EP2515057A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines fluiden Mediums - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines fluiden Mediums Download PDF

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EP2515057A1
EP2515057A1 EP12162842A EP12162842A EP2515057A1 EP 2515057 A1 EP2515057 A1 EP 2515057A1 EP 12162842 A EP12162842 A EP 12162842A EP 12162842 A EP12162842 A EP 12162842A EP 2515057 A1 EP2515057 A1 EP 2515057A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
refrigerant
fluid medium
temperature
pressure
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EP12162842A
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English (en)
French (fr)
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EP2515057B1 (de
Inventor
Dr. Friedhelm Herzog
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer Group GmbH
Original Assignee
Messer Group GmbH
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Publication date
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Publication of EP2515057B1 publication Critical patent/EP2515057B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0064—Vaporizers, e.g. evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the temperature of a fluid medium by heat exchange with a condensed refrigerant in a heat exchanger, wherein the refrigerant is supplied in the liquid state to the heat exchanger and evaporated during the heat exchange with the fluid medium.
  • the invention further relates to a corresponding device.
  • Apparatus for cooling a gaseous or liquid medium (gaseous and liquid are hereinafter referred to as "fluid") with a condensed, but evaporating refrigerant, such as liquid nitrogen, are usually designed as countercurrent apparatuses.
  • the condensed refrigerant and from above the heat-introducing fluid medium is introduced into the apparatus from below. Due to the countercurrent principle, not only the latent cold (evaporation enthalpy) but also the sensitive cold content (overheating) of the refrigerant can be used well.
  • the refrigerant supply from below is procedurally sensible, otherwise there is a risk that in unfavorable operating conditions, the refrigerant flows through the apparatus partially unvaporized.
  • Object of the present invention is a method and an apparatus for controlling the temperature of a fluid medium by means of a condensed Specify refrigerant that allows a very accurate adjustment of the temperature of the fluid medium at the lowest possible temperatures.
  • the inventive method for controlling the temperature of a fluid medium of the type mentioned is therefore characterized in that the fluid medium is conducted in cocurrent with the refrigerant through the heat exchanger and the regulation of the temperature of the fluid medium by varying the pressure of the refrigerant in the heat exchanger ,
  • a liquid column of the refrigerant is maintained up to the level of a certain level (filling level).
  • condensed refrigerant is here a liquefied, but understood in the heat exchanger medium, such as a cryogenic liquefied gas, such as liquid nitrogen, liquid oxygen or a liquid noble gas. Due to the hydrostatic pressure of the liquid column, the evaporation temperature of the condensed refrigerant at the bottom of the heat exchanger is higher than at the surface of the liquid column marked by the level.
  • Both the refrigerant and the fluid medium are supplied to the heat exchanger from below; up to the level of the liquid column, the fluid medium is in heat exchange with the condensed refrigerant.
  • the pressure of the refrigerant in the heat exchanger measured at the upper end of the liquid column maintained in the heat exchanger of the refrigerant, preferably to a value between vacuum, ie a low absolute pressure value near 0, for example, a value between 0.001 and 0.1 bar, and 20 bar, more preferably to a value between ambient pressure (about 1 bar) and 10 bar varies. Since most tank systems are designed for a maximum permissible overpressure of 19 bar (g) and many supply systems operate in the range of a maximum of 10 bar (g), these pressures determine the limits of the design for the pressure variation in these cases. However, within the scope of the invention it is also conceivable to produce a negative pressure (p ⁇ 1 bar) over the liquid column by means of a suitable apparatus in order to reduce the temperature of the nitrogen to values below the evaporation temperature at ambient pressure.
  • the object of the invention is also achieved by a device for regulating the temperature of a fluid medium by heat exchange with a condensed refrigerant having the features of claim 4.
  • the device according to the invention comprises a heat exchanger, which is connected to a supply line for supplying a refrigerant in the liquid state, a discharge line for discharging vaporized refrigerant as well as to a supply line and a discharge line for a fluid medium.
