WO2020229395A1 - Verfahren zur kühlung eines fluidgemischs - Google Patents

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partial
flow
temperature
heat exchanger
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Steffen KLOEPPEL
Hans Quack
Christoph Haberstroh
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Technische Universität Dresden
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    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Definitions

  • the invention relates to a method for performing a cooling process with a fluid mixture that is formed with at least two components.
  • the inventive method are particularly for the cooling of
  • High temperature superconductors which are formed with copper oxide and have a critical temperature above 77 K, the condensation temperature of nitrogen at atmospheric pressure, are usually cooled with liquid nitrogen.
  • temperatures below 77 K are aimed for.
  • the nitrogen can be expanded to a sub-atmospheric pressure, the temperature being lowered by the Joule-Thomson effect.
  • the efficiency is low because only the latent cooling capacity is used.
  • the sub-atmospheric pressure required for this is also often assessed as a safety risk.
  • Brayton cycles are a possible alternative to the aforementioned method.
  • helium, neon or a mixture of these gases can be compressed as a refrigerant in a compressor, pre-cooled in a heat exchanger and then expanded to perform work in a turbine.
  • the cooling task is then fulfilled with the coldness of the relaxed gas.
  • a temperature range between the turbine inlet temperature and the turbine outlet temperature can be used for cooling.
  • the pressure ratios with which the turbine is operated are also small.
  • the low turbine output means that very high mass flows of the refrigerant are required, which in turn increases the size of the system, which is disadvantageous.
  • a Brayton cycle could also be implemented with a turbine operated at a high pressure ratio.
  • a Claude cycle in which a gas is pre-cooled with a partial flow passed through a turbine and then liquefied by adiabatic throttling, can also be used.
  • nitrogen and oxygen would come into question as components with which the gas is formed.
  • these circuits would require a very low pressure level after throttling and, due to the low gas density, would require correspondingly large systems.
  • the object of the invention is therefore to propose efficient and reliable cooling methods with a high degree of efficiency which avoid the disadvantages listed above.
  • the object is achieved with the features mentioned in claim 1 and claim 2.
  • Advantageous variants result from the features mentioned in the subclaims.
  • the invention relates to a method for carrying out a cooling process with a fluid mixture which is formed with at least two components, in which (a) the fluid mixture is compressed from a low pressure to a high pressure in at least one compressor and then cooled in a recooler, (b) the fluid mixture is passed successively through a first, second and third stage of a heat exchanger, wherein the fluid mixture gives off heat and is cooled to a first temperature, (c) the fluid mixture is passed into a phase separator and a first mass partial flow of the fluid mixture by condensation of a second mass partial flow of the fluid mixture is separated, (d) the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture is passed through the third and second stage of the heat exchanger, wherein the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture absorbs heat and is heated to a second temperature, (e) the second gaseous mass partial flow of the Fluidgem Ischs coming from the second stage of the heat exchanger in an expander, work-producing expanded and thereby cooled to a third temperature
  • the invention relates to a further method or a variant of the above described method for performing a cooling process with a fluid mixture, which is formed with at least two components, in which (a) the fluid mixture is compressed in at least one compressor from a low pressure to a high pressure and then cooled in a recooler, (b) the fluid mixture in succession is passed through a first, second and third stage of a heat exchanger, the fluid mixture giving off heat and being cooled to a first temperature, (c) the fluid mixture is passed into a phase separator and a first partial mass flow of the fluid mixture is separated from a second partial mass flow of the fluid mixture by condensation , (d) the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture is passed through the third and second stage of the heat exchanger, the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture absorbing heat and being heated to a second temperature, (e) the second gaseous mass partial flow of the fluid mixture from de r coming to the second stage of the heat exchanger in an expander, work is relaxed and cooled to
  • the work done in the expander in step (e) can be used to compress the fluid mixture in the at least one compressor in step (a).
  • the expander can with one or more Turbines be formed.
  • One or more turbines can in particular be operated with a large pressure ratio. This can be achieved in that the second temperature or the turbine inlet temperature of the second mass partial flow of the fluid mixture is significantly higher than the outlet temperature of the application fluid or the third temperature.
  • the heat exchanger can be designed as a counterflow heat exchanger.
  • the mass flow of the fluid mixture in step (b) can flow through the countercurrent heat exchanger in a direction opposite to the mass flow, mass partial flow and / or part of the mass partial flow of the fluid mixture in step (g), the mass flow of the fluid mixture in step (b) giving off heat and the Mass flow, mass partial flow and / or part of the mass partial flow of the fluid mixture in step (g) absorbs heat.
  • the second partial mass flow of the fluid mixture also preferably flows through the countercurrent heat exchanger in step (d) in a direction opposite to the mass flow of the fluid mixture in process step (b), the mass flow of the fluid mixture emitting heat in step (b) and the second mass partial flow of the fluid mixture in step ( d) absorbs heat.
  • the first partial mass flow of the fluid mixture is preferably formed with components which have a condensation temperature at the high pressure which is greater than the first temperature.
  • the component (s) forming the first partial mass flow of the fluid mixture in step (c) can be at least to a large extent during and / or after the flow through the first, second and / or third stage of the heat exchanger in step (b) Condense part and then exist in the phase separator in a liquid state.
