DE2730155A1

DE2730155A1 - Verfahren zur kaelteerzeugung im bereich von kryogentemperaturen

Info

Publication number: DE2730155A1
Application number: DE19772730155
Authority: DE
Inventors: Anatolyj Borisovitsch Davydov
Original assignee: ANTIPENKOV BORIS ANDREEVITSCH; CHERNYSCHEV BORIS ALEKSANDROVITSCH; KORSAKOV-BOGATKOV SERGEI MICHAILOVITSCH; KRAKOVSKY BORIS DAVYDOVITSCH; NIKITKIN VASILY DMITRIEVITSCH; ONOSOVSKYJ EVGENYJ VALENTINOVITSCH; STOLPER LEONID MICHAILOVITSCH
Current assignee: ANTIPENKOV BORIS ANDREEVITSCH; CHERNYSCHEV BORIS ALEKSANDROVITSCH; KORSAKOV-BOGATKOV SERGEI MICHAILOVITSCH; KRAKOVSKY BORIS DAVYDOVITSCH; NIKITKIN VASILY DMITRIEVITSCH; ONOSOVSKYJ EVGENYJ VALENTINOVITSCH; STOLPER LEONID MICHAILOVITSCH
Priority date: 1977-06-17
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2730155B2; GB1539132A; CH625037A5; US4189930A; FR2401392B1; FR2401392A1; DE2730155C3

Description

-S-

VERFAHREN /iUR KÄLTEERZEUGUNG IM BEREICH VON KR/OGEifT EMPERATUREN

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kryogentechnik, und insbesondere auf ein Verfahren zur Kälteerzeugung im Bereioh von Kryogentemperaturen.

Sie vorliegende Erfindung kann besonders effektiv bei der Kälteerzeugung im Bereich von Siedetemperaturen des jeweiligen Mediums, das in einer Eryogeneinrichtung zirkuliert, insbesondere nenn als Medium leichte Gase zum Beispiel Helium und Wasserstoff verwendet werden, eingesetzt werden.

Die Erfindung kann ebenfalls in Anlagen zur Verflüssigung und in Vorrichtungen zur Beförderung von Erdgas, in Anlagen zur Lufttrennung und in anderen Vorrichtungen zur Anwendung kommen, in denen man Tieftemperaturen erzeugt beziehungsweise nutzt, zum Beispiel, auf solchen Gebieten wie Technik des physikalischen Experiments, Energiewirtschaft, Kerntechnik, Elektrotechnik, Biologie und anderes mehr.

Gegenwärtig ist der Bedarf an Kälteerzeugung im Be-

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reich von Kryogentemperaturen beträchtlich gestiegen, und wesentlich höher wurden Anforderungen an die technisch-ökonomischen Kenndaten der Anlagen dafür: Leistung, verbrauchte Energie, Betriebsicherheit undjsojweiter. Der gestiegene Bedarf ist hauptsächlich auf eine schnelle Entwicklung von Grund- und an-

Supra? gewandten Forschungen, die mit der Nutzung von «ieitfähigkeit bei der Entwicklung elektrotechnischer Vorrichtungen, hochleistungsfähiger Magneten, elektrischer Fernleitungen, elektronischer Einrichtungen zusammenhängen, sowie auf eine breite Verwendung von flüssigem Wasserstoff zurückzuführen.

Die supraleitenden Vorrichtungen werden bei Temperaturen von 1,5 bis 15°K betrieben, und der Leistungsbedarf für Kühlung großer Objeite beläuft sich in Kryogenanlagen auf Hunderte und Tausende Kilowatt.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Energieaufwand bei der Kälteerzeugung zu senken und die Anlagen in Bezug auf ihre Betriebssicherheit, Verringerung ihrer Masse, ihrer Abmessungen und anderes mehr zu vervollkommnen. In vielen Fällen kommt es auch darauf an, das Temperaturniveau der erzeugten Kälte bei einer höhen Wirtschaftlichkeit des Prozesses zu senken.

Der Energieverbrauch im Prozeß der Kälteerzeugung wird gewöhnlich durch das Verhältnis zwischen der hauptsächlich für den Antrieb eines Verdichters verbrauchten Leistung und der Kälteleistung gekennzeichnet. Beide diese Größen werden üblich in Watt gemessen. Dieses Verhältnis wird als spezifischer Energieaufwand bezeichnet und durch eine dimensionelose

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Zahl ( W/yJ ) gemessen.

Ss ist einem auf dem (iebiet der Kryogentechnik arbeitenden Fachmann bekannt, daß der Begriff "Kälteleistung" die Kältemenge bestimmt, die von einer Anlage pro Zeiteinheit bei vorgegebenem l'emperaturniveau erzeugt wird.

Das bekannte Verfahren zur Kälteerzeugung schließt folgende Grundoperationen ein, die wir am Beispiel einer HeIium-Kryogenanlage betrachten, die Kälte beim Siedepunkt des flüssigen Heliums, das heißt 4,2-4,3 K, erzeugt.

Gasförmiges Helium wird in einem Verdichter bis auf 20-30 Bar komprimiert.

lias komprimierte Helium bildet ein Direkt st rom, der in Richtung zum Kälteverbraucher strömt. Der Direktstrom wird durch den Hücklaufstrom von Helium, das einen niedrigen Druok aufweist und in Richtung vom Kälteverbraucher fließt, bis auf eine Temperatur von IUO K gekühlt und dann in zwei Ströme geteilt, einer von denen den Hauptstrom und der andere den Hilfsstrom darstellt. Der Hilfsstrom wird in Expansionsmaschinen mit Abführung von Wärme entspannt und zur Kompensation von irreversiblen Verlusten sowie zur stufenmäßigen Kühlung des Hauptstromes verwendet. Die Anzahl der Kühlungsstufen wird durch die Anzahl der eingesetzten Expansionsmaschinen beim Entspannen des Hilfsstromes bestimmt.Anstelle von Expansionsmaschinen wird manchmal ein Bad mit flüssigem Kältemittel, zum Beispiel, mit Stickstoff oder einem anderen Stoff verwendet, der den für den Kühlungsprozeß erforderlichen Siedepunkt aufweist.

Der Hauptstrom fließt durch sämtliche Kühlungsstufen durch und tritt dann in eine Verflüssigungsstufe ein, wo er

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zusätzlich gekühlt und unter Verflüssigung entspannt wird.

Das verflüssigte Helium gelangt an einen Kälteverbraucher, wo Helium durch die Wärme des zu kühlenden Objektes verdampft. Dämpfe bilden einen Rücklaufstrom und laufen zur Verflüssigungsstufe bei einer Temperatur von 4,5-4,5 K zurück, indem sie in der der Bewegung des Haupt- und Hilfsstromes entgegengesetzten Richtung fließen, sich in Wärmeaustauschern aller Stufen wärmen, bei ihrer Bewegung mit dem in den Expansionsmaschinen entspannten Hilfsstrom zusammenfließen und bei einer l'emperatur von etwa 300 K und Atmosphärendruck in einen Verdichter zum Komprimieren eintreten. Dadurch wird der Zyklus abgeschlossen und sämtliche Prozesse wiederholen sioh.

Das Entspannen des Haupt stromes mit seiner Verflüssigung in der Verflüssigungsetufe erfolgt in einer Ausführungsvariante des beschriebenen Verfahrens durch Drosselung und in einer anderen Variante mittels Entspannens unter Energieentnahme. Das Drosselungsverfahren wird seit langem verwendet und das Entspannen mit isinergieentnähme, das im Bereich des Naßdampfes des zu entspannenden Mediums endet, wird im Buch von R.B. Scott "Cryogenic Engineering", D Van. Nostrand Co.Inc. Princeton, 1959 beschrieben.

In dem erwähnten Buch werden am Beispiel der Betrachtung eines Helium-Kryogen-Zyklus die Vorteile des genannten Prozesses des Entspannens gegenüber dem Prozess der Drosselung geze igt·

In dem behandelten Verfahren zur Erzeugung von Kälte

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wird die zum Komprimieren von Gas aufgewendete Energie für die Erzeugung von Kälte sowie zur Kompensation verschiedener Verluste verwendet, wodurch die Energie ohne Nutzeffekt zerstreut und zur Erhöhung der Helium-Entropie verbraucht wird. Diese Verluste werden als Irreversibilitätsverluste des Prozesses bezeichnet, die durch die Wärmeübertragung bei den sich von Null unterscheidenden Temperaturgradienten, durch Reibung bei Bewegung von Helium und durch andere Ursachen bedingt sind.

Nutzbarmachung von In Kryogenanlagen ist die ^v nur weniger als 20%

der verbrauchten Energie thermodynamisch gerechtfertigt, die übrige Energie wird zur Kompensation von irreversiblen Verlusten verwendet, von denen die wesentlichensten die Verluste aufgrund

ν der Temperaturdifferenz, insbesondere im bereich von supertiefen Temperaturen sind. Die Berechnungen zeigen, daß in der letzten Kühlungsstufe- in der Verflüssigungsstufe - die Verluste ungefähr dem Nutzeffekt, das heißt der Kälteleistung, gleioh sind, und ihre Verringerung ermöglicht es, die energetischen Kennwerte des Verfahrens zur Erzeugung von Kälte oder die Kenndaten einer in dem Verfahren betriebenen Anlage zu verbessern· Die irreversiblen Energieverluste zum Beispiel des Wärmeaustauschprozesses kommen darin zum Vorschein, daß dem Direktstrom lediglich ein Teil von Kälte, die im Rücklaufstrom enthalten ist, übertragen wird, der andere Teil durch einen unvollständigen Wärmeaustausch verlorengeht, was die Erhöhung der

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Helium-Entropie verursacht. Hierdurch entsteht aus dem iiirektsürom weniger flüssiges Medium, das ^dem Kalteverbraueher zugeführt wird, und rolglich ist die Kälteleistung der Anlage ungenügend hoch.

