DE69631936T2

DE69631936T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Verdampfung einer kryogenen Flüssigkeit und Überhitzung des erzeugten Dampfes

Info

Publication number: DE69631936T2
Application number: DE69631936T
Authority: DE
Inventors: Herman H. Bloomington Viegas; Bradley G. Bloomington Ellingson; Michael A. Beachwood Aronov; Roger D. Wadsworth Sheridan
Original assignee: Thermo King Corp
Current assignee: Thermo King Corp
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: EP0774614B1; CA2190694A1; DE69631936D1; CA2190694C; US5921090A; EP0774614A1; US5598709A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen zum Verdampfen kryogener Flüssigkeiten und betrifft insbesondere eine kompakte Vorrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Kryogens und zum Überhitzen des resultierenden Dampfes auf eine Temperatur, die zum Entfrosten und/oder Erhitzen der Verdarmpferschlange eines mobilen kryogenen Kühlsystems nützlich ist.
Vorrichtungen zum Verdampfen eines flüssigen Kryogens und zum Überhitzen des resultierenden Dampfes sind im Stand der Technik bekannt. Solche Vorrichtungen können verwendet werden in kryogenen Kühlsystemen, bei denen eine kryogene Flüssigkeit in einer Verdampferschlange expandiert wird, um einen kondionierten Raum zu kühlen, der ein Lastwagen oder ein Anhänger einer Zugmaschine sein kann. In diesen Systemen sammeln sich unerwünschte Eisablagerungen von der umgebenden Feuchtigkeit an der äußeren Oberfläche der Verdampferschlange an. Ein kryogener Verdampfer und Überhitzer wird verwendet, um heiße Gase zu schaffen, die durch die Verdampferschlange zirkulieren, um unerwünschte Eisablagerungen zu schmelzen. Solche Vorrichtunngen weisen eine Verdampferschlange auf, die aus einer Vielzahl von Windungen von Metallrohren gebildet sind, die durch die umgebende Luft erhitzt werden, um das flüssige Kryogen zu einem Gas zu verdampfen. Der Auslass der Verdampferschlange ist verbunden mit dem Einlass einer Überhitzungsschlange, die in gleicher Weise durch Windungen aus Metallrohr gebildet ist. Die Windungen der Verdampfer- und Überhitzungsschlangen werden konvektiv erhitzt durch die Verbrennungs gase einer Wärmequelle vom Verbrennungstyp, wie beispielsweise einem Propanbrenner. Der Einlass der Verdampferschlange ist mittels eines Modenventils mit der Quelle des flüssigen Kryogens verbunden, das in dem Kühlsystem verwendet wird, welches flüssiges Kohlendioxidflüssiger Stickstoff oder dergleichen sein kann. Der Auslass der Überhitzungsschlange kann seinerseits mit der Verdampferschlange des kryogenen Kühlsystems verbunden sein, um entweder die Verdampferschlange zu entfrosten oder diese zu erhitzen, wenn es erwünscht ist, den konditionierten Raum zu erwärmen.
Wenn im Betrieb der Entfrostungs- oder Heizzyklus des Kühlsystems aktiviert wird, wird flüssiges Kryogen zu der Verdampferschlange zugeführt, während umgebende Luft um die Windungen der Schlange herum zirkuliert. Die sich ergebende konvektive Wärmeübertragung veranlasst das in die Verdampferschlange eintretende flüssige Kryogen zu kochen und zu verdampfen, so dass es die Auslassleitung dieser Schlange in einem gasförmigen Zustand verlässt. Das gasförmige Kryogen fließt dann. zu der Überhitzungsschlange, wo eine weitere konvektive Wärmeübertragung durch den Kontakt der heißen Verbrennungsgase des Propanbrenners an der äußeren Oberfläche der Überhitzungsschlange bewirkt wird. Zu der Zeit, zu der das gasförmige Kryogen die Überhitzungsschlange verlässt, hat es eine Temperatur, die ausreichend hoch ist, um die gewünschte Wärmemenge zum Entfrosten oder zum Heizen der Verdampferschlange des Kühlsystems zu liefern. Verschiedene Strömungssteuerventile in dem System isolieren die Verdampferschlange von dem flüssigen Kryogen, während das überhitzte Gas in die Schlange geleitet wird. Nachdem eine ausreichende Menge von überhitztem Gas durch das Innere der Verdampferschlange zirkuliert worden ist, um die unerwünschten Eisablagerungen an ihrer Oberfläche zu schmelzen, oder um den konditionierten Raum auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, werden die Stellungen der Ventile in dem System geändert, und der Propanbrenner wird bis zu dem nächsten Entfrostungs- oder Erwärmungszyklus abgeschaltet.
Während solche Verdampfungs- und Üerhitzungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik sich allgemein für den beabsichtigten Zweck als effektiv erwiesen haben, haben die Anmelder zwei wesentliche Nachteile in der Konstruktion dieser Vorrichtungen beobachtet, die deren Effektivität bedeutend beeinträchtigen.
