DE2126088A1

DE2126088A1 - Boiler type heat exchanger - with separate condensing chamber - to prevent boiling dry

Info

Publication number: DE2126088A1
Application number: DE19712126088
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-05-28
Filing date: 1971-05-26
Publication date: 1971-12-16
Also published as: SE368080B

Description

David Eonald MOERISOH, Fleet/Hamshire (.England)

Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft einen wasserdicht

geschlossenen Wärmeaustauscher, bei dem die Verdampfung, im allgemeinen durch Sieden_yund die Kondensation von Flüssigkeiten für die Wärmeübertragung nutzbar gemacht werden.

Pig. 1 der Zeichnung zeigt in sehemati-

scher Darstellung einen wasserdicht geschlossenen Wärmeaustauscher, der aus einem teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit 2 gefüllten Behälter 1 besteht.

Durch die Anwendung einer Wärmequelle

auf das untere Behälterende (Warmezuflussbfreich) wird zwischen dem oberen und dem unteren Behälterende ein Temperaturunterschied erzeugt und die Flüssigkeit schliesslich zum Sieden gebracht. Der dadurch freigewordene Dampf wird am oberen Behälterende niedergeschlagen und gibt dadurch seine latente Wärme ab (Wärmeabflussbereich). Sieden und Hiederschlagen erfolgen im wasserdicht geschlossenen Behälter bei im wesentlichen gleichen Temperaturen. Beim Temperaturausgleich ist der Temperaturunterschied zwischen oberem und unterem Wärmeaustauscherende gering. Daher ist der wasserdicht geschlossene Wärmeaustauscher eine gute Wärmeübertragungseinrichtung.

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Wird die Wärme nicht schnell genug vom

oberen Behälterende entfernt, so ist dessen Temperatur bestrebt, die Temperatur des unteren Behälterendes zu erreichen. Wenn die Wärmeabgabe des oberen Behälterendes z. B. infolge einer Störung oder nach der Deckung des Wärmebedarfs unterbrochen ist, steigt die Temperatur des oberen Behälterendes derart, dass sie in etwa die Temperatur des unteren Behälterendes erreicht, und der Druck im Wärmeaustauscher stellt schliesslich- den Dampfdruck der Flüssigkeit bei der im Wärmezuflussbereich herrschenden Temperatur ein. Da die Temperatur im Wärmezuflussbereich in vielen Fällen sehr hoch * sein kann, z. B. wenn die vuärmequelle eine Flamme, ein flüssiges Metall oder ein elektrisches Heizelement ist, soll die Temperatur des oberen Behälterendes gegenüber der Temperatur des unteren Behälterendes häufig vergleichsweise niedrig sein, wenn die Wärme nicht rasch genug vom oberen Behälterende entfernt wird. Es muss also möglich sein, die Wärmeübertragung vom unteren zum oberen Behälterende des Wärmeaustauschers zu regeln.

Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, Einrichtungen zur beliebigen Durchführung dieser Regelung zu schaffen.

Nach einem Merkmal der Erfindung ist der wasserdicht geschlossene Wärmeaustauscher dadurch gekenn-" zeichnet, dass er einen von dem der Wärmequelle benachbarten Raum getrennten bzw. trennbaren Raum besitzt, in dem sich die verdampfbare Flüssigkeit zur Unterbrechung des Abflusses der latenten Wärme der Flüssigkeit aus dem Wärmezuflussbereich in den "'ärmeabflussbereich sammeln kann, wobei Mittel zum Ein- und Ausschalten bzw. Füllen und Entleeren des getrennten Raumes angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform

der Erfindung besteht der Wärmeaustauscher aus einem geschlossenen Ring. Bei einer anderen Ausführungsform besteht er aus einem senkrecht angeordneten ^ohr_# Der ringförmige Wärmeaustauscher hat indessen den Vorteil, dass der Wärmequelle keine Schweisskonstruktion ausgesetzt ist, da es nicht

