DE2151806A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verfluessigung eines Kaeltemittels - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verfluessigung eines Kaeltemittels

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Description

eines Kältemittels
Die Erfindung bezieht sich auf die Verflüssigung von Gasen und insbesondere auf die Verflüssigung von Kältemitteln, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Helium.
Die Verflüssigung von Kältemitteln und insbesondere diejenige von Helium wird heute in einem großen Maßstab durchgeführt, um eine Kühlung für eine große Anzahl von Anlagen durchführen zu können, wie beispielsweise von supraleitenden Magneten, supraleitenden Hohlräumen und dergleichen.
Obwohl es verschiedene bekannte Arbeitszyklen zur Verflüssigung von Helium und eine Anzahl von Maschinen gibt, die diese Arbeitszyklen durchführen können, wird hauptsächlich die Arbeitsweise verwendet, die in der US-Patentschrift 2 458 894 beschrieben wird. Verbesserungen der dort beschriebenen JPieftem-" peraturkältemaschine werden in den US-Patentschriften 3 250 und 3 438 220 beschrieben. Die zuletzt genannte Patentschrift bezieht sich insbesondere auf eine neue Form der Expansione-
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stufe.
Bei dem Grundarbeitszyklus nach der US-Patentschrift 2 458 wird ein Strom von Hochdruckhelium vorgekühlt, und zwar durch einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Gegenstrom von kaltem Niederdruckhelium, wobei eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Inversionstemperatur des Heliums erfolgt. Die Verflüssigung erfolgt dann mittels einer isenthalpischen Expansion oder mittels mehrerer isenthalpischer Expansionen in einem oder mehreren Joule-Thomson-Ventilen. Der kalte Niederdruckstrom wird teilweise aus dem Hochdruckmedium abgeleitet, welches an Stellen von zwei Temperaturpegeln abgezogen wird und einer isentropischen Expansion unterworfen und dann in den Niederdruckstrom eingeführt wird.
Die Verflüssigung des Heliums mit dem in der US-Patentschrift 2 458 894 beschriebenen Verfahren und mit der in dieser Patentschrift beschriebenen Maschine macht ein Wärmeaustauschsystem mit hohem Wirkungsgrad erforderlich, um das Hochdruckhelium auf eine Temperatur unterhalb seiner Inversionstemperatur (300K) abzukühlen. Es ist ferner schwierig, eine vollständige Verflüssigung des Heliums durch eine isenthalpische Expansion im Joule-Thomson-Expansionsventil zu erhalten. Es wurde nun gefunden, dass es durch einen Austausch des Joule-Thomson-Expansionsventiles oder der Joule-Thomson-Expansionsventile in einem Helium-Verflüssiger der beschriebenen Art durch eine relativ langsame Expansionsmaschine möglich ist, die Menge des verflüssigten Heliums um mehr als 30 $ zu erhöhen.
Es ist deshalb ein Hauptziel der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Verflüssigung von Helium unter Verwendung von Expansionsmaschinen zu schaffen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der beschriebenen Art zu schaffen, die es ermöglicht, einen größeren Prozentsatz eines Stromes von vorgekühltem Hochdruckhelium zu verflüssigen.
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Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, einen verbesserten Arbeitszyklus zur Verflüssigung von vorgekühltem Hochdruckhelium. zu schaffen, und zwar dadurch, daß man die isenthalpische Expansion durch eine isentropische Expansion ersetzt.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verflüssigung von verhältnismäßig großen Mengen eines Kältemittels, insbesondere Helium. Nachdem das Hochdruckmedium durch einen indirekten Wärmeaustausch mit einem kalten Niederdruckstrom gekühlt wurde, wird dieses isentropisch in einer Expansionsmaschine expandiert. Die Verflüssigungsrate kann um mehr als 30 c/> dadurch erhöht werden, daß man anstelle einer üblichen isenthalpischen Expansion eine isentropische Expansion vornimmt.
Die Erfindung umfaßt die verschiedenen Stufen und die Beziehung einer oder mehrerer solcher Stufen zu jeder der anderen, und die Vorrichtung umfaßt die Merkmale der Konstruktion und der Kombination von Elementen und der Anordnung von Teilen.
Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden.
Es zeigen:
Pig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung, mit der der erfindungsgemäße Arbeitszyklus durchgeführt werden kann, und
Mg. 2 bis 6 vereinfachte schematische Ansichten von vier weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
Im folgenden soll im einzelnen der erfindungsgemäße Arbeitszyklus und die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Verflüssigung von Helium beschrieben werden. Es sei bemerkt, daß der Arbeitszyklus und die Vorrichtung jedoch auch geeignet sind, um andere Kältemittel, wie insbesondere Wasser-
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stoff, zu verflüssigen. Me Zeichnungen sind lediglich schema·*- tische Darstellungen, und es sei bemerkt, daß verschiedene Typen von Wärmeaustauschern, Expansionsmaschinen und Arbeitsabsorptionseinrichtungen verwendet werden können.