Zunächst kann unter bestimmten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungn sich eine Schicht von Feuchtigkeit oder Eis, gebildet aus der umgebenden Feuchtigkeit, sich an der Oberfläche der Verdampferschlange aufbauen. Die sich ergebende Feuchtigkeitsschicht kann ernsthaft die Übertragung weiterer Umgebungswärme auf das flüssige Kryogen stören, wodurch flüssiges Kryogen veranlasst wird, in die Üerhitzungsschlange einzutreten. Intuitiv würde es scheinen, dass das Aussetzen der Windungen der Überhitzungsschlange gegenüber den Flammen des Propanbrenners irgendwelches flüssiges Kryogen effektiv verdampfen und überhitzen würde, das von der Verdampferschlange herübergespült wird. Da jedoch Wasser ein Nebenprodukt der Verbrennung der meisten fossilen Brennstoffe ist, wenn solche Wasser enthaltenden Verbrennungsgase in Berührung mit einer Schlange kommen, die eine kryogene Flüssigkeit enthält, ist die Temperatur der kryogenen Flüssikeit niedrig genug (zum Beispiel – 53,8° C (- 65 °F) im Falle von flüssigem Kohlendioxid), um die Bildung einer Schicht aus Eis und Wasser an der Oberfläche der Schlange zu verursachen. Die Gegenwart dieses dynamischen Films von Wasser und Eis beeinträchtigt ernsthaft die Wirksamkeit des Wärmetauschs zwischen den Verbrennungsgasen und der Oberfläche der Metallrohre, die die Verdampferschlange bilden. Über eine Zeitperiode verschlechtert sich das Problem allmählich und resultiert in einem Übertrag von flüssigem CO₂ von dem Verdampfer zu dem Überhitzer und schließlich zu der Verdampferschlange, wodurch der gesamte Heiz/Entfrostungsbetrieb unwirksam gemacht wird.
Zum Zweiten haben die Anmelder beobachtet, dass die Konfiguration der Verdampfer- und Überhitzungsschlangen bei solchen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik einen beträchtlichen Volumenbetrag erfordert. Dies ist ein besonders nachteiliges Merkmal im Kontext eines kryogenen Kühlsystems, das auf einem Lastwagen oder einem anderen Fahrzeug verwendet wird, wo ein hoher Grad von Kompaktheit erwünscht ist, um die Kosteneffizienz des Systems zu maximieren.
Es besteht also klar ein Bedarf für eine verbesserte Vorrichtung zum Verdampfen und Überhitzen einer kryogenen Flüssigkeit, die einen hohen Grad von Wärmeübertragungswirksamkeit realisiert. Darüberhinaus wäre es wünschenswert, wenn eine solche Vorrichtung kompakt konstruiert und in dem begrenzten Raum installiert werden könnte, der in einem mobilen kryogenen Kühlsystem zur Verfügung steht, um so die Kosteneffizienz des Systems zu maximieren.
Es wird Bezug genommen auf das nächstliegende Dokument zum Stand der Technik US-A-3 171 389, in dem ein Erhitzer zum Vergasen kalter Flüssigkeiten offenbart ist, wie zum Beispiel verflüssigtes Methan oder andere Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Molekulargewicht, der eine Vielzahl von Rohren aufweist, die wesentlich voneinander beabstandet sind und in einem hohen, hohlen, lotrechten Zylinder angeordnet sind, wobei wenigstens ein Hochtemperaturbrenner eine Flamme und heiße Gase zentral und axial in den hohlen Zylinder hinein richtet, um Wärme an die Rohre primär durch Strahlung zu übertragen, wobei jedes der Rohre eine Rippenstruktur aufweist, die aus Nabengliedern zusammengesetzt ist, die direkt auf das Rohr montiert sind und nach außen vorragende L-förmige Verlängerungen haben, die äußere Flanschglieder aufweisen, die eng zueinander vorragen, um eine äußere zylindrische Abschirmung für das Rohr und wärmeleitende Stege zu bilden, die zwischen den Nabengliedern und den Flanschgliedern angeschlossen sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist sowohl eine Vorrichtung als auch ein Verfahren zum Verdampfen eines flüssigen Kryogens und zum Überhitzen des sich ergebenden Dampfes, die alle die zuvor erwähnten Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, überwindet. Die Vorrichtung weist eine Wärmequelle vom Verbrennungstyp auf, wie beispielsweise einen Propanheizer, die Wasser enthaltende Verbrennungsgase erzeugt; eine Verdampferschlange hat eine Einlassleitung zur Aufnahme einer Strömung von flüssigem Kryogen, wie beispielsweise flüssiges CO₂, und eine Auslassleitung zum Austreiben von verdampften Kryogen, und eine Ummantelung, die die Verdampferschlange in einer engen, aber beabstandeten Beziehung umgibt, um die Verdampferschlange von den Wasser enthaltenden Verbrennungsgasen der Wärmequelle zu isolieren, während effektiv Wärme von den Gasen auf die Schlange durch thermische Strahlung übertragen wird. Da Verbrennungsgase nicht direkt die äußere Oberfläche der Verdampferschlange berühren, hat verdampftes Wasser, das innerhalb der Verbrennungsgase enthalten ist, nicht die Möglichkeit, eine isolierende Schicht von Wasser und Eis an der äußeren Oberfläche der Schlange zu bilden.
