CN1129312A - 液体冷冻剂输送装置 - Google Patents

Abstract

一种恒温供应液体冷冻剂到使用地点，例如制冷器的液体冷冻剂输送装置，采用一个过冷却器，为使用安置在冷冻剂源和使用地点之间，其中以响应液体和参考压力之间压差的控制方式膨胀的流体逆向和环状流到冷冻剂。

Description

液体冷冻剂输送装置

本发明涉及将冷冻剂输送到使用地点，例如制冷装置或泵抽系统的装置，特别是，涉及保证输送的冷冻剂在预定温度到达使用地点的装置。

图1示出一种适用于本发明使用地点的典型的常规制冷装置10(即制冷器)。包括一个传送带12，在其上输送要制冷的材料13。传送带12安装在制冷器室14内并具有使用者可调的不同驱动速度。通过许多喷嘴将液体冷冻剂(如氮)喷射到产品13上，喷嘴安装在沿传送带12路径安置的集流腔16上，在图1说明的例中的该传送带自右向左移动。将足够的氮喷射到制冷器室14中，使用温控器和控制阀将其中温度保持在设定的温度。风扇18被安置在整个制冷器室14中，以使气体气氛循环。排气口风扇20将氮气排出室外。

产品13的温度一般每30分钟测量，以保证温度在容许的范围内。周期读数取得后，将制冷器内温度，有时将传送带12的速度调整，目的是使产品13保持在预置温度范围。一般在制冷器室14中的停留时间为3-30分钟，测量输送产品温度的时间为10分钟或更多。所以，使制冷器室14内部温度的任何变化都基于预先13-40分钟所存在的条件下。为此，需要保持制冷器室14中的操作参数尽可能的恒定。这些参数包括：

(1)入口液氮的状态和温度；

(2)输入的产品13温度；

(3)传送带12上产品13的间距；

(4)循环风扇18的速度；

(5)传送带12的速度；和

(6)排气口风扇20的排出速率。除入口液氮的温度之外，所有这些参数都在操作者的控制中，因此，制冷系统包括一个控制进入制冷器室14中的冷冻液氮的装置是重要的。

液氮一般用管子输送到温度在一301°F和-309°F之间的制冷室14中，该温度表示制冷值有3％的误差。被喷射到产品上的液氮滴在行程中猛烈地沸腾，将大部分滴冷到-320°F。在这个冷却过程中产生的气体在-320°F冒出并成为如图1所示制冷器气氛的组分A。液氮滴的剩余部分落在产品上并继续沸腾，导致一个高热转换率。在这个沸腾过程中产生的气体也处在-320°F并成为制冷器气氛的组分B。制冷器气氛的最后组分(C)是从制冷器入口和出口渗入的空气。风扇18增强从产品13的强制对流热转换并具有尽可能高的设定速度，以达到最大的热转换率，但是低于将产品13吹出传送带12的速度。

因为制冷器室内的温度涉及对流热转换，当进入氮温度升高时，更多的氮要沸腾以自身冷却，并使用于产品制冷的较少。但是，可用来迫使对流的冷气体积总量和温度保持恒定。

在图2中，图示的喷射棒30包括一对与多个喷嘴34连通的集流腔32。液氮通过入口35被引进集流腔32，并通过喷嘴34排出喷向在如图1所示传送带12上的产品13。一般，用30或更多喷嘴34以展开横穿传送带12宽度的喷射面积。因为在这个面积上的热转换至少是总制冷的一半，因此必需保持自喷嘴34的液氮输出流量恒定和连续。

在图3中，喷嘴34流量与沿喷射棒30的距离的关系曲线图说明靠近入口35的喷嘴产生比靠近集流腔32末端的喷嘴更大的流量。许多因素影响在每个喷嘴34上的相对排出速率。集流腔32暴露到制冷器气氛中，热以沿集流腔32每单位长度完全恒定的速率转换到液氮上。结果，液氮的温度随其通过集流腔32运动而升高。温度的升高由于连接喷嘴之间每个集流腔32部分中液体流量减小而加剧。从而，每磅氮所吸收的热，在各个连接部分中几何级数上较高。结果，在每个喷嘴上温度和蒸汽压也按几何级数增加。此外，从每个喷嘴34运送的液体与入口35氮的热量成反比。

