DE1089787B - Waermeaustauschvorrichtung, in welcher Waerme von einem zu kuehlenden Mittel unter Zwischenschaltung einer verdampfenden UEbertragungsfluessigkeit auf ein Kuehlmittel uebertragen wird - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung, in welcher Wärme von einem zu kühlenden Mittel unter Zwischenschaltung einer Übertragungsflüssigkeit auf ein Kühlmittel übertragen wird und als Übertragungsflüssigkeit eine Flüssigkeit verwendet wird, die bei der Temperatur des zu kühlenden Mittels verdampft.

In den bekannten Wärmeaustauschvorrichtungen, wie beispielsweise den bekannten Dampfkondensatoren, wird die latente Wärme des Dampfes durch die Verwendung großer Mengen einer Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, abgeleitet, während in anderen Wärmeaustauschvorrichtungen der Wärmeaustausch durch direkten Kontakt oder durch Vermischung erfolgt.

Es ist auch bei Wärmetauschern, bei denen ein Mittel unter Zwischenschaltung einer Übertragungsflüssigkeit von einem anderen Mittel gekühlt wird, bekannt, als Übertragungsflüssigkeit eine solche zu verwenden, die bei der Temperatur des zu kühlenden Mittels verdampft. Bei Wärmeaustauschern wurde hierzu ein ringförmiger Hohlraum vorgesehen, durch den das Übertragungsmittel strömt, und der Hohlraum zwischen den von den beiden Wärmetauschmitteln durchflossenen Leitungen angeordnet. Auch ist es an sich bekannt, die Förderung einer Übertragungsflüssigkeit mittels Gasblasen durchzuführen, das Gas nach Durchlaufen der Übertragungsflüssigkeit zu kühlen und in einem geschlossenen Kreislauf erneut zur Zirkulation zu bringen.

Bei den bekannten Wärmeaustauschern besteht jedoch die Gefahr, daß die Wandung zwischen dem zu kühlenden Mittel und der Übertragungsflüssigkeit auf zu hohe Temperaturen erhitzt wird. Dieser Nachteil soll durch die Erfindung vermieden werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Siedepunkt der Übertragungsflüssigkeit auf einen Wert eingestellt ist, der ein wenig unter der Temperatur liegt, auf welche das zu kühlende Mittel abgekühlt werden soll. Dadurch erfolgt bei jeder Temperaturerhöhung des zu kühlenden Mittels an der Wand zwischen diesem und der Übertragungsflüssigkeit ein sofortiges Verdampfen der Übertragungsflüssigkeit, und von den dabei entstehenden Dampfblasen kondensiert ein Teil an der gegenüberliegenden, außen von dem Kühlmittel bespühlten Wand, und der andere Teil wird von den aufsteigenden Gasblasen mitgeführt. Auf diese Weise erfolgt eine schnelle Abführung der Wärme von der Wand zwischen dem zu kühlenden Mittel und der Übertragungsflüssigkeit.

Die Einstellung des erwünschten Siedepunktes der Übertragungsflüssigkeit erfolgt dabei zweckmäßigerweise durch Verstellen des Druckes innerhalb des die Übertragungsflüssigkeit und das Gas enthaltenen Kreislaufsystems, wobei es von Vorteil ist, die Mittel Wärmeaustauschvorrichtung, in welcher Wärme von einem zu kühlenden Mittel

unter Zwischenschaltung einer

verdampfenden Übertragungsflüssigkeit auf ein Kühlmittel übertragen wird

Anmelder:

Robert James Swinton Smith,

Falsgrave, Scarborough, Yorkshire

(Großbritannien)

Vertreter: Dr. H. Haalck, Rechtsanwalt,
Hamburg 20, Goernestr. 12

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zur Änderung des Druckes innerhalb des die Übertragungsflüssigkeit enthaltenen Raumes vorzusehen und das Gas bei der Kühlung von mitgeführter Übertragungsflüssigkeit zu befreien.

