CN1889859A - 通过与液化气体直接接触以冷却流体的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于冷却液态的、可能还包含固体成分的流体的方法，该方法包括将所述流体供给到所述流体的容纳部件(4)内，并将液态的冷却流体例如液化气体也供给到所述部件内；所述流体在所述容纳部件内直接接触，从而所述冷却流体通过吸收热量转变成气态，并冷却待冷却的液体，然后将这些流体通过单独的管路从所述部件中直接取出。此外还提出了用于实施所述方法的设备。
Description
发明领域
本发明涉及一种根据相应独立权利要求的前序部分的用于冷却流体的方法和设备。
本发明提供一种通过冷却流体来冷却可能还含有固体成分的液态流体的方法和设备，该冷却流体由液化气体如N2、CO2、Ar或它们的混合物组成，并且，该冷却流体在换热之后转变成气态或蒸汽态。
背景技术
众所周知，为了冷却液体，通常使用具有位于冷却流体和待冷却流体之间的分隔面的装置或设备。但是，该方案必定意味着总换热系数低，并且由于这些流体与分隔面之间的摩擦使流体受到机械作用。如果这种现象会使待冷却的流体的感观特性降级——例如在压制的葡萄浆液的情况下——则该机械作用限制了此类装置的使用。
从同一申请人的一个在先专利中已知一种使用液化气体冷却流体的方法。该专利(IT1313938)说明了一种以受控的方式使用液化气体作为冷却剂来冷却液体的方法，所述液体可能还包含固体物。该方法包括将所述待冷却的液体送入容纳部件内，并将适当量的液化气体送入所述部件内，以便该液化气体与所述液体直接接触，这种接触导致液化气体转变成气相并冷却该液体，然后，从容纳部件中取出所述气体或蒸汽以及所述被冷却的液体。
在该现有专利中，设置有管路以用于将被冷却的流体和气体或蒸汽传送到在其中分离这两种流体的装置，该被冷却的流体和气体或蒸汽由在其中进行换热的装置在换热期间产生。流体以高速穿过管路，以便被冷却的液体或两相固-液混合物和处于气态或蒸汽态的冷却流体两者被同时传送。
即使待冷却的液体的特性使得可以实现上述方法，但任何所包含的固体部分可能由于高速而在管路中遭受破坏，在压制的葡萄浆液的情况下对葡萄造成的损坏就是一个非限制性示例。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冷却可能还含有固体成分的液体的方法和设备，这是对类似的已知方法和设备的改进。
本发明的另一目的是提供一种与类似的已知设备相比使用更紧凑的装置并且操作形式简化的设备。
通过根据所附权利要求的方法和设备可以实现熟悉本领域的人员显而易见的这些以及其它目的。
附图说明
从通过非限制性示例给出的附图中可以更清楚地了解本发明，在图中：
图1是根据本发明的设备的示意图；
图2示出图1的设备的液化气体注入器；
图3、4和5示出图1的设备中所使用的液化冷却气体和气体或蒸汽的供给管路的三种变型。
具体实施方式
参照所述附图，其中示出管路1包括抽取待冷却液体(容纳在它自身的罐体内或存在于传送管路中，未示出)的泵2。从泵2延伸出具有阀3a的管路3，通过该管路3将待冷却的液体送到容纳和换热部件(或冷却器)4，在该部件4中待冷却的液体与从液化气体自身的存储罐5取出的液化气体直接接触，该液化气体经由设置有三通阀8的一个或多个管路6(其中仅有一个在附图中示出)和将液化气体送入冷却器4的注入器7被取出。图2中所示的注入器7的尺寸制成为，使得在来自管路6的确定量的液化气体已经通过部位7c之后该液化气体通过一定尺寸的孔7a。
在图2中，参考标号7b指示用于连接到其余的管路6或阀8的已知的活动系统(例如环形螺母)。
如果罐体5内的压力不足以将液化气体注入到冷却器4内，则具有用于提供必要压力的合适特性的泵被连接到管路6中，所述泵在图中未示出。
作为示例，该冷却流体为液化气体，如N2、CO2或Ar。
设置有阀10的气体或蒸汽管路9连接到已知为三通类型的阀8。当阀8关闭沿管路6的液化气体通道时，气体或蒸汽——而不是液化气体——被注入器7注入到冷却器4内。
当不要求经由注入器供给液化气体时，因为存在以下的风险：即，当将注入器7与管路6连接时，在液化气体与待冷却液体之间会发生接触，从而可能由于获得低温而冻结待冷却液体，并且随后阻塞注入器7，因而阻止注入器7的正确操作，所以，以上述方式供给气体或蒸汽以防止注入器7沿部位7c填充有冷却液。