  • the said lines are arranged on the heat exchanger, that the refrigerant and the fluid medium in the operation of the heat exchanger through them in cocurrent from bottom to top, ie the supply lines for the fluid medium and the condensed refrigerant flow into a lower portion of the heat exchanger in this a, while the discharge lines for the fluid medium and the evaporated refrigerant are provided in the upper portion of the heat exchanger.
  • a liquid column of the refrigerant is obtained in order to use the evaporation enthalpy of the refrigerant for heat transfer, ie, within the heat exchanger, the refrigerant is in the boiling state.
  • a device for regulating the pressure of the refrigerant in the heat exchanger which is operatively connected to a temperature sensor which is integrated in the discharge line for the fluid medium.
  • thermoelectric device for precooling of the fluid medium, a further heat exchanger upstream in the form of a superheater, in which the fluid before its delivery to the first heat exchanger with vaporized refrigerant the first heat exchanger comes into thermal contact.
  • first heat exchanger for precooling of the fluid medium
  • a further heat exchanger upstream in the form of a superheater in which the fluid before its delivery to the first heat exchanger with vaporized refrigerant the first heat exchanger comes into thermal contact.
  • the residual refrigeration of the vaporized refrigerant is used on the other hand, the temperature control is facilitated in the first heat exchanger, since the difference between the temperatures of the introduced into the first heat exchanger fluid and the condensed refrigerant is reduced.
  • the superheater (or precooler) is preferably designed as a countercurrent heat exchanger in order to ensure that the temperatures of the fluid medium to be cooled and of the coolant also extend in the same direction over the longitudinal extent of the superheater.
  • the superheater may otherwise be arranged horizontally, vertically or obliquely in space.
  • An advantageous development of the invention provides that in the discharge line for the vaporized refrigerant, a conveyor, such as a vacuum pump or a compressor for generating a negative pressure, that is a lying below the ambient pressure, is provided.
  • a conveyor such as a vacuum pump or a compressor for generating a negative pressure, that is a lying below the ambient pressure.
  • the temperature of the refrigerant can be further lowered, in the extreme case such that the temperature of the refrigerant at the upper end of the liquid column scarce above the melting temperature.
  • the temperature range available for the temperature control is thus significantly increased, for example, the range between minus 210 ° C and minus 196 ° C is included.
  • the gas compressed downstream of the compressor can be fed into a pipeline network and fed to a further use.
  • the apparatus 1 shown in the drawing is used to control the temperature of a guided in a circulation stream 2 fluid medium, for example, a noble gas, for example helium.
  • the fluid medium is used in a manner not of further interest here for cooling a likewise arranged in the circulation stream 2 apparatus 3.
  • inlet temperature the set temperature of the supplied fluid medium in the range between minus 210 ° C (the melting temperature of nitrogen) and a higher value, for example minus 180 ° C, is required.
  • the medium in the circulating stream 2 successively passes through the apparatus 3, a blower or a pump 3 for driving the circulation stream 2 and, via a feed line 5, a substantially vertically arranged heat exchanger 6, in which the temperature of the fluid medium on the required input temperature is brought.
  • the heat exchanger 6, which also represents the heart of the device 1, is a conventional heat exchanger, for example, a tubular heat exchanger in which the fluid medium flowing through the heat exchanger 6 from bottom to top in thermal contact with a refrigerant, in the embodiment nitrogen, is brought.
  • the nitrogen is brought from a not shown here tank in cryogenic liquefied state (LIN) via a - geodetically seen - lower portion of the heat exchanger 6 arranged supply line 7 and passes through the heat exchanger 6 also from bottom to top, ie in cocurrent to the fluid medium.
  • the fluid medium cools down and is pumped back to the apparatus 3 by the pump 4.
  • the liquid nitrogen evaporates during thermal contact with the fluid medium.
  • the feed of liquid nitrogen is adjusted so that forms a liquid column in the heat exchanger 6 to the level of a level 8.
  • the nitrogen leaves the heat exchanger 6 in gaseous form (GAN) via a discharge line 9 in the upper region of the heat exchanger 6-seen from a geodetic point of view.
