[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterkühlen von verflüssigten Gasen,
mit einem isolierten Behälter zur Aufnahme eines Kühlbades, welches aus einem auf
niedrigen Druck entspannten Teilstrom eines aus einem Vorratstank entnommenen verflüssigten
Gases gespeist wird, mit einer Einrichtung zum Abzug einer Gasphase aus dem isolierten
Behälter und mit einer innerhalb des isolierten Behälters angeordneten, mit dem Vorratstank
über eine Zuleitung strömungsverbundenen Einrichtung zur Wärmeübertragung von dem
durch die Zuleitung geführten, zu unterkühlenden verflüssigten Gas auf das Kühlbad.
[0002] Derartige, üblicherweise als "Unterkühler" bezeichnete Vorrichtungen kommen beispielsweise
bei der Kühlung von Oberflächen zwecks Entgratung von Formteilen aus Kunststoff, Gummi,
Elastomeren, etc. zum Einsatz, wie beispielsweise in der
EP 2 143 528 A1 beschrieben. Um insbesondere weichere Formteile zu entgraten werden die Noppen und
Grate durch Beaufschlagung mit einem aus einem tiefsiedenden Flüssiggas, wie flüssiger
Stickstoff, bestehenden Kältemittel zumindest oberflächlich versprödet und anschließend
in einer Behandlungkammer auf mechanischem Wege entfernt. Um zu verhindern, dass die
Eintrittstemperatur des Kältemittels beim Eintritt in die Behandlungskammer der Entgratungsanlage
vom Druck und der Temperatur des mit der Entgratungsanlage verbundenen Kältemitteltanks
abhängt, ist beim Gegenstand der
EP 2 143 528 A1 in der Kältemittelzuleitung eine Einrichtung zum Unterkühlen des Kältemittels vorgesehen,
mittels der die Temperatur des Kältemittels vor der Behandlung der Formteile auf eine
definierte Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur gebracht wird. Dadurch wird
insbesondere gewährleistet, dass das Kältemittel die zu behandelnden Formteile noch
im flüssigen Zustand erreicht, wodurch der Kältemittelverbrauch minimiert und der
Wärmeübergang vom Kältemittel auf die Formteile effizienter gestaltet wird. Des Weiteren
ermöglicht die Unterkühlung, das Kältemittel mit einer genau definierten Temperatur
in die Behandlungskammer einzutragen; die Temperatur des eingetragenen Kältemittels
hängt also nicht mehr vom Druckzustand im Vorratstank des Kältemediums ab.
[0003] Eine Unterkühlung eines als Kältemittel eingesetzten verflüssigten Gases wird auch
bei der Technik des Leichtmetall-Strangpressens eingesetzt, wie beispielsweise in
der
DE 198 57 790 A1 beschrieben. Gegenstand dieser Druckschrift ist ein Strangpress-Verfahren, bei dem
flüssiger Stickstoff als Kältemittel dafür eingesetzt wird, während des Pressvorgangs
der zum Umformen des Profilstranges eingesetzten Matrize Wärme zu entziehen und somit
die Umformwärme ganz oder teilweise abzuführen. Dieses Verfahren erfordert eine sehr
genaue Dosierung des Kältemittels, was jedoch bei einem tiefsiedenden Flüssiggas wie
Stickstoff oder Argon insoweit problematisch ist, als dieser bereits bei der Zuführung
zum Presswerkzeug zu einem schwer kalkulierbaren Teil verdampft. Daher wird das Flüssiggas
mit einem Unterkühler auf eine Temperatur von beispielsweise 10K bis 15K unterhalb
seiner Siedetemperatur unterkühlt, sodass gewährleistet ist, dass der Stickstoff vollständig
in flüssigen Zustand auf die Matrize auftrifft.
[0004] Eine weitere Anwendung eines unterkühlten ist die Technik des Kaltmahlens. So wird
in der
EP 2 368 638 A1 ein Verfahren und eine Einrichtung zum Kaltmahlen von Produkten beschrieben, bei
dem ein kryogenes Kältemittel vor seiner Zuführung zu einer die Produkte mahlenden
Mühle auf eine Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur gebracht, also unterkühlt
wird. Dadurch lässt sich eine wesentlich genauere Dosierung des Kältemittels erreichen,
wodurch die Effizienz des Mehlverfahrens erhöht wird.