Um die thermische Absorption der Verdampferschlange zu maximieren, sind die äußeren Oberflächen der Verdampferschlange vorzugsweise dunkel eingefärbt. Um die Wärmeübertragung weiter zu verbessern, ist die Verdampfersehlange vorzugsweise wendelförmig gestaltet, während die umgebende Ummantelung vorzugsweise eine rohrförmige Gestalt hat, so dass die Bereiche der Wärmeübertragung innerhalb der Raumbeschränkungen des Systems maximiert werden. Die umgebende Ummantelung ist eng beabstandet von der Verdampferschlange, aber sie berührt diese nicht. Sowohl die Verdampferschlange als auch die Ummantelung sind vorzugsweise innerhalb eines wärmeisolierten Gehäuses enthalten, um Wärmeverluste zu vermindern. Schließlich umfasst das Gehäuse vorzugsweise eine Wand zum Richten einer Strömung von heißen Verbrennungsgasen von der Wärmequelle sowohl auf die inneren als auch auf die äußeren Oberflächen der Ummantelung, so dass ein großer Prozentsatz des Bereichs der Verdampferschlange gleichzeitig durch thermische Strahlung beaufschlagt wird.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Überhitzungsschlange auf, die in Reihe an die Auslassleitung der Verdampferschlange angeschlossen ist und die wendelförmig um eine Ummantelung herum gestaltet ist, das die Verdampferschlange umschließt. Das Gehäuse weist vorzugsweise eine Wand zum Richten von Verbrennungsgasen von der Wärmequelle direkt auf die äußere Oberfläche der Überhitzungsschlange auf, so dass die Wärmeübertragung mittels Konvektion stattfindet. Die Verdampferschlange ist so gestaltet, dass sie das gesamte flüssige CO₂ vollständig zum Kochen bringt und es auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser erhitzt, bevor es aus der Verdampferschlange austritt. Eine solche Gastemperatur gestattet es der Überhitzungsschlange, direkt durch Verbrennungsgase erhitzt zu werden, da keine Gefahr besteht, dass das verdampfte Gas, das in die Überhitzungsschlange eintritt, eine örtliche Kondensation oder ein Frieren der Wasser enthaltenden Verbrennungsgase an der Oberfläche der Schlange verursacht. Die Steuereinrichtung für die Wärmequelle steuert die Strömung des Kryogens derart, dass die maximale Temperatur des CO₂, das in den Übergang zwischen den rostfreien Stahlrohren, die die Überhitzungsschlange bilden, und die Kupferrohre, die die Verdampferschlange bilden, eintritt, nicht höher ist als 260° C (500° F). Dies ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, da Temperaturen oberhalb 260° C (500° F) die Stärke der Kupferrohre und der Lötverbindungen an dieser Stelle des Systems beeinträchtigen können.
Eine zweite Überhitzungsschlange kann in der Vorrichtung vorgesehen sein, um die Erzeugung größerer Volumen von überhitztem Gas durch Wiedererhitzen des CO₂ zu ermöglichen, nachdem dieses aus der ersten Verdampferschlange austritt. Um Raum innerhalb des Gehäuses einzusparen, ist eine solche zweite Überhitzungsschlange wendelförmig in einer mit der ersten Überhitzungsschlange verwundenen Konfiguration gestaltet. Eine solche miteinander verwundene Konfiguration stellt auch sicher, dass das CO₂ in beiden Überhitzungsschlangen im Wesentlichen auf die gleiche Temperatur erhitzt wird. Zusätzlich vermindert das Wiedererhitzen des CO₂-Gases, das aus der ersten Verdampferschlange austritt, durch die zweite Überhitzungsschlange in vorteilhafter Weise die Menge des Kryogens, das bei den Entfrostungs- oder Erwärmungsvorgängen verwendet wird.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Verdampfen eines flüssigen Kryogens mittels einer Wärmequelle vom Verbrennungstyp, die Wasser enthaltende Verbrennungsgase erzeugt. Das Verfahren der Erfindung weist auf die Schritte des Einlassens eines Stromes von flüssigem Kryogen in eine Verdampferschlange, des Bereitstellens einer Ummantelung, die die Verdampferschlange vollständig in einer dicht beabstandeten Beziehung umgibt, und dann des Leitens der Verbrennungsgase von der Wärmequelle an die äußeren Oberflächen der Ummantelung, so dass die Ummantelung sich aufwärmt und thermische Strahlung auf die äußeren Oberflächen der Verdampferschlange richtet.
Die Erfindung schafft eine kompakte Vorrichtung zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit und zum Überhitzen des resultierenden Dampfes. Sie ist besonders gut geeignet zur Verwendung in mobilen kryogenen Kühlsystemen zum Entfrosten der kryogenen Verdampferschlange, die einen konditionierten Raum kühlt, und auch zum Erwärmen des konditionierten Raumes.
Kurze Beschreibung der mehreren Figuren
1 ist ein schematisches Diagramm eines kryogenen Kühlsystems, das die Verdampfer- und Überhitzer-Vorrichtung der Erfindung enthält, und
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Verdampfer- und Überhitzer-Vorrichtung der Erfindung, die u.a. eine kompakte Konfiguration der Verdampferschlange und wendelförmig damit verwundene Überhitzungsschlangen veranschaulicht.
Detailbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Unter Bezugnahme nun auf 1, wobei gleiche Zahlen gleiche Komponenten in beiden Figuren bezeichnen, ist die kryogene Verdampfer- und Überhitzungs-Vorrichtung 1 besonders geeignet zur Verwendung innerhalb eines kryogenen Kühlsystems 3 zur Umwandlung eines flüssigen Kryogens, wie beispielsweise flüssiges CO₂ oder flüssigen Stickstoff, in ein heißes Gas, das geeignet ist zur Durchführung von Entfrostungs- und Raumheizungsfunktionen.
