JP2013520638A - Cryogenic cooling method using two-phase flow of gas-solid CO2 - Google Patents
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Abstract
本発明は、負の熱量を製品へ伝えるため、極低温流体として、液体ＣＯ２を使用する方法に関する。この方法は、いわゆる非直接的注入タイプと呼ばれ、液体ＣＯ２をいくらかを気化する熱交換器システム内へ送る。この方法は、交換器システムへ到達する前に、液体ＣＯ２が、ガス／固体混合物を拡張操作の出口で得るために選択された圧力で拡張操作を受けることを特徴とする。The present invention relates to a method of using liquid CO 2 as a cryogenic fluid to transfer negative heat to a product. This method is called the so-called non-direct injection type and sends liquid CO 2 into a heat exchanger system that vaporizes some. This method is characterized in that before reaching the exchanger system, the liquid CO 2 undergoes an expansion operation at a pressure selected to obtain a gas / solid mixture at the outlet of the expansion operation.
Description
本発明は、製品、特に食料品の冷却、急速冷凍、および表面硬化のためのプロセス内の極低温流体として、生のおよび／或いは急速冷凍された（熱で傷みやすい）製品を移送する冷蔵トラックにおける冷源として、ＣＯ２を用いるプロセスの分野に関する。 The present invention is a refrigerated truck that transports raw and / or quick-frozen (thermally perishable) products as a cryogenic fluid in a process for cooling, quick-freezing, and surface hardening of products, particularly foodstuffs. Relates to the field of processes using CO 2 as a cold source.
このようなプロセスおよび適用において、ＣＯ２は、一般的には冷蔵輸送の場合に０℃と−２０℃との間で変化し、冷却セルおよび他の冷却トンネルの場合−４０℃と−７０℃との間で変化する冷却される製品の調整のための温度を伴う直接的な注入に最も頻繁に使用される傾向にある。 In such processes and applications, CO 2 generally varies between 0 ° C. and −20 ° C. for refrigerated transport, and −40 ° C. and −70 ° C. for cooling cells and other cooling tunnels. Tend to be most frequently used for direct injection with temperature for the adjustment of the cooled product varying between.
直接的な注入におけるＣＯ２の使用が、申し分のない利点、特に熱隔壁が無いことおよびそれに続く最大熱効率の保証を示す一方で、他方では、以下に説明する不利益を示す：
・安全の疑い、価格およびこれが含む制約を伴う、窒息の危険を防止できるようにする装置の設備（警報システム、抜き取りシステム、ＣＯ２センサー）を必要とする；
・熱力学的な観点から：引き抜きガスの熱、特に−４０℃／−７０℃での熱は、それらが冷却される製品に直接接触するようになった後、製品の粒子の蒸気の形跡、および同様のものの存在によって汚染されるようになるにつれ、価格において回収が難しくなる。
While the use of CO 2 in direct injection shows a perfect advantage, in particular the absence of a thermal partition and the subsequent guarantee of maximum thermal efficiency, on the other hand, it presents the disadvantages described below:
• Requires equipment equipment (alarm system, sampling system, CO 2 sensor) that can prevent the danger of suffocation, with suspicion of safety, price and the constraints it contains;
From a thermodynamic point of view: the heat of the extracted gas, in particular at -40 ° C / -70 ° C, is a direct trace of the product particles vapor after they come into direct contact with the product to be cooled, And as it becomes contaminated by the presence of something similar, it becomes difficult to recover in price.
