DE2730155C3 - Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen - Google Patents
Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener TemperaturenInfo
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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 mindes'ens
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 20 + 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 zur Kompensation von irreversiblen Verlusten sowie zur weiteren Kühlung des Hauptstroms
dient
Um die 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 Druckniveau, auf das entspannt
wird, ergibt das erreichbare Kälteniveau. So muß zum Beispiel zur Kälteerzeugung im Bereich von 1,8 -*- 2,0 K
auf einen Druck von 12 -^ 20 mm Quecksilbersäule entspannt werden.
:5 Bei dem bekannten Verfahren durchläuft das nach seiner 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 +- 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 -s- 50 K angestiegen ist Hinzu kommen
Verluste dadurch, daß nach der Verdichtung des Rücklaufstroms auf den Atmosphärendruck in diesem
J5 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 durchströmt. 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 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
·>■> KälteerzeiJgungsprozeß dem reversiblen Kreisprozeß
maximal nahe und ist durch minimale Irreversibilitätsverluste gekennzeichnet.
Durch das Entspannen des vorlaufenden Haupt-
stroms auf unterschiedliche Drücke erzeugt man Kälte
auf verschiedenen Temperaturniveaus. Das Komprimieren des Rücklaufstroms erfolgt in einem Verdichter, der
bei der Temperatur des flüssigen 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 Kälteverbraucher 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 Wärmetausch 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 Fäüen wird eine wesentliche Verringerung
des Energieaufwandes erreicht, weil die beschriebenen Prozesse bei minimalen irreversiblen Verlusten 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 geschlossener, Kältekreislauf, der
durch den Rücklaufstrom im Kälteverbraucher des vorgeschlagenen Verfahrens gekühlt wird, und ein
weiterer Kälteverbraucher mit einem weiteren Rücklaufstrom vorhanden >st, ist es zweckmäßig, wenn der
Rücklaufstrom vor dem adiabatischen Komprimieren durch den weiteren Rücklaufstrom des weiteren
Kälteverbrauchers erwärmt wird, wobei der weitere 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 Druck« des Rücklaufstroms aus dem ersten Kälteverbraucher auf ein
niedrigeres Temperaturniveau.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat Vorteile auch dann, wenn es in dem weiteren Kälteverbraucher auf
einem niedrigeren Temperaturniveau zu einer Verunreinigung des Kreislaufmediums kommen kann. Ir, diesem
Fall verringern sich wegen der Verminderung der Menge des umlaufenden Gases die Abmessungen de.
Vorrichtungen zur Reinigung des Heliums.
Ferner ergibt sich die Möglichkeit, als Kreislaufmedium
im weiteren geschlossenen Kreislauf das niedriger siedende Heliumisotop Helium-3 zu verwenden. Dabei
gelingt es, das Temperaturniveau der erzeugten 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,
F i g. 2 eine Anlage, in der ein Teil des verflüssigten Hauptstroms zusätzlich durch den anderen Teil des
Hauptstroms gekühlt wird, welch:! auf einen nochmals
niedrigeren Druck entspannt wird, v.n 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 Rücklaufstrom 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 Fig. 1 verlaufenden Zustandsänderungen
im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-S-Diagramm).
Bei der Anlage gemäß F i g. 1 wird gasförmiges Helium als Kreislaufmedium in einem Verdichter 1 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 3 durchströmenden Rücklaufstrom b gekühlt und wird
danach in einen vorlaufenden Hauptstrom c der nach Pfeil Cströmt, und einen vorlaufenden Hilfsstrom d, der
nach Pfeil D strömt, geteilt.
Der 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 dum ca. 10 ■+■ 20 K. Um die
gleiche Temperaturdifferenz wird in dem Wärmeaustauscher 4 der Hauptstrom cgekühlt.
Das komprimierte Kreislaufmedium wird also in der ernten Kühlungsstufe 2 auf eine bestimmte Temperatur
gekühlt, wobei durch die Entspannung des Hilfsstroms d unter Energieentnahme die Energieve.'iuste 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 5 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 Hauptstroms c.
Anschließend wird der Ilauptstrom 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 c/nur m
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
zurückkommenden Rücklaufstrom e vereinigt, wodurch der in Pfeilrichtung B strömende gesamte Rücklaufstrom
6 gebildet wird.
