DE2412905A1

DE2412905A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermindern der verluste eines kryostaten

Info

Publication number: DE2412905A1
Application number: DE2412905A
Authority: DE
Inventors: Pierre Roubeau
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-03-27
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1974-10-10
Also published as: FR2288956A1; BE811978A; IT1011633B; JPS49128342A; US3892106A; FR2288956B1; NL7404050A; DE2412905C2; GB1433727A

Description

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410-22.329P 18. 3. 1974

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum Vermindern der Verluste

eines Kryostaten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Verluste eines Kryostaten, in dem ein Fluid in seiner Flüssigphase gehalten wird, bei dem das Fluid mittels eines zusätzlichen Kühlkreises abgekühlt wird, in dem ein identisches Fluid durch isenthalpe Entspannung, d.h. Joule-Thomson-Entspannung verflüssigt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ·

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei der Verwirklichung eines Flüssig-Helium-Vorwärmers oder -Ekonomisers.

410-(B4860.3)-Me-r (8)

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Bekanntlich bringt die isenthalpe Entspannung eines Gases aus einem Druckbereich P in einen anderen mit dem Druck P <C P₁

X w X

(über ein Ventil, eine poröse Wand oder eine andere Vorrichtung, die dem Ausströmen einen Widerstand entgegensetzen kann) eine Temperaturänderung mit sich, deren Größe und deren Richtung abhängig ist von einem Koeffizienten, der Differentialkoeffizient des Joule-Thomson-Effekt genannt wird. Für ein gegebenes Gas und für ein gegebenes Druckpaar kann dieser Koeffizient, abhängig von der Temperatur,, positiv, negativ oder Null sein. Diejenige Temperatur, oberhalb der es kein Druckpaar P und P gibt, für das der Koeffi-

X im*

zient negativ sein kann, wird Inversionstemperatur des Joule-Thomson-Effekts genannt. Bei einer Temperatur unterhalb dieser Inversionstemperatur kann die isenthalpe Entspannung eine Gasabkühlung mit sich bringen.

Die Anwendung des Joule-Thomson-Effekts unterhalb der Inversionstemperatur zur Verflüssigung von Gasen ist die übliche Anwendung . Ein verdichtetes Gas strömt durch einen Wärmetauscher, entspannt sich über eine Drosselstelle und entzieht beim Zurückströmen durch den Wärmetauscher Wärme dem in den Wärmetauscher eintretenden verdichteten Gas, so daß das verdichtete Gas noch kälter als das vorhergehende ankommt; nachdem es sich entspannt hat, nimmt es seinerseits Wärme aus der Gasmasse, die ihm folgt, usw., was schließlich zu einer Teil- oder Gesamt-Verflüssigung des Gases bei der Entspannung führt.

Herkömmliche Vorwärmer verwenden einen zusätzlichen Kühlkreis, in dem das Gas durch das Verfahren der Joule-Thomson-Ent-

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spannung verflüssigt wird. Bei diesen Vorrichtungen muß jedoch eine zusätzliche Flüssigkeitsquelle verwendet werden zum Versorgen eines Vorkühl-Wärmetauschers für das in den zusätzlichen Kühlkreis eingeführte Gas, um seine Temperatur unter die Inversionstemperatur fallen zu lassen. Die herkömmlichen Vorwärmer benötigen daher eine Flüssigkeitsquelle, Verbindungskanäle zwischen der Quelle und den Wärmetauschern des zusätzlichen Kühlkreises und zahlreiche Heber bzw. Siphone. Die entsprechenden Einbauten sind deshalb sehr umfangreich, und die erzielte Wirtschaftlichkeit ist im Ergebnis sehr niedrig; sie geht sehr schnell gegen Null, wenn die Anlagenleistung nicht beträchtlich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Verluste eines Kryostaten zu entwickeln, die nicht diese Nachteile der herkömmlichen Systeme aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zusätzliche Kühlkreis mit gasförmigem Fluid von einer Temperatur versorgt wird, die höher als die Inversionstemperatur des Joule-Thomson-Effekts dieses Fluids ist, und daß das aus dem Kryostaten entweichende gasförmige Fluid selbst verwendet wird, um zum Abkühlen des gasförmigen Versorgungsfluids des zusätzlichen Kühlkreises beizutragen und um seine Temperatur unter die Inversionstemperatur fallen zu lassen.

