DE102011018345B4

DE102011018345B4 - Apparatus and method for controlling the temperature of a fluid medium

Info

Publication number: DE102011018345B4
Application number: DE102011018345A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Herzog
Original assignee: Messer Group GmbH
Current assignee: Messer Group GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: EP2515057A1; EP2515057B1; DE102011018345A1

Abstract

Ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums mittels eines kondensierten Kältemittels, bei dem das fluides Medium in einem aufrecht stehenden Wärmetauscher mit dm kondensierten Kältemittel in Wärmekontakt gebracht und dabei gekühlt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium im Gleichstrom durch den Wärmetauscher geführt wird und die Regelung der Temperatur des fluiden Mediums durch Variation des Drucks des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher erfolgt. Dadurch eine sehr genaue Einstellung der Temperatur des zu kühlenden Mediums möglich.A method of controlling the temperature of a fluid medium by means of a condensed refrigerant in which the fluid medium is brought into thermal contact with and cooled in an upstanding heat exchanger with the condensed refrigerant is characterized in that the fluid medium is passed through the heat exchanger in cocurrent is and the regulation of the temperature of the fluid medium by varying the pressure of the condensed refrigerant in the heat exchanger takes place. This allows a very accurate adjustment of the temperature of the medium to be cooled.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel in einem Wärmetauscher, wobei das Kältemittel im flüssigen Zustand dem Wärmetauscher zugeführt wird und beim Wärmetausch mit dem fluiden Medium verdampft. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The invention relates to a device for regulating the temperature of a fluid medium by heat exchange with a condensed refrigerant in a heat exchanger, wherein the refrigerant is supplied to the heat exchanger in the liquid state and evaporated during the heat exchange with the fluid medium. The invention further relates to a method using the device according to the invention.

Apparate zur Kühlung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums (gasförmig und flüssig werden im Folgenden als „fluid” zusammengefasst) mit einem kondensierten, jedoch verdampfenden Kältemittel, wie etwa Flüssigstickstoff, werden in der Regel als Gegenstromapparate konzipiert. Dabei wird von unten das kondensierte Kältemittel und von oben das Wärme zuführende fluide Medium in den Apparat eingeleitet. Durch das Gegenstromprinzip lässt sich nicht nur die latente Kälte (Verdampfungsenthalpie) sondern zusätzlich auch der sensible Kälteinhalt (Überhitzung) des Kältemittels gut nutzen. Die Kältemittelzufuhr von unten ist verfahrenstechnisch sinnvoll, da ansonsten die Gefahr besteht, dass bei ungünstigen Betriebsbedingungen das Kältemittel teilweise unverdampft den Apparat durchströmt.Apparatus for cooling a gaseous or liquid medium (gaseous and liquid are hereinafter referred to as "fluid") with a condensed, but evaporating refrigerant, such as liquid nitrogen, are usually designed as countercurrent apparatuses. In this case, the condensed refrigerant and from above the heat-introducing fluid medium is introduced into the apparatus from below. Due to the countercurrent principle, not only the latent cold (evaporation enthalpy) but also the sensitive cold content (overheating) of the refrigerant can be used well. The refrigerant supply from below is procedurally sensible, otherwise there is a risk that in unfavorable operating conditions, the refrigerant flows through the apparatus partially unvaporized.

Aus der DE 39 15 349 A1 ist eine Kühlvorrichtung bekannt, bei der die Regelung der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel in einem Wärmetauscher erfolgt. Das Kältemittel wird dabei im Gleichstrom mit dem fluiden Medium durch den Wärmetauscher geführt und verdampft beim Wärmetausch mit dem fluiden Medium. Durch die Variation des Drucks des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher kann die Temperatur des fluiden Mediums geregelt werden.From the DE 39 15 349 A1 a cooling device is known in which the regulation of the temperature of a fluid medium by heat exchange with a condensed refrigerant is carried out in a heat exchanger. The refrigerant is passed in cocurrent with the fluid medium through the heat exchanger and evaporates during heat exchange with the fluid medium. By varying the pressure of the condensed refrigerant in the heat exchanger, the temperature of the fluid medium can be controlled.