Aus der dritten Kühlungsstufe 10 gelangt der Hauptstrom czur Verflüssigungsstufe 14, die aus einem
Wärmetauscher 15. einer Expansionsmaschine 16 und 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 Kälteverbraueher
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 c/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 Helium 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 ^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 150K
sinkt.
In der zweiten Kühlungsstufe 6 wird der Hauptstrom
c 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 143 K gekühlt Der Hilfsstrom c/wird <-,o
nach seiner Kühlung in dem Wärmetauscher 11 in der Expansionsmaschine 13 auf den Druck des Rücklaufstroms
b. d. h. auf Atmosphärendruck, entspannt, wobei
seme Temperatur auf 143 K sinkt
Im Wärmetauscher 15 wird der Hauptstrom cauf eine ^5
Temperatur von =>.<» K gekühlt und danach in der
Expansionsmaschine 16 auf einen Druck von 0.42 bar unter Bildung von flüssigem Helium entspannt. Das
flüssige I lcliiim flieüt in den Kiilteverbraucher 18.
Durch das Verdampfen des flüssigen Heliums im
Kälteverbraucher 18 hei 0.42 bar stellt sich die zu diesem Druck gehörende Verdampfungstemperatur
von 3.4 K ein.
Die Heliumdämpfe treten bei dieser Temperatur als Rücklaufstrom c in den Kaltverdichter 17 ein, wo sie auf
1.3 bar bei 5.73 K komprimiert werden. Durch diesen
etwas über dem Atmosphärendruck liegenden Druck wird der Kreislauf des Heliums gewährleistet, d.h. es
werden die Strömungsverluste der Rücklaufströme c und b in den Wärmetauschern 15, 12, 11, 8, 7, 4 und 3
gedeckt, bis der Verdichter 1 bei etwa Atmosphärendruck und 295 K wieder erreicht wird. Dadurch schließt
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-Verbrauchs.
Dadurch kann praktisch ohne Vergrößerung 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 Kälteerzeu
gung 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 43 K beträgt, der Druck des Rücklaufstroms e hinter dem
Kalt verdichter 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 Kreislaufme dium mit einer Temperatur zugeführt wenden kann, die
unter dem dem Druck im Kälteverbraucher entspre chenden Siedepunkt des Kreislaufmediums liegt Hier
bei 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 15 in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen
Druck entspannt, der dem Druck im Kälteverbrauchcr 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 Teilstro.·., f und einen in Richtung G strömenden
Tt'ilstrom g aufgeteilt. Der Teilstrom f wird im Ventil
19;) auf einen nochmals niedriger liegenden Druck 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 duidbäiiSCn uüiCn ucii Kaitveiuieiitci i7 wieder auf (Jas
Druckniveau des Rücklaufstroms gebracht werden, zur 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 Ri^klaufstrom e über ein Ventil 21 zugemischt
wird, 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.
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
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 hinter dem Wärmetauscher 12 eingeleitet und der
Strom h wird in dem nachfolgenden Kälteverbraucher 25 bis nahe an die Umgebungstemperatur erwärmt, um
danach in den Rücklaufstrom 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 iOOK gekühlt und in den i5% ausmachenden
Hauptstrom c und den Hilfsstrom d geteilt. Der
Hauptsirom c wird im Wärmeaustauscher 4 auf 95 K gekühlt und der Hilfsstrom d\n 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 t/wircl nach der Kühlung in dem Wärmetauscher
7 in der Expansionsmaschine 9 auf 12 bar entspannt; seine Temperatur sinkt dabei fast bis auf
3OK.
In der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom
c in den Wärmetauschern 11 und 12 auf 5,9 K gekühlt,
und der Hilfsstrom r tritt nach der Kühlung in dem Wärmetauscher Il 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 b 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
Der hiervon abgezweigte Teilstrom g wird im 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 Heliumdämpfe 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 3,5 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. 1 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 Rücklaufstrom 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 Riicklaufstrom e
zurückkommende, wieder verdampfte Helium wird im Wärmetauscher 26 vom entspannten Hauptstrom rauf
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 άτ 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. I als Wärmetauscher zur Kühlung des
Kreislaufmediums des weiteren geschlossenen Kreislaufs. Als Kreislaufmedium im ersten Kältekreislauf
dient das Heliumisotop HeIium-4 und als Kreislaufmedium im weiteren Kältekreislauf das Heliumisotop
Helium-3.