  • the level of the level 8 also describes the point of minimum temperature in the heat exchanger 6; in the simplest case, the temperature of the nitrogen corresponds to the evaporation temperature at ambient pressure (1 bar). In the lower region of the heat exchanger 6, the evaporation temperature of the liquid nitrogen is higher than the evaporation temperature at the level 8 due to the hydrostatic pressure of the liquid column.
  • the temperatures of the fluid medium and of the nitrogen in the heat exchanger 6 are in the same direction as one another Passing through the heat exchanger 6 is cooled from bottom to top, at the same time decreases the temperature of the liquid nitrogen from the lower end of the heat exchanger 6 to the height of the level of the eighth
  • the temperature of the fluid medium can be controlled very precisely by means of the device 1.
  • a temperature sensor 10 is provided in the circulation stream 2, downstream of the heat exchanger 6, which determines the temperature of the fluid medium continuously or at predetermined time intervals and supplies a control unit 11.
  • the control unit 11 cooperates with a valve 12 for pressure control, which is arranged in the discharge line 9.
  • the control unit 11 determines, in accordance with an input program, from the temperature value of the fluid medium determined on the temperature sensor 10 the pressure value required for cooling the fluid medium to the intended temperature and adjusts it to the valve 12.
  • the temperature of the fluid medium can also be lowered to values below the evaporation temperature of the nitrogen at ambient pressure (1 bar).
  • a compressor 13 is provided in the discharge 9, by means of the discharge line 9 - and thus in the heat exchanger 6 - a negative pressure relative to the Ambient pressure at level 8 can be generated.
  • the evaporation temperature of nitrogen in the heat exchanger 6 is lowered, in the extreme case, the temperature can be lowered by lowering the pressure to just above the melting temperature and thereby the fluid medium in the heat exchanger 6 are cooled to correspondingly lower temperatures.
  • a further fitting 14 is provided for pressure control in this case (the valve 12 remains open in this case), which measured the supply of liquid nitrogen via the supply line 7 and thus the value of the negative pressure at level 8 in dependence on the temperature sensor 10 Temperature of the fluid medium regulates. If, according to the method described above, by means of the fitting 12, ie with pressure values which are equal to or greater than the ambient pressure, the fitting 14 remains open.
  • the compressed by the compressor 13 to, for example, 10 bar gas can then be supplied to a supply network for further use.
  • another device for generating a negative pressure in the discharge line 9 can just as well be provided, for example a vacuum pump.
  • the heat exchanger 6 is preceded by a pre-cooler or superheater 15 in the exemplary embodiment, in order to use the sensitive cold content of the gaseous nitrogen.
  • the medium heated in the apparatus 3 passes into thermal contact with the vaporized nitrogen from the outlet 9 of the heat exchanger 6 and is supplied to the heat exchanger 6 in the further course via the supply line 5.
  • the medium is cooled and brought the vaporized nitrogen to a temperature above its boiling temperature, ie superheated.
  • the medium passes through the superheater 15 in countercurrent to the nitrogen in order to ensure that the temperatures of medium and gaseous nitrogen along the superheater 15 are in the same direction.
  • the combination of heat exchanger 6 and superheater 15 enables a particularly efficient and energy-saving process management.
  • Fig. 1 shows both fittings 12, 14; in the context of the invention, it is of course also possible only the fitting 12, with the elimination of the fitting 14 and the compressor 13, provide; in this case is only a temperature control down to the ambient pressure corresponding evaporation temperature of the nitrogen possible. It is also possible, with the discontinuation of the fitting 12, only the fitting 14 and the pump 12 to provide. In this case, temperatures which are only below the evaporation temperature of the nitrogen at ambient pressure can be set as minimum temperatures.

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Abstract

Ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums mittels eines kondensierten Kältemittels, bei dem das fluides Medium in einem aufrecht stehenden Wärmetauscher (6) mit dem kondensierten Kältemittel in Wärmekontakt gebracht und dabei gekühlt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium im Gleichstrom durch den Wärmetauscher (6) geführt wird und die Regelung der Temperatur des fluiden Mediums durch Variation des Drucks des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher (6) erfolgt. Dadurch ist eine sehr genaue Einstellung der Temperatur des zu kühlenden Mediums möglich.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel in einem Wärmetauscher, wobei das Kältemittel im flüssigen Zustand dem Wärmetauscher zugeführt wird und beim Wärmetausch mit dem fluiden Medium verdampft. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Vorrichtung.
