DE2350678B2 - Vorrichtung zur Abgabe eines flüssigen Kryogenen Kälteträgers - Google Patents
Vorrichtung zur Abgabe eines flüssigen Kryogenen KälteträgersInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgabe eines flüssigen kryogenen Kälteträgers auf unter der
Vorrichtung vorbeilaufendes Kühlgut, mit mindestens einer Flüssigkeitssprühdüse, die einen Einlaß und eine
die Abgabemenge bestimmende Öffnung aufweist, die einen Sprühstrahl aus flüssigem kryogenem Kälteträger
auf das Kühlgut richtet, mit einer Leitungsanordnung, mittels derer der Kälteträger der Sprühdüse zuleitbar
ist, die an eine Kälteträgerquelle angeschlossen ist und in deren unterem Abschnitt der Einlaß der Flüssigkeitssprühdüse
liegt, sowie mit mindestens einem Gasablaß.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-PS 27 820) besteht der Dampfablaß aus einer Entlüftungsleitung
und einem Auslaßmagnetventil. Die Entlüftungsleitung mündet seitlich in die Kälteträgerleitung
ein. Die Einmündung befindet sich in einer Höhe, die im Betrieb unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen
Kälteträgers liegt. Während des Anfahrens der Kühlvorrichtung wird das Ablaßventil geöffnet, um zunächst
in der Leitungsanordnung befindliche Kaltluft austreten zu lassen. Sobald am Ablaßventil Flüssigkeit erscheint,
wird das Ventil gesperrt. Es bleibt anschließend geschlossen. Über dem Flüssigkeitsspiegel befindet sich
in der Kälteträgerleitung eine Schicht aus dampfförmigem Kälteträger, der das Austreiben von flüssigem
Kälteträger aus der Leitung über die Sprühdüsen unterstützen soll.
Das Vorhandensein obwohl von flüssigem als auch von dampfförmigem Kälteträger in der Sprühvorrichtung
kann leicht zu einer ungleichmäßigen Kühlung des einzufrierenden Kühlgutes führen, weil bei einem
Kälteträger wie flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft die Dampfphase nur ungefähr die Hälfte des nutzbaren
Kälteinhalts der flüssigen Phase hat. Die Enthalpie des Dampfs ist wesentlich höher, da sie die latente
Verdampfungswärme einschließt. Folglich wird eine gleichförmige Kühlung schwierig, wenn einzelne Düsen
wechselweise Gas und Flüssigkeit in unvorhersehbarer Weise abgeben. Außerdem ist es erwünscht, nur
flüssigen Kälteträger unmittelbar auf das Kühlgut aufzubringen, damit der wesentlich höhere Wärmeübergangskoeffizient
der flüssigen Phase ausgenutzt werden kann. Das heißt, beim Kühlen mit flüssigem Kälteträger
ist eine kleinere Wärmeaustauschfläche erforderlich, weil der Oberflächenwärmeübergangskoeffizient der
mit dem Kühlgut in Berührung befindliche siedenden Flüssigkeit, fünf- bis fünfzehnmal höher als der
entsprechende Koeffizient zwischen dampfförmigem Kälteträger und der Kühlgutoberfläche ist. Ferner wird
bei einem vorgegebenen Differenzdruck durch eine vorgegebene Düsenöffnung hindurch eine wesentlich
größere Strömungsmenge an Flüssigkeit als an Dampf angegeben. Infolgedessen führt eine Öffnung, aus der
vorherrschend Dampf austritt, bei vorgegebenem Differenzdruck nicht nur zu einer kleineren Massenstromdichte,
sondern auch zu einer verminderten Kühlkapazität je Masseneinheit, verglichen mit einer
Öffnung, aus der vorwiegend Flüssigkeit austritt. Gibt daher eine Düse Dampf statt Flüssigkeit ab, wird
insgesamt die Kühlkapazität um mehr als eine Größenanordnung abgesenkt.