  • the heat exchanger is preferably designed so that the condensation of at least one component (s) forming the first partial mass flow of the fluid mixture in step (c) begins before the fluid mixture has flowed through the third stage of the heat exchanger.
  • the second partial mass flow of the fluid mixture in step (c) is formed with at least one component which has a condensation temperature at the low pressure which is lower than the third temperature is.
  • all of the components forming the second mass partial flow of the fluid mixture have a condensation temperature at the low pressure which is lower than the third temperature. It can thereby be achieved that the component (s) of the fluid mixture forming the second mass partial flow do not condense / condense and is / are present in a gaseous state during the entire cooling process or in the entire cooling cycle.
  • the first part of the first mass partial flow of the fluid mixture can be formed with the same component or the same components as the second part of the first mass partial flow of the fluid mixture.
  • the second mass partial flow of the fluid mixture can be formed with helium, neon, nitrogen and / or hydrogen as a component of the fluid mixture.
  • the first mass partial flow of the fluid mixture can be formed with oxygen, nitrogen and / or one or more hydrocarbon (s) as component (s) of the fluid mixture.
  • the second mass partial flow is preferably formed with neon with a mole fraction of 80 mol% and the first mass partial flow of the fluid mixture with nitrogen with a mole fraction of 20 mol%.
  • the first mass partial flow can also be formed with nitrogen with a mole fraction of 17 mol% and with oxygen with a mole fraction of 3 mol%.
  • the methods according to the invention can in particular be carried out efficiently in a temperature range between 65 K and 75 K.
  • the application fluid and / or the first partial mass flow of the fluid mixture is advantageously formed with nitrogen.
  • the choice of the components of the fluid mixture also determines the pressure and temperature levels with which the process can be operated efficiently.
  • the low pressure can be less than or equal to 0.6 MPa and the high pressure can be greater than or equal to 1.2 MPa.
  • the at least one compressor and / or the expander are preferably set up such that the ratio between the high pressure and the low pressure is at least 3: 1.
  • the temperature of the fluid mixture can be at the ambient temperature level and can be 300 K, for example.
  • the heat exchanger can be designed such that the first temperature of the fluid mixture after flowing through the heat exchanger in step (b) of the method is less than 70 K.
  • the temperature of the fluid mixture can be less than 120 K after flowing through the first stage of the heat exchanger and less than 85 K after flowing through the second stage of the heat exchanger.
  • the second temperature of the second mass partial flow of the fluid mixture which can be identical to the expander inlet temperature, can accordingly be between 85 K and 120 K.
  • the third temperature which can be identical to the expander outlet temperature, can be less than 70 K, preferably less than 65 K.
  • the temperature of the first partial mass flow after the expansion by means of the control valve in step (f) is preferably less than 65 K.
  • an application fluid can then be cooled from an initial temperature, which can be greater than or equal to 75 K, to a final temperature, which can be less than or equal to 65 K.
  • the cold of a first part of the first mass partial flow of the fluid mixture with a temperature of preferably less than 65 K in an application e.g. in the cooling of high-temperature superconductors.
  • the invention offers, inter alia, the following further advantages: Since only the second partial mass flow is passed through the expander, the low pressures of a Claude cycle, which is operated with nitrogen as the refrigerant, can be avoided with the method according to the invention. As a result, a system carrying out the method according to the invention can be implemented in a compact design. This also enables a corresponding system to be more efficiently sealed against the ambient pressure. Since preferably only the first partial mass flow of the fluid mixture can contain nitrogen, condensation of the nitrogen on the expander or on the turbine is also avoided. This also contributes to the fact that a turbine can be operated with a high pressure ratio. Another advantage is the small number of rotating machines that are required to carry out the method according to the invention. This particularly contributes to higher cost efficiency, reliability and availability.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a variant of the method according to the invention in which part of the fluid mixture is fed directly to the application.
  • FIG. 1 shows schematically a method for carrying out a cooling process with a fluid mixture which is formed with neon as a component of the fluid mixture with a mole fraction of 80 mol% and with nitrogen as a component of the fluid mixture with a mole fraction of 20 mol%.
  • step (a) of the method according to the invention the fluid mixture, in which both nitrogen and neon are initially present in a gaseous state, is in a compressor 1 as a compressor of a low pressure, the 0.6 MPa, compressed to a high pressure, which is 2 MPa, and then cooled in a recooler 2 by means of water or air.
  • a compressor 1 as a compressor of a low pressure
  • the 0.6 MPa compressed to a high pressure, which is 2 MPa
  • a recooler 2 by means of water or air.
  • the temperature of the fluid mixture is 295 K.
  • the temperature of the fluid mixture is 300 K.
  • step (b) of the method according to the invention the fluid mixture is passed successively through a first 3, a second 4 and a third stage 5 of the heat exchanger which is designed as a counterflow heat exchanger.
  • the fluid mixture gives off so much heat that the nitrogen condenses as a component of the fluid mixture and changes from the gaseous to the liquid state.
  • the temperature of the fluid mixture is still 105 K.
  • the temperature is 75 K.
  • the first temperature is only 66.5 K.
  • the pressure of the fluid mixture has decreased only insignificantly by less than 0.02 MPa or has remained constant.
