DE102011103611A1 - Method for decreasing power of thermal loads, involves simulating heat load in refrigeration cycle by introduction of defined heat output, and relaxing of supercritical medium circulating in refrigerant circuit in separator - Google Patents

Method for decreasing power of thermal loads, involves simulating heat load in refrigeration cycle by introduction of defined heat output, and relaxing of supercritical medium circulating in refrigerant circuit in separator Download PDF

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Abstract

The method involves simulating a heat load in a refrigeration cycle (1) by the introduction of a defined heat output (2), and relaxing of the supercritical medium circulating in the refrigerant circuit in a separator (5). The defined heat output is introduced into the supercritical area of the refrigeration cycle. The helium, hydrogen or neon is applied as circulating medium in the refrigeration cycle. The relaxing medium is fed into the centrifugal separator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten, wobei innerhalb eines Kältekreislaufes durch das Einbringen einer definierten Heizleistung eine Wärmelast simuliert und das in dem Kältekreislauf zirkulierende überkritische Medium in einen Abscheider entspannt wird.The invention relates to a method for reducing the power of heat loads, wherein simulated within a refrigeration cycle by introducing a defined heat output, a heat load and the circulating in the refrigeration cycle supercritical medium is released into a separator.

Gattungsgemäße Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten bzw. Kälteleistungen kommen insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 4.5 K zur Anwendung.Generic methods for power reduction of heat loads or cooling capacities are used in particular at temperatures below 4.5 K.

Anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles sei das gattungsgemäße Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten näher erläutert. Über Leitung 10 wird ein überkritisches Medium, beispielsweise Helium, mittels eines Drosselventils 20 in einen Schwerkraftabscheider 40 in das Zweiphasengebiet entspannt. Das überkritische Medium weist eine Enthalpie auf, die zwischen der von sattem Dampf und satter Flüssigkeit bei der geforderten Temperatur bzw. dem geforderten Druck liegt, wobei im Zweiphasengebiet Druck und Temperatur gekoppelt sind und die genaue Zustandsbestimmung des Mediums über die Druckmessung PI erfolgt. Zum besseren Verständnis sind in den 1 und 2 die Stoffdaten Druck, Temperatur, Massenstrom und spezifische Enthalpie des in dem Kältekreislauf zirkulierenden Mediums in den Leitungen bzw. Leitungsbereichen angegeben. Der in diesem Beispiel erforderliche Schwerkraftabscheider 40 weist eine Höhe von 1,2 m und einen Durchmesser von 0,5 m auf.On the basis of in the 1 illustrated embodiment, the generic method for power loss of heat loads will be explained in more detail. Via wire 10 becomes a supercritical medium, for example helium, by means of a throttle valve 20 into a gravity separator 40 relaxed in the two-phase area. The supercritical medium has an enthalpy which lies between that of rich vapor and saturated liquid at the required temperature or the required pressure, wherein in the two-phase region pressure and temperature are coupled and the exact determination of the state of the medium takes place via the pressure measurement PI. For better understanding are in the 1 and 2 the material data pressure, temperature, mass flow and specific enthalpy of the circulating in the refrigerant circuit medium in the lines or line areas specified. The gravitational separator required in this example 40 has a height of 1.2 m and a diameter of 0.5 m.

Mittels eines Abnahmetestheizers 50 wird in der im Schwerkraftabscheider 40 befindlichen Flüssigphase eine isotherme Kältelast simuliert. Über Leitung 30 strömt am Kopf des Schwerkraftabscheiders 40 abgezogener Sattdampf in den Kältekreislauf zurück. Die geforderte Leistung gilt als erbracht, wenn die Leistung des elektrischen Heizers 50 der garantierten Kälteleistung entspricht und der Flüssigkeitsfüllstand im Abscheider 40 konstant bleibt. Der Füllstand, der mittels einer Füllstandsmessung LI überwacht wird, dient demzufolge als Regelgröße für die Anlagenleistung.By means of an acceptance test heater 50 is in the gravity separator 40 located liquid phase simulates an isothermal cold load. Via wire 30 flows at the head of the gravity separator 40 withdrawn saturated steam back into the refrigeration cycle. The required power is considered rendered when the power of the electric heater 50 the guaranteed cooling capacity and the liquid level in the separator 40 remains constant. The level, which is monitored by means of a level measurement LI, therefore serves as a control variable for the system performance.