Bei Apparaten mit großer Bauhöhe, denen Kältemittel nahe am Siedezustand zugeführt wird, besteht das Problem, dass sich die Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule ändert. Wird beispielsweise in einem Wärmetauscher eine Säule aus flüssigem Stickstoff von 10 m Höhe aufrecht erhalten, so beträgt dessen Temperatur am oberen Ende der Flüssigkeitssäule (bei einem Druck von 1 bar) minus 196°C. An Boden jedoch beträgt die Temperatur des kondensierten Gases aufgrund des zusätzlich wirkenden hydrostatischen Drucks minus 191°C. Mit zunehmender Bauhöhe erhöht sich daher bei einer Gegenstromführung im Wärmetauscher die tiefste Temperatur, auf die das fluide Medium noch abgekühlt werden kann.In the case of large-height apparatuses, where refrigerant is supplied near the boiling state, there is a problem that the temperature of the refrigerant changes depending on the hydrostatic pressure of the liquid column. If, for example, a column of liquid nitrogen of 10 m height is maintained in a heat exchanger, its temperature at the upper end of the liquid column (at a pressure of 1 bar) is minus 196 ° C. At the bottom, however, the temperature of the condensed gas is minus 191 ° C due to the additional hydrostatic pressure. With increasing height therefore increases in a countercurrent flow in the heat exchanger, the lowest temperature to which the fluid medium can still be cooled.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums mit Hilfe eines kondensierten Kältemittels anzugeben, das bzw. die eine sehr genaue Einstellung der Temperatur des fluiden Mediums bei möglichst tiefen Temperaturen erlaubt.The object of the present invention is to specify a method and a device for regulating the temperature of a fluid medium with the aid of a condensed refrigerant, which permits a very precise adjustment of the temperature of the fluid medium at the lowest possible temperatures.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.The object is achieved by a device having the features of patent claim 1 or by a method having the features of patent claim 4.

Dabei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wärmetauscher auf, der mit einer Zuführleitung zum Zuführen eines Kältemittels im flüssigen Zustand, einer Abführleitung zum Abführen von verdampftem Kältemittel sowie mit einer Zuführleitung und einer Abführleitung für ein fluides Medium strömungsverbunden ist. Dabei sind die genannten Leitungen derart am Wärmetauscher angeordnet, dass das Kältemittel und das fluide Medium im Betrieb des Wärmtauschers diesen im Gleichstrom von unten nach oben durchlaufen, d. h. die Zuführleitungen für das fluide Medium und das kondensierte Kältemittel münden in einem unteren Bereich des Wärmetauschers in diesen ein, während die Abführleitungen für das fluide Medium und das verdampfte Kältemittel im oberen Bereich des Wärmetauschers vorgesehen sind. Im Betriebszustand wird innerhalb des Wärmetauschers eine Flüssigkeitssäule des Kältemittels aufreicht erhalten, um die Verdampfungsenthalpie des Kältemittels zu Wärmeübertragung zu nutzen, d. h. innerhalb des Wärmetauschers befindet sich das Kältemittel im Siedezustand. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Regeln des Drucks des Kältemittels im Wärmetauscher vorgesehen, der mit einem Temperatursensor, der in der Abführleitung für das fluide Medium integriert ist, wirkverbunden ist. Mittels dieser Einrichtung kann die Temperatur des fluiden Mediums in Abhängigkeit vom gemessenen Temperaturwert sehr genau auf einen vorbestimmten Wert oder einen vorbestimmten zeitlichen Temperaturverlauf geregelt werden, indem der Druck auf das Kältemittel und damit die Temperatur des Kältemittels im Wärmetauscher entsprechend variiert wird.In this case, the device according to the invention comprises a heat exchanger, which is connected to a supply line for supplying a refrigerant in the liquid state, a discharge line for discharging vaporized refrigerant as well as to a supply line and a discharge line for a fluid medium. In this case, the said lines are arranged on the heat exchanger, that the refrigerant and the fluid medium in the operation of the heat exchanger through this in cocurrent from bottom to top, d. H. the fluid and condensed refrigerant supply pipes enter into a lower portion of the heat exchanger, and the fluid medium and vaporized refrigerant discharge conduits are provided in the upper portion of the heat exchanger. In the operating state, a liquid column of the refrigerant is obtained within the heat exchanger in order to utilize the evaporation enthalpy of the refrigerant for heat transfer, i. H. inside the heat exchanger, the refrigerant is in the boiling state. Furthermore, a device for regulating the pressure of the refrigerant in the heat exchanger is provided, which is operatively connected to a temperature sensor which is integrated in the discharge line for the fluid medium. By means of this device, the temperature of the fluid medium as a function of the measured temperature value can be controlled very accurately to a predetermined value or a predetermined temporal temperature profile by the pressure on the refrigerant and thus the temperature of the refrigerant in the heat exchanger is varied accordingly.