Bei Sprühvorrichtungen sitzen die Öffnungen oder Düsen im allgemeinen so, daß ihre Einlasse im
wesentlichen auf gleicher Höhe liegen. Handelt es sich bei dem abzugebenden Kälteträger um ein Zweiphasengemisch,
muß die Sprühvorrichtung genau waagrecht angeordnet sein, weil bereits eine geringfügige Schräglage
zu großen Unterschieden hinsichtlich des Kälteträgers führt, der von höher bzw. niedriger liegenden
Düsen abgegeben wird. Dies ist auf die innerhalb der Sprühvorrichtung stattfindende Trennung in Dampf und
Flüssigkeit zurückzuführen. Es kann der Fall eintreten, daß die höher liegenden Düsen nur Dampf abgeben und
Streifen von ungleichmäßig von oben gekühltem Gut verbleiben. Infolgedessen muß sorgfältig darauf geachtet
werden, daß sämtliche Düseneinlässe auf gleicher relativer Höhe gehalten werden. Aber selbst wenn die
Düseneinlässe richtig gegenseitig ausgerichtet sind, ist das Vorhandensein eines Zweiphasengemischs in der
Sprühvorrichtung wegen der ungleichmäßigen Abgabe der Dampfphase lästig. Das zu jedem bestimmten
Augenblick aus einer beliebigen Düse abgegebene Medium stellt eine nicht vorherbestimmbare Kombination
von Dampf und Flüssigkeit dar und hat daher eine entsprechend unvorherbestimmbare Kühlwirkung.
Es wurden bereits Phasentrenner stromaufwärts der Sprühleitung angeordnet, um den gesamten Dampf aus
dem Kälteträger zu entfernen und der Sprühleitung nur flüssigen Kälteträger zuzuführen. Dieses Vorgehen
konnte sich jedoch in der Praxis nicht durchsetzen. Der
Phasentrenner liegt stromaufwärts der Bereiche, innerhalb
derer es in erster Linie zu einer Druckminderung kommt, nämlich stromaufwärts des Mengenregelventils
und der Sprühleitung. Wenn daher der Kälteträger durch weitere Rohrleitungen und das Mengenregelventil
hindurchtritt, kommt es erneut zur Ausbildung eines Zweiphasenstromes. Ein stromaufwärts der Sprühleitung
angeordneter Phasentrenner macht daher den Prozentsatz des vorhandenen Dampfes nur kleiner,
räumt das Problem jedoch nicht aus, da bereits kleine iU
Dampfmengen in der Sprühleitung zu erheblichen Schwierigkeiten beim Kühlvorgang führen. Die Anwendung
eines externen Phasentrenners ist auch unpraktisch, weil der Phasentrenner eine zusätzliche Vorrichtung
darstellt, die installiert und isoliert werden muß. Außerdem müssen zwei isolierte Leitungen für den
Transport der voneinander getrennten Phasen (Flüssigkeit und Dampf) vom Phasentrenner zu der im Bereich
der Sprühleitung liegenden Arbeitszone reichen. Dies kompliziert das Kühlsystem und stellt eine zusätzliche
Ursache für schlechten Wärmewirkungsgrud dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, aus einem
kryogenen Zweiphasengemisch selektiv nur flüssigen Kälteträger auf das Kühlgut abzugeben, einen wirksamen
Betrieb auch bei Kälteträgern aufrechtzuerhalten, die nach einer Druckminderung variable Prozentsätze
an Dampf aufweisen, und Kühlgut bei einem verhältnismäßig weiten Bereich an Kälteträgermassenstromdichten
wirksam einzufrieren.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Gasablaß zum Ableiten praktisch der gesamten Dampfphase des kryogenen
Kälteträgers in die umgebende Atmosphäre als Dampfablaßdüse ausgebildet ist, deren Einlaß im oberen
Abschnitt der Leitungsanordnung liegt und deren Auslaß mit dem Einlaß und der umgebenden Atmosphäre
in ständiger Verbindung steht, und daß die äquivalente Querschnittsfläche der Auslaßöffnung der
Dampfablaßdüse V3 bis 2h der äqivalenten Querschnittsfläche der Auslaßöffnung der Flüssigkeitssprühdüse
beträgt.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird verdampfter Kälteträger über die Dampfablaßdüse
während des Kühlbetriebes ständig abgeführt. Damit ist sichergestellt, daß über die Flüssigkeitssprühdüse nur
flüssiger Kälteträger abgegeben wird. Es erfolgt also eine Phasentrennung dort, wo sie am wirksamsten ist,
nämlich an der Stelle der letzten Druckminderung in der Sprühleitung.
