DE2130071A1

DE2130071A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kuehlen einer Fluessigkeit

Info

Publication number: DE2130071A1
Application number: DE19712130071
Authority: DE
Inventors: Miller Keith A; Stowasser William F
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1970-06-25
Filing date: 1971-06-18
Publication date: 1971-12-30
Also published as: US3672182A; GB1305151A; CA929757A; FR2099305A5

Description

dr. W. Schalk · dipl.-ing. P. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg

DR.V.SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEINHOLD · DR. D. GUDEL

6 FRANKFURT AM MAIN

OK. E(CHENMEImEI STRAlSI 39

16. Juni 1971
Gu/gm

Air Products and Chemicals, Inc.
1339 Chestnut Street Philadelphia,Pennsylvania,USA

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit durch Einleitung eines verflüssigten Gases in die Flüssigkeit. Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil zur Beschaffung gekühlten V/assers verwendet werden, das beispielsweise b.ei einer Chargenmischung von Beton gebraucht wird.

Beim Herstellen von Beton wird gekühltes Wasser normalerweise mit warmem Zement, Kies und Sand in einem herkömmlichen Mischer gemischt. Wenn die Temperatur der Betonmischung 25 bis 30° C übersteigt bevor gerührt wird, so kann die Festigkeit des gemischten, abgesetzten Betons unter annehmbare Vierte abfallen. Insbesondere während dor warmen Sommermonate können ki^s und Sand derart angewärmt sein, daß die Temperatur der Mischung die angegebene obere Grenze überschreitet viunn das Wasser nicht gekühlt wird.

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Ein Verfahren zum Steuern der Temperatur der aus dem Mischer abgegebenen Mischung besteht darin, wenigstens einen Teil des V/assers in Form von gestoßenem Eis zuzugeben, Diese Lösung ist jedoch nicht befriedigend, da das Eis hergesti
muß.

gestellt und auf einer Temperatur unter 0° gehalten werden

. Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, mit dein diese Probleme dadurch überwunden" werden, dai3 ein verflüssigtes Gas in die Wasserzufuhr des wässrigen Bestandteils eingeleitet wird, so daß dieses auf eine vorbestimmte Temperatur bzw. auf eine Temperatur innerhalb ge- · gebener Grenzen gekühlt wi,rd, wobei die Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes von V/asser liegt.

Bei dieser Kühlart stellt die Kontrolle des Kühlmediums in lokalen Gebieten ein Problem dar. Im einzelnen neigt das Wasser in der Nachbarschaft des verflüssigten Gasinjektors dazu, am Abgabepunkt zu frieren, wodurch der Injektor verstopft wird, so daß kein weiteres verflüssigtes Gas abgegeben werden kann. Eine weitere Schwierigkeit ist darin zu sehen, das Injektorrohr klar und unverstopft während derjenigen Zeiten zu halten, in denen verflüssigtes Gas

nicht eingeleitet wird, d.h. v/ährend der Zeit, in der das Wasser die vorgeschriebene Temperatur erreicht hat. Mit an- W deren Worten kann das Wasser in den Injektor in diesen Zeiten, in denen kein verflüssigtes Gas eingeleitet wird, in den Injektor zurückschlagen, dort frieren und den Injektor verstopfen.

Diese Probleme werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die von einem Verfahren zum Kühlen von Wasser auf eine Temperatur unterhalb' der Umgebungstemperatur und oberhalb des Gefrierpunktes von V/asser ausgeht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge flüssigen Stickstoffs in das Wasser eingeleitet wird, die durch Verdampfung für die gewünschte Abkühlung ausreicht, und daß ein Verstopfen des Einleitungskanals durch Eis dadurch verhindert

,.:,,;.,,. .,.^108853/1237 WBOfMQMMl.

das
wird, daß^in der Umgebung des Einleitungskanals-befindliche Wasser am Gefrieren gehindert wird.

Mit der Erfindung wird auch ein System zum Abkühlen von Wasser durch direkte Injektion von flüssigem Stickstoff in das Wasser vorgeschlagen. Diec-es System umfaßt ein horizontal ausgerichtetes Wasserreservoir, in das sich eine Vielzahl von Injektxonsdüsen für flüssigen Stickstoff erstreckt. Jede der Düsen besitzt in der Nähe ihres stromab gerichteten Endes ein Heizelement, dessen Wärme ein Vereisen der Düse verhindert.

