheider-Verdampfers 7 unmittelbar zugeleitet wird. Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 14 schließlich wird der Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 ein bei 10 abgezweigter Teil des vom Kühlobjekt 8 kommenden Heliums direkt zugeführt.

Eine weitere vorteilhafte Variante der Kühlvorrichtung ist in F i g. 15 dargestellt die dann von Bedeutung ist, wenn das Helium das Kühlobjekt 8 als Zweiphasengemisch verläßt. In diesem Falle wird das Zweiphasengemisch über ein Drosselventil 150 in einen zusätzlichen Abscheider 151 entspannt, in dem eine Phasentrennung des Heliums bei gegenüber dem Druck im Abscheider-Verdampfer 7 erhöhtem Druck stattfindet. Die flüssige Phase wird ganz oder teilweise in die Saugseite 32 des zweiten Ejektors 31 eingeführt während ein Teil des Heliumdampfes aus dem Abscheider 151 abgezogen, im Wärmetauscher 5 angewärmt und in die Saugseite 11 des ersten Ejektors 3 eingeführt wird Der von beiden Ejektoren 3, 31 nicht aufgenommene Anteil des vom Kühlobjekt 8 kommenden Zweiphasenstromes wird über das Drosselventil 9 in den Abscheider-Verdampfer 7 entspannt.

Der Variante nach Fig. 15 entspricht bis auf den zusätzlichen Abscheider 151 die Vorrichtung nach Fig. 10. Sinngemäß läßt sich der zusätzliche Abscheider 151 auch in die Kühlvorrichtungen nach Fig. 1,6 bis 9 und 14 einsetzen. In den Varianten nach F1 g. 1,8 und 5 entfällt dann der Flüssigkeitsabzug des Abscheiders 151 in den Varianten nach Fig.6 und 14 der Dampfabzug Bei der Variante nach F i g. 7 entfällt der Flüssigkeitsabzug, wobei der Abscheider 151 bei 10 und da· Drosselventil 150 zwischen 70 und dem Abscheider 151 angeordnet ist

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 sow<e 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 •nd 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 Ejekloren (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 ©der 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 !,dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsvorrichtungen Ejekloren (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 (U) des bei höherem Druck arbeitenden Ejektors (3) verbunden ist

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