Andererseits muß man tür die Erzeugung der gleichen Menge flüssigen Mediums beim Vorhandensein von irreversiblen Energieverlusten mehr Energie verbrauchen, es ist zum Beispiel notwendig eine größere Menge von Gas in dem Verdichter zu komprimieren.

Die irreversiblen Verluste des Wärmeaustauschhrozesses sind um so höher, je größer das Verhältnis zwischen der Temperaturdifferenz und der absoluten Temperatur ist.

Wesentliche irreversible Verluste des Wärmeaustauschprozesses bleiben in der Verflüssigungsstufe und auch in dem Fall aufrechterhalten, wenn das Entspannen des Hauptstromes mit seiner Verflüssigung unter Energieentnahme erfolgt.

Dieser in dem erwähnten Buch von R.B.Scott genannte Nachteil besteht darin, daß sogar in einem theoretisch idealen Fall eine wesentliche Temperaturdifferenz zwischen dem Direkt- - und Rücklaufstrom in der Verflüssigungsstufe vorhanden ist, hauptsächlich bei besonders niedrigen Temperaturen der Ströme, die als Folge zur beträchtlichen Erhöhung der Entropie führt. Die entstehende Temperaturdifferenz hängt nicht von der Effektivität des Wärmeaustauschers ab und wird sogar in einem theoretisch idealen Fall Zustandekommen, das heißt in dem Fall, wenn die Temper at urd iff erenz zwischen den Strömen am anderen

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Ende des Wärmeaustauschers gleich Null ist·

Bei Verwendung von Helium als Medium beträgt die Temperaturdifferenz zwischen dem Direkt- in diesem Fall Hauptstrom- - und den Rücklaufströmen in dem Wärmeaustauscher in der Verflüssigungsstufe bei einem Druck des Hauptstromes von 25 Bar und dem Druck des Rücklaufstromes von 1,3 Bar etwa I₁5 K am ünde des Wärmeaustauschers bei einer Temperatur des Rücklaufstromes von 4,5 K. In der Mitte des Wärmeaustauschers steigt diese Temperaturdifferenz bis auf 2,5 K an und verringert sich schrittweise in Richtung zum anderen Ende des Wärmeaustauschers bis auf eine Größe unter O,5K, die als maximal zulässige unter Bedingung der Erreichung hoher energetischer Kennwerte des Verfahrens zur Erzeugung von Kälte betrachtet werden soll.

Der genannte ^auuoeil kommt unmittelbar darin zum Vorschein, datf die Kälte des Rücklaufstromes im Bereich der Siedetemperatur /4,5K für Helium/ bis zur Temperatur des komprimierten Stromes vor seinem Entspannen mit Verflüssigung /etwa 6K für Helium/ rationell nicht verwendet wird. Dieser Umstand verursacht die Senkung der Kälteleistung oder die Vergrößerung des Energieverbrauchs.

Hierdurch führt die Realisierung des bekannten Verfahrens zur Erzeugung von Kälte bei vorgegebener Kälteleistung zur Vergrößerung der Menge des Komprimierten Gases und folglich zur Erhöhung des Energieverbrauchs.

In den letzten Jahren fand ein Verfahren zur Erzeugung

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von Kälte im Kryogentemperaturen-Bereich von 1,8-4 K eine breite Verwendung. Wie die in verschiedenen Ländern durchgeführten Forschungen gezeigt haben, führt die lenkung ^des Niveaus der erzeugten Kälte sogar auf O,5K auf einer Reihe von Gebieten wie zum Beispiel in der Rundfunktechnik, Kernphysik zu qualitativ neuen Ergebnissen.

Die Einfünrung von Kryogenanlagen zur Kälteerzeugung in einem Temperaturbereich unter dem Siedepunkt von Helium beim Atmosphärendruck wird infolge einer schnellen steigerung der Kältekosten bei Senkung des Temperaturniveaus verzögert.

Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur Kälteerzeugung bei einer Temperatur unter 4,OK, insbesondere im Bereich von 1,8 K /siehe Katheder H., Lehmann W., cipath F, "Long-term experiences with the liquefying stage and a 4,4K-cooling-cycle of a 300W-refrigerator^:l. Proceedings of the Fifth International Cryogenic iHngineering Conference, p. 546.Kyoto. 1974.IPC Business Press Ltd. London 1974/, bei dem Helium in einem Verdichter bis auf einen Druck von etwa 20 Bar bei der Umgebungstemperatur komprimiert wird. Der dabei entstehende Direktstrom des komprimierten Heliums wird einem Kälteverbraucher zugefünrt, indem es stufenweise durch den Rücklaufstrom dieses gasförmigen Mediums gekühlt wird, das vom Kälteverbrauoher in entgegengesetzter Richtung strömt. Die Kühlung des Direktstromes erfolgt in den hintereinander angeordneten Kühlungsstufen analog dem vorner behandelten Verfahren.

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Der prinzipielle Unterschied dieses Verfahrens von dem früher beschriebenen besteht darin, daß man in der Verflüssigungsstufe das Entspannen des Stromes des komprimierten Gases mit seiner gleichzeitigen Verflüssigung bis zu einem Druck, der unter dem Atmosphärendruck liegt, durchführt. Der Druck des Entspannens entspricht dem erforderlichen Temperaturniveau für die Erzeugung von Kälte. So ist zum Beispiel bei der Kälteerzeugung im Bereich von 1,8-2,0 K dieser Druck 12-20 mm QS säule gleich. Den gleichen Druck weisen auch die Heliumdämpfe auf, die den Rücklaufstrom bilden, der zum jeweiligen Kälteverbraucher strömt.

Der Kücklaufstrom erwärmt sich beim Passieren durch die Kühlungsstufen in der entgegengesetzten Richtung in einer Reihe von hintereinander angeordneten Wärmeaustauschern bis auf eine Temperatur, die der Temperatur der Umgebung nahe ist, und fließt in eine Vakuumpumpe ein, in der er bis zum Atmosphärendruck komprimiert und einem Verdichter zugeführt wird. Der Druck vor der Vakuumpumpe ist niedriger als 12-20 mm QS infolge des Widerstandes beim Passieren des Rücklaufstromes durch die Wärmeaustauscher.

In den fällen, wenn einem Verbraucher von Kälte flüssiges Helium unter einem Druck über 1 Bar und bei einer Temperatur unter 4,0 K zugeführt werden soll, entsteht die Notwendigkeit, einen Zwischenverbraucher von Kälte einzuführen, Als solcher tritt der Hauptstrom selbst auf, der in der

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Verflüssigungsstufe bis auf den Druck des Kälteverbrauchers entspannt wird und dessen Temperatur zu senken ist. Diese Temperatursenkung wird durch den Wärmeaustausch zwischen dem Hauptstrom und dem Teil dieses Stromes, der entspannt ist und unter Vakuum kocht, erreicht.

Im Zusammenhang damit, daß der größte Teil des zirkulierenden Stromes einem zusätzlichen Komprimieren in einer Vakuumpumpe ausgesetzt wird, steigt der Energieaufwand für die Kälteerzeugung in diesem Verfahren stark an.

Obwohl das beschriebene Verfahren die Erzeugung von Kälte in einem Bereich unter 4,Ü K, insbesondere bei 1,8 K, sichert, macht es einen erhöhten Energieverbrauch erforderlich und weist eine Reihe anderer Nachteile auf.

Einer dieser Nachteile ist die Notwendigkeit von komplizierten und kostspieligen Ausrüstungen, und zwar von Vakuumpumpen. Die Wärmeaustauscher sind bei Entwicklung von Anlagen nach dem genannten Verfahren sehr sperrig und im Zusammenhang damit kompliziert, weil Heliumdämpfe vom Kälteverbraucher unter einem Druck, der beträchtlich niedriger als Atmosphärendruck ist, strömen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht In der Beseitigung der genannten Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges

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Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereioh von Kryogentemperaturen zu entwickeln, dessen Durchführung geringeren Energieaufwand bei vorgegebener Kälteleistung erfordert.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man im Verfahren zur Urzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen, das das Komprimieren des gasförmigen Mediums vorsieht, das als Direktstrom, der einem Kälteverbraucher zugeleitet wird, stufenweise kühlt und und unter Verflüssigung entspannt, wonach man das entstandene flüssige Medium mindestens einem Kälteterbraucher zuführt, wo es verdampft wird, der Dampf bildet den Rücklaufstrom, der vom Kälteverbraucher fließt, erfindungsgemäß, der Bücklaufstrom, der mindestens von einem Kalt e ν er braucher strömt, bis auf eine Temperatur adiabatisch komprimiert wird, die der i'emperatur des JJirektstromes vor seinem .entspannen unter Verflüssigung nahliegt.

Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens beim Entspannen unter Energieentnahme des Direktstromes mit seiner Verflüssigung und bei adiabatischem Komprimieren der Dämpfe des Mediums bis auf die Temperatur des Direktstromes vor seinem Entspannen unter idealen Bedingungen, das heißt

verlustfrei, erfolgt im wesentlichen nach dem Üarnot-Prozeß.

Wie einem auf diesem Gebiet wirkenden -Fachmann bekannt, stellt, der Carnot-Prozeß einen theoretisch reversiblen Kreisprozeß dar, der für seine Durchführung einen minimalen

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Energieaufwand erfordert. Deswegen ist in dem vorgeschlagenen Verfahren unter realen Bedingungen der Prozeß dem reversilblen Kreisprozeß maximal nähergebracht und wird durch minimale Irreversibilitatsverluste gekennzeichnet.

