DE2730155B2 - Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen mit einem gasförmigen Kreislaufmedium, von dem nach seiner Kompression ein Hilfsstrom abgezweigt wird, und der verbleibende Hauptstrom stufenweise gekühlt, unter Verflüssigung entspannt und mindestens einem Kälteverbraucher zugeführt wird, in welchem der flüssige Hauptstrom verdampft und als gasförmiger Rücklaufstrom in Kreislauf zurückgeführt wird. Ein solches Verfahren ist aus der US-Patentschrift 36 13 387 bekannt
Bei Verfahren dieser Art wird gewöhnlich Wasserstoff oder Helium als Kreislaufmedium verwendet und die erzeugte Kälte dient z. B. dazu, in physikalischen oder elektrotechnischen Arbeitsgebieten Bauteile so tief zu kühlen, daß sie supraleitend werden. Andere Anwendungsgebiete sind physikalische und biologische Experimente u. dgl.
Ein Problem ist die Verringerung des zur Kälteerzeugung notwendigen Leistungsbedarfs. Für die Kühlung von elektrischen Bauteilen bis zum supraleitenden Bereich können hunderte und tausende Kilowatt notwendig werden.
Bei einem vorliegend als Stand der Technik betrachteten Verfahren zur Erzeugung von Temperaturen auf dem Niveau des Siedepunkts von flüssigem Helium bei Atmosphärendruck, d. h. 4,2 bis 4,5 K, wird gasförmiges Helium in einem Verdichter bis auf -*- 30 bar komprimiert und bildet den vorlaufenden Hauptstrom zum Kälteverbraucher. Dieser wird durch den Rücklaufstrom niedrigeren Drucks gekühlt und es wird von ihm ein Hilfsstrom abgezweigt, der in Expansionsmaschinen mit Abführung von Wärme entspannt wird und mr Kompensation von irreversiblen Verlusten sowie zur weiteren Kühlung des Hauptstroms dient,
Um dje erzeugte Kälte weiter zu vergrößern und den Siedepunkt von flüssigem Helium wesentlich zu unterschreiten muß, wie auch bei dem eingangs genannten bekannten Verfahren, die Entspannung des Heliums auf Drücke erfolgen, die unter dem Atmosphärendruck liegen» Das Dvuckniveau, auf das entspannt wird, ergibt das erreichbare Kälteniveau. So muß zum Beispiel zur Kälteerzeugung im Bereich von 1,8 -s- 2,0 K auf einen Druck von 12 ^-20 mm Quecksilbersäule entspannt werden.
is . Bei dem bekannten Verfahren durchläuft das nach Siiner Verdampfung am Kälteverbraucher wieder gasförmige Kreislaufmedium auf diesem Druckniveau als Rücklaufstrom mehrere Wärmetauscher, in denen es den vorlaufenden Hauptstrom kühlt Dabei wird der Rücklaufstrom auf 30 -H 50 K aufgewärmt, bevor er in eine Vakuumpumpe gelangt die den Druck wieder auf den Atmosphärendruck erhöht Durch diese Verdichtung steigt auch die Temperatur des Rücklaufstroms auf etwa die Umgebungstemperatur. Danach gelangt der Rücklaufstrom in den Kompressor und der Kreislauf schließt sich.
Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren der unbefriedigende Wirkungsgrad. Verluste entstehen dadurch, daß der größte Teil des Kreislaufmediums einem zusätzlichen Komprimieren in der Vakuumpumpe unterworfen wird, nachdem seine Temperatur wieder auf 30 ·*· 50 K angestiegen ist Hinzu kommen Verluste dadurch, daß nach der Verdichtung des Rücklaufstroms auf den Atmosphärendruck in diesem keine Kälte mehr zur Kühlung des vorlaufenden Hauptstroms zur Verfügung steht
Ein weiterer Nachteil ist darin zu erblicken, daß der Rücklaufstrom die Wärmetauscher bei niedrigem Druckniveau und mithin bei geringer Dichte bzw. großem spezifischem Volumen duschströmt Die Wärmetauscher müssen deswegen sehr sperrig und schwer sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Beseitigung der genannten Nachteile ein Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von kryogenen Temperaturen aufzuzeigen, das mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Für die gleiche Kälteleistung soll also weniger Energieaufwand nötig sein, bzw. es soll bei gleichem Energieaufwand eine
w höhere Kälteleistung erzielbar sein. Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens soll kompakt sein.
Ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Technik wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der von dem Kälteverbraueher fließende Rücklaufstrom adiabatisch bis auf eine Temperatur komprimiert wird, die nahezu die Temperatur des Hauptstroms vor dessen Entspannung erreicht
Das vorgeschlagene Verfahren kommt unter idealen Bedingungen, das heißt bei verlustfreien Zustandsänderungen, dem Carnot-Prozeß maximal nahe, welcher ja einen theoretisch reversiblen Kreisprozeß dargestellt, der für seine Durchführung einen minimalen Energieaufwand erfordert. Deswegen bringt das vorgeschlagene Verfahren auch unter realen Bedingungen den Kälteerzeugungsprozeß dem reversiblen Kreisprozeß maximal nahe und ist durch minimale Irreversibilitätsverluste gekennzeichnet.