Während die prinzipielle Funktion des kryogenen Kühlsystems 3 darin besteht, einen konditionierten Raum zu kühlen, kann es auch einen solchen Raum mittels der kryogenen Verdampfer- und Überhitzungs-Vorrichtung 1 der Erfindung erwärmen. Um ein besseres Verständnis der Funktion der Erfindung im Kontext eines solchen Kühlsystems zu erleichtern, werden Beschreibungen sowohl des Kühlkreislaufs als auch des Heizkreislaufs des Systems 1 gegeben. Diese Kreisläufe sind auch in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/501 372, eingereicht am 12. Juli 1995 und auf die Thermo King Corporation übertragen, beschrieben, wobei die gesamte Beschreibung davon hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Der Kühlkreislauf des Systems 1 beginnt mit einer Flüssigkeitszufuhrleitung 9 zum Entnehmen von flüssigem Kryogen 5 aus dem isolierten Tank 6. Die Strömung des Kryogens durch die Leitung 9 wird moduliert durch ein elektronisches Expansionsventil 10, das seinerseits durch einen Mikroprozessor 116 gesteuert wird, der Teil einer Temperatursteuerung 113 bildet. Die Flüssigkeitszuführleitung 9 ist mit einer Einlassleitung 11 verbunden, die flüssiges Kryogen in eine erste Verdampferschlange 12 einführt, die auch als Erhitzungsschlange dienen kann, wenn das System 1 in einen Heiz-Betriebsmodus geschaltet wird. Ein Modenventil 13, das in der Einlassleitung 11 angeordnet ist, steuert die Strömung des flüssigen Kryogens in die Verdampferschlange 12 und ist normalerweise während des Kühlmodus des Systems 1 offen. Expandierendes Kryogen, das aus der ersten Verdampferschlange 12 austritt, wird aus einer Auslassleitung 14 in ein Dreiwegeventil 15 ausgelassen. Das Dreiwegeventil 15 hat sowohl einen Kühlauslass 17 als auch einen Heizauslass 19, abhängig von dem Betriebsmodus des Systems 1. In dem Kühlmodus des Betriebs richtet das Dreiwegeventil 15 sämtliches expandierendes Kryogen, das es von der ersten Verdampferschlange 12 enthält, durch einen Kühlauslass 17 und von dort in die Einlassleitung 21 der zweiten Verdampferschlange 23. Wie die erste Verdampferschlange 12 kann die zweite Verdampferschlange 23 auch als Erhitzungsschlange während des Heizmodus des Systems 1 verwendet werden. Weil der Heizauslass 19 während des Kühlmodus des Betriebs vollständig abgeschaltet ist, wird praktisch nichts von dem expandierenden Kryogen rückwärts durch die Leitung 21 in die kryogene Verdampfer- und Überhitzungsvorrichtung 1 strömen. Expandiertes Kryogen (das sich jetzt in einem vollständig gasförmigen Zustand befindet) tritt aus der Auslassleitung 25 der zweiten Verdampferschlange 23 aus. Die Leitung 25 enthält ein Rückdruck-Regulierventil 27, das über ein Steuersystem (nicht gezeigt) moduliert wird, um einen ausreichenden Rückdruck (oberhalb von 5,52 bar = 80 psia) in der Leitung aufrecht zu erhalten, um sicher zu stellen, dass das Kryogen in einem vollständig flüssigen Zustand verbleibt. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, wenn flüssiges CO₂ als Kryogen verwendet wird, da CO₂ in allen drei Phasen (d.h. fest, flüssig und gasförmig) unter gewissen Termperatur- und Druckbedingungen koexisitieren kann. Nach dem Durchgang durch das Rückdruck-Regulierventil 27 tritt das gasförmige Kryogen in den Motor/Wandler 31 über die Motoreinlassleitung 30 ein.
Der Heizkreis des Systems 3 beginnt mit der Kryogenleitung 42, die einen Einlass hat, der mit der Zuführleitung 9 für das flüssige Kryogen verbunden ist, sowie einen Auslass, der mit einer Einlassleitung 44 verbunden ist, die in die Verdampfer- und Überhitzungs-Vorrichtung 3 der Erfindung führt. Ein Modenventil 46 ist zwischen der Einlassleitung 44 und der Kryogenleitung 42 angeordnet, um Kryogen zu der Verdampfer- und Überhitzungs-Vorrichtung 1 zu leiten, wenn sich das System 3 in einem Heizmodus befindet, worauf das Ventil 13 ge-schlossen wird, um flüssiges Kryogen daran zu hindern, in die Verdampferschlangen 12, 23 zu strömen.
Die Verdampfer- und Überhitzungs-Vorrichtung 1 umfasst allgemein eine Verdampferschlangenanordnung 50 und eine Überhitzungsschlangenanordnung 51, die erste und zweite Überhitzungsschlangen 52 und 54 aufweist. Während die Schlangen 52 und 54 als strukturell voneinander getrennt in dem schematischen Diagramm der 1 gezeigt sind, um die Strömungsmuster des Kryogens durch die Vorrichtung 1 deutlicher anzugeben, sind diese Schlangen 52 und 54 tatsächlich wendelförmig miteinander in der Art verwunden, wie es in 2 dargestellt ist, um eine vorteilhafte Kompaktheit zu erreichen. Sowohl die Verdampferschlangenanordnung 50 als auch die Überhitzungsschlangenanordnung 51 sind innerhalb eines Gehäuses 56 enthalten, das seitliche, obere und untere isolierte Wände 58a, b, c hat. Die obere Wand 58b ist allgemein von kreisförmiger Gestalt und weist einen kreisförmigen Auslassausgang 60 um ihre Mitte herum auf. Die Bodenwand 58c ist in gleicher Weise kreisförmig und weist einen kreisförmigen Flammeneinlass 62 um ihre Mitte herum auf, um die Flammen eines Propanbrenners 64 aufzunehmen.
Der Propanbrenner 64 besteht aus einer Verbrennungsdüse 66, einem Gebläse 68 zum Zuführen von Luft zur Verbrennung und zum Richten von durch die Düse 66 erzeugten Flammen in den Einlass 62 des Gehäuses 56 sowie einen Propantank 70 auf, um die Düse 66 mit einer Strömung von Propan oder anderem fossilen Brennstoff zu versorgen. Eine Verbrennungsdüse 66 und der Propantank 70 sind mittels einer Brennstoffleitung 72 miteinander verbunden, die ihrerseits ein Regelventil 74 zum Modulieren der Strömung des Propans zu der Düse 66 sowie auch ein Brennstoff-Abschaltventil 76 aufweist, um die Strömung von Brennstoff zu der Düse 66 vollständig zu unterbinden.