In der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird Hochdruckhelium aus dem Kompressor 10 in einem Nachkühler 11 gekühlt und dann in zwei Ströme aufgeteilt, und zwar in einen ersten Haupthochdruckstrom 12 und in einen zweiten Nebenhochdruckstrom 13. Der erste Strom 12 wird in die Hochdruckseite 14a eines ersten Abschnittes 15 des Hauptwärmeaustauschers 16 eingeführt. Der Hauptwärmeaustauscher 16 ist so aufgebaut, daß mit hohem Wirkungsgrad ein indirekter Wärmeaustausch zwischen dem Hochdruckstrom, der die Hochdruckseite 14 bildet, und dem Niederdruckstrom, der die Niederdruckseite 17 bildet, durchgeführt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform für einen derartigen Wärmeaustauscher wird in der US-Patentschrift 2 895 303 beschrieben. Dieser Wärmeaustauscher weist einen Kanal auf, in dem ein mit Rippen versehenes Rohr schlangenförmig angeordnet ist. Die Rippen des Rohres haben einen Durchmesser, der im wesentlichen gleich der Breite des kreisförmigen Kanals ist. Der erste oder Hochdruckströmungsweg 14 ist vorzugsweise der Kanal innerhalb des mit Rippen versehenen Rohres, während der zweite oder Niederdruckströmungsweg 17 der Kanal ist, der innerhalb des besagten Kanales um dieses mit Rippen versehene Rohr herum angeordnet ist. Der Innenraum eines derartigen Wärmeaustauschers wird verwendet, um Holzkohlenfallen und Expansionsmaschinen anzuordnen.
Es sei nun wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Der zweite Nebenhochdruckstrom 13 wird durch eine Seite eines Stickstoff-Vorkühlung swärme aus tausche rs 18 hindurchgeführt, in dem ein indirekter Wärmeaustausch mit flüssigem Stickstoff erfolgt, der in die andere Seite des Wärmeaustauschers 18 durch die Leitung 19 eingeführt und als gasförmiger Stickstoff über die Leitung 20 abgezogen wird. Das durch den flüssigen Stickstoff gekühlte Hochdruckhelium im Strom 13 wird dann mit dem gekühlten Hoch-
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druckhelium des Stromes 12 gemischt, ehe ein einziger vorgekühlter Strom 21 gebildet wird, der in die eine Portsetzung der Hochdruckseite Ha bildende Hochdruckseite 14 des ersten Absohnittes 15 des Hauptwärmeaustauschers 16 eingeführt wird. Bei dem Temperaturpegel, bei welchem das Hochdruckhelium in den zweiten Abschnitt 22 des Hauptwärmeaustauschers 16 eingeführt wird, wird ein Teil des vorgekühlten Hochdruckheliums mittels einer Leitung 23 abgezweigt, in der eine Holzkohlenfalle 24 angeordnet ist, und diese Leitung führt zu einer ersten Expansionsmaschine 25, aus der nach einer Expansion und Abkühlung das Medium über eine Leitung 26 in die Niederdruckseite 17 des Hauptwärmeaustauschers geführt wird.
In ähnlicher Weise wird ein zweiter Teil des Hochdruckheliums bei einem zweiten tieferen Temperaturpegel abgezweigt, und zwar an der Kopfseite des dritten Abschnittes 30 des Hauptwärmeaustauschers. Dieses Medium wird von der Leitung 31 aufgenommen, in der eine Holzkohlenfalle 32 angeordnet ist, und das Medium wird in eine zweite Expansionsmaschine 33 geführt, aus ■ der dieses Medium über die Leitung 34 in die Niederdruckseite 17 des Wärmeaustauschers zurückgeführt wird, und zwar etwa an der Stelle des niedrigsten Temperaturpegels dieses Wärmeaustauschers.
Unter dem Hauptwärmeaustauscher 16 ist ein zweiter Wärmeaustauscher 40 angeordnet, der derart ausgebildet ist, daß dieser die Endstufe der Vorkühlung des Hochdruckmediums kurz vor dessen Verflüssigung durchführt. Die Kälteleistung für diesen Zweck wird von dem Helium zugeführt, welches aus dem verflüssigten Helium heraussiedet, und von dem nicht verflüssigten Teil des Stromes, der durch die Maschine hindurch strömt und der durch den Niederdruckströmungsweg 17 zurückgeführt wird. Der Wärmeaustauscher 40 weist vorzugsweise schlangenförmig angeordnete konzentrische Rohre auf, wobei der Hochdruckstrom innerhalb dee inneren Rohres verläuft und der Niederdruckstrom im Ringraum um dieses Rohr herum.
