DE2423610A1 - Verfahren zum herstellen von matsch tiefsiedender gase - Google Patents

Verfahren zum herstellen von matsch tiefsiedender gase

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Description

24236Ϊ3
MESSER GRIESHEIM GMBH MG
Kennwort: Matscherzeugung
Erfinder: Dr. Schräwer, J. Koch, 'J. Bardenheier
Verfahren zum Herstellen von Matsch tiefsiedender Gase
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von feinkörnigem Matsch tiefsiedender Gase, wie z.B. Stickstoff oder Wasserstoff.
Matsch ist ein Gemisch aus Flüssigkeit und Eis, welches sich am Tripelpunkt mit der Gasphase im Gleichgewicht befindet.
Aufgrund seiner guten Transport-, Wärmeübertragungs- und Speichereigenschaften eignet sich Matsch tiefsiedender Gase besser als die entsprechende Siedepunktsflüssigkeit als Kältemedium, insbesondere in den Fällen, in denen eine große Kälteleistung bei tiefen Temperaturniveau über einen begrenzten Zeitraum verlangt- wird. Dies ist z.B. der Fall bei vielen physikalischen Experimenten. Aber auch zur kontinuierlichen Kühlung, beispielsweise von Supraleitern, läßt sich Matsch gut verwenden.
Matsch tiefsiedender Gase wird bisher nach dem Abpumpverfahren hergestellt. Hierbei befindet sich verflüssigtes tiefsiedendes Gas in einem isolierten Behälter. Mittels einer Vakuumpumpe wird aus dem Gasraum des isolierten Behälters ständig Gas abgepumpt, wodurch der Druck sinkt. Da die Flüssigkeit die Verdampfungswärme für das abgezogene Gas aufbringen muß, kühlt sie' sich ab. Sobald der Tripelpunktsdruck erreicht ist, setzt die Eisbildung ein.
509848/0170
Hierbei bildet sich zunächst an
der Oberfläche Eis · Durch periodisches Ändern der Saugleistung der Vakuumpumpe kann das Absinken des Eises eingeleitet und das Vermischen des Eises mit der
Flüssigkeit zu Matsch bewirkt werden. Zur Abkürzung des Verfahrens ist es auch bekannt, die Siedepunktsflüssigkeit in einer im Speicher angeordneten Düse auf den Tripelpunktsdruck zu entspannen und anschließend die Eisbildung durch Absaugen des anfallenden Gases mit einer Vakuumpumpe einzuleiten.
Das Ziel bei jeder Matschherstellung zu Kühlzwecken ist es, einen möglichst großen Eisanteil im Matsch zu erreichen, ohne daß dadurch die guten Transporteigenschaften des Matsches in Rohrleitungen beeinträchtigt werden. Es muß also angestrebt werden, die Eispartikel im Matsch möglichst klein zu halten. Bei der Matscherzeugung nach dem Abpumpverfahren wird dieses Ziel nicht befriedigend erreicht. Insbesondere bei Wasserstoff bildet sich an der Oberfläche Eis mit einer mehr kristallinen Struktur und es ist oft nötig, um Matsch mit feinkörnigem Eis zu erhalten, die kristallinen Gebilde durch Rühren zu zerstören.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von besonders feinkörnigem Matsch tiefsiedender Gase zu schaffen.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das verflüssigte oder unter hohem Druck stehende tiefkalte Gas in einer Düse abwechselnd auf einen Druck unterhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Eis-Gebiet und anschließend auf einen Druck oberhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Flüssigkeit-Gebiet entspannt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein weit feinkörnigerer Matsoh erhalten als sich mit dem Abpumpverfahren hersteilen läßt. Die obere Korngröße liegt bei 3 mm und geht herunter bis zu 1 mm Es lassen sich auch fadenartige Eisformen und gelartiger Matsch herstellen. Ein Rührwerkzeug ist in keinem Fall erforderlich. Auch die Matschzusammensetzung läßt sich leicht regulieren, indem man die Zeitdauer während der oberhalb bzw. unterhalb des Tripelpunktsdruckes entspannt wird, variiert.
Wegen der Irreversibilität des Drosselvorganges ist die pro Kilogramm flüssiges Gas erzeugte Matschmenge gleichen
. *., -?tischy
Eisanteils bei dem erfindungegemäßen VerfahrenVgeringer als bei dem Abpumpverfahren. Dieser Nachteil wird aber durch die überraschend große Feinkörnigkeit des erzeugten Eises bei weitem ausgeglichen.
Die periodische Änderung des Entspannungsdruckes erfolgt vorzugsweise etwa alle 5 bis 10 Sek.Die an sich schon hohe erreichbare Feinkörnigkeit des erzeugten Eises läßt sich weiter steigern, indem die Entspannung in der Düse unterhalb des Matschspiegels erfolgt. Es läßt sich dadurch Matsch mit bisher nicht für möglich gehaltenen Qualitäten erzeugen.
Beispielsweise wurde nach dem erfindungegemäßen Verfahren bei Entspannung unterhalb des Matschspiegels aus flüssigem Stickstoff Matsch mit einer gelartigen Struktur erzeugt, der durch Zufuhr mechanischer Energie in Schwingungen gerät. Das durch diesen Matsch gesandte Licht einerdQuecksilberhochdrucklampe wird in diesemMatsch stärker geschwächt als in Jedem nach anderen Verfahren erzeugten Stickstoffmatsch. Es handelt sich demnach um Matsch mit größter Eisdicke und höchster Matschquälitat. Entsprechende Ergebnisse ergeben sich bei der Herstellung von1 Wasserstoffmatsch.
