DE1166797B

DE1166797B - Device for cooling gaseous media

Info

Publication number: DE1166797B
Application number: DES76240A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Jost Haenny; Dr Herbert Sixsmith
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1961-10-04
Filing date: 1961-10-12
Publication date: 1964-04-02

Description

Einrichtung zur Kühlung gasförmiger Medien Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung gasförmiger Medien, in der durch eine zur arbeitsleistenden Entspannung des Gases dienende, im Bereich tiefer Temperatur liegende Expansionsturbine ein auf höherer Temperatur befindlicher, über eine gasgelagerte Welle mit der Turbine verbundener Turboverdichter angetrieben ist, wobei in dem den Turboverdichter enthaltenden Bremsteil der Einrichtung Gas in einem geschlossenen Kreislauf durch einen Wärmeaustauscher und ein einstellbares Drosselorgan umgewälzt wird und wobei ferner in der Expansionsturbine, dem Bremsteil und dem Gaslager für die Welle die gleiche Gasart verwendet wird.Device for cooling gaseous media The invention relates to a device for cooling gaseous media, in which by a work-performing Expansion turbine located in the area of low temperature, serving to relax the gas one located at a higher temperature, via a gas-bearing shaft with the turbine connected turbo-compressor is driven, in which the turbo-compressor containing Braking part of the device gas in a closed circuit through a heat exchanger and an adjustable throttle member is circulated and furthermore in the expansion turbine, the brake part and the gas bearing for the shaft use the same type of gas.

Die genannte Einrichtung oder mehrere von ihnen sind in dem bevorzugten Anwendungsfalle zur Kühlung von Gasen z. B. in Kompressionskälteanlagen zur Kälteerzeugung, zur Gasverflüssigung oder in Rektifizieranlagen bestimmt. Sie lassen sich dabei sowohl parallel zueinander als auch in Reihenschaltung verwenden.The said device or several of them are in the preferred one Application case for cooling gases such. B. in compression refrigeration systems for cold generation, intended for gas liquefaction or in rectification systems. You let yourself be use both in parallel and in series.

Da die Drücke in der Turbine und in dem in sich geschlossenen Verdichterkreislauf weitgehend unabhängig voneinander sind, werden bei Druckschwankungen in einer der beiden Gasströmungen erhebliche Kräfte in axialer Richtung auf die die Turbine und den Verdichter tragende Welle ausgeübt. Die Erfindung bezweckt nun, eine Druckänderung in einem der beiden Kreisläufe möglichst rasch auch in dem anderen wirksam werden zu lassen. Sie besteht deshalb darin, daß eine Stelle des von dem Verdichter, dem Wärmeaustauscher und dem Drosselorgan gebildeten Bremsteiles der Einrichtung über eine Druckausgleichsleitung mit einer Stelle der Turbine verbunden ist.Because the pressures in the turbine and in the self-contained compressor circuit are largely independent of one another, if there are pressure fluctuations in one of the the two gas flows exert considerable forces in the axial direction on the turbine and the compressor carrying shaft exerted. The invention now aims to change the pressure become effective in one of the two cycles as quickly as possible in the other allow. It therefore consists in the fact that one point of the compressor, the Heat exchanger and the throttle member formed braking part of the device a pressure equalization line is connected to a point on the turbine.

Dabei ist es je nach den gegebenen Druckverhältnissen in den beiden Gaskreisläufen vorteilhaft, die Druckausgleichsleitung an die Saug- oder Druckseite des Verdichters oder an eine Zwischenstelle des Verdichterkreislaufes anzuschließen. Ebenso ist es möglich, auf der Turbinenseite den Druckausgleich mit der Einström- oder Ausströmseite oder einer Zwischenstelle der Turbine herbeizuführen.It is depending on the given pressure conditions in the two Gas circuits are advantageous, the pressure equalization line to the suction or pressure side of the compressor or to an intermediate point in the compressor circuit. It is also possible to balance the pressure on the turbine side with the inflow or outflow side or an intermediate point of the turbine.

Weiterhin bedingt die Verwendung der Einrichtung, daß sich der Turbinenteil meist auf einem viel tieferen Temperaturniveau befindet als der Bremsteil der Einrichtung. Tritt nun an der Turbine eine plötzliche Druckerniedrigung auf, so wird - außer den auftretenden, schon erwähnten, unzulässigen Axialschüben - warmes Gas von dem Bremsteil her über die Druckausgleichsleitung in den kalten Teil der Einrichtung einströmen, was einen »Kälte«-Verlust bedeutet. Deshalb ist es zweckmäßig, in der Druckausgleichsleitung einen als Regenerator ausgebildeten Wärmeaustauscher anzuordnen.Furthermore, the use of the device requires that the turbine part is usually at a much lower temperature level than the braking part of the device. If there is a sudden drop in pressure on the turbine, then - except the occurring, already mentioned, impermissible axial thrusts - warm gas from that Brake part via the pressure equalization line into the cold part of the facility flow in, which means a "cold" loss. Therefore it is useful in the Pressure equalization line to arrange a heat exchanger designed as a regenerator.

Wird das Gaslager für die Welle aus einer Fremd-P a squelle gespeist, wobei die dem Lager zugeführte Gasmenge z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle gesteuert wird, so muß eine entsprechende Gasmenge der Einrichtung dauernd entnommen werden. Die zu entnehmende Menge kann in einfacher Weise so gesteuert werden, daß in dem Regenerator eine Temperaturmeßeinrichtung vorgesehen ist, die ein Verstellorgan in einer Leitung steuert, durch welche Gas aus der Einrichtung weggeführt wird.If the gas bearing for the shaft is fed from an external source of P a , the amount of gas supplied to the bearing z. B. is controlled depending on the speed of the shaft, a corresponding amount of gas must be continuously removed from the device. The amount to be withdrawn can be controlled in a simple manner in such a way that a temperature measuring device is provided in the regenerator which controls an adjusting element in a line through which gas is led away from the device.

