CN105143753B - 用于向至少一个机械加工站提供过冷低温液体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

由储罐(10)向进行机械加工操作的至少一个站(P、P1、P2…)提供过冷低温液体的方法，所述储罐包含在大于大气压力的储存压力下，在储罐底部为液相且在储罐顶部为气相的低温流体，所述储罐适于向所述站(P)提供从储罐(10)底部取出的液体以及从外部提供流体，其特征在于它涉及：提供浸没在至少一个所述低温液体的浴(20)中的至少一个换热器，将该或各个浴的液位控制(3、4)在预定水平；在所述液体达到所述机械加工站以前，使来自储罐(10)的低温液体通过该或各个换热器；在所述液体达到所述相应机械加工站以前，调整(1、6、12、13、61、62…)来自该或各个沉浸式换热器的低温液体的压力。

Description

用于向至少一个机械加工站提供过冷低温液体的方法和设备
本发明涉及提供给用户站低温液体，特别是过冷低温液体的方法；它非常特别地涉及进行机械加工(机械加工、切割等)操作的供应站。
关于借助冷却流体(以冷却切割工具、切割区等)，特别是借助液体冷冻剂如液氮提供这类机械加工工具，存在非常广泛的现有技术。在这种情况下，冷冻剂不仅用于冷却该区，而且用于切割工具“润滑”作用。
低温流体通常应当理解为在大气压力下在远低于0℃的温度下为液体的流体。
通常将该低温液体(例如液氮)由连接在消耗该流体的设备上的低温流体罐供入消耗设备中而不管它的类型，所述罐包含在大于大气压力的储存压力下，在罐底部为液相和在罐顶部为气相的低温流体，该罐一方面适于向消耗设备提供从罐底部取出的流体，另一方面，由外部提供流体。
工业中最通常使用称为“低压储罐”的罐，即在罐的顶部实现的最大压力通常为小于约4巴绝对压力，但取决于意欲的应用，还发现称为达15巴的中压的储罐，或者甚至达30巴的高压的储罐。
由于罐的储存压力大于大气压力，置于用于将罐与消耗设备(例如机械加工工具)连接的导管上的阀的打开导致液体不用强制输送装置并且尽管管线(阀、弯曲部分等)上的压降而从其取出点移位至其使用点。
为确保低温液体的输送总是有效的而不管罐中的液位，通常调整罐顶部的气体压力使得该压力保持基本等于固定的预定值，例如约2-4巴。
然而，罐底部的液体压力作为罐内部的液体高度的函数变化使得当液位下降时，取出的液体的压力下降并且倾向于达到顶部的气体压力。例如，在氮气的情况下，约10米的液体高度涉及罐顶部的气体压力与在取出点水平上罐底部的液体压力之间约0.6巴的压差。
取出点处液体的这一压力变化不可避免地产生取出的流体流量的变化，导致位于下游的消耗设备的操作扰动。当再向罐提供流体时发生类型的效应。
由于在有效千卡方面较好的“低温质量”的熟知原因，使用冷冻剂的文献和这些工业的兴趣在于向这些用户站提供纯或基本纯的液体，或者提供过冷液体，即在降低的压力下以及在比其在较高压力下时更低的温度下的液体的手段。
实际上，考虑机械加工的实例，机械加工区中的喷雾压力越高，热交换系数越好。然而，当将冷冻剂如液氮喷雾时，它在喷嘴的出口处产生气体—由于它的膨胀。产生的气体的量与液氮的温度及其在喷嘴上游的压力成正比。因此理解尽力提供过冷液体的重要性。
某些研究推荐在将罐与消耗设备连接的管线中使用相分离(除气)装置；可参考例如文件EP-2 347 855。
提出了其它解决方法以将两个罐结合并在填充和减压以后交替地使用它们。该解决方法的缺点显然是引起的非常大的处理和两个罐的启用。
另一解决方法是将换热器(例如板式换热器)插入使用点的正上游：在换热器的一个通道中的循环(主回路)是待过冷却的液氮(通常在3巴和接近-185℃的温度下开始)，在换热器的另一通道中的循环是减压氮，其通常在接近1巴的压力和接近-196℃的低温下。在这两个通道之间并流或逆流交换，这使得可将主回路中的氮过冷却。但此处温度的控制是难以管理和稳定的，特别是当下游消耗设备不连续地操作时，从而迫使换热器通过再加热和再冷却阶段等。
还参考以申请人名义的文件WO 2004/005791，其推荐取决于该罐的操作状态(下游用户设备的消耗阶段、等待阶段或者向罐提供低温液体的阶段)改变罐顶部的气体压力，且其根据其一个实施方案恰当地推荐了等待阶段期间罐的排放。换言之，当罐不经受取出操作时且推理不是明显持续时间如几小时(例如整夜)时，控制单元控制罐上部的排放阀的打开。罐顶部的气体压力则从储存值转变成基本等于大气压力(几百克的残余压力)的值。因此，通过这样降低氮的储存压力，后者的热焓变化倾向于提高，其总计具有比它在压力下时更低温度的流体。因此，在罐的这些非使用阶段期间因此储存的流体具有比标准温度更低的温度，从而保证在有效千卡方面更好的低温质量。并且实际上，通过使用例如自身的常压或其它再热器，快速再加压使得可使用去稳定(过冷)液体。
然而，该解决方法不是没有缺点的，该排放不可避免地导致损失，此外，该程序的自相矛盾之处在于需要再加压以便能够使用氮气，因此加进热。该解决方法的实验特别证明4-9％的储存体积蒸发。由于该蒸发未利用，成本直接影响用户场所。总之，由此推断出该排放解决方法的2个主要缺点：
1)不可利用的氮用于再加压。
2)热气体进入储罐中以减压并产生热桥。
还认为直接由中或高压冷冻剂储罐向用户站如机械加工站供料，但然后在喷嘴的出口处观察到大量气体的产生，所述气体降低热交换。
最后，可认为由低压储罐并通过泵向机器供料，但与处理该泵有关的困难是已知的，其增加了在不同压力下并以低流速向相同场点的几个机械加工站供料的不可能性。
申请人成功完成的研究证明对于这类机械加工应用，例如在其它工业如食品工业中可能满意的这些现有技术解决方法在此处是不完全满意的，特别是不能使得在不同的压力下由中或高压储罐(例如15-30巴)向几个机械加工站提供过冷液体，例如在不同的压力下在-196℃下由15巴的上游储罐向几个机械加工站提供过冷液氮。
在本文中，本发明的一个目的是提出向机械加工类用户场所提供纯或过冷低温液体的新方法，从而避免现有技术的缺点并使得特别可同时控制向几个机械加工站供料的压力。
为此，本发明然后涉及由储罐向进行机械加工操作的至少一个站(P、P1、P2…)提供过冷低温液体的方法，所述储罐包含在大于大气压力的储存压力，在储罐底部为液相且在储罐顶部为气相的低温流体，所述储罐适于向所述站提供从储罐底部取出的液体，以及由外部提供流体，其特征在于：
-提供浸没在至少一个所述低温液体的浴中的至少一个换热器，
-将该或各个浴的液位控制在预定水平；
-在它达到所述机械加工站以前，使源自储罐的低温液体通过该或各个换热器；
-在它达到其对应的所述机械加工站以前，调整来自该或各个沉浸式换热器的低温液体的压力。
本发明还涉及用于向进行机械加工操作的至少一个站(P、P1、P2…)提供过冷低温液体的设备，其包含储罐，所述储罐包含在大于大气压力的储存压力下，在储罐底部为液相且在储罐顶部为气相的低温流体，所述储罐适于向所述站(P、P1、P2…)提供从储罐底部取出的液体，以及由外部提供流体，其特征在于它包含：
-浸没在至少一个所述低温液体的浴中的至少一个换热器，
-用于将该或各个浴的液位控制在预定水平的装置；
-适于在它达到所述机械加工站以前，使源自储罐的低温液体通过该或各个换热器的管道系统；
