DE2800742A1 - Vorrichtung zum erzeugen von kaelte oder zum verfluessigen von gasen - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen von kaelte oder zum verfluessigen von gasen

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DE2800742A1 DE19782800742 DE2800742A DE2800742A1 DE 2800742 A1 DE2800742 A1 DE 2800742A1 DE 19782800742 DE19782800742 DE 19782800742 DE 2800742 A DE2800742 A DE 2800742A DE 2800742 A1 DE2800742 A1 DE 2800742A1
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Description

P. 5273 Bk
Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz
Vorrichtung: zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen in einem Kältekreislauf mit einem ersten Kompressor mit Nachkühler zum Komprimieren des Gases, und Kühlmitteln zum mindestens teilweise Verflüssigen des Gases, weiterhin mit zwei in Serie verbundenen Behältern für das verflüssigte Gas, wobei der Gasraum des ersten den Kühlmitteln folgenden Behälters mit der Saugseite des ersten Kompressors, der Gasraum des zweiten Behälters mit der Saugseite eines zweiten Kompressors in Verbindung steht, dessen Förderseite mit der Saugseite des ersten Kompressors verbunden ist.
Bei einer bekannten Vorrichtung (Proc. 3rd Int. Cryogenic Engineering Conference, Berlin, May 1970, S. 310 - 314, Iliffe Science and Techn. Publ. Ltd.) dieser Art handelt es sich bei dem zweiten Kompressor um eine Maschine mit'bewegten Teilen, wie z. B. Kolbenkompressoren oder Drehkolbengebläse.. Ein Nachteil
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der Verwendung von Kompressoren mit bewegten Teilen für den genannten Zweck besteht darin, dass die Investitions- und Wartungskosten verhältnismässig hoch sind und dass, falls der Saugdruck des zweiten Kompressors unterhalb des atmosphärischen Druckes liegt, die Möglichkeit besteht, dass der Kompressor Luft in den Kältekreislauf einsaugt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs definierten Art zu schaffen, die keine hohen Investitions- und Wartungskosten erfordert. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der zweite Kompressor ein Ejektor ist, dessen Treibstrahleingang mit der Förderseite des ersten Kompressors verbunden ist.
Der Treibstrahleingang kann vor oder nach dem Nachkühler des ersten Kompressors mit dessen Förderseite verbunden sein.
Falls der mit dem Ejektor erzeugbare Druck im Gasraum des zweiten Behälters nicht niedrig genug ist, um die gewünschte tiefe Temperatur des Kältemittels in diesem Behälter zu erreichen, so kann mit dem Ejektor ein weiterer Ejektor in Serie verbunden werden.
Da die Abmessungen eines Ejektors verhältnismässig klein sind, und er keine bewegten Teile enthält kann mindestens einer der Ejektoren in ein Vakuumgehäuse untergebracht sein, in welchem der Druck niedriger ist als der Saugdruck des Ejektors, so .dass keine Fremdgase in den Kältekreislauf geraten können.
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Die Vorrichtung kann mehr als zwei Behälter für Flüssiggas aufweisen. In diesem Fall ist dem Dampfraum des weiteren Behälters ein Ejektor zugeordnet, der parallel zum vorangehenden Ejektor verbunden ist.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte gemäss
der Erfindung;
Fig. 2 und 3 abgewandelte Ausführungsformen.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 weist als Kühlmittel eine Vorkühlstufe I und eine zweite Kühlstufe II auf. In der Vorkühlstufe I wird von einem Kompressor 1 komprimiertes Gas, ζ. Β. gasförmiges Helium, nach Kühlung in einem Nachkühler 2 zwecks Abführung der Kompressionswärme, durch Wärmeaustausch und arbeitsleistende Entspannung auf eine unterhalb seiner Inversionstemperatur liegende Vorkühltemperatur gekühlt. In der der Vorkühlstufe I folgenden zweiten Kühlstufe II wird das vorgekühlte Helium durch Wärmeaustausch weiter abgekühlt und danach in einem Entspannungsventil
3 von Hochdruck auf Verflüssigungsdruck entspannt und hierbei teilweise verflüssigt. Das flüssige Helium 4 wird in einem Behälter 5 gesammelt} es hat dort die dem Druck im Gasraum 6 des Behälters entsprechende Temperatur. Der Gasraum 6 des Behälters
4 steht über eine Leitung 7, die zweite Kühlstufe II und die Vorkühlstufe I in Verbindung mit einer Saugseite 8 des Kompressors 1, der das aus dem Gasraum 6 angesaugte Niederdruckgas ver-
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dichtet und dem beschriebenen Kreislauf erneut zuführt.