图3和4示出用于在液化气体不通过注入器7时将气体或蒸汽注入到注入器7内的两种可选方案。
具体地，在图3所示的方案中，三通阀由两个单向阀代替，一个连接到管路6内，一个连接到管路9内；采用此方案，当要注入液化气体时，打开阀8a并且关闭阀10；反之亦然，当要注入气体时，关闭阀10并且打开阀8a。
当管路9中的气体或蒸汽的压力小于管路6中的液化气体的压力、并且大于冷却器4中的压力时，可使用图4中示出的方案，该方案采用单向止回阀10a代替图1和3中示出的阀10，该单向止回阀10a允许气体或蒸汽在阀8a关闭时通过。
从上文所述可以看出，注入器7始终被液化气体或者气体或蒸汽通过，从而可以防止在部位7c内出现待冷却的液体。
图5示出一种方案，该方案不使用具有一定尺寸的孔7a的注入器7，而是仅使用一个控制阀8b来分配液化气体。
在冷却器4中，在高于大气压力的压力下液化气体与待冷却液体发生直接接触。在冷却器中安装有用于测量过程参数的已知的部件，例如一个或多个温度指示器13、液位指示器12以及压力指示器11。
在冷却器4的顶部安装有具有相关阀(relative valve)19的排放管路18，以排空由液化气体产生的气体或蒸汽，该气体或蒸汽是在冷却器4中由于换热而形成的。通过适当地调节阀19的开度，可以调节容纳部件4内的压力，正如将要说明的，该压力用于经由管路14将被冷却的液体推出容纳部件4。
可以将在冷却器4中形成的气体或蒸汽的一部分通过管路22从管路18中抽出，利用来自具有阀25的管路24(连接到合适的罐体或其分配管路)的动力流体，并且在已知的注入器23的帮助下，将此部分气体或蒸汽送入冷却器4的底部，以便充分混合冷却器4内的待冷却液体和液化气体。例如，注入器23是被称为文丘里管的膨胀-压缩管路，但是也可以是任何其它的在没有动力流体帮助的情况下利用电动机械能将蒸汽从冷却器4中抽入并压缩的机构。
被冷却流体的排放管路14位于冷却器的底部，并设置有阀15和用于供给流化(fluidifying)气体或蒸汽的具有相关阀17的管路16。供给此流化气体或蒸汽的目的是为了即使在管路14中的液体保持静止而不流动时也使其中的液体混合。
此方法意味着由于该混合作用，当要使被冷却的液体继续流动时，冷却器4中的压力必须克服的摩擦力是动的而不是静的，众所周知，动摩擦小于静摩擦，所以在此情况下重新恢复流动所要求的压力比不混合液体的情况小，因此初始的流动恢复速率比没有进行流体化的情况低，所以可以更缓慢地改变工作状态，从而将系统振动限制在流体动力平衡附近。
在冷却器4的底部还安装有具有相关阀21的管路20，以便为了使待冷却的液体和冷却气体在冷却器内充分混合在一起而可能添加气体或蒸汽。
为了控制冷却过程，本发明包括控制单元(未示出，包括例如电子处理器和/或可编程单元或PC)以及其它已知的电动机械部件，其目的在于将设备的部件(如阀8、10、15、17、19、21、25以及泵2)按要求设置以使设备根据下文所述的逻辑适当地运行。
所述控制单元(未示出)接收所测量的参数的值，例如来自指示器13的温度、来自指示器12的液位以及来自指示器11的压力，并且根据系统具有的已知算法式处理所测定的值。处理所述算法式的结果是对所述部件在运行期间的状态(例如阀的位置，即打开/关闭/部分打开等)的确定，该状态由系统借助于连接到设备的活动部件(例如阀)的已知的受控电动气动部件来实现。
下面通过非限制性举例说明一种操作本发明的可选方法。
迫使待冷却的液体通过设备3并进入冷却器4，在该冷却器中液体的液位由指示器12测定，温度由探针13测定。液位指示器12通过算法关系与连接在管路18内的阀19相联系，该算法关系使阀19的确定的开度与由指示器12测定的冷却器4中的流体液位相关联。具体地，可以利用不同的关联算法，但是所有关联算法都具有下列特征：
—阀19的较小开度对应于较高的液位；
—阀19的完全关闭对应于所选定的作为运行所允许的最大值的液位。
温度指示器13连续地测定冷却器4中的流体混合物，即待冷却液体、液化气体以及液化气体蒸汽的温度，如果该温度值大于所要求的设定值，则控制单元将液化气体经由连接到一个或多个注入器7的一个或多个管路6供给到冷却器4内。
在液化气体不通过这些注入器7的特定时间内，通过正确地设置三通阀和打开阀10而使气体或蒸汽经由连接到注入器的管路9通过注入器；可选地，如果不设置三通阀3而是采用图3和4所示的方法中的一个，则如果所采用的方法是图3中所示的，则通过关闭阀8a和打开阀10来实现连接，或者如果所采用的方法是图4所示的，则只关闭阀8a就可以。
