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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Temperierung von Fluidströmen
und insbesondere einen Kühler
für zwei
oder mehr parallel geführte
Fluidströme.
Die Vorrichtung weist einen äußeren Behälter für das Temperierungsmedium
mit jeweils einem Eintritt und einem Austritt auf sowie wenigstens zwei
in dem äußeren Behälter angeordnete
und separat geführte
Wendeln von Wärmetauscherschlangen
für wenigstens
zwei zu temperierende Fluide. Die Vorrichtung kann insbesondere
als Probenahmekühler
eingesetzt werden.
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Probenahmekühler zur Untersuchung von Wasser-
und Dampfproben zur Bestimmung beispielsweise der elektrischen Leitfähigkeit,
des pH-Wertes, des O2-Gehaltes oder anderer
Messwerte sind bekannt. Derartige Messwerte können in einwandfreier Form
nur bei Raumtemperatur und in entspanntem Zustand der zu untersuchenden
Probe erhalten werden.
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Insbesondere im Kraftwerks- und Kesselbetrieb,
aber auch in der chemischen Industrie werden Probenahmekühler eingesetzt,
die geeignet sind, Wasser-, Dampf- und Gasproben auf Raumtemperatur
abzukühlen
und gleichzeitig auf ein für
den Messvorgang zuträglichen
Druck zu entspannen. Die Kühler
arbeiten in der Regel im Gegenstromverfahren und entsprechend den
sicherheitstechnischen Richtlinien. Im Kraftwerksbereich sind beispielsweise
derartige Kühler
für einen
maximalen Betriebsdruck von 375 Bar und einem Maximalbetriebstemperatur
von 550 Grad C ausgelegt. Kühlwasserseitig
können
derartige Kühler
mit einem maximalen Druck von 25 Bar und einer Temperatur von 100
Grad C betrieben werden.
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Die im Stand der Technik bekannt
gewordenen und in Kraftwerken eingesetzten Probenahmekühler bestehen
regelmäßig aus
in Mantelrohren für die
Kühlwasserführung angeordneten
Kühlwendeln unterschiedlicher
Länge.
Entsprechend den verschiedenen Punkten für die Probenentnahme im Wasser- und Dampfkreislauf
eines Kraftwerks sind im wesentlichen drei unterschiedlich dimensionierte Kühler im
Einsatz mit Kühlwendeln
entsprechender Länge
für Wasserproben,
Sattdampfproben und Heißdampf/Frischdampfproben.
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Zur Überwachung des Wasserkreislaufs
eines größeren Kraftwerks
sind in der Regel mehrere Probenahmekühler erforderlich, die entweder
dezentral an den jeweils zu überwachenden
Punkten angeordnet sind, oder aber zentral in einer Probenahmetafel
angeordnet sind. In der Regel ist dabei pro Probenahmekühler nur
ein Fluidstrom vorgesehen. In Anbetracht der Sicherheits- und Qualitätsanforderungen
an Probenahmekühler
ist damit ein erheblicher technischer und finanzieller Aufwand verbunden. Hinzu
kommen die Betriebskosten, die maßgeblich vom Kühlwasserverbrauch
mitbestimmt werden.
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Die Länge der zum Einsatz kommenden Kühlwendeln
wird im wesentlichen durch den Kühlbedarf
bestimmt, d. h. durch die Temperatur und den Aggregatzustand des
zu kühlenden
Mediums. Sollen bei mehreren zu kühlenden Proben einheitliche
Endtemperaturen erzielt werden, ist es deshalb problematisch, nach
dem Stand der Technik mehrere Kühlwendeln
in einem Kühler
vorzusehen.
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Aus
DE 297 19 760 U1 ist ein Probenahmesystem
für den
Wasser-Dampfkreislauf
in Kraftwerken bekannt, bei dem in einem äußeren Mantelrohr mehrere probeführende Kühlrohre
linear nebeneinander angeordnet sind, wobei zur Erhöhung der Kühlkapazität jedes
der Kühlrohre
in mehrere parallele Stränge
aufgespalten sein kann.
