DE2709192A1 - Verfahren zur kaelteerzeugung mit kryoanlagen - Google Patents

Verfahren zur kaelteerzeugung mit kryoanlagen

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Description

VERFAHELN ZUR KÄLTEERZEUGUNG MIT KRYOANLAGIiN
Die vorliegende Erfindung betrifft die Kryotechnik, insbesondere ein Verfahren zur Kälteerzeugung mit Kryoanlagen.
Mit größten Effekt kann die vorliegende Erfindung bei der Kälteerzeugung auf dem Siedetemperaturniveau eines fwediuns, das in der Kryoanlage umläuft, eingesetzt werden, besonders wenn leichte Gase }z.B. Helium, Wasserstoff als Medium Verwendung finden.
Die Erfindung kann auch bei Verflüssigungssnlapen und Erdgastrarisporteinrichtungen, Luftzerlegungsanl^o6^ und sonstigen Einrichtungen, in denen Tieftemperaturen erzeugt oder ausgenutzt werden z.B. auf solchen Gebieten wie physikalische Versuchstechnik, Energetik, Kerntechnik, Elektrotechnik, Biologie u.a. angewandt werden.
Zur Zeit ist die Nachfrage nach Heliumkryoanlagen beträchtlich gestiegen, und die Anforderungen an ihre technischwirtschaftlichen Kennwerte, wie Leistung, Energieaufnahme, Be-
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triebssicherheit usw. wurden wesentlich hoher. Diese Erscheinung ist in der Kryotechnik hauptsächlich auf die rasche Entwicklung von Erforschungen und angewandten Ausarbeitungen, die mit der Benutzung des Supraleitfähigkeitseffekts beim Bau von elektrotechnischen Einrichtungen, leistungsstarken Magneten, Starkstromleitungen, elektronischen Einrichtungen in Verbindung stehen, sowie auf die weitgehende Verwendung des flüssigen Wasserstoffes zurückzuführen.
Die supraleitenden Einrichtungen werden bei Temperaturen von 1,5 bis 15°K betrieben, und zum Abkühlen von Großobjekten beträgt der Leistungsaufwand bei Kryoanlagen Hunderte und Tausende Kilowatt.
Durch all das ist die Notwendigkeit gegeben, den Energieaufwand bei der Kälteerzeugung herabzusetzen und die Anlagen vom Standpunkt der Betriebssicherheit, ihrer Gewichts- und Abmessungen - usw. aus zu vervollkommnen. In vielen Fällen kommt es auch darauf an, das Temperaturniveau der zu erzeugenden Kälte bei hoher Verfahrenswirtschaftlichkeit herabzusetzen.
Der - Wirkungsgrad wird bei der Kälteerzeugung üblicherweise durch das- Verhältnis der hauptsächlich für den Verdichterantrieb verbrauchten Leistung zur Kälteleistung gekennzeichnet. Diese beiden Größen werden gewöhnlich in Watt gemessen. Dieses Verhältnis wird als spezifischer Energieaufwand bezeichnet und mit einer dimensionslosen Zahl (Wt/Wt) gemessen.
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Es ist dem in der Kryotechnik tätigen Fachmann bekannt, daß der Fachausdruck "Kälteleistung" die mit der Anlage in einer Zeiteinheit auf dem gegebenen Temperaturniveau erzeugte Kältemenge bezeichnet.
Das bekannte Verfahren zur Kälteerzeugung umfaßt folgende Grundoperationen, die wir anhand einer Heliumkryoanlage behandeln, die die Kälte auf dem Siedetemperaturniveau des flüssigen Heliums d.h. bei 4,2 bis 4,5°K erzeugt.
Das gasförmige Helium wird in einem Verdichter bis zum Erreichen eines Druckes von 20 bis 30 bar verdichtet.
Das Freßhelium bildet einen Vorstrom, der in der Richtung zum Kälte verbraucher fließt. Der Vorstrom wird mit einem Heliumrückstrom, der einen tiefen Druck aufweist und in der Richtung von dem Kälteverbraucher fließt, bis auf eine Tenperatur von etwa 1000K abgekühlt. Ferner wird der Vorctror. in zwei Ströme getrennt, deren eine ^er Haupt- und deren andere der Hilfsstrom ist., Der Hilfsstroa wird in Ly.pansion.jmaschinen unter Snergieentzug entspannt und zum Ausgleic. von nicht umkehrbaren Verlusten und der Stufenkühlung des Hauptstromes ausgenutzt. Die Kühlstufenzahl ist durch die Anzahl der verwendeten Expansionsmaschinen beim der Entspannung des Hilfsstromes gegeben. Anstelle der Expansionsmaschinen findet mitunter ein Bad mit einem flüssigen Kühlmittel, z.B. Stickstoff oder einem anderen Stoff, der eine für den Kühlvorgang erforderliche Siedetemperatur besitzt, Verwendung.
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Der Hauptstrom passiert alle Kühlstufen und gelangt danach in eine Verflüisiu£un£r>~>tufe, v;o er zusätzlich ebgeküiilt und unter Verflüssigung entspannt wird.
Das verflüssigte Helium wird dem Kälteverbraucher zugeführt, wo das Helium auf kosten der V.'ärme des abzukühlenden Objekts verdampft. Die Dämpfe bilden einen Rückstrom und kehren bei einer Temperatur von 4,3 bis 4,50K in die Verflüssigungsstufe zurück, wobei sie in einer der Bewegung des Haupt- und Hilfsstromes entgegengesetzten Richtung strömen, werden in Wärmeaustauschern aller Stufe erwärmt, in Bewegungsrichtung mit dem in den Expansionsmaschinen entspannten Hilfsstrom vereinigt und strömen bei einer Temperatur von etwa 3CO0K und Atmosphärendruck zum Verdichten in den Verdichter ein. Der Kreisprozeß wird geschlossen, und alle Vorgänge wiederholen sich.
Der Entspannungsvorgang des Hauptstromes unter dessen Verflüssigung in der Verflüssigungsstufe wird in der einen Ausfuhr ungsvariante des behandelten Verfahrens durch Drosselung und in der zweiten Variante durch Entspannung unter Energieentzug durchgeführt. Der Drosselungsvorgang findet seit vielen Jahren Verwendung, und der Entspannungsvorgang unter Energie entzug, der im Naßdampfgebiet des entspannten Mediums endet, wurde im Buch von R.B. Scott "Cryogenic Engineering", '■ D. van Nostrand Co. Inc. Princeton, 1959 beschrieben. ι
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In dem erwähnten Werk sind Vorteile des genannten Entspannung svorgan ge s im Vergleich zu dem Drosselungsvorgang anhand der Betrachtung eines Heliumkreisprozesses gezeigt.
Bei dem behandelten Verfahren zur Kälteerzeugung wird die für die Gasverdichtung aufgewendete Energie zur Kälteerzeugung sowie zum Ausgleich verschiedener Verluste verbraucht, wodurch
geht die Energie ohne Nutzeffekte verloren vund zur Entropiezunahme von Helium verbraucht wird. Diese Verluste werden als Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen bezeichnet, die durch Wärmeübertragung bei von Null unterschiedlichen Temperaturgradienten, Bewegungsreibung von Helium und andere Ursachen bedingt sind.
