PL185282B1 - Sposób chłodzenia produktu i urządzenie do chłodzenia produktu - Google Patents

Abstract

1. Sposób chlodzenia produktu, ko- rzystnie w postaci gazu lub cieczy, z wyko- rzystaniem zdolnosci chlodzacej skroplo- nego gazu, w którym skroplony gaz odpa- rowuje sie a produkt chlodzi sie, przy czym chlodzenie produktu prowadzi sie na dro- dze wymiany energii z odparowanym ga- zem w wymienniku ciepla, w którym me- dia prowadzi sie wieloma oddzielnymi stru- mieniami bedacymi w kontakcie cieplnym ze soba, zas media doprowadza sie tak, ze pomiedzy strumieniem odparowywane- go skroplonego gazu a strumieniem chlo- dzonego produktu zawsze prowadzi sie co najmniej jeden strumien odparowanego ga- zu, znamienny tym, ze odparowywany skro- plony gaz prowadzi sie równoleglymi stru- mieniami. Fig 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób chłodzenia produktu i urządzenie do chłodzenia produktu, korzystnie w postaci gazu lub cieczy, z wykorzystaniem zdolności chłodzącej skroplonego gazu.

Wielu dużych użytkowników gazu otrzymuje gaz w postaci skroplonej. Kiedy gaz ma być wykorzystany, jest on zwykle odparowywany w parowniku powietrznym. Stosowanie parowników powietrznych oznacza stratę zdolności chłodzącej skroplonego gazu. Aby móc wykorzystać zimno, które jest obecnie zwykle tracone, potrzebne jest łatwo dostosowywane do potrzeb i niedrogie urządzenie, które może być wykorzystywane do chłodzenia wielu różnych produktów, korzystnie w postaci gazu lub cieczy, bez zamrażania tych produktów. Urządzenie to powinno pracować bez stosowania żadnego dodatkowego medium przenoszenia ciepła, o niskiej temperaturze zamarzania, chłodzonego przez skroplony gaz i z kolei chłodzącego produkt, ponieważ wymaga to stosowania pompy lub podobnego urządzenia doprowadzającego energię do medium wymiany ciepła, co zmniejsza zdolność chłodzenia tego ostatniego.

Z opisu DE-A1-4001330 jest znane stosowanie wymienników ciepła typu dwururowego do chłodzenia produktu skroplonym gazem. W wymiennikach tego typu skroplony gaz podlega odparowywaniu podczas przechodzenia przez środkową rurę, po czym odparowany gaz powraca do komory o pierścieniowym przekroju poprzecznym na zewnątrz tej rury i wewnątrz drugiej rurowej ścianki. Chłodzony produkt przechodzi przez pierścieniową komorę na zewnątrz tej drugiej rurowej ścianki.

W jednym z przykładów wykonania przedstawionych w tym opisie, skroplony gaz odparowuje się podczas przechodzenia przez pewną liczbę prostych odcinków centralnej rury. Wszystkie odcinki są połączone szeregowo i tworzą pojedynczą centralną rurę o kształcie meandrycznym.

Zaleta urządzenia dwururowego polega na możliwości uzyskania ciągłego procesu, który może być dostosowany do specyficznych wymagań, ponieważ przepustowość urządzenia jest określona między innymi przez długość podwójnej rury.

Wymienniki ciepła typu dwururowego odznaczają się stosunkowo wysokim kosztem wykonania, a zarazem objętość i zużycie materiału są duże w stosunku do uzyskanej przepustowości. Cechy te stają się jeszcze wyraźniejsze w wyżej wspomnianym przykładzie wykonania, który wykorzystuje połączone równolegle kanały dla dwóch spośród mediów i szeregowo połączone kanały dla skroplonego gazu.

Z opisu JP 63-275897 jest znane urządzenie, w którym pośrednie medium termiczne jest chłodzone w pierwszym wymienniku ciepła, zawierającym jedynie dwa zestawy kanałów. To pośrednie medium termiczne jest następnie podawane do drugiego wymiennika ciepła dla chłodzenia produktu.

