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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
eines Kryogenabgabegeräts
und auf das Gerät
als solches. Mehr im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein solches Gerät,
bei welchem ein Behälter
als Phasentrenner dient, denn das abzugebende Kryogen als Zweiphasenströmung zugeführt wird.
Der Behälter enthält einen
Wärmetauscher
zum Umwandeln von unterkühlter
Flüssigkeit
in eine gesättigte
Flüssigkeit, wenn
der Kryogen als unterkühlte
Flüssigkeit
zugeführt
wird.
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Der
nächstkommende
Stand der Technik, die FR-A-2 599 119 offenbart das Verflüssigen einer
regulierten Gasströmung
mittels eines Bads aus der selben Substanz im flüssigen Zustand, das in der
unmittelbaren Nähe
des Einsatzortes auf einem niedrigeren Druck gehalten wird.
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Kryogene
Flüssigkeiten
wie beispielsweise Flüssigluft
oder verflüssigte
Komponenten von Luft werden in vielen kryogenen Kühl- und
Kälteanwendungen
eingesetzt. Ein übliches
Problem bei der Zuführung
einer kryogenen Flüssigkeit
besteht darin, daß das
Maß des
Kühlpotentials
der kryogenen Flüssigkeit
sich mit dem Zustand der zugeführten
Flüssigkeit
verändern
kann. Beispielsweise hat unterkühlter flüssiger Stickstoff
ein anderes Kühlpotential
als in Form einer Zweiphasenströmung
zugeführter
Stickstoff Dieses Problem wird bei Kühlanwendungen dadurch verstärkt, daß kein Regelsystem
eingesetzt wird, sondern man sich stattdessen nur auf Zeitgeber und
dgl. zum Öffnen
und Schließen
der Kyrogenzufuhrventile verlässt.
Ein Beispiel einer solchen problematischen Anwendung ist die Verwendung
eines Kryogens beim Kühlen
von blasgeformten Kunststoffgegenständen nach dem Formen. Bei vielen
für eine solche
Anwendung ausgelegten Systemen wird die Kryogenströmung für jeden
Kühlzyklus
durch ein Steuerventil gesteuert, das während einer vorgegebenen Zeitperiode
geöffnet
wird. Die Zweiphasenströmungsform
des Kryogens hat weniger Kühlpotential
als das Kryogen in Form einer unterkühlten Flüssigkeit. Darüberhinaus
ist die Menge unterkühlter
Flüssigkeit,
die während
einer gegebenen Ventilöffnung
zugeführt
wird, größer als
die Menge eines als Zweiphasenströmung zugeführten Kryogens aufgrund der
größeren Dichte
der unterkühlten
Flüssigkeit.
Da das Kühlpotential
des Kryogens mit seinem physikalischen Zustand sich ändert, werden
entweder die Kunststoffteile nicht ausreichend gekühlt, oder
der Kryogen wird verschwendet.
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Wie
noch erörtert
werden wird, schafft die vorliegende Erfindung eine praktische Lösung zur Bewältigung
des oben dargestellten Problems durch Schaffen eines Kryogenzufuhrgeräts, das
als Schnittstelle zwischen dem zugeführten flüssigen Kryogen und der besonderen
Anwendung dient, für
welche der Kryogen eingesetzt wird. Die durch die vorliegende Erfindung
geschaffene Schnittstelle ist eine solche, die sicherstellt, daß der Kryogen
zuverlässig
in einem gesättigten
Zustand eingesetzt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kryogenabgabegeräts vorgesehen,
wobei das Kryogenabgabegerät
umfasst:
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- Einen den Kryogen in Flüssigkeits-
und Dampfphasen enthaltenden Behälter,
- wobei der Behälter
einen Kopfraumbereich, einen Kryogeneinlaß zu einem Bodenbereich des
Behälters,
einem Dampfauslaß aus
dem Kopfraumbereich, und einen Dampfeinlaß zum Kopfraumbereich aufweist,
- Wärmeaustauschmittel,
die in Wärmeaustauschbeziehung
mit dem Kopfraumbereich stehen,
- ein Flüssigkryogen-Abzugsrohr
in Verbindung mit den Wärmeaustauschmitteln
und von dort aus zum Bodenbereich des Behälters herabhängend,
- einen Flüssigkeitsauslaß, der mit
den Wärmeaustauschmitteln
verbunden ist,
- ein verzweigtes Zufuhrrohr mit einem Flüssigkeitszweig, der mit dem
genannten Kryogeneinlaß verbunden
ist, und einem Dampfzweig, der mit dem genannten Dampfeinlaß verbunden
ist, und
- Heizmitteln, die zum Beheizen des Dampfzweigs des verzweigten
Zufuhrrohrs betätigbar
sind,
- wobei das Verfahren das Zuführen
des Kryogens zu dem verzweigten Zufuhrrohr und das Abziehen gesättigter
Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitsauslaß umfasst,
wobei in dem Fall, daß der
Kryogen in gesättigtem
Zustand zu dem verzweigten Zufuhrrohr zugeführt wird, der Behälter als
Phasentrenner arbeitet und Dampf aus dem Behälter durch den Dampfauslaß ausgetragen
wird, und in dem Fall, daß der
Kryogen in das verzweigte Zufuhrrohr in unterkühltem Zustand zugeführt wird,
die Wärmeaustauschmittel
die unterkühlte
Flüssigkeit
in eine gesättigte
Flüssigkeit durch
indirekten Wärmeaustausch
mit kondensierendem Dampf im Kopfraumbereich umwandeln, und die Heizmittel
so betätigt
werden, daß sie
Dampf für
den Kopfraumbereich in dem Fall bereitstellen, daß der Kopfraumbereich
durch Kondensation oder durch Austrag durch den Dampfauslaß an Dampf
erschöpft ist.
