EP1030135B1 - Process for controled cooling by evaporating liquid nitrogen - Google Patents

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EP1030135B1
EP1030135B1 EP19990125892 EP99125892A EP1030135B1 EP 1030135 B1 EP1030135 B1 EP 1030135B1 EP 19990125892 EP19990125892 EP 19990125892 EP 99125892 A EP99125892 A EP 99125892A EP 1030135 B1 EP1030135 B1 EP 1030135B1
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EP
European Patent Office
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temperature
intermediate medium
liquid nitrogen
process according
liquid
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP19990125892
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German (de)
French (fr)
Other versions
EP1030135A1 (en
Inventor
Alfred Semrau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
Original Assignee
Lauda Dr R Wobser GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air

Definitions

  • the invention relates to a method for controlled cooling by evaporating liquid nitrogen according to the generic term of claim 1. Such a method is e.g. from EP-A-0922916 known. The invention further relates to a method according to claim 3.
  • cooling is usually carried out with liquid nitrogen (LN 2 ).
  • LN 2 liquid nitrogen
  • the liquid nitrogen is stored in tanks, removed for cooling and evaporated, using the evaporation enthalpy of the liquid nitrogen.
  • the resulting gaseous nitrogen is usually released into the environment. Additional measures must be taken because the evaporation temperature of the liquid nitrogen can be influenced only slightly by pressure changes in the technically feasible range, so that they are in the range from -196 ° C to -185 ° C and thus far below many required application temperatures lies.
  • the temperature of the heat transfer fluid through a temperature controller regulated, which the actual temperature with a Temperature sensors detected in their flow path and its output Control valves for the supply of liquid nitrogen to the Evaporator controls that in heat transfer connection stand the heat transfer circuit.
  • a heated heat transfer medium in a first heat exchanger cooled, which operated with an intermediate medium is, in particular methane (EP 0 922 916 A2). That essentially liquid intermediate medium is in the first heat exchanger, at least for the most part, evaporated under controlled pressure, whereby the heat of the heat carrier at least partially on the Intermediate medium is transferred.
  • the intermediate medium is then a second heat exchanger supplied with liquid nitrogen is operated, which is essentially vaporous intermediate medium is liquefied again and the At least a large part of nitrogen evaporates. This will the heat of the intermediate medium, at least in part, on the Transfer nitrogen.
  • An intermediate medium is used here, whose boiling temperature is higher than the temperature for the melting or pour point of the heat transfer medium and its Melting or pour point at a lower temperature is the boiling point of liquid nitrogen.
  • the liquid nitrogen evaporated under increased pressure. This is a complex one Vaporising nitrogen pressure regulation required.
  • a corresponding known device for controllable Liquid nitrogen cooling is the first heat exchanger and the second heat exchanger within a common housing arranged an apparatus.
  • the known method can also be considered a disadvantage that the Selection of the intermediate medium limited by the requirement is that the boiling point of liquid nitrogen is higher than the temperature for the melting or pour point of the intermediate medium should be. Therefore, an optimal selection cannot be made with regard to other requirements, for example with regard to on environmental compatibility in the event of a leak, a risk of ignition or aging of the intermediate medium become.
  • the two Heat exchanger not easily constructive in other ways, optimized in terms of materials and thermodynamics become.
  • the pressure of the nitrogen in the second heat exchanger is via a complex pressure measuring and control device set to a value of 3 to 16 bar overpressure.
  • a method is primarily part of the prior art to generate the gaseous phase from one in its liquid Phase stored gas supply in a desired amount of electricity and a device for performing such Process (EP 0 427 112 A1).
  • a liquid gas flow corresponding to the desired gas flow evaporator in heat exchange with the ambient air fed.
  • a portion of the liquefied gas stream supplied to the evaporator with a buffer medium or intermediate medium brought a share of a heat transfer medium in heat exchange.
  • the temperature of the intermediate medium is controlled the proportion of the liquefied gas stream fed to the intermediate medium and the heat transfer medium at the transition temperature held.
  • the intermediate medium used has a phase transition whose transition temperature is at least preferably above the vaporization temperature of the liquid gas lies.
  • the temperature curve of the intermediate medium in the range of its transition temperature depending on that prevailing at a phase transition characteristic pressure or temperature curve of the Intermediate medium detected.
  • Control valves controlled so that regardless of which from the Evaporator gas flow removed the temperature of the intermediate medium on the one hand, does not drop below a transition temperature and on the other hand the heat transfer medium its desired Cooling temperature does not exceed by the temperature of the intermediate medium is determined.
  • the present invention is based on the object To improve methods of the type mentioned at the outset by that in the cycle of the intermediate medium is a relative low vapor pressure at a given temperature occurs and that no high security requirements to be met are. Nevertheless, a good one on the heat transfer side Heat transfer can be achieved. The procedure should go through distinguish an economical use of liquid nitrogen and no regulation of the pressure of the evaporating nitrogen require.
  • an intermediate medium with a boiling curve other than gaseous nitrogen i.e. dependence of the boiling point of the pressure used, whereby it is essential that the solidification point or melting point of the Intermediate medium at a temperature higher than the evaporation temperature of liquid nitrogen.
  • It can be a chemically stable intermediate medium, namely a refrigerant, be used, which is not subject to aging, which a device driven with such an intermediate medium insofar as it makes no maintenance claims.
  • the nitrogen will evaporates at atmospheric pressure, for which the technical effort is low.
  • a refrigerant for example, can be used as the intermediate medium Designation R 134a, R 404a, R 23, R 14 of the ASHRAE classification to be selected; Experiments were carried out in particular with R 23 and R 14 performed.
  • the cooled by targeted evaporation of liquid nitrogen Intermediate medium in the liquid phase for cooling the heat transfer medium or the direct heat consumer goes through heat absorption by the heat transfer medium or the heat consumer by boiling in the gaseous phase over.
  • the pressure in the evaporator of the intermediate medium becomes a boiling point of the Intermediate medium set that of the desired temperature corresponds to the heat transfer medium, its temperature largely exactly regardless of load and volume flow fluctuations can be met.
  • water could be up close be cooled to freezing. So it can largely freely selectable liquid, but also gaseous heat transfer media steadily or intermittently through the cooler of the heat transfer medium in heat-conducting contact with the evaporator of the intermediate medium be directed. This results in good heat transfer to the boiling intermediate medium.
  • An intermediate medium can be used which is chemical is stable, making one with such an intermediate medium the device being driven is maintenance-free at least insofar.
  • further development of the method according to the invention includes that a command variable or a setpoint of the pressure control in the evaporator of the intermediate medium is set to a pressure at which a boiling point of the intermediate medium is essentially equal to the desired temperature of the heat transfer medium or of the direct consumer is reached.
  • the process can be carried out without additional Drives are carried out by the according to claim 5 cooled and condensed intermediate medium by gravity the evaporator is routed by being in thermal contact evaporates with the heat transfer medium or direct consumer and from which it rises to the condenser in the vapor phase, passing through the evaporating liquid nitrogen is cooled.
  • the cascade control formed with it also enables regulation of the temperature difference between the intermediate medium and the heat transfer medium or direct Consumer. Especially with enamelled reactors in the chemical industry, it is advantageous the temperature difference keep controlled to avoid thermal shock.
  • a temperature setpoint a temperature can be set which is the solidification temperature or the freezing point of the liquid heat transfer medium exceeds. This causes the liquid to solidify Reliably avoided heat transfer medium. So any Heat transfer fluids continuously or discontinuously in Heat exchange with the intermediate medium through the corresponding one Coolers are conveyed and very precise to close to freezing point be cooled. Thereby the pressure control the boiling temperature of the intermediate medium above the solidification temperature of the liquid heat transfer medium.
  • the intermediate medium is in a fluid-tight Circulated with an expansion tank.
  • the latter ensures that the intermediate medium at normal ambient temperature quickly evaporates completely, a high security.
  • the compensation pressure can be relatively low being held.
  • the process for controlled cooling is versatile industrial applicable:
  • Exhaust air purification can be a very often undesirable aerosol formation through gradual cooling the exhaust air with a defined temperature difference according to the invention Procedures to be avoided. This method becomes advantageous, for example, in the condensation of organic solvents from inertized, i.e. nitrogen contents having exhaust gases provided.
  • the solvent recovery process can also be used provide for general process engineering application.
  • Materials testing technology is an additional application at specified temperatures of the material as well as environmental simulation systems.
  • recycling processes for example Components of used tires, paints, refrigerators certain temperatures are to be cooled or warmed, the method according to the invention can be used.
  • a device for carrying out the method comprises an evaporator essentially liquid nitrogen, at atmospheric pressure with a condenser of the intermediate medium is thermally connected, the evaporator of the essentially liquid nitrogen on the inlet side of a diffuser element for two-phase flow and one directly attached to it has a subsequent venturi chamber and wherein one outlet of the venturi chamber a manifold with several Connected outlets that are designed as nozzles.
  • the evaporator of the intermediate medium and the condenser of the intermediate medium as separate devices, the over lines of the intermediate medium in a closed Circuit are arranged.
  • the evaporator of the intermediate medium is in heat exchange with a cooler of the heat transfer medium or any product, e.g. for cleaning the exhaust gas.
  • the evaporator of the intermediate medium Because of its extensive independence from the capacitor of the intermediate medium can be the evaporator of the intermediate medium in terms of design, material and engineering and be optimized thermodynamically. Are against the boundary conditions at the condenser of the intermediate medium always similar, which makes plant construction easier.
  • the condenser is caused by the large driving temperature difference between the evaporating nitrogen and the intermediate medium in the in most cases turn out to be essentially more compact than that Evaporator of the intermediate medium that is in contact with the heat transfer medium Heat exchange or cold exchange is available.
  • a simple design with a small footprint is sufficient. there conventional components can be used.
  • a pressure regulator belonging to the device which is suitable is the pressure in the evaporator of the intermediate medium to the Setting the desired boiling temperature is in a cascade control arrangement coupled with a temperature controller whose actual value input is a temperature sensor. On The output of the temperature controller is with a reference variable input of the pressure regulator in connection.
  • the intermediate medium is a liquid
  • the cascade control arrangement in a line of the liquid Heat carrier can be arranged, wherein the temperature setpoint of Temperature controller a value above the solidification temperature of the liquid heat transfer medium is set.
  • the pressure regulator can control the pressure in the evaporator the intermediate medium in a simple manner with other conventional Influencing components by having an output of the pressure regulator a regulating valve regulating the nitrogen inflow is connected, which in a feed line of the liquid Nitrogen is arranged in the evaporator with which the condenser of the intermediate medium is thermally connected is.
  • a pressure value input of the pressure regulator is in the pressure signal transmitting Connection with the circuit of the intermediate medium, especially the evaporator of the intermediate medium.
  • FIG. 1 An overall diagram of such a device is shown in FIG. 1
  • Fig. 2 is a detail of the device, namely a Distributor in the evaporator of the liquid nitrogen schematically shown.
  • the device for controllable cooling is generally 1 designated. It is an external circuit of a heat transfer fluid connected to which a consumer 2 who is to be tempered, a pump 3 of the heat transfer fluid and an expansion vessel 4 for the heat transfer fluid belong.
  • This circuit of the heat transfer fluid is in the device 1 via a cooler 5 of the heat transfer fluid closed with an evaporator 6 of an intermediate medium is in a thermally conductive connection and with this a structural unit a heat exchanger.
  • the evaporator 6 of the The intermediate medium is in a cycle of the intermediate medium arranged a condenser 7 of the intermediate medium, but from this spatially and constructively separated.
  • the capacitor 7 the intermediate medium is in a thermally conductive connection with an evaporator 8 liquid nitrogen and forms with this again a structural unit of a heat exchanger.
  • the two Heat exchangers are separate devices.
  • An expansion tank 9 is still connected between the intermediate medium, here to the part of the circuit in which the intermediate medium is gaseous.
  • the liquid nitrogen LN 2 is fed into the evaporator liquid nitrogen 8, the features of which are described below in connection with FIG. 2, via a control valve 10. It evaporates under atmospheric pressure and escapes in gaseous form as GN 2 .
  • the control valve is connected to the output of a pressure regulator 11, the actual value input 12 of which is acted upon by the pressure of the intermediate medium in its circuit, as shown.
  • a reference variable input or setpoint input 13 of the pressure regulator is controlled by a temperature regulator 14.
  • An actual value input 14 of the temperature controller is connected to a temperature sensor 15, which detects the temperature at an outlet of the coolant of the heat transfer fluid which is not designated.
  • a setpoint input of the temperature controller 14 is not shown; it is set to a value which the heat transfer fluid can assume for the temperature control and, for example, is slightly above the solidification temperature of the heat fluid.
  • the latter is the minimum limit value for the pressure control with the pressure controller 11.
  • the temperature control with the temperature controller 14 is therefore upstream of the pressure controller, forming a controller cascade, with which constant temperature control of the heat transfer fluid can be achieved.
  • the heat transfer fluid can thus be freely selected and passed continuously or intermittently through the cooler 5 become. It can get close to its freezing or freezing point be cooled.
  • the heat transfer medium is cooled by means of the intermediate medium, which with regard to one for the tempering task suitable boiling characteristic is selected so that Heat transfer fluid at the desired temperature and the determined by the pressure in the evaporator of the intermediate medium Boiling point is cooled.
  • the intermediate medium evaporates.
  • the steam rising in the circuit arrives into the condenser 7, in which it passes through in the evaporator 8 evaporating liquid nitrogen is cooled and condensed.
  • the liquid intermediate medium runs into by gravity the evaporator 6 of the intermediate medium back, so a natural circulation Completing.
  • the evaporation temperature in the evaporator 6 of the intermediate medium and thus the temperature in the cooler 5 of the heat transfer fluid according to the boiling curve of the intermediate medium be managed.
  • Temperatures from approx. -180 ° C to + 20 ° C can be regulated.
  • the intermediate medium Ambient temperature quickly evaporates completely. It can thereby expand into the expansion tank 9 without risk.
  • Fig. 2 is the inside of the evaporator 8 of the represented liquid nitrogen, which over the the flow determining control valve 10 is passed into the evaporator.
  • the essentially liquid nitrogen initially flows through a diffuser element 17 for two-phase flow to which immediately connects a venturi chamber 18 downstream.
  • the Venturi chamber exit goes into a spider-shaped manifold 19 over, the ends of which are designed as nozzles 20 to 24 are.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur geregelten Kühlung durch Verdampfen flüssigen Stickstoffs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der EP-A-0922916 bekannt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren nach Anspruch 3.The invention relates to a method for controlled cooling by evaporating liquid nitrogen according to the generic term of claim 1. Such a method is e.g. from EP-A-0922916 known. The invention further relates to a method according to claim 3.

