DE3615364A1

DE3615364A1 - METHOD AND DEVICE FOR COOLING MATERIALS

Info

Publication number: DE3615364A1
Application number: DE19863615364
Authority: DE
Inventors: Menno Dipl Ing Musselmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3787755D1; EP0248216A3; ATE95913T1; EP0248216A2; EP0248216B1

Abstract

The method uses cold gas, the temperature of which is controlled by a heater. A device for carrying out the method comprises a cooling means for receiving materials, the said means being equipped with an evaporator and an electric heating means. The heating means is in connection, via a controller, with a temperature sensor arranged inside the cooling means. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von Materialien durch Einsatz von Kaltgas.The invention relates to a method and a device for cooling materials by using cold gas.

Bei der Herstellung und Verarbeitung von bestimmten Materialien ist es oft notwendig, diese im Rahmen verschie dener Behandlungsstufen auch einem Kühlprozeß zu unter ziehen. Zu diesen Materialien zählen z.B. Textilien, Papier, Leder, Folien aus Kunststoff, Gummi, Vulkanfiber und dergleichen. So ist es teilweise nötig, um einen kontinuierlichen Verarbeitungsprozeß zu gewährleisten, daß nach einem Trockenvorgang oder einem Thermofixier vorgang das Material kurzzeitig zu kühlen. Durch diesen Kühlprozeß ist es möglich, gewisse Materialien in ihrer Form zu fixieren, deren Qualität zu verbessern oder Material einzusparen.In the manufacture and processing of certain It is often necessary to use different materials in the frame whose treatment stages also include a cooling process pull. These materials include e.g. Textiles, Paper, leather, plastic, rubber, vulcanized fiber films and the same. So it is sometimes necessary to get one to ensure continuous processing, that after a drying process or a heat set cooling the material briefly. Through this It is possible to use certain materials in their cooling process Fix shape, improve its quality or Saving material.

Entsprechend der Art und Herstellungsform des Materials sind verschiedene Verfahrensweisen zur Kühlung bekannt. So kann gemäß der DE-OS 30 15 672 zur Kühlung von Textilien ein Kühlmittel, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet werden, das auf die Materialien aufgeblasen wird, wobei das Kühlmittel direkt oder nach der Mischung mit einem Gas aufgeblasen werden kann. Dieses Eindüsen von flüssigem Stickstoff in einen Luftstrom kann noch weiter modifiziert werden. Jedoch zeigt sich bei all diesen Verfahren der Nachteil der Eisbildung. Auch ist es nicht möglich, dadurch eine stabile Kühlatmosphäre aufrechtzuerhalten.According to the type and form of manufacture of the material Various cooling methods are known. So can according to DE-OS 30 15 672 for cooling textiles a coolant, preferably liquid nitrogen, is used which is inflated onto the materials, whereby the coolant directly or after mixing with a gas can be inflated. This injection of liquid Nitrogen in an air stream can be modified even further will. However, in all of these processes the Disadvantage of ice formation. It is also not possible because of this maintain a stable cooling atmosphere.

Ein anderes generelles Verfahren ist die Erzeugung von Kaltgas über einen luftbeheizten Verdampfer, das auch in verschiedenen Ausführungsformen angewendet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der geringe Wirkungsgrad und die teilweise hohe Investition für Kompressoren. Bei den herkömmlichen Verfahren für z.B. die Texilbehandlung oder Folienblasen wird durch die Veränderung der Ein speismenge des flüssigen Kältemittels die erforderliche Temperatur grob geregelt. Eine Feinregulierung durch Ver wendung von speziellen Regelventilen in Verbindung mit einer Temperaturüberwachung erbrachte keine befrie digende Lösung.Another general process is the generation of Cold gas via an air-heated evaporator, which is also in different embodiments is applied. Disadvantageous in this process, the low efficiency and the sometimes high investment for compressors. Both conventional processes for e.g. the textile treatment or film blowing is done by changing the one amount of liquid refrigerant required Roughly regulated temperature. A fine adjustment by Ver use of special control valves in connection with temperature monitoring did not result in an exemption right solution.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auf einfache aber präzise Weise die Temperatur des Kaltgases geregelt werden kann, ohne die obengenannten Nachteile mit sich zu bringen.The invention is therefore based on the object of a method and an apparatus for performing the method of the type mentioned in such a way that on simple but precise way the temperature of the cold gas can be regulated without the disadvantages mentioned above to bring with you.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatur des Kaltgases durch eine Heizung geregelt wird.According to the invention, this object is achieved by that the temperature of the cold gas through a heater is regulated.

