Verfahren und Vorrichtung zur Kältebereitstellung

Abstract

 Es werden ein Verfahren zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischem Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes sowie eine Vorrichtung zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischem Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes, mit einem Entspannungs- oder Dosierorgan (2), das der Entspannung oder Dosierung des flüssigen Stickstoffes dient, einem Behälter (3), in den der entspannte Stickstoff geführt und aus dem Kälte an wenigstens einen (Kälte)Verbraucher abgeführt wird, einem Wärmetauscher (5, 5'), der der Unterkühlung des flüssigen und der Anwärmung des verdampften Stickstoffes dient, und einem Verdichter (6), der der Verdichtung des verdampften Stickstoffes dient, beschrieben.
Erfindungsgemäß wird der verdampfte Stickstoff zunächst verdichtet und anschließend ggf. angewärmt.
Hierbei erfolgt die Verdichtung des verdampften Stickstoffes vorzugsweise mittels eines oder mehrerer sog. kalter Verdichter.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischem Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes.

[0002] Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischem Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes, mit einem Entspannungsoder Dosierorgan, das der Entspannung oder Dosierung des flüssigen Stickstoffes dient, einem Behälter, in den der entspannte Stickstoff geführt und aus dem Kälte an wenigstens einen (Kälte)Verbraucher abgeführt wird, einem Wärmetauscher, der der Anwärmung des verdampften Stickstoffes dient, und einem Verdichter, der der Verdichtung des verdampften Stickstoffes dient.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Stickstoff bei subatmosphärischem Druck zu verdampfen, auf etwa Umgebungstemperatur anzuwärmen und anschließend auf atmosphärischen oder überatmosphärischen Druck zu verdichten.

[0006] Die Figur 1 zeigt schematisch einen derartigen, zum Stand der Technik zählenden Prozess.

[0007] 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.

[0008] Als Verdichter kommen bei dieser Verfahrensweise handelsübliche Vakuumpumpen oder Kompressoren zum Einsatz.

[0009] 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.

[0010] Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der verdampfte Stickstoff zunächst verdichtet und anschließend ggf. angewärmt wird.

[0011] Vorrichtungsseitig ist dazu der Verdichter erfindungsgemäß dem Wärmetauscher vorgeschaltet.

[0012] 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 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0013] Im Gegensatz zu dem anhand des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles beschriebenen Prozesses wird - wie in den Figuren 2 und 3 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.

[0014] 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.

[0015] Als kalte Verdichter kommen beispielsweise Turboverdichter radialer Bauart zur Anwendung, die speziell für den Einsatz bei sehr tiefen Temperaturen konzipiert sind.

[0016] In der Figur 3 ist eine Verfahrensweise dargestellt, die sich von der anhand der Figur 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.

[0017] Der derart im Wärmetauscher 7 unterkühlte Stickstoff wird anschließend über Leitung 1' dem Expansionsventil 2 zugeführt.

[0018] 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.

[0019] Ferner werden für die Verdichtung des unter subatmosphärischem Druck vorliegenden Stickstoffes dank der niedrigeren Saugtemperatur - und damit höheren Dichte - kleinere Verdichter benötigt.

[0020] 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.

[0021] 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.

Ansprüche

1. 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 und anschließend ggf. angewärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verdampfte Stickstoff vor seiner Verdichtung zur Unterkühlung des flüssigen Stickstoffes verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des verdampften Stickstoffes mittels eines oder mehrerer sog. kalter Verdichter erfolgt.

4. Vorrichtung zur Kältebereitstellung durch Verdampfen von flüssigem Stickstoff bei subatmosphärischen Druck und anschließendem Anwärmen und Verdichten des verdampften Stickstoffes, mit einem Entspannungs- oder Dosierorgan (2), das der Entspannung oder Dosierung des flüssigen Stickstoffes dient, einem Behälter (3), in den der entspannte Stickstoff geführt und aus dem Kälte an wenigstens einen (Kälte)Verbraucher abgeführt wird, einem Wärmetauscher (5, 5'), der der Unterkühlung des flüssigen und der Anwärmung des verdampften Stickstoffes dient, und einem Verdichter (6), der der Verdichtung des verdampften Stickstoffes dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (6') dem Wärmetauscher (5') vorgeschaltet ist, der Wärmetauscher (5') nicht vorgesehen ist oder mittels einer By-pass-Leitung umgehbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (6') ein Wärmetauscher (7), der dem Wärmetausch mit dem flüssigen Stickstoff dient, vorgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (6') als sog. kalter Verdichter ausgebildet ist.

Zeichnung