Andererseits ist es unter Umständen wünschenswert - z. B. wenn aus der Einrichtung dauernd eine gewisse Gasmenge entweicht -, eine Möglichkeit zu besitzen, diese in kontrollierter Weise zu ersetzen. Daher ist es vorteilhaft, in dem Regenerator eine Temperaturmeßeinrichtung vorzusehen, die ein Verstellorgan in einer Leitung steuert, durch die in die Einrichtung Gas in Abhängigkeit von der Temperatur des Gases in dem Regenerator eingespeist wird.On the other hand, it may be desirable - e.g. B. when off a certain amount of gas is constantly escaping from the device - to have a possibility replace them in a controlled manner. Hence it is beneficial in the regenerator to provide a temperature measuring device which has an adjusting element in a line controls through which in the device gas depending on the temperature of the Gas is fed into the regenerator.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Bremsteil der Einrichtung als eine geschlossene bauliche Einheit ausgeführt ist, in der der Wärmeaustauscher unmittelbar an den Verdichter angebaut ist, und das in axialer Richtung verschiebbare Drosselorgan koaxial mit dem Verdichter angeordnet und von dem Wärmeaustauscher umgeben ist. Durch diese Maßnahme kann der »Kälte«-Verlust ebenfalls in vorteilhafter Weise verringert werden, da durch diese Ausführungsform der Erfindung der Verdichterkreislauf ein relativ geringes Volumen besitzt, so daß bei sonst gleichen Verhältnissen die in die Turbine einströmende Gasmenge verhältnismäßig klein wird.An advantageous embodiment of the invention is that the braking part of the device as a closed structural unit is executed in which the heat exchanger is built directly onto the compressor is, and the throttle member displaceable in the axial direction coaxially with the compressor is arranged and surrounded by the heat exchanger. With this measure, the "Cold" loss can also be reduced in an advantageous manner, as this Embodiment of the invention the compressor circuit has a relatively small volume possesses, so that with otherwise the same conditions the flowing into the turbine The amount of gas is relatively small.

Schließlich ist es zweckmäßig, daß eine im Bereich tiefer Temperatur verlaufende Leitung einen Ringraum innerhalb des Labyrinths zwischen der Turbine und dem Gaslager mit der Druckausgleichsleitung verbindet. Diese Leitung hat den Zweck, in Fällen, in denen in der Druckausgleichsleitung ein niedrigerer Druck herrscht als an der Eintrittskante des Turbinenrades, und eine geringe Menge kalten Gases dauernd von der Turbineneinströmseite durch die Labyrinthe strömt, zu verhindern, daß diese Menge in den warmen Bremsteil der Einrichtung dringt und in stationärem Betriebszustand die gleiche, aber warme Gasmenge dauernd in den kalten Turbinenkreislauf strömt.Finally, it is advisable that a temperature in the range of low running line an annulus within the labyrinth between the turbine and connects the gas bearing to the pressure equalization line. This line has the Purpose in cases where there is a lower pressure in the pressure equalization line than at the leading edge of the turbine wheel, and a small amount of cold gas flow continuously from the turbine inlet side through the labyrinths, to prevent that this amount penetrates into the warm braking part of the device and in stationary Operating state the same, but warm amount of gas is continuously fed into the cold turbine circuit flows.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung: F i g. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäß mit einer Druckausgleichsleitung ausgerüstete Einrichtung zur Kühlung von Gasen, bei der an die Expansionsturbine als Bremsteil ein Verdichterkreislauf angeschlossen ist.Further features of the invention emerge from the description of FIG Embodiments in connection with the drawing: F i g. 1 and 2 show in schematic representation of an inventive with a pressure equalization line Equipped device for cooling gases, in the case of the expansion turbine A compressor circuit is connected as a braking part.

In F i g. 1 verläuft die Druckausgleichsleitung dabei von der Saugseite des Verdichters zu einer Zwischenstelle oder der Ausströmseite der Turbine, wobei bei dieser Ausführungsform der Erfindung das Gaslager der Welle aus einer Fremdgasquelle gespeist und der Gaslagerdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle gesteuert wird.In Fig. 1 the pressure equalization line runs from the suction side of the compressor to an intermediate point or the outflow side of the turbine, wherein in this embodiment of the invention, the gas bearing of the shaft from a foreign gas source fed and the gas bearing pressure is controlled as a function of the speed of the shaft will.

In F i g. 2 ist eine Zwischenstelle des Verdichterkreislaufes mit der Einströmseite des gasförmigen Mediums in die Turbine verbunden. In diesem Beispiel wird das Gaslager direkt aus dem Verdichterkreislauf gespeist, so daß sich der Gaslagerdruck entsprechend dem mit der Drehzahl steigenden Druck in dem Verdichterkreislauf erhöht.In Fig. 2 is an intermediate point of the compressor circuit with connected to the inflow side of the gaseous medium into the turbine. In this example the gas bearing is fed directly from the compressor circuit, so that the gas bearing pressure increases in accordance with the pressure in the compressor circuit, which increases with the speed.

