專利名稱：通過與液化氣體直接接觸以冷卻流體的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)相應獨立權利要求的前序部分的用于冷卻流體的方法和設備。
本發(fā)明提供一種通過冷卻流體來冷卻可能還含有固體成分的液態(tài)流體的方法和設備，該冷卻流體由液化氣體如N2、CO2、Ar或它們的混合物組成，并且，該冷卻流體在換熱之后轉(zhuǎn)變成氣態(tài)或蒸汽態(tài)。
背景技術：
眾所周知，為了冷卻液體，通常使用具有位于冷卻流體和待冷卻流體之間的分隔面的裝置或設備。但是，該方案必定意味著總換熱系數(shù)低，并且由于這些流體與分隔面之間的摩擦使流體受到機械作用。如果這種現(xiàn)象會使待冷卻的流體的感觀特性降級——例如在壓制的葡萄漿液的情況下——則該機械作用限制了此類裝置的使用。
從同一申請人的一個在先專利中已知一種使用液化氣體冷卻流體的方法。該專利(IT1313938)說明了一種以受控的方式使用液化氣體作為冷卻劑來冷卻液體的方法，所述液體可能還包含固體物。該方法包括將所述待冷卻的液體送入容納部件內(nèi)，并將適當量的液化氣體送入所述部件內(nèi)，以便該液化氣體與所述液體直接接觸，這種接觸導致液化氣體轉(zhuǎn)變成氣相并冷卻該液體，然后，從容納部件中取出所述氣體或蒸汽以及所述被冷卻的液體。
在該現(xiàn)有專利中，設置有管路以用于將被冷卻的流體和氣體或蒸汽傳送到在其中分離這兩種流體的裝置，該被冷卻的流體和氣體或蒸汽由在其中進行換熱的裝置在換熱期間產(chǎn)生。流體以高速穿過管路，以便被冷卻的液體或兩相固-液混合物和處于氣態(tài)或蒸汽態(tài)的冷卻流體兩者被同時傳送。
即使待冷卻的液體的特性使得可以實現(xiàn)上述方法，但任何所包含的固體部分可能由于高速而在管路中遭受破壞，在壓制的葡萄漿液的情況下對葡萄造成的損壞就是一個非限制性示例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于冷卻可能還含有固體成分的液體的方法和設備，這是對類似的已知方法和設備的改進。
本發(fā)明的另一目的是提供一種與類似的已知設備相比使用更緊湊的裝置并且操作形式簡化的設備。
通過根據(jù)所附權利要求的方法和設備可以實現(xiàn)熟悉本領域的人員顯而易見的這些以及其它目的。


從通過非限制性示例給出的附圖中可以更清楚地了解本發(fā)明，在圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的設備的示意圖；圖2示出圖1的設備的液化氣體注入器；圖3、4和5示出圖1的設備中所使用的液化冷卻氣體和氣體或蒸汽的供給管路的三種變型。
具體實施例方式
參照所述附圖，其中示出管路1包括抽取待冷卻液體(容納在它自身的罐體內(nèi)或存在于傳送管路中，未示出)的泵2。從泵2延伸出具有閥3a的管路3，通過該管路3將待冷卻的液體送到容納和換熱部件(或冷卻器)4，在該部件4中待冷卻的液體與從液化氣體自身的存儲罐5取出的液化氣體直接接觸，該液化氣體經(jīng)由設置有三通閥8的一個或多個管路6(其中僅有一個在附圖中示出)和將液化氣體送入冷卻器4的注入器7被取出。圖2中所示的注入器7的尺寸制成為，使得在來自管路6的確定量的液化氣體已經(jīng)通過部位7c之后該液化氣體通過一定尺寸的孔7a。
在圖2中，參考標號7b指示用于連接到其余的管路6或閥8的已知的活動系統(tǒng)(例如環(huán)形螺母)。
如果罐體5內(nèi)的壓力不足以將液化氣體注入到冷卻器4內(nèi)，則具有用于提供必要壓力的合適特性的泵被連接到管路6中，所述泵在圖中未示出。
作為示例，該冷卻流體為液化氣體，如N2、CO2或Ar。
設置有閥10的氣體或蒸汽管路9連接到已知為三通類型的閥8。當閥8關閉沿管路6的液化氣體通道時，氣體或蒸汽——而不是液化氣體——被注入器7注入到冷卻器4內(nèi)。