Dem Behälter 4 folgt ein weiterer Behälter 10, in dem ein Teil des flüssigen Heliums vom Behälter 4 über eine Leitung 11 übertritt. Die Leitung 11 enthält ein Entspannungsventil 12, so dass das in den Behälter 10 strömende flüssige Helium 13 eine niedrigere Temperatur aufweist als das im Behälter 4. Die Temperatur des Heliums 13 entspricht dem Druck des Gases im Gasraum 14 des Behälters 10. Der Gasraum 14 des Behälters 10 steht über eine Leitung 15 und die beiden Kühlstufen II und I in Verbindung mit einer Saugseite 20 eines Ejektors 21. Das Treibmittel für den Ejektor 21 ist von der Hochdruckleitung 24 des Kompressors 1 abgezweigtes Hochdruck-Heliumgas, das über eine Zweigleitung 25 mit einem Ventil 26 den Treibstrahleingang 27 des Ejektors 21 erreicht. Der Diffusorausgang 28 des Ejektors ist mit der Saugseite 8 des Kompressors 1 verbunden. In einem der Behälter 4 oder 10 oder auch in beiden kann sich ein Kälteverbraucher befinden, z. B. eine Wicklung 27 eines supraleitenden Magneten, oder sonst kann das flüssige Helium eines oder beider Behälter einem anderen Verwendungszweck zugeführt werden. Wenn es erwünscht ist, die Temperatur des flüssigen Heliums 13 im Behälter 10 zu verringern, so wird durch weiteres Oeffnen des Ventils 26 der Treibstrahl im Ejektor 21 verstärkt, so dass der Druck im Gasraum 14 des Behälters 10 sinkt und das flüssige Helium 13 die gewünschte, niedrigere Temperatur annimmt.
Die Zweigleitung 25 für den Treibstrahl des Ejektors 20 ist
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nach dem Nachkühler 2 abgezweigt. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Ejektor 21 kein Kühler für das Helium nötig ist. Die Zweigleitung 25 kann jedoch stattdessen vor dem Nachkühler 2, das heisst zwischen Kompressor 1 und Nachkühler 2, abgezweigt sein, was den Vorteil aufweist, dass der Massenstrom des Treibstrahles für den Ejektor 21 kleiner ist. Es ist in diesem Falle jedoch von Vorteil, einen Kühler zwischen Ejektor und Kompressor vorzusehen.
Falls der Druck im Gasraum 14 so niedrig oder der Druckabfall in der Leitung 15 so gross ist, dass der Druck auf der S=mgseite 20 des Ejektors unterhalb des äusseren Atmosphärendruckes liegt, so kann der Ejektor 21 in einem Vakuumgehäuse 29 untergebracht sein, was den Vorteil bietet, dass keine Fremdgase eindringen und in den Kältekreislauf eingeführt werden können. Hier liegt der Grund für einen weiteren Vorteil der Verwendung eines Ejektors statt der bekannten Kompressoren mit bewegten Teilen, da diese zu grosse Abmessungen aufweisen, um wirtschaftlicherweise in ein Vakuumgehäuse untergebracht werden zu können. Das Vakuumgehäuse 29 bildet vorteilhafterweise einen Teil des Vakuumgehäuses ("Coldbox"), in welchem bei Heliumkälteanlagen auch die Vorkühlstufen I und II untergebracht sind.
Statt des Drosselventils 3 kann als Entspannungsvorrichtung ein Ejektor 30 vorgesehen sein, in dessen Treibdüse die Entspannung und teilweise Verflüssigung des Hochdruckgases stattfindet. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Saugseite des Ejektors 30
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über eine Leitung 31 mit dem Dampfraum 14 des Behälters 10 zu verbinden, weil er dann den Ejektor 21 entlastet, so dass dieser eventuell kleinere Abmessungen haben kann und weniger Treibgas benötigt.
