AT412910B - Kühlvorrichtung für zellen enthaltend mehr oder weniger viskose flüssigkeitsproben - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Zellen, welche flüssige Proben unterschiedlicher Viskosität, insbesondere Proben von Erdölerzeugnissen enthalten, die analysiert werden sollen, um insbesondere ihre Grenztemperatur der Filtrierbarkeit, ihren Schmelzpunkt, ihren Stockpunkt oder ihren Trübungspunkt in Temperaturbereichen, die von ungefähr +50  C bis -120  C reichen können, zu bestimmen. 



   Gewisse physikalisch-chemische Tests im Zusammenhang mit dem Gebiet der Analyse von Erdölprodukten erfordern eine Abkühlung der Analysezellen und der darin enthaltenden Proben auf Temperaturen, welche bis auf -80 C oder in besonderen Fällen sogar auf -120 C sinken ; unter diesen Tests sei beispielhaft aber nicht beschränkend die Bestimmung der Grenztemperatur für die Filtrierbarkeit, der Auftaupunkt, der Abflussbeiwert, der Trübungspunkt oder auch der Flammpunkt gemäss Tag und Abel genannt. 



   Zu diesem Zweck verwendet man üblicherweise eine Vorrichtung der Art wie sie in der Figur 1 schematisch dargestellt ist, bestehend aus einem Rankin-Kryostat 1, welcher mit einem Behälter für wärmeabführende Kühlflüssigkeit ausgestattet ist und welche mit einem Fliesskreislauf 2 für diese Flüssigkeit gemäss den Pfeilen a in Wechselwirkung steht, wobei dieser Kreislauf eine Kreislaufpumpe 3 umfasst. 



   Der Fliesskreislauf 2 ist mit einer Rohrschlange 4 ausgestattet, welche die Zelle 5 umwickelt, bevor diese abgekühlt wird. Das Ganze bestehend aus der Rohrschlange 4 und der zu kühlenden Zelle 5 wird in einen Isoliermantel 6 gegeben, welcher einen Wärmedämmstoff 7 enthält. Eine Temperatursonde 8 erlaubt die Temperatur der Zelle 5 zu jedem Zeitpunkt zu überprüfen. 



   Diese klassische Vorrichtung, bei der die Zelle enthaltend die Probe durch Kontakt mit der Rohrschlange, in welcher die wärmeabführende Kühlflüssigkeit zirkuliert, abgekühlt wird, weist eine Reihe von Nachteilen auf. 



   Es wird insbesondere darauf hingewiesen, dass die Abkühlung einer Zelle auf eine Temperatur von -80 C die Bereitstellung einer wärmeabführenden Kühlflüssigkeit eine Temperatur von -85 C bis -90 C erforderlich macht, was die Verwendung eines zweistöckigen Rankin-Kryogenerators voraussetzt ; jedoch sind derartige Kryogeneratoren voluminös, laut und bruchempfindlich. 



   Ausserdem ist es zur Abkühlung der Zelle notwendig einen wärmeabführende KühlFlüssigkeitsvorrat vorzusehen, welcher bei sehr niedriger Temperatur fluide bleibt ; zu diesem Zweck verwendet man gegenwärtig im Wesentlichen das Methanol, da die anderen verfügbaren Flüssigkeiten, deren Verwendung gleichfalls in Frage käme, entweder äusserst teuer, oder aber bei Raumtemperatur flüchtig sind. Infolge seiner Toxizität ist es jedoch wahrscheinlich, dass auf kurze Sicht die Verwendung von Methanol in den Labors verboten sein wird. 



   Infolge ihrer relativen Zerbrechlichkeit sind die Rankin-Kryogeneratoren darüber hinaus nicht im Analysator integriert, was wiederum thermisch isolierte Verbindungslinien mit Letzteren erforder-   lich macht ; sind diese Verbindungslinien eine Quelle von Undichtigkeitsrisiken sowie von   beträchtlichen thermischen Verlusten, und letztendlich ist der Gesamtnutzeffekt dieser Kühlmittelquelle recht niedrig. 



