DE3230471A1

DE3230471A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines eisschlamms fuer die betonkuehlung in der pumpleitung

Info

Publication number: DE3230471A1
Application number: DE19823230471
Authority: DE
Inventors: John Francis 18049 Emmaus Pa. Boyle; Barry Jay 18104 Allentown Pa. Halper; James Conrad 1733 Bethlehem Pa. Link; John Cornelius 18103 Allentown Pa. Mullane jun.
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1982-08-16
Publication date: 1983-04-07
Also published as: CA1167651A; GB2106792B; GB2106792A; US4344290A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eine fließfähigen fest-flüssigen Mischung, die im folgenden auch als "Schlamm" oder "Lisschlamm" "bezeichnet wird, und die aus einer Flüssigkeit besteht, die mit einzelnen gefrorenen Teilchen dieser Plüssigkeit gemischt ist.

Verfahren zur Herstellung von fließfähigen Schiammischlingen in den Pump- oder Rohrleitungen für die Zufuhr einer Flüssigkeit bzw. eines Kühlmittels sind in zwei unabhängigen US-Patentanmeldungen mit den Serial ITo. 165 815 und 165 816 beschrieben. Das in der zuletzt genannten US-Anmeldung beschriebene Verfahren, umfaßt die Durchleitung eines Flüssigkeit sstroms, z.B. eines 'Wasserstroms, durch eine geschlossene Rohrleitung einer Schlammerzeugungsvorrichtung, wobei diese Wasserzuführungsleitung eine T-Verbindung mit dem Rumpfstück der Schlammerzeugungsvorrichtung bildet, sowie das Einführen eines flüssigen Kältemittels, z.B. von flüssigem Stickstoff, in den Wasserstrom, so daß das Wasser im Gleichstrom mit dem Kältemittel strömt und eine Schlammischung gebildet wird, die anschließend aus der Leitung ausströmt. Die kritischen Parameter dieses Verfahrens bzw. des Verfahrens gemäß der vorliegenden Anmeldung ,wie sie auch in der unabhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 165 816 beschrieben sind, wobei auf diese Anmeldung ausdrücklich Bezug genommen wird, sind, daß die Temperatur des Wassers, in das das Kältemittel eingeführt wird, von etwa 3,6°C bis etwa 18°C (2°F bis 1O⁰F) über dem Gefrierpunkt des Wassers liegen muß, daß die Kontaktzeit zwischen der Einführung des Kältemittels, z.B. des flüssigen Stickstoffs, und dem Austritt des Schlamms im Bereich von etwa 0,001 bis etwa 10 Sekunden gehalten wird,

-ει daß die Oberflächengeschwindigkeit des Wassers in der Vorrichtung mindestens etwa 0,45 m/Sekunde (1,5 feet per second) beträgt und daß schließlich das Gewichtsverhältnis des flüssigen Stickstoffs zum Wasser im Bereich von etwa 0,025:1 bis etwa 2:1 gehalten werden muß.

Die Vorrichtung zur Durchführung der in den beiden unabhängigen US-Patentanmeldungen offenbarten Verfahren umfaßt eine langgestreckte zylindrische Schlamm-Lanze und einen Wasserzufuhrstutzen, der unter einem rechten Winkel an die Lanze angefügt wird, so daß an dem Ende der Lanze, das dem Austrittsende des Schlamms gegenüberliegt, eine übliche T-Rohrverbindung gebildet wird. In die Lanze erstreckt sich durch deren geschlossenes Ende, das von dem Austrittsende entfernt ist bzw. ihm gegenüber1 ie gt,koaxial mit dieser Lanze ein Einführungsstutzen bzw.-rohr für die Zufuhr des flüssigen Stickstoffs (LHi), wobei dieser Einführungsstutzen gegenüber dem geschlossenen Ende abgedichtet ist.

Es wurde gefunden, daß beim Arbeiten innerhalb des Bereichs von Parametern, der in den beiden genannten Anmeldungen offenbart ist, eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den in diesen Anmeldungen offenbarten Vorrichtungen und den Vorrichtungen der US-PSen 3 672 182 und 3 771 718 erzielt werden kann.

