DE2554906A1

DE2554906A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen von gegenstaenden mit einem im kreislauf gefuehrten kuehlgas

Info

Publication number: DE2554906A1
Application number: DE19752554906
Authority: DE
Inventors: Jakob Oberpriller
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1975-12-06
Filing date: 1975-12-06
Publication date: 1977-06-16
Also published as: ATA132576A; AT339937B; US4116017A

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(G 020) ^ G 75/096

^ 31n/bd

5.I2.I975

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Gegenständen mit einem im Kreislauf geführten Kühlgas

'i Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Gegenständen mit einem im Kreislauf geführten Kühl-J! gas, bei dem ein in flüssiger Form vorliegendes Kühlmedium in • den Kreislauf eingedüst wird.

Es ist bereits bekannt, bei Kaltmahlprozessen oder

beim Abkühlen von Gegenständen oder Stoffen verschiedenster Art, zu deren Temperaturerniedrigung ein im Kreislauf geführtes Kühlgas einzusetzen und dieses, nachdem es durch WErmetausch mit den Gegenständen erwärmt worden ist, durch Zumischen eines tiefkalten, flüssigen KUhlmediums wieder abzukühlen und damit

709824/01 OQ

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

ein bestimmtes Temperaturniveau des KUhlgases entsprechend seiner KUhlaufgabe einzuhalten. Das flüssige Kühlmedium wird dabei unter höherem Druck als das Kühlgas stehend im Siedezustand mittels Düsen in den Kreislauf des KUhlgases eingedüst. Infolge der Verdüsung und des bestehenden Druckunterschiedes ergibt sich in dem zu verdüsenden Kühlmedium eine Entspannung, so daß ein Teil des Kühlmediums gasförmig und der andere Teil flüssig in das Kühlgas einströmt. Je nach dem bestehenden Druckunterschied kann dieser aus der Düse ausströmende Flüssigkeitsstrahl des tiefkalten Kühlmediums bis zur völligen Entspannung und zum vollkommenen Wärmetausch mit dem Kühlgas und dan it bis zum Übergang in den Gaszustand Auflösestrecken von h bis 6 m erreichen.

In den meisten Fällen sind solche langen Auflösestrecken des flüssigen Kühlmediums nioht tragbar, da dann damit gerechnet werden muß, daß unverdampftes flüssiges Kühlmedium auf Gegenstände, Stoffe oder Anlagenteile auftrifft, was durch deren Spontanunterkühlung zu Störungen des einzustellenden Temperaturniveaus oder zum Bruch von Gegenständen bzw. Anlagenteilen führen kann. Des weiteren bewirkt ein vor der VerdUsung des Kühlmediums angeordnetes Ventil, das zur Regulierung der Zulaufmenge des KUhlmediums in den Kreislauf des Kühlgases notwendig ist, eine Zwisehenentspannung mit Gasbildung des KUhlmediums schon vor dessen Verdüsung. Diese im Verhältnis zum

.A 70982A/0 100

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

FlUssIgkeitsdurchtritt relativ große Gasmenge stört den gleichmäßigen Flüssigkeitsaustritt aus der Düse und kann ebenso zu erheblichen Temperaturschwankungen in dem Kühlgas und zu Regulierungsverzögerungen des Temperaturniveaus führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abkühlen von Gegenständen mit einem im Kreislauf geführten Kühlgas zu entwicklen, mit dem ohne wesentlichen technischen Aufwand das zur Abkühlung des Kühlgases notwendige, in flüssiger Form vorliegende Kühlmedium gasförmig in den Kreislauf des Kühlgases eingedüst werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Kühlmedium mindestens die seiner Verdampfungsenthalpie entsprechende Wärmemenge zugeführt und das Kühlmedium erst danach in den Kreislauf eingedüst wird, wobei das Kühlgas irr. Kreislauf bei einem Druck unter demjenigen des KUhlmediums geführt wird.