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Ferner ist es bekannt, in einem Mantelrohr mehrere
Kühlwendeln
hintereinander zu schalten, sodass mehrere Messströme gekühlt und überwacht werden
können.
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Diese bekannten Vorrichtungen zur
Bündelung
von Fluidströmen
in einem Probenahmekühler haben
allerdings den Nachteil, dass die Kühlkapazität nur unzureichend genutzt
wird (lineare Führung) bzw.
eine optimale Kühlung
nicht stattfindet, weil die Kühlwendeln
nicht gleichmäßig mit
kaltem Kühlwasser
beaufschlagt werden können.
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Des Weiteren besteht bei herkömmlichen Probenahmekühlern das
Problem, dass das äußere Mantelrohr
mit dem Kühlmedium
nur zu einem geringen Volumenanteil mit der Kühlwendel des Probemediums gefüllt ist.
Dies bedingt für
eine ausreichende Kühlung
einen relativ hohen Kühlwasserdurchsatz und
damit hohe Betriebskosten. Gleichzeitig wird aber die Kühlkapazität des Kühlwassers
nur unzureichend ausgenutzt.
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Daraus ergibt sich die Aufgabe, ein
Probenahmekühlsystem
bereit zu stellen, mit dem es möglich
ist, mehrere nebeneinander geführte
Proben gleichmäßig mit
Kühlwasser
zu beaufschlagen, bei unterschiedlicher Probentemperatur eine einheitliche Endtemperatur
zu erzielen, einen möglichst
gleichmäßigen Kühleffekt
herbeizuführen
und den Kühlwasserverbrauch
zu optimieren. Gleichzeitig soll die Baugröße und der Aufwand für den Anschluß und die Regulierung
des Kühlmediums
verringert werden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst,
bei der wenigstens zwei Wendeln für das zu temperierende Medium
ineinander geschachtelt und/oder ineinander gedreht vorliegen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit
zwei oder mehr Wendeln für
das zu temperierende Medium auf. Diese Wendeln können ineinander geschachtelt
vorliegen, d. h. zwei, drei oder mehr Einzelwendeln sind im jeweils
freien Innenraum der nächst
größeren Wendel
angeordnet. Alternativ oder zusätzlich
können
einzelne oder mehrere dieser Wendeln jeweils zu Paaren dadurch zusammengefaßt sein,
daß sie
ineinander gedreht vorliegen. Ein solches Paar ineinander gedrehter
Wendeln kann sowohl außen
angeordnet sein, d. h. gegebenenfalls im Inneren weitere einzelne
Kühlwendeln
oder Wendelpaare aufweisen, oder aber im freien Innenraum einer äußeren Einzelwendel
vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß wird unter den zu temperierenden
Fluiden eine zu kühlende
oder aufzuwärmende
Flüssigkeit,
Suspension, Dispersion, Schmelze, ein Gas oder Dampf verstanden,
die bezüglich
eines oder mehrerer Parameter untersucht werden müssen. Insbesondere
geeignet ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
aber für
die Untersuchung von Wasser- und Dampfproben, zur Bestimmung beispielsweise
der elektrischen Leitfähigkeit,
des pH-Wertes, des Gas- oder Salzgehaltes oder von anderen Messwerten.
Die eingangs genannten Daten von beispielsweise Betriebsdrücken von
375 Bar und Betriebstemperaturen von 550 Grad C im Kraftwerksbereich
können
in der Vorrichtung gefahren werden.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung
ist als Probenahmekühler
insbesondere für
Kraftwerke und die chemische und petrochemische Verfahrens- und
Prozeßtechnik
gedacht. Es hat sich aber gezeigt, dass die Vorrichtung ganz allgemein
zur Temperierung mehrerer parallel geführter Fluidströme eingesetzt
werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform
werden im Innenraum des äußeren Behälters zwei,
drei oder mehr Einzelwendeln im jeweils freien Innenraum der nächst größeren Wendel
angeordnet.