[0005] Eine bei den vorgenannten Anwendungen einsetzbare Einrichtung zum Unterkühlen umfasst
einen Behälter mit thermisch isolierten Wänden, in dessen Innern eine Kühlschlange
aus Edelstahl oder Kupfer als Wärmetauscher angeordnet ist. Durch die Kühlschlange
wird ein tiefsiedendes Flüssiggas, beispielsweise flüssiger Stickstoff, aus einem
Vorratstank herangeführt und nach Durchlaufen der Kühlschlange der Behandlungseinrichtung
zugeführt. Eine gleichfalls mit dem Vorratstank verbundene Zweigleitung mündet an
einem Entspannungsventil in den isolierten Behälter ein. Beim Entspannungsventil handelt
es sich beispielsweise um ein Schwimmerventil, bei dem eine mit einem Schwimmkörper
ausgerüstete Mechanik bei Unterschreiten einer vorgegebenen Füllhöhe des Flüssiggaspegels
im Behälter eine Zuströmöffnung zum Zuführen von flüssigem Stickstoff aus dem Vorratstank
in den isolierten Behälter freigibt bzw. diese bei Überschreiten der Füllhöhe schließt.
Die Gasphase im Behälter ist mit einer Abgasleitung zum Ableiten von verdampftem Flüssiggas
strömungsverbunden, in der ein Druckhalteventil montiert ist, das den Druck in der
Abgasleitung stromaufwärts zum Druckhalteventil und damit zugleich im Behälter im
wesentlichen konstant hält. Der Druck im Behälter ist dabei stets niedriger als der
Druck im Vorratstank bzw. in der durch den Behälter hindurch geführten Kühlschlange.
Dementsprechend ist auch die Temperatur des verflüssigten Gases im Behälter niedriger
als die Temperatur des durch die Kühlschlange geführten verflüssigten Gases. Daher
gibt das durch die Kühlschlange geführte verflüssigte Gas Wärme an das umgebende verflüssigte
Gas im Behälter ab und weist im Folgenden eine Temperatur auf, die deutlich niedriger
(abhängig vom Druckunterschied üblicherweise zwischen 1 K und 20 K) als die Siedetemperatur
des verflüssigten Gases beim in der Kühlschlange herrschenden Druck ist. Zusätzlich
kommt es zur Rekondensation von im verflüssigten Gas vorhandenen Gasblasen. Anstelle
eines mechanischen Schwimmerventils kann im Übrigen auch ein Magnetventil zum Einsatz
kommen, mittels dem das Nachfüllen von Flüssigstickstoff in den Behälter in Abhängigkeit
von der durch geeignete Sensoren gemessenen Füllhöhe des Kältemittelbades im Behälter
geregelt wird. Die Unterkühlung sollte dabei die Temperatur des unterkühlten verflüssigten
Gases so weit reduzieren, dass auch nach Durchlaufen von stromab zum Unterkühler angeordneten
Armaturen, die zu einem Druckverlust im verflüssigten Gas und damit zu einer Erniedrigung
des Siedepunkts führen, die Temperatur auf einem Wert unterhalb des jeweiligen Siedepunkt
bleibt.
[0006] Eine Weiterentwicklung stellt die in der
EP 0 524 432 A1 beschriebene Integration eines Gasphasenseparators in den Unterkühler dar, der Stickstoff,
der noch vor dem Unterkühlungsvorgang in seiner Gasphase übergegangen ist, von der
flüssigen Phase trennt.
[0007] Bei großen Durchsätzen an verflüssigtem Gas kommt es bei Unterkühlern leicht zu Druckschwankungen
und damit zu Temperaturschwankungen innerhalb des Behälters. Um diesen Nachteil zu
überwinden, wird in der
EP 2 679 879 A2 vorgeschlagen, dass der Behälter mit einer Mehrzahl von unterschiedlich tief in den
Behälter eintauchenden Zuleitungen ausgerüstet ist, die jeweils ein Ventil aufweisen,
das in Abhängigkeit von der Höhe der Füllhöhe der Flüssigkeit im Behälter die jeweilige
Zuleitung öffnet bzw. schließt. Auf diese Weise wird der Mengenstrom des in den Behälter
zugeführten verflüssigten Gases in Abhängigkeit von der Kühlanforderung geregelt und
das Auftreten von Druckschwankungen reduziert.
