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Kontaktkühler für Gase und Dämpfe, insbesondere zur Herstellung von Schnee
Die Erfindung betrifft einen Kontaktkühler für Gase und Dämpfe, insbesondere zur Herstellung von Schnee, bei dem das Gas oder der Dampf unter Druck, insbesondere Pressluft, mit der Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in einem Mischraum in unmittelbaren Kontakt gebracht wird.
Es ist bekannt, dass durch Kühlung die Kompressionsarbeit herabgesetzt wird und dass der Wirkungsgrad der Kühlung umso grösser ist, je geringer die Druckverluste sind. Die von diesem Gesichtspunkt aus sehr vorteilhafte bekannte Einspritzung von Flüssigkeiten, z. B. Wasser in den Zylinder von Kolbenverdichtern weist jedoch mehrere Nachteile auf, vor allem bedeutenden Verschleiss von Zylinder und Kolben und die Gefahr von Wasserstössen, die zur Verwendung von langsam laufenden Kompressoren nötigt.
Bekannt sind auch Ausführungen von Kontaktkühlern, bei denen das Gas mit der Flüssigkeit in unmittelbaren Kontakt dadurch gebracht wird, dass sie mit einer berieselten Schicht von Füllkörpern in Form von Raschigringen, Zerstäubungsdüsen oder mit Schaumregime arbeiten, wobei das Gas einen gelochten, mit der Flüssigkeit überfluteten Boden aufsteigend durchströmt, so dass sich eine turbulente Schicht mit intensivem Wärmeübergang ausbildet. Diese Kontaktkühler weisen jedoch einen bedeutenden Flüssigkeitsverbrauch auf, wodurch die Betriebskosten heraufgesetzt werden. Auch ist der verbaute Raum sehr gross.
Ziel der Erfindung ist nun ein Kontaktkühler für Gase und Dämpfe, der die erwähnten Nachteile bekannter Ausführungen weitestgehend vermeidet und eine hohe Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit aufweist.
Erreicht wird dies erfindungsgemäss dadurch, dass der Mischraum in einem Venturirohr oder einer Düse angeordnet ist, deren sich verjüngender gekrümmter Anlaufteil von den verlängerten Oberflächenlinien eines Kegelkörpers geschnitten wird, mit dem die Mündung der an der Flüssigkeitszuleitung aufgesetzten Zerstäubungsdüse versehen ist und dass die Spitze des mit der Düse gleichachsigen Kegelkörpers in das Innere der Düse gerichtet ist. Bei Kontaktkühlern, die insbesondere zur Kühlung verdichteter Gase oder Dämpfe bei mehrstufiger Verdichtung dienen, kann nach einem Merkmal der Erfindung das Venturirohr oder die Düse zwischen der Druckleitung einer Stufe und der Saugleitung der nachfolgenden Stufe eingesetzt werden.
Ein Merkmal des erfindungsgemässen Kontaktkühlers, der insbesondere zur Herstellung von Schnee dient, besteht darin, dass das Venturirohr oder die Düse ins Freie ausmündet. Die Innenwand der Düse weist vorzugsweise eine Form auf, die auf den Rückwurf des Wassers aus dem Körper ins Freie berechnet ist. Bei einem Kontaktkühler, der ebenfalls zur Herstellung von Schnee dient, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an einem Gehäuse der Zerstäubungsdüse eine Düse angeordnet sein, die an der Luftzuleitung angeschlossen ist und ihr gegenüber eine zweite, ins Freie mündende Düse vorgesehen ist.
Schliesslich ist im Rahmen der Erfindung auch noch vorgesehen, dass die Zerstäubungsdüse mit dem im Luftkühler erwärmten Kühlwasser gespeist wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert. In diesen zeigt Fig. 1 ein Schema eines Kontaktkühlers bei Verwendung eines Venturirohres, Fig. 2 ein Schema bei Verwendung einer Düse, Fig. 3 ein Detail der Zerstäubungseinrichtung, Fig. 4 ein Schema der Gesamtanordnung des Kontaktkühlers, Fig. 5 einen Kontaktkühler zur Erzeugung von Schnee und Fig. 6 einen Kontaktkühler mit gegenseitig vertauschbaren Düsen zur Herstellung von Schnee.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist in die Rohrleitung zwischen den Stufen eines Kompressors, die in Pfeilrichtung vom komprimierten Medium, Gas oder Dampf, durchflossen wird, ein
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--1-- eingebaut, inVerjüngung ist ein zylindrischer Teil --4-- angeordnet, dessen Länge dem Durchmesser an der Stelle dem dieser Verjüngung gleich ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist in der Rohrleitung --3-- zwischen den einzelnen Kompressorstufen eine Düse --1'-- eingebaut, deren engster zylindrischer Teil --4-- unmittelbar in die Rohrleitung --3-- ausmündet, die mit vollem ursprünglichem Durchmesser am Düsenkörper angeflanscht ist. In den inneren Durchflussraum des Venturirohres-l-oder der Düse --1'-mündet eine Zerstäubungsdüse-5--in einer Zuleitung --6-- der Flüssigkeit. Der Endteil dieser Zuleitung-6-ist in der Strömungsrichtung gleichachsig mit der Längsachse des Venturirohres - l-oder der Düse --1'--, sowie mit der Längsachse der Rohrleitung --3-- orientiert.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Zerstäubungsdüse --5-- dargestellt, die aus einem Kegelkörper-7-und dem ihm entsprechenden Rohrteil besteht. Der Kegelkörper-7-ist mit seiner Spitze in einem Halter --8-- in der Zuleitung --6-- befestigt und lässt mit dem entsprechenden Rohrteil einen kreisringförmigen Durchflussquerschnitt für die Flüssigkeit frei. Die Zerstäubungsdüse--5--ist auf der Zuleitung --6-- so aufgesetzt, dass die verlängerten Oberflächenlinien des Kegelkörpers --7-- den gekrümmten, sich verjüngenden Anlaufteil des
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einer Pumpe --12-- aus einem Behälter-19-gefördert wird, in den sie von einer Speiseleitung - eingespeist wird.
