CN1134635C - 可按需调制干冰的卧式干冰喇叭筒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从液态CO₂制备干冰的方法和设备，其中干冰的团聚程度呈可调节的，而且可通过卧式或基本呈水平的干冰喇叭筒连续传送。本发明可在有限的空间内，例如冷冻机进料输送器和冷冻机输送器之间找到具体的应用。

Description

可按需调制干冰的卧式干冰喇叭筒

本发明涉及用于致冷系统的CO₂干冰喇叭筒，具体而言，涉及一种从液态CO₂制备固态CO₂干冰的方法和设备。

通过将二氧化碳压缩至液化压力，液态二氧化碳可在三相点温度-56.6℃和临界点温度31℃之间的任何温度下存在。在约0℃-30℃的温度下，液化压力为505.4psig(3.48MPa)-1045.8psig(7.21MPa)。用作致冷剂的液态二氧化碳通常保持在三相点压力74.7psig(0.52MPa)之上，并在约109°F(42.8℃)的温度下经过压力降转化为固态干冰颗粒。现有制备干冰的设备通常采用节流孔来产生制备干冰的压力降。通常用拥有膨胀区的管包围该节流孔防止干冰在达到使用点的途径中被热空气汽化。这种管称为“干冰喇叭筒(snow horn)”。设置利用现有技术节流孔喷射的干冰喇叭筒是为了从垂直方向向下卸出去冷冻产品，例如，在冷冻机进料输送器和冷冻机输送器之间。它们需相当大的垂直距离，以至需要过长的输送器将进料产品返回送入冷冻机带而不损害产品。如果为减少高度要求而将这些喇叭倾斜，那么它们通常会积累霜冻并且经常不能可靠地卸出制备好的干冰。不可靠的干冰输送意味着产品的冷却不均匀，并且用户不满意。其次节流孔膨胀和伴随的高速干冰和蒸汽流将带来高强噪音使多数操作人员受到刺激。

现有的技术不能成功地解决上述问题。如美国专利NO.4,415,346所述，试图在雪花喇叭筒的直径上钻孔加阻尼孔栓，以在喇叭筒内表面形成强的向下流动。其它如美国专利NO.3,667,242所述，在直径中心之外钻阻尼孔，形成涡流以沿喇叭筒内表面向下流动。

美国专利NO.4,015,440和3,667,242公开了用流入液体作干冰喇叭筒的夹套的方法，其原意图是改进产生的干冰量。这种干冰喇叭筒的喷射节流孔类型与其它的现有装置的类型相同，但发现不大容易阻塞，因为喇叭筒内表面的较温热的液体温度。这种类型的喇叭筒比不加夹套的喇叭筒的费用大，而且不能有效的产生更多的干冰，因为形成的一些干冰以冷却进入的液态二氧化碳而损失。

很多流程试图降低干冰的速度。据称多点会聚喷射能吸收动能，但是缺乏成功的证据。在这类尝试中，如美国专利NO.4,652,287所述，最终采用了常规的膨胀区的干冰喇叭筒。美国专利NO.4,375,755描述了一种利用添加环境空气的干冰喇叭筒，以有助于将产生的干冰从干冰喇叭筒中清除。曾经发现空气冷却形成的冷凝水汽会在表面温度等于或低于32°F的喇叭筒表面经冷却变为冰。这将使流动模式发生变化，最终导致喇叭筒阻塞。

因此，长期感到需要一种可靠的连续操作的干冰喇叭筒用于有限的空间，例如在冷冻机进料输送机和冷冻机输送机之间。现有的干冰喇叭筒通常都强调要在尽可能接近垂直状态下操作，而且没有一个现有技术的喇叭筒能以卧式或以稍微向上倾斜的位置达到可靠连续的操作。即是说，在带式造冰操作中，产品进料供给输送机应足够高于冷冻机带，才能与垂直方向上的喇叭筒高度相配。为了防止产品受损应使冷冻的产品平缓地放置在冷冻机带上，因此需要加长昂贵的输送机才能使产品返到下面的冷冻机带。其次，现有的技术完全没有考虑节流孔膨胀的噪音水平。

