DE2709192B2

DE2709192B2 - Verfahren zur Kälteerzeugung

Info

Publication number: DE2709192B2
Application number: DE2709192A
Authority: DE
Inventors: Boris Aleksandrovi&ccaron; Moskva &Ccaron;erny&scaron;ev; Sergei Michailovi&ccaron; Korsakov-Bogatkov; Boris Davydovi&ccaron; Krakovsky; Vasilij Dmitrievi&ccaron; Nikitkin; Evgenij Valentinovi&ccaron; Onosovskij; Vladimir Grigorievi&ccaron; Pronko; Leonid Michailovi&ccaron; Stolper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1981-04-16
Also published as: GB1531685A; SU606042A1; FR2343211B1; DE2709192A1; FR2343211A1; DE2709192C3; CH606946A5; JPS52115453A; US4161107A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kälteerzeugung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in einer Kryoanlage mit einem in geschlossenem Kreislauf zirkulierenden leichten Gas, z. B. Helium oder Wasserstoff, insbesondere auf ein Verfahren zur Kälteerzeugung durch Verdichten des gasförmigen Mediums, das einen Vorstrom bildet, dessen anschließende Kühlung in mehreren Stufen durch den Rückstrom dieses Mediums und Trennung des Vorstromes in einen Hauptstrom und einen Hilfsstrom, wobei der letzlere zum Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten in der Anlage arbeitsleistend entspannt wird, während der Hauptstrom zur Verflüssigung in einer Verflüssigungsstufe entspannt wird, worauf das entstandene flüssige Medium dem Kälteverbraucher zugeleitet wird, wobei es verdampft, und der Dampf den Rückstrom bildet, welcher die Verflüssigungsstufe und die Kühlstufen in Gegenrichtung durchströmt.

Bei einem aus der US-PS 30 98 732 bekannten Verfahren dieser Art wird der Hilfsstrom lediglich einer arbeitsleistenden Entspannung in einer Expansionsmaschine unterworfen, wodurch er nicht zur Verflüssigung kommt. Es wird somit nur ein Teil des zirkulierenden Gasmediums verflüssigt, nämlich nur der Hauptstrom, und auch der nur teilweise, so daß die auf den Energieverbrauch der Anlage bezogene Kälteleistung der Anlage begrenzt ist. Der Kälteüberschuß des Rückstroms wird nicht optimal ausgenutzt; ein Teil der Kälte geht durcli unvollständigen Wärmeaustausch verloren, was zu einer Entropiezunahme des Gasmediums führt.

Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Entspannung des Hauptstroms in der Verflüssigungsstufe durch Drosselung, wodurch zusätzlich Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen der Wärmeaustauschvorgänge infolge hoher Temperaturunterschiede zwischen Vor- und Rückstrom auftreten.

Aus DE-OS 16 01061 ist noch ein Verfahren zur Kälteerzeugung der vorstehend betrachteten Art bekannt, bei dem der Hochdruck-Vorlaufstrom unter Bildung von zwei Hauptströmen auf zwei Strömungs-

!0 wege aufgeteilt wird, von denen einer einen Zusatzwärmetauscher zum Wärmetausch mit dem Rückstrom durchläuft, während der andere im Wärmetausch mit Hilfsströmen gekühlt wird, die von ihm selbst abgezweigt wurden. Auch hier soll unter einem Hilfsstrom ein Strom verstanden werden, der zum Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten in der Anlage arbeitsleistend entspannt wird, wobei die gewonnene Kälte zur Kühlung des Hauptstroms auf eine vorgegebene Temperatur dient.

