DE1259914B - Verfahren zur Verfluessigung von Helium - Google Patents

Verfahren zur Verfluessigung von Helium

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
F25j
Deutsche KL: 17 g -1
Nummer: 1259 914
Aktenzeichen: S 910461 a/17 g
Anmeldetag: 13. Mai 1964
Auslegetag: !.Februar 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung von Helium, welches auf überkritischen Druck verdichtet, durch Wärmeaustausch bis unterhalb seiner Inversionstemperatur gekühlt, in einer ersten Stufe auf einen Zwischendruck drosselentspannt, nach weiterer Abkühlung durch Wärmeaustausch in einer zweiten Stufe auf den Verflüssigungsdruck drosselentspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei von dem gekühlten Druckhelium vor der Drosselentspannung ein Teilstrom abgezweigt, arbeitsleistend auf Verflüssigungsdruck entspannt, zusammen mit wieder verdampftem Helium im Wärmeaustausch mit dem Heliumgas etwa auf Umgebungstemperatur erwärmt und erneut verdichtet wird.
Zur Verflüssigung von Helium ist das sogenannte Kapitza-Verfahren bekannt. Hierbei wird das auf einen hohen Druck verdichtete Heliumgas zweimal gedrosselt, und zwar zuerst vor Eintritt in einen vor einem zweiten Drosselorgan liegenden Gegenströmer auf einen Zwischendruck und in dem zweiten Drosselorgan auf den Verflüssigungsdruck. Die erste Drosselung des Hochdruckgases hat hierbei ausschließlich den Zweck, das Druckverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruckgas im Wärmeaustauscher vor dem letzten Drosselorgan herabzusetzen, um bei einer gegebenen Temperaturdifferenz endlicher Größe am warmen Ende des Wärmeaustauschers, die für die abzugebende Kälteleistung maßgebend ist, eine Temperaturdifferenz am kalten Ende des Wärmeaustauschers von einer endlichen Größe zu erreichen. Wie sich aus dem TS-Diagramm für Helium ergibt, würde bei einem zu hohen Druck des zu verflüssigenden Prozeßgases am kalten Ende des Wärmeaustauschers die Temperaturdifferenz gegebenenfalls sogar ganz verschwinden oder mindestens so klein sein, daß Wärmeaustauscher von unwirtschaftlich großen Abmessungen erforderlich wären.
Demgegenüber hat sich die Erfindung ein Verfahren zur Verflüssigung von Helium zur Aufgabe gemacht, mit welchem im Vergleich zu bisher üblichen Verfahren, wie z. B. auch dem Kapitza-Verfahren, die gleiche Kälteleistung mit einer geringeren Verdichtungsleistung erzeugt werden kann.
Demzufolge besteht das Verfahren nach der Erfindung darin, daß die Abzweigung des arbeitsleistend zu entspannenden Teilstromes nach der Drosselung auf den Zwischendruck erfolgt und der Teilstrom vor der arbeitsleistenden Entspannung durch Wärmeaustausch mit dem Druckhelium erwärmt wird.
Die gleiche Kälteleistung kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer geringeren Verfahren zur Verflüssigung von Helium
Anmelder:
Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,
Winterthur (Schweiz)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,
4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Sahabettin Ergenc, Zollikerberg
(Schweiz)
Beanspruchte Priorität:
ao Schweiz vom 29. April 1964 (5628)
Verdichtungsleistung gegenüber den bisher gebräuch-
*5 liehen Verfahren erzeugt werden, indem durch Drosselung des gesamten Hochdruckgasstromes auf einen Zwischendruck eine anschließende Aufteilung in zwei Teilströme erfolgt, von welchen der erste Teilstrom dazu benutzt wird, dem nicht gedrosselten Hochdruckgas Wärme zu entziehen und durch arbeitsleistende Entspannung von dem Zwischendruck auf etwa den Verflüssigungsdruck in vorteilhafter Weise Kälteleistung aufzubringen, während der zweite Teilstrom auf den Verflüssigungsdruck gedrosselt wird, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß auf Grund der durch die erste Drosselung erzeugten tiefen Vorkühltemperatur der mit Hilfe der zweiten Drosselung erzielte Kühleffekt groß ist, da eine auf Grund des Joule-Thomson-Effektes bewirkte Kühlung durch Drosselung um so günstiger wird, bei um so tieferer Temperatur sie durchgeführt wird.
