CN115135920A - 用于产生经调温的冷气流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生经调温的冷气流的设备，该设备具有储存罐和连接到储存罐的用于从储存罐中抽取液化气体的抽取管路以及整合在抽取管路中的蒸发器单元，该蒸发器单元配备有热交换器表面以使液化气体与传热流体间接地进行热接触，根据本发明其突出之处在于，在储存罐下游并且蒸发器单元上游从抽取管路处分支出液体管路，该液体管路在蒸发器单元下游的输入装置处通入抽取管路，其中输入装置配备有用于检测抽取管路中的温度的传感器以及与传感器操作性连接的用于调节液化气体到抽取管路中的输入的调节阀。

Description

用于产生经调温的冷气流的设备和方法
本发明涉及一种用于产生经调温的冷气流的设备，该设备具有：用于储存深冷液化气体的储存罐；以及连接到储存罐的用于从储存罐中抽取液化气体的抽取管路；以及整合在抽取管路中的蒸发器单元，该蒸发器单元配备有热交换器表面以使液化气体与传热流体间接地进行热接触。本发明还涉及一种对应的方法。
诸如氮气、氧气或二氧化碳的低温介质通常以液态形式储存在隔热罐中。由于消耗器通常需要呈气态形式的所储存的介质，因此在抽取液体之后将所储存的介质转化为气相。这通常借助于空气加热型蒸发器(下文中也称为“空气蒸发器”)来进行。不言而喻，空气加热型蒸发器具有如下缺点：尤其在不利的天气条件下和/或重度负荷的情况下会发生结冰，这可能会导致蒸发器的功能性受到极大影响。
然而还可以使用热交换器来代替空气加热型蒸发器，在热交换器中，液态介质与传热流体发生间接热接触并且在此在传热介质冷却的同时进行蒸发。这样的热交换器例如被设计为管式热交换器或冷却盘管。
在此，在热交换器中尤其还可以使用工艺流体来作为传热流体，该工艺流体在工业流程的过程中作为热介质产生并且在进一步使用之前必须冷却到较低的工作温度。本发明涉及一种这样的传热流体。传热流体在此例如是较热的产品流或冷却介质，尤其是在使用制冷设备的情况下在冷却回路中被引导的冷却水，至少以这种方式通过蒸发低温介质来减轻制冷设备的负荷。使用这样的用于蒸发低温介质的传热流体已被证明是有效的。其至少部分地使得使用者节省了将传热流体单独地冷却到其工作温度的时间和/或避免了在使用空气加热型蒸发器时遇到的上述问题。
然而，使用传热流体控制的热交换器的问题在于，传热流体通常不具有恒定的热含量或传热流体的体积流量不规律。因此所蒸发的低温介质的温度也以难以控制的方式发生波动。然而存在这样的应用情况，即在这些应用情况中需要使用温度稳定的冷气流。例如在使饮料碳酸化的过程中，所谓的碳酸化程度(即能够溶解在饮料中或溶解在制造饮料所用的水中的二氧化碳量)明显与所供应的二氧化碳的温度有关。一般来说，用于此目的的二氧化碳通常以低温的液化状态被提供在低压罐或中压罐中并且在供应给饮料或水之前蒸发。迄今为止人们一直避免在这些情况中使用热含量强烈波动的传热流体来蒸发二氧化碳。此外，需要昂贵的额外装置来调节二氧化碳气体的温度。
因此本发明所基于的目的在于，给出一种基于蒸发深冷液化气体来提供精确调温的冷气流的可能性，其中由于蒸发所造成的温度波动得到了补偿。
该目的通过具有专利权利要求1所述特征的设备并且通过具有专利权利要求6所述特征的方法来实现。
开篇所述类型和用途的本发明设备的突出之处在于：在储存罐下游并且蒸发器单元上游从抽取管路处分支出液体管路，该液体管路在蒸发器单元下游的输入装置处通入抽取管路，其中输入装置配备有用于在蒸发器单元下游检测抽取管路中的温度的测量装置以及与测量装置操作性连接的用于调节液化气体到抽取管路中的输入的调节阀。
在此，测量装置处的温度检测可以在输入装置的上游或下游进行。尤其当在蒸发器单元中使用热量输入不规律或难以预定热量输入的流体来作为传热流体时，根据本发明的设备可以提供温度稳定性较高的冷气流。
