Die Erfindung betrifft Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind insbesondere für die Kühlung von

Hochtemperatursupraleitern geeignet.

Hochtemperatursupraleiter, die mit Kupferoxid gebildet sind und eine kritische Temperatur oberhalb von 77 K, der Kondensationstemperatur von Stickstoff bei atmosphärischem Druck, aufweisen, werden üblicherweise mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Um die Stromtragfähigkeit der Supraleiter zu erhöhen, werden Temperaturen unterhalb von 77 K angestrebt. Für diese Aufgabe kann der Stickstoff auf einen subatmosphärischen Druck entspannt werden, wobei sich durch den Joule-Thomson Effekt die Temperatur erniedrigt. Solche Anlagen benötigen jedoch eine kontinuierliche Zufuhr von flüssigem Stickstoff. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad niedrig, da nur die latente Kälteleistung genutzt wird. Der dafür benötigte subatmosphärische Druck wird zudem oft als Sicherheitsrisiko bewertet. Eine mögliche Alternative zum vorgenannten Verfahren stellen Brayton- Kreisläufe dar. In einem Brayton-Kreislauf kann Helium, Neon oder ein Gemisch aus diesen Gasen als Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, in einem Wärmeübertrager vorgekühlt und danach in einer Turbine arbeitsleistend entspannt werden. Mit der Kälte des entspannten Gases wird dann die Kühlaufgabe erfüllt. Somit kann für die Kühlung lediglich ein Temperaturbereich, der zwischen der Turbineneintrittstemperatur und der Turbinenaustrittstemperatur liegt, genutzt werden. Bei dem für die Kühlung von Hochtemperatursupraleitern relevanten Temperaturbereich von 75 K bis 65 K, resultieren dann auch kleine Druckverhältnisse mit denen die Turbine betrieben wird. Die geringe Turbinenleistung führt umgekehrt dazu, dass sehr hohe Masseströme des Kältemittels benötigt und damit auch unvorteilhaft die Größe der Anlage zunimmt. Alternativ dazu könnte ein Brayton-Kreislauf auch mit einer Turbine, die mit einem großen Druckverhältnis betrieben wird, durchgeführt werden. Dies würde sich allerdings bei den sehr niedrigen zu erzielenden Temperaturen negativ auf den Wirkungsgrad des Verfahrens auswirken. Der Wirkungsgrad kann verbessert werden, wenn das Kältemittel mehrere Turbinen durchströmt und zwischen zwei Turbinen immer wieder aufgewärmt wird. Nachteilig wirkt sich bei dieser technischen Lösung aus, dass mehrere Turbinen mit vergleichsweise geringer Drehzahl betrieben werden müssen und eine Vielzahl kostenintensiver rotierender Maschinen benötigt wird.

Prinzipiell kann auch ein Claude-Kreislauf, bei dem ein Gas mit einem durch eine Turbine geführten Teilstrom vorgekühlt und anschließend durch adiabate Drosselung verflüssigt wird, genutzt werden. Dabei kämen jedoch nur Stickstoff und Sauerstoff als Komponenten, mit denen das Gas gebildet ist, in Frage. Weiterhin würden diese Kreisläufe ein sehr niedriges Druckniveau nach der Drosselung voraussetzen und aufgrund der niedrigen Gasdichte entsprechend große Anlagen benötigen. Üblicherweise ergeben sich auch Probleme mit der Abdichtung gegen den Umgebungsdruck.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, effiziente und zuverlässige Kühlverfahren mit einem hohen Wirkungsgrad vorzuschlagen, die die oben aufgeführten Nachteile vermeiden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in Anspruch 1 und Anspruch 2 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem (a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler gekühlt wird, (b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste, zweite und dritte Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird, (c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird, (d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte und zweite Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wärme aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, (e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur abgekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner geleitet, mittels eines Regelventils entspannt und dem von dem Expander kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte, zweite und erste Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers geleitetes Anwendungsfluid Wärme abgibt, wobei das Anwendungsfluid von einer Ausgangs- auf eine Endtemperatur abgekühlt wird, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durchgeführt wird.