上述喷嘴34流量分布因素的结果示于图4的曲线图中，图4标出相对于沿集液腔32喷嘴部分的流量。曲线40标出在蒸汽压15流量下降；曲线42在蒸汽压17，而曲线44在蒸汽压19。正如现有技术中那些熟练技术人员所知，汽压较高说明氮温度较高。应注意到曲线44表示作为氮温度升高的结果图2中的喷嘴F完全断流。这样，在入口35处汽压较小的变化可有效地切断喷嘴F和可能还有其它靠近入口35的喷嘴。如果进入入口35的氮蒸汽压(即温度)能保持在恒定值，沿集流腔32整个长度可保持合适的喷射形式。但是，由储气罐供给的液体氮出现(1)作为储气罐中变量的结果，和(2)作为呈现在储气罐和喷射棒之间管道中损失结果的温度变化。实际上，由储气罐来的进入液氮的蒸汽压在蒸汽压上将有很大的变化。

现有技术尝试通过使用“程序放气”并接着增加储气罐中压力来克服蒸汽压变化。放气引起储气罐中压力降低，使液氮最上层沸腾并从液体本身吸热。放气过程效率低，其中气相量损失，被气体湿润的储气罐的壁在排气过程中被冷却到浸润温度。然后在重建过程压力下再加热该壁消耗另外的液体产品。

各种类型的过冷却器被建议用于冷冻剂制冷操作以达到温控。一种过冷却器是温度降低/蒸汽冷凝方式，它在其出口输送过冷液态的液体冷冻剂，即在比该温度平衡汽压更高的压力下冷冻剂离开过冷却器。授予Davis的美国专利4296610和授予Maric的美国专利5079925公开了现有技术的过冷却器装置。这些过冷却器有许多局限性。一般，普通过冷却器设计不提供精密控制出口氮温度的装置，所以不能为普通冷冻操作提供足够能力。但是，这种过冷却器一般作为独立装置设立，并包括复杂的管道系统和储藏罐。

因此，本发明目的是提供一种改进的装置，其中可将冷冻剂提供到使用地点或消耗装置并其中在出口的冷冻剂温度保持在恒定温度。

本发明另一个目的是提供一种改进的过冷却器，它能温控主冷冻剂供料，以使达到恒定温度输出。

本发明还一个目的是提供一种改进的产品冷冻系统，其中提供恒定的入口冷冻剂进料使能充分制冷。

一种冷冻剂的制冷装置包括一个冷冻剂液体储存容器和喷射棒，喷射棒提供一个将冷冻剂液喷到要制冷的产品上的喷射器。供应管道将储存器连接到喷射棒上并具有输送冷冻剂液体的内部管路。安装比供应管道横截面大的过冷却器管道以围绕其长度基本部分上的供应管道，使产生在其中的流动区，出口将流动区连接到相对于供应管道中压力的低压区域。一个阀连接流动区和供应管道的内部管路并使能从供应管道到流动区冷却剂液/蒸汽控流。一个阀控制器将阀连接并对内部管路内容物的蒸汽压和参考压之间的压差响应，以控制阀改变通过流动区和出口的冷冻剂液的流量。流动区中冷冻剂液产生膨胀过冷却供应管道中的冷冻剂液，并在出口产生恒温冷冻剂。

图1是一个典型冷冻剂制冷系统示意图。

图2是一个用在图1制冷系统的典型喷射棒的示意图。

图3是流量与沿图2中的喷射棒距离的关系曲线图。说明通过沿喷射棒安置的喷嘴的流速变化。

图4是喷嘴位置与流量的关系曲线图，表示蒸汽压变化对喷嘴流速的影响。

图5是显示在冷冻剂罐和制冷系统之间的成一线的过冷却器的本发明一个实施方案的示意图。

图6是说明本发明实践中使用过冷却器的一个实施方案的剖面图。

参考图5，含有冷冻剂的罐50通过导管52(即管子)连接到制冷装置90，该装置可以是与图1中图示的装置10类似的。下文中，冷冻剂被认为是氮，但是，在现有技术中熟练的技术人员将认识到本发明可能用任何冷冻剂(即液化氩、氧、氢等和液化气体混合物，如天然气、空气等)。为保持液氮以恒温进入制冷装置90的流入量，围绕管52安置一个成一线的过冷却器54。在过冷却器54的液氮出口处，安装一个控制阀56。在过冷却器54的液氮入口处安装一个与大气连通的排出管58。

过冷却器54包括一个按箭头60所指方向运送液氮的内管。一个更大直径的管套着内管，并包括过冷却器控制阀56，它能在按方向60流动的液氮与围绕内管的环形管之间连通并延长返回朝向排出管58，通过控制操作阀56，基于流出液氮的温度，一些液氮排出到围绕内供应管的环形管中，并按逆流方向流向排出管58。作为这种排出作用结果产生的显著膨胀控制按方向60流动液氮的温度，使液氮保持在恒定温度从过冷却器54流出。

