DE19755484A1

DE19755484A1 - Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE19755484A1
Application number: DE1997155484
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Alexeev
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1997-12-13
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 1999-06-17

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Temperaturen im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin werden beispielsweise für die Ein satzgebiete der Hochtemperatur-Supraleitung benötigt.

Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um im Temperaturbereich unterhalb von 77,4 Kelvin Kälte zu erzeugen. Eine Möglichkeit besteht darin, unterhalb des Atmosphären druckes flüssigen Stickstoff (N₂) verdampfen zu lassen. Dieser diskontinuierliche, aber relativ ökonomische Verschleißprozeß zur Erzeugung tiefer Temperaturen soll anhand des Fließbildes in Fig. 2 erläutert werden.

Der flüssige Stickstoff mit einer Normalsiedetemperatur von 77,4 K befindet sich in einem Kryostat 2 und siedet unter Aufnahme der Kälteleistung ₀. Der entstehende Dampf wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe 1 abgepumpt, so daß der Dampfdruck im Kryostat 2 kleiner als der Atmosphärendruck ist. Die erreichbare Kühltemperatur ist von der Siedetemperatur des Stick stoffs abhängig und diese wird durch den Dampfdruck bestimmt.

Die untere Einsatzgrenze dieses Verfahrens ist durch die Erstarrungs- bzw. Tripeltemperatur T_tr, des Stickstoffs gegeben und bestimmt dadurch nachteilig die minimale erreichbare Kühltem peratur T₀ von T₀ < T_tr = 63,3 K.

Eine Modifikation des vorangehend beschriebenen Verschleißprozesses stellt folgender Prozeß dar, mit welchem Temperaturen unterhalb von 63,3 K erreicht werden können. An Stelle des Stickstoffs werden dazu Gemische aus Stickstoff N₂ und Sauerstoff O₂, als Kältemittel verwen det. Der Tripelpunkt T_tr dieser Gemische liegt unter dem Tripelpunkt des Stickstoffs. So friert z. B. eine eutektische Mischung von Stickstoff N₂ (22%) und Sauerstoff O₂ (78%) erst bei der Temperatur T_tr=50,1 K aus. Dieser Effekt wird in Ruhemann, B., Ruhemann, M., Low Tem perature Physics, Cambridge University Press, UK, (1937), 98-101 beschrieben.

Die Gemische verhalten sich dabei anders als reine Stoffe. Wie bekannt unterscheiden sich Dampf und Flüssigkeitszusammensetzung eines nichtazeotropes Gemisches in zweiphasigem Zustand so, daß der Anteil der tiefsiedenden Komponente im Dampf höher ist als ihr Anteil in der Gesamtzusammensetzung und dieser wiederum höher ist als der Anteil der tiefersiedenden Komponente in der Flüssigkeit.

So ist z. B. bei einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch (N₂-O₂-Gemisch) die Konzentration des Stickstoffs im Dampf größer als seine Gesamtkonzentration.

Das ist darauf zurückzuführen, daß beim Abpumpen des Dampfgemischs ein größerer Anteil der tiefsiedenden Komponente abgesaugt wird und sich somit die Gesamtzusammensetzung des Gemisches zu Gunsten der hochsiedenden Komponente verschiebt.

Deshalb verschiebt sich beim Abpumpen eines zweiphasigen N₂-O₂-Gemisches die Gesamtzu sammensetzung des Kältemittelgemischs zu Gunsten des Sauerstoffs.

Die Erstarrungstemperatur eines Gemischs hängt aber von der Gemischzusammensetzung ab. Verschiebt sich die Sauerstoff Konzentration des Sauerstoff-Stickstoff-Gemisches von 78% zu 85%, so nimmt die Erstarrungstemperatur des Gemisches von 50,1 K bis auf 52,3 K zu. Bei einer zu starken Verschiebung der Gemischzusammensetzung kann die gewünschte Kühltem peratur nicht mehr erreicht werden. Es muß ab einem bestimmten Konzentrationsverhältnis das Kühlverfahren unterbrochen und das Kältemittelgemisch gewechselt werden.

Die Anwendung des beschriebenen Verschleißprozesses ist in zweierlei Hinsicht problematisch. Zum einen ist es sehr schwierig eine stabile Kühltemperatur zu erreichen und über einen länge ren Zeitraum konstant zu halten, und zum anderen ist die diskontinuierliche Betriebsweise des Prozesses ungünstig.