Diese Art der Phasentrennung ist besonders wirksam, einfach, verläßlich und im Vergleich zu der Verwendung
eines stromaufwärts der Sprühleitung angeordneten, gesonderten Phasentrenners mit nur geringem Kostenaufwand
verbunden. Die obere Grenze des unteren Abschnittes der Leitungsanordnung, innerhalb dessen
der Einlaß der Flüssigkeitssprühdüse liegt, befindet sich dabei in der Höhe der Leitung, oberhalb derer nicht
mehr im wesentlichen nur flüssiger Kälteträger abgegeben würde. Entsprechend liegt die untere
Grenze des oberen Abschnittes, in dem sich der Einlaß der Dampfablaßdüse befindet, in der Leitungshöhe,
unterhalb derer nicht nur im wesentlichen dampfförmiger Kälteträger über die Ablaßdüse austreten würde.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Verhältnis der Querschnittsflächen von Dampf- und Flüssigkeitsdüse
sorgt einerseits für die Aufrechterhaltung eines ausreichenden Rückdruckes, um die Antriebskraft für
das Ausstoßen der Flüssigkeit aus der Sprühdüse genügend hoch zu halten, und bewirkt andererseits, daß
die erforderliche Spitzenstrommenge an flüssigem Kälteträger abgegeben wird, wenn der an der
Flüssigkeitssprühdüse anstehende Druck zwischen ungefähr 1 und 2,8 bar beträgt.
Weist die Vorrichtung mehrere Flüssigkeitssprühdüsen auf, ist sie bezüglich der waagrechten Ausrichtung
relativ unempfindlich. Des weiteren erlaubt es die erfindungsgemäß ausgelegte Vorrichtung, unabhängig
von dem in der Kälteträgerquelle herrschenden Flüssigkeitssättigungsdruck für eine vorgegebene Kälteträgerdurchflußmenge
mit im wesentlichen dem gleichen Druck zu arbeiten. Der Kühlvorgang läßt sich dadurch einfach und bequem beherrschen. Auch
Kälteträger, die nach Druckminderung variable Prozentsätze an Dampf enthalten, können problemlos
benutzt werden.
Vorzugsweise beträgt der senkrechte Abstand zwischen dem Dampfdüseneinlaß und dem Flüssigkeitsdüseneinlaß,
gemessen in Axialrichtung der Leitung, mindestens 6,3 mm. Im Einzelfall wird der Mindestabstand
von mehreren Variablen beeinflußt. Zu diesen gehören die Durchflußmenge des Kälteträgers, der
Abgabedruck der Flüssigkeitssprühdüse, die Länge und die Querschnittsfläche der Leitung sowie die Neigung
des Sprühkopfes mit Bezug auf die Waagrechte. Für jede vorbestimmte Kombination von Arbeitsbedingungen
wird die Lage des oberen und des unteren Abschnitts im oben definierten Sinne am besten
experimentell bestimmt.
Als besonders zweckmäßig erwies es sich ferner, wenn die äquivalente Querschnittsfläche der Auslaßöffnung
der Dampfablaßdüse ungefähr die Hälfte der entsprechenden Fläche der Auslaßöffnung der Flüssigkeitssprühdüse
beträgt.