  • the condensation temperature of nitrogen is around 91 K at a total pressure of around 2 MPa, the condensation of nitrogen begins as a component of the fluid mixture while the fluid mixture flows through the second stage 4 of the heat exchanger.
  • the condensation temperature of neon at a pressure of around 2 MPa is far below 50 K, so that neon remains in a gaseous state as a component of the fluid mixture.
  • step (c) the fluid mixture which is formed after step (b) with nitrogen in a liquid state and with neon in a gaseous state is passed into a phase separator 6.
  • a phase separator 6 a first mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with liquid nitrogen, is separated from a second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon.
  • step (d) the second partial mass flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon, is again passed in the opposite direction through the third 5 and second stage 4 of the heat exchanger.
  • the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon takes Heat and increases its temperature from the first temperature at 66.5 K to the second temperature at 96 K.
  • step (e) the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon, coming from the second stage 4 of the heat exchanger, is expanded to produce work in an expander 7, which is designed as a turbine 7, and thereby to the third temperature, 64 , 5 K, cooled.
  • an expander 7 which is designed as a turbine 7, and thereby to the third temperature, 64 , 5 K, cooled.
  • the pressure of the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon is still 2 MPa.
  • the pressure of the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon is only 0.6 MPa.
  • the turbine 7 can be operated efficiently with a pressure ratio that is greater than 3: 1.
  • step (f) the first partial mass flow of the fluid mixture, which is formed with liquid nitrogen, is passed out of the phase separator 6 and expanded by means of a control valve 8.
  • the first mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with liquid nitrogen, is then admixed again with the second mass partial flow of the fluid mixture, which comes from the expander 7, and which is formed with gaseous neon.
  • step (g) the fluid mixture formed or recombined with the first and the second partial mass flow is again passed through the third 5, second 4 and first stage 3 of the heat exchanger.
  • the fluid mixture absorbs heat.
  • the temperature of the fluid mixture increases from 63.8 K to 73 K.
  • the temperature of the fluid mixture is already 96 K before the fluid mixture exits the first Stage 3 of the heat exchanger has reached a temperature of 295 K and a pressure of 0.6 MPa.
  • An application fluid 9 passed in countercurrent through the third stage 5 of the heat exchanger releases heat to the fluid mixture, the application fluid 9 from an initial temperature of 75 K at a pressure of 0.1 MPa to a final temperature of 65 K at a pressure of just under is cooled below 0.1 MPa and can then be supplied to the application.
  • FIG. 2 shows a variant of the method according to the invention for carrying out a cooling process with a fluid mixture that is formed with at least two components. Recurring features are provided in FIG. 2 with the same reference symbols as in FIG. The fluid mixture with neon as a component of the fluid mixture with a mole fraction of 80 mol% and with nitrogen as a component of the fluid mixture with a mole fraction of 17 mol% and with oxygen as a further component of the fluid mixture with a mole fraction of 3 mol -% educated.
  • step (a) of a variant of the method according to the invention the fluid mixture, in which both oxygen, nitrogen and neon are initially in a gaseous state, is increased from a low pressure of 0.33 MPa to high pressure in a compressor 1 as a compressor , which is 1.2 MPa, compressed and then cooled in a recooler 2 by means of water or air.
  • a compressor 1 as a compressor which is 1.2 MPa
  • the temperature of the fluid mixture is 295.7 K.
  • the temperature of the fluid mixture is 300 K.
  • step (b) of a variant of the method according to the invention the fluid mixture is passed through a first 3, a second 4 and a third stage 5 of the heat exchanger, which is designed as a countercurrent heat exchanger.
  • the fluid mixture gives off so much heat that the nitrogen and oxygen condense as components of the fluid mixture and change from the gaseous to the liquid state.
  • the temperature of the fluid mixture is still 113 K.
  • the temperature is 80 K.
  • the first temperature is only 65 K.
  • the pressure of the fluid mixture has it only slightly decreased by less than 0.02 MPa or has remained almost constant.
  • the condensation temperature of nitrogen at a total pressure of around 1.2 MPa is around 84 K and that of oxygen is greater than 81 K, the condensation of nitrogen and oxygen begins as components of the fluid mixture, while the fluid mixture enters the second stage 4 of the heat exchanger flows through.
  • the condensation temperature of neon at a pressure of around 1.2 MPa is well below 50 K, so that neon as a component of the fluid mixture remains in a gaseous state.
  • step (c) of a variant of the method according to the invention the fluid mixture, which is formed after step (b) with nitrogen and oxygen in a liquid state and with neon in a gaseous state, is passed into a phase separator 6.
  • a first mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with liquid nitrogen and liquid oxygen, is separated from a second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon.
  • step (d) of a variant of the method according to the invention the second partial mass flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon, is again passed in the countercurrent direction through the third 5 and second stage 4 of the heat exchanger.
  • the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon absorbs heat and increases its temperature from the first temperature at 65 K to the second temperature at 105 K.
  • step (e) of a variant of the method according to the invention the second partial mass flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon, coming from the second stage 4 of the heat exchanger, is expanded in an expander 7, which is designed as a turbine 7, to perform work and thereby to the third temperature, which is 69.7 K, cooled.
