DE19717621A1 - Unterkühlen von flüssigen Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas, mit einem Behälter für das zweite, tiefkalte, flüssige Gas und einem in dem Behälter befindlichen Wärmetauscher mit einer Zu- und einer Ableitung für das erste, zu unterkühlende, tiefkalte, flüssige Gas.

Tiefkalte, flüssige Gase werden vielfach zur Kühlung von Anlagen, Werkzeugen und ähnlichem eingesetzt. Dabei tritt häufig das Problem auf, daß das kryogene Flüssiggas am Verbrauchsort siedet, und daß durch die entstehenden Gasblasen zum einen die Kühlwirkung beeinträchtigt wird, zum anderen durch Schwingungen oder Vibrationen negative Begleiterscheinungen hervorgerufen werden. Ebenso problematisch ist die Blasenbildung in den Zuleitungen. Durch die bei der Verdampfung entstehende Volumenzunahme des Kühlmittels wird der Durchsatz durch die Leitungen und Ventile stark herabgesetzt und so die Kühlwirkung verringert. Lediglich durch Isolierungsmaßnahmen läßt sich das Auftreten von Siedeblasen nicht verhindern. Tiefkalte, flüssige Gase werden deshalb durch Unterkühlen am Sieden gehindert.

In dem Artikel "Kühlen ohne Blasen", Gas aktuell 51/96 (Messer Griesheim), S. 34f, wird die Kühlung eines Monochromators beschrieben, der bei einem Elektronenbeschleuniger zur Filterung von Synchrotronstrahlung verwendet wird. Derartige Monochromatoren werden mit unter Druck stehendem, flüssigem Stickstoff bis auf -190°C abgekühlt, wobei darauf geachtet werden muß, daß der Stickstoff nicht siedet, da die Siedeblasen unerwünschte Vibrationen auslösen könnten. Der unter Druck stehende flüssige Stickstoff wird daher mit unter Atmosphärendruck stehendem flüssigen Stickstoff, der eine Temperatur von -196°C besitzt, soweit unterkühlt, daß ein Sieden des unter Druck stehenden Stickstoffs sicher vermieden wird.

Mit dieser bekannten Methode kann der flüssige Stickstoff stets nur auf eine Temperatur von -196°C unterkühlt werden. Trotz guter thermischer Isolierung reicht diese Unterkühlung nicht immer aus, um ein Sieden des Stickstoffs zu verhindern, z. B. wenn die zu überbrückende Leitungslänge zwischen Stickstofftank und Verbraucher zu groß ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere das Sieden von tiefkalten, flüssigen Gasen auch bei größerem Wärmeeintrag in das Gas, sicher vermieden werden. Ferner soll eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.

Verfahrensseitig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zweite, tiefkalte, flüssige Gas einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck aufweist.

Bei der herkömmlichen Unterkühlung eines tiefkalten, flüssigen Gases zur Verhinderung eines vorzeitigen Siedens wird dieses durch Wärmetausch mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Bad des gleichen Gases unterkühlt. Erfindungsgemäß wird nunmehr der Druck über dem zweiten, kryogenen Flüssiggas, welches als Kühlmittel verwendet wird, erniedrigt. Dadurch wird die Temperatur dieses zweiten Gases, des Kühlgases, abgesenkt, wodurch in der Folge das erste Gas, das am Sieden gehindert werden soll, stärker unterkühlt wird. Durch die tiefere Temperatur des unterkühlten Gases im Vergleich zu den bisherigen Unterkühlverfahren kann dieses Gas über größere Entfernungen übertragen oder ein höherer Wärmeeintrag hingenommen werden.

Die erfindungsgemäße Unterkühlung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das erste, zu unterkühlende Gas einen Druck von weniger als 2 bar aufweist. Durch die bekannte Unterkühlung mit bei Atmosphärendruck vorliegendem Gas wird aufgrund des geringen Druckunterschiedes zwischen dem ersten, zu unterkühlenden und dem zweiten, kühlenden Gas nur eine geringe Temperaturabsenkung des ersten Gases erreicht. Demgegenüber wird nun die Atmosphäre über dem Kühlgas soweit abgepumpt, daß der Druck unter Atmosphärendruck liegt, wodurch sich eine weitere Temperaturerniedrigung und damit eine deutlich stärkere Unterkühlung des ersten Gases einstellt. Flüssiger Stickstoff mit einem nur geringen Überdruck von 0,2 bar über Atmosphärendruck kann mit dem bekannten Verfahren lediglich um etwa 2 K unterkühlt werden, mit der erfindungsgemäßen Unterkühlung jedoch um bis zu 16 K. Dadurch wird ein Sieden des Stickstoffs auch bei einer Übertragung über größere Entfernungen verhindert.