Damit jede Düse nur die ihr bestimmungsgemäß zugeordnete Phase des Kälteträgers durchläßt, sind
vorzugsweise die Flüssigkeitssprühdüse und die Dampfablaßdüse in der Leitung oben bzw. unten angebracht.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Sprühkopfes
mit an entgegengesetzten Seiten montierten Düsen zur Flüssigkeits- bzw. zur Dampfabgabe,
Fi g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Sprühkopfes
mit mehreren Düsen zur Abgabe von Flüssigkeit bzw. Dampf,
Fig.3 einen schematischen Querschnitt einer abgewandelten
Ausführungsform, bei der die Flüssigkeitsund Dampfabgabedüsen entlang der Unterseite der
Leitung montiert sind, und
F i g. 4 eine schematische Ansicht ähnlich F i g. 3 für eine Ausführungsform, bei der die Flüssigkeitsdüse und
die Dampfdüse zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.
Wie aus F i g. 1 hervorgeht, sind eine Flüssigkeitssprühdüse 1 und eine Dampfablaßdüse 3 im unteren
bzw. oberen Abschnitt einer Leitung 2 montiert. Der kryogene Kälteträger liegt innerhalb der Leitung 2 in
einer flüssigen Phase 4 und einer Dampfphase 5 vor. Die Dampfphase 5 des Kryogens tritt aus der Leitung 2 in
den Einlaß 6 der Dampfablaßdüse 3 über und gelangt durch den Auslaß 7 hindurch in die umgebende
Atmosphäre. Der Auslaß 7 ist vorzugsweise in einem Winkel λ mit Bezug auf die Lotrechte geneigt, um den
austretenden Dampf in die Kälteträgerdampfmasse zu richten, die über der Kühlzone ständig umgewälzt wird.
Außerdem stellt diese Ausbildung sicher, daß auch dann, wenn unbeabsichtigt flüssiger Kälteträger in den Einlaß
6 gelangen sollte, dieser Kälteträger verdampft wird, bevor er mit dem Kühlgut in Kontakt kommt. Eine
solche unbeabsichtigte Flüssigkeitsabgabe hat dann die gleiche Wirkung, wie wenn es sich um Dampf handeln
würde. Durch geeignete Ausrichtung des Auslasses 7 wird also gewährleistet, daß unter Umständen austre- to
tendes flüssiges Kryogen eine zusätzliche Strecke durch die verhältnismäßig wärmeren Dampfbereiche hindurch
zurücklegen muß, bevor es das Kühlgut erreicht. Auf diese Weise wird solcher Kälteträger verdampft und in
den umgewälzten Dampf einbezogen, wodurch die Gleichförmigkeit der Kühlung der Produkte verbessert
wird.
F i g. 2 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung, bei der mehrere Düsen 20,21 zur
Abgabe von Flüssigkeit bzw. von Dampf gleichmäßig entlang von Leitungen 22, 24 verteilt angeordnet sind.
Ein Anschlußrohr 23, das mit einer nicht veranschaulichten Quelle für das kryogene Medium in Verbindung
steht, läßt das Zweiphasengemisch in die Leitungen 22 und 24 gelangen. Bei der Anordnung nach F i g. 2 sind
die Dampfablaßdüsen 21 derart im oberen Abschnitt der Leitungen 22, 24 montiert, daß ihre (bei dieser
Darstellung nicht sichtbaren) Einlasse mit dem Einlaß einer entsprechenden Flüssigkeitssprühdüse 20, die im
unteren Abschnitt der Leitung 22 bzw. 24 sitzt, in lotrechter Richtung im wesentlichen ausgerichtet sind.
Die Anordnung der Düsen läßt sich in vielgestaltiger Weise abwandeln. So können beispielsweise die
Dampfablaßdüsen 21 entlang dem oberen Abschnitt der Leitungen 22, 24 so verteilt sein, daß sie jeweils in der
Mitte zwischen zwei entsprechenden Flüssigkeitssprühdüsen 20 sitzen, die im unteren Leitungsabschnitt
montiert sind.