Die bekannte Lanze mit der T-Rohrverbindung weist den Nachteil auf, daß sich Wasser staut und in dem Kältemittel- oder LIN-Rohr stutz en festfriert, und daß auch das LHi-Magnetventil in der offenen Stellung einfriert. Außerdem gefriert auch die Flüssigkeit in dem toten Raum zwischen dem geschlossenen Ende und der rechtwinkligen T-Verbindung des Wassereinlasses, was zu einem nahezu katastrophalen Versagen der gesamten Schlammerzeugungs-Vorrichtung führt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung_; ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer fließfähigen fest-flüssigen Mischung, insbesondere eines Eisschlammes zur Kühlung von Beton anzugeben, die unter Vermeidung der Nachteile des bekannten Standes der Technik eine langdauernde störungsfreie Mischungserzeugung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Verbesserung einer Vorrichtung, die ein verzweigtes Rohranschlußstück aufweist, zu dem ein Rumpfstück gehört, das an seinem einen Ende ein verschlossenes Endstück aufweist und an seinem anderen Ende eine Öffnung, sowie ferner ein erster Rohrstutzen in der Nähe des verschlossenen Endstücks, durch den eine Flüssigkeit zugeführt wird, sowie ein zweiter Rohrstutzen, der dicht durch das verschlossene Endstück hindurchgeführt ist und dessen Längsachse im wesentlichen mit der Längsachse des Rumpfstücks zusammenfällt und der der Einführung eines Kältemittels in das Rohranschlußstück in Strömungsrichtung hinter der Einmündungsstelle des ersten RohrStutzens dient. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine hohle Lanze, deren Längsachse im wesentlichen mit der Längsachse des Rumpfstücks zusammenfällt und die ein offenes Ende aufweist, das an die öffnung des Rumpfstücks angeschlossen ist, sowie eine Austrittsöffnung an ihrem anderen Ende, durch die die flüssigfeste Mischung austritt. Die Verbesserung besteht darin, daß der erste Rohrstutzen so an das Rumpfstück des Rohranschlußstücks angefügt ist, daß seine Längsachse einen spitzen Winkel oder ein T mit der Längsachse des zweiten Rohrstutzens zur Einführung des Kältemittels bildet.

Vorzugsweise weist das geschlossene Ende des Rumpfstücks

des Rohranschlußstücks eine ebene Platte auf, die parallel zur Längsachse des ersten Rohrstutzens zur Einführung des Flüssigkeit und im wesentlichen diesen Rohrstutzen verlängernd angeordnet ist. Es ist ferner "bevorzugt, daß die hohle Lanze aus zwei Abschnitten besteht, die unterschiedliche Innendurchmesser aufweisen. Der Innendurchmesser des ersten Abschnitts, der sich an das Rumpfstück des Rohranschlußstücks anschließt, ist derselbe oder im wesentlichen derselbe wie der Innendurchmesser des Rumpfstücks. Der zweite Abschnitt, der sich an der Austrittsöffnung der Lanze befindet, weist einen beträchtlich größeren Innendurchmesser auf als das Rumpfstück.

Bei der bekannten Schlammerzeugungsvorrichtung existiert stromauf hinter der T-Einmündung des Wasserzuführungs-Rohrstutzens in das Rohranschlußstück vor dem verschlossenen Endteil ein toter Raum. Wie genauer noch weiter unten ausgeführt wird, wurde festgestellt, daß das Einfrieren der Flüssigkeit in diesem toten Raum erschwert wird, wenn man den ersten Rohrstutzen so mit dem Rumpfstück verbindet, daß seine Längsachse einen spitzen Winkel mit der Achse des zweiten Rohrstutzens bildet, vorzugsweise einen Winkel zwischen etwa 20° und etwa 75°. Es ist dabei ganz besonders bevorzugt, dieses Merkmal mit dem Merkmal zu kombinieren, daß der tote Raum völlig vermieden wird, indem man die Innenoberfläche des verschlossenen Endes so anordnet, daß sie im wesentlichen dieselbe Richtung wie die Längsachse des ersten Rohrstutzens aufweist und außerdem so nah an dem Strömungsweg der durch diesen ersten Rohrstutzen zugeführten Flüssigkeit angeordnet ist, wie physikalisch bzw. praktisch möglich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein teilweise geschnitte Längsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 die Längsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 3 die Längsansicht einer alternativen Ausführungsform des Abschnitts D der Vorrichtung von Fig. 2.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie in den Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben wird, überwindet die Nachteile des Standes der Technik, indem durch sie Mittel angegeben werden, mit Hilfe einer relativ einfachen und billigen Vorrichtung auf zuverlässige Weise eine fließfähige Schlamm-Mischung zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht es möglich, den Strom des Kältemittels zu steigern, was zu einem höheren prozentualen Anteil der Teilchen aus der gefrorenen Flüssigkeit in der kontinuierliehen flüssigen Phase führt, ohne daß das Problem eines Blockierens der Vorrichtung infolge einer Ansammlung oder Stauung gefrorener Teilchen in dem toten Raum sowie schließlich des Versagens der gesamten Schlammerzeugungsvorvorrichtung auftritt. Obwohl es bekannt und für den Fachmann auch selbstverständlich ist, daß eine große Vielzahl von Kältemitteln verwendet werden kann, wie flüssiges Kohlendioxid, flüssiges Ithan, flüssiges Propan, flüssiger Stickstoff und flüssige Luft, um Flüssigkeiten wie Methylalkohol, A'thylenglykol, Kerosin, Aceton, Wasser und dergleichen zu kühlen, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Gründen der Vereinfachung der Beschreibung als Vorrichtung beschrieben, mit der unter Verwendung von flüssigem Stickstoff (LHT) ein Eiswasser-Schlamm erzeugt wird, der insbesonder für die Herstellung von Beton bestimmt ist.