Durch das Entspannen des vorlaufenden Haupt-
Stroms auf unterschiedliche Drücke erzeugt man Kalte auf verschiedenen Temperatumiveaqsr Das Komprimieren des Rücklaufstroms erfolgt in einem Verdichter, der bei der Temperatur des flössigen Heliums betrieben wird, und der weiterhin als Kaltverdichter bezeichnet wird. Wenn dieser den Rücklaufstrom noch nicht auf Atmosphärendruck bringt, so wird dem bei Umgebungstemperatur betriebenen Verdichter eine Vakuumpumpe vorgeschaltet
Wenn dem KSlteverbraucher das Kreislaufmedium bei einer Temperatur zugeführt werden soll, die niedriger liegt als der Siedepunkt bei dem vorgegebenen Druck im Kälteverbraucher, so kann man eine Senkung der Temperatur am Eintritt zum Kälteverbraucher durch einen Wärmelausch zwischen dem verflüssigten Hauptstrom und einem von ihm abgetrennten Teilstrom erreichen, der auf ein nochmals niedrigeres Druckniveau entspannt wird und dessen Dämpfe dann adiabatisch komprimiert werden und den Rücklaufstrom bilden (F i g. 2).
In allen Fällen wird eine wesentliche Verringerung des Energieaufwandes erreicht, weil die beschriebenen Prozesse bei minimalen irreversiblen Verlustra verlaufen und weil die für das Komprimieren des von dem Kälteverbraucher zurückfließenden Rücklaufstroms auf dessen niedrigem Temperaturniveau verbrauchte Energie wesentlich geringer als die Energie ist, die zum Komprimieren in einer Vakuumpumpe nach bereits erfolgter Aufwärmung auf 30 -*■ 50 K erforderlich ist
Da der Druck der die Wärmeaustauscher als Rücklaufstrom durchströmenden Heliumdämpfe beim vorliegenden Verfahren immer höher ist als bei den bekannten Verfahren, können die Abmessungen der Wärmeaustauscher verringert und ihre Konstruktion vereinfacht werden.
Es kann zweckmäßig sein, das Temperaturniveau der erzeugten Kälte dadurch zu senken, daß man den Rücklaufstrom vor dem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Hauptstrom erwärmt so daß dieser seinerseits auf ein niedrigeres Niveau abgekühlt wird. Dies kann auch eine Vereinfachung der Konstruktion der Expansionsmaschine und eine Verbesserung der Betriebsverhältnisse des Kaltverdichters zur Folge haben.
Wenn der Kälteerzeugungsprozeß durchgeführt wird mit einem weiteren geschlossenen Kältekreislauf, der durch den Rücklaufstrom im Kälteverbraucher des vorgeschlagenen Verfahrens gekühlt wird, und ein weiterer Kälteverbraucher mit einem weiteren Rücklaufstrom vorhanden ist, ist es zweckmäßig, wenn der Rücklaufstrom vor dem adiabatischen Komprimieren durch den weiteren Rücklaufstrom des weiteren Kälteverbnaichers erwärmt wird, wobei der wehere Rücklaufstrom vorher adiabatisch komprimiert wurde (F ig. 4).
Bei dieser Ausbildung bringt der weitere geschlossene Kältekreislauf die Kälte mit minimalem Energieaufwand und ohne Senkung des Druckes des Rücklaufstroms aus dem ersten Kälteverbraucher auf ein niedrigeres Temperalurniveau.
Das erfindungsgeinäße Verfahren hat Vorteile auch dann, wenn es in dem weiteren Kälteverbraucher auf einem niedrigeren Teniperaturniveau zu einer Verunreinigung des Kreislaufmediums kommen kann. In diesem Fall verringern sich wegen der Verminderung der Menge des umlaufenden Gases die Abmessungen der Vorrichtungen zur Reinigung des Heliums.