しかし、ＣＯ２がオープンループで非直接的注入で使用される多くの適用、特に冷蔵輸送への適用或いは急速冷凍トンネルへの適用がある。そこでは、熱交換器に液体ＣＯ２が供給され、この交換器で気化されると、冷却される媒体から熱を引き出し、所望される冷気を製造する。製品への冷気の伝達は、各交換器に関連した通気手段を介してトンネル或いはトラックの内部空気の交換を伴う。ＣＯ２の熱力学的な特性の観点から、この流体の３重点の圧力に対応する５．１８バールの理論上の圧力へ“制限”された液体／蒸気相変化の使用がここでなされる。言い換えると、位相変化が起こる温度は、制限されるよう見出され、全ての場合において、−５６．６℃より明らかに高い。この論証は、ＣＯ２の非直接的注入での使用が、例えば、液体窒素によって可能となるレベルと比較して、非常に低い温度レベルを達成できないことの事実からなる。 However, many applications that CO 2 is used in a non-direct injection in an open loop, there is a particular application or application to rapid freezing tunnel to refrigerated transport. There, liquid CO 2 is supplied to the heat exchanger, and when vaporized in this exchanger, heat is drawn from the medium to be cooled to produce the desired cold air. The transfer of cold air to the product involves the exchange of tunnel or truck internal air via the ventilation means associated with each exchanger. In view of the thermodynamic properties of CO 2 , the use of a liquid / vapor phase change that is “limited” to a theoretical pressure of 5.18 bar corresponding to the three-point pressure of this fluid is made here. In other words, the temperature at which the phase change occurs is found to be limited and in all cases is clearly above -56.6 ° C. This argument consists of the fact that the use of indirect injection of CO 2 cannot achieve very low temperature levels, for example compared to the level possible with liquid nitrogen.
本発明は、非直接的な注入の適用のような冷気の供給源としてＣＯ２の使用のための新規の状態を供給することを希望する。 The present invention desires to provide a new state for the use of CO 2 as a source of cold air such as the application of indirect injection.
以下により詳細に示されるように、本発明は、ガス−固体二相流れの装置のために与えられる。 As will be shown in more detail below, the present invention is provided for gas-solid two-phase flow devices.
本発明は、製品へ冷気を伝えることができるようにする、極低温流体として、液体ＣＯ２を使用する方法であり、液体ＣＯ２を気化する熱交換器システム内へ液体ＣＯ２が運ばれる“非直接的注入”タイプの方法であり、上記製品を囲む空気と上記熱交換器の冷却壁との間の熱交換を伴う上記製品への冷気の伝達が上記熱交換器システムに関連する通気手段を用いることによって進められる方法であって、上記交換器システムへ到達する前に、上記液体ＣＯ２が、固体／ガス混合物を減圧操作の出口で得るために選択された圧力へ減圧するための操作を受けることを特徴とする方法に関する。 The present invention is to be able to convey the cold air into the product, as a cryogenic fluid, a method of using liquid CO 2, liquid CO 2 is conveyed to the heat exchanger system for vaporizing liquid CO 2 " Ventilation means that is a method of "indirect injection" type, wherein the transfer of cold air to the product with heat exchange between the air surrounding the product and the cooling wall of the heat exchanger is associated with the heat exchanger system In which the liquid CO 2 is depressurized to a pressure selected to obtain a solid / gas mixture at the outlet of the depressurization operation before reaching the exchanger system. It is related with the method characterized by receiving.
本発明の好適な実施例によると、減圧操作に到達する前に、液体ＣＯ２は、熱交換器システムの出口で得られた冷却ガスと熱交換される（溶融からの結果が熱交換器システム内で実施される）。 According to a preferred embodiment of the present invention, before reaching the decompression operation, the liquid CO 2 is heat exchanged with the cooling gas obtained at the outlet of the heat exchanger system (the result from melting is the heat exchanger system). Implemented within).
液体ＣＯ２と熱交換器システムの出口で得られた冷却ガスとの間のこの熱交換は、例えば、板状の交換器内で実施される。 This heat exchange between the liquid CO 2 and the cooling gas obtained at the outlet of the heat exchanger system is carried out, for example, in a plate-shaped exchanger.
