DE2416070A1

DE2416070A1 - Kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2416070A1
Application number: DE2416070A
Authority: DE
Inventors: Gijsbert Prast
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1974-10-24
Also published as: CH573091A5; US3910063A; CA997162A; JPS5322979B2; SE397579B; GB1468539A; FR2224715B1; JPS49129942A; NL7304885A; FR2224715A1

Description

PHN. 6848. JW/WJM/Scha, Dr. Herbert Scholl 15-11-1973.

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Anmeldär: N. V. Philips'GioeiSampenfabiieken 24 16070

Akte Ν».; PHN- 6848

Anmeldung voini ' · April

"Kühlvorrichtung".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines oder mehrerer Objekte mit einem Verdichter zum Verdichten eines Kühlmittels auf höheren Druck, dessen Ausgang sich über mindestens einen Wärmeaustauscher, in dem das verdichtete Mittel bis unter die zum höheren Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, an eine Hauptzuführungsleitung anschliesst, wobei die Vorrichtung mehrere ¥ärmeaustauschelemente zum Wärmeaustausch mit den zu kühlenden Objekten enthält, die je einen Ein- sowie Ausgang für das Mittel aufweisen, wobei die Eingänge über je eine Hilfszuführungsleitung an die Hauptzuführungsleitung angeschlossen sind und über eine Druckverringerungsvorrichtung Mittel zugeführt bekommen,

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in der im Wärmeaustauscher gekühltes verdichtetes Mittel eine Druckverringerung erfährt.

Eine Kühlvorrichtung der· obengenannten Art

ist aus der britischen Patentschrift 571 792 (S. 5; Fig.9) bekannt.

Bei der bekannten Kühlvorrichtung bilden

die Wärmeaustauschelemente Kühlwendeln_r die in Speicherbehältern für verflüssigtes Gas angeordnet sind._Die Kühlwendeln sorgen durch Rekondensation durch Wärmeleitung verdampfter Flüssigkeit oder durch direkte Kühlung der Flüssigkeit dafür, dass der Druck in den Speicherbehältern einen gewissen Wert nicht überschreitet.

In der Druckverringerungsyorrichtung wird

das bis unter die zugehörende Inversionsfcemperatur vorgekühlte Mittel höheren Drucks bis auf einen.sehr viel niedrigeren Drück gedrosselt, Das Mittel sinkt dabei in seiner Temperatur wegen isenthalpischer Expansion (Joule-Kelvin-Effekt) und/oder weist einen Phasenübergang Gas-Flüssigkeit auf, wobei wenigstens ein Teil des Mittels flüssig wird. Für das letztere ist es selbstverständlich erforderlich, dass die Temperatur und der Druck Werte annehmen, die unterhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Drucks liegen.

Bei der bekannten Kühlvorrichtung ist in

jeder der HilfsZuführungsleitungen ein Expansionshahn als Druckverringerungsvorrichtung vorhanden.

Einerseits ist dies aus wirtschaftlichen

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Erwägungen uninteressant. Bei Anordnungen, bei' denen eine Vielzahl mit verflüssigtem Gas gefüllter Kryostate oder andere Objekte gekühlt -werden müssen, ist eine gleich grosse Anzahl, meistens als teueres Nadelventil ausgebildeter Expansionshähne erforderlich.

Andererseits treten technische Nachteile

auf. Durch jede der Hilfszuführungsleitungen strömt ein Teil des Hauptstromes durch die Hauptzuführungsleitung. Das bedeutet, dass die Expansionshähne in deji Hilfszuftihrungsleitungen verhältnismässig kleine Durchgänge aufweisen. Wegen dieser kleinen Durchgänge sammeln sich Verunreinigungen leicht in den Expansionshähnen an, mit der Folge, dass die Mittelströme durch die Hilfszuführungsleitungen stark voneinander abweichen werden und sogar zu Verstopfung der Hähne führen. Die Kühlung mehrerer mit verflüssigtem Gas gefüllter Dewar—Gefässe ist d& in gestört, so dass der Druck innerhalb dieser Gefässe stark ansteigt.