Im industriellen Bereich besteht der Wunsch nach Temperierung in einem Temperaturbereich von ca. -140°C bis -70°C bei zu übertragenden Kühlleistungen im Bereich von ca. 1 bis 100 kW. Bei solchen Temperierungen bewegt man sich häufig an technisch/physikalischen Grenzwerten, wie beispielsweise dem Gefrierpunkt des zu temperierenden Produktes oder auch Werkstoffzulassungen von Apparaturen und Einrichtungen, die zum Temperieren verwendet werden. Deswegen sollen die Temperiertemperaturen möglichst genau erreicht werden, wobei darüber hinaus für viele industrielle Anwendungen die Temperiertemperatur einstellbar sein soll.There is a desire for temperature control in the industrial sector in a temperature range of approx. -140 ° C to -70 ° C at too transmitting cooling capacities in the range of approx. 1 to 100 kW. With such tempering, one often moves on technical / physical Limits, such as freezing point of the product to be tempered or material approvals of apparatus and equipment used for Tempering can be used. That is why the tempering temperatures be achieved as accurately as possible, being above temperature for many industrial applications should be adjustable.

Da mechanische Kälteanlagen, die unter Verwendung verschiedener Kreisprozesse arbeiten, kompliziert sind und einen verhältnismäßig niedrigen energetischen Wirkungsgrad bei den oben genannten Temperaturen und Leistungen aufweisen, wird üblicherweise mit flüssigem Stickstoff (LN2) gekühlt. Hierzu wird der flüssige Stickstoff in Tanks bevorratet, zum Kühlen entnommen und verdampft, wobei die Verdampfungsenthalpie des flüssigen Stickstoffs genutzt wird. Der entstehende gasförmige Stickstoff wird in der Regel in die Umwelt entlassen. Zusätzliche Maßnahmen müssen deswegen getroffen werden, weil sich die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs durch Druckänderung im technisch ohne weiteres durchführbaren Bereich nur wenig beeinflussen läßt, so daß sie in dem Bereich von -196°C bis -185°C und damit weit unterhalb vieler geforderter Anwendungstemperaturen liegt.Since mechanical refrigeration systems, which operate using different cycle processes, are complicated and have a relatively low energy efficiency at the above-mentioned temperatures and powers, cooling is usually carried out with liquid nitrogen (LN 2 ). For this purpose, the liquid nitrogen is stored in tanks, removed for cooling and evaporated, using the evaporation enthalpy of the liquid nitrogen. The resulting gaseous nitrogen is usually released into the environment. Additional measures must be taken because the evaporation temperature of the liquid nitrogen can be influenced only slightly by pressure changes in the technically feasible range, so that they are in the range from -196 ° C to -185 ° C and thus far below many required application temperatures lies.