   Es wird ausserdem auf die schwierige Beherrschung der Zelltemperaturen hingewiesen, welche sich aus dem Ungleichgewicht zwischen der verfügbaren Energie und der notwendigen Energie, sowie der Wärmeschocks, die auf die Zelle bei jeder Injektion der wärmeabführenden Kühlflüssigkeit einwirken, ergibt. 



   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abkühlung von flüssigen Proben enthaltende Zellen auf sehr niedrige Temperaturen bereitzustellen, insbesondere von Analyseproben von Erdölprodukten, wobei die genannten Nachteile vermieden werden. 



   Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass sie einerseits eine Abkühleinheit umfasst, welche aus einem mit einem Kühlfinger zusammenwirkenden Kompressionsmodul besteht, der an eine Wechselstromquelle angeschlossen und mit Mitteln zur periodischen Änderung des Druckes eines unter hohem Druck stehenden Arbeitsgases, insbesondere Helium, ausgestattet ist, welches Arbeitsgas eine in mehrere Abteile unterteilte Arbeitskammer ausfüllt, wobei das Arbeitsgas bis in den Kompressionsmodul und in den Kühlfinger hinein so ausdehnbar ist, dass in einem kalten Abteil im Bereich eines dem Kompressionsmodul sich gegenüber befindlichen ersten Endes des Kühlfingers eine Entspannung des Arbeitsgases erfolgen kann, um an dieser Stelle sehr tiefe Temperaturen zu ermöglichen, und andererseits Trockenkontakt-Wärmeübertragungselemente umfasst,

   die auf dem Kühlfinger in Höhe des ersten Endes desselben so montiert sind, dass die die 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 zu analysierende Probe enthaltende Zelle auf eine gewünschte Temperatur abkühlbar ist. 



   Die Abkühleinheit arbeitet entweder nach dem Stirling-Kreisprozess oder wird mit Treibgas betrieben. 



   Die Konfiguration dieser Wärmeübertragungselemente hängt von der durchzuführenden Messung ab. 



   Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, welche beispielsweise an die Messung der Filtrierbarkeits-Grenztemperatur von Erdölprodukten gemäss der europäischen Norm pr EN 116 angepasst ist, ist vorgesehen, dass die Trockenkontakt-Wärmeübertragungselemente aus einem insbesondere aus Kupfer bestehenden metallischen Hüllrohr gebildet werden, welches die die zu analysierende Probe enthaltende Zelle umgibt und an seiner Seitenwand mit einer Muffe ausgestattet ist, die aus demselben Material wie das Hüllrohr gefertigt ist und deren Form und Abmessungen denen des ersten Endes des Kühlfingers entsprechen und die das erste Ende umgibt. 



   Gemäss dieser Ausführungsform ist weiters vorgesehen, dass die Wärmeübertragungselemente sowie das erste Ende des Kühlfingers in den Innenbereich eines Wärmeschutzmantels, welcher einen Wärmedämmstoff umschliesst, eingebaut sind. 



   Die Konfiguration der Wärmeübertragungselemente kann selbstverständlich völlig verschieden, in Abhängigkeit von der durchzuführenden Messung sowie der Typs der zu kühlenden Zellen, vorgesehen sein. 



   In jedem Fall sind die Wärmeübertragungselemente mit einer Temperatursonde ausgestattet, welche mit Regulierungselementen in Wechselwirkung stehen, welche die Feinregulierung der Zelltemperatur erlauben. 



   Im Detail umfasst eine nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitende Abkühleinheit in der Regel ein im wesentlichen zylindrisches Kompressionsmodul, sowie einen ebenfalls im Wesentlichen zylindrischen Kühlfinger, der sich im Fortsatz des Kompressionsmoduls koaxial zum Modul aber mit geringerem Durchmesser befindet. 