Durch das Entspannen des Direktstromes bis auf unterschiedlichen Druck kann man Kälte in verschiedenen Temperaturbereichen erzeugen. Das Komprimieren des Rücklaufstromes kann in einem Verdichter erfolgen, der bei Temperatur des flüssigen Heliums betrieben wird, und der weiterhin als Kaltverdiohter bezeichnet wird.

Meistens soll einem der Kälteverbraucher Medium bei einer Temperatur zugeführt werden, deren Größe niedriger als Siedepunkt dieses Mediums ist und dem vorgegebenen Druck im Kälteverbraucher entspricht. In diesem i'all erreicht man die Senkung der Temperatur am Eingang zum Kälteverbraucher nach dem vorgeschlagenen Verfahren durch einen Wärmeaustausch zwischen dem verflüssigten Hauptstrom und dem von ihm getrennten Strom, der unteileinem gesenkten -^ruck kocht, der der erforderlicneu Temperatur der Kühlung des Hauptstromes entspricht, und die dabei entstandenen Mediumsdämpfe werden adiabatisch komprimiert und bilden den Rücklaufstrom.

In allen Fällen der Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein wesentlicher Gewinn beim Energieaufwand erreicht. Das ist darauf zurückzuführen, daß die beschriebenen Prozesse bei minimalen irreversiblen Verlusten verlaufen, und

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im Zusammenhang damit, daß die für das Komprimieren des Vakuumstromes bei einer niedrigen Temperatur verbrauchte Energie um das mehrfache geringer als die Energie ist, die zum Komprimieren des Mediums in einer Vakuumpumpe bei Temperatur der Umgebung erforderlich ist.

Da der Druck von Heliumdämpfen, die von einem Kälteverbraucher in die Wärmeaustauscher gelangen, im vorgeschlagenen Verfahren immer höher gegenüber den bekannten Verfahren 1st, verringern sich stark die Abmessungen der Wärmeaustauscher und Ihre Konstruktion wird vereinfacht.

Zweckmäßigerweise wird der Rücklaufstrom in der Verflüssigungsstufe vor seinem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Direktstrom erwärmt.

Hierdurch gelingt es, das lemperaturniveau der erzeugten Kälte zu senken und in manchen Fällen die Konstruktion von Expansionsmaschinen zur Entspannen von Helium zu vereinfachen sowie die Betriebsverhältnisse des Kaltverdichters zu verbessern.

Beim Vorhandensein von mindestens zwei hintereinander angeordneten Kälteverbrauchern, jeder von denen autonome Ströme des gasförmigen Mediums aufweist, wird es empfohlen, den Rücklaufstrom des vorangehenden Kälteverbrauchers vor seinem adiabatischen Komprimieren dem Wärmeaustausch mit dem Rücklaufstrom des nachfolgenden Kälteverbrauchers nach seinem adiabatischen Komprimieren zu unterwerfen.

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iiormiKen Met

Als Ergebnis bringt der autonome Strom des gasförmigen Mediums, das zwischen dem vorangehenden und nachfolgenden Kälteverbraucher zirkuliert, die Kälte auf ein niedrigeres Temperaturniveau

ohne Senkoing des Druckes des Rücklaufstromes aus dem vorangehenden Kälteverbrauijher, und mit minimalem Energieaufwand.

Das wird^durch das Komprimieren des Rücklauf stromes aus dem nachfolgenden Kälteverbraucher in dem Kaltverdichter, durch seine Kühlung in dem vorangehenden Kälteverbraucher, wonach er in den Direktsirom verwandelt wird, der an den nachfolgenden Kälteverbraucher gelangt, unter Verflüssigung entspannt, in dem nachfolgenden Kälteverbraucher verdampft und der entstandene Rücklaufstrom im

Kaltverdichter komprimiert wird.

Somit werden die Abmessungen wesentlich verringert und die Konstruktion der Wärmeaustauscher vereinfacht, da in den Stufen der Kühlung Vakuumströme fehlen. Unter Vakuum befindet sich lediglich ein Käiteverbraucher, der mittels zusätzlichen Stromes gekühlt wird. Dieser Vorteil wird bei Erzeugung von Kälte in einem Temperaturbereich von 1,8-3,5 K besonders spürbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ^ha^ bestimmte Vorteile auch in dem *'all, wenn in dem nachfolgenden Kälteverbraucher auf einem niedrigeren Temperaturniveau die Verunreinigung des Mediums erfolgen kann. Ln diesem Fall verringern sich die Abmessungen der Vorrichtungen zur Reinigung von Helium in einer Kryogenanlage durch Verminderung der Menge des in diesen Vorrichtungen umlaufenden Gases.

Zweckmäßigerweise wird der Rücklaufstrom des naclif olgenden Kälteverbrauchers vor seinem adiabatischen Komprimieren mit dem Direktstrom dieses Mediums erwärmt.

Hierdurch gelingt es, das Temperaturniveau der erzeugten

Kälte bei einem unwesentlichen Grad des Komprimierens des Rücklaufstromes des vorangehenden Kalteverbrauchers beträchtlich herabzusetzen sowie die ^etriebsverhältnisse des Kaltverdichters und der Expansionsmaschine zu verbessern.

Vorzugsweise wird als einer der autonomen Ströme des gasförmigen Mediums ein Isotop von Helium-Helium 5 - verwendet.

Dabei gelingt es, das Temperaturηiveau der erzeugten Kälte herabzusetzen. Im Zusammenhang damit, daß das kostpielige Isotop Helium-3 lediglich im Tieftemperaturbereich der Anlage verwendet wird,erreicht man eine bedeutende Einsparung.

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Die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Urzeugung

von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen erlaubt, den Energie-

die

aufwand für*Kälteerzeugung zu senken, was besonders für die Anlagen von Bedeutung ist, die Kälte auf einem Temperaburniveau unter 4 K erzeugen.

üs wird außerdem im Vergleich zu den bekannten Verfahren wesentlich die Konstruktion der HeIim-ftryogen-Anlage vereinfacht: Verbessert werden die Betriebsverhältnisse der Vorrichtung zum Komprimieren von Helium, verringert - die Aufwendungen für die Produktion von kostspieligen Tieftemperaturapparaturen.

Zugleich wird die strikte Abhängigkeit zwischen dem Druck des Mediums am Eintritt in den Verdichter und dem Temperaturniveau der erzeugten Kälte vermieden. Es werden Möglichkeiten zur Verringerung der Abmessungen des Verdichters und Verbesserung seiner Betriebsverhältnisse geschaffen.

Insbesondere veringert sich die Möglichkeit der Verunreinigung des Mediums mit Luft durch bewegliche Verdichtungen des Kompressors.

Die genannten Eigenschaften und andere Vorteile der Erfindung werden bei der Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung konkreter -Beispiele ihrer Ausführung und der beigefügten Zeichnungen anschaulicher,. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäüe Kryo^enanlage zur Durchführung des Verfahrens, wenn man den ge samt en verflüssigte η Direktstrom einem Kälteverbraucher zuleitet, und der gesamte entstehende Rücklauf strom adiabatisch bis auf eine Temperatur

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komprimiert wird, uie der Temperatur des uirektstromes vor seinem Entspannen in der Verf lussigungsstufe naheliegt, wonach er unmittelbar dem Verdichter zugeführt wird;

Fig. 2 Anlage für den Fall,wenn der im Kaltverdichter komprimierte Rücklaufstrom aus dem Direktstrom gebildet und vor seinem Eintritt in den Verdichter in einer Vakuumpumpe vorläufig bis zum Atmosphärendruck komprimiert wird;

Fig. J dieselbe Anlage, wenn zwei

Kälteverbraucher vorgesehen sind, wobei man im ersten Kälteverbraucher den Direkt strom durch Verdampfen dessen eines Teils unter gesenktem Druck kühlt und die dabei entstehenden Dämpfe adiabatisch bis auf eine Temperatur komprimiert, die der Temperatur des Direktstromes vor seinem Entspannen in der Verflüssigungstufe naheliegt;

Fig. 4 Anlage fur den Fall, wenn der Rücklauf strom vor seinem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Direktstrom erwärmt wird;

Fig. 5 dieselbe Anlage,

wenn zwei hintereinander angeordnete Kälteverbraucher vorhanden sind, in jedem von denen ein autonomer Strom des gasförmigen Mediums zirkuliert und der Rücklaufstrom des vorangehenden Kälteverbrauchers vor seinem adiabatischen Komprimieren mit komprimiertem Rücklaufstrom des nachfolgenden Kälteverbrauchers erwärmt wird;

Fig. 6 dieselbe Anlage,

wenn der Rücklaufstrom des nachfolgenden Kältever-

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brauchera vor seinem adiabatischen Komprimieren mit dem Direktstrom dieses Mediums erwärmt wird;

Fig. 7 Diagramm: Temperatur T - Entropie S, auf dem die Hauptprozesse abgebildet sind, die in der Verflüssigungsstufe erfolgen, gemäß der Variante der Erfindung, die auf Fig. 1 und

2 abgebildet ist.

Das erfind ungsgemäiie Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird wie folgt durchgeführt.

