WO1997004278A1 - Cooling process using low-boiling gases and a device for carrying out the process - Google Patents

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WO1997004278A1
WO1997004278A1 PCT/DE1996/001267 DE9601267W WO9704278A1 WO 1997004278 A1 WO1997004278 A1 WO 1997004278A1 DE 9601267 W DE9601267 W DE 9601267W WO 9704278 A1 WO9704278 A1 WO 9704278A1
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heat exchanger
expansion
piston
low
expander
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PCT/DE1996/001267
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Hans Quack
Christoph Haberstroh
Ole Fredrich
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Technische Universität Dresden
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/06—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using expanders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing cold by means of low-boiling gases according to the preamble of claim 1, in particular for cooling superconducting devices.
  • the invention also relates to an apparatus for performing the method.
  • the low-boiling gases methane, oxygen, argon, nitrogen, neon, hydrogen or helium are used as refrigerants.
  • the refrigerant is compressed from low pressure to high pressure at ambient temperature.
  • the high pressure stream a is then cooled in a first heat exchanger 3 in countercurrent to the low pressure stream b.
  • a partial stream c is branched off and expanded to the low pressure in a work-performing expansion 4.
  • the other partial flow is further cooled after the branch point in a second and third heat exchanger 5, 6 and finally expanded into a two-phase region in a throttle valve 7 1 .
  • the liquid created after the throttling evaporates in an evaporator 8 with absorption of the cooling capacity.
  • the steam coming from the evaporator is first warmed up somewhat in the heat exchanger 6 before it is removed from the
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) Expansion machine 4 coming partial stream united. Together they are warmed to ambient temperature in the second and first heat exchangers 5 and 3 (FIG. 1).
  • This type of refrigeration cycle is called the "Claude cycle”.
  • the "upper” part including the work-relieving relaxation is called the pre-cooling stage
  • the "lower” part with the third heat exchanger 6 and the throttle valve 7 1 is called the Joule-Thomson stage.
  • the division into the two partial flows is carried out at ambient temperature.
  • the pre-cooling stream c is compressed to a higher pressure 1 'and then cooled separately in the heat exchanger 3'. After its relaxation 4, it is supplied to either the high-pressure flow or the low-pressure flow (FIG. 3).
  • the object of the invention is to implement a circuit in which cold is generated in a large temperature range in many small individual expansions, but without using many expansion machines for this.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • Advantageous variants of the method result from subclaims 2 to 4.
  • the object is achieved by a device with the features according to claim 5.
  • a particularly advantageous embodiment results from subclaim 8.
  • the object is achieved in that the entire gas under pressure in an elongated volume is simultaneously expanded to perform work and is cooled in countercurrent by the low-pressure gas.
  • the heat transfer from the warm high-pressure gas to the cold low-pressure gas brings about a pronounced temperature gradient along the expansion volume, so that work-related expansion of the working gas can take place at any temperature level, which leads to a further reduction in the temperature.
  • a high degree of efficiency can be achieved by overlaying both process steps, when selecting suitable pressure ratios.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) Work relaxation can take place on the high pressure side, on the low pressure side or on both sides, in each case coupled with the heat transfer.
  • the object is achieved in that an expansion unit is provided in the high-pressure part, which has an elongated volume.
  • a heat exchanger ensures optimal heat transfer from high to low pressure flow.
  • the high-pressure gas does not flow evenly through the expansion volume because it is tied to the cycle of the expansion machine (inflow, expansion, pushing out). Therefore, a heat store and two volume stores have proven to be advantageous.
  • the resulting unit of heat exchanger and expansion machine forms the heat exchanger expander according to the invention (cf. FIG. 6).
  • the gas compressed in the compressor is cooled in the heat exchanger expander described above to such an extent that the state before the Joule-Thomson stage is sufficient to be able to liquefy the gas in the Joule-Thomson stage.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) Utilization of the entire high-pressure flow, ie there is no division into partial flows. As a result, a higher cooling capacity can be achieved with otherwise the same parameters, in particular the same mass flow.
  • Another advantage is the compact design of the heat exchanger expander and the resulting small chiller.
  • the compactness is due to high process pressures, relatively high pressure ratios and the inventive integration of the heat exchanger in the expansion unit.
  • the evaporator in which the liquid refrigerant, e.g. Neon, evaporated while absorbing heat, can be integrated into the heat exchanger expander or arranged separately.
  • the liquid refrigerant e.g. Neon
  • cooling capacity is available at a temperature (approx. 40 K) which is of particular interest for high-temperature superconductivity applications.
  • Fig. 5 is a schematic view of a cooling circuit with a heat exchanger expander.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a heat exchanger expander.
  • FIG. 7 shows a section through an inventive
  • Fig. 8 is an illustration for illustrating a star-shaped piston and cylinder shape
  • Fig. 9 is an illustration for illustrating a helical piston and cylinder shape
  • FIG. 5 and 6 show a gas refrigeration cycle which e.g. can be operated with neon as the working medium.
  • the gas compressed in the compressor 1 is cooled back to ambient temperature in the downstream cooler 2.
  • the high pressure gas flows into the heat exchanger expander 14.
  • the work cycle of an oscillating relaxation machine is realized.
  • the inlet valve is closed and the gas is given the opportunity to expand while performing work.