[0008] Die Dimensionierung des Wärmetauschers, wie beispielsweise Länge, Durchmesser und
Wandstärke der Kühlschlange, richtet sich nach der geforderten Wärmeübertragungsleistung.
Zu dieser tragen insbesondere der erforderliche Kältemitteldurchsatz, der Gasphasenanteil
im als Kältemittel eingesetzten verflüssigten Gas, der Druck des Kältemittels sowie
die gewünschte Kühlvorlauftemperatur der Kälteanwendung bei. Werden Kälteanwendungen
zu oder abgeschaltet, oder variieren aufgrund von sich im Lauf den Einsatzes des Unterkühlers
ändernden Lagerbedingungen Gasphasenanteil oder Gasdruck im zu unterkühlenden Kältemittel,
beispielsweise infolge eines Anstiegs der Temperatur und/oder einer absinkenden Füllhöhe
des Kältemittels im Tank, variiert auch die Wärmeübertragungsleistung.
[0009] Demzufolge werden die Kühlschlangen in der Regel derart ausgelegt, dass insbesondere
auch Betriebszustände mit hohen Kältemitteldurchsätzen und ungünstigen Lagerbedingungen
abgedeckt werden können. Sie weisen somit eine - gegenüber den Anforderungen einer
durchschnittlichen Wärmeübertragungsleistung - vergleichsweise große Rohrlänge und/oder
einen großen Rohrdurchmesser auf. Eine sehr lange Rohrschlange führt bei hohen Kältemitteldurchsätzen
jedoch zu einem Druckverlust, der wiederum zu einem erhöhten Gasphasenanteil führt;
auch kann es im Kühlbad an der Oberfläche des Wärmetauschers zum Filmsieden kommen,
welches die Wärmeübertragung verschlechtert. Ist dagegen der Durchmesser der Rohrleitung
sehr groß ausgelegt und nimmt aufgrund eines geringeren Kältebedarfs die Durchströmgeschwindigkeit
ab, reduziert sich die Wärmeübertragung an der Rohrschlange aufgrund einer sich einstellenden
laminaren Strömung.
[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zum Unterkühlen kryogener
Flüssigkeiten zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile überwindet.
[0011] Gelöst ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung
dadurch, dass die Einrichtung zur Wärmeübertragung mit einer Mehrzahl an parallel
zueinander geschalteten Wärmetauschern ausgerüstet ist, die zumindest teilweise jeweils
mit einer Sperrarmatur zum Zu- und Abschalten des Durchflusses durch den Wärmetauscher
ausgerüstet sind.
[0012] Als "Mehrzahl von Wärmetauschern" soll hier eine Anzahl von mindestens zwei, bevorzugt
von drei bis zehn Wärmetauschern verstanden werden, die jeweils gleiche oder unterschiedliche
Wärmeübertragungskapazitäten aufweisen können. Zumindest ein Teil der Wärmetauscher
ist mit einer Sperrarmatur ausgerüstet, mittels der der Durchfluss von Kältemittel
durch diesen Wärmetauscher ermöglicht oder gesperrt werden kann. Bei den Sperrarmaturen
kann es sich beispielsweise um manuell zu betätigende Ventile handeln, bevorzugt handelt
es sich dabei jedoch um steuerbare Armaturen, beispielsweise Magnetventile, die mittels
einer Steuereinheit in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen, beispielsweise
in Abhängigkeit eines gemessenen Regelgröße, betätigt werden können. Die Einrichtung
zur Wärmeübertragung ist bevorzugt so ausgelegt, dass das zu unterkühlende verflüssigte
Gas auf eine Temperatur von 1K bis 25K, bevorzugt 10K bis 20K unterhalb seines Siedepunkts
bei dem in der Einrichtung herrschenden Druck unterkühlt werden kann.