  • the pressure of the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon is still 1.2 MPa.
  • the pressure of the second mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with gaseous neon is only 0.35 MPa.
  • step (f) of a variant of the method according to the invention a first part of the first mass partial flow of the fluid mixture, which is formed with liquid nitrogen and liquid oxygen, is fed to an application, and a second part of the first mass partial flow of the fluid mixture, which is composed of liquid nitrogen and is formed with liquid oxygen, expanded by means of a control valve 8 and added again to the second partial mass flow of the fluid mixture coming from the expander 7, which is formed with gaseous neon.
  • step (g) of a variant of the method according to the invention the fluid mixture formed with the second part of the first mass partial flow and the second mass partial flow is passed through the third stage 5 of the heat exchanger and then the first part 9 of the first mass partial flow coming from the application, which has a temperature of 75 K is added again.
  • the fluid mixture recombined in this way is then passed through the second 4 and first 3 stages of the heat exchanger, absorbs heat and, after exiting the first stage 3 of the heat exchanger, reaches a temperature of 295.7 K at a pressure of 0.33 MPa.
  • the fluid mixture coming from the first stage 3 of the heat exchanger is fed into the compressor 1 as a compressor and the cooling cycle defined by steps (a) - (g) begins again.
  • the compressor 1 as a compressor, the dry cooler 2, the stages 3-5 of the heat exchanger, the phase separator 6, the expander 7, and the control valve 8 are preferably set up in such a way that the process actually achieved or carried out over several cooling cycles.
  • the measured values for the pressure and temperature levels do not differ by more than 10% from the simulated values quoted in the exemplary embodiments described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist. Das Fluidgemisch wird zunächst in mindestens einem Verdichter 1 verdichtet und mittels Rückkühler 2 und Wärmeübertrager 3, 4, 5 gekühlt, wobei mindestens eine erste Komponente des Fluidgemischs kondensiert und eine zweite Komponente in einem gasförmigen Zustand verbleibt. Ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs wird von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs in einem Phasentrenner 6 separiert. Während der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit mindestens der ersten flüssigen Komponente gebildet ist, mittels Regelventil 8 entspannt wird, treibt der zweite Masseteilstrom, der mit mindestens der zweiten gasförmigen Komponente gebildet ist, eine Turbine 7 an. Beide Masseteilströme werden danach wieder gemischt und in Gegenrichtung durch den Wärmeübertrager 3, 4,5 geleitet, bevor der Kühlzyklus erneut beginnt.

Description

Verfahren zur Kühlung eines Fluidgemischs
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind insbesondere für die Kühlung von
Hochtemperatursupraleitern geeignet.
Hochtemperatursupraleiter, die mit Kupferoxid gebildet sind und eine kritische Temperatur oberhalb von 77 K, der Kondensationstemperatur von Stickstoff bei atmosphärischem Druck, aufweisen, werden üblicherweise mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Um die Stromtragfähigkeit der Supraleiter zu erhöhen, werden Temperaturen unterhalb von 77 K angestrebt. Für diese Aufgabe kann der Stickstoff auf einen subatmosphärischen Druck entspannt werden, wobei sich durch den Joule-Thomson Effekt die Temperatur erniedrigt. Solche Anlagen benötigen jedoch eine kontinuierliche Zufuhr von flüssigem Stickstoff. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad niedrig, da nur die latente Kälteleistung genutzt wird. Der dafür benötigte subatmosphärische Druck wird zudem oft als Sicherheitsrisiko bewertet. Eine mögliche Alternative zum vorgenannten Verfahren stellen Brayton- Kreisläufe dar. In einem Brayton-Kreislauf kann Helium, Neon oder ein Gemisch aus diesen Gasen als Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, in einem Wärmeübertrager vorgekühlt und danach in einer Turbine arbeitsleistend entspannt werden. Mit der Kälte des entspannten Gases wird dann die Kühlaufgabe erfüllt. Somit kann für die Kühlung lediglich ein Temperaturbereich, der zwischen der Turbineneintrittstemperatur und der Turbinenaustrittstemperatur liegt, genutzt werden. Bei dem für die Kühlung von Hochtemperatursupraleitern relevanten Temperaturbereich von 75 K bis 65 K, resultieren dann auch kleine Druckverhältnisse mit denen die Turbine betrieben wird. Die geringe Turbinenleistung führt umgekehrt dazu, dass sehr hohe Masseströme des Kältemittels benötigt und damit auch unvorteilhaft die Größe der Anlage zunimmt. Alternativ dazu könnte ein Brayton-Kreislauf auch mit einer Turbine, die mit einem großen Druckverhältnis betrieben wird, durchgeführt werden. Dies würde sich allerdings bei den sehr niedrigen zu erzielenden Temperaturen negativ auf den Wirkungsgrad des Verfahrens auswirken. Der Wirkungsgrad kann verbessert werden, wenn das Kältemittel mehrere Turbinen durchströmt und zwischen zwei Turbinen immer wieder aufgewärmt wird. Nachteilig wirkt sich bei dieser technischen Lösung aus, dass mehrere Turbinen mit vergleichsweise geringer Drehzahl betrieben werden müssen und eine Vielzahl kostenintensiver rotierender Maschinen benötigt wird.
