DE2308301A1 - Verfahren und vorrichtung zur kuehlung eines kuehlobjektes - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur kuehlung eines kuehlobjektesInfo
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Description
230330]
(H 713) H 73/12
La/bd
20.2.1973
Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung eines Kühlobjektes .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines KUhlobjektes mittels eines tiefkalten Kältemittels,
welches aus einem Speicherbehälter unter Förderdruck entnommen, nach Durchströmen des KUhlobjektes entspannt und im Wärmeaustausch
mit dem unter Förderdruck strömenden Kältemittel teilweise verdampft wird.
Es wurde bereits in einer früheren Patentanmeldung (P 23 03 663.7) ein Verfahren zur Kühlung eines KUhlobjektes
mittels eines tiefkalten Kältemittels vorgeschlagen, bei dem das Kältemittel einem ersten Speicherbehälter unter Förderdruck
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entnommen, nach Durchströmen des KUhlobjektes entspannt und im
Wärmeaustausch mit dem unter Förderdruck strömenden Kältemittel teilweise verdampft wird, wobei eine Unterkühlung des unter
Förderdruck stehenden Kältemittels stattfindet. Gemäß dem vor« gesohlagenen Verfahren wird das teilweise verdampfte Kältemittel
einem zweiten Speicherbehälter zugeführt, dort einer Phasentrennung unterzogen und die flüssige Phase unmittelbar einem
dritten Speicherbehälter zugeleitet. Sobald der dritte Speicherbehälter gefüllt ist, wird eine Verbindung zum zweiten gesohlossen und nach Aufbau einer geeigneten Druckdifferenz zum
ersten Speicherbehälter eine Verbindung zwischen dem dritten und dem ersten Speicherbehälter geöffnet, so daß flüssiges Kältemittel aus dem dritten in den ersten Speicherbehälter überströmen kann. Nach Entleeren des dritten Speicherbehälters wird
die Verbindung zum ersten wieder unterbrochen, der Druck im dritten Speicherbehälter abgebaut und daraufhin die Verbindung
zum zweiten Speicherbehälter erneut geöffnet.
Der Nachteil dieses Verfahrens zur kontinuierlichen Kühlung eines KUhlobjektes mit einem tiefkalten Kältemittel
liegt darin, daß einerseits durch den periodischen Druckauf- und Druokabbau im dritten Speicherbehälter Kälteverluste nioht
vermieden werden können und daß der Regel- bzw. Steueraufwand zur Durchführung des Verfahrens erheblich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und energiesparendes Verfahren zur kontinuierlichen
Kühlung eines KUhlobJektes mit einem tiefkalten Kältemittel zu entwickeln.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das teilweise verdampfte Kältemittel im Wärmeaustausch mit bereits erwärmtem
und verdichtetem Kältemittel vollständig verdampft, angewärmt und daraufhin erneut verdichtet wird und daß das bei diesem
Wärmeauetausch gekühlte verdichtete Kältemittel in den Speicherbehälter
entspannt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt eine einfache und energiesparende Lösung zur kontinuierlichen Kühlung eines
KUhlobJektes.
Die Kühlung des KUhlobJektes erfolgt durch tiefkaltes, flüssiges Kältemittel aus dem Speicherbehälter nach dessen Unterkühlung,
während der Wärmeeinfall von außen in den das KUhI-objekt
enthaltenen Kryostaten sowie in die Verbindungsleitungen zwischen Speicherbehälter und Kryostat durch die Verdampfungswärme, des entspannten Kältemittels vom KUhlobJekt gedeckt wird,
wobei ein Teil des flüssigen Kältemittels verdampft. Ein weiterer Teil des entspannten Kältemittels wird zur Unterkühlung
des unter Förderdruck aus dem Speicherbehälter strömenden Kältemittels verdampft.
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Zur Rückführung der noch im entspannten Kältemittel verbliebenen Kälteleistung in den Speicherbehälter wird
ersteres im Wärmeaustausch mit bereits verdichtetem Kältemittel vollständig verdampft und angewärmt und das durch diesen Wärmeaustausch
gekühlte verdichtete Kältemittel in den Speicherbehälter entspannt. Hierzu sind keinerlei periodisch arbeitende
Druckaufbau- bzw. Druckabbauvorrichtungen erforderlich, so daß der Regel- und Steueraufwand insgesamt gering ist.