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Alternativ werden in den äußeren Behälter, in der
Regel einem Mantelrohr, das mit einem Einlass und einem Auslass
für das
Temperierungsmedium ausgestattet ist, zwei Wendeln für die Fluide
so ineinander gedreht eingepasst, dass die beiden Fluidströme parallel
zueinander entlang der Fläche
eines Hohlzylinders durch den Strom des Temperierungsmediums geführt werden.
In der Regel haben dazu die Wendeln einer jeden Wärmetauscherschlange
einen Abstand, der ausreicht, die Wendeln einer weiteren Schlange
aufzunehmen, sodass ein mehr oder weniger enggepackter, jedoch noch
allseitig umströmter
Zylinder aus Wendeln zweier Schlangen vorliegt.
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Natürlich können in dem äußeren Kühler auch
mehrere Einheiten aus ineinander geschraubten und/oder ineinander
geschachtelten Wärmetauscherschlangen
nebeneinander angeordnet sein.
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In dem auf diese Art und Weise gebildeten Hohlzylinder
können
ein oder mehrere weitere Wendeln angeordnet sein, entweder als Einzelwendel oder
aber auch in ineinander gedrehter Form. Weiterhin ist es möglich zwei
ineinander gedrehte Wendeln innerhalb einer größeren Einzelwendel anzuordnen. Je
nach Dimensionierung ist es ohne weiteres möglich bis zu acht oder zehn
Wendeln für
die zu temperierenden Fluide in einem äußeren Behälter anzuordnen. Für die einzelnen
ineinander geschachtelten Wendeln ergibt sich mit abnehmendem Durchmesser des
Wendelkörpers
eine abnehmende Länge
des gewendelten Rohres. Hierdurch ergibt sich auf einfache Weise
eine Anpassung der Wärmeübergangsleistung
an die Temperatur und/oder die Menge des in der Wendel geführten Mediums.
Es wird erreicht, daß auch
bei unterschiedlichen Eingangstemperaturen im gleichen Temperierungsmedium
eine im wesentlichen einheitliche Endtemperatur des temperierten Mediums
erzielt werden kann.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegen auf der Hand. Für
eine größere Anzahl von
Fluidströmen
wird zur Temperierung nur ein einziger äußerer Behälter benötigt, d. h. der apparative Aufwand
wird vermindert. Gleichzeitig wird das durch den äußeren Behälter strömende Temperierungsmedium
optimal genutzt, wobei die Wendeln aller darin angeordneten Schlangen
für die
einzelnen Fluidströme
gleichmäßig mit
dem Temperierungsmedium beaufschlagt werden. Zudem bewirkt der hohe
Füllungsgrad
des äußeren Behälters für das Temperierungsmedium
eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit
des Temperierungsmediums mit der Folge, dass sich Wirbel-Zonen ergeben,
die einen verbesserten Wärmeübergang
zwischen den Wendeln und dem Temperierungsmedium erlauben und einen
besseren Temperierungseffekt mit sich bringen und die Ablagerung
von Partikeln aus dem aus dem Temperierungsmedium verhindern. Der
hohe Durchfluss an Temperierungsmedium bewirkt zugleich den Aufbau eines
hohen Temperaturgradienten mit dem Ergebnis einer effizienteren
Temperierung. Schließlich
ergeben sich neben den Einsparungen bei den Investitions- und Betriebskosten
auch noch Vorteile bei der Wartung und Überwachung, da alle Einrichtungen
an einem zentralen Ort und in einer einzigen Vorrichtung, zusammen
gefasst sind.