In einer vorteilhaften Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teil der aufzubringenden Kälteleistung in einer oder mehreren Expansionsturbinen erzeugt. Bei stufenweise arbeitsleistender Entspannung des Teilstromes kann dieser vorteilhaft zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen durch Wärmeaustausch gekühlt werden.
Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, zur Erzeugung eines Teils der Kälteleistung zusammen mit dem Teilstrom einen weiteren Strom Heliumgas
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arbeitsleistend zu entspannen, welcher von einem größeren Druck auf den Zwischendruck arbeitsleistend entspannt und durch Wärmeaustausch und die arbeitsleistende Entspannung etwa bis auf die Temperatur gekühlt worden ist, welche der Teilstrom nach Wärmeaustausch mit dem Druckhelium aufweist. :
Die Fig. 1 bis 3 zeigen in verschiedenen Ausführungsformen Varianten von Anlagen zur Durchfühin einem Drosselventil 17 entspannt, wobei er sich teilweise verflüssigt, und in einen Behälter 18 eingeleitet, aus welchem das verflüssigte Produkt durch eine Entnahmeleitung 19 über ein Abschlußorgan 20 entnommen werden kann.
Der nicht verflüssigte Anteil des zweiten Teil-, stromes und allfällig verdampfte Flüssigkeit strömen durch die Wärmeaustauscher 16 und. 10 zurück, in welchen sie sich durch Wärmeaustausch bis auf nahe-
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei alle zu die Vorkühltemperatur Tvl erwärmen. Nach Aus
Figuren stark schematisiert sind und nur die für die Verdeutlichung der Erfindung notwendigen Einzelheiten zeigen.
In dem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 1 wird das zu verflüssigende Gas in einem Korn- „ pressor 1 vorzugsweise auf überkritischen Druck verdichtet/und, nachdem in.einem Kühler 2-die Kompressionswärme abgeführt worden ist, durch Wärmeaustauscher 4,^5, 6 und 7, die beispielsweise als sogenannte Plate-Fin-Exchanger ausgebildet sind, geleitet, in welchen es sich durch Wärmeaustausch mit kühlerem Gas,.„;abkühlt,-was später noch eingehender erläutert werden wird. Sodann .wird das Hochdruckgas in einem von zwei Adsorbern 8 und 9, welche abwechselnd regeneriert werden, von^Rest-
20
tritt aus dem Wärmeaustauscher 10 wird das Gas mit dem in der Expansionsturbine 15 entspannten Gas zusammengeführt und strömt durch Wärmeaustauscher 7, 6, 5 und 4, in welchen es durch Wärmeaustausch mit nicht gedrosseltem Hochdruckgas bis in den Bereich der Umgebungstemperatur erwärmt wird, zurück zur Ansaugseite des: Kompressors 12 bzw. des Kompressors 1. Eine der entnommenen Produktjnenge entsprechende Rohgasmenge wird über eine Leitung 3 der Ansaugseite des Kompressors 1 zugeführt^..