Die Kälteverluste des Verfahrens werden nicht nur durch die Verdampfungswärme des im Speicherbehälter gespeicherten
flüssigen Kältemittels gedeckt, sondern es wird auch die Oasenthalpie des verdampften Kältemittels ausgenutzt, so daß
sich die Verdampfungsrate des flüssigen Kältemittels erheblich reduziert.
Insgesamt eignet sich das erfindungsgemälfe Verfahren
mit Vorteil zur kontinuierlichen Kühlung supraleitender Systeme, wie z.B. supraleitender Magnete, mit unterkühltem
flüssigem Helium aus einem Speicherbehälter.
Nach einer regelungs- bzw. steuertechnisch besonders
vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das verdichtete und gekühlte Kältemittel unmittelbar auf den Förderdruck
in den Speicherbehälter entspannt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können Strahlungsschilder, die zur weiteren Wärmeabschirmung inner-
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halb des das KUhlobjekt enthaltenden Kryostaten sowie innerhalb der Verbindungsleitungen zwischen Speicherbehälter und
Kryostat vorgesehen sind« mittels eines Teiles des anzuwärmenden gasförmigen Kältemittels, das bei einer geeigneten Temperatur z.B. größer 10 K aus dem System abgezogen wird, gekühlt
werden.
Obwohl das Verfahren bisher nur im Zusammenhang mit der Kühlung eines KUhlobjektes erläutert wurde« kann es mit dem
gleichen Erfolg auch zur Kühlung eines oder mehrerer in Reihe und/oder parallel geschalte tor Kühlobjekte herangezogen werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Speicherbehälter für tiefkaltes flüssiges Kältemittel, einem das KUhlobjekt enthaltenden Kryostaten sowie
Zufuhr- und RUokfUhrleitungen für das Kältemittel, wobei in den RüchfUhrleitungen ein Drosselventil und ein Wärmeaustauscher vorgesehen sind und ist gekennzeichnet durch einen mit dem Wärmeaustauscher in Verbindung stehenden Verdampfer mit einem Querschnitt für verdichtetes Kältemittel, duroh mehrere zu dem Verdampfer In Richtung des warmen Endes in Reihe gesohalteter Wärmeaustauscher mit Je einem Querschnitt für entspanntes und einem
Querschnitt für verdichtetes Kältemittel, einen Kompressor in , einer die warmen Enden der Querschnitte des letzten Wärmeaus-
j, tauschers miteinander verbindenden Leitung sowie ein Drosael-Ii
verltil in einer Verbindungsleitung zwischen dem Querschnitt des
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Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten AusfUhrungsbeispiel zu entnehmen« das die Kühlung von supraleitenden Magneten mit flüssigem Helium zeigt.
Gemäß der Figur wird flüssiges Helium unter einem Förderdruck von etwa 2 bar und bei einer Temperatur von etwa
5 K aus dem Speicherbehälter 1 abgezogen« im Wärmeaustauscher auf etwa 4«6 K unterkühlt und über den Zentralkanal 3 des Leitungssystems 4 dem innerhalb des Kryostaten 5 angeordneten
supraleitenden Magneten 6 zugeführt« um diesen konstant auf etwa 4«6 K zu kühlen. Nach Entspannen im Ventil "8 auf etwa
1,2 bar gelangt das nunmehr vorliegende Flüssigkeitsgemisch
über eine hier schematisch durch die Rohrschlange 9 dargestellte Kühlzone, in der ein Teil der Flüssigkeit durch äußeren Wärmeeinfall in den Kryostaten 5 verdampft, sowie über den ersten
Ringkanal 10 des Leitungssystems 4« in dem ein weiterer Teil durch äußeren Wärmeeinfall verdampft« in den Wärmeaustauscher
Im Wärmeaustauscher 2 wird im Wärmeaustausch mit zu unterkühlendem flüssigem Helium aus dem Speicherbehälter 1 ein weiterer
Teil des FlUssigkeitsgasgemisohes verdampft. Anschließend wird
der Rest an Flüssigkeit innerhalb des Flüssigkeitsgasgemisches im Verdampfer 11 Tollständig verdampft und In den Wärmeaustauschern 13» 14, 15 und 16 im Wärmeaustausch mit im Kompressor
auf etwa 15 bar verdichtetem Helium auf etwa 290 K angewärmt.