[0013] Durch die Erfindung kann also die Anzahl der zur Wärmeübertragung im Behälter eingesetzten
Wärmetauscher durch Zu- oder Abschalten einzelner Wärmetauscher variiert und somit
die Wärmeübertragungskapazität den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise
wird im Falle gleichartiger Wärmetauscher die Wärmeübertragungskapazität durch Zuschalten
eines weiteren Wärmetauschers gegenüber der eines einzelnen Wärmetauschers verdoppelt,
bei Zuschalten zweier Wärmetauscher verdreifacht, usw.. Da durch die parallele Anordnung
der Wärmetauscher das zu unterkühlende Kältemittel gleichzeitig durch alle zugeschalteten
Wärmetauscher strömt, kann eine effiziente Kühlung auch bei einer starken Erhöhung
des Kältemitteldurchflusses bei geringem Druckverlust erreicht werden. Eine durch
Druckverlust innerhalb der Einrichtung der Wärmeübertragung hervorgerufene Neugasphasenbildung
kann dadurch zuverlässig vermieden werden. Umgekehrt kann bei einer reduzierten geforderten
Wärmeübertragungsleistung die Anzahl der zugeschalteten Wärmetauscher vermindert und
damit der Gefahr einer zu geringen Strömungsgeschwindigkeit begegnet werden.
[0014] Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass zumindest ein Teil
der Wärmetauscher derart miteinander verschaltet sind, dass sie unabhängig voneinander
zu- und abschaltbar sind. Auf diese Weise können Wärmetauscher individuell miteinander
kombiniert und zugeschaltet werden. Die Sperrarmaturen sind in diesem Fall zumindest
teilweise im Bereich von Zweigleitungen angeordnet, die von einer gemeinsamen Zuleitung
abführen und jeweils die Strömungsverbindung zu einem Wärmetauscher herstellen. Besonders
vorteilhaft ist diese Ausgestaltung bei Wärmetauschern unterschiedlicher Wärmeübertragungskapazität,
da so eine den jeweils geforderten Wärmeübertragungsleistung angepasste Gesamtwärmeübertragungskapazität
eingestellt werden kann.
[0015] In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmetauscher
derart miteinander verschaltet, dass ein Teil der Wärmetauscher erst zuschaltbar ist,
wenn wenigstens ein weiterer Wärmetauscher bereits zugeschaltet ist. Auf diese Weise
ist in blockweises Zu- und Abschalten einer Gruppe aus mehreren Wärmetauschen möglich.
Hierzu ist wenigstens eine Sperrarmatur stromauf zu einer Mehrzahl von Zweigleitungen
angeordnet, die jeweils die Strömungsverbindung zu einem Wärmetauscher herstellen
und ihrerseits mit einer Sperrarmatur ausgerüstet sein können. Bei dieser Ausgestaltung
handelt es sich um eine einfach zu realisierende Lösung, die sich insbesondere eignet,
wenn alle Wärmetauschern im wesentlichen die gleiche Wärmeübertragungskapazität besitzen.
[0016] Zweckmäßigerweise sind die Sperrarmaturen mit einer insbesondere computerunterstützten
Steuerung wirkverbunden, mittels der die Wärmetauscher nach einem vorgegebenen Programm
oder in Abhängigkeit von gemessenen Parametern zu- und abschaltbar sind. Die Steuerung
ist also so ausgelegt, dass in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen, beispielsweise
bei einer mittels geeigneter Mittel erfassten Änderung des Kältemitteldurchflusses,
die Anzahl und/oder die Kapazität der zuzuschaltenden Wärmetauscher ermittelt und
die Sperrarmaturen entsprechend angesteuert werden.
[0017] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Apparatur zur laufenden Erfassung
der Durchflussmenge des verflüssigten Gases vorgesehen, beispielsweise ein Coriolis-Durchflussmesser.
Diese Apparatur ist beispielsweise in einer Zuleitung, also stromauf zu den Wärmetauschern
angeordnet. Um insbesondere eine zuverlässige Durchflussmessung bei verflüssigten
Gasen mit hohem Gasphasenanteil zu gewährleisten, empfiehlt sich der Einbau einer
solchen Apparatur zur Erfassung der Durchflussmenge stromab zu den Wärmetauschern,
beispielsweise in einer gemeinsamen Ausleitung, in die die Wärmetauscher strömungstechnisch
einmünden. Die Daten der Apparatur werden bevorzugt an die vor erwähnte Steuerung
übermittelt und von dieser nach einem vorgegebenen Programm zum Ansteuern der Sperrarmaturen
eingesetzt. Eine gleichfalls vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine stromab zu den
Wärmetauschern angeordnete Einrichtung zur Erfassung der Temperatur des unterkühlten
Kältemittels vor, deren Messwerte in der Steuereinrichtung zur Bestimmung der Anzahl
und/oder Kapazität der zuzuschaltenden Wärmetauscher einsetzbar sind.