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Nunmehr bezugnehmend auf Pig. 1 wird eine Schlammerζeugung svorr ichtung 1 gezeigt, die auf den Einfüllbunker 2 (teilweise gezeigt) eines Betonmischers (nicht gezeigt) gerichtet ist. Am Ende der Schlammerzeugungsvorrichtung 1, das von dem Einfüilbunker 2 entfernt ist, befindet sich ein verzweigtes Rohranschlußstück 5, das aus einem Rumpfstück 10 mit einer Längsachse 11 besteht, wobei diese Längsachse gleichzeitig die Längsachse der gesamten Schlammerzeugungsvorrichtung ist. Ein Ende des Rumpfstücks bildet ein verschlossenes Endstück 12, während am anderen Ende ein Plansch 13 ausgeführt ist, der eine Öffnung 14 kreisförmig umgibt. Eine Wasserleitung 16 ist durch Schweißen oder auf eine andere geeignete Weise so mit der Öffnung 17 in der Seitenwand des Rumpfstücks 10 verbunden, daß ihre Längsachse 18 einen spitzen Winkel β von etwa 30° mit der Längsachse 11 des Rumpfstücks 10 und einer in diesem angeordneten LIN-Leitung 20 einschließt. Die LIN-Leitung 20, auch zweiter Rohrstutzen genannt, ist abgedichtet durch das verschlossene Endstück 12 geführt und erstreckt sich durch das Rumpfstück 10 bis über die mit Flanschen 13 umgebene Öffnung 14 hinaus, um sicherzustellen, daß das Kältemittel LIN in Strömungsrichtung hinter der Wasserzuführöffnung 17 in die Schlammerzeugungsvorrichtung gelangt. Mit dem Rohranschlußstück 5 ist über den Plansch 13 eine hohle Lanze 25 verbunden. Die AustrittsÖffnung 29 der Lanze 25 an dem dem Plansch 13 gegenüberliegenden Ende dient der Abgabe des Schlamms in den Einfüllbunker oder -trichter 2. Der Innendurchmesser von sowohl der Lanze 25 als auch dem Rumpfstück 10 des verzweigten Rohranschlußstücks 5 ist mit dem Buchstaben "d" bezeichnet. Der Abstand zwischen der Öffnung im Ende des LIN-Rohrstutzens 20 und der AustrittsÖffnung 29 ist mit dem Buchstaben "L" bezeichnet. Der Winkel, den die Vorrichtung 1 gegenüber der Waagerechten bildet ist mit cc bezeichnet und er kann den Wert von etwa 0 bis 90°, vorzugsweise einen Wert im Bereich von 50° bis 90°

annehmen. Die Strömung des Kältemittels aus einem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) in die Kältemittel-Leitung wird mittels eines Magnetventils 35 gesteuert. Das Ventil ist in einem Abstand von etwa 61 cm bis etwa 9 m (2 bis 30 feet) von der Öffnung I7 entfernt, vorzugsweise etwa 1,2 bis 2,4 m (4· bis 8 feet).

Beim Betrieb der Vorrichtung strömt Wasser durch den Wasser-Bohrstutzen 16 und wird in den ringförmigen Raum zwischen den Außenwänden des LUT-Rohr stutz ens 20 und den Innenwänden des Rumpfstücks 10 in die Schlammerzeugungsvorrichtung 1 eingeführt. Während das Wasser durch diesen ringförmigen Raum strömt, wird LIN über den LIN-Zuführungsrohrstutzen 20 in die Vorrichtung 1 eingeführt, so daß das Kältemittel auf das Wasser trifft und mit dem Wasser im Gleichstrom aus der Öffnung 3O cL^es LDT-Rohrstutzens ausströmt. Infolge des Kontakts des Kältemittels mit dem Wasser bildet sich innerhalb der Lanze 25 die Schlamm-Mischung und wird aus der Lanze 25 durch die Austrittsöffnung 29 abgegeben.

