DE69803293T2 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung eines produkts mit hilfe von kondensiertem gas - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Produkts, vorzugsweise in gasförmiger oder flüssiger Form, unter Verwendung der Kühlfähigkeit eines kondensierten Gases, worin das kondensierte Gas in einer Verdampfungswärmetauscheranordnung verdampft wird und das Produkt in einer Produktkühlungswärmetauscheranordnung gekühlt wird, wobei beides, das Verdampfen und das Produktkühlen, unter Energieaustausch mit dem verdampften Gas stattfinden. Die Erfindung umfaßt ferner eine Anordnung zur Verwendung beim Ausführen des Verfahrens.
• Viele Großanwender von Gas erhalten dieses Gas in kondensierter Form geliefert. Wenn das Gas verwendet werden soll, wird es im allgemeinen in einem Luftverdampfer verdampft. Die Verwendung von Luftverdampfern bedeutet, daß die Kühlenergie des kondensierten Gases verlorengeht. Um in der Lage zu sein, die Kälte zu verwenden, die gegenwärtig auf diese Weise verlorengeht, wird eine flexible und kostengünstige Ausrüstung benötigt, welche verwendet werden kann zum Kühlen einer Anzahl von unterschiedlichen Produkten, vorzugsweise in gasförmiger oder flüssiger Form ohne diese zu gefrieren. Die Ausrüstung muß ferner funktionieren ohne die Verwendung von irgendeinem zusätzlichen Wärmetransfermedium mit niedrigem Gefrierpunkt, das durch das kondensierte Gas gekühlt wird und dann wiederum das Produkt kühlt, da dieses die Verwendung einer Pumpe oder ähnlichem zum Zuführen von Energie zu dem Wärmetransfermedium erfordert, was die Kühlfähigkeit des letzteren vermindert.
• Wärmetauscher des Doppelröhrentyps wurden früher verwendet, siehe DE-A1-40013330, zum Kühlen eines Produkts mit kondensiertem Gas. Das kondensierte Gas in diesem wird während des Durchlaufens durch eine mittlere Röhre einer Verdampfung unterzogen, nach der das verdampfte Gas in einen Raum von ringförmigem Querschnitt außerhalb dieser Röhre und innerhalb einer zweiten röhrenförmigen Wand rückgeführt wird. Dem zu kühlenden Produkt wird es dann ermöglicht, durch einen ringförmigen Raum außerhalb dieser zweiten röhrenförmigen Wand zu strömen.
• In einer in DE-A1-40013330 beschriebenen Ausführungsform wird das kondensierte Gas während des Durchlaufs durch eine Anzahl von geraden Abschnitten eines Mittelrohrs verdampft. Sämtliche Rohrabschnitte sind miteinander in Reihe verbunden und bilden eine einzige Mittelröhre von mäanderartiger Form.
• Der Vorteil einer solchen Doppelröhrenanordnung ist, daß es möglich ist, einen kontinuierlichen Prozeß zu erreichen, der an spezifische Anforderungen angepaßt werden kann, da die Kapazität der Anordnung unter anderem von der Länge der Doppelröhre bestimmt ist.
• Die Nachteile eines solchen Wärmetauschers des Doppelröhrentyps sind, daß die Herstellungskosten verhältnismäßig hoch sind und daß zugleich der Bauraumbedarf und der Materialverbrauch hoch im Vergleich zu der erreichten Kapazität sind. Diese Nachteile werden noch deutlicher bei der oben beschriebenen Ausführungsform, die parallelgeschaltete Durchlässe für zwei der Medien und reihengeschaltete Durchlässe für das kondensierte Gas aufweist.
• JP 63-275897 offenbart eine Vorrichtung, bei der ein thermisches Zwischenmedium in einem ersten Wärmetauscher gekühlt wird, der lediglich zwei Sätze von Durchlässen aufweist. Dieses thermische Zwischenmedium wird dann zu einem zweiten Wärmetauscher zum Kühlen eines Produkts geführt.