Eine erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Verflüssigungs-Kühlkreis durch Joule-Thomson-

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Entspannung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis aufweist:

eine Quelle für Druckgas mit einer Temperatur über der Inversionstemperatur des Joule-Thomson-Effekts des Gases,

einen Wärmetauscher mit einem mit Gas von der Quelle versorgten Hochdruckkreis und mit einem Tiefdruckkreis, der sowohl durch den nicht verflüssigten Teil des einmal entspannten Gases als auch durch den verdampften Teil der im Kryostaten enthaltenen Flüssigkeit versorgt ist,

eine am Ausgang des Hochdruckkreises angeordnete Entspannungsvorrichtung für das Gas, bei der stromabwärts der Druck des entspannten Gases der im Kryostat herrscht, und der verflüssigte Teil des entspannten Gases sich mit der im Kryostaten enthaltenen Flüssigkeit vereinigt,

wobei die gesamte Anordnung Wärmetauscher-Entspannungsvorrichtung einen genügend kleinen Raum einnimmt, um in den Hals des Kryostaten eingeführt werden zu können, der durch einen dichten Verschluß verschlossen ist, durch den die Gasleitungen durchtreten,

mit den Gaskreisdrücken P und P .

Bei einer zweiten Vorrichtung ist der Vorwärmer dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreis aufweist:

eine Pumpen-Kompressor-Einheit, die das Gas unter einem Druck P' unterhalb des Luftdrucks ansaugt und unter einem Druck P' oberhalb von P' abgibt,

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eine Anordnung Wärmetauscher - Entspannungsvorrichtung, die hintereinander in Durchflußrichtung enthält:

a) einen Hochdruckkreis, der mit Gas unter dem Druck P durch den Kompressor versorgt ist, und in dem das Gas einen Druckverlust Δ Ρ erleidet,

b) eine Entspannungsvorrichtung für das Gas, beider stromaufwärts

das Gas den Druck P = P' - AP₁ und stromabwärts den Druck P₂ besitzt, mit P₂ < P₁,

c) einen verdampfenden Wärmetauscher, in dem der nach Durchgang durch die Entspannungsvorrichtung verflüssigten Teil des Gases verdampft bei dem Druck P unter Abkühlen der Flüssigkeit des Kryostaten und/oder unter Kondensieren der Dämpfe der Flüssigkeit des Kryostaten,

d) einen kondensierenden Wärmetauscher, der von dem aus dem verdampfenden Wärmetauscher austretenden Gas durchströmt ist, wobei das Gas sich unter Kondensieren der Dämpfe der Flüssigkeit des Kryostaten erwärmt,

e) einen Tiefdruckkreis, durch den das aus dem kondensierenden Wärmetauscher austretende Gas hindurchströmt, wobei der Tiefdruckkreis in direktem Wärmekontakt mit dem Hochdruckkreis ist zur Bildung eines Hauptwärmetauschers, wobei das Gas in dem Tiefdruckkreis einen Druckverlust AP₀ erleidet und der Pumpen-Kompressor-Ein-

Ct

heit als Gas unter dem Druck P¹ = P - A^p _o zugeführt ist, und

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f) in direkter Wärmekopplung mit dem Hochdruckkreis und dem Tiefdruckkreis einen Ausgangskreis des verdampften Teils der im Kryostat enthaltenen Flüssigkeit unter dem Druck P , wobei

der verdampfte Teil in dem Ausgangskreis einen Druckverlust erleidet, um unter dem Druck P - AP,₍ der insbesondere gleich dem Luftdruck ist, auszutreten,

wobei die Anordnung Wärmetauscher - Entspannungsvorrichtung einen ausreichend kleinen Raum einnimmt, um in den Hals des Kryostaten eingeführt werden zu können, der durch einen dichten Verschluß verschlossen ist, durch den die drei Gaskreise unter den Drücken P + ΔΡ , P - AP₉ und P - ΛΡ~ hindurchtreten.

Entspannuncisvorrichtungen können gleichberechtigt nebeneinander eine Kapillare, ein Schieber, ein poröses Medium, ein Ventil oder jedes andere Mittel zur Erzeugung eines Gegendrucks sein, um eine Entspannung durch Drosseln hervorzurufen.