Es ist für eine reibungslose Arbeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wichtig, daß ein endlicher Abstand zwischen dem Punkt des Eintritts des Wassers durch die Öffnung 17 und dem Punkt des Eintritts des Kältemittels LHT durch die Öffnung 30 existiert,und zwar stromab von der Öffnung 17· Dieser endliche Abstand ermöglicht es dem Wasser, eine stabile ringförmige Strömung auszubilden und dabei einen konzentrischen Ring um den Kältemittelstrom am Ort seines Austritts aus dem Rohrstutzen 20 zu bilden. Dadurch wird die Ansammlung von Eis an der inneren Oberfläche der Lanze vermieden. Wenn jedoch einmal der WärmeÜbergangsprozeß zwischen dem Wasser, das eine Temperatur von mehr als +0,5⁰C aufweist, und dem flüssigen Stickstoff, der eine Temperatur von etwa -196°C aufweist, einsetzt und sich der thermodynamisch^ Zustand der beiden flüssigen Bestand-

teile zu ändern beginnt, wird die ringförmige. Strömung nicht länger aufrechterhalten. In Strömungsrichtung hinter der öffnung 3O kommt es infolge der turbulenten Strömung des Wassers und des flüssigen Stickstoffs zu einer innigen Vermischung der beiden Komponenten, wobei der flüssige Stickstoff verdampft und das Wasser kleine diskrete Eisteilchen bildet. Diese turbulente Strömung des Gemisches aus flüssigem Stickstoff, Wasser, Stickstoff und Eis unterstützt den Wärmeübergang, indem Jetzt das Verhältnis von Volumen zur Oberfläche der Fluide vom Makrobereich in den Mikrobereich verändert wurde. Der Prozeß läuft optimal ab, wenn die Größe des Volumens so gewählt ist, daß Leerräume vermieden sind und die vierphasige Mischung leicht unter Druck steht, wodurch ihre Geschwindigkeit erhöht wird. Diese gesteigerte Geschwindigkeit verhindert, daß sich Eisteilchen an den Wänden der Lanze festsetzen.

In Fig. 1 ist eine Zone A gezeigt, die dem Bereich der Vorrichtung entspricht, in dem das Wasser eine ringförmige Strömung ausbildet, ferner eine Zone B, die dem Bereich der Vorrichtung entspricht, in dem der Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel LHT und dem Wasser erfolgt, sowie eine Zone C, in der im wesentlichen keine Strömung erhalten wird. Diese zuletzt genannte Zone C, die sogenannte tote Zone, ist der Bereich, in dem es leicht zur Vereisungen kommt, wodurch die Öffnung I7 blockiert wird und das gesamte System versagt.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung beträgt die Länge L zwischen der Öffnung J>Q, durch die das Kältemittel LIN eingeführt wird,bis zur Austrittsöffnung 29 mindestens etwa das Dreifache des Innendurchmessers d der Lanze Vorzugsweise ist der Wert des Verhältnisses L:d mindestens etwa 10:1, besonders bevorzugt mindestens etwa 20:1. Übermäßig hohe L:d-Verhältnisse bieten keinen Vor-

teil und können sogar die Produktivität senken, weil die Eisschlamm-Mischung zu schmelzen beginnen kann, wenn die Lanze 25 zu lang ist. Es ist daher bevorzugt, das Verhältnis L:d unterhalb etwa 200:1 und noch bevorzugter unterhalb von etwa 150:1 oder sogar unterhalb von etwa 100:1 zu halten.

Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 2 wird dort eine Schlammerzeugungsvorrichtung 40 gezeigt, die ein verzweigtes Rohranschlußstück 4-5 aufweist, das mit Hilfe eines Verbindungselements 52 mit der hohlen Lanze 50 verbunden ist. Das Rohranschlußstück 45 weist einen Wasserstutzen 56 auf, der an die öffnung 58 geschweißt ist. Das verschlossene Endstück 62 ist von der Schlammabgabeöffnung 63 entfernt angeordnet und so ausgeführt, daß seine Oberfläche parallel zur Längsachse des Wasserstutzens 46 und in Fortsetzung dieses Stutzens 56 angeordnet ist, wobei der Wasserstutzen 46 einen spitzen Winkel mit der Längsachse der Vorrichtung 40 bildet, wie es weiter oben in Fig. 1 genauer beschrieben wurde. Die Innenoberfläche des geschlossenen Endstücks 62 ist so nahe wie möglich an der öffnung 58 angeordnet, so daß der tote Raum zwischen der öffnung 58 des Wasserstutzens 56 und der inneren Oberfläche 64 des geschlossenen Endstücks 62 überhaupt nicht existiert oder wenigstens auf ein absolutes Minimum beschränkt ist. Das Zuführrohr 66 für das Kältemittel ist abgedichtet auf die gleiche Weise wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben durch das geschlossene Endstück 62 hindurchgeführt .