F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Flüssigkeits- und die Dampfdüsen im unteren Teil der
Leitung montiert sind. Die Flüssigkeitssprühdüse 30 ist dabei mit der Leitung 34 über ein Gewinde 37
verbunden. Ihr Einlaß 31 liegt im unteren Abschnitt 32 der Leitung 34. Der Einlaß 31 steht mit einer
Auslaßöffnung 38 in Verbindung. Die Dampfdüse 35 ist in ähnlicher Weise im unteren Teil der Leitung 34
montiert. Sie weist ein Verlängerungsrohr 29 auf, das in den oberen Abschnitt 33 der Leitung 34 reicht, so daß
der Einlaß 36 im oberen Abschnitt 33 liegt. Der Einlaß 36 steht mit einer Dampfauslaßöffnung 39 in Verbindung.
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Flüssigkeits- und die Dampfdüse zu einer Baueinheit
zusammengefaßt sind. Die Zweiphasendüse 40 ist über ein Gewinde 48 im unteren Teil der Leitung 44 befestigt
und weist zwei Einlasse 41, 43 auf, die mit zwei entsprechenden Auslaßöffnungen 45 bzw. 46 in
Verbindung stehen. Der Einlaß 41 befindet sich im unteren Abschnitt 42 der Leitung 44, während der am
oberen Ende eines Verlängerungsrohres 49 befindliche Einlaß 43 im oberen Abschnitt 47 der Leitung 44 liegt.
Flüssiges Kryogen tritt über die Auslaßöffnung 45 aus, während dampfförmiges Kryogen über die Auslaßöffnung
46 abgegeben wird. Aus Zeichnungsgründen sind die Dampfdüse 35 und die Zweiphasendüse 40 in den
F i g. 3 und 4 in einer Stellung veranschaulicht, in der sie bezüglich der bevorzugten Ausrichtung der Austrittsöffnung
für die Dampfphase um 90° um die betreffende Düsenachse gedreht sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Abgabe eines flüssigen kryogenen Kälteträgers auf unter der Vorrichtung
vorbeilaufendes Kühlgut, mit mindestens einer Flüssigkeitssprühdüse, die einen Einlaß und eine die
Abgabemenge bestimmende Öffnung aufweist, die einen Sprühstrahl aus flüssigem kryogenen Kälteträger
auf das Kühlgut richtet, mit einer Leitungsanordnung, mittels derer der Kälteträger der Sprühdüse ίο
zuleitbar ist, die an eine Kälteträgerquelle angeschlossen ist und in deren unterem Abschnitt der
Einlaß der Flüssigkeitssprühdüse liegt, sowie mit mindestens einem Gasablaß, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasablaß zum \bleiten praktisch der gesamten Dampfphase des kryogenen
Kälteträgers in die umgebende Atmosphäre als Dampfablaßdüse (3,21,35,40) ausgebildet ist, deren
Einlaß (6, 36, 43) im oberen Abschnitt (33, 47) der Leitungsanordnung (2,22,24,34,44) liegt und deren
Auslaß (7, 39,46) mit dem Einlaß (6,36,43) und der
umgebenden Atmosphäre in ständiger Verbindung steht, und daß die äquivalente Querschnittsfläche der
Auslaßöffnung der Dampfablaßdüse V3 bis 2Z3 der
äquivalenten Querschnittsfläche der Auslaßöffnung der Flüssigkeitssprühdüse beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der senkrechte Abstand zwischen dem
Dampfdüseneinlaß (6, 36, 43) und dem Flüssigkeitsdüseneinlaß (31, 41), gemessen in Axialrichtung der
Leitung (2,22,24,34,44), mindestens 6,3 mm beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalente Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (7,39,46) der Dampfablaßdüse
(3, 21, 35, 40) ungefähr die Hälfte der entsprechenden Fläche der Auslaßöffnung (38, 45)
der Flüssigkeitssprühdüse (1,20,30,40) beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssprühdüse
(1,20) und die Dampfablaßdüse (3, 21) in der Leitung (2, 22, 24) oben bzw. unten
angebracht sind.
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