  • the controlled outlet valve 20 opens. Now some work is required to push the gas out of the expansion chamber 22.
  • the inflow and expansion do more work than the expulsion has to do.
  • a heat flow from the high to the low pressure flow is superimposed on the work-providing relaxation.
  • the high-pressure stream is subjected to the cycle of the expansion piston 19. Therefore, a heat store 18 is required between the two flows, and two volume stores 15 and 21 on the warm and cold side.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26)
  • the task of the heat accumulator takes over the wall between the heat exchanger 17 and the expansion volume 22; the line volume between compressor 1 and inlet valve 16 serves as a high-pressure accumulator and the high-pressure volume of the Joule-Thomson exchanger 6 functions as a cold medium-pressure accumulator a throttle valve 7 'or another expander 1 "can be relaxed into the 2-phase area.
  • Liquid refrigerant e.g. neon
  • the steam produced is passed in countercurrent through the heat exchanger 6 and the heat exchanger expander 14, in order then to be compressed again in the compressor.
  • Expansion piston 19 and cylinder 23 are frustoconical.
  • the heat exchanger 17 is arranged along the cylinder jacket.
  • the actual expansion volume 22 is located between the two lateral surfaces of the piston and the cylinder. At bottom dead center, the expansion volume 22 between the lateral surfaces is close to zero; Deviations are due to manufacturing tolerances. At the cold end, a small volume can remain as cold storage in the bottom dead center.
  • the expansion volume 22 can be acted upon by the high pressure gas via the valve 16 and by the seal 24 and the outlet valve
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) 20 completed.
  • the expansion piston 19 performs a small stroke in relation to the extension of the expansion space 22 from the inlet valve 16 to the outlet valve 20, so that the high-pressure gas is expanded to perform a sufficient amount of work. A few millimeters of stroke are sufficient.
  • the expansion piston 19 can also be provided with a heat exchanger 17.
  • means for the flow of low pressure gas in the expansion piston 19 are provided.
  • a material or structure should be used that has anisotropic properties with regard to the thermal conductivity. All parts that are not required for the heat transfer, in the case shown the entire expansion piston, are to be made from the poorest heat-conducting material possible.
  • evacuated cavities can be provided in order to further reduce the heat flow in the piston, which flows in the direction of the main temperature gradient. An example is shown in FIG. 7. Since the expansion piston is not required as a heat exchanger, a vacuum chamber 25 is located inside the piston. The procedure for the cylinder is similar. On the one hand to reduce heat losses through longitudinal heat conduction and on the other hand to thermally isolate the heat exchanger expander from the environment.
  • the piston and cylinder jacket surface can be designed in a star shape.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) Basic shape according to FIG. 7 is retained. Like the expansion piston 19 in FIG. 7, the “star piston” is guided by a linear actuator.
  • FIG. 9 shows a variant with a spiral or helical profiled expansion piston 19. Only the expansion piston is shown in the figure.
  • the cylinder has a correspondingly designed outer surface.
  • the expansion piston carries out a rotating up and down movement, similar to the movement of a threaded spindle, for the work-relieving expansion of the high pressure gas and its discharge.
  • expansion pistons and cylinders have a small closed clearance space at the bottom dead center.
  • the surfaces of the expansion piston and cylinder must be similar to one another, except for manufacturing-related tolerances, and the lower dead center of the piston must be controlled precisely. Exact guidance of the expansion piston during the working cycle is also important for the perfect sealing of the expansion volume.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) a - high pressure flow b - low pressure flow c - precooling flow

Abstract

A process and device are proposed for generating low temperatures using low-boiling gases. Circulating gas is compressed to high pressure by a compressor (1), cooling is done by expansion machines (14), and high-pressure gas cools by releasing its heat in the counterflow heat exchanger (17) while low-pressure gas is heated by heat absorption in the counterflow heat exchanger. At least one component current in part of the circulation undergoes simultaneous work-performing expansion and recuperative heat exchange in the same device (14).

Description

Kühlverfahren mittels tiefsiedender Gase und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensCooling process using low-boiling gases and device for carrying out the process
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kältebereitstellung mittels tiefsiedender Gase nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zur Kühlung von supraleitenden Geräten. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for providing cold by means of low-boiling gases according to the preamble of claim 1, in particular for cooling superconducting devices. The invention also relates to an apparatus for performing the method.
Nach dem Stand der Technik existiert eine bestimmte Art von Gaskältekreisläufen, um unterhalb von 120 Kelvin Kälte zu erzeugen. Als Kältemittel werden die tiefsiedenden Gase Methan, Sauerstoff, Argon, Stickstoff, Neon, Wasserstoff oder Helium verwendet.According to the state of the art, there is a certain type of gas cooling circuit to generate cold below 120 Kelvin. The low-boiling gases methane, oxygen, argon, nitrogen, neon, hydrogen or helium are used as refrigerants.
