Vorrichtung zur Kühlung von Materialien

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Materialien durch Einsatz von Kaltgas. Dir Temperatur des Kaltgases wird durch eine Heizung geregelt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Kühleinrichtung (1) zur Aufnahme von Materialien, wobei diese mit einem Verdampfer (3) und einer elektrischen Heizvorrichtung (7) ausgestattet ist. Die Heizvorrichtung (7) steht über einen Regler (8) mit einem im Inneren der Kühl­einrichtung (1) angeordneten Temperaturfühler (9) in Verbindung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von Materialien durch Einsatz von Kaltgas.

[0002] Bei der Herstellung und Verarbeitung von bestimmten Materialien ist es oft notwendig, diese im Rahmen verschie­dener Behandlungsstufen auch einem Kühlprozeß zu unter­ziehen. Zu diesen Materialien zählen z.B. Textilien, Papier, Leder, Folien aus Kunststoff, Gummi, Vulkanfiber und dergleichen. So ist es teilweise nötig um einen kontinuierlichen Verarbeitungsprozeß zu gewährleisten, daß nach einem Trockenvorgang oder einem Thermofixier­vorgang das Material kurzzeitig zu kühlen. Durch diesen Kühlprozeß ist es möglich, gewisse Materialien in ihrer Form zu fixieren, deren Qualität zu verbessern oder Material einzusparen.

[0003] Entsprechend der Art und Herstellungsform des Materials sind verschiedene Verfahrensweisen zur Kühlung bekannt. So kann gemäß der DE-OS 30 15 672 zur Kühlung von Textilien ein Kühlmittel, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet werden, das auf die Materialien aufgeblasen wird, wobei das Kühlmittel direkt oder nach der Mischung mit einem Gas aufgeblasen werden kann. Dieses Eindüsen von flüssigem Stickstoff in einen Luftstrom kann noch weiter modifiziert werden. Jedoch zeigt sich bei all diesen Verfahren der Nachteil der Eisbildung. Auch ist es nicht möglich, dadurch eine stabile Kühlatmosphäre aufrechtzuerhalten.

[0004] Ein anderes generelles Verfahren ist die Erzeugung von Kaltgas über einen luftbeheizten Verdampfer, das auch in verschiedenen Ausführungsformen angewendet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der geringe Wirkungsgrad und die teilweise hohe Investition für Kompressoren. Bei den herkömmlichen Verfahren für z. B. die Texilbehandlung oder Folienblasen wird durch die Veränderung der Ein­speismenge des flüssigen Kältemittels die erforderliche Temperatur grob geregelt. Eine Feinregulierung durch Ver­wendung von speziellen Regelventilen in Verbindung mit einer Temperaturüberwachung erbrachte keine befrie­digende Lösung.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einfache aber präzise Weise die Temperatur des Kaltgases geregelt werden kann, ohne die obengenannten Nachteile mit sich zu bringen.

[0006] Diese Aufgabe wIrd erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatur des Kaltgases durch eine Heizung geregelt wird.

[0007] Erfindungsgemäß wird durch eine Heizung die Aufgabe der Feinregelung der Temperatur des Kaltgases übernommen.

[0008] Nachdem das Kaltgas nach Wärmeaustausch, mit der Umgebung einen stabilen Temperaturwert, der sich aber unterhalb des gewünschten Einstellwerts bewegt, angenommen hat, wird über die Heizung die exakte Temperatur stetig geregelt. Die Heizleistung muß dabei dem Kühlsystem angepaßt werden und sollte gerade so hoch gewählt werden, daß sie den gewünschten Temperatureinstellbereich gewährleistet. Durch Wärmeaustausch zwischen den zu kühlenden Materialien und dem Verdampfer wird durch Nutzung der Verdampfungsent­halpie ein hoher Wirkungsgrad erreicht.

[0009] Nach einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kaltgas durch Verdampfen von verflüssig­tem Gas gewonnen.

[0010] Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Grundeinstellung der Kühlleistung durch die Menge an Kaltgas, das dem Verdampfer kontinuierlich zu­geführt word, geregelt. Die Heizung sorgt unmittelbar nach Einstellung des Temperaturgleichgewichts während der Anfahrphase für eine stabil regelbare Temperatur.

[0011] Dadurch ergibt sich für die Temperatur des Kaltgases der Vorteil eines breiten Einstellbereiches von z.B. 0°C bis -180°C. Vorzugsweise wird die Temperatur im Arbeitsbe­reich für die Kühlung von Materialien von -50°C bis -120°C geregelt. Die tiefen Temperaturen von flüssigen Kältemitteln ermöglichen kurze Abkühlzeiten, was sich bei der Anfahrphase durch rasches Einstellen der Grundtempe­ratur zeigt. Bei Hinzus-halten der Heizung steigt die Kühltemperatur entsprechend der Heizleistung an.