Die vorbeschriebene Verfahrensführung zur Leistungsabnahme von Wärmelasten ist insbesondere bei kleinen Kälteleistungen (beispielsweise Q* < 150 W bei einer Temperatur von 2 K) relativ einfach ausführbar. In zunehmendem Maße werden in der Kryotechnik jedoch zunehmend größere Kälteleistungen bei zunehmend niedrigeren Temperaturen unterhalb von 4.5 K nachgefragt. Dabei stoßen gattungsgemäße Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten bzw. Kälteleistungen jedoch an ihre Grenzen, da

  • a) der erforderliche Schwerkraftabscheider 40 wegen stark zunehmender Volumenströme sehr groß baut, um die Geschwindigkeit des Dampfstromes 30 ausreichend niedrig halten zu können, damit keine Tröpfchen mitgerissen werden, und
  • b) die Oberfläche des Abnahmetestheizers 50 vergleichsweise groß wird, um ein unerwünschtes Filmsieden und damit die Produktion von überhitztem Dampf verhindern zu können.
The above-described process control for reducing the power of heat loads is relatively easy to carry out in particular at low cooling capacities (for example Q * <150 W at a temperature of 2 K). Increasingly, however, increasingly large cooling capacities are required in increasingly lower temperatures below 4.5 K in cryotechnology. However, generic methods for reducing the power of heat loads or cooling capacities reach their limits, since
  • a) the required gravitational separator 40 due to greatly increasing volume flows very large builds to the speed of the steam flow 30 sufficiently low to be able to entrain no droplets, and
  • b) the surface of the acceptance test heater 50 becomes relatively large in order to prevent unwanted film boiling and thus the production of superheated steam can.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.Object of the present invention is to provide a generic method for power reduction of heat loads, which avoids the aforementioned disadvantages.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die definierte Heizleistung im überkritischen Bereich des Kältekreislaufes eingebracht wird.To solve this problem, a method for power reduction of heat loads is proposed, which is characterized in that the defined heating power is introduced in the supercritical region of the refrigeration cycle.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungsabnahme von Wärmelasten können die beiden vorgenannten Probleme gelöst werden, da das Thema Filmsieden aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensweise gegenstandslos wird und der bisher erforderliche Schwerkraftabscheider durch einen wesentlich kleiner bauenden Fliehkraftabscheider ersetzt werden kann.By means of the method according to the invention for reducing the power of heat loads, the two above-mentioned problems can be solved, since the topic of film boiling is rendered obsolete due to the procedure according to the invention and the previously required gravity separator can be replaced by a substantially smaller centrifugal separator.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungsabnahme von Wärmelasten, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – als in dem Kältekreislauf zirkulierendes Medium Helium, Wasserstoff oder Neon verwendet wird,
  • – das entspannte Medium in einen Fliehkraftabscheider geführt wird und/oder
  • – dem Bereich des Kältekreislaufes, in dem die definierte Heizleistung eingebracht wird, eine Temperaturmessung vor- und nachgeschaltet ist.
Further advantageous embodiments of the method according to the invention for reducing the power of heat loads, which constitute subjects of the dependent claims, are characterized in that
  • - As in the refrigeration cycle circulating medium helium, hydrogen or neon is used,
  • - The relaxed medium is fed into a centrifugal separator and / or
  • - The region of the refrigeration cycle, in which the defined heating power is introduced, a temperature measurement upstream and downstream.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten sei nachfolgend anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The inventive method for power reduction of heat loads is described below with reference to in the 2 illustrated embodiment explained in more detail.

