CH625037A5

CH625037A5 -

Info

Publication number: CH625037A5
Application number: CH762577A
Authority: CH
Inventors: Anatoly Borisovich Davydov; Sergei Mikha Korsakov-Bogatkov; Boris Davydovich Krakovsky; Vasily Dmitrievich Nikitkin; Evgeny Valentinovich Onosovsky; Vladimir Grigorievich Pronko; Leonid Mikhailovich Stolper; Boris Alexandrovich Chernyshev; Boris Andreevich Antipenkov
Original assignee: Anatoly Borisovich Davydov; Korsakov Bogatkov Sergei Mikha; Boris Davydovich Krakovsky; Vasily Dmitrievich Nikitkin; Evgeny Valentinovich Onosovsky; Vladimir Grigorievich Pronko; Leonid Mikhailovich Stolper; Boris Alexandrovich Chernyshev; Boris Andreevich Antipenkov
Priority date: 1977-06-17
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1981-08-31
Also published as: DE2730155A1; GB1539132A; DE2730155C3; DE2730155B2; FR2401392B1; FR2401392A1; US4189930A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kryogen-technik, und insbesondere auf ein Verfahren zur Kälte- 40 erzeugung im Bereich von Kryogentemperaturen.

Die vorliegende Erfindung kann besonders effektiv bei der Kälteerzeugung im Bereich von Siedetemperaturen des jeweiligen Mediums, das in einer Kryogeneinrichtung zirkuliert, insbesondere wenn als Medium leichte Gase, zum Bei- 45 spiel Helium und Wasserstoff, verwendet werden, eingesetzt werden.

Die Erfindung kann ebenfalls in Anlagen zur Verflüssigung und in Vorrichtungen zur Beförderung von Erdgas, in Anlagen zur Lufttrennung und in anderen Vorrichtungen zur 50 Anwendung kommen, in denen man Tieftemperaturen erzeugt beziehungsweise nutzt, zum Beispiel auf solchen Gebieten wie Technik des physikalischen Experiments, Energiewirtschaft, Kerntechnik, Elektrotechnik, Biologie und anderes mehr.

Gegenwärtig ist der Bedarf an der Kälteerzeugung im Be- 55 reich von Kryogentemperaturen beträchtlich gestiegen, und wesentlich höher wurden Anforderungen an die technischökonomischen Kenndaten der Anlagen dafür: Leistung, verbrauchte Energie, Betriebssicherheit usw. Der gestiegene Bedarf ist hauptsächlich auf eine schnelle Entwicklung von 60 Grund- und angewandten Forschungen, die mit der Nutzung von Überleitfähigkeit bei der Entwicklung elektrotechnischer Vorrichtungen, hochleistungsfähiger Magneten, elektrischer Fernleitungen, elektronischer Einrichtungen zusammenhängen sowie auf eine breite Verwendung von flüssigem Wasser- 65 stoff zurückzuführen.

Die supraleitenden Vorrichtungen werden bei Temperateli cn vou 1,5 bis iö K betrieben, und der Leistungsbedarf für

Kühlung grosser Objekte beläuft sich in Kryogenanlagen auf Hunderte und Tausende Kilowatt.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Energieaufwand bei der Kälteerzeugung zu senken und die Anlagen in bezug auf ihre Betriebssicherheit, Verringerung ihrer Masse, ihrer Abmessungen und anderes mehr zu vervollkommnen. In vielen Fällen kommt es auch darauf an, das Temperaturniveau der erzeugten Kälte bei einer hohen Wirtschaftlichkeit des Prozesses zu senken.

Der Energieverbrauch im Prozess der Kälteerzeugung wird gewöhnlich durch das Verhältnis zwischen der hauptsächlich für den Antrieb eines Verdichters verbrauchten Leistung und der Kälteleistung gekennzeichnet. Beide diese Grössen werden üblich in Watt gemessen. Dieses Verhältnis wird als spezifischer Energieaufwand bezeichnet und durch eine dimensionslose Zahl (W/W) gemessen.

Es ist einem auf dem Gebiet der Kryogentechnik arbeitenden Fachmann bekannt, dass der Begriff «Kälteleistung» die Kältemenge bestimmt, die von einer Anlage pro eine Zeiteinheit bei vorgegebenem Temperaturniveau erzeugt wird.

Das bekannte Verfahren zur Kälteerzeugung schliesst folgende Grundoperationen ein, die wir am Beispiel einer He-lium-Kryogenanlage betrachten, die Kälte beim Siedepunkt des flüssigen Heliums, das heisst 4,2—4,5 K, erzeugt.

Gasförmiges Helium wird in einem Verdichter bis auf 20—30 Bar komprimiert.

Das komprimierte Helium bildet ein Direktstrom, der in Richtung zum Kälteverbraucher strömt. Der Direktstrom wird durch den Rücklaufstrom von Helium, das einen niedrigen Druck aufweist und in Richtung vom Kälteverbraucher fliesst, bis auf eine Temperatur von 100 K gekühlt und dann in zwei Ströme geteilt, einer von denen den Hauptstrom und der andere den Hilfsstrom darstellt. Der Hilfsstrom wird in Expansionsmaschinen mit Abführung von Wärme entspannt und zur Kompensation von irreversiblen Verlusten sowie zur stufen-mässigen Kühlung des Hauptstromes verwendet. Die Anzahl der Kühlungsstufen wird durch die Anzahl der eingesetzten Expansionsmaschinen beim Entspannen des Hilfsstromes bestimmt. Anstelle von Expansionsmaschinen wird manchmal ein Bad mit flüssigem Kältemittel, zum Beispiel mit Stickstoff oder einem anderen Stoff, verwendet, der den für den Küh-lungsprozess erforderlichen Siedepunkt aufweist.

Der Hauptstrom fliesst durch sämtliche Kühlungsstufen durch und tritt dann in eine Verflüssigungsstufe ein, wo er zusätzlich gekühlt und unter Verflüssigung entspannt wird.

Das verflüssigte Helium gelangt an einen Kälteverbraucher, wo Helium durch die Wärme des zu kühlenden Objektes verdampft. Dämpfe bilden einen Rücklaufstrom und laufen zur Verflüssigungsstufe bei einer Temperatur von 4,3— 4,5 K zurück, indem sie in der der Bewegimg des Haupt- und Hilfsstromes entgegengesetzten Richtung fliessen, sich in Wärmeaustauschern aller Stufen wärmen, bei ihrer Bewegung mit dem in den Expansionsmaschinen entspannten Hilfsstrom zusammenfliessejj und bei einer Temperatur von etwa 300 K und dem Atmosphärendruck in einen Verdichter zum Komprimieren eintreten. Dadurch wird der Zyklus abgeschlossen und sämtliche Prozesse wiederholen sich.

Das Entspannen des Hauptstromes mit seiner Verflüssigung in der Verflüssigungsstufe erfolgt in einer Ausführungsvariante des beschriebenen Verfahrens durch Drosselung und in einer anderen Variante mittels Entspannens unter Energieentnahme. Das Drosselungsverfahren wird seit langem verwendet und das Entspannen mit Energieentnahme, das im Bereich des Nassdampfes des zu entspannenden Mediums endet, wird im Buch von R. B. Scoot «Cryogénie Engineering», D. Van. Nostrand Co. Inc., Princeton, 1959, beschrieben.

In dem erwähnten Buch werden am Beispiel der Betrachtung eines Helium-Kiyogen-Zyktus die Voi teile d^s umnannten

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Prozesses des Entspannens gegenüber dem Prozess der Drosselung gezeigt.

In dem behandelten Verfahren zur Erzeugung von Kälte wird die zum Komprimieren von Gas aufgewendete Energie für die Erzeugung von Kälte sowie für Kompensation ver- 5 schiedener Verluste verwendet, wodurch die Energie ohne Nutzeffekt zerstreut und zur Erhöhung von Helium-Entropie verbraucht wird. Diese Verluste werden als Irreversibilitätsverluste des Prozesses bezeichnet, die durch die Wärmeübertragung bei den sich vom Null unterscheidenden Temperatur-10 gradienten, durch Reibung bei Bewegung von Helium und durch andere Ursachen bedingt sind.

In Kryogenanlagen ist der Verbrauch nur weniger als 20 «/o der verbrauchten Energie thermodynamisch gerechtfertigt, die übrige Energie wird zur Kompensation von irrever- 15 siblen Verlusten verwendet, von denen die wesentlichsten die Verluste von der Temperaturdifferenz, insbesondere im Bereich von supertiefen Temperaturen sind. Die Berechnungen zeigen, dass in der letzten Kühlungsstufe — in der Verflüssigungsstufe — die Verluste ungefähr dem Nutzeffekt, das 20 heisst der Kälteleistung, gleich sind, und ihre Verringerung ermöglicht es, die energetischen Kennwerte des Verfahrens zur Erzeugung von Kälte oder die Kenndaten einer in dem Verfahren betriebenen Anlage zu verbessern. Die irreversiblen Energieverluste zum Beispiel des Wärmeaustauschprozesses 2s kommen darin zum Vorschein, dass dem Direktstrom lediglich ein Teil von Kälte, die im Rücklaufstrom enthalten ist, übertragen wird, der andere Teil durch einen unvollständigen Wärmeaustausch verlorengeht, was die Erhöhung der Helium-Entropie verursacht. Hierdurch entsteht aus dem Direktstrom 30 weniger flüssiges Medium, das einem Kälteverbraucher zugeführt wird, und folglich ist die Kälteleistung der Anlage ungenügend hoch.