Die gebräuchlichen Prozesse sollen anhand der in den Fig. 1 bis 4 skizzierten Fließbilder erläutert werden. Das Kältemittel wird bei Umgebungstemperatur von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet. Anschließend wird der Hochdruckstrom a in einem ersten Wärmeübertrager 3 im Gegenstrom zum Niederdruckstrom b abgekühlt . Nach dem Austritt aus dem ersten Wärmeübertrager, also auf einem mittleren Temperaturniveau, wird ein Teilstrom c abgezweigt und in einer arbeitsleistenden Expansion 4 auf den Niederdruck entspannt . Der andere Teilstrom wird nach der Abzweigstelle in einem zweiten und dritten Wärmeübertrager 5, 6 weiter abgekühlt und schließlich in einem Drosselventil 71 ins Zweiphasengebiet entspannt. Die nach der Drosselung entstandene Flüssigkeit verdampft in einem Verdampfer 8 unter Aufnahme der Kälteleistung. Der aus dem Verdampfer kommende Dampf wird zunächst im Wärmeübertrager 6 etwas aufgewärmt, bevor er sich mit dem aus derThe usual processes are to be explained on the basis of the flow diagrams outlined in FIGS. 1 to 4. The refrigerant is compressed from low pressure to high pressure at ambient temperature. The high pressure stream a is then cooled in a first heat exchanger 3 in countercurrent to the low pressure stream b. After exiting the first heat exchanger, that is to say at a medium temperature level, a partial stream c is branched off and expanded to the low pressure in a work-performing expansion 4. The other partial flow is further cooled after the branch point in a second and third heat exchanger 5, 6 and finally expanded into a two-phase region in a throttle valve 7 1 . The liquid created after the throttling evaporates in an evaporator 8 with absorption of the cooling capacity. The steam coming from the evaporator is first warmed up somewhat in the heat exchanger 6 before it is removed from the
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Expansionsmaschine 4 kommenden Teilstrom vereinigt . Gemeinsam werden sie im zweiten und ersten Wärmeübertrager 5 und 3 auf Umgebungstemperatur aufgewärmt (Fig. 1) .REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Expansion machine 4 coming partial stream united. Together they are warmed to ambient temperature in the second and first heat exchangers 5 and 3 (FIG. 1).
Diese Art Kältekreislauf nennt man "Claude-Kreislauf". Den "oberen" Teil einschließlich der arbeitsleistenden Entspannung nennt man Vorkühlstufe, den "unteren" Teil mit dem dritten Wärmeübertrager 6 und dem Drosselventil 71 nennt man Joule- Thomson-Stufe.This type of refrigeration cycle is called the "Claude cycle". The "upper" part including the work-relieving relaxation is called the pre-cooling stage, the "lower" part with the third heat exchanger 6 and the throttle valve 7 1 is called the Joule-Thomson stage.
Es gibt eine ganze Reihe von Modifikationen des einfachen Claude- Kreislaufes. Allen bisher bekannten Modifikationen gemeinsam ist die Aufteilung des Hochdruckstromes in einen zur Vorkühlung dienenden Teilstrom mit arbeitsleistender Entspannung und den Joule-Thomson Teilstrom.There are a number of modifications to the simple Claude cycle. Common to all the previously known modifications is the division of the high-pressure flow into a partial flow serving for pre-cooling with work-relieving relaxation and the Joule-Thomson partial flow.
Es wurde z.B. vorgeschlagen, das Drosselventil 7' durch eine zweite arbeitsleistende Entspannung 7'1 zu ersetzen (Fig. 2), die in das Dampf-Flüssigkeitsgebiet hineinführt.For example, it has been proposed to replace the throttle valve 7 'with a second work-relieving expansion 7' 1 (FIG. 2) which leads into the vapor-liquid region.
In einer anderen Modifikation wird die Aufteilung auf die beiden Teilströme schon bei Umgebungstemperatur vorgenommen. Der Vorkühlstrom c wird auf einen höheren Druck 1' verdichtet und dann separat im Wärmetauscher 3 ' abgekühlt. Nach seiner Entspannung 4 wird er entweder dem Hochdruckstrom oder dem Niederdruckstrom zugeführt (Fig. 3) .In another modification, the division into the two partial flows is carried out at ambient temperature. The pre-cooling stream c is compressed to a higher pressure 1 'and then cooled separately in the heat exchanger 3'. After its relaxation 4, it is supplied to either the high-pressure flow or the low-pressure flow (FIG. 3).