Inreinem Zahlenbeispiel für die Verflüssigung von Helium .seien im folgenden einige Angaben gemacht. So kann das Helium im Kompressor 1 etwa auf 18 ata verdichtet und in dem Drosselventil 11 auf einen Zwischendruck von etwa 5 ata...entspannt werden, der also ebenfalls noch im überkritischen Druckgebiet für Helium liegt. Im Kompressor 12 wird Helium auf etwa 7 ata verdichtet und in der Expansionsturbine 14 auf etwa 3 ata und in der Expansionsturbine 15 auf einen etwas unterhalb des Verflüssigungsdruckes des Heliums liegenden Druck von etwa 1,25 ata entspannt. Die Vorkühltemperatur Tvl beträgt im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 etwa 6° K und die Vorkühltemperatur Tvll nach der ersten Drosselung etwa 5,4° K, während die Verflüssigungstemperatur im Behälter 18 bei dem angegebenen Druck von 1,25 ata etwa 4,5° K beträgt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2
verunreinigungen befreit. Das Hochdruckgas ist zu diesem Zeitpunkt'durch Wärmeaustausch auf eine Vorkühltemperatur-Abgekühlt, die im-folgenden'mit Tvl bezeichnet sei-und unterhalb der- Inversionstemperatur des Gases liegt.
Nun wird das Hochdruckgas in einem Wärmeaustauscher'10 weiter "abgekühlt und in einem Drosselventil 11 auf einen Zwischendruck entspannt. Dieser Zwischendruck ist so gewählt, daß zwar eine Abkühlung des Gases, aber keine Verflüssigung ■ bei der Drosselung erfolgt;} Nunmehr wird ..das gedrosselte Gas in zwei Teilströme aufgeteilt, von -welchen der erste Teilstrom durch den Wärmeaustauscher 10 zurückgeleitet wird und sieh durch Wärmeaustausch
mit dem ungedrosselten Hochdruckgas auf nahezu die 40 wird das Gas in einem einstufigen Kompressor 1 auf Vorkühltemperatur ΓνΙ erwärmt. Sodann tritt er in den gewählten Hochdruck verdichtet und in Wärmeweiteren Wärmeaustausch mit dem Hochdruckgas
im Wärmeaustauscher 7.
Am Ausgang des Wärmeaustauschers 7 wird der erste Teüstrom mit einem weiteren Gasstrom zusammengeführt. Dieser Gasstrom wird in einem Kompressor 12 auf einen zwischen dem Druck des Hochdruckgases und dem Zwischendruck des gedrosselten Hochdruckgases liegenden Druck verdichtet, nach Abführung der Kompressionswärme in
einem Kühler 13 durch den Wärmeaustauscher 4 ge- weiter gekühlt und schließlich in einer Expansionsturbine 45 auf einen Druck entspannt, der etwas unterhalb des Verflüssigungsdruckes im Behälter 18 liegt. Das aus dem Behälter 18 stammende Gas wird in den Wärmeaustauschern 16 und 43 bis auf nahezu die Vorkühltemperatur ΓνΙ des Hochdruckgases erwärmt, sodann mit dem in der Expansionsturbine 45 entspannten Gas vereinigt und durch die Wärmeaustauscher 42, 41 und 40, worin es sich weiter bis
spannt. Nachdem nun die sich auf den ersten Teil- 6o auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt, vom Komstrom beziehenden Verfahrensschritte beschrieben pressor 1 angesaugt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die von dei Vorkühltemperatur Tvl bis zur Umgebungstemperatur aufzubringende Kälteleistung im wesentlichen durch arbeitsleistende Entspannung des ersten Teilstromes erzeugt.
. Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 betrifft eine Variante Ausführungsform zu F i g. 2 be-
austauschern 40, 41 und 42 auf die Vorkühltemperatur .Tvi abgekühlt, sodann durch Wärmeaustausch mit dem ersten Teilstrom in einem Wärmeaustauscher 43 weiter abgekühlt und dann in dem Drosselventil 11 auf einen Zwischendruck entspannt. Der erste Teilstrom wird durch die Wärmeaustauscher 43, 42 und 41 zurückgeführt, dabei erwärmt und sodann in einer Expansionsturbine 44 entspannt. Das sich hierbei abkühlende Gas wird im Wärmeaustauscher 41
führt, in welchem er sich abkühlt, sodann in einer Expansionsturbine 14 entspannt, und schließlich in dem Wärmeaustauscher 6 weiter bis auf nahezu die Temperatur des ersten Teilstromes an der Stelle der Zusammenführung abgekühlt und mit dem ersten Teilstrom vereinigt. Die zusammengeführte Gasmenge wird sodann in einer Expansionsturbine 15 auf nahezu den Verflüssigungsdruck des Gases entworden sind, seien im folgenden die sich auf den nach der ersten Drosselung abgezweigten zweiten Teilstrom beziehenden Verfahrensschritte beschrieben.