Dabei ist dem Wärmetauscher (im Folgenden: Erster Wärmetauscher) zum Vorkühlen des fluiden Mediums ein weiterer Wärmetauscher in Form eines Überhitzers vorgeschaltet, in welchem das fluide Medium vor seiner Zuführung an den ersten Wärmetauscher mit verdampftem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher in thermischen Kontakt kommt. Dadurch wird zum einen die Restkälte des verdampften Kältemittels genutzt, zum anderen wird die Temperaturregelung im ersten Wärmetauscher erleichtert, da die Differenz zwischen den Temperaturen des in den ersten Wärmetauscher eingeleiteten fluiden Mediums und des kondensierten Kältemittels verringert wird.In this case, the heat exchanger (hereinafter: first heat exchanger) for precooling of the fluid medium upstream of a further heat exchanger in the form of a superheater, in which the fluid medium comes into thermal contact before being supplied to the first heat exchanger with vaporized refrigerant from the first heat exchanger. On the one hand, the residual refrigeration of the vaporized refrigerant is used on the other hand, the temperature control is facilitated in the first heat exchanger, since the difference between the temperatures of the introduced into the first heat exchanger fluid and the condensed refrigerant is reduced.

Bevorzugt ist der Überhitzer (oder Vorkühler) als Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert, um zu gewährleisten, dass die Temperaturen des zu kühlenden fluiden Mediums und des Kältemittels auch über die Längserstreckung des Überhitzers gleichsinnig zueinander verlaufen. Der Überhitzer kann im Übrigen waagerecht, senkrecht oder schräg im Raum angeordnet sein. The superheater (or precooler) is preferably designed as a countercurrent heat exchanger in order to ensure that the temperatures of the fluid medium to be cooled and of the coolant also extend in the same direction over the longitudinal extent of the superheater. The superheater may otherwise be arranged horizontally, vertically or obliquely in space.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Abführleitung für das verdampfte Kältemittel eine Fördereinrichtung, etwa eine Vakuumpumpe oder ein Kompressor zum Erzeugen eines Unterdrucks, also eines unterhalb des Umgebungsdrucks liegenden Drucks, vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Temperatur des Kältemittels weiter abgesenkt werden, im äußersten Fall derart, dass die Temperatur des Kältemittels am oberen Ende der Flüssigkeitssäule knapp oberhalb der Schmelztemperatur beträgt. Der zur Temperaturregelung zur Verfügung stehende Temperaturbereich wird dadurch erheblich erweitert, beispielsweise wird der Bereich zwischen minus 210°C und minus 196°C einbezogen. Im Falle des Einbaus eines Kompressors kann das stromab zum Kompressor verdichtete Gas in ein Leitungsnetz eingespeist und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.An advantageous development of the invention provides that in the discharge line for the vaporized refrigerant, a conveyor, such as a vacuum pump or a compressor for generating a negative pressure, that is a lying below the ambient pressure, is provided. In this way, the temperature of the refrigerant can be further lowered, in the extreme case such that the temperature of the refrigerant at the upper end of the liquid column is just above the melting temperature. The temperature range available for the temperature control is thus significantly increased, for example, the range between minus 210 ° C and minus 196 ° C is included. In the case of installation of a compressor, the gas compressed downstream of the compressor can be fed into a pipeline network and fed to a further use.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums unter Verwendung der vorgenannten Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium im Gleichstrom mit dem Kältemittel durch den Wärmetauscher geführt wird und die Regelung der Temperatur des fluiden Mediums durch Variation des Drucks des Kältemittels im Wärmetauscher erfolgt.An inventive method for controlling the temperature of a fluid medium using the aforementioned device is characterized in that the fluid medium is passed in cocurrent with the refrigerant through the heat exchanger and the regulation of the temperature of the fluid medium by varying the pressure of the refrigerant in the heat exchanger ,

