DE2423681C2 - Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden - Google Patents
Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedendenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases.
Bei vielen physikalischen Experimenten ist eine große Kälteleistung bei sehr tiefem Temperaturniveau nur
über einen begrenzten Zeitraum erforderlich. Hierzu wird flüssiger Stickstoff oder flüssiger Wasserstoff von
Fall zu Fall in einem Gasverflüssiger entsprechend dem Bedarf erzeugt und an den Ort des Verbrauches geleitet.
Infolge des diskontinuierlichen Betriebes muß die Anlage erst kalt gefahren werden Dies ist mit Zeit- und
Kostenaufwand verbunden.
Ferner ist es nachteilig, daß für den Transport der Siedepunktsflüssigkeit ein hoher Aufwand erforderlich
ist, da sich eine Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit mit hohem Strömungswiderstand ausbildet.
Außerdem ist vielfach auch das Temperaturniveau noch zu hoch, beispielsweise bei der Untersuchung von
Supraleitern bei Temperaturen des flüssigen Wasserstoffs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases zu schaffen, welches es ermöglicht,
das Kältemedium während der Totzeiten zu speichern und ohne großen Transportaufwand an den Bedarfsort
zu bringen, wobei das Kältemedium ein denkbar niedriges Temperaturniveau aufweisen soll.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß aus dem Gas Matsch kontinuierlich erzeugt und bei
Bedarf aus einem Speicherbehälter an den Ort des Verbrauches gefördert wird, wo er seine Schmelzwärme
abgibt, wonach aus der hierdurch gebildeten Tripelpunktsflüssigkeit erneut Matsch erzeugt wird.
Matsch ist ein Gemisch aus Flüssigkeit und Eis, welches sich am Tripelpunkt mit der Gasphase im Gleichgewicht
befindet. Pumpt man diesen Matsch durch Rohrleitungen, so sind die auftretenden Druckverlustbeiwerte
im Bereich von Reynoldszahlen > 105 mit denen
der Flüssigkeit vergleichbar. Die Wärmeübertragungseigenschaften des Kälteträgers sind dann durch
die Gesetze der turbulenten Zwangskonvektion bestimmt; man kann also bei kleinen Temperaturdifferenzen
und Tauscherflächen große Wärmemengen übertragen.
Betrachtet man die Kälteerzeugung vom thermodynamischen
Standpunkt, so ergeben sich auf Grund des Carnot-Prozesses folgende Gesichtspunkte. Liegt das
erforderliche Kälteniveau nur unwesentlich unter der Umgebungstemperatur, so ist die pro kcal aufzuwendende
Arbeit minimal und eine Speicherung wegen des Raumbedarfs unrentabel. Bei sehr tiefen Temperaturen
allerdings wächst der spezifische Leistungsbedarf erheblich und damit auch der pro Volumeneinheit des
Matsches gespeicherte Arbeitsaufwand.
Die Lagerfähigkeit ist sehr entscheidend von der Isolationsgüte der Behälter abhängig. Bei Benutzung der
sogenannten Superisolation wird eine nahezu verlustlose Matschspeicherung erreicht.
S Das Volumen des isolierten Matschbehälters wird so dimensioniert, daß die im Feststoffanteil des Matsches
gespeicherte Schmelzwärme ausreicht, der Verbraucherstelle während der Betriebszeit die notwendige
Kälteleistung zuzuführen. Hierzu wird der Matsch
ίο mit einer Turbopumpe über superisolierte Transportleitungen
zum Bedarfsort transportiert. Nach Abgabe seiner Schmelzwärme gelangt er als Tripelpunktsflüssigkeit
in den Speicherbehälter zurück und wird dort wieder in Matsch verwandelt.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Matsch tiefsiedender Gase als Kälteroedium ermöglicht eine ausgezeichnete
Spitzenbedarfsdeckung bei geringen Energie- und Investitionskosten. Der Strombedarf ist konstant,
weil die Kälteerzeugung gleichmäßig ist. Es erfolgt also eine Leistungseinebnung. Vorteilhaft ist ferner
die Möglichkeit der Überlastung, indem zusätzlich die Flüssigkeitskälte bis zur Siedepunktstemperatur
ausgenutzt wird. Da der Matsch kontinuierlich erzeugt und gespeichert werden kann, entfällt das periodische
as Kaltfahren der Anlage. Es ergibt sich daher keine Temperaturwechselbelastung,
wie sie für Anlagen typisch ist, die nur bei Bedarf zur Erzeugung von flüssigen Kältemedien
im Siedezustand aus tiefsiedenden Gasen in Betrieb genommen werden.