   Das Kompressionsmodul umfasst wenigstens einen von einem Linear- oder Rotationsmotor betriebenen Hauptkolben, der von der Wechselstromquelle angetrieben wird und der sich hin und her bewegt, um so das Arbeitsgas in einem Kompressionsabteil zu komprimieren. Der Kühlfinger wiederum umfasst einen hohlen elastisch aufgehängten Spülkolben, der mit einem Wärmeaustauscher gefüllt ist und der sich mit der gleichen Frequenz aber zum Hauptkolben phasenverschoben bewegt und der in Wechselwirkung mit demselben steht, um den Druck des Arbeitsgas in den   verschiedenen Abteilen der Arbeitskammer periodisch zu ändern ;

   dieserSpülkolben unterteilt den   Kühlfinger in seinem inneren Teil in zwei Abteile, welche untereinander über den Wärmeaustauscher in Verbindung stehen, nämlich einerseits das kalte Abteil, welches sich auf dem ersten Ende des Kühlfingers befindet und andererseits ein warmes Abteil, welches sich gegenüber von diesem Kühlfinger und verbunden mit dem Kompressionsabteil befindet. 



   Eine derartige Abkühlungseinheit, welche für sich bekannt ist, deren Konfiguration beispielsweise in den Dokumenten US 4 894 996 A und US 5 088 288 A beschrieben ist, sei in dieser Beschreibung aus Knappheitsgründen nicht weiter dargelegt. 



   Angesichts der durch die periodischen Bewegungen des Hauptkolbens sowie des Streichkolbens hervorgerufenen Vibrationen, muss die Abkühlvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung zwingend mit Abfederungselementen für diese Vibrationen in Wechselwirkung stehen, sofern sie mit einer derartigen Abkühlungseinheit ausgestattet ist. 



   Zu diesem Zweck ist in einer Weiterentwicklung der Erfindung vorgesehen, dass die Abkühleinheit mittels fest an ihrer Seitenwand angebrachter Befestigungsklammern an einer insbesondere aus Stahl bestehenden und zu ihrer Längsachse parallel verlaufenden Ballastplatte, die auf mindestens drei, vorzugsweise jedoch vier Stossdämpfern ruht, befestigt ist. 



   Die Eigenschaften der Vorrichtung welche Gegenstand der Erfindung sind werden im nachfolgenden anhand von Zeichnungen weiter veranschaulicht. 



   Es zeigen die Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäss dem Stand der Technik, die Fig. 2 in schematischer Darstellung ähnlich der Fig. 1 eine Vorrichtung gemäss der Erfindung, die Fig. 3 die perspektivischer Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung, angepasst auf die Bestimmung der Grenztemperatur der Filtrierbarkeit einer Probe, die in einer Zelle gemäss der Norm pr EN-116 enthalten ist und die Fig. 4 die perspektivische Darstellung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung angepasst auf die Bestimmung des Auftaupunkts einer Probe, 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 die in einer Zelle enthalten ist. 



   Gemäss der Fig. 2 besteht die Abkühlvorrichtung aus einer nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitenden oder mit Treibgas betriebenen Abkühleinheit 10, sowie aus Trockenkontakt-Wärmeübertragungselementen 11, welche die Abkühlung einer eine Analyseprobe enthaltenden Zelle 12 enthaltend auf eine gewünschte Temperatur erlauben. 



   Die gesamt Einheit bestehend aus den Trockenkontakt-Wärmeübertragungselementen 11und der Zelle 12 ist auf der inneren Seite an einem Wärmeschutzmantel 13 befestigt, welcher ein Wärmeschutz-material 14 enthält. Eine Temperatursonde 15 erlaubt die Bestimmung der Zelltemperatur zu jedem Zeitpunkt. 



   Im Detail besteht die Abkühleinheit 10 aus einem Kompressionsmodul 16, welche mit einem Kühlfinger 17 in Wechselwirkung steht, dessen kaltes Ende 18 gegenüber vom Kompressionsmodul 16 die Trockenkontakt-Wärmeübertragungselemente 11 trägt. 



   Aus beiden Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, dass die Abkühleinheit ein im Wesentlichen zylindrisches Kompressionsmodul 16 umfasst, sowie einen Kühlfinger 17, der ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ist und sich im Fortsatz des Kompressionsmoduls 16 koaxial zum Modul befindet ; der Durchmesser des Kühlfingers 17 ist geringer, als derjenige des Kompressionsmoduls 16. 