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Das endgültig vorgekühlte Hochdruckhelium wird dann durch eine Pufferkammer 41 hindurch geführt und durch eine Expansions-
\ Verflüssigungsmaschine 42. Das verflüssigte Helium wird in einem Behälter 43 gesammelt, in welchem es zur Kühlung einer Last gespeichert werden kann, wobei diese last schematisch "bei 44 dargestellt ist und innerhalb des Kryostaten angeordnet ist. Alternativ kann das flüssige Helium über eine Abzugsleitung 45 abgezogen werden.
Da die Strömung des vorgekühlten Hochdruckmediums durch die Ex- ! pansionsmaschine 42 periodisch ist, ist es vorteilhaft, die Pufferkammer 41 in der Hochdruckströmungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher 40 und der Expansions-Verflüssigungsmaschine 42 anzuordnen, um einen abgeglichenen und wirlcungsvollen Wärmeaustausch zwischen den Hochdruck- und Niederdruckströmen in den Wärmeaustauschern zu erreichen. Es ist ebenfalls vorteilhaft, eine vergleichbare Pufferkammer 46 in der Niederdruckseite aus dem gleichen Grund anzuordnen.
Die Expansionsmaschinen, die bei dieser Anlage verwendet werden können, sind derart aufgebaut, daß diese Energie einem Druckmittel entnehmen können, um eine isentropische Expansion des Druckmittels durchzuführen und um mechanische Energie gewissen außen angeordneten Arbeitsabsorptionseinrichtungen zuzuführen. Expansionsmaschinen, die für die erfindungsgemäße Anlage geeignet sind, sind beispielsweise in den US-Patentschriften 2 607 322 und 3 428 220 beschrieben. Im allgemeinen sind derartige Expansionsmaschinen Maschinen mit verhältnismäßig geringen Drehzahlen. Derartige Maschinen sind Kolbenmaschinen, die 60 bis 100 Hubbewegungen pro Minute durchführen. In Fig. 1 sind mechanische Verbindungen 50, 51 und 52 zwischen den Expansionsmaschinen 25, 33 und 42 und einer Arbeitsabsorptionseinrichtung 53 dargestellt. Diese Einrichtung 53 kann eine Kurbelwelle sein, die mit Antriebseinrichtungen und Schieberbetätigungseinrichtungen verbunden ist, welche den Expansionsmaschinen zugeordnet sind, wie es in der US-Patentschrift 3 438 220 beschrieben wird. Eine andere neuartige Arbeitsabsorptionseinrichtung, die
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- 7 verwendet werden kann, ist eine hydraulisch-mechanische Anlage.
Es ist klar, daß es erforderlich ist, eine entsprechende thermische Isolierung um die Wärmeaustauscher und um die Expansionsmaschine herum vorzusehen, wie es bei 55 schematisch angedeutet ist. Eine derartige Isolierung weist eine gekühlte Strahlungsabschirmung und evakuierte Kammern auf. Eine derartige Isolierung ist an sich bekannt.
Die Pig. 2 bis 5 zeigen abgeänderte Ausführungsformen der Art und "Teise, wie das Hochdruckmedium vor"seiner Einleitung in die ä Expansionsverflüssigungsmaschine vorgekühlt wird.
In den Fig. 2 bis 5 sind die Hilfsaggregate, wie beispielsweise der Kompressor, der Nachkühler und die Arbeitsabsorptionseinrichtung, sowie die Holzkohlenfallen, die Isolation und dergleichen zur Vereinfachung der Darstellung fortgelassen. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Bauteile integrale Teile dieser Vorrichtung sind, und zwar in gleicher Weise, wie es in Pig. 1 dargestellt ist.