Wie in der Fig. zu erkennen ist, weist die Lanze 50 einen ersten Abschnitt im Bereich der Austrittsöffnung 63 auf, der einen Durchmesser "d" aufweist, der wesentlich größer ist als der Durchmesser in dem Abschnitt, der sich an das Verbindungselement 52 anschließt. Dieser letztgenannte Abschnitt weist einen Innendurchmesser d' auf, der etwa

d/2 beträgt. Es ist bevorzugt, das Verhältnis von d zu d^l auf einem Wert größer als 1:1 zu halten, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1,2:1 bis etwa 5:1.

Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt JO des Übergangs zwischen dem Abschnitt 75, der einen Durchmesser d aufweist, zu dem Abschnitt mit dem Durchmesser d' beträgt gemäß der Darstellung die Hälfte der .Gesamtlänge l des Abschnitts zwischen der AustrittsÖffnung 72 für das Kältemittel bis zur AustrittsÖffnung 63 des Schlamms. Die Länge des Abschnitts mit dem Durchmesser d soll jedoch von etwa 30 bis 80% des Wertes L betragen können.

Ferner kann die Zone D der Lanze 50 im Bereich der Austrittsöffnung 63 auch konisch ausgeführt sein, statt daß für die Wände dieses Abschnitts ein sanfter konischer Übergang vorgesehen ist, wie in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 3 ist ein konischer Abschnitt 76 gezeigt, wobei der Winkel j* derjenige ist, den die Seitenwände dieses Ab-Schnitts mit der Längsachse der Lanze 50 bilden, wobei dieser Winkel im Bereich von etwa 1° bis 45° liegen kann.

Es wurde gefunden, daß infolge der Tatsache, daß das Kältemittel LIN beim Verdampfen sich auf ein Mehrfaches seines Flüssigvolumens ausdehnt, dem gebildeten Gas die Möglichkeit gegeben werden muß, sich auszudehnen, damit die Schiammerzeugungsanlage wirksam arbeiten kann, und damit ein unerwünschter Gegendruck in der Zone B vermieden wird. In der Zone B kommt es wie oben diskutiert zu einem ersten Kontakt von LIN und Wasser, und es wird nur eine geringe Menge an LHN" verdampft. Das ist die Folge davon, daß die Anfängstemperaturen außerordentlich niedrig sind. Im Bereich des Endes der Zone B jedoch, wenn das Kältemittel LIN vollständig verdampft ist und sich soweit erwärmt hat, daß das vorliegende Volumen der Vorrichtung nicht länger in der Lage ist die dreiphasige Mischung aufzunehmen,

erleichtert der vergrößerte Durchmesser der Zone D die Aufnahme dieses vergrößerten Gasvolumens, Über die Länge der Zone D kommt es zu einem zusätzlichen Wärmeaustausch, bis das Wasser, das Eis und das Stickstoffgas eine gleichmäßige Temperatur erreicht haben. Wenn dieses Gleichgewicht in Zone D erreicht ist, sind zusätzliche Längen überflüssig, da es zu keinem weiteren wirksamen Wärmeübergang mehr kommen kann. Im Gegenteil, wenn die Länge der Zone D die erforderliche Länge überschritte, würde die die Lanze umgebende Umgebungsluft zu einem Schmelzen des Eises führen. Der Strom des Schlammes, der die Austrittsöffnung 63 verläßt, weist eine hohe ,jedoch kontrollierte Geschwindigkeit auf, mit der er in den Zuführtrichter für die Betonmischung getrieben wird. Im Unterschied dazu weist der Schlamm, der die Vorrichtung von Fig. 1 aus der Zone B durch die Austrittsöffnung 29 verläßt, eine unkontrollierte Geschwindigkeit auf, die ein Verspritzen und einen Verlust an Schlamm zur Folge hat.

Es ist bevorzugt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einem Material hergestellt ist, das sich nicht so schnell verformt,wie beispielsweise aus nichtrostendem Stahl, und daß die Innenoberfläche der Vorrichtung mit einem Fluorkohlenstoff, wie Teflon beschichtet und/oder imprägniert ist, um eine Oberfläche mit geringer Reibung zu schaffen. Eine solche Oberfläche verbessert die Strömung, indem der Druckverlust in der Vorrichtung vermindert wird, und die Teflon-Oberfläche bewirkt, daß sich weniger Eis ansammelt, was die Wahrscheinlichkeit einer Blockierung weiter vermindert.

Wenn eine zusätzliche Kühlung des Schlammes, der durch die AustrittsÖffnung 63 austritt, erforderlich ist, kann LIN direkt in den Schlamm eingesprüht werden, wenn dieser die Vorrichtung 40 verläßt. Diese Maßmahme wird jedoch nur für den lall empfohlen, daß sie sich als unbedingt erfor-

derlich erweist, weil dieses zusätzliche Einsprtüien von Kältemittel die Effektivität des Verfahrens sehr stark beeinträchtigt.