Tiefe Temperaturen im bezeichneten Temperaturbereich werden im Unterschied zu vorgenann tem Verschleißprozeß beim Joule-Thomson-Verfahren kontinuierlich erreicht. Dazu können ebenfalls Kältemittelgemische eingesetzt werden. Diese Kältemittelgemische sind jedoch nicht aus tiefsiedenden Gasen zusammengesetzt. Gebräuchliche Zusammensetzungen von Kältemit telgemischen sind in Jungnickel, H., Agsten, R., Kraus, W. E., Grundlagen der Kältetechnik, 3. Auflage, Berlin, Verlag Technik GmbH, 1990, Seite 73 Tafel 3.13.) beschrieben.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil des Joule-Thomson-Verfahrens besteht darin, daß das Käl temittel auf hohe Drücke verdichtet werden muß. Daraus ergeben sich erhöhte Anforderungen an die Verdichter und es besteht ein hoher Leistungsbedarf zum Antrieb der Verdichter.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 Kelvin konti nuierlich Kälte zu erzeugen und dabei die gewünschte Kühltemperatur konstant zu halten.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den selbständigen Patentansprüchen an gegeben, Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Konzeption der Erfindung geht dabei vom Einsatz eines Kältemittelgemischs und von der Realisierung eines Kreislaufes für die Erzeugung der tiefen Temperaturen aus. Es wurde gefun den, daß das Dampfgemisch aus dem Verdampfer zur Erzeugung tiefer Temperaturen in einem Verdichter von weniger als 1 bar Absolutdruck auf einen höheren Druck verdichtet werden kann. Das Druckverhältnis des Verdichters ist dabei sehr hoch, wobei der Absolutdruck auf der Druckseite des Verdichters aber noch unterhalb des Umgebungsdrucks liegen kann. Anschlie ßend wird das verdichtete Dampfgemisch in einem Vorkühler vorgekühlt. Dabei ist entschei dend, daß die Vorkühlung das Kältemittelgemisch bereits auf tiefe Temperaturen abkühlt. Nach der Vorkühlung befindet sich das Kältemittelgemisch bereits in einem völlig oder teilwei se verflüssigten Zustand. Der Kältemittelgemischkreislauf schließt sich, indem das Kältemittel gemisch in einem Drosselorgan entspannt wird und anschließend im Verdampfer bei der ge wünschten Verdampfungstemperatur kontinuierlich verdampft.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Gesamtzusammensetzung des Kältemittelgemischs im Kryostat im wesentlichen konstant ist. Durch die Kreislaufführung des Kältemittelgemischs wird der konventionell angewandte Verschleißprozeß abgelöst und der Prozeß kann kontinuierlich durchgeführt werden. Es wird damit möglich, tiefe Temperatu ren im Bereich von 50,1 bis 63 K kontinuierlich und stabil zu erzeugen.

Besonders hervorzuheben ist, daß bei diesem Verfahren im Unterschied zum Joule-Thomson-Ver fahren bei wesentlich geringeren Betriebsdrücken Kälte erzeugt werden kann. Deshalb kön nen für das beschriebene Verfahren herkömmliche, auch ölfrei arbeitende Vakuumpumpen ein gesetzt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnun gen. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches

Fig. 2 schematische Darstellung eines bewährten Verfahrens mit dem Evakuieren des flüssigen Stickstoffes

Fig. 3 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit durch flossenem Verdampfer und Verdichtung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches

Fig. 4 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches mit Unterküh ler

Fig. 5 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches Gegenstrom wärmeübertrager

Fig. 6 schematische Darstellung eines kontinuierlichen Kälteerzeugungsprozesses mit Verdich tung, Vorkühlung und Entspannung des Stickstoff Sauerstoff Gemisches mit Gegen stromwärmeübertrager und Unterkühler

Fig. 7 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit Vorwärmung des abge saugten kalten Kältemittelgemischdampfes bis auf Umgebungstemperatur und Verdich tung bei Umgebungstemperatur

Fig. 8 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit Vermischung des abge saugten Kältemittelgemischdampfes mit dem vorentspannten warmen Teilstrom aus dem Verdichter und Verdichtung bei Umgebungstemperatur

Fig. 9 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit Vorkomprimierung des abgesaugten kalten Kältemittelgemischdampfes in einem Injektor mit Hilfe des vorent spannten warmen Teilstroms aus dem Verdichter und Verdichtung bei Umgebungstem peratur

Fig. 10 schematische Darstellung einer Verdichtungseinrichtung mit der Vorkomprimierung des abgesaugten kalten Kältemittelgemischdampfes in mehreren Injektoren mit Hilfe des warmen Teilstroms aus dem Verdichter und Verdichtung bei Umgebungstemperatur.

