DE69000766T2

DE69000766T2 - Kaelteverfahren und -vorrichtung unter verwendung von einer kaeltemittelmischung.

Info

Publication number: DE69000766T2
Application number: DE9090402595T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gauthier
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1989-10-09
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2010-09-21
Also published as: JP3006692B2; FR2652884A1; US5086623A; FR2652884B1; AU6327690A; KR910008351A; EP0422973B1; JPH03134437A; DE69000766D1; CA2027066A1; EP0422973A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kälteverfahren und -vorrichtung unter Verwendung eines Kältemittelgemisches. Sie betrifft in erster Linie ein Kälteverfahren vom Typ, in welchem eine Gasgemisch einem Zyklus unterworfen wird mit den Schritten der Kompression auf einen hohen Zyklusdruck, der Kondensation durch Kühlen auf den hohen Druck, der Entspannung auf einen Niederdwck des Zyklus und der Verdampfung auf den niedrigen Druck.
Die klassischen KäItezyklen, die als Kältemittelfluid einen reinen Körper benutzen, lassen dieses Fluld sich zwischen zwei Temperaturen, niedrig T1 und hoch T2 und zwischen zwei Drücken, niedrig P1 und hoch P2, bewegen. Damit der Zyklus wirtschaftlich und zuverlässig verläuft, wählt man P1 nicht unter dem Atmosphärendruck; übrigens ist P2 nach oben durch einen Maximaldruck begrenzt, der niedriger als der kritische Druck PC des reinen Körpers ist. In der Tat steigt oberhalb dieses Maximaldruckes die Nichtumkehrbarkeit des thermodynamischen Zyklus erheblich. Andererseits ist die hohe Temperatur T2 gewöhnlich die Umgebungstemperatur, um die Benutzung eines Kondensators mit Wasser oder mit Luft zu erlauben.
Um tiefere Kältetemperaturen zu erreichen, wurde die Technik, mit klassischer Kaskade genannt, vorgeschlagen, wobei eine Folge von Kälte erzeugenden Zyklen verwendet wird, der jeder einen reinen Körper benutzt Diese Lösung ist wirksam aber kostspielig und wenig verläßlich, weil sie eine große Anzahl von Kompressionsmaschinen benutzt.
Um einen einzigen Kompressor zu behalten, hat man die Verfahren vom oben beschriebenen Typ vorgeschlagen, gemäß der Technik, genannt "mit incorporierter Kaskade" vorgeschlagen. Diese Lösung hat sich als schwierig durchführbar erwiesen und rechtfertigt sich nur für große Anlagen.
Die Erfindung hat zum Ziel, eine Technik zu liefern, die auf Anlagen von relativ kleiner Größe anwendbar ist und die, mit einem einzigen Zykluskompressor erlaubt, in einfacher Weise die Kältetemperatur abzusenken.
Hierfür hat die Erfindung ein Verfahren vom vorgenannten Typ zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß:
- man ein Gemisch mit einer schweren Fraktion und mindestens einem leichten Bestandteil verwendet;
- man den wesentlichen Teil des leichten Bestandteiles der schweren Fraktion durch Permeation zwischen einem Kompressionsschritt und dem Schritt der Kondensation durch Kühlung trennt;
- man nur den Rückstand der Permeation dem Schrift der Kondensation durch Kühlung und dem Entspannungsschritt unterwirft;
- man das Permeat dem entspannten Rückstand zufügt; und
- man die Gesamtheit des Gemisches dem Verdampfungsschritt unterwirft.
Die Erfindung hat auch eine Anlage zum Gegenstand, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens bestimmt ist. Diese Anlage mit einer Schleife, die in Reihe einen Kompressor, einen Kondensator, Entspannungsmittel und Verdampfungsdurchgänge eines indirekten Wärmetauschers aufweist, der außerdem Durchgänge für ein zu kühlendes Fluid hat, wobei diese Schleife von einem Gemisch durchlaufen wird, welches beim Ansaugen des Kompressors gasförmig ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß:
- das Gasgemisch eine schwere Fraktion und mindestens einen leichten Bestandteil aufweist; und
- die Schleife zwischen dem Kompressor und dem Kondensator eine Permeationsvorrichtung aufweist, die für den leichten Bestandteil erheblich durchlässiger ist als für die schwere Fraktion, dessen Hochdruckseite mit dem Kondensator und dessen Niederdruckseite mit dem Ausgang des Entspannungsmittels verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jetzt in Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, auf welcher die einzige Figur schematisch eine Kühlanlage nach der Erfindung zeigt.
Die in der Zeichnung dargestellte Anlage ist dazu bestimmt, ein in einer Leitung 1 zirkulierendes Fluid abzukühlen. Sie weist einen einzigen Zykluskompressor 2, eine Permeationsvorrichtung 3, einen Kondensator 4, einen indirekten Wärmetauscher 5 und ein Entspannungsventil 6 auf.
