Konzept zur hocheffizienten kryogenen Kälteerzeugung mittels tiefsiedender Gemische

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Kurzfassung

Die bei tiefen Temperaturen auftretenden Effekte finden vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten ist die Kälteerzeugung selbst mit einer idealisierten Kälteanlage energieintensiv. Reale Kälteprozesse erreichen nur einen Bruchteil des idealen Wertes. Kälteanlagen, die den linksläufigen Brayton-Prozess abbilden, erreichen unter Umständen hohe exergetische Wirkungsgrade. Bei den zumeist benötigten, kleinen Temperaturspannen, beispielsweise zur Unterkühlung von flüssigem Stickstoff, fallen diese jedoch aufgrund bestimmter Randeffekte stark ab. In dieser Arbeit wird, aufbauend auf dem linksläufigen Brayton-Prozess, ein Kreislaufkonzept entwickelt, das es durch ein teilweise kondensierendes Kältemittelgemisch erlaubt, die Temperaturspannen der Kälteerzeugung und -nutzung von einander zu entkoppeln. Ausgehend von dem Grundkreislauf werden verschiedene Optimierungen durchgeführt. Die prinzipielle Umsetzbarkeit des Konzepts wird anhand von vereinfachten Modellen für die Komponenten nachgewiesen. Auf Grundlage dieser Modelle wird der entwickelte Kreislauf direkt mit einem optimierten linksläufigen Brayton-Kreislauf verglichen. Dabei zeigt sich, dass, bei vergleichbarem anlagentechnischen Aufwand, eine erhebliche Steigerung des exergetischen Wirkungsgrads möglich ist. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Konzept auf eine weitere Anwendung, der Kälteerzeugung auf Flüssighelium- und Schildkühlungsniveau erweitert. Dabei dient die kondensierende Komponente der Erhöhung der scheinbaren molaren Masse im Gemisch mit Helium. Dadurch lässt sich ein wirtschaftlicher Einsatz von effizienten Turboverdichtern erzielen. Durch die Abtrennung der schwereren Komponente wird eine reiner Heliumstrom zur Kälteerzeugung bei sehr tiefen Temperaturen bereitgestellt.

Verfügbare Versionen dieses Eintrags

• Konzept zur hocheffizienten kryogenen Kälteerzeugung mittels tiefsiedender Gemische. (deposited 27 Mär 2023 11:08) [Gegenwärtig angezeigt]