DE102005013140A1

DE102005013140A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines kalten Gasstroms

Info

Publication number: DE102005013140A1
Application number: DE200510013140
Authority: DE
Inventors: Paul Grohmann
Original assignee: Messer Austria GmbH
Current assignee: Messer Austria GmbH
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines kalten Gasstroms. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Verdichter und einen in einer Druckkammer befindlichen Kühler zum Abführen der Kompressionswärme sowie eine Düsenanordnung. Durch die Entspannung des verdichteten und gekühlten Gases in der Düsenanordnung entsteht ein kalter gerichteter Gasstrom. In einer Weiterbildung derr Erfindung weist die Druckkammer eine Zuführeinrichtung für ein tiefkaltes Flüssiggas in das verdichtete und gekühlte Gas sowie eine Expansionsturbine auf, die durch das Gasgemisch, das aus dem komprimierten Gas und dem durch die Verdampfung des zugeführten Flüssiggases angetrieben wird. Die aufgenommene Energie wird zum Antreiben des Verdichters eingesetzt. Der entstehende Kaltstrom kann zur Erzeugung von Kunstschnee oder kaltem Gas eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines kalten Gasstroms.

Kalte Gasströme finden in einer Vielzahl unterschiedlicher Bereiche Verwendung, beispielsweise im Bereich der Prozesskühlung oder bei der Lagerung von temperaturempfindlichen Waren. In vielen Fällen werden Ventilatoren oder Wirbelrohre eingesetzt, um kalte Luftströmungen zu erzeugen. Beispiele für die Erzeugung kalter Gasströme finden sich auch bei der Herstellung von Kunstschnee. So ist aus der DE 200 14 240 U1 eine Verdüsungsvorrichtung u.a. für die künstliche Beschneiung bekannt, bei der in einem Strömungskanal eine Verdüsungseinheit sowie ein motorgetriebener Luftumwälzer angeordnet ist, um einen starken Gasstrahl zur Verdüsung einer Flüssigkeit zu erzeugen. Derartige Systeme eignen sich zur Erzeugung von künstlichem Schnee bei tiefen Temperaturen, d.h. 0°C und weniger. Um die Erzeugung von künstlichem Schnee auch bei Temperaturen deutlich über dem Gefrierpunkt zu ermöglichen, wurde in der DE 199 62 639 C2 vorgeschlagen, den Gasstrom mittels eines kryogenen Kältemittels zu kühlen. Zur Erzeugung des Gasstromes kommt dabei üblicherweise ein Propeller zum Einsatz. Die Reichweite eines solcherart erzeugten Gasstroms ist jedoch auf eine relativ kurze Distanz beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gerichteten Strom aus kaltem Gas zu erzeugen, der sich insbesondere auch zur Schneeherstellung eignet.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das zu kühlende Gas zunächst in einem Verdichter komprimiert. Die dabei entstehende Kompressionswärme wird in einer Kühleinrichtung abgeführt. Das komprimierte und gekühlte Gas wird anschließend entspannt, kühlt sich dabei weiter ab und wird in der Düsenanordnung in Form eines kalten gerichteten Gasstroms ausgetragen.

Bei der Kühleinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Einrichtung, bei dem die Wärme auf das gleiche oder ein anderes Medium, etwa Wasser, indirekt, beispielsweise durch einen Wärmetauscher, oder direkt übertragen wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kühleinrichtung eine Flüssiggaszuleitung, die in eine mit dem Verdichter strömungsverbundene Druckkammer einmündet. Das verdichtete Gas wird also in die Druckkammer geleitet und dort mit einem Flüssiggas beaufschlagt. Das Flüssiggas kann dabei aufgrund seines Drucks im flüssigen Zustand vorliegen, wie beispielsweise unter Druck verflüssigtes Kohlendioxid, und/oder aufgrund seiner tiefen Temperatur, wie beispielsweise Flüssigstickstoff oder tiefkalt verflüssigtes Kohlendioxid. Das eingesprühte Flüssiggas verdampft in der Druckkammer und kühlt das verdichtete Gas ab. Die Expansion des verdampfenden Flüssiggases erhöht den Druck des verdichteten Gases; das dabei entstehende Gasgemisch wird anschließend in der Düsenanordnung entspannt, wobei es sich weiter abkühlt.