Erfindungsgemäß wird durch eine Heizung die Aufgabe der Feinregelung der Temperatur des Kaltgases übernommen. According to the invention, the task of heating Fine control of the temperature of the cold gas taken over.

Nachdem das Kaltgas nach Wärmeaustausch, mit der Umgebung einen stabilen Temperaturwert, der sich aber unterhalb des gewünschten Einstellwertes bewegt, angenommen hat, wird über die Heizung die exakte Temperatur stetig geregelt. Die Heizleistung muß dabei dem Kühlsystem angepaßt werden und sollte gerade so hoch gewählt werden, daß sie den gewünschten Temperatureinstellbereich gewährleistet. Durch Wärmeaustausch zwischen den zu kühlenden Materialien und dem Verdampfer wird durch Nutzung der Verdampfungsent halpie ein hoher Wirkungsgrad erreicht.After the cold gas after heat exchange, with the environment a stable temperature value, which is below the desired setting value has been moved the exact temperature is constantly regulated via the heating. The heating power must be adapted to the cooling system and should be chosen just high enough to match the desired temperature setting range guaranteed. By Heat exchange between the materials to be cooled and the evaporator is by using the evaporation ent halpie achieved high efficiency.

Nach einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kaltgas durch Verdampfen von verflüssig tem Gas gewonnen.According to a special embodiment of the invention Process, the cold gas is liquefied by vaporizing gas won.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Grundeinstellung der Kühlleistung durch die Menge an Kaltgas, das dem Verdampfer kontinuierlich zu geführt wird, geregelt. Die Heizung sorgt unmittelbar nach Einstellung des Temperaturgleichgewichts während der Anfahrphase für eine stabil regelbare Temperatur.In a further development of the method according to the invention is the basic setting of the cooling capacity by the Amount of cold gas that is continuously added to the evaporator is regulated. The heating ensures immediately after adjusting the temperature balance during the start-up phase for a stable, controllable temperature.

Dadurch ergibt sich für die Temperatur des Kaltgases der Vorteil eines breiten Einstellbereiches von z.B. 0°C bis -180°C. Vorzugsweise wird die Temperatur im Arbeitsbe reich für die Kühlung von Materialien von -50°C bis -120°C geregelt. Die tiefen Temperaturen von flüssigen Kältemitteln ermöglichen kurze Abkühlzeiten, was sich bei der Anfahrphase durch rasches Einstellen der Grundtempe ratur zeigt. Bei Hinzuschalten der Heizung steigt die Kühltemperatur entsprechend der Heizleistung an.This results in the temperature of the cold gas Advantage of a wide setting range of e.g. 0 ° C to -180 ° C. Preferably the temperature in the working area rich for cooling materials from -50 ° C to -120 ° C regulated. The low temperatures of liquid Refrigerants allow short cooling times, which can be the start-up phase by quickly setting the basic temperature ratur shows. When the heating is switched on, it increases Cooling temperature according to the heating output.

Mit Vorteil wird bei dem Verfahren nach der Erfindung die Temperatur des Kaltgases mittels eines Temperaturfüh lers im Kühlsystem überwacht. Der Temperaturfühler steht mit einem Regler für die Heizung in Verbindung und sorgt dadurch automatisch, daß der vorgegebene gewünschte Temperaturbereich des Kaltgases aufrechterhalten wird. Es wird bevorzugt Stickstoff als Kaltgas verwendet, da flüssiger Stickstoff durch eine tiefe Verdampfungstempe ratur von -196°C charakterisiert ist. Beim Verdampfen des flüssigen Gases und der Erwärmung des Kaltgases auf bei spielsweise 0°C nimmt der Stickstoff ca. 500 kJ auf, d.h. diese Wärmeenergie wird vom zu kühlenden Material abge zogen.It is advantageous in the method according to the invention the temperature of the cold gas by means of a temperature sensor monitors in the cooling system. The temperature sensor is stopped with a controller for the heating and provides thereby automatically that the predetermined desired Temperature range of the cold gas is maintained. Nitrogen is preferably used as the cold gas, since liquid nitrogen through a low evaporation temperature rature of -196 ° C is characterized. When evaporating the liquid gas and the heating of the cold gas at for example 0 ° C the nitrogen takes up approx. 500 kJ, i.e. this heat energy is abge from the material to be cooled pulled.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Kühleinrichtung zur Aufnahme von Materialien ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung mit einem Verdampfer und einer elektri schen Heizvorrichtung ausgestattet ist, wobei der Ver dampfer mit einer Quelle für Kaltgas und die Heizvorrich tung über einen Regler mit einem im Inneren der Kühlein richtung angeordneten Temperaturfühler in Verbindung steht.A device for performing the method with a cooling device for holding materials is advantageously characterized in that the Cooling device with an evaporator and an electri the heating device is equipped, the Ver steamer with a source of cold gas and the heating device via a controller with an inside of the cooling device Direction arranged temperature sensor is connected.