考虑到现有技术的问题和缺点，因此本发明的目的在于提供一种可靠而又能连续操作的干冰喇叭筒，能用在例如冷冻机进料供给输送器与冷冻机输送器之间的有限空间。

本发明的另一目的在于提供一种以卧式或稍微向上倾斜的方向能可靠而又连续操作的干冰喇叭筒。

本发明的另一目的在于提供一种能减少操作噪音水平的制备干冰的喇叭筒。

本发明的另一目的还在于提供一种能改变干冰团聚的可调式干冰喇叭筒。

本发明的其它目的和优点可从说明书中反映出来。

专业技术人员将明显看到本发明已达到上述目的和优点，本发明针对从液态CO₂制备干冰方法和设备，本发明之设备包括接收液态CO₂流的进料管；截面大于该进料管的出料管，以分散干冰；和置于该设备内的拥有多条连续的连接通道的多孔部件，使液态CO₂膨胀生成干冰。按照设想，进料管与出料管的连接方式应使进料管的出料端伸入出料管中的长度是可调节的。

另外还设想采用非垂直角度置放的出料管，优选是卧式或基本卧式的方式。并且提供以卧式或基本卧式的出口管来生产干冰的装置。

本发明之特点在其新颖性，本发明的基本特征具体地公布于所附权利要求。附图仅出于说明的目的，因而未按比例画出。但是发明本身，有关机构和操作方法可从下面的与附图相联系的详细说明中得到充分理解，附图包括：

图1为本发明第一实施方案的干冰喇叭筒截面的侧视图，其中团聚段内的多孔板部件处于收缩位置。

图2为图1实施方案的截面侧视图，其中团聚段中的多孔板部件处于延伸的位置。

图3是本发明第二实施方案的干冰喇叭筒的截面侧视图，其中多孔板部件处于团聚段外，液态二氧化碳出料管处于收缩位置。

图3a是图3中进料管的出料端的放大侧视图。

图4是图3实施方案的截面侧视图，其中多孔板部件处于团聚段外，液态二氧化碳的出料管处于延伸位置。

图5是图3实施方案变体的分解透视图，其中液态二氧化碳进料口搭接在干冰喇叭筒长度方向之上。

图6是干冰喇叭筒的液态二氧化碳进口端截面的分解侧视图。

图7是本发明优选的多孔板的正视图。

图8是图7的多孔板的一种实施方案的截面侧视图。

图9是图7多孔板的另一种实施方案的截面侧视图。

本发明优选实施方案的叙述将参照附图1-9，其中相同的数码代表本发明的相同部件。本发明之部件勿需在图上标注尺寸。

曾经发现，利用多孔材料提供压力降可使卧式或其它非垂直位置的干冰喇叭筒能可靠、有效和连续的操作以生产干冰。多孔部件材料可以是任一种能提供多路的、精细的、连续的膨胀通道的材料，优选为两条以上这样的通道。这种材料的非限定性例子包括烧结金属、多孔陶瓷和塑料。这类材料可呈纤维填料的形式，诸如金属细丝，或呈固体，诸如拥有多个钻孔的金属。按照设想，通道的孔径或尺寸大约为300微米，优选的范围约为200μm-300μm，更为优选的范围为200μm以下。每一流道的直径很小，因此每一流道的通过能力比常规节流孔膨胀系统小。虽然这些小膨胀通道的总和和常规节流孔膨胀的总的液态CO₂流量相当，但意外发现，利用本发明的干冰喇叭筒产生的有害噪音远小于利用常规节流孔膨胀的干冰喇叭筒。