Bei Kryoanlagen ist nur der Verbrauch an weniger als 20% Energieaufnahme thermodynamisch gerechtfertigt. Die Restenergie wird zum Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten verbraucht, von denen die Verluste durch Temperaturdifferenz, insbesondere im Tiefsttemperaturbereich, einen wesentlichen Anteil betragen. Berechnungen ergeben, daß die Verluste in der Verflüssigungsstufe etwa dem Nutzeffekt d.h. der Kälteleistung gleich sind, und ihre Verminderung gestattet es, die Energiekennwerte (performances) des Verfahrens zur Kälteerzeugung oder der nach diesem Verfahren wirkenden Anlage zu erhöhen. Die Energieverluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen z.B. des Wärmeaustauschvorganges treten darin zutage, daß nur ein Teil der im Bückstrom enthaltenen Kälte dem
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Vorftrom übertragen wird, während der andere Teil wegen des unvollständigen Wärmeaustausches verlorengeht, was zur Entropiezunahme des. HeliunE führt. Infolgedessen entsteht aus dem
Vor.strom weniger flüssiges Medium, das dem Kalt eve rbrauchci zugeführt wird, die Kälteleistung der Anlage ist also nicht hoch genug.
Andererseits ist es notwendig, zur Gewinnung der gleichen Flüssigmediummenge bei den vorliegenden Energieverlusten durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen mehr Energie aufzuwenden, es muß z.B. eine größere Gasmenge im Verdichter verdichtet werden.
Die Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen des Yiärmeaustauschvorganges sind um so höher, je größer das Verhältnis der Temperaturdifferenz zur absoluten Temperatur ist.
Bei der Verwirklichung des beschriebenen Verfahrens zur Kälteerzeugung beträgt der optimale Verdichtungsdruck im Ver-
dichter etwa 25 bar, falls die Entspannung unter Verflüssigung durch Drosselung erfolgt. Das wird aus der Bedingung der maximalen Kälteleistung der Anlage oder aus der Bedingung des minimalen spezifischen Energieaufwandes für die Kälteerzeugung bestimmt. ;
In diesem Fall liegen in der Verflüssigungsstufe beträchtliche Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen der Wärmeaustauschvorgänge vor, die infolge hoher Temperatur- | unterschiede zwischen Vor- und Rückstrom auftreten. Außer- '
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dem treten Snergieverluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen '/jährend der Zwischendrosselung auf, die zur Reduzierung dieser Temperaturdifferenz verwendet wird. Bei der Zwischendrosselung mit einer Druckschwankung zwischen 25 und 3 bis 5 bar wird die Preßgasenergie größtenteils für die Reibung in der Drosselungsvorrichtung z.B. im Thompson-Joule-Ventil verbraucht.
Der Hauptgrund für das Auftreten der erwähnten Verluste besteht in einem wesentlichen Unterschied zwischen den V/ärnekapazitäten des Vor - und Rückstromes in der Verflüssi^ungsstufe.
Beträchtliche Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen des V.'ärmeaustauschvcrganges bleiben in der Verflüssigungsstufe auch in dem Fall erhalten, wenn die Entspannung des Hauptstromes unter dessen Verflüssigung mit Dnergieentzug erfolgt.
Dieser in dem erwähnten V;erk von R.B. Scott hervorgehobene Nachteil besteht darin, daß ein wesentlicher Temperaturunterschied zwischen dem Vor - und dem Rückstrom in der Verflüssigungsstufe selbst im theoretisch idealen Fall vorliegt, vor allem bei den tiefsten Temperaturen der Ströme, der also zu einer bedeutenden Entropiezunahme führt. Die entstehende Temperaturdifferenz hängt nicht von der Effektivität des Wärmeaustauschers ab und wird selbst im theoretisch idealen Fall d.h. unter der Voraussetzung, daß der Wärmeunterschied zwischen den Strömen am anderen Ende des Wärmeaustauschers gleich Null ist, vorlieget 9 709836/09 3 6
Unter Verwendung von Helium als Medium beträgt der Temperaturunterschied zwischen dem Vor -, im vorliegenden Fall dem Hauptstrom und dem Rückstrom im Wärmeaustauscher der Verflüssigungsstufe bei einem Hauptstromdruck von 25 bar und einem Rückstromdruck von 1,3 bar etwa 1,5°K am Ende des Wärmeaust^auschers, bei einer Temperatur des Rückstromes von 4,5 K. In der Mitte des Wärmeaustauschers nimmt dieser Temperaturunterschied bis 2,5°K zu und vermindert sich allmählich erst zum anderen Ende des Wärmeaustauschers hin bis zu einer Größe von unter O|5°K» die aus der Bedingung der Erreichung von hohen Energiekennwerten des Verfahrens zur Kälteerzeugung als maximal zulässig betrachtet werden muß.
Der erwähnte Nachteil offenbart sich unmittelbar darin, daß die Kälte des Rückstromes innerhalb der Siedetemperatur (4,50K für Helium) und der Temperatur des verdichteten Stromes vor seiner Entspannung unter Verflüssigung (etwa 60K für Helium) nicht rationell ausgenutzt wird. Gerade der erwähnte Umstand führt·zur Abnahme der Kälteleistung bzw. zur Erhöhung des Energieaufwandes.
Diese Erscheinung vertieft sich dadurch, daß sich die Wärmekapazitäten des verdichteten Haupt— und des entspannten Rückstromes von Helium oder anderen Leichtgasen wesentlich unterscheiden, wobei der genannte Unterschied zwischen den Wärmekapazitäten mit der Druckabsenkung des verdichteten Vorstromes abnimmt.
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Bei dem beschriebenen Verfahren ist eine Druckabsenkung des Medi ums nach dem Verdichter d.h. eine Druckabsenkung von unter 20 bis 25 bar unzweckmäßig, weil dabei seine Betriebsdaten schlechter werden: der spezifische Energieaufwand für die Kälteerzeugung nimmt zu, die Kälteleistung nimmt ab und die Abmessungen der Anlage und des Verdichters werden bei der Realisierung des Verfahrens größer. Bei einer D ruck ab Senkung des 1,'ediums von 25 bis 8 bar nimmt z.B. die Kälteleistung um das Doppelte ab, und die erforderliche Y/ärmeaustauschf lache wird in den Wärmeaustauschern zweifach so groß. Dabei nimmt der Energieaufwand um 307° zu.
Mit der vorgegebenen Kälteleistung führt also die Verwirklichung des bekannten Verfahrens zur Kälteerzeugung zur Erhöhung der zu verdichtenden Gasnisnge und folglich zum Ansteigen des Energieaufwandes.
Andererseits bringt die Verwirklichung des bekannten Verfahrens mit der vorgegebenen kompressionsfähigen Gasmenge d.h. mit dem vorgegebenen Verdichter die Herabsetzung der Kälteleistung und die Erhöhung des spezifischen Energieaufwandes mit sich.
Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zur Kälteerzeugung mit Kryoanlagen zu schaffen, bei dessen Verwirklichung die Entspannungs- und Kühlvorgänge eines verdichteten Mediums in der Weise erfolgen, daß eine höhere Kalt leistung bei vorgegebenem Energieaufveand oder ein geringe-
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rer Energieaufwand bei vorgegebener Kälteleistung erreicht . wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur Kälteerzeugung mit Kryoanlagen durch Verdichten eines gasförmigen Mediums, das einen Voistrom bildet, dessen anschließende Stufenkühlung durch den Rückstrom dieses Mediums und Trennung des Gleichstromes in einen Haupt- und einen Hilfsstrom, der nach seiner Entspannung unter Energieentzug zum Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten in der Anlage ausgenutzt, während der Hauptstrom unter Verflüssigung in der Verflüssigungsstufe entspannt, worauf das entstandene flüssige Medium dem Kalteverbraucher zugeleitet wird, wo es in den Dampf verwandelt wird, der den Rückstrom bildet, welcher die Verflüssigungsstufe und die Eühlstuf en in Gegenrichtung passiert, erf indungsgeniäf. zumindest ein Teil des Hilfsstromes nach seiner Entspannung unter Energieentzug in die Verflüssigungsstufe eingeführt, wo er verflüssigt und ebenfalls dem Kälteverbraucher zugeführt wird.