Andererseits muss man für die Erzeugung der gleichen Menge flüssigen Mediums beim Vorhandensein von irrever- 3S siblen Energieverlusten mehr Energie verbrauchen, es ist zum Beispiel notwendig, eine grössere Menge von Gas in dem Verdichter zu komprimieren.

Die irreversiblen Verluste des Wärmeaustauschprozesses sind um so höher, je grösser das Verhältnis zwischen der ^ Temperaturdifferenz und der absoluten Temperatur ist.

Wesentliche irreversible Verluste des Wärmeaustauschprozesses bleiben in der Verflüssigungsstufe und auch in dem Fall aufrechterhalten, wenn das Entspannen des Hauptstromes mit seiner Verflüssigung unter Energieentnahme erfolgt. 45

Dieser in dem erwähnten Buch von R. B. Scott genannte Nachteil besteht darin, dass sogar in einem theoretisch idealen Fall eine wesentliche Temperaturdifferenz zwischen dem Direkt- und Rücklaufstrom in der Verflüssigungsstufe vorhanden ist, hauptsächlich bei besonders niedrigen Temperaturen 50 der Ströme, die als Folge zur beträchtlichen Erhöhung der Entropie führt. Die entstehende Temperaturdifferenz hängt nicht von der Effektivität des Wärmeaustauschers ab und wird sogar in einem theoretisch idealen Fall Zustandekommen, das heisst in dem Fall, wenn die Temperaturdifferenz 55 zwischen den Strömen am anderen Ende des Wärmeaustauschers gleich Null ist.

Bei Verwendung von Helium als Medium beträgt die

Temperaturdifferenz zwischen dem Direkt in diesem Fall

Hauptstrom — und den Rücklaufströmen in dem Wärme- go austauscher in der Verflüssigungsstufe bei einem Druck des Hauptstromes von 25 Bar und dem Druck des Rücklaufstromes von 1,3 Bar etwa 1,5 K am Ende des Wärmeaustauschers bei einer Temperatur des Rücklaufstromes von 4,5 K. In der Mitte des Wärmeaustauschers steigt diese Temperaturdiffe- 65 renz bis auf 2,5 K an und verringert sich schrittweise in Richtung zum anderen Ende des Wärmeaustauschers bis auf eine G rötisa unter 0.5 K, die als maximal zulässige unter Bedingung der Erreichung hoher energetischer Kennwerte des Verfahrens zur Erzeugung von Kälte betrachtet werden soll.

Der genannte Nachteil kommt unmittelbar darin zum Vorschein, dass die Kälte des Rücklaufstromes im Bereich der Siedetemperatur (4,5 K für Helium) bis zur Temperatur des komprimierten Stromes vor seinem Entspannen mit Verflüssigung (etwETÖ K für Helium) rationell nicht verwendet wird. Dieser Umstand verursacht die Senkung der Kälteleistung oder, die Vergrösserung des Energieverbrauchs.

"Hierdurch führt die Realisierung des bekannten Verfahrens zur Erzeugung von Kälte bei vorgegebener Kälteleistung zur Vergrösserung der Menge des komprimierten Gases und folglicfrzur Erhöhung des Energieverbrauchs.

In den letzten Jahren fand ein Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Kryogentemperaturenbereich von 1,8—4 K eine breite Verwendung. Wie die in verschiedenen Ländern durchgeführten Forschungen gezeigt haben, führt die Senkung des Niveaus der erzeugten Kälte sogar auf 0,5 K auf einer Reihe . von Gebieten wie zum Beispiel in der Rundfunktechnik, Kernphysik zu qualitativ neuen Ergebnissen.

Die Einführung von Kryogenanlagen zur Kälteerzeugung in einem Temperaturbereich unter dem Siedepunkt von Helium beim Atmosphärendruck wird infolge einer schnellen Steigerung der Kältekosten bei Senkung seines Temperaturniveaus verzögert.

Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur Kälteerzeugung bei einer Temperatur unter 4,0 K, insbesondere im Bereich von 1,8 K (siehe Katheder H., Lehmann W., Spath F. «Long-term experiancies with the liquefying stage and a 4,4 K-cooling-cycle of a 300 W-refrigerator». Proceedings of the Fifth International Cryogénie Engineering Conference, p. 546. Kyoto. 1974. IPC Business Press Ltd., London 1974), bei dem Helium in einem Verdichter bis auf einen Druck von etwa 20 Bar bei der Umgebungstemperatur komprimiert wird. Der dabei entstehende Direktstrom des komprimierten Heliums wird einem Kälteverbraucher zugeführt, indem es stufenweise durch den Rücklaufstrom dieses gasförmigen Mediums gekühlt wird, das vom Kälteverbraucher in entgegengesetzter Richtung strömt. Die Kühlung des Direktstromes erfolgt in den hintereinander angeordneten Kühlungsstufen analog dem vorher behandeltén Verfahren.

Der prinzipielle Unterschied dieses Verfahrens von dem früher beschriebenen besteht darin, dass man in der Verflüssigungsstufe das Entspannen des Stromes des komprimierten Gases mit seiner gleichzeitigen Verflüssigung bis zu einem Druck, der unter dem Atmosphärendruck liegt, durchführt. Der Druck des Entspannens entspricht dem erforderlichen Temperaturniveau für die Erzeugung von Kälte. So ist zum Beispiel bei der Kälteerzeugung im Bereich von 1,8—2,0 K dieser Druck 12—20 mm QS Säule gleich. Den gleichen Druck weisen auch die Heliumdämpfe auf, die den Rücklaufstrom bilden, der zum jeweiligen Kälteverbraucher strömt.

Der Rücklaufstrom erwärmt sich beim Passieren durch die Kühlungsstufen in der entgegengesetzten Richtung in einer Reihe von hintereinander angeordneten Wärmeaustauschern bis auf eine Temperatur, die der Temperatur der Umgebung nahe ist, und fliesst in eine Vakuumpumpe ein, in der er bis zum Atmosphärendruck komprimiert und einem Verdichter zugeführt wird. Der Druck vor der Vakuumpumpe ist niedriger als 12—20 mm QS infolge des Widerstandes beim Passieren des Rücklaufstromes durch die Wärmeaustauscher.

In den Fällen, wenn einem Verbraucher von Kälte flüssiges Helium unter einem Druck über 1 Bar und bei einer Temperatur unter 4,0 K zugeführt werden soll, entsteht die Notwendigkeit, einen Zwischenverbraucher von Kälte einzuführen, als solcher tritt der Hauptstrom selbst auf, der in der Verflüssigungsstufe bis auf den Druck des Kälteverbrauchers entspannt wird und dessen Tcrrspennuv zu ?*.i. njfsj

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Temperatursenkung wird durch den Wärmeaustauscher zwi- dabei entstandenen Mediumsdämpfe werden adiabatisch kom-schen dem Hauptstrom und dem Teil dieses Stromes, der ent- primiert und bilden den Rücklaufstrom.

spannt ist und unter Vakuum kocht, erreicht. In allen Fällen der Anwendung des vorgeschlagenen Ver-

Im Zusammenhang damit, dass der grösste Teil des zirku- fahrens wird ein wesentlicher Gewinn beim Energieaufwand tiefenden Stromes einem zusätzlichen Komprimieren in einer s erreicht. Das ist darauf zurückzuführen, dass die beschriebe-Vakuumpumpe ausgesetzt wird, steigt der Energieaufwand für nen Prozesse bei minimalen irreversiblen Verlusten verlaufen, die Kälteerzeugung in diesem Verfahren stark an. und im Zusammenhang damit, dass die für das Komprimieren

Obwohl das beschriebene Verfahren die Erzeugung von des Vakuumstromes bei einer niedrigen Temperatur verKälte in einem Bereich unter 4,0 K, insbesondere bei 1,8 K, brauchte Energie um das Mehrfache geringer als die Energie sichert, macht es einen erhöhten Energieverbrauch erforder- io ist, die zum Komprimieren des Mediums in einer Vakuumlich und weist eine Reihe anderer Nachteile auf. pumpe bei Temperatur der Umgebung erforderlich ist.

Zu einem dieser Nachteile zählt der unbedingte Einsatz uDa df ^ von Heliumdämpfen, die von einem Kälte-

von komplizierten und kostspieligen Ausrüstungen, und zwar Verbraucher in die Wärmeaustauscher gelangen, im vorge-von Vakuumpumpen. Die Wärmeaustauscher sind bei Ent- schlagenen Verfahren immer hoher gegenüber den bekannten Wicklung von Anlagen nach dem genannten Verfahren sehr " Verfahren ist, verringern sich stark die Abmessungen der sperrig und im Zusammenhang damit kompliziert, weil He- Wärmeaustauscher und ihre Konstruktion wird vereinfacht, liumdämpfe vom Kälteverbraucher unter einem Druck, der Dle Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Er beträchtlich niedriger als Atmosphärendruck ist, strömen. zeugting von Kalte im Bereich von Kryogentemperaturen er-

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Be- laubt' den Energieaufwand fur Kaiteerzeugung zu senken seitigung der genannten Nachteile. waf fonder* die Anlagen von Bedeutung ist, die Kalte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges auf emem Temperaturniveau unter 4 K erzeugen.

Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogen- f ^ wird ausserdem un Verglich zu den bekannten Ver-temperaturen zu entwickeln, bei dessen Durchführung ein ge- fah*en wesentlich die Konstruktion der Hehum-Kryogen-ringerer Energieaufwand bei vorgegebener Kälteleistung ge- Anfcge vereinfacht: Verbessert werden die Betnebsverhaltms-sichert würde 25 se Vorrichtung zum Komprimieren von Helium, vernn-

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man im Verfah- «?*die Aufwendungen für die Produktion von kostspieligen ren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentempe- Tiefteinperaturapparaten.

raturen, das das Komprimieren des gasförmigen Mediums „ Z^eic*kann die strikte Abhängigkeit zwischen dem vorsieht, das als Direktstrom, der einem Kälteverbraucher zu- ®wck des Mediums am Eintritt m den Verdichter und dem geleitet wird, stufenweise kühlt und unter Verflüssigung ent- » Temperatunuveau der erzeugten Kalte ausgeschlossen werden, spannt, wonach man das entstandene flüssige Medium minde- Es wfd^ Mo^chkerten zur Verringerung der Abmessun-stens einem Kälteverbraucher zuführt, wo es verdampft wird, «fn des Verdichters und Verbesserung semer Betnebsverhalt-der Dampf bildet den Rücklaufstrom, der vom Kälteverbrau- nisse gescha en. .

cher fliesst, erfindungsgemäss, der Rücklaufstrom, der minde- ^ Insbesondere kann die Moghchkert der Verunremigung stens von einem Kälteverbraucher strömt, bis auf eine Tem- 35 des Mediums Luft durch beweghche Verdichtungen des Kom-peratur adiabatisch komprimiert wird, die der Temperatur pressore verringert werden.

des Direktstromes vor seinem Entspannen unter Verflüssi- Unter Bezugnahme auf die bedingende Zeichnung werden najiClfCgt nachstehend Ausführun^sbeispiciG des erfmduii§sgein<issen

Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens beim Verfahrens beschrieben. Es zeigen:

Entspannen unter Energieentnahme des Direktstromes mit sei-*o F'S-1 schematisch die erfindungsgemasse Kryogenanlage ner Verflüssigung und bei adiabatischem Komprimieren der zur Durchführung des Verfahrens, wenn man den gesamten Dämpfe des Mediums bis auf die Temperatur des Direkt- verflüssigten Direktstrom einem Kälteverbraucher zuleitet stromes vor seinem Entspannen unter idealen Bedingungen, und der gesamte entstehende Rücklaufstrom adiabatisch das heisst unter Bedingungen des Wegbleibens von Verlusten, bis auf eine Temperatur komprimiert wird, die der Temperaerfolgt im wesentlichen nach dem Carnot-Prozess. « tur des Direktstromes vor seinem Entspannen in der Verflüs-Wie einem auf diesem Gebiet wirkenden Fachmann be- sigungsstufe naheliegt, wonach er unmittelbar dem Verdichter kannt, stellt der Carnot-Prozess einen theoretisch reversiblen zugeführt wird;

Kreisprozess dar, der für seine Durchführung einen mini- F'S- 2 dieselbe, in dem Fall, wenn der im Kaltverdichter malen Energieaufwand erfordert. Deswegen ist in dem vorge- komprimierte Rücklaufstrom aus dem Direktstrom gebildet schlagenen Verfahren unter realen Bedingungen der Prozess so und vor seinem Eintritt in den Verdichter in einer Vakuum-dem reversiblen kreisprozess maximal nähergebracht und pumpe vorläufig bis zum Atmosphärendruck komprimiert wird durch minimale Irreversibilitätsverluste gekennzeichnet. wird;

Durch das Entspannen des Direktstromes bis auf unter- Ffe- 3 dieselbe bei Ausführung der Erfindung, wenn zwei schiedlichen Druck kann man Kälte in verschiedenen Tempe- Kälteverbraucher vorgesehen sind, wobei man im ersten Käl-raturbereichen erzeugen. Das Komprimieren des Rücklauf- 55 teverbraucher den Direktstrom durch Verdampfen dessen stromes kann in einem Verdichter erfolgen, der bei Tempera- e"»es Teils unter gesenktem Druck kühlt und die dabei ent-tur des flüssigen Heliums betrieben wird und der weiterhin stehenden Dämpfe adiabatisch bis auf eine Temperatur kom-als Kaltverdichter bezeichnet wird. primiert, die der Temperatur des Direktstromes vor seinem

In den meisten Fällen soll einem der Kälteverbraucher Entspannen in der Verflüssigungsstufe naheliegt;

Medium bei einefc, Temperatur zugeführt werden, deren Gros- 60 Fig. 4 dieselbe in dem Fall, wenn der Rücklaufstrom vor se niedriger als Siedepunkt dieses Mediums ist und dem vor- seinem adiabatischen Komprimieren durch den entspannten gegebenen Druck im Kälteverbraucher entspricht. In diesem Direktstrom erwärmt wird;

Fall kann man die Senkung der Temperatur am Eingang zum Fig. 5 dieselbe in der Variante der Ausführung der Erfin-Kälteverbraucher nach dem vorgeschlagenen Verfahren durch dung, wenn zwei hintereinander angeordnete Kälteverbrau-einen Wärmeaustausch zwischen dem verflüssigten Haupt- 65 eher vorhanden sind, in jedem von denen ein autonomer ström und von ihm getrennten Strom erreichen, der unter Strom des gasförmigen Mediums zirkuliert und der Rück-cinem gesenkten Druck kocht, der der erforderlichen Tem- laufstrom des vorangehenden Kälteverbrauchers vor seinem peratur der Kühlung des Hauptstromes entspricht, und die adiabatischen Komprimieren mit komprimiertem Rücklauf-

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ström des nachfolgenden Kälteverbrauchers erwärmt wird;

Fig. 6 dieselbe in der Variante der Ausführung der Erfindung, wenn der Rücklaufstrom des nachfolgenden Kälteverbrauchers vor seinem adiabatischen Komprimieren mit dem Direktstrom dieses Mediums erwärmt wird; 5

Fig. 7 Diagramm: Temperatur T — Entropie S, auf dem die Hauptprozesse abgebildet sind, die in der Verflüssigungsstufe erfolgen, gemäss der Variante der Erfindung, die auf Fig. 1 und 2 abgebildet ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von 10 Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird wie folgt durchgeführt:

Gasförmiges Medium, gegebenenfalls Helium, wird in einem Verdichter 1 (Fig. 1) bei der Umgebungstemperatur komprimiert und als Direktstrom «a» nach dem Pfeil «A» ge-ls richtet. Der Strom «a» gelangt in die erste Kühlungsstufe 2, die Wärmeaustauscher 3 und 4 und eine Expansionsmaschine 5 enthält. Im Wärmeaustauscher 3 wird der Direktstrom «a» mit dem Rücklaufstrom «b» dieses Mediums, der nach dem Pfeil «B» strömt, gekühlt, danach wird der Strom «a» in di- 20 rekten Hauptstrom «c», der nach Pfeil «C» strömt, und direkten Hilfsstrom «d», der mit dem Pfeil «D» bezeichnet wird, geteilt. Der Strom «d» wird in der Expansionsmaschine 5 unter Energieentnahme bis auf einen Druck entspannt, der ungefähr um das 1,5- bis 2fache geringer als Anfangsdruck 25 ist. Infolge des Entspannens sinkt die absolute Temperatur des Stromes «d» ca. um 10—20 K. Auf die gleiche Temperatur wird in dem Wärmeaustauscher 4 der Hauptstrom «c» gekühlt. Zur Vereinfachung wird im weiteren das Wort «direkt» vor der Bezeichnung des Haupt- und Hilfsstromes weg- 30 gelassen.

Dadurch wird das komprimierte Gasmedium in der ersten Kühlungsstufe 2 bis auf bestimmte Temperatur gekühlt. Dabei werden durch das Entspannen unter Energieentnahme des Hilfsstromes «d» die Energieverluste kompensiert, die 35 durch die Irreversibilität der Prozesse, zum Beispiel durch die Verluste hervorgerufen werden, die beim Verlaufen des Wärmeaustauschprozesses in den Wärmeaustauschern 3 und 4 mit einer Temperaturdifferenz zwischen den Strömen entstehen, die einige Grade ausmacht (in dieser Stufe üblich etwa 5 K, 40 was Energieverluste bedeutet).

