DE4134588A1 - Kuehlanlage, insbesondere fuer gasverfluessigung - Google Patents

Kuehlanlage, insbesondere fuer gasverfluessigung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verflüssigungsverfahren eines gasförmigen Fluids mit einem niedrigen Siedepunkt und weist das Vorkühlen des gasförmigen Fluids, sein Kühlen auf eine Temperatur nahe seines Verflüssigungspunktes und dann sein Expandieren auf, bevor es im mindestens teilweise flüssigen Zustand gesammelt wird.
Ein Verfahren dieser Art ist in der US-PS 40 48 814 beschrieben. Bei den klassischen Verfahren dieser Art erfolgt die letzte Expansion mittels eines Ventiles, wo eine isenthalpische Expansion ausgeführt wird. Obwohl die zur Verfügung stehende Energie in dem Fluid mit sehr niedriger Temperatur sehr gering ist, ist es interessant, sie zu extrahieren, denn sie steht bei einer Temperatur sehr nahe derjenigen der Gasverflüssigung zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches eine vergrößerte Leistung aufweist und insbesondere eine beachtliche Verringerung der Gasphase im Hinblick auf deren Beseitigung erlaubt, welche die Endexpansion verläßt.
Um diese Aufgabe zu lösen, erfolgt gemäß einem Merkmal der Erfindung die Expansion derart, daß eine unterkühlte Flüssigkeit erhalten wird.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die Expansion bei dem Fluid in einem überkritischen Zustand.
Bei diesem Verfahren verändern sich die Standardeigenschaften des Fluid mittels der Expansion in einer im wesentlichen kontinuierlichen Weise ohne die Probleme der Diskontinuität zwischen gasförmiger Phase und flüssiger Phase, die man gewöhnlich bei diesen Temperaturen antrifft. Weil der von der Turbine hervorgebrachte Enthalpieabfall niedrig ist, kann ihre Drehzahl gering sein, und die Turbine kann folglich mit einer großen Sicherheitsspanne arbeiten. Während Übergangsbereichen unterliegen die Eigenschaften des Fluids am Eintritt der Turbine nicht großen Veränderungen, und die Betriebsbedingungen der Turbine werden folglich nicht beeinträchtigt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Kühlung durch mindestens zwei aufeinanderfolgende Wärmetauscher, wobei mindestens eine Expansion in vorteilhafter Weise zwischen den zwei Wärmetauschern ausgeführt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kühlanlage mit einem Kreislauf für ein Fluid mit niedrigem Siedepunkt, einschließlich einer Vorkühlstufe, einer Kühlstufe und einem Speicher für verflüssigtes Gas, wobei die Kühlstufe mindestens einen Wärmetauscher und Mittel für die Endexpansion aufweist, und die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel für die Endausdehnung dynamisch ist und am Auslaß eine unterkühlte Flüssigkeit erzeugt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders geeignet für den Betrieb von Kühlanlagen hoher Leistung, in welchem Falle das Mittel für die Endausdehnung in vorteilhafter Weise eine Turbine ist. Für die Anlagen kleinerer Leistung kann die Turbine durch eine sich hin- und herbewegende Expansionsvorrichtung ersetzt werden und insbesondere durch einen Kolben einer sich hin- und herbewegende Ausdehnungseinrichtung mit zwei Kolben, deren anderer Kolben zwischen zwei Wärmetauschern abstromig von der Kühlstufe zwischengeschaltet ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Betriebsverfahren und der Anlage, die zum Zwecke der Veranschaulichung ohne die Absicht einer Beschränkung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen hervorgehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Betriebsart der Kühlanlage gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Betriebsverfahrens analog der erstgenannten.
In der folgenden Beschreibung und den anliegenden Zeichnungen tragen Identische oder analoge Elemente dieselben Bezugszahlen.
In Fig. 1 sieht man einen Helium-Kühlkreislauf, der für die Kühlung von supraleitenden Räumen geeignet ist und einen Kompressor 1, eine Zuführleitung a, einen Speicher für verflüssigtes Gas 2 und eine Rückführleitung b aufweist. Die Anlage weist eine Vorkühlstufe 3 auf mit mehreren Gegenstromwärmetauschern, die in Reihe angeordnet sind, wie z. B. bei 4, die gegebenenfalls in Reihe oder parallel Turbinen zugeordnet sind, wie z. B. bei 5 gezeigt. Die Vorkühlstufe 3 wird von einer Kühlstufe gefolgt mit z. B. gemäß Darstellung in Fig. 1, drei aufeinanderfolgenden Gegenstromwärmetauschern 6,7 und 8, welche von den Leitungen a und b durchquert werden. Die Endausdehnungsstufe wird hier durch eine Turbine 9 sichergestellt, deren Einlaß mit Helium in einem überkritischen bzw. superkritischen Zustand bei einem Druck in der Größenordnung von 3 bis 4×105 Pa und einer Temperatur von etwa 4,5 K beschickt wird. Am Auslaß der Turbine 9 wird das Helium hauptsächlich flüssig und unterkühlt bei einem Druck von etwa 1,3× 105 Pa und bei einer Temperatur in der Größenordnung von 4,4 K erhalten.
