DE60008838T2 - Kryogenischer ultrakalter hybrider Verflüssiger - Google Patents
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Description
- Technisches Gebiet
- Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Kälte und genauer auf die Erzeugung von Kälte wie z.B. zum Verflüssigen von Gasen wie z.B. Wasserstoff, welche ultrakalte Temperaturen für die Verflüssigung benötigen.
- Stand der Technik
- Die Verflüssigung bestimmter Gase wie z.B. Neon, Wasserstoff oder Helium benötigt die Erzeugung von Kälte mit sehr niedriger Temperatur. Bei Atmosphärendruck verflüssigt sich beispielsweise Neon bei 27,1 K, Wasserstoff bei 20,39 K und Helium bei 4,21 K. Die Erzeugung einer derartigen Kälte mit sehr niedriger Temperatur ist sehr teuer. Insofern die Verwendung von Fluiden wie z.B. Neon, Wasserstoff und Helium in solchen Gebieten wie der Energieerzeugung, der Energieübertragung und der Elektronik zunehmend wichtiger wird, wäre jede Verbesserung in Systemen für die Verflüssigung derartiger Fluide sehr erwünscht.
- Die Impulsrohrkühlung, bei der Kälte durch einen einem Gas zugeführten Druckimpuls erzeugt wird, wird zum Verflüssigen von Fluiden wie z.B. Neon, Wasserstoff und Helium benutzt, aber eine derartige Verwendung ist jedoch nur in einem relativ kleinen Maßstab effektiv.
- Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Systems zum Erzeugen von Kälte, die ausreicht, um schwer zu verflüssigende Fluide wie z.B. Neon, Wasserstoff oder Helium zu verflüssigen.
- Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems zum Verflüssigen schwer zu verflüssigender Fluide wie z.B. Neon, Wasserstoff oder Helium, das mit einem relativ hohen Produktionspegel betrieben werden kann.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die obigen Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Erzeugen von Produktfluid in einem ultrakalten Zustand gemäß Anspruch 1 besteht.
- Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Erzeugen von Produktfluid in einem ultrakalten Zustand gemäß Anspruch 6.
- Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid" auf ein oder zwei oder mehrere Spezies aufweisendes Fluid, das Kälte erzeugen kann.
- Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Kühlmittel für veränderliche Last" auf ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in solchen Anteilen, dass die Flüssigphase dieser Komponenten einer kontinuierlichen und ansteigenden Temperaturveränderung zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches unterzogen wird. Der Blasenpunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber die Zufuhr von Wärme die Ausbildung einer sich im Gleichgewicht mit der Flüssigphase befindenden Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der sich das Gemisch vollständig in der Dampfphase befindet, die Extraktion von Wärme jedoch die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Dampfphase befindenden Flüssigphase auslöst. Somit ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, in dem sowohl die Flüssig- wie die Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Erfindung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt für das Kühlmittel für veränderliche Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.
- Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "ultrakalter Zustand" auf eine Temperatur von 90°K oder weniger.
- Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" auf das Verbringen von Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne irgendeinen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
- Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Expansion" auf die Bewirkung einer Druckreduktion.
- Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Atmosphärengas" auf eines der folgenden Gase: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2), Deuterium (D2), Wasserstoff (H2) und Helium (He).
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der ein Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid-Kühlsystem und ein Impulsrohr-Kühlsystem integriert sind. -
2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der ein Aktivmagnet-Regenerator-Kühlsystem und ein Impulsrohr-Kühlsystem integriert sind. - Ausführliche Beschreibung
- Im allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf die Erzeugung von Kälte mit sehr niedrigen Temperaturen unter Verwendung eines Nicht-Impulsrohrsystems, das vorzugsweise entweder ein Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid-Kühlsystem oder ein Aktivmagnet-Regenerator-Kühlsystem ist. Das Nicht-Impulsrohrsystem ist auf eine bestimmte Weise in dem Impulsrohrsystem integriert, wodurch von dem Impulsrohrsystem erzeugte Wärme in das Nicht-Impulsrohrsystem zurückgeleitet und es ermöglicht wird, dass das Impulsrohrsystem auf effektive Weise ultrakalte Kälte erzeugen kann, um eine relativ große Menge an Produktfluid in einen ultrakalten Zustand zu verbringen.