Unter Bezugnahme nun auf 2 weist die Verdampferschlangenanordung 50 eine wendelförmige Verdampferschlange 80 auf, die eine Einlassleitung 81 zur Aufnahme von flüssigem Kryogen von der Leitung 44 und eine Auslassleitung 82 zum Abgeben von verdampftem Kryogen in die Überhitzungsschlangenanordnung 51 aufweist. Zwischen den Einlass- und Auslassleitungen 81, 82 sind eine Vielzahl von wendelförmigen Windungen 84 verbunden, deren Funktion es ist, einen großen Oberflächenbereich zwischen dem durch die Schlange 80 strömenden Kryogen und darauf abgestrahlter Wärme zu schaffen.
Eine rohrförmige Ummantelung 86 umgibt die Verdampferschlange 80, um einen direkten Kontakt zwischen den durch den Propanbrenner 64 erzeugten Flammen und der äußeren Oberfläche der wendelförmigen Windungen 84 zu verhindern. Die Ummantelung 86 dient auch dazu, Konvektionswärme, die auf ihre äußere Oberfläche durch die Flammen und die Verbrennungsgase des Brenners 64 aufgebracht wird, in Strahlungswärme umzuwandeln, die durch die wendelförmigen Windungen 84 absorbiert wird. Zu diesem Zweck ist die Ummantelung 86 aus zylindrischen inneren und äußeren Wänden 88, 90 gebildet. Die ringförmigen Spalte zwischen den oberen und unteren Enden der Ummantelung 86 sind durch eine ringförmige Abdeckwand 92 und eine ringförmige untere Wand 94, wie gezeigt, abgedeckt. Diese Wände 92, 94 sind in gleicher Weise vorzugsweise aus rostfreiem Stahlblech-Material gebildet. Um die Wirksamkeit der Strahlungswärmeübertragung zwischen der Ummantelung 86 und den Verdampferwindungen 84 zu maximieren, ist die äußere Oberfläche der wendelförmigen Windungen 84 der Verdampferschlange 80 schwarz eingefärbt, entweder durch die Elektroablagerung eines schwarzen Oxids, durch gegen Wärme widerstandsfähige Bemalung oder durch Wärmebehandlung der äußeren Oberfläche. Vorzugsweise sind die inneren Oberflächen der Ummantelungswände dicht beabstandet zu den äußeren Oberflächen der Schlangenwindungen 84, berühren diese aber nicht. Eine Berührung zwischen diesen Wänden würde die Wände der Ummantelung 86 veranlassen, die kryogenen Temperaturen nahe des Einlassendes der Schlange 80 anzunehmen, was wiederum unerwünschte wärmeisolierende Eis- und Wasserablagerung um die äußere Oberfläche der zylindrischen inneren Wand 88 herum schaffen könnte. Um die Wirksamkeit des Strahlungswärmeaustauschs zwischen der rostfreien Stahlummantelung 86 und den äußeren Oberflächen der Verdampferschlangenwindungen 84 zu maximieren, könnte der Abstand zwischen diesen Komponenten recht eng sein. Demgemäß sollten bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel diese Wände von den Windungen 84 nicht mehr als etwa die Hälfte des Durchmessers der Windungen 84 an ihren dichtesten Punkten beabstandet sein. Um sicherzustellen, dass eine gewisse Strahlungswärmeübertragung an allen Punkten um jede Windung 84 herum stattfindet, sollten die Windungen 84 voneinander unter einem Abstand von wenigstens einer Hälfte des Durchmessers der Rohre beabstandet sein, die die Spulenwindungen 84 bilden.
Die Verdampfer- und Überhitzungsvorrichtung 1 der Erfindung umfasst ferner eine zylindrische Führungswand 96 für die Verbrennungsgase, die die Ummantelung 86 umgibt und die durch eine kreisförmige obere Flammenführungswand 98 abgedeckt ist, die in gleicher Weise von der ringförmigen Abdeckwand 92 der Ummantelung 86 beabstandet ist. Abstandsglieder 100a bis d, die aus kleinen Abschnitten von rostfreiem Stahlrohr gebildet sein können, sind zwischen den äußeren Wänden der Ummantelung 86 und der inneren Oberfläche der zylindrischen Flammenführungswand 96 angeordnet, um sowohl einen geeigneten Abstand aufrecht zu erhalten als auch eine Abstützung für die Verdampferschlangenanordnung 50 zu bieten. Der Abstand zwischen der Ummantelung 86 und der inneren Oberfläche der zylindrischen Flammenführungswand 96 definiert eine innere ringförmige Kammer, während der Spalt zwischen der oberen Flammenführungswand 98 und der ringförmigen Abdeckwand 92 der Ummantelung 86 einen ringförmigen Spalt 101 definiert, der heiße Verbrennungsgase in die Kammer 99 einlässt. Die heißen Verbrennungsgase, die nach unten durch die obere Flammenführungswand 98 in die innere ringförmige Kammer 99 mittels des ringförmigen Spalts 101 abgelenkt werden, erwärmen die zylindrische äußere Wand 90 der Ummantelung 86 wirksam, so dass sowohl die inneren als auch die äußeren Wände 88, 90 der Ummantelung 86 wirksam arbeiten, um Strahlungswärme zu erzeugen und an die äußeren Oberflächen der Verdampferschlangen 84 zu übertragen.
