WO1999058905A1 - Verfahren und vorrichtung zur kälteerzeugung - Google Patents

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WO1999058905A1
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thomson
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Alexander Alexeev
Hans Quack
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Messer Griesheim Gmbh
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling in the temperature range from 65 to 150 K, in which the refrigerant is compressed with an oil-lubricated compressor, then cooled to ambient temperature and then oil is separated from the refrigerant before the refrigerant is fed to a Joule-Thomson heat exchanger becomes.
  • the invention further relates to a device for refrigeration in the temperature range from 65 to 150 K, an oil-lubricated compressor for compressing a refrigerant, a downstream aftercooler for cooling the refrigerant to ambient temperature, a subsequent device for separating oil from the refrigerant and one of the devices has downstream Joule-Thomson countercurrent heat exchanger for separating the oil.
  • a gaseous refrigerant is compressed in a compressor from a relatively low pressure (low pressure) to a relatively high pressure (high pressure) and cooled to ambient temperature in an aftercooler.
  • the compressed refrigerant is then cooled in a high-pressure stream in a heat exchanger in countercurrent to the not yet compressed refrigerant and finally expanded into the two-phase region of the refrigerant with the aid of a throttle valve.
  • the liquid portion of the refrigerant is partially evaporated in an evaporator with absorption of the cooling capacity.
  • the refrigerant coming from the evaporator in the low-pressure stream is fed to the countercurrent heat exchanger and warmed up therein by the compressed refrigerant.
  • the warmed up refrigerant is then returned to the compressor.
  • Mixtures of gases with normal boiling temperatures below 320 K are often used as refrigerants. These include, for example, hydrogen, nitrogen, oxygen, noble gases, hydrocarbons and halogenated hydrocarbons.
  • refrigerants include, for example, hydrogen, nitrogen, oxygen, noble gases, hydrocarbons and halogenated hydrocarbons.
  • the one before 2 described methods are referred to when using such substance mixtures as refrigerants as "mixture-Joule-Thomson method".
  • oil-lubricated compressors To compress the refrigerant, it is advantageous to use an oil-lubricated compressor.
  • the maintenance-free period for oil-lubricated compressors is relatively long with over 20,000 operating hours. This ensures high reliability of the entire refrigeration system, since there are no other components with mechanically moving components.
  • an oil-lubricated compressor has the disadvantage that oil can get from the compressor into the refrigerant and can thus be carried into the refrigeration cycle. If the oil gets into the cold part of the refrigeration system, it freezes out at the low temperatures that occur in the evaporator and clogs the evaporator. Corresponding components must therefore be connected downstream of the compressor in order to separate oil from the refrigerant after it has been compressed. Because of the relatively high temperatures of the compressed refrigerant, both aerosols and vaporous oil components are generally present in the refrigerant. A liquid oil separator with oil return to the compressor and a downstream adsorber can advantageously be used as a cleaning unit to remove vaporous oil components and the finest droplets still remaining. This arrangement has been described (RC Longworth, MJ Boiarski, LA Klusmier, 80 K Closed Cycle Throttle Refrigerator, Proceedings of the 8th International Conference cryocooler, Vail Co., June 1994).
  • An adsorber is a container filled with an adsorbent.
  • Solid substances serve as adsorbents, which due to their properties can bind other substances, in this case the oil.
  • the adsorption process is an accumulation of molecules from the gaseous or liquid phase on the solid surface of the adsorbent.
  • Activated carbon, silica gel and zeolites are primarily used as adsorbents. With a mixture Joule Thomson 3
  • the oil droplets and the vaporous oil in the adsorber are deposited on the inner surface of the adsorbent.
  • the functioning of an adsorber is discontinuous.
  • the adsorber is loaded when the entire inner surface of the adsorbent is from the foreign
  • Molecules is occupied. Then the adsorber can no longer fulfill its function. The adsorber is therefore replaced or regenerated at regular intervals. The period between the exchange or regeneration of the adsorber disadvantageously determines the maintenance-free period of the entire chiller. A typical maintenance period is in the range of 5000 to 10000 operating hours.
  • Another disadvantage of the adsorber is the selectivity of the adsorbent in relation to certain components of a refrigerant mixture, i.e. its property of differently adsorbing different components (H.
  • volume of the adsorber The greater the volume of the adsorber, the greater the disadvantageous influence of the selectivity of the adsorbent on the composition of the refrigerant mixture. Therefore, it does not make sense to use the volume of the adsorber 4 to increase the maintenance-free time in relation to the loading with oil, because at the same time this changes the composition of the refrigerant mixture with generally negative effects.
  • the main criterion for selecting the composition is the size and distribution of the temperature difference between high and low pressure flow in the Joule-Thomson heat exchanger.
  • the temperature difference should be as small as possible and the distribution of the temperature difference in the heat exchanger should be as uniform as possible.