Dieser zweite Teilstrom tritt mit einer Vorkühltemperatur ΓνΙΙ in einen Wärmeaustauscher 16 ein, in welchem er sich weiter abkühlt. Sodann wird er
züglich der Erzeugung der Kälteleistung oberhalb der Vorkühlungstemperatur Tvl. Die vier vor der ersten Drosselung des Hochdruckgases liegenden Wärmeaustauscher sind in Übereinstimmung mit Fig. 2 ebenfalls mit den Bezugsziffern 40 bis 43 versehen. Abweichend von dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird im vorliegenden Fall die oberhalb der Vorkühltemperatur TVI bis zur Umgebungstemperatur aufzubringende Kälteleistung durch arbeitsleistende Entspannung eines Teiles des im Kompressor 1 verdichteten Hochdruckgases erzeugt. Und zwar wird ein Anteil des bereits im Wärmeaustauscher 40 unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlten Hochdruckgases abgezweigt, in einer Expansionsturbine 46 auf etwa den Zwischendruck des ersten Teilstromes entspannt, im Wärmeaustauscher 41 auf nahezu die Temperatur des den Wärmeaustauscher 42 verlassenden ersten Teilstromes abgekühlt und mit diesem vereinigt. Das Gas wird sodann in einer Expansionsturbine 47 auf nahezu den Ver- so flüssigungsdruck des Hochdruckgases im Behälter 18 entspannt und mit aus dem Behälter 18 stammendem Gas, nachdem dieses in den Wärmeaustauschern 16 und 43 auf nahezu die Vorkühltemperatur Tvl erwärmt worden ist, zusammengeführt und von dem Kompressor 1 wieder angesaugt, nachdem es in den Wärmeaustauschern 42, 41 und 40 auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt worden ist.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verflüssigung von Helium, welches auf überkritischen Druck verdichtet, durch Wärmeaustausch bis unterhalb seiner Inversionstemperatur gekühlt, in einer ersten Stufe auf einen Zwischendruck drosselentspannt, nach weiterer Abkühlung durch Wärmeaustausch in einer zweiten Stufe auf den Verflüssigungsdruck drosselentspannt und teilweise verflüssigt wird, wobei von dem gekühlten Druckhelium vor der Drosselentspannung ein Teilstrom abgezweigt, arbeitsleistend auf Verflüssigungsdruck entspannt, zusammen mit wieder verdampftem Helium im Wärmeaustausch mit dem Heliumgas etwa auf Umgebungstemperatur erwärmt und erneut verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung des arbeitsleistend zu entspannenden Teilstromes nach der Drosselung auf den Zwischendruck erfolgt und der Teilstrom vor der arbeitsleistenden Entspannung durch Wärmeaustausch mit dem Druckhelium erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom stufenweise arbeitsleistend entspannt und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen durch Wärmeaustausch gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem Teilstrom ein weiterer Strom Heliumgas arbeitsleistend entspannt wird, welcher von einem größeren Druck auf den Zwischendruck arbeitsleistend entspannt und durch Wärmeaustausch und die arbeitsleistende Entspannung etwa bis auf die Temperatur gekühlt worden ist, welche der Teilstrom nach Wärmeaustausch mit dem Druckhelium aufweist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1036 282;
USA.-Patentschrift Nr. 3 094 390;
»Technische Rundschau Sulzer«, 3/1963, S. 121 bis 125;
»Handbuch der Kältetechnik«, 8. Band, S. 91.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 747/179 1.68 © Bundesdruckerei Berlin
DES91046A 1964-04-29 1964-05-13 Verfahren zur Verfluessigung von Helium Pending DE1259914B (de)

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