Die untere Kante der zylindrischen Flammenführungswand 96 erstreckt sich an ihrem unteren Abschnitt nicht vollständig bündig bis zu der unteren Wand 94, sondern ist statt dessen, wie gezeigt, beabstandet, um noch einen weiteren ringförmigen Spalt 102 zu bilden. Dieser Spalt 102 dient dazu, heiße Verbrennungsgase, die aus der inneren Kammer 99 austreten, in eine äußere ringförmige Kammer 104 zu leiten, die zwischen der äußeren Wand der zylindrischen Flammenführungswand 96 und der inneren Oberfläche der Gehäuseseitenwand 58a gebildet ist, wo die Überhitzungsschlangenanordnung 51 angeordnet ist. Diese heißen Verbrennungsgase strömen durch die wendelförmig miteinander verwundenen, ersten und zweiten Überhitzungsschlangen 52, 54, so dass die Wärme konvektiv zwischen diesen Gasen und dem verdampften Kryogen ausgetauscht wird, das durch diese Schlangen strömt. Um die Wärmeübertragung zu verbessern, ist jede der Überhitzungsschlangen 52, 54 mit Lamellen versehen, wie es in 2 gezeigt ist. Nach dem vollständigen Strömen durch die äußere ringförmige Kammer 104 treten die Verbrennungsgase aus dem Gehäuse 56 durch den Abgasauslass 60 aus.
Die Auslassleitung 82 der Verdampferschlange 80 ist mit einer Einlassöffnung 106 der ersten Überhitzungsschlange 52 verbunden. Die Überhitzungsschlange 52 endet in einer Auslassleitung 108, die ihrerseits mit der Einlassleitung 11 der ersten Verdampferschlange 12 verbunden ist. Der Heizauslass 19 des Dreiwegeventils 15 ist mit einer Einlassleitung 110 der zweiten Überhitzungsschlange 54 verbunden. Die zweite Überhitzungsschlange 54 endet in einer Auslassleitung 112, die ihrereseits mit der Einlassleitung 21 der zweiten Verdampferschlange 23 verbunden ist.
Unter Bezugnahme wiederum auf 1 ist eine Temperatursteuerung 113 vorgesehen, um die Temperatur der kryogenen Gase zu steuern, die aus der Verdampferschlangenanordnung 50 und den ersten und zweiten Überhitzungsschlangen 52, 54 austreten. Die Temperatursteuerung 113 weist eine Temperatursonde 114A auf, die an der Auslassleitung 108 der ersten Überhitzungsschlange 52 oder alternativ bei 114B an der Einlassleitung 106 der ersten Überhitzungsschlange 52 angeordnet ist. In jedem Fall ist die Sonde 114A oder B mit einem Einlass eines Mikroprozessors 116 über eine elektrische Leitung 118 verbunden. Der Ausgang des Mikroprozessors 116 ist seinerseits mit dem Propan-Abschaltventil 76 und mit dem elektronischen Expansionsventil 10 verbunden.
Wenn das Kühlsystem 3 im Heizmodus betrieben wird, öffnet der Mikroprozessor das Abschaltventil 76 und der Propanbrenner 64 wird gezündet. Die CO₂-Kryogen-Strömungsrate wird gesteuert mittels des durch den Mikroprozessor gesteuerten elektronischen Expansionsventils 10, um es der Ummantelung 86 aus rostfreiem Stahl, die die Verdampferspule 80 umgibt, zu gestatten, sich auf eine Temperatur aufzuwärmen, die ausreichend ist, um flüssiges Kryogen zu verdampfen und dessen Temperatur über den Gefrierpunkt von Wasser anzuheben. Als nächstes wird flüssigen Kryogen von der Leitung 44 in die Einlassleitung 81 der Verdampferschlange 80 eingeführt. Das resultierende verdampfte Kryogen tritt aus der Auslassleitung 82 aus, wo es in den Einlass 106 der ersten Überhitzungsschlange 52 eingeführt wird. An dieser Verbindung in der Verdampfer- und Überhitzungs-Vorrichtung 1, wenn die Temperatursonde 114B verwendet wird, misst die Sonde 114B die Temperatur des gasförmigen Kryogens, das aus der Verdampferschlange 80 austritt. Der Mikroprozessor 116 der Temperatursteuerung 113 regelt das elektronische Expansionsventil 10 so, dass die Temperatur des austretenden kryogenen Gases an dem Auslass 106 0,55°C (33°F) ist. Weil die Temperatur des Gases an diesem Punkt in der Vorrichtung 1 oberhalb des Gefrierpunkts ist, kann sie nicht die Bildung dynamischer Filme von Wasser und Eis an der Überhitzungsschlange 52 verursachen. Demgemäß können sowohl die erste als auch die zweite Überhitzungsschlange 52, 54 konvektiv erwärmt werden, ohne Bedarf für eine Ummantelung wie diejenige, die die Verdampferschlange 80 umgibt.