In einer früheren Studie (Quack, Hans; Maximum efficiency of helium refrigeration cycles using non-ideal components, Adv. in Cryog. Eng. Vol. 39, Part B, 1993) wurde nachgewiesen, daß sich eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Kreisläufe ergibt, wenn man keine Aufteilung des Hochdruckstromes in einen Vorkühl- und einen Joule-Thomson-Strom vornimmt, sondern den gesamten Strom in mehreren kleinen Schritten arbeitsleistend entspannt. Diese Entspannungen 10 bzw. 12 können entweder inIn an earlier study (Quack, Hans; Maximum efficiency of helium refrigeration cycles using non-ideal components, Adv. In Cryog. Eng. Vol. 39, Part B, 1993) it was demonstrated that there is a significant improvement in the efficiency of such cycles , if you do not split the high-pressure flow into a pre-cooling and a Joule-Thomson flow, but relax the entire flow in several small steps to perform the work. This relaxation 10 or 12 can either in
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Reihe (Fig. 4a) oder parallel angeordnet sein (Fig. 4b) . Wie oben erwähnt, ergibt diese Prozeßführung einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß die Entspannung in einer großen Zahl von Maschinen vorgenommen werden muß, wodurch sich ein großer maschineller und finanzieller Aufwand ergibt.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Row (Fig. 4a) or arranged in parallel (Fig. 4b). As mentioned above, this process control results in a significantly improved efficiency. The disadvantage, however, is that the relaxation must be carried out in a large number of machines, which results in a great deal of mechanical and financial expenditure.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kreislauf zu verwirklichen, in dem zwar Kälte in einem großen Temperaturbereich in vielen kleinen Einzelexpansionen erzeugt wird, ohne jedoch dafür viele Expansionsmaschinen zu verwenden.The object of the invention is to implement a circuit in which cold is generated in a large temperature range in many small individual expansions, but without using many expansion machines for this.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Varianten des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 5 gelöst. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus Unteranspruch 8.According to the invention, the object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous variants of the method result from subclaims 2 to 4. Furthermore, the object is achieved by a device with the features according to claim 5. A particularly advantageous embodiment results from subclaim 8.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das gesamte unter Druck stehende Gas in einem langgestreckten Volumen gleichzeitig arbeitsleistend entspannt und durch das Niederdruckgas im Gegenstrom gekühlt wird. Der Wärmeübergang vom warmen Hochdruckgas zum kalten Niederdruckgas bewirkt einen ausgeprägten Temperaturgradienten entlang des Entspannungsvolumens, so daß auf jedem Temperaturniveau eine arbeitsleistende Entspannung des Arbeitsgases stattfinden kann, die zu einer weiteren Absenkung der Temperatur führt . Durch die Überlagerung beider Prozeßschritte, bei Wahl geeigneter Druckverhältnisse, kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.According to the method, the object is achieved in that the entire gas under pressure in an elongated volume is simultaneously expanded to perform work and is cooled in countercurrent by the low-pressure gas. The heat transfer from the warm high-pressure gas to the cold low-pressure gas brings about a pronounced temperature gradient along the expansion volume, so that work-related expansion of the working gas can take place at any temperature level, which leads to a further reduction in the temperature. A high degree of efficiency can be achieved by overlaying both process steps, when selecting suitable pressure ratios.
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Die arbeitsleistende Entspannung kann auf der Hochdruck-, auf der Niederdruckseite oder auf beiden Seiten stattfinden, jeweils gekoppelt mit der Wärmeübertragung.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Work relaxation can take place on the high pressure side, on the low pressure side or on both sides, in each case coupled with the heat transfer.
Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Hochdruckteil eine Expansionseinheit vorgesehen wird, die ein langgestrecktes Volumen aufweist. Entlang dieses veränderlichen Volumens gewährleistet ein Wärmeübertrager den optimalen Wärmeübergang vom Hoch- zum Niederdruckstrom. Das Hochdruckgas fließt nicht gleichmäßig durch das Entspannungsvolumen, denn es ist an den Zyklus der Expansionsmaschine (Einströmen, Entspannen, Ausschieben) gebunden. Daher erweisen sich ein Wärmespeicher und zwei Volumenspeicher als vorteilhaft .According to the device, the object is achieved in that an expansion unit is provided in the high-pressure part, which has an elongated volume. Along this variable volume, a heat exchanger ensures optimal heat transfer from high to low pressure flow. The high-pressure gas does not flow evenly through the expansion volume because it is tied to the cycle of the expansion machine (inflow, expansion, pushing out). Therefore, a heat store and two volume stores have proven to be advantageous.
Die so entstandene Einheit aus Wärmeübertrager und Entspannungsmaschine bildet den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Expander (vgl. Fig. 6) .The resulting unit of heat exchanger and expansion machine forms the heat exchanger expander according to the invention (cf. FIG. 6).
Das im Kompressor verdichtete Gas wird im oben beschriebenen Wärmeübertrager-Expander soweit abgekühlt, daß der Zustand vor der Joule-Thomson Stufe ausreicht, um das Gas in der Joule- Thomson Stufe verflüssigen zu können.The gas compressed in the compressor is cooled in the heat exchanger expander described above to such an extent that the state before the Joule-Thomson stage is sufficient to be able to liquefy the gas in the Joule-Thomson stage.
Als besonders vorteilhafte Variante erweist sich die Gestaltung von Zylinder und Expansionskolben des Wärmeübertrager-Expander in konischer Grundform (Kegel, Kegelstumpf o. dgl.) mit einer Verjüngung zum kalten Ende. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 9 und 10.The design of the cylinder and expansion piston of the heat exchanger expander in a conical basic shape (cone, truncated cone or the like) with a taper towards the cold end has proven to be a particularly advantageous variant. Advantageous configurations result from subclaims 9 and 10.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in derThe advantage of the solution according to the invention is that
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Ausnutzung des gesamten Hochdruckstromes, d.h. es findet keine Aufteilung in Teilströme statt. Dadurch kann bei sonst gleichen Parametern, insbesondere gleichem Massenstrom, eine höhere Kälteleistung erbracht werden.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Utilization of the entire high-pressure flow, ie there is no division into partial flows. As a result, a higher cooling capacity can be achieved with otherwise the same parameters, in particular the same mass flow.
Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise des Wärmeübertrager-Expander und der daraus resultierenden Kleinkältemaschine. Die Kompaktheit ist auf hohe Prozeßdrücke, relativ hohe Druckverhältnisse und auf die erfindungsgemäße Integration des Wärmeübertragers in die Entspannungseinheit zurückzuführen.Another advantage is the compact design of the heat exchanger expander and the resulting small chiller. The compactness is due to high process pressures, relatively high pressure ratios and the inventive integration of the heat exchanger in the expansion unit.
