DE102010012778A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen kalter gasförmiger oder flüssiger Luft - Google Patents

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Abstract

Tiefkalte gasförmige oder verflüssigte Luft wird heute in der Regel großtechnisch erzeugt und über große Entfernungen zum Endabnehmer transportiert. Bei der Logistik sind jedoch besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, die die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von tiefkalter bzw. flüssiger Luft insbesondere für kleinere und/oder fernab vom Erzeugungsort der flüssigen Luft gelegene Abnehmer drastisch absenken. Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Erzeugen tiefkalt gasförmiger oder verflüssigter Luft einen Wärmetauscher zum thermischen Kontaktieren von Luft mit einem kryogenen Kältemittel und einen Lufttrockner, in dem das beim Wärmetausch mit der zu kühlenden Luft verdampfte kryogene Kältemittel als Betriebsmittel eingesetzt wird. Die Erfindung ermöglicht eine wirtschaftliche Bereitstellung von tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft auch bei kleineren Abnahmemengen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft, bei dem Luft zu einem Wärmetauscher gefördert und dort in Wärmetausch mit einem verflüssigten, kryogenen Kältemittel abgekühlt wird, wobei das kryogene Kältemittel verdampft. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung.
  • Die Kühlung von Kältekammern, Kühlräumen oder die Transportkühlung werden heute meist mit konventionellen Kältemaschinen durchgeführt. Nachteilig sind dabei die oft hohen Kosten der Maschinen und ihr hoher Wartungsaufwand, die begrenzte Kälteleistung, der Energiebedarf und Emissionen in Form von Lärm, Abgasen u. dergl. Eine Alternative stellt die direkte Kühlung des zu kühlenden Bereiches mit einem kryogenen Kältemittel, beispielsweise verflüssigten Stickstoff oder festes Kohlendioxid (Trockeneis) dar. Werden diese Kältemittel direkt in den zu kühlenden Bereich eingebracht, hat man zwar eine technisch einfache und wirksame Kühlung, geschlossene Kühlräume können aber ohne Atemgeräte oder eine gründliche vorherige Durchlüftung nicht mehr begangen werden. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei der Kryotherapie, wird daher teilweise flüssige Luft als Kältemittel verwendet. Nachteilig hierbei ist, dass flüssige Luft großtechnisch erzeugt und über weite Strecken transportiert werden muss. Da flüssige Luft in sich kein stabiles System darstellt, sondern sich im Laufe der Zeit durch das allmähliche Abdampfen des Stickstoffanteils Sauerstoff aufkonzentriert, sind besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, die die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von flüssiger oder tiefkalter gasförmiger Luft für den Abnehmer, insbesondere bei Kleinabnehmern oder bei fernab von der Erzeugungsstätte für die flüssige Luft gelegener Abnehmern drastisch herabsetzen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches eine wirtschaftliche Erzeugung von tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft auch in kleineren Mengen vor Ort ermöglicht.
  • Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass die zu kühlende Luft vor ihrer Zuführung an den Wärmetauscher eine Einrichtung zur Lufttrocknung durchläuft, in der im Wärmetauscher verdampftes Kältemittel als Betriebsmittel eingesetzt wird.