Schließlich wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Beton vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das V/asser auf eine vorbesC^timmte Temperatur durch Einleiten einer ausreichenden Menge flüssigen Stickstoffs in das Wasser gekühlt wird, so daß eine Abkühlung durch Verdampfen des Stickstoffs im V/asser erreicht wird; daß der Einleitungskanal dadurch vor einem Verstopfen durch Eis geschützt wird, daß das Wasser in der Nachbarschaft des Einleitungskanals am Gefrieren gehindert- wird; und daß Zement, Kies und Sand mit dem abgekühlten Wasser gemischt wird, wodurch der so gebildete Beton auf eine gewünschte Temperatur gebracht wird. Es wird entweder alles oder ein Teil des für den Beton benötigten Wassers gekühlt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale der Erfindung ergeben. Es zeigt:

schematisch ein Diagramm einer bevorzugten Ausführung sform der Erfindung; eine Seitenansicht einer bevorzugten Düsenanordnung zur Verwendung bei der Erfindung. Die Düsenanordnung ist dabei in eine Tankwand eingeschraubt; eine Teilansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Heizelementes nach Fig. 2\ einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2; 5 Ansichten anderer Dücenanordnun^en, die ebenfalls

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Fig.	1
Fig.	2
Fig.	2A
Fig. Fig.	3 k und

mit Vorteil verwendet weir-den können und Fig. 6 eine DraufRieht auf die Anordnung nach Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein System und ein Verfahren zum Kühlen von V/asser durch Einleiten flüssigen Stickstoffs in das Wasser erläutert, wobei Wärme der Nachbarschaft der Injektion.07.onc zugeführt wird, um diese Zone von einer Verstopfung durch Eis freizuhalten. Das System umfaßt einen zylindrischen Tank 10 mit einer Seiten-wand 12 und Stirnwänden 14. Die Stirnwände 14 besitzen leicht konvex gebogene Außenflächen* Die Längsachse des zylindrischen Tanks 10 ist horizontal ausgerichtet.

Mit dem Tank 10 steht 'ein Wasserzufuhrleitung 16 in Verbindung. Das stromaufwärts gerichtete Ende der Leitung 16 steht mit einem Wasservorrat, beispielsweise einer Quelle in Verbindung. Die Leitung 16 mündet in den unteren Teil des Tanks 12 in einen seiner Stirnwände 14» Ferner steht mit dem Tank 10' eine Auslaßleitung 18 für Wasser in Verbindung. Dan stromab gerichtete Ende der Leitung 18 befindet sich an de;.i Ort, v/o das kalte V/asser benötigt wird. Die Leitung 18 mündet in den Tank 10 am unteren Ende der Stirnwand 14, die der ersten Stirnwand 14 gegenüberliegt, in die die Leitung 16 mündet. Die Leitung 18 besitzt eine Pumpe 20, über die gekühltes Wasser vom Tank 10 abgezogen und zu seiner Verwendungsstelle gepumpt wird. Die Leitung 16 besitzt eine Pumpe 22, die durch einen Motor 24 angetrieben wird, der abhängig von einem Signal arbeitet, das durch eine Wasserniveausteuerung 26 erzeugt und vom Motor 24 über elektrische Leitungen 28 empfangen wird. Die Steuerung 26 arbeitet abhängig von Signalen an Anzeigepunkten J>'J bzv. 32 über Leitungen 34 und 36. Der Punkt 32 ist der untere Anzeigepunkt und der Punkt 30 der obere Anzelgepuiikt. Fällt als Ergebnis von abgezogenem Wasser über die Leitung 18 das Niveau im Tank 10 und über den Punkt 32, co betätigt C¹Jo Steuerung 26 den Motor 24 über die Leitung 28 und GoLzt die Pumpe 22 in Betrieb, so daß V/a s κ or dem Tank 10 über die Leitung 16 zugeführt wird. Wenn das Wasserniveau den Punkt . . .,r-.sp^ 109853/1237

30 erreicht, so schaltet die Steuerung 26 den Motor 24 über die Leitung 28 ab, wodurch auch die Pumpe 22 abgeschaltet wird. Es wird also kein Wasser mehr über die Leitung 16 mehr dem Tank 10 zugepumpt.

Der Tank 10 besitzt eine Vielzahl von Injektionsdüsen oder Lanzen 38 für die Einleitung flüssigen Stickstoffs in den Tank 10. Jede der Düsen ist vertikal ausgerichtet. Sämtliche Düsen sind in der Seitenwand 12 längs einher Linie montiert, die durch den Schnitt der Seitenwand 12 mit einer vertikalen Ebene bestimmt ist, die durch die Längsachse des Tanks geht. Die Düsen 38 sind mehr oder weniger gleichförmig längs dieser Linie angeordnet, so daß eine Verteilung des flüssigen Stickstoffs im V/asser erreicht wird. Jede der Düsen besitzt einen Auslaß am stromab gerichteten Ende. Jede der Düsen besitzt ein Heizelement 40 an ihrem unteren Teil. Die Heizelemente 40 sind über Leitungen 42, 44 und eine Hauptleitung 46 mit einem Zeitschaltgerät 48 verbunden, das die Heizelemente 40 nach einem vorgegebenen Zeitschema aktiviert. Der obere Teil der Düsen 38 ist mit einer Isolierung 41 bedeckt. Die Heizelemente und die Funktion dieser Elemente und der Düsen waröai noch weiter unten näher erläutert,