Der Verdampfer (Kaltkopf) in dem das flüssige Kältemittel, z.B. Neon, unter Aufnahme von Wärme verdampft, kann in den Wärmeübertrager-Expander integriert oder separat angeordnet werden. Durch die Nutzung der Verdampfungsenthalpie kann auch bei Wärmelastspitzen am Kühlobjekt eine hohe Temperaturstabilität gewährleistet werden.The evaporator (cold head) in which the liquid refrigerant, e.g. Neon, evaporated while absorbing heat, can be integrated into the heat exchanger expander or arranged separately. By using the enthalpy of evaporation, high temperature stability can be guaranteed even with heat load peaks on the cooling object.
Mit Neon als Arbeitsstoff steht Kälteleistung bei einer Temperatur (ca. 40 K) zur Verfügung, die für Anwendungen der Hochtemperatursupraleitung von besonderem Interesse ist.With neon as the working fluid, cooling capacity is available at a temperature (approx. 40 K) which is of particular interest for high-temperature superconductivity applications.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments. The drawings show:
Fig. 1 - 4 Fließbilder zum Stand der TechnikFig. 1 - 4 flow diagrams of the prior art
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufes mit einem Wärmeübertrager-Expander Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertrager- Expanders.Fig. 5 is a schematic view of a cooling circuit with a heat exchanger expander. Fig. 6 shows an embodiment of a heat exchanger expander.
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Fig. 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßenREPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Fig. 7 shows a section through an inventive
Wärmeübertrager-Expander in konischer GrundformBasic heat exchanger expander
Fig. 8 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer sternförmigen Kolben- und ZylinderformFig. 8 is an illustration for illustrating a star-shaped piston and cylinder shape
Fig. 9 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer schraubenförmigen Kolben- und ZylinderformFig. 9 is an illustration for illustrating a helical piston and cylinder shape
In den Fig. 1 - 4 sind Fließbilder dargestellt, die zur Veranschaulichung des Standes der Technik dienen.1-4 are flow diagrams which serve to illustrate the prior art.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Gaskältekreislauf, der z.B. mit Neon als Arbeitsmedium betrieben werden kann. Das im Kompressor 1 verdichtete Gas wird im nachgeschalteten Kühler 2 auf Umgebungstemperatur zurückgekühlt. Nach Öffnen des Einlaßventils 16 strömt das Hochdruckgas in den Wärmeübertrager-Expander 14 ein. Es wird der Arbeitszyklus einer oszillierenden Entspannungsmaschine realisiert. Nach dem isobaren Einströmen wird das Einlaßventil geschlossen und dem Gas die Möglichkeit gegeben, sich unter Leistung von Arbeit auszudehnen. Bei Erreichen des Auslaßdruckes öffnet das gesteuerte Auslaßventil 20. Jetzt wird etwas Arbeit benötigt, um das Gas aus dem Entspannungsraum 22 auszuschieben. Beim Einströmen und der Expansion wird mehr Arbeit geleistet, als beim Ausschieben aufgebracht werden muß.5 and 6 show a gas refrigeration cycle which e.g. can be operated with neon as the working medium. The gas compressed in the compressor 1 is cooled back to ambient temperature in the downstream cooler 2. After opening the inlet valve 16, the high pressure gas flows into the heat exchanger expander 14. The work cycle of an oscillating relaxation machine is realized. After the isobaric inflow, the inlet valve is closed and the gas is given the opportunity to expand while performing work. When the outlet pressure is reached, the controlled outlet valve 20 opens. Now some work is required to push the gas out of the expansion chamber 22. The inflow and expansion do more work than the expulsion has to do.
Der arbeitsleistenden Entspannung überlagert ist ein Wärmestrom vom Hoch- zum Niederdruckstrom. Im Gegensatz zum kontinuierlich fließenden Niederdruckstrom ist der Hochdruckstrom dem Zyklus des Expansionskolbens 19 unterworfen. Daher bedarf es eines Wärmespeichers 18 zwischen beiden Strömen, sowie zweier Volumenspeicher 15 und 21 auf der warmen bzw. kalten Seite. DieA heat flow from the high to the low pressure flow is superimposed on the work-providing relaxation. In contrast to the continuously flowing low-pressure stream, the high-pressure stream is subjected to the cycle of the expansion piston 19. Therefore, a heat store 18 is required between the two flows, and two volume stores 15 and 21 on the warm and cold side. The
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Aufgabe des Wärmespeichers übernimmt die Wand zwischen Wärmeübertrager 17 und dem Expansionsvolumen 22; als Hochdruckspeicher dient das Leitungsvolumen zwischen Kompressor 1 und Einlaßventil 16 und als kalter Mitteldruckspeicher fungiert das Hochdruckvolumen des Joule-Thomson Austauschers 6. Das entspannte und abgekühlte Gas passiert den Joule-Thomson- Gegenstromwärmeübertrager 6, wird dort durch den Niederdruckstrom weiter gekühlt und kann anschließend über ein Drosselventil 7' oder einen weiteren Expander 1 " bis in das 2-Phasen-Gebiet entspannt werden.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) The task of the heat accumulator takes over the wall between the heat exchanger 17 and the expansion volume 22; the line volume between compressor 1 and inlet valve 16 serves as a high-pressure accumulator and the high-pressure volume of the Joule-Thomson exchanger 6 functions as a cold medium-pressure accumulator a throttle valve 7 'or another expander 1 "can be relaxed into the 2-phase area.
