DE2423610C2 - Verfahren zum Herstellen von Matsch tiefsiedender Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von feinkörnigem Matsch tiefsiedesder Gase, wie z. B. Stickstoff oder Wasserstoff, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Matsch ist ein Gemisch aus Flüssigkeit und Eis, welches sich am Tripelpunkt mit der Gasphase im Gleichgewicht beendet

Auf Grund seiner guten Transp' /t-, Wärmeübertragungs- und Speichereigenscbaften eignet sich Matsch tiefsiedender Gase besser ais <?'v entsprechende Siedepunktsflüssigkeit als Kältemedium, insbesondere in den Fällen, in denen eine große Kälteleistung bei tiefem 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.

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.

Aus der US-PS 33 95 546 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das unter sehr hohem Druck stehende tiefsiedende verflüssigte Gas zunächst gefroren und dann isentropisch entspannt wird, um den gewürschten Matsch zu erhalten.

Aus der US-PS 33 54 662 ist ein Verfahren bekannt, welches ausschließlich mit isenthalpischer Entspannung mittels einer Düse auf den Tripelpunktsdruck arbeitet Der entspannte Strom trifft auf eine Fläche, die durch ein sehr kaltes Medium tiefgekühlt wird. Auf der Fläche schlägt sich Eis nieder, welches in den Matschspeicher fällt Es muß allerdings in der Regel von der Fläche abgekratzt werden. Bei der Herstellung von Wasserstoffmatsch kommt als Kühlmedium für die Fläche nur Helium in Frage. Dieser zweite Kühlkreislauf verteuert und kompliziert das Verfahren. Sofern das Eis abgekratzt werden muß, läßt die Feinkörnigkeit zu wünschen übrig..

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Matsch tiefsiedender Gase durch isenthalpische Entspannung in den Bereich des Tripelpunktsdruckes zu schaffen, welches keinen zusätzlichen Kühlkreislauf benötigt und Matsch hoher Feinkörnigkeit liefert

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Matsch tiefsiedender Gase, bei dem das verflüssigte oder unter hohem Druck stehende Gas in einem Matschspeicher in den Bereich des Tripelpunktsdruckes isenthalp entspannt wird, wird dies gemäß der Erfindung erreicht, indem der Entspannungsdruck im Matschspeicher periodisch etwa alle 5 bis 10 Sekunden zwischen einem Druck unterhalb des Tripelpunktsdruckes und einen Druck oberhalb des Tripelpunktsdruckes gewechselt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein weit feinkörnigerer Matsch erhalten als sich mit dem Abpumpverfahren herstellen 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 wi/d, variiert.

so Wegen der Irreversibilität des Drosselvorgangs ist die pro Kilogramm flüssigen Gases erzeugte Matschmenge gleichen Eisenanteils bei dem erfindungsgemäßen Verfahren theoretisch geringer als bei dem Abpumpverfahren. Dieser Nachteil wird aber durch die überraschend große Feinkörnigkeit des erzeugten Eises bei weitem ausgeglichen.

Die periodische Änderung des Entspannungsdrucks erfolgt vorzugsweise etwa alle 5 bis t0 Sek. Die an sich schon hohe erreichbare Feinkörnigkeit des erzeugten Eises läßt sich weiter steigern, indem die Entspannung in der Düse unterhalb des Matschspicgels erfolgt. Es läßt sich dadurch Matsch mit bisher nicht für möglich gehaltenen Qualitäten erzeugen.

Beispielsweise wurde nach dem erfindungsgemäßen 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 einer Quecksilberhochdrucklampe wird in diesem Matsch stärker geschwächt als in jedem nach anderen Verfahren erzeugten Stickstoffmatsch, Es handelt sich demnach um Matsch mit größter Eisdicke und höchster Matschqualität Entsprechende Ergebnisse ergeben sich bei der Herstellung von Wasserstoffmatsch.

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 diskontinuierlich erzeugt werden, da es längere Zeit dauert, bis das in einem isolierten Gefäß befindliche flüssige Gas vollständig in Matsch umgewandelt ist. Durch den Wärmeeinfall in das Speichergefäß kann bei dem meist schnelleren Ablauf der Düsenentspannung gegenüber dem Abpumpverfahren auch eine höhere Matschausbeute erreicht werden.

Gegenüber dem bekannten Verfahren mit isenthalpischer Entspannung erübrigt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein separater Kühlkreislauf mit einem Fremdmedium. Ein Abkratzen des gebildeten Eises von einer Fläche ist in keinem Fall erforderlich, die Feinkörnigkeit somit in jedem Fall gesichert

An Hand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens im T-S-Diagramm,

Fig.2 eine Darstellung des Abpumpverfahrens im T-S-Diagramm,

Fig.3 bis 5 in schematischer Form einige Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoffmatsch.

In Fig. 1 ist das T(Temperatur) -5 (Emropie)-Diagramm eines tiefsiedenden Gases dargestellt. K ist der kritische Druck, S der Siedepunkt bei z. B. P, = 1 bar, T der Tripelpunkt und Pt der Tripelpunktsdruck. In das Diagramm ist die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sich ergebende Zustandsänderung eingetragen. Vorn Siedepunkt S ausgehend erfolgt eine isenthalpische Entspannung zunächst auf einen Druck Po etwas oberhalb des Tripeipunktsdruckes Pt. Aus 1 kg Siedepunktsflttssigkeit wird dabei ßf (<*+$ kg Tripelpunktsflössigkeit und aJ (ot+ß) kg Gas erzeugt Nach einer gevissen Zeit, beispielsweise 15 Sekunden, wird der Entspannungsdruck auf Pu, etwas unterhalb des Tripeipunktsdruckes, gesenkt Hierbei werden δι (y+<5) Eis und yl (γ+ό) kg Gas erzeugt Danach wird wieder auf Pb entspannt

Der Eisenanteil im entstehenden Matsch hängt also davon ab, wie lange auf Po und wie lange auf Pu 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 F i g. 2 ist zum Vergleich das Abpumpverfahren im T-S-Diagramm dargestellt Ausgehend vom Siedepunkt S erfolgt kontinuierlich eine Druckabsenkung bis zum Tripelpunktsdruck Pt, 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 Verflü'iäiger 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 1.

!n F i g. 4 ist eine Variante des Verfahrens von F i g. 3 dargestellt: Die kalten Dämpfe aus dem Matschspeicher werden im Kompressor 9 rückverdichtet und mit den Dämpfen in Leiiung 4 vereinigt

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Verfahren wird tiefkaltes Gas unter hohem Druck aus dem VerHüssiger 1 direkt in der Düse 5 entspannt.

Die Drosselung setzt sich also durch das Naßdampfgebiet hindurch fort bis zur Tripellinie.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Herstellen von Matsch tiefsiedender Gase, bei dem das verflüssigte oder unter hohem Druck stehende Gas in einem Matschspeicher (6) in den Bereich des Tripelpunktsdruckes isenthalp entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsdruck im Matschspeicher periodisch etwa alle 5 bis 10 Sekunden zwischen einem Druck unterhalb des Tripelpunktsdruckes und einem Druck oberhalb des Tripelpunktsdruckes gewechselt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Verflüssiger (i) zur Erzeugung von verflüssigtem oder unter hohem Druck stehendem tiefkalten Gas, einem Matschspeicher (6) und einer Düse (5) zur Entspannung des im Verflüssiger erzeugten Gases, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) unterhalb des Matschspiegeis angeordnet ist