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im Kompressor· 17 auf etwa 15 bar verdichtet und in den Wärmeaustauschern
16, 15, 14, IJ) und im Verdampfer 11 auf etwa 5#2 K
abgekühlt. Eine anschließende Entspannung auf etwa 2 bar, also
auf Förderdruck, im Drosselventil 18, bewirkt eine weitere TemperatürSenkung auf etwa 5 K, bei der das nunmehr zu etwa
42 % aus Flüssigkeit und 58 % aus Dampf bestehende Gemisch dem
Speicherbehälter 1 zugeführt wird.
Zur Kühlung des als Strahlungsschild dienenden Ringkanals
19« die Ringkanäle 20 und 21 sind evakuiert, des Leitungssystems 4 sowie des durch die Rohrschlange 22 schematisch
dargestellten Strahlungsschildes im Kryostaten 5, kann ein Teil
des bereits auf eine Temperatur von etwa 11 K angewärmten Niederdruckheliums über die Leitung 23 abgezogen und den Strahlungsschildern
19 und 22 zugeführt werden. Nach Erwärmung auf etwa 100 K wird dieser Teilstrom über Leitung 24 ebenfalls dem
Kompressor 17 zugeleitet.
Ein "pressure controller" 25 regelt den Förderdruck im Speicherbehälter 1.
4 Patentansprüche
1 Blatt Zeichnungen
1 Blatt Zeichnungen
A09834/ü2b'i
Claims (1)
- LINDE AKTIENGESELLSCHAFT(H 713) - 8 - H 73/12La/bd 20.2.1973Patentansprüche(l. Verfahren zum Kühlen eines Kühlobjektes mittels eines tiefkalten Kältemittels, welches aus einem Speicherbehälter unter Förderdruck entnommen, nach Durchströmen des KUhlobJektes entspannt und im Wärmeaustausch mit unter Förderdruck strömendem Kältemittel teilweise verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß das teilweise verdampfte Kältemittel im Wärmeaustausch (11) mit bereits erwärmtem und verdichtetem Kältemittel vollständig verdampft, angewärmt (13, 14, 15, 16) und daraufhin erneut verdichtet (17) wird und daß das bei diesem Wärmeaustausch gekühlte, verdichtete Kältemittel in den Speicherbehälter (1) entspannt (l8) wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung (18) in den Speicherbehälter (1) auf Förderdruck erfolgt.3« Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mittlerer Temperatur ein Teil des anzuwärmenden Kältemittels abgezogen (23) und zur Kühlung von in der Verbindungsleitung (4) zwischen Speicherbehälter (1) und409834/0251LINDE AKTIENGESELLSCHAFTKühlobjekt (6, 7) und/oder in einem das Kuhlobjekt (6, 7) enthaltenden Kryoataten (5) vorgesehenen Strahlungsschildern (19; 22) herangezogen wird.4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Speicherbehälter für tiefkaltes flüssiges Kälte -mittel« einem das KUhlobJekt enthaltenden Kryostaten sowie Zufuhr- und RUckfUhrleitungen für das Kältemittel, wobei in den RUckfÜhrleitungen ein Drosselventil und ein Wärmeaustauscher vorgesehen sind, gekennzeichnet durch einem mit dem Wärmeaustauecher (2) in Verbindung stehenden Verdampfer (11) mit einem Querschnitt (12) für verdichtetes Kältemittel« durch mehrere zu dem Verdampfer in Richtung des warmen Endes in Reihe geschaltete Wärmeaustauscher (13* 14, 15» 16) mit Je einem Querschnitt für entspanntes und einem Querschnitt für verdichtetes Kältemittel, einen Kompressor(17) in einer die warmen Enden der Querschnitte des letzten Wärmeaustauschers (16) miteinander verbindende Leitung sowie ein Drosselventil (18) in einer Verbindungsleitung zwischen dem Querschnitt (12) des Verdampfers (11) und dem Speicherbehälter (1).409834/0251/οLeerseite
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