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Es ist durchaus möglich, den Wärmeübergang
durch weitere Maßnahmen
zu verbessern, beispielsweise durch das Einblasen von Gas in den äußeren Behälter zur
Erzeugung oder Verstärkung
von Wirbelzonen. Solche Maßnahmen
sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann
der Eintritt oder der Austritt für
das Temperierungsmedium mit einem regulierenden Ventil versehen
werden, sodass der Strom des Temperierungsmediums an den aktuellen
Temperierungsbedarf angepasst werden kann. Hier ist es insbesondere
vorteilhaft, das Regulierungsventil am Austritt anzuordnen und mit
einer temperaturabhängigen
Steuerung der Durchflussmenge für
das Temperierungsmedium auszustatten. Auf diese Art und Weise kann
zeitnah auf eine Veränderung
im Bedarf an abzuführender oder
zuzuführender
Wärme reagiert
werden und insbesondere in Zeiten geringen Kühl- oder Heizbedarfs die Durchflussmenge
des Temperierungsmediums gering gehalten werden. Bei Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Probenahmekühler kann
somit die Kühlwasserzufuhr
auf den aktuellen Bedarf abgestimmt werden. Eine Verschwendung von
Kühlwasser
wird vermieden. Der Kühlwasserbedarf
ist bei herkömmlichen
Probenahmekühlern
ein Kostenfaktor erster Größenordnung.
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Die Ein- und Austritte für das Temperierungsmedium
wie auch für
die einzelnen Fluidströme
können
zweckmäßig im Deckel
des äußeren Behälters zusammengefasst
werden. Dies hat den Vorteil, dass die aufwendigen Anschlüsse an einem
zentralen Ort zusammengefasst sind. In diesem Fall verfügen Einlass
oder Auslass des Temperierungsmediums und die einzelnen Wärmetauscherschlangen
der Fluide über
entsprechende Anschlussrohre, die in den dem Deckel abgewandten
Teil des äußeren Behälters hineinführen und
beispielsweise im Zentrum oder an der Peripherie des äußeren Behälters geführt sein
können.
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Es ist aber gleichfalls möglich, den äußeren Behälter als
reines Mantelrohr vor zusehen, bei dem die Eintritte und Austritte
sowohl des Temperierungsmediums als auch der Wärmetauscherschlangen der einzelnen
Fluide an entgegengesetzten Enden des Mantelrohres vorgesehen sind.
Dies ist insbesondere für
Anlagen vorteilhaft, die im Gegenstromprinzip arbeiten, da eine Rückführung der
einzelnen Ströme zum
Deckel des äußeren Behälters nicht
erforderlich ist.
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Insbesondere für die Verwendung als Probenahmekühler bestehen
der äußere Behälter wie
auch die Wendeln der Kühlschlangen
aus Metall. Das Metall kann nach Art der Beanspruchung und nach
Art des Mediums ausgewählt
werden. Für
die Untersuchung von hochgespannten Wasser- und Dampfproben werden
insbesondere austenitische Stähle
verwandt, die für
diesen Zweck zugelassen und besonders geeignet sind.
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In besonderen Fällen kommen Sondermetalle,
wie z. B. Titan oder Sonderlegierungen zum Einsatz, die sowohl in
Bezug auf Druck und Temperatur hervorragende Eigenschaften besitzen.
Auch andere Werkstoffe wie beispielsweise transparente Kunststoffe
können
durchaus möglich
und sinnvoll sein.
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Das Material für das Mantelrohr kann unabhängig von
dem Material der Wendeln nach ökonomischen
und/oder Montage- und Sicherheitsgesichtspunkten ausgewählt werden.
Wegen der kompakten Bauform wird für das Mantelrohr bevorzugt
austenitischer Edelstahl verwandt, es sind jedoch auch andere metallische
und nicht metallische Werkstoff einsetzbar. Auch der Einsatz von
transparentem Kunststoff kann möglich
und sinnvoll sein.