W porównaniu z rurowymi wymiennikami ciepła, płytowe wymienniki ciepła, złożone z wielu równoległych płyt o dużym polu powierzchni, które są umieszczone w małej odległości od siebie i pomiędzy sobą tworzą kanały dla różnych mediów, zapewniają znacznie większą przepustowość wymiennika ciepła na jednostkę objętości. Zużycie materiału i koszty wytwarzania są również znacznie mniejsze niż dla analogicznych wymienników ciepła typu rurowego. Można zatem łatwo i niedrogo wytwarzać niewielkie płytowe wymienniki ciepła o stosunkowo dużej wydajności.

Z opisu WO 95/24585 jest znany sposób i urządzenie do chłodzenia produktu za pomocą skroplonego gazu, które pozwalają na użycie prostych i niedrogich standardowych wymienników ciepła typu płytowego. Jednakże trzeba tam stosować wiele wymienników ciepła skonstruowanych jako oddzielne elementy.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do chłodzenia produktu, z wykorzystaniem zdolności chłodzącej skroplonego gazu, bez ryzyka zamrożenia produktu, którego wydajność może być łatwo dostosowana do specyficznych wymagań.

Sposób chłodzenia produktu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że odparowywany skroplony gaz prowadzi się równoległymi strumieniami.

Korzystnie, strumienie każdego medium prowadzi się w kanałach połączonych równolegle, natomiast strumień zbiorczy, opuszczający wspólny przewód wylotowy z kanałów dla

185 282 odparowywanego skroplonego gazu kieruje się do wspólnego przewodu wlotowego kanałów dla odparowanego gazu.

Odparowany gaz prowadzi się, w szczególności, w przeciwprądzie do chłodzonego produktu.

Odparowany gaz i/lub chłodzony produkt prowadzi się, korzystnie, w kanałach połączonych ze sobą szeregowo pomiędzy przyporządkowanym przewodem wlotowym a przewodem wylotowym.

W szczególności, stosuje się wymiennik ciepła z wieloma kolumnowo ukształtowanymi kanałami, umieszczonymi obok siebie i przedzielonymi ściankami przegradzającymi o dużym polu powierzchni wymiany ciepła.

Urządzenie do chłodzenia produktu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że kanały dla odparowywania skroplonego gazu są połączone równolegle pomiędzy przewodem wlotowym a przewodem wylotowym.

Korzystnie, kanały dla każdego medium są połączone równolegle, natomiast wspólny przewód wylotowy z kanałów dla odparowywanego skroplonego gazu jest dołączony do wspólnego przewodu wlotowego kanałów dla odparowanego gazu.

Kanały dla odparowanego gazu i/lub kanały dla chłodzonego produktu są, w szczególności, połączone ze sobą szeregowo pomiędzy przyporządkowanym przewodem wlotowym a przewodem wylotowym.

Wymiennik ciepła ma, korzystnie, wiele kolumnowo ukształtowanych kanałów, umieszczonych obok siebie i przedzielonych ściankami przegradzającymi o dużym polu powierzchni wymiany ciepła.

Korzystnie, kanały dla odparowywanego skroplonego gazu i kanały dla chłodzonego produktu są umieszczone, w odstępie od siebie, w zamkniętym zbiorniku, przy czym jedne końce kanałów dla odparowywanego skroplonego gazu są dołączone do wspólnego przewodu wlotowego przy pierwszym końcu zbiornika, zaś drugie końce tych kanałów są otwarte przy przeciwległym końcu zbiornika, natomiast pomiędzy kanałami dla odparowywanego skroplonego gazu a kanałami dla chłodzonego produktu znajdują się kolumnowo ukształtowane kanały dla odparowanego gazu, zakończone wspólnym przewodem wylotowym przy pierwszym końcu zbiornika.