- Die Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf
1 Bezug nehmend wird Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid in einem Strom310 in einem Kompressor311 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 413,7 bis 6895 kPa (60 bis 1000 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt. Das in der Praxis dieser Erfindung nützliche Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid weist mindestens ein Atmosphärengas, vorzugsweise Stickstoff Argon und/oder Neon, und vorzugsweise mindestens eine fluorhaltige Verbindung mit bis zu vier Kohlenstoffatomen wie z.B. Fluorkohlenstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Chlorfluorkohlenwasserstoffe und Fluorether, und/oder mindestens einen Kohlenwasserstoff mit bis zu drei Kohlenstoffatomen auf. - Anschließend wird die Kompressionswärme des verdichteten Mehrkomponenten-Kühlmittelfluids
312 in einem Kühler313 mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem geeigneten Kühlfluid wie z.B. Kühlwasser beseitigt und ein sich ergebendes Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid314 wird durch einen Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Wärmetauscher301 geleitet, in dem es mittels indirektem Wärmeaustausch mit sich erwärmendem Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid gekühlt wird, was nachstehend weiter beschrieben werden wird. Ein abgekühltes Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid315 wird von dem Wärmetauscher301 zu einer Expansionsvorrichtung316 , die vorzugsweise ein Expansionsventil ist, geleitet, in der es auf einen niedrigeren Druck gedrosselt wird, wodurch seine Temperatur verringert wird. Die Temperaturverringerung des Mehrkomponenten-Kühlmittelfluids infolge seiner Expansion in der Expansionsvorrichtung316 dient dazu, das Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid mindestens teilweise und vorzugsweise vollständig zu kondensieren. Dieses sich ergebende Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid wird anschließend in einer Leitung317 zu einem Regeneratorwärmetauscher258 geführt, der in dem heißen Ende eines Regenerators252 angeordnet ist. - Der Regenerator
252 enthält Impulsrohrgas, das Helium, Wasserstoff, Neon, ein Gemisch aus Helium und Neon oder ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff sein kann. Helium und Gemische aus Helium und Wasserstoff sind bevorzugt. - Ein Impuls, d.h. eine Kompressionskraft, wird dem heißen Ende des Regenerators
252 zugeführt, was in illustrativer Form durch einen Impulspfeil10 dargestellt ist, wodurch der erste Teil der Impulsrohrsequenz ausgelöst wird. Vorzugsweise wird der Impuls durch einen Kolben zugeführt, der ein in Stromverbindung mit dem Regenerator252 stehendes Reservoir von Impulsrohrgas verdichtet. Eine weitere bevorzugte Anordnung für die Zuführung des Impulses zu dem Regenerator besteht in der Verwendung einer thermoakustischen Antriebsvorrichtung, die dem Gas innerhalb des Regenerators eine Schallenergie zuführt. Eine noch weitere Möglichkeit zum Zuführen des Impulses besteht durch die Verwendung einer Linearmotor/Kompressor-Anordnung. Der Impuls dient dazu, das Impulsrohrgas zu verdichten und heißes Impulsrohrgas an dem heißen Ende des Regenerators252 zu erzeugen. Das heiße Impulsrohrgas wird mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem mindestens teilweise kondensierten Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid in einem Wärmetauscher258 gekühlt, um erwärmtes Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid in einem Strom318 und abgekühltes verdichtetes Impulsrohrgas zu erzeugen, das durch den restlichen Teil des Regenerators, d.h. durch den Regeneratorkörper geleitet wird. Einige Impulsrohre verwenden eine Doppeleinlassgeometrie, bei der ein Teil des Impulsgases auch zu dem warmen Ende des Impulsrohrs übermittelt wird. - Der Regeneratorkörper enthält Wärmeübergangsmittel. Beispiele von in der Praxis dieser Erfindung geeigneten Wärmeübergangsmitteln beinhalten Stahlkugeln, Drahtgeflechte, hochdichte Wabenstrukturen, Streckmetalle und Bleikugeln.