Eine besondere Ausgestaltung der Vorrichtung, in der der Verdampfer über eine Zufuhrleitung mit einer Quelle für verflüssigtes Gas verbunden ist, ermöglicht eine kontinu ierliche, unter Zwischenschaltung eines Regelventils ge steuerte Einspeisung des flüssigen Gases in den Verdampfer. Dadurch, daß der Verdampfer innerhalb der Kühleinrichtung angeordnet ist, kann auch die Verdampfungsenthalpie genutzt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kühlsystems erhöht. Die Kühlung des Materials erfolgt also nicht wie bisher alleine durch Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlen den Material und dem Kaltgas, sondern dem zu kühlenden Material wird für die Verdampfung des flüssigesn Gases Wärme entzogen.A special embodiment of the device in which the Evaporator via a supply line with a source for liquefied gas is connected, enables a continuous ore, with the interposition of a control valve controlled feeding of the liquid gas into the evaporator. The fact that the evaporator inside the cooling device is arranged, the enthalpy of vaporization can also be used be, which affects the efficiency of the cooling system elevated. So the cooling of the material is not like previously only by heat exchange between the cooling the material and the cold gas, but the one to be cooled Material is used for the evaporation of the liquid gas Deprived of heat.

In einer besonderen Anordnung der erfindungsgemäßen Vor richtung verläuft die Heizvorrichtung als wendelförmiger Heizdraht innerhalb des wendelförmigen Verdampfers. Die Achsen der beiden Wendeln fallen hierbei zusammen. In a special arrangement of the invention direction the heater runs as a helical Heating wire inside the helical evaporator. The The axes of the two coils coincide.

In dieser Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft, daß die Kühleinrichtung ein Kühlrohr ist, durch den das zu kühlende Material mittels einer Trans porteinrichtung, die koaxial innerhalb der Heizvorrich tung und des Verdampfers angeordnet ist, transportiert wird. Diese Ausgestaltung hat den besonderen Vorteil, daß sich die zu kühlenden Materialien in einer trockenen Kühlatmosphäre mit gleichbleibender Temperatur befinden. Dadurch, daß der Verdampfer nicht vereist, kann eine gleichbleibende Verdampfungsleistung aufrechterhalten werden, was wiederum die genaue Temperatureinstellung unterstützt. Die Temperaturabweichung schwankt nur um ± 1°.In this embodiment of the inventive concept, it is advantageous that the cooling device is a cooling tube, through which the material to be cooled by means of a trans port device that is coaxial within the heater device and the evaporator is arranged, transported becomes. This configuration has the particular advantage that the materials to be cooled are dry Cooling atmosphere with constant temperature. Because the evaporator does not ice up, a maintain constant evaporation performance be what in turn the exact temperature setting supported. The temperature deviation only fluctuates ± 1 °.

Erfindungsgemäß ist es möglich, den Verdampfer und die Heizvorrichtung an der Eingangsseite der Kühleinrichtung oberhalb der zu kühlenden Materialien anzuordnen. Es ergibt sich somit eine bessere Anpassung an die zu kühlen den Materialien. Mit Hilfe der unterschiedlichen An ordnungsmöglichkeiten von Verdampfer und Heizvorrichtung im Kühlraum kann das zu kühlende Material schnell ge kühlt werden oder einem kontinuierlichen Temperatur gefälle unterliegen.According to the invention, it is possible to use the evaporator and the Heater on the inlet side of the cooler to be placed above the materials to be cooled. It This results in a better adaptation to the cool the materials. With the help of the different types Possibilities for arranging the evaporator and heating device in the cold room, the material to be cooled can quickly ge be cooled or a continuous temperature subject to slopes.

Durch den Einbau eines Ventilators in die Kühleinrich tung kann erfindungsgemäß der Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlenden Material und der Verdampferheizungs einheit verstärkt werden.By installing a fan in the cooling device device can according to the invention the heat exchange between the material to be cooled and the evaporator heating unity be strengthened.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeig neten Vorrichtung anhand von Zeichnungen näher er läutert. In the following, exemplary embodiments are used Implementation of the method according to the invention Neten device with reference to drawings he purifies.