In dem Mantel der Übertragungsflüssigkeit wird vorteilhaft die Bewegung der Gasblasen in entgegengesetzter Richtung zum Strom des zu kühlenden Mittels und in gleicher Richtung mit dem Kühlmittel vorgenommen. Die Kontaktzone zwischen dem Kühlmittel und den Mantelwänden erstreckt sich zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung des Kühlmittels über den Punkt hinaus, an dem das zu kühlende Mittel zuerst auf die Mantelwände trifft. Ferner ist es vorteilhaft, daß der Mantel an dem Ende, an dem die Gasblasen aus ihm austreten, mit einem eine Gasauffangvorrichtung und einen Gasauslaß aufweisenden Ausgleichsbehälter für die Übertragungsflüssigkeit verbunden ist, der .Mittel zur Beibehaltung einer konstanten Höhe der Übertragungsflüssigkeit und eine Leitung aufweist, die die Übertragungsflüssigkeit in dem Ausgleichsbehälter mit einem Punkt nahe den Gaseinlässen an dem Mantel verbindet. Bei einer anderen Ausführung der Erfindung kommt der Mantel an verschiedenen Punkten seiner Länge mit verschiedenen Kühlmitteln in Berührung. Die verschiedenen Kühlmittel werden durch Heizöl und kaltes Wasser dargestellt, wobei das kalte Wasser mit dem Ende des Mantels in Kontakt steht, an weichem die Gasblasen entweichen.

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In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungs- Dampfansammlungen an der Wand des Rohres 1

formen von Dampfkondensatoren gemäß der Erfin- könnten die Wirksamkeit des Wärmeaustausches ver-

dung schematisch dargestellt. Es zeigt mindern, wobei auch eine geringe Nachkondensation

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Dampf- der Übertragungsflüssigkeit auf der Fläche des Man-

kondensator, 5 tels 4 und ein Eindringen großer Dampfmengen in

Fig. 2 einen Horizontalschnitt nach der Linie H-II den Ausgleichsbehälter 5 auftreten könnte. Es wird

der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, daher eine Übertragungsflüssigkeit verwendet, deren

. Fig. 3 als ein Detail die Wirkung einer in der Über- Siedepunkt nur um ein weniges unter der Temperatur

tragungsfmssigkeit aufsteigenden Luftblase, des kondensierenden Dampfes liegt.

Fig. 4 und 5 die Verwendung in einem direkt wir- io Die Luftblasen und der Dampf, der nicht auf der

kenden Mischkondensator und Wand des äußeren Mantels kondensiert, gelangen in

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Heizölerhitzung zu- den Ausgleichsbehälter 5. In dem Ausgleichsbehälter 5

zätzlich zur Dampfkondensation. sind Mittel vorgesehen, um die eingetretene Flüssig-

Zu kondensierender Dampf wird über einen Einlaß 2 keit aus der Luft auszuscheiden und wenigstens noch

in ein zylindrisches, aus Kupfer oder einem ähnlichen 15 einen Teil des Dampfes zu kondensieren, so daß er

Material bestehendes Rohr 1 geleitet und dessen Kon- nicht mit der Luft verlorengeht. Zu diesem Zweck

densat durch einen Auslaß 3 herausgeleitet, um ent- kann der Ausgleichsbehälter 5 mit Auffangvorrich-

weder in den Dampfkessel zurückzulaufen oder abge- tungen versehen sein und auch eine Kühlvorrichtung,

lassen zu werden. Das Rohr 1 ist von einem Mantel 4 z. B. eine eine Kühlflüssigkeit enthaltende Spirale,

umgeben, der eine Übertragungsflüssigkeit enthält und 20 aufweisen.

der mit seinem oberen Ende in einen Ausgleichs- Es kann auch der Dampf an einem von dem Ausbehälter 5 mündet. Der Mantel 4 ist von einem konzen- gleichsbehälter 5 abgelegenen Punkt in das Rohr 1 getrischen Rohr 6 umgeben, das einen Einlaß 7 und einen leitet werden. So kann z. B. der Dampf bei 13 in das Auslaß 8 für die Kühlflüssigkeit aufweist. Wie in Rohr 1 geleitet und die entsprechende Dampfeinlaß-Fig. 2 gezeigt ist, ist das Rohr 1 auf seinem Umfang 25 leitung zwischen dem Punkt 13 und dem Ausgleichsmit Rippen versehen, um den Wärmeaustausch zu behälter 5 von dem Rohr 1 getrennt angeordnet und erhöhen. wärmeisoliert werden. Durch diese Einrichtung werden

Über ein Leitungsrohr 9, und gesteuert von einem die Luft-Dampf-Blasen an der Kühlfläche des Man-Ventil 11, wird am unteren Ende des die Übertra- tels 4 einer Abkühlung ausgesetzt, nachdem ihre Ergungsflüssigkeit enthaltenden Mantels 4 über Düsen- 30 wärmung an der Wandung des Rohres 1 beendet ist. leitungen 12 Preßluft zugeführt, so daß Luftblasen in Die Blasen steigen dann nach oben, passieren die der Übertragungsflüssigkeit des Mantels 4 in der in Flüssigkeit 14 in dem Ausgleichsbehälter 5 und werden Fig. 3 dargestellten Weise nach oben steigen. innerhalb des in der Flüssigkeit stehenden Auffang-