[0012] Mit Vorteil wird bei dem Verfahren nach der Erfindung die Temperatur des Kaltgases mittels eines Temperaturfüh­lers im Kühlsystem überwacht. Der Temperaturfühler steht mit einem Regler für die Heizung in Verbindung und sorgt dadurch automatisch, daß der vorgegebene gewünschte Temperaturbereich des Kaltgases aufrechterhalten wird. Es wird bevorzugt Stickstoff als Kaltgas verwendet, da flüssiger Stickstoff durch eine tiefe Verdampfungstempe­ratur von -196°C charakterisiert ist.Beim Verdampfen des flüssigen Gases und der Erwärmung des Kaltgases auf bei­spielsweise 0°C nimmt der Stickstoff ca. 500 kJ auf, d.h. diese Wärmeenergie wird vom zu kühlenden Material abge­zogen.

[0013] Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Kühleinrichtung zur Aufnahme von Materialien ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung mit einem Verdampfer und einer elektri­schen Heizvorrichtung ausgestattet ist, wobei der Ver­dampfer mit einer Quelle für Kaltgas und die Heizvorrich­tung über einen Regler mit einem im Inneren der Kühlein­richtung angeordneten Temperaturfühler in Verbindung steht.

[0014] Eine besondere Ausgestaltung der Vorrichtung, in der der Verdampfer über eine Zufuhrleitung mit einer Quelle für verflüssigtes Gas verbunden ist, ermöglicht eine kontinu­ierliche, unter Zwischenschaltung eines Regelventils ge­steuerte Einspeisung des flüssigen Gases in den Verdampfer. Dadurch, daß der Verdampfer innerhalb der Kühleinrichtung angeordnet ist, kann auch die Verdampfungsenthalpie genutzt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kühlsystems erhöht. Die Kühlung des Materials erfolgt also nicht wie bisher alleine durch Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlen­den Material und dem Kaltgas, sondern dem zu kühlenden Material wird für die Verdampfung des flüssigesn Gases Wärme entzogen.

[0015] In einer besonderen Anordnung der erfindungsgemäßen Vor­richtung verläuft die Heizvorrichtung als wendelförmiger Heizdraht innerhalb des wendelförmigen Verdampfers. Die Achsen der beiden Wendeln fallen hierbei zusammen.

[0016] In dieser Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft, daß die Kühleinrichtung ein Kühlrohr ist, durch den das zu kühlende Material mittels einer Trans­porteinrichtung, die koaxial innerhalb der Heizvorrich­tung und des Verdampfers angeordnet ist, transportiert wird. Diese Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, daß sich die zu kühlenden Materialien in einer trockenen Kühlatmosphäre mit gleichbleibender Temperatur befinden. Dadurch, daß der Verdampfer nicht vereist, kann eine gleichbleibende Verdampfungsleistung aufrechterhalten werden, was wiederum die genaue Temperatureinstellung unterstützt. Die Temperaturabweichung schwankt nur um ± 1 °.

[0017] Erfindungsgemäß ist es möglich, den Verdampfer und die Heizvorrichtung an der Eingangsseite der Kühleinrichtung oberhalb der zu kühlenden Materialien anzuordnen. Es ergibt sich somit eine bessere Anpassung an die zu kühlen­den Materialien. Mit Hilfe der unterschiedlichen An­ordnungsmöglichkeiten von Verdampfer und Heizvorrichtung im Kühlraum kann das zu kühlende Material schnell ge­kühlt werden oder einem kontinuierlichen Temperatur­gefälle unterliegen.

[0018] Durch den Einbau eines Ventilators in die Kühleinrich­tung kann erfindungsgemäß der Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlenden Material und der Verdampferheizungs­einheit verstärkt werden.

[0019] Nachstehend werden Ausführungsbeispiele einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeig­neten Vorrichtung anhand von Zeichnungen näher er­läutert.

[0020] Die Figuren zeigen in schematischer Weise:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einer wendelförmigen Verdampfer- und Heizdrahtanordnung,

Figur 2 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einer Transporteinrichtung und einem Ventilator,

[0021] In Figur 1 ist mit 1 eine Kühleinrichtung bezeichnet, die von einer Wärmeisolationsschicht 10 umgeben ist. Ein zu kühlendes Produkt wird koaxial in der Mitte eines Ver­dampfers 3 und einer Heizeinrichtung 7 angeordnet (Materialaufnahmeeinrichtung 2). Der Verdampfer 3 wird aus einer Zufuhreinrichtung 4 mit flüssigem Kältemittel, z.B. Stickstoff, versorgt. Dabei wird die Menge des zugeführten Stickstoffes entsprechend der gewünschten Kälteleistung mit einem Regelventil 5 bestimmt. Beim Anfahrprozeß wird zur raschen Kühlung der gesamten Kühleinrichtung dieses Ventil durch eine By-pass-Leitung mit eingebautem Kaltfahrventil 6 umgangen. Die Temperatur im Kühlraum wird laufend von einem Temperaturfühler 9 überwacht und über einem Regler 8 wird dementsprechend die Heizleistung des Heizdrahtes gesteuert.

[0022] Gegenüber der herkömmlichen Kühlung wird durch diese Kühleinrichtung die gewünschte Produkttemperatur wesentlich genauer erzielt. Durch die Optimierung der Kühlleistung durch Einbau einer Heizung konnte als weiterer Vorteil eine erhebliche Senkung des Kältemittel­verbrauchs konstatiert werden.