- Das Wärmeübergangsmittel liegt bei einer niedrigen und im allgemeinen in dem Bereich von 2 K bis 250 K liegenden Temperatur vor, die in den zweiten Teil der Impulsrohrsequenz auf diese niedrige Temperatur gebracht worden ist, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird. Wenn das abgekühlte verdichtete Impulsrohrgas den Regeneratorkörper durchläuft, wird es mittels direktem Kontakt mit dem kalten Wärmeübergangsmittel weiter abgekühlt, um erwärmtes Wärmeübergangsmittel und kaltes Impulsrohrgas zu erzeugen, das im allgemeinen bei einer Temperatur in dem Bereich von 4 K bis 252 K vorliegt.
- Das kalte Impulsrohrgas wird in einer Leitung
11 zu einem Impulsrohr253 an dem kalten Ende geleitet. Das Impulsrohr253 weist einen Impulsrohr-Wärmetauscher259 an dem anderen Ende, d.h. dem heißen Ende auf, von wo aus das kalte Impulsrohrgas in das Impulsrohr geführt wird. Bei der Einleitung des kalten Impulsrohrgases in das Impulsrohr253 an dem kalten Ende wird es expandiert und seine Temperatur wird abgesenkt, um ultrakaltes Impulsrohrgas auszubilden und ebenso eine Gasdruckwelle zu erzeugen, die zu dem warmen Ende des Impulsrohrs253 hin fließt und das als Impulsrohrarbeitsfluid bezeichnete Gas innerhalb des Impulsrohrs verdichtet, wodurch das Impulsrohrarbeitsfluid erwärmt wird. - Erwärmtes Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid in der Leitung
318 wird zu dem Impulsrohr-Wärmetauscher259 in dem warmen Ende des Impulsrohrs253 geleitet. In der Praxis dieser Erfindung enthält der Impulsrohrkörper ausschließlich Gas für die Übertragung der Druckenergie von dem expandierenden Impulsrohrgas an dem kalten Ende für die Erwärmung des Impulsrohrarbeitsfluids an dem warmen Ende des Impulsrohrs. Das heißt, dass das Impulsrohr253 keine beweglichen Bauteile wie z.B. solche Teile aufweist, die bei einer Kolbenanordnung verwendet werden. Die Arbeitsweise des Impulsrohrs ohne bewegliche Bauteile ist ein signifikanter Vorteil dieser Erfindung. Das erwärmte Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid wird mittels indirektem Wärmeaustausch in dem Impulsrohr-Wärmetauscher259 mit dem erwärmten Impulsrohrarbeitsfluid weiter erwärmt, um weiter erwärmtes Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid zu erzeugen, welches vollständig im gasförmigen Zustand vorliegt und von dem Impulsrohr-Wärmetauscher259 in einer Leitung319 zu dem Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Wärmetauscher301 geleitet wird. Innerhalb des Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Wärmetauschers301 wird das Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem kühlenden Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid, das wie zuvor beschrieben dem Wärmetauscher301 in dem Strom314 zugeführt wurde, noch weiter erwärmt, und sich ergebendes, noch weiter erwärmtes Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid wird von dem Wärmetauscher301 in einer Leitung310 zu einem Kompressor311 geführt und der Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid-Kühlzyklus beginnt von neuem. - An dem warmen Ende des Impulsrohrs
253 ist eine Leitung mit einer Öffnung257 befestigt, die zu einem Reservoir254 führt. Die Kompressionswelle des Impulsrohrarbeitsfluids tritt mit der warmen Endwand des Impulsrohrs in Kontakt und läuft in dem zweiten Teil der Impulsrohrsequenz zurück. Die Öffnung257 und das Reservoir254 werden dazu benutzt, diese Kompressionswelle in Phase zu halten, sodass sie keine Interferenz mit der nächsten Kompressionswelle ausbildet, die durch das Expandieren von kaltem Impulsrohrgas in dem kalten Ende des Impulsrohrs253 erzeugt wird. - Das ultrakalte Impulsrohrgas in dem kalten Ende des Impulsrohrs