Nach dem Durchlaufen dieser verschiedenen Strömungswege werden die Hauptströme wieder vereinigt, wobei sichergestellt wird, daß ihre Druckparameter an der Vereinigungsstelle übereinstimmen, und durchlaufen vor ihrem Eintritt in die Verflüssigungsstufe noch als gemeinsamer Vorlauf-Hauptstrom einen Wärmetausch mit dem Rückstrom. Die verschiedenen Hilfsströme werden dagegen nach ihrer arbeitsleistenden Entspannung nur dem jeweiligen Rückstrom zugeführt und keiner gelangt in die Verflüssigungsstufe und keiner wird verflüssigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kälteerzeugung mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen, d. h. ein Verfahren, mit dem eit.e höhere Kälteleistung bei vorgegebenem Energieaufwand oder ein geringerer Energieaufwand bei vorgegebener Kälteleistung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art zumindest ein Teil des Hilfsstromes nach seiner arbeitsleistenden Entspannung bei einem über dem Druck des Rückstroms liegenden Druck im Wärmeaustausch mit dem Rückstrom abgekühlt, durch Entspannung verflüssigt und ebenfalls dem Kälteverbraucher zugeführt wird.
Bei einer solchen Durchführung des Verfahrens ändern sich die Wärmekapazitäten des Haupt- und des Hilfsstromes in der Verflüssigungsstufe mit der Temperaturänderung nach verschiedenen Gesetzen in Übereinstimmung mit ihrem Druck und die Zustandsgrößen können so gewühlt werden, daß die Änderung ihrer Gesamtwärmekapazität mit der Temperaturändeiung einen Charakter haben wird, der dem Verlauf der Wärmekapazität für den Rückstrom ähnlich ist. Dadurch gelingt es, die Rückstromkälte in der Verflüssigungsstufe durch eine wesentliche Verminderung der Temperaturdifferenz beim Wärmeaustausch des Haupt- und des Hilfsstromes mit dem Rückstrom vollständiger auszunutzen und zusätzlich die Verflüssigung von zumindest einem Teil des Hilfsstromes zu erzielen.

Als Ergebnis nimmt die dem Kälteverbraucher zugeführte verflüssigte Gasmenge und somit die Kälteleistung unter gleichzeitiger Herabsetzung des spezifischen Energieaufwandes zu. Es kann praktisch die gesamte Menge des zirkulierenden Gases verflüssigt

(>5 werden.

Es ist zweckmäßig, den Hauptstrom vor der Einleitung in die Verflüssigungsstufe bis auf einen Druck zu entspannen, der mindestens dem kritischen Druck

des gasförmigen Mediums 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 arbeitsleistende Entspannung in den einzelnen Kühlstufen durchgeführt werden, wobei die darin auftretenden Verluste durch nicht umkehrbare Zustandsänderunjjen ausgeglichen werden. Dabei wird der Verlauf der Wärmekapszität des Hauptstromes durch die Druckabsenkung des Hauptstromes vor seiner Einführung in die Verflüssigungsstufe dem Verlauf der Wärmekapazität des Rückstromes angenähert, d. h. die Rückstromkälte kann wiederum voilständiger ausgenutzt werden.

Besonders merklich wird der Vorteil der vorgeschlagenen Druckabsenkung des Hauptstromes vor der Einführung in die Verflüssigungsstufe dann, wenn seine Entspannung zur Verflüssigung mittels eines Thompson-Joule-Ventils, d. h. durch Drosselung erfolgen soll.

Für Helium tritt bei einer Drosselung von 25 auf 8 bis 12 bar bei Temperaturen von 5 bis 10 K ein negativer Drosseleffekt, d. h. eine Temperaturerhöhung auf, der die als Ergebnis dieser Art der Entspannung entstandene Flüssigkeitsmenge herabsetzt. Z'im Ausgleich ist es bei der Verflüssigung des Hauptstromes durch Drosselung notwendig, daß sein Druck vor der Drosselung unter 8 bis 12 bar liegt.

Schließlich können bei der Druckabsenkung des Hauptstromes vor dessen Einleitung in die Verflüssigungsstufe für die arbeitsleistende Entspannung Exp?nsionsturbinen verwendet werden, die gegenüber KoI-benexpansionsmaschinen bei großen Strömen des zu entspannenden Mediums und relativ kleinen Entspannungsgraden, d. h. unter den hier vorliegenden Bedingungen wirkungsvoller arbeiten und auch zuverlässiger sind.

Es kann zweckmäßig sein, den der Verflüssigungsstufe zuzuführenden Teil des Hilfsstromes mit dem Hauptstrom vor deren Einleitung in diese Stufe zu vereinigen. Es muß dann der Druck des Hauptstromes und der des zu verflüssigenden Teils des Hillsstromes am Eintritt in die Verflüssigungsstufe einander gleich sein und dafür wird die Bauart der Wärmeaustauscher der Verflüssigungsstufe einfacher. Außerdem wird es möglich, die Verteilung des verflüssigten Mediums auf verschiedene Kälteverbraucher nach Belieben zu ändern, ohne daß das Verhältnis des Hauptstromes zum Hilfsstrom geändert werden muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kälteerzeugung in dessen verschiedenen Ausführungsvarianten bietet also die Möglichkeit, die Kälteleistung der Anlage wesentlich zu erhöhen oder den Energieaufwand unter Beibehaltung der Kälteleistung herabzusetzen, und zwar sowohl bei arbeitsleistender Entspannung des Hauptstromes in der Verflüssigungsstufe, als auch bei Entspannung durch Drosselung. Bei gleicher Kälteleistung kann die Anlage kompakter gebaut werden. In den Kühlstufen können vorteilhaft Expansionsturbinen verwendet werden. Das verflüssigte Medium kann verschiedenen Kälteverbrauchern getrennt zugeführt werden.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter Erläutert. Es zeigt