  • Erfindungsgemäß wird also die tiefkalte gasförmige bzw. verflüssigte Luft durch Wärmekontakt mit einem verflüssigten kryogenen Kältemittel erzeugt, das bei einer Temperatur unterhalb der gewünschten Temperatur, insbesondere unterhalb der Verflüssigungstemperatur von Luft, vorliegt. Als kryogenes Kältemittel kommt beispielsweise Flüssigstickstoff zum Einsatz. Beim Wärmetausch verdampft das kryogene Kältemittel zumindest teilweise und dient in der Folge als Betriebsmittel für eine Einrichtung zum Trocknen der zu kühlenden Luft. Die vorhergehende Trocknung der Luft ist essenziell bei der Erzeugung von kalter gasförmiger oder flüssiger Luft durch Wärmetausch mit einem kalten Medium, da der in der zu kühlenden Luft enthaltene Wasserdampf zu Eisbildung führt, die die Betriebsfähigkeit der Produktionsanlage schnell beeinträchtigen kann. Das verdampfte Kältemittel kann dabei auf verschiedene Weise als Betriebsmittel in der Einrichtung zur Lufttrocknung eingesetzt werden. Beispielsweise kann das – auch nach dem Verdampfen im Wärmetauscher noch sehr kalte gasförmige Kältemittel dazu genutzt werden, in der Luft enthaltenen Wasserdampf im Wege der Kondensation zu entfernen. Wird eine alternativ oder ergänzend zu einer derartigen Kältetrocknung eine Membran zum Abtrennen des Wasserdampfs aus der Luft eingesetzt, kann das gasförmige Kältemittel als Spülgas verwendet werden. In einer weiteren Variante erfolgt eine Absorptionstrocknung mittels eines Absorbens. Hierbei kann das verdampfte Kältemittel eingesetzt werden, um das mit Wasser beladene Adsorbens zu regenerieren. Durch die Verbindung von Luftkühlung einerseits mit Lufttrocknung andererseits wird eine hohe Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung wirtschaftlich verwertbarer Mengen tiefkalt gasförmiger bzw. flüssiger Luft auch in vergleichsweise kleinen und kompakten Anlage vor Ort; es erfolgt lediglich eine Belieferung des Anwenders mit tiefkalt verflüssigten inerten Gases, wofür keine mit dem Transport flüssiger Luft vergleichbaren aufwändigen Sicherheitsanforderungen bestehen.
  • Der durch der Verdampfung des Kältemittel hervorgerufene Druck wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in einer Expansionsmaschine zur Erzeugung von Energie, insbesondere elektrischer und/oder mechanischer Energie, eingesetzt. Die bei der Expansion des verdampften flüssigen Kältemittels erzeugte Energie wird sodann zum Betreiben einer Fördereinrichtung zum Fördern der zu kühlenden Luft zum Wärmetauscher eingesetzt, sodass ein für den Betrieb der Fördereinrichtung vorgesehene Motor bei gleicher Leistung wesentlich geringer dimensioniert werden oder sogar ganz entfallen kann.
  • Eine abermals vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das verdampfte kryogene Kältemittel zum Vorkühlen der dem Wärmetauscher zugeführten Luft eingesetzt wird. In diesem Falle wird die noch vorhandene Restkälte des verdampften kryogenen Kältemittels eingesetzt, um die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu verbessern. Ergänzend oder alternativ dazu wird bevorzugt das verdampfte kryogene Kältemittel zum Kühlen der Fördereinrichtung eingesetzt.
  • Bevorzugt wird die zu kühlende Luft aufgrund des bei der Abkühlung der Luft im Wärmetauscher entstehenden Druckabfalls eingesaugt und durch die Einrichtung zur Lufttrocknung. In diesem Falle erübrigt sich eine Fördereinrichtung zum Fördern der Luft zum Wärmetauscher, oder diese kann zumindest geringer dimensioniert werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Erzeugen tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft gelöst, mit einem Wärmetauscher, der eine Lufteingangsleitung und eine Luftausgangsleitung sowie Wärmetauscherflächen zum thermischen Kontaktieren von Luft mit einem verflüssigten kryogenen Kältemittel und eine Ausgangsleitung für verdampftes kryogenes Kältemittel aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Lufteingangsleitung eine Einrichtung zum Trocknen der Luft vorgesehen ist, die zugleich mit der Ausgangsleitung für verdampftes kryogenes Kältemittel verbunden ist und in der das kryogene Kältemittel als Betriebsmittel in der Einrichtung zum Trocknen der Luft einsetzbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst also einen Wärmetauscher, in dem an geeigneten Wärmetauscherflächen, wie z. B. Rohrwänden, die zu kühlende Luft in Wärmetausch mit einem verflüssigten kryogenen Kältemittel tritt. Beim Wärmetausch wird die Luft abgekühlt und gegebenenfalls verflüssigt, während zugleich das Kältemittel verdampft. Das verdampfte Kältemittel wird anschließend über die Ausgangsleitung für verdampftes Kältemittel der Einrichtung zur Lufttrocknung zugeführt und dort als Betriebsmittel zum Trocknen der Luft eingesetzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist nur wenige Bauteile auf, die sehr kompakt zusammengestellt werden können und damit einen nur kleinen Raumbedarf haben. Zur Versorgung benötigt sie im wesentlichen nur verflüssigtes kryogenes Kältemittel, beispielsweise Flüssigstickstoff, der zu geringen Kosten auch in kleineren Mengen von wenigen Kubikmetern oder sogar weniger als 1 m3 angeliefert und gelagert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dadurch beispielsweise problemlos auch auf Kühlfahrzeugen oder in Kühlcontainern mitgeführt oder in geschlossenen Räumen, beispielsweise in den Räumen einer Arztpraxis oder eines Fitnessstudios aufgestellt werden.