  • Refrigerant mixtures that offer a particularly favorable temperature difference distribution in the heat exchanger are usually not gaseous before entering the Joule-Thomson heat exchanger, but are partially liquefied. This is achieved by adding higher-boiling components such as propane or isoButane (A. Alexeev, H. Quack, Ch. Haberstroh, Low cost mixture Joule Thomson Refrigerator, Cryogenics, Proceedings of the 16 th International Cryogenic Engineering Conference, Kitakyushu, Japan , 1996).
  • propane or isoButane A. Alexeev, H. Quack, Ch. Haberstroh, Low cost mixture Joule Thomson Refrigerator, Cryogenics, Proceedings of the 16 th International Cryogenic Engineering Conference, Kitakyushu, Japan , 1996.
  • the higher-boiling mixture components usually also have a higher freezing temperature. At low temperatures in the cold section, these components can freeze out and clog the evaporator. For this reason, the proportion of higher-boiling components in the refrigerant mixture should be as low as possible. The advantages of using refrigerant mixtures are not fully exploited, the potential effectiveness is not achieved. This is another disadvantage of the mixture Joule-Thomson method known in the prior art.
  • the object of the invention is to increase the effectiveness of the mixture Joule-Thomson process with oil-lubricated compressors.
  • the efficiency of the method and the device for cooling is to be increased and the maintenance-free time of an optionally arranged adsorber and thus the device for cooling is to be extended.
  • the object is achieved in that the refrigerant is additionally cooled after it has cooled to ambient temperature and before entering the Joule-Thomson heat exchanger.
  • the device for the additional cooling is called an oil condenser here.
  • an oil condenser Surprisingly, due to the relatively low additional cooling, further oil fractions from the refrigerant flow advantageously condense to a considerable extent.
  • the method is particularly advantageously suitable for generating cold in the temperature range from 90 to 110 K.
  • the refrigerant is additionally cooled after it has cooled to ambient temperature and before oil separation.
  • the refrigerant is additionally cooled after the oil has been separated off and before it enters the Joule-Thomson heat exchanger.
  • the refrigerant stream is advantageously cooled in a further heat exchanger (precooler) after the oil has been separated off, so that the refrigerant is partially liquefied in the Joule-Thomson heat exchanger.
  • precooler further heat exchanger
  • the heat exchangers for cooling the high pressure flow below the ambient temperature, i.e. oil condenser and precooler obtain their cooling capacity advantageously from a refrigeration system.
  • liquid oil components are separated from the refrigerant. If the partial pressure of the oil vapors in the flow of the compressed refrigerant after the liquid oil separator is less than approx. 10 "3 mbar or if the desired evaporation temperature is above 120 K, then in the process according to the invention the additional cooling in the oil condenser can advantageously only be carried out with a liquid oil separator as 6
  • the refrigerant has a temperature of 233 to 243 K before entering the Joule-Thomson heat exchanger.
  • the pressure of the refrigerant before entering the oil-lubricated compressor is 1 to 3 bar, preferably 1.5 to 2.5 bar and particularly preferably 1.6 to 1.8 bar, and that the refrigerant after whose compression in the oil-lubricated compressor has a pressure of 10 to 28 bar, preferably 12 to 18 bar and particularly preferably 14 to 16 bar
  • the predominantly liquid oil component has been separated from the refrigerant
  • the predominantly vaporous oil component has subsequently been separated from the refrigerant.
  • the separation is advantageously carried out with a liquid oil separator and a downstream adsorber, the oil droplets contained in the refrigerant stream being separated in the liquid oil separator and the remaining refrigerant stream being cleaned further with a small amount of vaporous oil in an adsorber.
  • the oil vapors from the refrigerant gas after the compression condense out relatively well and are relatively well separated in the liquid oil separator.
  • the concentration of the residual oil in the gaseous refrigerant after the liquid oil separator is relatively low, which considerably relieves the pressure on the adsorber. Relatively cold refrigerant flows through the adsorber, thereby cooling it. This increases the specific capacity of the adsorbent in the adsorber compared to prior art methods and the maintenance period of the adsorber and thus the entire device for cooling is extended.
  • the proportion of higher-boiling components can advantageously be reduced when using refrigerant mixtures. Because even before entering the Joule-Thomson heat exchanger, such refrigerant mixtures are used 7 partially liquefied. This simultaneously increases the effectiveness of the system and significantly reduces the risk of these components freezing out at low temperatures in the cold part of the system.
  • a mixture is used as the refrigerant, which contains nitrogen, methane, propane and ethane or ethylene.
  • the mixture preferably contains 25 to 45 mol% nitrogen, 15 to 42 mol% methane, 5 to 15 mol% propane, balance ethane or ethylene.
  • the advantage is that the refrigerant mixture consists of relatively few components. Components with normal boiling point at ambient temperature, for example isobutane, are no longer necessary. The development of refrigerant mixtures and maintenance of the refrigerant mixture is thus significantly simplified.
  • the object is further achieved by a device for cooling, in which an oil condenser is arranged between the aftercooler and the Joule-Thomson countercurrent heat exchanger.