Die Kühlung des komprimierten Stromes «c» und der Ausgleich der Verluste im Wärmeaustauscher 4 werden dadurch erreicht, dass die Masse des Stromes «b» grösser als die Masse des Stromes «c» ist. 45

Im weiteren wird der Strom «c» und der Strom «d» der nächsten, der zweiten Kühlungsstufe 6 zugeführt, die analoge Vorrichtungen aufweist: Wärmeaustauscher 7 und 8 und eine Expansionsmaschine 9. Der Strom «c» wird den Wärmeaustauschern 7 und 8 zugeleitet, wo er mit dem Rücklaufstrom 50 «b» gekühlt wird. In dem Wärmeaustauscher 7 kühlt man auch den Strom «d», wonach er in der Expansionsmaschine 9 auf einen Zwischendruck entspannt wird, der seine Kühlung auf Temperatur des Stromes «c» am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 8 sichert. 55

In der dritten Kühlungsstufe 10, die Wärmeaustauscher 11 und 12 und eine Expansionsmaschine 13 aufweist, wird der Hauptstrom «c» in den Wärmeaustauschern 11 und 12 und der Strom «d» im Wärmeaustauscher 11 gekühlt, wonach er in der Expansionsmaschine 13 auf einen Druck entspannt 60 wird, der dem Druck am Eintritt in den Verdichter 1 naheliegt, wodurch die Temperatur des Stromes «d» gesenkt wird. Dann wird der Strom «d» mit dem Rücklaufstrom «e» vereinigt, der aus einer Stufe 14 der Verflüssigung nach dem Pfeil «E« fliesst, und ein Strom «b», der nach dem Pfeil «B» 65 fliesst, gebildet.

Aus der dritten Kühlungsstufe 10 gelangt der Hauptstrom «c» zur Stufe 14 der Verflüssigung, die aus einem Wärmeaustauscher 15, einer Expansionsmaschine 16 und einem Kaltverdichter 17 besteht.

In der Verflüssigungsstufe 14 tritt der Hauptstrom «c» nach seiner Kühlung in dem Wärmeaustauscher 15 mit dem Rücklaufstrom «e» in die Expansionsmaschine 16 ein, wo er unter Verflüssigung entspannt wird, und das verflüssigte Medium leitet man einem Kälteverbraucher 18 zu, in dem das verflüssigte Medium verdampft wird.

Die im Kälteverbraucher 18 entstandenen Dämpfe werden adiabatisch in dem Kaltverdichter 17 komprimiert, wobei sich ihre Temperatur bis auf eine Grösse erhöht, die der Temperatur des Hauptstromes «c» vor seinem Entspannen in der Expansionsmaschine 16 der Verflüssigungsstufe 14 naheliegt. Der Rücklaufstrom «e» fliesst nach dem Verdichter 17 durch den Wärmeaustauscher 15 durch und bildet weitere nach dem Vereinigen mit dem entspannten Strom «d» einen Strom «b», der die Wärmeaustauscher 12,11, 8, 7, 4 und 3 passiert und zum Verdichter 1 gelangt. Der Zyklus wird abgeschlossen, und sämtliche Prozesse wiederholen sich.

Das Obengesagte wird durch folgendes Beispiel erläutert:

Beispiel 1

Helium komprimiert man in dem Verdichter 1 vom Atmosphärendruck bis auf Druck von 25 Bar, wodurch ein Direktstrom «a» entsteht. In der ersten Kühlungsstufe 2 wird das komprimierte Helium im Wärmeaustauscher 3 bis auf eine Temperatur von 300 K bis 160 K gekühlt und in den Hauptstrom «c» und Hilfsstrom «d» geteilt.

Der Strom «c», der 70 «/» des Stromes «a» beträgt, kühlt man in dem Wärmeaustauscher 4 durch den Rücklaufstrom «b» bis auf 150 K, und der Strom «d» entspannt man in der Expansionsmaschine 5 bis auf einen Druck von 18 Bar. Die Temperatur des Stromes «d» beläuft sich nach seinem Entspannen in der Expansionsmaschine 5 auch auf 150 K.

In der zweiten Kühlungsstufe 6 wird der Hauptstrom «c» in den Wärmeaustauschern 7 und 8 bis auf eine Temperatur von 50 K gekühlt. Der Strom «d» entspannt man nach seiner Kühlung in dem Wärmeaustauscher 7 in der Expansionsmaschine 9 bis auf einen Druck von 9,2 Bar, und seine Temperatur sinkt dabei bis auf 50 K.

In der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom «c» in den Wärmeaustauschern 11 und 12 bis auf eine Temperatur von 14,8 K gekühlt. Der Hilfsstrom «d» tritt nach seiner Kühlung in dem Wärmeaustauscher 11 in die Expansionsmaschine 13 ein, wo er bis auf den Druck des Rücklaufstromes «e» entspannt wird. Weiter wird der Strom «d» mit dem Strom «e» vereinigt und es wird dadurch ein Rücklaufstrom «b» gebildet. Nach der Expansionsmaschine 13 ist die Temperatur des Stromes «d» gleich 14,5 K. Nach der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom «c» der Verflüssigungsstufe 14 zugeleitet, die aus dem Wärmeaustauscher 15, der Expansionsmaschine 16 und dem Kaltverdichter 17 besteht.

In der Verflüssigungsstufe 14 kühlt man den Hauptstrom «c» des verflüssigten Heliums im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 5,9 K, wonach er in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen Druck von 0,42 Bar unter Bildung von flüssigem Helium entspannt. Der verflüssigte Strom «c» gelangt in den Kälteverbraucher 18, wo er verdampft wird, und vom zu kühlenden Objekt die Wärme abgeführt wird. Der Druck im Kälteverbraucher beträgt 0,42 Bar, was der Temperatur von 3,4 K entspricht. Die Heliumdämpfe treten bei dieser Temperatur als Rücklaufstrom «e» in den Kaltverdichter 17 ein, wo sie komprimiert werden. Nach dem Komprimieren weist der Strom «e» die Temperatur 5,75 K und den Druck 1,3 Bar auf, der das Durchfliessen des Rücklaufsstromes «e» und weiter des Stromes «b» durch die Wärmeaustauscher 15,12,11, 8, 7, 4 und 3 sichert. In diesem Fall wird der Strom «e» nach Erwärmung im Wärmeaustauscher

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15 mit dem entspannten Strom «d» vereinigt, da diese beiden Ströme den gleichen Druck und die gleiche Temperatur aufweisen, sie bilden den Strom «b», der in den Wärmeaustauschern 12, 11, 8, 7, 4 und 3 bis auf 295 K gewärmt und dem Verdichter 1 zugeführt wird. Der Zyklus wird abgeschlossen 5 und sämtliche Prozesse wiederholen sich.

Da die für das Komprimieren von Helium im Kaltverdichter 17 verbrauchte Energie bei einer Durchschnittstemperatur von 4,5 K sehr gering ist, verursacht sie praktisch keine Steigerung des Energieverbrauchs, und wir können faktisch ohne io Vergrösserung des Energieaufwandes das Niveau der erzeugten Kälte von 4,5 K bis auf 3,4 K reduzieren.

Ein solcher Effekt entsteht hauptsächlich dadurch, dass der Prozess in der Verflüssigungsstufe unter den Bedingungen verläuft, die maximal dem Carnot-Prozess naheliegen, das 15 heisst der Prozess verläuft mit minimalen Verlusten von der Irreversibilität der Prozesse, darin kommt gerade einer der Vorteile der vorgeschlagenen Erfindung zum Vorschein.

In dem Kaltverdichter 17 bei einer Temperatur des Mediums nach dem Komprimieren von etwa 5,9 K und einem 20 Druck von 1,3 Bar kann der Absorptionsdruck in Abhängigkeit von der Anzahl der Komprimierungsstufen und der Wirkleistung des Kaltverdichters 17 unterschiedlich sein. Zugleich wird in Abhängigkeit vom Absorptionsdruck die Verdampfung des verflüssigten Mediums in unterschiedlichen Tempe- 25 raturniveaus erfolgen. Wenn zum Beispiel dieser Druck gleich 0,42 Bar ist, beläuft sich das Temperaturniveau der Kälteerzeugung auf 3,4 K. Bei einem Druck von 0,25 Bar sinkt die Temperatur bis auf 3 K usw.

Falls das Temperaturniveau der Kälteerzeugung 4,5 K be- 3" trägt, so ist in diesem Fall der Druck des Stromes «e» nach dem Kaltverdichter 17 gleich 2,2 Bar, und Druck des Stromes «b» am Eintritt in den Verdichter 1 gleich 1,9 Bar anstelle 1 Bar, wie es in den bekannten Verfahren vorkommt. Hie-durch verringert sich der Energieverbrauch wesentlich. Aus- 35 serdem werden infolge des erhöhten Druckes des Rücklaufstromes beträchtlich die Abmessungen und Masse der Wärmeaustauscher bei der Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens reduziert.

