DE4124336A1 - Vorrichtung zur herstellung eines unter druck stehenden kalten gasstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines unter Druck stehenden kalten Gasstromes durch Wärmeaustausch und Vermischung einer gasförmigen Kompo­ nente mit einer kalten flüssigen Komponente, nach den Merkmalen des Anspruches 1.

Unter Druck stehende kalte Gasströme werden in zuneh­ mendem Maße auf verschiedenen technischen Einsatzgebie­ ten benötigt. Es sind dies vor allem Einsatzgebiete, auf denen nicht die tiefe Temperatur eines verflüssig­ ten tiefsiedenden Gases, beispielsweise von flüssigem Stickstoff, gewünscht wird. Kostengünstig ist in sol­ chen Fällen die Herstellung des Gasstromes aus einer kalten flüssigen Komponente, also beispielsweise aus flüssigem Stickstoff, und einer gasförmigen Komponente, beispielsweise gasförmigem Stickstoff von Umgebungstem­ peratur. Anwendung finden derartige kalte Gasströme unter Druck beispielsweise beim Entgraten von Gummi­ formteilen durch kryogenes Pistolenstrahlen (4 bis 15 bar; -40 bis -120°C), bei der zusätzlichen Innenküh­ lung beim Hohlkörperblasen aus Kunststoff (2 bis 12 bar; -40 bis -150°C und beim Kaltgaspolieren von hochelasti­ schen Lacken am Produktionsband (0,02 bis 5 bar; -20 bis -120°C).

Derartige Kaltgasströme werden bisher in Vorrichtungen hergestellt, die mit indirektem Wärmeaustausch arbei­ ten. Derartige Vorrichtungen sind technisch aufwendig und teuer. Die schnelle Einstellung gewünschter Zwi­ schentemperaturen oder der Übergang von kontinuierli­ chem zu diskontinuierlichen Betrieb ist schwierig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Herstellung eines unter Druck stehenden kalten Gasstromes durch Wärmeaustausch und Vermischung einer gasförmigen Komponente mit einer kalten flüssigen Kom­ ponente zu schaffen, welche sowohl im kontinuierlichen wie im diskontinuierlichen Betrieb gleich gut arbeitet, problemlos von einer Betriebsweise auf die andere umge­ stellt werden kann und einfach und preiswert in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merk­ male. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Gegensatz zu den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung mit direktem Wärmeaustausch zwischen der gasförmigen und der flüssigen Komponente. Die Schwierigkeiten, die hierbei zu überwinden waren, bestanden vor allem in der langen Verweilzeit, welche die Flüssigkeitströpfchen in der gasförmigen Komponente benötigen, um vollständig zu verdampfen. Bei dem wohl häufigsten Anwendungsfall, der Bildung eines Kaltgasstromes aus gasförmigem und flüs­ sigen Stickstoff, benötigen die Flüssigkeitströpfchen eine mindestens 4 m lange Mischstrecke zur vollständigen Verdampfung. Diese Strecke könnte allenfalls durch Ein­ satz zusätzlicher Verstäubereinrichtungen verkürzt wer­ den, welche die Vorrichtung jedoch verteuern und je nach Betriebsbedingungen träger machen würden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Mischstrecke in einem Druckbehälter kann die Vorrichtung jedoch kompakt ausgeführt werden. Gleichzeitig dient der Druckbehälter als Druckpulsationsdämpfer. Es ist vorteilhaft, den Druckbehälter zusätzlich mit einer Schüttung, zum Bei­ spiel aus VA-Raschig-Ringen, zu versehen. Diese ermög­ licht eine besonders präzise Temperaturregelung zum Beispiel bei diskontinuierlichem Betrieb, d. h. Stoßbe­ rieb bei konstanter Temperatur. Für die angestrebte schnelle und präzise Temperaturregelung, insbesondere bei diskontinuierlichem Betrieb, dient eine Regelvorga­ be zur druck- und temperaturgesteuerten Einleitung der flüssigen Komponente.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf die Herstellung eines kal­ ten Druckgasstromes aus gasförmigem und flüssigen Stickstoff beschränkt. Als gasförmige Komponente kommen auch trockene Luft, Kohlendioxid und andere Gase in Frage. Die flüssige Komponente kann beispielsweise auch aus Kohlendioxid oder Argon bestehen. Die flüssige Kom­ ponente kann auch feste Bestandteile enthalten, zum Beispiel flüssiger Stickstoff mit gefrorenen Kohlen­ dioxidpartikeln oder Wasserstoffmatsch aus flüssigem und gefrorenen Wasserstoff.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Form.