In dem im Wesentlichen aufrecht stehenden Wärmetauscher wird also eine Flüssigkeitssäule des Kältemittels bis zur Höhe eines bestimmten Pegels (Füllhöhe) aufrecht erhalten. Als „kondensiertes Kältemittel” wird hier ein verflüssigtes, jedoch im Wärmetauscher siedendes Medium verstanden, wie beispielsweise ein kälteverflüssigtes Gas, etwa flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder ein flüssiges Edelgas. Aufgrund des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule ist die Verdampfungstemperatur des kondensierten Kältemittels am Boden des Wärmetauschers höher als an der durch den Pegel markierten Oberfläche der Flüssigkeitssäule. Sowohl das Kältemittel als auch das fluide Medium werden dem Wärmetauscher von unten zugeführt; bis zur Höhe der Flüssigkeitssäule steht das fluide Medium in Wärmeaustausch mit dem kondensierten Kältemittel. Durch die Gleichstromführung von Kältemittel und zu kühlendem Medium im Wärmetauscher verlaufen die Temperaturen beider Medien somit gleichsinnig: Einer höheren Verdampfungstemperatur im Bodenbereich steht eine niedrigere Verdampfungstemperatur im oberen Bereich gegenüber. Dadurch gelingt insbesondere die Abkühlung des Mediums auf eine tiefere Temperatur als bei einer Gegenstromführung, wenn auf die Vorteile eines aufrecht stehenden Wärmetauschers, die beispielsweise im geringeren Flächenverbrauch bestehen, nicht verzichtet werden soll.In the substantially upright heat exchanger, therefore, a liquid column of the refrigerant is maintained up to the level of a certain level (filling level). As "condensed refrigerant" is here a liquefied, but understood in the heat exchanger medium, such as a cryogenic liquefied gas, such as liquid nitrogen, liquid oxygen or a liquid noble gas. Due to the hydrostatic pressure of the liquid column, the evaporation temperature of the condensed refrigerant at the bottom of the heat exchanger is higher than at the surface of the liquid column marked by the level. Both the refrigerant and the fluid medium are supplied to the heat exchanger from below; up to the level of the liquid column, the fluid medium is in heat exchange with the condensed refrigerant. Due to the DC flow of refrigerant and medium to be cooled in the heat exchanger, the temperatures of both media thus run in the same direction: A higher evaporation temperature in the bottom area is compared to a lower evaporation temperature in the upper area. As a result, in particular, the cooling of the medium to a lower temperature than in a countercurrent flow, if not to do without the advantages of an upright heat exchanger, which consist for example in the lower area consumption.

Um einen maximalen Kühleffekt zu erzielen empfiehlt es sich grundsätzlich, den Pegel des kondensierten Kältemittels im Bereich des oberen Endes des Wärmetauschers vorzusehen. Es kann fallweise jedoch auch von Vorteil sein, als zusätzlichen Regelungsparameter auch die Füllhöhe des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher zu variieren, um die übertragene Wärmemenge möglichst genau den jeweiligen Erfordernissen anpassen zu können.In order to achieve a maximum cooling effect, it is generally advisable to provide the level of the condensed refrigerant in the region of the upper end of the heat exchanger. It may, however, occasionally also be advantageous to vary the filling level of the condensed refrigerant in the heat exchanger as an additional control parameter in order to be able to adapt the transferred heat as precisely as possible to the respective requirements.

Zur Regelung der Temperatur wird der Druck des Kältemittels im Wärmetauscher, gemessen am oberen Ende der im Wärmetauscher aufrecht erhaltenen Flüssigkeitssäule des Kältemittels, bevorzugt auf einen Wert zwischen Vakuum, also einem geringen absoluten Druckwert nahe 0, beispielsweise einem Wert zwischen 0,001 bar und 0,1 bar, und 20 bar, besonders bevorzugt auf einen Wert zwischen Umgebungsdruck (etwa 1 bar) und 10 bar variiert. Da die meisten Tankanlagen für einen zulässigen Überdruck von maximal 19 bar (ü) ausgelegt sind und viele Versorgungsnetze im Bereich von maximal 10 bar (ü) arbeiten, bestimmen diese Drücke in den genannten Fällen die Grenzen der Auslegung für die Druckvariation. Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar, durch eine geeignete Apparatur, etwa mittels eines Kompressors, über der Flüssigkeitssäule einen Unterdruck (p < 1 bar) herzustellen, um die Temperatur des Stickstoffs entsprechend auf Werte unterhalb der Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck abzusenken.To control the temperature, the pressure of the refrigerant in the heat exchanger, measured at the upper end of the liquid column maintained in the heat exchanger of the refrigerant, preferably to a value between vacuum, ie a low absolute pressure value near 0, for example, a value between 0.001 and 0.1 bar, and 20 bar, more preferably to a value between ambient pressure (about 1 bar) and 10 bar varies. Since most tank systems are designed for a maximum permissible overpressure of 19 bar (g) and many supply systems operate in the range of a maximum of 10 bar (g), these pressures determine the limits of the design for the pressure variation in these cases. However, within the scope of the invention it is also conceivable to produce a negative pressure (p <1 bar) over the liquid column by means of a suitable apparatus in order to reduce the temperature of the nitrogen to values below the evaporation temperature at ambient pressure.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischer Ansicht zeigt die einzige Zeichnung (1) eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.Reference to the drawings, an embodiment of the invention will be explained in more detail. In schematic view shows the only drawing ( 1 ) an apparatus for carrying out the method according to the invention.

Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung 1 dient der Regelung der Temperatur eines in einem Kreislaufstrom 2 geführten fluiden Mediums, beispielsweise ein Edelgas, z. B. Helium. Das fluide Medium dient in hier nicht weiter interessierender Weise zur Kühlung einer ebenfalls im Kreislaufstrom 2 angeordneten Apparatur 3. In Bezug auf die Apparatur 3 werde beispielhaft angenommen, dass zu deren Kühlung eine möglichst exakt eingestellte Temperatur (im Folgenden: Eingangstemperatur) des zugeführten fluiden Mediums im Bereich zwischen minus 210°C (der Schmelztemperatur von Stickstoff) und einem höheren Wert, beispielsweise minus 180°C, erforderlich ist. Um diese zu erreichen durchläuft das Medium im Kreislaufstrom 2 nacheinander die Apparatur 3, ein Gebläse oder eine Pumpe 4 zum Antreiben des Kreislaufstroms 2 und, über eine Zuleitung 5, einen im Wesentlichen senkrecht angeordneten Wärmetauscher 6, in welchem die Temperatur des fluiden Mediums auf die erforderliche Eingangstemperatur gebracht wird. Beim Wärmetauscher 6, der zugleich das Herzstück der Vorrichtung 1 darstellt, handelt es sich um einen üblichen Wärmetauscher, beispielsweise um einen Röhrenwärmetauscher, in welchem das den Wärmetauscher 6 von unten nach oben durchfließende fluide Medium in thermischen Kontakt mit einem Kältemittel, im Ausführungsbeispiel Stickstoff, gebracht wird. Der Stickstoff wird aus einem hier nicht gezeigten Tank in tiefkalt verflüssigten Zustand (LIN) über eine im – geodätisch gesehen – unteren Bereich des Wärmetauschers 6 angeordnete Zuleitung 7 herangeführt und durchläuft den Wärmetauscher 6 ebenfalls von unten nach oben, also im Gleichstrom zum fluiden Medium. Beim Wärmetausch mit dem flüssigen Stickstoff kühlt sich das fluide Medium ab und wird von der Pumpe 4 zurück zur Apparatur 3 gefördert. Zugleich verdampft der flüssige Stickstoff beim Wärmekontakt mit dem fluiden Medium. Dabei wird der Zulauf an flüssigem Stickstoff so eingestellt, dass sich im Wärmetauscher 6 eine Flüssigkeitssäule bis zur Höhe eines Pegels 8 ausbildet. Der Stickstoff verlässt den Wärmetauscher 6 gasförmig (GAN) über eine Ableitung 9 im – geodätisch gesehen – oberen Bereich des Wärmetauschers 6. Die Höhe des Pegels 8 beschreibt zugleich den Punkt minimaler Temperatur im Wärmetauscher 6; im einfachsten Falle entspricht die Temperatur des Stickstoffs der Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck (1 bar). Im unteren Bereich des Wärmetauschers 6 ist die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs aufgrund des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule höher als die Verdampfungstemperatur am Pegel 8. Aufgrund der Gleichstromführung verlaufen somit die Temperaturen des fluiden Mediums und des Stickstoffs im Wärmetauscher 6 gleichsinnig zueinander: Während das fluide Medium beim Durchlaufen des Wärmetauschers 6 von unten nach oben abgekühlt wird, sinkt zugleich die Temperatur des flüssigen Stickstoffs vom unteren Ende des Wärmetauschers 6 bis zur Höhe des Pegels 8.The device shown in the drawing 1 is used to control the temperature of one in a cycle stream 2 guided fluid medium, for example, a noble gas, for. For example helium. The fluid medium is used in a manner not of further interest for cooling a likewise in the circulation stream 2 arranged apparatus 3 , In terms of the apparatus 3 It is assumed by way of example that for its cooling a temperature which is as precisely as possible set (hereinafter: inlet temperature) of the supplied fluid medium in the range between minus 210 ° C (the melting temperature of nitrogen) and a higher value, for example minus 180 ° C, is required. To achieve this, the medium passes through the circulation stream 2 one after the other the apparatus 3 , a blower or a pump 4 to the Driving the circulatory flow 2 and, via a supply line 5 , a substantially vertically arranged heat exchanger 6 in which the temperature of the fluid medium is brought to the required inlet temperature. At the heat exchanger 6 , at the same time the heart of the device 1 represents, it is a conventional heat exchanger, for example, a tubular heat exchanger, in which the heat exchanger 6 from bottom to top flowing through fluid medium in thermal contact with a refrigerant, in the embodiment nitrogen, is brought. The nitrogen is from a tank, not shown here in cryogenic liquefied state (LIN) on a - geodetically seen - lower portion of the heat exchanger 6 arranged supply line 7 introduced and passes through the heat exchanger 6 also from bottom to top, ie in cocurrent to the fluid medium. During heat exchange with the liquid nitrogen, the fluid medium cools down and is removed by the pump 4 back to the apparatus 3 promoted. At the same time the liquid nitrogen evaporates on thermal contact with the fluid medium. The feed of liquid nitrogen is adjusted so that in the heat exchanger 6 a liquid column up to the height of a level 8th formed. The nitrogen leaves the heat exchanger 6 gaseous (GAN) via a derivative 9 im geodetically seen upper section of the heat exchanger 6 , The height of the level 8th also describes the point of minimum temperature in the heat exchanger 6 ; in the simplest case, the temperature of the nitrogen corresponds to the evaporation temperature at ambient pressure (1 bar). In the lower part of the heat exchanger 6 For example, the vaporization temperature of the liquid nitrogen is higher than the vaporization temperature due to the hydrostatic pressure of the liquid column 8th , Due to the DC-current thus run the temperatures of the fluid medium and nitrogen in the heat exchanger 6 in the same direction to each other: While the fluid medium when passing through the heat exchanger 6 cooled from bottom to top, at the same time decreases the temperature of the liquid nitrogen from the lower end of the heat exchanger 6 up to the height of the level 8th ,