Bei der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens strömt der Hauptstrom z.B. unter einem Druck von 20 bar und mindestens ein Teil des Hilfsstromes nach seiner Entspannung unter Energieentzug in den Kühlstufen bis zum Erreichten eines dem kritischen nahen Druckes z.B. bis 2 bar unter Verwendung von Helium in die Verflüssigungsstufe ein. In diesem Fall änciexn sich die Wärmekapazitäten des Haupt- und des Hilfsstromes in der Verflüssigungsstufe mit der Temperaturänderung nach verschiedener Gesetzen in Übereinstimmung mit ihrem Druck.
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Die Druckwerte und sonstigen Strömungszustände können so ausgewählt werden, daß die Änderung ihrer Gesamtwärmekapazität mit der Temperatüränderung einen ^harakter haben wird, der dem Verlauf der Wärmekapazität für den Rückstrom ähnlich sein wird.
Dadurch gelingt es, die Rückstroiakälte in der Verflüssigungsstufe aufkosten einer wesentlichen Verminderung der Temperaturdifferenz beim Wärmeaustausch des Haupt- und des Hilfsstrommes mit dem Rückstrom vollständiger auszunutzen und zusätzlich die Verflüssigungskühlung von zumindest einem Teil des Hilfsstromes durchzuführen.
Als Ergebnis nimmt die dem Kälteverbraucher zugeführte verflüssigte Heliurcnenge und somit die Kälteleistung unter gleichzeitiger Herabsetzung des spezifischen Energieaufwandes zu. Es kann also praktisch der ganze Heliumvorstrom ■ verflüssigt werden.
Es ist zweckmäßig, den Hauptstrom vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe bis zu einem Druck zu entspannen, der mindestens dem kritischen Druck des gasförmigen Hediams gleich ist, worauf er mit einem dieser Stufe zuzuführenden Teil des Hilfsstromes vereinigt wird.
Für Helium beträgt z.B. der kritische Druck 2,26 bar. Die Druckabsenkung des Hauptstromes muß vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe durch Entspannung unter Energieentzug in den einzelnen Kühlstufen durchgeführt werden, wobei die darin auftretenden Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen ausgeglichen werden.
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"3 !
In diesem Pall tritt ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zutage, daß sich der Verlauf der Wärmekapazität des Hauptstrcmes durch die Druckabsenkung des Hauptstromes vor seiner Einführung in die Verflüssigungsstufe dem Verlauf der Wärmekapazität des Rückstromes nähert, d.h. die Rückstromykälte kann wiederum vollständiger ausgenutzt werden.
Besonders merklich offenbart sich der Vorteil der vorgeschlagenen Druckabsenkung des Hauptstromes vor der Einfuhrung in die Verflüssigungsstufe in den Fällen, wenn die Entspannung des Hauptstromes mit dessen Verflüssigung in der Verflüssigun^sstufe im Thoiapson-Joule-Ventil d.h. durch Drosselung erfolgt.
Wie dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann bekannt ist, wird eine Erscheinung der Teinperaturänderung eines verdichteten üediums bei dessen Entspannung ohne Energieentzug d.h. bei dessen Drosselung als Drosseleffekt bezeichnet. Beim Temperatursenken des Mediums durch Drosselung wird der Drosseleffekt für positiv gehalten, bei - Temperaturerhöhung ist dieser Drosseleffekt negativ.
Für Helium ist ein negativer Drosseleffekt bei einer Entspannung zwischen 25 und 8 bis 12 bar bei Temperaturen von 5 bis 1O0K zu vermerken, der die als Ergebnis der Entspannung entstandene Flüssigkeitsmenge herabsetzt. Zum Ausgleich der erwähnten Erscheinung ist es bei der Verflüssigung des Hauptstromes durch Drosselung notwendig, daß sein Druck vor der Drosselung unter 8 bis 12 bar liegt. Darüber hinaus gestattet
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die Druckabsenkung des Hauptstromes vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe es, wie schon erwähnt, die Rückst romkälte in der Verflüssigungsstufe vollständiger auszunutzen.
Einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Druckabsenkung des Hauptstromes vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe durch dessen Entspannung unter Energieentzug bildet die Möglichkeit, Bedingungen einer wirkungsvollen Verwendung von Expansionsturbinen für die Entspannung des Hauptstromes zu gewährleisten. Diese Expansionsmaschinen, Expansionsturbinen genannt, arbeiten bei großen Strömen des zu entspannenden Mediums und relativ kleinen Entspannungsgraden d.h. unter den Bedingungen, die der Entspannung des Hauptstromes unter Energieentzug in den Kühlstufen eigen sind, wirkungsvoller. Im Vergleich zu den anderen Expansionsmaschinentypeη z.B. zu Kolbenexpansionsmaschinen besitzen die Expansionsturbinen eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit, und ihre Verwendung bietet folglich die Möglichkeit, die Betriebssicherheit der Anlage zu erhöhen, mit der die vorliegende Erfindung verwirklicht wird.
Mit der Erhöhung der Stromvolumina und der Verminderung
des Entspannungsgrades nimmt der thermodynamisehe Wirkungsgrad
des Entspannung Vorganges in den Expansionsturbinen zu, was letzten Endes auch zur Herabsetzung des spezifischen Energieaufwandes bei der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt.
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Es sei betont, daß die Druckabsenkung des Hauptstroraes
bar
bis zu einem Druck von 10 bis 12vvor der Einführung in die Verflüssigungsstufe wegen des negativen Drosseleffekts im Druckbereich von 25 bis 8 + 12 bar und bei Temperaturen von 5 bis 100K auch im Fall der Verflüssigung des Hauptstromes durch dessen Entspannung unter Energieentzug ihre Vorzüge hat, weil die Anforderungen an die Vollkommenheit der Expansionsmaschine und ihre konstruktive Ausführung in diesem Fall im Vergleich zu den Bedingungen, unter denen der Stromdruck vor der Entspannung 20 bis 25 bar beträgt, herabgesetzt werden können. Beziehungsweise kann der Energieaufwand in der Anlage unter Beibenhaltung der Güte der Expansionsmaschine reduziert werden.
Zweckmäßigerweise v.ird der der Verflüssigungsstufe zuzuführende Teil des Kilfsstrc es mit dein Jlauptstroia vor ihrer Einführung in diese Stufe vereinigt. Das gewährt einen gewissen Vorteil der im folgenden besteht.
Bei der Verflüssigung des Hauptstromes durch Drosselung ist es bevorzugt, wenn der Druck Z.---3 Hau^tstromes am Eintritt '. in die Verflüssigun^sstufe und der des zu verflüssigenden Teils des Hilfsstromes einander gleich sind. In diesem Fall werden sie zu einem Strom vereinigt. Als Ergebnis wird die Bauart der Wärmeaustauscher der Verflüssigungsstufe einfacher, und die
Menge der Expansionsvorrichtungen nimmt ab.
möglich,
Außerdem wird ee ■ y , die Verteilung des verflüssigten
Mediums unter verschiedenen Kälteverbrauchern nach Belieben zu ändern, ohne daß das Verhältnis des Hauptstromes zum Hilfset rom geändert werden muß.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kälteerzeugung in dessen verschiedenen Ausführungsvarianten biete* also die Möglichkeit, unter seiner Verwendung an Kryoanlagen folgende Vorteile zu erreichen.