Ferner ergibt sich die Uöglichkeit, als Kreislaufmedi-
uro im weiteren geschlossenen Kreislauf das niedriger siedende Heliumisotop HeIjum-3 zu verwenden. Dabei gelingt es, das Temperaturniveau der erzsugten Kälte herabzusetzen. Da das kostspielige Isotop Helium-3 aber lediglich im Tieftemperaturbereich der Anlage verwendet wird, bleibt der Mehraufwand gering.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine Anlage zur Erzeugung von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen, bei der der gesamte verflüssigte Hauptstrom dem Kälteverbraucher zugeleitet wird und der gesamte entstehende Rücklaufstrom adiabatisch bis auf eine Temperatur komprimiert wird, die nahezu die Temperatur des Hauptstroms vor dessen Entspannen in der Verflüssigungsstufe erreicht
Fig.2 eine Anlage, in der ein Ted des verflüssigten Hauptstroms zusätzlich durch den anderen Teil des Hauptstroms gekühlt wird, welcher auf einen nochmals niedrigeren Druck entspannt wird, von dem aus seine Dämpfe adiabatisch bis auf eine Temperatur komprimiert werden, die der Temperatur des Hauptstroms vor dessen Entspannen in der Verflüssigungsstufe naheliegt
Fig.3 eine Anlage, bei der der RückJaufstron-. vor seinem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Hauptstrom erwärmt wird,
Fig.4 eine Anlage, bei der zwei geschlossene Kältekreisläufe hintereinander geschaltet sind,
F i g. 5 eine Darstellung der in der Verflüssigungsstufe der Anlage gemäß F i g. 1 verlaufenden Zustandsänderungen im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-S-Diagrarnm).
Bei der Anlage gemäß F i g. 1 wird gasförmiges Helium als Kreislaufmedium in einem Verdichter t bei Umgebungstemperatur komprimiert und gelangt als Vorlaufstrom a in Richtung des Pfeils A in eine erste Kühlungsstufe 2, bestehend aus Wärmeaustauschern 3 und 4 und einer Expansionsmaschine 5. Im Wärmeaustauscher 3 wird der Vorlaufstrom a mit dem in Richtung B durchströmenden Rücklaufstrom b gekühlt und wird dan>-;h in einen vorlaufenden Hauptstrom c, der nach Pfeil Cströmt und einen vorlaufenden Hilfsstrom d, der nach Pfeil Oströmt, geteilt
D<er Hilfsstrom d wird in der Expansionsmaschine 5 unter Energieentnahme auf einen Druck entspannt, der ungefähr um das 1,5- -s- 2fache geringer als der Anfangsdruck ist Infolge der Entspannung sinkt die Temperatur des Hilfsstroms t/um ca. 10 -j- 20 K. Um die gleiche Temperaturdifferenz wird in dem Wärmeaustauscher 4 der Hauptstrom cgekühlt
Das komprimierte Kreislaufmedium wird also in der ersten Kühlungsstufe 2 auf eine bestimmte Temperatur gekühlt, wobei durch die Entspannung des Hilfsstroms d unter Energieentnahme die Energieverluste kompensiert werden, die durch die Irreversibilität und die Verluste der Wärmeaustauschvorgänge in den Wärmetauschern 3 und 4 bedingt sind. Die Temperaturdifferenz zwischen den Strömen beträgt in dieser Stufe üblicherweise etwa j K. Die Kühlung des Hauptstroms c und der Ausgleich der Verluste im Wärmetauscher 4 werden dadurch erreicht, daß die Masse des Rücklaufstroms b größer ist als die Masse des Haup'Stroms c.
Anschließend wird der Hauptstrom c und der Hilfsstrom d einer zweiten Kühlungsstufe 6 zugeführt, die ebenfalls aus Wärmeaustauschern 7 und 8 und einer Expansionsmaschine 9 besteht. Der Hauptstrom c durchläuft beide Wärmetauscher 7 und 8, wo er vom
Rücklaufstrom b gekühlt wird. Im Wärmetauscher 7 wird auch der Hilfsstrom d gekühlt, danach aber in der Expansionsmaschine 9 auf einen solchen Zwischendruck entspannt, daß auch er auf die Temperatur des Hauptstroms cam Austritt aus dem Wärmeaustauscher 8 kommt.
In der dritten Kühlungsstufe 10, bestehend aus Wärmetauschern 11 und 12 und einer Expansionsmaschine 13, wird der Hauptstrom ein beiden Wärmetauschern 11 und 12 gekühlt, während der Hilfsstrom dnur im Wärmeaustauscher 11 gekühlt wird, wonach er in der Expansionsmaschine 13 auf einen Druck entspannt wird, der dem Druck am Eintritt in den Verdichter 1 naheliegt. Danach wird er mit dem aus der Verflüssigungsstufe 14 zuiückkommenden Rücklaufstrom e vereinigt, wodurch der in Pfeilrichtung B strömende gesamte Rücklaufstrom b gebildet wird.
Aus der dritten Kühlungsstufe 10 gelangt der Hauptstrom czur Verflüssigungsstufe 14, die aus einem flüssige Helium fließt in den Kälteverbraucher 18.
Durch das Verdampfen des flüssigen Heliums im Kälteverbraucher 18 bei 0,42 bar stellt sich die zu diesem Druck gehörende Verdampfungstemperalur von 3.4 K ein.