當不要求經(jīng)由注入器供給液化氣體時，因為存在以下的風險即，當將注入器7與管路6連接時，在液化氣體與待冷卻液體之間會發(fā)生接觸，從而可能由于獲得低溫而凍結(jié)待冷卻液體，并且隨后阻塞注入器7，因而阻止注入器7的正確操作，所以，以上述方式供給氣體或蒸汽以防止注入器7沿部位7c填充有冷卻液。
圖3和4示出用于在液化氣體不通過注入器7時將氣體或蒸汽注入到注入器7內(nèi)的兩種可選方案。
具體地，在圖3所示的方案中，三通閥由兩個單向閥代替，一個連接到管路6內(nèi)，一個連接到管路9內(nèi)；采用此方案，當要注入液化氣體時，打開閥8a并且關閉閥10；反之亦然，當要注入氣體時，關閉閥10并且打開閥8a。
當管路9中的氣體或蒸汽的壓力小于管路6中的液化氣體的壓力、并且大于冷卻器4中的壓力時，可使用圖4中示出的方案，該方案采用單向止回閥10a代替圖1和3中示出的閥10，該單向止回閥10a允許氣體或蒸汽在閥8a關閉時通過。
從上文所述可以看出，注入器7始終被液化氣體或者氣體或蒸汽通過，從而可以防止在部位7c內(nèi)出現(xiàn)待冷卻的液體。
圖5示出一種方案，該方案不使用具有一定尺寸的孔7a的注入器7，而是僅使用一個控制閥8b來分配液化氣體。
在冷卻器4中，在高于大氣壓力的壓力下液化氣體與待冷卻液體發(fā)生直接接觸。在冷卻器中安裝有用于測量過程參數(shù)的已知的部件，例如一個或多個溫度指示器13、液位指示器12以及壓力指示器11。
在冷卻器4的頂部安裝有具有相關閥(relative valve)19的排放管路18，以排空由液化氣體產(chǎn)生的氣體或蒸汽，該氣體或蒸汽是在冷卻器4中由于換熱而形成的。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)閥19的開度，可以調(diào)節(jié)容納部件4內(nèi)的壓力，正如將要說明的，該壓力用于經(jīng)由管路14將被冷卻的液體推出容納部件4。
可以將在冷卻器4中形成的氣體或蒸汽的一部分通過管路22從管路18中抽出，利用來自具有閥25的管路24(連接到合適的罐體或其分配管路)的動力流體，并且在已知的注入器23的幫助下，將此部分氣體或蒸汽送入冷卻器4的底部，以便充分混合冷卻器4內(nèi)的待冷卻液體和液化氣體。例如，注入器23是被稱為文丘里管的膨脹-壓縮管路，但是也可以是任何其它的在沒有動力流體幫助的情況下利用電動機械能將蒸汽從冷卻器4中抽入并壓縮的機構。
被冷卻流體的排放管路14位于冷卻器的底部，并設置有閥15和用于供給流化(fluidifying)氣體或蒸汽的具有相關閥17的管路16。供給此流化氣體或蒸汽的目的是為了即使在管路14中的液體保持靜止而不流動時也使其中的液體混合。
此方法意味著由于該混合作用，當要使被冷卻的液體繼續(xù)流動時，冷卻器4中的壓力必須克服的摩擦力是動的而不是靜的，眾所周知，動摩擦小于靜摩擦，所以在此情況下重新恢復流動所要求的壓力比不混合液體的情況小，因此初始的流動恢復速率比沒有進行流體化的情況低，所以可以更緩慢地改變工作狀態(tài)，從而將系統(tǒng)振動限制在流體動力平衡附近。
在冷卻器4的底部還安裝有具有相關閥21的管路20，以便為了使待冷卻的液體和冷卻氣體在冷卻器內(nèi)充分混合在一起而可能添加氣體或蒸汽。
為了控制冷卻過程，本發(fā)明包括控制單元(未示出，包括例如電子處理器和/或可編程單元或PC)以及其它已知的電動機械部件，其目的在于將設備的部件(如閥8、10、15、17、19、21、25以及泵2)按要求設置以使設備根據(jù)下文所述的邏輯適當?shù)剡\行。
