DE19717621A1 - Unterkühlen von flüssigen Gasen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen
Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zum Unterkühlen eines
ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten,
flüssigen Gas, mit einem Behälter für das zweite, tiefkalte, flüssige Gas und einem in
dem Behälter befindlichen Wärmetauscher mit einer Zu- und einer Ableitung für das
erste, zu unterkühlende, tiefkalte, flüssige Gas.
Tiefkalte, flüssige Gase werden vielfach zur Kühlung von Anlagen, Werkzeugen und
ähnlichem eingesetzt. Dabei tritt häufig das Problem auf, daß das kryogene Flüssiggas
am Verbrauchsort siedet, und daß durch die entstehenden Gasblasen zum einen die
Kühlwirkung beeinträchtigt wird, zum anderen durch Schwingungen oder Vibrationen
negative Begleiterscheinungen hervorgerufen werden. Ebenso problematisch ist die
Blasenbildung in den Zuleitungen. Durch die bei der Verdampfung entstehende
Volumenzunahme des Kühlmittels wird der Durchsatz durch die Leitungen und Ventile
stark herabgesetzt und so die Kühlwirkung verringert. Lediglich durch
Isolierungsmaßnahmen läßt sich das Auftreten von Siedeblasen nicht verhindern.
Tiefkalte, flüssige Gase werden deshalb durch Unterkühlen am Sieden gehindert.
In dem Artikel "Kühlen ohne Blasen", Gas aktuell 51/96 (Messer Griesheim), S. 34f,
wird die Kühlung eines Monochromators beschrieben, der bei einem
Elektronenbeschleuniger zur Filterung von Synchrotronstrahlung verwendet wird.
Derartige Monochromatoren werden mit unter Druck stehendem, flüssigem Stickstoff
bis auf -190°C abgekühlt, wobei darauf geachtet werden muß, daß der Stickstoff nicht
siedet, da die Siedeblasen unerwünschte Vibrationen auslösen könnten. Der unter
Druck stehende flüssige Stickstoff wird daher mit unter Atmosphärendruck stehendem
flüssigen Stickstoff, der eine Temperatur von -196°C besitzt, soweit unterkühlt, daß
ein Sieden des unter Druck stehenden Stickstoffs sicher vermieden wird.
Mit dieser bekannten Methode kann der flüssige Stickstoff stets nur auf eine
Temperatur von -196°C unterkühlt werden. Trotz guter thermischer Isolierung reicht
diese Unterkühlung nicht immer aus, um ein Sieden des Stickstoffs zu verhindern, z. B.
wenn die zu überbrückende Leitungslänge zwischen Stickstofftank und Verbraucher zu
groß ist.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art aufzuzeigen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere das
Sieden von tiefkalten, flüssigen Gasen auch bei größerem Wärmeeintrag in das Gas,
sicher vermieden werden. Ferner soll eine entsprechende Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.
Verfahrensseitig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zweite,
tiefkalte, flüssige Gas einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck aufweist.
Bei der herkömmlichen Unterkühlung eines tiefkalten, flüssigen Gases zur
Verhinderung eines vorzeitigen Siedens wird dieses durch Wärmetausch mit einem
unter Atmosphärendruck stehenden Bad des gleichen Gases unterkühlt.
Erfindungsgemäß wird nunmehr der Druck über dem zweiten, kryogenen Flüssiggas,
welches als Kühlmittel verwendet wird, erniedrigt. Dadurch wird die Temperatur dieses
zweiten Gases, des Kühlgases, abgesenkt, wodurch in der Folge das erste Gas, das
am Sieden gehindert werden soll, stärker unterkühlt wird. Durch die tiefere Temperatur
des unterkühlten Gases im Vergleich zu den bisherigen Unterkühlverfahren kann
dieses Gas über größere Entfernungen übertragen oder ein höherer Wärmeeintrag
hingenommen werden.
