EP1271075B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kältebereitstellung - Google Patents
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
- F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
Definitions
- the invention relates to a process for the provision of refrigeration by evaporation of liquid nitrogen at subatmospheric pressure and subsequent heating and compression of the vaporized nitrogen.
- the invention relates to a device for refrigeration by evaporation of liquid nitrogen at subatmospkorwitzm pressure and subsequent heating and compression of the vaporized nitrogen.
- Generic methods or devices for providing cold are used, for example, for open and closed cooling processes, which serve to cool high-temperature superconducting components.
- the component to be cooled is either integrated directly into the aforementioned container or supplied via a secondary circuit from this container with cold.
- a refrigerant having a low boiling point as the nitrogen itself can be used;
- a refrigerant in this case for example, neon or helium are used.
- Another possibility is to evaporate nitrogen at subatmospheric pressure, to warm it to about ambient temperature and then to compress it to atmospheric or superatmospheric pressure.
- a method and a device for subcooling a cryogenic, liquid gas by heat exchange with another cryogenic, liquid gas are known.
- the cryogenic, liquid gas which is used as a coolant, brought by means of a compressor to a pressure which is below atmospheric pressure.
- FIG. 1 shows schematically such, belonging to the prior art process.
- the method this object is achieved in that the evaporated nitrogen is first compressed and then heated.
- the inventive device has a relaxation or dosing, which serves to relax or dosing the liquid nitrogen, a container in which the expanded nitrogen out and discharged from the cold to at least one (cold) consumer, a compressor downstream of the compressor, the the compression of the vaporized nitrogen is used, and a compressor downstream of the heat exchanger), which serves to heat the compressed nitrogen on.
- compressors 6 ' one or more so-called cold compressors are used as compressors 6 '.
- the compaction is carried out according to the invention now directly at the boiling point of nitrogen instead of at ambient temperature.
- turbo compressors radial design are used, which are designed specifically for use at very low temperatures.
- FIG. 3 is a procedure that is different from that based on the FIG. 2 explained characterized in that an additional heat exchanger 7, which is the cold compressor 6 'upstream, is provided.
- This heat exchanger 7 is used for supercooling the liquid nitrogen in the line 1 by, withdrawn from the container 3, evaporated nitrogen, which is thereby slightly warmed.
- the supercooled nitrogen in the heat exchanger 7 is then fed via line 1 'to the expansion valve 2.
- the inventive method and the device according to the invention lead to a reduction of the drive power of the compressor 6, since the compression takes place at low temperature.
- the method according to the invention or the apparatus for supplying cold thus lead to a simplification of the process, a reduction in costs, an increase in the efficiency of the process and an improvement in operational safety and availability.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischem Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes.
- Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischem Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes.
- Gattungsgemäße Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Kältebereitstellung werden beispielsweise für offene und geschlossene Kälteprozesse, die der Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitenden-Komponenten dienen, verwendet. Die zu kühlende Komponente wird dabei entweder direkt in den vorgenannten Behälter integriert oder über einen Sekundärkreislauf aus diesem Behälter mit Kälte versorgt.
- Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, Temperaturen unterhalb des Siedepunktes von Stickstoff zu erreichen. So kann ein Kältemittel, das einen niedrigen Siedepunkt als der Stickstoff selbst aufweist, verwendet werden; als Kältemittel kommen in diesem Fall beispielsweise Neon oder Helium zur Anwendung.
- Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Stickstoff bei subatmosphärischem Druck zu verdampfen, auf etwa Umgebungstemperatur anzuwärmen und anschließend auf atmosphärischen oder überatmosphärischen Druck zu verdichten. Aus der
DE-A-197 17 621 sind ein Verfahren sowie ein Vorrichtung zum Unterkühlen eines tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem weiteren tiefkalten, flüssigen Gas bekannt. Hierbei wird das tiefkalte, flüssige Gas, welches als Kühlmittel verwendet wird, mittels eines Verdichters auf einen Druck gebracht, der unter dem Atmosphärendruck liegt. - Die
Figur 1 zeigt schematisch einen derartigen, zum Stand der Technik zählenden Prozess. - Hierbei wird über Leitung 1 verflüssigter Stickstoff in einer Expansions- oder Dosiervorrichtung, bei der es sich vorzugsweise um ein Expansionsventil 2 handelt, entspannt und einem Behälter 3 zugeführt. In diesem bildet sich eine Gasphase a sowie eine Flüssigphase b aus, da durch die Abgabe von Kälteleistung der dem Behälter zugeführte flüssige Stickstoff verdampft wird. Über Leitung 4 wird verdampfter Stickstoff aus dem Behälter 3 abgezogen und nach einer Anwärmung auf Umgebungstemperatur im Wärmetauscher 5 mittels des Verdichters 6 auf atmosphärischen oder überatmosphärischen Druck verdichtet. Die Anwärmung des verdampften Stickstoffes im Wärmetauscher 5 erfolgt vorzugsweise gegen Umgebungsluft, Wasser, o. ä. oder mittels einer elektrischen Beheizung.
