DE19940367A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kälteübertragung - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kälteübertragung, bei dem die Kälte von einem tiefkalt verflüssigten Gas als erstes Kältemedium auf ein zu kühlendes Medium übertragen wird, wird das tiefkalt verflüssigte Gas mindestens einem ersten Wärmetauscher zugeführt und kühlt ein zweites Kältemedium in dem ersten Wärmetauscher. Das zweite Kältemedium wird in mindestens einem Zwischenkreislauf mindestens einem zweiten Wärmetauscher zugeführt und kühlt das zu kühlende Medium in dem zweiten Wärmetauscher. Das zweite Kältemedium strömt in dem Zwischenkreislauf durch natürliche Konvektion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Kälteübertragung, bei dem die Kälte von einem tiefkalt verflüssigten Gas als erstes Kältemedium auf ein zu kühlendes Medium übertragen wird.

Die Nutzung der Kälte von tiefkalt verflüssigten Gasen, beispielsweise flüssigem Stickstoff, flüssigem Sauerstoff, flüssigem Argon oder flüssigem Wasserstoff, ist seit langem Stand der Technik. In vielen Fällen ist die Temperatur, bei der die Kälte vorliegt, zu niedrig, so daß Störungen in den Prozessen, wie unerwünschte Eisbildung oder lokale Unterkühlung oder gegebenenfalls sogar unerwünschte Kondensationsvorgänge, stattfinden.

Zur Vermeidung dieser Probleme ist es bekannt, die Kälte von der Kältequelle, dem verflüssigten Gas, über einen Zwischenkreislauf zu dem zu kühlenden Prozeß zu übertragen. Hierzu wurde zum Beispiel von der Firma Messer Griesheim GmbH das Cryocontrol®-Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren wird die Kälte von flüssigem Stickstoff auf ein bestimmtes, einstellbares Temperaturniveau zur Kühlung von Apparaten und Anlagen übertragen. Ein weiteres Beispiel ist das Cryosolv® Verfahren, bei dem Kondensatoren zur Abluftreinigung oder Lösemittelrückgewinnung aus Abluftströmen über einen gebläsegetriebenen Zwischenkreislauf mit der Kälte von flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Nachteilig bei dieser Art der Wärmeübertragung ist es, daß für den Antrieb der entsprechenden Pumpen oder Gebläse Energie erforderlich ist. Außerdem erfolgt durch diese Förderaggregate ein Wärmeeintrag, der durch einen erhöhten Einsatz der Flüssiggaskälte kompensiert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des eingangs genannten Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem die Kälte von tiefkalt verflüssigten Gasen ohne einen zusätzlichen Energieaufwand übertragen wird. Darüber hinaus soll das Verfahren und sowie die Vorrichtung technisch relativ einfach und damit kostengünstig sein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Kälteübertragung gelöst, bei dem die Kälte von einem tiefkalt verflüssigten Gas als erstes Kältemedium auf ein zu kühlendes Medium übertragen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das tiefkalt verflüssigte Gas mindestens einem ersten Wärmetauscher zugeführt wird und ein zweites Kältemedium in dem ersten Wärmetauscher kühlt, daß das zweite Kältemedium in mindestens einem Zwischenkreislauf mindestens einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird und das zu kühlende Medium in dem zweiten Wärmetauscher kühlt, und daß das zweite Kältemedium in dem Zwischenkreislauf durch natürliche Konvektion strömt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt der Betrieb des Zwischenkreislaufs nahezu verlustlos durch Naturkonvektion. Daher ist der Energieaufwand und damit die Energiekosten für dieses Verfahren sehr gering.

Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß der erste und/oder zweite Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß eine effiziente Kälteübertragung erfolgt.

Nach der Erfindung ist das erste Kältemedium ein tiefkalt verflüssigtes Gas, vorzugsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Methan oder Erdgas, besonders bevorzugt Stickstoff. Dies hat den Vorteil, daß so relativ kostengünstig ein Kältemedium mit einem relativ großen Kälteinhalt bereitgestellt wird.