Das Helium-4 zirkuliert in der bereits betrachteten 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 wild. 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, der 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 ein die Verflüssigungsstufe 14 ein, wo er im
Wärmeaustauscher 15 auf 5,9 K gekühlt und in der Expansionsmaschine 16 unter Verflüssigung auf 0.2 bar
entspannt wird. Danach tritt er in den Kälteverbraucber
18 ein. verdampft bei einer Temperatur von 2,85 K upa
bildet den Rücklaufstrorn ε, άζτ im Wärmetauscher 3!
weiter bis auf 3.6 K erwärmt und im Kaltvcrdichter 17
auf 0.6 bar und 5.75 K komprimiert wird.
Hinter dem Kaltverdichter 17 strömt der Rücklaufstrom
edur !i den Wärmeaustauscher 15 und vereinigt
sich mit dem Hilfsstrom d, wodurch der gesamte Rücklaufstrom b entsteht. Dieser passiert die Wärme-
-. tauscher 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.
in 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
Temperatur von 1.8 K seine Kälte abgibt und dabei 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 Betriebsbedingungen 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-Diagramm, 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-Il. 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 IU-IV durch den Naßdampfbereich.
*o 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 Fig. \ gegebenen Beispiel liegt der Punkt Il 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
o5 beträchtlichen Temperaturdifferenz in den Punkten II
und IV aufweisen. Bei Fehlen des Kaitverdichters zur
adiabatischen Kompression des vom Kälteverbraucher kommenden Rücklaufstroms beginnt dessen Erwär-
mung vom Zustandspunki 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 i
Vl 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. Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen mit einem gasförmigen
Kreislaufmedium, von deim 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 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)\or dessen Entspannung erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklaufstrom (e) vor dem
adiabatxschen Komprimieren durch den entspannten Haupisirorn (ty erwärmt wird (F i g. 3).
3. Verfahren nach Anspruch 1, mit 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 de ■ weitere Rücklaufstrom (I) vorher adiabatisch
komprimiert wurde (F ■ g. 4).
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/807,745 US4189930A (en) | 1977-06-17 | 1977-06-17 | Method of obtaining refrigeration at cryogenic level |
CH762577A CH625037A5 (de) | 1977-06-17 | 1977-06-21 | |
GB27697/77A GB1539132A (en) | 1977-06-17 | 1977-07-01 | Method of obtaining refrigeration at cryogenic temperatures |
DE2730155A DE2730155C3 (de) | 1977-06-17 | 1977-07-04 | Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen |
FR7726081A FR2401392A1 (fr) | 1977-06-17 | 1977-08-26 | Procede de production de froid au niveau des temperatures cryogeniques |
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/807,745 US4189930A (en) | 1977-06-17 | 1977-06-17 | Method of obtaining refrigeration at cryogenic level |
CH762577A CH625037A5 (de) | 1977-06-17 | 1977-06-21 | |
GB27697/77A GB1539132A (en) | 1977-06-17 | 1977-07-01 | Method of obtaining refrigeration at cryogenic temperatures |
DE2730155A DE2730155C3 (de) | 1977-06-17 | 1977-07-04 | Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen |
FR7726081A FR2401392A1 (fr) | 1977-06-17 | 1977-08-26 | Procede de production de froid au niveau des temperatures cryogeniques |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2730155A1 DE2730155A1 (de) | 1979-01-11 |
DE2730155B2 DE2730155B2 (de) | 1981-04-09 |
