Kryogene Kühlung
Die kryogene Kühlung nutzt extrem niedrige Temperaturen, meist durch den Einsatz von Flüssigstickstoff (−196 °C). Im Maschinenbau wird sie angewendet, wenn metallische Werkstücke in einen lösbaren Pressverbund gebracht werden sollen. So können Wellen-Naben-Verbindungen oder Präzisionssteckverbindungen toleranzfrei gefügt oder gelöst werden. Auch bei der Montage von Werkzeugmaschinenkomponenten kommt diese Technik zum Einsatz.
In der Verfahrenstechnik spielt die kryogene Kühlung ebenfalls eine wichtige Rolle.
- Sie kommt zum Einsatz, wenn die Partikel eines Pulvergemisches mit Flüssigfett ummantelt wurden. Im nächsten Schritt wird das Pulver im Mischer kryogen gekühlt, wodurch es wieder rieselfähig wird.
- Kryogene Kühlung wird auch genutzt, wenn Pulver, Suspensionen oder Pasten im tiefkalten Zustand verarbeitet werden müssen. Pharmazeutische Wirkstoffe, biotechnologische Fermentationsprodukte oder Lebensmittelrohstoffe werden manchmal schockgefroren, um ihre Struktur und Aktivität zu erhalten. Das entstehende tiefkalte „Pulver/ Granulat“ kann anschließend gemischt, verpresst oder einer Gefriertrocknung unterzogen werden.
In beiden Fällen ist es vorteilhaft, die amixon®-Mischtechnologie zu nutzen. Aufgrund des schonenden Mischens wird nur minimal Energie eingetragen.
Damit ein solcher Mischprozess im tiefkalten Zustand reproduzierbar abläuft, müssen auch die produktberührten Teile des Mischers entsprechend vorgekühlt werden. Die Abkühlung erfolgt typischerweise durch das Einsprühen von Flüssigstickstoff in den Mischraum. Der Stickstoff verdampft dabei schlagartig und entzieht der Apparatur große Mengen Wärme. So wird innerhalb kurzer Zeit die gewünschte Prozesstemperatur erreicht.
Aus Gründen der Energieeffizienz und Kostenersparnis ist eine hochwertige Isolierung des Mischers/ Reaktors entscheidend. amixon® Prozessapparate sind so konstruiert, dass sie tiefkalte Aufbereitungsprozesse zuverlässig, schonend und wirtschaftlich ausführen. Sie verfügen über eine lange Lebensdauer. Typische Chargengrößen liegen zwischen 200 und 3000 Litern, abhängig von Produkt und Branche.
Überschlägig Berechnung der Menge an Flüssigstickstoff, wenn man 1 kg Edelstahl (1.4404) von +20 auf -60°C herunter kühlen möchte:
Die spezifische Wärmekapazität von Edelstahl 1.4404 beträgt etwa 0,5 kJ/kg·K. Wir können die benötigte Energie Q berechnen, um die Platte abzukühlen:
Q = m × c × ΔT
wobei:
- Q die benötigte Energie ist,
- m die Masse der Platte (1 kg),
- c die spezifische Wärmekapazität (0,5 kJ/kg·K),
- ΔT die Temperaturdifferenz (+20°C bis -60°C, also 80 K).
Q = 1 kg × 0,5 kJ/kg·K × 80 K = 40 kJ
Nun müssen wir die Menge an Flüssigstickstoff berechnen, die benötigt wird, um diese Energie zu absorbieren. Die latente Wärme von Flüssigstickstoff beträgt etwa 199 kJ/kg.
Die benötigte Masse an Flüssigstickstoff kann wie folgt berechnet werden:
m = Q / L
wobei:
- m die Masse des Flüssigstickstoffs ist,
- Q die benötigte Energie (40 kJ),
- L die latente Wärme von Flüssigstickstoff (199 kJ/kg).
Wenn ideale Bedingungen vorliegen dann beträgt die benötigte Menge an Flüssigstickstoff:
m = 40 kJ / 199 kJ/kg ≈ 0,201 kg
Dieser Wert ist nur eine Näherung, da Verluste und andere Faktoren, die den Prozess beeinflussen könnten, nicht berücksichtigt werden. Zudem geht dieser Berechnung davon aus, dass der Stickstoff vollständig verdampft und die gesamte latente Wärme aufnimmt, ohne dass der gasförmige Stickstoff noch weiter erwärmt wird.