Die Rohrleitung hinter dem Venturirohr --1-- oder der Düse --1'-mündet in den unteren Teil eines Flüssigkeitsabscheiders-13--, an dessen oberen Teil eine Saugleitung--14--einer weiteren Kompressorstufe --15-- angeschlossen ist. Am unteren Teil des Flüssigkeitsabscheiders -13-- ist auch eine Ableitung -18- der Flüssigkeit angeschlossen. Bei mehrstufiger Kompression kann auch in eine Druckleitung --16-- der weiteren Kompressorstufe - 15-und auch der weiteren Stufe jeweils ein Venturirohr --1-- oder eine Düse --1'-- in der beschriebenen Ausführung eingesetzt werden.
Bei der Tätigkeit des Kontaktfühlers kommt es zu einem intensiven Kontakt des Gases oder Dampfes mit der Flüssigkeit teils nach deren Zerstäubung durch die Zerstäubungsdüse --5--, teils nach Rückwurf der Tropfen von der Wand des gekrümmten, sich verjüngenden Anlaufteiles des Venturirohres --1--, und dadurch wird das Gas stark gekühlt. Dieser Effekt ist vor allem auf die doppelte Zerstäubung zurückzuführen, da auch am gekrümmten, sich verjüngenden Anlaufteil des Venturirohres--l--oder der Düse --1'-- eine weitere Zerkleinerung der Tropfen stattfindet. Die Tropfen werden dann in den zylindrischen Teil des Venturirohres-l-oder der Düse zurückgeworfen, und gelangen in den Querschnitt mit maximaler Verjüngung und daher auch maximaler Durchflussgeschwindigkeit.
Bei diesem doppelten stossweisen Kontakt der Flüssigkeit mit dem Gas oder Dampf wird ein sehr geringes Temperaturgefälle erzielt, d. h. eine geringe Temperaturdifferenz zwischen dem austretenden Dampf oder Gas und der aus dem unteren Teil des Flüssigkeitsabscheiders --13-abgeleiteten Flüssigkeit. Zur Herabsetzung des Wärmegefälles trägt auch der Flüssigkeitsabscheider --13-- bei, da es in ihm zu einem weiteren intensiven Kontakt des Dampfes oder Gases mit den abgeschiedenen Tropfen kommt. Der Flüssigkeitsabscheider wirkt in diesem Fall also gleichzeitig als weiterer Kontaktwärmetauscher. Unter optimalen Bedingungen der Funktion der Gesamtanordnung lässt sich ein Temperaturgefälle von 0, 5 C erzielen.
Beim Versuchsbetrieb eines mit einem Venturirohr --1-- versehenen Kontaktkühlers wurde in einem Falle bei einem Gewichtsmengenverhältnis der Flüssigkeit zum Gas von 0, 396 kg/kg ein
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Temperaturgefälle von 4, 1 C zwischen dem austretenden Gas und der aus dem Flüssigkeitsabscheider - austretenden Flüssigkeit erzielt, in einem andern Fall, bei einem Gewichtsmengenverhältnis von 0, 533 kg/kg war das Temperaturgefälle 0, 8 C und in einem dritten Fall, bei einem Gewichtsmengenverhältnis von 0, 586 kg/kg, wurde ein Temperaturgefälle von 0, 6 C erreicht. Der
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Die Dauerdruckverluste des eigentlichen Kontaktkühlers sind sehr gering, wobei von diesem Standpunkt aus am günstigsten das Venturirohr --1-- erscheint, bei dem es im Diffusor --2-- zu einer Rückumsetzung der kinetischen Energie der strömenden Dämpfe oder Gase in Potentialenergie kommt. Die Verluste sind sowohl bei der kurzen als auch bei der langen Ausführung des Venturirohres - -1-- dieselben.
Die Tropfen der eingespritzten Kühlflüssigkeit, die von der Wand zurückgeworfen werden und in den Strom des gekühlten Gases oder Dampfes zurückkehren, müssen beschleunigt werden, damit sie in einem kurzen Zeitintervall die Geschwindigkeit des Stromes des gekühlten Gases oder Dampfes erreichen. Die Energie zur Beschleunigung dieser zurückgeworfenen Flüssigkeitstropfen wird auf Kosten des Stromes des gekühlten Gases oder Dampfes gewonnen, wodurch die Dauerdruckverluste in Abhängigkeit von der Menge der zugeführten Flüssigkeit ansteigen. Falls dann mit ansteigender Menge der zugeführten Flüssigkeit bei konstanter Durchflussmenge des Gases oder Dampfes die Dauerdruckverluste nicht ansteigen, ist das Kriterium erreicht, durch das die Parameter des optimalen Betriebes des Kontaktkühlers bestimmt sind.
Dasselbe Prinzip der Flüssigkeitszerstäubung lässt sich auch zur Erzeugung von künstlichem Schnee
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In der in Fig. 5 dargestellten Ausführung ist die äussere Düse --1'-- an einer Luftzuleitung --23-- angesetzt. Die Zuleitung --6-- der Flüssigkeit mündet in der inneren Düse mit eingelegtem Kegelkörper-7-aus. Das in Richtung des Pfeiles-C--in der Zuleitung --6-- der Flüssigkeit strömende Wasser wird durch den Kegelkörper--7--gegen die Innenwand --25-- der äusseren Düse --1'-- gerichtet, wo es durch Aufprall intensiv zerstäubt und in Richtung des Pfeiles--A-- durch die in Richtung des Pfeiles--B--zugeführte Druckluft ins Freie in Richtung des Pfeiles - mitgerissen wird.
Es kommt demnach zu einer doppelten Zerstäubung des Wassers, das gewöhnlich mit etwas höherem Druck als die Luft zugeführt wird. Das Druckwasser vermischt sich mit der expandierenden Druckluft und wird erstens dank der eigenen Energie und der Energie der
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Metern herausgeschleudert werden, sich beim Durchfluss durch die Umgebungsluft mit geringer Temperatur und geringer relativer Luftfeuchtigkeit abkühlen, so dass sie in Form von Schnee zur Erde fallen. Die Innenwand--25--der äusseren Düse --1'-- kann zweckmässig so ausgestaltet werden, dass die einfallenden Wassertropfen nach dem bekannten Reflexionsgesetz abprallen und nach aussen ins Freie geschleudert werden.
Der Kontaktkühler kann auch mit einer zweiten Düse --1"- nach Fig. 6 versehen werden, die gegenüber der ursprünglichen äusseren Düse --1'-- am Gehäuse --24-- angeordnet wird. Dann wird die Druckluft in Richtung des Pfeiles-B--, also umgekehrt als im ersten Fall, gegen den in
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Wassertropfen treten durch die Douse in Richtung des Pfeiles--A--aus. Diese Ausführung hat sich als besonders vorteilhaft bei niedrigeren Temperaturen erwiesen, wobei durch die Konstruktion ein rascher Übergang vom Betrieb mit einer Düse --1'-- auf den Betrieb mit der ursprünglichen Düse und einer zweiten Düse --1"-- möglich ist. Die Düsen können gegenseitig vertauschbar sein.
Im Vergleich zu den bekannten, eine bedeutende Leistungsaufnahme bei geringem Schneeaustrag aufweisenden Lösungen, die zur Heraufsetzung der Turbulenz bei der Vermischung von Luft und Wasser verschiedene Einlagen, schraubenförmige u. ähnl. Flächen im Mischraum verwenden, ist die erfindungsgemässe Ausführung bei einfacherer Konstruktion viel wirksamer.
Die äussere Düse--l'--, durch die das zerstäubte Wasser ins Freie tritt, wird mit Vorzug aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als derjenigen von Metallen, z. B. aus Kunststoffen hergestellt. Dadurch wird in hohem Grade einem zum Einfrieren der Düse führenden Ansetzen von Eis vorgebeugt.
Diese Massnahme weist gegen bekannte und zum erwähnten Zweck ausgeführte Verfahren und
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Vorrichtungen vor allem den Vorzug grosser Einfachheit auf, kann mit ihnen jedoch erforderlichenfalls kombiniert werden. Bekannt ist es z. B. die Düsen mit einer elektrischen oder andern zusätzlichen Heizung zu versehen. Bekannt ist auch die Verwendung von erwärmtem Wasser aus einem Wärmetauscher eines der Glieder der zum Kontaktkühler gehörigen Maschineneinrichtung.
PATENTANSPRÜCHE :
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Mischraum in einem Venturirohr (1) oder einer Düse (1') angeordnet ist, deren sich verjüngender, gekrümmter Anlaufteil von den verlängerten Oberflächenlinien eines Kegelkörpers (7) geschnitten wird, mit dem die Mündung der an der Flüssigkeitszuleitung (6) aufgesetzten Zerstäubungsdüse (5) versehen ist, und dass die Spitze des mit der Düse gleichachsigen Kegelkörpers (7) in das Innere der Düse gerichtet ist.
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