509848/017 0
Gegenüber dem Abpumpverfahren hat das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren Vorteil, daß mit ihm kontinuierlich Matsch erzeugt werden kann, der gegebenenfalls sofort zur Verfügung steht. Dagegen kann mit dem Abpumpverfahren Matsch nur dikontinuierlich erzeugt werden, da es längere Zeit dauert, bis das in einem isolierten Gefäß befindliche flüssige Gas vollständig in Matsch umgewandelt'ist. Durch den Wärmeinfall in das Speichergefäß kann bei dem meist schnelleren Ablauf der Düsenentspannung gegenüber dem Abpumpverfahren auch eine höhere Matschausbeute erreicht werden.
Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens im T-S-Diagramm
Fig. 2 eine Darstellung des Abpumpverfahrens im T-Sr Diagramm
Fig. 3 bis 5
in schematischer Form einige Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoffmatsch.
In Fig. 1 ist das T (Temperatur) - S (Entropie)-Diagramm eines tiefsiedenden Gases dargestellt. K ist der kritische Druck, S der Siedepunkt bei z.B. P1 = 1 at, T der Tripelpunkt und Ρφ der Tripelpunktsdruck. In das Diagramm ist die sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ergehende Zustandsänderung eingetragen. Vom Siedepunkt S ausgehend erfolgt eine isenthalpische Entspannung zunächst auf einen Druck P etwas oberhalb des Tripelpunktsdruckes Pn,. Aus 1 kg Siedepunktsflüssigkeit wird dabei 4TXtA kg Tripelpunktsflüssigkeit und /&*β kg Gas erzeugt. Nach einer gewissen Zeit, beispielsweise I5 Sekunden, wird der Entspannungsdruck auf P , etwas unterhalb des Tripelpunktsdruckes, gesenkt. Hierbei werden /fr-+cf Eis und &y. r kg Gas erzeugt. Danach /fird wieder auf PQ
- 5 - 509848-'0
entspannt.
Der Eisanteil im entstehenden Matseh hängt also davon ab, wielange auf P0 und wielange auf Pv entspannt wird. Das erzeugte Gas verwirbelt den Matsch und trägt so zu dessen Homogenisierung bei. Von Zeit zu Zeit kann auch vorübergehend etwas kaltes Gas durch die Düse eingeblasen werden, um den Matsch noch besser zu verwirbeln.
in Figur 2 ist zum Vergleich das Abpumpverfahren im T-S-Diagramm dargestellt. Ausgehend vom Siedepunkt S erfolgt kontinuierlich eine Druckabsenkung bis zum Tripelpunktsdruck Pm9 die bei zu schnellem Abpumpen infolge Temperaturschichtung durch Druckstöße unterbrochen werden kann. Nach Erreichen des Tripelpunktes T beginnt die Eisbildung entsprechend der Linie a.
In Fig. 3 ist eine Anlage zur Erzeugung von Wasserstoffmatsch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Gasförmiger Wasserstoff wird im Verflüssiger 1 verflüssigt und über das Ventil 3 in den Flüssigkeitsbehälter 2 entspannt. Die entstehenden Dämpfe gelangen durch Leitung 4 zurück in den Verflüssiger. Die Flüssigkeit selbst wird durch die Düse 5 in den Matschspeicher 6 entspannt. Die entstehenden kalten Dämpfe gelangen nach Wärmeaustausch im Wärmeaustauscher 7 durch Leitung 8 zurück in den Verflüssiger
In Fig. 4 ist eine Variante des Verfahrens von Fig. 3 dargestellt: Die kalten Dämpfe aus dem Matschspeicher werden.im Kompressor 9 rückverdichtet und mit den Dämpfen in Leitung 4 vereinigt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Verfahren wird tiefkaltes Gas unter hohem Druck aus dem Verflüssiger 1 direkt in der Düse 5 entspannt.
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Die Drosselung setzt sich also durch das Naß dampfgebiet hindurch fort bis zur Tripellinie.
509848/017 0

Claims (1)

  1. Ansprüche
    Verfahren zum Herstellen von feinkörnigem Matsch tiefsiedender Gase, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte oder unter hohem Druck stehende tiefkalte Gas in einer Düse abwechselnd auf einen Druck unterhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Eis-Gebiet und anschließend auf einen Druck oberhalb des Druckes des Tripelpunktes in das Gas-Flüssigkeit-Gebiet isenthalp entspannt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Matsch mit einer Korngröße des in ihm enthaltenen Eises von 1 mm t>iS 3 mm hergestellt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Änderung des Entspannungsdruckes etwa alle .5 bis 10 Sekunden erfolgt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse, in der das verflüssigte Gas entspannt wird, sich unterhalb des Matschspiegels befindet.
    5. Verwendung von nach den Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 bis 4 hergestellten Matsch als Kältemedium für die Kryotechnik.
    16.4.1974 Ba/ne
    cnno/ o /ni'/n
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