Durch die obenbeschriebene Vervollkommnung des Vorganges in der Verflüssigungsstufe gelingt es, die Kälteleistung der Anlage wesentlich zu erhöhen oder den Energieaufwand unter Beibehaltung der Kälteleistung der Anlage, sowohl bei der Entspannung des Hauptstroines in der Verflüssigungsstufe unter Energieentzug als auch bei der Entspannung durch Drosselung herabzusetzen.
Außerdem werden die Bedingungen einer wirkungsvollen Ausnutzung der Ixpansionsturbinen in den Kühlstufen gewährleistet, wodurch die Betriebssicherheit der Anlage erhöht wird. Die Arbeitsbedingungen der Expansionsmaschine in der Kühlstufe werden besser, wodurch ebenfalls die Betriebssicherheit und die Leistur^ der Anlage gesteigert werden.
Unter Beibehaltung der Kälteleistung der Anlage liefert die Anwendung der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, die Abmessungen der Anlage zu vermindern d.h. ihre Gedrängtheit im Vergleich zu den bekannten Verfahren zu erhöhen.
Einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet die Iviöglichkeit, den verflüssigten Hauptstrom und den verflüssigten Teil des Hilfsstromes verschiedenen Käl"teVerbrauchern getrennt zuzuführen. Bei der Bedienung mehrerer Kälteverbraucher wird es möglich, die Anzahl der Vertex -
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ungs- und Regelarmatur' zu vermindern und auch den Druck von jedem Strom am Eingang in den Kälteverbraucher unabhängig voneinander zu regeln.
Einen Vorteil bildet auch die Möglichkeit, durch die Vereinigung des Hauptstromes mit dem Hilfsstrom vor der Verflüssigungsstufe diese Stufe konstruktiv zu vereinfachen.
Nachstehend werden die erwähnten Merkmale und sonstige Vorteile der Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Ss zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Kryoanlage zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausführungsvariante, wenn der Hauptstrom in der Verflüssigungsstufe durch Entspannung unter Snergieentzug und der Hilfsstrom teilweise verflüssigt wird,
Fig. 2 . eine Ausführungsvariante der Erfindung, wenn der Hilfsstrom vollständig verflüssigt wird,
Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Erfindung, wenn der Druck des Haupt stromes vor der Einführung in die Verfltissigungsstufe vermindert wird,
Fig. 4 eine Ausführungsvariante der Erfindung, wenn der Hauptstrom in der Verflüssigungsstufe mit Verflüssigung ohne Energieentzug d.h. durch Drosselung entspannt wird,
Fig. 5 eine Ausführungsvariante, wenn (fer-, zu verflüssigende Teil des Hilfsstromes vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe mit dem Hauptstrom vereinigt wird,
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Fig. 6 ein Temperatur T - Entropie S - Diagramm, das die Grundprozesse, die in der Verflüssigungsstufe vor sich gehen, in den in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsvarianten der Erfindung veranschaulicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kälteerzeugung mit Kryoanlagen nach der Erfindung wird v;ie folgt durchgeführt.
Ein gasförmiges Kedium z.B. Helium wird in dem Verdichter 1 (Fig. 1) bei Umgebungstemperatur bis zum Erreichen eines Druckes verdichtet, der den kritischen Druck dieses gaafözTii^en !."ecLiuir.s um ein Lehrfaches überschreitet, wobei dadurch ein Vojstrom "a" gebildet wird, der in dargestellter Pfeilrichtung "A11 fließt. Der Vorstrom "a" strömt in die erste Kühlstufe 2 ein, die aus V/ärmeaustauschern 31 4· und einer Expansionsmaschine 5 besteht. Im V.'ärmeaustauscher 3 wird der Vorstrom "a" mit dem entspannten Hückstrom "b" dieses Mediums, der in dargestellter Pfeilrichtung "B'1 fließt, bis auf eine absolute Temperatur abgekühlt, die ihrer Größe nach um ein Zwei- bis Dreifaches tiefer als die absolute Umgebungstemperatur ist.
Nach der Kühlung im Wärmeaustauscher 3 wird der Vorstrom "a" in einen Hauptstrom 11C", der in dargestellter Pfeilrichtung 11C" fließt, und einen mit Pfeil 11D" bezeichneten Hilfsstrom "d" getrennt. Der Strom "d" wird in der Expansionsmaschine 5 unter Energieentzug bis zu einem Druck entspannt, der etwa um ein Anderthalb- bis Zweifaches niedriger als der Ausgangsdruck ist. Im Ergebnis der Entspannung sinkt die Tempera-
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tür des Stro-ieu "d" etwa auf 10 bis 200K ab. Bis auf die gleiche Temperatur wird der Hauptstrom "c" in Wärmeaustauscher 4 durch den Rückstrom "b" abgekühlt.
In der ersten Kühlstufe 2 wird also das verdichtete gasförmige l.;edium z.B. Helium bis auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt. Dabei werden die Eneri,ieverluste, die durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen z.B. beim Verlauf des wärmeaustauschvorganges in den '.Vänneaustauschern 3 ur*d 4 mit einer Teinperaturdifferenz zwischen den Strömen} die in dieser Stufe ein paar, üblicherweise etwa 5°K beträgt, verursacht sind, aufkosten der Entspannung des Hilfsstromes dieses Mediums unter Lnergieentzug ausgeglichen.
Die Kühlung des verdichteten Stromes "c" und der Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten im V.ärnsaustauscher 4 v.erden. dadurch erreicht, daß die Masse des Stromes "b" größer aus die des Stromes "c" ist.
Ferner strömt der Hauptstrom "c" und der Hilfsstix "d" in die nächste, die zweite Kühlstufe 6 ein, die ähnliche Vorrichtungen enthält:. V/ärrne austauscher 7 und 8 und eine Lrpsnsioi." maschine 9· Nach der Kühlung im Wärmeaustauscher 7 wird der Strom "d" in einen Strom "f", der in Pfeilrichtung "P" fließt, und einen Strom "h", der in Pfeilrichtung "H" fließt, getrennt. Der Strom "c" wird zum Abkühlen den Wärmeaustauschern 7 und 8 zugeleitet. Im Wärmeaustauscher 7 wird auch der Strom "d" abgekühlt. Der Strom "f" wird in der Expansionsmaschine 9 bis
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zum Erreichen des Druckes des Rückstromes "e" entspannt, der die dritte Kühlstufe 10 verläßt und in Pfeilrichtung "E" fließt, wodurch der Strom "f" sich bis auf die Temperatur des Stromes 11 e" am Ausgang aus seiner dritten Stufe 10 abkühlt.
In der dritten Kühlstufe 10, die Y/ärmeaustauscher 11, 12 und eine Expansionsmaschine 13 enthält, wird der Hauptstrom "c" in den 7:ärmeaustauschern 11 und 12 abgekühlt, während der Strom "h" nach der Kühlung im Wärmeaustauscher 11 in der Expansionsmaschine 13 bis zum Erreichen eines dem kritischen Drucl; der für Helium 2, 26 bar beträgt, nahen Druckes entspannt v;ird. Infolge der Entspannung sinkt die Temperatur des Stromes "h" ab. Die Ströme "c" und "h" verlassen die dritte Kühlstufe 10 mit eir. ander nahen Temperaturen und strömen in eine Verflüssigungsstufe 14 ein, die V.ärmeaustauscher 15» 16» eine Expansionsmaschine 17 und ein Thompson-Joule-Ventil 18 enthält.