• Verglichen mit Wärmetauschern des Röhrentyps, bieten Wärmetauscher vom Plattentyp, d. h. Wärmetauscher, die aus einer Mehrzahl von parallelen Platten mit einer großen Oberfläche bestehen, die mit einem geringen Abstand voneinander angeordnet sind und die zwischen sich Durchlässe für die unterschiedlichen Medien bilden, eine wesentlich größere Wärmeaustauschkapazität pro Volumeneinheit. Der Materialverbrauch und die Herstellungskosten sind ebenso viel niedriger als für entsprechende Wärmetauscher vom Röhrentyp. Es ist daher einfach und kostengünstig, kleine Wärmetauscher vom Plattentyp mit einer verhältnismäßig hohen Kapazität herzustellen.
• In unserer eigenen WO 95/24585 wird ein Verfahren und eine Anordnung zum Kühlen eines Produkts unter Verwendung von kondensiertem Gas beschrieben, das die Verwendung eines einfachen und kostengünstigen Standard-Wärmetauschers des Plattentyps erlaubt. Jedoch ist es dabei notwendig, eine Mehrzahl von Wärmetauschern zu verwenden, die als einzelne Baueinheiten ausgelegt sind.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Produkts mit kondensiertem Gas bereitzustellen, ohne die Gefahr des Gefrierens des Produkts, der einen kontinuierlichen Prozeß unter Verwendung eines Wärmetauschers vom Plattentyp erlaubt, dessen Kapazität einfach in Abhängigkeit von den spezifischen Anforderungen angepaßt werden kann.
• Die Basis der Erfindung ist die Kenntnis, daß dieses erreicht werden kann mit der Hilfe eines Wärmetauschers vom Plattentyp mit einer Mehrzahl von Durchlässen, die hintereinander angeordnet sind und denen das Medium auf eine bestimmte definierte Weise zugeführt wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es das kennzeichnende Merkmal eines Verfahrens von der in dem ersten Absatz genannten Art, daß bei den Wärmetauscheranordnungen von einer kombinierten Anordnung mit einer Mehrzahl von Durchlässen Ver = wendung gemacht wird, die in wärmeübertragendem Kontakt miteinander stehen und die für die verschiedenen Medien verwendet werden, daß zumindest die zur Verdampfung des kondensierten Gases vorgesehenen Durchlässe parallel zwischen einem Einlaß und einem Auslaß verbunden sind, und daß die Medien an die Durchlässe derart zugeführt werden, daß zwischen einem Durchlaß für das kondensierte Gas und einem Durchlaß für das zu kühlende Produkt sich immer zumindest ein Durchlaß befindet, durch den das verdampfte Gas strömt.
• Dieses Verfahren erlaubt die Verwendung einer einfachen, kostengünstigen und kompakten Wärmetauscheranordnung mit einer einfach anpaßbaren Kapazität für das gewünschte Kühlen, das ohne jede Gefahr eines Gefrierens ausgeführt werden kann.
• Vorzugsweise sind die Durchlässe für jedes Medium parallel miteinander verbunden, und der gemeinsame Auslaß der Durchlässe, denen das kondensierte Gas zugeführt wird, ist mit dem gemeinsamen Einlaß der Durchlässe für das verdampfte Gas verbunden. Eine einfache Verbindung der Durchlässe miteinander wird auf diese Weise erreicht.
• Für einen wirksamen Wärmeaustausch werden vorzugsweise die Durchlässe auf solch eine Weise verbunden, daß das verdampfte Gas in einer Gegenstromrichtung in Bezug auf die Flußrichtung des Produkts zu strömen kommt.
• Die kombinierte Wärmetauscheranordnung ist zweckmäßigerweise in der Form einer Anordnung mit einer Mehrzahl von säulenartig geformten Durchlässen ausgeführt, die seitlich nebeneinander angeordnet sind und voneinander durch Trennwände mit einer großen wärmeübertragenden Oberfläche getrennt sind. Das erlaubt eine sehr kompakte und effiziente Wärmetauscheranordnung.
• Die besonderen kennzeichnenden Merkmale einer Anordnung zur Verwendung beim Ausführen des Verfahrens sind aus den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich.
• Die Erfindung wird hierin nachfolgend detailliert in Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben, die als Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
• Fig. 1 stellt diagrammartig eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschers für drei Medien dar, und die Verbindungen der verschiedenen Durchlässe bei der Anwendung der Erfindung.
• Fig. 2 und 3 stellen zwei weitere Ausführungsformen einer wärmetauscheranordnung dar, die zur Anwendung der Erfindung verwendet werden kann.