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notwendig ist, den Boden zu schweissen; die Schweissverbindungen können infolge der manchmal ausserordentlich hohen Wärmebeanspruchung reissen, undicht werden und das ganze Wärmeaustauschsystem beinträchtigen. Darüber hinaus kann die Wärmeübergangsfläche am unteren Ende des ringförmigen Wärmeaustauschers, d. h. im Wärmezuflussbereich, z. B. doppelt so gross wie bei dem aus einem senkrechten Rohr bestehenden Wärmeaustauscher vorgesehen werden, was wichtig ist, wenn man bedenkt, dass die Kondensation am oberen Ende des Wärmeaustauschers stets schneller als die Verdampfung bzw. das Sieden am unteren Austauscherende abläuft.

In weiterer Ausbildung der Erfindung

ist ausser der Hauptkammer des Wärmeaustauschers eine Nebenkammer angeordnet, in welcher sich die verdampfte Flüssigkeit sammelt und die mit der Hauptkammer nachgiebig verbunden ist, so dass sie von Hand oder automatisch in eine andere Stellung bewegt werden kann, bei welcher die Flüssigkeit in die Hauptkammer zurückfliesst und sich keine Flüssigkeit mehr in der Nebenkammer sammeln kann.

Bei einer anderen Ausführungsform der

Erfindung ist eine feststehend angeordnete Nebenkammer vorgesehen, in welche der Dampf strömt, in der sich das Kondensat sammelt und die mit einer Wärmequelle, z. B. einem kleinen elektrischen Heizelement versehen ist, welches in der Lage ist, die Innenfläche der Nebenkammer auf eine Temperatur zu bringen, die wesentlich höher als die Temperatur im Wärmeabflussbereich ist, wenn das Kondensat in die Hauptkammer zurückfliessen soll. Ist das Volumen der Nebenkammer sorgfältig auf das Volumen der verdampfbaren Flüssigkeit** des Systems abgestimmt, so dehnt sich bei beheizter Nebenkammer die Flüssigkeit in der Nebenkammer aus, wobei zunächst ein Teil der Flüssigkeit aus der Nebenkammer in die Hauptkammer übertritt und die restliche Flüssigkeit dann in der Nebenkammer verdampft. Die Nebenkammer spricht also schnell auf ihre Wärmequelle an.

Bei einer weiteren Ausführungsform der

Erfindung ist in einem zwischen dem Wärmezufluss- und dem Wärmeabflussbereich vorgesehenen Rohr, das nicht die einzige

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Verbindung zwischen beiden Bereichen ist, ein Ventil, z. B. ein Solenoidventil oder ein mechanisches Ventil, angeordnet. Bei geschlossenem Ventil wird der Dampf über dem Ventil niedergeschlagen und das Kondensat auf dem Ventil gestaut, so dass der Wärmeübergang nach einer bestimmten Zeit unterbrochen wird. Hierbei ist allerdings Voraussetzung, dass das Volumen über dem Ventil mindestens gleich dem Volumen der restlos niedergeschlagenen Flüssigkeit, vorzugsweise jedoch grosser ist. Werden mehrere Wärmeabflussbereiche vorgesehen, so kann unterfeinem oder unter jedem Vi/ärmeabflussbereich ein Ventil angebrahjct werden, so dass der Dampf am Wärmeabflussbereich niedergeschlagen und dieser dadurch in sicherer Weise gesperrt wird.

Bei einem ringförmigen Wärmeaustauscher ist es oft zweckmässig, in ein senkrechtes Rohr des geschlossenen Ringes ein Ventil derart einzubauen, dass die Nebenkammer für das Kondensat einen Teil des gesamten Ringvolumens bildet. Es ist indessen ebenfalls möglich, an einem Schenkel des ringförmigen Wärmeaustauschers oder an dem aus einem senkrechten Rohr bestehenden Wärmeaustauscher ein zusätzliches Rohr anzubringen, in welchem das Ventil derart angeordnet ist, dass das Kondensat sich auf dem Ventil sammeln und nur bei geöffnetem Ventil in den Wärmezuflussbereich zurückfliessen kann.