-用于在它达到其对应的所述机械加工站以前，调整来自该或各个沉浸式换热器的低温液体的压力的装置。
根据本发明一个实施方案，设备包含：位于所述换热器各自的流体入口上游的阀，各个阀与所述罐流体连通，且用于在它达到其对应的所述机械加工站以前调整来自该或各个沉浸式换热器的低温液体的压力的所述装置包含位于各换热器的出口和与所述换热器有关的所述机械加工站之间的专用压力探针，以便能够将它测量的信息提供给位于所述换热器的液体入口上游的所述阀。
根据本发明一个实施方案，设备包含一个或多个冷却管线，其中一个冷却管线专用于设备的由浴和换热器组成的各个所述组件，各个冷却管线在其上游部分与换热器的相关浴的出口管道连接，并在其下游部分与用于向所述浴提供来自所述罐的低温液体的管道连接，或者与包含所述浴的容器的上部分直接连接，各个冷却管线具有温度探针且具有用于调节在其中循环的流的阀。
根据本发明一个有利实施方案，在换热器的冷冻剂入口的阀与换热器之间的一部分管线上，或者在所述换热器的冷冻剂入口的阀与该换热器之间的所有或一些管线部分上使用排放口。
由于以下原因，该使用实际上证明是极其有利的，特别是与一方面能够降低换热器的尺寸的事实，另一方面使热交换最佳化的事实有关：
-在低温流体的膨胀期间，它自发地产生气体，这与其平衡温度(液体/蒸气曲线)有关。作为阐述，当加压的液氮膨胀时，它产生体积计的大量气体：例如通过从15巴膨胀至7巴，存在30质量％气体，但体积计多10倍的气体，即7.5m3气体每0.7m3液体。通过消除或者降低待再凝缩的该气体体积，使管道的直径和长度最佳化。
-此外，降低两相含量的优点是根据热效率已在上文中注释。
-因此，该排放口使得可消除待再凝缩的气体体积。
此外，应当指出用或不用排放口，液体冷冻剂如液氮的消耗量是相同的；由于液体浴对空气开放，非冷凝部分对总消耗量而言不是多余的。
其它特征和优点从特别参考附图给出的对本发明示例实施方案的以下描述中浮现：
-图1阐述向单一机械加工站供料的本发明一个实施方案；
-图2阐述同时向几个机械加工站供料的本发明一个实施方案；
-图3阐述使用在调节阀1下游的排放口(在阀与浸没在浴20中的换热器之间)的本发明一个实施方案。
然后在图1中确认以下元件：
-此处显示的实施方案用于由液氮储罐10向单一机械加工站P提供液氮；
-罐10包含在15巴的储存压力下，在罐底部为液相且在罐顶部为气相的低温流体，罐安装和装配有必要且本领域技术人员熟知用于向所述站(P)提供从罐10底部取出的液体以及用于由外部提供流体的管道；
-换热器浸没在其中的所述低温液体(此处液氮)的浴20；
-用于将浴的液位控制在预定水平的装置，此处由阀3和液位检测器4组成。在研究图时应当理解借助检测器4测量液位使得可反过来涉及通向浴的冷冻剂入口的阀3，取决于情况，以停止该供应或者继续它或开始它，因此该方面不用再详述；
-存在用于在它达到所述机械加工站P以前调整来自沉浸式换热器的低温液体的压力的装置，在特定情况下，在此处为能够将它测量的信息提供给位于沉浸式换热器的液体入口上游的阀1的压力探针6，使得可将达到下游站P的压力调整为所需压力，该压力因此是已知，稳定的而不需要使用其它装置，特别是不需要泵；
-在该图1中还指出存在用于设备的冷却或正常操作的管线：阀5关闭，当浴20达到所需液位(阀3，探针4)时，液体借助阀1进入换热器中，然后返回管线6/2中，其后返回过冷器罐中。
有利地，阀2的打开可以是延时的，并且与换热器出口与阀5之间的温度读数有关，从而提供冷却并保持包括换热器至阀5的管道部分的冷以及用户站处冷冻剂的几乎瞬时有效性。