Bei der in Pig. 2 dargestellten Vorrichtung ist die Hochdruckheliumspeiseleitung 12 verzweigt, so daß ein Teil des eintretenden Hochdruckheliums nach unten durch die Hochdruckseite H hindurchgeführt wird, während ein anderer Teil des eintretenden Hochdruckheliums in eine Leitung 60 eingeführt wird, welche zu einer Seite des mit flüssigem Stickstoff arbeitenden Y/ärme aus tauschers 18 führt. Das Medium, welches in dem mit flüssigem Stickstoff arbeitenden Wärmeaustauscher gekühlt wird, wird dann einer Expansionsmaschine 61 zugeführt und nach der Expansion und Abkühlung durch die leitung 62 in die Niederdruckseite 17 des Hauptwärmeaustauschers an einer Stelle zugeführt, die näher dem Zimmertemperaturende liegt als bei der Vorrichtung von Pig. 1. Bei der in Pig. 2 dargestellten Vorrichtung nimmt die Expansionsmaschine 61 die Stelle der Expansionsmaschine 25 in Pig. 1 ein. Ansonsten ist die in Pig. 2 dargestellte Vorrichtung im wesentlichen die gleiche wie in
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Pig. 1.
Bei der in Pig. 3 dargestellten Vorrichtung wird der Teil des Hochdruckheliumstromes, der in dem mit flüssigem Stickstoff arbeitenden Wärmeaustauscher 18 gekühlt wird, mit dem Hochdruckhelium in der Hochdruckseite des Wärmeaustauschers 16 gemischt, nachdem dieses durch den ersten Abschnitt 15 des Hauptwärmeaustauschers hindurchgegangen ist. Zwei zusätzliche Abschnitte 65 und 66 sind dem Hauptwärmeaustauscher 16 hinzugefügt worden.
Bei der in Pig. 4 dargestellten Vorrichtung handelt es sich um eine, bei der der Vorrichtung nach Pig. 3 die Expansionsmaschine 61 zugefügt wurde. Die Vorrichtung nach Pig. 4 weist drei Expansionsmaschinen auf, die dem Hauptwärmeaustauscher zugeordnet sind.
Pig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Vorkühlungsmittel. Bei dieser Vorrichtung wird die Vorkühlung durch flüssigen Stickstoff innerhalb des Hauptwärmeaustauschers 16 dadurch erreicht, daß der flüssige Stickstoff in entsprechende Leitungen eingeführt wird, so daß dieser Stickstoff verwendet werden kann, um die Wirkung des Niederdruckheliums beim Kühlen des eintretenden Hochdruckheliums zu verstärken.
Es sei wieder auf Pig. 1 Bezug genommen, und es soll die Betriebsweise ,der Vorrichtung erläutert werden. Das Hochdruckhelium wird in das System bei einem Druck von etwa 15»8 kg/cm eingeführt. Die Temperatur des expandierten Niederdruckmediums, welches die Expansionsmaschine 25 verläßt, liegt bei etwa 400K. Das Hochdruckhelium wird in die Verflüssigungs-Expansionsmaschine 42 mit etwa 70K eingeführt und auf 4,40K bei der Expansion und Verflüssigung abgekühlt. Der Druck des Heliums im Niederdruckströmungsweg beträgt etwa 0,21 kg/cm . Bei der Verwendung eines Arbeitszyklus, der im vorstehenden beschrieben wurde, ist es möglich, etwa 75 $> des Hochdruckheliums, welches
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TfTTBW
in die Verflüssigungs-Expansionsmaschine 42 eingeführt wird, zu verflüssigen.
Bei üblichen Heliumverflüssigern wird der Abschnitt des Wärmeaustauschers zwischen dem niedrigsten Punkt der Vorkühlung und dem Joule-Thomson-Expansionsventil als Joule-Thomson-Wärmeaustauscher bezeichnet. Dies wäre der Wärmeaustauscher 40 in Fig. 1. Damit irgendeine Verflüssigung mittels einer Joule-Thomson-Expansion oder einer isenthalpischen Expansion erfolgen kann, muß die Temperatur des Gases, welches in den Joule-Thomson-Wärmeaustauscher eintritt, unterhalb der Inversionstemperatur des Heliums oder unterhalb von etwa 300K liegen. Beim Erfindungsgegenstand, bei dem anstelle des Joule-Thomson-Expansionsventiles eine Expansionsmaschine verwendet wird, bei der anstelle einer isenthalpischen Expansion eine isentropische Expansion stattfindet, kann die Temperatur des Gases, welches in diesen Wärmeaustauscher eintritt, oberhalb der Inversionstemperatur liegen, und bei Verwendung eines idealen Wärmeaus- , tauschers kann diese Temperatur normale Zimmertemperatur sein. Die Vorkühlung des Hochdruckgasstromes auf die Temperatur von flüssigem' Stickstoff vor dem Eintritt in den Abschnitt, der als Joule-Thomson-Wärmeaustauscher bezeichnet werden kann, ermöglicht eine gewisse Verflüssigung des Heliums durch eine isentropische Expansion, wobei ein Wärmeaustauscher von üblichem Wirkungsgrad verwendet wird. Fig. 6 zeigt ein derartiges mittels flüssigem Stickstoff vorgekühltes System.
