CH659698A5 - Verfahren zum vorkuehlen einer anlage zur erzeugung von tieftemperaturgas sowie vorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens. - Google Patents

Verfahren zum vorkuehlen einer anlage zur erzeugung von tieftemperaturgas sowie vorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens. Download PDF

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CH659698A5 CH2091/82A CH209182A CH659698A5 CH 659698 A5 CH659698 A5 CH 659698A5 CH 2091/82 A CH2091/82 A CH 2091/82A CH 209182 A CH209182 A CH 209182A CH 659698 A5 CH659698 A5 CH 659698A5
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorkühlen einer Anlage zur Erzeugung von Tieftemperaturgas, wobei im Normalprozess dieses zu kühlende erste Gas unter Druck in einen ersten Gasweg gespiesen wird, welcher nacheinander über einen Entfeuchter, einen Trockner und einen Wärmetauscher führt, und bei welchem ein zweites Gas in Form eines kryogenen Flüssiggases einem zweiten Gasweg zugeführt wird, welcher zwecks Wärmeaustausches zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas vom Wärmetauscher zum Entfeuchter führt, um dabei das erste Gas auf Tieftemperatur abzukühlen sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Tieftemperaturgase, insbesondere Tieftemperaturluft, werden beispielsweise für medizinische Behandlungen, die Bearbeitung von Metallen und ähnlichem verwendet.
Vor kurzer Zeit wurde begonnen, Tieftemperaturgas, im speziellen kryogenes Gas, mit Temperaturen nicht höher als —100 °C für die Kühlung von Werkstückoberflächen und Kanten von Schneidwerkzeugen während des Schneidens von Metall zu verwenden oder für die Kühlung rheumatisch erkrankter Körperteile in medizinischen kryogenen Behandlungsübungen. Als kryogenes Gas kann z.B. ein kryogenes verflüssigtes Gas, z.B. flüssiger Stickstoff, verwendet werden; es ist jedoch der menschlichen Gesundheit nicht zuträglich, ein solches Gas in seine Umgebung entweichen zu lassen.
Deshalb wurde üblicherweise ein Verfahren angewandt, bei welchem atmosphärische Luft genommen wird und diese unter Verwendung eines kryogenen verflüssigten Gases gekühlt wird, beispielsweise mittels flüssigen Stickstoffes o. dgl., worauf die Luft vorgegebener tiefer Temperatur dorthin geleitet wird, wo die kryogene Behandlung vorgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Nachteile - Kondensation im Wärmetauscher - im Vorkühlen von Anlagen für die Produktion von Tieftemperaturluft zu beheben. Ferner ist das Erreichen folgender Ziele der Erfindung erwähnens-5 wert.
Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für das Vorkühlen einer Anlage für die Produktion von Tieftemperaturluft, mittels welchem ein rasches und wasserausfallarmes Vorkühlen des Trockners erreicht werden kann, io Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Vorkühlung einer Anlage zur Erzeugung von Tieftemperaturluft, bei welchem die Anlage rasch und wirkungsvoll auf eine Temperatur gekühlt werden kann, wie es für ihren Normalbetrieb bzw. die Tieftemperaturlufterzeugung nötig ist. 15 Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für das Vorkühlen einer Anlage für die Erzeugung von Tieftemperaturluft, bei welchem die Wasserabsorptions-Kapazität eines Trockners verbessert wird, wobei die maximale Luftmenge, welche im Normalbetrieb behandelt werden kann, gesteigert 20 wird.
Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für das Vorkühlen einer Anlage für die Erzeugung von Tieftemperaturluft, wobei das Verfahren vorzugsweise auf Anlagen angewandt wird, welchen Luft unter tiefem Druck geführt wird, 25 und bei denen der Entfeuchtungseffekt am Entfeuchter gering ist.
Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Vorkühlen einer Anlage für die Erzeugung von Tieftemperaturluft, mit deren Hilfe die Energiekosten für die Anlage 3o reduziert werden können.
