Vorrichtung zum Vorkühlen eines Gases und Ausfrieren von Verunreinigungen aus diesem Gas Es ist bekannt, eine Anlage zum Kondensieren und/oder Rektifizieren eines Gases mit einem Wärme- austauscher zu versehen, in welchem die im Gas vor handenen Verunreinigungen ausgefroren werden kön nen.
Ein solcher Wärmeaustauscher besitzt einen mit Ansätzen versehenen Träger, der sich von der warmen Seite des Wärmeaustauschers, wo das Gas zugeführt wird, bis zur kalten Seite, wo es abgeführt wird, erstreckt, während wenigstens ein Teil der im Gas vorhandenen Verunreinigungen auf den An sätzen ausgefroren wird und wenigstens ein Teil der im Wärmeaustauscher dem Gas entzogenen Wärme über den Träger einer zur Anlage gehörenden Kälte quelle zugeführt wird, der Wärme von einer Kaltgas- Kühlmaschine entzogen wird.
Unter einer Kaltgas-Kühlmaschine soll hier eine sogenannte, nach dem umgekehrten Heissgaskolben- motorprinzip arbeitende Kühlmaschine verstanden werden. Bekanntlich können solche Kühlmaschinen auf verschiedene Weise ausgebildet sein, z. B. als Verdrängermaschine, als Maschine mit auf beiden Seiten des Kolbens vorhandenen Arbeitsräumen, als Maschine, bei der zwei Zylinder einen Winkel mit einander einschliessen, oder als Maschine, deren Ar beitsraum mit dem eines Heissgas-Kolbenmotors kom biniert ist.
Die Kaltgas-Kühlmaschine kann der Kältequelle die Wärme entweder direkt oder indirekt entziehen. Es ist z. B. möglich, dass der Träger des Wärmeaus- tauschers metallisch mit der Wand der Kaltgas-Kühl- maschine in Berührung steht. Es ist auch möglich, dass Wärme über ein diese übertragendes Zwischen medium dem Träger entzogen wird.
Wenn bei der vorstehend geschilderten Anlage nach einer gewissen Zeit der Wärmeaustauscher mit den aus dem Gas ausgefrorenen Verunreinigungen ganz oder teilweise gefüllt ist, so dass die Durchström- kanäle im Wärmeaustauscher einen zu grossen Wider stand aufweisen oder sogar ganz verstopft sind, muss die Kühlmaschine angehalten und das Eis durch Er hitzung des Wärmeaustauschers entfernt werden.
Dies hat den Nachteil, dass sowohl die Anwärmezeit des Wärmeaustauschers als auch die erneute Inbetrieb nahme der Kühlmaschine eine gewisse Zeit bean spruchen, wodurch die Leistung der Anlage reduziert wird.
Die Vorrichtung nach der Erfindung bezweckt, die Zeit, während der die Anlage wegen der nötigen Reinigung des Wärmeaustauschers nicht produzieren kann, zu verringern oder sogar ganz zu vermeiden.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmeaustauscher, der sich im Wechsel mit dem ersten Wärmeaustauscher an die Kältequelle an schliessen lässt.
Es sei bemerkt, dass es bekannt ist, eine Anlage mit rekuperativen Wärmeaustauschern zu versehen, die periodisch umgeschaltet werden können. Diese Wärmeaustauscher sind jedoch ganz anderer Art als die vorstehend beschriebenen, da sie keinen an eine Kältequelle angeschlossenen Träger zur Wärmeent nahme besitzen, so dass bei diesen bekannten Wärme- austauschern die Wärmeableitung anders ist als bei der vorliegenden Anlage.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungs beispiele näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine Anlage zum Kondensieren eines Gases mit einer Kaltgas-Kühlmaschine, bei wel cher der Wärmeaustauscher von der Kühlmaschine entfernt werden kann.
