JP4280942B2 - 凝縮ガスを使用して産物を冷却する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、凝縮ガスの冷却能力により産物を冷却又は冷凍（以下冷却という）する方法に関し、産物は少なくとも１つの冷却熱交換器を通過せしめられる。本発明は、この冷却を実施する際使用される装置にも関する。
多くの大きいガス消費者は、ガスを凝縮状態で納入させる。ガスを使用する時、ガスは通常空気蒸発器で蒸発せしめられる。空気蒸発器を使用すると、凝縮ガスの冷却容量の損失を生ずる。こうして失われる冷却容量を回収できるようにするには、多数の異なる産物を凍らせることなくなるべくガス又は液体の状態で冷却するのに使用できる融通性のある安価な装置が必要である。冷却されねばならないすべての供給エネルギーは冷却損失を増大する一因となるので、使用される装置は、ポンプ又はフアン又は他のエネルギーを消費する装置のような別個の駆動手段を必要としてはならない。この装置は、凝縮ガスにより冷却されて装置を冷却する低凝縮点の付加的な熱伝達媒体を使用することなく動作可能でなければならない。なぜならば、このような手段は、エネルギーを熱伝達装置へ供給し従つてその冷却容量を減少するポンプ等の使用を必要とするからである。
本発明の主目的は、ポンプ、フアン等のエネルギー供給装置を使用する必要なくしかも冷却すべき産物の凍る危険をなくす簡単で安価な標準部品により、凝縮ガスの冷却容量を高い効率利用する方法及び装置を提供することである。
本発明は、凝縮ガスを蒸発させる際に得られる低温ガスにより産物を冷却し、凝縮ガスの蒸発と産物の冷却とを標準形の別々の熱交換器で行うことにより、この目的を達することができるという、知見に基いている。もちろん本発明の１つの要件は、冷却すべき産物の温度が使用される凝縮ガスの沸点より上にあることである。
本発明によれば、最初にあげた種類の方法の特徴は、少なくとも１つの蒸発熱交換器において凝縮ガスを蒸発させ、蒸発ガスを産物冷却熱交換器へ供給して産物を冷却し、産物冷却熱交換器において産物により加熱されたガスを蒸発熱交換器へ戻すことによつて、凝縮ガスを蒸発させる点にある。
こうして本発明によれば、産物の冷却は蒸発した後の凝縮ガスにより行われ、このガスが熱伝達媒体としても使用される。凝縮ガスが産物に直接接触しないことによつて、産物の凍る危険は最小になる。更に蒸発ガスは、熱交換器にある隔壁を介して産物を間接に冷却するだけなので、ガスと産物とが互いに接触することはない。使用される熱交換器は並流、向流又は交差流形式の標準部品を含んでいる。別々の部品のため、これらの部品は効率のよいプロセスを行うために最適化され、標準部品を使用するため、このプロセスを低価格で行うことができる。
凝縮ガスの冷却容量の回収を更に改善するために、少なくとも２つの直列接続される産物冷却熱交換器で産物が冷却され、蒸発熱交換器で蒸発ガスは、冷却媒体として産物冷却熱交換器の一方へ供給され、蒸発熱交換器のガスを蒸発させるために使用されて今や低温のガスは、冷却媒体として直列接続される熱交換器の他方へ供給される。従つてこの方法は、蒸発熱交換器へ戻されるガスから冷却容量を回収するのを可能にする。
冷却産物が低い温度になつた後でも、蒸発熱交換器へ供給されるガスの熱容量がこの蒸発熱交換器内の凝縮ガスを完全に蒸発させるのに充分であるようにするため、蒸発熱交換器の高温側には、その低温側におけるより多量の質量流量が通るようにする。
凝縮ガスはなるべく２つの又はそれ以上の蒸発熱交換器で分割され、その中で蒸発ガスは、一緒に産物冷却熱交換器の１つへ供給され、その中で加熱されたガスは、１つの蒸発熱交換器へ戻されて、それを通る凝縮ガスの一部を蒸発させ、こうして冷却されたガスは、他の産物冷却熱交換器へ供給され、その中で加熱されたガスは、他の蒸発熱交換器へ戻されて、それを通る凝縮ガスの一部を蒸発させる。