本发明设备的第一个实施方案示于图1和图2。这里描述的组件，如无特殊标记，通常由聚乙烯、聚碳酸酯，特氟隆或不锈钢等材料制成。设备20有进料导管或进料管24的进料口22以接收液态二氧化碳。进料管24伸入纵向延伸的干冰喇叭筒出口管或出口外壳21的入口端28，而且其伸入外壳的长度可以调节，这将在下面描述。管24内装有多孔材料，这里所示的是呈圆形的多孔板30，它有相对的平侧面，容纳在进料管出料端26附近的类似状形区。进料管出料端内的多孔板在干冰喇叭筒的漏斗形或锥形扩张壁部分32中形成喷嘴。干冰喇叭筒的延伸部分34有直的不扩张的壁并与扩张部分32相联并延伸到出料管端或边缘36。在端视图中干冰喇叭筒外壳21可以是圆形或多边形(未示出)。无论如何，卸出干冰的出料端36的截面比液态二氧化碳的进料管22要大得多。出料口36处于环境温度和压力之下，并使干冰朝向待急冷或冷冻的产品。

干冰喇叭筒拥有两个功能段-一个团聚段靠近喷入点，相应于扩张部分32，和一个展直段，相应于延伸部分34，它直通干冰出口端36。示于图1和图2的干冰喇叭筒设计成可调的以利用伯努利效应。图1表示的进料管处在全收缩位置，出料端26正好处于扩张段最窄部分，而图2表示的进料管则处于箭头25所示的全延伸的位置，出料端26处于扩张部分较宽的部分。喇叭筒的内部设计应使当喷入点位于喇叭筒后部时(图1)获得较大簇状的较软干冰。而当喷入点前移时(图2)，干冰颗粒将会变小和更致密。

操作时，液态二氧化碳流入入口22，并在经过多孔板部件30的多个细微通道时经受压力降，并以固体和蒸汽混合物的形式喷入喇叭筒或出料管21。虽然不想受制于理论，但据认为，在团聚段中较高速喷射流周围的蒸汽将被接近较高速的物流。然后这个区域的空隙被部分较高速度的物流所充满，从而产生再循环。再循环的量将决定干冰的结构。展直段使流动更加变为层流，并使出口压力平缓，从而减少周围大气的干扰。

当喷射点处于喇叭筒后部(图1)时较高速干冰和蒸汽流周围的静止蒸汽最少。在这种设计方案中可能达到最小的再循环。这种最小的循环使团聚量最小，出口干冰将呈较大簇的较软干冰。当喷射从喇叭筒后部向其内移动时(图2)，喷入的羽状物不能很好与喇叭筒内表面相吻合，这时在较高速注射流的周围将有较大量的“静止”蒸汽存在。在这种设计中将有较多的再循环，并且干冰变成更多的有较小和较致密颗粒的粒状物。此外，随着干冰进入展直区，流动变为平缓，出现更多层流以防止周围大气的干扰。

本发明的干冰喇叭筒的另一种实施方案示于图3-6。虽然出料管或外壳21a的外部表示为圆柱形，其内部仍含有扩张团聚段32和通向出料口36的展直段34。但是不在进口管出料端27附近设置的多孔部件30，部件30却安置在连接进料管段24a和24b的辅助连接件42和43之间，处于干冰喇叭筒外壳之外。这样，在进入进料管22之后，液体二氧化碳在其达到进料管出料喷嘴27之前就开始降压和膨胀。如图3a所示，喷嘴27包括多个扩张节流孔50使二氧化碳的固态和蒸汽的混合物第二次膨胀。

连接件44与外壳进料口48联接，并且内置有软环圈46以密封进料管24b部分。通过松开连接件44可以调节进料管出口喷嘴27伸入团聚段32中的长度。与第一实施方案相同，当喷嘴27收缩到团聚段32(图3)后部时产生干冰低团聚。当喷嘴27向前延伸时干冰颗粒获得较高的团聚。

为了将干冰喇叭筒的出口端的温度保持在CO₂呈固态的温度范围内，希望能有一个保证干冰卸料的辅助措施，正如图5所示，部分液态二氧化碳进料管可沿外壳21a的长度方向保温。液体进料管24a可焊接或搭接，然后填入合适的传热化合物以保证热流与干冰喇叭筒外壳偶合。连接件54，56将管段24c与图3和4的管段24b联接，后者本身通过连接件44与图3和4中的外壳进口48相联。在这个实施方案中，多孔部件30置于图3和4中的连接件44和43之间。在这种设计中管段24c还可以是活动的，以便调节24b。

