Kühlen anspruchsvoll: Mit Helium bei –100 °C
Anwendungen wie physikalische Experimente, Detektoren oder Laserquellen benötigen eine Kühlung mit Helium bei Temperaturen bis -100°C. Diese anspruchsvolle Aufgabe wird mit zwei verschiedenen Systemansätzen und gasgelagerten Turbomaschinen von Celeroton in Angriff genommen.
Helium eignet sich als Kühl- und Prozessgas für Anwendungen, die eine zuverlässige Wärmeübertragung, chemische Inertheit oder einen kontaminationsfreien Betrieb erfordern. Da Helium im betrachteten Temperaturbereich von etwa –100 °C bis Raumtemperatur gasförmig bleibt, kann es in einem geschlossenen Gaskreislauf ohne Phasenübergang gekühlt und rezirkuliert werden. Typische Anwendungsfelder finden sich in physikalischen Experimenten, Detektoren, Halbleiteranlagen und bestimmten Lasersystemen.
Celeroton verfolgt für die Heliumkühlung im Bereich von etwa –100 °C bis Raumtemperatur zwei grundlegende Systemansätze: Die Rezirkulation von extern gekühltem Helium und die kombinierte Kühlung und Rezirkulation in einem Reverse Turbo-Brayton Chiller.
Systemansatz A: Rezirkulation von extern gekühltem Helium
Beim ersten Ansatz stellt ein bestehender Chiller die erforderliche Temperatur und Kühlleistung bereit. Ein speziell ausgelegter Turbo Kompressor rezirkuliert das kalte Helium zwischen dem Chiller und der zu kühlenden Anwendung. Die Auslegung des Turbo Kompressors berücksichtigt insbesondere die niedrige Eintrittstemperatur sowie den benötigten Massenstrom und das erforderliche Druckverhältnis.
Die gasgelagerte Technologie ermöglicht eine ölfreie und kontaminationsfreie Heliumrezirkulation. Der Rotor läuft während des Betriebs berührungslos auf einem durch das Prozessgas erzeugten Gasfilm. Dadurch benötigt das System keine Schmierstoffe und keinen Ölabscheider. Dies ist besonders relevant, wenn das Helium sauber bleiben und der Kontakt mit zusätzlichen Betriebsstoffen vermieden werden muss.
Celeroton kann Turbo Kompressoren an das jeweilige Gas, Druckniveau, Druckverhältnis, den Massenstrom und die elektrische Schnittstelle anpassen. Je nach Betriebspunkt lassen sich mehrere Einheiten in Serie oder parallel anordnen. Damit kann die Heliumrezirkulation auf die konkrete Anwendung abgestimmt werden, ohne einen für Druck oder Massenstrom deutlich überdimensionierten Standardkompressor einzusetzen.
Dieser Ansatz eignet sich insbesondere, wenn bereits ein passender Chiller vorhanden ist oder separat beschafft werden soll. Die Kälteerzeugung und die Heliumrezirkulation bleiben dabei zwei eigenständige Teilsysteme.
Systemansatz A: Rezirkulation von extern gekühltem Helium
Systemansatz B: Kombinierte Kühlung und Rezirkulation in einem Reverse Turbo-Brayton Chiller
Beim zweiten Ansatz übernimmt ein geschlossener Reverse Turbo-Brayton Kreislauf sowohl die Kälteerzeugung als auch die Rezirkulation des Heliums. Zu den zentralen Komponenten gehören ein gasgelagerter Turbo Kompressor, ein Rekuperator, ein gasgelagerter Turbo Expander, die erforderlichen Wärmetauscher und die zugehörigen Umrichter.
Der Turbo Kompressor erhöht zunächst den Druck des Heliums. Anschliessend gibt das verdichtete Prozessgas Wärme an einem warmen Wärmetauscher ab. Im Rekuperator wird der Hochdruckstrom durch das zurückströmende kalte Helium vorgekühlt. Danach entspannt der Turbo Expander das Gas. Dabei sinken Druck und Temperatur. Das kalte Helium nimmt direkt durch das Überströmen der Anwendung Abwärme aus dieser auf und strömt über den Rekuperator zurück zum Turbo Kompressor.
Der Turbo Expander ist mit einem Generator ausgestattet. Dadurch lässt sich ein Teil der bei der Expansion freiwerdenden Energie elektrisch zurückgewinnen und innerhalb des Systems nutzen. Die Umrichter welche sowohl den Kompressor wie auch den Expander ansteuern, ermöglichen zudem eine unabhängige Regelung der Turbomaschinen und damit eine dynamische Feinabstimmung des Massenstroms (Kühlleistung) und der Expansionsverhältnisse (Kühltemperatur) während des Betriebs.
Der Reverse Turbo-Brayton Ansatz benötigt keine Vorkühlung mit einem separaten Kältemittelkreislauf. Helium dient zugleich als Prozessgas für die Kälteerzeugung und für den Wärmeabtransport von der Anwendung. Damit lassen sich Kühlung und Rezirkulation in einem zusammenhängenden System realisieren.
Welche der beiden Systemansätze technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt unter anderem von der Zieltemperatur, der erforderlichen Kühlleistung, dem Massenstrom, dem Druckniveau und den Schnittstellen zum kühlenden Prozess ab.
Von der Turbomaschine bis zum Gesamtsystem
Celeroton verbindet die Entwicklung von Aerodynamik, Gaslagern, Elektromotoren, Leistungselektronik, Regelung und thermischer Auslegung. Dieses System-Know-how ermöglicht es, Turbo Kompressor, Turbo Expander und Umrichter aufeinander sowie auf den Heliumkreislauf abzustimmen.
Welche der Systemansätze geeigneter ist, lässt sich nicht allein anhand der Zieltemperatur entscheiden. Bei einem vorhandenen Chiller kann eine separate Heliumrezirkulation die zweckmässige Lösung darstellen. Wenn Kälteerzeugung und Rezirkulation in einem System verbunden und ein separater Kältemittelkreislauf vermieden werden sollen, kommt ein Reverse Turbo-Brayton Chiller infrage.
Neben Helium können je nach Anforderungen auch andere Prozessgase wie Argon, Stickstoff oder Luft eingesetzt werden. Celeroton legt das System anhand der konkreten Anwendung und der geforderten Betriebsbedingungen aus.
Für eine anwendungsspezifische Auslegung kontaktieren Sie uns unter moc.notorelec@ofni oder telefonisch unter +41 44 250 52 20.