Die erfindungsgemäße Unterkühlung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das
erste, zu unterkühlende Gas einen Druck von weniger als 2 bar aufweist. Durch die
bekannte Unterkühlung mit bei Atmosphärendruck vorliegendem Gas wird aufgrund
des geringen Druckunterschiedes zwischen dem ersten, zu unterkühlenden und dem
zweiten, kühlenden Gas nur eine geringe Temperaturabsenkung des ersten Gases
erreicht. Demgegenüber wird nun die Atmosphäre über dem Kühlgas soweit
abgepumpt, daß der Druck unter Atmosphärendruck liegt, wodurch sich eine weitere
Temperaturerniedrigung und damit eine deutlich stärkere Unterkühlung des ersten
Gases einstellt. Flüssiger Stickstoff mit einem nur geringen Überdruck von 0,2 bar über
Atmosphärendruck kann mit dem bekannten Verfahren lediglich um etwa 2 K
unterkühlt werden, mit der erfindungsgemäßen Unterkühlung jedoch um bis zu 16 K.
Dadurch wird ein Sieden des Stickstoffs auch bei einer Übertragung über größere
Entfernungen verhindert.
Vorzugsweise wird das zu unterkühlende Gas mit einem Gas gekühlt, das aus dem
oder den gleichen chemischen Stoffen besteht, d. h. beispielsweise flüssiger Stickstoff
mittels flüssigem Stickstoff, oder flüssige Luft mittels flüssiger Luft. Besonders
zweckmäßig ist es, einen Teil des ersten, zu unterkühlenden Gases abzuzweigen und
als zweites Gas zu verwenden. Dies erlaubt eine deutliche Einsparung an Bauteilen,
wie z. B. Tanks, Leitungen oder Ventilen, gegenüber zwei getrennten Gasversorgungs-
und Gasverteilungssystemen für das zu unterkühlende und das kühlende Gas.
Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, zur Kühlung ein anderes Gas einzusetzen.
Beispielsweise kann flüssiger Sauerstoff aus Sicherheitsgründen mit flüssigem
Stickstoff unterkühlt werden, um die beim Umgang mit Sauerstoff bestehende
Explosionsgefahr zu verringern. Zudem kann bei flüssigen Gasen, wie z. B. Argon,
deren Tripelpunkt nur wenig unterhalb des Atmosphärendrucks liegt, d. h. bei denen
nur eine geringe Druckerniedrigung bis zum Erreichen des Schmelzpunktes möglich
ist, durch den Einsatz eines anderen Gases als Kühlmittel eine deutlich stärkere
Temperaturabsenkung erzielt werden.
Der Einsatz der Erfindung hat sich insbesondere bei den tief siedenden Gasen
Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon und Luft als günstig erwiesen, da diese
aufgrund der niedrigen Siedepunkte sehr leicht zu Siedeblasen neigen.
Prinzipiell wird durch eine stärkere Druckabsenkung auch eine stärkere
Temperaturabsenkung erzielt. Jedoch steigt damit auch der technische Aufwand.
Vorzugsweise wird die Atmosphäre über dem zweiten als Kühlmedium dienenden Gas
daher soweit abgepumpt, daß sich ein Druck zwischen 0,1 und 1 bar einstellt.
Neben dem Verfahren zum Unterkühlen eines tiefkalten, flüssigen Gases bezieht sich
die Erfindung auch auf eine entsprechende Vorrichtung zum Unterkühlen eines ersten,
tiefkalten, flüssigen Gases durch Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen
Gas, mit einem Behälter für das zweite, tiefkalte, flüssige Gas und einem in dem
Behälter befindlichen Wärmetauscher mit einer Zu- und einer Ableitung für das erste,
zu unterkühlende, tiefkalte, flüssige Gas.
Erfindungsgemäß sind Mittel zur Erzeugung eines Unterdruckes in dem Behälter
vorgesehen.
Das als Kühlmittel verwendete zweite, tiefkalte, flüssige Gas befindet sich in einem
Behälter, der Mittel, wie z. B. Pumpen, aufweist, so daß in dem Behälter ein Unterdruck
erzeugt werden kann. Auf diese Weise kann der Druck über dem flüssigen Gas
erniedrigt und dieses abgekühlt werden.