Vorzugsweise wird das zu unterkühlende Gas mit einem Gas gekühlt, das aus dem oder den gleichen chemischen Stoffen besteht, d. h. beispielsweise flüssiger Stickstoff mittels flüssigem Stickstoff, oder flüssige Luft mittels flüssiger Luft. Besonders zweckmäßig ist es, einen Teil des ersten, zu unterkühlenden Gases abzuzweigen und als zweites Gas zu verwenden. Dies erlaubt eine deutliche Einsparung an Bauteilen, wie z. B. Tanks, Leitungen oder Ventilen, gegenüber zwei getrennten Gasversorgungs- und Gasverteilungssystemen für das zu unterkühlende und das kühlende Gas.

Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, zur Kühlung ein anderes Gas einzusetzen. Beispielsweise kann flüssiger Sauerstoff aus Sicherheitsgründen mit flüssigem Stickstoff unterkühlt werden, um die beim Umgang mit Sauerstoff bestehende Explosionsgefahr zu verringern. Zudem kann bei flüssigen Gasen, wie z. B. Argon, deren Tripelpunkt nur wenig unterhalb des Atmosphärendrucks liegt, d. h. bei denen nur eine geringe Druckerniedrigung bis zum Erreichen des Schmelzpunktes möglich ist, durch den Einsatz eines anderen Gases als Kühlmittel eine deutlich stärkere Temperaturabsenkung erzielt werden.

Der Einsatz der Erfindung hat sich insbesondere bei den tief siedenden Gasen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon und Luft als günstig erwiesen, da diese aufgrund der niedrigen Siedepunkte sehr leicht zu Siedeblasen neigen.

Prinzipiell wird durch eine stärkere Druckabsenkung auch eine stärkere Temperaturabsenkung erzielt. Jedoch steigt damit auch der technische Aufwand. Vorzugsweise wird die Atmosphäre über dem zweiten als Kühlmedium dienenden Gas daher soweit abgepumpt, daß sich ein Druck zwischen 0,1 und 1 bar einstellt.

Neben dem Verfahren zum Unterkühlen eines tiefkalten, flüssigen Gases bezieht sich die Erfindung auch auf eine entsprechende Vorrichtung zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas, mit einem Behälter für das zweite, tiefkalte, flüssige Gas und einem in dem Behälter befindlichen Wärmetauscher mit einer Zu- und einer Ableitung für das erste, zu unterkühlende, tiefkalte, flüssige Gas.

Erfindungsgemäß sind Mittel zur Erzeugung eines Unterdruckes in dem Behälter vorgesehen.

Das als Kühlmittel verwendete zweite, tiefkalte, flüssige Gas befindet sich in einem Behälter, der Mittel, wie z. B. Pumpen, aufweist, so daß in dem Behälter ein Unterdruck erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck über dem flüssigen Gas erniedrigt und dieses abgekühlt werden.

Vorzugsweise besitzt die Leitung, durch welche das zu unterkühlende Gas zum Wärmetauscher geführt wird, eine Abzweigung, über die der Behälter nachgefüllt werden kann. Während des Abpumpens der Atmosphäre über dem in dem Behälter befindlichen Gas sinkt der Flüssigkeitsstand in dem Behälter, so daß von Zeit zu Zeit flüssiges Gas als Kühlmittel in den Behälter nachgefüllt werden muß. In der vorgeschlagenen Ausführungsform wird ein Teil des zu unterkühlenden Gases abgezweigt und zur Kühlung eingesetzt. Die Leitung von der Abzweigung zum Behälter weist hierzu vorteilhaft ein Absperr- oder Regelorgan, wie ein Ventil oder eine Drossel, auf, um die Flüssiggasmenge zu regulieren.

Die Erfindung weist wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Durch die starke Unterkühlung werden Siedeblasen in dem flüssigen Gas sicher vermieden. Das erfindungsgemäß unterkühlte Gas ist somit insbesondere bei der Kühlung von Vorrichtungen, Gegenständen oder Produkten vorteilhaft, die gegenüber Vibrationen und Schwingungen, die ansonsten in siedendem Flüssiggas hervorgerufen werden, empfindlich sind. Das stark unterkühlte, flüssige Gas kann über weite Entfernungen geleitet werden oder auch bei relativ hohem Wärmeeintrag, beispielsweise bei schlechter Isolierung, verwendet werden, ohne daß das Gas siedet.

Die erfindungsgemäße starke Unterkühlung kann auch mit Vorteil als Zwischenstation bei der Übertragung tiefsiedender Flüssiggase über weite Entfernungen eingesetzt werden. Hierzu wird ein Teil des Flüssiggases zur Unterkühlung des weiter zu transportierenden Gases entnommen. Das entnommene Flüssiggas wird durch Druckabsenkung gekühlt und kühlt im Wärmetausch das restliche flüssige Gas. Die in dem flüssigen Gas enthaltenen Gasblasen werden somit durch die erfindungsgemäße Kühlung rückverflüssigt. Die Funktion der Zwischenstation ist die eines Phasenabscheiders zur Entfernung von Gasblasen aus der Flüssigkeit, jedoch nicht durch Entspannen auf Atmosphärendruck, sondern durch Rückverflüssigung.