２つの蒸発熱交換器を使用する前述したプロセスの特に好ましい実施態様では、３つの直列接続される産物冷却熱交換器で産物が冷却され、凝縮ガスの蒸発により冷却されて他の蒸発熱交換器へ戻されるガスが、付加的な産物冷却熱交換器へ供給される。この実施態様は、他の蒸発熱交換器へ戻されるガスの冷却容量の使用を可能にする。
本発明によれば、一般に蒸発熱交換器の数より１つ多い産物冷却熱交換器を常に使用するのが好ましい。
凝縮ガスは例えば窒素、アルゴン、酸素、炭酸ガス又は天然ガスとすることができる。
方法を実施する際に使用される装置の主な特徴は、後続の装置請求項から明らかである。
本発明の実施例に関しかつ添付図面に関して、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、産物冷却熱交換器及び凝縮ガス蒸発熱交換器を含む本発明の装置の原理的構成図である。
図２は、２つの産物冷却熱交換器及び１つの蒸発熱交換器を含む実施例を示している。
図３は、２つの産物冷却熱交換器及び２つの蒸発熱交換器を含む他の実施例を示している。
図４は、３つの産物冷却熱交換器及び２つの蒸発熱交換器を含みかつ産物の流れ方向に見て並流で産物冷却熱交換器が接続されている本発明の好ましい実施例を示している。
図５は、図４に対応しているけれども産物冷却熱交換器が向流で接続されている実施例を示している。
図１には１つの産物冷却熱交換器20と凝縮ガス蒸発熱交換器30とが示されている。両方の熱交換器は標準形で、低温媒体と高温媒体との間の間接熱伝達で動作し、即ち媒体の間に直接の接触はない。熱交換は並流、向流又は交差流の形式とすることができる。
冷却又は同様に冷凍すべき産物は、適当に液体又はガスの状態で導管１を経て熱交換器20へ供給され、冷却産物は導管２を経て熱交換器20から出る。本発明により産物の温度より低い沸点の蒸発ガスを含む冷却又は冷凍媒体は、導管３を経て熱交換器20へ供給され、導管４を経て出る。
導管３内の蒸発ガスは、蒸発熱交換器30から得られ、凝縮ガス例えば液体窒素が導管５を経て熱交換器30へ供給される。熱交換器20内の産物を冷却する際加熱されるガスを導管４を経て熱交換器30へ戻すことによつて、凝縮ガスが熱交換器30で蒸発せしめられ、それからガスは導管６を経て放出される。
前述した装置において産物は、産物の凍る僅かな危険でかつこの目的のため別個の熱伝達装置及びポンプ又はフアンを使用することなしに、凝縮ガスの冷却容量により間接に冷却される。これは、入口導管に発生される超過圧力によりシステムの周りに駆動される熱伝達媒体としての凝縮ガスから蒸発したガスを使用することにより、行われる。
この装置により得られる重要な利点は、産物の冷却とガスの蒸発が、非常に簡単かつ安価な標準設計としかつそれぞれ最良の結果を与えるように最適化することができる２つの別々な熱交換器で行われることである。こうして装置は、特別に製造される部品を必要とせず、商業的に利用可能な標準部品から構成されることができる。
装置の機能を示すため、付録１の表１に、図に印をつけた測定点におけるデータシミユレーシヨンで得られる測定値が与えられており、産物は40℃の温度を持つ水と仮定され、凝縮ガスは図示した場合−169℃の温度を持つ液体窒素と仮定されている。
図２に示す実施例では、熱交換器30でガスを蒸発させるために使用されそれによりプロセスで冷却されるガスの冷却容量の一部が回収され、この冷却ガスは導管６を経て熱交換器から出る。この目的のため別の産物冷却熱交換器21が熱交換器20に直列接続され、冷却ガスは導管６を経てこの熱交換器21へ供給される。こうして産物は、導管７を経て放出される前に、別の産物冷却熱交換器で更に冷却される。熱交換器21で産物を冷却するために使用されるガスは、導管８を経て熱交換器21から出る。