Fig, 1 di^ schematische Darstellung einer Kryoanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Hilfsstrom teilweise verflüssigt wird;

F i g. 2 die schematische Darstellung einer Kryoanlage, in der der Hilfsstrom vollständig verflüssigt wird;

F i g. 3 die schematische Darstellung einer Kryoanlage, in der der zu verflüssigende Hilfsstrom vor seiner Einleitung in die Verflüssigungsstufe mit dem Hauptstrom vereinigt wird;

Fig.4 ein Temperatur-Entropie T-s-Diagramm zur Veranschaulichung der beim erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden Zustandsänderungen.

ίο Ein gasförmiges Medium z. B. Helium wird in dem Verdichter 1 (Fig. 1) bei Umgebungstemperatur bis zum Erreichen eines Druckes verdichtet, der den kritischen Druck dieses gasförmigen Mediums um ein Mehrfaches überschreitet, wobei dadurch ein Vorstrom »a« gebildet wird, der in dargestellter Pfeilrichtung »A« fließ». Der Vorstrom »a« strömt in die erste Kühlstufe 2 ein, die aus Wärmeaustauschern 3, 4 und einer Expansionsmaschine 5 besteht. Im Wärmeaustauscher 3 wird der Vorstrom »a« mit dem entspannten Rückstrom »ix< dieses Mediums, der in dargestellter Pfeilrichtung »&< fließt, bis auf eine absolute Temperatur abgekühlt, die etwa die Hälfte bis ein Dritte! der absoluten Umgebungstemperatur beträgt.

Nach der Kühlung im Wärmeaustauscher 3 wird der Vorstrom »a« in einen Hauptstrom *>e«, der in dargestellter Pfeilrichtung »C« fließt, und einen mit Pfeil »D« bezeichneten Hilfsstrom »</« getrennt. Der Strom »d« wird in der Expansionsmaschine 5 unter Energieentzug bis zu einem Druck entspannt, der etwa zwei Dritiel bis die Hälfte des Ausgangsdruckes beträgt. Im Ergebnis der Entspannung sinkt die Temperatur des Stromes »d« etwa auf 10 bis 20 K ab. Bis auf die gleiche Temperatur wird der Hauptstrom »a< im Wärmeaustauscher 4 durch den Rückstrom »Zx< abgekühlt.

In der ersten Kühlstufe 2 wird also das verdichtete gasförmige Medium z. B. Helium bis auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt. Dabei werden die Energieverluste, die durch nicht umkehrbare Zustandsänderungen z. B. beim Verlauf des Wärmeaustauschvorganges in den Wärmeaustauschern 3 und 4 mit einer Temperaturdifterenz zwischen den Strömen, die in dieser Stufe einige, üblicherweise etwa 5 K beträgt, verursacht sind, durch Entspannung des Hilfsstromes dieses Mediums unter Energieentzug ausgeglichen.

4^r> Die Kühlung des verdichteten Stromes »cv und der Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten im Wärmeaustauscher 4 werden dadurch erreicht, daß die Masse des Stromes »tx< größer als die des Stromes »a< ist.

Ferner strömt der Hauptstrom »a< und der Hilfsstrom »d« in die nächste, die zweite Kühlstufe 6 ein, die ähnliche Vorrichtungen enthält: Wärmeaustauscher 7 und 8 und eine Expansionsmaschine 9. Nach der Kühlung im Wärmeaustauscher 7 wird der Strom »d« in einen Strom »/"«, der in Pfeilrichtung »F« fließt, und einen Strom »Λ«, der in Pfeilrichtung »W« fließt, getrennt. Der Strom »a< wird zum Abkühlen den Wärmeaustauschern 7 und 8 zugeleitet. Im Wärmeaustauscher 7 wird auch der Strom »d« abgekühlt. Der Strom »/« wird in der Expansionsmaschine 9 bis zum Erreichen des Druckes des Rückstromes »e« entspannt, der die dritte Kühlstufe 10 verläßt und in Pfeilrichtung »E<- fließt, wodurch der Strom »/« sich bis auf die Temperatur des Stromes »e« am Ausgang aus seiner dritten Stufe 10 abkühlt.