Die Erfindung betrifft ein weiteres Verfahren bzw. eine Variante des oben beschriebenen Verfahrens zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, bei dem (a) das Fluidgemisch in mindestens einem Verdichter von einem Niedrigdruck auf einen Hochdruck komprimiert und anschließend in einem Rückkühler gekühlt wird, (b) das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste, zweite und dritte Stufe eines Wärmeübertragers geleitet wird, wobei das Fluidgemisch Wärme abgibt und auf eine erste Temperatur abgekühlt wird, (c) das Fluidgemisch in einen Phasentrenner geleitet und ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs durch Kondensation von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs separiert wird, (d) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs durch die dritte und zweite Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, wobei der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs Wärme aufnimmt und auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, (e) der zweite gasförmige Masseteilstrom des Fluidgemischs von der zweiten Stufe des Wärmeübertragers kommend in einem Expander arbeitsleistend entspannt und dabei auf eine dritte Temperatur abgekühlt wird, (f) der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs aus dem Phasentrenner geleitet und zumindest ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mittels eines Regelventils entspannt und dem von dem Expander kommenden zweiten gasförmigen Masseteilstrom des Fluidgemischs wieder beigemischt wird, (g) der mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs und dem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs gebildete Teil des Fluidgemischs durch die dritte Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird, dabei Wärme aufnimmt und dem von der Anwendung kommenden ersten Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs wieder beigemischt wird und das rekombinierte Fluidgemisch durch die zweite und die erste Stufe des Wärmeübertragers geleitet wird und dabei Wärme aufnimmt, und das Fluidgemisch von der ersten Stufe des Wärmeübertragers kommend wieder in den mindestens einen Verdichter geleitet wird und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus erneut durchgeführt wird.

Die im Expander in Schritt (e) gewonnene Arbeitsleistung kann zur Kompression des Fluidgemischs in dem mindestens einen Verdichter in Schritt (a) genutzt werden. Der Expander kann dabei mit einer oder mehreren Turbinen gebildet sein. Eine oder mehrere Turbinen können insbesondere mit einem großen Druckverhältnis gefahren werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass die zweite Temperatur oder die Turbineneintrittstemperatur des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs wesentlich größer ist als die Ausgangstemperatur des Anwendungsfluids oder die dritte Temperatur.

Der Wärmeübertrager kann als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet sein. Dabei kann der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) den Gegenstromwärmetäuscher in einer dem Massestrom, Masseteilstrom und/oder Teil des Masseteilstroms des Fluidgemischs in Schritt (g) entgegengesetzten Richtung durchströmen, wobei der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) Wärme abgibt und der Massestrom, Masseteilstrom und/oder Teil des Masseteilstroms des Fluidgemischs in Schritt (g) Wärme aufnimmt. Vorzugsweise durchströmt auch der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (d) den Gegenstromwärmetäuscher in einer dem Massestrom des Fluidgemischs in Verfahrensschritt (b) entgegengesetzten Richtung, wobei der Massestrom des Fluidgemischs in Schritt (b) Wärme abgibt und der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (d) Wärme aufnimmt.

Vorzugsweise ist der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Komponenten gebildet, die eine Kondensationstemperatur bei dem Hochdruck aufweisen, die größer als die erste Temperatur ist. Dadurch kann/können die den in Schritt (c) ersten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildende(n) Komponente(n) während und/oder nach der Durchströmung der ersten, zweiten und/oder dritten Stufe des Wärmeübertragers in Schritt (b) zumindest zu einem großen Teil kondensieren und im Phasentrenner dann in einem flüssigen Zustand vorliegen. Vorzugsweise ist der Wärmeübertrager so ausgebildet, dass die Kondensation zumindest einer den in Schritt (c) ersten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildende(n) Komponente(n) bereits bevor das Fluidgemisch die dritte Stufe des Wärmeübertragers durchströmt hat, einsetzt.