Erfindungsgemäß wird nunmehr in das in dem Kältekreislauf zirkulierende überkritische Medium 1 eine definierte Heizleistung, die die gewünschte Wärmelast simuliert, eingebracht. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines (Abnahmetest)Heizers 2. Anschließend wird das Medium im Drosselventil 3 entspannt und einem Abscheider, der vorzugsweise als Fliehkraftabscheider 5 ausgebildet ist, zugeführt. Über Leitung 4 strömt am Kopf des Abscheiders abgezogener Sattdampf in den Kältekreislauf zurück.According to the invention is now in the circulating in the refrigeration cycle supercritical medium 1 a defined heating power, which simulates the desired heat load introduced. This is preferably done by means of an (acceptance test) heater 2 , Subsequently, the medium in the throttle valve 3 relaxed and a separator, preferably as a centrifugal separator 5 is formed, fed. Via wire 4 If saturated steam drawn off at the head of the separator flows back into the refrigeration cycle.

Der Abscheider 5 und ein ihm nachgeschalteter Flüssigkeitsauffangbehälter 7, dem die im Abscheider 5 anfallende Flüssigkeit über Leitung 6 zugeführt wird, dienen im Prinzip nur der Regelung und der Sicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Idealerweise wird die Leistung der Kälteanlage genau so eingestellt, dass die Enthalpie des Mediums am Heizeraustritt 2 der Sattdampfenthalpie der geforderten Temperatur entspricht. Ohne eine exakte Messung würde jedoch entweder die justierte Anlagenleistung tiefer als die eingestellte Testlast sein – dies hat zur Folge, dass das Medium geringfügig überhitzt aus dem Heizer 2 strömt – oder die Anlagenleistung etwas zu hoch sein und daher unerwünschte Flüssigkeitstropfen nach dem Drosselventil 3 auftreten.The separator 5 and a liquid catcher downstream of it 7 , in the separator 5 accumulating liquid via line 6 supplied in principle serve only the control and safety of the method according to the invention. Ideally, the performance of the refrigeration system is set exactly so that the enthalpy of the medium at the heater outlet 2 the saturated steam enthalpy corresponds to the required temperature. Without an exact measurement, however, either the adjusted system power would be lower than the set test load - this has the consequence that the medium is slightly overheated from the heater 2 flows - or the system performance be a little too high and therefore unwanted liquid drops after the throttle valve 3 occur.

Um die Leistung akkurat zu justieren wird zunächst die Anlagenleistung etwas höher eingestellt als erforderlich. Im Fliehkraftabscheider 5 wird die entstehende Flüssigkeit 6 abgeschieden und im Flüssigkeitsbehälter 7 aufgefangen. Danach wird die Anlagenleistung gesenkt, bis der Flüssigkeitsfüllstand im Flüssigkeitsbehälter 7, der mittels der Füllstandsmessung LI kontrolliert wird, konstant ist. Der Zeitpunkt, wenn die Anlagenleistung so eingestellt ist, dass die Verdampfungswärme des Flüssigkeitsanteils nach dem Drosselventil 3 genau dem Wärmeeinfall im Flüssigkeitsbehälter 7 entspricht, ist der ideale Beginn des Abnahmetests.To accurately adjust the performance, first the system performance is set a little higher than required. In the centrifugal separator 5 becomes the resulting liquid 6 deposited and in the liquid container 7 collected. Thereafter, the system power is lowered until the liquid level in the liquid container 7 , which is controlled by the level measurement LI, is constant. The time when the plant capacity is set so that the heat of vaporization of the liquid content after the throttle valve 3 exactly the heat input in the liquid container 7 is the ideal beginning of the acceptance test.