Betrachten wir eine andere Variante der Erfindung, bei 40 der der aus dem Hauptstrom entstandene Rücklaufstrom vor seinem Eintritt in den Verdichter dem Komprimieren in einer Vakuumpumpe bei der Umgebungstemperatur unterworfen wird. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von Kälte in Kryogenanlagen wird wie folgt durchgeführt: 45

Gasförmiges Medium, zum Beispiel Helium, wird im Verdichter 1 (Fig. 2) vom Atmosphärendruck bis auf 25 Bar komprimiert und als Direktstrom «a» nach dem Pfeil «A» geleitet. Dieser Strom wird wie oben beschrieben in den Hauptstrom «c», der nach dem Pfeil «C» strömt, und Hilfsstrom so «d», der nach dem Pfeil «D» strömt, geteilt. Den Strom «a» kühlt man im Wärmeaustausch mit den Rücklaufströmen «b» und «e», die mit den Pfeilen «B» bzw. «E» bezeichnet sind.

Der Hilfsstrom «d» wird in den Expansionsmaschinen 5, 55 9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Kühlung der Ströme «c» und «d» erfolgt in diesen Stufen analog dem vorher beschriebenen Beispiel.

Der bis auf einen Druck von etwa 1,25 Bar entspannte Strom «d» bildet in dem betrachteten Fall einen selbständigen 60 Rücklaufstrom «b» nach der Expansionsmaschine 13, und der in der Expansionsmaschine 16 der Verflüssigungsstufe 14 entspannte Hauptstrom «c» bildet den Strom «e» nach dem Kälteverbraucher 18, der adiabatisch im Kaltverdichter 17 komprimiert wird. Der Strom «e» weist einen niedrigeren Druck 65 als der Strom «b» auf, deswegen wird er nach dem Durch-fliessen der Wärmeaustauscher 15, 12, 11, 8, 7, 4 und 3 zusätzlich in einer Vakuumpumpe 19 bis zum Atmosphärendruck komprimiert, hinterher wird er mit dem Strom «b» vereinigt und die beiden dem Verdichter 1 zugleitet. Der Zyklus wird abgeschlossen.

Das Gesagte wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.

Beispiel 2

Gasförmiges Helium wird im Verdichter 1 (Fig. 2) bis auf einen Druck von 25 Bar komprimiert und der Direktstrom «a» gebildet, der in den Hauptstrom «c» und Hilfsstrom «d» geteilt wird.

Das Entspannen des Stromes «d» und die Kühlung der Ströme «c» und «d» erfolgt auf die gleiche Weise, wie im vorigen Beispiel beschrieben wurde. Der Hauptstrom «c» des komprimierten Heliums, der in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 bis auf eine Temperatur von etwa 15 K gekühlt worden ist, wird zusätzlich im Wärmeaustauscher 15 der Verflüssigungsstufe 14 bis auf eine Temperatur von 5,9 K gekühlt, wonach dieser Strom in der Expansionsanlage 16 bis auf 0,1 Bar unter Gewinnung von flüssigem Helium komprimiert wird. Flüssiges Helium wird mit einem Druck von 0,1 Bar und einer diesem Druck entsprechenden Temperatur von 2,5 K im Kälteverbraucher 18 verdampft. Die Heliumdämpfe, die aus dem Kälteverbraucher 18 austreten, bilden den Rücklaufstrom «e», der adiabatisch im Kaltverdichter 17 bis auf einen Druck von 0,55 Bar komprimiert wird. Die Temperatur des Heliumstromes «e» steigt infolge des Komprimierens von 2,5 K auf 5,75 K an» das heisst sie nähert sich der Temperatur des komprimierten Heliumstromes «c» vor seinem Entspannen in der Expansionsmaschine 16.

Der Helium-Rücklaufstrom «e» wird nach dem Komprimieren im Kaltverdichter 17 durch die Wärmeaustauscher 15, 12, 11, 8, 7, 4 und 3 durchgelassen, wo er bis auf eine der Umgebungstemperatur nahe Temperatur von 290 K erwärmt wird. Danach wird der Strom «e» in der Vakuumpumpe 19 von einem Druck von 0,4 Bar bis zum Atmosphärendruck komprimiert, mit dem Strom «b» vereinigt und zum Komprimieren dem Verdichter 1 zugeführt. Der Zyklus wird abgeschlossen.

Die wirtschaftliche Zweckmässigkeit einer derartigen Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erzeugung von Kälte kennzeichnet sich einerseits dadurch, dass der Prozess in der Verflüssigungsstufe, genauso wie im vorher beschriebenen Beispiel, unter den dem Carnot-Prozess nahen Bedingungen verläuft, das heisst mit minimalen irreversiblen Verlusten, und andererseits, wie aus diesem Fall zu ersehen, der Energieverbrauch zur Kälteerzeugung in Höhe von 2,5 K gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich verringert ist. Beim Wegbleiben des Komprimierens von Heliumdämpfen auf dem niedrigeren Temperaturniveau sollte der Grad des Komprimierens in der Vakuumpumpe 19 fast um das 5fache erhöht werden, was eine bedeutende Vergrösserung des Energieverbrauchs und eine wesentliche Vergrösserung der Abmessungen der Pumpe 19 verursachen würde. Ausserdem werden die Wärmeaustauscher in dem behandelten Beispiel unter einem Druck von etwa 0,5 Bar gegenüber dem Druck von 0,07 Bar betrieben, der für die Durchführung des bekannten Verfahrens erforderlich ist. Hierdurch können die Abmessungen der Wärmeaustauscher um das Mehrfache verringert und ihre Konstruktion bedeutend vereinfacht werden.

Das vorgeschlagene Verfahren zur Erzeugung von Kälte in Kryogenanlagen bei einer anderen Ausführung sieht die Zuführung des verflüssigten Mediums zu mehreren Kälteverbrauchern vor, wobei zu einigen von ihnen das Medium mit einer Temperatur zugeführt werden kann, die unter dem Siedepunkt des Mediums liegt und die dem vorgegebenen Druck im Kälteverbraucher entspricht.

In diesem Fall wird das Medium vor seiner Zuführung

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einem Kälteverbraucher zusätzlich in noch einem Kältever- gleichen Temperatur, in diesem Fall wird er an den Rück-braucher durch den Wärmeaustausch des verflüssigten Haupt- laufstrom «e» durch ein Ventil 22 angeschlossen, austreten, stromes mit dem von ihm getrennten Strom gekühlt, der bei Wenn die Temperatur des Stromes «g» nach dem Kältever-niedrigerem Druck kocht, der der erforderlichen Temperatur braucher 18 höher als die Temperatur des Stromes «d» nach der Kühlung des Hauptstromes entspricht. 5 der Expansionsmaschine 13 ist, wird er mit dem Rücklauf-

Die genannte Temperaturminderung des siedenden ge- ström «b» unter Zuhilfenahme eines Ventils 23 oder 24 in trennten Stromes wird durch das adiabatische Komprimieren Übereinstimmung mit seiner Temperatur verbunden, von Dämpfen erreicht, die in noch einem Kälteverbraucher In einigen Fällen wird der Strom «g» oder ein Teil davon mit ihrer nachfolgenden Rückführung zum Rücklaufstrom bis zur Umgebungstemperatur in nachfolgenden Kälteverentstehen. io brauchern 25 erwärmt, als solche können zum Beispiel Strom-Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von anschlüsse in supraleitenden Vorrichtungen dienen. Auf Fig. 3 Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird wie aus Fig. ist gezeigt, dass nach einem weiteren Kälteverbraucher 20 der 3 zu ersehen durchgeführt. Strom «g» in einen nach dem Pfeil «J» fliessenden Strom «i» Gasförmiges Medium, zum Beispiel Helium, wird in dem und nach dem Pfeil «H» fliessenden Strom «h» geteilt wird. Verdichter 1 (Fig. 3) komprimiert und als Direktstrom «a» 15 Der Strom «i» wird mit dem Rücklaufstrom «b» nach dem nach dem Pfeil «A» geleitet. Dieser Strom wird in der ersten Kälteverbraucher 12 verbunden, und der Strom «h» wird in Kühlungsstufe 2 im Wärmeaustauscher 3 mit dem Rücklauf- dem nachfolgenden Kälteverbraucher 25 bis auf eine der ström «b» gekühlt, der nach dem Pfeil «B» fliesst, und in den Umgebungstemperatur nahen Temperatur erwärmt, und dem Hauptstrom «c», der nach dem Pfeil «C» fliesst, und in Rücklaufstrom «b» vor seiner Zuführung dem Verdichter 1 Hilfsstrom «d», der nach dem Pfeil «D» fliesst, geteilt. 20 vereinigt. Der Rücklaufstrom «b» tritt in den Verdichter 1

Der Hilfsstrom «d» wird in den Expansionsmaschinen 5, e'n und der Zyklus wird abgeschlossen.