Die Zeichnung zeigt einen Druckbehälter 1 mit einer Isolierung 2. Erfindungsgemäß ist in dem Druckbehälter 1 eine lange rohrförmige Mischstrecke 3 angeordnet, welche im Innern des Druckbehälters 1 mündet. Das ande­ re Ende der Mischstrecke 3 ist durch den Deckel 4 des Druckbehälters 1 zu einem Anschluß 5 geführt. Im Deckel 4 befinden sich zwei weitere Anschlüsse, nämlich der Anschluß 6 zur Einleitung der flüssigen Komponente und Anschluß 7 zum Abzug des unter Druck stehenden kalten Gasstromes. Die Mischstrecke 3 ist von einer Schüttung 8 aus VA-Ringen umgeben, die in einem Siebgewebe 9 an­ geordnet ist. Am Boden des Druckbehälters 1 befindet sich ein Ventil 10, durch welches Wasser abgezogen wer­ den kann. Das Wasser kann sich zum Beispiel abscheiden, wenn als gasförmige Komponente nicht völlig getrocknete Luft verwendet wird. Die Vorrichtung ist mit einem Überdruckventil 11 versehen, die bei unzulässig hohen Drücken im Druckbehälter 1 anspricht. Die Zufuhr der flüssigen Komponente wird durch eine Regelvorgabe 12 gesteuert, welche die Temperatur in der Mischstrecke 3 und den Druck im Anschluß 6 erfaßt. Die Mischstrecke 3 ist so lang, daß auch bei Dauerbetrieb und tiefen Tem­ peraturen die vollständige Verdampfung der flüssigen Komponente sichergestellt ist. In einer praktisch aus­ geführten Vorrichtung ist die Mischstrecke 3 4 m lang.

Im Betrieb wird durch den Anschluß 5 über das Ventil 13 die unter Druck stehende gasförmige Komponente in die Mischstrecke eingeleitet. Gleichzeitig strömt durch den Anschluß 6 über das Regelventil 14 die flüssige Kompo­ nente. Deren Menge wird durch die Regelvorgabe 12 ge­ steuert. Hierdurch kann jede freiwählbare Temperatur unterhalb der Temperatur der gasförmigen Komponente bis kurz oberhalb der Temperatur der flüssigen Komponente erreicht werden. Die flüssige Komponente steht unter einem höheren Druck als die gasförmige Komponente. Sie wird in die Mischstrecke 3 eingedüst, verdampft dort und verläßt als Kaltgasstrom die Mischstrecke 3. Durch den Anschluß 7 und das Ventil 15 kann der Kaltgasstrom mit einem freiwählbaren Druck aus der Vorrichtung abge­ leitet werden. Dieser Druck kann frei bis hinauf zum zulässigen Betriebsdruck des Druckbehälters 1 gewählt werden. Voraussetzung ist jedoch, daß der Druck der flüssigen Komponente größer ist als der der gasförmigen Komponente. Bei diskontinuierlichem Betrieb genügt ein um 0,1 bis 1,5 bar größerer Druck der flüssigen Kompo­ nente. Beispielsweise wird mit gasförmigem Stickstoff unter 8 bar und flüssigen Stickstoff unter 8,1 bis 9,5 bar gearbeitet. Bei kontinuierlicher Betriebsweise kann der Druck der flüssigen Komponente wesentlich größer sein, beispielsweise flüssiger Stickstoff unter 15 bar und gasförmiger Stickstoff unter 8 bar.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Herstellung einer unter Druck ste­ henden kalten Gasstromes durch Wärmeaustausch und Vermischung einer gasförmigen Komponente mit einer kalten flüssigen Komponente, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Vorrichtung besteht aus einem Druckbehälter (1),
• - der Druckbehälter besitzt eine Isolierung (2),
• - der Druckbehälter besitzt einen Anschluß (5) zur Einleitung der gasförmigen Komponente,
• - der Druckbehälter besitzt einen Anschluß (6) zur Einleitung der flüssigen Komponente,
• - der Druckbehälter besitzt einen Anschluß (7) zur Ableitung des kalten Gasstromes,
• - der Druckbehälter besitzt eine lange rohrförmige Mischstrecke (3), die einerseits im Druckbehälter mündet, andererseits mit dem Anschluß (5) zur Ein­ leitung der gasförmigen Komponente verbunden ist,
• - in den Anfang der Mischstrecke mündet eine Rohr­ leitung, die mit dem Anschluß (6) zur Einleitung der flüssigen Komponente verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regelvorgabe (12) zur druck- und/oder temperaturgesteuerten Einleitung der flüssigen Komponente.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine die Mischstrecke (3) um­ gebende Schüttung (8).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Ventil (10) am unteren Teil des Druckbehälters zur Entnahme von abgeschie­ denem Wasser.