Die beiden Vorrichtungen der Erfindung sind geeignet für verschiedene Ausführungsformen gemäß den Werten des Hochdrucks P , des Tiefdrucks P und des Drucks P des Hauptbades des Kryostaten.

Für einen Flüssig-Helium-Vorwärmer kann z.B. gewählt werden a) in einer ersten Variante:

P =3 bis 20 Atmosphären

P = Luftdruck + Δ P₀

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2A129Q5

P=P
3 2

=4P = 0,01 bis 0,1 Atmosphären,

b) in einer zweiten Variante:

"P- =3 bis 20 Atmosphären

P = 0,05 bis 0,2 Atmosphären

P = Luftdruck + LV

AP₁,-, = 0,01 bis 0,1 Atmosphären.

Es kann jedoch auch gewählt werden:

P =3 bis 20 Atmosphären

P = 0,02 bis 0,05 Atmosphären

P = P (wie gemäß erster Variante),

was insbesondere der Fall ist bei einem Kryostaten zur Verwendung unter der Temperatur des /L-Punktes von Helium (T-· = 2,17 K und P^ = 0,05 Atmosphären), oder der Fall ist bei einem Kryostaten, in dem das Bad des normalen Heliums dazu dient, das Isotop 3 des Heliums eines getrennten Kühlkreises auf viel niedrigerer Temperatur zu kondensieren (Rein-Helium-3-Kreis oder Helium-3-Kreis eines Entmischungs-Kryostaten).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der ersten Vorrichtung kann ein Teil des Gases einem Kompressor oder einer Pumpen-Kompressor-Einheit zugeführt werden, die die Quelle des Gases unter dem

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Druck P bildet. In gleicher Weise kann gemäß einer besonderen Ausführungsform der zweiten Vorrichtung die Pumpe unabhängig sein und das Gas unter dem
pressor kommen.

das Gas unter dem Druck P aus einer anderen Quelle als einem Kom-

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der

ersten Ausführung,

Fig. 2 schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführung,

Fig. 3 ein vereinfachtes Schema eines Wärmetauschers zur Verwendung in der ersten Vorrichtung,

Fig. 4 ein besonderes Ausführungsbeispiel des Vorwärmers gemäß der zweiten Vorrichtung der Erfindung,

Fig. 5 zwei Einzelheiten A und B des Vorwärmers gemäß Fig. 4, Fig. 6 zwei andere Einzelheiten C und D des gMchen Vorwärmers.

Obwohl die Erfindung für viele Gase verwendet werden kann, bezieht sich die folgende Beschreibung zur einfacheren Erläuterung auf einen Kryostaten, der Flüssig-Helium enthält. Die Inversionstempera-

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tür des Joule-Thomson-Effekts für Helium liegt etwa bei 50 K. Oberhalb dieser Temperatur erwärmt sich das Helium auch wenn es sich entspannt. Allerdings ist diese Erwärmung sehr gering, denn sie hängt zusammen mit einer minimalen Differenz der spezifischen Wärme zwischen dem Gas unter Druck und dem entspannten Gas. Z. B. beträgt für Helium die Enthalpiedifferenz bei 300 K zwischen dem Gas unter 10 Atmosphären und dem Gas unter 0,1 Atmosphären ungefähr 3 J/g. Wenn das in den Vorwärmer eingeführte Helium auf einer Temperatur oberhalb 50 K ist, z. B. auf Umgebungstemperatur, so kann daraus gefolgert werden, daß zum Verflüssigen dieses Gases durch die zusätzliche Verfahrensweise der Joule-Thomson-Entspannung einige Kühlvorrichtungen zwischen 50 K und Umgebungstemperatur angeordnet werden müssen.

Gemäß der Erfindung sind diese Kühlvorrichtungen in dem gasförmigen Helium angeordnet, das aus dem Kryostaten entweicht, wo es z. B. bei 4 K verdampft. Die Enthalpiedifferenz des Gases zwischen 4 K und 300 K ist ungefähr 1600 J/g. Es genügt deshalb eine sehr geringe Gasmenge, um das zugeführte Gas in dem Vorwärmer ausreichend abzukühlen, damit die Joule-Thomson-Entspannung einen Kühleffekt hervorrufen kann.