  • Apparate zur Kühlung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums (gasförmig und flüssig werden im Folgenden als "fluid" zusammengefasst) mit einem kondensierten, jedoch verdampfenden Kältemittel, wie etwa Flüssigstickstoff, werden in der Regel als Gegenstromapparate konzipiert. Dabei wird von unten das kondensierte Kältemittel und von oben das Wärme zuführende fluide Medium in den Apparat eingeleitet. Durch das Gegenstromprinzip lässt sich nicht nur die latente Kälte (Verdampfungsenthalpie) sondern zusätzlich auch der sensible Kälteinhalt (Überhitzung) des Kältemittels gut nutzen. Die Kältemittelzufuhr von unten ist verfahrenstechnisch sinnvoll, da ansonsten die Gefahr besteht, dass bei ungünstigen Betriebsbedingungen das Kältemittel teilweise unverdampft den Apparat durchströmt.
  • Bei Apparaten mit großer Bauhöhe, denen Kältemittel nahe am Siedezustand zugeführt wird, besteht das Problem, dass sich die Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule ändert. Wird beispielsweise in einem Wärmetauscher eine Säule aus flüssigem Stickstoff von 10m Höhe aufrecht erhalten, so beträgt dessen Temperatur am oberen Ende der Flüssigkeitssäule (bei einem Druck von 1 bar) minus 196°C. An Boden jedoch beträgt die Temperatur des kondensierten Gases aufgrund des zusätzlich wirkenden hydrostatischen Drucks minus 191°C. Mit zunehmender Bauhöhe erhöht sich daher bei einer Gegenstromführung im Wärmetauscher die tiefste Temperatur, auf die das fluide Medium noch abgekühlt werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums mit Hilfe eines kondensierten Kältemittels anzugeben, das bzw. die eine sehr genaue Einstellung der Temperatur des fluiden Mediums bei möglichst tiefen Temperaturen erlaubt.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums der eingangs genannten Art ist also dadurch gekennzeichnet, dass das fluide Medium im Gleichstrom mit dem Kältemittel durch den Wärmetauscher geführt wird und die Regelung der Temperatur des fluiden Mediums durch Variation des Drucks des Kältemittels im Wärmetauscher erfolgt.
  • In dem im Wesentlichen aufrecht stehenden Wärmetauscher wird also eine Flüssigkeitssäule des Kältemittels bis zur Höhe eines bestimmten Pegels (Füllhöhe) aufrecht erhalten. Als "kondensiertes Kältemittel" wird hier ein verflüssigtes, jedoch im Wärmetauscher siedendes Medium verstanden, wie beispielsweise ein kälteverflüssigtes Gas, etwa flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff oder ein flüssiges Edelgas. Aufgrund des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule ist die Verdampfungstemperatur des kondensierten Kältemittels am Boden des Wärmetauschers höher als an der durch den Pegel markierten Oberfläche der Flüssigkeitssäule. Sowohl das Kältemittel als auch das fluide Medium werden dem Wärmetauscher von unten zugeführt; bis zur Höhe der Flüssigkeitssäule steht das fluide Medium in Wärmeaustausch mit dem kondensierten Kältemittel. Durch die Gleichstromführung von Kältemittel und zu kühlendem Medium im Wärmetauscher verlaufen die Temperaturen beider Medien somit gleichsinnig: Einer höheren Verdampfungstemperatur im Bodenbereich steht eine niedrigere Verdampfungstemperatur im oberen Bereich gegenüber. Dadurch gelingt insbesondere die Abkühlung des Mediums auf eine tiefere Temperatur als bei einer Gegenstromführung, wenn auf die Vorteile eines aufrecht stehenden Wärmetauschers, die beispielsweise im geringeren Flächenverbrauch bestehen, nicht verzichtet werden soll.
