DE68912755T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Mengenstromregelung von flüssigen CO2 und deren Anwendung für einen Kühltunnel. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Mengenstromregelung von flüssigen CO2 und deren Anwendung für einen Kühltunnel.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mengenstromregelung von flüssigem CO&sub2; in einer Zufuhrleitung, die mit einem Regelventil versehen ist und bis zu wenigstens einer CO&sub2;-Abgabestelle führt.
  • CO&sub2; (Kohlendioxid) wird für eine Vielzahl von Verfahren einerseits auf dem industriellen Gebiet (z.B. zur chemischen Carbonatation, zur Neutralisierung basischer Mittel und zur pH-Einstellung bei der Wasseraufbereitung) und andererseits auf dem Gebiet landwirtschaftlicher Lebensmittelprodukte (z.B. zum schnellen Abkühlen und Tieffrieren und zur Temperatureinstellung) eingesetzt.
  • CO&sub2; wird bei diesen Anwendung bedarfgerecht meistens verflüssigt und in einem Behälter bevorratet geliefert.
  • Die Eigenschaften der Verfahren machen es notwendig, die CO&sub2;- Menge an die zu behandelnde Charge anzupassen; es ist deshalb erforderlich, die CO&sub2;-Menge als Funktion von charakteristischen Parametern des Verfahrens einzustellen, wie z.B. in Abhängigkeit vom pH-Wert bei Wasserbehandlung, in Abhängigkeit der Temperatur bei Tiefkühlbehandlungen.
  • Das theoretisch genaueste und im Hinblick auf den CO&sub2;-Verbrauch wirtschaftlichste Regelverfahren besteht darin, die Menge von flüssigem CO&sub2; mit Hilfe eines bezüglich seiner Öffnung variabel einstellbaren Ventils kontinuierlich zu regeln, das durch einen Proportionalregler differenziell und integral gesteuert wird. Das Prinzip eines derartigen Ventils besteht darin, für den Fluiddurchsatz eine Drossel vorzusehen. Der Querschnitt dieser Drossel wird mit Hilfe eines Verschlußorgans kontinuierlich zwischen zwei Endstellungen verstellt.
  • Das CO&sub2; weist stromaufwärts von diesem Ventil einen Druck auf, der demjenigem des Behälters nahekommt und beträgt fallabhängig 11 bis 60 x 10&sup5; Pa. Die Querschnittsverengung ruft in Übereinstimmung mit den Strömungsgesetzen einen Druckabfall hervor, der umso stärker ist, je enger der Durchlaß der Drossel ist. Der Ablauf des Verfahrens ist deshalb zeitweise so, daß dann, wenn der Bedarf an CO&sub2; minimal ist, das Ventil eine Stellung nahe seiner vollständigen Schließstellung einnimmt. Die Querschnittverengung ist dann am größten und der Druckabfall beim Durchgang des Verschlußorgangs ist so groß, so daß der CO&sub2;-Druck stromab des Ventils Werte kleiner als 5,2 x 10&sup5; Pa annimmt.
  • Dieser Wert von 5,2 x 10&sup5; Pa entspricht dem Druck am CO&sub2;-Tripelpunkt, an dem das flüssige CO&sub2; sich augenblicklich in ein Gemisch aus gasförmigem CO&sub2; und festem CO&sub2; umwandelt (Trockeneis).
  • Die Konstruktionen der für diese Verfahren verwendbaren Regelventile sind so, daß der geringe Durchmesser und die gewundene Form der Rohrleitungen unmittelbar stromab von dem Verschlußorgan zu einer sofortigen Verstopfung infolge des Auftretens von Trockeneis führen.
  • Daraus folgt, daß diese Regelventile in der Praxis nur selten zur Durchflußregelung von flüssigem CO&sub2; geeignet sind, und daß die üblicherweise angewendeten Lösungen Zugriff zu anderen Techniken nehmen: das wenig präzise Einstellen nach dem Alles-oder-Nichts- Prinzip oder, wenn die Anwendung kein flüssiges CO&sub2; erfordert, die Verwendung eines Verdampfers stromaufwärts vom Regelventil, was eine kosten- und energieaufwendige Technik darstellt.
  • Die FR-A-2.142.309 beschreibt eine Versprühvorrichtung für flüssiges CO&sub2;, die eine Zufuhrleitung für flüssiges CO&sub2; umfaßt, die mit einem Ventil mit einer Wirkung nach dem Alles-oder-Nichts- Prinzip, wie vorstehend erwähnt, versehen ist, das alternierend mit einem Ventil dieser Art in eine Zufuhrleitung für gasförmiges CO&sub2; arbeitet, die am Ausgang der Vorrichtung einen Gasstrom voreingestellten Drucks liefert.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in jedem Fall, einfach und zuverlässig, die Verwendung eines kontinuierlich einstellbaren Ventils zu ermöglichen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß man während des gesamten Abgabevorgangs der CO&sub2;-Menge wenigstens in dem Teil der Leitung stromab des Ventils bis nahe zum CO&sub2;-Abgabepunkt einen Zwischendruck aufrechterhält, der höher ist als der Druck am CO&sub2;-Tripelpunkt.