Die Heliumdämpfe treten bei dieser Temperatur als Rücklaufstrom ein den Kaltverdichter 17 ein, wo sie auf 1.3 bar bei 5,75 K komprimiert werden. Durch diesen etwas über dem Atmosphärendruck liegenden Druck tu wird der Kreislauf des Heliums gewährleistet, d. h. es werden die Strömungsverluste der Rücklaufströme e und b in den Wärmetauschern 13, 12, 11, 8, 7, 4 und 3 gedeckt, bis der Verdichter 1 bei etwa Atmosphärendruck und 295 K wieder erreicht wird. Dadurch schließt ι 5 sich der Kreisprozeß.
Da die für das Komprimieren des Heliums im Kaltverdichter 17 verbrauchte Energie bei einer mittleren Temperatur von 4,5 K sehr gering ist, verursacht sie praktisch keine Steigerung des Energie-
TT tu iiicmusnici u, einet
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einem Kaltverdichter 17 besteht. Nach seiner Kühlung in dem Wärmeaustauscher 15 durch den Rücklaufstrom e gelangt der Hauptstrom c in die Expansionsmaschine 16, wo er unter Verflüssigung entspannt wird. Das verflüssigte Kreislaufmedium wird einem Kälteverbraucher 18 zugeleitet, in dem es wieder verdampft.
Die im Kälteverbraucher 18 entstandenen Dämpfe bilden den Rücklaufstrom e und werden adiabatisch in dem Kaltverdichter 17 komprimiert, wobei sich ihre Temperatur bis auf einen Wert erhöht, der die Temperatur des Hauptstroms c vor dessen Entspannung in der Expansionsmaschine 16 nahezu erreicht.
Der Rücklaufstrom e durchströmt danach den Wärmeaustauscher 15 und nach der Vereinigung mit dem entspannten Hilfsstrom d als Rücklaufstrom b die Wärmetauscher 12, 11, 8, 7, 4 und 3 und gelangt zum Verdichter 1 zurück. Dadurch ist der Kreislauf geschlossen.
Der beschriebene Prozeß wird beispielsweise derart durchgeführt, daß man I lelium als Kreislaufmedium im Verdichter 1 vom Atmosphärendruck auf 25 bar komprimiert. Der Vorlaufstrom a wird im Wärmetauscher 3 von 300 K bis auf eine Temperatur von 160 K gekühlt und dann in einen 70% ausmachenden Hauptstrom cund einen 30% ausmachenden Hilfsstrom d geteilt.
Der Hauptstrom c wird im Wärmetauscher 4 auf 150K gekühlt und der Hilfsstrom d wird in der Expansionsmaschine 5 auf einen Druck von 18 bar entspannt, wobei auch seine Temperatur auf 150 K sinkt.
In der zweiten Kühlungsstufe 6 wird der Hauptstrom er in den Wärmetauschern 7 und 8 weiter auf eine Temperatur von 50 K gekühlt. Der Hilfsstrom d wird nach seiner Kühlung in dem Wärmetauscher 7 in der Expansionsmaschine 9 auf einen Druck von 9,2 bar entspannt, wobei seine Temperatur auch auf 50 K sinkt.
In der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom c in den Wärmetauschern 11 und 12 weiter auf eine Temperatur von 14.8 K gekühlt. Der Hilfsstrom c/wird nach seiner Kühlung in dem Wärmetauscher 11 in der Expansionsmaschine 13 auf den DrucK des Rücklaufstroms b, d. h. auf Atmosphärendruck. entspannt, wobei seine Temperatur auf 14,5 K sinkt.
Im Wärmetauscher 15 wird der Hauptstrom cauf eine Temperatur von 5.9 K gekühlt und danach in der Expansionsmaschine 16 auf einen Druck von 0.42 bar unter Bildung von flüssigem Helium entspannt. Das
rung des Energieaufwandes das Niveau der erzeugten Kälte von 4.5 K bis auf 3,4 K gesenkt werden. Der Effekt entsteht hauptsächlich dadurch, daß der Prozeß in der Verflüssigungsstufe unter Bedingungen verläuft, die maximal dem Carnot-Prozeß nahekommen, das heißt, der Prozeß verläuft mit minimalen Irreversibilitätsverlusten.
Im beschriebenen Beispiel erfolgte die Entspannung in der expansionsmaschine 16 auf einen Druck von 0,42 bar, so daß das Temperaturniveau der Kälteerzeugung bei 3,4 K lag. Bei einem Druck von 0,25 bar sinkt z. B. die Temperatur auf 3 K. Entsprechend wird, wenn das Temperaturniveau der Kälteerzeugung 4,5 K beträgt, der Druck des Rücklaufstroms e hinter dem Kaltverdichter 17 gleich 2,2 bar sein und der Druck des Rücklaufstroms b am Eintritt in den Verdichter 1 gleich 1,9 bar anstelle von 1 bar, wie bei den bekannten Verfahren. Hierdurch verringern sich der Energieverbrauch sowie wegen des erhöhten Drucks des Rücklaufstroms die Abmessungen und das Gewicht der Wärmetauscher.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen kann auch durchgeführt werden zur Bedienung mehrerer Kälteverbraucher, wobei einigen von ihnen das Kreislaufmedium mit einer Temperatur zugeführt werden kann, die unter dem dem Druck im Kälteverbraucher entsprechenden Siedepunkt des Kreislaufmediums liegt Hierbei wird das verflüssigte Kreislaufmedium vor seiner Zuführung zum Kälteverbraucher zusätzlich in einem Wärmetauscher abgekühlt, und zwar durch einen hinter der die verflüssigende Entspannung bewirkenden Expansionsmaschine abgezweigten Teilstrom, der auf einen nochmals niedrigeren Druck entspannt wird, was dadurch möglich wird, daß die bei seiner Verdampfung im genannten Wärmetauscher entstehenden Dämpfe durch adiabatische Kompression in einem Kaltverdichter wieder auf das Druckniveau des Rücklaufstroms gebracht werden.