Wenn der Schwerpunkt der Erfindung auch bei den Anwendungsfällen liegt, in denen über einen begrenzten
Zeitraum eine große Kälteleistung bei tiefem Temperaturniveau verlangt wird, so ist sie hierauf doch
nicht beschränkt. In bestimmten Fällen kann es auch von Vorteil sein, den Matsch nicht nur kontinuierlich zu
erzeugen, sondern ihn auch mit oder ohne Zwischenspeicherung kontinuierlich als Kältemedium einzusetzen.
Ein solcher Fall ist z. B. die Kühlung eines Supraleiters mit einer Sprungtemperatur zwischen der Tripelpunktstemperatur und der Siedetemperatur des als Kältemedium verwendeten tiefsiedenden Gases. Geeignet sind alle tiefsiedenden Gase, wie beispielsweise Sticksto.., Wasserstoff, Argon, Neon, Sauerstoff, Koh-
Ein solcher Fall ist z. B. die Kühlung eines Supraleiters mit einer Sprungtemperatur zwischen der Tripelpunktstemperatur und der Siedetemperatur des als Kältemedium verwendeten tiefsiedenden Gases. Geeignet sind alle tiefsiedenden Gase, wie beispielsweise Sticksto.., Wasserstoff, Argon, Neon, Sauerstoff, Koh-
4j lenoxid und Krypton, 'tis ist ferner möglich, Supraleiter
mit Sprungtemperaturen von bespielsweise 15° K statt mit flüssigem Helium mit Wasserstoffmatsch zu kühlen.
Hierbei ist Wasserstoffmatsch wegen seiner etwa dreifach besseren spezifischen Kältearbeit bei einer Tripelpunktstemperatur
von 13,8° K sogar dem flüssigen Helium überlegen. Ein weiterer» Anwendungsgebiet ist die
Kühlung der Magnete bei Magnetkissenzügen.
Im übrigen muß im Einzelfall untersucht werden, ob die kontinuierliche Matscherzeugung mit Zwischenspeicherung
mit relativ geringer installierter elektrischer Leistung wirtschaftlicher ist als die Erzeugung
von Siedepunktsflüssigkeit ohne Zwischenspeicherung bei Bedarf in einer Anlage mit relativ hoher installierter
elektrischer Leistung. Dies hängt außer von der Gasart von dem Auslastungsfaktor ab. Der Auslastungsfaktor
gibt an, an wieviel Stunden am Tag die Anlage in Betrieb ist.
Man könnte auch darn denken, eine Siedepunktsflüssigkeit zu speichern und bei Bedarf am Ort des Ver-
6j bi uches zu verdampfen. Abgesehen von dem schlechteren
Speicherverhalten bei höherem Temperaturniveau wäre hierzu, wie schon einleitend gesagt, ein höherer
Transportaufwand für die Zweiphasenströmung
G as-Flüssigkeit erforderlich, so daß eine solche Verfah-
-ensweise keine Vorteile brächte.
Ein Ausrührungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Ein isolierter Speicherbehälter 1 ist mit
Matsch 2 eines tiefsiedenden Gases, beispielsweise Wasserstoff, gefüllt.
Der Matsch 2 wird erzeugt durch Abpumpen des Gases mittels der Vakuumpumpe 3. Die Flüssigkeit kühlt
sich dadurch zunächst bis zum Tripelpunkt ab, wonach Eisbildung einsetzt Bei Bedarf wird der Matsch 2 mittels der Turbopumpe 4 zum Ort des Verbrauchs, einem
Kühlraum 5, gefördert Die Transportleitung ist superisoliert. Im Kühlraum 5 gibt der Matsch seine Schmelz
wärme ab; es bleibt eine Tripelpunkisflüssigkeit übrig,
die durch die Leitung 6 zurück in den Speicherbehälter I gleitet wird Die Leitung zwischen Speicherbehälter S
und Turbopumpe 4 sowie die Leitung 6 sind jeweils mit Abspei rventilen 7 versehen.
Das von der Vakuumpumpe 3 abgesaugte Gas wird durch Siedepunktsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter
8, die durch die mit dem Absperrventil 9 versehene Leitung 10 dem Speicherbehälter ί zugeführt wird, ersetzt.
Die Anlage kann auch so betrieben werden, daß die von der Vakuumpumpe 3 abgesaugte Gasmenge in
einem Gasverflüssiger verflüssigt und wieder in den Speicherbehälter 1 zurückgegeben wird.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gas Matsch kontinuierlich erzeugt und bei Bedarf aus einem Speicherbehälter an den Ort des Verbrauchs gefördert wird, wo er seine Schmelzwärme abgibt, wonach aus der hierdurch gebildeten Tripelpunktsflüssigkeit erneut Matsch erzeugt wird.
Priority Applications (4)
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