  • Vorteilhafterweise leitet man in diese Zufuhrleitung vor ihrem Anschließen an einen Vorratsbehälter mit flüssigem CO&sub2; stromauf- und stromabwärts von dem Ventil CO&sub2;-Gas mit einem Druck ein, der zwischen dem Tripelpunkt-Druck und dem Zwischendruck liegt.
  • Die Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung zur Mengenstromregelung von flüssigem Stickstoff zur Durchführung dieses Verfahrens zum Ziel. Eine derartige Vorrichtung umfaßt einen unter Druck stehenden CO&sub2;-Vorratsbehälter, der an eine ein Regelventil enthaltende Zufuhrleitung für flüssiges CO&sub2; und an eine Gasentnahmeleitung angeschlossen ist, die einen Druckminderer enthält und über ein Rückschlagventil in einem stromabwärtigen Abschnitt der Entnahmeleitung stromabwärts von dem Regelventil mündet, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der stromabwärtige Abschnitt der Zufuhrleitung in wenigstens einer Membran-Abgabeeinrichtung endet, die ein Verschlußorgan aufweist, das mit einem Auslaßsitz zusammenwirkt, wobei die Membran in der Schließrichtung des Rückschlagventils durch eine einstellbare Feder vorgespannt ist.
  • Die GB-A-807.088 beschreibt eine Vorrichtung zum Unterdrucksetzen eines Gefäßes mit CO&sub2;, das von einer Quelle von flüssigem CO&sub2; kommt, wobei die Vorrichtung ein Verschlußorgan aufweist, das mit einer Entspannungsöffnung für das flüssige CO&sub2; zusammenwirkt und mit einer Membran so verbunden ist, daß sie normalerweise offensteht, solange der Gasdruck in dem Gefäß einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
  • - Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • - Figur 2 einen Längsschnitt der Abgabeeinrichtung dieser Vorrichtung;
  • - Figur 3 eine teilweise längsgeschnittene Ansicht eine Abwandlung der Abgabeeinrichtung in vergrößertem Maßstab;
  • - Figuren 4 und 5 schematisch Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in der Figur 1 gezeigte Regelvorrichtung dient dazu, eine variable Menge von CO&sub2; einem Abgabepunkt A aus einem Vorratsbehälter 2 zuzuführen, in dem ein Druck PS aufrechterhalten wird, der deutlich höher ist als der Druck PT des CO&sub2;-Tripelpunkts (5,2 bar) und im allgemeinen zwischen 11 und 60 bar liegt. Der Punkt A befindet sich unter einem vorbestimmten Druck PO, der beispielsweise im wesentlichen dem atmosphärischen Druck entspricht, jedoch in jedem Fall geringer ist als PT.
  • Die Regelvorrichtung 1 umfaßt eine wärmeisolierte Flüssigkeitsleitung 3, die sich vom unteren Teil des Vorratsbehälters 2 zu einer Abgabeeinrichtung 4 erstreckt. Ein regelbares Ventil 5 ist in diese Leitung eingesetzt und definiert in dieser einen stromaufwärtigen Abschnitt 6 vom Vorratsbehälter zum Ventil und einen stromabwärtigen Abschnitt 7 zur Abgabeeinrichtung. Dieses Ventil umfaßt ein Schließorgan, dessen Stellung kontinuierlich zwischen einer Stellung maximaler Öffnung und einer Stellung völligen Verschlußes kontinuierlich mittels eines Motors 8 veränderbar ist. Der Motor wird von einer Steuereinrichtung 9 gesteuert, die von einem Meßgerät 10 (beispielsweise einem pH-Meter oder einem Thermometer) ein Signal empfängt, das die Regelgröße repräsentiert.
  • Die Abgabeeinrichtung 4 (Figur 2) umfaßt ein Gehäuse 11, das durch eine Membran 12 in zwei Kammern unterteilt ist. Eine Schraubenfeder 13, deren Federkraft mittels einer Schraube 14 einstellbar ist, ist in einer dieser Kammern angeordnet, während die andere Kammer (in Figur 2 die untere Kammer) das im Leitungsabschnitt 7 enthaltene Fluid aufnimmt. In dieser anderen Kammer ist ein Verschlußorganstößel 15 einstückig mit der Membran ausgebildet und endet an einem Verschlußorgan 16, das mit einem Sitz 17 zusammenwirkt, der am Eingang der Auslaßöffnung 18 der Abgabeeinrichtung angeordnet ist. Die Elemente 13 bis 18 sind insgesamt koaxial angeordnet.