9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Das Gesagte wird am folgenden Beispiel näher erläutert:

Kühlung der Ströme «c» und «d» erfolgt in diesen Stufen genauso wie oben beschrieben. Beispiel 3

Aus der dritten Kühlungsstufe 10 läuft der Hauptstrom 25 Helium wird in dem Verdichter 1 (Fig. 3) bis auf einen «c» in die Verflüssigungsstufe 14 ein, die aus dem Wärmeaus- Druck von 30 Bar komprimiert, indem man den Direktstrom tauscher 15, der Expansionsmaschine 16, einem Ventil 19a «a» bildet. In der ersten Kühlungsstufe 2 wird der Strom «a» und dem Kaltverdichter 17 besteht. jm Wärmeaustauscher 3 mit dem Rücklaufstrom «b» bis auf

In der Verflüssigungsstufe 14 wird der Hauptstrom «c» eine Temperatur von 100 K gekühlt und in den Hauptstrom nach Kühlung im Wärmeaustauscher 15 in der Expansions- 30 «c» unci Hilfsstrom «d» geteilt.

maschine 16 bis auf einen Druck entspannt, der dem Druck Der Strom «c», der etwa 15 %> vom Strom «a» ausmacht,

im Kälteverbraucher 18 naheliegt. wird im Wärmeaustauscher 4 mit dem Rücklaufstrom «b» bis

Dabei ist die Temperatur des Stromes «c» durch den auf eine Temperatur von 95 K gekühlt und der Strom «d» in Druck des Rücklaufstromes «e» begrenzt und ist höher als der Expansionsmaschine 5 bis auf einen Druck von 20 Bar die aus Bedingungen der Kühlung erforderliche, das heisst 35 entspannt. Die Temperatur des Stromes «d» nach seinem Entunter dem Siedepunkt des Mediums beim Atmosphärendruck spannen in der Expansionsmaschine 5 ist ebenfalls 95 K nah. liegt. In der zweiten Kühlungsstufe 6 wird der Helium-Haupt-

Die Temperatur des verflüssigten Mediumstromes wird ström «c» in den Wärmeaustauschern 7 und 8 bis auf eine vor dem Kälteverbraucher 18 in noch einem Kälteverbrau- Temperatur von 30 K gekühlt. Der Strom «d» wird nach der eher 20 wie folgt herabgesetzt. 40 Kühlung in dem Wärmeaustauscher 7 in der Expansions-

Nach der Expansionsmaschine 16 wird von dem Haupt- maschine 9 bis auf einen Druck von 12 Bar entspannt und ström «c» der nach dem Pfeil «F» fliessende Strom «f» ge- seine Temperatur sinkt dabei fast bis auf 30 K.

trennt, in dem Ventil 19a entspannt und noch einem Kälte- in der dritten Kühlungsstufe 10 wird der Hauptstrom «c»

Verbraucher 20 zugeleitet, wo er unter einem Druck, der in den Wärmeaustauschern 11 und 12 bis auf eine Temperaniedriger als der Druck des Rücklaufstromes «e» ist, kocht. 4S tUr von 5,9 K gekühlt, und der Hilfsstrom «d» tritt nach der Nach der Trennung des Stromes «f» entsteht der Strom Kühlung in dem Wärmeaustauscher 11 in die Expansions-«g», der nach dem Pfeil «C» zu noch einem Kälteverbraucher maschine 13 ein, wo er bis auf den Druck des Rücklaufstro-20 fliesst. In diesem Kälteverbraucher 20 wird der Strom «g» mes «e» entspannt und mit demselben verbunden wird, wo-infolge des Wärmeaustausches der Ströme «g» und «f» bis durch der Rücklaufstrom «b» entsteht. Nach der Expansions-zur erforderlichen Temperatur gekühlt und dann dem Kälte- 50 maschine 13 ist die Temperatur des Stromes «d» gleich Verbraucher 18 zugeleitet, und der Strom «f» verdampft, in- 5,75 K.

dem er den Strom «e» bildet. Aus der dritten Kühlungsstufe 10 tritt der Hauptstrom

Die Senkung der Temperatur des Stromes «f» wird da- «c» in die Verflüssigungsstufe 14 ein.

durch erreicht, dass die Dämpfe des Stromes «f», die niedri- Da in dem betrachteten Beispiel die Temperatur am Aus geren Druck aufweisen, adiabatisch im Kaltverdichter 17 55 tritt aus der Stufe 10 der Anfangstemperatur gleich ist, mit komprimiert werden. der der Strom «c» in der Verflüssigungsstufe 14 in der Ex-

Dadurch weist der Strom «g» am Eintritt in den Kältever- pansionsmaschine 16 entspannt wird, funktioniert der Wärme-braucher 18 erforderliche Druck und Temperatur auf, wo- austauscher 15 in dem behandelten Beispiel nicht. Der Haupt-durch die vorgegebenen Bedingungen der Kühlung des je- ström «c» wird in der Verflüssigungsstufe 14 in der Expan-weiligen Objektes, zum Beispiel einer supraleitenden Vor- 60 sionsmaschine 16 bis auf einen Druck von 2,5 Bar unter Bil-richtung, erzielt werden. dung von flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4,6 K

Im Kälteverbraucher 18 verdampft der Strom «g» und in entspannt. Ein Teil dieses Stromes wird als Strom «g» noch Abhängigkeit von der Art des Kälteverbrauchers 18 kann er einem weiteren Kälteverbraucher 20 zugeleitet, wo er bis auf entweder mit einer Temperatur austreten, die der Tempera- eine Temperatur von 4,6 bis 3,5 K infolge der Verdampfung tur des Stromes «e» am Austritt aus noch einem Kältever- 55 des Stromes «f» gekühlt wird, dessen Druck im Ventil 19a braucher 20 naheliegt, dann wird er an den Rücklaufstrom bis auf einen Druck von 0,42 Bar reduziert wird, was dem «e» durch ein Ventil 21 angeschlossen, oder mit einer der Siedepunkt 3,4 K entspricht. Die Heliumdämpfe treten bei Temperatur des Stromes «e» nach dem Kaltverdichter 17 dieser Temperatur als Rücklaufstrom «e» in den Kaltver

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dichter 17 ein, wo sie bis auf einen Druck von 1,3 Bar kom- spannten Hauptstrom «c» bis auf eine Temperatur von 4,7 K primiert werden, der den Durchlauf des Stromes «e» durch erwärmt und dann dem Kaltverdichter 17 zugeführt, wo er die Wärmeaustauscher 15,12,11, 8, 7, 4 und 3 gewährleistet. adiabatisch bis auf einen Druck von 1,2 Bar komprimiert In dem behandelten Beispiel wird der Heliumstrom «g» wird. Die Temperatur des Stromes «e» nach dem Kompri-bei einem Druck von 2,5 Bar und einer Temperatur von 3,5 K s mieren in dem Verdichter 17 erhöht sich bis auf 6,85 K. dem Kälteverbraucher 18 zugeführt, wo beim Wärmeaus- Weiterhin wird er dem Wärmeaustauscher 15 zugeleitet, tausch mit dem Objekt der Kühlung der Druck des Stromes mit dem entspannten Strom «d» verbunden, wodurch der «g» bis auf 1,25 Bar herabgesetzt und seine Temperatur bis ström «b» entsteht. Danach wird der Strom «b» in den Wärauf 20 K erhöht wird. Nach dem Kälteverbraucher 18 wird meaustauschern 12, 11, 8, 7, 4 und 3 bis auf 295 K erwärmt der Strom «g» in den Strom «i», der 85 %> des Stromes «g» io und der Einsaugseite des Verdichters 1 zugeführt. Der Zyklus ausmacht, geteilt und mit dem Rücklaufstrom «b» durch das wjrcj abgeschlossen.

Ventil 23 vereinigt und in den Strom «h» geteilt der in dem Das Verfahren zur Erzeugung von Kälte in Kryogenanla-

nachsten Kalteverbraucher 25 bis auf 300 K erwärmt und mit gen gemäss der nächsten Variante der Erfindimgj in der zwei dem Strom «b» durch das Ventil 24 verbundenwird. hintereinander angeordnete Kälteverbraucher verwendet wer-

Hierdurch wird beim Vorhandensem des Kaltverdichters 15 ^ in jedem yon denen autonome Ströme des gasförmigen

17 die Zufuhrung des verflüssigten Mediums bei einem Druck Mediums 2um Einsatz kommen) wird wie auf Fig. 5 gezeigt von 2,5 Bar und einer Temperatur von 3,5 K ohne Emsatz durchgeführt einer Vakuumpumpe vor dem Verdichter 1 und mit mini- _ _ , , ,

malem Energieaufwand dem Kälteverbraucher 18 gesichert. Dabei wrd der Strom des vorangehenden Kalteverbrau-

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erzeugung von 20 chers vo[ semef ad'abf,IS<îben Komprimieren dem Wanne-

Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen wird wie auf austausch mit dem Rucklaufstrom des nachfolgenden Kalte-

c- a a Verbrauchers nach seinem adiabatischen Komprimieren unter-

%4Ä°'S™nzum Beispiel Heiium, wird i» de» A.» —er wird He,i»m-4 »»d ais »derer

Verdichter 1 bei der Umgebungstemperatur komprimiert und autonomer Strom Helium-Isotop, und zwar Hehum-3, ver-

als Direktstrom «a» nach dem Pfeil «A» geleitet. Die Küh- wen e . .

lung des komprimierten Mediums in den Kühlungsstufen 2, 6 ^ Gasformiges Medium (siehe Fig. 5) wird im Verdichter 1 und 10 und die Trennung des Stromes «a» in den Haupt- komprimiert, indem man den Direktstrom «a» bildet.