Im einzelnen ist es bekannt, eine Wärmeträgerflüssigkeit, mit der ein Verbraucher gekühlt wird, in einem Kreislauf zu führen und direkt durch Wärmeaustausch mit Verdampfern, die über Regelventile mit flüssigem Stickstoff gespeist werden, zu kühlen. Die dazu verwendeten flüssigen Wärmeträger müssen einen niedrigen Erstarrungspunkt aufweisen, wodurch die Auswahl der Wärmeträger eingeschränkt ist. Da solche Wärmeträgerflüssigkeiten außerdem oft einen niedrigen Flammpunkt haben, ist die Sicherheit gefährdet. Wenn entsprechende Systeme auch zum Heizen des Wärmeträgers mit einer zusätzlichen Heizeinrichtung vorgesehen sein sollen, ist die Einsatztemperatur typischer Wärmeträgerflüssigkeiten mit niedrigem Erstarrungspunkt wegen entstehender hoher Dampfdrücke begrenzt. Beim Kühlen muß mit einer schlechten Wärmeübertragung zu der Wärmeträgerflüssigkeit gerechnet werden, da diese nahe dem Erstarrungspunkt eine hohe Viskosität aufweist. Es sind daher große Wärmeübertragungsflächen der Wärmeträgerflüssigkeit erforderlich.In particular, it is known to use a heat transfer fluid which cools a consumer in a cycle and directly through heat exchange with evaporators that over Control valves are fed with liquid nitrogen, too cool. The liquid heat transfer media used for this must have a low freezing point, making the selection the heat transfer medium is restricted. Because such heat transfer fluids also often have a low flash point, security is at risk. If appropriate systems too for heating the heat transfer medium with an additional heating device the operating temperature is to be provided typical heat transfer fluids with a low solidification point limited due to high vapor pressures. At the Must cool with poor heat transfer to the heat transfer fluid can be counted as these are close to the solidification point has a high viscosity. So they are great Heat transfer surfaces of the heat transfer fluid required.

Bei dem voranstehend beschriebenen bekannten Verfahren wird die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit durch einen Temperaturregler geregelt, der die Istwerttemperatur mit einem Temperaturfühler in deren Strömungsweg erfaßt und dessen Ausgang Regelventile für die Zufuhr flüssigen Stickstoffs zu den Verdampfern steuert, die in wärmeübertragender Verbindung mit dem Wärmeträgerkreislauf stehen.In the known method described above, the temperature of the heat transfer fluid through a temperature controller regulated, which the actual temperature with a Temperature sensors detected in their flow path and its output Control valves for the supply of liquid nitrogen to the Evaporator controls that in heat transfer connection stand the heat transfer circuit.

Bei einem ähnlichen zum Stand der Technik gehörenden Verfahren erfolgt die Verdampfung in Kanälen eines Metallblocks, in die flüssiger Stickstoff eingespritzt wird. Weitere Kanäle dieses Metallblocks werden von der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt. Ein Regelventil, welches das Einspritzen des flüssigen Stickstoffs in die Kanäle steuert, wird von einem Temperaturregelsystem beaufschlagt, in welches die Temperatur des Metallblocks neben der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit über je einen Temperaturfühler eingegeben werden. - Damit wird zwar die Grenzschichttemperatur des Wärmeträgers gut geregelt, es sind aber auch hier wegen der schlechten Wärmeübertragung große Volumenströme der Wärmeträgerflüssigkeit nötig. Außerdem stören das hohe Gewicht und die großen Abmessungen des Metallblocks, der schwierig zu fertigen ist.In a similar prior art process the evaporation takes place in channels of a metal block into which liquid nitrogen is injected. More channels of this The heat transfer fluid flows through metal blocks. A control valve, which is the injection of the liquid Controls nitrogen in the channels by a temperature control system in which the temperature of the metal block in addition to the temperature of the heat transfer fluid can be entered via a temperature sensor. - With that although the boundary layer temperature of the heat transfer medium is well regulated, but it is also here because of the poor heat transfer large volume flows of the heat transfer fluid necessary. Moreover disturb the high weight and the large dimensions of the metal block, which is difficult to manufacture.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung wird zur besseren Beherrschung der Grenzschichttemperatur zu der Wärmeträgerflüssigkeit und zur Herabsetzung der Einfriergefahr ein Zwischenmedium in Form gasförmigen Stickstoffs verwendet, welches eine Anordnung von Kühlern der Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt. Der gasförmige Stickstoff wird in Verdampfern flüssigen Stickstoffs erzeugt und nach Verlassen des ersten Kühlers der Wärmeträgerflüssigkeit vor Eintritt in den jeweils nächsten Kühler der Wärmeträgerflüssigkeit in je einem der Kühler gekühlt, die mit je einem der Verdampfer thermisch gekoppelt sind. Nach derartigem Durchlauf durch die Kühler der Wärmeträgerflüssigkeit und der Kühler des gasförmigen Stickstoffs wird dieses aus dem letzten Kühler der Wärmeträgerflüssigkeit der Kaskade über ein Regelventil entlassen. Das Regelventil wird von einem Temperaturregler beeinflußt, der mit einem Temperaturfühler die Istwerttemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit erfaßt. - Bei diesem Verfahren herrscht ebenfalls ein schlechter Wärmeübergang zu der Wärmeträgerflüssigkeit, und zwar auf der Seite des gasförmigen Stickstoffs, weshalb große Wärmeübertragungsflächen erforderlich sind. Die komplexe Wärmetauscheranordnung der kaskadenartig angeordneten Kühler für die Wärmeträgerflüssigkeit gegen den gasförmigen Stickstoff sowie der mit den Verdampfern gekoppelten Kühler des gasförmigen Stickstoffs erfordert einen hohen Montageaufwand und größere Abmessungen. Auf der Seite der Wärmeträgerflüssigkeit ist mit hohen Druckverlusten zu rechnen. In a known method of the type mentioned will improve the control of the boundary layer temperature the heat transfer fluid and to reduce the risk of freezing an intermediate medium in the form of gaseous nitrogen used, which is an arrangement of coolers of the heat transfer fluid flows through. The gaseous nitrogen is in Evaporators of liquid nitrogen are generated and after leaving the first cooler of the heat transfer fluid before entering the next cooler of the heat transfer fluid in each one of the coolers cooled, each with one of the evaporators are thermally coupled. After such a run through the Cooler of the heat transfer fluid and cooler of the gaseous Nitrogen becomes the last cooler of the heat transfer fluid released from the cascade via a control valve. The control valve is influenced by a temperature controller, the actual temperature with a temperature sensor the heat transfer fluid detected. - With this procedure there is also poor heat transfer to the heat transfer fluid, on the gaseous side Nitrogen, which is why large heat transfer surfaces are required are. The complex heat exchanger arrangement of the cascade arranged cooler for the heat transfer fluid against the gaseous nitrogen and that coupled with the evaporators Gaseous nitrogen cooler requires one high assembly effort and larger dimensions. On the website the heat transfer fluid is subject to high pressure drops expected.

Bei einem bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird ein erhitzter Wärmeträger in einem ersten Wärmetauscher abgekühlt, der mit einem Zwischenmedium betrieben wird, insbesondere Methan (EP 0 922 916 A2). Das im wesentlichen flüssige Zwischenmedium wird in dem ersten Wärmetauscher, zumindest zum großen Teil, unter geregeltem Druck verdampft, wodurch die Wärme des Wärmeträgers zumindest teilweise auf das Zwischenmedium übertragen wird. Das Zwischenmedium wird anschließend einem zweiten Wärmetauscher zugeführt, der mit flüssigem Stickstoff betrieben wird, wobei das im wesentlichen dampfförmige Zwischenmedium wieder verflüssigt wird und der Stickstoff zumindest zum großen Teil verdampft. Dadurch wird die Wärme des Zwischenmediums, zumindest teilweise, auf den Stickstoff übertragen. Hierbei wird ein Zwischenmedium eingesetzt, dessen Siedetemperatur höher ist als die Temperatur für den Schmelz- oder Stockpunkt des Wärmeträgers und dessen Schmelz- oder Stockpunkt bei einer niedrigeren Temperatur liegt als die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs. Um deswegen die Siedetemperatur zu erhöhen und ein Erstarren des Zwischenmediums zu vermeiden, wird der flüssige Stickstoff unter erhöhtem Druck verdampft. Hierzu ist eine aufwendige Druckregulierung des verdampfenden Stickstoffs erforderlich.In a known method according to the preamble of the claim 1 becomes a heated heat transfer medium in a first heat exchanger cooled, which operated with an intermediate medium is, in particular methane (EP 0 922 916 A2). That essentially liquid intermediate medium is in the first heat exchanger, at least for the most part, evaporated under controlled pressure, whereby the heat of the heat carrier at least partially on the Intermediate medium is transferred. The intermediate medium is then a second heat exchanger supplied with liquid nitrogen is operated, which is essentially vaporous intermediate medium is liquefied again and the At least a large part of nitrogen evaporates. This will the heat of the intermediate medium, at least in part, on the Transfer nitrogen. An intermediate medium is used here, whose boiling temperature is higher than the temperature for the melting or pour point of the heat transfer medium and its Melting or pour point at a lower temperature is the boiling point of liquid nitrogen. Around therefore increasing the boiling temperature and solidifying the To avoid intermediate medium, the liquid nitrogen evaporated under increased pressure. This is a complex one Vaporising nitrogen pressure regulation required.