Das vorstehend betrachtete Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird anhand von F i g. 2 weiter erläutert, in der die Anlagenteile, die denen von F i g. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die Verflüssigungsstufe 14 besteht in dieser Anlage aus dem Wärmetauscher 15, der Expansionsmaschine 16. einem Ventil 19a und dem Kaltverdichter 17. In ihr wird der Hauptstrom c nach Kühlung im Wärmetau-
scher IS in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen Druck entspannt, der dem Druck im Kälteverbraucher 18 naheliegt. Vor Eintritt in diesen wird das verflüssigte Kreislaufmedium in einem Wärmetauscher 20 noch einmal gekühlt.
Hierzu wird der Hauptstrom c hinter der Expansionsmaschine 16 in einen in Richtung F strömenden Teilstrom f und einen in Richtung G strömenden Teili'..om g aufgeteilt. Der Teilstrom f wird im Ventil 19a auf einen nochmals niedriger liegenden Druck to entspannt und dem Wärmetauscher 20 zugeleitet, in dem er bei diesem niedrigen Druck siedet und dabei den anderen Teilstrom g weiter kühlt. Dieser gelangt anschließend zum Kälteverbraucher 18.
In diesem Falle dient die weitere Temperaturabsenkung des Teilstroms f, die möglich wird durch die Entspannung im Ventil 19a auf einen nochmals niedrigeren Druck, von dem die Dämpfe dann adiabatisch durch den Kalt verdichter 17 wieder auf das Druckniveau des Rückiauisiroms gebracht werden, zur ιυ weiteren Kühlung des flüssigen Teilstroms g, der dadurch am Eintritt in den Kälteverbraucher 18 die erforderlichen Parameter zur Kühlung des jeweiligen Objekts, zum Beispiel einer supraleitenden Vorrichtung, aufweisen kann.
Im Kälteverbraucher 18 verdampft der Teilstrom g und kann, je nach dem hier stattfindenden Kälteverbrauch, entweder mit einer Temperatur austreten, die der Temperatur des Rücklaufstroms e am Austritt aus dem Wärmetauscher 20 naheliegt, in welchem Falle er dem Rücklaufstrom e über ein Ventil 21 zugemischt wire, oder mit einer der Temperatur des Rücklaufstroms e hinter dem Kaltverdichter 17 entsprechenden Temperatur, in welchem Fall er dem Rücklaufstrom e über ein Ventil 22 zugemischt wird. Wenn die Temperatur des Teilstroms g hinter dem Kälteverbraucher 18 höher als die Temperatur des Hilfsstroms d hinter der Expansionsmaschine 13 ist, wird er in den Rücklaufstrom b über ein Ventil 23 oder 24 in Übereinstimmung mit dessen Temperatur eingeleitet. -to
In einigen Fällen wird der Teilstrom g oder ein nochmals abgezweigter Teil davon herangezogen, in einem nachfolgenden Kälteverbraucher 25 nochmals Kälte abzugeben, z. B. an die Stromanschlüsse einer supraleitenden Vorrichtung, wobei er selbst bis an die <*5 Umgebungstemperatur heran erwärmt wird. In F i g. 2 ist der Fall gezeigt, daß der Teilstrom g hinter dem Kälteverbraucher 18 in einen in Richtung / fließenden Strom i und einen in Richtung H fließenden Strom h geteilt wird. Der Strom / wird in den Rücklaufstrom b so hinter dem Wärmetauscher 12 eingeleitet und der Strom Λ wird in dem nachfolgenden Kälteverbraucher 25 bis nahe an die Umgebungstemperatur erwärmt, um danach in den Rücldaufstrom b vor dessen Eintritt in den Verdichter 1 eingeleitet zu werden.
