DE2350678B2

DE2350678B2 - Vorrichtung zur Abgabe eines flüssigen Kryogenen Kälteträgers

Info

Publication number: DE2350678B2
Application number: DE2350678A
Authority: DE
Inventors: Michael Anthony Elmsford N.Y. Marchese; Warren Edwin Wyckoff N.J. Perkins
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1972-10-24
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2350678A1; CA991428A; US3845635A; DE2350678C3; BE805848A

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 i_U 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

Patentansprüche:

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.