因此，清楚地理解来自图2的设备的组成，所述图阐述如果需要的话同时向几个机械加工站P1、P2、P3….供料的本发明一个实施方案，各个站必须以不同的压力供料。在图2中认识到这一事实：3个来自图1的类型的组件由于3个平行管线而由储罐10供料，由通过供给阀11、12、13而提供换热器浸没在其中的三个浴(20/21/22)，各个浴装配有其用于控制浴的液位的系统，各个组件装配有其用于调节达到阀51、52、53的压力的系统以及其用于将至阀51、52、53的浸没部分快速冷却的管线。
因此，图3阐述本发明的一个实施方案，其使用在调节阀1下游(在阀与浴20之间)的排放口。图3重复图1，其中排放口30位于阀1与浴20之间。
当然，该排放口可存在于多管线设备如来自图2的所有或一些管线中，因此在所有或一些管线部分11-20、12-21、13-22等，即在所述管线的所述换热器的冷冻剂入口的阀与该换热器之间的管线部分中。

Claims (5)

1.由储罐(10)向进行机械加工操作的至少一个站(P、P1、P2…)提供过冷低温液体的方法，所述储罐包含在大于大气压力的储存压力下，在储罐底部为液相且在储罐顶部为气相的低温流体，所述储罐适于向所述站(P)提供从储罐(10)底部取出的液体以及从外部提供流体，其特征在于：
-提供浸没在至少一个所述低温液体的浴(20)中的至少一个换热器，
-将该或各个浴的液位控制(3、4)在预定水平；
-在源自储罐(10)的低温液体达到机械加工站以前，使源自储罐(10)的低温液体通过该或各个换热器；
-在来自该或各个换热器的低温液体达到其对应的机械加工站以前，调整(1、6、12、13、61、62…)来自该或各个换热器的低温液体的压力。
2.用于向进行机械加工操作的至少一个站(P、P1、P2…)提供过冷低温液体的设备，其包含储罐(10)，所述储罐包含在大于大气压力的储存压力下，在储罐底部为液相且在储罐顶部为气相的低温流体，所述储罐适于向所述站(P、P1、P2…)提供从储罐(10)底部取出的液体，以及由外部提供流体，其特征在于它包含：
-浸没在至少一个所述低温液体的浴(20)中的至少一个换热器，
-用于将该或各个浴的液位控制在预定水平的装置(3、4)；
-适于在源自储罐(10)的低温液体达到机械加工站以前使源自储罐(10)的低温液体通过该或各个换热器的管道系统；
-用于在来自该或各个换热器的低温液体达到其对应的机械加工站以前调整来自该或各个换热器的低温液体的压力的装置(1、6、11、12、61、62…)。
3.根据权利要求2的设备，其特征在于它包含位于所述换热器各自的流体入口上游的阀(1、11、12、)，各个阀与所述储罐流体连通，且在于用于在来自该或各个换热器的低温液体达到其对应的机械加工站以前调整来自该或各个换热器的低温液体的压力的所述装置包含位于各换热器的出口和与所述换热器有关的机械加工站(P、P1、P2..)之间的专用压力探针(6、61、62…)，以便能够将所述装置测量的信息提供给位于所述换热器的液体入口上游的所述阀(1、11、12)。
4.根据权利要求2或3的设备，其特征在于它包含一个或多个冷却管线，其中一个冷却管线专用于设备的由浴和换热器组成的各个组件，各个冷却管线在其上游部分与换热器的相关浴的出口管道连接，并在其下游部分与用于向所述浴提供来自所述储罐(10)的低温液体的管道连接，或者与包含所述浴的容器的上部分直接连接，各个冷却管线具有温度探针且具有用于调节在其中循环的流的阀(2)。
5.根据权利要求3的设备，其特征在于它包含在阀(1、11、12、13)和与所述阀有关的换热器的液体入口之间的一个或者所有或一些管线部分上的排放口(30)。
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