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Die
Erfindung beinhaltet auch ein Kryogenabgabegerät zur Verwendung bei einem
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kryogenabgabegerät aufweist:
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- Einen Behälter
zur Aufnahme des Kryogens in der Flüssigkeits- und der Dampfphase,
- wobei der Behälter
einen Kopfraumbereich, einen Kryogeneinlaß zu einem Bodenbereich des
Behälters,
einen Dampfauslaß aus
dem Kopfraumbereich, und einen Dampfeinlaß zum Kopfraumbereich aufweist,
- Wärmeaustauschmittel
in Wärmeaustauschbeziehung
mit dem Kopfraumbereich,
- ein Flüssigkryogen-Abzugsrohr
in Verbindung mit den Wärmeaustauschmitteln
und von dort zum Bodenbereich des Behälters herabhängen,
- einen Flüssigkeitsauslaß, der mit
dem Wärmeaustauschmitteln
verbunden ist,
- ein verzweigtes Zufuhrrohr mit einem Flüssigkeitszweig, der mit dem
genannten Kryogeneinlaß verbunden
ist, und einem Dampfzweig, der mit dem genannten Dampfeinlaß verbunden
ist, und
- Heizmittel, die zum Beheizen des Dampfzweigs des verzweigten
Zufuhrrohrs betätigbar
sind.
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In
der Praxis kann bei dem Kryogenabgabegerät nach der vorliegenden Erfindung
dessen verzweigte Zufuhrleitung mit einer Flüssigstickstoffquelle verbunden
sein. Falls der Flüssigstickstoff
im Zweiphasenzustand vorliegt, würde
das Kryogenabgabegerät
einfach zum Trennen der Phasen in eine Flüssigkeits- und eine Dampfphase
dienen, wobei der Überschußdampf aus
dem Behälter
entlüftet
wird. Wenn jedoch der Stickstoffspeichertank gefüllt ist und die Unterkühlung innerhalb
des Tanks dramatisch zunimmt, würden
die Wärmeaustauschmittel zum
Wärmeaustausch
zwischen dem Kopfraumdampf und der unterkühlten Flüssigkeit dienen, die abgezogen
wird, um die unterkühlte
Flüssigkeit
in gesättigte
Flüssigkeit
nach ihrem Austrag aus dem Behälter
umzuwandeln.
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Falls
unterkühlte
Flüssigkeit
zugeführt
wird und/oder Dampf benutzt wird, neigt der Flüssigkeitspegel im Behälter zum
Ansteigen. Um den Dampf zu ersetzen, der entleert worden ist, wird durch
den beheizten Dampfeinlasszweig der Zufuhrleitung Dampf in den Kopfraumbereich
des Behälters zugeführt. Anzumerken
ist, daß durch
einfaches Beheizen nur eines Stroms der Flüssigkeit (im Gegensatz zu der
Gesamten im Behälter
befindlichen Flüssigkeit)
der Leistungsbedarf eines Heizgeräts für diesen Zweck minimiert werden
kann. Die Beheizung kann auf konstantem Pegel erfolgen, wenn die
Anforderungen nicht schwanken, oder kann proportional zum Flüssigkeitsverbrauch
sein. Das Heizgerät
kann am Abschluß eines
Chargenprozesses eingesetzt werden, und in einem solchen Fall bewirkt
entwickelter Dampf einen Flüssigkeitsrückstrom
durch die verzweigte Zufuhrleitung.
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Anzumerken
ist, daß der
hier und in den Patentansprüchen
verwendete Begriff "Kryogen" ein verflüssigtes
atmosphärisches
Gas wie beispielsweise Stickstoff, Flüssigluft, oder eine andere
kalte Flüssigkeitssubstanz
bedeutet, die unter Standardbedingungen in dampfförmigem Zustand
vorliegen würde.