Der Kältezyklus benutzt ein Kältemittelgemisch, welches aus einer schweren Fraktion und mindestens einem leichten Bestandteil besteht, der leicht von diesem durch Permeation abzutrennen ist, typisch ein Gemisch aus Propan und Wasserstoff und/oder Helium. Dieses Gemisch erreicht in gasförmigem Zustand über eine Leitung 7 den Kompressor 2 unter einem niedrigen Druck P1 beinahe gleich dem atmosphärischen Druck und wird auf den Druck P2 komprimiert. Das komprimierte Gemisch geht durch eine Leitung 8 in den Hochdruckraum 3A der Permeationsvorrichtung 3, der davon den Hauptanteil des Wasserstoffs durch selektive Permeation trennt. Der Wasserstoff geht so in den Niederdruckraum 3B der Permeationsvorrichtung.
Der Permeationsrückstand, der hauptsächlich aus Propan besteht, wird aus dem Raum 3A über eine Leitung 9 abgezogen. Diese durchquert den Wasserkondensator 4, von wo das Propan in flüssigem Zustand unter dem Druck P2 austritt und bei der hohen Temperatur T2, die der Umgebungstemperatur benachbart ist.
Das flüssige Propan durchquert danach erste Kühldurchgänge 10 des Austauschers 5, kühlt sich hier auf die niedrige Temperatur T1 des Zyklus ab, wird dann in dem Ventil 6 bis auf einen niedrigen Druck P1 entspannt, der vorteilhafterweise dem atmosphärischen Druck benachbart ist.
Das Permeat, d.h. der Wasserstoff, wird auch in zweiten Kühlpassagen 11 des Austauschers 5 auf die Temperatur T1 abgekühlt und wird dann in einer Leitung 12 mit dem entspannten Propan vereint.
Das so wiederhergestellte Gemisch in Zweiphasenform geht in die Passagen der Verdampfung- Erwärmung 13 des Austauschers 5, im Gegenstrom der Zirkulationsrichtung in die Durchgänge 10 und 11 und in die Durchgänge 14 desselben Austauschers, durch welche das abzukühlende Fluid zirkuliert. In den Durchgängen 13 verdampft das Propan in Gegenwart von Wasserstoff.
Da der Druck P1 und die Temperatur T2 aus wirtschaftlichen Gründen gleich dem atmosphärischen Druck bzw. Umgebungstemperatur sind, sieht man, daß
- der Druck P2, der nötig ist, um eine Kondensation durch Wasserzirkulation zu erreichen, derselbe ist, als wenn das Kältemittelfluid aus reinem Propan bestünde, weil der Wasserstoff davon abstromig vom Kondensator 4 abgetrennt wurde. Dieser Druck P2 ist also deutiich niedriger als der, der bei Abwesenheit einer Permeationsvorrichtung nötig wäre; und
- die Temperatur T1 die Anfangstemperatur der Verdampfung des Propans in Gegenwart des Wasserstoffs unter atmosphärischem Druck ist. Diese Temperatur ist deutlich niedriger als die, welche es erlaubt, Propan allein zu erhalten.
Mit anderen Worten wird der leichte Bestandteil aus dem Gemisch getrennt, wenn er eine nachteilige Wirkung hat (vor dem Kondensationsschritt) und er wird in das Gemisch wieder eingeführt, wenn er eine günstige Wirkung hat (vor dem Verdampfungsschritt).
Die Permeationsvorrichtung 3 ist dazu geeignet, den Wasserstoff von den anderen Bestandteilen des Gemisches zu trennen, die hier eingeführt sind, z.B. dank eines Bündels aus hohlen Fasern, die aus einer Membran mit selektiver Permeabilitätbestehen. Ein für diese Anwendung geeignetes Membranbeispiel basiert auf einer aromatischen Polyamidtechnologie, die von DU PONT DE NEMOURS nach dem Patent Re 30 351 (Reissue aus US 3 899 309) entwickelt wurde. Andere Beispiele werden in den Patenten US 4 180 553 und US 4 230 463 beschrieben. Die Parameter für die Permeation werden geregelt, damit der Niederdwckraum 3B sich im wesentlichen auf dem Niederdruck P1 befindet,in dem betrachteten Beispiel in der Nachbarschaft des atmosphärischen Druckes.
Als numerisches Beispiel erlaubt ein klassischer Propanzyklus, mit P1 = 1 bar absolut, P2 = 11 bar absolut, und T2 = +30ºC, die Kälte bei -42ºC zu erhalten, welches die Verdampfungstemperatur des Propans unter 1 bar ist. Mit der Permeationsvorrichtung 3 und einem Gemisch 50 % Propan, 50 % Wasserstoff endet die Verdampfung bei -57ºC.
In einer Ausführungsform, wie auf der Zeichnung mit strichpunktierter Linie bezeichnet, kann es vorteilhaft sein, wenn die Permeation sich auf einem Druck p vollziehen kann, der niedriger als P2 ist, das Gemisch nur bis auf diesen Druck p zu komprimieren, bevor es der Permeation unterzogen wird, wobei einzig der Rückstand daraufhin durch einen zweiten Kompressor 2A auf den Druck P2 aufstromig vom Austauscher 4 komprimiert wird. Der Kompressor 2A kann insbesondere den letzten Schritt des einzigen Kompressorzyklus bilden.

