DE735163C - Waermeaustauscher, insbesondere fuer Absorptionskaeltemaschinen - Google Patents

Description

• Wärmeaustauscher, insbesondere für Absorptionskältema:schinen Absorptionskältemaschinen arbeiten etwa nach folgendem Prinzip: Eine Flüssigkeit, in der ein Gas gelöst ist, z. B. wäßrige Ammoniaklösung (reiche Lösung), wird in einem Kocher erhitzt, so daß das Gas aus der Flüssigkeit ausgetrieben wird. Das Gas- wird durch Vorbeistreichen an einer Kühlschlange von Dampfresten befreit und auf eine mäßige Temperatur herabgekühlt. Hierauf gelangt es in einen Verflüssiger und wird dort unter Anwendung von Kühlwasser weiter herabgekühlt, so daß es verflüssigt wird. Das verflüssigte Gas gelangt dann durch ein Drosselventil in den Verdampfer, wo es sich entspannt, verdampft und aus dem zu kühlenden Stoff, also z. B. Luft oder Wasser, die entsprechende V erdampfungswärme entzieht. Hiernach gelangt es in einen Absorber, wo es wieder mit der Lösungsflüssigkeit vereinigt wird. Durch Mischung von Gas und Flüssigkeit wird eine sofortige Auflösung des Gases in der Flüssigkeit erzielt, -,wobei die sich dabei bildende Absorptionswärme an Kühlwasser abgeführt wird. Die mit Gas angereicherte Flüssigkeit wird dann mittels einer Pumpe wieder in den Kocher befördert. Die im Kocher z. T. vom Gas befreite Lösungsflüssigkeit (arme Lösung) gelangt durch ein Drosselventil unmittelbar in den Absorber.
• Der Wirkungsgrad von Absorptionskältemaschinen, die in dieser Weise arbeiten, ist bekanntlich verhältnismäßig schlecht. Eine teilweise Verbesserung des Wirkungsgrades wird erreicht, wenn man die vom Absorber kommende kalte reiche Lösung in den sog. Temperaturwechsler mit der vom Kocher kommenden heißen armen Lösung in Wärmeaustausch treten läßt. Dadurch wird die heiße arme Lösung vor dem Eintritt in den Absorber abgekühlt und andererseits die halte reiche Lösung vor dein Eintritt in den Kocher erwärmt. Ein Teil der im Kocher zuzuführenden und ini Absorber abzuführenden Wä rineinenge wird damit erspart. Die auf diese Weise zu gewinnende Warineinenge ist i e doch eng begrenzt.
• Eine grundlegende Verbesserung des Wirkungsgrades bei kontinuierlich arbeitenden .@bsorptiotislziilteniascliinen lä13t sich erzielen, wenn es gelingt, das Gegenstromprinzip restlos durchzuführen, d. h. wenn man die -arme Lösung, die ja schon bei hohen Temperaturen in der Lage ist. Ammoniak zu absorbieren, in @E'ärmeaustausch treten 1ä lit mit der reichen Lösung, die ihrerseits _@nimoniak schon bei verhältnismäl:üg niedrigen Temperaturen abgibt. Während man sich bei dem obengenannten Terilperaturwecbsler darauf beschränkt, die in der Flüssigkeit der reichen und der armen Lösung enthaltenen Wärmemengen auszutauschen, lä1:)t niail bei Durchführung des vollkommenen Gegellstroniprinzips die arme Lösung Annlioniak absorbieren und benutzt die dabei entstehende Absorptionswärme gleichzeitig zur Austreibung des Ammonialzs der reichen Lösung auf der Kocherseite. Auf diese Weise bleibt wiederum eine gleiche, aber wesentlich größere Wärmemenge sowohl als -zuzuführende beim Kocher wie auch als abzuführende t@'<irmemenge auf der Absorbers eile erspart. -Man hat erkannt, dali es theoretisch möglich und zweckinäfig ist. diesen Wärmeaustausch so zweit zu treiben, bis der Punkt erreicht ist, an dein die Absorptiolistemperatur der armen Lösung, die ja während der Absorption reicher wird, sich mit der Austreibtingsten lperatur der reichen Lösung deckt, die ja während der Gasaustreibung ärmer wird. Praktisch bleiben allerdings noch geringe Teniperaturunterschiecle übrig, die zur I'1>ertragun g der @'@'ä rnie im E1"ä rmeaustauscher notwendig sind.
• Bei Verwendung der in der Kältetechnik bekannteil Röhrenkessel läßt sich das restlose Gegenstroniprinzip nicht da sich hierbei die Lösungen mit verschiedener Konzentration vermischen. Daher inul-i man stets damit rechnen, daß die größtmögliche Temperatur auf der absorberseite sich nach der höchsten Konzentration der gasreichen Lösung und die tiefste Temperatur auf der Kocherseite sich nach der niedrigsten Konzentration der gasarmen Lösung richtet. Bei diesen -Mischverhältnissen ist man aber nicht in der Lage, die anfallende Absorptionswärme zti verwerten, da die Kochertemperatur viel zu hoch und die Absorptionstemperatür viel zu tief liegt.
• I21 sind aber auch schon Warmeaustauscher