In Fig. 1 ist ein Kältemittelgemischkreislauf dargestellt, in welchem ein N₂-O₂-Gemisch aus dem Kryostat 2 bei einem Druck von weniger als Umgebungsdruck abgezogen wird. Dieses Gemisch wird in einem ölfreien Verdichter 1 verdichtet. Dazu wird ein ölfreier Kolbenverdich ter oder ein ölfreier Membranverdichter eingesetzt. Der Verdichter 1 zeichnet sich durch eine geringe Druckerhöhung p des Dampfgemisches aber ein hohes Druckverhältnis aus. An schließend wird das Dampfgemisch in einem Vorkühler 3 bis auf die Temperatur T_vor vor gekühlt. Zur Vorkühlung wird im beschriebenen Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff N₂ verwendet. Dabei wird das Kältemittelgemisch völlig- oder teilweise verflüssigt. Das Kältemit telgemisch wird danach in einem Drosselorgan 4 auf den Verdampfungsdruck entspannt und dem Kryostat 2 wieder zurückgeführt. Damit ist der Kreislauf geschlossen und das Kältemittel gemisch verdampft unter Wärmeaufnahme und die Kälteleistung bei dem gewünschten Tempe raturniveau wird kontinuierlich erzeugt.

Vorteilhaft ist die Ausführung des Kältemittelgemischkreislaufes mit einem Verdampfer 5 an stelle des Kryostaten 2, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Dies ermöglicht, das System kompakter zu gestalten. Außerdem wird das Kältemittelgemisch im Verdampfer 5 besser vermischt, so daß sich keine störende Temperaturverteilung ausbildet.

In Fig. 4 ist eine Weiterentwicklung des Kreislaufes mit einem Unterkühler 6 dargestellt. Das kalte aus dem Verdampfer 5 austretende Kältemitteldampfgemisch kühlt im Gegenstrom das vorgekühlte teil- bzw. vollständig verflüssigte Kältemittelgemisch nach dem Austritt aus dem Vorkühler 3 und vor dem Eintritt in das Drosselorgan 4.

In dem in Fig. 5 dargestellten Kreislauf durchläuft das Kältemittelgemisch vor und nach der Verdichtungseinrichtung 1 einen Gegenstromwärmeübertrager 7. Der Hochdruckstrom durch läuft dann den Wärmeübertrager 3 zum Vorkühlen und wird anschließend im Drosselorgan 4 entspannt. Der im Verdampfer 5 entstehende Kältemitteldampf tritt in den Gegenstromwärme übertrager 7 ein und der Kreislauf wird geschlossen.

Vorteilhaft ist die Erweiterung des Kreislaufes aus Fig. 4 um einen Gegenstromwärmeüber trager 6. Dieser Kreislauf ist in Fig. 6 dargestellt und kombiniert die Kreisläufe von Fig. 5 und Fig. 4.

Die Verdichtungseinrichtung kann in Form einer Vakuumpumpe 8 mit einem vorgeschalteten Erhitzer 9, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, realisiert werden. Der ankommende kalte Dampf wird dabei im Erhitzer 9 bis auf Umgebungstemperatur erwärmt und kann danach in einer kon ventionellen Vakuumpumpe 8, z. B. eine Membranvakuumpumpe, verdichtet werden. Die Vor wärmung des kalten Kältemittelgemisches ist für den Einfrierschutz der Vakuumpumpe 8 er forderlich, weil die verfügbaren Verdichter meist nicht den mit diesem Kreislauf erreichten Verdampfungstemperaturen standhalten.

Das Problem zu tiefer Temperaturen des Dampfgemischs für die Vakuumpumpe 8 kann auch dadurch gelöst werden, daß ein Teil des Hochdruckstromes im Bypass geführt wird und mit der Saugseite des Verdichters gekoppelt wird. Eine Kombination aus einer Vakuumpumpe 8 mit einem Bypass 10 mit Bypassventil 10a, wie in Fig. 8 dargestellt. So wird in diesem Fall der aus dem Verdampfer 5 kommende kalte Kältemitteldampf mit dem gedrosselten warmen Gas gemischt und dadurch erwärmt. Zur Verdichtung kann in diesem Falle eine konventionelle öl freie Vakuumpumpe 8 verwendet werden, z. B. eine Membranvakuumpumpe.

Die Energie des Bypass-Stromes kann man sinnvoll nutzen, indem nicht in einem Ventil, son dern in einem Injektor 11 entspannt wird. Wie in Fig. 9 dargestellt, wird damit der kalte Strom aus dem Verdampfer 5 im Injektor 11 vorkomprimiert, wodurch die Nachkomprimierung des Kältemittelgemischgases in der Vakuumpumpe 8 erleichtert ist. Auf diese Weise läßt sich das benötigte Druckverhältnis in der Vakuumpumpe 8 verringern.

Die Entspannung des Bypass-Stromes kann auch, wie in Fig. 10 dargestellt, in mehreren Injek toren 11 realisiert werden. Damit kann man den kalten Strom aus dem Verdampfer 5 auf einen höheren Druck verdichten.