Der größte Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß das Eis/Wasser-Verhältnis gesteigert werden kann, und daß die Zuverlässigkeit des gesamten Schlammerzeugungssystems im Vergleich zu Vorrichtungen des Standes der Technik verbessert werden kann. Die erfindungsge- !O mäße Vorrichtung weist ein besonderes Rohranschlußstück auf, das einen optimalen Wärmeübergang zwischen den beiden sich mischenden Flüssigkeiten oder Fluiden möglich macht, indem die Orientierung des Stutzens für die Wasserzufuhr von der rechtwinkligen Anordnung gegenüber dem LIN-Rohrstutzen in eine spitzwinklige Anordnung geändert wurde, wodurch das Einfrieren des Magnetventils 35 (Solenoidventil), das den Zustrom des Kältsmittels in die Lanze steuert, im wesentlichen verhindert wird. Indem dem verschlossenen Endstück 62 die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 2 gezeigte neue Form gegeben wurde, wird die tote Zone, die in Pig. 1 als Zone C gekennzeichnet war, beseitigt, so daß sich auch kein Eis mehr in dieser Zone ansammeln kann, oas Wasser wird so geführt, daß es das Zuführrohr für das Kältemittel LIN völlig umgibt, und' diese ringförmige Strömung führt im Vergleich zu den Verfahren des Standes der Technik zu einem verbesserten Wärmeübergang und zu gesteigerten Eis zu Wasser-VerhältnissenJ Im Anschluß an den Abschnitt mit dem Rohranschlußstück folgt ein Mischabschnitt mit einem relativ geringen Innendurchmesser, in dem das Kältemittel LHT verdampft und ein Teil des Wassers unter Bildung diskreter Teilchen friert. An dem Punkt, an dem die Flüssigkeit in den Gaszustand übergeht, erweitert sich die Vorrichtung konisch, was es dem Gas gestattet, sich auszudehnen, so daß der Gegendruck wie oben beschrieben vermindert wird. Die Steigerung des Kältemittelstromes steigert das Eis zu Wasser-Verhältnis,

wenn die Durchflußmenge des Wassers konstant gehalten wird. Eines der Hauptprobleme der Schlammerzeugungsvorrichtungen des Standes der Technik lag darin, daß das Eis dazu neigte, sich im Inneren der Lanze anzusammeln, was schließlich zu einem Versagen der gesamten Anlage führte. Durch die Ausnutzung der Merkmale der vorliegenden Erfindung kann das Problem der Ansammlung von Eis nahezu vollständig überwunden werden.

Nachfolgend wijd die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen weiter erläutert, in denen die Ergebnisse der Schlammerzeugung mit den Vorrichtungen gemäß den Fig. 1 und 2 mit der Schlammerzeugung verglichen wird, wie sie mit Vorrichtungen mit T-Rohranschlüssen gemaß dem Stande der Technik durchgeführt werden kann.

Beispiel *1

In diesem Beispiel wurde eine Schlammerzeugungsvorrichtung 1 (vgl. Fig. 1) verwendet, bei der jedoch anstelle der Flanschen 13 ein mit einem Gewinde versehenes Verbindungselement verwendet wurde, wie es in Fig. 2 schematisch gezeigt ist. Der Innendurchmesser des Rumpfstücks 10 des Rohranschlußstücks 5 und der Lanze 25 betrug 10,16 cm (4 inch). Der Rohrstutzen 20 zur Zufuhr des Kältemittels ΙΊΝ wies einen Innendurchmesser von 3?81 cm (1 1/2 inch) und eine Länge von etwa 40,6 cm (16 inch) gemessen von der inneren Schweißlinie der Leitung 20 im verschlossenen Endstück 12 bis zur öffnung 30 auf. Der Rohrstutzen 16 zur Wasser zuführung wies einen Innendurchmesser von 5*08 cm (2 inch).,auf und war so angeordnet, daß sich die Mittelpunktslinie der öffnung 17 in einem Abstand von etwa 20,3 cm (8 inch) von der öffnung J>0 befand, und daß mit der Längsachse des Rohrstutzens 20 für das Kältemittel ein Winkel von 30° gebildet wurde. In dieser T-Form wies Wasser die Umgebungstemperatur von 24,4°C (76⁰F) auf, und die Durchflußgeschwindigkeit betrug 378,5 Liter/Minute

(100 gallons per minute), wodurch eine ringförmige Strömung innerhalb des etwa 20 cm (8 inch) langen Abschnitts gebildet wurde, bevor das Wasser in Eontakt mit dem Kältemittel LIN kam, das aus der Öffnung 30 mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 309,4 Liter/Minute (81,75 gallons per minute) ausströmt. Der aus der Öffnung 29 abgegebene Schlamm enthielt 42,5% Eis. Mit der Y-Form war ein Betrieb ohne Vereisung des Magnetventils 35 und mit einem sehr viel höheren Eis zu Wasser-Verhältnis im Schlamm möglich, als mit der T-Form, wie sie nachfolgend beschrieben wird.