Zudem wirkt es sich vorteilhaft aus, wenn der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs in Schritt (c) mit mindestens einer Komponente gebildet ist, die eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck aufweist, die niedriger als die dritte Temperatur ist. Vorzugsweise weisen alle den zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs bildenden Komponenten eine Kondensationstemperatur bei dem Niedrigdruck auf, die niedriger als die dritte Temperatur ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die den zweiten Masseteilstrom bildende(n) Komponente(n) des Fluidgemischs während des gesamten Kühlprozesses bzw. im gesamten Kühlzyklus nicht kondensiert/kondensieren und in einem gasförmigen Zustand vorliegt/vorliegen.

Der erste Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs kann mit derselben Komponente oder denselben Komponenten gebildet sein, wie der zweite Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs. Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn der erste Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer Komponente des Fluidgemischs gebildet ist und der zweite Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer anderen Komponente des Fluidgemischs gebildet ist.

Der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs kann mit Helium, Neon, Stickstoff und/oder Wasserstoff als Komponente des Fluidgemischs gebildet sein. Der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs kann mit Sauerstoff, Stickstoff und/oder einem oder mehreren Kohlenwasserstoff(en) als Komponente(n) des Fluidgemischs gebildet sein.

Vorzugsweise ist der zweite Masseteilstrom mit Neon mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs mit Stickstoff mit einem Stoffmengenanteil von 20 mol-% gebildet.

Der erste Masseteilstrom kann auch mit Stickstoff mit einem Stoffmengenanteil von 17 mol-% und mit Sauerstoff mit einem Stoffmengenanteil von 3 mol-% gebildet sein.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 65 K und 75 K effizient durchgeführt werden.

Sie eignen sich daher insbesondere zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern. Dabei ist das Anwendungsfluid und/oder der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs vorteilhaft mit Stickstoff gebildet.

Die Wahl der Komponenten des Fluidgemischs bestimmt auch die Druck- und Temperaturniveaus mit denen das Verfahren effizient betrieben werden kann. Beispielsweise kann der Niedrigdruck kleiner oder gleich 0,6 MPa sein und der Hochdruck größer oder gleich 1,2 MPa sein. Vorzugsweise sind der mindestens eine Verdichter und/oder der Expander so eingerichtet, dass das Verhältnis zwischen dem Hochdruck und dem Niedrigdruck mindestens 3:1 beträgt.

Die Temperatur des Fluidgemischs kann nach Durchströmen des Vorkühlers in Schritt (a) des Verfahrens auf Umgebungstemperaturniveau liegen und beispielsweise 300 K betragen. Der Wärmeübertrager kann so ausgebildet sein, dass die erste Temperatur des Fluidgemischs nach Durchströmen des Wärmeübertragers in Schritt (b) des Verfahrens weniger als 70 K beträgt. Dabei kann die Temperatur des Fluidgemischs nach Durchströmen der ersten Stufe des Wärmeübertragers weniger als 120 K und nach Durchströmen der zweiten Stufe des Wärmeübertragers weniger als 85 K betragen. Die zweite Temperatur des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, die identisch mit der Expandereintrittstemperatur sein kann, kann dementsprechend zwischen 85 K und 120 K liegen. Die dritte Temperatur, die identisch mit der Expanderaustrittstemperatur sein kann, kann weniger als 70 K, vorzugsweise weniger als 65 K, betragen. Vorzugsweise beträgt die Temperatur des ersten Masseteilstroms nach der Entspannung mittels des Regelventils in Schritt (f) weniger als 65 K.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dann ein Anwendungsfluid von einer Ausgangstemperatur, die größer oder gleich 75 K sein kann, auf eine Endtemperatur, die kleiner oder gleich 65 K sein kann, gekühlt werden. Alternativ kann auch die Kälte eines ersten Teils des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs mit einer Temperatur von vorzugsweise weniger als 65 K bei einer Anwendung, z.B. bei der Kühlung von Hochtemperatursupraleitern, genutzt werden.