Im Verdampfer 8 verdampft flüssiges Kältemittel (z.B. Neon) unter Aufnahme von Wärme und ist damit in der Lage, an dieser Stelle bestimmte Applikationen der Hochtemperatursupraleitung 9 vibrationsarm und kontinuierlich zu kühlen. Der entstehende Dampf wird im Gegenstrom durch den Wärmeübertrager 6 und den Wärmeübertrager-Expander 14 geleitet, um anschließend im Kompressor erneut verdichtet zu werden.Liquid refrigerant (e.g. neon) evaporates in the evaporator 8 while absorbing heat and is therefore able to continuously and continuously cool certain applications of the high-temperature superconductor 9 at this point. The steam produced is passed in countercurrent through the heat exchanger 6 and the heat exchanger expander 14, in order then to be compressed again in the compressor.
Die Fig. 7 zeigt eine Kolben-Zylinder-Anordnung, die alle wesentlichen Teile eines erfindungsgemäßen Wärmeübertrager- Expander 14 enthält. Expansionskolben 19 und Zylinder 23 sind kegelstumpfförmig ausgebildet. Der Wärmeübertrager 17 ist entlang des Zylindermantels angeordnet. Das eigentliche Expansionsvolumen 22 befindet sich zwischen den beiden Mantelflächen von Kolben und Zylinder. Im unteren Totpunkt ist das Expansionsvolumen 22 zwischen den Mantelflächen nahe null; Abweichungen gehen auf Fertigungstoleranzen zurück. Am kalten Ende kann im unteren Totpunkt ein geringes Volumen als Kältespeicher verbleiben. Das Expansionsvolumen 22 ist über das Ventil 16 mit dem Hochdruckgas beaufschlagbar und durch die Abdichtung 24 und das Auslaßventil7 shows a piston-cylinder arrangement which contains all essential parts of a heat exchanger expander 14 according to the invention. Expansion piston 19 and cylinder 23 are frustoconical. The heat exchanger 17 is arranged along the cylinder jacket. The actual expansion volume 22 is located between the two lateral surfaces of the piston and the cylinder. At bottom dead center, the expansion volume 22 between the lateral surfaces is close to zero; Deviations are due to manufacturing tolerances. At the cold end, a small volume can remain as cold storage in the bottom dead center. The expansion volume 22 can be acted upon by the high pressure gas via the valve 16 and by the seal 24 and the outlet valve
ERSATZBLAπ (REGEL 26) 20 abgeschlossen. Der Expansionskolben 19 führt gegenüber der Erstreckung des Expansionsraumes 22 vom Einlaßventil 16 zum Auslaßventil 20 einen kleinen Hub aus, so daß das Hochdruckgas ausreichend arbeitsleistend entspannt wird. Dazu reichen wenige Millimeter Hub aus.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) 20 completed. The expansion piston 19 performs a small stroke in relation to the extension of the expansion space 22 from the inlet valve 16 to the outlet valve 20, so that the high-pressure gas is expanded to perform a sufficient amount of work. A few millimeters of stroke are sufficient.
Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß zusätzlich auch der Expansionskolben 19 mit einem Wärmeübertrager 17 versehen werden kann. Dafür sind Mittel zur Beströmung mit dem Niederdruckgas im Expansionskolben 19 vorzusehen.It should not go unmentioned that the expansion piston 19 can also be provided with a heat exchanger 17. For this purpose, means for the flow of low pressure gas in the expansion piston 19 are provided.
Um die Längswärmeleitung im Material klein zu halten, sollte ein Werkstoff oder eine Struktur eingesetzt werden, die bezüglich der Wärmeleitfähigkeit anisotrope Eigenschaften aufweisen. Alle nicht für die Warmeubetragung benötigten Teile, im gezeigten Fall der gesamte Expansionskolben, sind in möglichst schlecht wärmeleitendem Material auszuführen. Um den Wärmestrom im Kolben, der in Richtung des Haupttemperaturgradienten fließt, weiter zu verringern, können speziell angebrachte, evakuierte Hohlräume vorgesehen werden. Ein Beispiel zeigt Fig. 7. Da hier der Expansionskolben nicht als Wärmeübertrager benötigt wird, befindet sich im Inneren des Kolbens eine Vakuumkammer 25. In ähnlicher Weise ist für den Zylinder zu verfahren. Zum einen um auch hier die Wärmeverluste durch Längswärmeleitung zu verringern und zum anderen um den Wärmeübertrager-Expander gegen die Umgebung thermisch zu isolieren.In order to keep the longitudinal heat conduction in the material small, a material or structure should be used that has anisotropic properties with regard to the thermal conductivity. All parts that are not required for the heat transfer, in the case shown the entire expansion piston, are to be made from the poorest heat-conducting material possible. In order to further reduce the heat flow in the piston, which flows in the direction of the main temperature gradient, specially fitted, evacuated cavities can be provided. An example is shown in FIG. 7. Since the expansion piston is not required as a heat exchanger, a vacuum chamber 25 is located inside the piston. The procedure for the cylinder is similar. On the one hand to reduce heat losses through longitudinal heat conduction and on the other hand to thermally isolate the heat exchanger expander from the environment.