Während des Aufsteigens von Luftblasen in dem gehäuses 15 festgehalten. Auf diese Weise wird der

Mantel 4 wird der auf der ersten Austauschfläche, d. h. 35 größte Teil des in der Luft enthaltenen Dampfes kon-

auf der Wand des Rohres 1, verbleibende dünne Flüs- densiert. Durch das Ansteigen des Dampfvolumens in

sigkeitsfilm durch die Hitze des Wasserdampfes ver- dem Auffanggehäuse 15 wird die Flüssigkeitsober-

dampft und der entstehende Dampf mit der Luft der fläche herabgedrückt, bis sich das Kugelventil 16 öffnet

Blase vermischt. und die Luft in das Rohr 17 und durch die öffnung 18

Der so erzeugte Dampf kondensiert auf der gegen- 40 in den Raum 19 strömen kann. Wenn der Druck in überliegenden Wand des Mantels 4, d. h. auf der dem Ausgleichsbehälter 5 einen bestimmten Wert erzweiten Austauschfläche, die von der durch das äußere reicht hat, öffnet sich ein unter Federwirkung stehen-Rohr 6 geleiteten Kaltwasser-Kühlflüssigkeit gekühlt des Ventil 21, und Luft entweicht zusammen mit einer wird. Auf diese Weise wird der Dampf in dem Rohr 1 gewissen Menge flüssigen Dampfes durch eine Ababgekühlt und kondensiert, und die vom Dampf mit- 45 leitung 22. Diese Luft kann nun zwecks Ausscheidung geführte Wärme wird fast völlig von dem in dem des verbliebenen Dampfes weitergekühlt und dann äußeren Rohr 6 befindlichen kalten Wasser aufge- komprimiert und zu dem Einlaßrohr 9 zurückgeführt nommen. oder auch abgeführt werden. Wenn die Luft wieder in

Durch Verwendung einer Übertragungsflüssigkeit, den Kreislauf zurückgeführt werden soll, ist es nicht die unter dem in dem Mantel 4 herrschenden Druck- 50 unbedingt notwendig, daß die gesamte Übertragungsbedingungen bei einer unter 100° C liegenden Tempe- flüssigkeit entfernt wird, denn obgleich der in ihr verratur, z. B. bei 70 bis 80° C, siedet, wird das in bliebene Dampf ausgeschieden werden soll, ist doch ständigem Kontakt mit der Übertragungsflüssigkeit eine höchstmögliche Rückgewinnung von Flüssigkeit, stehende Rohr 1 auf dieser Temperatur gehalten. Jeg- vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, licher Tendenz des Rohres 1, auf eine höhere Tempe- 55 wünschenswert.

ratur erhitzt zu werden, wird durch ein sofortiges Die zurückgewonnene Flüssigkeit wird in einen Verdampfen von Übertragungsflüssigkeit begegnet. Vorratsbehälter 23 zurückgeleitet, welcher über eine Auf diese Weise wird die Kondensationsfläche des Leitung 24 im Druckausgleich mit dem System steht Rohres 1 auf einer Temperatur gehalten, bei welcher und aus welchem die Flüssigkeit in den Ausgleichsder Dampf schnell kondensiert, und unabhängig von 60 behälter 5 fließt, sobald der Flüssigkeitsstand darin so der Schnelligkeit, mit der die Dampfkondensation er- weit absinkt, daß ein Kugelventil 25 betätigt wird,
folgt, wird die dem Rohr 1 zugeführte Wärme, niemals Zum Anzeigen des in dem System herrschenden dessen Temperatur erhöhen. Je niedriger der Siede- Druckes kann ein Druckmanometer 26 vorgesehen punkt der Übertragungsflüssigkeit ist, um so kalter werden. Das Ventil 21 kann einstellbar sein, so daß wird die Wand des Rohres 1 gehalten und um so 65 der Druck auf einem gewünschten Wert gehalten wirkungsvoller ist die Kondensation des Dampfes. werden kann. Das Verstellen des Druckes kann, zuWenn der Temperaturunterschied zwischen dem Kon- mindest innerhalb eines begrenzten Bereiches, als ein densationspunkt des Dampfes und dem Siedepunkt Mittel zum Verändern des Siedepunktes der Übertrader Übertragungsflüssigkeit zu groß ist, dann könnte gungsflüssigkeit verwendet werden, wobei durch eine die Übertragungsflüssigkeit zu stark kochen, und 70 entsprechende Wahl der Flüssigkeit ein genügend

großer Bereich erzielt werden kann, der zum Verändern der Betriebsbedingungen des Kondensators ausreicht.