[0018] Eine abermals vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zuleitung
für das zu unterkühlende verflüssigte Gas ein Gasphasenseparator zugeordnet ist. Beim
Gasphasenseparator handelt es sich beispielsweise um einen Gegenstand, wie er in der
EP 0 524 432 A1 beschrieben ist. Dabei ist innerhalb des Kühlbads im isolierten Behälter ein weiterer
Behälter (im folgenden "Separatorbehälter" genannt) mit thermisch gut leitenden Wänden
aufgenommen, in den das mit dem Vorratstank strömungsverbundene Auslassrohr einmündet.
Im oberen Teil des Separatorbehälters ist ein Gasauslass vorgesehen, der mit der Gasphase
im Vorratstank strömungsverbunden ist und durch den bereits auf dem Weg von Vorratstank
verdampftes Flüssiggas abgezogen wird. Zum Abzug der Flüssigphase weist der Separatorbehälter
in seinem unteren Teil einen Anschluss auf, von dem aus das unterkühlte Flüssiggas
zur weiteren Verwendung abgeführt wird. Dem Anschluss zum Abzug der Flüssigphase schließt
sich strömungstechnisch die im Kühlbad angeordnete Einrichtung zur Wärmeübertragung
an, in der die dem Gasphasenseparator entnommene Flüssigphase durch thermischen Kontakt
mit dem Kühlbad im isolierten Behälter weiter unterkühlt wird. Durch den Gasphasenseparator
wird sichergestellt, dass das durch das Auslassrohr geführte Flüssiggas sich zumindest
weitestgehend im flüssigen Zustand befindet und keine oder nur wenige gasförmige Einschlüsse
enthält.
[0019] Eine ebenfalls vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass Mittel vorgesehen
sind, um der Zustrom an verflüssigtem Gas an das Kühlbad zu regeln. Dadurch kann auch
die Menge des im Kühlbad befindlichen Kältemittels der jeweiligen Wärmeübertragungsleistung
angepasst werden. Beispielsweise kann dies mit einer Mehrzahl an parallel schaltbaren
Zuführungen für das Kältemittel erreicht werden, die jeweils in Abhängigkeit von einer
Füllhöhe im Kühlbad geöffnet und geschlossen werden. Eine derartige Anordnung wird
in der
EP 2 679 879 A2, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
[0020] Eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung stellt die Bereitstellung eines unterkühlten
verflüssigten Gases, insbesondere Flüssigstickstoff, als Kältemittel zur Kühlung einer
Einrichtung zum Leichtmetall-Strangpressen, insbesondere einer Aluminium- Stranggussextrusionseinrichtung,
dar. Eine andere bevorzugte Verwendung der Vorrichtung erfolgt in einer Einrichtung
zum Kaltmahlen oder in einer Anordnung von mehreren parallel geschalteten Einrichtungen
zum Kaltmahlen.
[0021] Bevorzugt kommt als zu unterkühlendes verflüssigtes Gas ein tiefsiedendes verflüssigtes
Gas (Kryogen) zum Einsatz, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, LNG oder ein
Edelgas wie etwa Argon oder Helium.
[0022] Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
[0023] Die einzige Figur (Fig. 1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
[0024] Die Vorrichtung 1 zum Unterkühlen umfasst eine Einrichtung 2 zur Wärmeübertragung,
die in einem Behälter 3 mit thermisch isolierten Wänden angeordnet ist. Die Einrichtung
2 zur Wärmeübertragung umfasst eine Mehrzahl von Wärmetauschern, im Ausführungsbeispiel
drei Kühlschlangen 4, 5, 6, die über eine druckfeste und wärmeisolierte Zuleitung
7 mit einem wärmeisolierten Vorratstank 8 strömungsverbunden sind. Im Vorratstank
8 wird ein kryogenes Medium, beispielsweise Stickstoff im tiefkalt verflüssigten Zustand,
bis zur Höhe eines Pegels 9 bevorratet. Der flüssige Stickstoff liegt im Innern des
Vorratstanks 8 bei seiner Siedetemperatur vor; im unteren Bereich des Vorratstanks
8, im Bereich eines Anschlussstutzens 10 für die Stickstoffzuleitung 7, wird die Siedetemperatur
wiederum durch den hydrostatischen Druck der im Innern des Vorratstanks 8 bis zur
Höhe des Pegels 9 stehenden Flüssigkeitssäule mitbestimmt. So beträgt bei einem Druck
von 5 bar die Temperatur des flüssigen Stickstoffs am Anschlussstutzen 10 beispielsweise
etwa minus 180°C, bei 6 bar sogar minus -177°C. Ausgangsseitig sind die Kühlschlangen
4, 5, 6 mit einer gemeinsamen, thermisch isolierten Ausleitung 11 strömungsverbunden,
über die der flüssige Stickstoff anschließend einer weiteren Verwendung zugeführt
wird, beispielsweise als Kältemittel einer hier nicht gezeigten Vorrichtung zugeführt.