Mit dem stromauf gerichteten Ende einer jeden Düse 38 sind Zuführleitungen 50 für flüssigen Stickstoff verbunden, von denen jede ein Ventil 52 besitzt. Das stromauf gerichtete Ende einer jeden der Leitungen 50 steht mit einer Hauptleitung 54 in Verbindung, die ihrerseits über Leitungen 56 und 58 mit einem Reservoir 60 für flüssigen Stickstoff verbunden sind. Das Reservoir kann einfach ein unter Druck stehender Tank sein. Flüssiger Stickstoff kann beispielsweise über Tanklastzüge in das Reservoir 60 gegeben v/erden. Die Leitung 58 ist mit Ventilen 62 und 64 ausgerüstet.

Mit dem Reservoir· 60 steht ferner eine Leitung 66 in Verbindung, die zu einem Verdampfer 68 führt, der einfach eine Expansionskammer oder ein Wärmetauscher sein kann. Dor Verdampfer 68 besitzt eine Aunlaßleitung 70 mit einem Ventil

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72 land steht mit seinem stromabv/ärts gerichteten Ende mit einer Leitung 74 in Verbindung, die ihrerseits in die Leitung 56 mündet. Die Leitung 74 weist ein Ventil 76 auf.. Mit dem stromaufwärts gerichteten Ende der Leitung 74 ist eine Leitung 78 verbunden, die ein Ventil 80 enthält. Die Leitung 78 ist an ihrem stromaufwärts gerichteten Ende mit einer Druckluftquelle verbunden. ·

Das Ventil 76 ist über eine Leitung 82 mit einer Temperatur regeleinrichtung 84 verbunden. Ein Ventil 64 ist über eine Leitung 86 mit der Temperaturregelung 84 verbunden. Die Temperaturregelung 84 steht ferner über Leitungen 88 und 90 mit einem Temperaturfühler 92 in Verbindung. Dieser Fühler 92 ist beispielsweise ein Thermokreuz bzw. ein Thermoelement und befindet sich vorzugsweise in der Nähe des V/asserauslasses des Tanks 10.

Der Tank 10 besitzt Entlüftungsleitungen 94 für gasförmigen Stickstoffj die in der Seitenwand im oberen Bereich des Tanks vorgesehen sind.

Das Wasser im Tank 10 \irird.auf ein vorbestimmtes Teinperaturniveau, beispielsweise 0,5 bis 5° C,durch Einleiten flüssigen Stickstoffs über die Düsen 38 in den Tank 10 unter das V/a s s erniveau, gekühlt.

Das Einleiten des Stickstoffs wird durch die Regel- bzw. Steuereinrichtung 84 kontrolliert, die ihrerseits von Signalen aktiviert wird, die vom Fühler 92 erzeugt v/erden. Wenn die Temperatur des V/assers im Tank 10 vom Fühler 92 gemessen wurde und sich oberhalb des gewünschten, vorbestimmten Wertes befindet, wird ein Signal über die Leitungen 88 und 90 der Regeleinrichtung 84 zugeleitet, die über die Verbindung 86 wirkt und das Ventil 64 öffnet. Während des Betriebs werden die Ventile 62 und 52 in geöffneter Stellung gehalten . Als Ergebnis der· Öffnung des Ventils 64 fließt der flüssige Stickstoff unter Druck im Reservoir 60 über Leitungen 58, 56, 54 und 50 in und durch die Düsen 38 und in das Wasser im

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' SAD ORIGINAL

Tank 10, um dieses Wasser zu kühlen. Wenn die Temperatur deti V/asserG im Tank 10 das vorbestimmte, gewünschte Niveau erreicht, wie es am Meßort des Fühlers 92 gemessen wird, wird ein Signal i oer die Leitungen 88 und 90 der Regeleinrichtung 8h zugeführt, die dann das Ventil 64 schließt. Während des Betriebs wird das Ventil 72 normalerweise offengehalten und das Ventil 80 ist normalerweise geschlossen. Flüssiger Stickstoff vom Reservoir 60, der über.die Leitung 66 in■den Verdampfer 68 eingeführt wurde, wird dort verdampft und liefert trockenes Stickstoffgas.