Entsprechend der Fig. 8 kann zur Erhöhung der Wärmeübertragungs- flache, bei gegebenem Expansionsvolumen, die Kolben- und Zylindermantelfläche sternförmig ausgeführt werden. Die konischeAccording to FIG. 8, in order to increase the heat transfer area, given a volume of expansion, the piston and cylinder jacket surface can be designed in a star shape. The conical
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Grundform entsprechend der Fig. 7 wird dabei beibehalten. Der "Sternkolben" wird wie der Expansionskolben 19 in Fig. 7 durch einen linearen Stellantrieb geführt.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Basic shape according to FIG. 7 is retained. Like the expansion piston 19 in FIG. 7, the “star piston” is guided by a linear actuator.
Die Fig. 9 zeigt eine Variante mit einem spiral- oder schraubenförmig profilierten Expansionskolben 19. In der Fig. ist nur der Expansionskolben dargestellt. Der Zylinder weist eine entsprechend gestaltete Mantelfläche auf. Für die arbeitsleistende Entspannung des Hochdruckgases und dessen Ausstoß führt der Expansionskolben eine drehende Auf- und Abbewegung, ähnlich der Bewegung einer Gewindespindel, aus.FIG. 9 shows a variant with a spiral or helical profiled expansion piston 19. Only the expansion piston is shown in the figure. The cylinder has a correspondingly designed outer surface. The expansion piston carries out a rotating up and down movement, similar to the movement of a threaded spindle, for the work-relieving expansion of the high pressure gas and its discharge.
Den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 7 bis 9 ist gemeinsam, daß Expansionskolben und Zylinder im unteren Totpunkt einen kleinen geschlossenen Schadraum aufweisen. Demzufolge müssen die Oberflächen von Expansionskolben und Zylinder bis auf fertigungsbedingte Toleranzen einander ähnlich sein und die untere Totlage des Kolbens muß exakt angesteuert werden. Ebenso ist eine exakte Führung des Expansionskolbens während des Arbeitszyklus für die einwandfreie Abdichtung des Expansionsvolumens von Bedeutung.The exemplary embodiments according to FIGS. 7 to 9 have in common that expansion pistons and cylinders have a small closed clearance space at the bottom dead center. As a result, the surfaces of the expansion piston and cylinder must be similar to one another, except for manufacturing-related tolerances, and the lower dead center of the piston must be controlled precisely. Exact guidance of the expansion piston during the working cycle is also important for the perfect sealing of the expansion volume.
ERSATZBLAπ (REGEL 26) BezugszeichenlisteREPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Reference list
1,1' - Verdichter/Kompressor1.1 'compressor / compressor
2,2' - Nachkühler2.2 'aftercooler
3 - Wärmeübertrager3 - heat exchanger
4 - Expansionsmaschine4 - expansion machine
5 - Wärmeübertrager5 - heat exchanger
6 - Wärmeübertrager6 - heat exchanger
7 - Entspannungseinheit 7' - Drosselventil7 - expansion unit 7 '- throttle valve
7'' - Expansionsmaschine7 '' expansion machine
8 - Verdampfer8 - evaporator
9 - Kühlprobe/-gut9 - Cooling sample / good
10 - arbeitsleistende Entspannungsschritte, nacheinander10 - Relaxation steps to work, one after the other
11 - Wärmeübertrager11 - heat exchanger
12 - arbeitsleistende Entspannungsschritte, parallel12 - work-related relaxation steps, parallel
13 - Wärmeübertrager13 - heat exchanger
14 - Wärmeübertrager-Expander14 - heat exchanger expander
15 - Volumenspeicher, warm15 - Volume storage, warm
16 - Einlaßventil16 - inlet valve
17 - Wärmeübertrager17 - heat exchanger
18 - Wärmespeicher18 - heat storage
19 - Expansionskolben 20 - Auslaßventil19 - Expansion piston 20 - Exhaust valve
21 - Volumenspeicher, kalt21 - Volume storage, cold
22 - Entspannungsraum/-volumen 23 - Zylinder22 - relaxation room / volume 23 - cylinder
24 - Abdichtung24 - sealing
25 - Vakuum25 - vacuum
ERSATZBLAπ (REGEL 26) a - Hochdruckstrom b - Niederdruckstrom c - Vorkühl strömREPLACEMENT BLAπ (RULE 26) a - high pressure flow b - low pressure flow c - precooling flow
ERSATZBLAπ (REGEL 26) REPLACEMENT BLAπ (RULE 26)

Claims

Patentansprüche claims
1. Kühlverfahren mittels tiefsiedender Gase, bei dem Kreislaufgas vom Kompressor (1) auf hohen Druck verdichtet, Kälte durch Expansionsmaschinen erzeugt und Hochdruckgas mittels Wärmeabgabe im Gegenstrom-Wärmeübertrager abgekühlt und Niederdruckgas durch Wärmeaufnahme im Gegenstrom-Wärmeübertrager aufgewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teilstrom in einem Teil des Kreislaufes gleichzeitig in derselben Vorrichtung (14) arbeitsleistender Entspannung und rekuperativer Wärmeübertragung unterworfen wird.1. Cooling process using low-boiling gases, in the recycle gas from the compressor (1) compresses to high pressure, cold is generated by expansion machines and high pressure gas is cooled by means of heat dissipation in the countercurrent heat exchanger and low pressure gas is heated by heat absorption in the countercurrent heat exchanger, characterized in that at least one Partial flow in a part of the circuit is simultaneously subjected to work relaxation and recuperative heat transfer in the same device (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der2. The method according to claim 1, characterized in that the
Hochdruckstrom (a) während seiner Passage durch den Wärmeübertrager-Expander (14) gleichzeitig durch den Niederdruckstrom (b) gekühlt und arbeitsleistend entspannt wird.High-pressure stream (a) is simultaneously cooled by the low-pressure stream (b) and relaxed while performing work, as it passes through the heat exchanger expander (14).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der3. The method according to claim 1, characterized in that the
Niederdruckstrom (b) während seiner Passage durch den Wärmeübertrager-Expander (14) gleichzeitig durch den Hochdruckstrom (a) erwärmt und arbeitsleistend entspannt wird.Low-pressure flow (b) is simultaneously heated and relaxed while working through the high-pressure flow (a) during its passage through the heat exchanger expander (14).