Gasförmiges Medium, vorüiegend Helium, wird in einem

Verdichter 1 /Fig.l/ bei der Umgebungstemperatur komprimiert und als Direktstrom "a" nach dem Pfeil A gerichtet. Der Strom "a" gelangt in die erste Kühlungsstufe 2, die Wärmeaustauscher

3 und 4- und eine Expansionsmaschine 3 enthält. Im Wärmeaustauscher 3 wird der Direktstrom "a" mit dem Rücklaufstrom "b"

gemiiß
dieses Mediums, der *" dem Pfeil "B" strömt, gekühlt, danach

einen
wird der Strom "a" indirekten Hauptstrom "c", der nach Pfeil

einen
"C" strömt, und^direkten Hilfe strom "d", der mit dem Pfeil "D" bezeichnet wird, geteilt. Der Strom "d" wird in der Expansionsmaschine 5 unter Energieentnähme bis auf einen Druck entspannt, der ungefähr um das l,5-2fache geringer als Anfangsdruck ist. Infolge des Entspannens sinkt die absolute Temperatur

-Differenz des Stromes "d" ca. um 1D-20K. Um die gleiche Temperatur^wird in dem vVärmeaust aus eher 4 der Hauptstrom "o" gekühlt. Zur Vereinfachung wird im weiteren das Wort "direkt" vor der Bezeichnung dee Haupt- und Hilfsstromes weggelassen.

* 'Direktstrom" bedeutet durchweg "Vorlaufntrom"

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Dadurch wird das komprimierte Gasmedium in der ersten Küh-

eine
lungsstufe 2 bis auf^v be stimmte Temperatur gekühlt. Dabei werden durch das Entspannen unter Energie entnahme des Hilfsstromes "d" die EnergieVerluste kompensiert, die durch die Irreversibilität tier Prozesse, zum Beispiel durch die Verluste hervorgerufen werden,die beim ^erlaufen des Wärmeaustauschprozesses in den Wärmeaustauschern 3 und 4 mit einer Temperaturdifferenz zwischen den Strömen entsteht, die einige Grade ausmacht /in dieser Stufe üblich etwa 5 K/.

Die Kühlung des komprimierten Stromes "c" und der Ausgleich

werden der Verluste im Wärmeaustauscher 4^ dadurch erreicht_f dab die Masse des stromes "b" großer als die Masse des stromes "c" ist.

Im weiteren wird der Strom "c" und der Strom "d" der nächsten, der zweiten Kühlungsstufe 6 zugeführt, die analoge Vorrichtungen aufweist: Wärmeaustauscher 7 und 8 und eine Expansionsmaschine 9· Der Strom "ο" wird den Wärmeaustauschern 7 und ö zugeleitet, wo er mit dem Rücklaufstrom "b" gekühlt wird. In dem Wärmeaustauscher 7 icuxixt, man auch den Strom "d", wonach er in der Expansionsmaschine 9 auf einen Zwischendruck

die entspannt wird, der seine Kühlung auf^Temperatur des Stromes

"c" am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 8 sichert.

In der dritten Kühlungsstufe 10, die Wärmeaustauscher 11 und 12 und eine Expansionsmaschine 13 aufweist, wird der Hauptstrom ¹¹C'¹ in den Wärmeaustauschern 11 und 12 und der Strom

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^Md^M im Wärmeaustauscher 11 gekühlt, wonach er in der Expansionsmaschine 13 auf einen Druck entspannt wird, der dem Druck am Eintritt in den Verdichter 1 naheliegt, wodurch die Temperatur des Stromes ^Md" gesenkt wird. Dann wird der Strom "d" mit dem Rücklaufstrom "e" vereinigt, der aus einer Stufe 14 der Verflüssigung nach dem Pfeil '¹E" fließt, und der Strom "b" gemäß Pfeil ¹¹B" gebildet.

Aus der dritten Kühlungastufe lü gelangt der Hauptstrom "c" zur Stufe 14 der Verflüssigung, die aus einem Wärmeaustauscher 1$, einer Expansionsmaschine 16 und einem Kaltverdichter 17 besteht.

In der Verflüssigungstufe 14 tritt der Hauptstrom "c" nach seiner Kühlung in dem Wärmeaustauscher 15 mit dem Rücklaufstrom "e" in die Expansionsmaschine 16 ein, wo er unter Verflüssigung entspannt wird, und das verflüssigte Medium leitet mau einem Kälteverbraucher 18 zu, in dem das verflüssigte Medium verdampft wird.

Die im Kälteverbraucher 18 entstandenen Dämpfe werden adiabatisch in dem Kaltverdichter 17 komprimiert, wobei sich ihre Temperatur bis auf eine Größe erhöht, die der Temperatur des Hauptstromes "c" vor seinem Entspannen in der Expansionsmaschine 16 der Verflüssigungsstufe 14 naheliegt. Der Rücklaufstrom "θ" fließt nach dem Verdichter 17 durch den Wärmeaustauscher 15 durch und bildet weitere nach dem Vereinigen mit dem entspannten Strom "d" den Strom "b^H, der die Wärmeaustauscner 12, 11, 8, 7, 4 und

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3 passiert und zum Verdichter 1 gelangt. Der Zyklus wird abgesoixi^csen, und sämtliche Prozesse wiederholen sich.

Jas Obengesagte wird durch folgendes Beispiel erläutert:

Beispiel 1

Helium komprimiert man in dem Verdichter 1 vom Atmosphärenein en

druck bis auf -^ruck von 25 Bar, wodurch ein lärektstrom "a" entsteht. In der ersten Kühlungsstufe 2 wird das komprimierte Helium im Wärmeaustauscher 2 bis auf eine Temperatur von 300K bis 160K gekühlt und in den Haupt strom "c" und Hilfsstrom "d" geteilt.

Den Strom "c", der 70% des Stromes "a" beträgt, kühlt man in dem Wärmeaustauscher 4 durch den Rücklauf strom "b" bis auf 150K, und den Strom "d" entspannt man in der Expansionsmaschine 5 bis auf einen Druck von 18 Bar. Die Temperatur des Stromes "d" beläuft sich nach seinem Entspannen in der Expansionsmaschine auch auf I50 K.

In der zweiten Kühlungsstufe 6 wird der Hauptstrom "c" in den Wärmeaustauschern 7 und 8 bis auf eine Temperatur von 50 K gekühlt. Den otrom "d" entspannt man nach seiner Kühlung in dem Wärmeaustauscher 7 in der Expansionsmaschine 9 bis auf einen Druck von 9,2 Bar, und seine Temperatur sinktdabei bis auf 50 K.

In der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom "c" in den Wärmeaustauschern 11 und 12 bis auf eine Temperatur von 14,b K gekühlt. Der Hilfsstrom "d" tritt nach seiner Kühlung in

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dem Wärmeaustauscher 11 in die Expansionsmaschine IJ ein, wo er bis auf den Druck des Rücklaufstromes "e" entspannt wird. Weiter wird der Strom ^Md" mit dem Strom "e" vereinigt und es wird dadurch der Rücklaufstrom "b" gebildet. Nach der Expansionsmaschine 15 ist die Temperatur des Stromes "d" gleich 14,5 K. Nach der dritten Kühlungsstufe lü wird der Hauptstrom "c·¹ der Verflüssigungsstufe 14 zugeleitet, die aus dem Wärmeausta .scher 15, der Expansionsmaschine 16 und dem Kaltverdichter 1? besteht *

In der Verflüssigungsstufe 14 kühlt man den Hauptstrom "c" des verflüssigten Heliums im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 5»9 K, wonach er in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen Druck von 0,42 Bar unter Bildung von flüssigem Helium entspannt. Der venlüssigte Strom "c" gelangt in den Kalteverbraucher 18, wo er verdampft wird, und vom zu kühlenden uujekt die Wärme abgeführt wird. Der Druck im Kälteverbraucher beträgt 0,42 Bar, was der Temperatur von 3,4 K entspricht. Die Heliumdämpfe treten bei dieser Temperatur als Rücklaufstrom "e" in den Kaltverdichter 17 ein, wo sie komprimiert werden. Nach dem Komprimieren weist der Strom "β" die Temperatur 5»75 K und den Druck 1,3 Bar auf, der das Durchfließen des Rücklaufsstromes "e" und weiter des Stromes "b" durch die Wärmeaustauscher 15, 12, 11, 8, 7,4 und 3 sichert. In diesem Fall wird der Strom ^Me" nach Erwärmung im Wärmeaustauscher 15 mit dem entspannten Strom "d" vereinigt, da diese beiden Ströme

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den gleichen Druck und die gleiche Temperatur aufweisen, sie bilden den Strom "b", der in den Wärmeaustauschern 12, 11,
ö, 7,4 und 3 bis auf 295 K gewärmt und dem Verdichter 1 zugeführt wird. Lter Zyklus wird abgeschlossen und sämtliche Prozesse wiederholen sich.

Da die für das Komprimieren von Helium im Kältverdichter 17 verbrauchte Energie bei einer Durchschnittstemperatur von 4,5 K sehr gering ist, verursacht sie praktiscn keine Steigerung des Energieverbrauchs, und wir können faktisch ohne Vergrößerung des Energieaufwandes das Niveau der erzeugten Kälte von 4,5 K bis auf 3,4 K reduzieren.

Kin solcher Effekt entsteht hauptsächlich dadurch, daß
der Prozeß in der Verxlüssigungsstufe unter den Bedingungen
verläuft, die maximal dem Carnot-Prozeß naheliegen, daß heißt der Prozeß verläuft mit minimalen Irreversibilitätsverlusten.

Darin kommt gerade einer der Vorteile der vorgeschlagenen Erfindung zum Vorschein.