従って、上の記載を読むことで、以下のことが理解されるであろう：
・この非直接的注入プロセスの交換器内へ、従来技術によるような液体ＣＯ２ではなくて、減圧の結果もたらされる固体の部分が存在する流体（これはガス／固体二相液体である）が送られる；
・上述した本発明の有利な実施例で、減圧バルブへ送られる前に、液体が、熱交換器システムから引き出されたガス相と熱交換（この液体の過冷の方法で）し、過冷されてそして減圧された液体内の固体の小部分が大きくなることから、より高い熱効率を提供する。
Therefore, after reading the above description, the following will be understood:
· The to non-direct injection processes exchanger, rather than a liquid CO 2, such as by the prior art, the fluid portion of the solid resulting decompression results are present (which is a gas / solid two-phase liquid) Sent;
In an advantageous embodiment of the invention as described above, before the liquid is sent to the pressure reducing valve, the liquid exchanges heat (in the manner of supercooling this liquid) with the gas phase withdrawn from the heat exchanger system. Since a small portion of the solid in the liquid that has been evacuated and depressurized becomes larger, it provides higher thermal efficiency.
本発明の他の特徴および利点は、暗示された限定がない図面によって与えられた添付された図面と関連してなされる以下の説明においてより明確に明らかになるであろう。
図１は、単純で明確な方法によって、本発明に関するプロセスにおける液体ＣＯ２の流れを見えるようにする。もし必要であれば、義務を負わせるようになるものではないが、より良い理解のため、当業者によって良く知られたモリエ線図を参照しても良い。しかし、出願人の会社は、分かり易さのため、この線図をここに示さないことを選んだ。 FIG. 1 makes the flow of liquid CO 2 in the process according to the invention visible in a simple and clear way. If necessary, it does not impose obligations, but for a better understanding, reference may be made to the Mollier diagram well known by those skilled in the art. However, the applicant's company has chosen not to show this diagram here for the sake of clarity.
図１からわかるように、例えば２０バール／−２０℃タイプの通常の状態（或いは国の関係者による４５℃／８バールタイプ）にある、貯蔵タンクから引き出された液体ＣＯ２（ポイント１）は、交換器システムに到達する前に、３重点圧力より低い圧力、例えば５．１８バール（ポイント２）より低い圧力へ、減圧される。 As can be seen from FIG. 1, the liquid CO 2 drawn from the storage tank (point 1), for example in the normal state of the 20 bar / −20 ° C. type (or 45 ° C./8 bar type by national officials) Before reaching the exchanger system, the pressure is reduced to a pressure lower than the triple pressure, eg, lower than 5.18 bar (point 2).
この交換器システムは、“非直接的な注入”のプロセスで使用され：例えば、冷却、急速冷凍、或いは表面硬化製品、特に、食料品のための動作において使用され（この場合、熱交換システムが、例えば、極低温セル或いはトンネルの内側にある）、或いは腐敗し易い熱により傷みやすい製品を運ぶ冷蔵トラックにおいて使用される。 This exchanger system is used in the process of “indirect injection”: for example, in operation for cooling, quick freezing or surface hardening products, especially foodstuffs (in this case the heat exchange system is (For example, inside a cryogenic cell or tunnel) or used in refrigerated trucks carrying products that are susceptible to perishable heat.
その固体の小部分がポイント２で圧力の機能として変化するポイント２で得られたガス／固体二相混合物がある。図示の方法によって、それは一般的に５．１８バール／−５６．６℃で５２％であり、および１バール／−８０℃で４７％である。 There is a gas / solid two-phase mixture obtained at point 2 where a small portion of the solid changes as a function of pressure at point 2. By the illustrated method, it is generally 52% at 5.18 bar / -56.6 ° C and 47% at 1 bar / -80 ° C.
この二相混合物は、交換器システムの内側で循環され、そこで、混合物は、その顕熱の部分に加えてその融解の潜熱を引き渡す。この交換器および特にその交換面の形状、およびＣＯ２の流量は、与えられた冷蔵能力、およびポイント３でのガスの出口温度を決める。 This two-phase mixture is circulated inside the exchanger system, where the mixture delivers its latent heat of fusion in addition to its sensible heat portion. The shape of this exchanger and in particular its exchange surface and the flow rate of CO 2 determine the given refrigeration capacity and the gas outlet temperature at point 3.