  • Die Einrichtung zur Lufttrocknung umfasst dabei bevorzugt einen Adsorptionstrockner, einen Membrantrockner oder einen Kältetrockner. In einem Absorptionstrockner wird mittels eines Absorbers Wasserdampf aus der Luft entfernt, wobei der Absorber mit Wasserdampf beladen wird. Um die Funktionsfähigkeit des Absorbers aufrecht zu erhalten, ist es daher erforderlich, diesen von Zeit zu Zeit durch Beaufschlagen mit einem trockenen Gas, in diesem Falle mit dem verdampften kryogenen Kältemittel zu regenerieren. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen, umfasst der Absorptionstrockner dabei vorzugsweise zwei wechselweise einsetzbare Einheiten, von denen der eine jeweils zum Trocknen der Luft eingesetzt wird, während der andere eine Regenerationsphase durchläuft. In einem Membrantrockner, wie er beispielsweise in der DE 19812960 C1 und den dort zitierten Dokumenten beschrieben wird, erfolgt die Abtrennung des Wasserdampfes aus der Luft durch eine wasserdampfselektive Membran. Auch hier bedarf die Membran einer Regeneration durch ein Spülgas, als das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verdampftes kryogenes Kältemittel aus dem Wärmetauscher zum Einsatz kommt. In einem Kältetrockner erfolgt die Abtrennung des Wasserdampfes durch Auskondensieren beim Abkühlen der Luft im Wärmekontakt mit dem noch sehr kalten verdampften Kältemittel. In diesem Falle findet sogar zugleich eine Vorkühlung der Luft statt, die die Wirtschaftlichkeit der Anlage noch weiter erhöht.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Fördereinrichtung zum Fördern von Luft in den Wärmetauscher vorgesehen und die Ausgangsleitung für verdampftes kryogenes Kältemittel mit einer Expansionsmaschine strömungsverbunden ist, wobei die Expansionsmaschine über Mittel zum Übertragen von Energie mit der Fördereinrichtung wirkverbunden ist. Die Expansionsmaschine, die beispielsweise eine Turbine oder einem Hubzylinder umfasst, erzeugt mechanische oder elektrische Energie durch Entspannung des Kältemittels, die zum Betreiben der Fördereinrichtung genutzt wird. Auf diese Weise kann die Menge der der Fördereinrichtung zu deren Betrieb – etwa mittels eines Motors – von außen, etwa durch ein Stromnetz, zugeführte Energie zumindest deutlich reduziert werden.
  • Bevorzugt ist in der Lufteingangsleitung ein Rekuperator vorgesehen, der eine mit der Ausgangsleitung für verdampftes kryogenes Kältemittel strömungsverbundene Zuleitung und eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme von der Luft aus der Lufteingangsleitung auf das verdampfte kryogene Kältemittel aufweist. Auf diese Weise wird die im verdampften kryogenen Kältemittel enthaltene Restkälte dazu genutzt, um den Kältemittelbedarf des Systems abzusenken. Wie zuvor erwähnt, kann dieser Vorgang auch dazu genutzt werden, Wasserdampf aus der zu kühlenden Luft auszukondsieren.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher und/oder der Rekuperator in einen Tank für das verflüssigte kryogene Kältemittel integriert ist/sind. Dadurch werden Wärmeverluste ebenso wie der Platzbedarf der Vorrichtung reduziert und die Wirtschaftlichkeit weiter erhöht. Desgleichen erweist es sich als vorteilhaft, einen an die Luftausgangsleitung angeschlossenen Vorratsbehälter für flüssige Luft innerhalb des Vorratsbehälters für das verflüssigte kryogene Kältemittel anzuordnen. Auf diese Weise bleibt die Temperatur der verflüssigten Luft unterhalb der Siedetemperatur des Stickstoffs wodurch eine – unter Sicherheitsaspekten problematische – Anreicherung von Sauerstoff in der flüssigen Luft vermieden wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rekuperator als Kältespeicher ausgelegt ist. Der Rekuperator ist dabei mit einer Abgasleitung des Tanks für flüssiges Kältemittel verbunden und wird ständig, also auch während Betriebspausen, von verdampfendem Kältemittel durchströmt und speichert dessen Kälteinhalt. Auf diese Weise ist der Rekuperator auch nach längeren Betriebspausen schnell einsatzfähig und die Kälte des während der Betriebspause verdampfenden Kältemittels wird genutzt.