传热流体例如是来自冷却回路的冷却介质、例如冷却水。在该冷却回路中，传热流体从过程冷却器流向冷却装置，该冷却装置优选地除了根据本发明的设备的蒸发器单元之外还包括制冷机，在该制冷机中由过程冷却器输入到传热流体中的热量被部分地导出。因此，蒸发器单元减轻了制冷机的负荷或者也可以取代制冷机(例如在制冷机暂时发生故障的情况下，或者如果是通过冷却介质的热量输入不会造成气体的除液化气体蒸发以外的不期望的高度加热)。
为了将液化气体供应到蒸发气体中之后实现快速地混合，特别有利的是，输入装置包括配备有喷嘴或烧结体的并且伸入到抽取管路内部的、液体管路的端部区段。液化气体从液体管路流入喷嘴或烧结体并且以精细分布的方式到喷射到通过抽取管路引导的气体中。液化气体在该处分布在气流中并且快速蒸发。为了实现精细分布而尤其适用的是装配在液体管路的端部区段处的、由金属或陶瓷制成的微孔烧结体，通过其开口将液化气体输入到周围的气流中。
在此，为了还进一步改善输入效率，液体管路的端部区段在抽取管路内优选被定向成使得液化气体逆流地流向抽取管路中的蒸发气体。因此，液体管路的端部区段例如同心地布置在抽取管路的内部并且以其布置有喷嘴或烧结体的通入开口指向抽取管路中的气流。
本发明的特别优选的设计方案提出，蒸发器单元包括：用于使液化气体与传热流体热接触的热交换器；以及与热交换器并行布置的空气蒸发器；以及用于受控地接通和断开热交换器和/或空气蒸发器的开关组件。尤其当通过传热流体的热量输入不足以完全蒸发通过蒸发器单元引导的液化气体时，空气蒸发器才投入使用。这例如可以通过对应的调节回路来确保，该调节回路测量蒸发器单元下游(然而液化气体的输入单元的上游)的抽取管路中的蒸发气体的温度并且当该温度低于预先设定的温度值时接通空气蒸发器，从而使得液化气体的至少一股分流被引导通过空气蒸发器。在这种情况下，蒸发气体在此不应被低于的温度值高于蒸发气体在连接到抽取管路的消耗器中应具有的温度(下文称为“目标温度”)，由此可以通过后续在输入单元处供应液化气体来精确设定目标温度。
贮存在储存罐中的深冷液化气体优选是液态空气气体，例如液氮、液氧或液氩，或者是液态二氧化碳。
一种用于产生经调温的冷气流的方法，在该方法中，从储存罐抽取深冷液化气体，在蒸发器单元中通过与传热流体的间接热交换将深冷液化气体蒸发为蒸发气体流，并且将该蒸发气体流供应给消耗器，其突出之处在于，将来自储存容器的液化气体供应给蒸发器单元下游的输入装置处的蒸发气体流中，其中在此根据蒸发气体的温度来调节所供应的液化气体的量。
在此，在输入装置处供应的液化气体的量以有益的方式根据气体在消耗器处应当具有的目标温度来调节。
因此在根据本发明的方法中，通过以控温的方式供应来自储存罐的液化气体而对蒸发器单元中的已经蒸发的气体进行调温并且将该蒸发气体以精确限定的温度供应给消耗器、例如用于使饮料碳酸化的装置。尤其当在蒸发器单元中传热流体到蒸发气体中的热量输入不规律或难以预测时，可以以这种方式来实现对被传送给消耗器的蒸发气体进行精确的温度调节。
根据本发明的设备或根据本发明的方法优选用途在于在食品工业的过程中产生经调温的冷气流，尤其是用于使饮料碳酸化和/或使产品、包装或容器惰化的装置。该装置或这些装置作为消耗器连接在根据本发明的设备的下游并且连接到用于液化气体的输入装置下游的抽取管路。在此优选使用氮气或二氧化碳来作为经调温的气流。
应借助于附图更详细地解释本发明的实施例。在示意性视图中：
图1：示出根据本发明的设备的线路图；
图2：以纵截面示出用于图1的根据本发明的设备的液化气体的输入系统。
在图1中示出的设备1用于产生经调温的冷气流，该冷气流例如尤其在食品工业中(例如在使饮料碳酸化或使食品惰化的过程中)得到应用。在用于使饮料碳酸化的装置中，将蒸发的二氧化碳供应给饮料并且使其在饮料中至少部分地溶解。所期望的或能够达到的碳酸化程度主要与所供应的气体的温度有关，并且因此在生产中需要有规律地对所供应的气流的温度进行调节。