Besonders vorteilhaft ist eine der Düsenanordnung zugeordnete Expansionsturbine, die einen Teil der durch die Expansion des Gemisches aus zu kühlendem Gas und verdampftem Flüssiggas frei werdende Energie aufnimmt. Die durch den Gasstrom angetriebene Expansionsturbine dient der Erzeugung von Energie und kann insbesondere den Verdichter antreiben oder zur Erzeugung von Strom in einem Generator eingesetzt werden.

Um die Verdichtung des zu kühlenden Gases weiter zu verstärken, ist dem Verdichter ein einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein Motor zugeordnet.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Düsenanordnung oder der Druckkammer eine Einrichtung zur Zuführung eines zu versprühenden Mediums zugeordnet ist. Das zugeführte, gasförmige, flüssige oder aus Festkörperpartikeln bestehende Medium wird im Strom des Gasgemisches zugleich gekühlt und fein verwirbelt. Wird als Flüssigkeit Wasser eingesetzt und bei der Verdüsung der Schmelzpunkt des Wassers unterschritten, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so auch zur Erzeugung von Kunstschnee, insbesondere auch bei Umgebungs temperaturen oberhalb von 0°C, eingesetzt werden. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten oder auch Festkörperpartikel zum Einsatz kommen.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Verfahren zur Erzeugung eines kalten Gasstroms mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Gas komprimiert, das komprimierte Gas zur Ableitung der Kompressionswärme gekühlt und anschließend in einem gerichteten Gasstrom ausgetragen.

Vorteilhafterweise wird das komprimierte Gas einer Druckkammer zugeführt, in die ein Flüssiggas, also ein Gas im verflüssigten Zustand, eingesprüht wird. Das eingesprühte Flüssiggas vermischt sich mit dem zu kühlenden Gas und verdampft, wobei das zu kühlende Gas aufgrund der Expansion des verdampfenden Flüssiggases und/oder dessen niedriger Temperatur abgekühlt wird. Auf diese Weise kann auch die Kompressionswärme ganz oder teilweise aus dem Gas abgeführt werden, falls dies bereits nicht zuvor in einer separaten Kühleinrichtung erfolgt ist.

Die durch die Verdampfung des zugeführten Flüssiggases hervorgerufene Expansion kann vorteilhafterweise zur Erzeugung von Energie eingesetzt werden, die beispielsweise zum Antreiben des Verdichters oder zum Erzeugen von elektrischer Energie verwendet wird.

Eine weiterführende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dem gekühlten Gasgemisch ein Medium zuzuführen um dieses zu versprühen. Bei dem Medium kann es sich um ein gasförmiges, flüssiges oder aus Festkörperpartikeln bestehendes Medium handeln. Ein besonders geeignetes Medium ist Wasser, das bei einer hinreichend tiefen Temperatur des aus dem zu kühlendem Gas und verdampftem Flüssiggas bestehende Gasgemisches gefriert und im gerichteten Gasstrom als ein Strom aus Eis- bzw. Schneeteilchen ausgebracht wird.