Die Erfindung macht sich den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zunutze»nach dem in einem geschlossenen System die diesem bei konstantem Druck zugeführte Wärme der Enthalpiezunahme des Systems entspricht. Wird demzufolge dem aus einem Vorratstank unter konstantem Druck entströmenden Kühlmedium als geschlossenem System Wärme zugeführt, wird eine Zunahme der Enthalpie des Kühlmediums erreicht, wobei keine Temperatur- bzw. Druckerhöhung erfolgt. Bei genügender, der Verdampfungsenthalpie entsprechender Wärmezufuhr kann somit das Kühlmedium bei konstan-

.A 70982 kl 0 100

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT -Jf-

tem Druck vom Siedepunkt, im i-T-Diagramm unterhalb der Sättigungslinie Flüssigkeit, bis auf einen fast dampfförmigen Zustand, der im i-T-Diagramm knapp unterhalb der Dampfsättigungslinie liegt, gebracht werden, so daß das Kühlmedium fast nur in gasförmigem Zustand vorliegt. Bei der anschließenden Verdüsung und Entspannung des Kühlmediums auf den Betriebsdruck des KUhlgases wird dann die DampfSättigungslinie erreicht bzw. Überschritten, wobei das Kühlmedium von dem Zweiphasenzustand flüssig-gas völlig in den gasförmigen Zustand übergeht. Damit ist sichergestellt, daß trotz der bei der Entspannung auftretenden Temperaturerniedrigung das Kühlmedium nur gasförmig in das Kühlgas eingeleitet wird.

Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die für die zur Erhöhung der Enthalpie des Kühlmediums bib auf den Wert der Verdampfungsenthalpie notwendige Wärmezufuhr dem Kühlgas entzogen wird. Da dieses sich beim Abkühlen der Gegenstände erwärmt, kann es in einem Wärmetauscher an das Kühlmedium Wärme abgeben, wobei gleichzeitig eine Vorkühlung dec KUhlgases erreicht wird. Ohne zusätzlichen Energieaufwand,nur unter Ausnutzung der vorhandenen Gegebenheiten kann auf diese '«/eise durch Wärmetausch eine Erhöhung der Enthalpie den Kühlrrkdiums erzielt werden.

Als Kühlmedien können dabei z.B. vorteilhafterweise flüssiger Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid eingesetzt wer-

70982 A/0100

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

den, deren problemlose Herstellung bekannt ist. Der relativ steile Verlauf der r/ättigungslinie Dampf im i-T-Diagramm des flüssigen Stickstoffs stellt schon bei geringen Druckunterschieden zwischen Kühlmedium und Kühlgas sicher, daß bei Vorliegen des N₂ fast im Dampfsättigungszustand bei einer Entspannung die Sättigungslinie Dampf überschritten und damit durch Zustandsänderung des N₂ eine nebelfreie Verdüsung des N₂ erreicht wird. Da es durch die Forderung nach einer möglichst kostengünstigen Auslegung der notwendigen Anlagenteile selbstverständlich ist, das Kühlgas bei geringem Druok im Kreislauf zu führen, reicht bei der Bevorratung des flüssigen N₂ ebenso ein relativ niedriger Tankdruck aus, um die zum Überschreiten der Sättigungslinie Dampf nötigen Druckunterschiede herzustellen. Dabei ist der für den Vorratstank günstigste Druck von dem Druck im Kreislauf des Kühlgases und von der zur Verfügung stehenden Wärmezufuhr aus dem Kühlgas in das Kühlmedium abhängig, da bei entsprechend hohem Druck sich die Verdampfungsenthalpie des Kühlmediums verringert.

Auch für die Anwendung Von flüssigem CO₂ als Kühlmedium ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet. Da bekanntlich bei einer Entspannung des CO aus der Flüssig- oder Gasflüssigphase auf Drücke unter 5,28 at Festausscheidungen auftreten, kann CO₂ als Kühlmedium bei den bisherigen Verfahren nur dann eingesetzt werden, wenn das Kühlgas bei

709824/0 100

LlNDE AKTIENGESELLSCHAFT

einem Druck über 5,28 at Im Kreislauf geführt wird, was aber ,_: der Forderung nach einem einfachen Anlagenaufbau widerspricht. i Wie aus einem I-T-Diagramm für CO₂ Jedoch ersichtlich ist, ergeben sich oberhalb eines Enthalpiewertes von 155» 1- kcal /kg

nach überschreiten der SÄttigungslinie Dampf auch bei einer ; Entspannung des COp unter 5#28 at keine Festauseche!düngen ι mehr. Dementsprechend wird nach einer weiteren Ausbildung des i' Erfindungsgedankens das flüssige CO₂ vor der VerdUaung durch