Die Temperatursteuerung 84 öffnet das Ventil 76 zur selben Zeit wie säe das Ventil 64 ₁ schließt. Als Ergebnis der Öffnung des Ventils 76· fließt Stickstoffgas vom Verdampfer 68 über die Leitungen 70, 74, 56,54 und 50 in und durch die Düsen 38 und strömt aus den stromab gerichteten Öffnungen in den Düsen 38 unter das Wasserniveau im Tank 10. Da Stickstoffgas durch die Düsen 38 während der Zeiten geleitet wird, wenn flüssiger Stickstoff nicht durch diese Düsen geleitet wird, kann V/asser im Tank 10 nicht zurück in die Düsen 38 strömen, so daß ein Gefrieren des Wassers in den" Düsen 38 und somit ein Verstopfen der Düsen verhindert wird.

Wenn die vom Fühler 92 gemessene Temperatur den gewünschten Wirrt 'übersteigt, aktiviert ein Signal von dem Fühler 92 die Regeleinrichtung 84 und schließt das Ventil 76, wodurch das Ventil 64 geöffnet wird. Es wird also flüssiger Stickstoff wiederum in das Wasser im Tank 10 eingeleitet und die Zufuhr von gasförmigem Stickstoff hört auf.

Druckluft steht zur Verfügung, die anstelle des verdampften Stickstoffs verwendet werden kann, falls die Stickstoffzuführ niedrig ist oder der Stickstoffverdampfer nicht richtig arbeitet. Mit anderen Worten stellt die Druckluft einen Ersatz für verdampften Stickstoff dar. Falls verdampfter Stickstoff nicht verwendet wird, wird daß Ventil 72 geschlossen gdialten und das Ventil 80 bleibt offen, so daß Druckluft durch die Düsen 38 während der Zeiten eingeleitet

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wird, wenn flüssiger Stickstoff nicht durch die Düsen 38 gepresst wird. · Die verwendete Druckluft ist vorzugsweise trocken.

Das Kühlen des Wassers wird durch das Verdampfen des flüssigen Stickstoffs im Wasser des Tanks 10 erreicht, wodurch dem Wasser eine Wärmemenge entzogen \-/ird, die im v/es entlichen der Verdampfungswärme des flüssigen Stickstoffs zuzüglich derjenigen Wärmemenge entspricht, die benötigt wird, um die Temperatur des erzeugten Stickstoffdampfes dor des Wassers anzugleichen. Der gasförmige Stickstoff aus der Verdampfung des flüssigen Stickstoffs, der in den Tank eingeleitet wurde, wird aus dem Tank 10 über Entlüftungsleitungcn 94 abgeführt. Dies trifft auchjäuf den Stickstoffdampf oder auf die Druckluft zu, die durch die Düsen 38 während der Zeiten eingeleitet wurden, in denen kein flüssiger' Stickstoff zugeführt wird. Das über die Leitungen 94 entlüftete Gas befindet sich in etwa auf der Temperatur des Wassers im Tank 10 und ist mit Wasser gesättigt.

Während des beschriebenen Betriebes wird das Wasserniveau wie erwähnt innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten.

Während des Betriebes dieses Systems werden die Heizelemente 40 entsprechend einem vorgegebenen Zeitschema verwendet, wie es im vorstehenden beschrieben wurde, um der Umgebung der Düsenauslässe Wärme zuzuführen, so daß die Eisbildung am Ende der Injektoren verhindert wird. Es kann also kein Eis die Seitenwände der Injektor leitung en rings um das En.de der Injektoren überbrücken bzw. verstopfen. Das Heizelement-40 liefert also sowohl Wärme an die Enden der .Düsen wie auch längs der Seitenwände der Düsen in der Ilähe der Dücenenden. wie erwähnt wire·, die Hitze entsprechend einem vorgegebenen Zeitschema abgegeben. Mit anderen Worten v/erden die Heizelemente 40 entsprechend einem Signal von ein .in Zeitgeber 48 betrieben, so daß die Uär^e in vnl-.-:^brochoncu Perle- ic η zugeführt wird. Der Zeitgeber 48 aktiviert beispielweise Schalter, so daß elektrische Spannen,?.; den I-Ieizelementen h0,