  • Um einen maximalen Kühleffekt zu erzielen empfiehlt es sich grundsätzlich, den Pegel des kondensierten Kältemittels im Bereich des oberen Endes des Wärmetauschers vorzusehen. Es kann fallweise jedoch auch von Vorteil sein, als zusätzlichen Regelungsparameter auch die Füllhöhe des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher zu variieren, um die übertragene Wärmemenge möglichst genau den jeweiligen Erfordernissen anpassen zu können.
  • Zur Regelung der Temperatur wird der Druck des Kältemittels im Wärmetauscher, gemessen am oberen Ende der im Wärmetauscher aufrecht erhaltenen Flüssigkeitssäule des Kältemittels, bevorzugt auf einen Wert zwischen Vakuum, also einem geringen absoluten Druckwert nahe 0, beispielsweise einem Wert zwischen 0,001 bar und 0,1 bar, und 20 bar, besonders bevorzugt auf einen Wert zwischen Umgebungsdruck (etwa 1 bar) und 10 bar variiert. Da die meisten Tankanlagen für einen zulässigen Überdruck von maximal 19 bar (ü) ausgelegt sind und viele Versorgungsnetze im Bereich von maximal 10 bar (ü) arbeiten, bestimmen diese Drücke in den genannten Fällen die Grenzen der Auslegung für die Druckvariation. Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar, durch eine geeignete Apparatur, etwa mittels eines Kompressors, über der Flüssigkeitssäule einen Unterdruck (p < 1 bar) herzustellen, um die Temperatur des Stickstoffs entsprechend auf Werte unterhalb der Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck abzusenken.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel gelöst, die die Merkmalen des Patentanspruchs 4 aufweist. Dabei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wärmetauscher auf, der mit einer Zuführleitung zum Zuführen eines Kältemittels im flüssigen Zustand, einer Abführleitung zum Abführen von verdampftem Kältemittel sowie mit einer Zuführleitung und einer Abführleitung für ein fluides Medium strömungsverbunden ist. Dabei sind die genannten Leitungen derart am Wärmetauscher angeordnet, dass das Kältemittel und das fluide Medium im Betrieb des Wärmtauschers diesen im Gleichstrom von unten nach oben durchlaufen, d.h. die Zuführleitungen für das fluide Medium und das kondensierte Kältemittel münden in einem unteren Bereich des Wärmetauschers in diesen ein, während die Abführleitungen für das fluide Medium und das verdampfte Kältemittel im oberen Bereich des Wärmetauschers vorgesehen sind. Im Betriebszustand wird innerhalb des Wärmetauschers eine Flüssigkeitssäule des Kältemittels aufreicht erhalten, um die Verdampfungsenthalpie des Kältemittels zu Wärmeübertragung zu nutzen, d.h. innerhalb des Wärmetauschers befindet sich das Kältemittel im Siedezustand. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Regeln des Drucks des Kältemittels im Wärmetauscher vorgesehen, der mit einem Temperatursensor, der in der Abführleitung für das fluide Medium integriert ist, wirkverbunden ist. Mittels dieser Einrichtung kann die Temperatur des fluiden Mediums in Abhängigkeit vom gemessenen Temperaturwert sehr genau auf einen vorbestimmten Wert oder einen vorbestimmten zeitlichen Temperaturverlauf geregelt werden, indem der Druck auf das Kältemittel und damit die Temperatur des Kältemittels im Wärmetauscher entsprechend variiert wird.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass dem Wärmetauscher (im Folgenden: Erster Wärmetauscher) zum Vorkühlen des fluiden Mediums ein weiterer Wärmetauscher in Form eines Überhitzers vorgeschaltet ist, in welchem das fluide Medium vor seiner Zuführung an den ersten Wärmetauscher mit verdampftem Kältemittel aus dem ersten Wärmetauscher in thermischen Kontakt kommt. Dadurch wird zum einen die Restkälte des verdampften Kältemittels genutzt, zum anderen wird die Temperaturregelung im ersten Wärmetauscher erleichtert, da die Differenz zwischen den Temperaturen des in den ersten Wärmetauscher eingeleiteten fluiden Mediums und des kondensierten Kältemittels verringert wird.
