BEUSE, Johannes (Hansaallee 10, Düsseldorf, 40547, DE)
THEISSEN, Friedel (Molter 1, Erkelenz, 41812, DE)
L'AIR LIQUIDE, SOCIÉTÉ ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCÉDÉS GEORGES CLAUDE (75 quai d'Orsay, Paris, Paris, F-75007, FR)
GROß, Gerhard (Bengdbruchstrasse 34, Willich, 47877, DE)
BEUSE, Johannes (Hansaallee 10, Düsseldorf, 40547, DE)
THEISSEN, Friedel (Molter 1, Erkelenz, 41812, DE)
| Patentansprüche Verfahren zum Kühlen einer Flüssigkeit, wobei ein kälteverflüssigtes Gas in einem Mischrohr (2) in die durch das Mischrohr (2) strömende Flüssigkeit eingeleitet wird, wobei zumindest ein Teil der Flüssigkeit gefriert. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 0,4 m/s bis 2 m/s in dem Mischrohr (2) strömt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kälteverflüssigte Gas mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s bis 20 m/s in die vorbeiströmende Flüssigkeit eingeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das kälte verflüssigte Gas über eine wärmeisolierte Einspritzdüse (5) eingeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das kälteverflüssigte Gas über eine Einspritzdüse (5) eingeleitet wird, die erwärmt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Mischung aus kälteverflüssigtem Gas und Flüssigkeit nach Einleitung des kälte verflüssigten Gases beschleunigt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Massenfluss mindestens einer der folgenden Komponenten geregelt wird: a) der Flüssigkeit und/oder b) des kälteverflüssigten Gases. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeit so geführt wird, dass sie zunächst in thermischem Kontakt mit einem Bereich des Mischrohres (2) steht, in dem das kälteverflüssigte Gas in das Mischrohr (2) eingeleitet wird und dann in das Mischrohr (2) strömt. 9. Vorrichtung (1) zum Kühlen einer Flüssigkeit umfassend ein Mischrohr (2) mit mindestens einem Flüssigkeitseinlass (3; 18) und mindestens einem Flüssigkeitsauslass (4; 20) und mindestens eine Einspritz - düse (5) zum Einleiten eines kälteverflüssigten Gases in das Mischrohr (2) . 10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei dem stromabwärts der Einspritzdüse eine Venturidüse (25) ausgebildet ist. 11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Einspritzdüse (5) konzentrisch in dem Mischrohr (2) und gegebenenfalls der Venturidüse (25) angeordnet ist. 12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 bis 11, wobei das Mischrohr (2) eine Mischlänge (6) und einen Mischrohrdurchmesser (7) aufweist und das Verhältnis von Mischlänge (6) und Mischrohrdurchmesser (7) zwischen 100 und 150 liegt. 13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Einspritzdüse (5) wärmeisoliert in dem Mischrohr (2) angeordnet ist. 14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Mischrohr (2) einen Doppelmantel (8) aufweist, der einen Spalt (9) bildet, durch den die Flüssigkeit führbar ist. 15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, bei dem das Mischrohr (8) so gestaltet ist, dass die Flüssigkeit den Spalt (9) in dem Bereich durchströmen kann, in dem die Einspritzdüse (5) ausgebildet ist. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem die Einspritzdüse (5) beheizbar ist. |
Zum Abkühlen von Flüssigkeiten sind verschiedene Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. ist es bekannt, mittels Kompressions- kältemaschinen, basierend auf Absorptionskälteprozessen oder durch indirekte Kühlung über einen Wärmetauscher Flüssigkeiten zu kühlen. Bei den Flüssigkeiten handelt es sich oftmals um Wasser, Laugen, Säuren, Lösungsmittel und/oder flüssige Lebensmittel. Sämtliche hier benannten Prozesse sind apparativ aufwendig, was die bezeichneten Verfahren ins- besondere dann unwirtschaftlich macht, wenn diskontinuierlich und nur relativ selten eine Flüssigkeit gekühlt werden muss, da dann hohe Stillstandzeiten mit hohem apparativen Aufwand zusammenfallen. Insbesondere müssen Kältemaschinen überdimensioniert werden, wenn hohe Spitzen in der Kälteleistung gefordert werden.