Bei einer entsprechenden bekannten Einrichtung zur regelbaren Kühlung mit flüssigem Stickstoff sind der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses eines Apparates angeordnet. - Bei dem bekannten Verfahren kann ferner als nachteilig empfunden werden, daß die Auswahl des Zwischenmediums durch das Erfordernis beschränkt ist, daß die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs höher als die Temperatur für den Schmelz- oder Stockpunkt des Zwischenmediums sein soll. Deswegen kann keine optimale Auswahl hinsichtlich anderer Erfordernisse, beispielsweise im Hinblick auf Umweltverträglichkeit im Falle einer Leckage, einer Entzündungsgefahr oder einer Alterung des Zwischenmediums getroffen werden. - Bei der obigen bekannten Einrichtung zum Kühlen eines Wärmeträgers, bei der mindestens ein erster und mindestens ein zweiter Wärmetauscher innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses eines Apparates angeordnet sind, können die beiden Wärmetauscher nicht ohne weiteres in anderer Hinsicht konstruktiv, werkstofftechnisch und thermodynamisch optimiert werden. - Der Druck des Stickstoffs in dem zweiten Wärmetauscher wird über eine aufwendige Druckmeß- und Regeleinrichtung eingestellt auf einen Wert von 3 bis 16 bar Überdruck.With a corresponding known device for controllable Liquid nitrogen cooling is the first heat exchanger and the second heat exchanger within a common housing arranged an apparatus. - With the known method can also be considered a disadvantage that the Selection of the intermediate medium limited by the requirement is that the boiling point of liquid nitrogen is higher than the temperature for the melting or pour point of the intermediate medium should be. Therefore, an optimal selection cannot be made with regard to other requirements, for example with regard to on environmental compatibility in the event of a leak, a risk of ignition or aging of the intermediate medium become. - In the above known device for cooling a heat transfer medium in which at least a first and at least one a second heat exchanger within a common one Housing of an apparatus are arranged, the two Heat exchanger not easily constructive in other ways, optimized in terms of materials and thermodynamics become. - The pressure of the nitrogen in the second heat exchanger is via a complex pressure measuring and control device set to a value of 3 to 16 bar overpressure.

Zum Stand der Technik gehören weiterhin ein Verfahren primär zur Erzeugung der gasförmigen Phase aus einem in seiner flüssigen Phase gelagerten Gasvorrat in einer gewünschten Strommenge sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens (EP 0 427 112 A1). Nach diesem Verfahren wird ein dem gewünschten Gasstrom entsprechender Flüssiggasstrom einem mit der Umgebungsluft in Wärmeaustausch stehenden Verdampfer zugeführt. Ein Anteil des dem Verdampfer zugeführten Flüssiggasstroms wird über ein Puffermedium oder Zwischenmedium mit einem Anteil eines Wärmeträgermediums in Wärmeaustausch gebracht. Die Temperatur des Zwischenmediums wird durch Regelung der dem Zwischenmedium zugeführten Anteile des Flüssiggasstroms und des Wärmeträgermediums auf der Umwandlungstemperatur gehalten. Das verwendete Zwischenmedium weist einen Phasenübergang auf, dessen Übergangstemperatur mindestens bei, vorzugsweise oberhalb der Verdampfungstemperatur des Flüssiggases liegt. Mit einer Regeleinrichtung wird der Temperaturverlauf des Zwischenmediums im Bereich seiner Umwandlungstemperatur in Abhängigkeit von dem an einem Phasenübergang herrschenden charakteristischen Druck oder Temperaturverlauf des Zwischenmediums erfaßt. Mit der Regelungseinrichtung werden Regelventile derart gesteuert, daß unabhängig von dem aus dem Verdampfer entnommenen Gasstrom die Temperatur des Zwischenmediums einerseits nicht unter eine Umwandlungstemperatur absinkt und andererseits das Wärmeträgermedium seine gewünschte Abkühlungstemperatur nicht überschreitet, die durch die Temperatur des Zwischenmediums bestimmt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch zu verbessern, daß in dem Kreislauf des Zwischenmediums ein verhältnismäßig niedriger Dampfdruck bei einer gegebenen Temperatur auftritt und daß keine hohen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen sind. Trotzdem kann auf der Wärmeträgerseite ein guter Wärmeübergang erzielt werden. Das Verfahren soll sich durch einen ökonomischen Einsatz an flüssigem Stickstoff auszeichnen und keine Regelung des Drucks des verdampfenden Stickstoffs erfordern.A method is primarily part of the prior art to generate the gaseous phase from one in its liquid Phase stored gas supply in a desired amount of electricity and a device for performing such Process (EP 0 427 112 A1). After this procedure, a liquid gas flow corresponding to the desired gas flow evaporator in heat exchange with the ambient air fed. A portion of the liquefied gas stream supplied to the evaporator with a buffer medium or intermediate medium brought a share of a heat transfer medium in heat exchange. The temperature of the intermediate medium is controlled the proportion of the liquefied gas stream fed to the intermediate medium and the heat transfer medium at the transition temperature held. The intermediate medium used has a phase transition whose transition temperature is at least preferably above the vaporization temperature of the liquid gas lies. With a control device, the temperature curve of the intermediate medium in the range of its transition temperature depending on that prevailing at a phase transition characteristic pressure or temperature curve of the Intermediate medium detected. With the control device Control valves controlled so that regardless of which from the Evaporator gas flow removed the temperature of the intermediate medium on the one hand, does not drop below a transition temperature and on the other hand the heat transfer medium its desired Cooling temperature does not exceed by the temperature of the intermediate medium is determined. The present invention is based on the object To improve methods of the type mentioned at the outset by that in the cycle of the intermediate medium is a relative low vapor pressure at a given temperature occurs and that no high security requirements to be met are. Nevertheless, a good one on the heat transfer side Heat transfer can be achieved. The procedure should go through distinguish an economical use of liquid nitrogen and no regulation of the pressure of the evaporating nitrogen require.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw.3 gelöst.This object is achieved by the method according to claims 1 and 3, respectively.

Bei diesem Verfahren wird von einem Zwischenmedium mit einer anderen Siedekurve als gasförmigen Stickstoffs, d.h. Abhängigkeit des Siedepunkts von dem Druck, Gebrauch gemacht, wobei wesentlich ist, daß der Erstarrungspunkt oder Schmelzpunkt des Zwischenmediums bei einer höheren Temperatur als die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs liegt. Es kann ein chemisch stabiles Zwischenmedium, nämlich ein Kältemittel, eingesetzt werden, welches keiner Alterung unterliegt, wodurch eine mit einem solchen Zwischenmedium gefahrene Einrichtung insoweit keine Wartungsansprüche stellt. Der Stickstoff wird bei Atmosphärendruck verdampft, wofür der technische Aufwand gering ist.In this process, an intermediate medium with a boiling curve other than gaseous nitrogen, i.e. dependence of the boiling point of the pressure used, whereby it is essential that the solidification point or melting point of the Intermediate medium at a temperature higher than the evaporation temperature of liquid nitrogen. It can be a chemically stable intermediate medium, namely a refrigerant, be used, which is not subject to aging, which a device driven with such an intermediate medium insofar as it makes no maintenance claims. The nitrogen will evaporates at atmospheric pressure, for which the technical effort is low.