[0025] Innerhalb des Behälters 3 befindet sich ein Kühlbad 13, in das die Kühlschlangen
4, 5, 6 eintauchen. Das Kühlbad 13 besteht aus dem gleichen kryogenen Medium wie das
im Vorratstank 8 bevorratete, im Ausführungsbeispiel also aus flüssigem Stickstoff.
Zum Zuführen von Kältemittel in das Kühlbad 13 dient eine Kältemittelzuleitung 14,
die von der Zuleitung 7 noch außerhalb des Behälters 3 abzweigt. Die Kältemittelzuleitung
14 ist ausgangsseitig mit einem Schwimmerventil 15 ausgerüstet. Das Schwimmerventil
15 funktioniert in der Weise, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen Füllhöhe
16 des Kühlbades 13 im Behälter 3 flüssiger Stickstoff in den Behälter 3 nachströmt,
wobei sich dieser auf den Druck im Behälter 3 entspannt. Im Behälter 3 besteht zwischen
den Kühlschlangen 4, 5, 6 einerseits und dem Kühlbad 13 andererseits lediglich eine
thermische Verbindung, jedoch keine Strömungsverbindung.
[0026] Anstelle eines Schwimmerventils 15 können im Übrigen auch andere Einrichtungen vorgesehen
sein, die in Abhängigkeit von der Füllhöhe 16 des Kühlbades 13 die Zuführung von Flüssigstickstoff
durch die Kältemittelzuleitung 14 steuern, beispielsweise Magnetventile, die mit geeigneten
Sensoren zur Füllstanderfassung, beispielsweise supraleitenden Sensoren, wirkverbunden
sind.
[0027] Im Dachraum des Behälters 3 ist eine Abgasleitung 18 zur Ableitung von gasförmigem
Stickstoff vorgesehen. In der Abgasleitung 18 ist ein Druckhalteventil 19 montiert,
das den Druck in der Abgasleitung 18 stromauf zum Druckhalteventil 19 und damit zugleich
im Behälter 3 auf einen vorbestimmten Wert von beispielweise 1 bar konstant hält.
Der Druck im Behälter 3 kann frei gewählt werden, muss jedoch geringer sein als der
Druck im Vorratstank 8 im Bereich des Anschlussstutzens 10, um zu gewährleisten, dass
die Temperatur des Kühlbades 13 niedriger ist als die Temperatur des Flüssigstickstoffs
in der Zuleitung 7. Beispielsweise ergibt sich bei einem angenommenen Druck im Behälter
3 von 1 bar (abs.) eine Temperatur des Flüssigstickstoffs im Behälter 3 von ca. minus
196°C, bei einem Druck von 0,3 bar sogar ca. minus 204°C, und damit eine geringere
Temperatur als die des Flüssigstickstoffs im Vorratstank 8 bei einem dort angenommenen
Druck von beispielsweise 5-6 bar. Im Übrigen kann in einer vereinfachten Ausführung
auch auf das Druckhalteventil 19 verzichtet werden, mit der Folge, dass das Kältemittel
im Behälter 3 stets auf Atmosphärendruck vorliegt. in diesem Falle ist die Temperatur
des verdampfenden Kältemittels im Innern des Behälters 3 jedoch den durch die Änderungen
des Atmosphärendrucks bedingten Schwankungen unterworden.