In der Stufe 14 wird der Hauptstrom "c" im Wärmeaustauscher 15 abgekühlt und in der Expansionsmaschine 17 bis zu dem Druck des Rückstromes "e" entspannt, wobei die Verflüssigung des Stromes "c" stattfindet. Der Strom "h" wird gemeinsam mit dem Hauptstrom "c" im Wärmeaustauscher 15 mit dem Rückstrom "e" abgekühlt. Durch Vorhandensein von zwei Vorströmen "c" und "h" in der Verflüssigungsstufe 14 können ihre Strömungszustände, d.h. Druck, Strömungsmenge und Temperatur am Eingang in die Stufe 14 derart geändert werden, daß der minimale Temperaturunterschied zwischen den Vorströmen "c" und "h" und dem
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Rückstrom "e" gewährleistet wird. Dabei bietet sich die Möglichkeit, den vorhandenen Kälteüberschuß des Rückstromes "e" für die Verflüssigung des Stromes "h" auszunutzen, der einen Teil des Hilfsstromss "d" darstellt. Das erfolgt im Wärmeaustauscher 16, wo der Strom "h" abgekühlt und durch seinen V/ärmeaustausch mit den Strom "eM kondensiert wird. Der Verflüssigungsvorgang ist deshalb möglich, daß der Strom "h" um ein Mehrfaches kleiner al£ der Strom "e" ist. Nach der Kondensation und Kühlung im Wärmeaustauscher 16 wird der Strom "h" im Thompson-Joule-Ventil 1S bis zum Druck des Rückstromes "e" gedrosselt, wodurch der Streu: "h" verflüssigt wird. Die entstandenen Ströme "h" und "c" des verflüssigten Mediums werden zu einem Kälteverbraucher 19 abgeleitet, wo das flüssige Medium infolge einer V.'ärmebelastung verdampft. Die den Kälteverbraucher 19 verlassenden Dumpfe bilden den Rückstrom "e", der die Stufen 14, 10, 6, 2 in Gegenrichtung passiert, sich erwärmt, mit dem entspannten Strom "f" vereinigt v.ird, den Strom "b" bildet,· sich bis auf die Umgebungstemperatur erwärmt und zum Verdichten in den Verdichter 1 einströmt. Der Kreisprozeß wird geschlossen, und femer wiederholen sich alle Vorgänge nochmals.
V/ie aus der angeführten Beschreibung ersichtlich, wird ein großer Teil (über 9O/S) des im Verdichter 1 verdichteten Mediums verflüssigt und dem Kälteverbraucher 19 zugeführt, was es die Kälteleistung der Anlage wesentlich zu erhöhen gestattet.
Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung wird anhand konkreter Beispiele erläutert.
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Beispiel 1
Helium wird im Verdichter 1 unter einem Druck von 1 bis 20 bar bei einer Temperatur von 30O0K verdichtet, wobei der
Vorstrom "a" gebildet wird, der in den Wärmeaustauscher 3 der Kühlstufe 2 einströmt. Im Wärmeaustauscher 3 wird der
Vor.strom "a" mit dem Rückstrom "b11, der in Gegenrichtung fließt, bis auf eine Temperatur von 1O5°K abgekühlt. Danach wird der Strom "aM am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 3 in den Ilauptstrom "c", der 613 vom Vor strom "a" beträgt, unJ den Hilfsstrom "d", der in die !expansionsmaschine 5 einströmt, getrennt. In der Expansionsmaschine 5 wird der Strom "d" unter Energieentzug bis zum Erreichen eines Druckes von 12 bar entspannt, wobei seine Temperatur auf 900K absinkt. Der Strom "c" wird im 7. arme aus tauscher 4 durch don Rückstrom "b" bis cuf die gleichen Temperatur abgekühlt.
In der zweiten Kühlstufe 6 werden die Ströme "c" und "d" im 7, arme a us ta us eher 7 bis auf eine Temperatur von 57°K abgekühlt, und ferner wird der Strom "cflim Wärmeaustauscher ö abgekühlt. Nach dem wärmeaustauscher 7 wird vom Hilfsstro.M "d" ein Teil, u.z. der Strom "f" abgeleitet und der Expansionsmaschine 9 zugeführt, wo er unter Energieentzug bis zum Er-
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reichen Druckes des Rückstromes entspannt wird. Dabei sinkt die Temperatur des Stromes "f" bis auf 32,5°K ab. Fa3t bis auf die gleiche Temperatur wird auch der Strom "c" im Wärmeaustauscher 8 abgekühlt.
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In der dritten Kühlstufe 10 werden die Ströme "c" und "h" ; im Wärmeaustauscher 11 bis auf eine Temperatur von 200K und der Strom "c" im Wärmeaustanscher 12 bis auf eine Temperatur von 120K abgekühlt. Der Strom "h" strömt nach dem Wärmeaustauscher 11 in die Expansionsmaschine 13 ein, wo er unter Energieentzug bis zum Erreichen eines Druckes von 2,1 bar entspannt wird. Als Ergebnis sinkt seine Temperatur bis auf 12°K ab.
In der Verflüssigungsstufe 14 wird der Strom "c" im Wärmeaustauscher 15 bis auf 5»75 K abgekühlt und in der Expansionsmaschine 17 unter Energieentzug bis zum Erreichen eines Druckes von 1,4 bar entspannt, wodurch das flüssige Helium entsteht. Im Sättigungszustand hat die Flüssigkeit eine dem Flüssigkeitsdruck entsprechende Siedetemperatur und enthält keine Dampfblasen. Der Strom "h" wird im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 5»75°K abgekühlt, danach im V.armeaustauscher 16 uneinem Druck von 2 bar kondensiert, bis auf eine Temperatur
vbn 4,70K abgekühlt, im Thompson-Joule-Ventil 18 entspannt und dem Kälteverbraucher 19 zugeführt. Die entstandenen Flüssigheliumströme "c" und "h" betragen etwa S2% von dem im Verdichter 1 gebildeten Strom "a". Die Ströme "h" und "c" werden dem Kälteverbraucher 19 zugeleitet, wo man sie verdampfen läßt, und die Dämpfe T/erden bei einer Temperatur von 4,50K und einem Druck von 1,3 bar als Rückstrom "e" in den Wärmeaustauscher 16" zurückgeführt. Hier wird der Strom "e" bis auf eine Temperatur von 5t5 ^, danach im Viärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur
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von 120K erwärmt und durch alle übrigen Y/ärmeaustauscher 12, 11, S, 7, 1, 3 in Gegenrichtung durchgelassen. Der Strom "b" tritt aus dem Wärmeaustauscher 3 bei einem Druck von 1,03 bar, einer Temperatur von 295°K aus und strömt zum Verdichten in den Verdichter 1 ein. Der Kreisprozeß wird geschlossen.
Betrachten wir ein weiteres Ausiührungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2, wenn der gesamte Hilfsstrom in der Verflüssigungsstufe verflüssigt wird.
Wie Fig. 2 zeigt, weist diese Variante nach der Erfindung ebenfalls drei Kühlstufen 2, 6, 10 und eine Verflüssigungsstufe 14 auf. Die Bezugszeicheh stimmen mit denen von Fig. 1 überein. Die Grundprozesse verlaufen ähnlich der obenbeschriebenen Ausführungsvariante der Erfindung.
Beispiel 2
Das gasförmige Helium wird im Verdichter 1 von einem Druck von 1 bar bis zu einem Druck von 25 bar verdichtet und als Voistrom "a" gefördert. Der Strom "a" fließt bei einer Temperatur von 30O0K durch den Wärmeaustauscher 3 der Kühlstufe 2 in Pfeilrichtung 11A". In dem Wärmeaustauscher 3 wird der Strom "a" durch den in entgegengesetzter Pfeilrichtung "B" fließenden Rückstrom "b" bis auf eine Temperatur von 10O0K abgekühlt.