• In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen diagrammartig dargestellten Wärmetauscher vom Plattentyp für drei Medien, mit einer Mehrzahl von Durchlässen A, B, C, die zwischen dünnen wärmeübertragungsplatten 2 gebildet sind. Diese Oberflächen der Platten 2 weisen zu den Durchlässen A-C und können speziell dafür ausgeführt sein, die gesamte Oberfläche der Platten zu vergrößern, deren Oberfläche in Kontakt mit dem jeweiligen Medium kommt. In der Praxis sind die Zugänge zu den verschiedenen Durchlässen zweckmäßigerweise in der Form von Röhrendurchlässen ausgeführt, die durch eine ganze Reihe von Platten laufen, und mit ausgewählten Auslässen in ausgewählten Durchlässen.
• Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird das zu kühlende Produkt, welches zweckmäßigerweise in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegt, über eine Leitung 3 zugeführt, welche mit den mit C bezeichneten Durchlässen in der Wärmetauscheranordnung 1 verbunden ist. Das gekühlte Produkt verläßt den Wärmetauscher über eine Leitung 4.
• Das kondensierte Gas, dessen Kühlfähigkeit zum Kühlen des Produkts verwendet werden soll, wird über eine Leitung 5 zu allen mit A bezeichneten Durchlässen in der Wärmetauscheranordnung 1 zugeführt. Das Gas muß einen niedrigeren Siedepunkt als die Zieltemperatur des Produkts aufweisen, und kann z. B. aus Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Erdgas bestehen. Die Anordnung ist derartig ausgeführt, daß eine vollständige Verdampfung des Gases in dem Durchlaß A erzielt wird, und daß das verdampfte Gas in Leitung 6 in die Leitung 7 eingespeist und dann allen mit B bezeichneten Durchlässen in der Wärmetauscheranordnung 1 zugeführt wird. Danach strömt das verdampfte Gas über eine Leitung 8 aus und kann in einem beliebigen nachfolgenden Prozeß verwendet werden. Wegen des hohen Zugangsdrucks des kondensierten Gases wird keine Pumpe oder Gebläse für den Umlauf des verdampften Gases benötigt.
• Es versteht sich, daß die Kapazität der dargestellten Wärmetauscheranordnung wie gewünscht durch Vergrößern oder Vermindern der Länge der Durchlässe und/oder der Anzahl der verwendeten Durchlässe geändert werden kann.
• Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Durchlaß B für das verdampfte Gas zwischen jedem Durchlaß C für das Produkt und jedem Durchlaß A für das kalte kondensierte Gas vorgesehen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da auf diese Weise eine indirekte Kühlung des Produkts unter Verwendung der Kühlfähigkeit des kondensierten Gases erreicht wird, mit einer unbedeutenden Gefahr des Gefrierens des Produkts. Dies wird erreicht ohne Verwendung eines gesonderten Wärmeübertragungsmediums, da das verdampfte Gas als ein Wärmeübertragungsmedium dient und es in dem System als eine Folge des Überdrucks in der Zuführungsleitung 5 bewegt wird.
• Ferner gibt es keinen direkten Kontakt zwischen dem Produkt und dem zu seiner Kühlung verwendeten Gas. Für besonders kritische Anwendungen ist es ferner möglich, gesonderte Durchlässe zwischen dem Produkt und dem Gas zum Erkennen von Leckagen zu verwenden.
• Die beschriebene Wärmeaustauscheranordnung ist sehr effizient, da das verdampfte Gas auf der einen Seite zum Kühlen des Produkts verwendet wird, was einen Anstieg in der Temperatur des kondensierten Gases mit sich bringt, und auf der anderen Seite zum Erwärmen des kondensierten Gases zu seiner Verdampfung verwendet wird. Sowohl das Produktkühlen wie auch die Verdampfung finden statt unter Energieaustausch mit ein und demselben Medium, nämlich dem verdampften Gas.
• Bei der dargestellten Ausführungsform fließt das verdampfte Gas in einer Gegenstromrichtung in Bezug auf beide, das Produkt und das kondensierte Gas. Jedoch können auch andere Kombinationen von gleichgerichtetem wie auch gegengerichtetem Strom verwendet werden.