Die Erfindung bietet unter anderem die folgenden weiteren Vorteile: Da nur der zweite Masseteilstrom durch den Expander geleitet wird, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die geringen Drücke eines Claude-Kreislaufs, der mit Stickstoff als Kältemittel betrieben wird, vermieden werden. Dadurch kann eine die erfindungsgemäßen Verfahren durchführende Anlage in kompakter Bauweise realisiert werden. Dies ermöglicht auch eine effizientere Abdichtung einer entsprechenden Anlage gegen den Umgebungsdruck. Da vorzugsweise nur der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs Stickstoff enthalten kann, wird zudem eine Kondensation des Stickstoffs an dem Expander bzw. an der Turbine vermieden. Auch dies trägt dazu bei, dass eine Turbine mit einem hohen Druckverhältnis gefahren werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der geringen Anzahl rotierender Maschinen, die für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren benötigt werden. Dies trägt insbesondere zur höheren Kosteneffizienz, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bei.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen

Verfahrens, bei dem ein Anwendungsfluid gekühlt wird, und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein Teil des Fluidgemischs direkt der Anwendung zugeführt wird.

Figur 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit Neon als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und mit Stickstoff als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 20 mol-% gebildet ist.

In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, bei dem zunächst sowohl Stickstoff als auch Neon in einem gasförmigen Zustand vorliegen, in einem Kompressor 1 als Verdichter von einem Niedrigdruck, der 0,6 MPa beträgt, auf einen Hochdruck, der 2 MPa beträgt, komprimiert und anschließend in einem Rückkühler 2 mittels Wasser oder Luft gekühlt. Vor Eintritt in den Kompressor 1 als Verdichter beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 295 K. Nach Austritt aus dem Rückkühler 2 beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 300 K.

In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch nacheinander durch eine erste 3, eine zweite 4 und eine dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers der als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet ist, geleitet. Dabei gibt das Fluidgemisch soviel Wärme ab, dass der Stickstoff als eine Komponente des Fluidgemischs kondensiert und vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Nach der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur des Fluidgemischs noch 105 K. Nach der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur 75 K. Nach Durchströmung der dritten Stufe 5 des Wärmeübertragers beträgt die erste Temperatur nur noch 66,5 K. Der Druck des Fluidgemischs hat sich dabei nur unwesentlich um weniger als 0,02 MPa erniedrigt oder ist konstant geblieben. Da die Kondensationstemperatur von Stickstoff bei einem Gesamtdruck von etwa 2 MPa bei etwa 91 K liegt, beginnt die Kondensation von Stickstoff als Komponente des Fluidgemischs während das Fluidgemisch die zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers durchströmt. Im Gegensatz dazu liegt die Kondensationstemperatur von Neon bei einem Druck von etwa 2 MPa weit unter 50 K, sodass Neon als Komponente des Fluidgemischs in einem gasförmigen Zustand verbleibt.

In Schritt (c) wird das Fluidgemisch, das nach Schritt (b) mit Stickstoff in einem flüssigen Zustand und mit Neon in einem gasförmigen Zustand gebildet ist, in einen Phasentrenner 6 geleitet. In dem Phasentrenner 6 wird ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, separiert.

In Schritt (d) wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder in Gegenrichtung durch die dritte 5 und zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers geleitet. Dabei nimmt der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, Wärme auf und erhöht seine Temperatur von der ersten Temperatur bei 66,5 K auf die zweite Temperatur bei 96 K.