Durch den Einsatz ausgewählter Zwischenmedien und einer Druckregelung, insbesondere als nachfolgend beschriebene Kaskadenregelung, kann eine Temperatur in dem Bereich von ca. -180°C bis +20°C zur Kühlung des Wärmeträgers bzw. direkten Kühlung eines direkten Verbrauchers, der also nicht mittelbar über den Wärmeträger gekühlt wird, eingestellt und exakt gehalten werden. Das Verfahren läßt sich infolge des guten Wärmeübergangs zwischen dem Wärmeträger und dem siedenden Zwischenträger mit geringen Druckverlusten ökonomisch betreiben. Die Druckregelung greift in einfacher, zuverlässiger Weise in die Zufuhr flüssigen Stickstoffs zu dem Verdampfer flüssigen Stickstoffs ein, der mit dem Kondensator des Zwischenmediums in wärmeleitender Verbindung steht, um die erforderliche Wärmeleistung in dem Verdampfer zu erzielen.Through the use of selected intermediate media and a pressure control, especially as the cascade control described below, can have a temperature in the range of about -180 ° C up to + 20 ° C for cooling the heat transfer medium or direct cooling of a direct consumer who is therefore not indirectly Heat carrier is cooled, adjusted and kept exactly. The process can be due to the good heat transfer between the heat transfer medium and the boiling intermediate support operate low pressure losses economically. The pressure control accesses the feed in a simple, reliable manner liquid nitrogen to the liquid nitrogen evaporator one that is thermally conductive with the condenser of the intermediate medium Connected to the required heat output in the evaporator.

Als Zwischenmedium kann beispielsweise ein Kältemittel der Bezeichnung R 134a, R 404a, R 23, R 14 der ASHRAE-Klassifizierung ausgewählt werden; Versuche wurden insbesondere mit R 23 und R 14 durchgeführt.A refrigerant, for example, can be used as the intermediate medium Designation R 134a, R 404a, R 23, R 14 of the ASHRAE classification to be selected; Experiments were carried out in particular with R 23 and R 14 performed.

Das durch gezieltes Verdampfen flüssigen Stickstoffs gekühlte Zwischenmedium in flüssiger Phase zur Kühlung des Wärmeträgers bzw. des direkten Wärmeverbrauchers geht durch Wärmeaufnahme von dem Wärmeträger bzw. dem Wärmeverbraucher durch Sieden in die gasförmige Phase über. Durch die Regelung des Drucks in dem Verdampfer des Zwischenmediums wird ein Siedepunkt des Zwischenmediums eingestellt, der der gewünschten Temperatur des Wärmeträgers entspricht, wobei dessen Temperatur weitgehend unabhängig von Last- und Volumenstromschwankungen exakt eingehalten werden kann. Beispielsweise könnte Wasser bis nahe an den Gefrierpunkt gekühlt werden. Es können also weitgehend frei auswählbare flüssige, aber auch gasförmige Wärmeträger stetig oder auch stoßweise durch den Kühler des Wärmeträgers in wärmeleitendem Kontakt zu dem Verdampfer des Zwischenmediums geleitet werden. Dabei stellt sich ein guter Wärmeübergang zu dem siedenden Zwischenmedium ein.The cooled by targeted evaporation of liquid nitrogen Intermediate medium in the liquid phase for cooling the heat transfer medium or the direct heat consumer goes through heat absorption by the heat transfer medium or the heat consumer by boiling in the gaseous phase over. By regulating the pressure in the evaporator of the intermediate medium becomes a boiling point of the Intermediate medium set that of the desired temperature corresponds to the heat transfer medium, its temperature largely exactly regardless of load and volume flow fluctuations can be met. For example, water could be up close be cooled to freezing. So it can largely freely selectable liquid, but also gaseous heat transfer media steadily or intermittently through the cooler of the heat transfer medium in heat-conducting contact with the evaporator of the intermediate medium be directed. This results in good heat transfer to the boiling intermediate medium.

Es kann ein Zwischenmedium eingesetzt werden, welches chemisch stabil ist, wodurch eine mit einem solchen Zwischenmedium gefahrene Einrichtung wenigstens insoweit wartungsfrei ist.An intermediate medium can be used which is chemical is stable, making one with such an intermediate medium the device being driven is maintenance-free at least insofar.

Es hat sich auch ein direkter Wärmeaustausch mit dem Zwischenmedium als praktikabel erwiesen, an dem gemäß Anspruch 3 statt eines im Kreislauf geführten Wärmeträgers ein deswegen sogenannter direkter Verbraucher beteiligt ist.There has also been a direct heat exchange with the intermediate medium proved to be practicable, instead of according to claim 3 of a circulating heat transfer medium is therefore a so-called direct consumer is involved.

Zu einer Neiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehört gemäß Anspruch 4, daß eine Führungsgröße bzw. ein Sollwert der Druckregelung in dem Verdampfer des Zwischenmediums auf einen Druck eingestellt ist, bei dem ein Siedepunkt des Zwischenmediums im wesentlichen gleich der gewünschten Temperatur des Wärmeträgers bzw. des direkten Verbrauchers erreicht wird.According to claim 4, further development of the method according to the invention includes that a command variable or a setpoint of the pressure control in the evaporator of the intermediate medium is set to a pressure at which a boiling point of the intermediate medium is essentially equal to the desired temperature of the heat transfer medium or of the direct consumer is reached.

Auf der Zwischenmediumseite kann das Verfahren ohne zusätzliche Antriebe durchgeführt werden, indem gemäß Anspruch 5 das gekühlte und kondensierte Zwischenmedium durch Schwerkraft in den Verdampfer geleitet wird, in dem er in thermischen Kontakt mit dem Wärmeträger bzw. direkten Verbraucher verdampft und von dem er in dampfförmiger Phase zu dem Kondensator aufsteigt, wobei er durch den verdampfenden flüssigen Stickstoff gekühlt wird.On the intermediate medium side, the process can be carried out without additional Drives are carried out by the according to claim 5 cooled and condensed intermediate medium by gravity the evaporator is routed by being in thermal contact evaporates with the heat transfer medium or direct consumer and from which it rises to the condenser in the vapor phase, passing through the evaporating liquid nitrogen is cooled.

Eine stetige Temperaturregelung, die auf einem in einem stetigen Bereich eingestellten Sollwert des Wärmeträgers bzw. direkten Verbrauchers beruht, kann gemäß Anspruch 6 durch eine der Druckregelung vorgeschaltete Temperaturregelung erreicht werden, wobei der Sollwert für die Druckregelung durch die Temperaturregelung geführt wird. Die damit gebildete Kaskadenregelung ermöglicht auch eine Regelung der Temperaturdifferenz zwischen dem Zwischenmedium und dem Wärmeträger bzw. direkten Verbraucher. Insbesondere bei emaillierten Reaktoren in der chemischen Industrie ist es vorteilhaft, die Temperaturdifferenz kontrolliert zu halten, um Thermoschocks zu vermeiden.A steady temperature control based on one in a steady Set setpoint of the heat transfer medium or direct Based on the consumer, according to claim 6 by a temperature control upstream of the pressure control be, the setpoint for the pressure control by the Temperature control is performed. The cascade control formed with it also enables regulation of the temperature difference between the intermediate medium and the heat transfer medium or direct Consumer. Especially with enamelled reactors in the chemical industry, it is advantageous the temperature difference keep controlled to avoid thermal shock.

In dem Falle, in dem als Wärmeträger eine Wärmeträgerflüssigkeit eingesetzt wird, kann gemäß Anspruch 7 als Temperatursollwert eine Temperatur eingestellt werden, welche die Erstarrungstemperatur oder den Gefrierpunkt des flüssigen Wärmeträgers überschreitet. Damit wird ein Erstarren des flüssigen Wärmeträgers zuverlässig vermieden. Es können so beliebige Wärmeträgerflüssigkeiten stetig oder auch diskontinuierlich in Wärmeaustausch mit dem Zwischenmedium durch den entsprechenden Kühler gefördert werden und sehr präzise bis nahe an den Gefrierpunkt gekühlt werden. Dabei wird durch die Druckregelung die Siedetemperatur des Zwischenmediums über die Erstarrungstemperatur des flüssigen Wärmeträgers eingestellt.In the case where a heat transfer fluid is used as the heat transfer medium is used, according to claim 7, as a temperature setpoint a temperature can be set which is the solidification temperature or the freezing point of the liquid heat transfer medium exceeds. This causes the liquid to solidify Reliably avoided heat transfer medium. So any Heat transfer fluids continuously or discontinuously in Heat exchange with the intermediate medium through the corresponding one Coolers are conveyed and very precise to close to freezing point be cooled. Thereby the pressure control the boiling temperature of the intermediate medium above the solidification temperature of the liquid heat transfer medium.

Gemäß Anspruch 8 wird das Zwischenmedium in einem fluiddichten Kreislauf mit einem Ausgleichsbehälter geführt. Letzterer gewährleistet im Blick darauf, daß das Zwischenmedium bei normaler Umgebungstemperatur rasch vollständig verdampft, eine hohe Sicherheit. Der Ausgleichsdruck kann so relativ niedrig gehalten werden.According to claim 8, the intermediate medium is in a fluid-tight Circulated with an expansion tank. The latter ensures that the intermediate medium at normal ambient temperature quickly evaporates completely, a high security. The compensation pressure can be relatively low being held.