Prinzipiell kann auch ein Claude-Kreislauf, bei dem ein Gas mit einem durch eine Turbine geführten Teilstrom vorgekühlt und anschließend durch adiabate Drosselung verflüssigt wird, genutzt werden. Dabei kämen jedoch nur Stickstoff und Sauerstoff als Komponenten, mit denen das Gas gebildet ist, in Frage. Weiterhin würden diese Kreisläufe ein sehr niedriges Druckniveau nach der Drosselung voraussetzen und aufgrund der niedrigen Gasdichte entsprechend große Anlagen benötigen. Üblicherweise ergeben sich auch Probleme mit der Abdichtung gegen den Umgebungsdruck.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, effiziente und zuverlässige Kühlverfahren mit einem hohen Wirkungsgrad vorzuschlagen, die die oben aufgeführten Nachteile vermeiden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in Anspruch 1 und Anspruch 2 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem (a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler gekühlt wird, (b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste, zweite und dritte Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird, (c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird, (d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte und zweite Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wärme aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, (e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur abgekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner geleitet, mittels eines Regelventils entspannt und dem von dem Expander kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte, zweite und erste Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers geleitetes Anwendungsfluid Wärme abgibt, wobei das Anwendungsfluid von einer Ausgangs- auf eine Endtemperatur abgekühlt wird, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durchgeführt wird.
Die Erfindung betrifft ein weiteres Verfahren bzw. eine Variante des oben beschriebenen Verfahrens zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem (a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler gekühlt wird, (b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste, zweite und dritte Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird, (c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird, (d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte und zweite Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wärme aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, (e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur abgekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner geleitet und zumindest ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mittels eines Regelventils entspannt und dem von dem Expander kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) der mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs und dem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs gebildete Teil des Fluidgemischs durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und dem von der Anwendung kommenden ersten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs wieder beigemischt wird und das rekombinierte Fluidgemisch durch die zweite und die erste Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird und dabei Wärme aufnimmt, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durchgeführt wird.
Die im Expander in Schritt (e) gewonnene Arbeitsleistung kann zur Kompression des Fluidgemischs in dem mindestens einen Verdichter in Schritt (a) genutzt werden. Der Expander kann dabei mit einer oder mehreren Turbinen gebildet sein. Eine oder mehrere Turbinen können insbesondere mit einem großen Druckverhältnis gefahren werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass die zweite Temperatur oder die Turbineneintrittstemperatur des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs wesentlich größer ist als die Ausgangstemperatur des Anwendungsfluids oder die dritte Temperatur.
Der Wärmeübertrager kann als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet sein. Dabei kann der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) den Gegenstromwärmetäuscher in einer dem Massestrom, Masseteilstrom und/oder Teil des Masseteilstroms des Fluidgemischs in Schritt (g) entgegengesetzten Richtung durchströmen, wobei der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) Wärme abgibt und der Massestrom, Masseteilstrom und/oder Teil des Masseteilstroms des Fluidgemischs in Schritt (g) Wärme aufnimmt. Vorzugsweise durchströmt auch der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (d) den Gegenstromwärmetäuscher in einer dem Massestrom des Fluidgemischs in Verfahrensschritt (b) entgegengesetzten Richtung, wobei der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) Wärme abgibt und der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (d) Wärme aufnimmt.
Vorzugsweise ist der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Komponenten gebildet, die eine Kondensationstemperatur bei dem Hochdruck aufweisen, die größer als die erste Temperatur ist. Dadurch kann/können die den in Schritt (c) ersten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildende(n) Komponente(n) während und/oder nach der Durchströmung der ersten, zweiten und/oder dritten Stufe des Wärmeübertragers in Schritt (b) zumindest zu einem großen Teil kondensieren und im Phasentrenner dann in einem flüssigen Zustand vorliegen. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager so ausgebildet, dass die Kondensation zumindest einer den in Schritt (c) ersten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildende(n) Komponente(n) bereits bevor das Fluidgemisch die dritte Stufe des Wärmeübertragers durchströmt hat, einsetzt.
Zudem wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (c) mit mindestens einer Komponente gebildet ist, die eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck aufweist, die niedriger als die dritte Temperatur ist. Vorzugsweise weisen alle den zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildenden Komponenten eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck auf, die niedriger als die dritte Temperatur ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die den zweiten Masseteilstrom bildende(n) Komponente(n) des Fluidgemischs während des gesamten Kühlprozesses bzw. im gesamten Kühlzyklus nicht kondensiert/kondensieren und in einem gasförmigen Zustand vorliegt/vorliegen.
Der erste Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs kann mit derselben Komponente oder denselben Komponenten gebildet sein, wie der zweite Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs. Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn der erste Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer Komponente des Fluidgemischs gebildet ist und der zweite Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer anderen Komponente des Fluidgemischs gebildet ist.
Der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs kann mit Helium, Neon, Stickstoff und/oder Wasserstoff als Komponente des Fluidgemischs gebildet sein. Der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs kann mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder einem oder mehreren Kohlenwasserstoff(en) als Komponente(n) des Fluidgemischs gebildet sein.