Die Fig. 2 zeigt eine Anlage zum Rektifizieren, bei der das Kochgefäss einer Gastrennkolonne mit mehreren Wärmeaustauschern versehen ist, und die Fig. 3 zeigt eine Anlage mit zwei Wärmeaus- tauschern, die der Reihe nach an eine Kaltgas-Kühl- maschine angeschlossen werden können.
Die Anlage nach Fig. 1 weist eine als Verdränger- maschine ausgebildete Kaltgas-Kühlmaschine auf. Diese Maschine hat einen Zylinder 1, in welchem sich ein Verdränger 2 und ein Kolben 3 mit konstantem Phasenunterschied auf- und abwärts bewegen können. Der Verdränger 2 ist dazu über eine Triebstange 4 mit einer Kurbelwelle 5 verbunden, während der Kol ben 3 über Triebstangen 6 auch mit derselben Kurbel welle 5 verbunden ist. Die Kühlmaschine wird von einem Elektromotor 7 angetrieben.
Der Verdränger 2 beeinflusst mit seiner obern Fläche das Volumen eines Raumes 8, des sogenann ten Expansionsraumes, der über einen Wärmeaus- tauscher 9 zur Zufuhr von Wärme an das Arbeits- mitttel, einen Regenerator 10 und einen Kühler 11 mit einem Raum 12, dem gekühlten Raum oder Kom pressionsraum in Verbindung steht, dessen Volumen sowohl von der untern Fläche des Verdrängers 2 als auch von der obern Fläche des Kolbens 3 beeinflusst wird. Die den Expansionsraum 8 begrenzende Wand 13 weist einen Ansatz 14 auf,
der mit einer koni schen Passfläche 15 versehen ist. Auf diesen An satz 14 ist der Träger 16 eines Wärmeaustauschers 17, der eine entsprechende konische Passfläche besitzt, aufgeschoben.
Der Träger 16 ist mit ringplattenförmigen An sätzen 18 versehen, die Löcher 19 aufweisen. Die Löcher 19 sind in den aufeinanderfolgenden Ansätzen 18 gegeneinander versetzt. Der Wänneaustauscher 17 ist von einer Wand 20 aus wärmeisolierendem Ma terial umgeben, deren unteres Ende einen Konden sationsraum 21 abschliesst, in welchem sich die Rip pen 22 des Wärmeaustauschers 9 befinden. Der Kon densationsraum 21 hat einen Ringkanal 23, an den eine Abflussleitung 24 mit einem Siphon 25 ange schlossen ist.
Die Anlage arbeitet folgendermassen: Infolge der Wärmeübertragung zwischen dem Trä ger 16 und dem Ansatz 14 wird Wärme vom Wärme- austauscher 17 zum von der Kaltgas-Kühlmaschine ge kühlten Ansatz 14, der also hier als Kältequelle dient, geleitet. Der Träger 16 ist derart bemessen und be steht aus einem solchen Material, dass im Betrieb die aufeinanderfolgenden Ansätze 18, von der obern Seite her, eine allmählich niedrigere Temperatur an nehmen. Der Temperaturunterschied zwischen zwei benachbarten Ansätzen 18 beträgt vorzugsweise nicht mehr als 20 , z. B. 10 . Der Träger 16 selbst kann als Rohr oder als Stab ausgebildet sein.
Das in der Anlage zu kondensierende Gas, das ein reines Gas oder ein Gasgemisch, z. B. Luft, sein kann, strömt aus den weiter hinten beschriebenen Gründen von oben in den Wärmeaustauscher 17. Diese Luft strömt durch die gegeneinander versetz ten Löcher 19 der einzelnen Ansätze 18, mit denen sie daher in intensive Berührung kommt. Infolge dessen werden die in der Luft vorhandenen Verun- reinigungen, z. B. Wasserdampf und Kohlensäure, an den Ansätzen 18 ausgefroren. Die auf diese Weise gereinigte Luft gelangt in den Kondensationsraum 21 und kondensiert an den Rippen 22 des Wärmeaus- tauschers 9.