Vorzugsweise besitzt die Leitung, durch welche das zu unterkühlende Gas zum
Wärmetauscher geführt wird, eine Abzweigung, über die der Behälter nachgefüllt
werden kann. Während des Abpumpens der Atmosphäre über dem in dem Behälter
befindlichen Gas sinkt der Flüssigkeitsstand in dem Behälter, so daß von Zeit zu Zeit
flüssiges Gas als Kühlmittel in den Behälter nachgefüllt werden muß. In der
vorgeschlagenen Ausführungsform wird ein Teil des zu unterkühlenden Gases
abgezweigt und zur Kühlung eingesetzt. Die Leitung von der Abzweigung zum
Behälter weist hierzu vorteilhaft ein Absperr- oder Regelorgan, wie ein Ventil oder eine
Drossel, auf, um die Flüssiggasmenge zu regulieren.
Die Erfindung weist wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Durch
die starke Unterkühlung werden Siedeblasen in dem flüssigen Gas sicher vermieden.
Das erfindungsgemäß unterkühlte Gas ist somit insbesondere bei der Kühlung von
Vorrichtungen, Gegenständen oder Produkten vorteilhaft, die gegenüber Vibrationen
und Schwingungen, die ansonsten in siedendem Flüssiggas hervorgerufen werden,
empfindlich sind. Das stark unterkühlte, flüssige Gas kann über weite Entfernungen
geleitet werden oder auch bei relativ hohem Wärmeeintrag, beispielsweise bei
schlechter Isolierung, verwendet werden, ohne daß das Gas siedet.
Die erfindungsgemäße starke Unterkühlung kann auch mit Vorteil als Zwischenstation
bei der Übertragung tiefsiedender Flüssiggase über weite Entfernungen eingesetzt
werden. Hierzu wird ein Teil des Flüssiggases zur Unterkühlung des weiter zu
transportierenden Gases entnommen. Das entnommene Flüssiggas wird durch
Druckabsenkung gekühlt und kühlt im Wärmetausch das restliche flüssige Gas. Die in
dem flüssigen Gas enthaltenen Gasblasen werden somit durch die erfindungsgemäße
Kühlung rückverflüssigt. Die Funktion der Zwischenstation ist die eines
Phasenabscheiders zur Entfernung von Gasblasen aus der Flüssigkeit, jedoch nicht
durch Entspannen auf Atmosphärendruck, sondern durch Rückverflüssigung.
Der Einsatz des erfindungsgemäß unterkühlten Gases hat sich ebenso beim
Hochfrequenzschweißen von Rohren als vorteilhaft erwiesen. Hierbei wird außen am
Rohr eine Hochfrequenzspule angeordnet und in das Innere des Rohres ein
sogenannter Impeder eingebracht, der die Magnetfeldlinien dahingehend beeinflußt,
daß nur die Kante des Rohres erwärmt wird. Derartige Impeder sind in der Regel
zwischen 1,5 m und 2 m lang und müssen während des Betriebs gekühlt werden.
Technisch ist diese Kühlung problematisch, da zur Zuführung des beispielsweise
flüssigen Stickstoffs aufgrund des vorzeitigen Siedens nur eine begrenzte
Leitungslänge überbrückt werden kann. Die erfindungsgemäße Kühlung mit
unterkühltem Gas, z. B. unterkühltem, flüssigem Stickstoff, erlaubt dagegen die
Verwendung dünnerer und/oder längerer Kühlleitungen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im
folgenden anhand von dem in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Hierbei zeigt die einzige Figur ein Verfahrensschema zur starken Unterkühlung von
flüssigem Stickstoff.
Über die Leitungen 1, 2 und 3 wird flüssiger Stickstoff aus einem in der Zeichnung
nicht dargestellten Vorratstank mit einem Druck von 1,3 bar absolut zu einem ebenfalls
nicht dargestellten Verbraucher geleitet. Leitung 3 ist verbraucherseitig mit einem
Entnahmeventil 4 versehen, über das die dem Verbraucher zugeführte Menge an
unterkühltem Stickstoff geregelt werden kann. Zwischen den Leitungen 2 und 3 ist ein
Wärmetauscher 5 in das Leitungsnetz geschaltet. Der Wärmetauscher 5 ragt in ein
Bad 6 von flüssigem Stickstoff, welches sich in einem thermisch isolierten, gasdichten
Behälter 7 befindet.