In Fig. 1 enthält der Kryostat 2, z.B. ein Dewar-Gefäß, Flüssig-Helium 4. Im H als 6 des Kryostaten 2 ist ein Kühlkreis 8 zugeführt, der von einer Druckheliumquelle 10 mit einer Temperatur oberhalb der Inversionstemperatur des Joule-Thomson-Effekts von Helium versorgt wird. Der Wärmetauscher 12 besteht aus einem

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Hochdruckkreis 14 und einem Tiefdruckkreis 16. Eine Entspannungsvorrichtung 18 ist am Ende des Hochdruckkreises 14 angebracht. Stromabwärts von der Entspannungsvorrichtung 18 vereinigt sich der verflüssigte Anteil des entspannten Heliums mit dem im Kryostaten 2 enthaltenen Helium 4. Der Tiefdruckkreis 18 wird von Gas versorgt durch einerseits den nicht verflüssigten Teil des über die Entspannung s vor richtung 18 einmal entspannten Gases und andererseits den verdampften Teil des im Kryostaten 2 enthaltenen Flüssig-Heliums Ein Verschluß 20 verschließt das obere Ende des Halses 6.

Werden mit ^ P und AP₀ die Druckverluste des Hochdruck-

J- dt

kreises 14 und des Tiefdruckkreises 16 bezeichnet, so liefert die Quelle 10 Helium unter dem Druck P + ^₁P , das dann stromaufwärts von der Entspannungsvorrichtung 18 den Druck P besitzt. Stromabwärts davon herrscht oberhalb des Flüssig-Heliums 4 der Druck P , und am Ausgang 22 des Tiefdruckkreises 16 entweicht

da

das Helium unter dem Druck P - AP_{0 5} der der Umgebungsdruck

dt dt

sein kann.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der zwei ten Ausführungsmöglichkeit dargestellt. Eine Pumpen-Kompressor-Einheit saugt das Gas unter einem Druck P - ΔΡ_Ο an und gibt es

dt dt

unter einem Druck P +

Das Helium durchströmt nun hintereinander:

a) einen Hochdruckkreis 52 mit einem Druckverlust AP₁ ?

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b) eine Entspannungsvorrichtung 54, wobei der Heliumdruck stromaufwärts P und stromabwärts P ist;

c) einen verdampfenden Wärmetauscher 56, in dem das am Ausgang der Entspannung s vor richtung 54 verflüssigte Helium 58 beim Druck P verdampft und das Flüssig-Helium 60 des Kryostaten 62 abkühlt oder möglicherweise abhängig vom Flüssigkeitspegel im Kryostaten 62 die Dämpfe 64 des verdampften Flüssig-Heliums 60 kondensiert;

d) einen kondensierenden Wärmetauscher 66, in dem der im verdampfenden Wärmetauscher 56 verdampfte Teil des Heliums 58 sich von der dem Sättigungsdruck P entsprechenden Temperatur bis im Idealfall auf die Temperatur des kondensierenden Dampfes anwärmt, die dem im Kryostaten 62 herrschenden Druck P entspricht (der z. B.

in der Nähe des Luftdrucks sein kann), wobei die Anwärmung des Gases durch die Kondensation des einen Teils der Dämpfe 64 des Flüssig-Heliums 60 im Haupt bad hervorgerufen wird, der dort wieder in flüssiger Form eintritt;

e) einen Tiefdruckkreis 68, der insbesondere mit dem Hochdruckkreis 52 einen Wärmetauscher 70 bildet, wobei der Tiefdruckkreis 68 einen Druckverlust AP„ besitzt.

Ein Ausgangskreis 72 führt den Dampfanteil 64 des verdampften Flüssig-Heliums 60 ab, wobei der Ausgangskreis 72 einen Druckverlust AP „ besitzt, was dem Druck des Dampfes von P auf P -

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sinken läßt; der Ausgangskreis 72 ist ebenfalls ein Teil des Wärmetauschers 70. Ein Verschluß 74 verschließt den Hals des Kryostaten

Die Versuche des Erfinders haben gezeigt, daß die Helium verluste eines Kryostaten um mehr als eine Größenordnung vermindert werden können, wenn der Kryostat mit einer Vorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgerüstet ist. Die auf diese Weise verminderten Verluste rühren insbesondere her von den im Vakuum angeordneten Halterungen, Strahlung, dem Joule-Effekt an Ort und Stelle und Wirbel-Strömen.