Im Vergleich zu einem gattungsgemäßen Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten kann die Anlagenleistung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgrund der höheren Regelabweichung im kleinen Flüssigkeitsbehälter 7, verglichen mit dem vergleichsweise großen Abscheidebehälter 30, besser und genauer eingestellt werden. Damit wird eine höhere Regelgüte erreicht.Compared to a generic method for power reduction of heat loads, the system performance by means of the method according to the invention due to the higher control deviation in the small liquid container 7 , compared to the comparatively large separation vessel 30 to be better and more accurate. This achieves a higher quality of control.

Der Fliehkraftabscheider 5 weist im vorliegenden Beispiel eine Höhe von 0,30 m und einen Durchmesser von 0,15 m auf und baut damit wesentlich kleiner als der in der 1 dargestellte Schwerkraftabscheider 40. Fliehkraftabscheider kommen bisher ausschließlich bei Fluiden oder Gemischen mit großen Dichteunterschieden zwischen schwerer und leichter Fraktion zur Anwendung. Insbesondere für Helium unter Normaldruckbedingungen (Druck: 1.3 bar, Temperatur: 4,5 K) wurden sie bisher nicht in Betracht gezogen.The centrifugal separator 5 has in the present example, a height of 0.30 m and a diameter of 0.15 m and thus builds much smaller than that in the 1 illustrated gravity separator 40 , Centrifugal separators have hitherto been used exclusively for fluids or mixtures with large density differences between heavy and light fractions. In particular, for helium under normal pressure conditions (pressure: 1.3 bar, temperature: 4.5 K) they have not been considered.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten eignet sich insbesondere auch für Leistungsabnahmen von größeren Kälteleistungen bei Temperaturen unterhalb von 4.5 K. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens können die erforderlichen Apparategrößen wesentlich verringert werden. Das Testequipment, das nach erfolgtem Abnahmetest in den meisten Fällen nicht mehr weiterverwendet werden kann, wird insbesondere aufgrund der geringeren Apparategrößen wesentlich günstiger.The inventive method for reducing the power of heat loads is particularly suitable for power decreases of larger cooling capacities at temperatures below 4.5 K. Thanks to the inventive method, the required apparatus sizes can be significantly reduced. The test equipment that can not be used after the acceptance test in most cases, is much cheaper, especially due to the smaller apparatus sizes.

Da zudem die Leistung nicht mehr isotherm eingebracht wird, lässt sich ferner, nach einer optionalen Temperaturmessung, die dem (Abnahmetest)Heizer 2 vor- und nachgeschaltet ist, eine Plausibilitätskontrolle der Leistungsmessung durchführen.In addition, since the power is no longer introduced isothermal, can also be, after an optional temperature measurement, the (acceptance test) heater 2 upstream and downstream, carry out a plausibility check of the power measurement.

Claims (4)

Verfahren zur Leistungsabnahme von Wärmelasten, wobei innerhalb eines Kältekreislaufes durch das Einbringen einer definierten Heizleistung eine Wärmelast simuliert und das in dem Kältekreislauf zirkulierende überkritische Medium in einen Abscheider entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Heizleistung (2) im überkritischen Bereich des Kältekreislaufes (1) eingebracht wird.Method for reducing the power of heat loads, wherein simulated within a refrigeration cycle by introducing a defined heat output, a heat load and the circulating in the refrigeration cycle supercritical medium is released into a separator, characterized in that the defined heat output ( 2 ) in the supercritical region of the refrigeration cycle ( 1 ) is introduced. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als in dem Kältekreislauf zirkulierendes Medium Helium, Wasserstoff oder Neon verwendet wird.Method according to Claim 1, characterized in that helium, hydrogen or neon is used as the medium circulating in the refrigeration cycle. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das entspannte Medium in einen Fliehkraftabscheider (5) geführt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the expanded medium in a centrifugal separator ( 5 ) to be led. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bereich des Kältekreislaufes (1), in dem die definierte Heizleistung (2) eingebracht wird, eine Temperaturmessung vor- und nachgeschaltet ist.Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the area of the refrigeration cycle ( 1 ), in which the defined heat output ( 2 ) is introduced, a temperature measurement is upstream and downstream.
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