  • Bevorzugt ist der Überhitzer (oder Vorkühler) als Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert, um zu gewährleisten, dass die Temperaturen des zu kühlenden fluiden Mediums und des Kältemittels auch über die Längserstreckung des Überhitzers gleichsinnig zueinander verlaufen. Der Überhitzer kann im Übrigen waagerecht, senkrecht oder schräg im Raum angeordnet sein.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Abführleitung für das verdampfte Kältemittel eine Fördereinrichtung, etwa eine Vakuumpumpe oder ein Kompressor zum Erzeugen eines Unterdrucks, also eines unterhalb des Umgebungsdrucks liegenden Drucks, vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Temperatur des Kältemittels weiter abgesenkt werden, im äußersten Fall derart, dass die Temperatur des Kältemittels am oberen Ende der Flüssigkeitssäule knapp oberhalb der Schmelztemperatur beträgt. Der zur Temperaturregelung zur Verfügung stehende Temperaturbereich wird dadurch erheblich erweitert, beispielsweise wird der Bereich zwischen minus 210°C und minus 196°C einbezogen. Im Falle des Einbaus eines Kompressors kann das stromab zum Kompressor verdichtete Gas in ein Leitungsnetz eingespeist und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
  • Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischer Ansicht zeigt die einzige Zeichnung (Fig. 1) eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung 1 dient der Regelung der Temperatur eines in einem Kreislaufstrom 2 geführten fluiden Mediums, beispielsweise ein Edelgas, z.B. Helium. Das fluide Medium dient in hier nicht weiter interessierender Weise zur Kühlung einer ebenfalls im Kreislaufstrom 2 angeordneten Apparatur 3. In Bezug auf die Apparatur 3 werde beispielhaft angenommen, dass zu deren Kühlung eine möglichst exakt eingestellte Temperatur (im Folgenden: Eingangstemperatur) des zugeführten fluiden Mediums im Bereich zwischen minus 210°C (der Schmelztemperatur von Stickstoff) und einem höheren Wert, beispielsweise minus 180°C, erforderlich ist. Um diese zu erreichen durchläuft das Medium im Kreislaufstrom 2 nacheinander die Apparatur 3, ein Gebläse oder eine Pumpe 3 zum Antreiben des Kreislaufstroms 2 und, über eine Zuleitung 5, einen im Wesentlichen senkrecht angeordneten Wärmetauscher 6, in welchem die Temperatur des fluiden Mediums auf die erforderliche Eingangstemperatur gebracht wird. Beim Wärmetauscher 6, der zugleich das Herzstück der Vorrichtung 1 darstellt, handelt es sich um einen üblichen Wärmetauscher, beispielsweise um einen Röhrenwärmetauscher, in welchem das den Wärmetauscher 6 von unten nach oben durchfließende fluide Medium in thermischen Kontakt mit einem Kältemittel, im Ausführungsbeispiel Stickstoff, gebracht wird. Der Stickstoff wird aus einem hier nicht gezeigten Tank in tiefkalt verflüssigten Zustand (LIN) über eine im - geodätisch gesehen - unteren Bereich des Wärmetauschers 6 angeordnete Zuleitung 7 herangeführt und durchläuft den Wärmetauscher 6 ebenfalls von unten nach oben, also im Gleichstrom zum fluiden Medium. Beim Wärmetausch mit dem flüssigen Stickstoff kühlt sich das fluide Medium ab und wird von der Pumpe 4 zurück zur Apparatur 3 gefördert. Zugleich verdampft der flüssige Stickstoff beim Wärmekontakt mit dem fluiden Medium. Dabei wird der Zulauf an flüssigem Stickstoff so eingestellt, dass sich im Wärmetauscher 6 eine Flüssigkeitssäule bis zur Höhe eines Pegels 8 ausbildet. Der Stickstoff verlässt den Wärmetauscher 6 gasförmig (GAN) über eine Ableitung 9 im - geodätisch gesehen - oberen Bereich des Wärmetauschers 6. Die Höhe des Pegels 8 beschreibt zugleich den Punkt minimaler Temperatur im Wärmetauscher 6; im einfachsten Falle entspricht die Temperatur des Stickstoffs der Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck (1 bar). Im unteren Bereich des Wärmetauschers 6 ist die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs aufgrund des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule höher als die Verdampfungstemperatur am Pegel 8. Aufgrund der Gleichstromführung verlaufen somit die Temperaturen des fluiden Mediums und des Stickstoffs im Wärmetauscher 6 gleichsinnig zueinander: Während das fluide Medium beim Durchlaufen des Wärmetauschers 6 von unten nach oben abgekühlt wird, sinkt zugleich die Temperatur des flüssigen Stickstoffs vom unteren Ende des Wärmetauschers 6 bis zur Höhe des Pegels 8.