In dem Kaltverdichter 17 bei einer Temperatur des Mediums nach dem Komprimieren von etwa 5»9 K und einem Druck von 1,3 Bar kann der Absorptionsdruck in Abhängigste it von der Anzahl der jiomprimierungsstufeii und der Wirkleistung des Kaltverdichters 17 unterschiedlich sein. Zugleich wird in Abhängigkeit vom Absorptionsdruck die Verdampfung des verflüssigten Mediums in
u-Liv.*.rschiedlichen Temperaturniveaus erfolgen. Wenn zum Beispiel dieser Druck gleich 0,42 Bar ist, beläuft sich das Temperaturniveau der Kälteerzeugung auf 3,4 K. Bei einem Druck von 0,25 Bar

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sinkt die Temperatur bis auf 3 K und soweit er.

Falls das Temperaturniveau der Kälteerzeugung 4,5 K beträgt, so ist in diesem i*all der Druck des Stromes ^Me" nach dem Kaltverdichter 17 gleich 2,2 BaT, und Druck des Stromes "b" am Eintritt in den Verdichter 1 gleich 1,9 Bar anstelle Bar, wie es in den bekannten Verfahren vorkommt. Hierdurch verringert sich der Energieverbrauch wesentlich. Außerdem werden infolge des erhöhten Druckes des Rücklaufstromes beträchtlich die Abmessungen und Masse der Wärmeaustauscher bei der Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens reduziert.

Betrachten wir eine andere Variante der Erfindung, bei der der aus dem Hauptstrom entstandene Rücklaufstrom vor seinem Eintritt in den Verdichter dem Komprimieren in einer Vakuumpumpe bei der Umgebungstemperatur unterworfen wird. Das erfin-· dungsgemäße Verfanren zur Urzeugung von Kälte in Kryogenanlagen wird, wie folgt durchgeführt.

Gasförmiges Medium, zum Beispiel Helium, wird im /erdichter 1 /Ji'ig. 2/ vom Atmosphärendruck bis auf 25 Bar komprimiert und als Direktstrom "a" nach dem Pfeil "A" geleitet. Dieser Strom wird wie oben beschrieben in den Hauptstrom "c", der nach dem Pfeil ¹¹C" strömt, und hilfsstrom ^Hd", der nach dem Pfeil "D" strömt, geteilt. Der Strom "a" kühlt m_an im Wärmeaustausch mit den Rücklaufströmen "b" und "e", die mit den Pfeilen "B" bzw. "E" bezeichnet sind.

Der Hilfsstrom "d" wird in den Expansionsmaschinen 5,9

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und 13 in den Kühlungsstufen 2,6 und lü entspannt. Die Kühlung der Ströme "c" und "d" erfolgt in diesen Stufen analog dem vorher beschriebenen Beispiel.

Der bis auf einen Druck von etwa 1,25 Bar entspannte Strom "d" bildet in dem betracnteten i'all einen selbständigen Rücklaufstroxa "b" zur Expansionsmaschine Ij5i und der in der Expansionsmaschine 16 der Verflüs'sigungsstufe 14 entspannte Hauptsstrom ¹¹C¹¹ bildet hinter dem Kälteverbraucher 18 den Strom e, der adiabatisch im kaltverdichter 17 komprimiert wird. Der Strom "e" weist einen niedrigeren Druck als der Strom "b" auf, deswegen wird er nach dem Durchfließen der Wärmeaustauscher 15, 12, 11, 8, 7» 4 und 3 zusätzlich in einer Vakuumpumpe 19 bis zum Atmosphärendruck komprimiert, hinterher wird er mit dem Strom "b" vereinigt und die beiden dem Verdichter 1 zugeleitet. Der Zyklus wird abgeschlossen.

besagte wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.

Beispiel 2

Gasförmiges Helium wird im Verdichter 1 /ü'ig. 2/ bis auf einen Druck von 25 Bar komprimiert und der Direktstrom "a" gebildet, der in den Hauptstrom "c" und nilfsstrom "d" geteilt wird.

Das Entspannen des Stromes "d" und die Kühlung der Ströme "c" und "d" erfolgt auf die gleiche Weise, wie im vorigen Beispiel beschrieben wurde. Der Hauptstrom "c" des komprimierten Heliums, der in den üühlungsstufen 2, 6 und 10 bis auf eine l'emperatur vnn etwa I5 K gekühlt worden ist, wird zusätzlich

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im Wärmeaustaucher 15 der Verflüssigungsstufe 14 bis auf eine Temperatur von 5,9 K gekühlt, wonach, dieser Strom in der Expaneionsanlage 16 bis auf ö,l B_ar unter Gewinnung von flüssigem Helium komprimiert wird. Flüssiges Helium wird mit einem Druck von 0,1 Bar und einer diesem Jruck entsprechenden Temperatur von 2,5 K im Kälteverbraucher 18 verdampft. Die Heliumdämpfe, die aus dem Kälteverbraucher 18 austreten, bilden den Rücklaufstrom ^Me", der adiabatisch im Kaltverdichter 17 bis auf einen Druck von 0,55 Bar komprimiert wird. Die Temperatur des Helium- -Ütromes ⁿe" steigt infolge des Komprimierens von 2,5 K auf 5,75 K an, das heißt sie nähert sich der '!temperatur des kompriv mierten Heliu.m-Stromes "c" vor seinem Jäntspannen in der Expansionsmaschine 16.

Der HeIium-Kücklaufstrom "e" wird nach dem Komprimieren im Kaltverdichter 17 durch die Wärmeaustauscher 15, 12, 11, 8, 7, 4 und 3 durchgelassen, wo er bis aui' eine der Umgebungstemperatur nahe Temperatur vnn 29ü K erwärmt wird. Danach wird der Strom "e" in der Vakuumpumpe 19 von einem DrucK von 0,4 Bar bis zum Atmosphärendruck komprimiert, mit dem ütrom "b" vereinigt und zum Komprimieren dem Verdichter 1 zugeführt. Der Zyklus wird abgeschlossen.

Die wirtschaftliche Zweckmäßigkeit einer derartigen Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur erzeugung von Kälte kennzeichnet sich einerseits dadurch, daß der Prozeß in der Verflüssigungsstufe, genauso wie im vorher beschriebenen Beispiel,

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unter den dem Garnot-Prozeß nahen Bedingungen verläuft, das heißt mit minimalen irreversiblen Verlusten, und andererseits, wie aus diesem Fall zu ersehen, der Energieverbrauch zur Kälteerzeugung in Höhe von 2,5 K gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich verringert ist. Beim Weglassen des Komprimierens von Heliumdämpfen auf dem niedrigeren Temperaturniveau müßte der Grad des Komprimiereiis in der Vakuumpumpe 19 fast um das 5fache erhöht werden, was eine bedeutende Vergrößerung des iwiergieverbrauchs und eine wesentliche Vergrößerung der Abmessungen der Pumpe 19 verursachen würde. Außerdem werden die Wärmeaustauscher in dem behandelten Beispiel unter einem Druck von etwa U,5 Bar gegenüber dem Druck von 0,07 Bar betrieben, der für die Durchführung des bekannten Verfahrens erforderlich ist. hierdurch können die Abmessungen der Wärmeaustauscher um das Mehrfache verringert und ihre Konstruktion bedeutend vereinfacht werden.

Das vorgeschlagene Verfahren zur Erzeugung von Kälte in Kryogenanlagen bei einer anderen Ausrührung sieht die Zuführung des verflüssigten Mediums zu mehreren Kälteverbrauchern vor, wobei zu einigen von ihnen das Medium mit einer Temperatur zugeführt werden kann, die unter dem Siedepunkt des Mediums liegt und die dem vorgegebenen Druck im Kälteverbraucher entspricht.

in diesem i'all wird das Medium vor seiner Zuführung einem Kälteverbraucher zusätzlich in noch einem Kalt ever braucher durch den Wärmeaustausch des verflüssigten Hauptstromes mit dem von

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ihm getrennten Strom gekühlt, der bei niedrigerem Druck kocht, der der erforderlichen (Temperatur der Kühlung des Hauptstromes entspricht.

Die genannte Temperaturminderung des siedenden getrennten Stromes wird durch das adiabatische Komprimieren von Dämpfen erreicht, die in noch einem Kälteverbraucher mit ihrer nachfolgenden Rückführung zum Rücklaufstrom entstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Urzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird wie aus Fig. 3 zu ersehen d urchgeführt.

Gasförmiges Medium, zum Beispiel Helium, wird in dem Verdichter 1 /jf'ig. 3/ komprimiert und als .uirektstrom "a" gemäß dem Pfeil ¹¹A¹¹ geleitet. Dieser Strom wird in der ersten Kühlungsstufe 2 im Wärmeaustauscher 3 mit dem Kücklaufstrom "b" gekühlt, der nach dem Pfeil "B" fließt, und in den Haupt strom "c", der nacn dem Pfeil "C" fließt, und in Hilfestrom ^Md^H, der nach dem Pfeil "D" fließt geteilt.

Der iiilfsstrom "d" wird in den Expansionsmaschinen 5, 9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und lü entspannt. Die Kühlung der Ströme "c" und "d" erfolgt in diesen stufen genauso wie oben beschrieben.

Aus der dritten Kühlungsstufe 10 läuft der Hauptstrom "c" in die Verflüssigungsstufe 14 ein, die aus dem Wärmeaustauscher 15, der Expansionsmaschine 16, einem Ventil 19a und dem Kaltverdichter 17 besteht.

In der Verflüssigungsstufe 14 wird der Hauptstrom "c"

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nach Kühlung im Wärmeaustauscher 1$ in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen Druck entspannt, der dem Druck im Kälteverbraucher 18 naheliegt.

Dabei ist die 'Temperatur des stromes "c" durch den Druck

des Rücklaufstromes "e" begrenzt und ist höher als die aus

sie 1 Legt Bedingungen der Kühlung erforderliche, das heißt^unter dem Siedepunkt des Mediums beim Atmosphärendruck.