WKrmetausch mit dem Kühlgas auf einen Enthalpiewert von minde-Ij ¹I stens 155,6 kcalAe gebracht, wobei der Druck im Vorratstank

Π des flüssigen CO₂ zwischen etwa 7 at und 35 at liegen kann. Damit ist sichergestellt, daß bei der Entspannung des CO₂ unter einen Druck von 5,28 at nur gasförmiges CO₀ vorliegt, da dann

j j ein Übergang von den gasföreig-flUssigen Zustand des CO₂ in den ! 0aszustand stattfindet.

Zur Durchführung des erfindungsgemKßen Verfahrens ist es vorteilhaft, in einer in den Kreislauf des Kühlgases anzuordnenden Mischkammer einen von dem Kühlmedium durchströmten, x.B. aus mindestens einem Rippenrohr bestehenden oder als Plat-

Π tenwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher vorzusehen. Ein an Ij dem Ende des Rippenrohres, das In StröBungsrichtung das KUhI-Ii gase* liegt, angebrachtos Entspannungsventil regelt die Zufuhr ^! des Kühlmediums aus einen an das andere Ende des Rippenrehres angeschlossenen Vorratstank In die Mischkammer je nach der er-

709824/0100

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

- JT -

;· forderlichen Temperatur des KUhlgases und entsprechend der aus ·; dem Kreislauf des KUhlgases abzuziehenden tfberschußgasmenge. Da-

Ii - ■

! bei gibt das an den abzukühlenden Gegenständen erwärmte Kühlgas in der Mischkammer Wärme an das, oder je nach Größe des Kühlgaskreislaufes an die Rippenrohre ab, wodurch bei geschlossenem ;| Entspannungsventil dem Kühlmedium in den Rippenrohren .die seiner - Verdampfungsenthalpie entsprechende Wärmemenge zugeführt wird..

Zwei Figuren, wobei in der einen schematisch ein Vor->

ΐ richtungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäöen Verfahi!
' rens und in der anderen ein i-T-Diagramm von,N₂ zur Erklärung ;■ eines Rechenbeispiels dargestellt ist, sollen das erfündungsge-ι; mSße Verfahren, er läutern. ' ■ .,

Figur 1 zeigt eine Mischkammer 1, die lh dem Kreislauf des KUhlgases angeordnet ist. In der Mischkammer 1 befindet sich ein aus -^mindestens eine^m Rippenrohr 5 bestehender Wärmetauscher Das e±ne·. Ende des Rippenrohres 5 ist mit einem unter^Druck stehen-' den Vorratstank 3 für flüssiges'Kühlmedium außerhalb der Mischi kammer 1, das andere Endei das in Strömungsrichtung des KUhlgases

in der Mischkammer 1 weist, mit einem Entspannungsventil k ver- :^: bunden. Das in die Mischkammer 1. einströmende».:-angewärmte: Kreis- : lauf gas gibt seine Wärme über das 'Rippenrohr 5 b-6l·'zunächst ^ ge*· ¹^ schlossenera Entspannungsventil 4 an das^; unter einem höheren Druck I₁ stehende KUhlmedliJBi ab; wodurch sich die Enthalpie des KUhlmediums, das als geschlossenes System aufzufassen ist, erhöht. Wird das

7098 24/OtQ-Q *^/g

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

Entspannungsventil 4 erst dann geöffnet, wenn die Verdampfungs- ^! enthalpie des KUhlmediums erreicht ist, strömt das Kühlmedium :.^: bei der Entspannung nur gasförmig in die Mischkammer 1 ein und \\ kühlt das Kühlgas. Dieses £rö"mt über eine Leitung 7 in einen ii Raum 8 zur Kälteabgabe, der z.B. der Kühlschacht einer KaIt-

ij .