In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Wärmetauschers 12 (Fig. l) dargestellt. In dieser Figur besteht der Wärmetauscher 12 aus einem, insbesondere metallischen, Hohlzylinder 30, der mehrere Rohre 32 umgibt, die parallel gemäß den Pfeilen 34 durch das entspannte Gas unter dem Druck P versorgt werden; diese hohlen Rohre 32 bilden den Sekundärkreis des Wärmetauschers 12. Der Primärkreis wird durch den Raum gebildet, der zwischen den Rohren 32 und dem Zylinder 30 enthalten ist. Dieser Kreis ist mit einem Gaseingang 36 unter dem Druck P + ΔΡ., und mit einem zur Entspannungsvorrichtung führenden Gasausgang 38 unter dem Druck P verbunden.

Das Helium in den Rohren 32 strömt laminar; dabei ist es bekannt (vgl. z. B. W. H. McAdams "Transmission de la chaleur", Kapitel 9.2), daß der Wärmetausch nicht von ihrem Durchmesser, sondern einzig von ihrer Länge abhängt; die Rohre 32 sollen deshalb den geringstmöglichen Durchmesser zusammen mit einem annehmbaren Druckverlust haben.

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Durch eine vereinfachte, aber durch Versuche bestätigte Rechnung stellt es sich heraus, daß ein Rohr mit 30 cm Länge in der Lage ist, die Enthalpie entsprechend zwei oder drei Milliwatt Abkühlung zu tausc]

trägt.

—4 tauschen, wobei die entsprechende Heliummenge etwa 10 g/s be-

Da der Druckverlust der vierten Potenz des Durchmessers umgekehrt proportional ist, zeigt die Rechnung, daß z.B. letzterer größer als 0,5 mm sein muß, um einen Druckverlust ΔΡ von kleiner als 0,1 Atmosphäre zu erhalten, mit P=I Atmosphäre, und größer als 0,6 mm,um Λ Ρ kleiner als 0,08 Atmosphäre zu erhalten mit P = 0,1 Atmosphäre.

Mit einem Durchmesser von 0,6 mm, einem Druck P = 0,1

~4 Atmosphäre, einer Länge von 35 cm und einer Gasmenge von 10 g/s pro Rohr hat der Erfinder durch Versuche ein ΔΡ von 0,0025 Atmosphären festgestellt. Aufgrund des oben genannten Gesetzes sind auch Durchmesser von 0,5 bis 0,7 mm allgemein verwendbar.

Was den Hochdruckkreis betrifft, so stellt sich das Druckverlustproblem nicht, und die Rohre können sich aufs engste gegenüberstehen, wobei der Verwendungsmöglichkeit von Zentrierringen oder -scheiben Rechnung zu tragen ist.

In den Fig. 4 bis 6 ist eine besondere Ausführungsform eines Vorwärmers dargestellt gemäß der zweiten Vorrichtung der Erfindung.

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In Fig. 4 ist der gesamte Vorwärmer dargestellt. Das Helium wird durch den Hochdruckeingang 100 eingeführt, der mit einem Eingangsrohr 102 verbunden ist. Das Helium durchströmt nacheinander den Hauptwärmetauscher 104, das Rohr 140, einen porösen Teil 106, das als Entspannungsvorrichtung wirkt, den verdampfenden Wärmetauscher 108, den kondensierenden Wärmetauscher 110, das Rohr 112 und entweicht schließlich durch den Ausgangsstutzen 114. Der Ausgang vereinigt das Gas, das aus dem nicht dargestellten Hauptbad des Kryostaten entweicht, von dem vorausgesetzt wird, daß es die verdampfenden bzw. kondensierenden Wärmetauscher 108 und 110 umgibt, wobei das Gas in einem ringförmigen Raum gesammelt wird, der zwischen dem Rohr 112 und dem am Kopfende des Kryostaten angeordneten Außenrohr 118 gebildet ist.

Die Fig. 5 gibt zwei Einzelheiten der Vorrichtung nach Fig. 4 wieder, und zwar die in den Höhen A und B. In der Fig. 5A tritt das Hochdruckgas durch das Rohr 102 unter dem Druck P + ^₁P ein. Am Ende 120 verteilt es sich und zirkuliert im Gehäuse 160 zwischen den Rohren 122, die in umgekehrter Richtung von dem Tiefdruckhelium durchströmt werden, das durch die Enden 124 unter dem Druck P - Λ P₀ austritt. Das Helium, das dem Hauptbad des Kryostaten entweicht, strömt durch eine kleine Zahl von Rohren mit Druckverlust ' von denen ein einziges Rohr 126 in Fig. 5 dargestellt ist. Die-

ses Helium tritt unter dem Druck P - AP in die durch die beiden

ο ο

Scheiben 130 und 132 gebildete Kammer und entweicht durch die Öffnung 134 in den ringförmigen Raum, der zwischen den Rohren 112 und 118 gebildet ist.