Nach dem Wärmeaustauscher 3 wird der Strom "a" in den Hauptstrom "c" und den Hilfsstrom "d", der 33% von dem Strom
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"a" beträgt, getrennt. Der Strom "c" v.lrd durch den Rückstrom "b" in den 7;ärmeaust aus ehern 4, 7, 8, 11, 12, 15 bis auf eine Temperatur von 5»9°K abgekühlt, danach in der Expansionsmaschine 17 bis zum Erreichen eines Druckes von 1,4 bar entspannt, wodurch der Strom "c11 verflüssigt wird.
Der Strom "d" wird in der Expansionsmaschine 5 bis zum Crreichen eines Druckes von 18 bar entspannt, wobei seine Temperatur bis auf 9O°K absinkt. Hiernach wird der Strom "d" durch den Rückstrom "b" im wärmeaustauscher 7 bis auf eine Temperatur von 41,90K abgekühlt, dann in der Expansionsmaschine 9 bis zum Erreichen eines Druckes von 10 bar entspannt, v;obei seine Temperatur bis auf 35°^ absinkt. Ferner v;ird der Strom "d" nach dem Wärmeaustauscher 11 mit einer Temperatur von 22,5°K in der Expansionsmaschine 13 bis zur, Erreichen eines Druckes von 2,3 bor entspannt und mit einer Temperatur von 15>3°K der Verflüssigungsstufe 14 zugeführt. Weiter verlaufen alle Vorgänge ähnlich wie die in Beispiel 1 beschriebenen. Die Temperatur des Stromes "d" beträgt nach dom Y.drmcsustauscher 15 5t9°K, während die Temperatur des Stromes "b" nach dem '.Varineoustauscher 16 5,60K beträgt.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispieb des
erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß praktisch das ganze im Verdichter 1 zu verdichtende Helium verflüssigt und dem Kälteverbraucher 19 zugeführt wird. Diese Variante gestattet es auch, die Expansionsturbinen 5, 9, 13 zu vereinheit-
Betriebs;
liehen und ihre . ^bedingungen zu verbessern.
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Ά,
In der folgenden Ausführungsvariante, die der Fig. 3 entspricht, wird der Druck des Hauptstromes "c" vor der Einführung
in die Verflüssigungsstufe 14 durch Entspannung in den Kühlstufen vermindert. Der Druck des Stromes "c" am Eintritt in die Stufe 14 liegt über dem kritischen Druck für Helium. In dieser Variante werden die verflüssigten Ströme "c" und "d" in dem Kälteverbraucher 19 vereinigt.
Das gasförmige Medium v/ird im Verdichter 1 von dem dem Atmosphärendruck gleichen Druck des Rückstromes "b" auf einen Druck verdichtet, der den kritischen Druck dieses Mediums um ein Mehrfaches überschreitet. Das verdichtete Medium bildet den Verström "a", der bei einer etwa 3CO°K betragenden Umgebungstemperatur in drei hintereinandergeschaltete Kühlstufen 2, 6, 10 und die Verflüssigungsstufe 14 einströmt, die, ser:v3O wie in anderen Ausführungsvarianten, aus V.'ärmeaustcu.tchern, einer Expansionsvorrichtung, d.h. einer Expansionsmaschine oder einem Thonipson-Joule-Ventil, die mit denselben Bezugs ζ eich on v.j.e P1I-. 1, 2 versehen sind, und diese verbindenden Verbindungsv.o; _.^ bestehen.
Der Vorstrom "a" fließt in Pfeilrichtung "A" durch den Wärmeaustauscher 3» wo er durch den mit Pfeil "B" bezeichneten Rückstrom "b" bis auf eine Temperatur von etwa 10O0K abgekühlt und dann in den Hauptstrom "c" und den Hilfsstrom "d" getrennt wird. Die Bewegungsrichtungen dieser Ströme sind entsprechend mit Pfeilen 11C" und "D" bezeichnet.
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Die beiden Ströme "c" und "d" werden in den hintereinandergeschalteten Kühlstufen 2, 6, 10 ähnlich wie oben beschrieben mit nur cieni Unterschied abgekühlt., daß der Hauptstrom "c" in den Expansionsmaschinen 5 und 9 und der Hilfsstrom "d" nur in der L'xpansionsmaschine 13 der dritten Kühlstufe 10 entspannt v;ird.
Der Strom "c" strömt bei einem Druck, der etwa um ein Zweifaches niedriger als der des Mediums nach dem Verdichter 1 ist, und der Strom "d" bei einem dem kritischen nahen Druck in die Verflüssigungsstufe 14 ein. Bei dem zu beschreibenden Verfahren werden die Voiströiae "c" und "d" ähnlich wie oben beschrieben in der Verflüssigungsstufe 14 verflüssigt.
Betriebe Abgesehen von der Verbesserung der (bedingungen der
Expansionsturbinen 5» 9 bietet die Druckobsenkunp; des Stromes "c" vor der Verflüssigungsstufe 14 die Möglichkeit, das Mengenverhältnis Hauptstrom "c" zu Hilfsstrom "d" in Übereinstimmung mit dem ausgewählten Druck zu regeln. Der letztere Umstand ist für die Verflüssigung des gesamten Hilfsstromes "d" und bei der Versorgung verschiedener Kälteverbraucher mit dem verflüssigten Medium von i'utzen.
Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung wird anhand eines konkreten Beispiels erläutert.
Beispiel 3
Helium wird im Verdichter 1 von 1 bis 25 bar verdichtet, wobei der in Fig. 3 mit Pfeil 11A11 bezeichnete Vorstrom "a" zustandekommt.
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Der Vorstrom "a" wird bei einer Temperatur von 300 K der ersten Kühlstufe 2 zugeführt. In dem Wärmeaustauscher 3 der ersten Stufe 2 wird der Strom "a" durch den Rückstrom "b" bis auf 165°K. abgekühlt und in den Ilauptstrorn, der als Strom 11C" der Lxpansicnsmaschine 5 zugeleitet wird, und den Hilfsstrom, der als Strom l!d", der 30% von dem Strom "a" beträgt, zum Abkühlen in die hintereinandergeschalteten V.ärmeaustauscher 4, 71 8, 11 der KUhlstufen 2, 6, 10 einströmt, getrennt.
Der Strom "c" wird in der Expansionsmaschine 5 bis zum Erreichen eines Druckes von 18 bar entspannt, wobei er bis auf einen Temperatur von 15O1TC abgekühlt und der zweiten Kühlstufe 6 zugeführt wird, in der alle Vorgänge ähnlich den in Beispielen 1, 2 beschriebenen verlaufen. Der Strom "c" vjird der Expansionsmaschine 9 von 18 auf 12 bar entspannt, wobei seirie Temperatur sich von 40 bis auf 35°K ändert. In der Kühlstufe IC wird der Strom "c" in den Wärmeaustauschern 11 und 12 bis auf eine Temperatur von 8,5°K und der Strom "d" bis auf eine Temperatur von 18 K abgekühlt. Danach wird der Strom "dH in dor Expansionsmaschine 13 bis zum Erreichen eines Druckes von 2,1 bar entspannt und bei einer Temperatur von 8,5°K der Verflüssigungsstufe 14 zugeführt.
In der Verflüssigungsstufe 14 werden die Ströme "c" und "d" in dem V.ärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 5150Ii abgekühlt. Danach wird der Strom "c" in der Expansionsmaschine 17 bis zum Erreichen eines Druckes von 1,4 bar ent-
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spannt, wodurch er verflüssigt wird. Der Strom "d" wird im Wärmeaustauscher 16 bis auf eine Temperatur von 4,650K abgekühlt, wobei er kondensiert wird. Ferner wird er im Thompson- -Joule-Ventil 18 entspannt und dem Kälteverbraucher 19 zugeleitet.