   Die so aufgebaute Abkühlungseinheit 10 ist mit Befestigungsklammern 19, die auf die Seitenwand des Kompressionsmoduis 16 angebracht sind, auf einer Ballastplatte 20, insbesondere aus Stahl vorbestimmten Gewichts befestigt, um die Vibrationen, welche durch die hin und her Bewegungen des sich im Inneren der Abkühlungseinheit 10 bewegenden Kolbens ausgelöst werden, auszugleichen. 



   Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt befindet sich die Ballastplatte 20 parallel zur Longitudinalachse der Abkühleinheit 10 und ruht auf vier Stossdämpfern 21. 



   Gemäss der Figur 3 ist das kalte Ende des Kühlfingers 17 mit einer ringförmigen Muffe 22 aus Kupfer entsprechender Abmessungen bedeckt. 



   Die ringförmige Muffe 22 ist auf der Seitenwand eines Rohrmantels 24 aus Kupfer befestigt, welcher eine Zelle 25 zur Bestimmung der Grenztemperatur der Filtrierbarkeit einer Probe umgibt. 



   Gemäss der europäischen Norm pr EN 116 besteht die Zelle 25 aus einer Pipette 26 besonderer Form, bestehend aus einem Behälter, einem Eingangsrohr und einem mit einer Vakuumquelle verbundenen Ausgangsrohr. Das Eintrittsrohr verläuft quer zu einem Verschluss 27, der den Rohrmantel 24 verschliesst, und ist an seinem unteren Ende zwischen den Filtrationselementen 29 an einem Behälter 28 verbunden, welcher die Analysenprobe enthält. 



   Ein Zentrierkorb 30 erlaubt die Einstellung des Eingangsrohrs an den inneren Teil des Rohrmantels 24. 



   Der Verschluss 27 ist darüber hinaus mit einer Temperatursonde 31 ausgestattet, was zu jedem Zeitpunkt die Temperaturbestimmung im Inneren des Behälters 28 erlaubt. 



   Gemäss der Fig. 3 bildet die Gesamtheit aus Rohrmantel 24 und ringförmiger Muffe 22, welche das kalte Ende 18 des Kühlfingers 17 bedeckt, die Trockenkontakt-Wärmeübertragungselemente 11. 



   Diese Trockenkontakt-Wärmeübertragungselemente 11 sind in Höhe des kalten Endes 18 des Kühlfingers 17 mittels einer Krampe 32 und eines oberen Rings 33 auf einer Ballastplatte 20 befestigt. 



   Gemäss der Figur 4, bestehen die Trockenkontakt-Wärmeübertragungselemente 11' aus einer metallischen Wärmeübertragungsplatte 35, welche auf den Kühlfinger 17 eingepasst ist und auf diesem mit einem Flansch 34 befestigt ist. 



   Die Übertragungsverkleidung 35 berührt das kalte Ende 18 des Kühlfingers 17 durch die innere Seite seines Bauchs 36. 



   Die äussere Seite des Bauchs 36 der Übertragungsverkleidung 35, welche sich gegenüber der inneren Seite, mit welcher sie das kalte Ende 18 des Kühlfingers 17 berührt, trägt eine Zelle 37 zur Bestimmung des Auftaupunkts einer Probe. 



   Diese Zelle 37 ist mit einem Auslassschlitz 39 der Analysenprobe sowie mit zwei optischen Sensoren 40 und 40' ausgestattet, welche respektive die Aufgabe des Senders und des Empfängers ausführen. Ein Temperatursensor 41, welcher auf der Zelle 36 mittels eines Flansch 39 befestigt ist, erlaubt die Probentemperatur zu jedem Zeitpunkt zu verfolgen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Kühlvorrichtung für Zellen, welche flüssige Proben unterschiedlicher Viskosität, insbeson- dere Proben von Erdölerzeugnissen enthalten, die analysiert werden sollen, um insbeson- dere ihre Grenztemperatur der Filtrierbarkeit, ihren Schmelzpunkt, ihren Stockpunkt oder ihren Trübungspunkt in Temperaturbereichen, die von ungefähr +50 C bis-120 C reichen können, zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einerseits eine Abkühleinheit (10) umfasst, welche aus einem mit einem Kühlfinger (17) zusammenwirkenden Kompres- sionsmodul (16) besteht, der an eine Wechselstromquelle angeschlossen und mit Mitteln zur periodischen Änderung des Druckes eines unter hohem Druck stehenden Arbeitsga- ses, insbesondere Helium, ausgestattet ist, welches Arbeitsgas eine in mehrere Abteile un- terteilte Arbeitskammer ausfüllt,