F i g. 3 zeigt, ebenfalls stark vereinfacht, eine konstruktive Ausführungsform eines Bremsteiles mit relativ kleinem Volumen. Die Druckausgieichsleitung führt dabei von der Druckseite des Verdichters zu dem Zuführungskanal des kalten Mediums zu der Turbine.F i g. 3 shows, likewise greatly simplified, a structural embodiment a brake part with a relatively small volume. The pressure equalization line leads from the pressure side of the compressor to the supply channel for the cold medium to the turbine.

F i g. 4 zeigt einen Schnitt längs der Schnittlinie IV-IV der F i g. 3 in vergrößertem Maßstab.F i g. 4 shows a section along the section line IV-IV of FIG G. 3 on an enlarged scale.

Gleiche Teile in den F i g. 1 und 2 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.Identical parts in FIGS. 1 and 2 have the same reference numerals Mistake.

Der im kalten Teil der Einrichtung - die Trennung zwischen kaltem und warmem Teil ist in F i g. 1 und 2 durch die strichpunktierte Linie A angedeutet - liegende Rotor der Turbine 1 sitzt auf der gleichen Welle 2 wie der Rotor 3 des Turboverdichters. Die Turbine liegt in dem Gas-, z. B. Wasserstoff- oder Heliumstrom einer Tiefkälteanlage. Das zu entspannende, kalte Gas wird der Turbine 1 über den Raum 5 zugeführt und strömt nach der Entspannung durch die Leitung 6 ab. Mit 7 sind die Leitschaufeln am Turbineneintritt bezeichnet. Der auf höherer Temperatur befindliche Turboverdichter liegt mit seiner Saugseite 8 und seiner Druckseite 9 in einem besonderen zusätzlichen, geschlossenen, mit der gleichen Gasart wie die Turbine 1 beschickten Gaskreislauf 10, der ein Droselorgan 11 mit einstellbarem Durchlaßquerschnitt und in Reihe dazu einen Wärmeaustauscher 12, der z. B. mit Wasser gekühlt wird, enthält. Über den Wärmeaustauscher 12 wird die von der Turbine 1 an den Verdichter und von diesem durch Kompression übertragene Energie nach außen abgeführt. Durch Einstellen des DurchIaßquerschnittes an dem Drosselorgan 11 lassen sich Leistung und Drehzahl der Turbine und damit ihre Kälteleistung regulieren. Die Einstellung des Drosselorgans kann dabei von Hand oder selbsttätig, z. B. gesteuert durch eine Temperatur des Kältekreislaufes, erfolgen.The one in the cold part of the facility - the separation between the cold and warm part is shown in FIG. 1 and 2 indicated by the dash-dotted line A - the rotor of the turbine 1 is lying on the same shaft 2 as the rotor 3 of the turbo-compressor. The turbine is in the gas, e.g. B. Hydrogen or helium flow from a cryogenic system. The cold gas to be expanded is fed to the turbine 1 via the space 5 and, after the expansion, flows off through the line 6. The guide vanes at the turbine inlet are denoted by 7. The higher temperature turbo compressor is located with its suction side 8 and its pressure side 9 in a special additional, closed gas circuit 10 charged with the same type of gas as the turbine 1, which has a throttle element 11 with an adjustable flow cross-section and in series with it a heat exchanger 12, the z. B. is cooled with water contains. Via the heat exchanger 12, the energy transferred from the turbine 1 to the compressor and from it by compression is discharged to the outside. By adjusting the passage cross section on the throttle element 11, the power and speed of the turbine and thus its cooling capacity can be regulated. The setting of the throttle member can be done by hand or automatically, for. B. controlled by a temperature of the refrigeration cycle.

Erfindungsgemäß sind nun die beiden Kreisläufe zum raschen Ausgleich von Druckschwankungen über eine Leitung 20 miteinander verbunden, in der ein als Regenerator ausgebildeter Wärmeaustauscher 22 eingebaut ist. Der Regenerator 22 ist dabei so angeordnet, daß er, bei ausgeglichenem Druck in der Leitung 20 teilweise mit kaltem und teilweise mit warmem Gas gefüllt ist. Tritt nun an der Turbine eine Druckerniedrigung auf, so wird das vom Bremskreislauf ausströmende Gas - bei nicht zu starker und zu langer Erniedrigung des Druckes an der Turbine - vorgekühlt, ehe es in die Turbine einströmt. Steigt danach der Druck auf der Turbinenseite wieder an, so strömt kaltes Gas durch den Regenerator in den Bremskreislauf und gibt, indem es ich im Regenerator erwärmt, seine Kälte an die Füllmasse ab, so daß sich diese wenigstens am turbinenseitigen Ende wieder abkühlt.According to the invention, the two circuits are now connected to one another for rapid compensation of pressure fluctuations via a line 20 in which a heat exchanger 22 designed as a regenerator is installed. The regenerator 22 is arranged so that it is partially filled with cold and partially with warm gas when the pressure in the line 20 is balanced. If a pressure drop now occurs at the turbine, the gas flowing out of the brake circuit is pre-cooled - if the pressure at the turbine is not reduced too much and for too long - before it flows into the turbine. If the pressure on the turbine side then rises again, cold gas flows through the regenerator into the brake circuit and, by heating it in the regenerator, releases its cold to the filling compound, so that it cools down again at least at the turbine-side end.