In diesem Sinne wird ein Verfahren für das Vorkühlen einer Anlage zur Erzeugung von Tieftemperaturluft vorgeschlagen, worin ein erstes Gas z.B. Luft unter Druck nacheinander einem Entfeuchter, einem Trockner und einem Wärme-35 tauscher zugeführt wird, und bei welchem ein kryogenes, zweites Gas, ein Flüssiggas, einem Durchflusssystem zugeführt wird, welches über den Wärmetauscher zum Entfeuchter führt, um einen Wärmeaustausch zwischen Luft unter Druck und Flüssiggas zu erreichen und dabei die Luft unter 40 Druck zu kühlen, um Tieftemperaturluft zu erhalten. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Anhalten der Zufuhr des ersten Gases.
- Zuführen des zweiten Gases in den zweiten Gasweg und über den Wärmetauscher in den Entfeuchter.
45 - Anschliessendes Zuleiten des zweiten Gases vom Ausgang des Entfeuchters in den ersten Gasweg, um das zweite Gas nacheinander durch den Entfeuchter, den Trockner und den Wärmetauscher zu führen.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden so Erfindung wird eine Vorrichtung für die Vorkühlung einer Anlage für die Erzeugung von Tieftemperaturluft vorgeschlagen, die entsprechend dem vorerwähnten Verfahren konzipiert ist, worin der Ausgang des zweiten Gasweges am Entfeuchter über ein Ventil mit dem Eingang des ersten Gaswe-55 ges am Entfeuchter verbunden ist.
Die Erfindung, definiert im Patentanspruch 1, wird anschliessend beispielsweise anhand einer Zeichnung erläutert, welche das Flussdiagramm einer erfindungsgemässen Anlage darstellt.
60 Beim bekannten Verfahren wird der Anlage ein erstes Gas, z.B. Luft, durch eine Luftförderanordnung 1, z.B. ein Gebläse, einen Kompressor oder ähnliches zugeführt. Sie gelangt über ein Ventil 2 und eine Leitung 3 in einen Entfeuchter 4, welcher auf eine Temperatur nahe Null Grad 65 gekühlt ist, beispielsweise +1 °C, bei welcher in der Luft enthaltene Feuchtigkeit nicht gefrieren kann. Im Entfeuchter 4 kondensiert infolge Unterschreitung der Taupunkttemperatur der Luft Wasser, und dieses fällt aus der Luft aus. Es wird
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über eine Leitung 5 und ein Ventil 6 abgeführt. Die entfeuchtete Luft wird dann einem Heizorgan 8 zugeführt, welches ausschliesslich bei der Regenerierung der Anlage aktiviert wird. Dann strömt sie durch eine Leitung 9 in einen Trockner 10, welcher eine Trocknungssubstanz, wie Alumina-Gel, Silica-Gel oder ähnliches enthält. Im Trockner 10 wird die Hauptmenge des noch vorhandenen Wasserdampfes aus der Luft entfernt und die getrocknete Luft anschliessend über Leitungen 11 und 12 einem Wärmetauscher 13 zugeführt, welcher ebenfalls mit einem kryogenen, verflüssigten zweiten Gas, z.B. flüssigem Stickstoff (Siedepunkt — 196 °C), gespiesen wird. Im Wärmetauscher 13 tauschen die Luft und das zweite Gas Wärme aus. Jene wird dadurch auf eine vorgegebene tiefe Temperatur abgekühlt, strömt dann durch eine Leitung 14 ab und wird über ein Ventil 15 dem Gebrauchsort zugeführt. Somit bilden die Leitungen 3, 7, 9,11, 12 und 14 den Luftweg. Die Bezugszeichen 16 und 17 bezeichnen Thermometer, die in den Luftweg im Bereich des Auslasses des Entfeuchters 4 und des Auslasses des Wärmetauschers 13 eingebaut sind.