Das hier als Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte mit Helium als Kältemittel vorgeführte Ausführungsbeispiel kann auch zur Erzeugung von Kälte mit anderen Kältemitteln und zum Verflüssigen von Helium oder von anderen Gasen Verwendung finden. Verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten gibt es auch für die Kühlstufen I und II, Die Kühlstufe I kann z. B. bei Helium als Kältemittel im Hauptkreis als separate Stickstoff- und/oder Wasserstoff-Kältekreislauf ausgeführt sein. Bei anderen Kältemitteln, wie z. B. Ammoniak, kann z. B. die Kühlstufe I ganz entfallen, während die Kühlstufe II aus einem wassergekühlten Kondensator besteht. Weiterhin, die Saugleitung 15 braucht nicht durch die Kühlstufe I und II zu verlaufen, sondern kann stattdessen getrennt davon verlaufen.
Falls der mit dem Ejektor 21 erzeugbare Unterdruck im Gasraum 14 des Behälters 10 nicht niedrig genug ist, um die gewünschte tiefe Temperatur des flüssigen Heliums zu erreichen, kann, wie das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 zeigt, ein zweiter Ejektor 35 mit dem Ejektor 21 in Serie verbunden sein. Der Treibstrahleingang 36 dieses Ejektors ist über eine Leitung 37 mit Ventil 38 von der Hochdruckleitung 24 abgezweigt. Die Saugseite 39 des Ejektors 35 ist mit der Leitung 15 verbunden, die zum Gasraum 14 des Behälters 10 führt. Weiterhin ist der Diffusorausgang 40
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des Ejektors 35 mit der Saugseite 20 des Ejektors 21 verbunden. Mit Hilfe des Ventils 38 wird der Treibstrahl für den Ejektor 35 so eingestellt, dass die Gesamtleistung beider Ejektoren die erforderliche Höhe erreicht.
Die Vorrichtung kann mehr als zwei Behälter für flüssiges Helium aufweisen. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung mit drei Behältern. Ein Behälter 41 folgt über eine Leitung 42 mit Entspannungsventil dem Behälter 10. Der Dampfraum 44 des Behälters 41 ist über eine Saugleitung 45 mit einer Saugseite 46 eines Ejektors 47 verbunden. Ein Treibstrahleingang 48 des Ejektors 47 steht über eine Leitung 49 mit einem Ventil 50 mit der Zweigleitung 25 des Kompressors 1 in Verbindung. In der Treibstrahlleitung 51 des Ejektors 21 ist ein Ventil 52 angebracht, zwecks Einstellung des Treibstrahldruckes. Der Diffusorausgang 53 des Ejektors steht über eine Leitung 54 und die Leitung 7 mit der Saugseite des Kompresors 1 in Verbindung. Mit Hilfe des Ventils 50 wird die Stärke des Treibstrahles des Ejektors 47 so eingestellt, dass dessen Diffusordruck übereinstimmt mit dem Saugdruck in der Saugleitung 7 des Kompresors 1. Das flüssige Helium im Behälter 41 hat die bei dem Druck in der Saugleitung 45 gehörende Temperatur.
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Le
-to-
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    rl., Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte oder zum Verflüssigen von Gasen in einem Kältekreislauf mit einem ersten Kompressor mit Nachkühler zum Komprimieren des Gases, und Kühlmitteln zum mindestens teilweise Verflüssigen des Gases, weiterhin mit zwei in Serie verbundenen Behältern für das verflüssigte Gas, wobei der Gasraum des ersten den Kühlmitteln folgenden Behälters mit der Saugseite des ersten Kompressors, der Gasraum des zweiten Behälters mit der Saugseite eines zweiten Kompressors in Verbindung steht, dessen Förderseite mit der Saugseite des ersten Kompressors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kompressor ein Ejektor (21, 35) ist, dessen Treibstrahleingang (27, 36) mit der Förderseite des ersten Kompressors (1) verbunden ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstrahleingang (27, 36) nach dem Nachkühler (2) mit der Förderseite des ersten Kompressors (1) verbunden ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstrahleingang (27, 36) vor dem Nachkühler (2) mit der Förderseite des ersten Kompressors (1) verbunden ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ejektor (21) ein weiterer Ejektor (35) in Serie verbunden ist.
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    ORIGINAL INSPECTED
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Ejektoren (21) sich in einem Vakuumbehälter (29) befindet.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, in der die Kühlmittel einen Ejektor als Entspannungsvorrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite des Ejektors (30) mit dem Dampfraum (14) des zweiten Behälters (10) verbunden ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, mit mindestens einem weiteren Behälter für flüssiges Gas, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dampfraum (44) des weiteren Behälters (41) ein Ejektor (47) zugeordnet ist, der parallel zum vorangehenden Ejektor (21) verbunden ist.
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