DE1271271B

DE1271271B - Verfahren zur Verfluessigung eines tiefsiedenden Gases und zur Unterkuehlung der erzeugten Fluessigkeit

Info

Publication number: DE1271271B
Application number: DEP1271A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Sahabettin Ergenc
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1965-07-05
Filing date: 1965-07-31
Publication date: 1968-06-27
Also published as: US3470065A; NL6511304A; NL134863C; GB1114306A; CH439358A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 71 271.9-33
31. Juli 1965
27.Juni 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verflüssigung eines tiefsiedenden Gases und zur Unterkühlung der erzeugten Flüssigkeit, wobei das verflüssigte, unterkühlte Gas einen Kernreaktor als Moderatorflüssigkeit zur Erzeugung von kalten Neutronen durchströmt. Unter kalten Neutronen versteht man bekanntlich Neutronen, deren Energie auf mindestens 0,005 eV abgebremst ist.

Es ist bekannt, einen hohen Fluß von kalten Neutronen in einem Kernreaktor dadurch zu erzeugen, daß ein Gefäß mit flüssigem Wasserstoff als Moderator von relativ kleinen Abmessungen im Vergleich zu den Reaktorabmessungen in der Nähe des Reaktorkerns im Moderator, z. B. Graphit, angeordnet wird. Gegebenenfalls kann auch z. B. an Stelle von Wasserstoff Wasserstoff-Deuterid (HD) als Moderatorflüssigkeit verwendet werden. Der verflüssigte Wasserstoff erwärmt sich im Moderatorgefäß auf Grund der nuklearen Aufheizung, die durch Zusammenstöße schneller Neutronen mit den Wasserstoffatomen und Absorption von y-Strahlen in der Flüssigkeit und in der Behälterwand entsteht, sowie durch Wärmeeinfall von der wärmeren Umgebung des Moderatorgefäßes.

Der flüssige Wasserstoff soll jedoch bei der Wärmeaufnahme nicht verdampfen. Aus dem Artikel »The Use of Liquid Hydrogen for the Production of Cold Neutrons inside a Nuclear Reactor« von F. J. Webb aus dem Buch »Technology and Uses of Liquid Hydrogen«, edited by R. B. Scott, W. H. Denton and C. M. Nicholls, Pergamon Press, Oxford—London— Edingburgh—New York—Paris—Frankfurt, 1964, ist es bekannt, für eine entsprechende Kühlung der kalten Moderatorflüssigkeit durch Kühlelemente, die unmittelbar an dem Moderatortopf oder in der Moderatorflüssigkeit selbst angeordnet sind, zu sorgen. Diese Kühleinrichtungen bewirken jedoch, daß das Moderatorgefäß bedeutend schwerer und somit die Aufheizung der Moderatorflüssigkeit infolge der /-Strahlung größer wird, was zur Folge hat, daß die Kälteleistung entsprechend vergrößert werden muß. Die Übertragung einer größeren Kälteleistung bedingt aber größere Wärmeaustauschflächen der Kühlelemente, wodurch die der /-Strahlung ausgesetzte Masse des Moderatorgefäßes noch größer wird.

Diese Nachteile können zwar vermieden werden, wenn das Moderatorgefäß von einem in einem geschlossenen Kreislauf strömenden, unterkühlten Wasserstoffstrom durchflossen wird, wobei die im Moderatorgefäß erwärmte Flüssigkeit durch einen Wärmeaustauscher gepumpt wird, in welchem die abzuführende Wärme an eine Kälteanlage übertragen Verfahren zur Verflüssigung

eines tiefsiedenden Gases

und zur Unterkühlung der erzeugten Flüssigkeit

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,

Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

4000 Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Sahabettin Ergenc,
Zollikerberg, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 5. Juli 1965 (9455)

wird. Eine solche Anordnung würde aber eine Pumpe zur Umwälzung des flüssigen Wasserstoffes erfordern. Dies stellt aber einen wesentlichen Nachteil der vorgeschlagenen Anordnung dar, da bis jetzt die erforderliche Betriebssicherheit derartiger Pumpen, insbesondere auf Grund der bei der Lagerschmierung auftretenden Probleme, nicht in befriedigendem Maße erreicht werden konnte.