Vorzugsweise ist der zweite Masseteilstrom mit Neon mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Stickstoff mit einem Stoffmengenanteil von 20 mol-% gebildet.
Der erste Masseteilstrom kann auch mit Stickstoff mit einem Stoffmengenanteil von 17 mol-% und mit Sauerstoff mit einem Stoffmengenanteil von 3 mol-% gebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 65 K und 75 K effizient durchgeführt werden.
Sie eignen sich daher insbesondere zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern. Dabei ist das Anwendungsfluid und/oder der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs vorteilhaft mit Stickstoff gebildet.
Die Wahl der Komponenten des Fluidgemischs bestimmt auch die Druck- und Temperaturniveaus mit denen das Verfahren effizient betrieben werden kann. Beispielsweise kann der Niedrigdruck kleiner oder gleich 0,6 MPa sein und der Hochdruck größer oder gleich 1,2 MPa sein. Vorzugsweise sind der mindestens eine Verdichter und/oder der Expander so eingerichtet, dass das Verhältnis zwischen dem Hochdruck und dem Niedrigdruck mindestens 3:1 beträgt.
Die Temperatur des Fluidgemischs kann nach Durchströmen des Vorkühlers in Schritt (a) des Verfahrens auf Umgebungstemperaturniveau liegen und beispielsweise 300 K betragen. Der Wärmeübertrager kann so ausgebildet sein, dass die erste Temperatur des Fluidgemischs nach Durchströmen des Wärmeübertragers in Schritt (b) des Verfahrens weniger als 70 K beträgt. Dabei kann die Temperatur des Fluidgemischs nach Durchströmen der ersten Stufe des Wärmeübertragers weniger als 120 K und nach Durchströmen der zweiten Stufe des Wärmeübertragers weniger als 85 K betragen. Die zweite Temperatur des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, die identisch mit der Expandereintrittstemperatur sein kann, kann dementsprechend zwischen 85 K und 120 K liegen. Die dritte Temperatur, die identisch mit der Expanderaustrittstemperatur sein kann, kann weniger als 70 K, vorzugsweise weniger als 65 K, betragen. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des ersten Masseteilstroms nach der Entspannung mittels des Regelventils in Schritt (f) weniger als 65 K.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dann ein Anwendungsfluid von einer Ausgangstemperatur, die größer oder gleich 75 K sein kann, auf eine Endtemperatur, die kleiner oder gleich 65 K sein kann, gekühlt werden. Alternativ kann auch die Kälte eines ersten Teils des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer Temperatur von vorzugsweise weniger als 65 K bei einer Anwendung, z.B. bei der Kühlung von Hochtemperatursupraleitern, genutzt werden.
Die Erfindung bietet unter anderem die folgenden weiteren Vorteile: Da nur der zweite Masseteilstrom durch den Expander geleitet wird, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die geringen Drücke eines Claude-Kreislaufs, der mit Stickstoff als Kältemittel betrieben wird, vermieden werden. Dadurch kann eine die erfindungsgemäßen Verfahren durchführende Anlage in kompakter Bauweise realisiert werden. Dies ermöglicht auch eine effizientere Abdichtung einer entsprechenden Anlage gegen den Umgebungsdruck. Da vorzugsweise nur der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs Stickstoff enthalten kann, wird zudem eine Kondensation des Stickstoffs an dem Expander bzw. an der Turbine vermieden. Auch dies trägt dazu bei, dass eine Turbine mit einem hohen Druckverhältnis gefahren werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der geringen Anzahl rotierender Maschinen, die für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren benötigt werden. Dies trägt insbesondere zur höheren Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bei.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei dem ein Anwendungsfluid gekühlt wird, und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Teil des Fluidgemischs direkt der Anwendung zugeführt wird.
Figur 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit Neon als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und mit Stickstoff als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 20 mol-% gebildet ist.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, bei dem zunächst sowohl Stickstoff als auch Neon in einem gasförmigen Zustand vorliegen, in einem Kompressor 1 als Verdichter von einem Niedrigdruck, der 0,6 MPa beträgt, auf einen Hochdruck, der 2 MPa beträgt, komprimiert und anschließend in einem Rückkühler 2 mittels Wasser oder Luft gekühlt. Vor Eintritt in den Kompressor 1 als Verdichter beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 295 K. Nach Austritt aus dem Rückkühler 2 beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 300 K.
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste 3, eine zweite 4 und eine dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers der als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet ist, geleitet. Dabei gibt das Fluidgemisch soviel Wärme ab, dass der Stickstoff als eine Komponente des Fluidgemischs kondensiert und vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Nach der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur des Fluidgemischs noch 105 K. Nach der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur 75 K. Nach Durchströmung der dritten Stufe 5 des Wärmeübertragers beträgt die erste Temperatur nur noch 66,5 K. Der Druck des Fluidgemischs hat sich dabei nur unwesentlich um weniger als 0,02 MPa erniedrigt oder ist konstant geblieben. Da die Kondensationstemperatur von Stickstoff bei einem Gesamtdruck von etwa 2 MPa bei etwa 91 K liegt, beginnt die Kondensation von Stickstoff als Komponente des Fluidgemischs während das Fluidgemisch die zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers durchströmt. Im Gegensatz dazu liegt die Kondensationstemperatur von Neon bei einem Druck von etwa 2 MPa weit unter 50 K, sodass Neon als Komponente des Fluidgemischs in einem gasförmigen Zustand verbleibt.