ψ Wenn ein seitlicher, dem WärmeatyLuss-

bereich benachbarter Ring vorgesehen wird, in welchem ein Ventil einbebaut ist, wird vorteilhaft ein Hauptregler bzw. Temperaturbegrenzer in der Weise angeordnet, dass eine Nebenkammer zur Aufnahme der gesamten verdampfbaren Flüssigkeit des Systems vorgesehen wird«

Die Wahl der verdampfbaren Flüssigkeit

hängt vom Verwendungszweck des Wärmeaustauschers ab, insbesondere von den Betriebstemperaturen, aber auch vom grossten Betriebsdruck. Die verdampfbare Flüssigkeit muss u. a. folgenden Bedingungen entsprechen:

a) sie kann bei oder unter der niedrigsten Temperatur der Wärmequelle zum Sieden gebracht werden, (Ist der Siede-

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punkt einer Flüssigkeit bei Atmosphärendruck zu hoch, so kann der Druck im Austauscher vor dem Abdichten herabgesetzt werden)

b) die Flüssigkeit darf im Betriebstemperaturbereich den Werkstoff des Wärmeaustauschers nicht angreifen.

Durchweg geeignete verdampfbare Flüssigkeiten sind: destilliertes, entgastes Wasser, Kohlenstofftetrachlorid, Salmiakgeist und handelsübliche Kühlmittel wie Freon 12, 113 und 144, wobei Freon ein Warenzeichen ist.

Es wurde festgestellt, dass die Einführung eines nicht kondensierenden Gases in den Wärmeaustauscher die Wärmeübertragung ganz oder fast ganz unterbricht. Die Ursachen hierfür sind nicht im einzelnen bekannt. Aber es wird angenommen, dass sie mit dem Partialdruck der verdampfbaren Flüssigkeit und mit dem Druck des nicht kondensierenden Gases im Zusammenhang stehen.

Im Nachstehenden sei die Erfindung nunmehr anhand der in der Zeichnung dargestellten fünf Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemässen Wärmeaustauscher mit nachgiebig befestigter, nach oben gerichteter Nebenkammer,

Fig» 3 einen senkrechten Schnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Wärmeaustauscher mit der nach unten abgebogenen Nebenkammer,

Fig. 4 bis 7 senkrechte Schnitte durch vier weitere erfindungsgemässe Wärmeaustauscher.

Der Wärmeaustauscher nach den Fig. 2 und

3 besteht aus einem senkrecht^ angeordneten, eine Hauptkammer 3 umschliessenden Rohr, das mit einer sich nach oben erstreckenden seitlichen Nebenkammer 4 versehen ist, in welche der Dampf aus der Hauptkammer3unbehindert strömen kann und die den Betrieb des Systems nicht beeinträchtigt, sondern eine erhebliche Vergrösserung der Wärmedurchgangsfläche bedeutet, wobei der Wärmequelle nur eine etwas grössere Wärmemenge entzogen wird. Die Nebenkammer 4 ist jedoch mit der

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Hauptkammer 3 nachgiebig verbunden, so dass sie von Hand oder automatisch in eine Stellung gebracht werden kann, bei welcher die niedergeschlagene Flüssigkeit zurückgehalten wird und nicht in die Hauptkammer 3 zurückfliesst. In dieser Stellung wird nämlich der vom unteren Ende der Hauptkammer

3 kommende Dampf in der Nebenkammer 4 niedergeschlagen und das Kondensat in der Nebenkammer 4 gestaut, da deren Volumen innerhalb des entsprechenden Temperaturbereiches grosser als das grösste volumen der im System befindlichen Flüssigkeit ist. Each einer bestimmten Zeit ist die gesamte Flüssigkeit am unteren Ende der Hauptkammer 3 verdampft, so dass der Wärmeaustausch zwischen unterem und oberem Ende der Hauptk-ammer 3 unterbrochen wird. Wird nun die Nebenkammer

4 aus der in Sig. 3 gezeigten Stellung von Hand oder automatisch in die in Fig. 2 gezeigte Stellung gebracht, so fliesst die -flüssigkeit praktisch sofort auf den .Boden der Hauptkammer 3 zurück, so dass die Wärmeübertragung vom unteren zum oberen Ende der Hauptkammer 3 weitergeht.