図２は、液体ＣＯ２を減少した後、２つの圧力レベル、５．１８バール（すなわち、３重点圧力）および１バールで、潜熱および顕熱を含む、図１のポイント２および３の間のエンタルピー差を見えるようにすることを可能にするエンタルピー差曲線を示す。 FIG. 2 shows the difference between points 2 and 3 in FIG. 1, including latent heat and sensible heat, at two pressure levels, 5.18 bar (ie, triple pressure) and 1 bar after reducing liquid CO 2 . Fig. 4 shows an enthalpy difference curve that makes it possible to see the enthalpy difference.
この図２は、後者が液体／蒸気相変化の制限を表わす２０バールから５．８バールの圧力へ減少され（図における底部の曲線）、或いは本発明に関連して固体／ガス二相混合物を得ることができるようにした他が２０バールから１バールの圧力へ減少されたとき（図における頂部の曲線）、１キログラムのＣＯ２の中にある入手可能なエネルギー（エンタルピー変化として明示された）を明確に示す。両方の場合において、このエンタルピー変化がガスの出口温度の増加に比例して増加し、このエンタルピー変化が圧力減少における減少の後の圧力に比例して増加する事実に注目される。よって、争う余地の無いエネルギー効果が、従来技術の液体／ガス流体の代りに固体／ガス流体の使用による本発明によって与えられる。 FIG. 2 shows that the latter is reduced from 20 bar to 5.8 bar pressure, which represents the limit of liquid / vapor phase change (bottom curve in the figure), or solid / gas two-phase mixture in connection with the present invention. When the others made available were reduced from 20 bar to 1 bar pressure (top curve in the figure), available energy in 1 kilogram of CO 2 (expressed as enthalpy change) Is clearly shown. It is noted in both cases that this enthalpy change increases proportionally with increasing gas outlet temperature, and that this enthalpy change increases proportionally with the pressure after the decrease in pressure decrease. Thus, an unbeatable energy effect is provided by the present invention through the use of a solid / gas fluid instead of a prior art liquid / gas fluid.
それにも拘らず、いくらかの食物の極低温での適用のため、例えば、トンネル内での急速冷凍適用における確かな製品のため、極低温温度効果が強く望まれていることに言及されるべきである。従って、このような適用において、このように高温のガスは、このようなプロセスで所望された製品を囲む空気の温度が一般にー６０℃からー８０℃に達することから、困難を伴って交換器出口で得られることができる。 Nevertheless, it should be mentioned that the cryogenic temperature effect is strongly desired for the application of some foods at cryogenic temperatures, for example for certain products in quick-frozen applications in tunnels. is there. Thus, in such applications, such hot gases can be difficult to replace because the temperature of the air surrounding the product desired in such a process typically reaches -60 ° C to -80 ° C. Can be obtained at the exit.
このような要求のため、ちょうど他の適用のため、以下、図３に示された本発明の有利な実施例を与えることが、非常に特別に有利になる。 Because of this requirement, for just other applications, it will be very particularly advantageous in the following to give the advantageous embodiment of the invention shown in FIG.
この有利な形は、交換器システムの出口で引き抜かれたガスの中にまだある熱の可能な限り価格において回収できる目標に定められる。 This advantageous shape is defined as a target that can be recovered at as much a price as possible of the heat still in the gas withdrawn at the outlet of the exchanger system.
図３の実施例を考察する。 Consider the embodiment of FIG.