Anderseits wird das Kühlmittel in Form des zweiten Gases für die zu kühlende Luft, beispielsweise ein kryogenes, Flüssiggas, z.B. flüssiger Stickstoff, einem Reservoir (nicht dargestellt) entnommen und über Leitungen 18,19, ein Ventil 20 und eine Leitung 21 dem Wärmetauscher 13 zugeführt. Die Menge zugeführten Kühlmittels wird durch entsprechende Steuerung des Durchlasses des Ventils 20 entsprechend der Temperatur im Thermometer 17 bestimmt, um die Temperatur der Luft, welche über die Leitung 14 und das Ventil 15 an den Bestimmungsort geführt wird, innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen zu halten. Nachdem der flüssige Stickstoff die Luft im Wärmetauscher 13 gekühlt hat und dabei verdampft, gelangt er über eine Leitung 22 und eine Leitung 23 zur Kühlung der Luft in den Entfeuchter 4. Darauf wird der gasförmige Stickstoff über eine Leitung 24 und ein Ventil 25 in die Atmosphäre ausströmen. Somit bilden die Leitungen 19,21, 22,23,24 den Weg für das Gas. Es ist nötig, die Temperatur des Entfeuchters 4 auf ungefähr + 1 °C, wie vorgängig beschrieben, zu halten. Wenn die Menge des gasförmigen Stickstoffes, welche durch die Leitungen 22 und 23 strömt, zu gross wird und die Tendenz besteht, dass der Entfeuchter 4 auf eine Temperatur unter + 1 °C abgekühlt wird, wird überschüssiger Stickstoff durch Öffnen eines Ventils 27 der Leitung 26 und eine Hauptleitung 35 in die Atmosphäre abgeblasen. Falls aber die Durchflussmenge des gasförmigen Stickstoffes, welcher durch die Leitung 23 strömt, zu gering ist und die Temperatur am Entfeuchter 4 über den Wert von +1 °C anzusteigen droht, wird flüssiger Stickstoff durch Öffnen eines Ventils 29, welches einerseits an der Leitung 18 vom Reservoir (nicht dargestellt) angeschlossen ist und anderseits über eine Überbrückungsleitung mit den Leitungen 28 und 30 in die Leitung 22 mündet, in den Entfeuchter 4 gelangen. Somit wird die Temperatur am Entfeuchter 4 entsprechend der Temperatur am Thermometer 16 durch entsprechendes Öffnen oder Schliessen der Ventile 27 und 29 gesteuert. Die so aufbereitete Luft vorgegebener tiefer Temperatur, üblicherweise unter —100 °C, wird über die Leitung 14 und das Ventil 15 entnommen.
Während der Erzeugung der Tieftemperaturluft absorbiert der Trockner 10 Wasserdampf aus der Luft, deren restlicher Wasseranteil im wesentlichen beim Durchströmen des Wärmetauschers 13 kondensiert und gefroren wird. Daher ist ein Regenerationsgang notwendig, um Wasser und Eis, im Trockner 10 und im Wärmetauscher 13 angesammelt, nach einer vorgegebenen Betriebszeit der Anlage zu entfernen. Bei diesem Regenerationsschritt wird die Zufuhr flüssigen Stickstoffes gestoppt, indem die Ventile 20 und evtl. 29 geschlossen werden. Die Luft, welche mittels des Gebläses 1 durch den
Luftweg strömt, wird erhitzt, indem das Heizorgan 8 in Betrieb genommen wird, worauf die Luft dem Trockner 10 für dessen Aufheizung zugeführt wird. Hierauf strömt die Luft über die Leitung 11 ab, verzweigt sich, und ein Teil davon strömt über eine Leitung 31 und ein Ventil 32 in die Atmosphäre. Die verbleibende Luft wird über die Leitung 12 dem Wärmetauscher 13 zugeleitet, wobei sie diesen erwärmt und darin abgesetztes Eis schmilzt. Das Wasser wird durch die Luft abgeführt und über die Leitungen 14 und 33, ein Ventil 34 sowie die Leitung 35 in die Atmosphäre ausströmen.