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In der Fig. 5B wird das zwischen den Rohren 122 zirkulierende Hochdruckgas durch das Rohr 140 in Höhe der Scheibe 142 wieder aufgenommen. Das verdampfte Helium des Hauptbades unter dem Druck P dringt in den Kreis durch die Öffnung 144 und dann in die Rohre 126 ein. Zwischen den Scheiben 130 und 142 ist auf diese Weise ein Wärmetauscher mit drei Kreisen gebildet, die von Gasen unter den Drücken P , P und P durchströmt werden.

J. u ό

In Fig. 5 sind weiter eine Abstandsscheibe 143 und ein Zentralstift 145 dargestellt, die dazu bestimmt sind, eine bevorzugte Strömung in Achsrichtung zu vermeiden.

Die Fig. 6 stellt zwei Einzelheiten der Fig. 4 in den Höhen C und D dar. In der Fig. 6 C tritt das Hochdruckgas durch das Rohr 140 ein. Das auf den Druck P entspannte Gas wird an den Enden der Rohre 122 in der Nähe der Scheibe 152 gesammelt. Zwischen den Scheiben 142 und 152 befindet sich deshalb der als kondensierend bezeichnete Wärmetauscher. Die kondensierte Flüssigkeit entweicht durch die Öffnung 154 und tritt wieder in das Hauptbad ein.

Die Entspannungsvorrichtung 106 der Fig. 6 D wird von Helium unter dem Druck P durch das Rohr 140 versorgt. Die Entspannung erfolgt durch drei rostfreie Sinter-Stahlscheiben 158. Der verflüssigte Teil des Heliums sammelt sich am unteren Ende des Gehäuses 160, der den als verdampfend bezeichneten Wärmetauscher 108 bildet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Rohre 122, 126,

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und 160 vorteilhaft rostfrei mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,2 mm und die Scheiben 130, 132, 142 und 152 aus Kupfer. Die Scheiben sind an den rostfreien Rohren hart angelötet.

Bei dem in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt der Rohre 122, die den Tiefdruckkreis bilden, von einem Ende zum anderen des Wärmetauschers gleich. Gemäß einer Weiterbildung können kleinere Rohre im unteren Teil verwendet werden, dort, wo die Temperatur niedriger ist, denn der Druckverlust schwankt mit dem Quadrat der Temperatur. In diesem Fall können im unteren Teil die Rohre 122 einen kleineren, und zwar 2 bis 3mal kleineren Durchmesser besitzen.

Aufgrund dieser Beschreibung ist ersichtlich, daß der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführte Vorwärmer zahlreiche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art aufweist:

1) er vermeidet die Verwendung einer zusätzlichen Flüssig-Helium-Quelle, die dazu bestimmt ist, die Temperatur des Gases unter die Inversionstemperatur zu erniedrigen, was den Vorwärmer vereinfacht und seine Leistung erhöht;

2) er verwendet die Besonderheit der nicht ausgewogenen Massenmengen in dem Gesamt-Wärmetauscher und zieht aus dieser Tatsache die Vorteile:

a) wegen einer vom kalten zum warmen Ende wachsenden Tempera-

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turdifferenz, die der Zunahme der Wärmeleitfähigkeit in der Zone der höheren Temperatur folgt, für den größten Teil des Wärmetausches mit verminderter Oberfläche auszukommen, und

b) verminderte Druckverluste infolge der geringen Viskotität des Gases im kalten Teil, der aber der bedeutendste ist (90 % der Oberfläche ist unterhalb 77 K), zu erreichen;

3) er bringt keinen Temperatursprung im sich abkühlenden Gas mit sich, die sich erwärmende Strömung ist immer auf der höchstmöglichen Temperatur, die durch das thermodynamische Gleichgewicht ermöglicht wird, was ein Minimum von Entropie verursacht und deshalb den maximalen Wirkungsgrad hervorruft;