Sposób według wynalazku umożliwia stosowanie prostej i kompaktowej konstrukcji płytowego wymiennika ciepła oraz łatwe dostosowanie wydajności do potrzebnego chłodzenia. Chłodzenie można prowadzić bez żadnego ryzyka zamrożenia chłodzonego produktu.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony, w przykładach wykonania, na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia schematycznie wymiennik ciepła dla trzech mediów oraz połączenia kanałów, fig. 2 - drugi przykład wykonania wymiennika ciepła oraz połączeń kanałów, zaś fig. 3 przedstawia trzeci przykład wykonania wymiennika ciepła oraz połączeń kanałów.

Na fig. 1 przez 1 oznaczono, schematycznie przedstawiony, płytowy wymiennik ciepła dla trzech mediów z wieloma kanałami A, B, C wykonanymi pomiędzy cienkimi płytami 2 przenoszącymi ciepło. Te powierzchnie płyt 2, które są zwrócone do kanałów A-C, mogą być specjalnie przewidziane do zwiększenia całego pola powierzchni płyt, które to pole powierzchni styka się z odpowiednim medium. W praktyce, dostępy do różnych kanałów są korzystnie, przewidziane w postaci kanałów rurowych przechodzących przez cały szereg płyt i z selektywnymi wylotami w wybranych kanałach.

Produkt, który ma być chłodzony, mający korzystnie postać ciekłą lub gazową, doprowadza się przewodem 3, dołączonym do kanałów C w wymienniku ciepła 1. Chłodzony produkt opuszcza wymiennik ciepła poprzez przewód 4.

Skroplony gaz, którego zdolność chłodzenia ma być wykorzystana do chłodzenia produktu, doprowadza się przewodem 5 do wszystkich kanałów A w wymienniku ciepła 1. Gaz ten musi mieć niższą temperaturę wrzenia niż temperatura docelowa produktu i może składać się, przykładowo, z azotu, argonu, tlenu, dwutlenku węgla lub gazu ziemnego. Urządzenie jest skonstruowane tak, że pełne parowanie gazu osiągane jest w kanałach A, a odparowany gaz w przewodzie 6 jest doprowadzany do przewodu 7 i przekazywany do wszystkich kanałów B w tym wymienniku ciepła 1. Następnie odparowany gaz wypływa przewodem 8 i może

185 282 być wykorzystany w dowolnym dalszym procesie. Ze względu na duże ciśnienie wlotowe skroplonego gazu nie potrzeba żadnej pompy ani dmuchawy do cyrkulacji odparowanego gazu.

Należy zauważyć, że przepustowość urządzenia do wymiany ciepła można modyfikować według potrzeb przez zwiększanie lub zmniejszanie długości kanałów i/lub liczby stosowanych kanałów.

W przedstawionym przykładzie wykonania istnieje kanał B dla odparowanego gazu usytuowany pomiędzy każdym kanałem C dla chłodzonego produktu a każdym kanałem A dla zimnego, odparowywanego, skroplonego gazu. Jest to bardzo istotne, ponieważ w ten sposób uzyskuje się pośrednie chłodzenie produktu przez wykorzystanie chłodzącej zdolności skroplonego gazu przy niewielkim ryzyku zamarznięcia produktu. Odbywa się to bez stosowania oddzielnego medium przenoszenia ciepła, ponieważ odparowany gaz służy jako medium przenoszenia ciepła i jest rozprowadzany w układzie na skutek nadciśnienia w przewodzie doprowadzania 5.

Nie ma żadnego bezpośredniego kontaktu pomiędzy produktem a gazem wykorzystywanym do chłodzenia go. Przy szczególnie krytycznych zastosowaniach możliwe jest również zastosowanie dodatkowych kanałów pomiędzy chłodzonym produktem a gazem, do wykrywania ewentualnego przecieku.