Das Verfahren zur geregelten Kühlung ist vielseitig gewerblich anwendbar:The process for controlled cooling is versatile industrial applicable:

Es läßt sich durch die Verwendung verschiedener Zwischenmedien und mittels der Kaskadenregelung zum Kühlen bei beliebig in dem Bereich von ca. -180°C bis +20°C vorgegebener Temperatur oder - mit Zusatzheizung - Heizen von verfahrenstechnischen Apparaten im Temperaturbereich -140°C bis +250°C in Pharmazie und chemischer Industrie einsetzen.It can be done by using different intermediate media and by means of the cascade control for cooling at any in the range of approx. -180 ° C to + 20 ° C of the specified temperature or - with additional heating - heating of process engineering Apparatus in the temperature range -140 ° C to + 250 ° C in pharmacy and chemical industry.

Das Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Tieftemperaturkristallisation von Flüssigkristallen gemäß Anspruch 9.The process opens up new possibilities in the field of low-temperature crystallization of liquid crystals according to claim 9th

Eine weitere Anwendung ist die Abluftreinigung, insbesondere in Industriebetrieben. Bei der Abluftreinigung kann eine sehr oft unerwünschte Aerosolbildung durch stufenweise Abkühlung der Abluft mit definierter Temperaturdifferenz gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden. Dieses Verfahren wird beispielsweise vorteilhaft bei der Auskondensation von organischen Lösungsmitteln aus inertisierten, d.h. Stickstoffanteile aufweisenden Abgasen vorgesehen.Another application is exhaust air purification, in particular in industrial companies. Exhaust air purification can be a very often undesirable aerosol formation through gradual cooling the exhaust air with a defined temperature difference according to the invention Procedures to be avoided. This method becomes advantageous, for example, in the condensation of organic solvents from inertized, i.e. nitrogen contents having exhaust gases provided.

Weiterhin läßt sich das Verfahren zur Lösungsmittelrückgewinnung in der allgemeinen verfahrenstechnischen Anwendung vorsehen. Zusätzliche Anwendungen sind die Werkstoffprüftechnik bei vorgebenen Temperaturen des Werkstoffs sowie Umweltsimulationsanlagen. Auch bei Recyclingverfahren, bei denen zum Beispiel Komponenten von Altreifen, Farben, Kühlschränken auf bestimmte Temperaturen gekühlt bzw. erwärmt werden sollen, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren anwenden.The solvent recovery process can also be used provide for general process engineering application. Materials testing technology is an additional application at specified temperatures of the material as well as environmental simulation systems. Also in recycling processes, for example Components of used tires, paints, refrigerators certain temperatures are to be cooled or warmed, the method according to the invention can be used.

Es kann generell ein direkter Kälteaustausch von dem verdampfenden Zwischenmedium zu einem beliebigen Produkt/Objekt realisiert werden, bei dem eine bestimmte Temperaturdifferenz eingehalten werden soll.There can generally be a direct cold exchange from the evaporating Intermediate medium realized for any product / object at which a certain temperature difference should be observed.

Eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens umfaßt einen Verdampfer im wesentlichen flüssigen Stickstoffs, in dem Atmosphärendruck herrscht, der mit einem Kondensator des Zwischenmediums wärmeleitend verbunden ist, wobei der Verdampfer des im wesentlichen flüssigen Stickstoffs eingangsseitig ein Diffusorelement für Zweiphasenströmung und eine sich daran unmittelbar anschließende Venturikammer aufweist und wobei an einem Ausgang der Venturikammer ein Verteilerrohr mit mehreren Auslässen angeschlossen ist, die als Düsen ausgebildet sind. Mit einem solchen Verdampfer wird durch die Strömungsführung des Stickstoffs hierin und dessen genaue Verteilung mit dem Verteilerrohr verhindert, daß dem Kondensator, der mit dem Verdampfer in Wärmeaustausch steht, das Zwischenmedium an irdgendeiner Stelle unter seinen Erstarrungspunkt gekühlt wird und gefriert, und zwar auch dann, wenn als Zwischenmedium ein solches verwendet wird, dessen Erstarrungspunkt bei einer höheren Temperatur liegt als die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs. Eine aufwendige Druckregelung auf der Eingangsseite des Verdampfers für den im wesentlichen flüssigen Stickstoff wird nicht benötigt.A device for carrying out the method comprises an evaporator essentially liquid nitrogen, at atmospheric pressure with a condenser of the intermediate medium is thermally connected, the evaporator of the essentially liquid nitrogen on the inlet side of a diffuser element for two-phase flow and one directly attached to it has a subsequent venturi chamber and wherein one outlet of the venturi chamber a manifold with several Connected outlets that are designed as nozzles. With such an evaporator is through the flow guide of nitrogen here and its exact distribution with the Manifold prevents the condenser connected to the Evaporator is in heat exchange, the intermediate medium anywhere below its freezing point is cooled and freezes, even when an intermediate medium such is used, the freezing point of a higher temperature than the evaporation temperature of the liquid nitrogen. A complex pressure control on the Input side of the evaporator for the essentially liquid Nitrogen is not required.

Dabei sind der Verdampfer des Zwischenmediums und der Kondensator des Zwischenmediums als separate Apparate ausgeführt, die über Leitungen des Zwischenmediums in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind. Der Verdampfer des Zwischenmediums steht in Wärmeaustausch mit einem Kühler des Wärmeträgers oder eines beliebigen Produkts, z.B. zum Reinigen des Abgases. The evaporator of the intermediate medium and the condenser of the intermediate medium as separate devices, the over lines of the intermediate medium in a closed Circuit are arranged. The evaporator of the intermediate medium is in heat exchange with a cooler of the heat transfer medium or any product, e.g. for cleaning the exhaust gas.

Wegen seiner weitgehenden Unabhängigkeit von dem Kondensator des Zwischenmediums kann der Verdampfer des Zwischenmediums gemäß den jeweiligen Anforderungen konstruktiv, werkstofftechnisch und thermodynamisch optimiert werden. Demgegenüber sind die Randbedingungen am Kondensator des Zwischenmediums immer ähnlich, was einen Anlagenbau erleichtert. Der Kondensator wird durch die große treibende Temperaturdifferenz zwischen dem verdampfenden Stickstoff und dem Zwischenmedium in den meisten Fällen im wesentlichen kompakter ausfallen als der Verdampfer des Zwischenmediums, der mit dem Wärmeträger in Wärmeaustausch bzw. Kälteaustausch steht.Because of its extensive independence from the capacitor of the intermediate medium can be the evaporator of the intermediate medium in terms of design, material and engineering and be optimized thermodynamically. Are against the boundary conditions at the condenser of the intermediate medium always similar, which makes plant construction easier. The condenser is caused by the large driving temperature difference between the evaporating nitrogen and the intermediate medium in the in most cases turn out to be essentially more compact than that Evaporator of the intermediate medium that is in contact with the heat transfer medium Heat exchange or cold exchange is available.

Es genügt eine einfache Bauart bei geringem Platzbedarf. Dabei können herkömmliche Komponenten Verwendung finden.A simple design with a small footprint is sufficient. there conventional components can be used.

Ein zu der Einrichtung gehörender Druckregler, der geeignet ist, den Druck in dem Verdampfer des Zwischenmediums auf die gewünschte Siedetemperatur einzustellen, ist in einer Kaskadenregelungsanordnung mit einem Temperaturregler gekoppelt, an dessen Istwerteingang ein Temperaturfühler angeordnet ist. Ein Ausgang des Temperaturreglers steht mit einem Führungsgrößeneingang des Druckreglers in Verbindung. Die damit erreichten Vorteile sind weiter oben zu dem Verfahren mit der Kaskadenregelung angegeben.A pressure regulator belonging to the device, which is suitable is the pressure in the evaporator of the intermediate medium to the Setting the desired boiling temperature is in a cascade control arrangement coupled with a temperature controller whose actual value input is a temperature sensor. On The output of the temperature controller is with a reference variable input of the pressure regulator in connection. The achieved with it Advantages are above for the cascade control method specified.

In dem Falle, in dem mit dem Zwischenmedium ein flüssiger Wärmeträger in Wärmeaustausch steht, kann ein Temperaturfühler der Kaskadenregelungsanordnung in einer Leitung des flüssigen Wärmeträgers angeordnet sein, wobei der Temperatursollwert des Temperaturreglers einen Wert über der Erstarrungstemperatur des flüssigen Wärmeträgers eingestellt ist. Durch diese Einrichtung kann der flüssige Wärmeträger oder ein flüssiges Produkt, welches an seine Stelle tritt, bis nahe an den Gefrierpunkt gekühlt werden, sogar Wasser.In the case where the intermediate medium is a liquid A heat sensor can be used for heat transfer the cascade control arrangement in a line of the liquid Heat carrier can be arranged, wherein the temperature setpoint of Temperature controller a value above the solidification temperature of the liquid heat transfer medium is set. Through this facility can be the liquid heat transfer medium or a liquid Product that takes its place up to close to freezing be chilled, even water.