Nachdem die erwähnte Regeneration beendet ist, kann die Anlage wieder gestartet werden. Es ist jedoch für die Erzeugung von Luft von vorgegebener tiefer Temperatur notwendig, die Anlage während einer bestimmten Zeitspanne vorzukühlen. Dazu wird flüssiger Stickstoff durch die Leitungen 21 und 23 dem Wärmetauscher 13 und dem Entfeuchter 4 zugeleitet, während die Luft, welche mit Hilfe des Gebläses 1 zugeführt wird und durch den Luftweg strömt, abgekühlt und durch Öffnen des Ventils 34 bei geschlossenem Ventil 15 in die Luft abgeblasen wird. Nachdem das Thermometer 17 zeigt, dass die Temperatur der Luft, welche durch das Ventil 34 strömt, durch das Vorkühlen während einer genügend langen Zeitspanne auf die vorgegebene Temperatur abgefallen ist, wird die Entnahme von Tieftemperaturluft durch Schliessen des Ventils 34 und Öffnen des Ventils 15 wieder gestartet.
In der vorbeschriebenen Tieftemperatur-Lufterzeugungs-Anlage wird, während die Anlage vorgekühlt wird, Luft mit einer Temperatur über Normaltemperatur direkt in den Trockner 10 geleitet. Daher kann diese grosse Feuchtigkeitsmenge in der zugeführten Luft nicht genügend absorbiert werden, so dass diese bekannten Anlagen beim Vorkühlen den Nachteil besitzen, dass ein Grossteil des Wassers im Wärmetauscher 13 kondensiert.
Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile beim Vorkühlen von Anlagen für die Erzeugung von Tieftemperaturluft zu beheben.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Vorkühlen der Anlage wird anschliessend beispielsweise erläutert.
Nachdem das Gebläse bzw. der Kompressor 1 gestoppt ist, wird flüssiger Stickstoff durch Öffnen des Ventils 20 über die Leitung 21 in den Wärmetauscher 13 geschickt, wo er (bei etwa — 196 °C) verdampft. Das gasförmige Stickstoff wird nun durch die Leitungen 22 und 23 dem Entfeuchter 4 zugeleitet, um letzteren zu kühlen. Dann wird das Stickstoffgas aus dem Entfeuchter 4 über die Leitung 24, und nicht über Ventil 25, in die Atmosphäre abgeblasen. Dazu wird es in eine Zweitleitung 101 geführt und dann über ein Ventil 102, welch letzteres nur für diese Vorkühlungsoperation geöffnet wird, bei geschlossenem Ventil 2 in die Leitung 3, welche Teil des Luftweges bildet, eingespiesen. Darauf strömt der Stickstoff über den Luftweg, d.h. durch den Entfeuchter 4 und den Trockner 10 in den Wärmetauscher 13. Von dort wird er durch Öffnen des Ventils 34 bei geschlossenem Ventil 15 von der Leitung 14 über die Leitungen 33 und 35 in die Atmosphäre abgeblasen. Diese Operation wird solange fortgesetzt, bis die Temperatur des Entfeuchters 4 auf + 1 °C abgefallen ist. Das Stickstoffgas, welches über die Leitung 101 in den Luftweg eingeblasen wird, ist verdampfter, ehemals flüssiger Stickstoff. Er enthält daher wenig Wasserdampf, da der Taupunkt dieses Gases nicht höher als -70 °C (Wassergehalt 2,5 PPM) liegt. Somit wird die Vorkühlung in dem Sinne sehr sanft durchgeführt, als sie den Trockner 10 bezüglich Wasseranfall nur wenig belastet. Sie bewirkt auch weiter keine Nachteile, wie z.B. die Kondensation von Wasser im Wärmetauscher 13. Ferner kann der Trockner 10 auf einfache Weise vorgekühlt werden, da er während eines solchen Vorkühlvor-ganges wenig Absorptionswärme erzeugt. Sobald die Temperatur im Entfeuchter 4 auf + 1 °C gefallen ist, wird das Ventil
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102 geschlossen und das Gebläse 1 wieder gestartet, um in normalen Verfahren Luft zuzuführen.
