DE2423681B1 - Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases.

Bei vielen physikalischen Experimenten ist eine große Kälteleistung bei sehr tiefem Temperaturniveau nur über einen begrenzten Zeitraum erforderlich. Hierzu wird flüssiger Stickstoff oder flüssiger Wasserstoff von Fall zu Fall in einem Gasverflüssiger entsprechend dem Bedarf erzeugt und an den Ort des Verbrauches geleitet. Infolge des diskontinuierlichen Betriebes muß die Anlage erst kalt gefahren werden. Dies ist mit Zeit- und Kostenaufwand verbunden.

Ferner ist es nachteilig, daß für den Transport der Siedepunktsflüssigkeit ein hoher Aufwand erforderlich ist, da sich eine Zweiphasenströmung aus Gas und Flüssigkeit mit hohem Strömungswiderstand ausbildet. Außerdem ist vielfach auch das Temperaturniveau noch zu hoch, beispielsweise bei der Untersuchung von Supraleitern bei Temperaturen des flüssigen Wasserstoffs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases zu schaffen, welches es ermöglicht, das Kältemedium während der Totzeiten zu speichern und ohne großen Transportaufwand an den Bedarfsort zu bringen, wobei das Kältemedium ein denkbar niedriges Temperaturniveau aufweisen soll.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß aus dem Gas Matsch kontinuierlich erzeugt und bei Bedarf aus einem Speicherbehälter an den Ort des Verbrauches gefördert wird, wo er seine Schmelzwärme abgibt, wonach aus der hierdurch gebildeten Tripelpunktsflüssigkeit erneut Matsch erzeugt wird.

Matsch ist ein Gemisch aus Flüssigkeit und Eis, welches sich am Tripelpunkt mit der Gasphase im Gleichgewicht befindet. Pumpt man diesen Matsch durch Rohrleitungen, so sind die auftretenden Druckverlustbeiwerte im Bereich von Reynoldszahlen > 10⁵ mit denen der Flüssigkeit vergleichbar. Die Wärmeübertragungseigenschaften des Kälteträgers sind dann durch die Gesetze der turbulenten Zwangskonvektion bestimmt; man kann also bei kleinen Temperaturdifferenzen und Tauscherflächen große Wärmemengen übertrageh.

Betrachtet man die Kälteerzeugung vom thermodynamischen Standpunkt, so ergeben sich auf Grund des Carnot-Prozesses folgende Gesichtspunkte. Liegt das erforderliche Kälteniveau nur unwesentlich unter der Umgebungstemperatur, so ist die pro kcal aufzuwendende Arbeit minimal und eine Speicherung wegen des Raumbedarfs unrentabel. Bei sehr tiefen Temperaturen allerdings wächst der spezifische Leistungsbedarf erheblich und damit auch der pro Volumeneinheit des Matsches gespeicherte Arbeitsaufwand.

Die Lagerfähigkeit ist sehr entscheidend von der Isolationsgüte der Behälter abhängig. Bei Benutzung der sogenannten Superisolation wird eine nahezu verlustlose Matschspeicherung erreicht.

Das Volumen des isolierten Matschbehälters wird so dimensioniert, daß die im Feststoffanteil des Matsches gespeicherte Schmelzwärme ausreicht, der Verbraucherstelle während der Betriebszeit die notwendige Kälteleistung zuzuführen. Hierzu wird der Matsch

ίο mit einer Turbopumpe über superisolierte Transportleitungen zum Bedarfsort transportiert. Nach Abgabe seiner Schmelzwärme gelangt er als Tripelpunktsflüssigkeit in den Speicherbehälter zurück und wird dort wieder in Matsch verwandelt.

Die erfindungsgemäße Verwendung von Matsch tiefsiedender Gase als Kältemedium ermöglicht eine ausgezeichnete Spitzenbedarfsdeckung bei geringen Energie- und Investitionskosten. Der Strombedarf ist konstant, weil die Kälteerzeugung gleichmäßig ist. Es erfolgt also eine Leistungseinebnung. Vorteilhaft ist ferner die Möglichkeit der Überlastung, indem zusätzlich die Flüssigkeitskälte bis zur Siedepunktstemperatur ausgenutzt wird. Da der Matsch kontinuierlich erzeugt und gespeichert werden kann, entfällt das periodische Kaltfahren der Anlage. Es ergibt sich daher keine Temperaturwechselbelastung, wie sie für Anlagen typisch ist, die nur bei Bedarf zur Erzeugung von flüssigen Kältemedien im Siedezustand aus tiefsiedenden Gasen in Betrieb genommen werden.