Aus der DE 10 2007 016 712 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Suspension aus gefrorener Flüssigkeit und Flüssigkeit bekannt, bei dem der gefrorene Flüssigkeitsanteil zwischen 0 % und 30 % liegen kann. Die Suspension wird durch Einleiten eines kälteverflüs- sigten Gases in einen die Flüssigkeit speichernden Behälter erzeugt. Durch zunehmende Agglomeration des Eises an der Oberfläche der Flüs- sigkeit in dem Behälter ist das Verfahren allerdings auf einen Eisanteil bis zu etwa 30 % beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine Suspension aus gefrorener Flüssigkeit und Flüssigkeit hergestellt werden kann, wobei der Anteil der gefrorenen Flüssigkeit stufenlos bis zu einem hohen Anteil regelbar ist, und die eine effektive Kühlung ermöglichen.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie wie eine bevorzugte Verwendung der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angege- ben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzi- siert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Kühlen einer Flüssigkeit, wobei ein kälteverflüssigtes Gas in einem Mischrohr in eine durch das Mischrohr in einer Strömungsrichtung strömende Flüssigkeit eingeleitet wird, wobei zumindest ein Teil der Flüssigkeit gefriert.
Bevorzugt wird als Flüssigkeit Wasser eingesetzt, insbesondere Prozesswasser zur Herstellung von Beton, aber auch Säuren, wie bspw. Schwefel- säure, und Laugen bei Kühlprozessen in der Chemie werden eingesetzt. Das kälteverflüssigte Gas kann beliebig in das Mischrohr eingeleitet werden, so kann das Gas bspw. mit der Strömungsrichtung, gegen die Strö- mungsrichtung, aber auch beliebig quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit eingeleitet werden. Bevorzugt ist allerdings die Einleitung des kälteverflüssigten Gases in die Richtung der Strömungsrichtung der Flüssigkeit.
Bevorzugt wird die Mischung aus kälteverflüssigtem Gas und Flüssigkeit nach Einleitung des kälte verflüssigten Gases beschleunigt, insbesondere durch Durchleiten der Mischung durch eine Venturidüse. Durch den direkten Eintrag des kälteverflüssigten Gases in die strömende Flüssigkeit wird der Flüssigkeit durch das verdampfende Gas Wärme entzogen. Die Flüssigkeit wird somit abgekühlt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird durch den in der Venturidüse vorhandenen Unterdruck die Verdampfung des kälteverflüssigten Gases beschleunigt Das entstehende gasförmige Gas hat zunächst etwa Siedetemperatur und wird als Gasblasenschwarm im Mischrohr weiter transportiert. Die Flüssigkeit kühlt weiter ab und das verdampfte Gas erwärmt sich weiter. Bei Unterschreiten der Gefriertemperatur der Flüssigkeit wird in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Kälteenergie des kälteverflüssigten Gases zumin- dest teilweise gefrorene Flüssigkeit gebildet. Die gefrorene Flüssigkeit wird durch den Gasblasenschwarm sofort wieder zerteilt. Durch diesen hochturbulenten Mischvorgang wird die Flüssigkeitstemperatur sowohl in radialer als auch in axialer Richtung schnell ausgeglichen. Die Temperatur des Gases und der Flüssigkeit gleichen sich aneinander an, wobei nach ausreichender Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit nur ein geringer Temperaturunterschied vorliegt. Eine optimale Ausnutzung der im kälteverflüssigten Gas gespeicherten Kälteenergie wird somit erreicht. Beim Austreten aus dem Mischrohr liegt somit ein dreiphasiges Gemisch aus gefrorener Flüssigkeit, Flüssigkeit und Gas vor.
Bevorzugt wird flüssiger Stickstoff als kälteverflüssigtes Gas eingesetzt. Da die abgekühlte Flüssigkeit auch zu weiteren Prozessen geleitet wird, wird flüssiger Stickstoff aufgrund seiner inerten Eigenschaften bevorzugt eingesetzt.
Bevorzugt strömt die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s [Meter/Sekunde] bis 5 m/s, bevorzugt von 0,4 m/s bis 2 m/s in dem Mischrohr. Versuche haben gezeigt, dass mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit eine optimale Kältenutzung des kälteverflüssigten Gases erzielt werden kann. Im Betrieb wird die Flüssigkeit ständig durch das Mischrohr befördert wird, was bspw. durch eine Pumpe realisiert werden kann.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das kälteverflüssigte Gas mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s bis 50 m/s, bevorzugt 5 m/s bis 20 m/s, in die strömende Flüssigkeit eingeleitet wird. Die Geschwindigkeit des kältever- flüssigten Gases wird an der Stelle ermittelt, an der das kälteverflüssigte Gas in die strömende Flüssigkeit eingeleitet wird. Es hat sich herausgestellt, dass mit dieser Strömungsgeschwindigkeit des kälteverflüssigten Gases insbesondere in Kombination mit der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, insbesondere stromabwärts der gegebenenfalls ausgebil- deten Venturidüse, eine optimale Durchmischung von kälteverflüssigtem Gas und Flüssigkeit und somit eine ideale Abkühlung der Flüssigkeit erreicht wird.
Zur Verbesserung der Effektivität ist es besonders vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit vorgekühlt wird. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Flüssigkeit bis knapp oberhalb ihrem Gefrierpunkt abgekühlt wird. Im Falle von Wasser wird das Wasser also auf 0 °C vorgekühlt. Eine Vorkühlung kann insbesondere mit einer Vorrichtung und einem Verfahren aus der DE 10 2007 016 712 AI geschehen. Durch Vorkühlen der Flüssigkeit bis an ih- rem Gefrierpunkt gefriert die Flüssigkeit, sobald sie in Kontakt mit dem kälteverflüssigten Gas gelangt, womit eine gesteigerte Effektivität erreicht wird bzw. ein noch größerer gefrorener Anteil in der Flüssigkeit erzielt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die entstehende Menge gefrorener Flüssigkeit über die eingeleitete Menge des kälteverflüssigten Gases geregelt wird. Zur Bestimmung der erforderlichen Menge kälteverflüssigten Gases ist es notwendig, sowohl die Flussmenge der Flüssigkeit als auch deren Temperaturen vor Einleiten in das Mischrohr zu ermitteln bzw. zu regeln. Die eingeleitete Menge verflüssigten Stickstoffs m^ zum Abkühlen z.B. von Wasser wird dann durch die Formel m, ün = k x m, Wasser χ ΔΤ / Cl berechnet. Dabei ist k ein empirisch bestimmter Korrekturfaktor, der vor allem die Wandkälteverluste des Mischrohres berücksichtigt, m Wasser die
Wassermenge in kg/h [Kilogramm/Stunde], ΔΤ die Temperaturdifferenz im Wasser in °C und Cl (P, T) = 83,3. Hierbei wird von einem Druck des flüssigen Stickstoffs von 5 bar im Stickstoffbehälter ausgegangen. Wird die Flüssigkeit, z.B. Wasser, unter ihren Gefrierpunkt abgekühlt, so wird die Menge des eingeleiteten kälteverflüssigten Gases, z. B. Stickstoff, mit der Formel m, ün = k x [rn Wasser χ ΔΤ / Cl + X Eis x m, Wasser x C2] berechnet, wobei X Qs der Anteil der zu frierenden Flüssigkeit in der Flüssigkeit ist und C2 die Kälteenergie des kälteverflüssigten Gases zur Umwandlung von Flüssigkeit in gefrorene Flüssigkeit berücksichtigt, wobei C2 bei Stickstoff als kälteverflüssigtes Gas und Wasser als Flüssigkeit 1,049 beträgt bei einem Druck von 5 bar im Stickstoffbehälter. Es ist somit möglich, den Eisanteil in der Flüssigkeit durch die zugegebene Menge kälteverflüssigten Gases auf einfache Art und Weise zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Menge gefrorener Flüssigkeit auf einen Anteil zwischen 0 % und 70 % der Flüssigkeit geregelt. Durch einen hohen Anteil gefrorener Flüssigkeit in der Suspension kann eine hohe Kühlleistung er- zielt werden.
Um nach dem Beenden der Einleitung des kälteverflüssigten Gases zu verhindern, dass die Flüssigkeit in die Zuführung des kälteverflüssigten Gases gelangt, wird vorteilhaft nach Beenden der Einleitung des kältever- flüssigten Gases gasförmiges Gas durch das Mischrohr in die strömende Flüssigkeit eingeleitet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das kälteverflüssigte Gas über eine wärmeisolierte Einspritzdüse eingeleitet.
Die Ausbildung einer wärmeisolierten Einspritzdüse, insbesondere einer vakuumisolierten Einspritzdüse verhindert die Ausbildung eines Eispanzers um die Einspritzdüse herum, die zur Blockierung des Mischrohrs führen kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine zumindest in Teilberei- chen erwärmte Einspritzdüse, beispielsweise eine elektrisch erwärmte Einspritzdüse für die Einleitung des kälteverflüssigten Gases ausgebildet sein, um die Ausbildung eines Eispanzers um die Einspritzdüse herum zu verhindern. Unter erwärmt wird in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden, dass zusätzliche Wärmeenergie von außen in das System ein- gebracht wird. Dies kann neben einer elektrischen Beheizung auch durch ein Wärmemedium als Wärmeüberträger erfolgen, welches in thermischem Kontakt mit der Einspritzdüse an dieser vorbeigeführt wird. Die Wärmeisolierung kann bspw. durch einen vakuumisolierten Mantel oder durch eine Schaumisolation oder durch die Verwendung eines wärmeiso- lierenden Materials, z. B. PTFE, für die Einspritzdüse selbst erfolgen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Flüssigkeit so geführt, dass sie zunächst in thermischem Kontakt mit einem Bereich des Mischrohres steht, in dem das kälte verflüssigte Gas in das Mischrohr eingeleitet wird und dann in das Mischrohr strömt.
Hierdurch wird einerseits erreicht, dass die Flüssigkeit vorgekühlt wird, bevor sie in das Mischrohr einströmt, andererseits wird der Bereich in dem das kälteverflüssigte Gas in das Mischrohr eingeleitet wird, erwärmt. So kann die Bildung eines Eispanzers um die Einspritzdüse herum ver- mieden werden. Insbesondere ist eine solche Ausgestaltung gewählt, bei der die Flüssigkeit zunächst insbesondere den Bereich des Mischrohres umströmt, der im Strömungsschatten der Einspritzdüse liegt, da dort regelmäßig die Bildung von Eis einsetzt. Als Strömungsschatten wird insbesondere der Bereich hinter der Öffnung der Einspritzdüse verstanden. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Flüssigkeit zunächst in einem Bereich strömt, der strömungstechnisch stromaufwärts der Einspritzdüse liegt und dann in Einleitungsrichtung des kälte verflüssigten Gases strömt. Bei Ausbildung einer Venturidüse stromabwärts der Einspritzdüse wird die durch den Kontakt des kälteverflüssigten Gases mit der Flüssigkeit einsetzende Verdampfung des Gases sowie der Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit durch den Unterdruck in der Venturidüse intensiviert, wobei das Flüssigkeits-/Gasgemisch gleichzeitig beschleunigt wird und dadurch der turbulente Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeit und Gas verbessert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Massenfluss mindestens einer der folgenden Komponenten geregelt:
a) der Flüssigkeit und
b) des kälteverflüssigten Gases. Nach Erreichen des temperaturgeregelten Eispunktes der Flüssigkeit wird die zusätzlich notwendige Menge an kälteverflüssigtem Gas, die zur Herstellung des gewünschten Anteils Eis in der Flüssigkeit über einen Prozessrechner ermittelt und die notwendige Menge an kälteverflüssigten Gaseszudosiert.
Grundsätzlich ist eine Ausgestaltung des Verfahrens möglich, bei der der Massenfluss der Flüssigkeit und/oder des kälteverflüssigten Gases geregelt wird, wodurch eine sehr präzise Steuerung des Verfahrensablaufes möglich ist. Für viele Anwendungen ist es jedoch ausreichend, den Massenfluss des kälteverflüssigten Gases zu regeln. Insbesondere dann, wenn der Massenfluss der Flüssigkeit bekannt oder eingestellt ist, um beispielsweise eine bestimmte Menge Wassereissuspension zu erzeugen, ist die Regelung nur des Massenflusses des kälteverflüssigten Gases vorteil- haft, da nur eine einzige Regelschleife ausgebildet werden muss.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird auch eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit vorgeschlagen, umfassend ein Mischrohr mit mindestens einem Flüssigkeitseinlass und mindestens einem Flüssig- keitsauslass und mindestens eine Einspritzdüse zum Einleiten eines kälteverflüssigten Gases in das Mischrohr. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Vorteilhafter Weise ist stromabwärts der Einspritzdüse eine Venturidüse ausgebildet. Diese führt im Betrieb zur Beschleunigung der Mischung aus Flüssigkeit, insbesondere Wasser, und kälteverflüssigtem Gas, insbesondere Stickstoff. Hierdurch wird die Reynolds-Zahl der Mischung erhöht, es kommt zur Ausbildung einer turbulenten Strömung, die zu einer guten Vermischung der Flüssigkeit und des Gases führt.
Durch den Flüssigkeitseinlass wird die zu kühlende Flüssigkeit in das Mischrohr eingeleitet und gelangt über den Flüssigkeitsauslass zu weite- ren Prozessen. Durch die Einspritzdüse kann kälteverflüssigtes Gas so in das Mischrohr eingeleitet werden, dass die Flüssigkeit zumindest teilweise gefriert und sich insbesondere eine dreiphasige Suspension aus gefrorener Flüssigkeit, Flüssigkeit und verdampftem Gas entsteht.
Um im Betrieb eine gleichmäßige Vermischung der Flüssigkeit und des kälteverflüssigten Gases zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzdüse konzentrisch in dem Mischrohr angeordnet ist und, weiterhin bevorzugt, die Geschwindigkeit durch eine Venturidüse beschleunigt wird. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn das kälteverflüssigte Gas mit der Strömungsrichtung der Flüssigkeit in das Mischrohr eingeleitet wird.
Es ist vorteilhaft, wenn das Mischrohr eine Mischlänge und einen Misch- rohrdurchmesser aufweist und das Verhältnis von Mischlänge zu Mischrohrdurchmesser zwischen 50 und 300, bevorzugt zwischen 100 und 150, liegt. Die Mischlänge ist der Abstand von der Auslassöffnung einer ersten Einspritzdüse in Strömungsrichtung der Flüssigkeit bis zum Flüssigkeitsauslass, von dem die Flüssigkeit zu weiteren Prozessen ge- langt. Der Mischrohrdurchmesser ist der Innendurchmesser des Mischrohres, in dem die Flüssigkeit geführt wird und in den das kälteverflüssigte Gas eingeleitet wird. Es hat sich gezeigt, dass mit einem solchen Verhältnis eine optimale Durchmischung von Flüssigkeit und kälteverflüssigtem Gas einstellt und somit eine hohe Kühleffizienz erreicht wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzdüse wärmeisoliert in dem Mischrohr angeordnet ist. Die Wärmeisolierung kann bspw. durch einen vakuumisolierten Mantel oder durch eine Schaumisolation oder durch die Verwendung eines wärmeisolierenden Materials, z. B. PTFE, für die Ein- spritzdüse selbst erfolgen. Mit der Wärmeisolierung wird verhindert, dass sich gefrorene Flüssigkeit in dem Bereich des Auslasses der Einspritzdü- se, insbesondere in einem Ringspalt zwischen Eintrittsdüse und Mischrohr, festsetzt und diesen verstopft.
Weiterhin wird ein Einfrieren der Flüssigkeit in diesem Ringspalt verhin- dert, indem dieser Ringspalt von außen und/oder die Einspritzdüse erwärmt wird. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das Mischrohr einen Doppelmantel aufweist, der einen Spalt bildet, durch den die Flüssigkeit führbar ist. Bevorzugt erstreckt sich der Doppelmantel nicht nur im Bereich der Einspritzdüse, sondern über die gesamte Mischrohrlänge um Eisanbackungen an der Innenwand des Mischrohres zu vermeiden. Im Betrieb ist es somit möglich, die zu kühlende Flüssigkeit zunächst durch den Spalt zu führen, wodurch zum einen die Flüssigkeit vorgekühlt wird und zum anderen der Bereich der Einspritzdüse aufgewärmt wird, so dass ein Einfrieren der Flüssigkeit im Auslass der Einspritzdüse verhin- dert wird. Die in dem Spalt vorgekühlte Flüssigkeit kann nach Durchlaufen des Spalts weiter abgekühlt werden und im folgenden dem Mischrohr wieder zugeführt werden, so dass die Flüssigkeit durch das kälteverflüssigte Gas zumindest teilweise gefriert. Um eine Förderung der Flüssigkeit zu realisieren, ist es vorteilhaft, wenn eine Pumpe in der Flüssigkeitslei- tung angeordnet ist.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn dem Mischrohreinlass und/oder der Einspritzdüse ein Regelventil und gegebenenfalls eine Mengenmessung zugeordnet ist. Über das Regelventil können somit die Flussmengen sowohl der Flüssigkeit als auch des kälte verflüssigten Gases eingestellt werden. Es ist somit eine Anpassung an die geforderten Gegebenheiten möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung eine Steuereinheit um- fasst. Die Vorrichtung kann zur Einspeisung von Signalen an die Steuer- einheit zudem Temperatursensoren und/oder Flussmengensensoren in der Zuleitung der Flüssigkeit und/oder des kälteverflüssigten Gases aufweisen. Mit der Steuereinheit lässt sich über regelbare Ventile und gege- benenfalls Mengenmessungen oder über Pumpen die Flussmenge der Flüssigkeit und des kälteverflüssigten Gases so steuern, dass eine vorgebbare Kühlleistung bereitgestellt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass die Flüssigkeit den Spalt in dem Bereich durchströmen kann, in dem die Einspritzdüse ausgebildet ist.