  • the oil condenser is arranged after the aftercooler and before an oil separation device.
  • an adsorber is arranged after the device for oil separation and before the Joule-Thomson countercurrent heat exchanger.
  • a precooler is arranged after the aftercooler and after the device for oil separation.
  • the oil condenser and / or the precooler are integrated as evaporators in a separate refrigeration circuit.
  • a heat exchanger is arranged after the device for oil separation or after the adsorber and before the precooler.
  • the precooler is designed as a three-flow heat exchanger, through which the coolant flow from the Joule-Thomson heat exchanger and the flow of the cooling medium from the separate cooling circuit are conducted in countercurrent to the coolant flow from the device for oil separation or the adsorber.
  • Fig. 2 schematic representation of a variant of the mixture-Joule-Thomson refrigeration apparatus according to Fig. 1 with oil-lubricated compressor and oil return with additional cooling of the high pressure flow.
  • FIG. 3 schematic representation of a refrigeration apparatus according to FIG. 1 with an additional adsorber
  • FIG. 1 an apparatus for performing a mixture throttle process is shown. This process can be seen as a modified Joule-Thomson process.
  • the device consists of an oil-lubricated compressor 1, an aftercooler 2, a Joule-Thomson heat exchanger 3, a throttle element 4, an evaporator 5, a liquid oil separator 6, a capillary line 8, an oil condenser 9, a precooler 10, a heat exchanger 17 and one Refrigeration system 11.
  • the mixture compressed in the compressor 1 is cooled in the aftercooler 2 to ambient temperature.
  • the refrigerant is then in the
  • Oil condenser 9 pre-cooled to below ambient temperature, the mixture remaining gaseous.
  • the subsequent separation of the oil from the refrigerant mixture takes place in two stages. First, oil droplets and oil aerosol are separated in the liquid oil separator 6. The separated oil in the liquid oil separator 6 is fed back to the compressor 1 through a capillary line 8 and the oil circuit is thus closed.
  • the high-pressure stream downstream of the liquid oil separator 6 then flows through the heat exchanger 17. From the heat exchanger 17, which is preferably designed as a countercurrent heat exchanger, the high-pressure stream is fed to the precooler 10 and then to the Joule-Thomson heat exchanger 3.
  • the refrigerant mixture is cooled by the pre-cooler 10 so that the refrigerant mixture is partially liquefied.
  • the high-pressure flow is cooled in the Joule-Thomson heat exchanger 3 in countercurrent to the low-pressure flow and finally expanded in the throttle element 4 into the two-phase region.
  • the refrigerant mixture is partially evaporated in the evaporator 5 with absorption of cooling power.
  • the refrigerant mixture coming from the evaporator 5 is warmed up in the Joule-Thomson countercurrent heat exchanger 3. This low-pressure flow is fed back to the compressor 1 via the heat exchanger 17.
  • the cold for the oil condenser 9 and the pre-cooler 10 is provided by at least one additional cooling system 11. 10
  • the refrigeration system 11 preferably consists of a compressor 12, a condenser 13 and the throttling elements 14 and 15.
  • a further throttling element 16 can be arranged in the line after the oil condenser 9.
  • FIG. 2 shows a development of the device shown in FIG. 1 for carrying out a mixture throttle process.
  • the precooler 10 after the liquid oil separation in the liquid oil separator 6 is designed here as a three-flow heat exchanger, through which the low-pressure flow from the Joule-Thomson heat exchanger 3 and the pre-cooling medium flow from the refrigeration system 11 in countercurrent to the high-pressure flow, and as a result the heat exchanger 17 is omitted here.
  • the cycle is particularly efficient.
  • the cold for the precooler 10 and the oil condenser 9 is generated in at least one refrigerator 11.
  • the device according to FIG. 3 essentially corresponds to the device shown in FIG. 1 and the device according to FIG. 4 essentially corresponds to the device shown in FIG. 2, with an adsorber 7 additionally between the liquid oil separator 6 and the heat exchanger 17 or the three-flow heat exchanger is arranged as a precooler 10.
  • the vaporous oil components in the adsorber 7 are additionally adsorbed from the refrigerant.
  • FIG. 5 An advantageous variant of the device is shown in FIG. 5.
  • the coolant after the aftercooler 2 is only cooled in the oil condenser 9 and the oil separation in the liquid oil separator 6 is facilitated.
  • Oil separation the oil vapors are adsorbed in an adsorber 7.
  • the cleaned refrigerant enters the Joule-Thomson heat exchanger 3 and is then further treated in accordance with a Joule-Thomson process according to the prior art.