ström «c» und Hilfsstrom «d» erfolgt identisch den früher In der ersten Kühlungsstufe 2 wird der Strom «a» mit behandelten Beispielen. Der in den Kühlungsstufen 2, 6 und dem Rücklaufstrom «b» im Wärmeaustauscher 3 gekühlt, 10 und in dem Wärmeaustauscher 15 der Verflüssigungsstufe 30 wonach er in den Hauptstrom «c» und in den Hilfsstrom «d» 14 gekühlte Strom «c» wird unter Bildung von Flüssigkeit in geteilt wird.

der Expansionsmaschine 16 entspannt, wonach er dem Wär- Der Hilfsstrom «d» wird in den Expansionsmaschinen 5,

meaustauscher 26 zugeleitet und dort zusätzlich gekühlt wird. 9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Der gekühlte Strom «c» wird in einem Ventil 27 ent- Kühlung der Ströme «c» und «d» in diesen Stufen erfolgt gespannt und als Flüssigkeit dem Kälteverbraucher 18 zuge- 3J nauso wie in den Beispielen 1, 2 und 3.

führt, wo er verdampft und den Rücklaufstrom «e» bildet. Danach wird der Hauptstrom «c» der Verflüssigungsstufe

Dieser Strom «e» wird in dem Wärmeaustauscher 26 14 zugeleitet, wo er im Wärmeaustauscher 15 gekühlt und durch Kühlung des entspannten Hauptstromes «c» erwärmt, unter Verflüssigung in der Expansionsmaschine 16 entspannt wonach er adiabatisch im Kaltverdichter 17 komprimiert und wird.

dann hintereinander in den Wärmeaustauschern 15, 12, 11, 4Q Dann tritt der Strom «c» des verflüssigten Mediums in 8, 7, 4 und 3 erwärmt und dem Verdichter 1 zum Kompri- den vorangehenden Kälteverbraucher 18 ein, wo er verdampft mieren zugeführt wird. Der Zyklus wird abgeschlossen. und den nach dem Pfeil «E» gerichteten Rücklaufstrom «e»

Das Gesagte wird am konkreten Beispiel näher erläutert. bildet, der im Wärmeaustauscher 31 erwärmt wird und hinterher im Kaltverdichter 17 komprimiert wird. Nach dem Kalt-Beispiel 4 45 Verdichter 17 und dem Wärmeaustauscher 15 wird der Strom

Gasförmiges Helium wird im Verdichter 1 bis auf einen mit dei? entspannten Strom <<d>> vereinigt und der Rück

Druck von 25 Bar komprimiert und bildet den Direktstrom l1a,uf?tr?1" <<b» fblldet' der durLch die£ Wärmeaustauscher 12, «a», der in der ersten Kühlungsstufe 2 nach dem Wärmeaus- U> 8' 7> 4 und 3 sj,romt' wo er bis auf emeJ der Umgebungs-tauscher 3 in den Hauptstrom «c» und Hilfsstrom «d» geteilt te^peratur nahe Temperatur erwärmt und dem Verdichter 1 wjrcj zum Komprimieren zugeleitet wird, wo er wieder in den

Der Hilfsstrom «d» wird in den Expansionsmaschinen 5, Strom «a» umgebildet wird.

9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Wenn aus Betriebsbedingungen der Druck des Stromes

Kühlung der Ströme «c» und «d» erfolgt genauso wie in Bei- <<b» am Austritt aus der Kühlungsstufe 2 niedriger als der spielen 1, 2 und 3. Atmosphärendruck ist, wird er vorher in der Vakuumpumpe

In den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 wird der Hauptstrom 55 19 bis auf den Atmosphärendruck komprimiert.

«c» des komprimierten Heliums bis auf eine Temperatur von Die Verdampfung des Stromes «c» des verflüssigten Me-etwa 15 K gekühlt. In der Verflüssigungsstufe 14 wird der diums im vorangehenden Kälteverbraucher 18 und Erwär-Strom «c» im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur mung des Stromes «e» im Wärmeaustauscher 31 erfolgt durch von 7 K gekühlt und dann in der Expansionsmaschine 16 bis die Kühlung und Verflüssigung des autonomen Stromes «1», auf einen Druck von 2,5 Bar entspannt, infolge des Ent- 60 zum Beispiel des Helium-Isotopes, und zwar Helium-3, des-spannens wird seine Temperatur bis auf 5 K gesenkt. Im sen Bewegung durch den Pfeil «L» angedeutet wird. Der Wärmeaustauscher 26 wird der Strom «c» mit dem Rück- Strom «1» bewegt sich nur in dem durch die Begrenzungslaufstrom «e» bis auf 3,6 K gekühlt. Danach wird er im Ven- linie der Stufe 32 eingeschränkten Bereich, die ausser dem til 27 bis auf 0,42 Bar entspannt und seine Temperatur sinkt Kälteverbraucher 18 noch den Wärmeaustauscher 31, den infolgedessen bis auf 3,4 K. 65 Kaltverdichter 28, den Wärmeausgleichbehälter 27 enthält.

Verflüssigtes Helium gelangt in den Kälteverbraucher 18, Nach dem vorangehenden Kälteverbraucher 18 wird der auto-wo es verdampft und den Rücklaufstrom «e» bildet. Der He- nome Strom «1» in der Vorrichtung 27 oder 29 entspannt, die liumstrom «e» wird im Wärmeaustauscher 26 mit dem ent- beliebige für dieses Ziel passende Konstruktion aufweist, und

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dem nächsten Kälteverbraucher 30 zugeführt, der ein niedrigeres Temperaturniveau hat.

Der Rücklaufstrom «1», der infolge der Verdampfung des flüssigen Mediums in dem nachfolgenden Kälteverbraucher

30 entsteht, wird in den Kaltverdichter 28 abgeleitet, wo er 5 adiabatisch komprimiert und wieder dem Wärmeaustauscher

31 und dem vorangehenden Kälteverbraucher 18 zugeführt wird.

Die angeführte Variante der Ausführung der Erfindung wird durch das auf Fig. 5 veranschaulichte Beispiel näher er- io läutert.

Beispiel 5

Helium wird im Verdichter 1 bis auf einen Druck von 25 Bar komprimiert, indem man daraus den Direktstrom «a» bildet, der bei einer Temperatur von 300 K in der ersten 15 Kühlungsstufe 2 nach dem Wärmeaustauscher 3 in den Hauptstrom «c» und in den Hilfsstrom «d» geteilt wird.

Der Hilfsstrom «d» wird in den Expansionsmaschinen 5, 9 und 13 in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 entspannt. Die Kühlung der Ströme «c» und «d» in diesen Stufen erfolgt 20 genauso wie in Beispielen 1, 2, 3 und 4.

Nach dem Austritt aus der dritten Kühlungsstufe 10 tritt der Hauptstrom «c» in die Verflüssigungsstufe 14 ein, wo er bis auf 5,9 K im Wärmeaustauscher 15 gekühlt und mit Verflüssigung in der Expansionsmaschine 16 bis auf den Druck 2S von 0,2 Bar entspannt wird.

Der Strom «c» des flüssigen Heliums tritt in den vorangehenden Kälteverbraucher 18 ein, verdampft bei einer Temperatur von 2,85 K und bildet den Strom «e», wonach er im Wärmeaustauscher 31 bis auf 3,6 K erwärmt, im Kaltverdich- 30 ter 17 bis auf 5,75 K komprimiert wird, dabei erhöht sich sein Druck bis auf 0,6 Bar.

Nach dem Kaltverdichter 17 strömt der Strom «e» durch den Wärmeaustauscher 15 und fliesst mit dem Strom «d» zusammen, wodurch der Strom «b» entsteht. Der Strom «b» 35 passiert die Wärmeaustauscher 12, 11, 8, 7, 4 und 3, wo er bis auf 293 K erwärmt wird, dem vorherigen Komprimieren in der Vakuumpumpe 19 von 0,4 auf 1,05 Bar unterworfen wird und tritt in den Verdichter 1 ein, wo er wieder in den Strom «a» umgewandelt wird. 40

Die Verdampfung des Stromes «c» des flüssigen Heliums in dem vorangehenden Kälteverbraucher 18 und seine Erwärmung bis zur Temperatur von 3,6 K im Wärmeaustauscher erfolgen durch die Kühlung und Kondensation des autonomen Stromes «1» des Helium-Isotopes, und zwar He- 45 lium-3, unter einem Druck von 0,82 Bar und der Kondensationstemperatur von 3,0 K. Die Masse des Stromes «1» macht etwa 70 o/o der Masse des Stromes «c» aus.

Der Strom «1» von Helium-3 wird im Ventil 27 bis auf einen Druck von 0,1 Bar entspannt, seine Temperatur sinkt 50 dabei bis auf 1,8 K. Der Strom «1» von flüssigem Helium-3 tritt bei den genannten Temperaturen und dem genannten Druck in den nächsten Kälteverbraucher 30, wo er bei einer Temperatur von 1,8 K seine Kälte abgibt und dabei verdampft. Die entstandenen Dämpfe von Helium-3 werden 55 adiabatisch im Kaltverdichter 28 bis auf den Druck von 0,85 Bar komprimiert, wobei seine Temperatur bis auf 3,8 K steigt, wonach er dem Wärmeaustauscher 31 und dem nachfolgenden Kälteverbraucher 18 zugeleitet wird.