Als Flüssiggas wird zweckmäßigerweise ein tiefkalt verflüssigtes Gas zugeführt. Als „tiefkalt verflüssigt" werden hier solche Gase bezeichnet, die aufgrund ihrer niedrigen Temperatur im flüssigen Zustand gehalten werden, wie beispielsweise verflüssigte Luft oder Flüssigstickstoff oder tiefkalt verflüssigtes Kohlendioxid. Alternativ oder ergänzend zum Einsatz von tiefkalt verflüssigten Gasen kann auch ein Flüssiggas zum Einsatz kommen, dessen flüssiger Zustand aufgrund eines hohen Drucks aufrechterhalten wird, wie beispielsweise unter Druck verflüssigtes Kohlendioxid. Im zuletzt genannten Fall kann durch eine geeignete Wahl der Parameter, wie Druck und Menge des zugeführten Kohlendioxids und der Temperatur des in der Druckkammer entstehenden Gemisches, der Gasstrom so ausgebildet werden, dass das Kohlendioxid vollständig in die Gasphase übergeht oder aber ein Teil in Form von Trockeneisteilchen auftritt.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
Die einzige Zeichnung (1) zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Kunstschnee in einer teilweise aufgeschnittenen Seitenansicht.
Die in der Zeichnung gezeigte, im Wesentlichen axialsymmetrische Vorrichtung 1 umfasst eine Einlassöffnung 2 für ein zu kühlendes Gas, an die sich stromab ein Verdichter 4 anschließt. Bei dem Verdichter 4, dessen Aufgabe darin besteht, der einströmenden Luft Energie zuzuführen und sie so zu verdichten, kann es sich beispielsweise um einen Radialverdichter handeln, wie er in ähnlicher Form auch bei kleinen Strahltriebwerken eingesetzt wird. Stromab vom Verdichter 4 befindet sich eine Druckkammer 6, in der ein Kühler 5 angeordnet ist, der zum Abführen der bei der Verdichtung erzeugten Kompressionswärme dient. Bei dem Kühler 5 kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher handeln, bei dem die Kompressionswärme der eingesaugten Luft mittels Wasser oder einem anderen Kühlmedium abgeführt wird. An die Druckkammer 6 schließt sich eine Turbine 8 an. Die Turbine 8 ist über eine Welle 11 mit dem Verdichter 4 verbunden und in der Lage, diesen anzutreiben. Stromab von der Turbine 8 ist eine Düsenanordnung 9 angeordnet, die in einer Auslassöffnung 10 ausmündet.
In die Druckkammer 6 mündet eine Zuführung 12 für ein Flüssiggas ein. Im Ausführungsbeispiel dient die Zuführung 12 der Zufuhr eines tiefkalten Flüssiggases, beispielsweise Flüssigstickstoff. Demgemäß ist die Zuführung 12 mit einer hier nicht gezeigten thermischen Isolierung versehen. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, ein unter Druck verflüssigtes Gas, beispielsweise Kohlendioxid, durch die Zuführung 12 einzubringen, das sich aufgrund seiner Entspannung in die Druckkammer in die Druckkammer 6 stark abkühlt.
Beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Vorrichtung 1 wird ein Gas – im Ausführungsbeispiel Umgebungsluft – durch die Einlassöffnung 2 eingesaugt und im von der Turbine 8 angetriebenen Verdichter 4 auf einen Wert von beispielsweise zwei bis 20 bar komprimiert. Zur Erhöhung der Verdichtungsleistung ist dem Verdichter 2 ein Motor 14 zugeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln kann. Durch die Kompression wird das Gas auf eine Temperatur von 30° bis 200°C erwärmt und in die Druckkammer 6 geleitet. Die dabei dem Gas zugeführte Kompressionswärme wird zum großen Teil im Kühler 5 abgeführt; das Gas besitzt anschließend eine Temperatur von 25° bis 60°C. Danach wird in die komprimierte und gekühlte Luft durch die Zuführung 12 Flüssigstickstoff eingeleitet. Durch den thermischen Kontakt mit der vergleichsweise warmen Luft verdampft der zugeführte Stickstoff schlagartig. Das Verdampfen des Stickstoffs führt zu einer Druck- und Volumenvergrößerung, die über die Turbine 8 und die Düsenanordnung 9 abgebaut wird. Gleichzeitig kühlt sich die komprimierte Luft aufgrund der tiefen Temperatur des Stickstoffs, aufgrund der bei der Expansion des Stickstoffs benötigten Kälteleistung sowie aufgrund der eigenen Expansion stark ab. Es entsteht ein starker Strahl kalter, mit Stickstoffgas vermischter Luft, der an der Austrittsöffnung 10 aus der Vorrichtung 1 austritt. Die bei der Strahlerzeugung in Drehbewegung versetzte Turbine 8 treibt über die Welle 11 den Verdichter 2 an. Die Leistung des Motors 14 wird lediglich dazu genutzt, die Verdichtung der Luft weiter zu verstärken; im Rahmen der Erfindung ist der Motor 14 nicht unbedingt erforderlich. Die Turbine kann stattdessen auch zur Erzeugung von elektrischem Strom in einem Generator eingesetzt werden.
Zur Erzeugung von Kunstschnee ist in der Düsenanordnung 9 eine Einspritzdüse 15 für Wasser vorgesehen. Durch die Einspritzdüse 15 wird Wasser in den Kaltluftstrom eingeführt, von diesem mitgerissen und dabei gleichzeitig zu feinen Tröpfchen vernebelt und abgekühlt. Bei hinreichender Kühlleistung gefrieren die Tröpfchen zu Eispartikeln, die von dem Kaltgasstrahl ausgetragen werden und schließlich als Kunstschneepartikel in den Umgebungsbereich der Vorrichtung 1 niedergehen. Aufgrund der starken Abkühlung der eingesaugten Luft beim Kontakt mit dem zugeführten und verdampften Flüssiggas gelingt bei der Vorrichtung 1 die Erzeugung von Kunstschnee auch dann, wenn die eingesaugte Luft eine Temperatur von deutlich über 0°C aufweist.
Die Einspritzdüse 15 kann jedoch auch – zusätzlich oder alternativ zur Zuführung 12 – zum Einbringen von Flüssiggas zwecks Kühlung eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 1 kann in allen Bereichen eingesetzt werden, bei denen ein kalter Gasstrom benötigt wird, insbesondere in Kühlhäusern, Tunnelfrostern, mobilen Kühlboxen oder in therapeutischen Kältekammern. Anstelle des bei der Vorrichtung 1 eingesetzten Flüssigstickstoffs können auch andere tiefkalt verflüssigte Gase oder Gase, die durch hohen Druck im flüssigen Zustand gehalten werden, zugeführt werden. Insbesondere kann auch Kohlendioxid unter Druck in flüssiger Form zugeführt werden.