  • the cold for the oil condenser 9 is generated by a refrigerator 11. 11
  • the device shown in FIG. 6 has only one liquid oil separator 6 for separating the oil from the refrigerant mixture. No adsorber 7 is required in this device. The cold for the oil condenser 9 is generated in a refrigerator 11.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, die einen ölgeschmierten Verdichter (1) zur Verdichtung eines Kältemittels, einen nachgeschalteten Nachkühler (2) zur Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur, eine daran anschliessende Vorrichtung zur Abtrennung von Öl (6) aus dem Kältemittel und einen der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls (6) nachgeschalteten Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager (3) aufweist, ist zwischen dem Nachkühler (2) und dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager (3) ein Ölkondensator (9) angeordnet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kälteerzeugung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, bei dem das Kältemittel mit einem ölgeschmierten Verdichter verdichtet wird, anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird und anschließend Öl aus dem Kältemittel abgetrennt wird, bevor das Kältemittel einem Joule-Thomson- Wärmeübertrager zugeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, die einen ölgeschmierten Verdichter zur Verdichtung eines Kältemittels, einen nachgeschalteten Nachkühler zur Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur, eine daran anschließende Vorrichtung zur Abtrennung von Öl aus dem Kältemittel und einen der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson- Gegenstromwärmeübertrager aufweist.
Nach dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um im Temperaturbereich von 65 bis 150 K Kälte zu erzeugen. Bei diesen Verfahren wird ein gasförmiges Kältemittel in einem Kompressor von einem relativ geringen Druck (Niederdruck) auf einen relativ hohen Druck (Hochdruck) verdichtet und in einem Nachkühler auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird das verdichtete Kältemittel im Hochdruckstrom in einem Wärmeübertrager im Gegenstrom zu dem noch nicht verdichteten Kältemittel abgekühlt und schließlich mit Hilfe eines Drosselventils in das Zweiphasengebiet des Kältemittels entspannt. Nach der Entspannung wird der flüssige Anteil des Kältemittels in einem Verdampfer unter Aufnahme der Kälteleistung teilweise verdampft. Das aus dem Verdampfer kommende Kältemittel im Niederdruckstrom wird dem Gegenstrom-Wärmeübertrager zugeführt und darin durch das verdichtete Kältemittel aufgewärmt. Anschließend wird das aufgewärmte Kältemittel dem Kompressor wieder zugeleitet.
Als Kältemittel werden oft Gemische aus Gasen mit Normalsiedetemperaturen unter 320 K verwendet. Dazu gehören zum Beispiel Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Kohlenwasserstoffe und halogenierte Kohlenwasserstoffe. Die zuvor 2 beschriebenen Verfahren werden bei einer Verwendung derartiger Stoffgemische als Kältemittel als "Gemisch-Joule-Thomson-Verfahren" bezeichnet.
Für die Verdichtung des Kältemittels ist es vorteilhaft, einen ölgeschmierten Verdichter einzusetzen. Der wartungsfreie Zeitraum für ölgeschmierte Verdichter ist mit über 20000 Betriebsstunden relativ lang. Dadurch wird ein hohe Zuverlässigkeit der gesamten Kälteanlage gewährleistet, denn es sind keine weiteren Komponenten mit mechanisch bewegten Bauteilen vorhanden.
Die Verwendung eines ölgeschmierten Verdichters ist mit dem Nachteil verbunden, daß Öl aus dem Verdichter in das Kältemittel gelangen kann und so in den Kältekreislauf verschleppt werden kann. Gelangt das Öl in den kalten Teil der Kälteanlage, dann friert es bei den im Verdampfer auftretenden tiefen Temperaturen aus und verstopft den Verdampfer. Dem Verdichter müssen daher entsprechende Bauteile nachgeschaltet werden, um Öl aus dem Kältemittel nach dessen Verdichtung abzuscheiden. Aufgrund der relativ hohen Temperaturen des verdichteten Kältemittels sind in der Regel sowohl aerosole, als auch dampfförmige Ölanteile in dem Kältemittel vorhanden. Als Reinigungseinheit kann vorteilhaft ein Flüssigkeitsölabscheider mit Ölrückführung in den Verdichter und ein nachgeschalteter Adsorber zum Entfernen von dampfförmigen Olanteilen und noch verbliebenen feinsten Tröpfchen eingesetzt werden. Diese Anordnung wurde bereits beschrieben (R. C. Longsworth, M. J. Boiarski, L.A. Klusmier, 80 K Closed Cycle Throttle Refrigerator, Proceedings of the 8th International Cryocooler Conference, Vail Co., June 1994).
Ein Adsorber ist ein mit Adsorptionsmittel gefüllter Behälter. Als Adsorptionsmittel dienen feste Stoffe, die aufgrund ihrer Eigenschaften andere Stoffe, in diesem Fall das Öl, binden können. Der Adsorptionsprozeß stellt eine Anlagerung von Molekülen aus der gasförmigen oder flüssigen Phase an die Festkörperoberfläche des Adsorptionsmittels dar. Als Adsorptionsmittel werden vor allem Aktivkohle, Silikagel und Zeolithe (Molekularsiebe) verwendet. Bei einem Gemisch-Joule-Thomson- 3
Verfahren werden die Oltröpfchen und das dampfförmige Öl in dem Adsorber auf der inneren Oberfläche des Adsorptionsmittel angelagert.