Die Temperatur des fluiden Mediums kann mittels der Vorrichtung 1 sehr genau geregelt werden. Dazu ist im Kreislaufstrom 2, stromab zum Wärmetauscher 6 ein Temperatursensor 10 vorgesehen, der kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen die Temperatur des fluiden Mediums ermittelt und einer Steuereinheit 11 zuleitet. Die Steuereinheit 11 wirkt mit einer Armatur 12 zur Druckregelung zusammen, die in der Ableitung 9 angeordnet ist. Durch Variation des Drucks an der Armatur 12 wird zugleich die Temperatur des siedenden Stickstoffs am Pegel 8 verändert. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragung im Wärmetauscher 6 und damit die Temperatur des fluiden Mediums sehr genau geregelt werden. Hierzu ermittelt die Steuereinheit 11 nach einem eingegebenen Programm aus dem am Temperatursensor 10 ermittelten Temperaturwert des fluiden Mediums den zur Kühlung des fluiden Mediums auf die vorgesehene Temperatur erforderlichen Druckwert und stellt diesen an der Armatur 12 ein.The temperature of the fluid medium can be determined by means of the device 1 be regulated very precisely. This is in the circulation stream 2 , downstream of the heat exchanger 6 a temperature sensor 10 provided, which determines the temperature of the fluid medium continuously or at predetermined time intervals and a control unit 11 feeds. The control unit 11 works with a fitting 12 for pressure control together, which in the derivative 9 is arranged. By varying the pressure on the valve 12 at the same time the temperature of the boiling nitrogen at the level 8th changed. In this way, the heat transfer in the heat exchanger 6 and thus the temperature of the fluid medium are controlled very accurately. The control unit determines this 11 after an entered program from the on the temperature sensor 10 determined temperature value of the fluid medium required for cooling the fluid medium to the intended temperature pressure value and provides this to the valve 12 one.

Die Temperatur des fluiden Mediums kann auch auf Werte unterhalb der Verdampfungstemperatur des Stickstoffs bei Umgebungsdruck (1 bar) gesenkt werden. Hierzu ist in der Ableitung 9 ein Kompressor 13 vorgesehen, mittels der in der Ableitung 9 – und damit im Wärmetauscher 6 – ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck am Pegel 8 erzeugt werden kann. Durch die mit der Druckabsenkung am Pegel 8 verbundene Siedepunktserniedrigung wird die Verdampfungstemperatur des Stickstoffs im Wärmetauscher 6 abgesenkt, im äußersten Fall kann die Temperatur durch Druckerniedrigung bis knapp oberhalb der Schmelztemperatur abgesenkt und dadurch das fluide Medium im Wärmetauscher 6 auf entsprechend tiefere Temperaturen abgekühlt werden. Zur Regelung ist in diesem Falle eine weitere Armatur 14 zur Druckregelung vorgesehen (die Armatur 12 bleibt in diesem Fall offen), die den Zulauf von Flüssigstickstoff über die Zuleitung 7 und damit den Wert des Unterdrucks am Pegel 8 in Abhängigkeit von der am Temperatursensor 10 gemessenen Temperatur des fluiden Mediums regelt. Wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahren mittels der Armatur 12, also mit Druckwerten, die gleich oder größer als der Umgebungsdruck sind, bleibt die Armatur 14 geöffnet. Das durch den Kompressor 13 auf beispielsweise 10 bar verdichtete Gas kann anschließend einem Versorgungsnetz zur weiteren Verwendung zugeführt werden. Anstelle eines Kompressors 13 kann ebenso gut eine andere Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Ableitung 9 vorgesehen sein, beispielsweise eine Vakuumpumpe.The temperature of the fluid medium can also be lowered to values below the evaporation temperature of the nitrogen at ambient pressure (1 bar). This is in the derivation 9 a compressor 13 provided by means of in the derivative 9 - and thus in the heat exchanger 6 - A negative pressure relative to the ambient pressure at the level 8th can be generated. By with the pressure reduction at the level 8th associated boiling point depression becomes the vaporization temperature of the nitrogen in the heat exchanger 6 lowered, in the extreme case, the temperature can be lowered by lowering the pressure to just above the melting temperature and thereby the fluid medium in the heat exchanger 6 be cooled to correspondingly lower temperatures. To control is in this case another valve 14 intended for pressure control (the valve 12 remains open in this case), which is the supply of liquid nitrogen via the supply line 7 and thus the value of the negative pressure at the level 8th depending on the temperature sensor 10 measured temperature of the fluid medium controls. Is by the method described above using the fitting 12 So, with pressure values that are equal to or greater than the ambient pressure, the valve remains 14 open. That through the compressor 13 on for example 10 bar compressed gas can then be supplied to a supply network for further use. Instead of a compressor 13 may as well be another means of creating a negative pressure in the drain 9 be provided, for example, a vacuum pump.

