Untersuchung zur Weiterentwicklung einer Gemisch-Joule-Thomson-Kältemaschine auf Basis ölgeschmierter Kompressoren

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Gemisch-Joule-Thomson-Kältemaschine auf der Basis ölgeschmierter Kompressoren. Diese Anlage ist konstruktiv einfach und kompakt. Die wartungsfreie Zeit liegt bei weit über 20 000 Betriebsstunden. Da diese Kältemaschine auf Basis von konventionellen und daher kostengünstigen Komponenten aus der Klima- und Kältebranche gebaut wird, können die Gesamtinvestitionskosten relativ niedrig gehalten werden. Die heute gebauten Refrigeratoren dieser Art sind jedoch nicht besonders effektiv. Eine Verbesserung der Gemisch-JT-Kältemaschine, vor allem eine Erhöhung der Effektivität, könnte dazu beitragen, daß sich diese Anlagen in Zukunft behaupten und am Markt durchsetzen. Mit dieser Arbeit wird dazu ein Beitrag geleistet. Trotz des scheinbar einfachen Fließbildes liegt der Gemisch-Joule-Thomson-Kältemaschine ein relativ komplexes Verfahren zugrunde. Um die vorhandenen Erkenntnisse zu systematisieren, wurde die Thermodynamik des Prozesses untersucht, die verfügbaren Erfahrungen im Detail analysiert und die Randbedingungen, die bei der Realisierung einer solchen Kälteanlage durch die einzelnen Hardware-Komponenten vorgegeben sind, definiert. Weiterhin wurde eine Methode zur Optimierung der Gemischzusammensetzung für eine Joule-Thomson-Stufe entwickelt. Mit diesem Algorithmus kann die jeweils optimale Zusammensetzung rasch und übersichtlich für gegebene Randbedingungen gefunden werden. Durch dieses effektive, thermodynamische Werkzeug ist die Bewertung verschiedener Prozeßvarianten wesentlich erleichtert. In der Beschäftigung mit vielversprechenden Modifikationen des Fließbildes lag ein weiterer Schwerpunkt der Dissertation. In der Arbeit werden drei Vorschläge zur Verbesserung des Systems diskutiert. Untersucht wird, welche Auswirkungen diese Änderungen auf die Charakteristika der Kältemaschine haben können. Es wird gezeigt, daß durch einfache Modifizierungen des Fließbildes deutliche Verbesserungen von Gemisch-JT-Kältemaschinen (im Bereich der Effektivität und Zuverlässigkeit) erreicht werden können. Einer von diesen Vorschlägen, die Vorkühlung mit Hilfe einer seperaten Kältemaschine, wurde in einer funktionierenden Kältemaschine umgesetzt. Die entwickelte Gemisch-Joule-Thomson-Kältemaschine wurde zur Rekondensation von Argon eingesetzt. Es wurde gezeigt, daß der Einsatz einer solchen Kältemaschine zur Argon-Rekondensation wirtschaftlich sehr effektiv sein kann.