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Die Erfindung wird durch die anliegenden Abbildungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Das
Prinzip eines konventionellen Probenahmekühlers mit den Anschlüssen im
Deckel des Mantelbehälters;
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2 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Probenahmekühlers, der
nach dem Gegenstromprinzip arbeitet und im einzelnen die beiden
ineinander gedrehten Kühlschlangen
zeigt;
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3 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Probenahmekühlers, der
nach dem Gegenstromprinzip arbeitet und im einzelnen zwei ineinander
geschachtelte Kühlschlangen
zeigt;
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4 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Probenahmekühlers mit
zwei außen
angeordneten, ineinander gedrehten Kühlschlangen sowie einer hineingeschachtelten
einzelnen Kühlschlange;
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5 das
inverse Prinzip von 4 mit
einer äußeren einzelnen
Kühlschlange
und einem im Inneren angeordneten Kühlschlangenpaar;
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6 vier
paarweise ineinander gedrehte Kühlschlangen,
von denen ein Paar im freien Innenraum des anderen Paares angeordnet
ist;
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7 die
Darstellung eines Probenahmekühlers
mit einer äußeren Kühlschlange
großen Querschnitts
und einer inneren Kühlschlange
kleinen Querschnitts;
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1 zeigt
einen herkömmlichen
Probenahmekühler,
wie er im Kraftwerksbetrieb eingesetzt wird, wobei die Kühlvorrichtung
selbst mit der Ziffer 1 bezeichnet ist und als eigentliche
Kühleinheit
ein Mantelrohr 3 aufweist. Das Mantelrohr 3 hat
an seinem unteren Ende einen Einlass 5 und an seinem oberen
Ende 2 einen Auslass 7 für das Kühlwasser sowie die Anschlüsse für das zu
kühlende
Medium.
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Der Kühlwassereintritt 5 weist
ein Muffenventil 6 zur Regulierung des Zuflusses auf. Ein
entsprechendes Muffenventil kann am Auslass 7 am oberen
Ende 2 vorgesehen sein. Am oberen Ende 2 befinden
sich der Messguteintritt 8 mit einem Ventil 9 sowie
der Messgutaustritt 10, ebenfalls mit einem Ventil 11.
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Mantelrohr und Ein- bzw. Auslässe sind
auf übliche
Weise miteinander verbunden und aneinander gesichert.
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Im Inneren des Mantelrohrs 3 befinden
sich die einzelnen Wendel der Kühlschlange 12 sowie
das Steigrohr für
den Messgutaustritt 13.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt einen konventionellen
Probenahmekühler
mit einer einzelnen Kühlschlange
für ein
einzelnes Messgut. Bei der erfindungsgemäßen Variante werden zwei Kühlschlangen 12 mit
ihren Wendeln ineinander gedreht dergestalt, dass zwischen zwei
Wendeln einer Kühlschlange 12 sich
die einzelnen Wendeln einer weiteren Kühlschlange 12' befinden, wie
in 2 dargestellt. Dies
erfordert selbstverständlich
die entsprechende Anpassung der Anschlüsse im Deckel des Mantelbehälters und
die entsprechende Vergrößerung der
Zahl der Ein- und Austritte.
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Zusätzlich kann sich innerhalb
des durch die Wendeln der beiden Kühlschlangen 12 und 12' gebildeten
Hohlzylinders eine weiteres Kühlschlangenpaar
befinden, das auf die gleiche Art und Weise ineinander gedreht ist.
Bei entsprechend dimensionierten Mantelbehältern kann darin eine dritte
Lage Kühlschlangen
angeordnet sein.
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Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, in
einem Mantelbehälter
nebeneinander zwei, drei oder noch mehr Einheiten an geschachtelten und/oder
ineinander gedrehten Kühlwendeln
vorzusehen.