  bekaiinigeworden, die mit I--insätzen, bestehend

  aus Blechrillgell o. (1-1., versehen sind. Der-

  artige Wiirineaustauscher eignen sich für den

  vorliegenden Zweck wesentlich besser, da

  durch die Einsätze die Bildung von @on@-elc-

  tionsströmungen weitgehend verhindert wir=f,

  so Ball 1Tischungen voll heißen und kalten

  Lösungsteilen so gut wie nicht auftreten k;#n-

  nen.

  Das restlose Gegenstromprinzip 1ä ßt sich

  aber auch mit derartigen, mit Einsätzen in

  Form voll 1--#iilllcörpern versehenen Wärnie-

  austauschern noch nicht verwirklichen. Der

  Grund hierfür ist vor allein der, daß die

  Wä rineleitung der Einsätze, z. B. bei Rin-

  füllung, der Wärmeübergang zwischen den

  einzelnen Ringkörpern einerseits und zwischen

  den Ringkörpern und den Wärineaustatisch-

  wänden andererseits verhältnismäßig schlecht

  ist. Irin weiterer Nachteil der bekannten

  Wärnieaustauscher bestellt darin. da]!) die lose

  in den Wärlneaustauscher eingebrachten Füll-

  körper während des Transports und des Be-

  triebs des Wärineaustauschers ihre gegen-

  seitige Lage verändern können. Hierdurch

  können die Einsätze nicht nur ihre Wirkung

  verlieren, sondern u. I". sogar durch Verstöl)-

  fun-en o. <1"l. eine Verschlechterung der Be-

  triebsverhältnisse des Wärineaustatischers her-

  beiführen.

  Der Erfindung liegt null die Aufgabe zu-

  grunde, diese Schwierigkeiten bei einem

  Wärineaustauscher, der mit Ringkörpern in

  Form der bekannten Rascbigringe angefüllt

  ist, zu beseitigen. Erfindungsgenläfi wird elicse

  Aufgabe dadurch gelöst, daß die 1.-' üllköi-per

  untereinander und finit den Wärnieaustausch-

  wänden durch gemeinsames Feuer\-erzinheii

  oder ähnliche '-lletalliiberziige gut wärme-

  leitend verbunden werden. Dadurch wird die

  Voraussetzung für die Durchführung des rest-

  losen Gegenstromprilmips geschalten, die

  darin besteht, daß die Absorptionswärme illl

  gleichen Augenblick, wie sie anfällt, 2111 die

  Kocberseite abgegeben wird.

  An Hand der Abb. i wird der erfindungs-

  gemäße Wärineaustauscher näher beschrieben.