设备1包括隔热性能好的储存罐2，该储存罐用于深冷液化气体、例如用于液氮或液态二氧化碳。经由抽取管路3将液化气体从储存罐2中抽取出来并供应给蒸发器单元4。
蒸发器单元4包括热交换器5，液态气体与传热流体在该热交换器中实现间接的热接触并且在此进行蒸发。传热流体优选是冷却水或是在工业流程的过程中无论如何都必须被冷却的其他介质并且其多余的热量能够以有利的方式用于蒸发液化气体。在此处示出的实施例中，传热流体是在冷却回路6中被引导的冷却介质。在此，冷却介质依次流过过程冷却器7、制冷机8和热交换器5。因此在此处示出的实施例中，热交换器5主要用于辅助制冷机8，该制冷机还承担在过程冷却器7中被加热的传热流体的大部分冷却工作；然而，在本发明的范围内不排除热交换器定期地或在制冷机6发生故障的情况下完全承担制冷机在冷却回路6中的作用。
在热交换器5中，冷却回路6的传热流体与来自储存罐2的、经由抽取管路3针对热交换器5处于上游的部分而引入的液化气体在热交换器表面9处产生间接的热接触。在此，液化气体蒸发并且其作为蒸发气体进一步流过抽取管路3针对热交换器5处于下游的部分。
针对在热交换器5中从传热流体输入到液化气体的热量不足以完全蒸发液化气体的情况，蒸发器单元4在此处示出的实施例中具有与热交换器5并行布置的空气蒸发器10。调节阀11根据在抽取管路3的针对热交换器5处于下游的区段中的传感器12处测得的参数来控制液化气体到热交换器5和/或空气蒸发器10中的流入，并且该参数尤其是气体在抽取管路3的该区段中的温度或浓度。例如，如果气体在传感器12处的温度低于预定值，则液化气体流完全或部分地被引导通过空气蒸发器10，从而确保气体完全蒸发。
在储存罐2下游、然而在蒸发器单元4上游从抽取管路3分支出液体管路13，该液体管路在蒸发器单元4下游的、在下文更详细地描述的输入装置15处再次通入抽取管路3。液体管路13配备有调节阀16，该调节阀根据在抽取管路3中在输入装置15下游的测量装置17处测得的参数(尤其是蒸发气体的温度)来调节液化气体到通过抽取管路3引导的蒸发气体中的流入。此外，测量装置17也可以布置在输入装置15上游的、然而在蒸发器单元4下游的抽取管路上。
在设备1的运行过程中，从储存罐2中抽取液化气体、使其在蒸发器单元4中蒸发并且将其在连接到输入装置15下游的抽取管路的消耗器14中供应给其预期用途。消耗器14例如是用于使饮料碳酸化的装置。在这种情况下，消耗器中的气体必须以尽可能精确限定的温度(目标温度)到达消耗器14。
然而，通过热交换器5和/或空气蒸发器10输入到蒸发气体中的热量并不总是足够恒定的并且可能随着时间的推移出现波动。通过空气蒸发器10输入的热量尤其与大气因素有关、如环境温度、环境压力或空气湿度，这些大气因素使精确设定抽取管路中的蒸发气体的温度变得困难或者甚至不可能实现。因此，抽取管路3中的蒸发气体的温度在输入装置15的上游与环境温度或冷却介质的温度有关，这取决于调节阀11处的气流是被引导通过空气蒸发器10还是被引导通过热交换器5。然而，蒸发气体的温度在任何情况下都应当高于气体的目标温度。为了补偿温度波动，将在输入装置15处液化的气体直接输入到抽取管路3中的蒸发气体中并且优选将蒸发气体冷却到目标温度。通过调节阀16的温度调节，这能够以较高的精度来实现；因此，设备1可以在将抽取管路3中的蒸发气体供应给消耗器14之前对该蒸发气体进行非常精确的温度调节。同时在将蒸发气体供应给消耗器14之前无需对其进行进一步单独加热或冷却。