Die Erfindung bezweckt nun, eine Kühlvorrichtung der obengenannten Art zu schaffen, welche, die genannten Nachteile nicht aufweist.

Die erfindungsgemässe Kühlvorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass die Druckverringerungsvorrichtung in die Hauptzuführungsleitung aufgenommen is$, und in den Hilfszuführungsleitungen feste oder fest eingestellte Drosseln vorhanden sind, mit gleichen oder wenigstens nahezu gleichen Durchgängen untereinander.

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Nun ist nur eine Druckverringerungsvorrichtung in der Hauptzuführungsleitung vorhanden, statt einer in jeder Hilfszuführungsleitung, was die Vorrichtung wesentlich, billiger macht.

Durch die allen Hilfszuführungsleitungen

gemeinsame Druckverringerungsvorrxchtung geht der gesamte Mittelstrom. Im vorliegenden Fall hat die Druckverringerungsvorrichtung daher einen grösseren Durchgang, so dass es kaum eine Verstopfungsgefahr gibt.

Die festen oder fest eingestellten Drosseln in den Hilfszuführnngsleitungen sorgen für eine möglichst gleiche Verteilung des Mittelstromes durch die jeweiligen Hilfszuführungsleitungen. Für die zu kühlenden Objekte sind dann nahezu gleiche Kühlleistungen verfügbar.

Die Drosseln können dabei verhältnismässig grosse Durchgänge aufweisen mit einem Druckabfall, der in absolutem Sinne klein ist, beispielsweise O,1 at., der jedoch relativ gegenüber dem Druckabfall im restlichen Teil der Hilfsleitung gross ist. Die Verteilung des Mittelstromes über die Hilfsleitungen wird nämlich durch den Gesamtdruckabfall in den Hilfsleitungen bestimmt. Da der Druckabfall in dem gegenüber dem Wärmeaustauschelement

tromabwärts liegenden Hilfsleitungsteil, von der Wärmebelastung dieses Wärmeaustauschelementes stark abhängig ist (beispielsweise grössere Gasfraktion im abgeführten Hilfsmittel bei grösserer Verdampfung), würde die Verteilung des Mittelstromes über die·jeweiligen Wärmeaustausch-

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elemente davon abhängig sein, was unzulässig ist. Die Drosseln befinden sich deswegen in den Hilfszuführungs— leitungen an den Eingangsseiten der Wärmeaustauschelemente. legen der verhältnismässig grossen Durchgänge der Drosseln gibt es kaum eine Verstopfungsgefahr.

Die Kühlleistung der Kühlvorrichtung braucht im Grunde nur so gross zu sein, dass die in die jeweiligen Speicherbehälter für..· verflüssigtes Gas einleckende Wärmemenge ausgeglichen wird. Wegen eines geringes Gewichtes, kleiner Abmessungen und eines niedrigen Kostpreises der Kühlvorrichtung wird diese daher meistens derart optimalisiert, dass bei normalem Gebrauch kaum eine zusätzliche Kühlleistung verfügbar ist. Dies bedeutet jedoch, dass sehr hohe Anforderungen gestellt werden.in bezug auf die Genauigkeit, mit der die Kühlleistung und folglich der Mittelstrom über die jeweiligen Wärmeaustauschelemente verteilt wird, namentlich wenn ein Teil des den Wärmeaustauschelementen zugeführten Mittels gasförmig und der übrige Teil flüssig ist, denn bei der Kühlung wird im wesentlichen die latente Wärme (Verdampfungswärme) flüssigen Mittels benutzt und nicht oder kaum fühlbare Wärme, so dass das gasförmige Mittel bei der eigentlichen Kühlung keine wesentliche Rolle spielt. Unter Umständen, wobei infolge einer ungenauen Verteilung einer Verdampfungswendel verhältnismässig wenig flüssiges Mittel zugeführt wird, und der betreffende Speicherbehälter gerade verhältnismässig viel Kühlung erfordert, können Schwierigkeiten auftreten. A09843/0790

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Nach der Erfindung ist es nun möglich., ohne

Vergrösserung der in der Kühlvorrichtung umlaufenden Kühlmittelmenge zu erreichen, dass die Verteilung des Mittelstromes über die jeweilige Hilfszuführungsleitungen weniger kritisch ist. An die Gleichheit der. Drosseln untereinander werden dann weniger strenge Anforderungen gestellt.

