DE2519545A1 - Verfahren und vorrichtung zur verdampfung von fluessigkeiten - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigkeiten, insbesondere verflüssigter Gase, und zur Erhitzung des sich ergebenden Gases auf eine bestimmte, kontrollierte Te£1iperatur.
• Viele Gase, beispielsweise Kohlendioxid, werden im allgemeinen in flüssigem Zustand unter hohem Dr# gelagert und transportiert. Soll das Gas in gasförmigem Zustand bei vergleichsweise niedrigem Druck verwendet werden, so muß es aus der Flüssigkeit verdampft und das sich ergebende Gas auf eine Temperatur überhitzt werden, die für die nachfolgende Verarbeitung zur Aufrechterhaltung des gasförmigen Zustandes ausreicht.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verdampfung einer Flüssigkeit und Erhitzung des Gases auf eine kontrollierte Temperatur wird die Flüssigkeit in eine von einem Gehäuse gebildeten Katarner geleitet, Flüssigkeit und Gas werden innerhalb der Kammer mittels wenigstens eines in derselben vorgesehenen Heizelements elektrisch erhitzt, die Temperatur des Gases wird erfaßt und die dem IIeizelement zugeführte elektrische Energie wird entsprechend einem von der Temperaturmeß- oder -fühleinrichtung empfangenen elektrischen Signal geregelt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ein eine Kammer umgrenzendes Gehäuse mit einem Einlaß für die Flüssigkeit und einem Auslaß für das Gas,wenigstens ein innerhalb der Kammer angeordnet tes elektrisches Heizelement zur Erhitzung des verflüssigten Gases und des verdampften Gases, und eine innerhalb der Kammer angeordnete Temperaturfühleinrichtung zur Erzeugung eines die Temper#tur des Gases darstellenden elektrischen Signals.
• In einer konstruktiven Ausführungsform enthält die Vorrichtung ein vertikales, längliches, eine Kammer einschließendes Gehäuse mit einem Einlaß für die Flüssigkeit am unteren und einem Auslaß für das Gas am oberen Ende, mehrere elektrische Heizelemente, die innerhalb der Kammer im wesentlichen über deren gesamte Höhe verlaufen, und eine angrenzend an den Auslaß angeordnete Temperaturfühleinrichtung zur Erzeugung eines von der Temperatur des Gases abhängigen gektrischen Signals, die an eine Temperaturregelschaltung mit einer Halbleitereinrichtung zur Regelung der den Heizelementen entsprechend dem von d er T der Temperaturfühleinrichtung empfangenen Signal zugeführten elektrischen Energie angeschlossen ist.
• Die Halbleitereinrichtung kann aus einem Triac bestehen. Ein zweiter Temperaturfühler kann eng angrenzend an eines der Heizelemente innerhalb der Kammer angeordnet und in eine Auslöseschaltung zur Abschaltung der Energiezufuhr zu den Heizelementen geschaltet sein, um eine Zerstörung zu verhindern, wenn sie eines vorherbestimmte Temperatur oberhalb der normalen Betriebstemperatur erreichen.
• Dies kann auch als Vorheizeinrichtung für den augenblicklichen Gasdurchsatz verwendet werden.
• Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Seitenansicht einer Vorrichtung zur Verdampfung von Flüssigkeiten; Fig. 2 die Draufsicht der Vorrichtung der Fig. 1; Fig. 3 das siematische Schaltbild einer Regelschaltung; und Fig. 4 das Schaltbild eines Teils der Regelschaltung der Fig. 3.
• Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung eignet sich besonders zur Verdampfung und Erhitzung von Kohlendioxid. Me enthält einen eine Kammer 2 umgrenzenden vertikalen, hohlen Zylinder 1 und eine Endkappe 3 mit einem Einlaßstutzen 4 am unteren Ende, sowie einen Endverbinder 5 mit einem Auslaßstutzen 6 am oberen Ende.
• Mehrere Heizelemente 7, von denen drei gezeigt sind, verlaufen nach unten in die Kammer, und zwar im wesentlichen über die gesamte Länge derselben, von einem Anschlußkasten 8, der am oberen Ende des Zylinders 1 angebracht ist und die mit den Heizelementen 7 verbundene Regelschaltung enthält. Die Elemente füllen im wesentlichen die Kammer aus, so daß sie in die Flüssigkeit eintauchen und sowohl das verflüssigte als auch das verdampfte Gas erhitzen.
• Länge, Anzahl und Anordnung der Heizelemente werden entsprechend den Erfordernissen gewählt, so daß die Flüs sigke it s-Gas-Grenzfläche unter allen Umständen erhitzt wird. Länge, Anzahl und Anordnung der Heizelemente können daher gegenüber den in den Figuren gezeigten wesentlich verändert werden. Der Anschlußkasten 8 kann ein wetterfestes, explosionsfestes, staubsicheres und/oder flammensicheres Gehäuse sein. Die Heizelemente sind sinus- oder haarnadelförmig und haben eine niedrige thermische Trägheit, d. h., die zur Übertragung der Wärmeenergie von den Elementen durch eine beliebige Schutzhülle zur Flüssigkeit oder zum Gas erforderliche Zeit ist minimal.
• Im Gasstrom befindet sich am Auslaß eine nichtgezeigte Temperaturfühleinrichtung zur Erfassung der Gastemperatur. Eine zweite nichtgezeigte Temperaturfühleinrichtung ist gegen oder eng angrenzend an eines der Heizelemente innerhalb der Kammer angeordnet.
• Die beiden Temperaturfühleinrichtungen bestehen vorzugsweise aus in die Regelschaltung geschalteten Thermistoren, wie im folgenden noch näher erläutert wird. Statt Thermistoren können auch Thermoelemente oder elektromechnische Schalteinrichtungen als Temperaturftihleinrichtungen verwendet werden.
• Der Zylinder 1 ist auf Stützen 9 befestigt und von einer Wärmeisolierung 10 umschlossen.
• Im Betrieb wird flüssiges Kohlendioxid durch den Einlaß 4 zugeleitet und von den Heizelementen 7 erhitzt. Aus der Flüssigkeit siedet das Gas auf und bewegt sich durch die Kammer nach oben zum Auslaß 6, wobei es die ganze Zeit über erhitzt wird. Die Temperatur des durch den Auslaß 6 abgeleiteten Gases wird durch die Temperaturfühleinrichtung erfaßt, die ein entsprechendes Signal erzeugt. Dieses wird der Regelschaltung zugeführt. Die Schaltung reagiert in der noch zu beschreibenden Weise auf das Signal und erhöht oder vermindert entsprechend die den Heizelementen zugeführte Energie. Auf diese Weise wird die Temperatur des nachfolgend ausgelassenen Gases eingestellt.
• Erreicht die Temperatur der Heizelemente einen vorherbestimmten, über ihre normalen Betriebstemperaturen hinausgehenden Wert, so wird die Stromzufuhr mit Hilfe des von der an einem der Heizelemente angeordneten Temperaturfühleinrichtung abgeschaltet. Auf diese Weise wird die Vorrichtung gegen Fehlfunktion und Zerstörung geschützt, beispielsweise wenn die Flüssigkeitszufuhr unterbrochen wird.
• Die Lage der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche innerhalb der Kammer ist hinsichtlich der Gastemperaturregelung nicht kritisch. Sie ist abhängig von der benötigten Gasmenge und von dem Durchsatz an zugeführtem flüssigem Gas.
• Durch die Anwendung von Heizelementen mit niedriger thermischer Trägheit und durch die Regelung ihrer Leistungszufuhr in Abhängigkeit von der Temperatur des ausgelassenen Gases kann die Gastemperatur ausreichend stabllisirt werden. Auf diese Weise werden Temperaturschwankungen im ausgelassenen Gas von mehr als - 1 C vermieden.
• Die Vorrichtung braucht nicht vertikal befestigt zu werden. Vielmehr können die Kammer und die Heizelemente auch horizontal angeordnet werden, wobei, falls notwendig, Einlaß und Auslaß geändert werden. Es ist auch möglich, die Vorrichtung mit einem Sammelbehält er für das verdampfte Gas zu versehen.
• Die Regelschaltung wird nun anhand Fig. 3 im einzelnen erläutert.
• Die Temperaturfühleinrichtung am Gasauslaß zur Erfassung der Gastemperatur ist das Element NTC1, die angrenzend an das Heizelement angeordnete Temperaturfühleinrichtung ist das Element NTO2.
• Die Temperaturfühleinrichtungen sind in einem Temperaturmeßteil der Regelschaltung angeordnet. Sie führen einer variablen Phasenregelschaltung 34 für ein Triac T1 ein Signal zu, das in Reihe zu den Heizelementen geschaltet ist. Der Temperaturmeßteil der Schaltung wird aus einer Gleichstromquelle 30 speist, und zwar über einen Empfindlichkeits-Einstellwiderstand 31 zu einer Wheatstone-Brücke 32, in deren einem Zweig die Temperaturfühleinrichtung NTC1 angeordnet ist. Das Ausgangssignal der Brücke 32 wird an der Verbindungsstelle zweier Widerstände R6 und R7 abgegriffen und dem Verstärkereingang einer integrierten Schaltung 34 zugeführt, mittels der die Phasenregelung des Triac T1 ausgeführt wird. Die Schaltung 34 ist vorzugsweise eine integrierte Schaltung, deren Schaltbild in Fig. 4 dargestellt ist.
• Die Phasenregelschaltung 34 wird über einen Halbwellengleichrichter D1 mit Spannung versorgt. Ein Null-Detektor in der Phasenregelschaltung 34 synchronisiert diese mit der abwechselnden Speisung zu den Heizelementen und dem Triac T1, und zwar durch Start eines Regelzyklus bei jedem Nulldurchgang der Halbwelle der gleiche richteten Spannung.
• Im folgenden sei nun der Regelzyklus beschrieben. Wenn der Null-Detektor feststellt, daß die gleichgerichtete Speisespannung den Nullwert erreicht hat, wird durch Entladung eines Kondensators cl eine ansteigende Spannung erzeugt, deren Anstiegsgeschwindigkeit proportional dem Ausgangssignal des Verstärkers in der Schaltung 34 ist. Erreicht die Spannung am Kondensator C2 einen vorh#rbestimmten, in der Schaltung 34 eingestellten Wert, so wird ein Zündimpuls erzeugt und über ein RC-Differentiationsnetzwerk C3R12 und einen strombegrenzenden Widerstand R1 3 dem Triac T1 zugeführt. Der Nulldurchgangs-Detektor setzt den Regelzyklus zurück, wenn die gleichgerichtete Speisespannung den Nullwert erreicht.
• An diesem Punkt wird der Steuerkondensator schnell wieder aufgeladen. Auf diese weise wird bei jedem Nalbzyklus der speisenden Wechselspannung ein Zündimpuls erzeugt.
• Zum Schutz der Heizelemente vor zu hohen Temperaturen, ist die Temperaturfühleinrichtung NTC2 in Reihe mit einem variablen Widerstand VR4 geschattet, die einen Spannungsteiler bilden. Der Verbindungspunkt zwischen der Temperaturfühleinrichtung NTC2 und dem variablen Widerstand VR4 ist an einen Eingang der Schaltung 34 angeschlossen, sodaß einer Sperrschaltung in der Schaltung 34 ein Signal zugeführt wird. Die Sperrschaltung arbeitet so, daß, wenn die Spannung an dem Verbindungspunkt unterhalb einen vorherbestimmten Pegel sinkt, die Schaltung 34 gesperrt wird und keine Zündimpulse erzeugt werden.
• Die Temperatur der Heizelemente kann durch Drücken eines Druckknopfschalters 35 überwacht werden, über den einem Meßgerät 36 Strom zugeführt wird.
• Die Schaltung der Fig. 5 kann in vielerlei Weise geändert werden.
• Beispielsweise kann die den Thermistor NTC, enthaltende Wheatstonebrücke durch einen von einem Thermoelement gespeisten Operationsverstärker ersetzt werden, dessen Ausgangssignal direkt dem Verstärkereingang der Schaltung 34 zugeführt wird. Weiter kann eine dreiphasige Heizeinrichtung mittels dreier Triac T1 geregelt werden, so daß eine Gruppe von Kontakten oder eine Kombination der obigen Schaltungen dreiphasig geregelt wird. In manchen Anwendungsfällen kann das Triac T1 auch durch ein Relais ersetzt werden.
• Mit Hilfe der Vorrichtung können auch andere verflüssigte Gase als Kohlendioxid verdampft werden. Auch ist es möglich, Flüssigkeiten sieden zu lassen, um diese notwendigen'falls in den gasförmigen Zustand zu bringen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in-erster Linie zur Änderung des Zustands einer Flussigkeit vorgesehen. Der Behälter kann aber auch als Lagerb#ehälter verwendet und nur der Zustand eines kleinen Teils des Gesamtvolumens der Flüssigkeit im Behälter geändert werden.
• Pat entans#rüche

Claims (9)

1. PATENTANSPRUCHE 1. Verfahren zur Verdampfung einer Flüssigkeit und zur Erhitzung des Gases auf eine geregelte Temperatur, bei dem die Flüssig keit in eine durch ein Gehäuse gebildete Kammer geleitet und die in der Kammer befindliche Flüssigkeit elektrisch erhitzt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl die Flüssigkeit als auch das verdampfte Gas durch wenigstens ein in der Kammer angeordnetes Heizelement erhitzt werden, daß die Temperatur des Gases erfaßt wird und daß die dem Heizelement zugeführte elektrische Energie entsprechend einem von der Temperaturfühleinrichtung empfangenen elektrischen Signal geregelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e 1 daß die Temperatur des Heizelements gemessen und die Energiezufuhr zu dem Element unterbrochen wird, wenn die Temperatur einen vorherbestimmten Pegel überschreitet.
3. 3. Vorrichtung zur Verdampfung einer Flüssigkeit, mit einem eine Kammer bildenden Gehäuse mit einem Einlaß für die Flüssigkeit und einem Auslaß für das Gas, g e k e n n z e i c h n e t durch wenigstens ein in der Kammer (2) angeordnetes Heizelement (7) zur Erhitzung des flüssigen und des verdampften Gases, und durch eine Temperaturfühleinrichtung (NTC1) zur Erzeugung eines die Temperatur des Gases wiedergebenden elektrischen Signals.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in der Kammer (2) mehrere, die Kammer im wesentlichen ausfüllende Heizelemente (7) angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, g e k e n n z e i c h -n e t durch eine zweite Temperaturfühleinrichtung (etc2), die an oder nahe angrenzend an wenigstens einem Heizelement zur Erfassung der Temperatur des Heizelements angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t durch eine an die zweite Temperaturfühleinrichtung (NTC2) angeschlossene Auslöseschaltung (34) zur Unterbrechung der Leistungszufuhr zu dem oder zu den Heiz£lementen (7) auf ein von der zweiten Temperaturfühleinrichtue (TC2) erzeugtes Signal.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine an die erste Temperaturfühleinrichtung (NTcl) angeschlossene Regelschaltung (34, T1) zur Regelung der den Heizelementen (7) zugeführten Energie entsprechend dem von der Temperaturfühleinrichtung erzeugten Signal.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Regelschaltung eine Halbleiter-Schalteinrichtung (T1) enthält.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Schalteinrichtung ein Triac (T1) enthält.