Die Anwendung des Stromes des Helium-Isotopes, und 60 zwar Helium-3, das bei dem gleichen Druck mit dem üblich gebrauchten Helium-4 einen niedrigeren Siedepunkt als autonomer Strom aufweist, erlaubt, die Betriebsbedingungen der Kaltverdichter 17 und 28 zu verbessern und die Abmessungen des Kälteverbrauchers 30 zu verringern, der bei niedrigeren 65 Temperaturen betrieben wird, sowie den Energieaufwand zum Komprimieren des Stromes «b» in der Vakuumpumpe 19 herabzusetzen.

Das Verfahren zur Erzeugung von Kälte in Kryogenanlagen wird gemäss seiner nächsten Ausführung, wenn der Rücklaufstrom des nachfolgenden Kälteverbrauchers vor seinem adiabatischen Komprimieren mit dem Direktstrom dieses Mediums bis zu seinem Entspannen erwärmt wird, wie auf Fig. 6 gezeigt, auf folgende Weise realisiert.

Gasförmiges Medium wird im Verdichter 1 mit Bildung des Stromes «a» komprimiert. Die Kühlung des komprimierten Mediums in den Kühlungsstufen 2, 6 und 10 und Teilung des Stromes «a» in den Hauptstrom «c» und den Hilfsstrom «d» in den Expansionsmaschinen 5, 9 und 13 erfolgen genauso wie in vorherigen Beispielen 1 bis 5.

Genauso wie im Beispiel 5 erfolgt der Prozess, der in der Stufe 32 verläuft, lediglich mit dem Unterschied, dass der autonome Strom «1» vor seinem adiabatischen Komprimieren in Wärmeaustauschern 33 und 35 mit dem gleichen komprimierten Strom «1» erwärmt wird.

Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung wird am folgenden Beispiel näher erläutert.

Beispiel 6

Helium wird im Verdichter 1 bis auf einen Druck von 28 Bar komprimiert und, indem man wie in vorherigen Beispielen beschrieben den direkten Hauptstrom «c» bildet, der aus der Verflüssigungsstufe 14 in die Stufe 32 bei einer Temperatur von 4,4 K und einem Druck von 1,2 Bar gelangt. Der Prozess in den Stufen 2, 6, 10 und 14 wird so geführt, dass der Strom «c» am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 15 der Verflüssigungsstufe 14 eine Temperatur von 12 K aufweist. Danach wird er in der Expansionsmaschine 16 bis auf einen Druck von 1,2 Bar entspannt und dabei werden lediglich etwa 9 des Stromes «c» verflüssigt.

In der Stufe 32 wird der verflüssigte Teil des Stromes «c» in dem vorherigen Kälteverbraucher 18 verdampft und der Strom als Rücklaufstrom «e» dem Wärmeaustauscher 31 zugeleitet, woher er bei einer Temperatur von 11,5 K und einem Druck von 1,2 Bar der Verflüssigungsstufe 14 zurückgeführt wird, im weiteren verlaufen die Prozesse wie in Beispielen 1 bis 5 beschrieben.

In der Stufe 32, im Wärmeaustauscher 31 und in dem vorherigen Kälteverbraucher 18 wird der bis auf 2 Bar komprimierte autonome Strom «1» von Helium-3 bis auf 4,5 K gekühlt. Danach wird er im Wärmeaustauscher 33 gekühlt, im Ventil 34 bis auf 0,8 Bar entspannt, in dem Wärmeaustauscher 35 gekühlt und weiter im Ventil 27 bis auf 0,28 Bar entspannt, dabei sinkt die Temperatur von Helium-3 auf 2,1 K. Dann wird der Strom «1» dem nächsten Kälteverbraucher

30 zugeführt, wo er verdampft und den Rücklaufstrom «1» bildet.

Der Rücklaufstrom «1» aus dem nächsten Kälteverbraucher 30 wird in den Wärmeaustauschern 35 und 33 bis auf 4,4 K erwärmt, wonach er adiabatisch im Kaltverdichter 28 bis auf 2 Bar komprimiert wird, dabei steigt seine Temperatur bis auf 12 K, und er wird erneut dem Wärmeaustauscher

31 zugeleitet, wodurch der Zyklus des autonomen Stromes «1» abgeschlossen wird.

Die im Beispiel 6 angeführte Betriebsführung der Anlage zeigt, dass beim Wärmeaustausch des entspannten Stromes «c» mit dem komprimierten autonomen Strom «1» die Verringerung der Temperaturdifferenz im Wärmeaustauscher 15 der Verflüssigungsstufe 14 und folglich die Verringerung von Irreversibilitätsverlusten sowohl durch das adiabatische Komprimieren des Rücklaufstromes «e» als auch durch seine Erwärmung erzielt werden können.

Das Beispiel 6 zeigt unter anderem, dass geringe Verluste von der Irreversibiltät des Wärmeaustauschprozesses in der Verflüssigungsstufe auch bei einem unwesentlichen Grad des

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Komprimierens im Kaltverdichter 17 erreicht werden können, die insgesamt 1,08 betragen.

Auf Fig. 7 ist Koordinaten-Diagramm der T-Entropie-Temperatur S gezeigt, das den Verlauf des Prozesses in der Verflüssigungsstufe abbildet, wenn erfindungsgemäss die Dämpfe nach dem Kälteverbraucher dem adiabatischen Komprimieren bis auf eine Temperatur unterworfen werden, die der Anfangstemperatur des Entspannens des Hauptstromes entspricht.

In diesem Fall wird die Kühlung des Hauptstromes «c» im Wärmeaustauscher 15 (Fig. 1) durch die Linie I—II gekennzeichnet.

Das Entspannen des komprimierten Stromes «c» in der Expansionsmaschine 16 wird durch die Linie II—III gekennzeichnet.

Die Verwendung von Kälte im Kälteverbraucher wird durch die Linie III—IV gekennzeichnet.

Das adiabatische Komprimieren von Dämpfen im Kaltverdichter 17, die vom Kälteverbraucher 18 fliessen, wird durch die Linie IV—V gekennzeichnet.

Die Erwärmung des Stromes «e» im Wärmeaustauscher 15 wird durch die Linie V—VI gekennzeichnet.

Wie aus Fig. 7 zu ersehen, verläuft, erfindungsgemäss, der Prozess der Verflüssigungsstufe theoretisch als vollständig reversibler Prozess, im Unterschied zu bekannten Verfahren, die an der Umrisslinie I—II—III—IV—VII verlaufen, und der eine wesentliche Irreversibilität infolge der beträchtlichen Temperaturdifferenz in den Punkten II und IV aufweist, bei der der Wärmeaustausch in der Verflüssigungsstufe beim Wegbleiben des Kaltverdichters beginnt, das heisst in bekannten Verfahren zur Erzeugung von Kälte.

Der ökonomische Nutzeffekt des Prozesses bei der Durchführung dieses Verfahrens findet darin seinen Ausdruck, dass das gasförmige Medium im vorgeschlagenen Verfahren im Verdichter 1 von einem höheren Druck aus komprimiert werden soll, der durch den Punkt IV gekennzeichnet ist, und in bekannten Verfahren von dem Druck, der durch den Punkt VII gekennzeichnet ist, das heisst von einem bedeutend niedrigeren Druck, was den Energieaufwand wesentlich herabsetzt.

M

2 Blatt Zeichnungen

Claims

GZ5UJ7 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Bereich von Kryogentemperaturen, bei welchem ein gasförmiges Medium komprimiert, dann zwecks Verflüssigung stufenweise abgekühlt und unter Bildung der Flüssigkeit entspannt wird, wo- 5 nach das entstandene flüssige Medium mindestens einem Kälteverbraucher zugeführt wird, wo es in Dampf umgewandelt wird, der den vom Kälteverbraucher abgeführten Rücklaufstrom bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklaufstrom (e) von dem bzw. von mindestens einem der Kältever- 10 braucher (18, 30) adiabatisch komprimiert wird, bis er eine Temperatur erreicht, die der Temperatur des Mediumstroms (c) vor dessen Entspannung unter Bildung der Flüssigkeit naheliegt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn- is zeichnet, dass der Rücklaufstrom (e) vor dem adiabatischen Komprimieren mittels des entspannten Mediumstromes (c) erwärmt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem mindestens zwei Kälteverbraucher vorhanden sind, die je an einen se- 20 paraten Strömungskreis des Mediums angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklaufstrom (e) des einen Kälteverbrauchers (18) vor seinem adiabatischen Komprimieren einem Wärmeaustausch mit dem Rücklaufstrom (1) des anderen Kälteverbrauchers (30) nach seinem adiabatischen 25 Komprimieren unterworfen wird.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklaufstrom des anderen Kälteverbrauchers (30) vor seinem adiabatischen Komprimieren mittels des Zulaufstromes (1) dieses Kälteverbrauchers (30) erwärmt 30 wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiges Medium im Strömungskreis des anderen Kälteverbrauchers (30) das Helium-Isotop Helium 3 verwendet wird. 35