Die 'J-'emperatur des verflüssigten Mediumstromes wird vor dem xvälteverbraucher 18 in noch einem Kalt ever braucher 20 wie folgt herabgesetzt.

Nach der Expansionsmaschine 16 wird von dem Hauptstrom "c" der nach dem Pfeil "P" fließende Strom "f" getrennt, in dem Ventil 19a entspannt und noch einem Kälteverbraucher 20 zugeleitet, wo er unter einem Druck, der niedriger als der Druck des Rücklauf stromes ^Me'· ist, kocht.

itfach der Trennung des Stromes "f^M entsteht der Strom "g", der nach dem .Weil "C" zu noch einem Kälteverbraucher 20 fließt In diesem Kälteverbraucher 20 wird der Strom "g" infolge des Wärmeaustausches der Ströme "g" und "f" bis zur erforderlichen Temperatur gekühlt und dann dem Kälteverbraucher 18 zugeleitet, und der ütrom "f" verdampft indem er den Strom "e" bildet.

Die Senkung der J-'emperat ur des Stromes "f" wird dadurch erreicht, daß die Dämpfe des stromes "f", die niediigeren Druck aufweisen, adiabatisch im Kaltverdichter 17 komprimiert werden.

Dadurch weist der strom "g" am Eintritt in den Kältever-

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brauoher 18 erforderliche i>ruck und Temperatur auf, wodurch die vorgegebenen Bedingungen der Kühlung des jeweiligen Objektes, zum Beispiel einer supraleitenden Vorrichtung, erzielt werden.

Im Kälteveebraucher 18 verdampft der Strom "g" und in Abhängigkeit von der Art des Kälteverbrauchers 18 kann er entweder mit einer Temperatur austreten, die der Temperatur des Stromes "e" am Austritt aus noch einem Kälteverbraucher 20 naheliegt, dann wird er an den Kücklaufstrom "e" durch ein Ventil 21 angeschlossen, oder mit einer der Temperatur des

hinter
Stromes "e" ν dem Kaltverdichter 1? gleichen Temperatur, in diesem ü'all wird er an den Rücklaufstrom "e" durch ein Ventil

22 angeschlossen _t austreten. «Venn die Temperatur des stromes "g" nach dem Kälteverbraucher 18 höher als die Temperatur des Stromes "el" nach der Expansionsmaschine 13 ist, wird er mit dem Rücklauf strom "b^lf unter Zuhilfenahme eines Ventils 23 oder 24 in Übereinstimmung mit seiner Temperatur verbunden.

in einigen Fallen wird der ücrom ^Hg" oder ein Teil davon bis zur Umgebungstemperatur in nachtolgenueii n.^xt ever brauchern

23 erwärmt, als solche können zum Beispiel Stromanschlüsse in supraleitenden Vorrichtungen dienen. Auf Fig. 3 ist gezeigt, daß nach einem weiteren Kalteverbraucher 20 der Strom ^rtg" in einen nach dem Pfeil "J" fließenden Strom "i" und nach dem Pfeil ¹¹H" fließenden Strom "h" geteilt wird. Der Strom "i¹¹ wird mit dem Rücklaufstrom "b" nach dem Kälteverbraucher 12 verbunden, und der Strom "h¹¹ wird in dem nachfolgenden Kälteverbraueher

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bis auf eine der Umgebungstemperatur nahen Temperatur erwärmt, und dem Rücklaufstrom "b" vor seiner Zuführung dem Verdichter 1 vereinigt. Der Rücklaufstrom "b" tritt in den Verdichter 1 ein, und der Zyklus wird abgeschlossen.

Das Gesagte wird am folgenden Beispiel näher erläutert:

Beispiel 3

Helium wird in dem Verdichter 1 /Ji¹ ig. 3/ bis auf einen Druck von 30 Bar komprimiert, indem man den Direktstrom "a" bildet. In der ersten Künlungs stufe 2 wird der Strom "a" im Wärmeaustauseher 3 mit dem Rücklaufstrom "b" bis auf eine Temperatur von 100 K gekürilt und in den Haupt strom "c" und Hilfsstrom "d" geteilt.

Der Strom ¹¹C¹¹, der etwa 15% vom Strom "a" ausmacht, wird im Wärmeaustauscher 4 mit dem Rücklauf strom "b" bis auf eine Temperatur von 95 K gekühlt, und der Strom "d" in der Expansionsmaschine 5 bis auf einen Druck von 2ü Bar entspannt. Die Temperatur des Stromes "d" nach seinem Entspannen in der Expansionsmaschine 5 ist ebenfalls 95 K nah.

In der zweiten Kühlungsstufe b wird der Helium-Hauptstrom-"c" in den «/arme aus tauschern ? und ö bis auf eine Temperatur von 30 K gekühlt. Der Strom "d" wird nach der Kühlung in dem Wärmeaustauscher 7 in der Expansionsmaschine 9 bis auf einen Druck von 12 Bar entspannt, und seine Temperatur sinkt dabei fast bis auf 30 K.

In der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom "c" in den Wärmeaustauschern 11 und 12 bis auf eine Temperatur von

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5i9 K gekühlt, und der Hilfsstrom "d" tritt nach der iuiniung in dem Wärmeaustauscher il in die Expansionsmaschine 13 ein, wo er bis auf den Druck des Rücklaufstromes "β" entspannt und mit demselben verbunden wird, wodurch der Rücklauf strom ¹Jb" entsteht. Nach der .Expansionsmaschine I3 ist die Temperatur des Stromes "d" gleich 5,75 K.

Aus der dritten Kühlungsstufe IO tritt der Hauptstrom ¹¹C" in die Verflüssig ungs stufe 14 ein.

Da in dem betrachteten Beispiel die Temperatur am Austritt aus der Stufe IO der Anfangstemperatur gleich ist, mit der der Strom ¹¹C" in der Verflüssigungsstufe 14 in der 3xpansionsmaschine 16 entspannt wird, funktioniert der Wärmeaustauscher 15 in dem behandelten Beispiel nicht. Der Hauptstrom "0" wird in der Verflüssigungsstufe 14 in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen Druck von 2,5 ^ar unter Bildung von flüsigem Helium bei einer Temperatur von 4,6 K. entspannt. JSin Teil dieses Stromes wird als Strom "g" noch einem weiteren Kälteverbraucher 20 zugeleitet, wo er bis auf eine Temperatur von 4,6 bis 3»5 K infolge der Verdampfung des Stromes "f" gekühlt wird, dessen Druck im Ventil 19a bis auf einen Druck von 0,42 Bar reduziert wird, was dem Siedepunkt 3,4 K entspricht. Die Heliumdämpfe treten bei dieser Temperatur als Kücklaufstrom "e" in den Kaltverdichter 17 ein, wo sie bis auf einen Druck von 1,3 Bar komprimiert werden, der den Durchlauf des Stromes "θ" durch die Wärmeaustauscher 15, 12, 11, 8, 7, 4 und

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3 gewährleistet.

In dem behandelten Beispiel wird der Helium-Strom "g" bei einem Druck von 2,5 Bar und einer Temperatur von 3,5 K dem Kälteverbraucher 1Ö zugeführt, wo beim Wärmeaustausch mit dem Objekt der Kühlung der Druck des Stromes "g" bis auf 1,25 Bar nerabgesetzt und seine Temperatur bis auf 20 K erhöht wird, ^ach dem Kälteverbraucher 18 wird der Strom "g" in den Strom "i", der 85% des Stromes "g" ausmacht, geteilt und mit dem Hücielaufstrom "b" durch das Ventil 23 vereinigt, und in den Strom ¹¹Ji" geteilt, der in dem nächsten Kälteverbraucher 25 bis auf 300 K erwärmt und mit dem Strom "b" durch das Ventil 24 verbunden wird.

Hierdurch wird beim Vorhandensein des Kaltverdichters 17 uie Zuführung des verflüssigten Mediums bei einem Druck von 2,5 Bar und einer Temperatur von 3,5 K ohne Einsatz einer Vakuumpumpe vor dem Verdichter 1 und mit minimalem Energieaufwand dem Kälteverbraucher 18 gesichert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird wie auf Fig. 4 gezeigt, durchgeführt.

Gasförmiges Medium, zum Beispiel Helium wird in dem Verdichter 1 bei der Umgebungstemperatur komprimiert und als Direktstrom "a" nach dem Pfeil ¹¹A" geleitet. Die Kühlung des komprimierten Mediums in den Kühl ungs stuf en 2,6 und 10 und die Trennung des Stromes "a" in den Hauptstrom "c" und Hilfsstrom ^Md" erfolgt identisch den früher behandelten Beispielen.

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Der in den Kühl ungs stuf en 2,6 und 10 und in dein Wärmeaustauscher 15 der Verflüssigungs stufe 14 gekühlte ^trom "c" wird unter Bildung von Flüssigkeit in der Expansionsmaschine 16 entspannt, wonach er dem Wärmeaustauscher 26 zugeleitet und dort zusätzlich gekühlt wird.

Der gekühlte Strom "c" wird in einem Ventil 27 entspannt und als Flüssigkeit dem Kälteverbraucher 18 zugeführt, wo er verdampft und den Rücklaufstrom "e" bildet.

Dieser Strom "e" wird in dem Wärmeaustauscher 26 durch Kühlung des entspannten Haupt stromes "c" erwärmt, wonach er adiabatisch im Kaltverdichter 17 komprimiert und dann hintereinander in den Wärmeaustauschern 15, 12, 11, 8, 7» 4- und 3 erwärmt und dem Verdichter 1 zum Komprimieren zugeführt wird. Der Zyklus wird abgeschlossen.