使液态CO₂通过多条细的、连续的、偶合的通道并使其膨胀生成干冰的措施可包括各种不同的设计。图7表示一个非限制的例子，优选的多孔部件30呈圆板形，在几乎整个板面上贯穿了多个细孔31。如图8所示，这种孔31′可能是最初由粉末制成的烧结金属、塑料或陶瓷的孔隙空间或者是由纤维材料，例如金属细丝之间的空间所组成的连续的偶合通道。另一种方案示于图9，这种孔31′可由板面上的多个贯穿钻孔制成。

为了使产生的干冰以适宜的速度从排料口36排出和消除环境空气对喇叭筒的干扰，要对喇叭筒尺寸和喷射速度进行匹配。以卧式或稍微向上倾斜(例如与水平呈15°)的位置操作的喇叭筒，其垂直安装高度在4吋内。这意味着，在带式造干冰操作时，进料输送器与冷冻机带之间的距离最小。

本发明之干冰喇叭筒亦可在不希望将喇叭筒放置在要求冷却的物品上面的地方找到应用。一个应用例子为冷却装运物，这里不希望在装运的食品上有喇叭筒滴落物和管道霜冻的熔化物。另一应用例子为冷却很细和很轻的产品，如这种情况下用现有技术的千冰喇叭筒，则其膨胀汽速有可能将这种产品吹出其容器。

本发明应用上述结构和操作方式达到所提出的目的。本发明之方法在干冰喇叭筒处于卧式或稍微向上的位置条件下提供可靠操作，与以前方案相比，它能在较为有限的空间中应用。其次，本发明提供了调节方法以制备所需结构的干冰，并提供了制备干冰的膨胀过程的低水平噪音。

虽然对本发明以具体的实施方案作了特定的描述，但对本专业技术人员来说还可对上述描述作出很多代替方案、修改和变化。因此设想在附权利要求中包括了这些代替方案、修改和变化因为其符合本发明的实质范围和精神。

Claims (10)

1.一种从液态CO₂制备干冰的设备，它包括：

用于接收液态CO₂物流的进料管；

截面比该进料管大的出料管，用于分散干冰；和

置于该设备内部的多孔部件，它有很多连续的连接通道，用于使液体CO₂膨胀以生成干冰，其中该进料管和该出料管于该出料管的第一端连接，该第一端与卸出干冰的第二端相对，该进料管拥有一卸料端，其伸入该出料管内，而且其中进料管的卸料端是可调的，以调节伸入到出料管中的长度。

2.权利要求1的设备，其中多孔部件包含选自多孔金属、陶瓷和塑料的材料。

3.权利要求1的设备，其中多孔部件包括具有大量直径约为300μm的通道的圆板。

4.权利要求1的设备，其中出料管包括干冰喇叭筒。

5.权利要求1的设备，其中出料管以非垂直的角度安装，而且该设备适于在该出料管处于这种角度的条件下制备干冰。

6.权利要求5的设备，其中出料管以卧式安装，而且该设备适于在该出料管处于卧式的条件下制备干冰。

7.权利要求6的设备，其中进料管沿其长度的一部分与该出料管保持热接触。

8.一种从液态CO₂制备干冰的方法，它包括下列步骤：

a)提供于非垂直角度的干冰喇叭筒，该干冰喇叭筒有进料管用于接收液态CO₂物流和截面大于该进料管的出料管用于分散干冰，其中该进料管与该出料管于一端连接，该进料管有一伸入该出料管的卸料端，而且其中进料管卸料端是可调的，以调节伸入到出料管中的长度；

b)使液态CO₂通过干冰喇叭筒进料管；

c)使该液态CO₂通过许多细的、连续的连接通道，使液体CO₂膨胀并在干冰喇叭筒出料管中生成干冰。

9.权利要求8的方法，其中许多细的、连续的、连接通道处于选自多孔金属、陶瓷和塑料的多孔部件中。

10.权利要求8的方法，它还包括使出料管底部的温度保持在CO₂呈干冰的温度范围内。

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