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beispielsweise 30 Sek. lang in jeder Minute zugeführt wird. Am Ende dieser Zeit aktiviert der Zeitgeber 48 die Schalter, die sich dann schließen, so daß den Heizelementen 40 elektrischer Strom nicht v/ei^tor zugeführt wird. Der elektrische Strom wird über weiter unten näher beschriebene Leitungen den Heizelementen 40 zugeführt. Die Heizelemente 40 arbeiten als Vfiderstandsheizungen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Injektordüse zusammen mit dem Heizelement. In den Fig. 2 und 3 ist die Düse 38 in der Seitenwand 12 des zylindrischen Tanks 10 montiert gezeigt. Die Düse¹ 38 ist dort mittels einer Montageplatte 96 befestigt, die mit der Düse 38 verschweißt oder auf andere geeignete Weise verbunden ist. Die Hontageplatte 96 ist in die Seitenwand 12 durch Schrauben 98 eingeschraubt. Eine wasserdichte Verbindung ist zwischen der Seitenwand 12 und der Platte 96 durch Verwendung eines Unterlegmaterials 100 hergestellt. Die Düse 38 besitzt an ihrem oberen Ende Isoliermaterial 41. Durch eine Schlauchklammer 102, die um das Isoliermaterial 41 gelegt ist, wird verhindert, daß Wasser zwischen dem Isoliermaterial und der Düt,e hochsteigt und dort friert. Die Düse 38 besitzt in der Nähe ihres stromabwärts gerichteten Endes ein Heizelement 40, d"S im folgenden noch näher erläutert wird. Das Heizelement 40 ist an Verbindungspunkten 104 mit Leitungen 42 verbunden, die um die Isolierung 41 spiralförmig gelegt sind ur.ici eventuell durch die Platte 96 wasserdicht geführt und mit einer Spannungsquelle 106 verbunden sind. Die Leitungen 42 sind um die Außenseite der Isolierung' 41 spiralförmig gelegt., so daß die Leitungen nachgeben können, wenn die Du.-;.-; thorn lachen Langenänderungcn unterworfen ist. V/enn dieser Lxpausionsraum durch die spiralige Führung der Leitungen nicht vorhanden ist, beispielsweise wenn die Leitungen direkt längs der Isolierung 41 parallel zu d-eren Längsachse geführt sind, können die Leitungen reißen oder brechen.

Las in den FIg. 2 und 3 dargestellte Heizelement wird zur ⁽ Verwendung bei der Erfindimg bevorzugt. Es besteht im wesent-

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lichen aus einem Widerstandsleiter, der so bemessen ist, daß Hitze erzeugt wird, wenn er vom Strom durchflossen wird. Dies ist im wesentlichen ein Leitungsdraht, dessen Enden mit den Verbindungspunkten 104 verbunden sind. Zwischen diesen Verbindungspunkten besitzt das Heizelement 40 im wesentlichen eine U-förmige Ausbildung, wobei die beiden Schenkel des U sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Düse 38 und in der Nähe der Außenfläche der Düse er strecken. Die Kanten der Seitenwand der Düse. 38, die das äußere Ende der Düse 38 und gleichzeitig den untersten Punkt des U ausbilden, befinden sich in derselben horizontalen Ebene. Der vertikale Teil des U, der von den Anschlußpunkten 104 am weitesten entfernt ist, erstreckt sich etwa vom Ende der Düse zu einem Punkt_fin'etwa entgegengesetzt zu den Anschlußpunkten 104. Wenn man an diesem Punkt beginnt, befindet sich das Heizelement 40 in einer Querrichtung zur Längsachse der Düse 38, jedoch immer ncoh in "der Nähe der Düse 38, worauf es zurück _s und zwar immer noch benachbart zur Düse 38, geführt wird, diesmal jedoch in einer Richtung parallel zur Längsachse der Düse 38 bis es wieder einmal das stromab gerichtete Ende der Düse 38 erreicht und so eine zweite U-förmige Konfiguration bildet. Dieses Mal befindet sich die Basis ungefährt entgegengesetzt zu den Anschlußpunkt en 1Θ4. Das Heizelement erstreckt sich dann quer benachbart der Kante" des* Seitenwand am stromabwärts gerichteten Ende der Düse 38, worauf es doppelt zurückverläuft, immer noch benachbart der Düse 38 jedoch in einer Richtung parallel zur Längsachse der Düse 38, worauf es einen Anschlußpunkt 104 erreicht. Diese Verdoppelung ergibt eine U-förmige Ausbildung als Teil des Weges des Heizelementes. Die Querabmessung eines jeden U ist in etwa gleich der. Länge und entgegengesetzt einem inneren Radius der Düse 38. Kurz bevor die Verbindungspunkte 104 erreicht v/erden, erstreckt sich das Heizelement nach außen von der Oberfläche der Düse 38, so daß die Anschlußpunkte 104 sich nicht neben der Düse 38 befinden. Das in Fig. 2 und 3 gezeigte Heizelement folgt also einem Weg, der im wesentlichen aiis drei U-förmigen Konfigurationen nacheinander besteht, wobei das erste und dritte U sich im