在图2中示出了根据本发明的设备1的特别有利的输入系统15。输入系统15布置在蒸发器单元4下游的抽取管路3中。该输入系统包括液体管路13的L形弯曲的端部区段18，该端部区段的一边优选同心地布置在抽取管路3内并且具有与抽取管路3中的蒸发气体的通过箭头19表示的流动方向相反地指向的通入开口20。在通入开口20处装配有扩散体，例如是喷嘴或由金属或陶瓷制成的烧结体21，该烧结体使得液化气体非常精细地分布在蒸发气体流中。由于液化气体非常精细地分布在蒸发气体流中而发生紧密的混合并且液化气体快速蒸发，从而使得在测量装置17处已经存在温度最大程度均匀的气体。
附图标记清单：
1 设备
2 罐
3 抽取管路
4 蒸发器单元
5 热交换器
6 冷却回路
7 过程冷却器
8 制冷机
9 热交换器表面
10 空气蒸发器
11 调节阀
12 传感器
13 液体管路
14 消耗器
15 输入装置
16 调节阀
17 测量装置
18 (液体管路13的)端部区段
19 箭头
20 通入开口
21 烧结体

Claims (8)

1.一种用于产生经调温的冷气流的设备，所述设备具有：用于储存深冷液化气体的储存罐(2)；和连接到所述储存罐(2)的用于从所述储存罐(2)中抽取液化气体的抽取管路(3)；以及整合在所述抽取管路(3)中的蒸发器单元(4)，所述蒸发器单元配备有热交换器表面(9)以使所述液化气体与传热流体间接地进行热接触，其特征在于，
在所述储存罐(2)下游并且所述蒸发器单元(4)上游从所述抽取管路(3)处分支出液体管路(13)，所述液体管路在所述蒸发器单元(4)下游的输入装置(15)处通入所述抽取管路(3)，其中所述输入装置(15)配备有用于在所述蒸发器单元(4)下游检测所述抽取管路(3)中的温度的测量装置(17)以及与所述测量装置(17)操作性连接的用于调节液化气体到所述抽取管路(3)中的输入的调节阀(16)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述输入装置(15)包括所述液体管路(13)的端部区段(18)，所述端部区段配备有喷嘴或烧结体(21)且伸入到所述抽取管路(3)的内部。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述液体管路(13)的端部区段(18)在所述抽取管路(3)内的定向方式为：所述液化气体在其内部逆流地流向包围所述端部区段(18)的抽取管路(3)中的蒸发气体。
4.根据前述权利要求之一所述的设备，所述蒸发器单元(4)包括：用于使所述液化气体与所述传热流体热接触的热交换器(5)；以及与所述热交换器(5)并行布置的空气蒸发器(10)；以及用于受控地接通和断开热交换器(5)和/或空气蒸发器(10)的开关组件(11，12)。
5.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，在所述储存罐(2)中使用空气气体，如氮气、氧气或氩气或者二氧化碳来作为深冷液化气体。
6.一种用于产生经调温的冷气流的方法，在所述方法中，从储存罐(2)抽取深冷液化气体，在蒸发器单元(4)中通过与传热流体的间接热交换将所述深冷液化气体蒸发为蒸发气体流，并且将所述蒸发气体流供应给消耗器(14)，其特征在于，
将来自所述储存容器(2)的液化气体供应给所述蒸发器单元(4)下游的输入装置(15)处的蒸发气体流中，其中根据所述蒸发气体的温度来调节所供应的液化气体的量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据在所述消耗器(14)中要达到的目标温度来调节在所述输入装置(15)处供应的所述液化气体的量。
8.根据权利要求1至5所述的设备的用途或根据权利要求6或7所述的方法用于在食品工业的过程中产生经调温的冷气流的用途。
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