この図において、追加の手段の存在が気付かれる；それは、ここでの場合において、例えば、板状の交換器からなる、具体的には過冷器である、熱の交換を実施することを可能にする手段であり、その手段の動作がここに説明される：
・例えば、図１に関連して既に上で述べた通常の状態で、貯蔵タンクから引き抜かれた液体ＣＯ２（ポイント１）は、減圧バルブに達する前に、結果的に交換器システムから送られるガス（ポイント４）を伴って熱を交換する板状の交換器を通り、交換機システムは、トンネル、或いはトラック、および同様のものの中にある；
・従って、貯蔵タンクからくる液体ＣＯ２（ポイント１）および熱交換器システムから引き出されたガス（ポイント４）は、板状の交換器内で逆流方向に循環することが見られ、後者が減圧ステーション（ポイント２）に到達する前に、液体ＣＯ２の流れの過冷を可能にする；
・ポイント１と２の間で、液体が実質的に一定圧力で残り、冷却に晒される；
・減圧ステーションの出口（ポイント３）で得られた個体／ガス混合物は、熱交換器システムへ向けて指向される；
・熱交換器システムから引き出されて（ポイント４）、一度過冷器を通過されたガスは、排出される（ポイント５）；
・従って、冷気の製造が、ポイント３（圧力を減少した後）とポイント４（交換器出口）との間で交換器システム内で起こる。
In this figure, the presence of additional means is noticed; it is possible in this case to carry out heat exchange, for example consisting of a plate-like exchanger, in particular a subcooler. And the operation of that means is described here:
For example, in the normal state already described above in connection with FIG. 1, the liquid CO 2 (point 1) withdrawn from the storage tank is eventually sent from the exchanger system before reaching the pressure reducing valve. Through a plate-like exchanger that exchanges heat with gas (point 4), the exchange system is in a tunnel, or truck, and the like;
-Therefore, liquid CO 2 coming from the storage tank (point 1) and gas drawn from the heat exchanger system (point 4) can be seen to circulate in the reverse direction in the plate-like exchanger, the latter being depressurized Allowing the liquid CO 2 stream to be supercooled before reaching the station (point 2);
Between points 1 and 2, the liquid remains at a substantially constant pressure and is subject to cooling;
The solid / gas mixture obtained at the outlet of the decompression station (point 3) is directed towards the heat exchanger system;
The gas drawn from the heat exchanger system (point 4) and once passed through the supercooler is discharged (point 5);
-Therefore, cold production takes place in the exchanger system between point 3 (after reducing the pressure) and point 4 (exchanger outlet).
上に示されたように、このポイント４での温度は、冷気を使う適用の技術的制約によって必然的に決められ、結果としてより高い或いはより低いレベルを可能にする。 As indicated above, the temperature at this point 4 is inevitably determined by the technical constraints of the application using cold air, allowing for higher or lower levels as a result.
図３の種々のポイント１、２、３、４および５での位相の状態および構成の２つの例の詳細が以下に説明される。 Details of two examples of phase states and configurations at various points 1, 2, 3, 4 and 5 in FIG. 3 are described below.
第１の例：First example:
第２の例：Second example:
この第２の例は、冷気を使う適用が冷却される媒体の可能な限り冷たい温度を必要とする場合、交換器システム内における（ポイント３および４の間）融解の熱の部分的な使用、
混合物の完全な溶融、および熱の回収を伴って過冷器で起きるその過熱を見ることが可能なケースを図示する。
This second example is a partial use of heat of melting (between points 3 and 4) in the exchanger system, where the application using cold air requires the coldest possible temperature of the medium to be cooled,
Figure 2 illustrates a case where it is possible to see the complete melting of the mixture and its overheating occurring in the subcooler with heat recovery.
言い換えると、交換器の交換面を変えることによって、交換機内における部分的な溶融を実施することができ、それにより固体／ガス混合物がポイント４で出る；そして、交換器内で、ＣＯ２のような純粋な流体のための一定の温度で起きる溶融の状態の変化（ここで図示された形において、変るのは温度ではなく、蒸気へ変化されるにつれて減少する固体の重さによる機能である）が起きる。 In other words, by changing the exchange face of the exchanger, partial melting in the exchanger can be performed, whereby the solid / gas mixture exits at point 4; and in the exchanger, such as CO 2 Changes in the state of melting that occur at a constant temperature for pure fluids (in the form shown here, it is not the temperature but the function of the weight of the solid that decreases as it is changed to steam) Happens.