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2 zeigt
im Detail ein erfindungsgemäßes Kühlschlangenpaar 12 und 12', die ineinander
verschränkt
beziehungsweise verschraubt oder – gedreht vorliegen. In der
Ausführungsform
gemäß 2 sind die Anschlüsse an entgegengesetzten Enden
des Mantelrohrs 3 angeordnet, was den Gegenstrombetrieb
ohne die Verwendung von Steigrohren erlaubt. Der Kühlwassereintritt 5 befindet
sich am unteren Ende des Mantelrohrs 3, das Kühlwasser strömt am oberen
Ende durch den Stutzen 7 wieder ab. Entsprechend befinden
sich die beiden Einlässe für das Messgut 8 und 8' am oberen Ende
des Mantelrohres und die Austritte 10 und 10' am unteren
Ende.
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Natürlich ist es möglich, alle
Anschlüsse
an einem Ende des Mantelrohres anzuordnen.
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3 zeigt
im Detail eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Probenahmekühlers, bei
der zwei Kühlschlangen 12 und 12' ineinander
geschachtelt vorliegen, d. h. eine äußere Wendel schließt in ihrem
Hohlraum eine innere Wendel ein. Die Einlässe für das Messgut 8 und 8' befinden sich
am oberen Ende des Mantelrohrs 3, ebenso der Stutzen 7 für den Kühlmittelauslass.
Kühlmitteleintritt 5 und
die Austritte 10 und 10' befinden sich am unteren Ende.
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4 zeigt
eine Kühlervariante
mit zwei äußeren, ineinander
gedrehten Kühlwendel 12 und 12" sowie eine
im inneren geführten
dritten Kühlwendel 12'. Einlässe 8, 8' und 8" sowie Kühlwasseraustritt 7 befinden
sich am oberen Ende des Mantelrohrs 3, Austritte 10, 10' und 10" sowie Kühlmitteleintritt 5 am unteren
Ende.
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Es ist festzuhalten, dass die Bauart
unterschiedliche Längen
der Kühlschlangen
für die äußere Wickelung
und die innere Wickelung bedingen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn
unterschiedliche Probenvolumina oder Proben unterschiedlicher Temperatur
gekühlt
werden müssen.
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5 zeigt
eine entsprechende Anordnung mit einer außen liegenden einzelnen Kühlschlange 12 und
einem innen liegenden, ineinander gedrehten Kühlschlangenpaar 12' und 12". Kühlmitteleintritt 5 und
Probenaustritt 10, 10' und 10" befinden sich am unteren Ende
des Mantelrohres 3, Kühlmittelaustritt 7 sowie
Probeneintritte 8, 8' und 8" am oberen Ende; der Kühler wird
somit im Gegenstrom betrieben.
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6 zeigt
einen erfindungsgemäßen Probenahmekühler mit
einem Mantelrohr 3 und einem darin geführten äußeren Kühlschlangenpaar 12 und 12" und einem zweiten
im inneren Zylinder geführten Kühlschlangenpaar 12' und 12". Die beiden
Kühlschlangenpaare
liegen ineinander gedreht vor.
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7 zeigt
einen Probenahmekühler,
der für die
Kühlung
unterschiedlicher Probenvolumina oder für die Kühlung von Proben stark unterschiedlicher Temperatur
vorgesehen ist. Die Kühlschlangen 12 und 12' unterscheiden
sich durch ihre Stärke
und ihre Länge;
die außen
geführte
Kühlschlange 12' verfügt über einen
deutlich größeren Querschnitt
als die innen geführte
Kühlschlange 12.
Des Weiteren weist die außen
geführte
Kühlschlange
eine deutlich größere effektive
Länge innerhalb
des Kühlmediums
auf. Entsprechend ist die Kühlkapazität von 12' größer als die
von 12.
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Bei Anordnung einer größeren Anzahl
von Kühlwendeln
in einem Mantelbehälter
ist es sinnvoll, die entsprechende Anschlüsse an beiden Enden eines Mantelrohrs
vorzusehen, um das eingeschränkte Platzangebot
an den Stirnseiten des Mantelrohrs optimal für die Anschlüsse zu nutzen.