In F i g. 1 zweigt die Ausgleichsleitung 20 von der Stelle 23 an der Saugseite des Verdichters ab und führt an eine Zwischenstelle 24 an der Turbine 1. In unterbrochener Linie ist eine Zuführung zu einer Stelle 25 an der Ausströmleitung aus der Turbine dargestellt.In Fig. 1, the equalizing line 20 branches off from the point 23 on the suction side of the compressor and leads to an intermediate point 24 on the turbine 1. The broken line shows a feed to a point 25 on the outflow line from the turbine.

Die Welle 2 ist in einem Gaslager, z. B. einem Segmentlager - in den Figuren ist ein Segment 19 gezeigt - gelagert. In F i g. 1 wird das Gas für die Lagerung der Welle über die Leitung 33, in der sich ein einstellbares Drosselorgan 34 befindet, von einer nicht dargestellten Fremdgasquelle, z. B. einer Druckgasflasche, zu den Verteilleitungen 15 zugeführt. Der Gasdruck in dem Lager wird dabei mittels des Drosselorgans 34 in Abhängigkeit von der Dehzahl der Welle eingestellt. In bekannter Weise mißt man durch eine sogenannte Pick-up-Anordnung 35 die Drehzahl der Welle als elektrische Wechselspannung hoher Frequenz, die dann in dem Wandler 36 in eine Gleichspannung umgewandelt wird, wobei die Größe der Gleichspannung ein Maß für die Frequenz der Wechselspannung und damit für die Drehzahl der Welle 2 ist. Über einen elektropneumatischen Wandler 37 bekannter Bauart, an den eine Druckluftzu-und -abführung 48 bzw. 49 angeschlossen sind, wird die aus dem Wandler 36 austretende Gleichspannung zur Verstellung des Organs 34 verwendet.The shaft 2 is in a gas bearing, e.g. B. a segment bearing - a segment 19 is shown in the figures - stored. In Fig. 1, the gas for the storage of the shaft via the line 33, in which there is an adjustable throttle member 34 , from a foreign gas source, not shown, z. B. a pressurized gas cylinder, supplied to the distribution lines 15. The gas pressure in the bearing is adjusted by means of the throttle element 34 as a function of the shaft speed. In a known manner, a so-called pick-up arrangement 35 measures the speed of the shaft as an electrical alternating voltage of high frequency, which is then converted into a direct voltage in the converter 36, the magnitude of the direct voltage being a measure of the frequency of the alternating voltage and thus for the speed of shaft 2 is. Via an electropneumatic converter 37 of known design, to which a compressed air supply and discharge 48 and 49 are connected, the direct voltage emerging from the converter 36 is used to adjust the organ 34.

Das aus dem Lager ausströmende Gas sammelt sich in den Räumen 16 bzw. 16 a und wird über die Druckausgleichsleitungn 20 geführt.The gas flowing out of the camp collects in the spaces 16 or 16 a and is guided via the pressure equalization line 20.

Da dem System über die Leitung 33 dauernd Gas von außen zugeführt wird, ist an die Druckausgleichsleiteng 20 zum Wegführen einer gewissen Gasmenge eine Äbströmleitung 38 angeschlossen, in der sich ein regelbares Drosselorgan 39 befindet. Der Öffnungsquerschnitt des Drosselorgans 39 wird dabei in Abhängigkeit. von der Temperatur des Gases an einer Stelle des Regenerators 22 eingestellt. Man mißt dazu an diese Stelle 40 in dem Regenerator 22 die Temperatur mit Hilfe eines Thermoelementes 41. Die von dem Thermoelement 41 abgegebene Gleichspannung dient zur Steuerung eines elektropneumatischen Transmitters 42, an den eine Druckluftzu- und -abführung 43, 44 angeschlossen sind. über eine Steuerleitung 45 wird das Drosselorgan 39 in Abhängigkeit von der erwähnten Temperatur derart verstellt, daß bei steigender Temperatur das Drosselorgan weiter geöffnet und bei sinkender Temperatur weiter geschlossen wird. Denn eine Erhöhung der Temperatur an der Stelle 40 bedeutet, daß infolge der zuätzlichen Einspeisung von Gas aus der Fremdgasquelle eine zu große Gasmenge in den warmen Teil der Anlage eintritt, so daß der Gasüberschuß in den kalten Turbinenteil einzuströmen versucht. Andererseits wird bei sinkender Temperatur an der Stelle 40 aus dem warmen Teil der Anlage eine zu große Gasmenge entnommen, so daß kaltes Gas von der Turbine her in den Verdichterkreislauf einzuströmen versucht.Since gas is continuously supplied to the system from the outside via line 33 is tight to the pressure equalization line 20 to lead away a A certain amount of gas is connected to a discharge line 38 in which there is a controllable Throttle body 39 is located. The opening cross-section of the throttle member 39 is thereby dependent on. the temperature of the gas at a point in the regenerator 22 set. For this purpose, the temperature is measured at this point 40 in the regenerator 22 with the help of a thermocouple 41. The direct voltage delivered by the thermocouple 41 serves to control an electropneumatic transmitter 42 to which a compressed air supply and discharge 43, 44 are connected. The throttle member is controlled via a control line 45 39 adjusted as a function of the mentioned temperature in such a way that with increasing Temperature, the throttle body is opened further and further when the temperature drops is closed. Because an increase in the temperature at the point 40 means that due to the additional supply of gas from the external gas source, it is too large Amount of gas enters the warm part of the system, so that the excess gas in the cold turbine part tried to flow in. On the other hand, when the temperature drops Too large an amount of gas was taken from the warm part of the system at point 40, so that cold gas tries to flow into the compressor circuit from the turbine.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2 wird aus der Druckseite 9 des Verdichters Gas über eine Leitung 14 und die Verteilleitungen 15 gespeist. Das aus dem Lager abströmende Gas sammelt sich wiederum in den Räumen 16 bzw. 16a und wird in diesem Beispiel über die Leitungen 17 bzw. 18 und die Druckausgleichsleitung 20 in den Verdichterkreislauf zurückgeführt.In the embodiment of the invention according to FIG. 2, gas is fed from the pressure side 9 of the compressor via a line 14 and the distribution lines 15. The gas flowing out of the bearing collects in turn in the spaces 16 or 16a and in this example is returned to the compressor circuit via the lines 17 or 18 and the pressure equalization line 20.