253 wird durch die Leitung11 zurück zu dem Regenerator252 geführt. Bei diesem Rückführweg durchläuft das ultrakalte Impulsrohrgas den Produktfluid-Wärmetauscher255 , worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit Produktfluid erwärmt wird, das dem Produktfluid-Wärmetauscher255 in einer Leitung12 zugeführt wird. Unter den Produktfluiden, die in der Praxis dieser Erfindung gekühlt, verflüssigt und/oder unterkühlt werden können, können Wasserstoff, Deuterium, Helium, Neon, Stickstoff, Argon und Gemische, die einen oder mehrere dieser Stoffe enthalten, angeführt werden. - Bei dem Durchlauf des Produktfluids durch den Produktfluid-Wärmetauscher
255 wird es durch den indirekten Wärmeaustausch mit dem ultrakalten Impulsrohrgas in einen ultrakalten Zustand verbracht. Das sich ergebende Produktfluid, das sich in einem ultrakalten Zustand befindet und in gasförmiger, flüssiger oder Schlickform vorliegen kann, wird von dem Produktfluid-Wärmetauscher255 abgezogen und gewonnen. - Das aus dem Produktfluid-Wärmetauscher
255 austretende Impulsrohrgas wird in der Leitung11 zu dem Regenerator252 geführt, worin es mit dem Wärmeübergangsmittel innerhalb des Regeneratorkörpers in direkten Kontakt tritt, um das oben erwähnte kalte Wärmeübergangsmittel zu erzeugen, wodurch der zweite Teil der Impulsrohr-Kühlmittelfluidsequenz vervollständigt und der Regenerator in den Zustand für den ersten Teil einer nachfolgenden Impulsrohr-Kühlsequenz verbracht wird. -
2 illustriert eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die durch das Impulsrohr-Kühlsystem erzeugte Wärme zu einem Aktivmagnet-Regenerator-Kühlsystem zurückgeführt wird, das in das Impulsrohr-Kühlsystem integriert ist. Die Bezugszeichen von2 entsprechen für die allgemeinen Elemente denjenigen aus1 und diese allgemeinen Elemente werden nicht erneut ausführlich erläutert werden. - Nun auf
2 Bezug nehmend wird warmes Kühlmittelfluid in einem Strom320 durch eine Pumpe321 geführt und anschließend als ein Strom322 zu einem Kühler323 geleitet, worin es zur Ausbildung eines gekühlten Kühlmittelfluids324 gekühlt wird. Der Aktivmagnet-Regenerator302 weist ein Bettmaterial auf, das sich während der Magnetisierung erwärmt und während der Entmagnetisierung abkühlt. Der Regenerator302 wird entmagnetisiert und Kühlmittelfluid wird in einem Strom324 durch den Wärmetauscherteil des Regenerators302 in dem Verfahren geleitet, der durch Wärmetauscher mit dem entmagnetisiertem Bettmaterial gekühlt wird. Anschließend wird sich ergebendes gekühltes Kühlmittelfluid in einem Strom325 erwärmt und durch das Impulsrohrsystem weiter erwärmt, wie zuvor beschrieben, und resultierendes erwärmtes Kühlmittelfluid wird zurück zu dem Aktivmagnet-Regenerator302 geführt, der magnetisiert worden ist, wodurch das Kühlmittelfluid weiter erwärmt wird. Das warme Kühlmittelfluid tritt von dem Regenerator302 in einem Strom320 aus und der Zyklus beginnt von neuem. - Obgleich die Erfindung ausführlich mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann, dass andere Ausführungsformen der Erfindung in den Rahmen der Ansprüche fallen.