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Ein
Gerät nach
der Erfindung wird nunmehr beispielshalber unter Bezugnahme auf
die anliegende Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung
eines Kryogenabgabegeräts
nach der Erfindung zeigt.
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Gemäß der Zeichnung
weist ein Kryogenabgabegerät
einen Behälter 10 auf,
der dafür
ausgelegt ist, daß er
Kryogen in flüssiger
Phase und in Dampfphase enthält.
Die Dampfphase ist in einem Kopfraumbereich 12 des Behälters 10 enthalten.
Kryogen tritt in einem Bodenbereich 14 des Behälters 10 durch
einen Bodeneinlaß 16 ein.
Ein Dampfauslaß 18 dient
zum Austrag von Dampf aus dem Kopfraumbereich 12 des Behälters 10.
Ein Kopfraumeinlaß 20 ist ebenfalls
vorgesehen, um Dampf in den Kopfraumbereich 12 des Behälters 10 einzuleiten.
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Wenn
der Kryogen zum Behälter 10 im
Zustand einer Zweiphasenströmung
zugeführt
wird, dient der Behälter 10 als
Phasentrenner zum Trennen des Kryogens in die Flüssigkeitsphase und die Dampfphase.
In diesem Fall wird in Abhängigkeit
davon, ob der Dampf zu einem externen Prozeß zugeführt wird, der Überschussdampf
periodisch aus dem Gerät
durch den Dampfauslaß 18 entlüftet. Falls
die Flüssigkeit
unterkühlt
ist, ist ein Mittel für
einen indirekten Austausch zwischen dem im Kopfraum befindlichen
Dampf und einem aus der Flüssigkeitsphase bestehenden
Flüssigkeitsstrom
vorgesehen, wobei dieses Mittel vorzugsweise ein Wärmetauscher 22 ist,
der im Kopfraumbereich 12 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 22 besteht
aus einem gerippten Rohr, das in Reihenkanälen 26, 28, 30 und 32 angeordnet
ist, die durch U-förmige
Halterungen 34 und 36 verbunden sind. Flüssigkeit
wird in den Wärmetauscher 22 mittels
eines Abzugsrohrs 38 eingeleitet, das mit dem Kanal 26 über eine
90°-Bogenhalterung verbunden
ist, die zum Zwecke leichterer Darstellung abgebrochen dargestellt
ist. Wie man sieht, könnte der
Wärmetauscher 22 in
einer Anzahl von Weisen einschließlich einer einfachen Windung
eines nackten Rohrs aufgebaut sein. Der Wärmetauscher 22 kondensiert
Dampf im Kopfraumbereich 12 und wandelt daher unterkühlte Flüssigkeit
in gesättigte
Flüssigkeit
um. Die gesättigte
Flüssigkeit
wird durch den Flüssigkeitsauslaß 40 aus
dem Behälter 10 ausgetragen.
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Der
Behälter 10 ist
mit einem herabhängenden
Volumen oder Sumpf 42 ausgebildet, durch welchen das Abzugsrohr 38 verläuft, und
weist einen darin gebildeten Bodeneinlaß 16 auf. Das Abzugsrohr 38 verläuft unterhalb
des Bodeneinlasses 16, damit kein Dampf in den Wärmetauscher 22 hineingezogen wird,
wenn die eintretende Flüssigkeit
eine Zweiphasen strömung
ist. Der Sumpf 42 ist ein zwar bevorzugtes, aber optionelles
Merkmal des Kryogenabgabegeräts 1.
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Der
Flüssigkeitspegel
neigt zum Ansteigen innerhalb des Kryogenabgabegeräts 1,
wenn mehr unterkühlte
Flüssigkeit
in gesättigte
Flüssigkeit
umgewandelt wird, da mehr Dampf aus dem Dampfauslaß 18 ausgetragen
wird.
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Anzumerken
ist, daß gewisse
Prozesse zusätzlich
eine Zufuhr von Dampf aus dem Gerät 1 erfordern, die
ersetzt werden muß.)
Um die Dampfmenge im Kopfraumbereich 12 zu vergrößern, ist
eine verzweigte Zufuhrleitung 44 vorgesehen, die einen Flüssigkeitseinlaßszweig 46 aufweist,
der mit dem Bodenflüssigkeitseinlaß 16 verbunden
ist, so daß die Flüssigkeitszufuhr
in den Behälter 10 und
in den Dampfeinlasszweig 18 strömt, der mit dem Kopfraumeinlaß 20 verbunden
ist. Ein als Heizschlange 50 dargestelltes Heizgerät, das in
einen elektrischen Stromkreis mit einer elektrischen Energiequelle 52 schaltbar
ist, erwärmt
ankommende Flüssigkeit
und wandelt sie im Dampf um. Anzumerken ist auch, daß ein elektrisches
Heizgerät
nur eines von mehreren möglichen
Mitteln zum Beheizen des Dampfeinlasszweigs 48 darstellt.