In der Praxis wird das beschriebene Verfahren zum Beispiel mit folgenden Parametern durchgeführt:
Das Helium wird in dem Verdichter 1 auf 30 bar komprimiert. Der Vorlaufstrom a wird im Wärmetauscher 3 durch den Rücklaufstrom b auf eine Temperatur von 100 K gekühlt und in den 15% ausmachenden Hauptstrom c und den Hilfsstrom d geteilt Der Hauptstrom c wird im Wärmeaustauscher 4 auf 95 K gekühlt und der Hilfsstrom t/in der Expansionsmaschine 5 auf 20 bar entspannt so daß dessen Temperatur ebenfalls auf etwa 95 K absinkt
In der zweiten Kühlungsstufe 6 wird der Hauptstrom c in den Wärmetauschern 7 und 8 auf 30 K gekühlt Der Hilfsstrom d wird nach der Kühlung in dem Wärmetauscher 7 in der Expansionsmaschine 9 auf 12 bar entspannt; seine Temperatur sinkt dabei fast bis auf 30K.
In der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom c in den Wärmetauschern U und 12 auf 5,9 K gekühlt, und der Hilfsstrom c tritt nach der Kühlung in dem Wärmetauscher 11 in die Expansionsmaschine 13 ein, wo er bis auf den Druck des Rücklaufstroms e und 5,75 K entspannt und in diesen eingeleitet wird, wodurch der Rücklaufstrom ^entsteht.
Aus der dritten Kühlungsstufe 10 tritt der Hauptstrom c in die Verflüssigungsstufe 14 mit einer Temperatur ein, mit der er in der Expansionsmaschine 16 entspannt wird, so daß der Wärmetauscher 15 hier keine Wirkung hat. Der Hauptstrom c wird in der Expansionsmaschine 16 auf 2,5 bar unter Bildung von flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4,6 K entspannt.
Der hiervon abgezweigte Tciläirüffi g Wird ϊϊϊΐ Wärmetauscher 20 weiter bis auf eine Temperatur von 4,6 bis 3,5 K gekühlt, und zwar durch Verdampfung des anderen Teilstroms f, dessen Druck im Ventil 19a auf 0,42 bar reduziert wird, was dem Siedepunkt 3,4 K entspricht.
Die Heliumdiimpfe treten bei dieser Temperatur als Rücklaufstrom e in den Kaltverdichter 17 ein, wo sie auf 1,3 bar komprimiert werden, was den Rücklauf durch die Wärmetauscher 15,12,11,8,7,4 und 3 gewährleistet.
Der Teilstrom g wird bei 2,5 bar und 34 K dem Kälteverbraucher 18 zugeführt, wo beim Wärmeaustausch mit dem Objekt der Kühlung der Druck auf 1,25 bar sinkt und seine Temperatur auf 20 K erhöht wird. Hinter dem Kälteverbraucher 18 wird der Strom / abgezweigt, der 85% des Teilstroms g ausmacht, und durch das Ventil 23 in den Rücklaufstrom b eingeleitet, während der andere Zweigstrom h im nachfolgenden Kälteverbraucher 25 bis auf 300 K erwärmt und durch das Ventil 24 in den Strom b eingeleitet wird.
Die Möglichkeit, den Rücklaufstrom vor dem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Hauptstrom zu erwärmen, wird nachfolgend anhand der Anlage gemäß Fig.3 betrachtet Diese unterscheidet sich von F i g. I nur durch einen weiteren Wärmetauscher 26 und ein Entspannungsventil 27.
Der Hauptstrom c wird hier nach der verflüssigenden Entspannung in der Expansionsmaschine 16 dem Wärmetauscher 26 zugeleitet und dort zusätzlich gekühlt Danach wird er im Ventil 27 weiter entspannt und dem Kälteverbraucher 18 zugeführt, wo er verdampft und den Rücklauf strom e bildet
Der Rücklaufstrom e wird in dem Wärmeaustauscher 26 durch Kühlung des entspannten Hauptstroms c erwärmt, wonach er adiabatisch im Kaltverdichter 17 komprimiert und, wie bereits betrachtet über die Wärmetauscher 15,12,11,8,7,4 und 3 dem Verdichter 1 wieder zugeführt wird.
Die Verfahrensparameter für den vorstehend betrachteten Prozeß entsprechen bezüglich der Kühlungsstufen etwa dem Fall von F i g. 1. In der Verflüssigungsstufe 14 wird der Hauptstrom c im Wärmetauscher 15 jedoch nur bis auf eine Temperatur von 7 K gekühlt und dann in der Expansionsmaschine 16 auf 2,5 bar entspannt wodurch seine Temperatur auf 5 K gesenkt wird Im Wärmetauscher 26 wird er dann mit dem Rücklaufstrom e bis auf 3,6 K gekühlt Danach wird er im Ventil 27 auf 0,42 bar entspannt wodurch seine Temperatur auf 3,4 K sinkt.
Das vom Kälteverbraucher 18 als Rücklaufstrom e zurückkommende, wieder verdampfte Helium wird im Wärmetauscher 26 vom entspannten Hauptstrom c auf eine Temperatur von 4,7 K erwärmt und dann dem Kaltverdichter 17 zugeführt, wo es adiabatisch auf 1,2 bar komprimiert wird. Die Temperatur steigt dabei auf 6,85 K. Die weitere Rückkehr zum Verdichter 1 erfolgt in der bereits betrachteten Weise.