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wesentlichen parallel erstrecken und das zweite U durch die Verbindung der inneren vertikalen Schenkel des ersten und dritten U gebildet wird. Jeder der vertikalen Schenkel erstreckt sich in.einer Richtung parallel 2ur Längsachse der Düse, wobei das untere Ende der Basis des ersten und dritten U im wesentlichen in einer Ebene parallel zum Ende der Düse vorgesehen ist. Der Pfad befindet sich neben der Außenfläche der Düse, mit Ausnahme der Stelle, wo der Pfad in die Übergangspunkte 104 übergeht, wo sich der Pfad geringfügig nach außen wendet. Ein Heizelement dieser Konfiguration und Anordnung ist geeignet, um die Ausbildung von Eis am Ende der Düse 38 und längs der Seitenflächen der Düse 38 zu verhindern, wodurch sonst eine Brückenbildung von den Seitenflächen um das Düsenende 38 erfolgen könnte.

Eine geeignete Variation des Heizelementes nach Fig.. 2 ist in Fig. 2A gezeigt. Dort erstrecken sich die U-förmigen Teile des Heizelementes in der Nähe des Düsenendes 38 mit ihrer Oberseite der Basis im wesentlichen in einer Ebene, die das Düsenende 38 zum Unterschied von Fig. 2 enthalten, wo die untere Fläche der U-förmigen Teile im wesentlichen in der Ebene liegen.

Düsen mit anderen geeigneten Heizelementen sir©i in den Fig. 4 und 5 gezeigt. In Fig. 4 ist eine Düse 38 dargestellt, die an einer Montageplatte 96 vorgesehen ist. Der stromauf gerichtete Teil der Düse besitzt ebenfalls eine Isolierung 41 mit einer wasserdichten Abdichtung zwischen der Düse 38 und der Isolierung 41 durch Klammern 102. Leitungen 42 sind spiralförmig um die Isolierung 41 gewunden und reichen durch die Hontageplatte 96 zu einer Spannungsquelle 106. Die Leitungen 42 sind mit dem Heizelement 40 über Verbinduiigspunkte 104 verbunden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 erstreckt sich das Heizelement 40 spiralförmig um die Düse 3S bis es einen Punkt in der Nähe des Düsenendes erreicht, worauf es in einer Verdoppelung spiralförmig um die Düse 38 gewunden zurückgeführt wird, so daß sich die beider,

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SAD

Spiralteile im wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Eine Draufsicht auf B'ig. 4 ist in Fig. 6 gezeigt; daraus geht hervor, daß die Montageplatte 96 vier öffnungen 108 besitzt, durch die Schrauben reichen können, die die Platte mit der Tankwand verschrauben.

Fig. 5 zeigt eine Düse 38 mit einer Isolierung 41, die ebcn» • falls durch Dichtklammern 102 gehalten.wird. Auch'dort ist ein Heizelement 40 vorgesehen, welches an Verbindungspunk-ten 104 mit Leitungen 42 verbunden ist. Das Heizelement erstreckt sich in einem Weg längs der Außenfläche dos unteren Teiles der Düse 38 spiralförmig um diese Fläche, wobei ' einer der Verbindungspunkte 104 am stromabwärts gerichteten Ende der Düse 38 angeordnet ist.

Es sei darauf besonders verwiesen, daß die vertikale An ordnung der Düsen bezüglich des Tanks 10 bei diesen Aueführungsformen wichtig ist. V/erden die Düsen nämlich horizontal angeordnet, so können die durch den ausströmenden flüssigen Stickstoff hervorgerufenen Turbulenzen bewirken, daß das Wasserreservoir unstabil ist.

Das folgende Beisiel erläutert zusätzlich ein bevorzugtes Verfahren und.eine Vorrichtung zum Kühlen von Wasser.

w ' Beispiel.

Hierzu wird das Stetem und das Verfahren, vie in Fig.. 1 erläutert, verwendet. Das Heizelement einer jeden Düse besitzt eine Konfiguration nach Fig. 2A.

Der in Fig. 1 gezeigte Tank 10 ist etwa 15m lang und mißt 3 m im Durchmesser. Er faßt 70000 1. Jede de-i· Düsen erstreckt sich radial in den Tank in einem Abstand von 2,2 m. Zehn Düsen werden verwendet« Jede dor zehn Dünen ist. aus Mesn.ingr ohr en mit einer lichten Weite von 3/4 inch (ce.. 19 mm) hergestellt. Jedes Heizelement ist mit der Außenfläche der betreffenden Düse mittels Silberlot verbunden. Jedes lu/r-.z-

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j^4l&^is BADORfGtNAt

element erstreckt sich in einer Richtung parallel zur Längsachse der Düse in einer Entfernung von 20 cm. Die Leitungen zu jedem Heizelement sind spiralförmig dreimal um die Isolierung 41 gewunden. Entlüftungsleitungen 94 besitzen jeweils einen Innendurchmesser von 18 inch (etwa 45,7 mm). Die Leitungen 42 bestehen aus M-1-Kabel.