Der Einsatz des erfindungsgemäß unterkühlten Gases hat sich ebenso beim Hochfrequenzschweißen von Rohren als vorteilhaft erwiesen. Hierbei wird außen am Rohr eine Hochfrequenzspule angeordnet und in das Innere des Rohres ein sogenannter Impeder eingebracht, der die Magnetfeldlinien dahingehend beeinflußt, daß nur die Kante des Rohres erwärmt wird. Derartige Impeder sind in der Regel zwischen 1,5 m und 2 m lang und müssen während des Betriebs gekühlt werden. Technisch ist diese Kühlung problematisch, da zur Zuführung des beispielsweise flüssigen Stickstoffs aufgrund des vorzeitigen Siedens nur eine begrenzte Leitungslänge überbrückt werden kann. Die erfindungsgemäße Kühlung mit unterkühltem Gas, z. B. unterkühltem, flüssigem Stickstoff, erlaubt dagegen die Verwendung dünnerer und/oder längerer Kühlleitungen.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von dem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Hierbei zeigt die einzige Figur ein Verfahrensschema zur starken Unterkühlung von flüssigem Stickstoff.

Über die Leitungen 1, 2 und 3 wird flüssiger Stickstoff aus einem in der Zeichnung nicht dargestellten Vorratstank mit einem Druck von 1,3 bar absolut zu einem ebenfalls nicht dargestellten Verbraucher geleitet. Leitung 3 ist verbraucherseitig mit einem Entnahmeventil 4 versehen, über das die dem Verbraucher zugeführte Menge an unterkühltem Stickstoff geregelt werden kann. Zwischen den Leitungen 2 und 3 ist ein Wärmetauscher 5 in das Leitungsnetz geschaltet. Der Wärmetauscher 5 ragt in ein Bad 6 von flüssigem Stickstoff, welches sich in einem thermisch isolierten, gasdichten Behälter 7 befindet.

Aus dem oberen Teil des Behälters 7 führt eine Ableitung 8 zu einer Pumpe 9, mit deren Hilfe die über dem Stickstoffbad 6 befindliche Atmosphäre abgepumpt wird, so daß in dem Behälter 7 ein Unterdruck entsteht. Der Druck in dem Behälter 7 wird auf Werte zwischen etwa 125 und 200 mbar eingestellt, wodurch sich in dem Stickstoffbad eine Temperatur zwischen etwa 63 und 66 K ergibt. Der über die Leitung 2 in den Wärmetauscher 5 geleitete Stickstoff besitzt eine Temperatur von etwa 80 K und wird so in dem Wärmetauscher 5 um bis zu 17 K unterkühlt. Der unterkühlte Stickstoff kann über große Entfernungen geleitet werden, ohne daß Siedeblasen auftreten.

Mittels eines Reglers 10, der mit einem in das Stickstoffbad 6 ragenden Sensor 11 verbunden ist, werden der Füllstand und die Temperatur des Bades 6 bestimmt. Von der Leitung 1 zweigt eine Leitung 12 ab, die in dem Behälter 7 endet. Sinkt der Füllstand in dem Behälter 7 zu stark ab, so daß eine ordnungsgemäße Funktion des Wärmetauschers 5 nicht mehr gewährleistet ist, wird ein in der Leitung 12 befindliches Ventil 13 geöffnet und eine ausreichende Menge flüssigen Stickstoffs in den Behälter 7 nachgefüllt.

Die Temperatur des Stickstoffbades 6 wird mittels des Sensors 11 bestimmt und kann zum einen durch Regulierung des mit der Pumpe 9 erzeugten Unterdrucks in dem Behälter 7 und zum anderen über die Nachfüllmenge an Stickstoff über Leitung 12 verändert werden.

Flüssiger Stickstoff wird z. B. beim Bohren von Kunststoffen als Kühlmittel verwendet, um die beim Bohren entstehende Reibungswärme zu kompensieren. Hierzu wird flüssiger Stickstoff durch etwa 1 mm dünne Vakuumleitungen zum Bohrer geführt und tritt dort als Kühlstrahl aus. Durch den Einsatz von erfindungsgemäß unterkühltem Stickstoff können längere Vakuumleitungen verwendet werden, wodurch die Stickstoffkühlung technisch einfacher zu realisieren ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, tiefkalte, flüssige Gas (6) einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, zu unterkühlende Gas einen Druck von weniger als 2 bar aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Gas aus den gleichen chemischen Stoffen bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des ersten, zu unterkühlenden Gases abgezweigt und als zweites Gas verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon oder Luft unterkühlt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gas einen Druck zwischen 0,1 bar und 1 bar besitzt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kühlen von Werkzeugen, insbesondere Bohrern, eingesetzter Stickstoff unterkühlt wird.

8. Vorrichtung zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas, mit einem Behälter (7) für das zweite, tiefkalte, flüssige Gas (6) und einem in dem Behälter (7) befindlichen Wärmetauscher (5) mit einer Zu- (2) und einer Ableitung (3) für das erste, zu unterkühlende, tiefkalte, flüssige Gas, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (9) zur Erzeugung eines Unterdruckes in dem Behälter (7) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (2) zum Wärmetauscher (5) eine Abzweigung zum Nachfüllen des Behälters (7) aufweist.