Zusätzlich kann der Druckregler den Druck in dem Verdampfer des Zwischenmediums in einfacher Weise mit weiteren herkömmlichen Bauteilen dadurch beeinflussen, daß mit einem Ausgang des Druckreglers ein den Stickstoffzufluß regelndes Regelventil in Verbindung steht, welches in einer Zuleitung des flüssigen Stickstoffs in dem Verdampfer angeordnet ist, mit dem der Kondensator des Zwischenmediums wärmeleitend verbunden ist. Ein Druckwertisteingang des Druckreglers steht in drucksignalübertragender Verbindung mit dem Kreislauf des Zwischenmediums, insbesondere dem Verdampfer des Zwischenmediums.In addition, the pressure regulator can control the pressure in the evaporator the intermediate medium in a simple manner with other conventional Influencing components by having an output of the pressure regulator a regulating valve regulating the nitrogen inflow is connected, which in a feed line of the liquid Nitrogen is arranged in the evaporator with which the condenser of the intermediate medium is thermally connected is. A pressure value input of the pressure regulator is in the pressure signal transmitting Connection with the circuit of the intermediate medium, especially the evaporator of the intermediate medium.

Ein Verzicht auf zusätzliche Antriebsmittel in dem Zwischenmediumkreislauf bei hoher Betriebssicherheit kann dadurch erreicht werden, daß der Verdampfer des Zwischenmediums und der Kondensator des Zwischenmediums in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind, in dem zwischen einem Ausgang des Verdampfers des Zwischenmediums und einem Eingang des Kondensators ein Ausgleichsbehälter eingeschaltet ist. Der Kreislauf ist dabei, wie im Zusammenhang mit dem Verfahren nach Anspruch 5 angegeben, als Naturkreislauf ausgeführt, der die auf das flüssige Zwischenmedium wirkende Schwerkraft nutzt. Es kann so eine hohe Betriebssicherheit auch im Dauerbetrieb erreicht werden.No additional drive means in the intermediate medium circuit with high operational reliability this can achieved that the evaporator of the intermediate medium and the condenser of the intermediate medium in a closed Are arranged in the circuit between an output of the Evaporator of the intermediate medium and an input of the condenser an expansion tank is switched on. The circulation is here, as in connection with the method according to claim 5 specified, executed as a natural cycle, which on the liquid intermediate medium uses gravity. It can be so a high level of operational reliability is achieved even in continuous operation become.

Eine Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur regelbaren Kühlung mit flüssigem Stickstoff wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren beschrieben.A device for practicing the method according to the invention for controllable cooling with liquid nitrogen is described below described with the aid of a drawing with two figures.

In Fig. 1 ist ein Gesamtschema einer solchen Einrichtung dargestellt.An overall diagram of such a device is shown in FIG.

In Fig. 2 ist eine Einzelheit der Einrichtung, nämlich ein Verteiler in dem Verdampfer des flüssigen Stickstoffs schematisch gezeigt.In Fig. 2 is a detail of the device, namely a Distributor in the evaporator of the liquid nitrogen schematically shown.

Die Einrichtung zur regelbaren Kühlung ist allgemein mit 1 bezeichnet. An sie ist ein äußerer Kreislauf einer Wärmeträgerflüssigkeit angeschlossen, zu dem ein Verbraucher 2, der temperiert werden soll, eine Pumpe 3 der Wärmeträgerflüssigkeit sowie ein Ausdehnungsgefäß 4 für die Wärmeträgerflüssigkeit gehören.The device for controllable cooling is generally 1 designated. It is an external circuit of a heat transfer fluid connected to which a consumer 2 who is to be tempered, a pump 3 of the heat transfer fluid and an expansion vessel 4 for the heat transfer fluid belong.

Dieser Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit ist in der Einrichtung 1 über einen Kühler 5 der Wärmeträgerflüssigkeit geschlossen, der mit einem Verdampfer 6 eines Zwischenmediums in wärmeleitender Verbindung steht und mit diesem eine Baueinheit eines Wärmeauschtauschers bildet. Der Verdampfer 6 des Zwischenmediums ist in einem Kreislauf des Zwischenmediums mit einem Kondensator 7 des Zwischenmediums angeordnet, jedoch von diesem räumlich und konstruktiv getrennt. Der Kondensator 7 des Zwischenmediums steht in wärmeleitender Verbindung mit einem Verdampfer 8 flüssigen Stickstoffs und bildet mit diesem wiederum eine Baueinheit eines Wärmeaustauschers. Die beiden Wärmeaustauscher sind separate Apparate. An den Kreislauf des Zwischenmediums ist noch ein Ausgleichsbehälter 9 angeschlossen, hier an den Teil des Kreislaufs, in dem das Zwischenmedium gasförmig ist.This circuit of the heat transfer fluid is in the device 1 via a cooler 5 of the heat transfer fluid closed with an evaporator 6 of an intermediate medium is in a thermally conductive connection and with this a structural unit a heat exchanger. The evaporator 6 of the The intermediate medium is in a cycle of the intermediate medium arranged a condenser 7 of the intermediate medium, but from this spatially and constructively separated. The capacitor 7 the intermediate medium is in a thermally conductive connection with an evaporator 8 liquid nitrogen and forms with this again a structural unit of a heat exchanger. The two Heat exchangers are separate devices. To the cycle of An expansion tank 9 is still connected between the intermediate medium, here to the part of the circuit in which the intermediate medium is gaseous.

In den Verdampfer flüssigen Stickstoffs 8, dessen Merkmale unten in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben werden, wird der flüssige Stickstoff LN2 über ein Regelventil 10 eingespeist. Er verdampft unter Atmosphärendruck und entweicht gasförmig als GN2. Das Regelventil ist an den Ausgang eines Druckreglers 11 angeschlossen, dessen Istwerteingang 12 mit dem Druck des Zwischenmediums in dessen Kreislauf beaufschlagt wird, wie dargestellt. Ein Führungsgrößeneingang bzw. Sollwerteingang 13 des Druckreglers wird von einem Temperaturregler 14 angesteuert. Ein Istwerteingang 14 des Temperaturreglers steht mit einem Temperaturfühler 15 in Verbindung, der die Temperatur an einem nicht bezeichneten Ausgang des Kühlers der Wärmeträgerflüssigkeit erfaßt. Ein Sollwerteingang des Temperaturreglers 14 ist nicht dargestellt; er wird auf einen Wert eingestellt, den die Wärmeträgerflüssigkeit zur Temperierung annehmen kann und beispielsweise wenig über der Erstarrungstemperatur der Wärmeflüssigkeit liegt. Letzteres ist der minimale Grenzwert für die Druckregelung mit dem Druckregler 11. Die Temperaturregelung mit dem Temperaturregler 14 ist also dem Druckregler eine Reglerkaskade bildend vorgeschaltet, womit eine stetige Temperaturregelung der Wärmeträgerflüssigkeit erreicht werden kann.The liquid nitrogen LN 2 is fed into the evaporator liquid nitrogen 8, the features of which are described below in connection with FIG. 2, via a control valve 10. It evaporates under atmospheric pressure and escapes in gaseous form as GN 2 . The control valve is connected to the output of a pressure regulator 11, the actual value input 12 of which is acted upon by the pressure of the intermediate medium in its circuit, as shown. A reference variable input or setpoint input 13 of the pressure regulator is controlled by a temperature regulator 14. An actual value input 14 of the temperature controller is connected to a temperature sensor 15, which detects the temperature at an outlet of the coolant of the heat transfer fluid which is not designated. A setpoint input of the temperature controller 14 is not shown; it is set to a value which the heat transfer fluid can assume for the temperature control and, for example, is slightly above the solidification temperature of the heat fluid. The latter is the minimum limit value for the pressure control with the pressure controller 11. The temperature control with the temperature controller 14 is therefore upstream of the pressure controller, forming a controller cascade, with which constant temperature control of the heat transfer fluid can be achieved.

Damit kann die Wärmeträgerflüssigkeit frei ausgewählt werden und stetig oder auch stoßweise durch den Kühler 5 geleitet werden. Sie kann bis nahe an ihren Gefrierpunkt oder Erstarrungspunkt gekühlt werden.The heat transfer fluid can thus be freely selected and passed continuously or intermittently through the cooler 5 become. It can get close to its freezing or freezing point be cooled.