Erfindungsgemäß ist das zweite Kältemedium ein Gas, das bei den Prozeßbedingungen nicht verflüssigt wird, vorzugsweise Helium. Dadurch ist eine sichere Kälteübertragung auf das zu kühlende Medium möglich.

Es ist vorgesehen, daß daß das zweite Kältemedium in dem zweiten Wärmetauscher ein drittes Kältemedium kühlt, daß das dritte Kältemedium in mindestens einem weiteren Zwischenkreislauf mindestens einem dritten Wärmetauscher zugeführt wird und das zu kühlende Medium in dem dritten Wärmetauscher kühlt, und daß das dritte Kältemedium in dem weiteren Zwischenkreislauf durch natürliche Konvektion strömt. Mit Hilfe eines weiteren Zwischenkreislaufs kann die Effizienz weitert gesteigert werden.

Erfindungsgemäß wird der Druck im Zwischenkreislauf eingestellt. Dadurch kann die Kälteübertragung auf das zu kühlende Medium gut erfolgen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Kälteübertragung von einem tiefkalt verflüssigten Gas als erstes Kältemedium auf ein zu kühlendes Medium mit Hilfe von Wärmetauschern, insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein erster Wärmetauscher mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für das tiefkalt verflüssigte Gas als erstes Kältemedium und mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für ein zweites Kältemedium aufweist, daß der erste Wärmetauscher durch die Zuführ- und Abführleitung für das zweite Kältemedium mit mindestens einem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, und daß der zweite Wärmetauscher mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für das zweite Kältemedium und mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für das zu kühlende Medium aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Gestehungskosten für diese Vorrichtung relativ gering sind und beim Betrieb der Vorrichtung nur relativ geringe Energiekosten anfallen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung wird vorzugsweise verwendet für eine Unterstützung von Klima- oder Kälteanlagen, eine Kühlung von Kältekammern, eine Erzeugung von Kaltwasser oder Kühlsohle, ein Trocknen von Druckluft oder für einen Betrieb von Kondensatoren zur Verflüssigung von Dämpfen und Lösemitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren werden nun anhand einer Abbildung (Figur ) näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Wärmetauschern.

Ein tiefkalt verflüssigtes Gas, zum Beispiel tiefkalter verflüssigter Stickstoff wird einem ersten Wärmetauscher 1 über eine Leitung 2 zugeführt und über eine Leitung 3 wieder abgeführt. Im Gegenstrom dazu wird dem Wärmetauscher 1 über eine Leitung 4 ein zweites Kältemedium, beispielsweise Helium, zugeführt. Der tiefkalte verflüssigte Stickstoff verdampft und gibt zumindest einen Teil seines Kälteinhalts in dem Wärmetauscher 1 an das Helium ab. Der verdampfte Stickstoff kann gegebenenfalls erwärmt werden und einer weiteren Verwendung zugeführt werden (hier nicht dargestellt). Das abgekühlte Helium verläßt den ersten Wärmetauscher 1 über eine Leitung 5. Die Leitung 5 steht in Verbindung mit einem zweiten Wärmetauscher 6. Mit dem zweiten Kältemittel wird ein über eine Leitung 7 in den Wärmetauscher 6 zugeführtes, zu kühlendes Medium, zum Beispiel löse- oder kältemittelhaltige Abluft, abgekühlt bzw. kondensiert. Das abgekühlte Medium wird über eine Leitung 8 aus dem zweiten Wärmetauscher abgeführt und das erwärmte zweite Kältemittel strömt über die Leitung 4 zurück in den ersten Wärmetauscher. Die Strömung kann mit Hilfe einer in der Leitung 4 angeordneten Armatur 9 geregelt werden. In den Kreislauf kann das zweite Kältemittel im Bedarfsfall über eine Leitung 10 zu- oder abgeführt werden.