Vergleichsbeispiel

Die grundlegenden Abmessungen aller Teile der Kontrollvorrichtung waren dieselben wie in Beispiel 1, außer daß der Innendurchmesser des RumpfStücks 10 und der Lanze 25 nur 7,62 cm (3 inch) anstelle von 10,16 cm (4 inch) betrug. Der grundlegende Unterschied zwischen den beiden Vorrichtungen bestand jedoch darin, daß der Rohrstutzen 16 für die Wasserzuführung ein übliches rechtwinkliges T mit dem Rumpfstück 10 bildete. In der Tabelle 1 sind die Betriebsparameter und die Ergebnisse, die mit der Kontrollvorrichtung erhalten wurden, mit denen der Beispiele 1 und 2 verglichen.

Es wurde ferner die Erfahrung gemacht, daß die übliche T-Form zu einem Einfrieren des LUi-Magnetventils mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von einem völligen Versagen pro Woche sowie zur Eisansammlung in der toten Zone C führte. In wenigstens einem Fall wurde die gesamte Steuervorrichtung infolge dieser Eisansammlungen über einen Abstand von etwa 3 m (etwa 10 feet) geschleudert.

Beispiel 2

Es wurde die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 40 verwendet, bei der die LHT-Zuleitung 66, die Wasserzuleitung 56 und die Zonen A und B Innendurchmesser von 3,8 cm (1,5 inch),

■χ

5,08 cm (2 inch) bzw. 10,16 cm (4 inch) aufwiesen, und der Abstand d des konischen Abschnitts 75 betrug 15,2 cm (6 inch). Das verschlossene Endstück 62 war an dem Ende der Vorrichtung 40 angeordnet, das der Austrittsöffnung 63 gegenüberlag, und es war so geneigt, daß es mit der Längsachse der LIH-Zuführung 76 denselben 30°-Winkel bildete wie die Längsachse der Wasserzuführung 56. Außerdem war das Endstück 62 so mit dem Rohranschlußstück 45 verschweißt, daß seine Innenoberfläche im wesentlichen eine Ebene mit dem Strömungsweg des Wassers, das durch die Öffnung 58 ausströmte, bildete. Die Längen der Zonen A, B und D waren 25,4 cm (10 inch), 152,4 cm (5 feet) bzw. 152,4 cm (5 feet).

Die Betriebsparameter und die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 angeführt. Die Vorrichtung gemäß Pig. 2 ermöglichte die Erzeugung eines Eisschlammes, der ein höheres Eis zu Wasser-Verhältnis aufwies, ohne daß Vereisungsprobleme wie die in Beispiel 1 oder bei der

20 Vergleichsvorrichtung auftraten.

Tabelle 1

Durchflußgeschwindigkeiten

25 LIH Wasser

l/min (gpm)'l/min

Wassertempe	oj>	Eis
ratur am	(55)
Eingang	(76)
⁰C	(42)	%
12,8	23
24,4	42,5
5,6	46

Vergleich 132,49 (35) 302,83 (80) Beispiel 1 309,46 (81,75) 378,54 (100) Beispiel 2 314,18 (83) 529,96 (140) 30

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung einer fließfähigen flüssigfesten Mischung, die aus einer flüssigen Phase mit einer mit dieser vermischten festen Phase aus gefrorenen Teilchen der flüssigen Phase besteht, wobei die Vorrichtung ein verzweigtes Rohranschlußstück mit einem Rumpfstück, das an seinem einen Ende ein verschlossenes Endstück und an seinem anderen Ende eine Öffnung aufweist, ferner einem ersten Rohrstutzen in der Nähe des verschlossenen Endstücks zur Zuführung