Um die erforderlichen Bedingungen am Einlaß der Turbine 9 zu garantieren, wird gemäß einem Aspekt der Erfindung das in den Wärmetauschern 6 und 7 gekühlte Gas einer Teil-Expansion bzw. -Ausdehnung mittels einer ersten Turbine 10 unterworfen, die zwischen den zwei aufstromigen Austauschern 6 und 7 zwischengeschaltet ist, und mittels einer zweiten Turbine 11, die zwischen den zwei abstromigen Austauschern 7 und 8 zwischengeschaltet ist. Diese Anordnung erlaubt eine große Steigerung des Wirkungsgrades bzw. des Leistungsvermögens der Wärmetauscher 7 und 8, denn weil der Grad der Ausdehnung des Gases geteilt ist, wird die Temperaturspanne in jeder Turbine reduziert, und folglich wird die Spanne am kalten Ende des benachbarten Austauschers in gleicher Weise verringert. Wenn die Unterbrechungstemperatur am kalten Ende erhöht ist, wird hierdurch eine Verringerung des Fluidstromes ermöglicht, welcher die Vorkühlstufe durchläuft. Das Leistungsvermögen der Verflüssigung in der Expansionsturbine 9 erlaubt zusätzlich die Verringerung des umgewälzten Fluidstromes im kalten Ende. Die Verringerung dieser zwei Ströme gestattet insbesondere die Verbesserung der Gesamtleistung des Kreislaufes. Als Hinweiswert liegt die Gastemperatur in der Leitung a am Ausgang der Vorkühlstufe 3 in der Größenordnung von 20 H und bei einem Druck zwischen 15 und 18×105 Pa, wobei die zwei Turbinen 10 und 11 diesen Druck an den Eingang des abstromigen Wärmetauschers 8 auf etwa 4×105 Pa zurückbringen. Wie man aus dem Vorstehenden sieht, steht das flüssige Helium in dem Speicher 2 bei einem Druck in der Größenordnung von 1,2 bis 1,3×105 Pa und bei einer Temperatur von 4,4 K zur Verfügung.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2, die besonders für Anlagen mittlerer Leistung geeignet ist, wird die Turbine 9 durch eine der Zylinder-Kolben-Anordnungen 11′ einer hin- und herbewegter Expansions- bzw. Dehneinrichtung mit zwei Kolben 12 ersetzt, deren anderer Kolben, der mechanisch in Gegenphase mit dem Kolben 11′ verbunden ist, zwischen die zwei Austauscher 7 und 8 zwischengeschaltet ist anstelle der abstromigen Turbine 11 der vorhergehenden Ausführungsform.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und geeignet für verschiedene Modifikationen und Varianten, welche dieselbe Aufgabe erfüllen. Insbesondere kann die abstromige Turbine 11 in einer Umgehungsschleife der Leitung a angeordnet sein, welche den abstromigen Austauscher 8 umgeht und einen Austauscher 7 einschließt.

Claims (5)

1. Kühlanlage mit einem Kreislauf (a, b) für Fluid mit einem niedrigen Siedepunkt, mit einer Vorkühlstufe (3), einer Kühl- bzw. Kälteerzeugungsstufe und einem Speicher (2) für verflüssigtes Gas, wobei die Kühlstufe mindestens einen Wärmetauscher (8) und ein dynamisches Endausdehnungsmittel (9, 9′) aufweist, wobei am Auslaß eine unterkühlte Flüssigkeit vorgesehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstufe mindestens zwei Austauscher (6; 7; 8) in Reihe und mindestens eine Ausdehnungsvorrichtung (10; 11; 11′) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Austauschern aufweist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsvorrichtung eine Turbine (10; 11) ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endausdehnungsmittel eine Turbine (9) ist.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Endausdehnungsmittel eine hin- und herbewegte Ausdehnungsvorrichtung (9′) ist.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsvorrichtung (11′) und das Endausdehnungsmittel (9′) jeweils aus einer hin- und herbewegten Ausdehnungs- Kolbeneinrichtung mit zwei Kolben (12) besteht.
DE4134588A 1990-10-26 1991-10-19 Kuehlanlage, insbesondere fuer gasverfluessigung Ceased DE4134588A1 (de)

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