  • Bevorzugt enthält die Fördereinrichtung ein Gebläse oder einen Kompressor, der eingangsseitig am Wärmetauscher angeordnet ist und mittels dessen die Luft in den Wärmetauscher hineingepresst wird. Alternativ ist jedoch auch vorstellbar, dass die Fördereinrichtung ausgangsseitig am Wärmetauscher angeordnet ist; wird im Wärmetauscher die Luft verflüssigt, umfasst die Fördereinrichtung in diesem Fall eine Pumpe, die die verflüssigte Luft aus dem Wärmetauscher abpumpt, während zugleich frische Luft in den Wärmetauscher nachströmt.
  • Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Kühlung begehbarer Räume wie beispielsweise Kühlräume zum Lagern temperaturempfindlicher Waren oder Kältekammern für therapeutische Zwecke.
  • Anhand der Zeichnungen sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischer Ansicht zeigen:
  • 1: Das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft in einer ersten Ausführungsform und
  • 2: Das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft in einer zweiten Ausführungsform.
  • Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst einen Wärmetauscher 2, der mit einer Lufteingangsleitung 3, einer Luftausgangsleitung 4, einer Kältemitteleingangsleitung 5 und einer Kältemittelausgangsleitung 6 ausgerüstet ist. Die Kältemitteleingangsleitung 5 steht mit einem Tank 7 für ein verflüssigtes kryogenes Kältemittel, beispielsweise einem Standtank für Flüssigstickstoff, in Strömungsverbindung. In der Lufteingangsleitung 3 ist eine Fördereinrichtung 8, beispielsweise ein Kompressor oder ein Gebläse, angeordnet, mittels dessen Luft zum Wärmetauscher 2 hin gefördert wird. Die Kältemittelausgangsleitung 6 mündet in eine Expansionsmaschine 9 in der bei der Entspannung von gasförmigem Kältemittel freiwerdende Energie in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird. Expansionsmaschine 9 und Fördereinrichtung 8 sind in der Weise miteinander wirkverbunden, dass über geeignete Energieübertragungsmittel 10 die in der Expansionsmaschine 9 erzeugte Energie zum Betreiben der Fördereinrichtung 8 verwendet wird. Beispielsweise umfassen die Energieübertragungsmittel 10 eine Welle, mittels der in der Expansionsmaschine erzeugte mechanische Energie direkt auf die Fördereinrichtung 8 übertragen wird oder die Expansionsmaschine 9 umfasst einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, die direkt oder indirekt, etwa über ein Stromnetz, zum Betreiben der Fördereinrichtung 8 genutzt wird.
  • Stromab zur Fördereinrichtung 8 ist in der Lufteingangsleitung 3 eine Einrichtung 11 zum Trocknen der dem Wärmetauscher 2 zuzuführenden Luft vorgesehen. Als Einrichtung 11 ist beispielsweise ein Kältetrockner, ein Membrantrockner oder ein Absorptionstrockner vorgesehen. Die Einrichtung 11 ist mit der Kältemittelausgangsleitung 6 verbunden und ermöglicht so den Einsatz des im Wärmetauscher 2 verdampften kryogenen Kältemittels als Betriebsmittel für die Einrichtung 11; in den genannten Beispielen dient das verdampfte kryogene Kältemittel also als Regenerationsgas zum Regenerieren eines Absorbers und/oder als Spülgas zum Regenerieren eines Membrantrockners und/oder als Kältemittel zum Kondensieren von Wasserdampf aus der zu trocknenden Luft.