Das Wasser tritt in den Tank 10 bei einer Temperatur von 18° C ein. Das Verfahren und die "Vorrichtung nach der Erfindung wird verwendet, um das Wasser auf etwa 1,6° C abzukühlen. Das gekühlte Wasser wird zur Bereitung von

Beton verv/endet. Der Beton wird in Chargen von 2,3 m vorboreitet. Etwa 1000 1 Wasser werden verwendet, um 2,3 m" Betoncharge zu präparieren. Das Wassar mit einer Temperatur von 1,6° C reicht aus, um die Mischung auf eine Temperatur unterhalb 26,5 C zu kühlen, auch wenn Sand und Kies eine Temperatur von 33,3° C besitzen.

Das System wird kontinuierlich betrieben. Für jeweils

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2,3 m werden 17 Kg flüssigen Stickstoffs durch jede der zehn Düsen in das V/asser im Tank eingeleitet. Die Heizelemente werden während fünfzig Prozent der Zeit beheizt, wobei Heizperioden von 30 Sek. mit nicht beheizten Perioden von ebenfalls 30 Sek. abwechseln. Jedes Heizelement ist eine halbe Stunde in Betrieb und verbraucht während diecor Zeit eine Kilowattstunde elektrischer Energie.

Als Resultat· wird das Wasser durch die Einleitung flüssigen Stickstoffs ohne Gefrieren des V/assers in oder an der Düse auf eine Temperatur von 1,6° C abgekühlt. Da die Leitungen spiralförmig um die Isolation gewunden sind, können sie nicht brechen oder reißen.

Wird eine Abkühlung des V/assers auf eine Temperatur von 0,6° C gewünscht und falls ausreichender flüssiger Stickstoff eingeleitet vird, um diese Temperatur zu erreichen, werden 1,0 Kilowattstunden elektrischer Energie von dem Heizelement einer jeden Düse während jeder Periode von einer

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halben StundtlbenÖtigt, um die Düse frostfrei zu halten.

Eine stärkere Kühlung kann erreicht v/erden, wenn der aus der Entlüftungsleitung 94 abgezogene verbrauchte Stickstoff dazu verwendet wirdg um den Kies durch Einleiten dieses verbrauchten Stickstoffs in den Kiesbehälter abzukühlen. Anschließend kann der Stickstoff abgeleitet werden.

Die Erfindung kann auch bei anderen Ausführungsformen Verwendung finden. Beispielsweise können die Düsen justierbar eingerichtet sein·. Auch kann eine zusätzliche Kühlung durch Zugabe von gefrorenem Vfesser oder durch Versprühen t von flüssigem Stickstoff auf dem Kies und/oder Sand erreicht werden. Es können auch andere Konfigurationen für die Heizelemente gewählt werden. Wichtig ist, daß das Düsenende vor der Vereisung geschützt wird. Ferner kann ein anderes inertes Gas außer Stickstoff oder Luft verwendet werden, um die Düsen 38 vor dem Vereisen während der Zeit zu schützen, in der kein flüssiger Stickstoff zugeführt wird« Hierzu kann beispielsweise trockenes Helium oder Argon verv/endet v/erden.

Patent- bzw. Schutzansprüche

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Claims

16.Juni 1971 Air Products and Chemicals,Inc.

Gu/gm Philadelphia, Pennsylvania,USA

Patent-bzw.Schutzansprüche

Verfahren zum Kühlen von Wasser auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur und oberhalb des Gefrierpunktes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge flüssigen Stickstoffs in das V/asser eingeleitet wird, die durch Verdampfung für die gewünschte Abkühlung aus~ reicht, und daß ein Verstopfen des Einleitungskanals durch Eis dadurch, verhindert wird, daß das in der Umgebung des Einleitungskanals befindliche Wasser am Gefrieren gehindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wärine in der Nachbarschaft des Einleitungskanals zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme nach einem vorgegebenen Zeitscheina zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme durch eine elektrische Widerstandsheizung zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Stickstoff intermittierend je nach dem Kühlbedarf eingeleitet wird und daß ein inertes Gas durch denselben Einleitungskanal eingeleitet wird, wenn flüssiger Stickstoff nicht eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einleitungskanal von Verstopfungen sowohl durch die Anwendung von Wärme in der Umge-

■■■ ■*

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bung des Einleitungskanals, wie auch durch die Einleitung eines inerten Gases längs des Einleitungskanals während derjenigen Zeiten freigehalten wird, in denen flüssiger Stickstoff nicht längs des Einleitungskanals eingeleitet wird.