  Der Wärmeaustauscller besteht aus einem

  Blechmantel i mit Rohrböden in die

  Rohre 3 eingewalzt sind. Oberhalb und unter-

  halb der Rohrböden befinden sich je eine

  Kammer 6. die mit Anschlußstutzell i ver-

  sehen sind. In dein freien Raum zwischen

  den Rohren 3 befinden sich Füllkörper 8 111

  Forin voll Blechringen, die als sog. Rasclii"-

  ringe bekannt sind. Diese sind erfindungs-

  geinä 1.l untereinander und mit den Rollren 3

  durch Feuerverzinken oder ähnliche Metall-

  überzüge gut wärmeleitend verbunden. I-in

  die zti entgasende oder die zu sättigende U-

  sttng dem init-den Bicchringen `efiillten fzat,li,

  innerhalb des Mantels i zuführen zu können, sind ein oder mehrere Anschlußstutzen 9 vorgesehen und ferner Anschlußstutzen io, 11 und 12, die je nach dem anschließend beschriebenen Verwendungszweck des Wärineaustauschers dazu dienen. die Lösungen oder Dämpfe zu- bzw. abzuführen.
• ber Wärmeaustauscher nach der Erfindung kann zur Verwirklichung des restlosen Gegenstroinprin7ips besonders zweckmäßig als Kocher .Absorber, d. h. als Verbindung eines Teils des Kochers und eines Teils des Absorbers, verwendet werden. Ein vollständiges Ersetzen des Kochers und Absorbers durch einen gemeinsamen Kocher .Absorber ist thermodvnainisch nicht denkbar, da sich einerseits finit der anfallenden Absorptionswärme keine vollständige Entgasung auf der Kocherseite erzielen läßt und andererseits die Temperatur der reichen Lösung zu hoch liegt, um die sich bei der vollständigen Absorption bildenden Wä rinemengen abzuführen. Der erfindungsgemäße Kocher .Absorber ist also lediglich dazu vorgesehen, einen Teil des Kochers und einen Teil des Absorbers zu ersetzen. Die Vorteile, die dadurch erzielt werden, bestehen im wesentlichen in einer Verminderung der dem Absorber zuzuführenden Kühlwasserinenge und der dem Kocher zuzuführenden Heizwärme. Außer dieser Ersparnis an Kühlwasser und Heizwärme werden aber auch Kocher und Absorber in ihren Abmessungen wesentlich kleiner.
• In gleicher Weise kann der erfindungsgemäße Wärineaustauscher aber auch für den Kocher und den Absorber verwendet werden.
• Verwendet man den Wärmeaustauscher äls Kocher-Absorber, so tritt die reiche Lösung in den unteren Stutzen 7 ein, strömt durch die Rohre 3 und verläßt den Wä rmeaustauscher durch den Stutzen 1a an der oberen Kammer 6, nachdem sie durch die Entgasung ärmer geworden ist. Die arme Lösung tritt durch einen oder mehrere Stutzen 9 ein, die längs des Umfangs des Wärmeaustauschers angeordnet sind und fließt im Gegenstrom zur reichen Lösung über den mit Ringen ausgefüllten Raum zwischen den Rohren 3 nach unten. Der armen Lösung strömt das vom Verdampfer kommende gasförmige Kältemittel durch den Stutzen io entgegen und wird von der armen Lösung absorbiert. Die dabei entstehende Absorptionswärme wird unmittelbar über die gut leitende Verbindung zwischen Ringfüllung und Rohrwandung an die reiche Lösung in den Rohren 3 abgeführt und dient in diesem als Kocher wirkenden Teil des Kocher-Absorbers zur Erwärmung und Entgasung der reichen Lösung. Das aus der reichen Lösung austretende gasförmige -Kältemittel wird durch den oberen Stutzen 7 abgeführt, während die durch Absorption angereicherte Lösung den Apparat durch den Stutzen i i verläßt.