Eine weitere Steuerung der Betriebsbedingungen des Kondensators kann dadurch erreicht werden, daß die Menge der durch den Mantel 4 strömenden Luft durch das Ventil 11 reguliert wird, und ein regelmäßiges Fließen der Kühlflüssigkeit in einer Richtung dadurch gewährleistet wird, daß die Rohrleitung 27 die Übertragungsflüssigkeit von dem Ausgleichsbehälter 5 zu einem in unmittelbarer Nähe der Düsenleitungen 12 liegenden Punkt in den Mantel 4 leitet. Einige oder alle Wärmeaustauschflächen oder Rohrwände können gewellt oder mit Rippen versehen sein, um den Wärmeaustausch zu erhöhen. Das Kugelventil 16 kann durch die Anordnung eines die Flüssigkeit zurückhaltenden Auffangsystems in dem unteren Teil des Rohres 17 ersetzt werden. Jede beliebige Form einer Kühleinrichtung kann in oder um den Ausgleichsbehälter 5 herum angeordnet werden.

Das zu kühlende Mittel braucht nicht durch das zentral angeordnete Rohr 1 der Vorrichtung geleitet zu werden, sondern kann in dem äußersten Rohr 6 enthalten sein, während die Kühlflüssigkeit durch das zentral gelegene Rohr 1 fließt. In diesem Fall kann, sofern das zu kühlende Mittel eine Flüssigkeit ist, auch das äußere Rohr wegfallen und eine lediglich aus einem Mantel und einem Kühlmittelrohr bestehende Kühleinheit in die zu kühlende Flüssigkeit getaucht werden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt, die schematisch einen direktwirkenden Mischdampfkondensator zeigt.

Um das Wasser, in welches der Dampf zwecks Kondensation eingespritzt wird, zu kühlen, wird eine Wärmeaustauschvorrichtung in das Wasser getaucht. Die Außenfläche dieser Vorrichtung wird von einem Mantel 31 für die Übertragungsflüssigkeit gebildet, der eine Speiseleitung 32 für die Übertragungsflüssigkeit und eine Speiseleitung 33 für Preßluft aufweist. Die Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, zirkuliert entgegen der Richtung von Luft und Übertragungsflüssigkeit in einem Rohr 34 innerhalb des Mantels 31 und strömt durch ein gleichachsiges zentrales Auslaß rohr 35 ab. Der Ausgleichsbehälter und Einzelheiten der Anordnung können der Fig. 1 gemäß ausgeführt oder auch, wie vorstehend beschrieben, entsprechend geändert sein.

Fig. 5 zeigt eine weitere praktische Ausführungsform. Hier ist der untere Kegel des Mischrohres als Kühleinheit ausgebildet und so angeordnet, daß die Kühlung durch die Übertragungsflüssigkeitsoberfläche auf der Innenseite des Mischrohrkegels stattfindet und eine direkte Kühlung des in dem umgebenden Behälter befindlichen Wassers durch den Kreislauf der Kühlflüssigkeit in dem äußersten Rohr erzielt wird.

Der Mantel 36 enthält die durch eine Leitung 37 zugeführte Übertragungsflüssigkeit, während durch eine Leitung 38 Luft in den Mantel 36 geblasen wird. Luft und Übertragungsflüssigkeitsdampf werden durch eine Leitung 39 in einen Ausgleichsbehälter 41 der beschriebenen Art geleitet. Die Kühlflüssigkeit, z. B. kaltes Wasser, kreist in einem den Mantel 36 umgebenden äußeren Rohr 42 und dient, da das Rohr 42 selbst in direkter Berührung mit der zu kühlenden Wassermenge steht, zusätzlich als ein direktes Kühl- 6g medium.

Bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Konstruktionen wird der Siedepunkt der Übertragungsflüssigkeit im allgemeinen niedriger als in den Fällen sein, in denen Dampf direkt kondensiert werden soll, da es wünschenswert ist, die Flüssigkeitsmenge, mit welcher der Dampf gemischt werden soll, unter ihrem Siedepunkt zu halten und nicht die gesamte Menge der Flüssigkeit direkt zu kühlen, sondern nur jenen Teil, der in direkte Berührung mit den Kühlflächen kommt und danach mit dem Rest der Flüssigkeit vermischt wird.

Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Einrichtung, die dazu dient, Heizöl und Kesselspeisewasser als Kühlmittel zu verwenden und somit durch die Wärmeaustauschvorrichtung vorzuwärmen und die von dem Dampf abgegebene Wärme dabei einem nützlichen Zweck zuzuführen. Um dies zu erreichen, ist das üblicherweise das Kühlmittel enthaltende Rohr in zwei gesonderte Rohre geteilt, in denen die beiden Kühlflüssigkeiten zirkulieren. In dem am weitesten von dem Ausgleichsbehälter entfernten Rohr 43 zirkuliert das Heizöl. Dieses kann verhältnismäßig langsam zirkulieren, um auf den erforderlichen Wärmegrad erhitzt zu werden, wobei das Rohr zwecks Verbesserung der Wärmeübertragung in seinem Innern mit Rippen versehen sein kann. Hier wird jedoch eine weniger wirksame Kondensation des Dampfes der Übertragungsflüssigkeit erzielt, und es besteht demzufolge die Neigung, daß größere Mengen Dampf in den Ausgleichsbehälter gelangen. Aus diesem Grunde ist der in der Nähe des Ausgleichsbehälters liegende Teil des Mantels 4 von dem die zweite Kühlflüssigkeit führenden Rohr 44 umgeben, in welchem ein kräftiger Strom des Kesselspeisewassers zirkuliert, um so viel wie möglich von dem Dampf der Übertragungsflüssigkeit zu kondensieren. Auch hier können Rippen oder andere Konstruktionsformen Verwendung finden, um ein Höchstmaß an thermischer Wirksamkeit zu erhalten.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauschvorrichtung, in welcher Wärme von einem zu kühlenden Mittel unter Zwischenschaltung einer Übertragungsflüssigkeit auf ein Kühlmittel übertragen wird und als Übertragungsflüssigkeit eine Flüssigkeit verwendet wird, die bei der Temperatur des zu kühlenden Mediums verdampft und in einem Mantel enthalten ist, der im wesentlichen parallele Wände aufweist und zwischen einer das zu kühlende Mittel führenden Leitung und einer das Kühlmittel führenden Leitung angeordnet ist, wobei eine kontinuierliche Gaszirkulation in der Übertragungsflüssigkeit aufrechterhalten wird und das Gas nach Durchlaufen der Übertragungsflüssigkeit gekühlt und in einem geschlossenen Kreislauf erneut zur Zirkulation gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Siedepunkt der Übertragungsflüssigkeit auf einen Wert eingestellt ist, der ein wenig unter der Temperatur liegt, auf welche das zu kühlende Mittel abgekühlt werden soll.

2. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Änderung des Druckes innerhalb des die Übertragungsflüssigkeit enthaltenen Raumes vorgesehen sind.

3. Wärmeaustauschvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas bei der Kühlung von mitgeführter Übertragungsflüssigkeit befreit wird.

4. Wärmeaustauschvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise Rippen oder ähnliche Wärmeübertragungsmittel an den Wärmeaustauschflächen angebracht sind.

5. Wärmeaustauschvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Gasblasen innerhalb des Mantels (4) in entgegengesetzter Richtung zum Strom des zu kühlenden Mittels und in gleicher Richtung mit S dem Strom des Kühlmittels erfolgt.

6. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kontaktzone zwischen dem Kühlmittel und den Mantelwänden in Strömungsrichtung des Kühlmittels über den Punkt hinaus erstreckt, an dem das zu kühlende Mittel zuerst auf die Mantelwände trifft.

7. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (4) an dem Ende, an dem die Gasblasen aus ihm austreten, mit einem eine Gasauffangvorrichtung und einen Gasauslaß aufweisenden Ausgleichsbehälter (5) für die Übertragungsflüssigkeit verbunden ist, der Mittel zur Beibehaltung einer konstanten Höhe der Übertragungsflüssigkeit und eine Leitung auf-

weist, die die Übertragungsflüssigkeit (14) in dem Ausgleichsbehälter mit einem Punkt nahe den Gaseinlässen an dem Mantel (4) verbindet.

8. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (4) an verschiedenen Punkten seiner Länge mit verschiedenen Kühlmitteln in Berührung kommt.

9. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Kühlmittel durch Heizöl und kaltes Wasser dargestellt werden, wobei das kalte Wasser mit dem Ende des Mantels (4) in Kontakt steht, an welchem die Gasblasen entweichen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 857 384;
schweizerische Patentschrift Nr. 280 011;
französische Patentschrift Nr. 948380;
USA.-Patentschrift Nr. 2 316 273, 2 313 087.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 609/278 9.60