Wenn der Schwerpunkt der Erfindung auch bei den Anwendungsfällen liegt, in denen über einen begrenzten Zeitraum eine große Kälteleistung bei tiefem Temperaturniveau verlangt wird, so ist sie hierauf doch nicht beschränkt. In bestimmten Fällen kann es auch von Vorteil sein, den Matsch nicht nur kontinuierlich zu erzeugen, sondern ihn auch mit oder ohne Zwischenspeicherung kontinuierlich als Kältemedium einzusetzen.
Ein solcher Fall ist z. B. die Kühlung eines Supraleiters mit einer Sprungtemperatur zwischen der Tripelpunktstemperatur und der Siedetemperatur des als Kältemedium verwendeten tiefsiedenden Gases. Geeignet sind alle tiefsiedenden Gase, wie beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Neon, Sauerstoff, Kohlenoxid und Krypton. Es ist ferner möglich, Supraleiter mit Sprungtemperaturen von bespielsweise 15° K statt mit flüssigem Helium mit Wasserstoffmatsch zu kühlen. Hierbei ist Wasserstoffmatsch wegen seiner etwa dreifach besseren spezifischen Kältearbeit bei einer Tripelpunktstemperatur von 13,8° K sogar dem flüssigen Helium überlegen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Kühlung der Magnete bei Magnetkissenzügen.

Im übrigen muß im Einzelfall untersucht werden, ob die kontinuierliche Matscherzeugung mit Zwischenspeicherung mit relativ geringer installierter elektrischer Leistung wirtschaftlicher ist als die Erzeugung von Siedepunktsflüssigkeit ohne Zwischenspeicherung bei Bedarf in einer Anlage mit relativ hoher installierter elektrischer Leistung. Dies hängt außer von der Gasart von dem Auslastungsfaktor ab. Der Auslastungsfaktor gibt an, an wieviel Stunden am Tag die Anlage in Betrieb ist.

Man könnte auch dam denken, eine Siedepunktsflüssigkeit zu speichern und bei Bedarf am Ort des Verbrauches zu verdampfen. Abgesehen von dem schlechteren Speicherverhalten bei höherem Temperaturniveau wäre hierzu, wie schon einleitend gesagt, ein höherer Transportaufwand für die Zweiphasenströmung

Gas-Flüssigkeit erforderlich, so daß eine solche Verfahrensweise keine Vorteile brächte.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Ein isolierter Speicherbehälter 1 ist mit Matsch 2 eines tiefsiedenden Gases, beispielsweise Wasserstoff, gefüllt.

Der Matsch 2 wird erzeugt durch Abpumpen des Gases mittels der Vakuumpumpe 3. Die Flüssigkeit kühlt sich dadurch zunächst bis zum Tripelpunkt ab, wonach Eisbildung einsetzt. Bei Bedarf wird der Matsch 2 mittels der Turbopumpe 4 zum Ort des Verbrauchs, einem Kühlraum 5, gefördert. Die Transportleitung ist superisoliert. Im Kühlraum 5 gibt der Matsch seine Schmelzwärme ab; es bleibt eine Tripelpunktsflüssigkeit übrig, die durch die Leitung 6 zurück in den Speicherbehälter 1 gleitet wird. Die Leitung zwischen Speicherbehälter 1 und Turbopumpe 4 sowie die Leitung 6 sind jeweils mit Absperrventilen 7 versehen.

Das von der Vakuumpumpe 3 abgesaugte Gas wird durch Siedepunktsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 8, die durch die mit dem Absperrventil 9 versehene Leitung 10 dem Speicherbehälter 1 zugeführt wird, ersetzt.

Die Anlage kann auch so betrieben werden, daß die von der Vakuumpumpe 3 abgesaugte Gasmenge in einem Gasverflüssiger verflüssigt und wieder in den Speicherbehälter 1 zurückgegeben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Tiefkühlen von Objekten mittels eines tiefsiedenden Gases, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gas Matsch kontinuierlich erzeugt und bei Bedarf aus einem Speicherbehälter an den Ort des Verbrauchs gefördert wird, wo er seine Schmelzwärme abgibt, wonach aus der hierdurch gebildeten Tripelpunktsflüssigkeit erneut Matsch erzeugt wird.