  • Die Luftausgangsleitung 4 mündet in einen Vorratstank 12 für flüssige Luft, der im Ausführungsbeispiel innerhalb des Tanks 7 für das flüssige kryogene Kältemittel angeordnet und mit der Flüssigphase des im Tank 7 bevorrateten Kältemittels thermisch verbunden ist. Aus dem Vorratsbehälter 12 kann die erzeugte Luft gespeichert und bei Bedarf über eine Entnahmeleitung 13 entnommen werden, wobei bei Bedarf ein Druckaufbauverdampfer 14 zum Einsatz kommt. Die Anordnung des Vorratstanks 12 innerhalb der flüssigen Phase des im Vorratstank 7 bevorrateten Kältemittels, dessen Temperatur auf einer Temperatur gleich oder unterhalb der Siedetemperatur des Stickstoffs im Vorratsbehälter 12 gehalten wird, gewährleistet dabei, dass die Zusammensetzung der flüssigen Luft im Vorratsbehälter 12 im wesentlichen konstant bleibt und keine Anreicherung von flüssigem Sauerstoff im Vorratstank 12 erfolgt. Im Rahmen der Erfindung ist die Anordnung des Vorratsbehälters 12 innerhalb des Tanks 7 im Übrigen keineswegs zwingend erforderlich, sie weist jedoch die angegebenen thermodynamischen Vorteile auf.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung 1 wird Luft über die Fördereinrichtung 8 dem Wärmetauscher 2 zugeführt. An im Wärmetauscher 2 vorliegenden Wärmetauscherflächen, etwa an den Wänden von Rohrbündeln, durch die die Luft bzw. das Kältemittel geführt wird, kommt die Luft in thermischen Kontakt mit dem verflüssigten kryogenen Kältemittel aus dem Tank 7. Die Luft kühlt sich ab und wird beispielsweise verflüssigt, während das verflüssigte kryogene Kältemittel verdampft. Das verdampfte kryogene Kältemittel wird in der Einrichtung 11 zum Trocknen der Luft in der oben beschriebenen Weise als Betriebsmittel eingesetzt. Der durch die Verdampfung verursachte erhöhte Druck des kryogenen Kältemittels in der Kältemittelausgangsleitung 6 wird in der in der Expansionsmaschine 9 arbeitsleistend entspannt und zum Betreiben der Fördereinrichtung 8 eingesetzt. Beispielsweise umfasst die Expansionsmaschine eine Turbine oder einen Kolben und einen daran angeschlossenen Generator, und die in diesem Generator erzeugte elektrische Energie wird dazu eingesetzt, die Fördereinrichtung 8 anzutreiben. Wird in der Expansionsmaschine 9 mehr elektrische oder mechanische Energie erzeugt, als in der Fördereinrichtung 8 verbraucht werden kann, kann die überschüssige Energie anderweitig verwertet werden – im Falle von elektrischer Energie kann sie beispielsweise in ein Leitungsnetz eingespeist werden. Reicht umgekehrt die in der Expansionsmaschine 9 erzeugte Energie nicht aus, um die Fördereinrichtung 8 zu betreiben, muss zusätzliche Energie zugeführt werden, beispielsweise mittels eines die Fördereinrichtung 8 antreibenden Motors, der freilich leistungsschwächer ausgelegt sein kann, als dies ohne die Wirkverbindung der Fördereinrichtung 8 mit der Expansionsmaschine 9 der Fall wäre. Die Reihenfolge der Komponenten 9 und 11 kann in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kältemittels auf geändert werden, die Expansionsmaschine 9 kann also auch stromauf zur Einrichtung 11 angeordnet sein. Ebenso ist, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, im Rahmen der Erfindung vorstellbar, die Fördereinrichtung für Luft stromab zu Trockner und/oder Wärmetauscher vorzusehen. Es ist auch vorstellbar, auf eine Fördereinrichtung völlig zu verzichten und den aufgrund der Abkühlung der Luft durch den Wärmetausch mit dem kryogenen Kältemittel entstehenden Unterdruck zum Einsaugen der Luft zu nutzen, wobei in diesem Falle auf geeignete Weise dafür Sorge getragen werden muss, dass die verflüssigte Luft dem Vorratsbehälter 12 zugeführt wird.