In vielen Fällen, insbesondere bei ver-

hältnismässig hohen Arbeitsdrücken und -temperatüren,kann es unerwünscht sein, dass die Nebenkammer 4 in vorbeschriebener Weise nachgiebig mit der Hauptkammer 3 verbunden ist. In diesen Fällen kann beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Nebenkammer 4' in der in Fig. 4 gezeigten Weise in einer fixierten Stellung an der Hauptkammer 3 angeordnet werden, wobei sich das Kondensat in der Nebenkammer 4' staut und nicht in die Hauptkammer 3 zurückfliessen kann. Das Volumen der Nebenkammer 4' ist grosser als das grösste Volumen der im System befindlichen Flüssigkeit bei den vorgesehenen Betriebsbedingungen.

In unmittelbarer Nähe der Nebenkammer

4¹ ist eine Wärmequelle, z. B. ein kleines Heizelement 5 angeordnet, welches die Innenwand der Nebenkammer 4' auf einer Temperatur hält, die viel höher ist als die Temperatur im Wärmeabflussbereich, d. h. an der Innenwand des oberen Endes der Hauptkammer 3. Wenn die Wärmequelle der

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Nebenkammer 4' eingeschaltet ist, wird die Wärme von der Wärmequelle der Hauptkammer 3 zum Wärmeabflussbereich übertragen, und der Dampf wird in diesem Bereich niedergeschlagen, aber nicht in der liebenkammer 4¹ , denn deren Temperatur ist höher als die Temperatur im Wärmeabflussbereich. Uach manuellem oder automatischem Abschalten der Wärmequelle der liebenkammer 4' wird der Dampf in dieser niedergeschlagen, wobei das Kondensat nicht in den Wärmezuflussbereich, d. h. zum unteren Ende der Hauptkammer 3, zurückfHessen kann. Wach einer bestimmten Zeit ist das gesamte Volumen der verdampfbaren flüssigkeit in die Nebenkammer 4¹ umgesetzt, wobei die Wärmeübertragung vom Wärmezuflussbereich zum Wärmeabflussbereich unterbrochen wird. Schaltet man die Wärmequelle der Nebenkammer 4¹ wieder ein, so verdampft und/ oder siedet die in dieser Kammer enthaltene Flüssigkeit, der Dampf wird im V/ärmeabflussbereich niedergeschlagen und das Kondensat fliesst in den Wärmezuflussbereich zurück, wobei der Wärmeübergang vom Wärmezuflussbereich zum Wärmeabflussbereich wieder fortgesetzt wird.

Das in Pig. 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel sieht einen Wärmeaustauscher vor, der aus einem geschlossenen Ring besteht, welcher eine Hauptkammer 3¹ und eine Nebenkammer 4^ff besitzt, die mit einer elektrischen oder anderen Heizeinrichtung 5 versehen oder nachgiebig ausgebildet (nicht dargestellt) ist, so dass die Flüssigkeit erforderlichenfalls zum unteren Ende der Hauptkammer 3' zurückfliessen kann.