与可在30-40磅/平方英寸范围(PSIG)的内供应管相比，该环形管保持在约0PSIG。通常，冷冻剂可有一个温度范围。与每个温度有关的是蒸汽压，它是保持液相需要的最小压力，而且随温度升高而升高。当压力降低到该蒸汽压力之下时，一部分液体沸腾，从保留的液体主体吸收显热，从而降低其温度。所以，当液体在内供应管中以30-40PSIG排出到保持在接近0PSIG的环形管时，一部分液体必须沸腾从保留的液体主体吸收显热，从而降低其温度。例如，进入过冷却器的液体温度，如在30PSIG和88.4K，当排出到大气压，即0PSIG时将降到77.4K。

参看图6，公开了过冷却器54的细节。图6中的数字相应于图5的共有部件数字。但是，图6中说明的过冷却器按与图5中相反的方向安置来说明。为讨论的目的，假定液氮流入温度为-301°F。管52运送液氮通过过冷却器54，在过冷却区，为改进热转换以金属波纹管62成形。在流出端63，安装过冷却器控制阀56，并在蒸汽球管64控制下操作。蒸汽球管64含有与波纹管66内部连通的气体，波纹管66是在过冷却器控制阀56内部。参考压源67连接到阀入口68并连通围绕波纹管66外部的封闭区70。波纹管66的底面69连接到阀起动轴72，它在上下轴导杆74和76中垂直运动。阀部件78顶着轴导杆76底上一个座安置，当在向下方向推动时，打开围绕轴72的环形物，使液氮能绕轴72周围向上流动，通过水平安置的阀出口73流出并进入围绕管52的环流区80。被引入环流区80的液氮按与管52中氮流动相反的方向流动，如箭头81所示的，并通过排出管58排到大气中。在环流区80中氮产生的膨胀过冷却管52中流动的氮。

阀部件78的控制通过结合参考压力源67操作蒸汽球管64而达到。假定液氮在-301°F(蒸汽压29.7PSIG)流入，需要液氮流出温度-309°F(汽压14.5PSIG)，设置参考压力67到需要的出口蒸汽压14.5PSIG。当出口氮温为-309°F以上而相应的蒸汽压为14.5PSIG以上时，蒸汽球管64中蒸汽压对抗阀56的参考压区70，引起波纹管膨胀，由于这里压力相对较高，向下方向推动轴72。结果，阀部件78向下移动，打开环绕轴72的环形物并使氮通过环形物和通道73逸出进入过冷却器环形流动区80。引入压力降低的环形流动区80(处在大气压下)的液氮猛烈地沸腾，从其本身和在管52中流动的液氮中吸热。

波纹管与波纹管内外之间压力差成比例的膨胀。为此，打开阀部件78，从而容许进入环形物的液氮量与出口液氮的汽压相对于参考压之间的差成比例。由此进入环形物的氮流量被调节，以使保持需要的出口汽压。

结果，达到一种-309°F的恒定液氮流作为流入到冷装置90中喷射棒的流入物。这样，从喷嘴，如图1中所示的喷嘴34流出的规定的液氮量能连续地控制产品的制冷。在环形流动区80中的反向流动冷却液是流动的液流而不象在常规系统中的静止的液池，能够改进热转换。因为在环形管80中的液氮流逆流到冷冻剂流，排出的气体实际上被过热，以使在冷却过程中泄出的气体比常规设计减少约5％。此外，排出的气体可用管子送到制冷装置90(如图5中所示的虚线管61)，以利用所有可得到的制冷作用。

成一线的过冷器54的配置能以小的压差基本上进行热转换，并以需要小的另外空间的方式安装。此外，控制机械是小巧的并基本上是自备的。图6所示类型的过冷却器控制阀可以达到控制精度到所需温度的±0.5°F之内，它能使温度非常精确的液氮流入制冷装置10。该过冷却器可在一个宽范围条件下定尺寸。入口温度可接近临界温度，而出口温度可接近蒸汽压为0PSIG的冷冻剂的温度。通过过冷却器产品的流动速度变化可在20或更大到1的范围。可使用过冷却器控制到泵、制冷器或分析仪的入口温度，该装置可进一步在宽的流速范围内规定大小，范围从0.1GPM到250GPM(加仑/分钟)。

应该理解到，以上描述仅说明本发明。现有技术中的熟练技术人员可作出不同的替换和修改而不脱离本发明。例如，尽管已说明本发明可用于制冷系统，但它可用于需要采用恒温液体冷冻剂的任何系统。所以，本发明力图包括落在所附权利要求范围内的所有替换、修改和变化。