Die Figuren zeigen in schematischer Weise:The figures show schematically:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einer wendelförmigen Verdampfer- und Heizdrahtanordnung, Fig. 1 is a cooling device according to the invention with a helical evaporator and heating wire,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einer Transporteinrichtung und einem Ventilator. Fig. 2 shows a cooling device according to the invention with a transport device and a fan.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Kühleinrichtung bezeichnet, die von einer Wärmeisolationsschicht 10 umgeben ist. Ein zu kühlendes Produkt wird koaxial in der Mitte eines Ver dampfers 3 und einer Heizeinrichtung 7 angeordnet (Materialaufnahmeeinrichtung 2). Der Verdampfer 3 wird aus einer Zufuhreinrichtung 4 mit flüssigem Kältemittel, z.B. Stickstoff, versorgt. Dabei wird die Menge des zugeführten Stickstoffes entsprechend der gewünschten Kälteleistung mit einem Regelventil 5 bestimmt. Beim Anfahrprozeß wird zur raschen Kühlung der gesamten Kühleinrichtung dieses Ventil durch eine Bypass-Leitung mit eingebautem Kaltfahrventil 6 umgangen. Die Temperatur im Kühlraum wird laufend von einem Temperaturfühler 9 überwacht und über einem Regler 8 wird dementsprechend die Heizleistung des Heizdrahtes gesteuert.In Fig. 1, 1 denotes a cooling device which is surrounded by a heat insulation layer 10 . A product to be cooled is arranged coaxially in the middle of a evaporator 3 and a heating device 7 (material receiving device 2 ). The evaporator 3 is supplied from a supply device 4 with liquid refrigerant, for example nitrogen. The amount of nitrogen supplied is determined in accordance with the desired cooling capacity using a control valve 5 . During the start-up process, this valve is bypassed by a bypass line with built-in cold travel valve 6 for rapid cooling of the entire cooling device. The temperature in the cold room is continuously monitored by a temperature sensor 9 and the heating power of the heating wire is controlled accordingly via a controller 8 .

Gegenüber der herkömmlichen Kühlung wird durch diese Kühleinrichtung die gewünschte Produkttemperatur wesentlich genauer erzielt. Durch die Optimierung der Kühlleistung durch Einbau einer Heizung konnte als weiterer Vorteil eine erhebliche Senkung des Kältemittel verbrauchs konstatiert werden.Compared to conventional cooling, this Cooling device the desired product temperature achieved much more precisely. By optimizing the Cooling performance by installing a heater could as Another advantage is a significant reduction in the refrigerant be noted consumption.

Zur Inbetriebnahme der Kühleinrichtung muß zuerst über das Bypass-Ventil 6 flüssiger Stickstoff in den Verdampfer einfließen. Durch diesen Vorgang wird die gesamte Kühleinrichtung auf eine gleich tiefe Temperatur abgekühlt und zwar so lange, bis sich alle Kühlein richtungsbestandteile (z.B. Isolierung, Leitungen, Transporteinrichtungen etc.) im Temperaturgleichgewicht befinden. In diesem Anfahrprozeß befindet sich die Kühl einrichtung auf einer tieferen Temperatur als beim Kühl verfahren für die zu kühlenden Materialien, z.B. bei Verwendung von flüssigem Stickstoff bis auf -196°C. Aufgrund dieser tiefen Temperaturen erfolgt eine Abküh lung in dieser Anfahrphase in sehr kurzer Zeit.To start up the cooling device, liquid nitrogen must first flow into the evaporator via the bypass valve 6 . As a result of this process, the entire cooling device is cooled to an equally low temperature until all the cooling device components (for example insulation, lines, transport devices, etc.) are in temperature equilibrium. In this start-up process, the cooling device is at a lower temperature than the cooling process for the materials to be cooled, for example when using liquid nitrogen down to -196 ° C. Due to these low temperatures, cooling takes place in this startup phase in a very short time.

Nach dieser Grundeinstellung wird die weitere Zufuhr des flüssigen Kältemittels in dem Verdampfer über das Ventil 5 geregelt. Da trotz des feinregulierbaren Ventils die exakte Kühltemperatur bei Einbringen der zu kühlenden Materialien nicht gehalten werden kann, wird die gewünschte Temperatur über einen durch einen Transformator regelbare Heizung eingestellt. Bei stetiger Stickstoffeinspeisung kann die erforderliche Temperatur, die laufend mittels eines Temperaturfühlers gemessen, mit einem Soll-Wert verglichen und bei Abweichungen nachge regelt wird, auf ± 1° genau aufrechterhalten werden.After this basic setting, the further supply of the liquid refrigerant in the evaporator is regulated via the valve 5 . Since the exact cooling temperature cannot be maintained when the materials to be cooled are introduced, despite the finely adjustable valve, the desired temperature is set using a heater that can be regulated by a transformer. With constant nitrogen feed, the required temperature, which is continuously measured by means of a temperature sensor, compared with a target value and readjusted in the event of deviations, can be maintained to within ± 1 °.