Dazu weist die erfinduhgsgemässe Kühlvorrichtung das Kennzeichen auf, dass die Ausgänge der Wärmeaustauschelemente in einen Behälter münden und zwar zum Trennen von gasförmigem Mittel von flüssigem Mittel, von welchem Behälter der Gasraum an einen Ansaugeingang des Verdichters angeschlossen ist, und wobei der Flüssigkeitsraum des Behälters mit einem gegenüber der Druckverringerungsvorrichtung stromabwärts liegenden Teil des Hauptzuführungsleitung - für Kondensation des durch die genannte Leitung strömenden gasförmigen Mittel in thermischem Kontakt steht.

Durch Kondensation der Gasfraktion in dem

von der Druckverrxngerungsvorrxchtung herrührenden Mittel— strom wird den Wärmeaustauschelementen nahezu ausschliesslich flüssiges Mittel zugeführt, wodurch die je Wärmeaustauschelement verfügbare wirksame Kühlleistung zugenommen hat. XJngenauigkeiten in der Verteilung des Kühlmittelstromes über die jeweiligen Hilfszuführungsleitungen haben nun weniger Einfluss, so dass die Ausbildung der Drosseln sehr einfach und billig sein kann.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung,

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in der beispielsweise eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Speicherbehälter«! für verflüssigtes Gas auf schematische Weise und nicht massgerecht dargestellt ist, näher erläutert .

Die Kühlvorrichtung enthält einen Verdichter mit einem Niederdruckkompressor 1 und einem Hochdruckkompressor 2 mit einem Ausgang 3· Der Ausgang 3 schliesst sich an einen Kühler 4 an, in dem die Verdichtungswärme des verdichteten Mittels, in diesem Fall Helium von beispielsweise 3O ata, abgeführt wird. Danach strömt das verdichtete Helium durch einen Wärmeaustauscher 5 t in dem es mit Helium niedrigeren Drucks und niedrigerer Temperatur Wärme austauscht. Im Wärmeaustauscher 6 wird das Hochdruckhelium durch eine Kältequelle 7 bis zu einer Temperatur von beispielsweise 6O° K gekühlt. Danach tauscht das Hochdruckhelium im Wärmeaustauscher 8 mit Helium niedrigeren Drucks und niedrigerer Temperatur wieder Wärme aus, um danach im Wärmeaustauscher 9 durch die Kältequelle 1O gekühlt zu werden und zwar bis zu einer Temperatur von beispielsweise 15° K. Im Wärmeaustauscher 11 erfolgt dann eine weitere Temperaturverringerung durch Wärmeaustausch mit Helium niedrigeren Drucks und niedrigerer Temperatur. Das Hochdruckmedium hat nun eine Temperatur, die oberhalb der kritischen Temperatur von 5,3 ⁰K liegt.

Das Hochdruckhelium tritt danach in einen Drosselhahn 12 als Druckverringerungsvorrichtung, in der

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das Helium bis unter seinen kritischen Druck von 2,26 ata expandiert und ein Teil des Heliumgases, meistens etwa 50 $, flüssig wird. Der Drosselhahn 12 ist in eine Haupt_T zuführungsleitung 13 aufgenommen, an die sich in diesem Fall drei parallele Hilfszuführungsleitungen 14 anschliessen, die zu Eingängen 15 als Kühlwendel ausgebildeter Wärmeaustauschelemente i6 führen, die im Dampfraum geschlossener Speicherbehälter 17 angeordnet sind, in denen sich flüssiges Helium befindet. Die Ausgänge 18 der Wärmeaustauschelemente 16 schliessen sich an eine gemeinsame Abführungsleitung 19 an, die in einen Behälter 20 mündet, dessen Dampfraum über die Wärmeaustauscher 11, 8 und 5 ^a*i den Ansaugeingang 21 des Kompressors 1 anschliesst.