Das Gesagte wird am konkreten Beispiel näher erläutert.

Beispiel 4

Gasförmiges Helium wird im Verdichter 1 bis auf einen Druck von 25 Bar komprimiert und bildet den Direktstrom "a", der in der ersten Kühlungsstufe 2 nach dem Wärmeaustauscher 3 in den Hauptstrom ⁿo" und Hilfsstrom "d" geteilt.

Der Hilfsstrom "d" wird in den Expansionsmaschinen 5,9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und lü entspannt. Die Kühlung der Ströme "c" und "d" erfolgt genauso wie in Beispielen 1,2 und 3·

In den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 wird der Hauptstrom

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.36-

"c" des komprimierten Heliums bis auf eine Temperatur von etwa 15 K gekühlt. In der Verflüssigungsstufe 14 wird der Strom "c" im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 7 K gekühlt und dann in der üixpansionsmas chine 16 bis auf einen Druck von 2,5 Bar entspannt, infolge des Entspannens wird seine Temperatur bis auf 5 K gesenkt. Im Wärmeaustauscher 26 wird der Strom "c" mit dem Rücklauf strom "e" bis auf 3,6 K gekühlt. Da,-nach wird er im Ventil 2? bis auf 0,42 Bar entspannt, und seine lemperatur sinkt infolgedessen bis auf 3»^ K.

Verflüssigtes helium gelangt in den Kälteverbraucher 18, wo es verdampft und den Rücklauf strom "e" bildet. Der Helium-Strom ^Me" wird im ,Värme austauscher 26 mit dem entspannten Haupt strom "c" bis auf eine Temperatur von 4,7 K erwärmt und dann dem Kaltverdichter 17 zugeführt, wo er adiabatisch bis auf einen Druck von 1,2 Bar komprimiert wird. Die Temperatur des Stromes "e" nach dem Komprimieren in dem Verdichter I7 erhöht sich bis auf 6,05 K.

Weiterhin wird er dem Wärmeaustauscher 15 zugeleitet, mit dem entspannten Strom "d" verbunuen, wodurch der Strom "b" entsteht. Danach wird der Strom "b" in den Wärmeaustauschern 12, 11, 8, 7, 4 und 3 bis auf 295 K erwärmt und der Saugseite des /erdichters 1 zugeführt. Der Zyklus wird abgeschlossen.

Das Verfahren zur Urzeugung von Kälte in Kryogenanlagen gemäß der nächsten Variante der Erfindung, in der zwei hintereinander angeordneten Kälteverbraucher verwendet werden, in jedem von denen autonome Ströme des gasförmigen Mediums zum

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iSinaatz kommen, wird wie auf ü'ig. ν ge ze igt durchgerührt.

Dabei wird der Ötrom des vorangehenden Kalteverbrauchers vor seinem adiabatischen Komprimieren dem Wärme aust aus cn mit dem Rücklaufstrom des nachfolgenden Käiteverbrauchers nach seinem adiabatischen Komprimieren unterworfen. Ais autonomer Strom wird üelium-4 und als anderer autonomer Strom HeIium- -Isotop, u.zw. HeI ium-3 verwendet.

Gasförmiges Medium /siehe Ji'ig. 5/ wirü im Verdichter 1 komprimiert, indem man den Direktstrom "a" bildet.

In der ersten Kühlungsstufe 2 wird der Strom "a" mit dem Rücklaufstrom "b" im Wärmeaustauscher 3 gekühlt, wonach er in den Hauptstrom "c" und in den Hilfsstrom ^fld" geteilt wird.

Der Hilfsstrom "d" wird in den ώκρansionsmaschinen 5,9 und

13 der Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Kühlung der Ströme "c" und "d" in diesen Stufen erfolgt genauso wie in den Beispielen 1,2 und 3.

Danach wird der Hauptstrom "c" der Verflüssigungsstufe

14 zugeleitet, wo er im Wärmeaustauscher 15 gekühlt und unter Verflüssigung in der JSxpansionsmaschine 16 entspannt wird.

Dann tritt der Strom "c" des verflüssigten Mediums in den vorangehenden Kalteverbraucher 18 ein, wo er verdampft und den nach dem Pfeil "B" gerichteten Rücklaufstrom "e" bildet, der im Wärmeaustauscher 31 erwärmt wird und hinterher im Kaltverdichter 17 komprimiert wird. Nach dem Kaltverdichter 17 und dem Wärmeaustauscher 15 wird der Strom "β" mit dem entspannten

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Strom "d" vereinigt und der rücklaufstrom "b" gebildet, der durch die Wärmeaustauscher 12, 11, 8, 7, 4 und 3 strömt, wo er bis auf eine der umgebungstemperatur nahe Temperatur erwärmt und dem Verdichter 1 zum Komprimieren zugeleitet wird, wo er wieder in den Strom "a" umgebildet wird.

Wenn aus Betriebsbedingungen der Druck des Stromes "b" am Austritt aus der Kühlungsstufe 2 niedriger als der Atmosphären druck ist, wird er vorher in der Vakuumpumpe 19 bis auf den ■Atmosphärendruck komprimiert.

Die Verdampfung des Stromes "c" des verflüssigten Mediums im vorangehenden Kälteverbraucher 18 und Erwärmung des Stromes "e" im Wärmeaustauscher 31 erfolgt durch die Kühlung und Verflüssigung des autonomen Stromes ¹¹I", zum Beispiel des Ilelium- -isotopes, u.zw. Helium-3, dessen Bewegung durch den Jrfeil "L" angedeutet wird. Der Strom ¹¹I'¹ bewegt sich nur in dem durch die Begrenzungslinie der Stufe 32 eingeschränkten Bereich, die außer dem Kälteverbraucher 18 noch den Wärmeaustauscher 31, den Kaltverdichter 28, den Wärmeauegleichbehälter 27 enthält. Nach dem vorangehenden Kälteverbraucher 18 wird der autonome Strom "1" in der Vorrichtung 27 oder 29 entspannt,

e i ne
die'beliebige für dieses Ziel passende Konstruktion aufweist, und dem nächsten Kälteverbraucher 30 zugeführt, der ein niedrigeres i'emperaturniveau hat.

Der Rücklaufstrom "1", der infolge der Verdampfung des flüssigen Mediums in dem nachfolgenden Kälteverbraucher 30 entsteht, wird in den Kaltverdichter 28 abgeleitet, wo er adaiabatisch komprimiert und wieder dem Wärmeaustauscher 31 und dem

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vorangehenden Kälteverbraucher 18 zugeführt wird.

Die angeführte Variante der Ausführung der .Erfindung wird durch das auf Pig. 5 veranschaulichte Beispiel näher erläutert.

Beispiel 5

Helium wird im Verdichter 1 bis auf einen Druck von 2.^ Bar komprimiert, indem man daraus den Direktstrom "a" bildet, der bei einer Temperatur von 300 K in der ersten Kühlungsstufe 2 nach dem Wärmeaustauscher 3 in den Hauptstrom "c" und in den hilfsstrom ^Md" geteilt wird.

Der Hilfsstrom "d" wird in den Expansionsmaschinen 5, 9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Kühlung der Ströme "c" und "d" in diesen Stufen erfolgt genauso wie in Beispielen 1,2, 3 und 4.

Nach dem Austritt aus der dritten Kühlungsstufe 10 tritt der iiauptstrom ^lfc" in die verflüssigungsstufe 14 ein, wo er bis auf 5»9 K im Wärmeaustauscher 15 gekühlt und mit Verflüssigung in der übcpansionsmaschine 16 bis aui den Druck von 0,2 Bar entspannt wird.

Der Strom "c" des flüssigen Heliums tritt in den vorangehenden Kälteverbraucher 18 ein, verdampft bei einer Temperatur von 2,85 K und bildet den Strom "e", wonach er im Wärmeaustauscher 31 bis auf 3»6 K erwärmt, im Kaltverdichter 17 bis auf 5»75 K komprimiert wird, dabei erhöht sich sein Druck bis auf 0,6 Bar.

Nach dem Kaltverdichter 17 strömt der Strom ^ft.e" durch den Wärmeaustauscher 15 und fließt mit dem Strom ^Hd" zusammen,

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wodurch der Strom "b" entstent. Der btrom "b" passiert die Wärmeaustauscher 12, 11, 8, 7, 4 und 3» wo er bis auf 293 K erwärmt wird, dem vorherigen Komprimieren in der Vakuumpumpe 19 von 0,4 auf 1,05 Bar unterworfen wird und tritt in den Verdichter 1 ein, wo er wieder in den Strom "a" umgewandelt wird.

Die Verdampfung des Stromes "c" des flüssigen Heliums in dem vorangehenden Kälteverbraucher 18 und seine Erwärmung bis zur Temperatur von 3,6 K im Wärmeaustauscher erfolgen durch die Kühlung und Kondensation des autonomen Stromes "1" des HeIium- -Isotopes, u.zw. Heliums 3 unter einem Druck von 0,82 Bar und der Kondensationstemperatur von 3»O K. Die Masse des Stromes "1" macht etwa 70% der Masse des Stromes ^Hc'· aus.