4) er verwendet einen verbesserten Wärmetauscher, der sehr einfach herzustellen ist und der ermöglicht:

a) bei gleichem Wärmetausch die Druckverluste auf der Tiefdruckseite auf ein Minimum zu vermindern, wegen der Möglichkeit der Wahl eines tiefen Wertes für P , was es ermöglicht, die Abkühlwirkung sehr wesentlich zu erhöhen,

b) maximalen Wärmetausch zu erreichen mit dem Minimum an Leitfähigkeit in Längsrichtung im Metall des Wärmetauschers,

c) eine sehr große Toleranz gegenüber Verunreinigungen zu erreichen wegen des großen Volumens, das das Gas auf der Hochdruckseite einnehmen kann,

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d) ein "Kanalisieren" (Channeling-Effekt) zu vermeiden, wegen der Lokalisierung des größten Teils der Druckverluste in jedem Rohr am den besten Wärmeausgleich besitzenden warmen Ende, und

e) durch seine verminderten Abmessungen in einen bestehenden Kryostaten eingeführt zu werden durch eine z.B. für die Einfüll-Leitung vorgesehene Öffnung;

5) er eignet sich insbesondere gut für verschiedene mögliche Anwendungsfälle, z. B.

a) für den Fall, bei dem der Druck P der Luftdruck ist, weil
dann der Vorwärmer am meisten vereinfacht ist, oder

b) für den Fall, bei dem P in der Größenordnung von 0,1 Atmo-Sphären ist und ein Wärmetauscher mit drei Kreisen verwendet wird, weil dann der Wirkungsgrad am größten ist.

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Claims

Patentansprüche

.J Verfahren zur Verminderung der Verluste eines Kryostaten, in dem ein Fluid in seiner Flüssigphase gehalten wird, bei dem das Fluid mittels eines zusätzlichen Kühlkreises abgekühlt wird, in dem ein identisches Fluid durch isenthalpe Entspannung, d- h. Joule-Thomson-Entspannung verflüssigt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zusätzliche Kühlkreis mit gasförmigem Fluid von einer Temperatur versorgt wird, die höher als die Inversionstemperatur des Joule-Thomson-Effekts dieses Fluids ist, und

daß das aus dem Kryostaten entweichende gasförmige Fluid selbst verwendet wird, um zum Abkühlen des gasförmigen Versorgungsfluids des zusätzlichen Kühlkreises beizutragen, und um seine Temperatur unter die Inversionstemperatur fallen zu lassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß einerseits das Fluid des zusätzlichen Kühlkreises nach der Joule-Thomson-Entspannung und andererseits das Gas, das von der Verdampfung der Flüssigkeit im Kryostaten stammt, durch einen einzigen Wärmetauscher geführt werden, und

daß das Fluid und das Gas keinem plötzlichen Temperatursprung im Laufe ihres Wärmetausches unterworfen werden.

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3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Verflüssiger durch Joule-Thomson-Entspannung als Kühlkreis,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkreis aufweist:

eine Quelle (lO) für Druckgas mit einer Temperatur über der Inversionstemperatur des Joule-Thomson-Effekts des Gases,

einen Wärmetauscher (12) mit einem mit Gas von der Quelle (lO) versorgten Hochdruckkreis (14), und mit einem Tiefdruckkreis (16), der sowohl durch den nicht verflüssigten Teil des einmal entspannten Gases als auch durch den verdampften T il der im Kryostaten (2) enthaltenen Flüssigkeit (4) versorgt ist,

eine am Ausgang des Hochdruckkreises (14) angeordnete Entspannungsvorrichtung (18) für das Gas, bei der stromabwärts der Druck (P ) des entspannten Gases, der im Kryostaten (2) herrscht, und der verflüssigte Teil des entspannten Gases sich mit der im Kryostaten (2) enthaltenen Flüssigkeit (4) vereinigt,

wobei die gesamte Anordnung Wärmetauscher-Entspannungsvorrichtung (12, 18) einen genügend kleinen Raum einnimmt, um in den Hals (6) des Kryostaten (2) eingeführt werden zu können, der durch einen dichten Verschluß (20) verschlossen ist, durch den die Gasleitungen (8, 22) durchtreten.