Claims (10)
- Verfahren zum Erzeugen von verflüssigtem Produktfluid, wie beispielsweise Neon, Wasserstoff oder Helium, in einem ultrakalten Zustand, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) Kühlmittelfluid gekühlt wird, um gekühltes Kühlmittelfluid zu erzeugen; (B) Impulsrohrgas verdichtet wird, um heißes, verdichtetes Impulsrohrgas zu erzeugen, das heiße, verdichtete Impulsrohrgas mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem gekühlten Kühlmittelfluid gekühlt wird, um gekühltes, verdichtetes Impulsrohrgas sowie erwärmtes Kühlmittelfluid zu erzeugen, und das gekühlte, verdichtete Impulsrohrgas mittels direktem Wärmeaustausch mit kaltem Wärmeübergangsmittel weiter gekühlt wird, um kaltes Impulsrohrgas und erwärmtes Wärmeübergangsmittel zu erzeugen; (C) kaltes Impulsrohrgas expandiert wird, um ultrakaltes Impulsrohrgas zu erzeugen und eine Gasdruckwelle zu erzeugen, die Impulsrohrarbeitsfluid verdichtet und erwärmt, und das erwärmte Impulsrohrarbeitsfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit erwärmtem Kühlmittelfluid gekühlt wird, um weiter erwärmtes Kühlmittelfluid zu erzeugen; und (D) das ultrakalte Impulsrohrgas in indirekten Wärmeaustausch mit Produktfluid gebracht wird, um Produktfluid in einem ultrakalten Zustand zu erzeugen, und dann das sich ergebende Impulsrohrgas in direkten Wärmeaustausch mit dem erwärmten Wärmeübergangsmittel gebracht wird, um das besagte kalte Wärmeübergangsmittel zu erzeugen.
- Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Kühlmittelfluid ein Mehrkomponentenkühlmittelfluid ist, welches verdichtet, gekühlt und expandiert wird, um das Mehrkomponentenkühlmittelfluid mindestens teilweise zu kondensieren.
- Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das expandierte Mehrkomponentenkühlmittelfluid vollständig kondensiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Mehrkomponentenkühlmittelfluid mindestens ein Atmosphärengas umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Mehrkomponentenkühlmittelfluid ein Kühlmittel für veränderliche Last ist.
- Vorrichtung zum Erzeugen von Produktfluid, wie beispielsweise Neon, Wasserstoff oder Helium, in einem ultrakalten Zustand, versehen mit: (A) einem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher und Mitteln zum Überleiten von Kühlmittelfluid zu dem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher; (B) einem Regenerator mit einem Regeneratorwärmetauscher und einem Regeneratorkörper, der Wärmeübergangsmittel enthält, sowie mit Mitteln zum Erzeugen von unter Druck stehendem Gas für einen oszillierenden Strom innerhalb des Regenerators, und Mitteln zum Überleiten von Kühlmittelfluid von dem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher zu dem Regeneratorwärmetauscher; (C) einem Impulsrohr mit einem Impulsrohr-Wärmetauscher und einem Impulsrohrkörper, Mitteln zum Überleiten von Kühlmittelfluid von dem Regenerator-Wärmetauscher zu dem Impulsrohr-Wärmetauscher, sowie Mitteln zum Überleiten von Kühlmittelfluid von dem Impulsrohr-Wärmetauscher zu dem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher, und (D) Überleitmitteln zum Überleiten von Gas zwischen dem Regeneratorkörper und dem Impulsrohrkörper, wobei die Überleitmittel einen Produktfluid-Wärmetauscher, Mittel zum Bereitstellen von Produktfluid zu dem Produktfluid-Wärmetauscher, sowie Mittel zum Abziehen von Produktfluid von dem Produktfluid-Wärmetauscher in einem ultrakalten Zustand umfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 6, ferner versehen mit: einem Kompressor, Mitteln zum Überleiten von Fluid von dem Kompressor zu dem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher, einer Expansionsvorrichtung, und Mitteln zum Überleiten von Fluid von dem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher zu der Expansionsvorrichtung, und wobei die Mittel zum Überleiten von Kühlmittelfluid von dem Kühlmittelfluid-Wärmetauscher zu dem Regenerator-Wärmetauscher Mittel zum Überleiten von Fluid von der Expansionsvorrichtung zu dem Regenerator-Wärmetauscher umfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welchem die Expansionsvorrichtung ein Ventil ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welchem die Mittel zum Erzeugen von unter Druck stehendem Gas für einen Strom innerhalb des Regenerators einen Kolben umfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welchem die Mittel zum Erzeugen von unter Druck stehendem Gas für einen Strom innerhalb des Regenerators eine thermoakustische Antriebsvorrichtung umfassen.
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