WO2022268244A1 - Verfahren zur temperatursenkung und/oder aufrechterhaltung geringer temperaturen eines objektes mittels eines flüssigen gases, insbesondere mittels flüssigem kohlendioxid, und dazu geeignete vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur temperatursenkung und/oder aufrechterhaltung geringer temperaturen eines objektes mittels eines flüssigen gases, insbesondere mittels flüssigem kohlendioxid, und dazu geeignete vorrichtung Download PDF

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WO2022268244A1
WO2022268244A1 PCT/DE2022/000067 DE2022000067W WO2022268244A1 WO 2022268244 A1 WO2022268244 A1 WO 2022268244A1 DE 2022000067 W DE2022000067 W DE 2022000067W WO 2022268244 A1 WO2022268244 A1 WO 2022268244A1
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Inventor
Jens-Werner Kipp
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Mycon Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • C01B32/55—Solidifying
    • 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
    • F25D3/102—Stationary cabinets

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the temperature and/or maintaining low temperatures of an object using a liquid gas, in particular using liquid carbon dioxide, according to the preamble of claim 1 and a device suitable for carrying out the method according to the preamble of claim 13.
  • a cooling medium is generally used, which is brought to a low temperature in advance and then brought into direct or indirect cold-transporting contact with the object.
  • objects can be gaseous, liquid or solid, i.e. contain gases such as air (e.g. room air, air in freezing chambers, etc.), contain liquids such as water or other liquids or consist of solid objects of any kind that are to be cooled or must. If the cooling of such objects is mentioned below, it always means that the objects can be gaseous, liquid or solid objects of any kind. In small applications, the cold is usually generated at the location of the object to be cooled.
  • a partial volume flow of the carbon dioxide is branched off and injected into a cold bath made of alcohol, for example, so that carbon dioxide gas and dry ice snow are formed from the liquid carbon dioxide during expansion into the cold bath, and the cold bath is formed as a result of the absorption of thermal energy is cooled, which in turn cools the remaining volume flow of liquid carbon dioxide passing through the cold bath in a line.
  • a cold bath made of alcohol, for example, so that carbon dioxide gas and dry ice snow are formed from the liquid carbon dioxide during expansion into the cold bath, and the cold bath is formed as a result of the absorption of thermal energy is cooled, which in turn cools the remaining volume flow of liquid carbon dioxide passing through the cold bath in a line.
  • the volume flow of the liquid carbon dioxide cools itself with a slight reduction in the volume flow.
  • the object of the present invention is therefore to further develop the generic cooling process using the liquid gas in such a way that temperatures down to -75° and possibly below can be achieved with the help of the cooling process.
  • the inventive method is based on a method for temperature reduction and / or maintaining low temperatures of an object using a liquid gas, converted in the liquid gas in an expansion nozzle into gas and solid particles with absorption of heat energy and introduced into a kalesta bile liquid.
  • a generic method is further developed in the inventive manner that the liquid gas before and / or during and / or after the expansion in the expansion nozzle, a cold-stable liquid is supplied in such a way that a volume flow of finely distributed droplets of cold-stable Forms liquid, which transfer the expansion cold from the expansion of the liquid gas in a downstream volume of cold-stable liquid in the direction of flow, which in turn is used directly or indirectly to reduce the temperature and/or maintain low temperatures of the object.
  • the Mixing and distributing cold-stable liquid in the liquid gas as a volume flow of very finely divided droplets of cold-stable liquid can significantly improve the heat transfer between the gas which is expanding from the liquid state and thereby cooling down and the cryogenic liquid in the downstream volume of cryogenic liquid be reached.
  • Such an improvement in the cold transition between the expanding gas and the cold-stable liquid means that the cold capacity of the expanding gas can be fully utilized and transferred to the volume of cold-stable liquid.
  • liquid carbon dioxide is used as the liquid gas, the dry snow particles produced during the expansion reach a temperature of -78.5° C.
  • the method according to the invention thus enables a significantly increased energy efficiency of cooling systems with low consumption costs. This can be used to cool any object, for example to cool a cooling room or the like, which previously could only be cooled using environmentally harmful coolants with a great deal of equipment.
  • the low-temperature-stable liquid can be supplied to the volume flow of the liquid gas by means of an injection device.
  • an injection device can be optimized to produce particularly fine particles when dispensing the low-temperature-stable liquid into the volume flow of the expanding liquid gas, which particles mix particularly well with the volume flow of the expanding liquid gas.
  • the type and size of the finest droplets as they form can be influenced, for example, by the design of a nozzle or some other atomization device of the injection device.
  • the injection device for the low-temperature-stable liquid is arranged in such a way that the low-temperature-stable liquid is supplied to the gas before and/or during and/or after the expansion of the liquid gas in the expansion nozzle.
  • the size of the droplets and the type of distribution of the droplets of the low-temperature-stable liquid can be influenced depending on the respective location of the injection of the low-temperature-stable liquid.
  • the injection can be adapted to the processes during the expansion of the liquid gas in the expansion nozzle and the formation of the droplets and their mixing with the volume flow of the expanding liquid gas can also be influenced and optimized.
  • the low-temperature-stable liquid is fed to the volume flow of the liquid gas under increased pressure and is very finely distributed in the liquid gas.
  • the increased pressure ensures that the cold-stable liquid passes through a nozzle provided in the injection device, for example, at high speed, thereby further improving the formation of the smallest droplets.
  • the proportion of the cold-stable liquid in the total volume flow can also be easily influenced by pressure regulation of the volume flow of the low-temperature-stable liquid, and the cold transition between the expanding liquid gas and the volume of the low-temperature-stable liquid can also be influenced as a result.
  • the freezing point of the low-temperature-stable liquid is below the temperature of the expanded gas.
  • the cryogenic liquid cannot freeze under any circumstances, even if the refrigeration capacity of the expanding liquid gas is completely transferred to the volume of the cryogenic liquid.
  • the amount of cold-stable liquid supplied to the liquid gas per unit of time is less than the amount of liquid gas supplied, in particular less than 50% of the amount of liquid gas supplied.
  • the cooling temperature achieved is regulated by dosing the amount of liquid gas and the amount of low-temperature-stable liquid and the relation of the amounts of these two substances. This enables process control by means of simple control elements.
  • the liquid gas contains carbon dioxide as a component or can be formed entirely from carbon dioxide.
  • carbon dioxide is that it occurs in large quantities in nature, is non-toxic and non-flammable and does not attack common building materials. Carbon dioxide can be transported and stored in liquid form at ambient temperatures, so there is no heat loss.
  • the low-temperature-stable liquid is formed entirely or partially from at least one or more elements from the group consisting of ethanol, isopropanol, alcohol, methanol, glycol, hexane or methylcyclopentane. Isopropyl alcohol has proven to be a particularly suitable liquid for use as a cold-stable liquid.
  • the liquid gas before the expansion in the expansion nozzle has ambient temperature when taken from a medium-pressure tank or a temperature below ambient temperature when taken from a cold tank.
  • storage at or below ambient temperature may be more advantageous.
  • the gas and the low-temperature-stable liquid can be separated from one another again, preferably for reuse, after the cooling temperature has been released into the volume of low-temperature-stable liquid, preferably by means of the principle of gravity.
  • the gas can be reliquefied after expansion and release of the cooling temperature with liquefaction units and returned to the circuit. This will make the Consumption of gas and cold-stable liquid is minimized and the economics of the process are further improved.
  • the invention also relates to a device for reducing the temperature and/or maintaining low temperatures of an object using a liquid gas, with which liquid gas is converted into gas and solid particles in an expansion nozzle, absorbing thermal energy, and introduced into a liquid that is stable at low temperatures, in particular for implementation of the method according to claim 1.
  • Such a generic device is further developed according to the invention in that an injection device for supplying a cold-stable liquid before and/or during and/or after the expansion of the liquid gas is arranged and designed in the expansion nozzle is, which forms a volume flow of finely divided droplets of low-temperature-stable liquid, which transfer the expansion cold from the expansion of the gas into a volume of low-temperature-stable liquid, the volume of low-temperature-stable liquid in turn directly or indirectly kt can be used to lower the temperature and/or maintain low temperatures of the object.
  • FIG. 1 a schematic representation of a possible embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention with an injection of low-temperature-stable liquid into an expanding volume flow of liquid gas.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of the device 2 according to the invention for carrying out the method according to the invention with an injection of low-temperature-stable liquid 6 into an expanding volume flow of liquid gas 5 .
  • the device 1 is divided into a primary circuit 4 with a further explained circulation of FLÜS sige gas 5 and cold-stable liquid 6 and a secondary circuit 3 for circulating a secondary fluid 11, 12 through a heat exchanger 19 for cooling an object not shown in detail, such as a cold room or the like. To be cooled volume or object.
  • the heat exchanger 19 passes through a container 9 with a volume 10 of cold-stable liquid, which is cooled in a manner explained in more detail below, and comes from the object to be cooled as a volume flow 11 of relatively warm secondary fluid.
  • This volume flow 11 of relatively warm secondary fluid passes through the heat exchanger 19 and comes into thermally conductive contact with the volume 10 of cold-stable liquid, whereupon the secondary fluid 11 cools down and is returned as a volume flow 12 of cold secondary fluid under the influence of a circulating pump 18 to the object to be cooled and this cools
  • the primary circuit 4 is used to cool the volume 10 of cold-stable liquid in the container 9.
  • a solid component such as dry ice or dry snow.
  • the liquid gas 5 cools down considerably, so that, for example, the dry ice or the dry snow assumes temperatures of -78.5°C.
  • This temperature reduction can now be used in a manner known per se to cool the volume 10 of cold-stable liquid by the expanded gas 5 and the solid component dry ice or dry snow being introduced into the volume 10 of cold-stable liquid in the container 9 and the volume 10 cold-stable liquid cools.
  • the invention proposes adding a volume flow to the volume flow of the liquid gas 5 in or after the expansion nozzle 1 cold-stable liquid 6 in such a way that the cold-stable liquid 6 is distributed in the form of very fine droplets in the total volume flow 8 and the cold of the expanding liquid gas 5 is thus particularly well and quickly applied to the forming droplets of cold-stable liquid 6 and thus ultimately to the volume 10 of cold-stable liquid transfers and cools it down much more effectively and therefore colder than if this formation of the finest droplets of cold-stable liquid 6 does not take place or does not take place sufficiently.
  • the container can have an outlet 20 for returning the gaseous gas 13 and the low-temperature-stable liquid 14 to the primary circuit 4, behind which the two partial streams 13, 14 are separated from one another again and the back obtained cold-stable liquid 16 and the gaseous gas 17 can be fed back into the circuit 4 via pumps 18. Any reservoirs for liquid gas 5 and cold-stable liquid 6 are not shown.
  • ethanol, isopropanol, alcohol, methanol, glycol, hexane or methylcyclopentane can be used as the cold-stable liquid 6; ethanol or isopropanol are certainly preferred as particularly favorable alcohol compounds with the sublimation temperature freezing point suitable for carbon dioxide and unproblematic environmental properties.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Gases (5), bei dem flüssiges Gas (5) in einer Expansionsdüse (1 ) in Gas und Festpartikel unter Absorption von Wärmeenergie umgewandelt und in eine kältestabile Flüssigkeit (10) eingeleitet wird. Hierbei wird in erfindungsgemäßer Weise dem flüssigen Gas (5) vor und/oder während und/oder nach der Expansion in der Expansionsdüse (1) eine kältestabile Flüssigkeit (6) derart zugeführt, dass sich ein Volumenstrom (8) von feinst verteilten Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit (6) ausbildet, die die Expansionskälte aus der Expansion des flüssigen Gases (5) in ein Volumen (10) aus kältestabiler Flüssigkeit überleiten, das wiederum direkt oder indirekt zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen des Objektes genutzt wird.

Description

Verfahren zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Gases, insbesondere mittels flüssigem Kohlendioxid, und dazu geeignete Vorrichtung Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhal tung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Gases, insbesondere mittels flüssigem Kohlendioxid, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 13.
Um eine Temperatursenkung von Objekten zu erreichen, wird im Allgemeinen ein Kühlmedium verwendet, das vorab auf eine niedrige Temperatur und dann direkt oder indirekt in kältetransportierenden Kontakt mit dem Objekt gebracht wird. Derartige Objekte können gasförmig, flüssig oder fest sein, also etwa Gase wie Luft auf- weisen (z.B. Raumluft, Luft in Gefrierkammern etc.), Flüssigkeiten wie z.B. Wasser oder sonstige Flüssigkeiten aufweisen oder auch aus festen Objekten jeder Art bestehen, die gekühlt werden sollen oder müssen. Wenn im weiteren von der Kühlung derartiger Objekte gesprochen wird, ist damit immer gemeint, dass die Objekte gas förmige, flüssige oder feste Objekte jeglicher Art sein können. Bei kleinen Anwendungen wird die Kälte meist am Ort des zu kühlenden Objekts erzeugt. Ein Beispiel dafür ist der Haushaltskühlschrank, bei dem ein Kälte erzeugendes Aggregat direkt am Kühlschrank angeordnet ist und das Kühlmittel innerhalb des Kühlschranks selbst und direkt außerhalb des Kühlschranks zirkuliert. Bei großtech nischen Anwendungen wird die Kälte jedoch meist zentral in einer Kühlanlage er- zeugt und über ein Rohrleitungssystem zum zu kühlenden Objekt transportiert. Als Kühl- und/oder Transportmittel sind verschiedene Stoffe bekannt, in der Regel Halogenkohlenwasserstoffe. Die Verwendung von Halogenkohlenwasserstoffen wird je doch zunehmend durch die Tatsache, dass diese Stoffe umweltschädlich sind, ein-
Bestätigungskopie geschränkt. Ein weiterer praktischer Nachteil bei der Verwendung eines Rohrlei tungssystems für den Kältetransport sind die unvermeidlichen Wärmeverluste. Die Zu- und Rücklaufleitungen sowie die Armaturen müssen wärmegedämmt werden, wodurch die Kosten für derartige System erheblich erhöht werden. Es ist weiterhin bekannt, eine Temperatursenkung auf eine niedrigere Temperatur als z.B. die Umgebungstemperatur bzw. zum Halten einer niedrigeren Temperatur als der Raumluft oder eines Objektes mittels flüssigem Kohlendioxid zu erzielen.
Es ist beispielsweise aus der DE 10 2007 052 390 B4, NL 940 1324 A1 und EP 2 863 103 B1 bekannt, ein Gas in Form von flüssigem Kohlendioxid zu expandieren, um damit eine Hilfsflüssigkeit stark abzukühlen, die bereits in Kontakt mit einer zu kühlenden Fläche bzw. einem zu kühlenden Objekt steht. Fläche oder Objekt können so auf Temperaturen von ca. -50° gekühlt werden.
Dabei wird wie etwa bei der EP 2 863 103 B1 ein Teilvolumenstrom des Kohlendioxids abgezweigt und in ein Kältebad aus z.B. Alkohol eingedüst, so dass sich aus dem flüssigen Kohlendioxid bei der Expansion in das Kältebad Kohlendioxidgas und Trockeneisschnee bildet und dabei durch Absorption von Wärmeenergie das Kältebad gekühlt wird, durch das wiederum der restliche das Kältebad in einer Leitung durchtretende Volumenstrom des flüssigen Kohlendioxids gekühlt wird. Anschaulich könnte man sagen, dass sich der Volumenstrom des flüssigen Kohlendioxids unter geringer Reduktion des Volumenstroms selbst kühlt.
Aus der DE 10 2007 052 390 B4 ist es beispielsweise bekannt, dieses Funktions prinzip des sich quasi selbst kühlenden Volumenstrom des flüssigen Kohlendioxids zur Kühlung von Oberflächen für Reinigungszwecke zu nutzen.
Aus der NL 940 1324 A1 ist es auch bekannt, die beschriebene Einleitung von Koh- lendioxidgas in ein Kältebad aus z.B. Alkohol zur Kühlung von Objekten jeglicher Art zu nutzen, indem eine Art Kreislauf durch einen Wärmetauscher aufgebaut wird, bei dem flüssiges Gas in Form von Kohlendioxid in ein aus Alkohol bestehendes Kälte bad eingedüst wird, das dadurch gekühlte Kältebad durch den Wärmetauscher geführt wird und dabei seine Kälte an eine zu Kühlung des Objektes dienende Hilfsflüs- sigkeit auf der sekundären Seite des Wärmetauschers abgibt. Allerdings erfolgt hier- bei das Eindüsen des dem flüssigen Kohlendioxidgas beigefügten Kältemittels nur mit Hilfe eines Ejektors, den das flüssige Kohlendioxidgas durchtritt und dabei wie bei einer Venturidüse vor dem Ejektor drucklos zugeführtes Kältemittel mitreist und mit dem flüssigen Kohlendioxidgas mischt. Dies führt zwar in gewissen Grenzen zu einer Mischung der beiden Volumenströme miteinander, die Wärmeübertragung von dem sich bei der Einspritzung abkühlenden und in Gas und Feststoffpartikel umwandelnden flüssigen Gas auf das Kältemittel erfolgt aber nicht zufriedenstellend. Da durch lassen sich hierbei in der Regel nur Temperaturen des Kältemittels im Bereich von ca. -50 ° C erreichen, die für manche Kühlungszwecke nicht ausreichend sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Kühlverfahren unter Nutzung des flüssigen Gases derart weiter zu entwickeln, dass mit Hilfe des Kühlverfahrens Temperaturen bis zu -75° und ggf. darunter zu erreichen sind.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vor- richtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 13 jeweils in Zu sammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von einem Verfahren zur Temperatur senkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Gases, bei dem flüssiges Gas in einer Expansionsdüse in Gas und Festpartikel unter Absorption von Wärmeenergie umgewandelt und in eine kältesta bile Flüssigkeit eingeleitet wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass dem flüssigen Gas vor und/oder während und/oder nach der Expansion in der Expansionsdüse eine kälte- stabile Flüssigkeit derart zugeführt wird, das sich ein Volumenstrom von feinst ver teilten Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit ausbildet, die die Expansionskälte aus der Expansion des flüssigen Gases in ein in Strömungsrichtung nachgelagertes Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit überleiten, das wiederum direkt oder indirekt zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen des Objek- tes genutzt wird. Durch die Zuführung der kältestabilen Flüssigkeit vor und/oder wäh rend und/oder nach der Expansion des flüssigen Gases in einer Weise, dass sich die kältestabile Flüssigkeit in dem flüssigen Gas als Volumenstrom von feinst verteilten Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit mischt und verteilt, kann eine wesentliche Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem aus dem flüssigen Zustand ex pandierenden und sich dabei abkühlenden Gas und der kältestabilen Flüssigkeit in dem stromabwärts