In Schritt (e) wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigen Neon gebildet ist, von der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers kommend in einem Expander 7, der als Turbine 7 ausgeführt ist, arbeitsleistend entspannt und dabei auf die dritte Temperatur, die 64,5 K beträgt, abgekühlt. Vor Eintritt in die Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, noch 2 MPa. Nach Austritt aus der Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, nur noch 0,6 MPa. Somit kann die Turbine 7 mit einem Druckverhältnis, das größer als 3:1 ist, effizient betrieben werden.

In Schritt (f) wird der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, aus dem Phasentrenner 6 geleitet und mittels eines Regelventils 8 entspannt. Anschließend wird der erste Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff gebildet ist, dem von dem Expander 7 kommenden zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder beigemischt.

In Schritt (g) wird das mit dem ersten und dem zweiten Masseteilstrom gebildete bzw. rekombinierte Fluidgemisch wieder durch die dritte 5, zweite 4 und erste Stufe 3 des Wärmeübertragers geleitet. Das Fluidgemisch nimmt dabei Wärme auf. Während der Durchströmung der dritten Stufe 5 des Wärmeübertragers erhöht sich die Temperatur des Fluidgemischs von 63,8 K auf 73 K. Nach weiterer Durchströmung der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur des Fluidgemischs bereits 96 K, bevor das Fluidgemisch nach Austritt aus der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers eine Temperatur von 295 K und einen Druck von 0,6 MPa erreicht hat.

Ein im Gegenstrom durch die dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers geleitetes Anwendungsfluid 9 gibt Wärme an das Fluidgemisch ab, wobei das Anwendungsfluid 9 von einer Ausgangstemperatur von 75 K bei einem Druck von 0,1 MPa auf eine Endtemperatur von 65 K bei einem Druck von knapp unterhalb 0,1 MPa abgekühlt wird und danach der Anwendung zugeführt werden kann.

Das von der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers kommende Fluidgemisch wird wieder in den Kompressor 1 als Verdichter geleitet und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus beginnt erneut.

In Figur 2 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung eines Kühlprozesses mit einem Fluidgemisch, das mit mindestens zwei Komponenten gebildet ist, gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind in Figur 2 mit identischen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. Dabei ist das Fluidgemisch mit Neon als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 80 mol-% und mit Stickstoff als eine Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 17 mol-% und mit Sauerstoff als eine weitere Komponente des Fluidgemischs mit einem Stoffmengenanteil von 3 mol-% gebildet.

In Schritt (a) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, bei dem zunächst sowohl Sauerstoff, Stickstoff als auch Neon in einem gasförmigen Zustand sind, in einem Kompressor 1 als Verdichter von einem Niedrigdruck, der 0,33 MPa beträgt, auf einen Hochdruck, der 1,2 MPa beträgt, komprimiert und anschließend in einem Rückkühler 2 mittels Wasser oder Luft gekühlt. Vor Eintritt in den Kompressor 1 als Verdichter beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 295,7 K. Nach Austritt aus dem Rückkühler 2 beträgt die Temperatur des Fluidgemischs 300 K.

In Schritt (b) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch durch eine erste 3, eine zweite 4 und eine dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers der als Gegenstromwärmetäuscher ausgebildet ist, geleitet. Dabei gibt das Fluidgemisch soviel Wärme ab, dass der Stickstoff und der Sauerstoff als Komponenten des Fluidgemischs kondensieren und vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen. Nach der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur des Fluidgemischs noch 113 K. Nach der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers beträgt die Temperatur 80 K. Nach Durchströmung der dritten Stufe 5 des Wärmeübertragers beträgt die erste Temperatur nur noch 65 K. Der Druck des Fluidgemischs hat sich dabei nur unwesentlich um weniger als 0,02 MPa erniedrigt oder ist nahezu konstant geblieben. Da die Kondensationstemperatur von Stickstoff bei einem Gesamtdruck von etwa 1,2 MPa bei etwa 84 K liegt und diejenige von Sauerstoff größer ist als 81 K, beginnt die Kondensation von Stickstoff und Sauerstoff als Komponenten des Fluidgemischs, während das Fluidgemisch die zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers durchströmt. Im Gegensatz dazu liegt die Kondensationstemperatur von Neon bei einem Druck von etwa 1,2 MPa deutlich unter 50 K, sodass Neon als Komponente des Fluidgemischs in einem gasförmigen Zustand verbleibt.

