WO2024013176A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines temperierten, kalten gasstroms - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen eines temperierten, kalten gasstroms Download PDF

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Steven Powell
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Definitions

  • the invention relates to a device for generating a temperature-controlled, cold gas stream, with a gas supply line for passing a gas stream through and a liquid supply line connected to a storage tank for cold-liquefied gas, which opens into the gas supply line at an entry device with a nozzle section arranged within the gas supply line
  • Cryogenic media such as nitrogen, oxygen or carbon dioxide
  • Cryogenic media are often stored in liquid form in thermally insulated tanks. Since consumers usually require the stored medium in gaseous form, the stored medium is transferred into the gas phase after liquid removal. This is usually done using air-heated evaporators (hereinafter also referred to as “air evaporators”). Air-heated evaporators, of course, have the disadvantage that ice forms, particularly in unfavorable weather conditions and/or heavy loads, which can significantly impair the functionality of the evaporator.
  • heat exchangers can also be used in which the liquid medium comes into indirect thermal contact with a heat transfer fluid and evaporates while the heat transfer fluid cools down.
  • heat exchangers are designed, for example, as a tubular heat exchanger or as a cooling coil.
  • a process fluid that is produced as a warm medium in the course of an industrial process and must be cooled to a lower working temperature before further use can be used as the heat transfer fluid.
  • this is a hot product stream or a cooling medium, in particular cooling water, which is guided in a cooling circuit using a refrigeration system, which is at least relieved in this way by the evaporation of the cryogenic medium.
  • heat transfer fluids for evaporating cryogenic media at least partially saves the user from having to separately cool the heat transfer fluid to its working temperature and/or the above-mentioned problems when using an air-heated evaporator.
  • the problem with the use of heat transfer fluid-controlled heat exchangers is that the heat transfer fluid often does not have a heat content that is constant over time or that the flow of the heat transfer fluid occurs only irregularly.
  • the temperature of the vaporized cryogenic medium also fluctuates in a manner that is difficult to control.
  • there are applications that require the use of a cold gas stream with a stable temperature For example, when carbonating drinks, the so-called
  • the degree of carbonation i.e. the amount of carbon dioxide that can be dissolved in the drink or in the water used to produce the drink, depends sensitively on the temperature of the carbon dioxide gas supplied.
  • the carbon dioxide used for this is usually provided in low-pressure or medium-pressure tanks in a cold, liquefied state and evaporated before being fed into the drink or water. In such cases, a heat transfer fluid with strongly fluctuating heat content has not been used to evaporate the carbon dioxide, but rather a complex separate device is used to evaporate and temper the carbon dioxide gas.
  • a device and a method for generating a tempered, cold gas stream are known.
  • the device is equipped with a storage tank and a sampling line connected to the storage tank for removing liquefied gas from the storage tank, as well as with a heat exchanger integrated in the sampling line, on which the gas passed through the sampling line evaporates.
  • a liquid supply line branches off from the extraction line, downstream to the storage tank and upstream to the evaporator unit, which flows back into the extraction line at an entry device downstream of the evaporator unit and enables a temperature-controlled admixture of liquefied gas into the evaporated gas.
  • the invention is therefore based on the object of creating a device for generating a tempered, cold gas stream by mixing in a stream of liquefied gas, in which rapid mixing and temperature homogenization takes place.
  • the nozzle section of the liquid supply line is therefore arranged within the gas supply line, preferably concentrically therein.
  • the nozzle section has an outlet opening or a plurality of outlet openings, which preferably open/open into the gas supply line radially on the nozzle section and/or counter to the flow direction of the gas.
  • the outlet opening or outlet openings Through the outlet opening or outlet openings, the liquefied gas from the liquid supply line is introduced into the gas stream guided through the gas supply line in the form of fine droplets, which are carried along by it and gradually evaporate, removing heat from the surrounding gas stream.
  • the gas supply line is equipped with fluids in the area in which the nozzle section is present, by means of which a turbulent flow is generated in the gas stream guided through the gas supply line downstream of the fluids.
  • This promotes rapid and efficient mixing of the gas stream with the liquefied gas introduced.
  • the fluids can - viewed in the flow direction of the gas - be arranged in front of or behind the nozzle section in the gas supply line, but it is preferred that the fluids are at least partially arranged at the level of the nozzle section in the gas supply line and are designed in such a way that the gas flow flows along the surface of the gas supply line Nozzle section is guided, whereby it acts as an additional heat exchanger for cooling the gas.
  • the fluids can be flow bodies formed in the inner wall of the gas supply line or attached to it, such as, for example Profiles protruding into the interior of the gas supply line or a profiling of the pipe of the gas supply line itself.
  • the fluids are deflection plates fastened in the gas supply line and projecting into the interior of the gas supply line.
  • the fluid means are preferably designed in such a way that they direct the gas stream guided through the gas supply line onto the outer surface of the nozzle section. This acts as a heat exchanger surface, which additionally cools the gas flow.
  • the gas passed through the gas supply line and the liquefied gas supplied from the liquid supply line are preferably the same substance, such as nitrogen or oxygen; both can come from different sources or a common source, such as a storage tank.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of deflection plates are provided as fluid, which extend from at least a portion of the inner wall of the gas supply line to at least approximately an outer surface of the nozzle section.
  • the deflection plates are flat, approximately semicircular disc-shaped bodies, which are preferably attached in a gas-tight manner with their arcuate edge section to the inner wall of the tubular gas supply line and with their straight edge section run transversely inside the gas supply line, whereby they extend at least approximately to the outer surface of the Nozzle section is enough. This creates a constriction within the gas supply line, which forces the gas stream to flow along the surface of the nozzle section.
  • the deflection plates in particular the previously described semicircular disk-shaped elements, are arranged obliquely in the gas supply line, at an angle of preferably between 30° and 75°, particularly preferably between 40° and 50°, inclined relative to the flow direction of the gas .
  • the gas flow guided through the gas supply line therefore hits the deflection plates at an obtuse angle and is directed by them towards the outer surface of the nozzle section.
  • a plurality of fluids are arranged one behind the other in the gas supply line along the nozzle section (seen in the flow direction of the gas). The gas stream is therefore directed several times in succession to the surface of the nozzle section and thereby cools down further
  • two fluids are arranged symmetrically to one another on opposite sides of the nozzle section in the gas supply line in the area of the nozzle section. If the fluids are the previously mentioned deflection plates, this configuration leads to a slot-shaped passage within which the nozzle section is arranged.
  • several pairs of fluids are preferably arranged one behind the other (seen in the flow direction of the gas) and rotated relative to the front pair by an angle of, for example, 90° about the axis of the gas supply line.
  • a preferred nozzle section is equipped with a porous body made of sintered metal or sintered ceramic.
  • This is a preferably cylindrical or conical shaped porous body, through whose pores the liquefied gas is introduced from the liquid line into the gas supply line.
  • the liquefied gas is therefore introduced in the form of fine droplets into the gas, which is guided through the flow bodies close to the surface of the sintered body, whereby a particularly intimate mixing of gas and liquid is achieved.
  • both the gas stream in the gas supply line and the liquefied gas in the liquid supply line come from the same source.
  • the gas supply line is connected to a storage tank for liquefied gas, to which the liquid supply line is also connected.
  • a heat exchanger or evaporator is integrated into the gas supply line, which ensures the evaporation of the liquefied gas from the storage tank. That so The vaporized gas is then passed through the gas supply line as a gas stream and is tempered with the help of liquefied gas metered in via the liquid supply line. Heat from a process gas can also be used to evaporate or partially evaporate the gas, particularly in the heat exchanger.
  • the device according to the invention advantageously comprises an automatic control system, by means of which the supply of liquefied gas mixture from the liquid supply line into the gas stream guided through the gas supply line can be controlled according to measured or predetermined parameters, for example the temperature of the gas stream before and/or after the supply of the liquefied gas.
  • Fig. 1 The circuit diagram of a device according to the invention.
  • Fig. 2a An entry system for liquefied gas according to the invention
  • Fig. 2b The entry system from Fig. 2a in a view rotated by 90 ° around the longitudinal axis and
  • Fig. 3 The entry system from Fig. 2a/2b in one of the plane III-III in Fig.
  • a device of the type shown in FIG. 1 is used in particular to generate a tempered cold gas stream, as is used in particular in the food industry, for example in the carbonization of beverages or the inerting of food products.
  • the evaporated carbon dioxide is fed into a drink and at least partially dissolved in it.
  • the desired or achievable degree of carbonization depends, among other things, on the temperature of the supplied gas and therefore requires uniform temperature control of the supplied gas stream during production.
  • the device 1 includes a thermally well-insulated storage tank 2 for a cryogenic liquefied gas, for example liquid nitrogen or liquid Carbon dioxide. Liquefied gas is removed from the storage tank 2 via a removal line 3 and fed to an evaporator unit 4.
  • a cryogenic liquefied gas for example liquid nitrogen or liquid Carbon dioxide. Liquefied gas is removed from the storage tank 2 via a removal line 3 and fed to an evaporator unit 4.
  • the evaporator unit 4 comprises a heat exchanger 5 in which the liquefied gas comes into indirect thermal contact with a heat transfer fluid and thereby evaporates.
  • the heat transfer fluid is, for example, a medium that has to be cooled anyway in the course of an industrial process and whose excess heat can be used advantageously to evaporate the liquefied gas.
  • the heat transfer fluid is a cooling medium that passes through a cooling circuit 6 for the purpose of cooling an industrial process.
  • the heat transfer fluid comes into indirect thermal contact on a heat exchanger surface 7 with the liquefied gas from the storage tank 2, which is supplied via the part of the extraction line 3 on the inflow side of the heat exchanger 5.
  • the liquefied gas evaporates completely or partially and flows on as evaporated gas through a to Heat exchanger 5 downstream gas supply line 8.
  • the evaporator unit 4 has an air evaporator 10 arranged parallel to the heat exchanger 5.
  • the evaporator unit 4 includes both an air evaporator 10 and a heat exchanger s; it is essential that the liquefied gas completely evaporates in the evaporator unit 4.
  • a liquid supply line 13 branches off from the extraction line 3, downstream to the storage tank 2, but upstream to the evaporator unit 4, which is fed into the evaporator unit 4 at an entry device 15 described in more detail below Gas supply line 8 opens.
  • the liquid supply line 13 is equipped with a control valve 16 which, depending on a parameter measured on a measuring device 17 downstream of the entry device 15 in the gas supply line 8, in particular the temperature of the evaporated gas, controls the inflow of liquefied gas into the gas flowing through the gas supply line 8 regulates.
  • the measuring device 17 can of course also be arranged upstream of the entry device 15 on the gas supply line 8.
  • the device 1 liquefied gas is removed from the storage tank 2, evaporated in the evaporator unit 4 and supplied for its intended use in a consumer 14 connected to the gas supply line 8.
  • the consumer 14 is a device for carbonating drinks. In this case, it is necessary that the gas in the consumer reaches the consumer 14 at a temperature that is as precisely defined as possible (determination temperature).
  • the amount of heat introduced into the evaporated gas via the heat exchanger 5, the air evaporator 10 and/or other sources is not always sufficiently constant and can be subject to fluctuations over time.
  • the amount of heat introduced via the air evaporator 10 depends in particular on atmospheric factors, such as ambient temperature, ambient pressure or humidity, which make precise adjustment of the temperature of the evaporated gas in the gas supply line 3 difficult or even impossible.
  • the temperature of the evaporated gas in the gas supply line 8 depends on various factors upstream of the entry device 15; However, within the scope of the invention, it should be above the determination temperature, although this can, if necessary, be ensured by a heating device not shown here.
  • liquefied gas is introduced directly into the gas in the gas supply line 8 at the entry device 15 and preferably cools it down to the determination temperature. This is possible with high precision thanks to the temperature control of the control valve 16; The device 1 thus enables very precise temperature control of the evaporated gas in the gas supply line 8. Furthermore, within the scope of the invention, it is by no means necessary that the gas stream flowing through the gas supply line 8 was previously generated by evaporating a liquefied gas; Rather, the gas flowing in the gas supply line 8 can also come from other sources and be passed through the gas supply line 8 as gas to be tempered.
  • FIG. 2b shows the entry system from FIG rotated view.
  • the liquid feed line 13 opens at an L-shaped bent end section, one leg of which is arranged within, preferably concentrically, in the gas feed line 8 and is equipped with a nozzle section 18.
  • the nozzle section 18 projects from the end section of the liquid supply line 13 in the opposite direction to the flow direction 20 of the gas flow in the gas supply line 8, indicated by an arrow, and has a plurality of flow openings which open axially and/or radially into the gas supply line 8.
  • the nozzle section 18 has a spray nozzle provided with corresponding openings or a sintered body 21 made of metal or ceramic, which enables a very fine distribution of the liquefied gas in the gas flowing through the gas supply line 8.
  • a plurality of flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d are arranged within the gas supply line 8 at the level of the nozzle section 18.
  • the flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d are each flat, approximately semicircular disk-shaped deflection plates, which are attached with their arcuate edge section to the inner wall of the cylindrical gas supply line 8 and with their stretch-shaped edge section within the Gas supply line 8 extends almost to the outer wall of the nozzle section 18, whereby they are preferably arranged obliquely, at an angle of 30 ° to 75 ° with respect to the flow direction 20.
  • the flow bodies 22a, 22b; 22c, 22d are each arranged in pairs symmetrically to one another, with the flow bodies 22c, 22d - seen in the flow direction 20 - spaced apart behind the flow bodies 22a, 22b and rotated at an angle of 90 ° about the longitudinal axis 19 in the gas supply line 8.
  • the arrangement of the flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d shown here has the following consequences: On the one hand, due to the narrowing of the flow cross section, downstream of the flow body pairs 22a, 22b; 22c, 22d Turbulence in the gas stream, which promotes the intimate mixing of the supplied liquid gas with the surrounding gas stream. This results in a fine distribution of the liquefied gas in the stream of evaporated gas, so that a gas with a largely homogeneous temperature is already present at the measuring device 17. On the other hand, the gas flowing through the gas supply line 8 is directed towards the nozzle section 18, whereby part of the heat content of the gas is transferred to the nozzle body 18, which is cooled by the liquid gas. Furthermore, this arrangement of the flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d prevents any liquid gas from collecting at the bottom of the gas supply line 8 and flowing out through the gas supply line 8.
  • the sequence of flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d described here can also be repeated several times in the gas supply line 8, which is not shown for reasons of clarity.
  • the flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d can also be arranged in the gas supply line 8 in a different way than shown here, for example the flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d can each be arranged offset from one another in the longitudinal direction instead of the pairwise arrangement shown here be.
  • more or fewer than the four flow bodies 22a, 22b, 22c, 22d shown here can also be provided.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines temperierten, kalten Gasstroms, mit einer Gaszuleitung zum Durchleiten eines Gasstroms und einer an einem Speichertank angeschlossenen Entnahmeleitung zum Entnehmen von verflüssigtem Gas, die an einem Düsenabschnitt in die Gaszuleitung einmündet, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in der Gaszuleitung, radial außenseitig an der Düsenanordnung, Strömungskörper zum Erzeugen einer turbulenten Strömung in der Gaszuleitung angeordnet sind.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines temperierten, kalten Gasstroms
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines temperierten, kalten Gasstroms, mit einer Gaszuleitung zum Durchleiten eines Gasstroms und einer an einem Speichertank für kälteverflüssigtes Gas angeschlossenen Flüssigzuleitung, die an einer Eintragseinrichtung mit einem innerhalb der Gaszuleitung angeordneten Düsenabschnitt in die Gaszuleitung einmündet
Die Speicherung kryogener Medien, wie beispielweise Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid, erfolgt häufig in wärmeisolierten Tanks in flüssiger Form. Da das gespeicherte Medium seitens der Verbraucher meist in gasförmiger Form benötigt wird, erfolgt nach einer Flüssigentnahme ein Überführen des gespeicherten Mediums in die Gasphase. Dies erfolgt üblicherweise mittels luftbeheizter Verdampfer (im Folgenden auch „Luftverdampfer“ genannt). Luftbeheizte Verdampfer haben freilich den Nachteil, dass es insbesondere bei ungünstigen Witterungsverhältnissen und/oder starker Belastung zu Eisbildungen kommt, die die Funktionsfähigkeit des Verdampfers erheblich beeinträchtigen können.
Anstelle luftbeheizter Verdampfer können jedoch auch Wärmetauscher zur Anwendung kommen, in denen das flüssige Medium mit einem Wärmeträgerfluid in indirekten Wärmekontakt tritt und dabei verdampft, während sich das Wärmeträgerfluid abkühlt. Derartige Wärmetauscher sind beispielsweise als Röhrenwärmetauscher oder als Kühlschlange ausgestaltet. Als Wärmeträgerfluid kann dabei insbesondere auch ein Prozessfluid zum Einsatz kommen, das im Zuge eines industriellen Prozesses als warmes Medium anfällt und vor einer weiteren Verwendung auf eine niedrigere Arbeitstemperatur abgekühlt werden muss. Beispielsweise handelt es sich dabei um einen heißen Produktstrom oder um ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, das in einem Kühlkreislauf unter Einsatz einer Kälteanlage geführt wird, die auf diese Weise durch die Verdampfung des kryogenen Mediums zumindest entlastet wird. Der Einsatz derartiger Wärmeträgerfluide zum Verdampfen kryogener Medien erspart dem Anwender zumindest teilweise die separate Kühlung des Wärmeträgerfluids auf seine Arbeitstemperatur und/oder die oben erwähnten Probleme beim Einsatz eines luftbeheizten Verdampfers. Problematisch beim Einsatz von Wärmeträgerfluid-gesteuerten Wärmetauschern ist jedoch, dass das Wärmeträgerfluid häufig keinen zeitlich konstanten Wärmeinhalt besitzt bzw. der Mengenstrom des Wärmeträgerfluids nur unregelmäßig anfällt. In der Folge schwankt auch die Temperatur des verdampften kryogenen Mediums in einer schwer zu kontrollierenden Weise. Jedoch gibt es Anwendungsfälle, bei denen der Einsatz eines kalten Gasstroms mit einer stabilen Temperatur gefordert wird. Beispielsweise hängt bei der Karbonisierung von Getränken der sog.
Karbonisierungsgrad, also die Menge an im Getränk bzw. in dem zur Herstellung des Getränks verwendeten Wasser einlösbaren Kohlendioxid, empfindlich von der Temperatur des zugeführten Kohlendioxidgases ab. Das hierfür eingesetzte Kohlendioxid wird in der Regel in Niederdruck- oder Mitteldrucktanks im kalten verflüssigten Zustand bereitgestellt und vor der Zuführung an das Getränk bzw. das Wasser verdampft. In solchen Fällen sieht man bislang davon ab, zur Verdampfung des Kohlendioxids ein Wärmeträgerfluid mit stark schwankendem Wärmeinhalt einzusetzen, sondern man setzt eine aufwändige separate Einrichtung zur Verdampfung und Temperierung des Kohlendioxidgases ein.
Aus der DE 10 2020 001 082 A1 ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines temperierten, kalten Gasstroms bekannt. Die Vorrichtung ist mit einem Speichertank und einer an den Speichertank angeschlossenen Entnahmeleitung zum Entnehmen von verflüssigtem Gas aus dem Speichertank sowie mit einem in der Entnahmeleitung integrierten Wärmetauscher ausgerüstet, an dem das durch die Entnahmeleitung geführte Gas verdampft. Von der Entnahmeleitung zweigt, stromab zum Speichertank und stromauf zur Verdampfereinheit, eine Flüssigzuleitung ab, die stromab zur Verdampfereinheit an einer Eintragseinrichtung wieder in die Entnahmeleitung einmündet und eine temperaturgeregelte Beimischung von verflüssigtem Gas in das verdampfte Gas ermöglicht. Diese Anordnung hat sich bewährt, jedoch benötigen die beiden Komponenten stromab zur Eintragseinrichtung eine vergleichsweise lange Wegstrecke, bis eine weitgehende Temperaturhomogenität erreicht ist, was wiederum zu einem erhöhten Platzbedarf, höheren Erstellungskosten und einem erhöhten Energieverbrauch führt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines temperierten, kalten Gasstroms durch Einmischen eines Stroms verflüssigten Gases zu schaffen, in der eine rasche Durchmischung und Temperaturhomogenisierung erfolgt.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass die Gaszuleitung im Bereich des Düsenabschnitts mit Strömungsmitteln zum Erzeugen einer turbulenten Strömung in dem durch die Gaszuleitung geführten Gasstrom ausgerüstet ist.
Erfindungsgemäß ist der Düsenabschnitt der Flüssigzuleitung also innerhalb der Gaszuleitung, bevorzugt konzentrisch in dieser, angeordnet. Der Düsenabschnitt weist eine Austrittsöffnung oder eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen auf, die bevorzugt radial am Düsenabschnitt und/oder entgegen der Strömungsrichtung des Gases in die Gaszuleitung ausmündet/ausmünden. Durch die Austrittsöffnung bzw. die Austrittsöffnungen wird das verflüssigte Gas aus der Flüssigzuleitung in Form feiner Tröpfchen in den durch die Gaszuleitung geführten Gasstrom eingetragen, die von diesem mitgerissen werden und allmählich verdampfen, wobei sie dem umgebenden Gasstrom Wärme entziehen.
Weiterhin ist die Gaszuleitung in dem Bereich, in dem der Düsenabschnitt vorliegt, mit Strömungsmitteln ausgerüstet, mittels denen in dem durch die Gaszuleitung geführten Gasstrom stromab zu den Strömungsmitteln eine turbulente Strömung erzeugt wird. Dadurch wird eine rasche und effiziente Durchmischung des Gasstroms mit dem eingetragenen verflüssigten Gas begünstigt. Die Strömungsmittel können -in Strömungsrichtung des Gases gesehen- vor oder hinter dem Düsenabschnitt in der Gaszuleitung angeordnet sein, bevorzugt ist jedoch, dass die Strömungsmittel zumindest teilweise auf Höhe des Düsenabschnitts in der Gaszuleitung angeordnet und derart ausgebildet sind, dass der Gasstrom entlang der Oberfläche des Düsenabschnitts geführt wird, wodurch diese als zusätzlicher Wärmetauscher zum Abkühlen des Gases fungiert.
Bei den Strömungsmitteln kann es sich um in der Innenwand der Gaszuleitung eingeformte oder an dieser befestige Strömungskörper handeln, wie beispielsweise in den Innenraum der Gaszuleitung vorstehende Profile oder um eine Profilierung des Rohrs der Gaszuleitung selbst. Beispielsweise handelt es sich bei den Strömungsmittel um in der Gaszuleitung befestigte, in den Innenraum der Gaszuleitung vorstehende Umlenkbleche. Die Strömungsmittel sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie den durch die Gaszuleitung geführten Gasstrom auf die Außenoberfläche des Düsenabschnitts lenken. Dadurch fungiert dieser als Wärmetauscherfläche, wodurch der Gasstrom zusätzlich gekühlt wird.
Bei dem durch die Gaszuleitung geführten Gas und dem aus der Flüssigzuleitung zugeführte verflüssigte Gas handelt es sich bevorzugt um die gleiche Substanz, wie beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff; beide können aus unterschiedlichen Quellen oder einer gemeinsamen Quelle entstammen, beispielsweise einem Speichertank.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Strömungsmittel eine Mehrzahl von Umlenkblechen vorgesehen sind, die sich von zumindest einem Teilabschnitt der Innenwand der Gaszuleitung bis zumindest annähernd an eine Außenoberfläche des Düsenabschnitts erstrecken.
Beispielsweise handelt es sich bei den Umlenkbleichen um ebene, ungefähr halbkreisscheibenförmige Körper, die mit ihrem bogenförmigen Randabschnitt an der Innenwand der rohrförmigen Gaszuleitung bevorzugt gasdicht befestigt sind und mit ihrem geraden Randabschnitt quer im Innern der Gaszuleitung verlaufen, wobei sie bis zumindest annähernd an die Außenoberfläche des Düsenabschnitts reichen. Dadurch wird innerhalb der Gaszuleitung eine Engstelle geschaffen, die den Gasstrom entlang der Oberfläche des Düsenabschnitts zu strömen zwingt.
In einer besonders bevorzugten Ausbildungsform sind die Umlenkbleche, insbesondere die zuvor beschriebenn halbkreisscheibenförmigen Elemente, dabei schräg in der Gaszuleitung, in einem Winkel von bevorzugt zwischen 30° und 75°, besonders bevorzugt zwischen 40° und 50°, gegenüber der Strömungsrichtung des Gases geneigt angeordnet. Der durch die Gaszuleitung geführte Gasstrom stößt also in einem stumpfen Winkel auf die Umlenkbleche und wird von diesen in Richtung auf die Außenoberfläche des Düsenabschnitts gelenkt. Bevorzugt sind in der Gaszuleitung entlang des Düsenabschnitts eine Mehrzahl an Strömungsmitteln hintereinander (in Strömungsrichtung des Gases gesehen) angeordnet. Der Gasstrom wird also mehrfach nacheinander zur Oberfläche des Düsenabschnitts geleitet und kühlt sich dadurch weiter ab
In einer gleichfalls vorteilhaften Verkörperung der Erfindung sind in der Gaszuleitung im Bereich des Düsenabschnitts jeweils zwei Strömungsmittel symmetrisch zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Düsenabschnitts angeordnet. Handelt es sich bei den Strömungsmitteln um die zuvor erwähnten Umlenkbleche, führt diese Ausgestaltung zu einem schlitzförmigen Durchlass, innerhalb dessen der Düsenabschnitt angeordnet ist. Dabei sind bevorzugt mehrere Paare von Strömungsmitteln hintereinander (in Strömungsrichtung des Gases gesehen) und gegenüber dem jeweils vorderen Paar um einen Winkel von beispielsweise 90° um die Achse der Gaszuleitung gedreht angeordnet.
Ein bevorzugter Düsenabschnitt ist mit einem porösen Körper aus Sintermetall oder Sinterkeramik ausgerüstet. Dabei handelt es sich um einen bevorzugt zylindrisch oder konisch geformten porösen Körper, durch dessen Poren das verflüssigte Gas aus der Flüssigleitung in die Gaszuleitung eingetragen wird. Das verflüssigte Gas wird also in Form feiner Tröpfchen in den durch die Strömungskörper eng an die Oberfläche des Sinterkörpers geführte Gas eingetragen, wodurch eine besonders innige Durchmischung von Gas und Flüssigkeit erzielt wird.
Um die Effizienz der Kühlung des Gasstroms weiter zu verbessern, ist es vorteilhaft, den Düsenabschnitt der Flüssigzuleitung derart innerhalb der Gaszuleitung auszurichten, dass das verflüssigte Gas in seinem Innern im Gegenstrom zum Gas in der Gaszuleitung zuströmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entstammen sowohl der Gasstrom in der Gaszuleitung als auch das verflüssigte Gas in der Flüssigzuleitung der gleichen Quelle. Dazu ist die Gaszuleitung an einen Speichertank für verflüssigtes Gas angeschlossen, an den auch die Flüssigzuleitung angeschlossen ist. In der Gaszuleitung ist ein Wärmetauscher oder ein Verdampfer integriert, der für die Verdampfung des verflüssigten Gases aus dem Speichertank sorgt. Das so verdampfte Gas wird anschließend als Gasstrom durch die Gaszuleitung geführt und mit Hilfe von über die Flüssigzuleitung zudosiertem verflüssigtem Gas temperiert. Dabei kann insbesondere im Wärmetauscher auch Wärme aus einem Prozessgas zur Verdampfung oder Teilverdampfung des Gases genutzt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Regelautomatik, mittels der die Zufuhr von verflüssigtem Gasgemisch aus der Flüssigzuleitung in den durch die Gaszuleitung geführten Gasstrom nach gemessenen oder vorgegebenen Parametern, beispielsweise der Temperatur des Gasstroms vor und/oder nach der Zuleitung des verflüssigten Gases, steuerbar ist.
Anhand der Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 : Das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2a: Ein Eintragssystem für verflüssigtes Gas der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus Fig. 1 im Längsschnitt,
Fig. 2b: Das Eintragssystem aus Fig. 2a in einer um 90° um die Längsachse gedrehten Ansicht und
Fig. 3: Das Eintragssystem aus Fig. 2a/2b in einer aus der Ebene Ill-Ill in Fig.
2a gesehenen Draufsicht.
Eine Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art dient insbesondere der Erzeugung eines temperierten Kaltgasstroms, wie er insbesondere in der Lebensmittelindustrie, beispielsweise bei der Karbonisierung von Getränken oder der Inertisierung von Lebensmittelprodukten zum Einsatz kommt. In einer Einrichtung zum Karbonisieren von Getränken wird das verdampfte Kohlendioxid einem Getränk zugeführt und zumindest teilweise in diesem gelöst. Der gewünschte bzw. erreichbare Karbonisierungsgrad ist u.a. von der Temperatur des zugeführten Gases abhängig und erfordert daher in der Produktion eine gleichmäßige Temperierung des zugeführten Gasstroms.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen thermisch gut isolierten Speichertank 2 für ein tiefkalt verflüssigtes Gas, beispielsweise für flüssigen Stickstoff oder flüssiges Kohlendioxid. Über eine Entnahmeleitung 3 wird verflüssigtes Gas aus dem Speichertank 2 entnommen und einer Verdampfereinheit 4 zugeführt.
Die Verdampfereinheit 4 umfasst im hier dargestellten Beispiel einen Wärmetauscher 5, in dem das verflüssigte Gas in indirekten Wärmekontakt mit einem Wärmeträgerfluid gelangt und dabei verdampft. Beim Wärmeträgerfluid handelt es sich beispielsweise um ein Medium, das im Zuge eines industriellen Prozesses ohnehin gekühlt werden muss und dessen überschüssige Wärme in vorteilhafter Weise zur Verdampfung des verflüssigten Gases genutzt werden kann. Beispielsweise handelt es sich beim Wärmeträgerfluid um ein Kühlmedium, das zwecks Kühlung eines industriellen Prozesses einen Kühlkreislauf 6 durchläuft. Im Wärmetauscher 5 kommt das Wärmeträgerfluid an einer Wärmetauscherfläche 7 in indirekten Wärmekontakt mit dem über den zum Wärmetauscher 5 anströmseitigen Teil der Entnahmeleitung 3 herangeführten verflüssigten Gas aus dem Speichertank 2. Dabei verdampft das verflüssigte Gas ganz oder teilweise und strömt als verdampftes Gas weiter durch eine zum Wärmetauscher 5 abströmseitige Gaszuleitung 8.
Für den Fall, dass im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmeeintrag aus dem Wärmeträgerfluid in das verflüssigte Gas im Wärmetauscher 5 nicht ausreicht, das verflüssigte Gas vollständig zu verdampfen, weist die Verdampfereinheit 4 einen parallel zum Wärmetauscher 5 angeordneten Luftverdampfer 10 auf. Ein Regelventil
11 steuert den Zufluss des verflüssigten Gases in den Wärmetauscher 5 und/oder den Luftverdampfer 10 in Abhängigkeit von einem Parameter, der an einem Sensor
12 in der Gaszuleitung 8 gemessen wird und bei dem es sich insbesondere um die Temperatur oder die Konsistenz des Gases in der Gaszuleitung 8 handelt. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, dass die Verdampfereinheit 4 sowohl einen Luftverdampfer 10 als auch einen Wärmetauscher s umfasst, wesentlich ist, dass das verflüssigte Gas in der Verdampfereinheit 4 vollständig verdampft.
Von der Entnahmeleitung 3 zweigt, stromab zum Speichertank 2, jedoch stromauf zur Verdampfereinheit 4, eine Flüssigzuleitung 13 ab, die an einer unten näher beschriebenen Eintragseinrichtung 15 stromab zur Verdampfereinheit 4 in die Gaszuleitung 8 einmündet. Die Flüssigzuleitung 13 ist mit einem Regelventil 16 ausgerüstet, das in Abhängigkeit von einem an einer Messeinrichtung 17 stromab zur Eintragseinrichtung 15 in der Gaszuleitung 8 gemessenen Parameter, insbesondere der Temperatur des verdampften Gases, den Zustrom von verflüssigtem Gas in das durch die Gaszuleitung 8 strömende Gas regelt. Die Messeinrichtung 17 kann im Übrigen selbstverständlich auch stromauf zur Eintragseinrichtung 15 an der Gaszuleitung 8 angeordnet sein.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird verflüssigtes Gas aus dem Speichertank 2 entnommen, in der Verdampfereinheit 4 verdampft und seiner bestimmungsgemäßen Verwendung in einem an die Gaszuleitung 8 angeschlossenen Verbraucher 14 zugeführt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Verbraucher 14 um eine Einrichtung zum Karbonisieren von Getränken. Bei dieser ist es erforderlich, dass das Gas im Verbraucher mit einer möglichst exakt definierten Temperatur (Bestimmungstemperatur) zum Verbraucher 14 gelangt.
Die über den Wärmetauscher 5, den Luftverdampfer 10 und/oder sonstigen Quellen in das verdampfte Gas eingetragene Wärmemenge ist jedoch nicht immer hinreichend konstant und kann im Laufe der Zeit Schwankungen unterworfen sein. Beispielsweise hängt die über den Luftverdampfer 10 eingetragene Wärmemenge insbesondere von atmosphärischen Faktoren, wie Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck oder Luftfeuchtigkeit ab, die eine genaue Einstellung der Temperatur des verdampften Gases in der Gaszuleitung 3 erschweren oder gar unmöglich machen. Die Temperatur des verdampften Gases in der Gaszuleitung 8 ist stromauf zur Eintragseinrichtung 15 also von verschiedenen Faktoren abhängig; sie sollte im Rahmen der Erfindung jedoch oberhalb der Bestimmungstemperatur liegen, was allerdings gegebenenfalls durch eine hier nicht gezeigte Heizeinrichtung gewährleistet werden kann. Um einen zu hohen Wärmeeintrag auszugleichen, wird an der Eintragseinrichtung 15 verflüssigtes Gas direkt in das Gas in der Gaszuleitung 8 eingetragen und kühlt dieses bevorzugt auf die Bestimmungstemperatur ab. Durch die Temperaturregelung des Regelventils 16 ist dies mit hoher Präzision möglich; die Vorrichtung 1 ermöglicht so eine sehr genaue Temperierung des verdampften Gases in der Gaszuleitung 8. Im Übrigen ist es im Rahmen der Erfindung keineswegs erforderlich, dass der durch die Gaszuleitung 8 strömende Gasstrom zuvor durch Verdampfen eines verflüssigten Gases erzeugt wurde; vielmehr kann das in der Gaszuleitung 8 strömende Gas auch anderen Quellen entstammen und als zu temperierendes Gas durch die Gaszuleitung 8 geführt werden. In diesem Fall besteht keine Strömungsverbindung zwischen der Entnahmeleitung 3 und der Gaszuleitung 8, und es gibt auch keine Verdampfereinheit 4, sondern das verflüssigte Gas aus dem Speichertank 2, bei dem es sich bevorzugt um Gas des gleichen Typs wie das durch die Gaszuleitung 8 geführte handelt, wird über die Flüssigzuleitung 13 in die Gaszuleitung 8 zwecks Temperierung des Gases in der Gaszuleitung 8 eingespeist.
Das in Fig. 2a/2b und Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Eintragssystem 15 der Vorrichtung 1 ist in einem zylindrischen Abschnitt der Gaszuleitung 8. Dabei zeigt Fig. 2b das Eintragssystem aus Fig. 2a in einer um 90° um eine Längsachse 19 der Gaszuleitung 8 gedrehten Ansicht. Wie insbesondere in Fig. 2a sichtbar, mündet die Flüssigzuleitung 13 an einem L-förmig gebogenen Endabschnitt aus, dessen einer Schenkel innerhalb, bevorzugt konzentrisch, in der Gaszuleitung 8 angeordnet und mit einem Düsenabschnitt 18 ausgerüstet ist. Der Düsenabschnitt 18 steht entgegen der durch einen Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung 20 des Gasstroms in der Gaszuleitung 8 vom Endabschnitt der Flüssigzuleitung 13 vor und weist eine Mehrzahl von in die Gaszuleitung 8 axial und/oder radial ausmündende Strömungsöffnungen auf. Beispielweise weist der Düsenabschnitt 18 eine mit entsprechenden Öffnungen versehene Sprühdüse oder einen Sinterkörper 21 aus Metall oder Keramik auf, der eine sehr feinen Verteilung des verflüssigten Gases in dem durch die Gaszuleitung 8 strömenden Gases ermöglicht.
Um eine möglichst rasche Durchmischung des beim aus der Flüssigzuleitung 13 herangeführten verdampfenden Gases mit dem durch die Gaszuleitung 8 geführten Gasstroms zu gewährleisten, sind innerhalb der Gaszuleitung 8 auf Höhe des Düsenabschnitts 18 eine Mehrzahl an Strömungskörpern 22a, 22b, 22c, 22d angeordnet. Bei den Strömungskörpern 22a, 22b, 22c, 22d handelt es sich jeweils um flache, ungefähr halbkreisscheibenförmige Umlenkbleche, die mit ihrem bogenförmigen Randabschnitt an der Innenwand der zylindrischen Gaszuleitung 8 befestigt sind und mit ihrem streckenförmigen Randabschnitt innerhalb der Gaszuleitung 8 bis nahezu an die Außenwand des Düsenabschnitts 18 reichen, wobei sie bevorzugt schräg, mit einem Winkel von 30° bis 75° gegenüber der Strömungsrichtung 20 geneigt, angeordnet sind. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Strömungskörper 22a, 22b; 22c, 22d jeweils paarweise symmetrisch zueinander angeordnet, wobei die Strömungskörper 22c, 22d - in Strömungsrichtung 20 gesehen - beabstandet hinter den Strömungskörpern 22a, 22b und um einen Winkel von 90° um die Längsachse 19 gedreht in der Gaszuleitung 8 angeordnet sind.
Die hier gezeigte Anordnung der Strömungskörper 22a, 22b, 22c, 22d hat folgende Konsequenzen: Zum einen entstehen aufgrund der Verengungen des Strömungsquerschnitts stromab zu den Strömungskörperpaaren 22a, 22b; 22c, 22d Turbulenzen im Gasstrom, die die innige Durchmischung des zugeführten flüssigen Gases mit dem umgebenden Gasstrom fördern. Dadurch kommt es zu einer feinen Verteilung des verflüssigten Gases im Strom des verdampften Gases, sodass an der Messeinrichtung 17 bereits ein Gas mit einer weitestgehend homogenen Temperatur vorliegt. Zum andern wird das durch die Gaszuleitung 8 strömende Gas in Richtung auf den Düsenabschnitt 18 gelenkt, wodurch ein Teil des Wärmeinhalts des Gases auf den vom flüssigen Gas gekühlten Düsenkörper 18 übertragen wird. Weiterhin verhindert diese Anordnung der Strömungskörper 22a, 22b, 22c, 22d, dass sich etwaig am Boden der Gaszuleitung 8 flüssiges Gas ansammelt und durch die Gaszuleitung 8 abfließt.
Im Übrigen kann sich - bei Wahl eines hinreichend langen Düsenabschnitts 18 - die hier beschriebene Abfolge von Strömungskörpern 22a, 22b, 22c, 22d in der Gaszuleitung 8 auch mehrfach wiederholen, was indes aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist. Weiterhin können die Strömungskörper 22a, 22b, 22c, 22d auch in anderer Weise als hier gezeigt in der Gaszuleitung 8 angeordnet sein, beispielsweise können die Strömungskörper 22a, 22b, 22c, 22d, anstelle der hier gezeigten paarweisen Anordnung, jeweils in Längsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein. Selbstverständlich können auch mehr oder weniger als die hier gezeigten vier Strömungskörper 22a, 22b, 22c, 22d vorgesehen sein. Bezuqszeichenliste:
1 Vorrichtung
2 Tank
3 Entnahmeleitung
4 Verdampfereinheit
5 Wärmetauscher
6 Kühlkreislauf
7 Wärmetauscherfläche
8 Gaszuleitung
9
10 Luftverdampfer
11 Regelventil
12 Sensor
13 Flüssigzuleitung
14 Verbraucher
15 Eintragseinrichtung
16 Regelventil
17 Messeinrichtung
18 Düsenabschnitt
19 Längsachse
20 Strömungsrichtung
21 Sinterkörper
22a, 22b, 22c, 22d Strömungskörper

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines temperierten, kalten Gasstroms, mit einer Gaszuleitung (8) zum Durchleiten eines Gasstroms und einer an einem Speichertank (2) für kälteverflüssigtes Gas angeschlossenen Flüssigzuleitung (13), die an einer Eintragseinrichtung (15) mit einem innerhalb der Gaszuleitung (8) angeordneten Düsenabschnitt (18) in die Gaszuleitung (8) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuleitung (8) im Bereich des Düsenabschnitts (18) mit Strömungsmitteln (22a, 22b, 22c, 22d) zum Erzeugen einer turbulenten Strömung in dem durch die Gaszuleitung (8) geführten Gasstrom ausgerüstet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungsmittel (22a, 22b, 22c, 22d) Umlenkbleche vorgesehen sind, die sich von zumindest einem Teilabschnitt der Innenwand der Gaszuleitung (8) bis zumindest annähernd an eine Außenfläche des Düsenabschnitts (18) erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkbleche gegenüber der Strömungsrichtung des Gases in der Gaszuleitung (8) geneigt in der Gaszuleitung (8) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gaszuleitung (8), entlang dem Düsenabschnitt (18), eine Mehrzahl an Strömungsmitteln (22a, 22b, 22c, 22d) in Strömungsrichtung des Gases gesehen hintereinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Düsenabschnitt (18) jeweils zwei Strömungsmittel (22a, 22b; 22c, 22d) symmetrisch zueinander gegenüberliegend angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Paare von Strömungsmitteln (22a, 22b; 22c, 22d) hintereinander in der Gaszuleitung (8) angeordnet sind, wobei das jeweils hintere Paar gegenüber dem jeweils vorderen Paar um einen vorgegebenen Winkel um eine Längsachse (19) der Gaszuleitung (8) gedreht in der Gaszuleitung (8) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenabschnitt (18) einen porösen Körper (21 ) aus Sintermetall oder Sinterkeramik aufweist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenabschnitt (18) der Flüssigzuleitung (13) derart innerhalb der Gaszuleitung (8) ausgerichtet ist, dass das verflüssigte Gas in seinem Innern im Gegenstrom zum Strom des Gases in der Gaszuleitung (8) zuströmt. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuleitung (8) über einen in der Gaszuleitung (8) integrierten Wärmetauscher (5) und/oder Verdampfer (10) an den Speichertank (2) angeschlossen ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelautomatik (16), mittels der die Zufuhr von verflüssigtem Gasgemisch aus der Flüssigzuleitung (13) in den durch die Gaszuleitung (8) geführten Gasstrom nach gemessenen oder vorgegebenen Parametern steuerbar ist.
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