Die Funktionsweise eines Adsorbers ist diskontinuierlich. Der Adsorber ist beladen, wenn die ganze innere Oberfläche des Adsorptionsmittels von den fremden
Molekülen besetzt ist. Dann kann der Adsorber seine Funktion nicht mehr erfüllen. Daher wird der Adsorber in regelmäßigen Zeitabständen ausgetauscht bzw. regeneriert. Der Zeitraum zwischen dem Austausch bzw. der Regeneration des Adsorbers bestimmt nachteilig den wartungsfreien Zeitraum der gesamten Kältemaschine. Ein üblicher Wartungszeitraumes liegt im Bereich von 5000 bis 10000 Betriebsstunden.
Ein weiterer Nachteil des Adsorbers ist die Selektivität des Adsorptionsmittels in Bezug auf bestimmte Komponenten eines Kältemittelgemisches, das heißt seine Eigenschaft, verschiedene Komponenten unterschiedlich zu adsorbieren (H.
Jungnickel, R. Agsten, W.-E. Kraus, Grundlagen der Kältetechnik, Verlag Technik GmbH, 1990, S. 309). Beim Durchströmen des Adsorbers verschiebt sich die Zusammensetzung des Gemisches aus diesem Grund in der Regel zugunsten der tiefsiedenden Komponenten.
Die Effektivität eines Gemisch-Joule-Thomson-Verfahrens hängt stark von der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches ab. Bei der ständigen Zirkulation des Kältemittelgemisches werden höhersiedende Komponenten im Adsorber mehr und mehr adsorbiert, so daß die Gesamtzusammensetzung sich verändert. Die Änderung der Zusammensetzung führt zu einer wesentlichen Verschlechterung der
Charakteristika des Systems und die erforderliche Kälteleistung oder Kühltemperatur werden nicht mehr erreicht. Eine Erneuerung des Kältemittelgemisches ist dann notwendig.
Dieser nachteilige Einfluß der Selektivität des Adsorptionsmittels auf die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches ist um so größer, je größer das Volumen des Adsorbers ist. Daher ist es nicht sinnvoll, das Volumen des Adsorbers 4 zu vergrößern, um die wartungsfreie Zeit in bezug auf die Beladung mit Öl zu verlängern, weil gleichzeitig die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches dadurch mit in der Regel negativen Auswirkungen verändert wird.
Für die thermodynamische Effektivität des Kreislaufs des Kältemittelgemisches ist es wichtig, bestimmte Zusammensetzungen des Kältemittelgemisches zu verwenden. Hauptkriterium zur Auswahl der Zusammensetzung ist die Größe und Verteilung der Temperaturdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckstrom im Joule-Thomson- Wärmeübertrager. Die Temperaturdifferenz soll möglichst gering und die Verteilung der Temperaturdifferenz im Wärmeübertrager soll möglichst gleichmäßig sein.
Kältemittelgemische, die eine besonders günstige Temperaturdifferenzverteilung im Wärmeübertrager bieten, sind vor dem Eintritt in den Joule-Thomson- Wärmeübertrager meist nicht gasförmig, sondern teilweise verflüssigt. Dies wird durch Zugabe von höhersiedenden Komponenten, wie zum Beispiel Propan oder isoButan erreicht (A. Alexeev, H. Quack, Ch. Haberstroh, Low cost mixture Joule Thomson Refrigerator, Cryogenics, Proceedings of the 16th International Cryogenic Engineering Conference, Kitakyushu, Japan, 1996).
Die höhersiedenden Gemisch-Komponenten besitzen in der Regel auch eine höhere Gefriertemperatur. Bei tiefen Temperaturen im Kaltteil können diese Komponenten ausfrieren und den Verdampfer verstopfen. Aus diesem Grund sollte der Anteil von höhersiedenden Komponenten im Kältemittelgemisch möglichst gering sein. Die Vorteile des Einsatzes von Kältemittelgemischen werden so nicht voll genutzt, die potentiell vorhandene Effektivität wird nicht erreicht. Das ist ein weiterer Nachteil der im Stand der Technik bekannten Gemisch-Joule-Thomson-Verfahren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Effektivität des Gemisch-Joule- Thomson-Prozesses mit ölgeschmierten Verdichtern zu steigern. Der Wirkungsgrad des Verfahrens und der Vorrichtung zur Kälteerzeugung soll erhöht werden und die wartungsfreie Zeit eines gegebenenfalls angeordneten Adsorbers und damit der Vorrichtung zur Kälteerzeugung soll verlängert werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson- Wärmeübertrager zusätzlich gekühlt wird.
Die Vorrichtung für die zusätzliche Abkühlung wird hier Ölkondensator genannt. Denn überraschenderweise kondensieren durch die relativ geringe zusätzliche Abkühlung in beträchtlichem Maße vorteilhaft weitere Ölanteile aus dem Kältemittelstrom.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 90 bis 110 K geeignet.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor der Ölabtrennung zusätzlich gekühlt wird.