Die Erfindung hat sich ein Verfahren zur Verflüssigung eines tiefsiedenden Gases, insbesondere Wasserstoff, und zur Unterkühlung der erzeugten Flüssigkeit, zur Verwendung als Moderatorflüssigkeit in einem Kernreaktor zur Aufgabe gemacht, welches keine Pumpe zur Umwälzung des flüssigen Wasserstoffes erfordert.

Diese wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß das verflüssigte Gas durch Wärmeaustausch mit einer kleineren Teilmenge verflüssigten, auf den tiefsten Druck der Anlage entspannten Gases unterkühlt wird und daß weiterhin die unterkühlte Flüssigkeit nach teilweiser Entspannung einen im Kernreaktor angeordneten Verbraucher durchströmt und sich hierbei bis auf nahezu Verdampfungstemperatur erwärmt, sodann im Wärmeaustausch mit dem Hochdruckgas verdampft, überhitzt und arbeitsleistend auf den tiefsten Druck

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der Anlage entspannt und mit der zur Unterkühlung des Hochdruckgases dienenden, hierbei verdampften kleineren Teilmenge wieder vereinigt wird und daß schließlich dieses Niederdruckgas, nachdem es durch Wärmeaustausch mit dem Hochdrackgas bis auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt worden ist, erneut auf Hochdruck verdichtet wird.

In vorteilhafter Weise wird die zur Unterkühlung des Hochdruckgases dienende kleinere Teilmenge aus dem Flüssigkeitsstrom nach dem Verbraucher abgezweigt und auf den Druck des arbeitsleistend entspannten Gases gedrosselt.

Außer der vorteilhaften Eigenheit, daß bei dem Verfahren gemäß der Erfindung keine Pumpe zur Umwälzung des verflüssigten Gases erforderlich ist, wird der Kältekreislauf so geführt, daß die in den Wärmeaustauschern der Kälteanlage entstehenden thermodynamischen Verluste sowie die Entropiezunahme bei der Erzeugung der erforderlichen Kälteleistung relativ gering gehalten werden.

Dazu wird folgendes ausgeführt: Da verlangt ist, daß die Flüssigkeit im Moderatorgefäß bei der Wärmeaufnahme nicht verdampfen darf, muß sie außerhalb des Kälteverbrauchers in der Anlage verdampft, sodann erwärmt, auf einen höheren Druck verdichtet, gekühlt, verflüssigt und unterkühlt werden, bevor sie erneut in den Verbraucher eintritt. Da die Verdampfungswärme der Flüssigkeit ein Vielfaches der von der unterkühlten Flüssigkeit im Verbraucher aufgenommenen Wärme ist, müssen in dem Kondensator der Kälteanlage, in welchem das auf einen höheren Druck verdichtete Gas gegen die verdampfende Flüssigkeit kondensiert, die Temperaturdifferenzen zwischen der verdampfenden Flüssigkeit und dem kondensierenden Gas möglichst klein gehalten werden, da sonst die Entropiezunahme und damit die thermodynamischen Verluste im Kondensator groß werden. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die Temperaturdifferenzen zwischen der verdampfenden Flüssigkeit und dem kondensierenden Gas dadurch gering gehalten, daß die verdampfende Flüssigkeit noch einen relativ hohen Druck aufweist.

Dieser Druck ist nämlich bedeutend höher als der Gleichgewichtsdampfdruck (niedrigster Druck der Anlage) der Eintrittstemperatur der unterkühlten Flüssigkeit in den Verbraucher.

Nachdem die Flüssigkeit im Kondensator vollständig verdampft ist, wird der Gasstrom nicht bis zur Umgebungstemperatur erwärmt, sondern gemäß der Erfindung durch Wärmeaustausch mit dem Hochdruckgas überhitzt und sodann arbeitsleistend entspannt. Dieses bringt den Vorteil mit sich, daß für die arbeitsleistende Entspannung kein zusätzlicher Kreislaufstrom vorgesehen werden muß, der eine Zunahme der Verluste in den Wärmeaustauschern hervorrufen würde.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die im unteren Temperaturgebiet, nämlich die zwischen der Eintrittstemperatur der Flüssigkeit in den Verbraucher und ihrer Austrittstemperatur aufzubringende Kälteleistung nicht nur durch arbeitsleistende Entspannung in diesem Temperaturgebiet erfolgt, sondern dadurch, daß der durch die Drosselung bewirkte Kühleffekt ausgenutzt wird.