Bei dem bevorzugten Modus der Betriebsvorrichtung 1 wird die Temperatursonde 114A verwendet. Die Sonde 114A misst die Temperatur des kryogenisch erzeugten Gases, das aus der ersten Überhitzungsschlange 52 austritt, und der Mikroprozessor 116 der Temperatursteuerung 113 regelt das elektronische Expansionsventil 10 so, dass die Temperatur der Auslassleitung 108 etwa 260°C (500°F) ist. Dieses Gas wird in die erste Verdampferschlange 12 in der zuvor beschriebenen Weise eingeleitet, um entweder unerwünschte Eisablagerungen von der Außenseite der Verdampferschlange 12 abzutauen, oder um den konditionierten Raum zu erwärmen. Während es möglich wäre, die Vorrichtung 1 so zu betreiben, dass die Temperatur des überhitzten Gases gut oberhalb von 260°C (500°F) liegt, könnte das Aussetzen der aus Kupfer geformten Verdampferschlangen und der Lötverbindungen 12, 23 gegenüber Temperaturen von oberhalb 260°C (500°F) eine unerwünschte Schwächung des Metalls verursachen, das diese Komponenten bildet. Demgemäß wird sowohl die Länge der Überhitzungsschlange 52 als auch der Betrieb des elektronischen Expansionsventils 10 so gesteuert, dass die Temperatur des Gases, das aus der Auslassleitung 108 austritt, nicht höher ist als etwa 260°C (500°F). Eine zweite Überhitzungsschlange 54 ist mit dem Auslass der ersten Schlange 52 über die Verdampferschlange 12 und das Dreiwegeventil 15 verbunden und ist wendelförmig mit der ersten Überhitzungsschlange 52 verwunden. Abgekühltes Gas, das aus der ersten Verdampferschlange 12 austritt, hat einen ausreichenden Druck, um durch die zweite Überhitzungsschlange 54 rezirkuliert und wieder auf etwa 260°C (500°F) erwärmt zu werden, wo es dann durch die zweite Verdampferschlange 23 zirkuliert wird. Eine solche Rezirkulation geht wirtschaftlich mit der Menge des Kryogens um, dass in dem Heizzyklus verwendet wird, ein kritischer Faktor in mobilen Anwendungen, wo die Menge von Kryogen begrenzt ist. Die Überhitzungsschlangen 52, 54 haben die gleiche Länge und sind wendelförmig miteinander verwunden, um sicher zu stellen, dass das Gas in jeder davon auf im Wesentlichen die gleiche Temperatur erwärmt wird. Die wendelförmige Verwindung der ersten und zweiten Überhitzungsschlangen 52, 54 in Kombination mit der konzentrischen Anordnung dieser Schlangen um die Verdampferschlangenanordnung 50 herum und der kompakte, kurvenreiche Weg der Verbrennungsgase, der durch die zylindrischen und oberen Flammenführungswände 96, 98 definiert ist, gestattet es der Vorrichtung 1, wirksam einen Entfrostungs- und Heizmodus des Betriebs in dem System 3 mit nur minimalen Raumanforderungen zu implementieren.

Claims

Vorrichtung zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit (5) und zum Überhitzen des resultierenden Dampfes, mit: – einer Wärmequelle (64) vom Verbrennungstyp, die Wasser enthaltende Verbrennungsgase erzeugt; – einer Verdampferschlangen-Einrichtung (80), die eine Einlassleitung (81) zur Aufnahme einer Strömung einer kryogenen Flüssigkeit und eine Auslassleitung (82) zum Abgeben von verdampftem Kryogen hat, und – einer Ummantelungseinrichtung (86) in thermischem Kontakt mit der Wärmequelle (64); dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelungseinrichtung (86) so angeordnet ist, dass sie die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) von den Wasser enthaltenden Verbrennungsgasen physikalisch trennt und isoliert, während Wärme von den Gasen zu der Schlangeneinrichtung (80) im Wesentlichen durch thermische Strahlung übertragen wird, wobei die physikalische Trennung und Isolierung die Bildung von Kondensat oder Eis an der Außenseite der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schlangeneinrichtung (80) dunkel gefärbt ist, um die Absorption thermischer Strahlung von der Ummantelungseinrichtung (86) zu erleichtern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Schlangeneinrichtung (80) schwarz eingefärbt ist, um die Absorption thermischer Energie von der Ummantelungseinrichtung (86) zu maximieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schlangeneinrichtung (80) eine Vielzahl von Schlangenwindungen (84) aufweist, um sowohl eine Strömung von Kryogen zu leiten als auch Wärme an das Kryogen zu übertragen, und wobei die Ummantelungseinrichtung (86) die Schlangenwindungen (84) vollständig abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Schlangenwindungen (84) ringförmig angeordnet sind und die Ummantelungseinrichtung (86) in gleicher Weise ringförmig um die Schlangenwindungen (84) herum angeordnet ist, um Strahlungswärme sowohl an die Innenseiten als auch an die Außenseiten der Schlangenwindungen (84) zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) aufweist, die in Reihe mit der Auslassleitung (82) der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) und in thermischem Kontakt mit der Wärmequelle (64) angeschlossen ist, um das verdampfte Kryogen zu überhitzen, das durch die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) abgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Temperatursteuer-Einrichtung (113) aufweist, einschließlich einer Ventileinrichtung (10), zum Regeln eines Stroms von Kryogen durch die Verdampferschlangen-Einrichtung (80), zum Steuern der Temperatur des Kryogens, das von der Auslassleitung (82) abgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Temperatursteuer-Einrichtung (113) die Ventileinrichtung (10) derart steuert, dass die Temperatur der kryogenen Gase, die durch die Auslassleitung (82) der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) abgegeben werden, oberhalb von 0,55 °C ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der durch die Vorrichtung erzeugtes überhitztes Gas zu einer aus Kupfer gebildeten Verdampferschlangen-Einrichtung (12) geleitet wird, und wobei die Temperatursteuer-Einrichtung (113) die Ventileinrichtung (10) derart steuert, dass die maximale Temperatur der Verdampferschlangen-Einrichtung (12) etwa 260 °C ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Gehäuseeinrichtung (56) zum Umschließen der Verdampferschlangen-Einrichtung (80), der Ummantelungseinrichtung (86) und der Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) aufweist, wobei die Gehäuseeinrichtung einen Einlass (62) zur Aufnahme von Verbrennungsgasen von der Wärmequelle und einen Auslass (60) zum Abblasen der Gase aufweist.