Entweicht aus der Einrichtung infolge einer Undichtheit dauernd Gas, so ist es vorteilhaft, eine zusätzliche Möglichkeit vorzusehen, um dauernd eine Gasmenge in den Bremskreislauf einspeisen zu können. Daher ist in F i g. 2 eine Leitung 38 a gezeigt, die in die Druckausgleichsleitung 20 einmündet, und in der über ein Drosselorgan 39 a Gas aus einer Fremdgasquelle in den Bremskreislauf einströmen kann. Die zuzuführende Menge wird dabei von dem Temperaturfühler 41 in dem Regenerator 22 über das Organ 42 in analoger Weise gesteuert, wie vorstehend für die aus dem Kreislauf zu entnehmende Gasmenge an Hand von F i g. 1 geschildert. Bei einer Temperaturerhöhung des Gases in dem Regenerator 22 wird dabei das Drosselorgan 39 a in Schließrichtung, bei einer Temperaturerniedrigung in öffnungsrichtung verstellt.If gas continuously escapes from the device as a result of a leak, it is advantageous to provide an additional option in order to be able to continuously feed a quantity of gas into the brake circuit. Therefore, in FIG. 2 shows a line 38 a, which opens into the pressure equalization line 20, and in which gas from a foreign gas source can flow into the brake circuit via a throttle element 39 a. The amount to be supplied is controlled by the temperature sensor 41 in the regenerator 22 via the organ 42 in a manner analogous to that described above for the amount of gas to be withdrawn from the circuit on the basis of FIG. 1 outlined. At a temperature increase of the gas in the regenerator 22. Here, the throttle element 39 a in the closing direction, moved at a temperature reduction in the opening direction.

Reicht die in dem stationären Betriebszustand in F i g. 1 dem System zugeführte Gasmenge nicht aus, um eventuelle Leckverluste zu decken, so ist es möglich - wenn im Regenerator 22 trotz völligen Abschlusses des Drosselorgans 39 (F i g. 1) die Temperatur weiter sinkt -, auch bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 über di`e Leitung 38 a zusätzlich Gas in den Verdichterkreis einzuspeisen. Dies ist in F i g. 1 durch ein in durchbrochenen Linien gezeigtes, vom Transmitter 42 zusätzlich über eine Leitung 45 a beeinflußtes Regelventil 39a angedeutet, das in der mit einer nicht dargestellten Fremdgasquelle verbundenen Leitung 38 a liegt, wobei das Regelventil 39 a nach Schließen des Drosselorgans 39 geöffnet und in gleicher Weise verstellt wird, wie es in F i g. 2 beschrieben ist. Bei vertikaler Anordnung der Einrichtung - F i g. 1 und 2 sind dabei um 90° verdreht zu' denken - liegt der Verdichterkreislauf senkrecht unter der Turbine. Um die Segmente 19 dabei in axialer Richtung zu lagern, kann eine weitere Leitung 21 vorgesehen sein, durch die Gas der unteren Stirnseite der Segmente 19 zugeführt wird.If the in the steady operating state in FIG. 1 the system The amount of gas supplied is not sufficient to cover any leakage, so it is possible - If in the regenerator 22 despite complete closure of the throttle member 39 (F i g. 1) the temperature continues to drop - also in the exemplary embodiment according to FIG. 1 Feed additional gas into the compressor circuit via line 38 a. this is in Fig. 1 by a shown in broken lines, from transmitter 42 also indicated via a line 45 a influenced control valve 39a, which is shown in the line 38 a connected to a foreign gas source (not shown) is located, wherein the control valve 39 a opened after closing the throttle member 39 and in the same Way is adjusted, as shown in FIG. 2 is described. When arranged vertically the establishment - F i g. 1 and 2 are to be thought rotated by 90 ° - that's where it lies Compressor circuit vertically under the turbine. To the segments 19 in the axial To store direction, a further line 21 can be provided through the gas the lower end face of the segments 19 is fed.

Um das Gaslager gegenüber der Turbine 1 und dem Verdichter abzudichten, sind Labyrinthdichtungen 28 und 29 vorgesehen. Das turbinenseitige Labyrinth 28 besitzt einen Ringraum 30, von dem aus eine weitere Leitung 31 im kalten Teil der Anlage zu der Druckausgleichsleitung 20 führt. Während des Betriebes kann so in dauerndem Strom eine geringe Menge kalten Gases von der Eintrittskante des Turbinenlaufrades 1 in die Druckausgleichslehung 20 fließen, sofern die Anschlüsse der Leitung 20 an die beiden Kreisläufe so gewählt sind, daß in ihr ein niedrigerer Druck herrscht.als an der Eintrittsstelle in das Turbinenlaufrad.In order to seal the gas bearing against the turbine 1 and the compressor, labyrinth seals 28 and 29 are provided. The turbine-side labyrinth 28 has an annular space 30 from which a further line 31 leads to the pressure equalization line 20 in the cold part of the system. During operation, a small amount of cold gas can flow continuously from the leading edge of the turbine runner 1 into the pressure compensation line 20 , provided that the connections of the line 20 to the two circuits are selected so that a lower pressure prevails in it than on the Entry point into the turbine runner.