• Der Vorteil dieses Wärmeaustauschers gegenüber dem bekannten Röhrenkessel besteht darin, daß die Absorptionswärme durch die großen, gut leitenden Berührungsflächen äußerst wirksam und schnell an die reiche Lösung abgeführt wird, bevor eine Vermischung der Lösungsteile verschiedener Konzentration eintreten kann.
• Wird der Wärmeaustatischer als normaler Absorber verwendet, so ist die Wirkungsweise des Kreislaufs genau die gleiche, nur «-erden hier die Rohre 3 im Gegensatz zum Kocher-Absorber vom Kühlwasser durchflossen, d. h. die Absorptionswärme wird hier als Verlust nach außen abgeführt. Das Kühlwasser strömt durch den unteren Stutzen ; ein und tritt nach Aufnahme der Absorptionswärme in den Rohren 3 durch den oberen Stutzen 7 wieder aus dein Wärmeaustausche:-aus. Der Stutzen 1z kann bei Verwendung des Wärmeaustauschers als Absorber in Wegfall kommen.
• Verwendet man den beschriebenen Wärineaustauscher als reinen Kocher, so tritt das Heizmittel, z. B. Heißwasser oder Heizdampf, durch den unteren Stutzen 7 ein, durchströmt die Rohre 3 und verläßt den Apparat durch den oberen Stutzen 7. Die reiche Lösung tritt durch einen oder mehrere Stutzen 9 ein, rieselt über die Füllkörper S herunter und wird dabei durch die zugeführte Heizwärme entgast. Das frei werdende Gas zieht durch den Stutzen io ab, während die gasarme Lösung durch den Stutzen i i abgeführt wird. Im oberen Teil des Wärmeaustauschers befindet sich also stark gesättigte Lösung, welche ihr Gas schon bei mäßigen Temperaturen abgibt, und dementsprechend befindet sich in dem oberen Teil der Rohre 3 auch das bereits abgekühlte Heizmittel. Dagegen ist in dem unteren Teil des Wärmeaustausch; rs die gasarme Lösung, der in dem unteren Teil der Rohre 3 das frisch eingeführte Heizmittel mit hoher Temperatur geenüberliegt. Auch bei der. Verwendung des' Wärmeaustauschers als Kocher wird der Stutzen 12 nicht be- nötigt. Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers und zum Nachweis der mit diesem erreichbaren Vorteile ist in der Abb. a eine vollständige Absorptionskältemaschine mit all ihren Apparaten und Rohrleitungen dargestellt, wobei die vor und hinter den einzelnen Apparaten auftretenden Temperaturen eingezeichnet sind. Den angegebenen Temperaturen liegt ein Rechnung"-beispiel für eine Kältemaschine für Klimazwecke zugrunde, bei der genügend Fluß- ,vasser jedoch mit einer verli@iltnis;ißig hohen Temperatur von -;- 2o= C zur Verfiigung stellt und mit der Kaltwasser voll -'- ioJ C auf -;- ; C herunterzukühlen ist.
• Der erfindungsgemäße Wärineaustauscher ist in der Anlage sowohl für den Kocher-Absorber als auch für den Kocher und Absorber verwendet.
• Der dargestellten Anlage liegen folgende Druck- und T ernperaturverhä ltnisse zugrunde:

  Kondensationsdruck ...... pl,; = i= ata

  Kondensationstemperatur.. -!- 3o,3' C

  Verdampfungsdruck ...... _ ata

  Verdampfungstemperatur, , -j- 3,6° C

  In der Abb. 2 bedeutet A den Verdampfer der Kältemaschine, B den Absorber, C den Kocher-Absorber, D den Kocher und E den Kondensator. F ist ein Temperaturwechsler der bekannten Art, bei dem die arme Lösung mit der reichen Lösung in Wärmeaustausch stellt, G eine Lösungspumpe, H ein Regelventil vor -dem Verdampfer A und J ein Regelventil vor dein Kocher-Absorber C.
• Das im Kondensator E verflüssigte Kältemittel strömt über das Regelventil ,H dein Verdampfer A zti, wo es verdampft und dabei seine Verdarnpfungswärme als \utzleistung der Kühlschlange K entzieht. Das herunterzukühlende Wasser tritt mit + io° C in die Rohrschlange K ein und verläßt diese nach Abgabe der Verdanipfungswärme mit -1- 7 ° C. Das ini Verdampfer A verdampfte Kältemittel verläßt den Verdampfer durch eine Rohrverzweigung, wobei der eine Teil des dampfförmigen Kältemittels unmittelbar dem Absorber B und der andere abgezweigte Teil des dampfförmigen Kältemittels dein Kocher-Absorber C zuströmt. Der Kältemitteldampf hat dabei eine Temperatur von 3,6' C. Der dein Absorber -zuströmende Kältemitteldarnpf tritt durch den unteren Stutzen a in den mit Ringkörpern gefüllten Raum zwischen den Rohren des Absorbers ein und wird von der durch einen oder mehrere Stutzen b von oben einströmenden, vorn Kocher .Absorber kolninenden Lösung (-f- 57J C) absorbiert. Die Absorptionswärme wird dabei all das Kühlwasser abgegeben, das durch" den unteren Stutzen c in den Absorber eintritt und diesen durch den oberen Stutzen d verläßt. Das Kühlwasser, z. B. Flußwasser, tritt dabei mit 2o° C in den Absorber ein und verläßt diesen nach Aufnahme der Absorptionswärme mit einer Temperatur von --f- 4o° C. Die durch die Absorption gewonnene reiche Lösung verläßt den Absorber durch den stutzen e über die Lösungspumpe G und den Temperaturwechsler F, in dein sie mit der vom Kocher 1_) kommenden heißen armen Lösung in Wärmeaustausch stellt, und stri«)illt durch den unteren Stutzen j in den Kocher-Absorber C ein. In deine Temperaturwechsler F wird die reiche Lösung, die den Absorber B mit = 25° C verläßt, auf eine Temperatur von -- 54'' C 'gebracht. Die entsprechenden Temperaturen der von dem Kocher J) kommenden armen Lösung sind vor dein Temperaturwechsler -1- i.Io° C und nach dein Temperaturwechsler -;- 10313 C. Der mit -;- 54- C in den Kocher-Absorber C einströnienden Lösung strömt die vom Kocher 1) kommende heiße arme Lösung, deren Temperatur im Temperaturwechsler von -;- ido° C auf '-, 103'' C abgenommen bat, über das Regelventil .l durch den Stutzen g des Kocher-Absorbers im Gegenstrom entgegen. Hierbei wird die reiche Lösung teilweise entgast, wobei das gasförmige Kältemittel den Kocher-Absorber durch den Stutzen la v erläßt, während die durch die Absorptionswäriiie entgaste, im hoclier-Absorber ärmer gewordene Lösung den Kocher-Absorber durch den Stutzen i verläßt und dein 1locher D ziiströmt. Der durch den Stutzen g des Kocher-Absorbers eintretenden, vom Kocher kommenden armen Lösung strömt andererseits das vom Verdampfer A kommende gasförmige I#,-älteniittel (Teilstrom) durch den unteren Stutzen i- entgegen. Dagegen verläßt die durch die Absorption im Koclier-Absorlier angereicherte Lösung den Kocher-Absorber durch den Stutzen k und tritt, wie bereits erwä hllt, mit -f- 57° C in den Absorber ein. Die ini Kocher .Absorber durch den Stutzen i mit -',- 82-'C austretende teilweise entgaste Lösung strömt durch einen oder mehrere Stutzen Z in den Kocher D ein, in der sie unter Einwirkung des Heizmediums, z. B. Heil.lwassers, vollkommen entgast wird. Das Heil.;-wasser tritt in den unteren Stutzen in des Kochers mit 15o° C ein und verläßt den Kocher .nach Abgabe seiner I3eizwä rine finit -}- ioo= C durch den oberen Stutzen x.. Das im KocherD, frei werdende gasförmige Kältemittel verläßt den Kocher durch den Stutzen o, der zweckmäßig oben an dein Kocher angebracht ist, und strömt vereinigt finit dein voni Kocher-Absorber kommenden gasförmigen Kältemittel dem Kondensator E zu. Die iui Kocher durch die Entgasung gewonnene arme Lösung verläßt den Kocher durch den Stutzen p mit einer Temperatur von -;- iq.o° C in Richtung auf den zuvor beschriebenen Temperaturwechsler F. Im Kondensator E wird das vom Kocher-Absorber und Kocher kommende gasförmige Kältemittel unter Einwirkung von Kühlwasser verflüssigt und strömt durch die Rohrleitung und das Regelventil I1 wieder dem Verdampfer A zu, wobei sich der Kreislauf wieder schließt. Das zur Verflüssigung des Kältemittels im Kondensator E dienende Kühlwasser strömt in die Rohrleitung L mit +. -o° C ein und verläßt diese nach Aufnahme der Kondensationswärme mit -E-. a5° C.
• Die Vorteile, die der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher für den Kocher-Absorber, den Kocher und Absorber in der beschriebenen Anlage bringt, geht am deutlichsten hervor, wenn man die beschriebene Anlage mit dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit einer Anlage vergleicht, die lediglich mit dem bekannten Temperaturwechsler ausgerüstet ist und bei der ein Kocher und ein Absorber der bekannten Art (Röhrenkessel) verwendet wird.
• Im folgenden wird eine Aufstellung der Verbrauchsdaten der bekannten und der neuen Anlage gegeben, aus der die Abnahme der abzuführenden Absorptionswärme sowie die Abnahme der aufzuwendenden Heizleistung klar ins Auge fällt:

  Bisherige Anlage Anlage mit dem

  mit Temperatur- erfindungsgemäßen

  Wechsler Wärmeaustauscher

  Verdampfer-Nutzleistung (kcal/kg NH3) . . . . . . . . . . . . . . 264 264

  Heizleistung (kcal/kg NH3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 215

  Heißwasserverbrauch bei einer Anfangstemperatur von

  -,- 150c 'C (kg H" O; kg N H3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37,5. 4,3

  bei + 155° C

  Abzuführende Kondensationswärme (kcal/kg N H") ..... 276 276

  Abzuführende Absorptionswärme (kcal/kg NHS) . . . . . . . . 349 189

  Wärmeverhältnis Nutzleistung . . . . , . . . . . . . . . , . , 0,756 1,23

  zugeführte Wärme

  Aus diesem Vergleich der Verbrauchsdaten für die alte und neue Anlage geht klar hervor, daß man bei Einhaltung der gleichen Verdampfungs- und Kondensationsbedingungen höhere Heizmittel- bzw. tiefere Kühlmittelternperaturen bei der bisher üblichen Anlage benötigt oder, falls dies nicht möglich ist, mit einem schlechterenWirkungsgrad der Gesamtanlage bei der bisherigen Ausführung arbeiten muß, da in diesem Falle die Entgasungsbr eite, d. h. die Differenz zwischen der reichen und der ,armen Lösung, eingeengt ist. Der Vergleich der beiden Anlagen zeigt weiterhin, däß nicht nur eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades (im vorliegenden Beispiel um 63 °/o) durch die erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher möglich ist, sondern daß sich hierüber hinaus eine erhebliche Ersparnis an Kühlwasser ergibt.
• Der Apparat nach der Erfindung kann auch als einfacher Wärmeaustauscher ohne Gasanschluß, z. B. als Vergüssiger oder Verdampfer in Kältemaschinen, verwendet werden. Die Vorteile der platzsparenden Bauform und des guten Wärmeübergangs kommen auch hierbei voll zur Geltung.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Wärmeaustauscher, insbesondere für den Kocher-Absorber,. Kocher und Absorber von Absorptionskältemaschinen, bestehend aus einem Mantel, Rohrböden und zwischen diesen liegenden Rohren, wobei der Raum für die absorbierende arme Lösung (Kocher-Absorber, Absorber) bzw. für die zu entgasende reiche Lösung (Kocher) zwischen dem Mantel, den Rohrböden und den Rohren mit Füllkörpern in Form von Blechringen ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper untereinander und mit den Rohrwandungen durch gemeinsames Feuerverzinken oder ähnliche Metallüberzüge gut wärmeleitend verbunden sind. -°