DE2730155C3 true DE2730155C3 (de) | 1981-12-24 |
Family
ID=27509307
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2730155A Expired DE2730155C3 (de) | 1977-06-17 | 1977-07-04 | Verfahren zum Erzeugen von Kälte im Bereich kryogener Temperaturen |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4189930A (de) |
CH (1) | CH625037A5 (de) |
DE (1) | DE2730155C3 (de) |
FR (1) | FR2401392A1 (de) |
GB (1) | GB1539132A (de) |
Families Citing this family (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4346563A (en) * | 1981-05-15 | 1982-08-31 | Cvi Incorporated | Super critical helium refrigeration process and apparatus |
JPS59122868A (ja) * | 1982-12-27 | 1984-07-16 | 高エネルギ−物理学研究所長 | ネオンガスを利用したカスケ−ドタ−ボヘリウム冷凍液化装置 |
US4548053A (en) * | 1984-06-05 | 1985-10-22 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Combined cold compressor/ejector helium refrigerator |
US4840043A (en) * | 1986-05-16 | 1989-06-20 | Katsumi Sakitani | Cryogenic refrigerator |
US4951471A (en) * | 1986-05-16 | 1990-08-28 | Daikin Industries, Ltd. | Cryogenic refrigerator |
US4765813A (en) * | 1987-01-07 | 1988-08-23 | Air Products And Chemicals, Inc. | Hydrogen liquefaction using a dense fluid expander and neon as a precoolant refrigerant |
US4766741A (en) * | 1987-01-20 | 1988-08-30 | Helix Technology Corporation | Cryogenic recondenser with remote cold box |
USRE33878E (en) * | 1987-01-20 | 1992-04-14 | Helix Technology Corporation | Cryogenic recondenser with remote cold box |
US4894076A (en) * | 1989-01-17 | 1990-01-16 | Air Products And Chemicals, Inc. | Recycle liquefier process |
DE19525638C2 (de) * | 1995-07-14 | 1998-04-09 | Univ Dresden Tech | Kühlverfahren mittels tiefsiedender Gase und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
FR2775518B1 (fr) * | 1998-03-02 | 2000-05-05 | Air Liquide | Procede et installation de production frigorifique a partir d'un cycle thermique d'un fluide a bas point d'ebullition |
FR2775846B1 (fr) * | 1998-03-05 | 2000-06-23 | Alsthom Cge Alcatel | Procede pour le maintien a basse temperature d'une cryoliaison supraconductrice |
JP3958214B2 (ja) * | 2000-11-10 | 2007-08-15 | タクティカル ファブス インコーポレイテッド | 不連続極低温混合ガス冷凍システム |
US6484516B1 (en) * | 2001-12-07 | 2002-11-26 | Air Products And Chemicals, Inc. | Method and system for cryogenic refrigeration |
US6631625B1 (en) * | 2002-11-27 | 2003-10-14 | Gsle Development Corporation (De Corp) | Non-HCFC refrigerant mixture for an ultra-low temperature refrigeration system |
JP4399770B2 (ja) * | 2003-09-19 | 2010-01-20 | 住友電気工業株式会社 | 超電導ケーブルの運転方法および超電導ケーブルシステム |
JP6513400B2 (ja) * | 2011-07-01 | 2019-05-15 | ブルックス オートメーション インコーポレイテッド | コンパクトで効率的な冷凍と適応性のある電源管理のための、極低温熱交換器アレイを暖めるシステムおよび方法 |
DE102019206904B4 (de) * | 2019-05-13 | 2022-06-02 | Technische Universität Dresden | Verfahren zur Kühlung eines Fluidgemischs |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3613387A (en) * | 1969-06-09 | 1971-10-19 | Cryogenic Technology Inc | Method and apparatus for continuously supplying refrigeration below 4.2 degree k. |
US3934424A (en) * | 1973-12-07 | 1976-01-27 | Enserch Corporation | Refrigerant expander compressor |
-
1977
- 1977-06-17 US US05/807,745 patent/US4189930A/en not_active Expired - Lifetime
- 1977-06-21 CH CH762577A patent/CH625037A5/de not_active IP Right Cessation
- 1977-07-01 GB GB27697/77A patent/GB1539132A/en not_active Expired
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FR2401392B1 (de) | 1980-02-22 |
DE2730155B2 (de) | 1981-04-09 |
FR2401392A1 (fr) | 1979-03-23 |
GB1539132A (en) | 1979-01-24 |
US4189930A (en) | 1980-02-26 |
DE2730155A1 (de) | 1979-01-11 |
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