Es ist zu erkennen, daß die im vorstehenden aufgeführten Ziele und die in der vorstehenden Beschreibung dargelegten Ziele in wirksamer Weise erreicht werden, und es können gewisse Abänderungen bei der beschriebenen Durchführung des Verfahrens und bei dem beschriebenen Aufbau vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.
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Claims (7)

  1. - ίο -
    Patentansprüche
    My Verfahren zur Verflüssigung eines Kältemittels, insbesondere Helium, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) das Hochdruckhelium durch einen indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel auf eine Temperatur von unter 1000K abgekühlt wird,
    b) das Hochdruckhelium durch einen kontaktfreien Wärmeaustausch mit einem nichtverflüssigten Teil des Niederdruckheliumgases auf eine Temperatur unterhalb 100K abgekühlt wird,
    o) das kalte Hochdruckhelium auf einen ausreichend geringen Druck isentropisch expandiert wird, um wenigstens einen Teil dieses Heliums zu verflüssigen und um mechanische Energie abzugeben, und
    d) der nichtverflüssigte Teil des Niederdruckheliums in kontaktfreiem Wärmeaustausch mit dem Hochdruckhelium zurückgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel teilweise nichtverflüssigtes Mederdruckheliumgas und teilweise flüssiger Stickstoff ist und daß dieses Kältemittel in kontaktfreien Wärmeaustausch mit dem Hochdurckhelium gebracht wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel Slederdruckhelium ist, daß ein Teil dieses Kältemittels verdampftes flüssiges Helium ist und daß ein anderer Teil Helium ist, welches durch eine isentropische Expansion bei einem Temperaturpegel oder bei mehreren Temperaturpegeln gekühlt ist.
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  4. 4. Vorrichtung zur Verflüssigung eines gasförmigen Kältemittels und insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Hochdruckströmungsweg, der in indirektem Wärmeaustausch mit einem Niederdruckströmungsweg steht* und mit Einrichtungen zum Expandieren von Hochdruckmedium, welches aus dem Hochdruckströmungsweg abgezweigt wurde, und mit Einrichtungen, um das hierbei erhaltene abgekühlte Niederdruckmedium in den Niederdruckströmungsweg bei wenigstens einem anderen Temperaturpegel einzuführen, gekennzeichnet durch eine Expansionsmaschine (42), die am kalten Ende des Hochdruckströmungsweges angeordnet ist und die eine isentropieche Expansion des kalten Hochdruckmediums durchführt, um wenigstens einen Teil dieses Mediums zu verflüssigen.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pufferkammer (41) zwischen dem kalten Ende des Hochdruckströmungsweges und der Expansionsmaschine (42) angeordnet ist. '!
  6. 6. Vorrichtung zur Verflüssigung von Helium oder anderen Kältemitteln, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens ! nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch I
    a) einen Hochdruckströmungsweg, j
    b) einen Niederdruckströmungsweg, der so angeordnet ist,
    daß ein Wärmeaustausch zwischen dem Niederdruckmittel i
    in diesem Niederdruckströmungsweg und dem Hochdruckmit- j
    tel in dem Hochdruckströmungsweg durchgeführt werden J kann,
    c) Einrichtungen, mit denen Hochdruckmittel aus dem Hochdruckströmungsweg abgezweigt wird, um dieses abgezweigte Mittel zu expandieren und um das sich ergebende gekühlte Niederdruckmittel in den Niederdruckströmungsweg bei wenigstens einem anderen Temperaturpegel einzuführen,
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    d) eine Pufferkammer, die derart angeordnet ist, daß sie kaltes Hochdruckmedium aufnimmt und speichert, welches ; vom kalten Ende des Hochdruckströmungsweges abgegeben wird,
    e) einen Behälter für das verflüssigte Medium,
    f) eine Expansionsmaschine, die derart ausgebildet und ange- ; ordnet ist, daß sie kaltes Hochdruckmedium aus der Pufferkammer aufnimmt' und dieses isentropisch expandiert, ; wobei mechanische Energie abgegeben wird und wodurch . wenigstens ein Teil des Hochdruckmittels verflüssigt ' wird, wobei wenigstens teilweise verflüssigtes Medium : in den Behälter abgegeben wird, und
    g) Einrichtungen, die eine Verbindung zwischen dem Behälter und dem Niederdruckströmungsweg bilden.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Pufferkammer, die derart angeordnet ist, daß sie einen integralen Bestandteil der Einrichtungen bildet, die eine Verbindung zwischen dem Behälter und dem Niederdrucks trömungsweg herstellen.
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