Ebenso ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Kältemittel nach der Abtrennung des Öls und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager zusätzlich gekühlt wird. Dazu wird nach der Abtrennung des Öls der Kältemittelstrom vorteilhaft in einem weiteren Wärmeübertrager (Vorkühler) gekühlt, so daß das Kältemittel im Joule-Thomson-Wärmeübertrager teilweise verflüssigt vorliegt. Die Wärmeübertrager zur Kühlung des Hochdruckstromes unter die Umgebungstemperatur, das bedeutet Ölkondensator und Vorkühler, beziehen ihre Kälteleistung vorteilhaft von einer Kälteanlage.
Nach der Erfindung werden nach der Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur überwiegend flüssige Ölanteile aus dem Kältemittel abgetrennt. Wenn der Partialdruck der Öldämpfe im Strom des verdichteten Kältemittels nach dem Flüssigkeitsölabscheider weniger als ca. 10"3 mbar beträgt oder wenn die gewünschte Verdampfungstemperatur über 120 K liegt, dann kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die zusätzliche Abkühlung im Ölkondensator vorteilhaft nur mit einem Flüssigkeitsölabscheider als 6
Abtrennungsstufe für das Öl schon eine technisch sinnvolle Reinheit des Kältemittels erzielt werden.
Nach der Erfindung weist das Kältemittel vor Eintritt in den Joule-Thomson- Wärmeübertrager eine Temperatur von 233 bis 243 K auf.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Druck das Kältemittels vor Eintritt in den ölgeschmierten Verdichter 1 bis 3 bar, vorzugsweise 1 ,5 bis 2,5 bar und besonders bevorzugt 1 ,6 bis 1 ,8 bar, beträgt und daß das Kältemittel nach dessen Verdichtung in dem ölgeschmierten Verdichter einen Druck von 10 bis 28 bar, vorzugsweise 12 bis 18 bar und besonders bevorzugt 14 bis 16 bar, aufweist
Erfindungsgemäß ist es ebenso vorgesehen, nach der Abtrennung des überwiegend flüssigen Ölanteils aus dem Kältemittel anschließend den überwiegend dampfförmigen Olanteil aus dem Kältemittel abzutrennen. Die Abtrennung erfolgt vorteilhaft mit einem Flüssigkeitsölabscheider und nachgeschaltetem Adsorber, wobei in dem Flüssigkeitsölabscheider die im Kältemittelstrom enthaltenen Oltröpfchen abgeschieden werden und der verbleibende Kältemittelstrom mit nunmehr geringen dampfförmigen Olanteilen in einem Adsorber weiter gereinigt wird. Die Öldämpfe aus dem Kältemittelgas nach der Verdichtung kondensieren relativ gut aus und werden im Flüssigkeitsölabscheider relativ gut abgeschieden. Die Konzentration des Restöls im gasförmigen Kältemittel nach dem Flüssigkeitsölabscheider ist relativ gering, wodurch der Adsorber wesentlich entlastet wird. Der Adsorber wird von relativ kaltem Kältemittel durchflössen und dadurch gekühlt. So vergrößert sich die spezifische Kapazität des Adsorptionsmittels im Adsorber gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik und der Wartungszeitraum des Adsorbers und damit der gesamten Vorrichtung zur Kälteerzeugung wird verlängert.
Ferner kann bei einer Verwendung von Kältemittelgemischen vorteilhaft den Anteil an höhersiedenden Bestandteilen verringert werden. Denn auch vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager werden derartige Kältemittelgemische 7 teilweise verflüssigt. Dadurch wird gleichzeitig die Effektivität der Anlage erhöht und die Gefahr des Ausfrierens dieser Bestandteile bei tiefen Temperaturen im Kaltteil der Anlage wesentlich reduziert.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß als Kältemittel ein Gemisch eingesetzt wird, welches Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen enthält. Vorzugsweise enthält das Gemisch 25 bis 45 mol % Stickstoff, 15 bis 42 mol % Methan, 5 bis 15 mol % Propan, Rest Ethan oder Ethylen. Der Vorteil besteht darin, daß das Kältemittelgemisch aus relativ wenig Komponenten besteht. Komponenten mit Normalsiedetemperatur bei Umgebungstemperatur, zum Beispiel iso-Butan, sind nicht mehr notwendig. Die Entwicklung von Kältemittelgemischen und Wartung des Kältemittelgemisches ist damit deutlich vereinfacht.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung gelöst, bei der zwischen dem Nachkühler und dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager ein Ölkondensator angeordnet ist.
Nach der Erfindung ist der Ölkondensator nach dem Nachkühler und vor einer Vorrichtung zur Olabscheidung angeordnet.
Erfindungsgemäß ist ein Adsorber nach der Vorrichtung zur Olabscheidung und vor dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager angeordnet.