Die Entropiezunahme, d. h. die thermodynamischen Verluste, werden bekanntlich bei arbeitsleistender Entspannung eines Gases, die vorteilhafterweise in mindestens einer Expansionsturbine vorgenommen wird, um so größer, je tiefer die Temperatur bei einem gegebenen Ausgangsdruck ist, während umgekehrt der durch Drosselung bewirkte Kühleffekt mit sinkender Temperatur steigt. Nach der Erfindung wird daher die arbeitsleistende Entspannung zur Erzeugung von Kälteleistung in einem höheren Temperaturgebiet durchgeführt, während die im unteren Temperaturgebiet aufzubringende Kälteleistung mit Hilfe der Drosselung erzeugt wird.

Hierzu wird eine Teilmenge der das Moderatorgefäß kühlenden Flüssigkeit auf den Entspannungsdruck des arbeitsleistend entspannten Gases gedrosselt und im Wärmeaustausch mit der zu unterkühlenden Flüssigkeit verdampft.

Für den Kühleffekt der Drosselung sind der kondensierende Hochdruckstrom und der von dem Verbraucher kommende verdampfende Flüssigkeitsstrom, welcher anschließend arbeitsleistend entspannt wird, maßgebend, da nur eine, im Vergleich zu den Mengen dieser beiden Ströme, kleine Teilmenge zur Unterkühlung der Moderatorflüssigkeit erforderlich ist.

Die vorteilhafte Ausnutzung des durch die Drosselung erzielten Kühleffektes wird nach der Erfindung somit dadurch erreicht, daß der Drosseleffekt, d. h. die Enthalpiedifferenz zwischen den im Vergleich zu der Teilmenge großen Mengenströmen des Hochdruckgases und des auf einen mittleren Druck entspannten Gases in einem höheren Druckbereich ausgenutzt wird, da bekanntlich zur Erzielung eines bestimmten Kühleffektes durch Drosselung die Verdichtungsleistung einer Kälteanlage um so geringer wird, je höher der Druckbereich ist, in welchem die Drosselung durchgeführt wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Erzeugung der Kälteleistung im tiefsten Temperaturbereich durch Drosselung einer relativ kleinen Teilmenge auf den tiefsten Druck der Kälteanlage, d. h. den Druck des arbeitsleistend entspannten Gases möglich.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Die Zeichnung zeigt das Flußschema eines Kältekreislaufes gemäß der Erfindung mit schematischer Darstellung der zur Durchführung des Verfahrens dienenden Elemente einer Kälteanlage, welche im wesentlichen aus einem Kompressor 1, einem Kühler 2 zur Abführung der Kompressionswärme, Gegenstromwärmeaustauschern 3, 4 und 5, einem Unterkühler 6, Drosselorganen 7 und 8 und einer Expansionsturbine 9 besteht. Der unterhalb der Umgebungstemperatur befindliche Teil der Kälteanlage ist zur Isolation in einem Vakuumbehälter 10 angeordnet, in welchem ein Druck von z. B. 10~⁴ mm Hg aufrechterhalten wird. Der Verbraucher im Kältekreislauf ist ein Moderatorgefäß 11, welcher in nicht dargestellter Weise in einem Kernreaktor angeordnet ist und mit Kernstrahlung Q bestrahlt wird. Selbstverständlich kann der Verbraucher auch aus einer Anzahl von parallelgeschalteten Moderatorgefäßen bestehen.

Es ist erforderlich, daß eine genügend große Menge von unterkühlter Moderatorflüssigkeit zur Zirkulation durch den Moderatortopf erzeugt wird. Dementsprechend darf die Flüssigkeit im Moderatorgefäß bei der Wärmeaufnahme nicht verdampfen. Die zulässige Differenz zwischen der Eintrittstemperatur der Flüssigkeit in das Moderator-

Claims

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gefäß und der Austrittstemperatur ist im wesentlichen im Unterkühler mit Hilfe einer auf das Ventil 8 ein-

durch die zulässigen Drücke bestimmt. wirkenden Niveauregeleinrichtung 13 konstant ge-