在冷却过程开始时，由泵2压入冷却器4内的待冷却的液体开始填充该冷却器，并且，当其液位到达最小阈值时——这可以由控制单元在任何特定时刻确定——该控制单元打开阀15，并且可能还打开连接在管路16内的阀17，以便在内部压力允许的情况下使冷却器4中所容纳的被冷却的液体流出并供给到需要的地点。
主要在被冷却液体具有高粘度、因而具有相当大的运动阻力并要求冷却器4内的压力很高的时候，打开阀17。
随着待冷却的液体持续被供给，冷却器4内的液位持续升高。鉴于液位和阀19的开度之间的关系，以及因此在离开管路18的蒸汽中产生的压降(压差)，在某一时刻可以在冷却器中获得足以克服通过传送管路14的压降的压力。当获得此压力时，被冷却液体开始通过管路14离开冷却器。
为了更好地理解前面所述的，应该指出，因为如果被冷却液体不流出或流出的速率低于入口速率，则冷却器内的液位上升，所以可以获得所述足够的压力，然后，由于所测量的液位和连接在排放管路18内的阀19的开度之间的算法关系，该排放管路18用于在液化气体和待冷却液体之间通过换热所产生的气体或蒸汽，阀19趋向于关闭以提供气体或蒸汽的排出阻力，因此在冷却器4内产生注入被冷却液体所必须的和足够的压力。
该压力稳定在一个值上，从而可以使要获得的被冷却液体的出口流量与入口流量相等，这意味着具有恒定的液位，因此，如果与此同时由待处理的制冷剂流体产生的气体或蒸汽的流动也没有变化，并且阀19的开度恒定，则在冷却器内实现流体动力平衡状态。
流体动力平衡状态所涉及的参数——例如内部压力、流体液位和/或阀19的开度——的值可以依据相关流体——液化气体和待冷却液体——的流体动力特性、流量以及被冷却液体为到达位于管路14下游的它的下一目的地所必须克服的压降而随时间改变。
以此方式构造的本发明通过注入一定量的液化气体而持续地运行，该量对于按要求冷却通过冷却器4的液体是必须的和足够的。
如果待冷却的液体的粘度和/或密度使得由液化气体产生的并且通过冷却器4内容纳的流体主体的气体或蒸汽的混合不足以进行均匀冷却，则通过经由管路20和阀21将足以达到此目的的一定量的气体或蒸汽供给到冷却器内，可以实现所要求的混合。
实现充分混合并且同时限制要添加的气体或蒸汽量的另一种方法是以下列方式利用管路22、24、26、注入器23以及阀25。
通过将阀25打开到一定程度，会使确定量的气体或液体经由管路24进入注入器23以用作动力流体，注入器23通过在管路22内产生真空，从管路18抽取气体或蒸汽并将它与动力气体或蒸汽混合，该混合流体经由管路26被供给到冷却器4的底部，从而获得足够的混合度。
在冷却过程结束时，可以简单地通过以下过程排空冷却器的内容物：不供给待冷却的液体、关闭阀3a和阀19，并且将气体、蒸汽或液化气体供给到冷却器内直到产生的压力足以将冷却器内容纳的所有被冷却的液体排出。
Claims (22)
1.一种通过使用由罐体(5)中容纳的液化气体组成的冷却流体来受控地连续冷却液态流体的方法，所述待冷却的液体为食物类或其它类型，所述液体是单相或多相的并且可能还包含固体物，所述方法包括：将所述待冷却的液体供给到容纳和换热部件(4)内，并将从通过至少一个管路(6)连接到所述部件(4)的罐体(5)中取出的适当量的冷却流体例如液化气体也供给到所述部件(4)内，所述冷却流体在所述部件内与所述待冷却的液体直接接触，所述接触导致冷却流体转变成气相或蒸汽相，并且导致所述待冷却的液体被冷却，其特征在于，所述气态的冷却流体和所述被冷却的液体随后是以一种已经分离的方式被直接从容纳部件(4)取出的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在高于大气压的压力下所述冷却流体或液化气体与所述待冷却的液体之间发生接触。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对供给到所述容纳和换热部件(4)的冷却流体或液化气体进行加压。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述容纳和换热部件(4)中的压力用于将被冷却的液体从所述部件排出。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过位于一排放管路内的阀(19)利用压降来调节容纳和换热部件(4)中的压力，该排放管路用于在与待冷却的液体进行换热之后转变成气相的液化气体。