In Schritt (c) wird das Fluidgemisch, das nach Schritt (b) mit Stickstoff in einem flüssigen Zustand und mit Neon in einem gasförmigen Zustand gebildet ist, in einen Phasentrenner 6 geleitet. In dem Phasentrenner 6 wird ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, separiert.
In Schritt (d) wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder in Gegenrichtung durch die dritte 5 und zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers geleitet. Dabei nimmt der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, Wärme auf und erhöht seine Temperatur von der ersten Temperatur bei 66,5 K auf die zweite Temperatur bei 96 K.
In Schritt (e) wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigen Neon gebildet ist, von der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers kommend in einem Expander 7, der als Turbine 7 ausgeführt ist, arbeitsleistend entspannt und dabei auf die dritte Temperatur, die 64,5 K beträgt, abgekühlt. Vor Eintritt in die Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, noch 2 MPa. Nach Austritt aus der Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, nur noch 0,6 MPa. Somit kann die Turbine 7 mit einem Druckverhältnis, das größer als 3:1 ist, effizient betrieben werden.
In Schritt (f) wird der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, aus dem Phasentrenner 6 geleitet und mittels eines Regelventils 8 entspannt. Anschließend wird der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, dem von dem Expander 7 kommenden zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder beigemischt.
In Schritt (g) wird das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete bzw. rekombinierte Fluidgemisch wieder durch die dritte 5, zweite 4 und erste Stufe 3 des Wärmeübertragers geleitet. Das Fluidgemisch nimmt dabei Wärme auf. Während der Durchströmung der dritten Stufe 5 des Wärmeübertragers erhöht sich die Temperatur des Fluidgemischs von 63,8 K auf 73 K. Nach weiterer Durchströmung der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur des Fluidgemischs bereits 96 K, bevor das Fluidgemisch nach Austritt aus der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers eine Temperatur von 295 K und einen Druck von 0,6 MPa erreicht hat.
Ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers geleitetes Anwendungsfluid 9 gibt Wärme an das Fluidgemisch ab, wobei das Anwendungsfluid 9 von einer Ausgangstemperatur von 75 K bei einem Druck von 0,1 MPa auf eine Endtemperatur von 65 K bei einem Druck von knapp unterhalb 0,1 MPa abgekühlt wird und danach der Anwendung zugeführt werden kann.
Das von der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers kommende Fluidgemisch wird wieder in den Kompressor 1 als Verdichter geleitet und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus beginnt erneut.
In Figur 2 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind in Figur 2 mit identischen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. Dabei ist das Fluidgemisch mit Neon als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und mit Stickstoff als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 17 mol-% und mit Sauerstoff als eine weitere Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 3 mol-% gebildet.
In Schritt (a) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, bei dem zunächst sowohl Sauerstoff, Stickstoff als auch Neon in einem gasförmigen Zustand sind, in einem Kompressor 1 als Verdichter von einem Niedrigdruck, der 0,33 MPa beträgt, auf einen Hochdruck, der 1,2 MPa beträgt, komprimiert und anschließend in einem Rückkühler 2 mittels Wasser oder Luft gekühlt. Vor Eintritt in den Kompressor 1 als Verdichter beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 295,7 K. Nach Austritt aus dem Rückkühler 2 beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 300 K.
In Schritt (b) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch durch eine erste 3, eine zweite 4 und eine dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers der als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet ist, geleitet. Dabei gibt das Fluidgemisch soviel Wärme ab, dass der Stickstoff und der Sauerstoff als Komponenten des Fluidgemischs kondensieren und vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen. Nach der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur des Fluidgemischs noch 113 K. Nach der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur 80 K. Nach Durchströmung der dritten Stufe 5 des Wärmeübertragers beträgt die erste Temperatur nur noch 65 K. Der Druck des Fluidgemischs hat sich dabei nur unwesentlich um weniger als 0,02 MPa erniedrigt oder ist nahezu konstant geblieben. Da die Kondensationstemperatur von Stickstoff bei einem Gesamtdruck von etwa 1,2 MPa bei etwa 84 K liegt und diejenige von Sauerstoff größer ist als 81 K, beginnt die Kondensation von Stickstoff und Sauerstoff als Komponenten des Fluidgemischs, während das Fluidgemisch die zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers durchströmt. Im Gegensatz dazu liegt die Kondensationstemperatur von Neon bei einem Druck von etwa 1,2 MPa deutlich unter 50 K, sodass Neon als Komponente des Fluidgemischs in einem gasförmigen Zustand verbleibt.
In Schritt (c) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, das nach Schritt (b) mit Stickstoff und Sauerstoff jeweils in einem flüssigen Zustand und mit Neon in einem gasförmigen Zustand gebildet ist, in einen Phasentrenner 6 geleitet. In dem Phasentrenner 6 wird ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Sauerstoff gebildet ist, von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, separiert.