Dies erlaubt in einfacher Weise eine Erwärmung der Einspritzdüse zur Verhinderung der Bildung einer Verblockung durch Eisbildung, während die Flüssigkeit so vorgekühlt wird.
Noch einem Aspekt der Erfindung folgend wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrich- tung zum Kühlen von Frischbeton vorgeschlagen.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umgekehrt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen:
Fig. 1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2: die Anordnung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einer Kühlvorrichtung; Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die ein Mischrohr 2 umfasst. Zentral in dem Mischrohr 2 ist konzentrisch eine Einspritzdüse 5 zum Einleiten eines kälte verflüssigten Gases angeordnet. Das Mischrohr 2 weist einen Doppelmantel 8 auf, der einen Spalt 9 bildet. Über einen ersten Mischrohreinlass 3 kann Flüssigkeit in den Spalt 9 eingeführt werden, die den Spalt 9 über einen ersten Mischrohrauslass 4 verlässt. Das Mischrohr 2 weist einen zweiten Mischrohreinlass 18 auf, durch den die Flüssigkeit in das zentrale Lumen des Mischrohres 2 eingeleitet werden kann In einer Venturidüse 19 wird der zentrische kälteverflüssigte Gasstrahl zusammen mit dem konzentrischen Flüssigkeits strahl beschleunigt und intensiv vermischt, wobei durch die Druckabsenkung das kälteverflüssigte Gas verdampft und die Latentwärme an die umgebende Flüssigkeit übergeht. Aus dem zentralen Lumen des Mischrohres 2 verlässt die Flüssigkeit das Mischrohr 2 durch einen zweiten Mischrohrauslass 20. Das Mischrohr 2 hat eine Mischlänge 6, die von dem Auslass der Einspritzdüse 5 bis zum zweiten Mischrohr- auslass 19 gemessen wird. Das Mischrohr weist zudem einen inneren Mischrohrdurchmesser 7 auf.
Im Betrieb wird Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, durch den ersten Mischrohreinlass in den Spalt 9 eingeleitet, wo die Flüssigkeit zum einen das Mischrohr 2 und die Einspritzdüse 5 wärmt, um ein Zufrieren des Auslasses der Einspritzdüse 5 zu verhindern, und zum anderen vorgekühlt wird. Insbesondere wird dabei die Flüssigkeit so im Spalt 9 geführt, dass zunächst der Bereich des Strömungsschattens der Einspritzdüse 5 umströmt wird und dann die Flüssigkeit sich stromabwärts in Bezug auf das eingeleitete kälteverflüssigte Gas bewegt. Nach dem Austritt aus dem ersten Mischrohrauslass 4 wird die Flüssigkeit über den zweiten Mischrohreinlass 18 in das zentrale Lumen des Mischrohres 2 geführt. Über die Ein- spritzdüse 5 wird kälteverflüssigtes Gas in das zentrale Lumen des Mischrohres 2 eingeführt. Das kälte verflüssigte Gas beginnt beim Kontakt mit der Flüssigkeit zu sieden und kühlt diese ab. Bei Unterschreiten des Gefrierpunktes der Flüssigkeit bildet sich feste Flüssigkeit, die durch den Blasenschwarm des nunmehr verdampften vorher kälteverflüssigten Gases aufgebrochen wird. Es bildet sich somit eine Art Schneematsch. Durch die hochturbulente Strömung erfolgt eine optimale Vermischung des kälteverflüssigten Gases mit der Flüssigkeit und ein optimaler Wärmeübertrag wird erreicht. Die Suspension aus Flüssigkeit, gefrorener Flüssigkeit und verdampften vorher kälteverflüssigtem Gas wird über den zweiten Mischrohrauslass 20 einem weiteren Verarbeitungsprozess, insbesondere einer Kühlung von Frischbeton, zugeführt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung der Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 mit einer Vorkühleinrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entspricht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und wird daher nur in den abweichenden Merkmalen beschrieben. Die