所述控制單元(未示出)接收所測量的參數(shù)的值，例如來自指示器13的溫度、來自指示器12的液位以及來自指示器11的壓力，并且根據(jù)系統(tǒng)具有的已知算法式處理所測定的值。處理所述算法式的結(jié)果是對所述部件在運行期間的狀態(tài)(例如閥的位置，即打開/關閉/部分打開等)的確定，該狀態(tài)由系統(tǒng)借助于連接到設備的活動部件(例如閥)的已知的受控電動氣動部件來實現(xiàn)。
下面通過非限制性舉例說明一種操作本發(fā)明的可選方法。
迫使待冷卻的液體通過設備3并進入冷卻器4，在該冷卻器中液體的液位由指示器12測定，溫度由探針13測定。液位指示器12通過算法關系與連接在管路18內(nèi)的閥19相聯(lián)系，該算法關系使閥19的確定的開度與由指示器12測定的冷卻器4中的流體液位相關聯(lián)。具體地，可以利用不同的關聯(lián)算法，但是所有關聯(lián)算法都具有下列特征—閥19的較小開度對應于較高的液位；—閥19的完全關閉對應于所選定的作為運行所允許的最大值的液位。
溫度指示器13連續(xù)地測定冷卻器4中的流體混合物，即待冷卻液體、液化氣體以及液化氣體蒸汽的溫度，如果該溫度值大于所要求的設定值，則控制單元將液化氣體經(jīng)由連接到一個或多個注入器7的一個或多個管路6供給到冷卻器4內(nèi)。
在液化氣體不通過這些注入器7的特定時間內(nèi)，通過正確地設置三通閥和打開閥10而使氣體或蒸汽經(jīng)由連接到注入器的管路9通過注入器；可選地，如果不設置三通閥3而是采用圖3和4所示的方法中的一個，則如果所采用的方法是圖3中所示的，則通過關閉閥8a和打開閥10來實現(xiàn)連接，或者如果所采用的方法是圖4所示的，則只關閉閥8a就可以。
在冷卻過程開始時，由泵2壓入冷卻器4內(nèi)的待冷卻的液體開始填充該冷卻器，并且，當其液位到達最小閾值時——這可以由控制單元在任何特定時刻確定——該控制單元打開閥15，并且可能還打開連接在管路16內(nèi)的閥17，以便在內(nèi)部壓力允許的情況下使冷卻器4中所容納的被冷卻的液體流出并供給到需要的地點。
主要在被冷卻液體具有高粘度、因而具有相當大的運動阻力并要求冷卻器4內(nèi)的壓力很高的時候，打開閥17。
隨著待冷卻的液體持續(xù)被供給，冷卻器4內(nèi)的液位持續(xù)升高。鑒于液位和閥19的開度之間的關系，以及因此在離開管路18的蒸汽中產(chǎn)生的壓降(壓差)，在某一時刻可以在冷卻器中獲得足以克服通過傳送管路14的壓降的壓力。當獲得此壓力時，被冷卻液體開始通過管路14離開冷卻器。
為了更好地理解前面所述的，應該指出，因為如果被冷卻液體不流出或流出的速率低于入口速率，則冷卻器內(nèi)的液位上升，所以可以獲得所述足夠的壓力，然后，由于所測量的液位和連接在排放管路18內(nèi)的閥19的開度之間的算法關系，該排放管路18用于在液化氣體和待冷卻液體之間通過換熱所產(chǎn)生的氣體或蒸汽，閥19趨向于關閉以提供氣體或蒸汽的排出阻力，因此在冷卻器4內(nèi)產(chǎn)生注入被冷卻液體所必須的和足夠的壓力。
該壓力穩(wěn)定在一個值上，從而可以使要獲得的被冷卻液體的出口流量與入口流量相等，這意味著具有恒定的液位，因此，如果與此同時由待處理的制冷劑流體產(chǎn)生的氣體或蒸汽的流動也沒有變化，并且閥19的開度恒定，則在冷卻器內(nèi)實現(xiàn)流體動力平衡狀態(tài)。
流體動力平衡狀態(tài)所涉及的參數(shù)——例如內(nèi)部壓力、流體液位和/或閥19的開度——的值可以依據(jù)相關流體——液化氣體和待冷卻液體——的流體動力特性、流量以及被冷卻液體為到達位于管路14下游的它的下一目的地所必須克服的壓降而隨時間改變。
以此方式構造的本發(fā)明通過注入一定量的液化氣體而持續(xù)地運行，該量對于按要求冷卻通過冷卻器4的液體是必須的和足夠的。
如果待冷卻的液體的粘度和/或密度使得由液化氣體產(chǎn)生的并且通過冷卻器4內(nèi)容納的流體主體的氣體或蒸汽的混合不足以進行均勻冷卻，則通過經(jīng)由管路20和閥21將足以達到此目的的一定量的氣體或蒸汽供給到冷卻器內(nèi)，可以實現(xiàn)所要求的混合。