• Die Verwendung des hier dargestellten Prinzips ist ebenso möglich zum Kühlen verschiedener Produkte in derselben Anordnung, in diesem Fall ist es z. B. möglich, verschiedene Durchlässe für Produkte zwischen jedem Paar von Durchlässen für verdampftes Gas vorzusehen, oder verschiedene Produktdurchlässe mit verschiedenen Anschlußleitungen zu verbinden.
• Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind alle Durchlässe parallel miteinander zwischen zugeordneten Einlaß- und Auslaßleitungen verbunden. Jedoch ist es auch möglich, die Durchlässe für das verdampfte Gas und/oder das zu kühlende Produkt in Reihe zu verbinden.
• Fig. 2 stellt solch ein Beispiel dar, worin die Durchlässe B für das verdampfte Gas in Reihe zwischen die Einlaßleitung 7 und die Auslaßleitung 8 geschaltet sind. Dies wurde durchgeführt unter Beibehaltung derselben Durchlaßreihenfolge wie in Fig. 1, was eine Voraussetzung ist. Bei dieser Ausführungsform ändern sich jedoch die Flußzusammenhänge in den verschiedenen Durchlässen zwischen gleichgerichtet und gegengerichtet. Entsprechende Reihenschaltung der Durchlässe für das zu kühlende Produkt sind ebenso möglich.
• Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform bei der von einem geschlossenen Container 9 mit Durchlässen A und C Verwendung gemacht ist, die voneinander beabstandet angeordnet sind, für das kondensierte Gas bzw. das zu kühlende Produkt. An einem Ende des Containers 9 sind die Durchlässe A mit einer gemeinsamen Verbindungsleitung 5 verbunden, während die anderen Enden dieser Durchlässe an dem anderen Ende des Containers offen sind. Das verdampfte Gas in den Durchlässen A kann daher frei in den Container 9 ausströmen.
• Zwischen jedem Paar von Durchlässen A bei dieser Ausführungsform gibt es einen Durchlaß C für das zu kühlende Produkt. Diese Durchlässe sind parallel zwischen einer Einlaßleitung 3 und einer Auslaßleitung 4 angeordnet. Zwischen jedem Durchlaßpaar A und C gibt es einen säulenartig geformten Durchlaß in dem Container 9, durch welche Säulen das verdampfte Gas zu einer gemeinsamen Auslaßleitung 8 strömen kann. Wie bei den vorangehenden Ausführungsformen dient das verdampfte Gas zu zwei Zwecken, nämlich auf der einen Seite zum Kühlen des Produkts in dem Durchlaß C und, auf der anderen Seite, zum Erwärmen des kondensierten Gases in dem Durchlaß A zur Verdampfung des Gases. Die Durchlässe A und C sind hergestellt unter Verwendung derselben Technik, wie sie bei herkömmlichen Wärmetauschern vom Plattentyp verwendet wird.
• Die Erfindung wurde beschrieben unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen. Jedoch können diese in verschiedener Hinsicht innerhalb des Gegenstands der Patentansprüche geändert werden. Daher kann z. B. die Anzahl von Durchlässen gemäß den Anforderungen gewählt werden und sie können ebenso in mehr als drei Gruppen eingeteilt werden, vorausgesetzt, daß die Reihenfolge der Durchlässe so ist, daß die Durchlässe für das zu kühlende Produkt niemals direkt einem Durchlaß für das kalte kondensierte Gas benachbart sind.