Besonders vorteilhaft und wirtschaftlich ist bei dieser Kühleinrichtung die Nutzung der Verdampfungsenthalpie. Die zur Verdampfung des flüssigen Kältemittels not wendige Wärmemenge wird den zu kühlenden Materialien entzogen. Weiterhin entfällt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Nachteil der Bereifung durch feuchte Kühlmedien.This is particularly advantageous and economical Cooling device the use of the enthalpy of vaporization. Not necessary for the evaporation of the liquid refrigerant agile amount of heat is the materials to be cooled withdrawn. Furthermore, the invention does not apply Device the disadvantage of frosty tires Cooling media.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterschei det sich von dem in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß der Verdampfer und die zugehörige Heizung nur einen Teil des Kühlraumes einnehmen. The embodiment shown in FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 in that the evaporator and the associated heater occupy only part of the cooling space.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es auch möglich, in einem Kühlraum ein Temperaturgefälle oder diskontinuier liche Temperaturbereiche zu erzeugen. In diesem Ausfüh rungsbeispiel, das besonders geeignet ist für die Kühl behandlung von bahnenförmigen Materialien, wie Folien oder Schlauchseelen, ist der wendelförmige Verdampfer 3 und eine Heizung 7 oberhalb der zu kühlenden Materialien eingebaut, die auf einer Transporteinrichtung 2 durch den wärmeisolierten Kühlraum 1 bewegt werden. Dabei befindet sich die Verdampfer-Heizungs-Einheit im Eingangsbereich der Kühleinrichtung.The inventive method, it is also possible to generate a temperature gradient or discontinuous temperature ranges in a cold room. In this example, which is particularly suitable for the cooling treatment of sheet-like materials, such as foils or hose cores, the helical evaporator 3 and a heater 7 are installed above the materials to be cooled, which are moved on a transport device 2 through the heat-insulated cooling space 1 . The evaporator heating unit is located in the entrance area of the cooling device.

Bei der Kühlung von Schlauchseelen mit einem Schlauch durchmesser von 6,3 mm hat die Kühleinrichtung vor teilhafter Weise folgende Maße: Durchmesser 100 mm, Länge 300 mm.When cooling hose cores with a hose the cooling device has a diameter of 6.3 mm some of the following dimensions: diameter 100 mm, Length 300 mm.

Nach der wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Anfahrphase wird die Kühltemperatur mit Hilfe der Heizung beispielsweise auf -3,5°C einge stellt. Die Temperaturabweichung schwankt dabei um ± 0,5°. Zum besseren Wärmeaustausch ist speziell bei bahnenförmigen Materialien ein zusätzlicher Ventilator 2 vorgesehen, der den Wärmetransport zwischen dem zu kühlenden Material und dem Verdampfer fördert.After the start-up phase, as already described in the first exemplary embodiment, the cooling temperature is set, for example, to -3.5 ° C. using the heating. The temperature deviation fluctuates by ± 0.5 °. For better heat exchange, an additional fan 2 is provided especially for sheet-like materials, which promotes the heat transfer between the material to be cooled and the evaporator.

Claims

1. A method for cooling materials by using cold gas, characterized in that the temperature of the cold gas is regulated by a heater.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the cold gas by evaporating liquid gas is won.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that the cooling capacity by the amount of cold gas is regulated.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the temperature of the cold gas above an adjustment range from 0 ° C to -180 ° C, preferably is regulated from -50 ° C to -120 ° C.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the temperature of the cold gas connected with a controller for the heating which temperature sensor is monitored.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized characterized in that nitrogen is used as the cold gas becomes.

7. Device for performing the method according to a of claims 1 to 6 with a cooling device for Inclusion of materials, characterized in that the cooling device with an evaporator and one electric heater is equipped, wherein the evaporator with a source of cold gas and the Heater via a regulator with one inside the cooling device arranged temperature sensor communicates.

8. The device according to claim 7, characterized in that that the evaporator via a supply line under Zwi Circuit of a control valve with a source is related to liquefied gas.

9. The device according to claim 8, characterized in that the heating device as a helical heating wire arranged coaxially in a helical evaporator is.

10. The device according to claim 9, characterized in that the cooling device is a cooling pipe and that too cooling material along the central axis of the heating element direction and the evaporator is transported.

11. The device according to claim 7, characterized in that that the evaporator and the heater on the Input side of the cooling device above the to cooling materials are arranged.

12. The device according to one of claims 7 to 11, characterized characterized in that the cooling device with a Fan is equipped.