Vorkühleinrichtung 24 umfasst einen isolierten Behälter 12, in dem die Flüssigkeit zwischen- gespeichert werden kann und vorgekühlt wird. Die Vorkühlung erfolgt durch Einleiten eines kälteverflüssigten Gases oder eines kalten Gases über Düsen 17. Das Gas kann über einen Füllkörper 16 wieder abgeführt werden. Es sind zudem kälteverflüssigtes Gas führende Leitungen dargestellt, über die sowohl die Düsen 17 als auch die Einspritzdüse 5 mit käl- teverflüssigtem Gas versorgt werden. In den kälteverflüssigtes Gas führenden Leitungen 20 ist ein Wärmetauscher 15 angeordnet, der das kälte- verflüssigte Gas zumindest teilweise verdampft, das zum Spülen und Freihalten der Einspritzdüsen 15, 17 verwendet wird. In den kälteverflüssigtes Gas führenden Leitungen 20 sind zudem Regelventile 10 und Flussmengensensoren 13 angeordnet. Zudem sind Flüssigkeitsleitungen 21 dargestellt, durch die die Flüssigkeit geführt wird. In der Flüssigkeitsleitung 21 befindet sich zudem eine Pumpe 14, insbesondere eine Dreh- zahlgeregelte Pumpe. Den Flüssigkeitsleitungen 21 sind ebenfalls Fluss- mengensensoren 13 zugeordnet. Die Temperatur der Flüssigkeit in dem isolierten Behälter 12 wird über einen Temperatursensor 23 gemessen. Die Flussmengensensoren 13, die regelbaren Ventile 10 und der Tempera- tursensor 23 sind über Signalleitungen 22 mit einer Steuereinheit 11 verbunden.
Im Betrieb wird die in den Spalten 9 des Mischrohres 2 leicht vorgekühlte Flüssigkeit dem isolierten Behälter 12 zugeführt. Die Flüssigkeit wird in den isolierten Behälter 12 durch Einleiten eines kälteverflüssigten Gases oder eines kalten Gases weiter abgekühlt und möglichst auf einer Temperatur nahe dem Gefrierpunkt gehalten. Über die Pumpe 14 wird die Flüssigkeit über den zweiten Mischr ohr einlas s 18 dem Mischrohr 2 zugeführt. Die Flüssigkeit wird durch Einleiten eines kälteverflüssigten Gases über die Einspritzdüse 5 abgekühlt und gefriert zumindest zu einem Teil. Die so entstandene Suspension aus Flüssigkeit, gefrorener Flüssigkeit und verdampften vorher kälte verflüssigtem Gas wird einem weiteren Prozess über den zweiten Mischrohrauslass 19 zugeführt. Die Flussmengen der Flüssigkeit und des tiefkalt verflüssigtes Gases sowie die Temperatur der Flüssigkeit werden mit Hilfe der Steuereinheit 11 gesteuert, so dass die vorgegebbaren Prozessparameter der Suspension erreicht werden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Gleiche Elemente im Vergleich zur ersten Ausfüh- rungsform sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es wird auf die Figurenbeschreibung der ersten Ausführungsform, insbesondere die Figurenbeschreibung zu Fig. 1 hingewiesen, da hier nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform erläutert werden sollen. Fig. 3 zeigt eine Venturidüse 25, die stromabwärts der Einspritzdüse 5 in Bezug auf die Strömungsrichtung der Mischung aus Flüssigkeit und Gas ausgebildet ist. Diese Venturidüse 25 sorgt im Betrieb für eine Beschleunigung der Strömung der Mischung, diese wird durch die Erhöhung der Reynolds-Zahl zumindest in Teilbereichen turbulent, so dass es zu einer verbesserten Vermischung zwischen Flüssigkeit und Gas kommt. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Kühlung der Flüssigkeit erheblich. Nachfolgend wird als Vergleichsbeispiel die Verwendung eines Wasser- Eisgemisches mit ca. 30 % Eisanteil, das zur Herstellung von Beton benötigt wird, beschrieben. Dieses Verfahren wird insbesondere im Sommer für die Herstellung von gekühltem Qualitätsbeton z.B. beim Bau von Staudämmen, Brücken, oder so genannten „weißen Wannen" eingesetzt um Spannungsrisse im abbindenden Beton zu vermeiden.