最初に供給される凝縮ガスの冷却容量は、付録１の表２にあげられているデータシミユレーシヨンの値から明らかなように、この実施例では一層効果的に使用され、このデータは図２による回路装置に関するものである。この回路における熱交換器２０及び21の位置は、所望な場合もちろん逆にすることができるので、産物はまず熱交換器21へ供給され、それから熱交換器20へ供給される。
装置において計算に従つて動作するために、蒸発熱交換器へ供給される凝縮ガスの完全な蒸発を行うことが必要である。完全な蒸発を行うため、産物冷却熱交換器20から蒸発熱交換器30へ供給されるガスが充分な熱を含んでいることが必要である。これは、比較的低い入口温度を持つ産物を冷却する時にも、熱交換器30の高温側の質量流量をこの熱交換器30の低温側を通る質量流量より大きくすることによつて、保証される。これは、低い温度でも、完全な蒸発を行うために必要な熱量に従つて、熱量を合わせるのを可能にする。
図３に示すように、導管５へ入る凝縮ガスは２つの部分流に分割され、各部分流がそれぞれの蒸発熱交換器30及び31で蒸発せしめられる。蒸発ガス部分流はそれぞれの導管９及び10を経て共通な導管３へ供給され、前述した実施例におけるように、この導管３は全体流を熱交換器20へ供給する。熱交換器20で加熱された後に全体流は、導管４を経て蒸発熱交換器30へ戻され、この熱交換器30において、導管５を経て供給される凝縮ガスの全量の半分だけが、例えば蒸発せしめられる。こうして熱交換器30の高温側のガス流は、その低温側のガス流の２倍の大きさになる。熱交換器30で冷却されるガス流は、前述した別の産物冷却熱交換器21へ達し、そこで加熱されて、導管11を経て別の蒸発熱交換器31へ戻される。こうして別の蒸発熱交換器31も、凝縮ガスの他の半分を蒸発させるための全高温ガス流を受ける。ガスはそれから導管12を経て熱交換器31から出る。
この実施例は、全蒸発ガス流の熱容量が凝縮ガスの全量の半分のみを各段階で蒸発させるため使用されるのを可能にする。
前述した実施例と同様に、付録２の表３は、データシミユレーシヨンにより図に示す測定点で得られる若干の測定値を例示的にのみ示している。もちろんこの場合所望ならば、回路における熱交換器20及び21の位置を逆にすることができる。
図４は本発明の最も好ましい装置の実施例を示し、この装置は、第２の蒸発熱交換器31から冷却容量を回収するために第３の産物冷却熱交換器22を含んでいる。第２の蒸発熱交換器31へ戻されて蒸発過程の結果冷却されたガスは、導管13を経て第３の熱交換器22へ供給され、この熱交換器22で産物を更に冷却する。産物は導管14を経て放出され、ガスは導管15を経て放出される。
３つの産物冷却熱交換器20〜22が産物の流れ方向に関して並流に接続されているこの装置の機能は、付録３の表４の例により与えられる値から明らかである。
図５は、図４に示す装置に対応する装置を示しているが、ここでは産物冷却熱交換器20〜22の順序が、産物流の方向に関して向流熱交換器接続を得るために変えられている。熱交換器の配置の順序は、図４及び５に示す実施例の異なる組合わせを得るように変えることもできる。
図２，４及び５に示す実施例の場合、産物冷却熱交換器の数は、凝縮ガスにおける冷却容量の歩どまりを改善する蒸発熱交換器の数より大きい。こうして蒸発熱交換器の数が、図４及び５の実施例に含まれる２つの熱交換器より多いように増加されると、前記の差を維持するため、３つの産物冷却熱交換器も同じ数だけ増加される。従つて本発明は、図面に示す熱交換器の数に限定されず、必要に応じてこの数を選ぶことができ、それにより当業者は、個々の場合に最適な機能を与えるように、熱交換器を接続することができる。