[0028] Im Betrieb der Vorrichtung 1 liegt im Innern des Behälters 3 das Kältemittelbad 13
bis zu einer Füllhöhe 16 oberhalb des Schwimmerventils 15 vor. Der Druck im Behälter
3 entspricht dem am Druckhalteventil 19 eingestellten Wert und beträgt beispielsweise
1 bar (abs.). Der Druck des flüssigen Stickstoffs in der Kältemittelzuleitung 14 und
in der Zuleitung 7 entspricht ungefähr dem im Vorratstank 8 im Bereich des Anschlussstutzens
10. Durch Öffnen des Ventils 21 wird zu unterkühlender Stickstoff durch die Zuleitung
7, die Einrichtung 2 und die Ausleitung 11 einem hier nicht gezeigten Verbraucher,
beispielsweise einer Strangpresse oder einer Kaltmahleinrichtung, zugeführt. Aufgrund
des höheren Drucks in der Zuleitung 7 gegenüber dem Druck im Behälter 3 weist das
durch die Zuleitung 7 geführte Kältemittel eine höhere Temperatur auf als die des
Kältemittels im Kühlbad 13. An der Einrichtung 2 wird somit Wärme aus dem durch die
Zuleitung 7 geführten Kältemittel an das Kühlbad 13 abgegeben und das Kältemittel
in der Zuleitung 7 wird unterkühlt.
[0029] Um rasch auf schwankende Kühlanforderungen reagieren zu können, kann in der Einrichtung
2 die Anzahl der aktiven, d.h. zur Wärmeübertragung eingesetzten Kühlschlangen 4,
5, 6 variiert werden. Dazu sind die Kühlschlangen 4, 5, 6 parallel zueinander geschaltet,
wobei die Kühlschlange 4 im Ausführungsbeispiel stets als Wärmetauscherfläche zur
Verfügung steht, während die Kühlschlangen 5, 6 mittels Ventilen 22, 23 zugeschaltet
oder getrennt werden können. Durch Zuschalten der Kühlschlange 5 oder 6 wird das Kältemittel
zu gleichen Teilen durch die Kühlschlangen 4 und 5 (bzw. 4 und 6) geführt, wodurch
eine gegenüber der Benutzung lediglich des Wärmetauschers 4 doppelte Wärmetauscherfläche
zur Verfügung steht. Bei Zuschaltung beider Kühlschlangen 5 und 6 steht entsprechend
eine dreifache Wärmetauscherfläche zur Verfügung. Die Ventile 22, 23 können mittels
einer elektronischen Steuerung 24 angesteuert werden, die es ermöglicht, die Zu- und
Abschaltung der Kühlschlangen 5, 6 nach einem vorgegebenen Programm und/oder in Abhängigkeit
von gemessenen Parametern, beispielsweise der Temperatur oder dem Mengenstrom des
dem Verbraucher zugeführten Kältemittels, zu regeln.
[0030] Auf diese Weise kann die zur Verfügung stehende Wärmetauscherfläche auch schwankenden
Kälteanforderungen rasch angepasst werden. Die Gefahr eines Filmsiedens von Kältemittel
des Kühlbades 13 auf der Außenoberfläche der Kühlschlange 4, durch das die Wärmeübertragungsleistung
eingeschränkt werden würde, wird dadurch wesentlich verringert. Auch wird durch Zuschalten
der Kühlschlangen 5 und/oder 6 eine effiziente Unterkühlung auch bei hohen geforderten
Wärmeübertragungsleistungen ermöglicht, ohne dass dazu der Einbau einer langen und
mit dementsprechend hohem Druckverlust arbeitenden Kühlschlange erforderlich wäre.
[0031] Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf das Vorsehen von drei gleichen Kühlschlangen
4, 5, 6, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, beschränkt, es können im Rahmen der Erfindung
auch lediglich zwei oder mehr als drei Wärmetauscherflächen vorgesehen sein, die jeweils
gleiche oder unterschiedliche Wärmeübertragungskapazitäten aufweisen und blockweise
oder unabhängig voneinander zuschaltbar sind. Im Falle von unterschiedlichen Wärmeübertragungskapazitäten
der Kühlschlangen 4, 5, 6 ist es vorteilhaft, auch die Kühlschlange 4 mit einer Absperrarmatur
ausrüsten, um fallweise einen Durchfluss des Kältemittels lediglich über die Kühlschlangen
5 und/oder 6 zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragungskapazität noch
besser an die jeweils geforderte Wärmeübertragungsleistung angepasst werden.
[0032] Durch den Eintrag von Wärme aus dem durch die Zuleitung 7 geführten Kältemittel verdampft
Kältemittel aus dem Kühlbad 13. Der Zustrom von Kältemittel in das Kühlbad 13 kann
dabei (hier nicht gezeigt) über eine Mehrzahl an Zuleitungen geregelt und den Anforderungen
angepasst werden, wie beispielsweise in der
EP 2 679 879 A2 beschrieben.