實現(xiàn)充分混合并且同時限制要添加的氣體或蒸汽量的另一種方法是以下列方式利用管路22、24、26、注入器23以及閥25。
通過將閥25打開到一定程度，會使確定量的氣體或液體經(jīng)由管路24進入注入器23以用作動力流體，注入器23通過在管路22內(nèi)產(chǎn)生真空，從管路18抽取氣體或蒸汽并將它與動力氣體或蒸汽混合，該混合流體經(jīng)由管路26被供給到冷卻器4的底部，從而獲得足夠的混合度。
在冷卻過程結(jié)束時，可以簡單地通過以下過程排空冷卻器的內(nèi)容物不供給待冷卻的液體、關閉閥3a和閥19，并且將氣體、蒸汽或液化氣體供給到冷卻器內(nèi)直到產(chǎn)生的壓力足以將冷卻器內(nèi)容納的所有被冷卻的液體排出。
權利要求
1.一種通過使用由罐體(5)中容納的液化氣體組成的冷卻流體來受控地連續(xù)冷卻液態(tài)流體的方法，所述待冷卻的液體為食物類或其它類型，所述液體是單相或多相的并且可能還包含固體物，所述方法包括將所述待冷卻的液體供給到容納和換熱部件(4)內(nèi)，并將從通過至少一個管路(6)連接到所述部件(4)的罐體(5)中取出的適當量的冷卻流體例如液化氣體也供給到所述部件(4)內(nèi)，所述冷卻流體在所述部件內(nèi)與所述待冷卻的液體直接接觸，所述接觸導致冷卻流體轉(zhuǎn)變成氣相或蒸汽相，并且導致所述待冷卻的液體被冷卻，其特征在于，所述氣態(tài)的冷卻流體和所述被冷卻的液體隨后是以一種已經(jīng)分離的方式被直接從容納部件(4)取出的。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在高于大氣壓的壓力下所述冷卻流體或液化氣體與所述待冷卻的液體之間發(fā)生接觸。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，對供給到所述容納和換熱部件(4)的冷卻流體或液化氣體進行加壓。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述容納和換熱部件(4)中的壓力用于將被冷卻的液體從所述部件排出。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過位于一排放管路內(nèi)的閥(19)利用壓降來調(diào)節(jié)容納和換熱部件(4)中的壓力，該排放管路用于在與待冷卻的液體進行換熱之后轉(zhuǎn)變成氣相的液化氣體。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述容納和換熱部件(4)中的壓力根據(jù)所述部件(4)中的待冷卻液體的液位進行調(diào)節(jié)。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述液化氣體選自N2、CO2以及Ar。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將被冷卻的液體和在換熱之后處于氣相的液化氣體從所述容納和換熱部件(4)的上端部和下端部取出。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，將氣體或蒸汽引入所述容納和換熱部件(4)以利于所述待冷卻的液體和所述液化氣體之間的混合。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所引入的氣體或蒸汽與所述液化氣體為相同類型。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所引入的氣體或蒸汽與所述液化氣體為不同類型。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，持續(xù)地控制所述容納和換熱部件(4)內(nèi)的流體的溫度、壓力以及液位。