Durch diesen Prozeß wird der Wärmetauscher 6 nicht unmittelbar durch ein verflüssigtes Gas wie Stickstoff gekühlt, sondern er wird durch das zweite Kühlmedium, beispielsweise Helium, in dem Zwischenkreislauf gekühlt. Dabei wird das zweite Kühlmedium im Zwischenkreislauf auf eine Temperatur zwischen der Temperatur des tiefkalten verflüssigten Gases und der Temperatur des zu kühlenden Mediums erwärmt. Das zu kühlende Medium wird vom zweiten Kühlmedium auf eine Temperatur gekühlt, die oberhalb der Temperatur in dem Zwischenkreislauf liegt.

Der Zwischenkreislauf wird hier durch natürliche Konvektion betrieben. Durch eine relativ große Temperaturdifferenz zwischen dem tiefkalt verflüssigten Gas und dem zu kühlendem Medium ergeben sich ausreichende Dichteunterschiede im Zwischenkreislauf, um einen Antrieb durch natürliche Konvektion zu bewirken.

Durch eine Variation des Stömungswiderstandes im Zwischenkreislauf sowie der Wärmeübertragungsverhältnisse in den Wärmetauschern 1, 6 lassen sich die Temperaturen des zweiten Kältemediums im Zwischenkreislauf fast beliebig einstellen. Hierdurch werden die Probleme anderer Verfahren, wie unerwünschte Eisbildung oder lokale Unterkühlung, vermieden. Durch Zugabe oder Ablassen des zweiten Kältemediums im Zwischenkreislauf kann dessen Dichte und damit die Kühlleistung des Zwischenkreises geregelt werden. Durch eine Absperrung mit Hilfe der Armatur 9 können Kälteverluste im Stillstand minimiert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kälteübertragung, bei dem die Kälte von einem tiefkalt verflüssigten Gas als erstes Kältemedium auf ein zu kühlendes Medium übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalt verflüssigte Gas mindestens einem ersten Wärmetauscher zugeführt wird und ein zweites Kältemedium in dem ersten Wärmetauscher kühlt, daß das zweite Kältemedium in mindestens einem Zwischenkreislauf mindestens einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird und das zu kühlende Medium in dem zweiten Wärmetauscher kühlt, und daß das zweite Kältemedium in dem Zwischenkreislauf durch natürliche Konvektion strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kältemedium tiefkalter verflüssigter Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Methan oder Erdgas, vorzugsweise Stickstoff, ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kältemedium Helium ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kältemedium in dem zweiten Wärmetauscher ein drittes Kältemedium kühlt, daß das dritte Kältemedium in mindestens einem weiteren Zwischenkreislauf mindestens einem dritten Wärmetauscher zugeführt wird und das zu kühlende Medium in dem dritten Wärmetauscher kühlt, und daß das dritte Kältemedium in dem weiteren Zwischenkreislauf durch natürliche Konvektion strömt.

6. Vorrichtung zur Kälteübertragung von einem tiefkalt verflüssigten Gas als erstes Kältemedium auf ein zu kühlendes Medium mit Hilfe von Wärmetauschern, insbesondere für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmetauscher mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für das tiefkalt verflüssigte Gas als erstes Kältemedium und mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für ein zweites Kältemedium aufweist, daß der erste Wärmetauscher durch die Zuführ- und Abführleitung für das zweite Kältemedium mit mindestens einem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, und daß der zweite Wärmetauscher mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für das zweite Kältemedium und mindestens eine Zuführ- und Abführleitung für das zu kühlende Medium aufweist.

7. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 6 eine Unterstützung von Klima- oder Kälteanlagen, eine Kühlung von Kältekammern, eine Erzeugung von Kaltwasser oder Kühlsohle, ein Trocknen von Druckluft oder für einen Betrieb von Kondensatoren zur Verflüssigung von Dämpfen und Lösemitteln.