In der dritten Kühlstufe 10, die Wärmeaustauscher 11, 12 und eine Expansionsmaschine 13 enthält, wird der Hauptstrom »a< in den Wärmeaustauschern 1ί und 12

abgekühlt, während der Strom »Λ« nach der Kühlung im Wärmeaustauscher 11 in der Expansionsmaschine 13 bis zum Erreichen eines dem kritischen Druck, der für Helium 2,26 bar beträgt, nahen Druckes entspannt wird. Infolge der Entspannung sinkt die Temperatur des Stromes »Λ« ab. Die Ströme »c« und »Λ« verlassen die dritte Kühlstufe 10 mit einander nahen Temperaturen und strömen in eine Verflüssigungsstufe 14 ein, die Wärmeaustauscher 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 »Λ« wird gemeinsam mit dem ι läüpistrom »c« im TTarmeaustauscner υ mit ucm Rückstrom »e« abgekühlt. Durch Vorhandensein von zwei Vorströmen »a< und »Λ« in der Verflüssigungsstufe 14 können ihre Strömungszustände, d. h. Druck, Strömungsmenge und Temperatur am Eingang in die Stufe 14 geändert werden, daß der minimale Temperaturunterschied zwischen den Vorströmen »c« und »Λ« und dem Rückstrom »e« gewährleistet wird. Dabei bietet sich die Möglichkeit den vorhandenen Kälteüberschuß des Rückstromes »e« für die Verflüssigung des Stromes »Λ« auszunutzen, der einen Teil des Hilfsstromes »d« darstellt. Das erfolgt im Wärmeaustauscher 16, wo der Strom »Λ« abgekühlt und durch seinen Wärmeaustausch mit dem Strom »e« kondensiert wird. Der Verflüssigungsvorgang ist deshalb möglich, daß der Strom »Λ« um ein Mehrfaches kleiner als der Strom »e« ist. Nach der Kondensation und Kühlung im Wärmeaustauscher 16 wird der Strom »Λ« im Thompson-Joule-Ventil 18 bis zum Druck des Rückstromes »e« gedrosselt, wodurch der Strom »/?« verflüssigt wird. Die entstandenen Ströme »Λ« und »c« des verflüssigten Mediums werden zu einem Kälteverbraucher 19 abgeleitet, wo das flüssige Medium infolge einer Wärmebelastung verdampft. Die den Kälteverbraucher 19 verlassenden Dämpfe bilden den Rückstrom »e«, der die Stufen 14, 10, 6, 2 in Gegenrichtung passiert, sich erwärmt, mit dem entspannten Strom »/« vereinigt wird, den Strom »£x< bildet, sich bis auf die Umgebungstemperatur erwärmt und zum Verdichten in den Verdichter 1 einströmt. Der Kreisprozeß wird geschlossen, und ferner wiederholen sich alle Vorgänge nochmals.

Wie aus der angeführten Beschreibung ersichtlich, wird ein großer Teil (über 90%) des im Verdichter 1 verdichteten Mediums verflüssigt und dem Kälteverbraucher 19 zugeführt, wodurch die Kälteleistung der Anlage wesentlich erhöht wird.

Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung wird anhand konkreter Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Helium wird im Verdichter 1 von einem Druck von 1 bar auf 20 bar bei einer Temperatur von 300 K verdichtet, wobei der Vorstrom »a« gebildet wird, der in den Wärmeaustauscher 3 der Kühlstufe 2 einströmt Im Wärmeaustauscher 3 wird der Vorstrom »a« mit dem Rückstrom »fx<, der in Gegenrichtung fließt, bis auf eine Temperatur von 105 K abgekühlt Danach wird der Strom »a« am Austritt aus dem Wärmeaustauscher 3 in den Hauptstrom »a<. der 61% vom Vorstrom »a« beträgt, und 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 90 K absinkt. Der Strom »c« wird im Wärmeaustauscher 4 durch den Rückstrom »έχ< bis auf die gleiche Temperatur abgekühlt.

In der zweiten Kühlstufe 6 werden die Ströme »a< ■; und »d« im Wärmeaustauscher 7 bis auf eine Temperatur von 57 K abgekühlt, und ferner wird der Strom »c« im Wärmeaustauscher 8 abgekühlt. Nach dem Wärmeaustauscher 7 wird vom Hilfsstrom »rf« ein Teil, nämlich der Strom »/"« abgeleitet und der

ίο Expansionsmaschine 9 zugeführt, wo er unter Energieentzug bis zum Erreichen des Druckes des Rückstromes entspannt wird. Dabei sinkt die Temperatur des Stromes »/"« bis auf 32,5 K ab. Fast bis auf die gleiche Temperatur wird auch der Strom »e« im Wärmeaustauscher 8 abgekühlt.

In der dritten Küh'stufe 10 werden die Ströme »cw und »Λ« im Wärmeaustauscher 11 bis auf eine Temperatur von 20 K und der Strom »cw im Wärmeaustauscher 12 bis auf eine Temperatur von 12 K abgekühlt. Der Strom »Λ« 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.

:5 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 »Λ« wird im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 5,75 K abgekühlt, danach im Wärmeaustauscher 16 unter einem Druck von 2 bar kondensiert, bis auf eine Temperatur von 4,7 K abgekühlt, im Thompson-Joule-Ventil 18 entspannt und dem Kälteverbraucher 19 zugeführt. Die entstandenen Flüssigheliumströme »cv< und »Λ« betragen etwa 92% von dem im Verdichter 1 gebildeten

4i) Strom »a«. Die Ströme »Λ« und »o« werden dem Kälteverbraucher 19 zugeleitet, wo man sie verdampfen läßt, und die Dämpfe werden bei einer Temperatur von 4,5 K und einem Druck von 1,3 bar als Rückstrom »e« in den Wärmeaustauscher 16 zurückgeführt Hier wird der

Ji Strom »e« bis auf eine Temperatur von 5,5 K, danach im Wärmeaustauscher 15 bis auf eine Temperatur von 12 K erwärmt und durch alle übrigen Wärmeaustauscher 12, 11,8, 7,4,3 in Gegenrichtung durchgelassen. Der Strom »ix< tritt aus dem Wärmeaustauscher 3 bei einem Druck

■ι« von 1,03 bar und einer Temperatur von 295 K aus und strömt zum Verdichten in den Verdichter 1 ein. Der Kreisprozeß wird geschlossen.

Betrachten wir ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 2, wenn der gesamte Hilfsstrom

ϊ-"> in der Verflüssigungsstufe verflüssigt wird.

Wie F i g. 2 zeigt, weist diese Variante nach der Erfindung ebenfalls drei Kühlstufen 2, 6, 10 und eine Verflüssigungsstufe 14 auf. Die Bezugszeichen stimmen mit denen von Fig. 1 überein. Die Grundprozesse

t.<> verlaufen ähnlich der oben beschriebenen Ausführungsvariante der Erfindung.

Beispiel 2

Das gasförmige Helium wird im Verdichter 1 von

h". einem Druck von 1 bar bis zu einem Druck von 25 bar verdichtet und als Vorstrom »a« gefördert Der Strom »a« fließt bei einer Temperatur von 300 K durch den Wärmeaustauscher 3 der Kühlstufe 2 in Pfeilrichtung

»An. In dem Wärmeaustauscher 3 wird der Strom »a« durch den in entgegengesetzter Pfeilrichtung »ß« fließenden Rückstrom »tx< bis auf eine Temperatur von 100 K abgekühlt.

Nach dem Wärmeaustauscher 3 wird der Strom »a« in den Hauptstrom »c« und den Hilfsstrom »ei«, der 33% von dem Strom »a« beträgt, getrennt. Der Strom »a< wird durch den Rückstrom »£κ< in den Wärmeaustauschern 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 »e« verflüssigt wird.