Vorrichtung zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit (5) und zum Überhitzen des resultierenden Dampfes, mit: – einer Wärmequelle (64) vom Verbrennungstyp, die Wasser enthaltende Verbrennungsgase erzeugt; – einer Verdampferschlangen-Einrichtung (80), die eine Einlassleitung (81) zur Aufnahme eines Stromes von flüssigem Kryogen, eine Auslassleitung (82) zum Abgeben von verdampftem Kryogen, und eine Vielzahl von Schlangenwindungen (84) zum Leiten eines Stroms von Kryogen hat, während Wärme daran übertragen wird; – einer Ummantelungseinrichtung (86), die die Schlangenwindungen (84) der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) umgibt, aber davon beabstandet ist, und die in thermischem Kontakt mit der Wärmequelle (64) ist, um die Schlangenwindungen (84) von den Wasser enthaltenden Verbrennungsgasen physikalisch zu trennen und zu isolieren, während Wärme von den Gasen an die Schlangenwindungen (84) durch thermische Strahlung übertragen wird, und – einer Gehäuseeinrichtung (56), die die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) und die Ummantelungseinrichtung (86) umschließt, um Wärmeverluste zu vermindern, mit einem Einlass (62) zur Aufnahme von Verbrennungsgasen und einem Auslass (60) zum Abblasen der Gase.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der sowohl die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) als auch die umgebende Ummantelungseinrichtung (86) ringförmige Gestalt haben, wobei die Ummantelungseinrichtung (86) eine innere Wand und eine äußere Wand hat, und wobei die Gehäuseeinrichtung (56) eine Wandeinrichtung (96, 98) zur Flammenführung aufweist, um Verbrennungsgase sowohl an die inneren als auch an die äußeren Wände (88, 90) der Ummantelungseinrichtung (86) zu leiten, um die Übertragung von Strahlungswärme an die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) zu verbessern.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner wenigstens eine mit Lamellen versehene Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) aufweist, die mit der Auslassleitung (82) der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) verbunden ist, um das daraus abgegebene verdampfte Kryogen zu überhitzen, wobei die Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) die Ummantelungseinrichtung (86) umgibt, aber davon beabstandet ist, und in der Gehäuseeinrichtung (56) enthalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Gehäuseeinrichtung (56) Wandeinrichtungen (96, 98) zur Flammenführung aufweist, die dazu dienen, Verbrennungsgase direkt in Berührung mit der Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Flammenführungswand-Einrichtung (96, 98), die Verbrennungsgase direkt sowohl zu den inneren als auch zu den äußeren Wänden (88, 90) der Ummantelungseinrichtung (86) führt, die gleiche Flammenführungswand-Einrichtung (96, 98) ist, die Verbrennungsgase direkt in Berührung mit der Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) führt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der äußere Oberflächen der Schlangenwindungen (84) dunkel gefärbt sind, um die Übertragung von Strahlungswärme zu verbessern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner eine Temperatursteuer-Einrichtung (113) aufweist einschließlich einer Ventileinrichtung (10) zum Regeln eines Stroms von Kryogen (5) durch die Verdampferschlangen-Einrichtung (80), um die Temperatur des Kryogens zu steuern, das von der Auslassleitung (82) abgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Temperatursteuer-Einrichtung (113) die Ventileinrichtung (10) derart steuert, dass die Temperatur der kryogenen Gase, die durch die Auslassleitung (82) der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) abgegeben werden, oberhalb von 0,55 °C ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der durch die Vorrichtung erzeugtes überhitztes Gas einer aus Kupfer gebildeten Verdampferschlangen-Einrichtung (12) zugeführt wird, und wobei die Steuereinrichtung (113) die Kryogen-Strömungsrate derart steuert, dass das in die Verdampferschlangen-Einrichtung (12) eintretende Gas nicht mehr als etwa 260 °C hat.
Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner eine zweite Überhitzungsschlangen-Einrichtung (54) aufweist, die mit einem Einlass (21) einer zweiten Verdampferschlange (23) verbunden ist, um die kryogenen Gase auf etwa 260 °C wieder aufzuheizen, wobei die zweite Überhitzungsschlangen-Einrichtung (54) mit der ersten Überhitzungsschlangen-Einrichtung (52) schraubenförmig verwunden ist, um Raum innerhalb der Gehäuseeinrichtung (56) zu sparen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, mit einer zweiten Überhitzungsschlangen-Einrichtung (54) zum Vermindern des Verbrauchs von Kryogen während Heiz- und Entfrostungszyklen.
Verfahren zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit (5) mittels einer Wärmequelle (64) vom Verbrennungstyp, die Wasser enthaltende Verbrennungsgase erzeugt, mit den Schritten des Einlassens eines Stroms von flüssigem Kryogen in eine Verdampferschlangen-Einrichtung (80); – Bereitstellen einer Ummantelungseinrichtung (86), die die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) umgibt, aber von dieser beabstandet ist, um so die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) physikalisch zu isolieren, und – Leiten der Wasser enthaltenden Verbrennungsgase auf äußere Oberflächen der Ummantelungseinrichtung (86), so dass die Ummantelungseinrichtung (86) sich aufwärmt und thermische Strahlung auf äußere Oberflächen der Verdampferschlangen-Einrichtung (80) richtet, während die Verdampferschlangen-Einrichtung (80) physikalisch getrennt von den Gasen bleibt.