befindlichen Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit erreicht wer den. Ein derartige Verbesserung des Kälteübergangs zwischen expandierendem Gas und kältestabiler Flüssigkeit führt dazu, dass die Kältekapazität des expandie renden Gas voll ausgenutzt und auf das Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit übertragen werden kann. Verwendet man in weiterer Ausgestaltung etwa flüssiges Koh- lendioxid als flüssiges Gas, so erreichen die während der Expansion entstehenden Trockenschneepartikel eine Temperatur von -78,5° C. Diese Trockenschneepartikel können aufgrund der innigen Durchmischung mit den durch die Zumischung der käl testabilen Flüssigkeit in dem Volumenstrom des flüssigen Gases entstehenden, feinst verteilten Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit ihre Kälte besonders effektiv an die entstandenen Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit abgeben, die dann stromabwärts der Expansionsdüse in das Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit strömen und dieses wiederum effektiv kühlen. Die durch das Eindüsen der kältestabilen Flüssigkeit in Form der feinst verteilten Tröpfchen sowie aufgrund des Ortes des Eindüsens bedingte innige Durchmischung der Tröpfchen und des expandieren- den flüssigen Gases mit den entstehenden Festpartikeln kann nahezu die ganze Kältekapazität des expandierenden flüssigen Gases auf das Volumen aus kältestabi ler Flüssigkeit übertragen und dieses wesentlich stärker gekühlt werden als bei bis herigen Verfahren möglich. Am Austritt der Expansionsdüse wurde für einen Gesamtstrahl eines expandierten flüssigen Gases aus Kohlendioxid in Gas- und Fest- form und der kältestabilen Flüssigkeit eine Temperatur von bis zu -75° C gemessen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht damit bei geringen Verbrauchskosten eine erheblich gesteigerte Energieeffizienz von Kühlsystemen. Dieses kann dazu genutzt werden, beliebige Objekte zu kühlen, also z.B. zur Kühlung eines Kühlrau mes oder dgl., die bisher meist nur unter Verwendung von umweltschädlichen Kühl- mittein unter hohem apparativen Aufwand gekühlt werden konnten.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die kältestabile Flüssigkeit mittels einer Ein spritzeinrichtung dem Volumenstrom des flüssigen Gases zugeführt werden kann. Eine derartige Einspritzeinrichtung kann dafür optimiert werden, beim Abgeben der kältestabilen Flüssigkeit in den Volumenstrom des expandierenden flüssigen Gases besonders feine Partikel zu erzeugen, die sich mit dem Volumenstrom des expandierenden flüssigen Gases besonders gut mischen. Hierbei kann z.B. durch die Gestal- tung einer Düse oder einer sonstigen Zerstäubungseinrichtung der Einspritzeinrichtung die Art und die Größe feinster Tröpfchen bei deren Entstehung beeinflusst werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Einspritzeinrichtung für die kältestabile Flüssigkeit derart angeordnet wird, dass die kältestabile Flüssigkeit vor und/oder während und/oder nach der Expansion des flüssigen Gases in der Expansionsdüse dem Gas zugeführt wird. So ist abhängig von dem jeweiligen Ort der Einspritzung der kältestabilen Flüssigkeit sowohl die Größe der Tröpfchen als auch die Art der Verteilung der Tröpfchen der kältestabilen Flüssigkeit beeinflussbar, zudem kann die Einspritzung an die Vorgänge bei der Expansion des flüssigen Gases in der Expansionsdüse an- gepasst und auch darüber die Bildung der Tröpfchen sowie deren Vermischung mit dem Volumenstrom des expandierenden flüssigen Gases beeinflusst und optimiert werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die kältestabile Flüssigkeit dem Volumenstrom des flüssigen Gases unter erhöhtem Druck zugeführt und dabei feinst in dem flüssi- gen Gas verteilt wird. Der erhöhte Druck sorgt dafür, dass die kältestabile Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit eine in der Einspritzeinrichtung z.B. vorgesehene Düse passiert und dadurch die Bildung kleinster Tröpfchen weiter verbessert wird. Auch kann über eine Druckregelung des Volumenstroms der kältestabilen Flüssigkeit der Anteil der kältestabilen Flüssigkeit in dem Gesamt-Volumenstrom einfach beeinflusst werden und auch dadurch der Kälteübergang zwischen expandierendem flüssigem Gas und Volumen der kältestabilen Flüssigkeit beeinflusst werden.
Von Vorteil ist es hierbei, wenn der Gefrierpunkt der kältestabilen Flüssigkeit unter der Temperatur des expandierten Gases liegt. Dadurch kann die kältestabile Flüssigkeit auf keinen Fall gefrieren, auch wenn die Kältekapazität des expandierenden flüssigen Gases vollständig auf das Volumen der kältestabilen Flüssigkeit übertragen wird. Weiterhin ist es denkbar, dass die Menge der dem flüssigen Gas zugeführten kältestabilen Flüssigkeit pro Zeiteinheit geringer ist als die Menge des zugeführten flüssigen Gases, insbesondere geringer ist als 50% der Menge des zugeführten flüssigen Gases. Von besonderem Vorteil ist es, dass die Regelung der erzielten Kühltemperatur durch die Dosierung der Menge des flüssigen Gases und der Menge der kältestabilen Flüssigkeit sowie der Relation der Mengen dieser beiden Stoffe erfolgt. Hierdurch ist eine Prozesssteuerung mittels einfacher Regelungsorgane möglich.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das flüssige Gas als Bestandteil Kohlendioxid aufweist oder ganz aus Kohlendioxid gebildet werden kann. Ein wichtiger Vorteil von Kohlendioxid ist, dass es in der Natur in großen Mengen vorkommt, ungiftig und nicht brennbar ist und gängige Baumaterialien nicht angreift. Kohlendioxid kann in flüssiger Form bei Umgebungstemperaturen transportiert und gelagert werden, so dass keine Wärmeverluste auftreten. Weiterhin ist es denkbar, dass die kältestabile Flüssigkeit ganz oder teilweise zumin dest aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe der Stoffe Ethanol, Isopropanol, Alkohol, Methanol, Glycol, Hexan oder Methylcyclopentan gebildet wird. Isopropylalkohol hat sich dabei als eine besonders geeignete Flüssigkeit für die Verwendung als kältestabile Flüssigkeit erwiesen. Weiterhin ist es denkbar, dass das flüssige Gas vor der Expansion in der Expansi onsdüse Umgebungstemperatur bei Entnahme aus einem Mitteldrucktank oder eine Temperatur unter Umgebungstemperatur bei Entnahme aus einem Kalttank aufweist. Je nach Art der Gesamtanlage kann die Lagerung bei Umgebungstemperatur oder unterhalb der Umgebungstemperatur vorteilhafter sein. Von besonderem Vorteil ist es, dass das Gas und die kältestabile Flüssigkeit nach der Abgabe der Kühltemperatur in das Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit wieder voneinander, vorzugsweise zur Wiederbenutzung, separiert werden kann, vorzugsweise mittels des Schwerkraftprinzips. Dabei kann in weiterer Ausgestaltung das Gas nach der Expansion und Abgabe der Kühltemperatur mit Verflüssigungsaggre- gaten rückverflüssigt und kreislaufmäßig zurückgeführt wird. Hierdurch wird der Verbrauch an Gas und kältestabiler Flüssigkeit minimiert und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter verbessert.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Ga- ses, mit der flüssiges Gas in einer Expansionsdüse in Gas und Festpartikel unter Absorption von Wärmeenergie umgewandelt und in eine kältestabile Flüssigkeit eingeleitet wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass eine Einspritzeinrichtung für die Zuführung einer kälte- stabilen Flüssigkeit vor und/oder während und/oder nach der Expansion des flüssigen Gases in der Expansionsdüse derart angeordnet und ausgebildet ist, das sich ein Volumenstrom von feinst verteilten Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit ausbildet, die die Expansionskälte aus der Expansion des Gases in ein Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit überleiten, wobei das Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit wiederum direkt oder indirekt zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen des Objektes nutzbar ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen: Figur 1 - eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens mit einer Einspritzung von kältestabiler Flüssigkeit in einen expandierenden Volumenstrom flüssigen Gases.
In der Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Einspritzung von kältestabiler Flüssigkeit 6 in einen expandieren den Volumenstrom flüssigen Gases 5 zu erkennen. Dabei ist die Vorrichtung 1 unterteilt in einen primären Kreislauf 4 mit einem noch näher erläuterten Umlauf von flüs sigem Gas 5 und kältestabiler Flüssigkeit 6 sowie einen sekundären Kreislauf 3 zum Umlauf eines Sekundärfluids 11, 12 durch einen Wärmetauscher 19 zur Kühlung eines nicht weiter dargestellten Objekts wie etwa eines Kühlraums oder dgl. zu kühlendem Volumen oder Gegenstand. Der Wärmetauscher 19 durchtritt einen Behälter 9 mit einem Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit, die in noch näher erläuterter Weise gekühlt wird, und kommt von dem zu kühlenden Objekt als Volumenstrom 11 relativ warmen Sekundärfluids. Dieser Volumenstrom 11 relativ warmen Sekundärfluids durchtritt den Wärmetauscher 19 und kommt dabei in wärmeleitenden Kontakt mit dem Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit, woraufhin das Sekundärfluid 11 abkühlt und als Volumenstrom 12 kalten Sekundärfluids unter Einfluss einer Umwälzpumpe 18 wieder zu dem zu kühlenden Objekt zurück geführt wird und dieses kühlt. Der Primärkreislauf 4 dient zur Kühlung des Volumens 10 kältestabiler Flüssigkeit in dem Behälter 9. Zur Kühlung wird ausgenutzt, dass ein flüssiges und unter Druck stehendes Gas 5 wie etwa flüssiges Kohlendioxid bei einer Expansion in einer Expansionsdüse 1 sich in gasförmiges Gas und einen Festbestandteil wie Trockeneis bzw. Trockenschnee umwandelt. Bei dieser Expansion kühlt sich das flüssige Gas 5 stark ab, so dass z.B. das Trockeneis bzw. der Trockenschnee Temperaturen von -78,5 °C annimmt. Diese Temperaturreduktion kann in an sich bekannter Weise nun dazu genutzt werden, das Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit zu kühlen, indem das expandierte Gas 5 und der Festbestandteil Trockeneis bzw. Trockenschnee in das Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit in dem Behälter 9 eingeleitet wird und das Vo- lumen 10 kältestabiler Flüssigkeit kühlt. Allerdings ist diese an sich bekannte Abkühlung des Volumens 10 kältestabiler Flüssigkeit nur begrenzt effektiv, da die Abküh lungskälte des flüssigen Gases 5 nur unzureichend auf das Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit übertragen wird und sich damit in dem Behälter 9 meist nur Temperaturen von bis zu -50 °C erreichen lassen. Um diese Übertragung des Kältepotentials des expandierenden flüssigen Gases 5 nun besser nutzen und die erreichbaren Temperaturen in dem Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit weiter senken zu können, schlägt die Erfindung vor, dem Volumenstrom des flüssigen Gases 5 vor, in oder nach der Expansionsdüse 1 einen Volu menstrom kältestabiler Flüssigkeit 6 derart zuzumischen, dass sich die kältestabile Flüssigkeit 6 in Form feinster Tröpfchen in dem Gesamt-Volumenstrom 8 verteilt und die Kälte des expandierenden flüssigen Gases 5 dadurch besonders gut und schnell auf die sich bildenden Tröpfchen kältestabiler Flüssigkeit 6 und damit letztendlich auf das Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit überträgt und dieses weit effektiver und damit kälter herunter kühlt, als wenn diese Ausbildung feinster Tröpfchen kältestabiler Flüssigkeit 6 nicht oder nicht hinreichend statt findet. Es ist festgestellt worden, dass bei einer mittels einer Einspritzvorrichtung 7 mit Hilfe einer Düse oder einer sonstigen Vernebelungseinrichtung in den Volumenstrom des flüssigen Gases 5 eingespritzter kältestabiler Flüssigkeit 6 in feinster Tröpfchenform der Gesamt- Volumenstrom 8 aus expandiertem Gas 5, Trockeneis bzw. Trockenschnee und käl testabiler Flüssigkeit 6 bei Verwendung von Kohlendioxid als flüssigem Gas 5 in dem Gesamt-Volumenstrom 8 Temperaturen von ca. -75 °C erreicht werden können Hierdurch ist die Effektivität des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens bei nur gerin gen Verbrauchskosten wesentlich besser als bei den bekannten Kühlverfahren.
Der Behälter kann einen Auslaß 20 für die Rückführung des gasförmigen Gases 13 und der kältestabilen Flüssigkeit 14 in den Primärkreislauf 4 aufweisen, hinter dem in einem nicht näher detaillierten Separator 15 etwa durch Schwerkraftwirkung die bei- den Teilströme 13, 14 wieder voneinander getrennt und die zurück gewonnenen kältestabile Flüssigkeit 16 und das gasförmige Gas 17 über Pumpen 18 wieder in den Kreislauf 4 zurück geführt werden kann. Nicht dargestellt sind eventuelle Vorratbehälter für flüssiges Gas 5 und kältestabile Flüssigkeit 6.