Ein Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen, bei dem zwei hintereinandergeschaltete geschlossene Kältekreisläufe Anwendung finden, wird nachfolgend anhand von F i g. 4 betrachtet. Dabei dient hier der Kälteverbraucher des Verfahrens gemäß Fig. 1 als Wärmetauscher zur Kühlung des Kreislaufmediums des weiteren geschlossenen Kreislaufs. Als Kreislaufmedium im ersten Kältekreislauf dient das Heliumisotop Helium-4 und als Kreislaufmedium im weiteren Kältekreislauf das Heliumisotop Helium-3.
Hinter dem Kaltverdichter 17 strömt der Rücklaufstrom e durch den Wärmeaustauscher 15 und vereinigt sich mit dem Hilfsstrom d, wodurch der gesamte Rücklaufstrom b entsteht. Dieser passiert die Wärmetauscher 12, 11, 8, 7, 4 und 3, wo er bis auf 293 K erwärmt wird, die Vakuumpumpe 19, in der er von 0,4 auf 1,05 bar komprimiert wird und tritt in den Verdichter / ein, wodurch sich der erste Kältekreislauf schließt.
ίο Das Helium-3 im weiteren Kältekreislauf wird im Wärmetauscher 31 gekühlt und im Kälteverbraucher 18 kondensiert, und zwar bei 0,82 bar auf die zugehörige Kondensationstemperatur von 3,0 K. Die Masse des Stromes /macht etwa 70% der Masse des Hauptstroms c aus.
Der Strom /von Helium-3 wird in der Vorrichtung 29 auf einen Druck von 0,1 bar entspannt, wobei seine· Temperatur auf 1,8 K sinkt. Mit dieser Temperatur tritt er in den weiteren Kälteverbraucher 30, wo er bei dieser
Das HeiiuNi-4 zirkuliert in der bereits betrachteten 20 Temperatur von !,8 K seine Kälte abgibt > <r>A H«h»·
Weise im ersten Kältekreislauf. In den Kälteverbraucher 18 tritt es in flüssigem Zustand ein, wo es verdampft und den Rücklaufstrom e bildet, der im Wärmetauscher 31 erwärmt wird und danach im Kaltverdichter 17 komprimiert wird. Die Rückkehr von hier zum Verdichter 1 entspricht dem bereits Betrachteten, wobei der Rücklaufstrom b vor Eintritt in den Verdichter 1 in einer Vakuumpumpe 19 bis auf den Atmosphärendruck komprimiert wird, wenn er entsprechend den gegebenen Betriebsbedingungen bei unteratmosphärischem Druck aus der Kühlungsstufe 2 austreten sollte.
Die Verdampfung des Hauptstromes c im Kälteverbraucher 18 und die Erwärmung des Stroms e im Wärmetauscher 31 erfolgt durch die Kühlung und Verflüssigung des Helium-3, das in Richtung des Pfeils L im weiteren geschlossenen Kältekreislauf zirkuliert. Dieser Kreislauf ist beschränkt auf die Stufe 32, zu der außer dem Kälteverbraucher 18 noch der Wärmeaustauscher 31, der Kaltverdichter 28 und ein Wärmeausgleichbehälter 27 gehören. Hinter dem Kälteverbraucher 18 wird der weitere Strom / in einer geeigneten Vorrichtung 29 entspannt und dem weiteren Kälteverbraucher 30 zugeführt, litir der eigentliche Kälteverbraucher ist und sich auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindet.
Der weitere Rücklaufstrom /, der infolge der Verdampfung des weiteren Kreislaufmediums im Kälteverbraucher 30 entsteht, wird in den Kaltverdichter 28 geleitet, wo er adiabatisch komprimiert und wieder dem Wärmetauscher 31 und dem Kälteverbraucher 18 zugeführt wird. Dadurch ist der weitere Kältekreislauf geschlossen.
Die Parameter des betrachteten Prozesses sind etwa folgende:
Das Helium wird im Verdichter 1 auf 25 bar komprimiert und tritt mit 300 K in die erste Kühlungsstufe 2 ein. Die Kühlung der Ströme c und d in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 erfolgt genauso wie in den betrachteten Beispielen.