F i g. 2 veranschaulicht eine Führung der Leitung 20 von einer Stelle 26 des Verdichterkreislaufes, die zwischen dem Kühler und dem Drosselorgan liegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel mündet die Leitung 20 an der Stelle 27 unmittelbar vor der Einlaufkante des Turbinenlaufrades ein.F i g. 2 illustrates a routing of the line 20 from a point 26 of the compressor circuit, which is located between the cooler and the throttle element. In this embodiment, the line 20 opens at the point 27 directly in front of the inlet edge of the turbine runner.

Die in F i g. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist besonders günstig, da durch den konstruktiven Aufbau des Bremsteiles der Einrichtung in diesem nur ein relativ geringes Volumen vorhanden ist. Durch die Druckausgleichsleitung wird in dem Beispiel nach F i g. 3 der Druckraum des Verdichters mit der druckseitigen Zuführung des kalten Mediums zu der Turbine verbunden.The in F i g. The embodiment of the invention shown in Figure 3 is particular favorable because of the structural design of the braking part of the device in this there is only a relatively small volume. Through the pressure equalization line is in the example of FIG. 3 the pressure chamber of the compressor with the pressure side Supply of the cold medium connected to the turbine.

Durch die Zuführungsleitung 51 (F i g. 3) strömt das kalte Gas in den Druckraum 52 der Expansionsturbine 53 und verläßt diese nach der Entspannung über einen, an dem Gehäuse 56 für die Turbine 53 befestigten, trichterförmigen Diffusor 55 durch die Leitung 54. Der Ausströmkanal aus der Turbine wird durch ein ebenfalls im Gehäuse 56 befestigtes Führungstück 58 gebildet. Das Turbinengehäuse 56 selbst wird auf der Isolierplatte 70 der nicht dargestellten, im Vakuum liegenden Tiefkälteanlage gehalten.The cold gas flows through the supply line 51 (FIG. 3) into the pressure chamber 52 of the expansion turbine 53 and, after expansion, leaves it via a funnel-shaped diffuser 55 attached to the housing 56 for the turbine 53 through the line 54 The outflow channel from the turbine is formed by a guide piece 58 which is also fastened in the housing 56. The turbine housing 56 itself is held on the insulating plate 70 of the deep-freezing system (not shown), which is in a vacuum.

über die Welle 59 ist die Turbine 53 mit dem Turboverdichterrotor 60 verbunden, dessen saug- und druckseitige Strömungskanäle 61 bzw. 62 in einem an dem Turbinengehäuse 56 befestigten Verdichtergehäuse 63 liegen. Das Verdichtergehäuse 63 ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt. So wird die Begrenzung des Ringraumes 62 teilweise durch ein Zwischenstück 66 gebildet, das noch den Saugkanal 61 enthält und für den Austritt des Gases aus dem Ringraum 62 Bohrungen 83 besitzt.The turbine 53 with the turbo compressor rotor is connected via the shaft 59 60 connected, the suction and pressure side flow channels 61 and 62 in one on the turbine housing 56 fastened compressor housing 63 lie. The compressor housing 63 is composed of several parts. This is how the boundary of the annulus becomes 62 partially formed by an intermediate piece 66 which still contains the suction channel 61 and 62 has bores 83 for the exit of the gas from the annular space.

Der übergang zwischen den kalten und warmen Teilen der Einrichtung ist durch die strichpunktierte Linie A schematisch angedeutet, wobei sich der kalte Teil oberhalb der Linie befindet. Die Welle 59, die je nach Ausführung der Gesamtlage horizontal oder vertikal verlaufen kann, ist in einem mit Segmenten 64 versehenen Gaslager gelagert, das in einen Hohlraum 65 des Turbinengehäuses 56 eingebaut ist. Durch ein mantelförmiges Zwischenstück 67 wird der Raum 65 unterteilt, wodurch ein innerer Raum 68 entsteht. Dieser nimmt die Lagersegmente 64 und -die festen Lageteile 69 auf. Über eine Leitung 71 in dem Verdichtergehäuse 63 wird aus einer Fremdgasquelle, z. B. einer nicht dargestellten Druckgasflasche, das Gas für das Wellenlager in den Raum 68 geleitet, von dem aus es durch die Verteilleitungen 72 und den Ausgleichsraum 73 den Segmenten 64 zugeführt wird. Über den Ringraum 74 und die Leitung 75 sowie die Öffnungen 76 in dem Teil 77 gelangt das Gas nach dem Durchströmen des Lagers in den Raum 65, von dem aus es durch eine nicht dargestellte Leitung aus der Einrichtung herausgeführt wird.The transition between the cold and warm parts of the device is indicated schematically by the dash-dotted line A, the cold part being above the line. The shaft 59, which can run horizontally or vertically depending on the design of the overall position, is mounted in a gas bearing provided with segments 64, which is installed in a cavity 65 of the turbine housing 56. The space 65 is divided by a jacket-shaped intermediate piece 67, whereby an inner space 68 is created. This takes up the bearing segments 64 and the fixed bearing parts 69 . Via a line 71 in the compressor housing 63 is from a foreign gas source, for. B. a pressurized gas cylinder, not shown, the gas for the shaft bearing into the space 68, from which it is fed to the segments 64 through the distribution lines 72 and the compensation chamber 73. After flowing through the bearing, the gas passes through the annular space 74 and the line 75 and the openings 76 in the part 77 into the space 65, from which it is led out of the device through a line (not shown).