Während der genannten Vorkühloperation kann ein Teil des Stickstoffgases, welcher vom Trockner 10 in die Leitung 11 geleitet wird, durch Öffnen des Ventils 32 über die Leitungen 31 und 35 in die Atmosphäre abgeblasen werden, wodurch die Vorkühlung des Trockners 10 beschleunigt werden kann. Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich, wird erfindungsgemäss der Nachteil des Standes der Technik, gemäss welchem Wasser im Wärmetauscher 13 während der Vorkühloperation kondensiert, eliminiert, und der Trockner 10 kann, bedingt durch die sehr geringe Wasserdampfmenge im Stickstoff, sanft vorgekühlt werden. Die Anlage nach der vorliegenden Erfindung kann rasch und wirkungsvoll auf die für den normalen Betrieb notwendige Temperatur gekühlt werden. Im speziellen eignet sich die vorliegende Erfindung für die Anwendung auf eine Tieftemperaturanlage, welche mit einem Luftzuführorgan 1 mit tiefem
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Zuführdruck, entsprechend einer Wassersäule von einigen 10 mm, z.B. einem Gebläse, arbeitet. Bei einer solchen Anlage ist beim erfindungsgemässen Vorkühlen der Effekt besonders gut, da beim bekannten Verfahren bei Verwendung von
5 Gebläsen grössere Wassermengen ausfallen, als bei Kompressoren. Der Entfeuchtungseffekt (Ausfall von Wasser) ist im Entfeuchter 4 für das erfindungsgemässe Verfahren daher noch relativ geringer als bei Kompressoren. Wie nämlich aus dem i-x-Schaubild von Mollier für Luft/Wasserdampf her-
io vorgeht, steigt mit zunehmendem Druck für einen bestimmten Wassergehalt x die Taupunkttemperatur. Es wird m.a.W. bei höherem Druck die Taupunkttemperatur beim Abkühlvorgang eher erreicht und daher bei der Abkühlung bis zu einer vorbestimmten Temperatur mehr Wasserdampf kondensieren
15 als bei niedrigerem Gesamtdruck. Die vorliegende Erfindung kann ferner Energiekosten einsparen, da das Luftzuführorgan während der Vorkühlung der Anlage nicht läuft.
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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Verfahren zum Vorkühlen einer Anlage zur Erzeugung von Tieftemperaturgas, wobei im Normalprozess dieses zu kühlende erste Gas unter Druck (1) in einen ersten Gas weg (3) gespiesen wird, welcher nacheinander über einen Entfeuchter (4), einen Trockner (10) und einen Wärmetauscher (13) führt, und bei welchem ein zweites Gas in Form eines kryogenen Flüssiggases einem zweiten Gasweg (18) zugeführt wird, welcher zwecks Wärmeaustausches zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas vom Wärmetauscher (13) zum Entfeuchter (4) führt, um dabei das erste Gas auf Tieftemperatur abzukühlen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorkühlen der Anlage folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
- Anhalten der Zufuhr (1) des ersten Gases,
- Zuführen des zweiten Gases in den zweiten Gasweg (18) und über den Wärmetauscher (13) in den Entfeuchter (4),
- anschliessendes Zuleiten des zweiten Gases vom Ausgang des Entfeuchters (4) in den ersten Gasweg, um das zweite Gas nacheinander durch den Entfeuchter (4), den Trockner (10) und den Wärmetauscher (13) zu führen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des zweiten Gases am Ausgang des Trockners (10) direkt in die Atmosphäre abgeblasen wird.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (24) des zweiten Gasweges am Entfeuchter (4) über ein Ventil (102) mit dem Eingang (3) des ersten Gasweges am Entfeuchter (4) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (11) des ersten Weges am Trockner (10) über ein Ventilorgan (32) mit der Atmosphäre verbunden ist.
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