  • Das Verschlußorgan 16 hebt somit von seinem Sitz dann und nur dann ab, wenn der in der unteren Kammer der Abgabeeinrichtung herrschende Druck den Druck übertrifft, der der Federkraft der Feder 13 entspricht. Man kann folglich die Schraube 14 so einstellen, daß diese Öffnung entsteht, wenn der Druck in dem Leitungsabschnitt 7 wenigstens gleich einem Zwischendruck PI ist, der größer ist als der Druck PT.
  • Eine Leitung 19 für CO&sub2;-Gas zweigt vom oberen Teil des Behälters 2 ab und umfaßt von stromauf nach stromab ein Absperrventil 20 und einen Druckminderer 21. Der Druckminderer liefert stromab einen Druck P2, der größer ist als PT aber kleiner als PI. Stromab vom Druckminderer 21 teilt sich die Leitung 19 in zwei Zweigleitungen 22 und 23, die jeweils in die Abschnitte 6 und 7 der Leitung 3 münden. Jede Zweigleitung ist mit einem Rückschlagventil 24 versehen, die lediglich eine Fluidzirkulation vom Druckminderer 21 zur Leitung 3 zuläßt.
  • Der Betrieb wird dadurch eingeleitet, daß die Vorrichtung durch Öffnen des Ventils 20 auf den Druck P2 eingeregelt wird. Dadurch wird gewährleistet, daß an keinem Punkt der Vorrichtung der Druck unter den CO&sub2;-Tripelpunkt absinkt.
  • Daraufhin läßt man durch eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung flüssiges CO&sub2; in die Leitung 3 ein. Die Abgabeeinrichtung 4 öffnet, bis der Druck in dem Leitungsabschnitt 7 höher ist als der Wert PI, und ein Trockeisstrahl tritt dabei aus der Öffnung 18 aus. Das Ausleiten dieses Trockeneises findet dank der Anordnung des Auslaßes 18 in der Achse des Systems Membrane- Verschlußorgan ungehindert statt.
  • In den Fällen (Fig. 3), in denen das Trockeneis in einem kurzen Abschnitt des Leitungssystems transportiert werden muß, bevor es den Abgabepunkt erreicht, schließt man an die Öffnung 18 einen Schlauch 25 an, der weder im Innern rauh ist noch eine ausgeprägte Krümmung aufweist. Der Innendurchmesser des Schlauchs 25 ist über seine gesamte Länge im wesentlichen gleich demjenigen der Öffnung 18 und stellt für den Durchfluß des Gas-Feststoffgemisches kein Hindernis dar.
  • Eine Anwendung der Abwandlung nach Figur 3 ist schematisch in Figur 4 gezeigt. Dabei handelt es sich, ausgehend von einer Messung des pH-Werts, um die Regulierung der Menge von flüssigem CO&sub2;, die in eine Abwasserkanalisation 26 eingeleitet wird, um einen basischen Zufluß zu neutralisieren.
  • Der Schlauch 25 mündet in ein Venturirohr 27, das dazu bestimmt ist, das Trockeneis in die Wassermenge einzuleiten und dort zu verteilen.
  • In Figur 5 ist eine Abwandlung der Vorrichtung nach Figur 1 gezeigt, bei der der Leitungsabschnitt 7 sich in drei Zweigleitungen 7A bis 7C aufteilt, von denen jede in eine jeweilige Abgabeeinrichtung 4A bis 4C mündet. Dies erlaubt es, CO&sub2; mehreren Abgabepunkten zuzuführen und für jede Abgabeeinrichtung unterschiedliche Druckregelungen vorzusehen, um Mengen von CO&sub2; abzugeben, die für jeden Abgabepunkt individuell regelbar sind.
  • Diese Ausführungsform ist insbesondere von Interesse, um beispielsweise, wie in Fig. 5 gezeigt, mehr oder weniger kalte Bereiche in einem länglichen Tunnel zum Tiefgefrieren von Lebensmittelprodukten zu realisieren.
  • Bei dieser Anwendung erfolgt die Regelung des Ventils 5 auf der Grundlage einer einzigen Temperaturmessung, die nahe dem Tunnelausgang durchgeführt wird. Das CO&sub2; wird über die Abgabeeinrichtungen 4A bis 4C parallel abgegeben, um die über die Länge des Tunnels 28 verteilt zuzuführen. Die neben dem Eingang 29 für die zu behandelnden und über ein Förderband 30 geförderten Produkte angeordnete Abgabeeinrichtung 4A erzeugt im eine Menge von CO&sub2;, die diejenige der anderen Abgabeeinrichtungen aufgrund ihrer Einstellung auf einen geringeren Druck PI-A übertrifft. Selbst dann, wenn die Anlage nahe ihrer Minimalleistung betrieben wird (dies ist der Bereitschaftszustand zwischen zwei Behandlungen) kann die erste Abgabeeinrichtung die einzige sein, die CO&sub2; liefert.