Der Strom »c/« wird in der Expansionsmaschine 5 bis zum Erreichen eines Druckes von 18 bar entspannt, · wobei seine Temperatur bis auf 90 K absinkt. Hiernach '5 wird der Strom »tfa durch den Rückstrom »fa< im Wärmeaustauscher 7 bis auf eine Temperatur von 41,9 K abgekühlt, dann in der Expansionsmaschine 9 bis zum Erreichen eines Druckes von 10 bar entspannt, wobei seine Temperatur bis auf 35 K absinkt. Ferner wird der Strom »d« nach dem Wärmeaustauscher 11 mit einer Temperatur von 22,5 K in der Expansionsmaschine 13 bis zum Erreichen eines Druckes von 2,3 bar 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 dem Wärmeaustauscher 15 5,9 K, während die Temperatur des Stromes »Zx< nach dem Wärmeaustauscher 16 5,6 K beträgt.

Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels 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 vereinheitlichen und ihre Betriebsbedingungen zu verbessern.

In einigen Fällen, z. B. zwecks Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage, wird der Entspannungsvorgang in der Expansionsmaschine 17 durch einen Drosselungsvorgang ersetzt. Dabei nimmt der Wirkungsgrad der Anlage 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 vier Kühlstufen 2,6,10 und 14, sowie eine Verflüssigungsstufe 21 (s. F i g. 3). Die Kühlstufen 2,6,10 und 14 enthalten die Expansionsmaschinen 5,9,13 und 20. Der Hilfsstrom »cfa wird vor der Verflüssigungsstufe 21 mit dem so Hauptstrom »cw vereinigt und der vereinigte Strom »e« wird in Thompson-Joule-Ventilen 23 und 25 entspannt, wodurch er verflüssigt wird, wonach er dem Kälteverbraucher 19 zugeleitet wird.

Durch die Drucksteigerung des Mediums nach dem Verdichter 1 und Aufrechterhaltung der Anzahl von 4 Expansionsmaschinen gelingt es auch in diesem Fall, den gesamten im Verdichter 1 verdichteten Vorstrom zu verflüssigen und dem Kälteverbraucher 19 zuzuführen. Die angeführte Ausführungsvariante der Erfindung wird &o anhand eines konkreten Beispiels erläutert

Beispiel 3

Helium wird im Verdichter 1 (Fig.3) von 1 bar auf 31 bar verdichtet und bei einer Temperatur von 300 K 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 »a< und den Hilfsstrom »d« getrennt.

Der Strom »o«, der 75% von dem Strom »a« beträgt, wird in der Expansionsmaschine 5 bis zum Erreichen eines Druckes von 20 bar entspannt, wobei seine Temperatur bis auf 110 K absinkt. Danach wird der Strom »«< in der zweiten Kühlstufe 6 nach dem Wärmeaustauscher 7 mit einer Temperatur von 47,8 K in der Expansionsmaschine 9 bis zum Erreichen eines Druckes von 10 bar entspannt und mit einer Temperatur von 40 K dem Wärmeaustauscher 11 zugeführt. Nach dem Wärmeaustauscher 11 wird der Strom »0« 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 Rückstrom »b« in den Wärmeaustauschern 15 und 16 bis auf eine Temperatur von 5,75 K abgekühlt.

Der Strom »d« wird durch den Rückstrom »tx< in den Wärmeaustauschern 4, 7, 8, 11, 12, 15 bis auf eine Temperatur von 8,5 K abgekühlt, danach in der Expansionsmaschine 20 bis zum Erreichen eines Druckes von 4,2 bar entspannt wobei seine Temperatur auf 5,75 K absinkt. Auf diese Weise hat der Hilfsstrom die gleichen Zustandsgrößen wie der Hauptstrom hinter dem Wärmeaustauscher 16 und kann mit diesem zum Strom »e« vereinigt werden, der der Verflüssigungsstufe 21 zugeleitet wird.

In der Verflüssigungsstufe 21 wird der Strom »e« im Wärmeaustauscher 22 bis auf 5,1 K abgekühlt, im Thompson-Joule-Ventil 23 bis zum Erreichen eines Druckes von 2,1 bar entspannt, hiernach im Wärmeaustauscher 24 bis auf eine Temperatur von 4,7 K abgekühlt, in dem Ventil 25 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 »Zx<, der alle Wärmeaustauscher in mit Pfeil »ß« bezeichneter Gegenrichtung passiert, sich darin bis auf 295 K erwärmt und zum Verdichten in den Verdichter 1 einströmt. 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 Hauptteils des Vorstromes durch einen Drosselungsvorgang dieses Stromes die Möglichkeit bietet, fast 100% 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 »o« in der Verflüssigungsstufe unter Energieentzug erfolgt, werden durch Fig.4 veranschaulicht, die die Vorgänge, die in der Verflüssigungsstufe verlaufen, im Temperatur-Entropie T-s-Diagramm zeigt