In den Hilfszuführungsleitungen 14 sind einander nahezu gleiche Drosseln 22 vorhanden.

Im Behälter 20 wird das von dem Drosselhahn

12 herrührende Gemisch aus Heliumgas und Heliumflüssigkeit völlig in die Flüssigkeitsphase umgewandelt und zwar durch Wärmeaustausch mit dem im Behälter vorhandenen flüssigen Helium. Dazu ist ein Teil der Hauptzuführungsleitung

13 als Wärmeaustauscher ausgebildet und im Behälter 20 angeordnet. Nach Durchgang durch den Behälter 20 wird der Heliumflüssigkeitsstrom allmählich über die drei Wärmeaustauschelemente 16 mit Hilfe der Drossel 22, die beispielsweise aus einfachen Blenden bestehen, verteilt. In den Wärmeaustauschelementen verdampft ein Teil des flüssigen Heliums, in diesem Fall 50$^ und zwar infolge

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der Kondensation an diesen Elementen in die Behälter infolge von einleckender verdampften Heliums. Der* Druck in den Behältern bleibt dann niedrig,

' pas von den Värmeaustauschelementen herrührende Gas-Flüssigkeitsgemisch wird im Behälter 20 in Gas. und Flüssigkeit getrennt. Das zu 50$» flüssige Helium sorgt dann gerade für Kondensation des 50 $ gasformigen Heliums in dem von dem Drosselhahn 12 herrührenden Heliumstrom,

Das Vorkühlen des Hochdruckheliums kann

beispielsweise mit Gaskältemaschinen erfolgen. Auch können beispielsweise Expansionsmaschinen (Kolbenexpansionsmaschinen, Expansionsturbinen) verwendet werden, in denen ein angezapfter Teil des Hochdruckheliumstromes unter Leistung mechanischer Arbeit expandiert, wobei zur Vorkühlung des Hochdruckheliumhauptstromes Kälte erzeugt wird.

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Claims

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• -■—\ PATENTANS PRTTCHE.

[i, J KühlyorrichtiiTtg zum Kühlen eines oder

mehrerer Objekte mit einem Verdichter zum Verdichten eines Kühlmittels auf höheren Druck, dessen Ausgang sich über mindestens einen Wärmeaustauscher, in dem das verdichtete Mittel bis unter die zum höheren Druck gehörende Inversionstemperatur abkühlt, an eine' Hauptzuführungsleitung anschliesst, wobei die Vorrichtung mehrere Wärmeaustauschelemente zum Wärmeaustausch mit den zu kühlenden Objekten enthält, die je einen Ein- und Ausgang für das Mittel aufweisen, wobei die Eingänge über je eine Hilfszuführungsleitung an die Hauptzuführungsleitung angeschlossen sind und über eine Druckverringerungsvorrichtung Mittel zugeführt bekommen, in der im Wärmeaustauscher gekühltes verdichtetes Mittel eine Druckverringerung erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverringerungsvorrichtung in die Hauptzuführungsleitung aufgenommen ist und in den Hilfszuführungsleitungen feste oder fest eingestellte Drosseln vorhanden sind mit gleichen oder wenigstens nahezu gleichen Durchgängen,

2· - Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Wärmeaustauschelemente in einen Behälter zum Trennen von gasförmigem flüssigem Mittel münden, wobei der Gasraum dieses Behälters an den Ansaugeingang des Verdichters angeschlossen ist, und wobei der Flüssigkeitsraum des Behälters mit einem gegenüber der DruckverringerungsYorrxchtung stromabwärts

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liegenden Teil der Hauptzuführungsleitung für Kondensation des durch die genannte Leitung strömenden gasförmigen Mittel in thermischem Kontakt steht.

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