Mit 78 sind die zur Abdichtung der einzelnen Räume gegeneinander oder gegen die Atmosphäre benötigten Dichtungen bezeichnet.With 78 are to seal the individual rooms against each other or seals required against the atmosphere.

Der Bremsteil der Einrichtung wird gebildet aus dem den Verdichter 60 mit seiner saugseitigen Zuführung 61 und seinem druckseitigen Ringraum 62 enthaltenden Verdichtergehäuse 63, dem unmittelbar daran anschließenden Wärmeaustauscher 81 und dem Drosselorgan 82. Das Gas durchströmt nach dem Verlassen des Ringraums 62 abwechselnd den inneren und den äußeren Raum, der von konzentrisch in Bohrungen 91 des Wärmeaustauscherblockes 81 liegenden, in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Rohre 92 gebildet wird, wobei der übergang von einem »Doppelrohr« 91, 92 zum anderen über ringförmige Zwischenräume 93 bzw. 94 erfolgt. Der Verbindungsraum 94 liegt dabei in einem weiteren Bauteil 95, der auch die Enden der Rohre 92 aufnimmt. Er ist zwischen dem Zwischenstück 66 und dem Wärmeaustauscherblock 81 angebracht. In dem Wärmeaustauscher 81 ist der Ringraum 93 durch einen ringförmigen Ansatz 96 von einem Ringraum 84 getrennt.The braking part of the device is formed from the compressor housing 63 containing the compressor 60 with its suction-side feed 61 and its pressure-side annular space 62, the directly adjoining heat exchanger 81 and the throttle element 82 outer space, which is formed by tubes 92 lying concentrically in bores 91 of the heat exchanger block 81 and arranged one behind the other in the direction of flow, the transition from one "double tube" 91, 92 to the other via annular spaces 93 and 94, respectively. The connecting space 94 lies in a further component 95 which also receives the ends of the tubes 92. It is attached between the intermediate piece 66 and the heat exchanger block 81. In the heat exchanger 81, the annular space 93 is separated from an annular space 84 by an annular shoulder 96.

Nach der Abkühlung in dem Wärmeaustauscher 81 gelangt das Gas in den Ringraum 84, dessen Verbindung 85 mit der Saugseite 61 des Verdichters durch das Drosselorgan 82 einstellbar ist. Die Drossel 82 ist dabei koaxial mit dem Verdichter 60 angeordnet und wird mittels eines Handrades 86 über eine Verstelleinrichtung eingestellt. Andererseits ist es auch in bekannter Weise möglich, die Verstellung des Drosselorgans 82, z. B. in Abhängigkeit von einer Temperatur des Kältekreislaufes, selbsttätig zu steuern, was aber nicht dargestellt ist. Das Drosselorgan 82 hat die Aufgabe, die Drehzahl der Expansionsturbine in gewissen Grenzen einstellbar zu machen. Es ist dabei über eine Spindel 88, die in einer zentralen Bohrung 89 des Wärmeaustauschers 81 verläuft, axial veschiebbar, wobei es in einer Hülse 90 geführt ist. Letztere ist ebenfalls in einer Erweiterung der Ausnehmung 89 angebracht.After cooling in the heat exchanger 81, the gas enters the annular space 84, the connection 85 of which with the suction side 61 of the compressor can be adjusted by the throttle element 82. The throttle 82 is arranged coaxially with the compressor 60 and is set by means of a handwheel 86 via an adjusting device. On the other hand, it is also possible in a known manner, the adjustment of the throttle member 82, for. B. depending on a temperature of the refrigeration circuit to control automatically, but this is not shown. The throttle member 82 has the task of making the speed of the expansion turbine adjustable within certain limits. It is axially displaceable via a spindle 88 which runs in a central bore 89 of the heat exchanger 81, it being guided in a sleeve 90. The latter is also attached in an extension of the recess 89.

Der Strömungsweg für das Kühlwasser ist gleich ausgebildet wie derjenige für das Gas. Durch die Bohrung 97 gelangt das Kühlwasser über den Ringraum 98 in die Rohre 99, die in den Bohrungen 100 des Wärmeaustauschers 81 verlaufen. Einzelne, in Strömungsrichtung hintereinanderliegende Abschnitte 99 bzw. 100 sind über Ringräume 101 im Boden 102 bzw. Ringräume 103 im Wärmeaustauscherblock 81 miteinander verbunden. Die Enden der Rohre 99 werden dabei in einem Bauteil 104, der zwischen dem Wärmeaustauscherblock 81 und dem Boden 102 angeordnet ist, gehalten. Das Kühlwasser verläßt die Einrichtung durch die Bohrung 105 im Boden 102.The flow path for the cooling water is the same as that for the gas. The cooling water passes through the bore 97 via the annular space 98 into the tubes 99, which run in the bores 100 of the heat exchanger 81. Individual sections 99 and 100 lying one behind the other in the direction of flow are connected to one another via annular spaces 101 in the base 102 or annular spaces 103 in the heat exchanger block 81. The ends of the tubes 99 are held in a component 104 which is arranged between the heat exchanger block 81 and the base 102. The cooling water leaves the device through the bore 105 in the floor 102.