Claims (10)

1. Verfahren zum Kühlen eines Produkts, vorzugsweise in gasförmiger oder flüssiger Form, unter Verwendung der Kühlfähigkeit eines kondensierten Gases, worin das kondensierte Gas in einer Verdampfungswärmetauscheranordnung verdampft wird und das Produkt in einer Produktkühlungswärmetauscheranordnung gekühlt wird, wobei beides, das Verdampfen und das Produktkühlen, unter Energieaustausch mit dem zu verdampfenden Gas stattfinden, wobei für die Wärmetauscheranordnungen eine kombinierte Anordnung (1, 9) umfassend eine Mehrzahl von gesonderten Durchlässen (A, B, C) verwendet wird, die in wärmeübertragendem Kontakt miteinander stehen und die für verschiedene Medien verwendet werden, und wobei mindestens die Durchlässe (A), die zur Verdampfung des kondensierten Gases vorgesehen sind, parallel zwischen einem Einlaß (5) und einem Auslaß (6) verbunden sind, und wobei das Medium an die Einlaßenden der Durchlässe so zugeführt wird, daß zwischen einem Durchlaß (A) für das kondensierte Gas und einem Durchlaß (C) für das zu kühlende Produkt immer zumindest ein Durchlaß (B) sich befindet, durch welchen verdampftes Gas strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Durchlässe für jedes Medium parallel verbunden sind, und worin der gemeinsame Auslaß (6) aus den Durchlässen (A), denen das kondensierte Gas zugeführt wird, mit dem gemeinsamen Einlaß (7) der Durchlässe (B) für das verdampfte Gas verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin der Auslaß (6) und der Einlaß (7) miteinander auf solch eine Weise verbunden sind, daß das verdampfte Gas in Gegenstromrichtung in Bezug auf die Richtung des Flusses des Produkts zu strömen kommt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Durchlässe (B) für das verdampfte Gas und/oder die Durchlässe (C) für das zu kühlende Produkt miteinander in Reihe zwischen zugeordnetem Einlaß (7; 3) und Auslaß (8; 4) verbunden sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin für die kombinierte Wärmeaustauscheranordnung (1) Verwendung gemacht wird von einer Anordnung mit einer Mehrzahl von säulenartig geformten Durchlässen (A-C), die Seite an Seite angeordnet sind und voneinander durch Trennwände (2) mit einer großen Wärmeübertragungsoberfläche getrennt sind.

6. Anordnung zum Kühlen eines Produkts, vorzugsweise in gasförmiger oder flüssiger Form, unter Verwendung der Kühlfähigkeit eines kondensierten Gases, worin die Anordnung eine Wärmetauscheranordnung zur Verdampfung des kondensierten Gases und eine Wärmetauscheranordnung zum Kühlen des Produkts umfaßt, wobei die Wärmetauscheranordnungen beide unter Energieaustausch mit dem kondensierten Gas arbeiten und in einer gemeinsamen Anordnung (1; 9) mit einer Mehrzahl von Durchlässen (A, B, C) kombiniert sind, welche in einem wärmeübertragenden Kontakt miteinander stehen und für unterschiedliche Medien verwendet werden, und deren Durchlässe voneinander getrennt sind und auf eine solche Weise angeordnet sind, daß zwischen einem Durchlaß (A) für das kondensierte Gas und einem Durchlaß (C) für das zu kühlende Produkt stets zumindest eine Passage (B) für das verdampfte Gas ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verdampfung des kondensierten Gases vorgesehenen Durchlässe (A) parallel zwischen einem Einlaß (5) und einem Auslaß (6) verbunden sind.

7. Anspruch nach Anordnung 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (A, B, C) für jedes Medium parallel verbunden sind, und daß der gemeinsame Auslaß (6) von den Durchlässen (A) für das kondensierte Gas mit dem gemeinsamen Einlaß (7) der Durchlässe (B) für das verdampfte Gas verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (B) für das verdampfte Gas und/oder die Durchlässe (C) für das zu kühlende Produkt in Reihe miteinander zwischen zugeordnetem Einlaß (7; 3) und Auslaß (8; 4) verbunden sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis β, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Wärmetauscheranordnung (1) eine Mehrzahl von säulenargig geformten Durchlässen (A, B, C) aufweist, die Seite an Seite voneinander angeordnet sind und durch Trennwände (2) mit einer großen wärmeübertragenden Oberfläche getrennt sind.

10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (A) zur Verdampfung des kondensierten Gases und die Durchlässe (C) zum Kühlen des Produkts mit einem Abstand voneinander in einem geschlossenen Container (9) angeordnet sind, wobei die zur Verdampfung des kondensierten Gases vorgesehenen Durchlässe

(A) an ihren Enden mit einem gemeinsamen Einlaß (5) an einem Ende des Containers (9) angeschlossen sind, und daß die anderen Enden dieser Durchlässe (A) an dem gegenüberliegenden Ende des Containers offen sind, und daß das verdampfte Gas, welches aus diesen Enden ausströmt, zu einem gemeinsamen Einlaß (8) an dem ersten Ende des Containers (9) über säulenartige Durchlässe

(B) zwischen den Durchlässen (A, C) zurückfließt, die in dem Container für das kondensierte Gas bzw. das zu kühlende Produkt angeordnet sind.