13.如權利要求9和12所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述容納和換熱部件內(nèi)的待冷卻的液體的物理特性，將氣體或蒸汽引入該部件。
14.一種用于實施權利要求1所述方法的設備，所述設備包括液化氣體的罐體(5)，所述罐體(5)通過至少一個管路(6)連接到容納和換熱部件(4)，至少一個用于供給待冷卻的液體的管路(3)連接到所述部件(4)，所述待冷卻的液體設置成在所述容納和換熱部件(4)的內(nèi)部被冷卻，所述部件(4)包括單個內(nèi)部腔室，上述管路(3、6)連接到該腔室，并且液化氣體與待冷卻的液體在該腔室內(nèi)直接接觸，其特征在于，所述部件(4)包括排放管路(14、18)，所述流體在相互直接接觸之后通過該管路被分別取出。
15.如權利要求14所述的設備，其特征在于，用于液化氣體的管路(6)經(jīng)由具有一定尺寸的孔(7a)的注入器(7)而連接到所述容納和換熱部件(4)，以便所述液化氣體進入所述部件內(nèi)。
16.如權利要求14所述的設備，其特征在于，用于液化氣體的管路(6)利用具有流動控制閥的管連接到所述容納和換熱部件(4)。
17.如權利要求15所述的設備，其特征在于，在所述注入器(7)的上游一管路(9)連接到液化氣體管路(6)，該管路(9)用于在液化氣體停止通過管路(6)流向所述容納和換熱部件時，將氣體或蒸汽供給到所述注入器。
18.如權利要求14所述的設備，其特征在于，所述排放管路(18)連接到包括管路(22、26)和注入器(23)的回路單元，以便從所述排放管路(18)抽取所述氣體或蒸汽的一部分，并注入到所述容納和換熱部件(4)內(nèi)，以有利于所述液化氣體與待冷卻的液體的混合，通過所述排放管路(18)取出在與待冷卻的液體進行換熱之后已經(jīng)轉(zhuǎn)變成氣相的液化氣體。
19.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述回路單元連接到動力流體的供給管路(24)。
20.如權利要求18所述的設備，其特征在于，包括連接到所述容納和換熱部件(4)的下部的另一管路(20)，以便將氣體或蒸汽供給到所述部件內(nèi)，以有利于混合所述液化氣體與待冷卻的液體。
21.如權利要求14所述的設備，其特征在于，用于從所述容納和換熱部件排放冷卻流體的管路(18)包括使所述部件的內(nèi)部的壓力可調(diào)節(jié)的閥部件(19)。
22.如權利要求14所述的設備，其特征在于，包括與測量裝置相連的設備控制裝置，該測量裝置用于測量所述容納和換熱部件內(nèi)的液體的溫度(13)和/或壓力和/或液位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于冷卻液態(tài)的、可能還包含固體成分的流體的方法，該方法包括將所述流體供給到所述流體的容納部件(4)內(nèi)，并將液態(tài)的冷卻流體例如液化氣體也供給到所述部件內(nèi)；所述流體在所述容納部件內(nèi)直接接觸，從而所述冷卻流體通過吸收熱量轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，并冷卻待冷卻的液體，然后將這些流體通過單獨的管路從所述部件中直接取出。此外還提出了用于實施所述方法的設備。
文檔編號F25D3/10GK1889859SQ200480036077
公開日2007年1月3日 申請日期2004年1月19日 優(yōu)先權日2003年12月3日
發(fā)明者M·弗拉蒂 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司