H mahlanlage sein kann. In dem Raum 8 erwärmt sich das Kühlgas

\ an den abzukühlenden Gegenständen und wird anschließend über ; eine Leitung 9 und einen Ventilator 10 wieder zurück in die ,^; Mischkammer 1 gefördert. Ein nach dem Ventilator 10 in dem '; Kreislauf des Kühlgases angeordnete Gasablaßeinrichtung 6, die ji mit dem Entspannungsventil 4 funktionell in Verbindung steht, ermöglicht es, über Steuer- oder Regeleinrichtungen, die KUhI-' gasmenge im Kreislauf gleich zu halten und eventuell angewärmtes Kühlgas abzulassen.
l·

Figur 2 zeigt ein i-T-Diagramm für 1 Nm N_? im Temperaturbereich von 60 bis l4o K und im Enthalpiebereich von 0-70 kcal/ftnr zur Verdeutlichung eines Rechenbeispiels, bei dem ■ 300 Nm⁵A LN„ in l?00 Nm³Zh Kreislaufgas von -40 °C eingedUst

i er

" werden sollen, bei einem Tankdruck des flüssigen N₀ von 5 at , und einem Druck des im Kreislauf geführten Kühlgases von 1 at. Aus dem i-T-Diagramm ergibt sich bei einem Druck von 5 at eine ;: Verdampfungsenthalpie des LN₁-, von 5?,5 kcal/Nm , d.h. bei ,= j500 Nm /h LNp eine notwendige Verdampfungsenthalpie von '^: 15 750,0 kcal/h. Da die Verdampfungsenthalpie dem im Kreislauf

709824/010 0

UNOE AKTIENGESELLSCHAFT

: geführten Kühlgas durch Wärmetausch entzogen werden soll, ergibt ! sich dadurch bei einer spezifischen Wärme des Kühlgases von Γ 0,351 kcal/ttnr ⁰C, eine Vorkühlung des Kühlgases von 42,3 °C,

i; d.h. das im Kreislauf geführte Kühlgas wird allein durch WSrmej^! tausch von -40 ⁰C auf -82,3 °C abgekühlt. Wird das Kühlmedium

I; beim Austritt aus dem Entspannungsventil auf 1 at Druck des

Kreislaufgases entspannt, ergibt sich eine aus dem i-T-Diagramm !abzulesende Temperatur von -1δ7 ⁰C des Kühlmediums, das sich 'mit dem Kühlgas von -82,3 ⁰C vermischt.

709824/01OQ

Claims

LlNOE AKTIENGESELLSCHAFT

(G 020) G 75/096

j Sln/bd

5.12.1975

Ii Patentansprüche

1 J Verfahren zum Kühlen von Gegenständen mit einem im Kreislauf geführten Kühlgas, bei dem ein in flüssiger Form vorliegendes Kühlmedium in den Kreislauf eingedüst wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmedium mindestens die seiner Verdampfungsenthalpie entsprechende Wärmemenge zugeführt und daß Kühlmedium erst danach in den Kreislauf eingedüst wird, wobei das Kühlgas im Kreislauf bei einem Druck unter demjenigen des Kühlmediums geführt wird.

j: 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem KUhI-■ medium durch Wärmetausch mit dem Kühlgas die zur Enthalpieerhöhung auf den Wert der Verdampfungsenthalpie notwendige Wärmemenge zugeführt wird.

i! 5· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

j j als Kühlmedium Stickstoff verwendet wird.

j 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Kohlendioxid verwendet wird.

709824/0,1 OQ

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

Ij -«- -

'5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das

;| flüssige Kohlendioxid bei einem Druck zwischen 7 und 35 at durch Wärmetausch auf einen Enthalpiewert von mindestens 155*6 kcal/kg angehoben wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine irr; Kreislauf des Kühlgases angeordnete Mischkammer (1) mit einem Wärmetauscher (2), welcher mit einem Vorratstank (3) für ein flüssiges Kühlmedium verbunden ist und ein Entspannungsventil (4) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) mindestens ein Rippenrohr (5) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» gekennzeichnet durch eine in den Kreislauf des Kühlgases angeordnete Gasablaßeinrichtung (6),welche über Steuer- oder Regeleinrichtungen mit dem Entspannungsventil (4) funktionell verbunden ist.

709824/0100