Im Querschnitt des Wärmeaustauscherblocks 81 (F i g. 4) sind dabei die Bohrungen 91 für das Gas und die Bohrungen 100 für das Kühlmittel alternierend und versetzt gegeneinander, auf den Umfängen von Kreisen mit verschiedenen Radien, angeordnet. Das Verdichtergehäuse 63 besitzt eine Bohrung 106, die den druckseitigen Ringraum 62 des Verdichters 60 mit der an dem Gehäuse 63 befestigten Druckausgleichsleitung 107 verbindet. Ihr Verlauf, besonders ihr Durchtritt durch die Isolierplatte 70 der im Vakuum liegenden Kälteanlage, ist nur schematisch angedeutet. Bei dieser Ausführungsform mündet die Druckausgleichsleitung 107 in eine Bohrung 108 in dem Turbinengehäuse 56, die die Leitung 107 mit dem Druckraum 52 der Turbine 53 verbindet. Selbstverständlich kann bei dieser Ausführungsform der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Regenerator ebenfalls vorhanden sein, wobei die Steuerung einer aus der Anlage abströmenden bzw. in sie einströmenden Gasmenge (38 bis 45 in F i g. 1) ebenfalls Verwendung finden kann.In the cross section of the heat exchanger block 81 (FIG. 4), the bores 91 for the gas and the bores 100 for the coolant are arranged alternately and offset from one another, on the circumference of circles with different radii. The compressor housing 63 has a bore 106 which connects the pressure-side annular space 62 of the compressor 60 with the pressure equalization line 107 fastened to the housing 63. Its course, especially its passage through the insulating plate 70 of the refrigeration system in the vacuum, is only indicated schematically. In this embodiment, the pressure equalization line 107 opens into a bore 108 in the turbine housing 56 which connects the line 107 to the pressure chamber 52 of the turbine 53. Of course, in this embodiment, the one shown in FIGS. 1 and 2 may also be present, whereby the control of an amount of gas flowing out of the system or flowing into it (38 to 45 in FIG. 1) can also be used.

Je nach den in den beiden Kreisläufen herrschenden Drücken können die durch die Druckausgleichsleitungen 20, 107 hergestellten Verbindungen zwischen der Gasströmung in der Turbine und derjenigen in dem Verdichter in anderer Weise als in den Figuren dargestellt, miteinander kombiniert sein. So kann die Druckausgleichsleitung 20 in den F i g. 1 und 2 von der Stelle 23 in dem Bremskreislauf 10 zu der Stelle 27 an der Turbine oder von der Stelle 26 zwischen dem Wärmeaustauscher 12 und dem Drosselorgan 11 zu den Stellen 24 bzw. 25 an der Turbine verlaufen. Ebenso ist es in anderen Fällen möglich, die Leitungsführung in F i g. 3 mit denjenigen in den F i g. 1 und 2 zu kombinieren, d. h., die Leitung 107 in der F i g. 3 kann an den Stellen 24, 25 oder 27 in die Turbinenströmung einmünden. Umgekehrt kann es weiterhin vorteilhaft sein, die Leitung 20 von den Stellen 23 und 26 des Verdichterkreislaufes 10 in den F i g. 1 und 2 mit dem Druckraum 52 in der F i g. 3 zu verbinden.Depending on the pressures prevailing in the two circuits, the connections established by the pressure equalization lines 20, 107 between the gas flow in the turbine and that in the compressor can be combined with one another in a manner other than that shown in the figures. Thus, the pressure equalization line 20 in FIGS. 1 and 2 run from the point 23 in the brake circuit 10 to the point 27 on the turbine or from the point 26 between the heat exchanger 12 and the throttle element 11 to the points 24 and 25, respectively, on the turbine. Likewise, in other cases it is possible to route the line in FIG. 3 with those in FIGS. 1 and 2, ie, line 107 in FIG. 3 can open into the turbine flow at points 24, 25 or 27. Conversely, it can also be advantageous to connect the line 20 from the points 23 and 26 of the compressor circuit 10 to FIGS. 1 and 2 with the pressure chamber 52 in FIG. 3 to connect.

Claims

Claims: 1. Device for cooling gaseous media, in the one used for the work-related expansion of the gas in the area expansion turbine located at a lower temperature an expansion turbine located at a higher temperature, Turbo compressor connected to the turbine via a gas-bearing shaft is, wherein in the brake part of the device containing the turbo compressor gas in a closed circuit through a heat exchanger and an adjustable Throttle member is circulated and further in the expansion turbine, the braking part and the gas bearing for the shaft uses the same type of gas, characterized thereby e t that a point of the compressor, the heat exchanger and the throttle element formed braking part of the device via a pressure equalization line with a Place of the turbine is connected.

2. Device according to claim 1, characterized in that that in the pressure equalization line a heat exchanger designed as a regenerator is arranged.

3. Device according to claims 1 and 2, wherein the gas for the shaft bearing from a foreign gas source, depending on the speed of the Shaft is controlled, removed and fed to the device, characterized in that that in the regenerator a temperature measuring device intended is that controls an adjusting element in a line through the gas from the device is led away.

4. Device according to claims 1 and 2, characterized in that that a temperature measuring device is provided in the regenerator, which is an adjusting element in a line controls through which gas enters the facility depending on the Temperature of the gas is fed into the regenerator.

5. Device according to claim 1, characterized in that a line running in the region of low temperature with an annulus within the labyrinth between the turbine and the gas bearing the pressure equalization line connects.

6. Device according to claim 1, characterized in that that the braking part of the device is designed as a closed structural unit in which the heat exchanger is attached directly to the compressor and the throttle member displaceable in the axial direction is arranged coaxially with the compressor and is surrounded by the heat exchanger.