1: Vorrichtung
2: Einlassöffnung
3
4: Verdichter
5: Kühler
6: Druckkammer
7
8: Turbine
9: Düsenanordnung
10: Auslassöffnung
11: Welle
12: Zuführung für Flüssiggas
13
14: Motor
15: Einspritzdüse für Wasser

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen eines kalten Gasstroms mit einem Verdichter (4) zum Komprimieren von zugeführtem Gas mit einer Kühleinrichtung (5) zum Abführen der Kompressionswärme des komprimierten Gases und mit einer Düsenanordnung (9) zum Erzeugen eines gerichteten Gasstromes.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) eine mit dem Verdichter strömungsverbundene Druckkammer (6) umfasst, in die eine Flüssiggaszuführung (12) einmündet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab zur Druckkammer (6) eine Expansionsturbine (8) zur Energieerzeugung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (8) mit dem Verdichter (4) und/oder mit einem Generator zur Stromerzeugung wirkverbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (4) zwecks Erhöhung der Verdichtungsleistung ein Motor (14) zugeordnet ist.
Vorrichtung, insbesondere Schneekanone, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenanordnung (9) eine Einrichtung (15) zur Zuführung eines zu versprühenden Mediums, insbesondere Wasser, zugeordnet ist.
Verfahren zum Erzeugen eines kalten Luftstromes, bei dem ein Gas in einem Verdichter (4) komprimiert, anschließend in einer Kühleinrichtung (5) gekühlt und das Gas in einer Düsenanordnung (9) unter Erzeugung einer gerichteten Strömung expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem komprimierten Gas in einer Druckkammer (6) ein verflüssigtes Gas zugeführt wird, dessen Verdampfung zur Kühlung des komprimierten Gases eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Verdampfung des verflüssigten Gases in der Druckkammer (6) hervorgerufene Expansion zur Erzeugung von Energie eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gas vor oder nach der Zuführung des verflüssigten Gases in der Druckkammer (6) ein Medium beigemischt wird, das im gerichteten Gasstrom versprüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssiggas ein tiefkalt verflüssigtes Gas, wie Flüssigstickstoff, flüssige Luft oder tiefkalt verflüssigtes Kohlendioxid, zum Einsatz kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssiggas ein durch hohen Druck verflüssigtes Gas, wie unter Druck verflüssigtes Kohlendioxid, zum Einsatz kommt.