  • Bei der Vorrichtung 20 in 2 ist ein Wärmetauscher 21 innerhalb eines Tanks 22 für ein verflüssigtes kryogenes Kältemittel aufgenommen. Der Wärmetauscher 21 ist mit einer Lufteingangsleitung 23 verbunden, durch die hindurch Luft zum Wärmetauscher 21 geführt und dort durch thermischen Kontakt mit dem im Tank 22 befindlichen verflüssigten kryogenen Kältemittel gekühlt und/oder verflüssigt wird. In der Lufteingangsleitung 23 sind, stromauf zum Wärmetauscher 21 hintereinander eine Fördereinrichtung 25, die in der gleichen Weise arbeitet wie die Fördereinrichtung Lufttrockner 26 und ein Rekuperator 27 angeordnet. Beim Lufttrockner handelt es sich beispielsweise um eine Apparatur, die dem in der dem Wärmetauscher 12 über den Vorderabschnitt 28 der Lufteingangsleitung 23 zugeführten Luft so weit wie möglich den darin enthaltenen Wasserdampf entzieht. Bei dem Lufttrockner handelt es sich im Ausführungsbeispiel um einen Absorptionstrockner, bei dem verdampftes kryogenes Kältemittel dazu genutzt wird, um das Absorbermaterial zu regenerieren. Der Rekuperator 27 dient zur Vorkühlung der Luft. Aufgrund des thermischen Kontakts der zu kühlenden Luft mit dem verflüssigten kryogenen Kältemittel, beispielsweise Flüssigstickstoff, im Tank 22 verdampft ein Teil des verflüssigten kryogenen Kältemittels, wird über eine mit dem Gasraum des Tanks 22 strömungsverbundene Leitung 30 abgeführt und gelangt in den Rekuperator 27. Dort findet eine thermische Wechselwirkung des noch mit beträchtlicher Restkälte ausgestatteten verdampften kryogenen Kältemittels mit der in dem Vorderabschnitt 28 der Lufteingangsleitung 23 herangeführten Luft. Im Rekuperator 27 kühlt sich die Luft ab, während sich das verdampfte kryogene Kältemittel erwärmt, über eine Kältemittelleitung 31 dem Lufttrockner 26 zugeführt wird und in der zuvor beschriebenen Weise der Luft Feuchtigkeit entzieht. Anschließend wird das Kältemittel einer Expansionsmaschine 32 zugeführt, in der es ähnlich der Expansionsmaschine 9 aus 1 zur Energieerzeugung durch Entspannung eingesetzt wird. Die dabei erzeugte elektrische oder mechanische Energie wird zum Betrieb der Fördereinrichtung 25 eingesetzt. Bei der Ausführungsform nach 2 kommt zusätzlich noch ein Hilfsmotor 33 zum Einsatz, der der Fördereinrichtung 25 zusätzliche Energie zuführen kann. Die im Lufttrockner 26 getrocknete und im Rekuperator 27 vorgekühlte Luft wird dem Wärmetauscher 21 zugeführt, dort in thermischen Kontakt mit dem flüssigen kryogenen Kältemittel in Tank 22 gebracht und beispielsweise verflüssigt. Die Reihenfolge der Komponenten 32, 25, 26, 27, 21 ist im Übrigen nicht zwingend und kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch anders gesetzt werden. So kann beispielsweise eine Fördereinrichtung für Luft auch stromab zum Wärmetauscher 2, 21 angeordnet werden; in diesem Falle handelt es sich bei der Fördereinrichtung beispielsweise um eine Pumpe für flüssige Luft. Auch kann der Lufttrockner 26 (oder generell ein Lufttrockner) und/oder der Rekuperatur 27 (oder generell ein Rekuperator) – in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen – stromab zur Expansionsmaschine 32 angeordnet sein.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es insbesondere zur Kühlung begehbarer Räume nicht mehr erforderlich, flüssige Luft anzuliefern, sondern die benötigte flüssige Luft wird vor Ort erzeugt; lediglich die übliche Logistik für flüssiges kryogenes Kältemittel (beispielsweise Flüssigstickstoff) ist erforderlich. Der Antrieb der Fördereinrichtung mittels expandierendem, verdampftem kryogenen Kältemittel erspart den Einsatz einen Motors (oder reduziert dessen Leistung) und führt daher zu einer erheblich geringeren Lärmentwicklung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sowohl zur Erzeugung von flüssiger Luft wie auch zum Erzeugen von kalter, gasförmiger Luft einsetzbar. Die Anlagen können klein dimensioniert sein, sodass sie beispielsweise in Arztpraxen, Fitnessstudios aufgestellt oder auf mobilen Kühleinrichtungen mitgeführt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Wärmetauscher
    3
    Lufteingangsleitung
    4
    Luftausgangsleitung
    5
    Kältemitteleingangsleitung
    6