Das Kondensat wird im Ringkanal 23 gesammelt und verlässt die Anlage durch die Lei tung 24, die durch den Siphon 25 abgeschlossen ist. Durch die Saugwirkung im Siphon 25 und die nied rige Temperatur im Kondensationsraum 21 wird die Luft durch die Löcher 19 im Wärmeaustauscher 17 angesaugt.
Nach einer gewissen Betriebszeit füllen sich die Räume zwischen den Ansätzen 18 mit Eis an, so dass der Wärmeaustauscher 17 verstopft werden kann.
Man könnte nun die Kaltgas-Kühlmaschine an halten und den Wärmeaustauscher 17 erwärmen, um das Eis wieder zu entfernen. Dies hätte jedoch zur Folge, dass die Anlage während einer gewissen Zeit nicht arbeitet. Bei der vorstehend beschriebenen Anlage kann der Wärmeaustauscher 17 vollständig von der Kühlmaschine abgenommen und durch einen zweiten, betriebsbereiten Wärmeaustauscher ersetzt werden, so dass die Kühlmaschine nicht ausser Be trieb gesetzt zu werden braucht; die Reinigung des verstopften Wärmeaustauschers kann vorgenommen werden, während der zweite in Betrieb ist.
Bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungs formen der Erfindung wird der Wärmeaustauscher durch ein die Wärme übertragendes Zwischenmedium mit der Kältequelle in thermische Berührung gebracht.
Dadurch wird es möglich, die Anlage mit minde stens zwei Wärmeaustauschern zu versehen, die ab wechslungsweise von dem zu kühlenden Gas durch strömt werden und dementsprechend abwechselnd durch das Zwischenmedium mit der Kältequelle in Berührung gebracht werden können.
Bei einer Anlage mit zwei Wärmeaustauschern könnte auch einem Wärmeaustauscher die Wärme un mittelbar durch eine Kaltgas-Kühlmaschine und dem andern mittels eines die Wärme übertragenden Zwi schenmediums entzogen werden.
Die in Fig.2 dargestellte Anlage ist eine Gas trennanlage. Sie besitzt eine Gastrennkolonne 30 mit einem Kochgefäss 31. Dieses Kochgefäss 31 hat einen Boden 32 aus einem die Wärme gut leitenden Ma terial, z. B. aus Kupfer. An der Unterseite dieses Bo dens 32 sind an zwei Stellen Ansätze 33 und 34 angebracht, die sich im Räumen 35 bzw. 36 befinden. Diese Räume 35, 36 haben je einen Boden 37 bzw. 38, die je auch aus Material mit guter Wärmeleit fähigkeit bestehen, die an ihrer Oberseite mit An sätzen 39 bzw. 40 versehen sind.
An jedem der beiden Böden 37 und 38 ist ein Träger 41 bzw. 42 angebracht, die dem Träger 16 des Wärmeaustau- schers 17 nach der Fig. 1 entsprechen. Der Träger 41 bzw. 42 ist mit plattenförmigen Ansätzen 47 bzw. 48 versehen und bildet mit diesen einen Wärme- austauscher 43 bzw. 44, welcher eine Zuführungs öffnung 45 bzw. 46 hat. Die Wärmeaustauscher 43 und 44 haben je eine Ausgangsleitung 49 bzw. 50, die beide in die Ko lonne 30 münden.
Diese Leitungen 49 und 50 haben eine Anzapfung 51 bzw. 52, die mittels eines Drei weghahns 53 bzw. 54 geöffnet und geschlossen wer den können.
An die Räume 35 und 36 sind je zwei Leitungen 55 und 57 bzw. 56 und 58 angeschlossen. Die Lei tungen 55 und 56 haben einen Abschlusshahn 59 bzw. 60, während die Leitungen 57 und 58 an einen Drei weghahn 61 angeschlossen sind, durch den sie mit einer Leitung 62 verbunden werden können. Das obere Ende der Kolonne 30 ist über eine Leitung 63 mit einer Kaltgas-Kühlmaschine 64 verbunden. Von dieser Kühlmaschine 64 führt eine weitere Leitung 65 für die Zufuhr von Rückflusskondensat zur Kolonne 30. Die Kühlmaschine 64 weist im weiteren eine Abflussleitung 66 mit einem Siphon 67 auf.