Vergleichsbeispiel 1:
Frischbetonzusammensetzung und Temperatur der Einsatzstoffe
Herstellen eines Wasser /Eisgemisches durch direktes Einspritzen von flüssig Stickstoff, Tankdruck 5 bar
Abzukühlende Wassermenge [m 3 /h] 7,2
Kälteleistung [kW] 257
LIN Menge [kg/h] 2.651
Spezifischer LIN Verbrauch kg / ° C*m 3 7,6
Frischbetontemperatur nach Kühlung [ ° C] 20,1
Temperaturdifferenz [ ° C] 5,9
Bei der direkten Abkühlung von 240 kg Wassers von 12 C auf 0 ° C und Bildung von ca. 30% Eisanteil durch Einblasen von flüssig Stickstoff wurde bei der zur Verfügung stehenden Mischzeit von ca. 2 min eine Kälteleistung von ca. 257 kW, entsprechend einer LIN- Menge von 2.651 kg/h benötigt. Dies entspricht einem spezifischen LIN Verbrauch von ca. 7,6 kg LIN / C*m 3 B ton . Die Frischbetontemperatur wurde von ca. 26 ° C auf 20,1 ° C abgekühlt.
Nachfolgend wird die Verwendung eines Wasser-/Eisgemisch von 0 ° C und einem Eisanteil von 60% zur Abkühlung von Frischbeton beschrieben.
Vergleichsbeispiel 2:
Frischbetonzusammensetzung und Temperatur der Einsatzstoffe
Herstellen eines Wasser /Eisgemisches durch direktes Einspritzen von von flüssig Stickstoff, Tankdruck 5 bar
Durch die Vorkühlung des Wassers auf 0 ° C in einem separaten Mischtank und anschließender Eisherstellung in dem Mischrohr wurde einer Wasser/Eissuspension mit einem Eisanteil von ca. 50% hergestellt und damit eine Temperaturabsenkung im Frischbeton von 26 auf 15,1 ° C erreicht. Zur Realisierung dieser Temperaturdifferenz musste die vorhandene Käl- teleistung im Wassertank von 111 KW um zusätzlich 367 kW entsprechend einer Gesamtmenge an flüssig Stickstoff von 4017 kg/h erhöht werden was mit dem erfindungsgemäßen Kühlverfahren unproblematisch realisiert werden konnte. Der spezifischen LIN Verbrauch liegt bei ca. 7,9 Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auf einfache Weise, eine Wasser/Eis-Suspension herzustellen, die einen hohen Eisanteil aufweist. Mit der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die Kühlleistung an von weiteren Prozessen geforderten kurzzeitigen Spitzenkühlleistungen anzupassen. Zudem erfolgt ein sehr effizienter Energieübertrag von der Flüssigkeit auf das tiefkalt verflüssigte Gas.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Mischrohr
3 Mischrohreinlass
4 Mischrohrauslass
5 Einspritzdüse
6 Mischlänge
7 Mischrohrdurchmesser
8 Doppelmantel
9 Spalt
10 regelbares Ventil
11 Steuereinheit
12 isolierter Behälter
13 Flussmengensensor
14 Pumpe
15 Wärmetauscher
16 Füllkörper
17 Düsen
18 zweiter Mischrohreinlass
19 zweiter Mischrohrauslass
20 kälteverflüssigtes Gas führende Leitung
21 Flüssigkeitsleitung
22 Signalleitung
23 Temperatursensor
24 Vorkühleinrichtung
25 Venturidüse
Next Patent: METHOD FOR DETECTING ILLEGAL USE OF A SECURITY PROCESSOR