Als kältestabile Flüssigkeit 6 können einzelne oder mehrere Elemente aus der Grup- pe der Stoffe Ethanol, Isopropanol, Alkohol, Methanol, Glycol, Hexan oder Methyl- cyclopentan genutzt werden, bevorzugt sind hierbei sicherlich Ethanol oder Isopropanol als besonders günstige Alkoholverbindungen mit zu der Sublimationstempera tur von Kohlendioxid passendem Gefrierpunkt und unproblematischen Umwelteigen schaften. Sachnummernliste
1 Expansionsdüse
2 Vorrichtung
3 Sekundärkreislauf 4 Primärkreislauf
5 flüssiges Gas
6 kältestabile Flüssigkeit
7 Einspritzvorrichtung
8 eingespritztes Gemisch aus expandiertem flüssigen Gas und kältestabiler Flüssigkeit
9 Behälter Volumen kältestabile Flüssigkeit
10 Volumen kältestabile Flüssigkeit 11 warmes Sekundärfluid 12 kaltes Sekundärfluid 13 gasförmiges Gas
14 gekühlte kältestabile Flüssigkeit
15 Separator
16 kältestabile Flüssigkeit 17 gasförmiges Gas 18 Pumpe
19 Wärmetauscher
20 Auslaß

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Gases (5), bei dem flüssiges Gas (5) in einer Expansionsdüse (1) in Gas und Festpartikel unter Absorption von Wärmeenergie umgewandelt und in eine kältestabile Flüssigkeit (10) einge leitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem flüssigen Gas (5) vor und/oder während und/oder nach der Expansion in der Expansionsdüse (1) eine kältestabile Flüssigkeit (6) derart zugeführt wird, dass sich ein Volumenstrom (8) von feinst verteilten Tröpfchen aus kältestabiler
Flüssigkeit (6) ausbildet, die die Expansionskälte aus der Expansion des flüssigen Gases (5) in ein Volumen (10) aus kältestabiler Flüssigkeit überleiten, das wiederum direkt oder indirekt zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen des Objektes genutzt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kältestabile
Flüssigkeit (6) mittels einer Einspritzeinrichtung (7) dem Volumenstrom des flüssigen Gases (5) zugeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung (7) für die kältestabile Flüssigkeit (6) derart angeordnet wird, dass die kältestabile Flüssigkeit (5) vor und/oder während und/oder nach der Expansion des flüssigen Gases (5) in der Expansionsdüse (1) dem flüssigen Gas (5) zugeführt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kältestabile Flüssigkeit (6) dem Volumenstrom des flüssigen Gases (5) unter erhöhtem Druck zugeführt und dabei feinst in dem flüssigen Gas (5) verteilt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gefrierpunkt der kältestabilen Flüssigkeit (6) unter der Tempera tur des expandierten Gases (8) liegt.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der dem flüssigen Gas (5) zugeführten kältestabilen Flüssigkeit (6) pro Zeiteinheit geringer ist als die Menge des zugeführten flüssigen Gases (5), insbesondere geringer ist als 50% der Menge des zugeführten flüs- sigen Gases (5).
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der erzielten Kühltemperatur durch die Dosierung der Menge des flüssigen Gases (5) und der Menge der kältestabilen Flüssigkeit (6) sowie der Relation der Mengen dieser beiden Stoffe (5, 6) erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas (5) als Bestandteil Kohlendioxid aufweist oder ganz aus Kohlendioxid gebildet wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kältestabile Flüssigkeit (6, 10) ganz oder teilweise zumindest aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe der Stoffe Ethanol, Isopropanol, Alkohol, Methanol, Glycol, Hexan oder Methylcyclopentan gebildet wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas (5) vor der Expansion in der Expansionsdüse (1) Umgebungstemperatur bei Entnahme aus einem Mitteldrucktank oder eine Temperatur unter Umgebungstemperatur bei Entnahme aus einem Kalttank aufweist.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (13) und die kältestabile Flüssigkeit (14) nach der Abgabe der Kühltemperatur in das Volumen (10) aus kältestabiler Flüssigkeit wieder voneinander, vorzugsweise zur Wiederbenutzung, separiert werden, vorzugs weise mittels des Schwerkraftprinzips.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (13) nach der Expansion und Abgabe der Kühltemperatur mit Verflüssigungsaggre gaten rückverflüssigt und kreislaufmäßig zurückgeführt wird.
13. Vorrichtung (2) zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen eines Objektes mittels eines flüssigen Gases (5), mit der flüssiges Gas (5) in einer Expansionsdüse (1) in Gas (13) und Festpartikel unter Absorption von Wärmeenergie umgewandelt und in eine kältestabile Flüssigkeit (10) eingeleitet wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzeinrichtung (7) für die Zuführung einer kältestabilen Flüssigkeit (6) vor und/oder während und/oder nach der Expansion des flüssigen Gases (5) in der Expansionsdüse (1) derart angeordnet und ausgebildet ist, das sich ein Vo lumenstrom (8) von feinst verteilten Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit (6) ausbildet, die die Expansionskälte aus der Expansion des flüssigen Gases (5) in ein Volumen (10) aus kältestabiler Flüssigkeit überleiten, wobei das Volumen (10) aus kältestabiler Flüssigkeit wiederum direkt oder indirekt zur Temperatur- Senkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen des Objektes nutzbar ist.
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