Im Kälteverbraucher 19 läßt man die verflüssigten Ströme "c" und "d" verdampfen, und die Dämpfe bilden den mit Pfeil 11B" bezeichneten Eückstrom "b11, der bei einer Temperatur von 4,5°K in die Verflüssigungsstufe 14 einströmt, sämtliche '.Värmeaustauscher 16, 15f 12, 11, 8, 7, 4, 3 in Gegenrichtung passiert, bis auf eine Temperatur von 290 K erwärmt und zum Verdichten dem Verdichter 1 zugeführt wird. Der Kreisprozeß wird geschlossen.
Betrachten wir die nächste Ausführun^svariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn der Hauptstrom in der Verflüssigungsstufe unter Verflüssigung ohne Energieentzug d.h. durch Drosselung entspannt wird.
In einigen Fällen, z.B. zwecks Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage, wird der Entspannungsvorgang in der Expan-
einen
sionsiaaschine 17 durch ·*' Drosselungsvorgang ersetzt. Dabei
nimmt der Wirkungsgrad ' der Anlage etwas ab.
Die Abnahme der Kälteleistung . wird durch eine gewisse Erhöhung des Ausgangsdrucks unter Beibehaltung der Anzahl der Expansionsmaschinen (nämlich vier) ausgeglichen. Dabei enthält die Anlage bereits vier Kühlstufen 2, 6, 10 und 14,
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eine Verflüssicungsstufe 21 (s. Fig. 4). Die Kühlstufen 2, 6, 10 und 14 enthalten die Expansionsmaschinen 5» 9» 13 un^ 20, und der Hauptstrom "c" wird in der Verflüssigungsstufe 21 in den Thompson-Joule-Ventilen 23 und 26 entspannt, worauf er genauso vde der Hilfsstrom "d" nach der Entspannung in den Ventilen 24 und 18 verflüssigt wird.
Durch die Drucksteuerung des Mediums nach dem Verdichter 1 und Aufrechterhaltung der Anzahl der Expansionsmaschinen von vier gelingt es auch in diesem Fall, den gesamten im Verdichter 1 verdichteten Vonstrom zu verflüssigen und dem Kälteverbraucher 19 zuzuführen. Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung vdrd anhand eines konkreten Beispiels erläutert.
Beispiel 4
Helium wird im Verdichter 1 (Fig. 4) von 1 bis 31 tar verdichtet und bei einer Temperatur von 30O0K als Vorstrom "a" der ersten Kühlstufe 2 zugeleitet. In Analogie zu den obenbeschriebenen Beispielen wird der Strom "a" nach dem Wärmeaustauscher 3 bei einer Temperatur von 127°K in den Hauptstrom "c" und den Hilfsstrom "d" getrennt.
Der Strom "c", der 75,3 von dem Strom "a" beträgt, wird in der Expansionsmaschine 5 bis zum Erreichen eines Druckes von 20 bar entspannt, wobei seine Temperatur bis auf 1100K absinkt. Danach wird der Strom "c" in der zweiten Kühlstufe 6 nach dem Wärmeaustauscher 7 Mt einer Temperatur von 47,80K
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in der Expansionsmaschine 9 bis zum Erreichen eines Druckes von 10 bar entspannt und mit einer Temperatur von 400K dem Wärmeaustauscher 11 zugeführt. IJach. dem Yvärmeauotauscher 11 wird der Strom "c" mit einer Temperatur von 27,5°K in der Expansionsmaschine 13 bis zum Erreichen eines Druckes von 4,2 bar entspannt, und bei einer Temperatur von 21°K strömt er in die nächste, vierte Kühlstufe 14 ein.
In der Stufe 14 wird der Strom '"c" durch den Kückstrom 11 b" in den Wärmeaustauschern 15 und 16 bis auf eine Temperatur von 5»75°K abgekühlt und der Verflüssigungsstufe 21 zugeleitet.
Der Strom "d" wird durch den Rückstrom "b" in den V.ärmeaus· tauschern 4, 7» ö, 11, 12, 15 bis auf eine Temperatur von 8,5 K abgekühlt, danach in der Expansionsmaschine 20 bis zum Erreichen eines Druckes von 3|8 bar entspannt und mit einer Temperatur von 5i75°K ebenfalls der Verflüssigungsstufe 21 zugeleitet.
In der Verflüssigungsstufe 21 werden die Ströme "c" und "d" in ..ärmeaustauscher 22 bis auf 5|1°K abgekühlt, entsprechend in den Thompson-Joule-Ventilen 23 und 24 bis zum Erreichen eines Druckes von 2,1 bar entspannt, hiernach im Wärmeaustauscher 25 bis auf eine Temperatur von 4,7°K abgekühlt, in den Ventilen 23 und 18 bis zum Erreichen eines Druckes von 1,4 bar entspannt und in verflüssigtem Zustand dem Kälteverbraucher 19 zugeführt. Nach dem Kälteverbraucher 19 bilden die Heliumdämpfe bei einem Druck von 1,3 bar und einer Temperatur von 4,5°K den Rückstrom
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"b", der alle wärmeaustauscher in mit Pfeil "B" bezeichneter Gegenrichtung passiert, sich darin bis auf 295°K erwärmt und zum Verdichten in den Verdichter 1 einströmt. Der Kreisprozeß wird geschlossen.
Betrachten wir die nächste Ausführungsvariante der Erfindung, wenn der zu verflüssigende Teil des Hilfsstromes vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe mit dem Hauptstrcm vereinigt wird.
Die Zweckmäßigkeit dieser Variante ist bei ausführlicher Betrachtung der Strömungszustandsgrößen des Haupt- und Hilfsstromes beim Austritt aus der vierten Kühlstufe 14 ger.äß I<lg.4 anschaulich zu sehen. Hier haben die Ströme "c" und "d" gleiche Temperaturen und nahe Druckwerte von 4,2 und 3»8 bar. '-Venn die Entspannung in den Expansionsmaschinen 13 und 20 n-ich lij. 4 bis zuk: !.!-reichen eines ,gleichen Drucks von 4 bar erfolgt, so werden sich die Betriebsdaten des Vorganges in der Verflüssigungsstufe 21 gemäß Fig. 4 nicht ändern. Dieser IaIl ist in Fig. 5 dargestellt.
In der Ausführungsvariante des Verfahrens gemäß Fi:;. 5 stimmen alle beschriebenen Verfahren gänzlich mit der Beschreibung nach Fig. 4 nur mit dem Unterschied überein, daß der Hauptstrom "c" und der Hilfsstrom "d" vor dem Eintritt in die Stufe 21 nach Fig. 5 gleiche Drücke nach dem Wärmeaustauscher 16 und der Expansionsmaschine aufweisen, zum Strom "e", dessen Richtung mit Pfeil "E" bezeichnet ist, vereinigt und dem Kälte-
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verbraucher 19 zugeleitet werden. Der Strom "e11 ist dem Strom "afl gleich. Dadurch finden nur zwei Ventile anstatt der vier in Fig. 4 dargestellten Ventile Verwendung, was die Konstruktion der Anlage beträchtlich vereinfacht. Das Gesagte wird an folgendem Beispiel erläutert.
Beispiel 5
Die Beschreibung des Vorganges nach Fig. 5 bleibt für alle vier Kühlstufen 2, 6, 10 und 14 die gleiche wie in Beispiel 4 nach Fig. 4 und wird daher nicht angeführt. Der Unterschied besteht nur darin, daß der Druck des Haupts^rones "c" am Austritt aus den Wärmeaustauscher 16 dem des Kilfsi-:t;rc."2S "d" em Austritt aus der Expansionsmaschine 20 gleich ist und 4 bar beträgt.