  • Die Temperatur des fluiden Mediums kann mittels der Vorrichtung 1 sehr genau geregelt werden. Dazu ist im Kreislaufstrom 2, stromab zum Wärmetauscher 6 ein Temperatursensor 10 vorgesehen, der kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen die Temperatur des fluiden Mediums ermittelt und einer Steuereinheit 11 zuleitet. Die Steuereinheit 11 wirkt mit einer Armatur 12 zur Druckregelung zusammen, die in der Ableitung 9 angeordnet ist. Durch Variation des Drucks an der Armatur 12 wird zugleich die Temperatur des siedenden Stickstoffs am Pegel 8 verändert. Auf diese Weise kann die Wärmeübertragung im Wärmetauscher 6 und damit die Temperatur des fluiden Mediums sehr genau geregelt werden. Hierzu ermittelt die Steuereinheit 11 nach einem eingegebenen Programm aus dem am Temperatursensor 10 ermittelten Temperaturwert des fluiden Mediums den zur Kühlung des fluiden Mediums auf die vorgesehene Temperatur erforderlichen Druckwert und stellt diesen an der Armatur 12 ein.
  • Die Temperatur des fluiden Mediums kann auch auf Werte unterhalb der Verdampfungstemperatur des Stickstoffs bei Umgebungsdruck (1 bar) gesenkt werden. Hierzu ist in der Ableitung 9 ein Kompressor 13 vorgesehen, mittels der in der Ableitung 9 - und damit im Wärmetauscher 6 - ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck am Pegel 8 erzeugt werden kann. Durch die mit der Druckabsenkung am Pegel 8 verbundene Siedepunktserniedrigung wird die Verdampfungstemperatur des Stickstoffs im Wärmetauscher 6 abgesenkt, im äußersten Fall kann die Temperatur durch Druckerniedrigung bis knapp oberhalb der Schmelztemperatur abgesenkt und dadurch das fluide Medium im Wärmetauscher 6 auf entsprechend tiefere Temperaturen abgekühlt werden. Zur Regelung ist in diesem Falle eine weitere Armatur 14 zur Druckregelung vorgesehen (die Armatur 12 bleibt in diesem Fall offen), die den Zulauf von Flüssigstickstoff über die Zuleitung 7 und damit den Wert des Unterdrucks am Pegel 8 in Abhängigkeit von der am Temperatursensor 10 gemessenen Temperatur des fluiden Mediums regelt. Wird nach dem zuvor beschriebenen Verfahren mittels der Armatur 12, also mit Druckwerten, die gleich oder größer als der Umgebungsdruck sind, bleibt die Armatur 14 geöffnet. Das durch den Kompressor 13 auf beispielsweise 10 bar verdichtete Gas kann anschließend einem Versorgungsnetz zur weiteren Verwendung zugeführt werden. Anstelle eines Kompressors 13 kann ebenso gut eine andere Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Ableitung 9 vorgesehen sein, beispielsweise eine Vakuumpumpe.