Hinter der dritten Kühlungsstufe 10 tritt der Hauptstrom c in die Verflüssigungsstufe 14 ein, wo er im Wärmeaustauscher 15 auf 53 K gekühlt und in der Expansionsmaschine 16 unter Verflüssigung auf 0,2 bar entspannt wird. Danach tritt er in den Kälteverbraucher 18 ein, verdampft bei einer Temperatur von 2,85 K und bildet den Rücklaufstrom e, der im Wärmetauscher 31 weiter bis auf 3,6 K erwärmt und im Kaltver^ichter 17 auf 0,6 bar und 5,75 K komprimiert wird.
verdampft. Die entstehenden Dämpfe werden adiabatisch im Kaltverdichter 28 auf 0,85 bar komprimiert, wobei die Temperatur auf 3,8 K steigt, wonach der Strom wieder dem Wärmeaustauscher 31 und dem Kälteverbraucher 18 zur neuerlichen Kühlung und Kondensation zugeleitet wird.
Die Anwendung des Helium-Isotops Helium-3, das bei gleichem Druck einen niedrigeren Siedepunkt als das übliche Helium-4 aufweist, verbessert die Betriebs-
JO bedingungen der Kaltverdichter 17 und 28 und erlaubt eine Verringerung der Abmessungen des Kälteverbrauchers 30, der bei niedrigeren Temperaturen betrieben wird. Der Energieaufwand zum Komprimieren des Rücklaufstroms b in der Vakuumpumpe 19 sinkt.
Fig.5 zeigt schließlich den wesentlichen Abschnitt der betrachteten Prozesse im T-s-Diagr?mm, nämlich die Vorgänge in der Verflüssigungsstufe, in der die Dämpfe hinter dem Kälteverbraucher einer adiabatischen Kompression bis auf eine Temperatur unterworfen werden, die der Anfangstemperatur des Entspannens des Hauptstroms nahekommt.
Die Kühlung des Hauptstroms c im Wärmeaustauscher 15 stellt sich dar durch die isobare Linie I-II. Die Entspannung des Hauptstroms c in der Expansionsmaschine 16 verläuft längs der adiabatischen Linie von II zum auf der Flüssigkeitsgrenzkurve liegenden Punkt III. Die Verdampfung des Kreislaufmediums im Kälteverbraucher 18 verläuft längs der isothermen Linie III-IV durch den Naßdampfbereich.
Jetzt schließt sich das adiabatische Komprimieren der Dämpfe im Kaltverdichter 17 an, was durch die adiabatische Linie IV-V gekennzeichnet ist Dabei liegt der Endpunkt V dieser Zustandsänderung auf einem dem Temperaturniveau des Zustandspunkts II fast gleichkommenden Niveau. Im anhand von F i g. 1 gegebenen Beispiel liegt der Punkt II bei 5,9 K und der Punkt V bei 5,75 K. Die Erwärmung des Rückstroms im Wärmetauscher 15 verläuft schließlich längs der Linie V-Vl.
Wie aus dem Diagramm zu ersehen, verläuft der Prozeß der Verflüssigungsstufe theoretisch als vollständig reversibler Prozeß im Unterschied zu bekannten Verfahren, die nach den Linien I-II-III-IV-VII verlaufen und eine wesentliche Irreversibilität infolge der beträchtlichen Temperaturdifferenz in den Punkten II and IV aufweisen. Bei Fehlen des Kaltverdichters zur adiabatischen Kompression des vom Kälteverbraucher kommenden Rücklaufstroms beginnt dessen Erwär-
mung vom Zustandspunkt IV ab.
Es ist zu erkennen, daß die vom Verdichter 1 zu leistende Arbeit beim vorliegend vorgeschlagenen Prozeß wesentlich geringer sein kann, bei dem von der Isobaren ausgegangen wird, auf der der Zustandspunkt VI liegt, während bei den bekannten Verfahren von der Isobaren ausgegangen werden muß, auf der der Zustandspunkt VII liegt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

  1. Patentansprüche;
    lt Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen mit einem gasförmigen Kreislaufmedium, von dem nach seiner Kompression em Hilfsstrom abgezweigt wird, und der verbleibende Hauptstrom stufenweise gekühlt, unter Verflüssigung entspannt und mindestens einem Kälteverbraucher zugeführt wird, in welchem der flüssige Hauptstrom verdampft und als gasförmiger Rücklaufstrom im Kreislauf zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Kälteverbraucher (18; 20) fließende Rücklaufstrom (e) adiabatisch bis auf eine Temperatur komprimiert wird, die nahezu die Temperatur des Hauptstromes (c) vor dessen Entspannung erreicht
  2. 2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufstrom (e) vor dem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten Hauptstrom je) erwärmt wird (F i g. 3).
  3. 3. Verfahren nach Ansprach 1, suit einem weiteren geschlossenen Kältekreislauf, der durch den Rücklaufstrom im Kälteverbraucher des Verfahrens nach Anspruch 1 gekühlt wird und einen weiteren Kälteverbraucher mit einem weiteren Rücklaufstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufstrom (e) vor dem adiabatischen Komprimieren durch den weiteren Rücklaufstrom (I) des weiteren Kälteverbrauchers (30) erwärmt wird, wobei der weitere Rücklaufstrom (I) vorher adiabatisch komprin {■ srt wurde (F i g. 4).
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