  • Die Anordnung von Figur 5 gewährleistet auf einfache und wirtschaftliche Weise eine zuverlässige und präzise Regelung des Tieffriervorgangs.
  • Die Erfindung kann auf eine Vielzahl weiterer, CO&sub2; verbrauchende Verfahren angewendet werden. Besonders geeignet ist die Erfindung für Anwendungen, die einen beachtlichen Mengenstrom an CO&sub2; benötigen (mindestens 100 kg/h) der quasi kontinuierlich und in einem Verhältnis von etwa 1 zu 5 veränderbar sein muß.

Claims (9)

1. Verfahren zum Liefern eines variablen Mengenstroms von flüssigem CO&sub2; an wenigstens einen Abgabepunkt (A) über eine Zufuhrleitung (3) für flüssiges CO&sub2;, die mit einem in Bezug auf seinen Querschnitt variablen Regelventil (5) versehen ist, bei dem der Mengenstrom von flüssigem CO&sub2; an den Abgabepunkt (A) mittels einer Abgabeeinrichtung (4), die sich öffnet, wenn der Druck stromabwärts von dem Ventil (5) höher ist als ein vorbestimmter Druck (PI), der höher ist als der Druck (PT) am CO&sub2;-Tripelpunkt, derart geliefert wird, daß wenigstens in dem Abschnitt der Leitung (3) stromabwärts von dem Ventil (5) ein Druck durchgehend aufrechterhalten wird, der höher ist als derjenige am CO&sub2;-Tripelpunkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anschließen der Leitung (3) an einen Vorratsbehälter (2) mit flüssigem CO&sub2; in diese Leitung stromabwärts von dem Ventil (5) CO&sub2;-Gas unter einem Druck (P2) eingeleitet wird, der zwischen dem Druck (PT) am Tripelpunkt und dem vorbestimmten Druck (PI) liegt, und daß man außerdem CO&sub2;-Gas mit diesem Druck (P2) in den Abschnitt der Leitung (3) einspeist, der stromaufwärts von dem Ventil (5) liegt.
3. Vorrichtung zur Lieferung eines variablen Mengenstroms von flüssigem CO&sub2; an einen CO&sub2;-Abgabepunkt (A), mit einem Vorratsbehälter (2) für unter Druck stehendes CO&sub2;, der an eine Zufuhrleitung (3) für CO&sub2; angeschlossen ist, die ein querschnittsveränderliches Regelventil (5) enthält, und mit einer Gasabgabeleitung (19), die einen Druckminderer (21) enthält, und über ein erstes Rückschlagventil (24) in einen stromabwärtigen Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) stromabwärts von dem Ventil (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß sie stromaufwärts von dem Abgabepunkt (A) wenigstens eine Abgabeeinrichtung (4) umfaßt, in die der stromabwärtige Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) mündet, wobei die Abgabeeinrichtung (4) eine Abgabeeinrichtung mit Membran (12) ist, die ein Verschlußorgan (16) trägt, das mit einem ausgangsseitigen CO&sub2;-Auslaßsitz zusammenwirkt, wobei die Membran in Schließrichtung des Rückschlagventils durch eine einstellbare (bei 14) Feder (13) vorgespannt ist, die derart gespannt ist, daß das Verschlußorgan (16) sich nur öffnet, wenn der CO&sub2;-Druck im stromabwärtigen Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) höher ist als ein Druck (PI), der höher ist als der Druck (PT) am CO&sub2;-Tripelpunkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabgabeleitung (19) über ein zweites Rückschlagventil (24) ebenfalls in einem stromaufwärtigen Teil (6) der Zufuhrleitung (3), stromaufwärts (6) von dem Regelventil (5), mündet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlauch (25), der im wesentlichen den selben Innendurchmesser aufweist wie der Auslaßsitz (18) der Abgabeeinrichtung, sich von diesem Sitz bis zum CO&sub2;-Abgabepunkt erstreckt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgabepunkt durch ein Venturirohr (27) gebildet wird, das in einer Abwasserkanalisation (26) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) wenigstens zwei Zweigleitungen (7A, 7B, 7C) umfaßt, die jeweils in einer Membranabgabeeinrichtung (4A, 4B, 4C) münden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (4A) der Abgabeeinrichtungen (4A-4C) auf einen Öffnungsdruck (PI-A) eingestellt wird, der geringer ist als derjenige des oder der weiteren Abgabeeinrichtungen.
9. Kühltunnel (28) für Lebensmittelprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß er mit CO&sub2; durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8 versorgt wird.
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