Die untere Grenze der Eintrittstemperatur ist vor- halten. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, wird eine gegeben durch die Temperatur des Dampf-Flüssig- im Vergleich zu der Flüssigkeitsmenge, welche zur keits-Gemisches, welches im Unterkühler 6 mit der 5 Kondensation des Hochdruckgases im Wärmeaus-Moderatorflüssigkeit im Wärmeaustausch steht. Die tauscher S dient, kleine Flüssigkeitsmenge zur Unterim Unterkühler verdampfende Flüssigkeit steht bei kühlung des kondensierten Hochdruckgases verwen-Vernachlässigung der Druckverluste in den Leitun- det. Gegebenenfalls kann auch die zur Unterkühlung gen unter dem tiefsten Druck der Anlage, nämlich dienende Teilmenge aus dem kondensierten Hochunter demjenigen des in der Expansionsturbine 9 io druckgasstrom z. B. vor oder nach dem Unterkühler entspannten Gases. Dieser Druck beträgt vorteilhaft abgezweigt, auf den Niederdruck gedrosselt und in etwa 1 Atm. Eine noch tiefere Eintrittstemperatur den Unterkühler eingeleitet werden,
könnte zwar erreicht werden, wenn der tiefste An- Die im Unterkühler verdampfte Flüssigkeit wärmt lagendruck kleiner als 1 Atm. gewählt würde, was sich beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher 5 jedoch wegen des Eindringens von Luft in die An- 15 bis auf die Temperatur des arbeitsleistend entspannlagenteile unerwünscht ist. ten Gases auf und wird mit diesem vereinigt. So-

Außerdem müßte in diesem Fall der Kompressor dann wird der Gasstrom in den Wärmeaustauschern 4

der Anlage bedeutend größer sein, da das Saug- und 3 durch Wärmeaustausch mit Hochdruckgas bis

volumen bei einer gegebenen Umwälzmenge mit auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt, bevor er

sinkendem Saugdruck größer wird. ao vom Kompressor erneut verdichtet wird.

Die Austrittstemperatur ist durch den Gleich- In der Saugleitung des Kompressors wird in vor-

gewichtsdampfdruck der Flüssigkeit bei dieser Tem- teilhafter Weise ein Gasbehälter 14 angeordnet,

peratur gegeben. Da dieser Druck durch die Druck- damit im Stillstand der Kälteanlage die Gasmenge in

belastbarkeit des Moderatorgefäßes, also aus Festig- der Anlage auch nach Erwärmung auf Umgebungs-

keitsgründen begrenzt ist, ist dementsprechend auch 25 temperatur verbleiben kann, ohne daß ein allzu

die obere Grenze der Austrittstemperatur begrenzt. großer Druck in der Anlage entsteht.

Die Funktionsweise des Kältekreislaufes gemäß

der Erfindung zur Verflüssigung und Unterkühlung Zanlenbeispiel

eines als Moderatorflüssigkeit verwendeten tief- Eine gasförmige Wasserstoffmenge von 100 g/s

siedenden Gases, insbesondere von Wasserstoff, wird 30 wird auf 10 Atm. verdichtet, in den Wärmeaus-

im folgenden erläutert. tauschern 3 und 4 bis auf etwa 45° K gekühlt. Der

Das im Kompressor 1 verdichtete Gas wird nach im Wärmeaustauscher 5 bei 31,4° K kondensierende Abführung der Kompressionswärme im Kühler 2 in Wasserstoff wird im Unterkühler 6 sodann auf eine den Wärmeaustauschern 3 und 4 durch Wärmeaus- Temperatur von 21,6° K unterkühlt und im Drosseltausch mit entspanntem Gas des Kreislaufes gekühlt. 35 ventil 7 auf einen Druck von 3 Atm. entspannt. Die Im Wärmeaustauscher 5 wird das Hochdruckgas Eintrittstemperatur des flüssigen Wasserstoffes in den zunächst weitergekühlt und sodann im Gegenstrom Moderatortopf 11 beträgt etwa 22° K und die Auszu aus dem Moderatorgefäß stammender verdamp- trittstemperatur 24° K. Die zur Unterkühlung diefender Flüssigkeit kondensiert. Sodann wird das kon- nende Teilmenge von 8 g/s wird im Drosselventil 8 densierte Hochdruckgas im Unterkühler 6 unterkühlt 40 auf etwas mehr als 1 Atm. entspannt und kühlt sich und anschließend auf einen mittleren Druck, der dem dabei auf etwa 21⁰K ab. Die im Wärmeautauscher 5 gewünschten Druck im Moderatorgefäß entspricht, verdampfende Flüssigkeit von 92 g/s hat sich beim im Ventil 7 gedrosselt. Dieses Ventil hält über eine Austritt aus dem Wärmeautauscher auf eine Tem-Regeleinrichtung 12 den Einspeisedruck in dem peratur von 43° K erwärmt und wird im Wärmeaus-Moderatorgefäß konstant. Die unterkühlte ent- 45 tauscher 4 weiter auf 53° K überhitzt und sodann in spannte Flüssigkeit durchströmt sodann das Mode- der Expansionsturbine 9 auf etwas mehr als 1 Atm. ratorgefäß 11, in welchem sie sich auf nahezu ihre entspannt, wobei sich die Gastemperatur auf 43° K Verdampfungstemperatur bei diesem Druck erwärmt. erniedrigt. Der mit dem Gasstrom aus dem Unter-Der größere Teil der erwärmten Flüssigkeit strömt kühler vereinigte arbeitsleistende entspannte Gassodann durch den Wärmeaustauschers zurück, in 50 strom tritt aus dem Wärmeaustauscher4 bei einer welchem sie gegen das kondensierende Hochdruck- Temperatur von etwa 53° K aus und wird nach gas verdampft, im oberen Teil dieses Wärmeaus- Aufwärmung auf etwa Umgebungstemperatur im tauschers und im Wärmeaustauscher 4 überhitzt Wärmeaustauscher 3 durch den Ausgleichsbehälter wird, und sodann in einer Expansionsturbine 9 auf 14 vom Kompressor 1 angesaugt,
den tiefsten Anlagendruck entspannt wird und sich 55 _, .. ,
dabei abkühlt. Patentansprüche:

Selbstverständlich können zur arbeitsleistenden 1. Verfahren zur Verflüssigung eines tiefsieden-

Entspannung des Gases auch mehrere Expansions- den Gases und zur Unterkühlung der erzeugten

turbinen verwendet werden. Flüssigkeit, wobei das verflüssigte, unterkühlte

Die restliche Menge der im Moderatorgefäß 11 60 Gas einen Kernreaktor als Moderatorflüssigkeit erwärmten Flüssigkeit wird im Ventil 8 auf den Druck zur Erzeugung von kalten Neutronen durchdes in der Turbine entspannten Gases gedrosselt und strömt, dadurch gekennzeichnet, daß fließt in den Unterkühler 6, in welchem sie verdampft das verflüssigte Gas durch Wärmeaustausch (6) und dabei das kondensierte Hochdruckgas unter- mit einer kleineren Teilmenge verflüssigten, auf kühlt. Um die Wärmeaustauschflächen zwischen dem 65 den tiefsten Druck der Anlage entspannten Gases kondensierten Hochdruckgas und der zur Unter- unterkühlt wird und daß weiterhin die Unterkühlung verwendeten Flüssigkeit während des Be- kühlte Flüssigkeit nach teilweiser Entspannung (7) triebes konstant zu halten, wird die Flüssigkeitshöhe einen im Kernreaktor angeordneten Verbraucher

(11) durchströmt und sich hierbei bis auf nahezu Verdampfungstemperatur erwärmt, sodann im Wärmeaustausch (5, 4) mit dem Hochdruckgas verdampft, überhitzt und arbeitsleistend (9) auf den tiefsten Druck der Anlage entspannt und mit der zur Unterkühlung des Hochdruckgases dienenden, hierbei verdampften kleineren Teilmenge wieder vereinigt wird und daß schließlich dieses Niederdruckgas, nachdem es durch Wärmeaustausch (4, 3) mit dem Hochdruckgas bis auf etwa Umgebungstemperatur erwärmt worden ist, erneut auf Hochdruck (1) verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Unterkühlung des Hochdruckgases dienende kleinere Teilmenge aus dem Flüssigkeitsstrom nach dem Verbraucher (11) abgezweigt und auf den Druck des arbeitsleitend entspannten Gases gedrosselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ao

kennzeichnet, daß die zur Unterkühlung des Hochdruchgases dienende kleinere Teilmenge aus dem verflüssigten Hochdruckgas abgezweigt und auf den Druck des arbeitsleistend entspannten Gases (9) gedrosselt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Unterkühlung dienende kleinere Teilmenge nach ihrer Verdampfung und bevor sie mit dem arbeitsleistend entspannten Gas (9) vereinigt wird, durch Wärmeaustausch (5) mit dem Hochdruckgas auf etwa die Temperatur des arbeitsleistend entspannten Gases erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Anteil der entspannten kleineren Teilmenge während der Unterkühlung konstant (13, 8) gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Flüssigkeit vor dem Verbraucher konstant (7, 12) gehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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