In Schritt (c) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fluidgemisch, das nach Schritt (b) mit Stickstoff und Sauerstoff jeweils in einem flüssigen Zustand und mit Neon in einem gasförmigen Zustand gebildet ist, in einen Phasentrenner 6 geleitet. In dem Phasentrenner 6 wird ein erster Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Sauerstoff gebildet ist, von einem zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, separiert.

In Schritt (d) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder in Gegenstromrichtung durch die dritte 5 und zweite Stufe 4 des Wärmeübertragers geleitet. Dabei nimmt der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, Wärme auf und erhöht seine Temperatur von der ersten Temperatur bei 65 K auf die zweite Temperatur bei 105 K.

In Schritt (e) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigen Neon gebildet ist, von der zweiten Stufe 4 des Wärmeübertragers kommend in einem Expander 7, der als Turbine 7 ausgeführt ist, arbeitsleistend entspannt und dabei auf die dritte Temperatur, die 69,7 K beträgt, abgekühlt. Vor Eintritt in die Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, noch 1,2 MPa. Nach Austritt aus der Turbine 7 beträgt der Druck des zweiten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, nur noch 0,35 MPa. Somit kann die Turbine 7 mit einem Druckverhältnis, das größer als 3:1 ist, effizient betrieben werden.

In Schritt (f) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erster Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und mit flüssigem Sauerstoff gebildet ist, einer Anwendung zugeführt wird, und ein zweiter Teil des ersten Masseteilstroms des Fluidgemischs, der mit flüssigem Stickstoff und mit flüssigem Sauerstoff gebildet ist, mittels eines Regelventils 8 entspannt und dem von dem Expander 7 kommenden zweiten Masseteilstrom des Fluidgemischs, der mit gasförmigem Neon gebildet ist, wieder beigemischt.

In Schritt (g) einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mit dem zweiten Teil des ersten Masseteilstroms und dem zweiten Masseteilstrom gebildete Fluidgemisch durch die dritte Stufe 5 des Wärmeübertragers geleitet und danach dem von der Anwendung kommenden ersten Teil 9 des ersten Masseteilstroms, der eine Temperatur von 75 K aufweist, wieder beigemischt. Das so rekombinierte Fluidgemisch wird anschließend durch die zweite 4 und die erste Stufe 3 des Wärmeübertragers geleitet, nimmt dabei Wärme auf und erreicht nach Austritt aus der ersten Stufe 3 des Wärme-Übertragers eine Temperatur von 295,7 K bei einem Druck von 0,33 MPa.

Das von der ersten Stufe 3 des Wärmeübertragers kommende Fluidgemisch wird in den Kompressor 1 als Verdichter geleitet und der durch die Schritte (a) - (g) definierte Kühlzyklus beginnt erneut.

Die oben zitierten Werte für Druck- und Temperaturniveaus resultieren aus einer numerischen Simulation der erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei wurden realistische Prozessverluste in der Simulation berücksichtigt.

Vorzugsweise sind der Kompressor 1 als Verdichter, der Rückkühler 2, die Stufen 3-5 des Wärmeübertragers, der Phasentrenner 6, der Expander 7, und das Regelventil 8 so eingerichtet, dass die während eines über mehrere Kühlzyklen hinweg durchgeführten Verfahrens tatsächlich erzielten bzw.

gemessenen Werte für die Druck- und Temperaturniveaus von den in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zitierten simulierten Werten nicht mehr als 10 % abweichen.