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Gasströme (Hoch- und Niederdruckstrom) während ihrer Passage durch den Wärmeübertrager-Doppel-Expander (14) gleichzeitig abgekühlt bzw. erwärmt und jeder für sich arbeitsleistend entspannt werden.4. The method according to claim 1, characterized in that both gas streams (high and low pressure stream) are simultaneously cooled or heated during their passage through the heat exchanger double expander (14) and each is relaxed while working.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in eine5. Device for performing the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in a
ERSATZBLAπ (REGEL 26) Verdrängerentspannungsmaschine in die Zylinderwandung und/ öder in den Expansionskolben ein rekuperativ arbeitender Wärmeübertrager (17) integriert ist und somit eine funktionale Einheit als Wärmeübertrager-Expander (14) gebildet wird, der von dem Hochdruckstrom (a) und dem Niederdruckstrom (b) passierbar ist, wobei wenigstens ein Teilstrom (a,-b) mit dem Expansionsvolumen (22) verbunden ist.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) Displacer expansion machine, a recuperative heat exchanger (17) is integrated in the cylinder wall and / or in the expansion piston and thus a functional unit is formed as a heat exchanger expander (14) which is passable by the high pressure flow (a) and the low pressure flow (b), wherein at least one partial flow (a, -b) is connected to the expansion volume (22).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im6. The device according to claim 5, characterized in that in
Wärmeübertrager-Expander (14) für den Hochdruckstrom (a) und/oder für den Niederdruckstrom (b) eine Kolben-Zylinderanordnung vorgesehen ist.Heat exchanger expander (14) for the high pressure flow (a) and / or for the low pressure flow (b) a piston-cylinder arrangement is provided.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor und nach dem Wärmeübertrager-Expander (14) Volumenspeicher (15,21) vorgesehen sind.7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that volume stores (15, 21) are provided before and after the heat exchanger expander (14).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinder (23) und Expansionskolben (19) des Wärmeübertrager-Expander (14) eine konische Grundform (Kegel, Kegelstumpf o. dgl.) aufweisen, die sich zum kalten Ende hin verjüngt, wobei der Hub des Expansionskolbens (19) wesentlich kleiner ist als die Erstreckung des Expansionsvolumens (22) in Richtung des Haupttemperaturgradienten und die Mantelflächen von Zylinder und Kolben so gestaltet sind, daß der von beiden Mantelflächen in einem Totpunkt gebildete Schadraum auf ein fertigungstechnisch bedingtes Mindestmaß reduziert wird.8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the cylinder (23) and expansion piston (19) of the heat exchanger expander (14) have a conical basic shape (cone, truncated cone or the like.) Which face the cold end tapered, the stroke of the expansion piston (19) being substantially smaller than the extent of the expansion volume (22) in the direction of the main temperature gradient and the lateral surfaces of the cylinder and piston being designed such that the clearance space formed by the two lateral surfaces at a dead center points to a manufacturing technology conditional minimum is reduced.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die9. The device according to claim 8, characterized in that the
Zylinder- und die Kolbenmantelfläche durch eine profilierte,Cylinder and piston surface through a profiled,
ERSATZBLAπ (REGEL 26) vorzugsweise eine berippte Gestaltung eine gegenüber der konischen Grundform vergrößerte Oberfläche aufweisen.REPLACEMENT BLAπ (RULE 26) preferably have a ribbed design with an enlarged surface compared to the conical basic shape.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die10. The device according to claim 8, characterized in that the
Zylinder- und die Kolbenmantelfläche ein schraubenförmiges Profil aufweisen, so daß die Hub- bzw. Expansionsbewegung eine Überlagerung aus einer oszillierenden und einer rotierenden Bewegung darstellt.Cylinder and the piston jacket surface have a helical profile, so that the lifting or expansion movement is a superposition of an oscillating and a rotating movement.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen8 sheets of drawings
ERSATZBLAπ (REGEL 26) REPLACEMENT BLAπ (RULE 26)
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