[0023] Zur Inbetriebnahme der Kühleinrichtung muß zuerst über das By-pass-Ventil 6 flüssiger Stickstoff in den Verdampfer einfließen. Durch diesen Vorgang wird die gesamte Kühleinrichtung auf eine gleich tiefe Temperatur abgekühlt und zwar so lange, bis sich alle Kühlein­richtungsbestandteile (z.B. Isolierung, Leitungen, Transporteinrichtung etc.) im Temperaturgleichgewicht befinden. In deisem Anfahrprozeß befindet sich die Kühl­einrichtung auf einer teiferen Temperatur als beim Kühl­verfahren für die zu kühlenden Materialien, z.B. bei Verwendung von flüssigem Stickstoff bis auf -196 °C. Aufgrund dieser tiefen Temperaturen erfolgt eine Abküh­lung in dieser Anfahrphase in sehr kurzer Zeit.

[0024] Nach dieser Grundeinstellung wird die weitere Zufuhr des flüssigen Kältemittels in dem Verdampfer über das Ventil 5 geregelt. Da trotz des feinregulierbaren Ventils die exakte Kühltemperatur bei Einbringen der zu kühlenden Materialien nicht gehalten werden kann, wird die gewünschte Temperatur über einen durch einen Transformator regelbare Heizung eingestellt. Bei stetiger Stickstoffeinspeisung kann die erforderliche Temperatur, die laufend mittels eines Temperaturfühlers gemessen, mit einem Soll-Wert verglichen und bei Abweichungen nachge­regelt wird, auf ± 1 ° genau aufrechterhalten werden.

[0025] Besonders vorteilhaft und wirtschaftlich ist bei dieser Kühleinrichtung die Nutzung der Verdampfungsenthalpie. Die zur Verdampfung des flüssigen Kältemittels not­wendige Wärmemenge wird den zu kühlenden Materialien entzogen. Weiterhin entfällt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Nachteil der Bereifung durch feuchte Kühlmedien.

[0026] Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterschei­det sich von dem in Figur 1 dargestellten dadurch, daß der Verdampfer und die zugehörige Heizung nur einen Teil des Kühlraumes einnehmen.

[0027] Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es auch möglich, in einem Kühlraum ein Temperaturgefälle oder diskontinuier­liche Temperaturbereiche zu erzeugen. In diesem Ausfüh­rungsbeispiel, das besonders geeignet ist für die Kühl­behandlung von bahnenförmigen Materialien, wie Folien oder Schlauchseelen ist der wendelförmige Verdampfer 3 und eine Heizung 7 oberhalb der zu kühlenden Materialien eingebaut, die auf einer Transporteinrichtung 2 durch den wärmeisolierten Kühlraum 1 bewegt werden. Dabei befindet sich die Verdampfer-Heizungs-Einheit im Eingangsbereich der Kühleinrichtung.

[0028] Bei der Kühlung von Schlauchseelen mit einem Schlauch­durchmesser von 6,3 mm hat die Kühleinrichtung vor­teilhafter Weise folgende Maße: Durchmesser 100 mm, Länge 300 mm.

[0029] Nach der wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Anfahrphase wird die Kühltemperatur mit Hilfe der Heizung beispielsweise auf -3,5 °C einge­stellt. Die Temperaturabweichung schwankt dabei um ± 0,5 °. Zum besseren Wärmeaustausch ist speziell bei bahnenförmigen Materialien ein zusätzlicher Ventilator 2 vorgesehen, der den Wärmetransport zwischen dem zu kühlenden Material und dem Verdampfer fördert.

Ansprüche

1. Verfahren zur Kühlung von Materialien durch Einsatz von Kaltgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kaltgases durch eine Heizung geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltgas durch Verdampfen von flüssigem Gas gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, daß die Kühlleistung durch die Menge an Kaltgas geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kaltgases über einen Einstellbereich von 0°C bis -180°C, vorzugsweise von -50°C bis -120°C geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kaltgases durch einen mit einem Regler für die Heizung verbun­denen Temperaturfühler überwacht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kaltgas Stickstoff verwendet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Kühleinrichtung zur Aufnahme von Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung mit einem Verdampfer und einer elektrischen Heizvorrichtung ausgestattet ist, wobei der Verdampfer mit einer Quelle für Kaltgas und die Heizvorrichtung über einen Regler mit einem im Inneren der Kühleinrichtung angeordneten Temperaturfühler in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer über eine Zufuhrleitung unter Zwi­schenschaltung eines Reglerventils mit einer Quelle für verflüssigtes Gas in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung als wendelförmiger Heizdraht koaxial in einem wendelförmigen Verdampfer angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein Kühlrohr ist, und das zu kühlende Material längs der Mittelachse der Heizvor­richtung und des Verdampfers transportiert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer und die Heizvorrichtung an der Eingangsseite der Kühleinrichtung oberhalb der zu kühlenden Materialien angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung mit einem Ventilator ausgestattet ist.

Zeichnung