Aus dem oberen Teil des Behälters 7 führt eine Ableitung 8 zu einer Pumpe 9, mit
deren Hilfe die über dem Stickstoffbad 6 befindliche Atmosphäre abgepumpt wird, so
daß in dem Behälter 7 ein Unterdruck entsteht. Der Druck in dem Behälter 7 wird auf
Werte zwischen etwa 125 und 200 mbar eingestellt, wodurch sich in dem Stickstoffbad
eine Temperatur zwischen etwa 63 und 66 K ergibt. Der über die Leitung 2 in den
Wärmetauscher 5 geleitete Stickstoff besitzt eine Temperatur von etwa 80 K und wird
so in dem Wärmetauscher 5 um bis zu 17 K unterkühlt. Der unterkühlte Stickstoff kann
über große Entfernungen geleitet werden, ohne daß Siedeblasen auftreten.
Mittels eines Reglers 10, der mit einem in das Stickstoffbad 6 ragenden Sensor 11
verbunden ist, werden der Füllstand und die Temperatur des Bades 6 bestimmt. Von
der Leitung 1 zweigt eine Leitung 12 ab, die in dem Behälter 7 endet. Sinkt der
Füllstand in dem Behälter 7 zu stark ab, so daß eine ordnungsgemäße Funktion des
Wärmetauschers 5 nicht mehr gewährleistet ist, wird ein in der Leitung 12 befindliches
Ventil 13 geöffnet und eine ausreichende Menge flüssigen Stickstoffs in den Behälter 7
nachgefüllt.
Die Temperatur des Stickstoffbades 6 wird mittels des Sensors 11 bestimmt und kann
zum einen durch Regulierung des mit der Pumpe 9 erzeugten Unterdrucks in dem
Behälter 7 und zum anderen über die Nachfüllmenge an Stickstoff über Leitung 12
verändert werden.
Flüssiger Stickstoff wird z. B. beim Bohren von Kunststoffen als Kühlmittel verwendet,
um die beim Bohren entstehende Reibungswärme zu kompensieren. Hierzu wird
flüssiger Stickstoff durch etwa 1 mm dünne Vakuumleitungen zum Bohrer geführt und
tritt dort als Kühlstrahl aus. Durch den Einsatz von erfindungsgemäß unterkühltem
Stickstoff können längere Vakuumleitungen verwendet werden, wodurch die
Stickstoffkühlung technisch einfacher zu realisieren ist.
Claims (9)
1. Verfahren zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch
Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite, tiefkalte, flüssige Gas (6) einen unter dem
Atmosphärendruck liegenden Druck aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, zu
unterkühlende Gas einen Druck von weniger als 2 bar aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
erste und das zweite Gas aus den gleichen chemischen Stoffen bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des ersten, zu
unterkühlenden Gases abgezweigt und als zweites Gas verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon oder Luft unterkühlt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite Gas einen Druck zwischen 0,1 bar und 1 bar besitzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Kühlen von Werkzeugen, insbesondere Bohrern, eingesetzter Stickstoff unterkühlt
wird.
8. Vorrichtung zum Unterkühlen eines ersten, tiefkalten, flüssigen Gases durch
Wärmetausch mit einem zweiten, tiefkalten, flüssigen Gas, mit einem Behälter (7)
für das zweite, tiefkalte, flüssige Gas (6) und einem in dem Behälter (7)
befindlichen Wärmetauscher (5) mit einer Zu- (2) und einer Ableitung (3) für das
erste, zu unterkühlende, tiefkalte, flüssige Gas, dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel (9) zur Erzeugung eines Unterdruckes in dem Behälter (7) vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (2) zum
Wärmetauscher (5) eine Abzweigung zum Nachfüllen des Behälters (7) aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19717621A DE19717621A1 (de) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Unterkühlen von flüssigen Gasen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19717621A DE19717621A1 (de) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Unterkühlen von flüssigen Gasen |
Publications (1)
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DE19717621A1 true DE19717621A1 (de) | 1998-06-25 |
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ID=7827800
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19717621A Ceased DE19717621A1 (de) | 1997-04-25 | 1997-04-25 | Unterkühlen von flüssigen Gasen |
Country Status (1)
Country | Link |
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Date | Code | Title | Description |
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OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |