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DE102021005135B4 - 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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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

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung 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 aufweisen (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 gasförmige, 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 großtechnischen Anwendungen wird die Kälte jedoch meist zentral in einer Kühlanlage erzeugt 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 jedoch zunehmend durch die Tatsache, dass diese Stoffe umweltschädlich sind, eingeschränkt. Ein weiterer praktischer Nachteil bei der Verwendung eines Rohrleitungssystems 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 Funktionsprinzip 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 Kohlendioxidgas 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 Kältebad eingedüst wird, das dadurch gekühlte Kältebad durch den Wärmetauscher geführt wird und dabei seine Kälte an eine zu Kühlung des Objektes dienende Hilfsflüssigkeit auf der sekundären Seite des Wärmetauschers abgibt. Allerdings erfolgt hierbei 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. Dadurch lassen sich hierbei in der Regel nur Temperaturen des Kältemittels im Bereich von ca. -50 ° C erreichen, die für manche Kühlungszwecke nicht ausreichend sind.
  • Die EP 2 667 116 A1 , die DE 10 2016 105 334 B4 und die DE 10 2012 008 593 A1 zeigen zwar Kühleinrichtungen, weisen aber keine Zuführung einer kältestabilen Flüssigkeit in das Gas auf, bei der feinst verteilte Tröpfchen aus kältestabiler Flüssigkeit entstehen.
  • 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 Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 13 jeweils in Zusammenwirken 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 Temperatursenkung 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 kältestabile 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 kältestabile Flüssigkeit derart zugeführt wird, das sich ein Volumenstrom von feinst verteilten 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 Objektes genutzt wird. Durch die Zuführung der kältestabilen Flüssigkeit vor und/oder während 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 expandierenden und sich dabei abkühlenden Gas und der kältestabilen Flüssigkeit in dem stromabwärts befindlichen Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit erreicht werden. Ein derartige Verbesserung des Kälteübergangs zwischen expandierendem Gas und kältestabiler Flüssigkeit führt dazu, dass die Kältekapazität des expandierenden Gas voll ausgenutzt und auf das Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit übertragen werden kann. Verwendet man in weiterer Ausgestaltung etwa flüssiges Kohlendioxid 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 kältestabilen 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 expandierenden flüssigen Gases mit den entstehenden Festpartikeln kann nahezu die ganze Kältekapazität des expandierenden flüssigen Gases auf das Volumen aus kältestabiler Flüssigkeit übertragen und dieses wesentlich stärker gekühlt werden als bei bisherigen Verfahren möglich. Am Austritt der Expansionsdüse wurde für einen Gesamtstrahl eines expandierten flüssigen Gases aus Kohlendioxid in Gas- und Festform 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 Kühlraumes oder dgl., die bisher meist nur unter Verwendung von umweltschädlichen Kühlmitteln unter hohem apparativen Aufwand gekühlt werden konnten.
  • Von besonderem Vorteil ist es, dass die kältestabile Flüssigkeit mittels einer Einspritzeinrichtung 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 Gestaltung 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 angepasst 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 flüssigen 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 zumindest 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 Expansionsdüse 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 Verflüssigungsaggregaten 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 Gases, 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 kältestabilen 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:
    • 1 - eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Einspritzung von kältestabiler Flüssigkeit in einen expandierenden Volumenstrom flüssigen Gases.
  • In der 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 expandierenden Volumenstrom flüssigen Gases 5 zu erkennen. Dabei ist die Vorrichtung 1 unterteilt in einen primären Kreislauf 4 mit einem noch näher erläuterten Umlauf von flüssigem 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 Volumen 10 kältestabiler Flüssigkeit kühlt. Allerdings ist diese an sich bekannte Abkühlung des Volumens 10 kältestabiler Flüssigkeit nur begrenzt effektiv, da die Abkühlungskälte 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 Volumenstrom 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 kältestabiler 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 geringen 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 beiden 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 Gruppe der Stoffe Ethanol, Isopropanol, Alkohol, Methanol, Glycol, Hexan oder Methylcyclopentan genutzt werden, bevorzugt sind hierbei sicherlich Ethanol oder Isopropanol als besonders günstige Alkoholverbindungen mit zu der Sublimationstemperatur von Kohlendioxid passendem Gefrierpunkt und unproblematischen Umwelteigenschaften.
  • Bezugszeichenliste
    • 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 (13)

  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) eingeleitet 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 Temperatur 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 flüssigen 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, vorzugsweise mittels des Schwerkraftprinzips.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (13) nach der Expansion und Abgabe der Kühltemperatur mit Verflüssigungsaggregaten 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 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, wobei das Volumen (10) aus kältestabiler Flüssigkeit wiederum direkt oder indirekt zur Temperatursenkung und/oder Aufrechterhaltung geringer Temperaturen des Objektes nutzbar ist.
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