Nach der Erfindung ist nach dem Nachkühler und nach der Vorrichtung zur Olabscheidung ein Vorkühler angeordnet.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Ölkondensator und/oder der Vorkühler als Verdampfer in einem separaten Kältekreislauf eingebunden sind.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß nach der Vorrichtung zur Olabscheidung oder nach dem Adsorber und vor dem Vorkühler ein Wärmeübertrager angeordnet ist. 8
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß der Vorkühler als Dreistrom- Wärmeübertrager ausgelegt ist, durch welchen der Kältemittelstrom aus dem Joule- Thomson-Wärmeübertrager und der Strom des Kühlmediums aus dem separaten Kältekreislauf im Gegenstrom zum Kältemittelstrom aus der Vorrichtung zur Olabscheidung oder dem Adsorber geführt wird.
Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen (Fig. 1 bis Fig. 6) beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 : schematische Darstellung eines Gemisch-Joule-Thomson-Kälteapparates mit ölgeschmiertem Verdichter und Ölrückführung und mit zusätzlicher Kühlung des Hochdruckstromes,
Fig.2: schematische Darstellung einer Variante des Gemisch-Joule-Thomson- Kälteapparates nach Fig. 1 mit ölgeschmiertem Verdichter und Ölrückführung mit zusätzlicher Kühlung des Hochdruckstromes.
Fig. 3: schematische Darstellung eines Kälteapparates gemäß Fig. 1 mit zusätzlichem Adsorber,
Fig. 4: schematische Darstellung eines Kälteapparates gemäß Fig. 2 mit zusätzlichem Adsorber,
Fig. 5: schematische Darstellung eines Kälteapparates ohne Vorkühler, jedoch mit zusätzlichem Adsorber, und
Fig. 6: schematische Darstellung einer Vorrichtung ohne Vorkühler und ohne Adsorber. 9
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Gemisch-Drossel-Prozesses dargestellt. Dieser Prozeß kann als modifizierter Joule-Thomson-Prozeß aufgefaßt werden. Die Vorrichtung besteht aus einem ölgeschmierten Verdichter 1 , einem Nachkühler 2, einem Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3, einem Drosselorgan 4, einem Verdampfer 5, einem Flüssigkeitsölabscheider 6, einer Kapillarleitung 8, einem Ölkondensator 9, einem Vorkühler 10, einem Wärmeübertrager 17 und einer Kälteanlage 11.
Das im Kompressor 1 verdichtete Gemisch wird in dem Nachkühler 2 bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Anschließend wird das Kältemittel in dem
Ölkondensator 9 bis unter Umgebungstemperatur vorgekühlt, wobei das Gemisch gasförmig bleibt. Die nachfolgende Abtrennung des Öls aus dem Kältemittelgemisch findet in zwei Stufen statt. Zuerst werden Oltröpfchen und Ölaerosol in dem Flüssigkeitsölabscheider 6 abgeschieden. Das abgeschiedene Öl im Flüssigkeitsölabscheider 6 wird durch eine Kapillarleitung 8 dem Verdichter 1 wieder zugeführt und der Ölkreislauf so geschlossen. Der Hochdruckstrom nach dem Flüssigkeitsölabscheider 6 fließt dann durch den Wärmeübertrager 17. Vom Wärmeübertrager 17, der vorzugsweise als Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet ist, wird der Hochdruckstrom dem Vorkühler 10 und anschließend dem Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3 zugeführt. Das Kältemittelgemisch wird durch den Vorkühler 10 abgekühlt, so daß das Kältemittelgemisch teilweise verflüssigt wird. Der Hochdruckstrom wird im Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3 im Gegenstrom zum Niederdruckstrom abgekühlt und schließlich im Drosselorgan 4 ins Zweiphasengebiet entspannt. Nach der Drosselung wird das Kältemittelgemisch im Verdampfer 5 unter Aufnahme von Kälteleistung teilweise verdampft. Das aus dem Verdampfer 5 kommende Kältemittelgemisch wird im Joule-Thomson- Gegenstromwärmeübertrager 3 aufgewärmt. Dieser Niederdruckstrom wird über den Wärmeübertrager 17 dem Verdichter 1 wieder zugeführt. Die Kälte für den Ölkondensator 9 und den Vorkühler 10 wird von mindestens einer zusätzlichen Kälteanlage 11 bereitgestellt. 10
Die Kälteanlage 11 besteht vorzugsweise aus einem Verdichter 12, einem Kondensator 13 und den Drosselorganen 14 und 15. Zusätzlich kann im Bedarfsfall ein weiteres Drosselorgan 16 in der Leitung nach dem Ölkondensator 9 angeordnet sein.
In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur Durchführung eines Gemisch-Drossel-Prozesses dargestellt. Der Vorkühler 10 nach der Flüssigkeitsölabscheidung im Flüssigkeitsölabscheider 6 ist hier als Dreistrom- Wärmeübertrager ausgelegt, durch welchen der Niederdruckstrom aus dem Joule- Thomson-Wärmeübertrager 3 und das Vorkühlmedium aus der Kälteanlage 11 im Gegenstrom zum Hochdruckstrom fließen und wodurch der Wärmeübertrager 17 hier entfällt. Der Kreislauf ist besonders effizient. Die Kälte für den Vorkühler 10 und den Ölkondensator 9 wird in mindestens einer Kältemaschine 11 erzeugt.