Dem Wärmetauscher 6 ist im Ausführungsbeispiel ein Vorkühler bzw. Überhitzer 15 vorgeschaltet, um den sensiblen Kälteinhalt des gasförmigen Stickstoffs zu nutzen. Im Überhitzer 15 gelangt das in der Apparatur 3 erwärmte Medium in thermischen Kontakt mit dem verdampften Stickstoff aus der Ableitung 9 des Wärmetauschers 6 und wird im weiteren Verlauf über die Zuleitung 5 dem Wärmetauscher 6 zugeführt. Im Überhitzer 15 wird das Medium gekühlt und der verdampfte Stickstoff auf eine Temperatur oberhalb seiner Siedetemperatur gebracht, also überhitzt. Im Ausführungsbeispiel durchläuft das Medium den Überhitzer 15 im Gegenstrom zum Stickstoff, um auch hier zu gewährleisten, dass die Temperaturen von Medium und gasförmigem Stickstoff längs des Überhitzers 15 gleichsinnig verlaufen. Die Kombination von Wärmetauscher 6 und Überhitzer 15 ermöglicht eine besonders effiziente und energiesparende Verfahrensführung.The heat exchanger 6 is a precooler or superheater in the embodiment 15 upstream to use the sensitive cold content of gaseous nitrogen. In the superheater 15 that gets in the apparatus 3 heated medium in thermal contact with the vaporized nitrogen from the discharge 9 of the heat exchanger 6 and will continue over the supply line 5 the heat exchanger 6 fed. In the superheater 15 The medium is cooled and the vaporized nitrogen brought to a temperature above its boiling temperature, ie superheated. In the exemplary embodiment, the medium passes through the superheater 15 in countercurrent to the nitrogen, again to ensure that the temperatures of medium and gaseous nitrogen along the superheater 15 run in the same direction. The combination of heat exchanger 6 and superheater 15 enables a particularly efficient and energy-saving process management.

Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt beide Armaturen 12, 14; im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich ebenso möglich, lediglich die Armatur 12, unter Fortfall der Armatur 14 und des Kompressors 13, vorzusehen; in diesem Falle ist nur eine Temperaturregelung bis hinab auf die dem Umgebungsdruck entsprechende Verdampfungstemperatur des Stickstoffs möglich. Ebenso ist es möglich, unter Fortfall der Armatur 12 nur die Armatur 14 und die Pumpe 12 vorzusehen. In diesem Falle können als minimale Temperaturen nur unterhalb der Verdampfungstemperatur des Stickstoffs bei Umgebungsdruck liegende Temperaturen eingestellt werden.The embodiment according to 1 shows both fittings 12 . 14 ; in the context of the invention, it is of course also possible, only the valve 12 , with discontinuation of the fitting 14 and the compressor 13 to provide; In this case, only a temperature control down to the ambient pressure corresponding evaporation temperature of the nitrogen is possible. It is also possible, with discontinuation of the fitting 12 only the fitting 14 and the pump 12 provided. In this case, temperatures which are only below the evaporation temperature of the nitrogen at ambient pressure can be set as minimum temperatures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
22: KreislaufstromRecycle stream
33: Apparaturapparatus
44: Pumpepump
55: Zuleitungsupply
66: Wärmetauscherheat exchangers
77: Zuleitungsupply
88th: Pegellevel
99: Ableitungderivation
1010: Temperatursensortemperature sensor
1111: Steuereinheitcontrol unit
1212: Armatur zur DruckregelungValve for pressure control
1313: Kompressorcompressor
1414: Armatur zur DruckregelungValve for pressure control
1515: Überhitzersuperheater