In Schritt (d) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder in Gegenstromrichtung durch die dritte 5 und zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers geleitet. Dabei nimmt der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, Wärme auf und erhöht seine Temperatur von der ersten Temperatur bei 65 K auf die zweite Temperatur bei 105 K.
In Schritt (e) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigen Neon gebildet ist, von der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers kommend in einem Expander 7, der als Turbine 7 ausgeführt ist, arbeitsleistend entspannt und dabei auf die dritte Temperatur, die 69,7 K beträgt, abgekühlt. Vor Eintritt in die Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, noch 1,2 MPa. Nach Austritt aus der Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, nur noch 0,35 MPa. Somit kann die Turbine 7 mit einem Druckverhältnis, das größer als 3:1 ist, effizient betrieben werden.
In Schritt (f) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und mit flüssigem Sauerstoff gebildet ist, einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und mit flüssigem Sauerstoff gebildet ist, mittels eines Regelventils 8 entspannt und dem von dem Expander 7 kommenden zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder beigemischt.
In Schritt (g) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers geleitet und danach dem von der Anwendung kommenden ersten Teil 9 des ersten Masseteilstroms, der eine Temperatur von 75 K aufweist, wieder beigemischt. Das so rekombinierte Fluidgemisch wird anschließend durch die zweite 4 und die erste Stufe 3 des Wärmeübertragers geleitet, nimmt dabei Wärme auf und erreicht nach Austritt aus der ersten Stufe 3 des Wärme-Übertragers eine Temperatur von 295,7 K bei einem Druck von 0,33 MPa.
Das von der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers kommende Fluidgemisch wird in den Kompressor 1 als Verdichter geleitet und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus beginnt erneut.
Die oben zitierten Werte für Druck- und Temperaturniveaus resultieren aus einer numerischen Simulation der erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei wurden realistische Prozessverluste in der Simulation berücksichtigt.
Vorzugsweise sind der Kompressor 1 als Verdichter, der Rückkühler 2, die Stufen 3-5 des Wärmeübertragers, der Phasentrenner 6, der Expander 7, und das Regelventil 8 so eingerichtet, dass die während eines über mehrere Kühlzyklen hinweg durchgeführten Verfahrens tatsächlich erzielten bzw.
gemessenen Werte für die Druck- und Temperaturniveaus von den in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zitierten simulierten Werten nicht mehr als 10 % abweichen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidge- misch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem
(a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter (1) von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler (2) gekühlt wird,
(b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste (3), zweite (4) und dritte (5) Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird,
(c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner (6) geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird,
(d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte (5) und zweite (4) Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wär me aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird,
(e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten (4) Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander (7) arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur ab gekühlt wird,
(f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner (6) geleitet, mittels eines Regelventils (8) entspannt und dem von dem Expander (7) kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte (5), zweite (4) und erste (3) Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe (5) des Wärmeübertragers geleite tes Anwendungsfluid (9) Wärme abgibt, wobei das Anwendungsfluid (9) von einer Ausgangs- auf eine Endtemperatur abgekühlt wird, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe (3) des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter (1) geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durch geführt wird.
2. Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidge misch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem
(a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter (1) von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler (2) gekühlt wird,
(b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste (3), zweite (4) und dritte (5) Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird,
(c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner (6) geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird,
(d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte (5) und zweite (4) Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wär me aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird,
(e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers (4) kommend in einem Expander (7) arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur ab gekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner (6) geleitet und zumindest ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mittels eines Regel ventils (8) entspannt und dem von dem Expander (7) kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beige mischt wird,
(g) der mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidge mischs und dem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs gebildete Teil des Fluidgemisch durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers (5) geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und dem von der Anwendung kommenden ersten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs wieder beigemischt wird und das rekombinierte Fluidgemisch durch die zweite (4) und die erste (3) Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird und dabei Wärme aufnimmt, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers (3) kommend wieder in den mindestens einen Verdichter (1) geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durch geführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die im Expander (7) in Schritt (e) gewonnene Ar beitsleistung zur Kompression des Fluidgemischs in dem mindestens einen Verdichter (1) in Schritt (a) genutzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Komponenten gebildet ist, die eine Kondensationstemperatur bei dem Hochdruck aufweisen, die größer als die erste Temperatur und der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Komponenten gebil det ist, die eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck auf weisen, die niedriger als die dritte Temperatur ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Helium, Neon, Stickstoff und/oder Wasserstoff als Komponente des Fluidgemischs gebildet ist und der erste Masseteilstrom des Fluidge mischs mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder einem oder mehreren Koh lenwasserstoffen) als Komponente des Fluidgemischs gebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Neon als Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Stickstoff als Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengen anteil von 20 mol-% gebildet ist oder der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Stickstoff als Kompo nente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 17 mol-% und mit Sauerstoff als Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 3 mol-% gebildet ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass der Stoffmengenanteil von Sauerstoff im Fluidge misch kleiner als 60 mol-% und/oder größer als 20 mol-% ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (1) und/oder der Expander (7) so eingerichtet ist/sind, dass das Verhältnis zwischen dem Hochdruck und dem Niedrigdruck mindestens 3:1 beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass mit dem Anwendungsfluid oder mit dem ersten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs Hochtemperatursupra leiter gekühlt werden.
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