/]0 einer Flüssigkeit sowie einem zweiten Rohrstutzen, der abgedichtet durch das Endstück hindurchgeführt ist, und dessen Längsachse im wesentlichen mit der Längsachse des RumpfStücks zusammenfällt, zur Zuführung eines Kältemittels in Strömungsrichtung hinter der Einmündungssteile d^s ersten Rohrstutzens, sowie ferner eine hohle Lanze aufweist, deren Längsachse im wesentlichen mit der Längsachse des Rumpfstücks des Rohranschlußstücks zusammenfällt und deren eines offenes Ende

an die Öffnung des Rumpfstücks angeschlossen ist, und deren anderes offenes Ende eine Austrittsöffnung für die Abgabe der flüssig-festen Mischung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rohrstutzen (16, 56) so mit dem Rumpfstück (10, 60) verbunden ist, daß seine Längsachse (18) einen spitzen Winkel (ß) mit der Längsachse (11) des zweiten Rohrstutzens(20, 66) bildet.
2. Vorrichtung nach Anspurch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verschlossene Endstück (62) des Rumpfstücks (60) eine im wesentlichen ebene Platte (62) umfaßt, deren Anordnung so ist, daß die Platte im wesentlichen parallel zur Längsachse (18) des ersten Rohrstutzens

(56) ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Lanze (25, 50) zwei Abschnitte (Zone B und D) mit verschiedenen Innendurchmessern aufweist, wobei der erste Abschnitt (Zone B), der sich an das Rumpfstück (10, 60) des Rohranschlußstücks (5» 4-5) anschließt, im wesentlich denselben Durchmesser wie das Rumpfstück (10, 60) aufweist und der zweite Abschnitt (Zone D, 75) in der Nähe der Austrittsoffnung (63) der Lanze (50) einen deutlich größeren Innendurchmesser als das Rumpfstück (10, 60) des Rohranschlußstücks (5? 4-5) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (d) des zweiten Abschnitts

(75) mehr als das 1,1-fache des Innendurchmessers (d') des ersten Abschnitts beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Innendurchmesser (d) des zweiten Abschnitts (75) den 1,2- bis etwa 5-fachen Wert des Innendurchmesser (d) des ersten Abschnitts aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (75) der hohlen Lanze (50), der einen Innendurchmesser (d) aufweist, der deutlich, größer ist als der Innendurchmesser des Rumpfstücks (60) des verzweigten Rohranschlußstücks (5, 4-5) eine deutliche Wegstrecke in Strömungsr richtung hinter der Öffnung (30, 72) des zweiten Rohrstutzens (20, 66) des Rohranschlufistücks (5,4-5) angeordnet ist.
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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (75) von etwa 30 bis etwa 80% der Gesamtlänge zwischen der Öffnung (30,72) des zweiten Rohrstutzens (20, 66) und der Austrittsoffnung (63) der hohlen Lanze (50) bildet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Abschnitt (Zone D, 76} konisch erweitert.
9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Kältemittels, der durch den zweiten Rohrstutzen (20, 66) der Vorrichtung zugeführt wird, durch Steuermittel (35) gesteuert wird, die in Strömungsrichtung so vor dem Rohranschlußstück (5, 4-5) angeordnet sind, daß keine Vereisung zu befürchten ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (ß) einen Wert im Bereich von etwa 20° bis etwa 75° aufweist.
11. Verfahren zur Erzeugung einer fließfähigen flüssigfesten Mischung, die aus einer flüssigen Phase mit einer mit dieser vermischten festen Phase aus gefrorenen

Teilchen der flüssigen Phase besteht, wobei das Verfahren die Zuführung eines Stroms der Flüssigkeit durch eine geschlossene Leitung, die Einführung eines Kältemittels in diese geschlossene Leitung und in den strömenden Flüssigkeitsstrom derart umfaßt, das das Kältemittel im Gleichstrom mit der Flüssigkeit fließt, und sich eine flüssig-feste Mischung bildet, die aus der Leitung abgegeben wird, wobei die Kontaktzeit zwischen der Einführung des Kältemittels und der Abgabe der Mischung von etwa 0,001 bis etwa 10 Sekunden beträgt, die Oberflächengeschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit wenigstens 0,45 m/Sekunden (1,5 feet per second) beträgt, das Gewichtsverhältnis des Kältemittels zur Flüssigkeit in einem Bereich von etwa 0,025:1 bis etwa 2:1 gehalten wird und die Temperatur des Flüssigkeitsstroms, in den das Kältemittel eingeführt wird, in einem Bereich von etwa 3»6°C bis etwa 18°C über dem Gefrierpunkt der Flüssigkeit gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch die genannte geschlossene Leitung (16, 56) unter einem spitzen Winkel (ß) zu dem Strömungsweg des Kältemittels zugeführt wird, und daß die Strömung des Kältemittels durch eine Steuervorrichtung (35) ständig gesteuert wird, wobei diese Steuervorrichtung (35) so angeordnet ist und so betrieben wird, daß es nicht zu ihrem Versagen infolge einer Ansammlung von gefrorener Flüssigkeit kommen kann.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit unter einem Winkel im Bereich von etwa 20° bis etwa 75° zugeführt wird.