Als Verdichter kommen bei dieser Verfahrensweise handelsübliche Vakuumpumpen oder Kompressoren zum Einsatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Kältebereitstellung anzugeben, das bzw. die energetische und apparative Vorteile gegenüber dem vorbeschriebenen Prozess zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff aufweist. - Verfahrensseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der verdampfte Stickstoff zunächst verdichtet und anschließend angewärmt wird.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Entspannungs- oder Dosierorgan, das der Entspannung oder Dosierung des flüssigen Stickstoffes dient, einen Behälter, in den der entspannte Stickstoff geführt und aus dem Kälte an wenigstens einen (Kälte)Verbraucher abgeführt wird, einen dem Behälter nachgeschalteten Verdichter, der der Verdichtung des verdampften Stickstoffes dient, und einen dem Verdichter nachgeschalteten Wärmetauscher), der der Anwärmung des verdichteten Stickstoffes dient, auf.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff - sowie weitere Ausgestaltungen des- bzw. derselben - seien anhand der in den
Figuren 2 und3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. - Im Gegensatz zu dem anhand des in der
Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles beschriebenen Prozesses wird - wie in denFiguren 2 und3 dargestellt - der aus dem Behälter 3 abgezogene verdampfte Stickstoff nunmehr nicht erst (auf Umgebungstemperatur) angewärmt, sondern erfindungsgemäß zunächst verdichtet und erst anschließend im Wärmetauscher 5' (auf Umgebungstemperatur) angewärmt. - Als Verdichter 6' kommen hierbei ein oder mehrere sog. kalte Verdichter zum Einsatz. Die Verdichtung erfolgt erfindungsgemäß nunmehr unmittelbar bei der Siedetemperatur des Stickstoffes anstatt bei Umgebungstemperatur.
- Als kalte Verdichter kommen beispielsweise Turboverdichter radialer Bauart zur Anwendung, die speziell für den Einsatz bei sehr tiefen Temperaturen konzipiert sind.
- In der
Figur 3 ist eine Verfahrensweise dargestellt, die sich von der anhand derFigur 2 erläuterten dadurch unterscheidet, dass ein zusätzlicher Wärmetauscher 7, der dem kalten Verdichter 6' vorgeschaltet ist, vorgesehen wird. Dieser Wärmetauscher 7 dient der Unterkühlung des flüssigen Stickstoffes in der Leitung 1 durch den, aus dem Behälter 3 abgezogenen, verdampften Stickstoff, der dadurch leicht angewärmt wird. - Der derart im Wärmetauscher 7 unterkühlte Stickstoff wird anschließend über Leitung 1' dem Expansionsventil 2 zugeführt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung führen zu einer Verringerung der Antriebsleistung des Verdichters 6, da die Verdichtung bei tiefer Temperatur erfolgt. Bei offenen Prozessen kann zudem der Wärmetauscher 5' kleiner ausgeführt oder auch ganz weggelassen werden werden.
- Ferner werden für die Verdichtung des unter subatmosphärischem Druck vorliegenden Stickstoffes dank der niedrigeren Saugtemperatur - und damit höheren Dichte - kleinere Verdichter benötigt.
- Des Weiteren müssen nunmehr weniger Apparate, Instrumente, etc. bei subatmosphärischem Druck betrieben werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Verunreinigung des Prozessgases durch Leckagen verringert wird, was insbesondere im Falle eines geschlossenen Prozesses von Bedeutung ist.
- Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kältebereitstellung führen somit zu einer Vereinfachung des Prozesses, einer Kostenreduzierung, einer Erhöhung des Prozesswirkungsgrades und einer Verbesserung der Betriebssicherheit sowie der Verfügbarkeit.
Claims (6)
- Verfahren zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischen Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass der verdampfte Stickstoff zunächst verdichtet (6') und anschließend angewärmt wird (5').
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verdampfte Stickstoff vor seiner Verdichtung (6') zur Unterkühlung (7) des flüssigen Stickstoffes (1) verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (6') des verdampften Stickstoffes mittels eines oder mehrerer sog. kalter Verdichter (6') erfolgt.
- Vorrichtung zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischen Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes, aufweisend ein Entspannungs- oder Dosierorgan (2), das der Entspannung oder Dosierung des flüssigen Stickstoffes dient, einen Behälter (3), in den der entspannte Stickstoff geführt und aus dem Kälte an wenigstens einen (Kälte)Verbraucher abgeführt wird, einen dem Behälter (3) nachgeschalteten Verdichter (6'), der der Verdichtung des verdampften Stickstoffes dient, und einen dem Verdichter (6') nachgeschalteten Wärmetauscher (5'), der der Anwärmung des verdichteten Stickstoffes dient.
- Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Behälter (3) ein zusätzlicher Wärmetauscher (7), der dem Wärmetausch zwischen dem aus dem Behälter (3) abgezogenen, verdampften Stickstoff und dem flüssigen Stickstoff (1) dient, vorgeschaltet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (6') als sog. kalter Verdichter ausgebildet ist.
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