   wobei das Arbeitsgas bis in den Kompressionsmodul (16) und in den Kühlfinger (17) hinein so ausdehnbar ist, dass in einem kalten Abteil im Bereich eines dem Kompressionsmodul (16) sich gegenüber befindlichen ersten Endes (18) des Kühlfingers (17) eine Entspannung des Arbeitsgases erfolgen kann, um an dieser Stelle sehr tiefe Temperaturen zu ermöglichen, und andererseits Trockenkontakt-Wärmeüber- traaunaselemente (11) umfasst, die auf dem Kühlfinger (17) in Höhe des ersten Endes (18) desselben so montiert sind, dass die die zu analysierende Probe enthaltende Zelle auf eine gewünschte Temperatur abkühlbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenkontakt- Wärmeübertragungselemente (11) aus einem insbesondere aus Kupfer bestehenden metallischen Hüllrohr (24) gebildet sind, welches die die zu analysierende Probe enthal- tende Zelle (25) umgibt und an seiner Seitenwand mit einer Muffe (22) ausgestattet ist, die aus demselben Material wie das Hüllrohr (24) gefertigt ist und deren Form und Abmessun- gen denen des ersten Endes des Kühlfingers entsprechen und die das erste Ende umgibt.
3. 3. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungselemente (11) sowie das erste Ende (18) des Kühlfingers (17) in den Innenbereich eines Wärmeschutzmantels (13), welcher einen Wärmedämm- stoff (14) umschliesst, eingebaut sind.
4. 4. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungselemente (11) mit einer Temperatursonde (15) ausgestattet sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Abkühleinheit (10) einen im Wesentlichen zylinderförmigen Kompressionsmodul (16) enthält, welcher mindes- tens einen Hauptkolben umschliesst, der durch einen aus einer Wechselstromquelle ge- speisten Linearmotor oder Rotationsmotor angetrieben wird und sich hin und her bewegt, um das Arbeitsgas in einem Kompressionsabteil zu komprimieren, sowie einen auch im Wesentlichen zylinderförmigen Kühlfinger (17), der sich in der Verlängerung des Kompres- sionsmoduls koaxial zu diesem Modul befindet, aber einen kleineren Durchmesser hat und einen mit einem Wärmeaustauscher gefüllten hohlen Spülkolben umgibt, der federnd mon- tiert ist und sich mit der selben Frequenz wie der Hauptkolben, jedoch mit entgegengesetz- ter Phase, verschiebt und mit diesem Hauptkolben zusammenwirkt, um zu bewirken,

   dass sich der Druck des Arbeitsgases in den verschiedenen Abteilen der Arbeitskammer perio- disch ändert, wobei dieser Spülkolben den Kühlfinger (17) in seinem Innenbereich in zwei Abteile unterteilt, welche untereinander über den Wärmeaustauscher verbunden sind, nämlich einerseits das am ersten Ende (18) des Kühlfingers (17) befindliche kalte Abteil und andererseits ein am gegenüberliegenden Ende dieses Fingers (17) befindliches und mit dem Kompressionsabteil des Kompressionsmoduls (16) verbundenes warmes Abteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühleinheit (10) mittels fest an ihrer Seitenwand angebrachter Befestigungsklammern (19) an einer insbesondere aus Stahl bestehenden und zu ihrer Längsachse parallel verlaufenden Ballastplatte (20), die auf mindestens drei, vorzugsweise jedoch vier Stossdämpfern ruht, befestigt ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab- kühleinheit (10) nach dem Stirling-Kreisprozess arbeitet.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die <Desc/Clms Page number 5> Abkühleinheit (10) mit Treibgas betrieben ist.