Nach der Vereinigung dieser Strör.o zum Strom "e" str-rt er bei einer Temperatur von 5»75°K in die Verflüssigungsstufe 21 ein.
In der Vc-rflüssigungsstufe 21 wird der vereinigte Stron "e" im Wärmeaustauscher 22 bis auf 5j1°K abgek'll, ; in: \ :-r.til 23 bis zum Erreichen eines Druckes von 2,1 bar entspannt, in Wärmeaustauscher 24 abgekühlt und kondensiert, wieder im Ventil 25 bis zum Erreichen eines Druckes von 1,4 bar entspannt und dem Kälteverbrauchor I9 zugeführt.
Der Rückstrom "b" fließt von dem Kälteverbraucher I9 bei einer Temperatur von 4,50K und einem Druck von 1,3 bar, passiert alle Wärmeaustauscher, wo er sich bis auf eine Tempera-
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tür von 295°K erwärmt, in Gegenrichtung. Danach wird er zum Verdichten dem Verdichter 1 zugeführt. Der Kreisprozeß wird geschlossen.
Die angeführten Beispiele zeigen, daß die Anwendung der beschriebenen Erfindung auch beim Ersatz des Expansionsvorganges in der Expansionsmaschine unter Verflüssigung des Ilaupt-
einen
teils des Vorstromes durch ν . Drosselungsvorgang dieses Stromes die Möglichkeit bietet, fast 1003 von dem im Verdichter verdichteten Medium zu verflüssigen. Dabei beträgt der Druck des Mediums etwa 30 bar.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Variante, bei der die Entspannung des Hauptstromes 11C11 in der Verflüssi-gungsstufe unter Energieentzug erfolgt, werden durch Fig. 6 veranschaulicht, die die Vorgänge, die in der Verflüssi-ungsct.' fe verlaufen, im Temperatur T - Entropie S - Diagramm zeigt.
Bei einem Druck, der viel höher als der kritische int und dem Punkt 1 entspricht, strömt der Haupt strom, el or in den Kühlstufen bis auf die Temperatur in Punkt 1 aL^ek'lhlt wurde, in die Verflüssxgungsstufe ein. Gemeinsam mit dem Kauptstrom strömt auch der bis zu dem dem Punkt VI entsprechenden, den Rückstromdruck überschreitenden Druck entspannte und in uen Kühlstufen bis auf die Temperatur im Punkt VI (die der im Punkt 1 gleich ist) abgekühlte Hilfsstrom in die Verflüssigungs stufe ein.
Diese beiden Ströme werden bei ihrem konstanten Druck durch den Eückstrom bis auf die gleichen Temperaturen in den
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Punkten II bzw. VII abgekühlt. Dabei erwärmt sich der Rückstrom von der Temperatur im Punkt IV auf die Temperatur im Punkt V.
Die Stromdrücke und -massen wurden so ausgewählt, daß die Gesamtwärmekapazität der Voi?ströme der Wärmekapazität des Rückstromes in dem gesamten Temperaturbereich nahe ist. Infolgedessen ist der Temperaturunterschied zwischen dem Vor- und dem fiückstrom klein genug und nur durch die Effektivität des Wärmeaustauschers gegeben. Praktisch beträgt der erwähnte unterschied 0,1 bis 0,3°K.
In lig. 6 wird dieser Unterschied durch den Ordinatenunterschied der Punkte 1 und V, VI und V, II und IV1, und VII und IV1 bestimmt.
Der im Vorgang I-II bis auf eine Temperatur von etwa 6 K abgekühlte Hauptstrom wird aus dem WärmeaustauschVorgang herausgeführt und in der Expansionsmaschine unter Energieentzug bis zum Erreichen des Rückstromdruckes im Vorgang II-III entspannt. Als Ergebnis entsteht das flüssige Helium bei der Siede temperatur, die dem Rückstromdruck entspricht.
Das verflüssigte Helium wird dem Kälteverbraucher zugeleitet, wo es im Vorgang III-IV verdampft und in Dampfform bei einer Temperatur von etwa 4,5°K in die Verflüssigungsstufe zurückgeführt wird. Temperatur und Entropie des Dampfes werden durch den Punkt IV gekennzeichnet.
Der Hilfsstrom wird nach seiner Kühlung bis auf die Temperatur im Punkb VII durch den Wärmeaustausch mit dem Rückstrom
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im Vorgang VII-VIlI zusätzlich abgekühlt, im Vorgang VlII-IX kondensiert und noch bis auf die Temperatur im Punkt X abgekühlt. Dann wird dieser Strom im Vorgang X-XI abgedrosselt, wodurch er fast vollständig verflüssigt und ebenfalls dem Kalte verbraucher zugeleitet wird, wo man ihn im Vorgang XI-IV verdampfen läßt. Im Ergebnis des Wärmeaustausches erwärmt sich der Rückstrom im Vorgang IV-IV bis auf eine Temperatur von etwa 5i5°K.
Das angeführte T-SrDiagramm veranschaulicht Vorteile der vorliegenden Erfindung, die in folgendem bestehen.
Durch die Einführung des Hilfsstroir.es in die Verflücsigungsstufe bei einem dem kritischen nahen Druck gelingt es, den Temperaturunterschied zwischen dem Rückstrom und den beiden Vorstrafen, d.h. dein Haupt- und dem Hilf.3stro:a zu. vermindern. Dadurch v.drd die im Rückstrom enthaltene ';berschu3-kälte auf dem den Punkten IV und IV entsprechenden Te::.peraturni veau rationell für die Verflüssigung des Hilfsstromes verwertet. Im Ergebnis wird die dein Kälteverbraucher zug ei uhr-je Plüssigkeitsmenge erhöht und folglich die Kälteleistung der Anlage gesteigert. Bei den bekannten Verfahren zur Kälteerzeugung geht diese Kälteleistungsreserve im wesentlichen als Entropieerhöhung verloren.
Die Verwirklichung des beschriebenen Verfahrens zur Kälteerzeugung mit einer Versuchskryoanlage ergab, daß sic if ihre Kälteleistung von 320 bis 480 W, d. h. um 50% erhöht hat.
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Claims (2)

PATEKTAN SPRÜCHE
1. Verfahren zur Kälteerzeugung mit Kryoanlagen durch Verdichten eines gasförmigen Mediums, das einen Vor-Strom bildet, dessen anschließende Stufenkühlung durch den Rückstrom die ses Mediums und Trennung des Vorstromes in einen Haupt- und einen Eilfsstrom, der nach seiner Entspannung unter Energie entzug zum Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten in der Anlage ausgenutzt, während der Hauptstrom unter seiner Verflüssigung in der Verflüssigungsstufe entspannt, worauf das entstandene flüssige !.tedium dem Kälteverbraucher zugeleitet wird, wo es in den Dampf verwandelt wird, der den Rückstrom bildet, welcher die Verflüssigungsstufe und die Kühlstufen in Gegenrichtung passiert, dadurch gekennzeichnet, da3 zumindest ein Teil des Hilfsstromes (d) nach seiner Entspannung unter Lnergieentzug in die Verflüssigungsstufe (14) eingeführt, dor-fc* verflüssigt und ebenfalls dem Kälteverbraucher (19) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Hauptstrom (c) vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe (14, 21) bis zum Erreichen eines Druckes entspannt wird, der mindestens dem kritischen Druck des gasföimigen Mediums gleich ist, worauf er mit einem dieser Stufe (14, 21) zuzuführenden Teil des Hilfsstromes (d) vereinigt wird.
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