Beispielsweise kann Prozesswärme
von anderen Wärmequellen
für den
gleichen Zweck eingesetzt werden. Der Flüssigkeitspegel im Zweig 48 befindet
sich auf gleicher Höhe
wie innerhalb des Behälters,
so daß keine
aktive Steuerung zur Flüssigkeitszufuhr
zum Heizgerät 50 erforderlich ist.
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Obwohl,
wie oben angedeutet, elektrischer Strom kontinuierlich zur Heizschlange 50 zugeführt werden
kann, wird der Betrieb der Heizschlange 50 bei der dargestellten
Ausführungsform
automatisch in Abhängigkeit
vom Flüssigkeitspegel
im Behälter 10 gesteuert.
Zu diesem Zweck ist ein Pegeldetektor 53 vorgesehen, um
einen oberen Flüssigkeitspegel im
Behälter 10 zu
erfassen. Ein solcher oberer Pegel ist mit dem Bezugszeichen "A" bezeichnet. Ein unterer Bezugspegel,
der mit dem Bezugszeichen "B" bezeichnet wird,
wird von einem Pegeldetektor 54 erfasst. Die Pegeldetektoren 53 und 54 sind "Punktpegeldetektoren" (der im US-Patent
5 167 154 dargestellten Art), die so ausgelegt sind, daß sie Signale erzeugen,
wenn der Flüssigkeitspegel
auf den Pegel A angestiegen ist oder unter dem Pegel B abgefallen ist.
Es versteht sich, daß Thermoelemente
oder elektromechanische Geräte
oder andere Mittel zum Erfassen des Flüssigkeitspegels eingesetzt
werden können.
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Des
weiteren, obwohl nicht dargestellt, könnten die Pegeldetektoren 53 und 54 in
Vertiefungen eingesetzt sein, um zu verhindern, daß ihre Erfassung
der Pegelhöhe
durch Störungen
der Flüssigkeit im
Behälter 10 beeinflußt wird.
Alternativ könnte
ein kontinuierlicher Pegeldetektor, wie beispielsweise eine Kapazitätssonde,
die beiden Pegeldetektoren 53 und 54 ersetzen.
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Eine
elektrische Verbindung 55 dient zum Verbinden des Pegeldetektors 53 mit
einem Regler 56. In ähnlicher
Weise dient eine elektrische Verbindung 57 zum Verbinden
des Pegeldetektors 54 mit dem Regler 56. Der Regler 56 ist
entweder ein Analogregler oder ein Regler mit programmierbarer Logik.
Wenn der Flüssigkeitspegel
der Flüssigkeitsphase
auf dem Pegel A ansteigt, führt
der Regler 56 in Abhängigkeit
vom Pegeldetektor 53 einen durch die Stromquelle 52 bereitgestellten
elektrischen Strom zur Heizschlange 50 zu. Diese Steuerung
bewirkt, daß Flüssigkeit
verdampft wird und der Dampf in den Kopfraumbereich 12 strömt. Wenn
der Pegel wieder unter A abfällt,
wird die Heizschlange 50 abgeschaltet. Falls der Flüssigkeitspegel
unter den Pegel B abfällt,
reagiert der Regler 56 auf den Pegeldetektor 54 und
betätigt
ein fernbetätigtes
Ventil 60, das mit dem Dampfauslaß 18 verbunden ist,
um das Ventil zu öffnen
und Dampf auszutragen. Das fernbetätigte Ventil 60 ist
mit dem Regler 56 über
eine elektrische Verbindung 62 verbunden. Wenn der Flüssigkeitspegel
wieder auf B ansteigt, schließt
das Ventil 60. In solcher Weise wird der Flüssigkeitspegel
auf den Höhenbereich
beschränkt,
der zwischen den Pegeln A und B definiert ist. Vorzugsweise ist
die Heizschlange 50 oder eine andere Wärmequelle am Dampfeinlasszweig 48 positioniert,
so daß sie
sich unterhalb des Flüssigkeitspegels
A befindet, um zu verhindern, daß sie ein Überhitzen von aus der Flüssigkeit
entstehendem Dampf bewirkt. Mehr vorzugsweise ist die Heizschlange 50 unterhalb
des Flüssigkeitspegels
B positioniert.
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Der
Regler 56 kann auch zum Auslösen der Flüssigkeitszufuhr in Abhängigkeit
von Prozessanforderungen eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist ein
fernbetätigtes
Ventil 64 im Auslaß 42 dargestellt. Das
fernbetätigte
Ventil 64 ist elektrisch über eine elektrische Verbindung 66 mit
dem Regler 56 verbunden. In Abhängigkeit von den Prozessanforderungen können zusätzliche
Auslässe
aus dem Flüssigkeits- oder
Dampfraum vorgesehen sein.