Claims (10)

1.一种冷冻剂消耗装置，包括：

冷冻剂液储存器；

使用上述冷冻剂液的消耗装置；

将上述储存器连接到上述消耗装置的供应管道装置，该供应管道装置具有在提高供应压力下运送所述冷冻剂液的供应管路；

在其长度的主要部分上围绕所述供应管道装置安置的并在其中产生流动区的过冷却器管道装置；

将所述流动区连接到压力比所述供应压力低的空间的排出装置；

连接所述流动区和所述供应管道装置的供应管路的阀装置，使所述冷冻剂液能从所述供应管路到所述流动区控制流动，使冷冻剂液能从所述提高供应压力流到所述低压力空间，在所述流动区引起膨胀并冷却所述供应管路中的冷冻剂液；和

连接所述阀装置并对所述供应管路中所述冷冻剂液的温度变化现象敏感的控制装置，以控制所述阀装置改变通过所述流动区的冷冻剂液的流动，以保持所述冷冻剂液在恒定的流出温度。

2.按照权利要求1的冷冻剂消耗装置，其中所述排出装置位于所述供应管道装置的流动区，而所述阀装置位于所述供应管道装置的流出区。

3.按照权利要求2的冷冻剂消耗装置，其中所述冷冻剂液进入所述流动区的流动通过所述阀装置到所述排出装置，它是以逆流的方式使所述供应管道装置中的所述冷冻剂液流动。

4.按照权利要求1的冷冻剂消耗装置，其中所述控制装置和阀装置包括：

一个可动的波纹管；

围绕上述波纹管的封闭装置；

施加在所述封闭装置和所述波纹管之间区域中的参考压力的装置；

连接所述波纹管并安置在所述供应管路的喷嘴口与所述流动区之中的一个阀，以控制所述冷冻剂液从所述供应管路流入所述流动区；和

控制所述波纹管中压力状态的装置，所述压力状态依赖于所述供应管路中所述冷冻剂液的温度。

5.按照权利要求4的冷冻剂消耗装置，其中所述控制装置包括：

一个与所述供应管路中所述冷冻剂液联通安置的蒸汽压力球管，所述蒸汽压力球管含有所述冷冻剂液的气态料，它与所述波纹管内部区直接气态联通，所以，这些料根据所述冷冻剂液温度变化造成的蒸汽压的改变引起对着所述参考压力工作的所述波纹管的膨胀或收缩。

6.一个成一线的过冷却器，包括：

具有在提高供应压力下运送冷冻剂液到出口的供应管路的供应管道装置；

在其长度基本部分上围绕所述供应管道装置安置并在其中产生流动区的过冷却器管道装置；

将所述流动区连接到压力比所述供应压力低的区域的排出装置；

连接所述流动区和所述供应管道装置的所述供应管路的阀装置，使冷冻剂液能从所述供应管路到所述流动区控制流动，使冷冻剂液能从所述提高供应压力流到低压力，引起膨胀并冷却所述供应管路中的冷冻剂液；和

连接所述阀装置并对在出口的所述冷冻剂液的温度变化现象敏感的控制装置，以控制所述阀装置改变通过所述流动区的冷冻剂液的流动，以使保持所述冷冻剂液恒定的流出温度。

7.按照权利要求6的成一线的过冷却器，其中所述排出装置位于所述供应管道装置的流动区，而所述阀装置位于所述供应管道装置的流出区。

8.按照权利要求7的成一线的过冷却器，其中所述冷冻剂液进入所述流动区的流动通过所述阀装置到所述排出装置，它是以逆流的方式使所述供应管路中的所述冷冻剂液流动。

9.按照权利要求8的成一线的过冷却器，其中所述控制装置和阀装置包括：

一个可动的波纹管；

围绕上述波纹管的封闭装置；

施加在所述封闭装置和所述波纹管之间区域中的参考压力的装置；

连接所述波纹管并安置在连接所述供应管路的喷嘴口与所述流动区之中的一个阀，以控制所述冷冻剂液从所述供应管路到所述流动区的流动；和

控制所述波纹管中压力状态的装置，所述压力状态依赖于所述供应管路中所述冷冻剂液的温度。

10.按照权利要求9的成一线的过冷却器，其中所述控制装置包括：

一个位于所述供应管路中所述冷冻剂液联通的蒸汽压力球管，所述蒸汽压力球管含有所述冷冻剂液的气态料，它与所述波纹管内部区直接气态联通，所以，所述料的蒸汽压根据所述冷冻剂液温度变化造成的改变引起对着所参考压力工作的所述波纹管膨胀或收缩。

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