Die Kühlung des Wärmeträgermediums erfolgt mittels des Zwischenmediums, welches hinsichtlich einer für die Temperieraufgabe geeigneten Siedekennlinie ausgewählt ist, damit die Wärmeträgerflüssigkeit bei der gewünschten Temperatur und dem durch den Druck in dem Verdampfer des Zwischenmediums bestimmten Siedepunkt gekühlt wird. Dabei verdampft das Zwischenmedium. Der in dem Kreislauf aufsteigende Dampf gelangt in den Kondensator 7, in dem er durch in dem Verdampfer 8 verdampfenden flüssigen Stickstoff gekühlt wird und kondensiert. Das flüssige Zwischenmedium läuft durch Schwerkraft in den Verdampfer 6 des Zwischenmediums zurück, so einen Naturumlauf vervollständigend. The heat transfer medium is cooled by means of the intermediate medium, which with regard to one for the tempering task suitable boiling characteristic is selected so that Heat transfer fluid at the desired temperature and the determined by the pressure in the evaporator of the intermediate medium Boiling point is cooled. The intermediate medium evaporates. The steam rising in the circuit arrives into the condenser 7, in which it passes through in the evaporator 8 evaporating liquid nitrogen is cooled and condensed. The liquid intermediate medium runs into by gravity the evaporator 6 of the intermediate medium back, so a natural circulation Completing.

Da der Kreislauf des Zwischenmediums hermetisch dicht ist, kann ein Verlust des Zwischenmediums praktisch ausgeschlossen werden.Since the circuit of the intermediate medium is hermetically sealed, can practically preclude loss of the intermediate medium become.

Durch die Druckregelung mit dem Druckregler 11 kann die Verdampfungstemperatur in dem Verdampfer 6 des Zwischenmediums und damit die Temperatur in dem Kühler 5 der Wärmeträgerflüssigkeit entsprechend der Siedekennlinie des Zwischenmediums geregelt werden. Je nach Einsatz eines ausgewählten Zwischenmediums können in Verbindung mit der exakten Druckregelung Temperaturen von ca. -180°C bis +20°C geregelt werden.By pressure control with the pressure regulator 11, the evaporation temperature in the evaporator 6 of the intermediate medium and thus the temperature in the cooler 5 of the heat transfer fluid according to the boiling curve of the intermediate medium be managed. Depending on the use of a selected intermediate medium can in connection with the exact pressure control Temperatures from approx. -180 ° C to + 20 ° C can be regulated.

Bedingt durch den gewünschten Phasenwechsel des Zwischenmediums in dem Verdampfer des Zwischenmediums bei einer je nach Temperieraufgabe tiefen Temperatur ist das Zwischenmedium bei Umgebungstemperatur rasch vollständig verdampft. Es kann sich dabei gefahrlos in den Ausgleichsbehälter 9 ausdehnen.Due to the desired phase change of the intermediate medium in the evaporator of the intermediate medium depending on one Temperature control task at low temperature is the intermediate medium Ambient temperature quickly evaporates completely. It can thereby expand into the expansion tank 9 without risk.

In Fig. 2 ist schematisch das Innere des Verdampfers 8 des flüssigen Stickstoffs dargestellt, der über das den Durchfluß bestimmende Regelventil 10 in den Verdampfer geleitet wird. Der im wesentlichen flüssige Stickstoff durchströmt zunächst ein Diffusorelement 17 für Zweiphasenströmung, an das sich unmittelbar eine Venturikammer 18 stromabwärts anschließt. Der Ausgang der Venturikammer geht in ein spinnenförmiges Verteilerrohr 19 über, dessen Enden als Düsen 20 bis 24 ausgebildet sind. Mit diesen Elementen wird die Strömung des verdampfenden Stickstoffs in dem Verdampfer gleichmäßig so geführt, daß das Zwischenmedium in dem mit dem Verdampfer in Wärmeaustausch stehenden Kondensator 7 an keiner Stelle gefriert, und zwar bei Verwendung eines Zwischenmediums, dessen Erstarrungspunkt bei einer höheren Temperatur liegt als die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs. Wesentlich ist dazu eine exakte Verteilung des durch die Düsen ausströmenden Stickstoffs. - Auf eine aufwendige Druckregelung in dem Verdampfer kann deswegen verzichtet werden.In Fig. 2 is the inside of the evaporator 8 of the represented liquid nitrogen, which over the the flow determining control valve 10 is passed into the evaporator. The essentially liquid nitrogen initially flows through a diffuser element 17 for two-phase flow to which immediately connects a venturi chamber 18 downstream. The Venturi chamber exit goes into a spider-shaped manifold 19 over, the ends of which are designed as nozzles 20 to 24 are. With these elements the flow of the evaporating Nitrogen in the evaporator evenly so that the Intermediate medium in the heat exchange with the evaporator standing capacitor 7 freezes at no point, namely when using an intermediate medium, the solidification point is at a higher temperature than the evaporation temperature of liquid nitrogen. One is essential exact distribution of the nitrogen flowing out through the nozzles. - On a complex pressure control in the evaporator can therefore be dispensed with.

Claims (13)

  1. A process for controlled refrigeration by vaporizing liquid nitrogen over an intermediate medium cooled therewith which cools a heat carrier, wherein an intermediate medium is used the boiling-point curve of which differs from that of the nitrogen, wherein said intermediate medium together with the liquid nitrogen vaporizing in a vaporizer (8) is cooled in a condenser (7) and is therefrom conducted, in the liquid phase, into a vaporizer (6) wherein it vaporizes under pressure controlled by means of a pressure control and under heat absorption from said heat carrier, wherein said vaporized intermediate medium is reconducted to said condenser (7) in which it is again refrigerated by said vaporizing nitrogen and condenses, and wherein said pressure control (11) engages in the supply of liquid nitrogen to said liquid nitrogen vaporizer (8) which is in thermally conductive connection with said condenser (7) of said intermediate medium,
    characterized in that as the intermediate medium, a medium is used the solidification point of which is at a temperature above the vaporization temperature of liquid nitrogen and that the vaporization of the liquid nitrogen takes place at atmospheric pressure in the heat exchange with the intermediate medium.
  2. A process according to claim 1
    characterized in that a gaseous heat carrier is used.
  3. A process according to claim 1 comprising direct heat exchange between said vaporizing intermediate medium and a direct consumer which may be an object or a liquid product instead of said heat exchanger.
  4. A process according to one of claims 1 through 3,
    characterized in that a command variable of said pressure control (11) by which the pressure in the evaporator (6) of the intermediate medium is controlled is adjusted to a pressure nominal value at which the boiling point of the intermediate medium is obtained essentially equal to the desired temperature of said heat carrier, or the direct consumer, respectively.
  5. A process according to one of claims 1 through 4,
    characterized in that said cooled and condensed intermediate medium is gravity-fed into said vaporizer of said intermediate medium (6) wherein it vaporizes in thermal contact with said heat carrier, or said direct consumer, respectively, and wherefrom it elevates in the vapor phase to said condenser (7) in which it is refrigerated by the vaporizing liquid nitrogen.
  6. A process according to one of claims 4 through 5,
    characterized in that the temperature of said heat carrier, or said direct consumer, respectively, is determined as the temperature actual value of a temperature control (14) which imparts a command variable of the pressure to said temperature control (11), wherein a temperature nominal value of said temperature control (14) is adjusted to a desired, or critical, respectively, temperature of said heat carrier, or said direct consumer, respectively.
  7. A process according to claim 6,
    characterized in that when using a liquid heat carrier, the temperature nominal value exceeds the solidification temperature or the freezing point of the liquid heat exchanger.
  8. A process according to one of the foregoing claims,
    characterized in that said intermediate medium is conducted in a fluid-tight cycle including an equalizing tank.
  9. A process according to one of the foregoing claims,
    characterized in that it is used for low temperature crystallization in liquids.
  10. A process according to one of claims 1 through 8,
    characterized by
    the use for exhaust air purification.
  11. A process according to one or several of the foregoing claims,
    characterized in that the temperature of said heat carrier, or direct consumer, respectively, is determined and is fed as the actual value into an actual value input (15) of a temperature control (14) the output value of which feeds, as the command variable, a command-variable input (13) of said pressure control so that cascade control is formed, whereby a temperature difference between said heat carrier, or direct consumer, respectively, and intermediate medium may be adjusted.
  12. A process according to claim 11,
    characterized in that the temperature is determined in a duct of a liquid heat carrier or liquid product by means of a temperature probe (16) and that a temperature nominal value of said temperature control (14) is adjusted to a value above the solidification temperature of the liquid heat carrier or the liquid product.
  13. A process according to claim 11 or 12,
    characterized in that an output of said pressure control (11) actuates a control valve (10) in a supply line of the liquid nitrogen into the liquid nitrogen vaporizer (8), which is in thermal connection with said condenser (7) of said intermediate medium.
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