Opisana konstrukcja wymiennika ciepła jest bardzo skuteczna, ponieważ odparowany gaz jest z jednej strony stosowany do chłodzenia produktu, który powoduje zwiększenie temperatury skroplonego gazu, a z drugiej strony do grzania skroplonego gazu w celu odparowania go. Zarówno chłodzenie produktu jak i odparowywanie skroplonego gazu odbywa się w warunkach wymiany energii z tym samym medium, mianowicie z odparowanym gazem.

W przedstawionym przykładzie wykonania odparowany gaz przepływa w przeciwprądzie w stosunku zarówno do produktu jak i skroplonego gazu. Jednakże mogą być również stosowane inne kombinacje przepływu współprądowego i przeciwprądowego.

Możliwe jest również chłodzenie kilku produktów w tym samym układzie, a w takim przypadku, przykładowo, możliwe jest utworzenie kilku kanałów dla chłodzonych produktów pomiędzy każdą parą kanałów odparowanego gazu, albo sprzężenie kanałów różnych produktów z różnymi przewodami łączącymi.

W przykładzie wykonania z fig. 1 wszystkie kanały są sprzężone równolegle pomiędzy przyporządkowanymi przewodami wlotowymi i wylotowymi. Jednakże możliwe jest również szeregowe połączenie kanałów dla odparowanego gazu i/lub dla chłodzonego produktu.

Figura 2 przedstawia przykład wykonania, w którym kanały B dla odparowanego gazu są sprzężone szeregowo pomiędzy przewodem wlotowym 7 a przewodem wylotowym 8. Uzyskano to przy utrzymaniu takiej samej kolejności kanałów jak na fig. 1, co jest warunkiem wstępnym. W tym przykładzie wykonania zależności przepływu w różnych kanałach zmieniają się jednak od przepływu współprądowego do przepływu przeciwprądowego. Odpowiednie szeregowe połączenie kanałów dla produktu chłodzonego jest również możliwe.

Figura 3 przedstawia trzeci przykład wykonania, w którym zastosowano zamknięty zbiornik 9 z kanałami A i C umieszczonymi w pewnej odległości od siebie, odpowiednio dla skroplonego gazu i dla chłodzonego produktu. Przy końcu zbiornika 9 kanały A są dołączone do wspólnego przewodu wlotowego 5, podczas gdy drugie końce tych kanałów są otwarte przy drugim końcu zbiornika 9. Gaz odparowany w kanałach A może zatem swobodnie wypływać do zbiornika 9.

Pomiędzy każdą parą kanałów A w tym przykładzie wykonania istnieje kanał C dla chłodzonego produktu. Kanały te są włączone równolegle pomiędzy przewód wlotowy 3 a przewód wylotowy 4. Pomiędzy każdą parą kanałów A iC utworzony jest kolumnowo ukształtowany kanał w zbiorniku 9, poprzez który to kanał odparowany gaz może przepływać do wspólnego przewodu wylotowego 8. Jak w poprzednich przykładach wykonania, odparowany gaz spełnia dwa zadania. Z jednej strony chłodzi produkt w kanałach C, a z drugiej strony grzeje skroplony gaz w kanałach A w celu odparowania tego gazu. Kanały A i C są skonstruowane z zastosowaniem takiej samej techniki jak w konwencjonalnych płytowych wymiennikach ciepła.

185 282

Wynalazek opisano powyżej w odniesieniu do przykładów wykonania pokazanych na rysunkach. Jednakże możliwe są inne przykłady wykonania. Przykładowo, liczbę kanałów można wybrać w zależności od potrzeb i można je również podzielić na więcej niż trzy grupy pod warunkiem, że kolejność kanałów jest taka, że kanały dla produktu chłodzonego nigdy nie sąsiadują bezpośrednio z kanałem dla zimnego, odparowywanego skroplonego gazu.