In dem in Fig. 6 dargestellten vierten

Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeaustauscher vorgesehen, der aus einem geschlossenen Ring besteht, wobei der zwischen dem oberen und dem unteren Ringende liegende Abschnitt 6 mit einem Solenoid- oder Handventil 7 versehen ist und ein Volumen hat, das mindestens so gross wie das Gesamtvolumen der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher ist. Bei geschlossenem Ventil 7 strömt der Dampf über das Ventil 7, wobei das Kon-

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densat sich auf diesem sammelt· Das Volumen über dem Ventil

7 wirkt in gleicher Weise wie das Volumen der Nebenkammer der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele. Soll der Wärmeübergang fortgesetzt werden, so wird das Ventil 7 geöffnet.

In dem in Fig. 7 dargestellten fünften

Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine Verbindung der Regeleinrichtungen der beiden vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele. Der Wärmeaustauscher weist hier eine geschlossene Ringkammer 3' auf, welche mit einer Nebenkammer 4¹ verbunden ist,, die eine elektrische oder eine andere Heizvorrichtung besitzt oder nachgiebig angeschlossen ist, so dass die Flüssigkeit aus der Kebenkammer 4' in die Hauptkammer 3^f zurückfHessen kann. Ferner sind zwei Rohre

8 und 9 vorgesehen, die durch zwei Rohre 10 und 11 miteinander verbunden sind. In Jedem Verbindungsrohr 10 bzw. 11 ist untern ein Ventil7angebracht, z. B. ein Solenoid- oder ein Handventil, wobei in jedem Verbindungsrohr 10 bzw. 11 über dem Ventil 7 ein Warmeabfluss vorgesehen ist. Auf diese Weise können zwei verschiedene Wärmeaustauschsysteme unabhängig voneinander geregelt werden, wobei z. B. ein Ventil 7 in Abhängigkeit von der Temperatur eines Austauschsystemes und das andere Ventil 7 in Abhängigkeit vom anderen Austauschsystem betätigt wird.

In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Solenoid- oder Handventil 7 durch eine P nicht gezeichnete, irgendwo in dem zu erwärmenden Mittel angeordnete wärmeempfindliche Vorrichtung, z. B. durch einen im Wasserdurchfluss des Wärmeaustauschers angeordneten Thermostaten, gesteuert.

Obige Systeme sind thermische Verstärker,

bei denen eine relativ kleine Regelenergiequelle einen sehr viel grösseren Wärmefluss wirksam regelt.

■&S bestehen viele Anordnungsmöglichkeiten der Hebenkammer. Die beste Anordnung wird jedoch mehr von Überlegungen der Zweckmässigkeit als von der Wirksamkeit bestimmt.

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Claims

Patentansprüche

Wasserdicht geschlossener Wärmeaustauscher, bei dem das wärmeabgebende Mittel eine reversible Zustandsänderung erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass er einen von dem der Wärmequelle benachbarten Raum getrennten bzw. trennbaren Raum besitzt, in dem sich die verdampfbare Flüssigkeit zur Unterbrechung des Abflusses der latenten Verdampfungswärme der Flüssigkeit aus dem ^wärmezuflussbereich in den Wärmeabflussbereich sammeln kann, wobei Mittel zum Ein- und Ausschalten bzw. Füllen und Entleeren des getrennten Raumes angeordnet sind.

Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem senkrecht angeordneten Rohr besteht, an welches eine Nebenkammer nachgiebig angeschlossen ist, in welcher sich die verdampfte Flüssigkeit sammelt und aus der in einer anderen Stellung die Flüssigkeit in das Rohr zurückfliesst, wobei sich keine Flüssigkeit mehr in der Nebenkammer sammeln kann.

Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem senkrecht angeordneten Rohr besteht, das eine Nebenkammer aufweist, in welche der Dampf strömt, in der sich das Kondensat sammelt und die mit einer "ärmequelle versehen ist, welche in der Lage ist, die Innenfläche der Uebenkammer auf eine Temperatur zu bringen, die wesentlich höher als die Temperatur im Wärmeabflussbereich ist, wenn das Kondensat in die Hauptkammer zurückfliessen soll.

Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem geschlossenen Ring besteht. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem senkrecht angeordneten Rohr besteht.

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