    Kältemittelausgangsleitung
    7
    Tank
    8
    Gebläse
    9
    Expansionsmaschine
    10
    Energieübertragungsmittel
    11
    Einrichtung zur Luftrocknung
    12
    Vorratsbehälter (für flüssige Luft)
    13
    Entnahmeleitung
    14
    Druckaufbauverdampfer
    15–19
    20
    Vorrichtung
    21
    Wärmetauscher
    22
    Tank
    23
    Lufteingangsleitung
    24
    25
    Fördereinrichtung
    26
    Lufttrockner
    27
    Rekuperator
    28
    Vorderabschnitt der Lufteingangsleitung
    29
    30
    Leitung
    31
    Kältemittelleitung
    32
    Expansionsmaschine
    33
    Hilfsmotor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19812960 C1 [0011]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Erzeugen tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft, bei dem Luft zu einem Wärmetauscher (2, 21) gefördert und dort in Wärmetausch mit einem verflüssigten, kryogenen Kältemittel abgekühlt wird, wobei das kryogene Kältemittel verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlende Luft vor ihrer Zuführung an den Wärmetauscher (2, 21) eine Einrichtung (11, 26) zur Lufttrocknung durchläuft, in der die im Wärmetauscher (2, 21) verdampftes Kältemittel als Betriebsmittel eingesetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte kryogene Kältemittel in einer Expansionsmaschine (9, 32) arbeitsleistend entspannt und die dabei gewonnene Energie zum Fördern der zu kühlenden Luft zum Wärmetauscher (2, 21) eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verdampfte kryogene Kältemittel zum Vorkühlen der dem Wärmetauscher (2, 21) zugeführten Luft und/oder zum Kühlen der Fördereinrichtung (2, 21) eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlende Luft aufgrund des beim Wärmekontakt mit dem kryogenen Kältemittel im Wärmetauscher (2, 21) entstehenden Druckabfalls eingesaugt und durch die Einrichtung (11, 26) zur Lufttrocknung geführt wird.
  5. Vorrichtung zum Erzeugen tiefkalter gasförmiger oder verflüssigter Luft, mit einem Wärmetauscher (2, 21), der eine Lufteingangsleitung (6, 23) und eine Luftausgangsleitung (4) sowie Wärmetauscherflächen zum thermischen Kontaktieren von Luft mit einem verflüssigten kryogenen Kältemittel und eine Ausgangsleitung (6, 30) für verdampftes kryogenes Kältemittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lufteingangsleitung (3, 23) eine Einrichtung (11, 26) zum Trocknen der Luft vorgesehen ist, die mit der Ausgangsleitung (6, 30) für verdampftes kryogenes Kältemittel verbunden ist und in der das kryogene Kältemittel als Betriebsmittel zum Trocknen der Luft einsetzbar ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dass die Einrichtung (26) zur Lufttrocknung einen Adsorptionstrockner, einen Membrantrockner oder einen Kältetrockner umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung (8, 29) zum Fördern von Luft in den Wärmetauscher (2, 21) vorgesehen ist und die Ausgangsleitung für verdampftes kryogenes Kältemittels mit einer Expansionsmaschine (9, 32) strömungsverbunden ist, die über Mittel zum Übertragen von Energie mit der Fördereinrichtung (8, 29) wirkverbunden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass in der Lufteingangsleitung (3, 23) ein Rekuperator (27) vorgesehen ist, der eine mit der Ausgangsleitung (30) für verdampftes kryogenes Kältemittel strömungsverbundene Zuleitung und eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme von der Luft aus der Lufteingangsleitung (3, 23) auf das verdampfte kryogene Kältemittel aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2, 21) und/oder der Rekuperator (27) und/oder ein an die Luftausgangsleitung (6, 23) angeschlossener Vorratsbehälter für verflüssigte Luft in einen Tank (22) für das verflüssigte kryogene Kältemittel integriert ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator als Kältespeicher ausgelegt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (8, 29) ein Gebläse, einen Kompressor oder eine Pumpe für verflüssigte Luft umfasst.
  12. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 2 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 11 zum Kühlen begehbarer Räume.
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