本発明は種々の産物を冷却するために応用でき、当業者は各応用のために適当な凝縮ガス例えば窒素、アルゴン、酸素、炭酸ガス又は天然ガスを選ぶことができる。

Claims (9)

1. 産物を少なくとも１つの産物冷却熱交換器に通して冷却する方法において、少なくとも１つの蒸発熱交換器において凝縮窒素を蒸発させ、蒸発せしめられた窒素ガスを産物冷却熱交換器へ供給して、そこで産物を冷却し、産物冷却熱交換器において産物により加熱された窒素ガスを蒸発熱交換器へ戻して、そこで凝縮窒素を蒸発させるために利用することを特徴とする、産物を冷却する方法。
2. 産物冷却熱交換器の後に付加的産物冷却熱交換器を接続し、産物冷却熱交換器から蒸発熱交換器へ戻された窒素ガスを付加的産物冷却熱交換器へ供給することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 付加的蒸発熱交換器を設け、凝縮窒素を蒸発熱交換器及び付加的蒸発熱交換器へ供給し、蒸発熱交換器及び付加的蒸発熱交換器で蒸発せしめられた窒素ガスを産物冷却熱交換器へ供給し、凝縮窒素を蒸発させるため、付加的産物冷却熱交換器において産物により加熱されたガスを付加的蒸発熱交換器へ戻すことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 付加的産物冷却熱交換器の後に第３の産物冷却熱交換器を接続し、付加的蒸発熱交換器へ戻された窒素ガスを第３の産物冷却熱交換器へ供給することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 凝縮窒素により産物を冷却する装置であって、少なくとも１つの産物冷却熱交換器（２０）を含み、この産物冷却熱交換器を産物がガス又は液体の状態で通されるものにおいて、装置が、凝縮窒素を供給されてこれを蒸発させる少なくとも１つの蒸発熱交換器（３０）、蒸発せしめられた窒素ガスを産物冷却熱交換器（２０）へ供給する手段（３）、及び凝縮窒素を蒸発させるため、産物冷却熱交換器（２０）において産物により加熱された窒素ガスを蒸発熱交換器（３０）へ戻す手段（４）を含んでいることを特徴とする、装置。
6. 産物冷却熱交換器（２０）の後に接続される付加的産物冷却熱交換器（２１）、及び産物冷却熱交換器（２０）から蒸発熱交換器（３０）へ戻された窒素ガスを更に付加的産物冷却熱交換器（２１）へ供給する手段（６）を含んでいることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 付加的蒸発熱交換器（３１）、凝縮窒素を蒸発熱交換器（３０）及び付加的蒸発熱交換器（３１）へ供給する手段（５）、蒸発熱交換器（３０）及び付加的蒸発熱交換器（３１）で蒸発せしめられた窒素ガスを産物冷却熱交換器（２０）へ供給する手段（３）、及び凝縮窒素を蒸発させるため、付加的産物冷却熱交換器（２１）において産物により加熱された窒素ガスを付加的蒸発熱交換器（３１）へ戻す手段（１１）を含んでいることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 付加的産物冷却熱交換器（２１）の後に接続される第３の産物冷却熱交換器（２２）、及び付加的蒸発熱交換器（３１）へ戻された窒素を第３の産物冷却熱交換器（２２）へ供給する手段（１３）を含んでいることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. すべての熱交換器が並流、向流又は交差流形式の熱交換器であることを特徴とする、請求項５ないし８の１つに記載の装置。

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