Claims

1. Kälteverfahren, bei dem ein Gasgemisch einem Zyklus unterworfen wird mit den Schritten der Kompression auf einen hohen Zyklusdruck, der Kondensation durch Kühlen auf den hohen Druck, der Entspannung auf einen Niederdruck des Zyklus und der Verdampfung auf den niedrigen Druck, dadurch gekennzeichnet, daß:

- man verwendet ein Gemisch mit einer schweren Fraktion und mindestens einem leichten Bestandteil;

- man trennt den wesentlichen Teil des leichten Bestandteils der schweren Fraktion durch Permeation (bei 3) zwischen einem Kompressionsschritt (2) und dem Schritt der Kondensation durch Kühlung (4);

- man unterwirft nur den Rückstand der Permeation dem Schritt der Kondensation durch Kühlung (4) und dem Entspannungsschritt (6);

- man fügt das Permeat dem entspannten Rückstand zu; und

- man unterwirft die Gesamtheit des Gemisches dem Verdampfungsschritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zyklus einen einzigen Kompressionsschritt (2) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstand der Permeation einem zweiten Kompressionsschritt (2A) unterliegt, bevor er dem Schritt der Kondensation durch Kühlung (4) unterliegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kondensierte Rückstand vor dem Entspannungsschritt (6) unterkühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat gekühlt wird, bevor es dem entspannten Rückstand zugefügt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Bestandteil Wasserstoff und/oder Helium ist.

7. Anlage zum Kühlen eines Kühlgemisches mit einer Schleife, die In Reihe einen Kompressor (2), einen Kondensator (4), Entspannungsmittel (6) und Verdampfungsdurchgänge (13) eines indirekten Wärmetauschers (5), der außerdem Durchgänge (14) aufweist für ein zu kühlendes Fluid, wobei diese Schleife von einem Gemisch durchlaufen wird, welches beim Ansaugen des Kompressors gasförmig ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

- das Gasgemisch eine schwere Fraktion und mindestens einen leichten Bestandteil aufweist; und

- die Schleife zwischen dem Kompressor (2) und dem Kondensator (4) eine Permeationsvorrichtung (3) aufweist, die für den leichten Bestandteil erheblich durchlässiger ist als für die schwere Fraktion, dessen Hochdruckseite (3A) mit dem Kondensator (4) und dessen Niederdruckseite (3B) mit dem Ausgang der Entspannungsmittel (6) verbunden sind.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckseite (3A) der Permeationsvorrichtung (3) direkt mit dem Kondensator (4) verbunden ist.

9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckseite (3A) der Permeationsvorrichtung (3) mit dem Kondensator (4) mittels eines zweiten Kompressors (2A) verbunden ist.

10. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) Unterkühlungsdurchgänge (10) aufweist, die zwischen dem Kondensator (4) und den Entspannungsmitteln (6) verzweigt sind.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) Kühlungsdurchgänge (11) aufweist, die zwischen der Niederdruckseite (3B) der Permeationsvorrichtung (3) und dem Ausgang der Entspannungsmittel (3) verzweigt sind.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Bestandteil Wasserstoff und/oder Helium ist.