Uer Strom "1" von Helium-3 wird im Ventil 27 bis auf einen Druck von 0,1 Bar entspannt, seine Temperatur sinkt dabei Dis auf 1,8 K. Der Strom "1" von flüssigem Helium-3 tritt bei den genannten Temperaturen und dem genannten Druck in den nächsten Kälteverbraucher 30» wo er bei einer Temperatur von 1,8 K seine Kälte abgibt und dabei verdampft. Die entstandenen Dämpfe von Helium-3 werden adiabatisch im Kaltverdichter 28 bis auf den Druck von 0,85 Bar komprimiert, wobei seine Temperatur bis auf 3,8 K steigt, wonach er dem Wärmeaustauscher 31 und dem nachfolgenden Kälteverbraucher 18 zugeleitet wird.

Die Anwendung des Stromes des Helium-Isotopes, u.zw. Heliums - 3» das bei dem gleichen Druck mit dem üblich gebrauchten Helium-4 einen niedrigeren Siedepunkt als autonomer Strom auf-

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weist, erlaubt, die Betriebsbedingungen der Kaltverdichter 1? und 2Ö zu verbessern und die Abmessungen des Kälteverbrauchers 30 zu verringern, der bei niedrigeren Temperaturen betrieben wird, sowie den Energieaufwand zum Komprimieren des Stromes ¹¹ b" in der Vakuumpumpe 19 herabzusetzen.

Das Verfahren zur üirzeugung von Kälte in Kryogenanlagen wird gemäß seiner nächsten Ausführung, wenn der Rücklaufstrom des nachfolgenden Kälteverbrauchers vor seinem adiabat iseheη Komprimieren mit dem Direktstrum dieses Mediums bis zu seinem Entspannen erwärmt wird, wie auf Fig. 6 gezeigt, auf folgende Weise realisiert.

Gasförmiges Medium wird im Verdichter 1 mit Bildung des Stromes "a" komprimiert. Die Kühlung des komprimierten Mediums in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 und Teilung des Stromes "a" in den Hauptstrom "c" und den Hilfsstrom "d" in den Expansionsmaschinen 5» 9 und 13 erfolgen genauso wie in vorherigen Beispielen 1 bis 5.

Genauso wie im Beispiel 5 erfolgt der Prozeß, der in der Stufe 32 verläuft, lediglich mit dem Unterschied, daß der autonome Strom "1" vor seinem adiabatischen Komprimieren in Wärmeaustauschern 33 und 35 mit dem gleichen komprimierten Strom "1" erwärmt wird.

Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung wird am folgenden Beispiel näher erläutert.

Beispiel 6

Helium wird im Verdichter 1 bis auf einen Druck von 28

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den üar komprimiert, indem man wie in ^vorher igen Beispielen

den direkten Hauptstrom "o" bildet, der aus der \/erflüssigungsstufe 14 in die Stufe 32 bei einer Temperatur von 4,4 K und einem Druck von 1,2 Bar gelangt. Der Prozeß in den Stufen 2, 6, 10 und 14 wird so geführt, daß der Strom "c" am Austritt aus dem wärme aus tauscher 15 der Verflüssigungsstufe 14 eine Temperatur von 12 K aufweist. Danach wird er in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen ivruck von 1,2 Ba^ entspannt und dabei werden lediglich etwa 9% des btromes "c" verflüssigt.

In der Stufe 32 wird der verflüssigte ieil des Stromes ¹O" in dem vorherigen Kalt ever braucher 18 verdampft und der Strom als Kückiaufstrom "e" dem Wärme aus tauscher Jl zugeleitet, woher er bei einer Temperatur von 11,5 K und einem Druck von 1,2 Bar der v'erflüssigungsstufe 14 zurückgeführt wird, im weiteren verlaufen die Prozesse wie in üeispieln 1 bis 5 beschrieben.

In der Stufe 52, im rtärme aus tauscher 51 und in dem vorherigen Kälteverbraucher 18 wird der bis auf 2 Bar komprimierte autonome Strom "1" von Helium-3 bis auf 4,5 K gekühlt. Danach wird er im Wärmeaustauscher 53 gekühlt, im Ventil 34 bis auf 0,8 Bar entspannt, in dem Äärmeaustauscher 35 gekühlt und weiter im Ventil 27 bis auf 0,28 Bar entspannt, dabei sinkt die Temperatur von Helium-3 auf 2,1 K. Dann wird der Strom ¹¹I" dem nächsten Kälteverbraucher 30 zugeführt, wo er

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verdampft und den Rücklaufstrom "1" bildet.

Der Rücklauf st rom "I¹¹ aus dem nächsten Kälteverbraucher 30 wird in den Wärmeaustauschern 35 und 35 bis auf 4,4 K erwärmt, wonach er adiabatisch im Kaltverdichter 2ö bis auf 2 Bar komprimiert wird, dabei steigt seine Temperatur bia auf 12 K, und er wird erneut dem Wärmeaustauscher 31 zugeleitet, wodurch der Zyklus des autonomen Stromes "1" abgeschlossen wird.

Die im Beispiel 6 angeführte Betriebsführung der Anlage zeigt, daß beim Wärmeaustausch des entspannten Stromes "c" mit dem komprimierten autonomen Strom "1" die Verringerung der Temperaturdifferenz im Wärmeaustauscher 15 der Verflüssigungsstufe 14 und folglich die Verringerung von Irreversibilitätsverlusten sowohl durch das adiabatische Komprimieren des Rücklaufstromes "e" als auch durch seine Erwärmung erzielt werden können.

Das Beispiel 6 zeigt insbesondere, daß geringe Verluste aufgrund

^v der Irreversibilität des Wärmeaustauschprozesses in der Verflüssigungsstufe auch bei einem unwesentlichen Grad des Komprimierens im Kalt verdichter 17 erreicht werden können, der 1,08 betr'agt.

Auf Fig. 7 1st das Diagramm der Temperatur T über der Entropie S

ν gezeigt, das den Verlauf des Prozesses in der Verflüssigungsstufe abbildet, wenn erfindungsgemäb die Dämpfe nach dem Kälte verbraucher dem adiabatischen Komprimieren bis auf eine Temperatur unterworfen werden, die der Anfangstempe-

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ratur des Entspannens des Hauptstromes entspricht.

In diesem Fall wird die Kühlung des Hauptstromes "c" im Wärmeaustauscher 15 /Mg. 1/ durcli die Linie I-II gekennzeichnet.

Das Entspannen des komprimierten Stromes "c" in der Expansionsmaschine 16 wird durch die Linie II-III gekennzeichnet.

Die Verwendung von Kalte im Kälteverbraucher wird durch die Linie III-IV gekennzeichnet.

Das adiabatische Komprimieren von Dämpfen im Kaltverdichter 171 ei ie vom Kälteverbraucher 18 fließen, wird durch die Linie IY-V gekennzeichnet.

Die Erwärmung des Stromes "e" im Wärmeaustauscher 15 wird durch die Linie V-VI gekennzeichnet.

Wie aus Fig. 7 zu ersehen, verläuft der

Prozeß der Verflüssigungsstufe theoretisch als vollständig reversibler Prozeß im Unterschied zu bekannten Verfahren, die gemäß Linien· I-II-III-IV-VII verlaufen, und der eine wesentliche Irreversibilität infolge der beträchtlichen 'i'emperaturdifferenz in den Punkten II und IV aufweist, bei der" der Wärmeaustausch in der Verflüssigungsstufe beim Weglassen des Kaltverdichters beginnt, das heißt in bekannten Verfahren zur Urzeugung von Kälte,

Der ökonomische Nutzeffekt des Prozesses bei der Durchführung dieses Verfahrens findet darin seinen Ausdruck, daß das gasförmige Medium im vorgeschlagenen Verfahren im Verdichter 1 von einem höheren Druck aus komprimiert werden soll, der durch

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den Punkt IV gekennzeichnet 1st, und in bekannten Verfahren von dem Druck, der durch den Punkt VII gekennzeichnet ist, das heißt von einem bedeutend niedrigeren Druck, was den Energieaufwand wesentlich herabsetzt.

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Claims

( l.jVerfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen, das das Komprimieren eines gasförmigen Mediums vorsieht, das als Direktstrom einem Kälteverbraucher zugeführt, stufenweise gekühlt und unter Verflüssigung entspannt wird, wonach man das entstandene flüssige Medium mindestens einem Kälteverbraucher zuleitet, wo es in Dampf umgewandelt wird, der den vom Kälte verbraucher laufenden iiücklauf strom bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens von einem Kälteverbraucher (lü,20) fließende Eücklaufstrom (e) adiabatisch bis auf eine iemperatur komprimiert wird, die der i'emperatur des Direktstromes (c) vor seinem Entspannen unter Verllüssigung naheliegt.

2. Verfahren zur Urzeugung von Kälte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufstrom (e) vor seinem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Direktstrom (c) erwärmt wird.

'$. Verfahren zur Erzeugung von Kälte, bei dem mindestens zwei hintereinander angeordnete Kälteverbraucher vorhanden sind, jeder von denen autonome Ströme des gasförmigen Mediums aufweist, nach Anspruch 1,dadurch gekennze ichnet, daß der Hücklaufstrom (e) des vorhergehenden Kälteverbrauchers (18) vor seinem adiabatischen Komprimieren dem Wärmeaustausch mit dem Kücklaufstrom (1) des folgenden Kälteverbrauchers OO) nach seinem adiabatischen Komprimieren

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ORIGINAL INSPECTED

unterworfen wird.

4. Verfahren zur Erzeugung von Kälte nach Anspruch 3, d adurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf strom (1) des nachfolgenden Kaltverbrauchera (;>O) vor seinem adiabatischen Komprimieren durch den Direktstrom (1) dieses Mediums erwärmt wird.

5. Verfahren zur Urzeugung von Kälte nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Medium der Ströme des nachfolgenden Kälteverbrauchers HeIium-Isotop, u.zw. Helium-3 verwendet wird.

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