Claims

Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel, mit einem Wärmetauscher (6), der mit einer Zuführleitung (7) zum Zuführen eines Kältemittels im flüssigen Zustand, einer Abführleitung (9) zum Abführen von verdampftem Kältemittel sowie mit einer Zuführleitung (5) und einer Abführleitung (2) für ein fluides Medium strömungsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (2, 5, 7, 9) derart am Wärmetauscher (6) angeordnet sind, dass das Kältemittel und das fluide Medium im Betrieb den Wärmtauscher (6) im Gleichstrom durchlaufen, und dass eine mit einem in der Abführleitung (2) für das fluide Medium integrierten Temperatursensor (10) wirkverbundene Einrichtung (11, 12, 14) zum Regeln des Drucks des Kältemittels im Wärmetauscher (6) vorgesehen ist, wobei dem Wärmetauscher (6) ein Überhitzer (15) vorgeschaltet ist, in dem verdampftes Kältemittel aus dem Wärmetauscher (6) mit dem fluiden Medium vor dessen Zuführung an den Wärmetauscher (6) in thermischen Kontakt gebracht wird.Device for controlling the temperature of a fluid medium by heat exchange with a condensed refrigerant, with a heat exchanger ( 6 ) connected to a supply line ( 7 ) for supplying a refrigerant in the liquid state, a discharge line ( 9 ) for removing vaporized refrigerant and with a supply line ( 5 ) and a discharge line ( 2 ) is fluidly connected to a fluid medium, characterized in that the lines ( 2 . 5 . 7 . 9 ) on the heat exchanger ( 6 ) are arranged that the refrigerant and the fluid medium in operation the heat exchanger ( 6 ) in cocurrent, and that one with a in the discharge line ( 2 ) for the fluid medium integrated temperature sensor ( 10 ) Actively connected institution ( 11 . 12 . 14 ) for regulating the pressure of the refrigerant in the heat exchanger ( 6 ) is provided, wherein the heat exchanger ( 6 ) a superheater ( 15 ) upstream, in the vaporized refrigerant from the heat exchanger ( 6 ) with the fluid medium before it is fed to the heat exchanger ( 6 ) is brought into thermal contact.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (15) als Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the superheater ( 15 ) is designed as a countercurrent heat exchanger.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführleitung (9) für das verdampfte Kältemittel ein Fördereinrichtung (13) zum Erzeugen eines Unterdrucks vorgesehen ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that in the discharge line ( 9 ) for the vaporized refrigerant a conveyor ( 13 ) is provided for generating a negative pressure.

Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Wärmetausch des fluiden Mediums mit einem kondensierten Kältemittel im Wärmetauscher (6), wobei das Kältemittel im flüssigen Zustand dem Wärmetauscher (6) zugeführt wird und beim Wärmetausch mit dem fluiden Medium verdampft, wobei das fluide Medium im Gleichstrom mit dem kondensierten Kältemittel durch den Wärmetauscher (6) geführt wird und die Regelung der Temperatur des fluiden Mediums durch Variation des Drucks des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher (6) erfolgt.Method for regulating the temperature of a fluid medium by a device according to one of claims 1 to 3, characterized by the heat exchange of the fluid medium with a condensed refrigerant in the heat exchanger ( 6 ), wherein the refrigerant in the liquid state the heat exchanger ( 6 ) and is evaporated during the heat exchange with the fluid medium, wherein the fluid medium in cocurrent with the condensed refrigerant through the heat exchanger ( 6 ) and the regulation of the temperature of the fluid medium by varying the pressure of the condensed refrigerant in the heat exchanger ( 6 ) he follows.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Wärmeübertragung auf das Kältemittel die Füllhöhe (8) des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher (6) variiert wird.A method according to claim 4, characterized in that for controlling the heat transfer to the refrigerant, the filling level ( 8th ) of the condensed refrigerant in the heat exchanger ( 6 ) is varied.

Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Temperatur der Druck des Kältemittels im Wärmetauscher (6) auf Werte zwischen Vakuum und 20 bar, bevorzugt 1 bar bis 10 bar variiert wird.A method according to claim 4 or 5, characterized in that for controlling the temperature of the pressure of the refrigerant in the heat exchanger ( 6 ) is varied to values between vacuum and 20 bar, preferably 1 bar to 10 bar.