185 282

V

185 282

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób chłodzenia produktu, korzystnie w postaci gazu lub cieczy, z wykorzystaniem zdolności chłodzącej skroplonego gazu, w którym skroplony gaz odparowuje się a produkt chłodzi się, przy czym chłodzenie produktu prowadzi się na drodze wymiany energii z odparowanym gazem w wymienniku ciepła, w którym media prowadzi się wieloma oddzielnymi strumieniami będącymi w kontakcie cieplnym ze sobą, zaś media doprowadza się tak, że pomiędzy strumieniem odparowywanego skroplonego gazu a strumieniem chłodzonego produktu zawsze prowadzi się co najmniej jeden strumień odparowanego gazu, znamienny tym, że odparowywany skroplony gaz prowadzi się równoległymi strumieniami.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumienie każdego medium prowadzi się w kanałach połączonych równolegle, natomiast strumień zbiorczy, opuszczający wspólny przewód wylotowy (6) z kanałów (A) dla odparowywanego skroplonego gazu kieruje się do wspólnego przewodu wlotowego (7) kanałów (B) dla odparowanego gazu.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że odparowany gaz prowadzi się w przeciwprądzie do chłodzonego produktu.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odparowany gaz i/lub chłodzony produkt prowadzi się w kanałach (B, C) połączonych ze sobą szeregowo pomiędzy przyporządkowanymi przewodami wlotowymi (7, 3) a przewodami wylotowymi (8, 4).
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wymiennik ciepła (1) z wieloma kolumnowo ukształtowanymi kanałami (A, B, C), umieszczonymi obok siebie i przedzielonymi ściankami przegradzającymi (2) o dużym polu powierzchni wymiany ciepła.
6. 6. Urządzenie do chłodzenia produktu, korzystnie w postaci gazu lub cieczy, z wykorzystaniem zdolności chłodzącej skroplonego gazu, mające zespół odparowywania skroplonego gazu i zespół chłodzenia produktu, przy czym oba te zespoły są połączone w wymiennik ciepła mający wiele oddzielnych kanałów będących w kontakcie cieplnym ze sobą i przeznaczonych dla różnych mediów, przy czym pomiędzy kanałem dla odparowywanego skroplonego gazu a kanałem dla chłodzonego produktu zawsze jest usytuowany co najmniej jeden kanał dla odparowanego gazu, znamienne tym, że kanały (A) dla odparowywanego skroplonego gazu są połączone równolegle pomiędzy przewodem wlotowym (5) a przewodem wylotowym (6).
7. 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że kanały (A, B, C) dla każdego medium są połączone równolegle, natomiast wspólny przewód wylotowy (6) z kanałów (A) dla odparowywanego skroplonego gazu jest dołączony do wspólnego przewodu wlotowego (7) kanałów (B) dla odparowanego gazu.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że kanały (B) dla odparowanego gazu i/lub kanały (C) dla chłodzonego produktu są połączone ze sobą szeregowo pomiędzy przyporządkowanymi przewodami wlotowymi (7, 3) a przewodami wylotowymi (8, 4).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że wymiennik ciepła (1) ma wiele kolumnowo ukształtowanych kanałów (A, B, C), umieszczonych obok siebie i przedzielonych ściankami przegradzającymi (2) o dużym polu powierzchni wymiany ciepła.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że kanały (A) dla odparowywanego skroplonego gazu i kanały (C) dla chłodzonego produktu są umieszczone, w odstępie od siebie, w zamkniętym zbiorniku (9), przy czym jedne końce kanałów (A) dla odparowywanego skroplonego gazu są dołączone do wspólnego przewodu wlotowego (5) przy pierwszym końcu zbiornika (9), zaś drugie końce tych kanałów (A) są otwarte przy przeciwległym końcu zbiornika (9), natomiast pomiędzy kanałami (A) dla odparowywanego skroplonego gazu a kanałami (C) dla chłodzonego produktu znajdują się kolumnowo ukształtowane kanały (B) dla odparowanego gazu, zakończone wspólnym przewodem wylotowym (8) przy pierwszym końcu zbiornika (9).

    185 282