Bei einem Druck, der viel höher als der kritische ist und dem Punkt I entspricht, strömt der Hauptstrom, der in den Kühlstufen bis auf die Temperatur im Punkt I abgekühlt wurde, in die Verflüssigungsstufe ein. Gemeinsam mit dem Hauptstrom strömt auch der bis zu dem Punkt VI entsprechenden, den Rückstromdruck überschreitenden Druck entspannte und in den Kühlstufen bis auf die Temperatur im Punkt VI (die der im Punkt I gleich ist) abgekühlte Hilfsstrom in die Verflüssigungsstufe ein.

Diese beiden Ströme werden bei ihrem konstanten Druck durch den Rückstrom bis auf die gleichen Temperaturen in den 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 Vorströme der Wärmekapazität des Rückstromes in dem gesamten Temperaturbereich nahe ist. Infolgedessen ist der Temperaturunterschied zwischen dem Vor- und dem Rückstrom ziemlich klein und nur durch die Effektivität des Wärmeaustauschers gegeben. Praktisch beträgt der erwähnte Unterschied 0,1 bis 0,3 K.

In Fig.4 wird dieser Unterschied durch den Ordinatenunterschied der Punkte I und V, Vl und V, II und IV und VII und IV 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 H-111 entspannt. Als Ergebnis entsteht das flüssige Helium bei der Siedetemperatur, die dem Rückstromdruck entspricht.

Das verflüssigte Helium wird dem ICälteverbraucher 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 Punkt VII durch den Wärmeaustausch mit dem Rückstrom im Vorgang VII-VIIl zusätzlich abgekühlt, im Vorgang VIII-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 Kälteverbraucher zugeleitet wird, wo man ihn im Vorgang Xl-IV verdampfen läßt. Im Ergebnis des Wärmeaustausches erwärmt sich der Rückstrom im

ίο Vorgang IV-IV bis auf eine Temperatur von etwa 5,5 K. Das angeführte T-s-Diagramm veranschaulicht Vorteile der vorliegenden Erfindung, die in folgendem bestehen.
Durch die Einführung des Hilfsstromes in die Verflüssigungsstufe bei einem dem kritischen nahen Druck gelingt es, den Temperaturunterschied zwischen dem Rückstrom und den beiden Vorströmen, d. h. dem Haupt- und dem Hilfsstrom zu vermindern. Dadurch wird die im Rückstrom enthaltene Überschußkälte auf dem den Punkten IV und IV entsprechenden Temperaturniveau rationell für die Verflüssigung des Hilfsstromes verwertet. Im Ergebnis wird die dem Kälteverbraucher zugeführte Flüssigkeitsmenge 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 sich ihre Kälteleistung von 320 auf 480 W, d. h. um 50% erhöht hat.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zur Kälteerzeugung durch Verdichten eines gasförmigen Mediums, das einen Vorstrom bildet, dessen anschließende Kühlung in mehreren Stufen durch den Rückstrom dieses Mediums und Trennung des Vorstromes in einen Hauptstrom und einen Hilfsstrom, wobei der Hilfsstrom zum Ausgleich von nicht umkehrbaren Verlusten in der Anlage arbeitsleistend entspannt wird, während der Hauptstrom zur Verflüssigung in einer Verflüssigungsstufe entspannt wird, worauf das entstandene flüssige Medium dem Kälteverbraucher zugeleitet wird, wobei es verdampft, und der Dampf den Rückstrom bildet, welcher die Verflüssigungsstufe und die Kühlstufen in Gegenrichtung durchströmt, dadurch, gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Hilfsstromes (d) nach seiner arbeiisleistenden Entspannung bei einem über dem Druck des Rückstroms (b) liegenden Druck im Wärmeaustausch mit dem Rückstrom abgekühlt, durch Entspannung verflüssigt und ebenfalls dem Kälteverbraucher (19) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrom (c)\or der Einleitung in die Verflüssigungsstufe (14, 21) bis zum Erreichen eines Druckes entspannt wird, der mindestens dem kritischen Druck des gasförmigen Mediums gleich ist, worauf er mit einem dieser Stufe (14, 21) zuzuführenden Teil des Hilfsstromes (d) vereinigt wird (F ig. 3).