Die Vorrichtung nach Fig. 3 entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung und die Vorrichtung nach Fig. 4 stimmt im wesentlichen mit der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung überein, wobei zusätzlich ein Adsorber 7 zwischen dem Flüssigkeitsölabscheider 6 und dem Wärmetauscher 17 bzw. dem Dreistrom- Wärmeübertrager als Vorkühler 10 angeordnet ist. Bei diesen Vorrichtungen werden die dampfförmigen Ölanteile in dem Adsorber 7 zusätzlich aus dem Kältemittel adsorbiert.
Eine apparativ vorteilhafte Variante der Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei wird das Kältemittel nach dem Nachkühler 2 nur im Ölkondensator 9 gekühlt und die Ölabtrennung im Flüssigkeitsölabscheider 6 wird erleichtert. Nach der
Olabscheidung werden die Öldämpfe im einem Adsorber 7 adsorbiert. Das gereinigte Kältemittel tritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager 3 ein und wird anschließend entsprechend einem Joule-Thomson-Prozeß nach dem Stand der Technik weiter behandelt. Die Kälte für den Ölkondensator 9 wird von einer Kältemaschine 11 erzeugt. 11
Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung weist nur einen Flüssigkeitsölabscheider 6 zur Abtrennung des Öls aus dem Kältemittelgemisch aus. Bei dieser Vorrichtung wird kein Adsorber 7 benötigt. Die Kälte für den Ölkondensator 9 wird in einer Kältemaschine 11 erzeugt.

Claims

12Patentansprüche
1. Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, bei dem das Kältemittel mit einem ölgeschmierten Verdichter (1 ) verdichtet wird, anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird und anschließend Öl aus dem Kältemittel abgetrennt wird, bevor das Kältemittel einem Joule- Thomson-Wärmeübertrager (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor dem Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) zusätzlich gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach dessen Abkühlung auf Umgebungstemperatur und vor der Ölabtrennung zusätzlich gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel nach der Abtrennung des Öls und vor dem Eintritt in den
Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) zusätzlich gekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel vor Eintritt in den Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) eine Temperatur von 233 bis 243 K aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck das Kältemittels vor Eintritt in den ölgeschmierten Verdichter (1 )
1 bis 3 bar, vorzugsweise 1 ,5 bis 2,5 bar und besonders bevorzugt 1 ,6 bis 1 ,8 bar, beträgt und daß das Kältemittel nach dessen Verdichtung in dem ölgeschmierten Verdichter (1 ) einen Druck von 10 bis 28 bar, vorzugsweise 12 bis 18 bar und besonders bevorzugt 14 bis 16 bar, aufweist. 13
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur überwiegend flüssige Ölanteile aus dem Kältemittel abgetrennt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abtrennung des überwiegend flüssigen Ölanteils aus dem Kältemittel anschließend der überwiegend dampfförmige Olanteil aus dem Kältemittel abgetrennt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel ein Gemisch enthaltend Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen, eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch 25 bis 45 mol % Stickstoff, 15 bis 42 mol % Methan, 5 bis 25 mol % Propan, Rest Ethan oder Ethylen enthält.
10. Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 65 bis 150 K, die einen ölgeschmierten Verdichter (1 ) zur Verdichtung eines Kältemittels, einen nachgeschalteten Nachkühler (2) zur Abkühlung des Kältemittels auf Umgebungstemperatur, eine daran anschließende Vorrichtung zur Abtrennung von Öl aus dem Kältemittel und einen der Vorrichtung zur Abtrennung des Öls nachgeschalteten Joule-Thomson-Gegenstromwärmeüberträger (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Nachkühler (2) und dem Joule-Thomson- Gegenstromwärmeübertrager (3) ein Ölkondensator (9) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölkondensator (9) nach dem Nachkühler (2) und vor einer Vorrichtung zur Olabscheidung (6) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, 14
daß ein Adsorber (7) nach der Vorrichtung zur Olabscheidung (6) und vor dem Joule-Thomson-Gegenstromwärmeübertrager (3) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Nachkühler (2) und nach der Vorrichtung zur Olabscheidung (6) ein Vorkühler (10) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölkondensator (9) und/oder der Vorkühler (10) als Verdampfer in einem separaten Kältekreislauf (11 ) eingebunden sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vorrichtung zur Olabscheidung (6) oder nach dem Adsorber (7) und vor dem Vorkühler (10) ein Wärmeübertrager (17) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkühler (10) als Dreistrom-Wärmeübertrager ausgelegt ist, durch welchen der Kältemittelstrom aus dem Joule-Thomson-Wärmeübertrager (3) und der Strom des Kühlmediums aus dem separaten Kältekreislauf (11) im Gegenstrom zum Kältemittelstrom aus der Vorrichtung zur Olabscheidung (6) oder dem Adsorber (7) geführt wird.
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