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4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Verflüssiger durch Joule-Thomson-Entspannung als Kühlkreis,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlkreis aufweist:

eine Pum pen-Kompressor-Einheit (50), die das Gas unter einem Druck P' unterhalb des Luftdrucks ansaugt und unter einem Druck P¹ oberhalb von P' abgibt,

eine Anordnung Wärmetauscher - Entspannungsvorrichtung (70, 54, 56, 66, 140, 106, 108, 110, 122, 126), die hintereinander in Durchflußrichtung enthält:

a) einen Hochdruckkreis (52, 140), der mit Gas unter dem Druck P durch den Kompressor versorgt ist, und in dem das Gas einen Druckverlust AP₁ erleidet,

b) eine Entspannungsvorrichtung (54, 106) für das Gas, bei der stromaufwärts das Gas den Druck P = P¹ - ^\P und stromabwärts den Druck P besitzt, mit P < P ,

dt dl X.

c) einen verdampfenden Wärmetauscher (56, 108), in dem der nach Durchgang durch die Entspannungsvorrichtung (54, 106) verflüssigte Teil des Gases verdampft bei dem Druck P unter Abkühlen der Flüs-

d*

sigkeit (60) des Kryostaten (62) und/oder unter Kondensierender "Dämpfe (64) der Flüssigkeit (62) des Kryostaten (60),

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d) einen kondensierenden Wärmetauscher (66, 110), der von dem aus dem verdampfenden Wärmetauscher (56, 108) austretenden Gas durchströmt ist, wobei das Gas sich unter Kondensieren der Dämpfe (64) der Flüssigkeit (60) des Kryostaten (60) erwärmt,

e) einen Tiefdruckkreis (68, 122), durch den das aus dem kondensierenden Wärmetauscher (66, 110) austretende Gas hindurchströmt, wobei der Tiefdruckkreis (68, 122) in direktem Wärmekontakt mit dem Hochdruckkreis (52, 140) ist zur Bildung eines Hauptwärmetauschers (104), wobei das Gas in dem Tiefdruckkreis (68, 122) einen Druckverlust <ΔΡ_Ο erleidet und der Pumpen-Kompressor-Einheit (50) als Gas unter dem Druck P' = P AP₀ zugeführt ist, und

Ct ILt dt

f) in direkter Wärmekopplung mit dem Hochdruckkreis (52, 140) und dem Tiefdruckkreis (68, 122) einen Ausgangskreis (72, 126) des verdampften Teils der im Kryostat (62) enthaltenen Flüssigkeit (60) unter dem Druck P , wobei der verdampfte Teil in dem Ausgangskreis (72, 126) einen Druckverlust AP erleidet, um unter dem Druck P - ΔP_q) der insbesondere gleich dem Luftdruck ist, auszutreten,

wobei die Anordnung Wärmetauscher - Entspannungsvorrichtung (70, 54, 56, 66, 140, 106, 108, 110, 122, 126) einen ausreichend kleinen Raum einnimmt, um in den Hals (6) des Kryostaten (62) eingeführt werden zu können, der durch einen dichten Verschluß (74) verschlossen ist,

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durch den die drei Gaskreise unter den Drücken P + ^P , P -

X 1 dt

und P - ΔPo hindurchtreten.
3 ο
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Helium ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Hochdruckkreis (14) und den Tiefdruckkreis (16) gebildete Wärmetauscher (12) ein hohler Metallzylinder (30) ist, der mehrere Metallrohre (32) umgibt, die parallel durch das auf den Druck P entspannte Gas versorgt sind und die den Tiefdruckkreis (16) bilden, wobei der Hochdruckkreis (14) durch den zwischen den Metallrohren (32) und dem Metallzylinder (30) enthaltenen Raum gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er durch den Hochdruckkreis (52), den Tiefdruckkreis (68) und den Ausgangskreis (72) gebildete Wärmetauscher (70) ein hohler Metallzylinder (118, 160) ist, der mehrere Metallrohre (122, 126) umgibt, von denen eine gewisse Anzahl (122) parallel von dem auf den Druck P entspannten Gas versorgt ist und eine viel kleinere Anzahl (126) durch das von der Verdampfung der Flüssigkeit (60) des Kryostaten (62) stammende Gas unter dem Druck P_ versorgt ist, wobei der Hochdruckkreis (52) durch den zwischen den Metallrohren (122, 126) und dem Metallzylinder (118, 160) enthaltenen Raum gebildet ist.

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