上で与えられた全ての説明を読むことで理解されるように、図３のその形における本発明のプロセスは、
・液体ＣＯ２の過冷が入手可能なエネルギーの１２％増を可能にすることから、非直接的注入システムの交換器の冷蔵容量を増大すること；
・移送率に有益な大きな固体部分の上昇を与える、一度圧力が減少された過冷流体としての、熱交換を改良することを可能にする。
As will be understood by reading all the explanations given above, the process of the present invention in that form of FIG.
Increasing the refrigeration capacity of the indirect injection system exchanger, since liquid CO 2 subcooling allows a 12% increase in available energy;
It allows to improve heat exchange as a supercooled fluid once reduced in pressure, which gives rise to a large solid fraction beneficial to the transfer rate.
もし、この適用が、可能な限り冷たい媒体の温度を必要とする場合、プロセスにおける（ポイント３および４の間）融解の熱の部分的な使用、混合物の完全な溶融、および熱の回収を伴って過冷器で起きるその過熱を見ることができる。 If this application requires the coldest possible medium temperature, it involves partial use of heat of melting (between points 3 and 4), complete melting of the mixture, and heat recovery in the process You can see the overheating that occurs in the subcooler.
Claims (6)
上記交換器システムへ到達する前に、上記液体ＣＯ２が、固体／ガス混合物を減圧操作の出口で得るために選択された圧力へ減圧するための操作を受けることを特徴とする方法。 To convey the cold air into the product, as a cryogenic fluid, a method of using the liquid CO 2, liquid CO 2 is conveyed to the heat exchanger system for vaporizing liquid CO 2 at "non-direct injection" type of process And the transfer of cold air to the product with heat exchange between the air surrounding the product and the cooling wall of the heat exchanger is advanced by using a venting means associated with the heat exchanger system. And
Prior to reaching the exchanger system, the liquid CO 2 is subjected to an operation to depressurize to a pressure selected to obtain a solid / gas mixture at the outlet of the depressurization operation.
その中を通過中の液体ＣＯ２を通すことのできる熱交換器システムと；
上記熱交換器システムと関連して、上記製品を囲む空気を熱交換器システムの冷却壁と接触させることが可能な通気手段と；を有し、
上記交換器システムの上流に位置され、液体ＣＯ２が上記交換器システム内に到達する前に、液体ＣＯ２を、操作を減少する個体／ガス混合物を得るために選ばれた圧力へ圧力の出口で減圧できる減圧システムを有することを特徴とするプラント。 A plant that uses a process of “indirect injection” type to convey cold air to the product using liquid CO 2 ,
A heat exchanger system capable of passing liquid CO 2 passing therethrough;
In connection with the heat exchanger system, venting means capable of bringing the air surrounding the product into contact with the cooling wall of the heat exchanger system;
Is located upstream of the exchanger system, before the liquid CO 2 is reached within the exchanger system, the liquid CO 2, to that chosen in order to obtain the individual / gas mixture to reduce the operating pressure of the pressure outlet A plant characterized by having a decompression system capable of decompressing at a low pressure.
・液体ＣＯ２が上記減圧システムに到達する前に、この過冷システムの第１の経路によって液体ＣＯ２を通過中にすることを可能にするため、上記過冷システムが液体ＣＯ２の供給源と上記減圧システムとの間に配置され；
・上記配置が、さらに、上記熱交換器システムから引き出された冷却ガスが上記過冷システムの第２の経路によって通過中とされることができるようにするプラント。 The plant according to claim 5, further comprising a subcooling system arranged in the plant as follows, for example a plate-shaped exchanger:
· Before the liquid CO 2 reaches the vacuum system, the first order to be able to liquid CO 2 during passage through the path, the source said supercooling system of liquid CO 2 of the supercooling system And between the vacuum system and
The plant further allows the cooling gas drawn from the heat exchanger system to be passed by the second path of the supercooling system;
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