7. Verfaliren nach Anspruch 5 oder 6,' dadurch gekennzeichnet, daß^iiierte Gas Stickstoff ist.

8. Vorrichtung zum Kühlen von V/asser durch direktes Einleiten von flüssigem Stickstoff in das Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß ein horizontal ausgerichtetes Wasserreservoir (10) -vorgesehen ist, in das sich eine Vielzahl von Injektionsdüsen (38) für flüssigen Stickstoff erstrecken, wobei jede der Düsen in der Kälie ihres stromab gerichteten Endes ein Heizelement (AO) besitzt.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitschaltgerät (48) vorgesehen ist, das die Heizelemente (40) nach einem vorgegebenen Zeitschalt- ' schema betätigt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich- * _t net, daß ein Temperaturfühler (92) vorgesehen ist, der die Wassertemperatur im Reservoir (10) fühlt und ein erstes Signal abgeben kann, wenn die Wassertemperatur sich unterhalb eines vorbestimmten Wertes befindiOfc, und der ein zweites Signal abgeben kann, wenn die Wassertemperatur sich auf dem vorbestimmten Wert befindet, und daß eine Regeleinrichtung (84) für die Temperatur vorgesehen ist, die den Zustrom flüssigen Stickstoffs durch die Düsen (38) in das Reservoir (10) bei Erhalt des ersten Signals einleitet und aufrechterhält, und . die den Zustroiu on flüsr.ißoia Stickstoff bein ".ilmpfang des zweiten .Signals unterbricht.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle eines unter Druck stehenden, inerten Gases vorgesehen ist, daß die Temperaturregelung derart ausgebildet ist, daß inertes Gas aus der Quelle durch die Düse (38) zuströmt, wenn der Strom von flüssigem Stickstoff aufhört, und daß der Strom an inertem Gas untrbrochen wird, wenn flüssiger Stickstoff zuströmt .

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (38) vertikal ausgerichtet sind.

13. Düsenanordnung zur Verwendung bei der Vorrichtung nach Anspruch 10,11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Düse (38), die nur an ihrem stromabwärts gerichteten Ende offen ist, und die in der Nähe des stromabwärts gerichteten Endes ein elektrisches Heizelement (40) besitzt.

14. Düsenanordnung nach Anspruch 13) dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (40) an Verbindungspunkten (104) mit Leitungen (42) verbunden ist, die zu einer elektrischen Spannungsquelle (106) geführt sind.

15. Düsenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gelmnzeichnet, daß der Weg des Heizelements (40) im wesentlichen aus drei U-i'örmigen Konfigurationen nacheinander besteht, wobei die erste und dritte Konfiguration im wesentliehen parallel sind und die zweite Konfiguration durch die Verbindung der inneren vertikalen Schenkel der ersten und dritten Konfiguration gebildet wird, daß sich jeder der vertikalen Schenkel in einer Richtung parallel zur Läi^t-achse der Düse (38) erstreckt und daß der Weg sich in der Nähe der Außenfläche der Düse außer in der Umgebung der Verbindungspunkte (104) erstreckt,

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wo der' Weg von der Düse hinwegweist und zu den Verbindung spunkten geht.

16. Düsenanordnung nach Anspruch 15? dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Konfiguration derart ausgebildet sind, daß die Oberflächen ihrer Basen in derselben horizontalen Ebene wie das stromabwärts gerichtete .':Ende der Düse liegen.

17· Düsenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Heizelement (40) spiralförmig um das Rohr erstreckt.

18. Düsenanordnung na'ch Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Düse (38), der nicht in Kontakt mit dem Heizelement (40) steht, von einer Isolation (41) bedeckt ist, um die die Leitungen (42) spiralförmig gelegt sind.

19. Verfahren zur Herstellung von Beton unter Vervrendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß Wasser auf eine vorbestimmte Temperatur durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 abgekühlt wird, daß Zement,Kies und Sand mit dem abgekühlten V/asser vermischt wird, wodurch der so ausgebildete Beton auf eine gewünschte Temperatur gekühlt wird, und daß die Menge des verwendeten gekühlten Wassers wenigstens ein Teil der gesamten, für die Herst-ellung des Bütons -verwendeten Wassermenge entspricht.

Der Patentanwalt:

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