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述容纳和换热部件(4)中的压力根据所述部件(4)中的待冷却液体的液位进行调节。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液化气体选自N2、CO2以及Ar。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将被冷却的液体和在换热之后处于气相的液化气体从所述容纳和换热部件(4)的上端部和下端部取出。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将气体或蒸汽引入所述容纳和换热部件(4)以利于所述待冷却的液体和所述液化气体之间的混合。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所引入的气体或蒸汽与所述液化气体为相同类型。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所引入的气体或蒸汽与所述液化气体为不同类型。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，持续地控制所述容纳和换热部件(4)内的流体的温度、压力以及液位。
13.如权利要求9和12所述的方法，其特征在于，根据所述容纳和换热部件内的待冷却的液体的物理特性，将气体或蒸汽引入该部件。
14.一种用于实施权利要求1所述方法的设备，所述设备包括液化气体的罐体(5)，所述罐体(5)通过至少一个管路(6)连接到容纳和换热部件(4)，至少一个用于供给待冷却的液体的管路(3)连接到所述部件(4)，所述待冷却的液体设置成在所述容纳和换热部件(4)的内部被冷却，所述部件(4)包括单个内部腔室，上述管路(3、6)连接到该腔室，并且液化气体与待冷却的液体在该腔室内直接接触，其特征在于，所述部件(4)包括排放管路(14、18)，所述流体在相互直接接触之后通过该管路被分别取出。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，用于液化气体的管路(6)经由具有一定尺寸的孔(7a)的注入器(7)而连接到所述容纳和换热部件(4)，以便所述液化气体进入所述部件内。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，用于液化气体的管路(6)利用具有流动控制阀的管连接到所述容纳和换热部件(4)。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，在所述注入器(7)的上游一管路(9)连接到液化气体管路(6)，该管路(9)用于在液化气体停止通过管路(6)流向所述容纳和换热部件时，将气体或蒸汽供给到所述注入器。
18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述排放管路(18)连接到包括管路(22、26)和注入器(23)的回路单元，以便从所述排放管路(18)抽取所述气体或蒸汽的一部分，并注入到所述容纳和换热部件(4)内，以有利于所述液化气体与待冷却的液体的混合，通过所述排放管路(18)取出在与待冷却的液体进行换热之后已经转变成气相的液化气体。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述回路单元连接到动力流体的供给管路(24)。
20.如权利要求18所述的设备，其特征在于，包括连接到所述容纳和换热部件(4)的下部的另一管路(20)，以便将气体或蒸汽供给到所述部件内，以有利于混合所述液化气体与待冷却的液体。
21.如权利要求14所述的设备，其特征在于，用于从所述容纳和换热部件排放冷却流体的管路(18)包括使所述部件的内部的压力可调节的阀部件(19)。
22.如权利要求14所述的设备，其特征在于，包括与测量装置相连的设备控制装置，该测量装置用于测量所述容纳和换热部件内的液体的温度(13)和/或压力和/或液位。
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