[0033] Das beim Wärmetausch im Behälter 3 entstehende gasförmige Kältemittel wird über die
Abgasleitung 18 abgeführt und ggf. einer weiteren Verwendung zugeführt. Nach Durchlaufen
der Kühlschlange/n 4, 5, 6 besitzt das über die Ausleitung 11 transportierte Kältemittel
zumindest annähernd die Temperatur des Kühlbades 13 (beispielsweise minus 196°C),
und damit eine Temperatur, die deutlich unterhalb der Siedetemperatur von Stickstoff
bei dem in der Zuleitung 7 herrschenden Druck liegt.
[0034] Als Kältemittel kommt im Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff zum Einsatz, im
Rahmen der Erfindung sind jedoch auch andere kryogene Kältemittel denkbar, beispielsweise
LNG, flüssiger Sauerstoff, flüssiger Wasserstoff oder ein verflüssigtes Edelgas.
Bezuaszeichenliste
[0035]
- 1.
- Vorrichtung
- 2.
- Einrichtung zur Wärmeübertragung
- 3.
- Behälter
- 4.
- Kühlschlange
- 5.
- Kühlschlange
- 6.
- Kühlschlange
- 7.
- Zuleitung
- 8.
- Tank
- 9.
- Pegel
- 10.
- Anschlussstutzen
- 11.
- Ausleitung
- 12.
- -
- 13.
- Kühlbad
- 14.
- Kältemittelzuleitung
- 15.
- Schwimmerventil
- 16.
- Füllhöhe
- 17.
- -
- 18.
- Abgasleitung
- 19.
- Druckhalteventil
- 20.
- -
- 21.
- Ventil
- 22.
- Ventil
- 23.
- Ventil
- 24.
- Steuerung
1. Vorrichtung zum Unterkühlen von verflüssigten Gasen, mit einem isolierten Behälter
(3) zur Aufnahme eines Kühlbades (13), welches aus einem auf niedrigen Druck entspannten
Teilstrom eines aus einem Vorratstank (8) entnommenen verflüssigten Gases gespeist
wird, mit einer Einrichtung (18, 19) zum Abzug einer Gasphase aus dem isolierten Behälter
(3), und mit einer innerhalb des isolierten Behälters (3) angeordneten, mit dem Vorratstank
(8) über eine Zuleitung (7) strömungsverbundenen Einrichtung (2) zur Wärmeübertragung
von dem durch die Zuleitung (7) geführten, zu unterkühlenden verflüssigten Gas auf
das Kühlbad (13),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (2) zur Wärmeübertragung mit einer Mehrzahl an parallel zueinander
geschalteten Wärmetauschern (4, 5, 6) ausgerüstet ist, die zumindest teilweise mit
einer Sperrarmatur (22, 23) zum Zu- oder Abschalten des Durchflusses durch den jeweiligen
Wärmetauscher (4, 5, 6) ausgerüstet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wärmetauscher (4, 5, 6) derart miteinander verschaltet sind,
dass sie unabhängig voneinander zu- und abschaltbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Wärmetauscher (4, 5, 6) derart miteinander verschaltet sind,
dass ein Teil der Wärmetauscher (4, 5, 6) erst zuschaltbar ist, wenn wenigstens weiterer
Wärmetauscher (4, 5, 6) bereits zugeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrarmaturen (22, 23) mit einer Steuerung (24) wirkverbunden sind, mittels
der die Wärmetauscher (4, 5, 6) nach einem vorgegebenen Programm oder in Abhängigkeit
von gemessenen Parametern zu- und abschaltbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf und/oder stromab zu den Wärmetauschern (4, 5, 6) eine Apparatur zur Erfassung
der Durchflussmenge des verflüssigten Gases und/oder eine Einrichtung zur Erfassung
der Temperatur des unterkühlten verflüssigten Gases zugeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitung (7) für das zu unterkühlende verflüssigte Gas ein Gasphasenseparator
zugeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustrom an verflüssigtem Gas an das Kühlbad (13) regelbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Kühlen in einer Aluminiumstranggussextrusionseinrichtung oder
in einer Kaltmahleinrichtung.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als verflüssigtes Gas ein tiefsiedendes Gas zum Einsatz kommt.