Bezugszeichenliste

1

Verdichter

3

Kryostat

3

Vorkühler

4

Drosselorgan

5

Verdampfer

6

Unterkühler

7

Gegenstromwärmeübertrager

8

Vakuumpumpe

9

Erhitzer

10

Bypass

10

aBypassventil

11

Injektor

Claims

1. Verfahren zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 K mit einem Kälte mittelgemisch aus den tiefsiedenden Gasen Sauerstoff und Stickstoff, wobei der molare Anteil des Stickstoffs 20 bis 24% beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kältemittelgemisch unterhalb des Atmosphärendruckes in einem Kreislauf verdampft, anschließend verdichtet, vorgekühlt und entspannt wird, wobei die Vorküh lung des Kältemittelgemischs bis auf Temperaturen unterhalb 100 K stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkühlung eine tiefsiedende Flüssigkeit eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkühlung flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete und vorgekühlte Kältemittelgemisch von aus dem Verdampfer (5) kom menden kalten Kältemitteldampf abgekühlt und anschließend der Drosselung unterwor fen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittelgemisch von aus dem Verdampfer (5) kommenden kalten Käl temitteldampf abgekühlt und anschließend der Vorkühlung und Drosselung unterworfen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kältemittelgemisch von kaltem Kältemitteldampf abgekühlt und anschlie ßend der Vorkühlung unterworfen wird und das danach das vorgekühlte Kältemittelge misch vor der Drosselung von aus dem Verdampfer kommenden kalten Kältemitteldampf gekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemitteldampf vor der Verdichtung vorgewärmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des verdichteten Kältemittelgemischs nach der Verdichtung im By pass geführt und entspannt wird und vor der Verdichtung mit dem Kältemitteldampf aus dem Kreislauf vereinigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des Bypassstromes mit einer Vorverdichtung des Kältemitteldampfes durch einen Injektor (11) gekoppelt wird und anschließend Bypassstrom und Kältemittel dampfstrom gemeinsam verdichtet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung von mehreren Bypassströmen mit der stufenweisen Verdichtung des Kältemitteldampfes in mehreren Injektoren (11) gekoppelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelgemisch aus Stickstoff und Sauerstoff und zusätzlich mindestens einem der Gase Neon, Wasserstoff oder Helium besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkonzentration der Gase Neon, Wasserstoff und Helium im Gemisch kleiner oder gleich 25 mol % ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkonzentration der Gase Neon, Wasserstoff und Helium im Gemisch kleiner oder gleich 10 mol % ist.

14. Vorrichtung zur Kälteerzeugung im Temperaturbereich von 50,1 bis 63 K mit einem Käl temittelgemisch zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdichter (1), ein Vorkühler (3), ein Drosselorgan (4) und ein Kryostat (2) in dieser Reihenfolge zu einem Kreislauf verbunden sind, in welchem ein Kältemittelgemisch zir kuliert, wobei der Verdichter (1) den Kältemittelgemischdampf unterhalb des Atmosphä rendrucks ansaugt und die Vorkühlung bei Temperaturen unterhalb 100 K stattfindet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Kryostaten (2) im Kreislauf ein Verdampfer (5) eingesetzt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach An spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite des Unterkühlers (6) zwischen dem Vorkühler (3) und dem Drosselorgan (4) eingebunden ist und das der Ausgang aus dem Verdampfer (5) oder dem Kryostaten (2) mit der anderen Seite des Unterkühlers (6) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15 zur Durchführung eines Verfahrens nach An spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstromwärmeübertrager (7) mit der Hochdruckseite des Verdichters (1) und dem Vorkühler (3) verbunden ist und das der Ausgang aus dem Verdampfer (5) oder dem Kryostaten (2) mit der anderen Seite des Gegenstromwärmeübertragers (7) verbun den ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 17 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstromwärmeübertrager (7) und der Unterkühler (6) in den Kältemittelgemisch kreislauf eingebunden sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Saugseite der Vakuumpumpe (8) ein Erhitzer (9) angeordnet ist und den Kälte mittelgemischdampf erwärmt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 19 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kältemittelgemischs in einem Bypass (10) zur Vakuumpumpe (8) geführt wird und dazu von der Druckleitung der Vakuumpumpe (8) ein Bypass (10) mit einem Bypassventil (10a) abzweigt und das dieser Bypass (10) mit der Saugseite der Vakuum pumpe (8) verbunden ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 20 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Injektor (11) den Bypass-Strom entspannt und den Kältemittelgemischdampf aus dem Kreislauf vorverdichtet und dazu mit der Saugseite der Vakuumpumpe (8) verbunden ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Injektoren (11) mit mehreren Bypässen (10) den Kältemittelgemischdampf aus dem Kreislauf in mehreren Stufen vorverdichteten und mit der Saugseite der Vakuum pumpe (8) verbunden sind.

23. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zur Vorkühlung des Kältemittelgemischs eine Kältemaschine eingesetzt wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkühlung eine Joule-Thomson-Kältemaschine eingesetzt wird.