  • Dem Wärmetauscher 6 ist im Ausführungsbeispiel ein Vorkühler bzw. Überhitzer 15 vorgeschaltet, um den sensiblen Kälteinhalt des gasförmigen Stickstoffs zu nutzen. Im Überhitzer 15 gelangt das in der Apparatur 3 erwärmte Medium in thermischen Kontakt mit dem verdampften Stickstoff aus der Ableitung 9 des Wärmetauschers 6 und wird im weiteren Verlauf über die Zuleitung 5 dem Wärmetauscher 6 zugeführt. Im Überhitzer 15 wird das Medium gekühlt und der verdampfte Stickstoff auf eine Temperatur oberhalb seiner Siedetemperatur gebracht, also überhitzt. Im Ausführungsbeispiel durchläuft das Medium den Überhitzer 15 im Gegenstrom zum Stickstoff, um auch hier zu gewährleisten, dass die Temperaturen von Medium und gasförmigem Stickstoff längs des Überhitzers 15 gleichsinnig verlaufen. Die Kombination von Wärmetauscher 6 und Überhitzer 15 ermöglicht eine besonders effiziente und energiesparende Verfahrensführung.
  • Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt beide Armaturen 12, 14; im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich ebenso möglich, lediglich die Armatur 12, unter Fortfall der Armatur 14 und des Kompressors 13, vorzusehen; in diesem Falle ist nur eine Temperaturregelung bis hinab auf die dem Umgebungsdruck entsprechende Verdampfungstemperatur des Stickstoffs möglich. Ebenso ist es möglich, unter Fortfall der Armatur 12 nur die Armatur 14 und die Pumpe 12 vorzusehen. In diesem Falle können als minimale Temperaturen nur unterhalb der Verdampfungstemperatur des Stickstoffs bei Umgebungsdruck liegende Temperaturen eingestellt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Kreislaufstrom
    3
    Apparatur
    4
    Pumpe
    5
    Zuleitung
    6
    Wärmetauscher
    7
    Zuleitung
    8
    Pegel
    9
    Ableitung
    10
    Temperatursensor
    11
    Steuereinheit
    12
    Armatur zur Druckregelung
    13
    Kompressor
    14
    Armatur zur Druckregelung
    15
    Überhitzer

Claims (7)

  1. Verfahren zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel in einem Wärmetauscher (6), wobei das Kältemittel im flüssigen Zustand dem Wärmetauscher (6) zugeführt wird und beim Wärmetausch mit dem fluiden Medium verdampft, dadurch gekennzeichnet,
    dass das fluide Medium im Gleichstrom mit dem kondensierten Kältemittel durch den Wärmetauscher (6) geführt wird und die Regelung der Temperatur des fluiden Mediums durch Variation des Drucks des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher (6) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Wärmeübertragung auf das Kältemittel die Füllhöhe (8) des kondensierten Kältemittels im Wärmetauscher (6) variiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Temperatur der Druck des Kältemittels im Wärmetauscher (6) auf Werte zwischen Vakuum und 20 bar, bevorzugt 1 bar bis 10 bar variiert wird.
  4. Vorrichtung zum Regeln der Temperatur eines fluiden Mediums durch Wärmetausch mit einem kondensierten Kältemittel, mit einem Wärmetauscher (6), der mit einer Zuführleitung (7) zum Zuführen eines Kältemittels im flüssigen Zustand, einer Abführleitung (9) zum Abführen von verdampftem Kältemittel sowie mit einer Zuführleitung (5) und einer Abführleitung (2) für ein fluides Medium strömungsverbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leitungen (2, 5, 7, 9) derart am Wärmetauscher (6) angeordnet sind, dass das Kältemittel und das fluide Medium im Betrieb den Wärmtauscher (6) im Gleichstrom durchlaufen, und dass eine mit einem in der Abführleitung (9) für das fluide Medium integrierten Temperatursensor (10) wirkverbundene Einrichtung (11, 12, 14) zum Regeln des Drucks des Kältemittels im Wärmetauscher (6) vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (6) ein Überhitzer (15) vorgeschaltet ist, in dem verdampftes Kältemittel aus dem Wärmetauscher (6) mit dem fluiden Medium vor dessen Zuführung an den Wärmetauscher (6) in thermischen Kontakt gebracht wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (15) als Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführleitung (9) für das verdampfte Kältemittel ein Fördereinrichtung (13) zum Erzeugen eines Unterdrucks vorgesehen ist.
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