Die Wirkungsweise dieser Anlage ist folgende: Bei der in der Fig. 2 dargestellten Stellung der Drei weghähne 53, 54 und 61 und bei geschlossenem bzw. offenem Abschlusshahn 59 bzw. 60 ist der Wärmeaustauscher 43 im Betrieb, während der Wärmeaustauscher 44 ausser Betrieb ist. Das zu tren nende Gasgemisch, z. B. Luft, wird durch die Zu führungsöffnung 45 dem Wärmeaustauscher 43 zu geführt. Hier werden die Verunreinigungen aus der Luft durch Ausfrieren entfernt. Die Verunreinigun gen lagern sich an den plattenförmigen Ansätzen 47 ab, wobei die Wärme von diesen Ansätzen 47 über den Träger 41 auf die weiter hinten beschriebene Art und Weise abgeführt wird.
Die von Verunreini gungen befreite Luft wird durch die Leitung 49 der Kolonne 30 zugeführt, wo sie in Fraktionen ge trennt wird, wobei im Kochgefäss 31 flüssiger Sauer stoff gesammelt wird, der teilweise durch die Lei tung 68 abgeführt und teilweise durch die durch den Boden 32 zugeführte Wärme wieder verdampft wird. Oben aus der Kolonne 30 entströmt durch die Lei tung 63 gasförmiger Stickstoff. Dieser wird von der Kaltgas-Kühlmaschine 64 kondensiert, worauf ein Teil des Kondensats durch die Leitung 65 als Rück flusskondensat der Kolonne 30 wieder zugeführt, und der andere Teil des Kondensats durch die Leitung 66 mit dem Siphon 67 aus der Anlage abgeführt wird.
Der Siphon 67 sorgt dafür, dass in der Kolonne 30 ein hinreichend grosser Unterdruck aufrechterhalten wird, um die Luft durch den Wärmeaustauscher 43 hindurchzusaugen. Im Raum 35 befindet sich ein die Wärme übertragendes Zwischenmedium, z. B. Luft, unter einem Druck von etwa 4 Atmosphären, die also teilweise als Gas und teilweise als Flüssig keit vorhanden ist. Diese Flüssigkeit in diesem Raum 35 verdampft infolge der vom Träger 41 durch den Boden 37 zugeführten Wärme, die an die Ansätze 39 und von dort auf die Flüssigkeit übertragen wird. Die verdampfte Flüssigkeit kondensiert wieder an den Rippen 33 und am Boden 32 des Kochgefässes 31 der Kolonne 30.
Auf diese Weise wird die der Luft entzogene Wärme auf den Sauerstoff im Kochgefäss 31 übertragen, der infolgedessen teilweise verdampft, wobei das Kochgefäss 31 die Kältequelle für den Träger 41 ist.
Während nun der Wärmeaustauscher 43 im Be trieb ist, kann der Wärmeaustauscher 44, der vorher im Betrieb war und mit Eis bzw. Verunreinigungen verstopft wurde, erwärmt werden. Zunächst lässt man die Flüssigkeit aus dem Raum 36 ausfliessen, so dass praktisch keine Wärmeübertragung zwischen dem Boden 38 des Raumes 36 und dem Boden 32 des Kochgefässes 31 stattfindet.
Weiter wird der Dreiweghahn 54 derart einge stellt, dass über den betreffenden Leitungsteil der Leitung 50 eine Verbindung zwischen dem Wärme- austauscher 44 und der Anzapfung 52 hergestellt ist, während der andere Leitungsteil der Leitung 50 zur Kolonne 30 abgeschlossen ist. Darauf wird warme Luft durch die Leitung 52 in den Wärmeaustauscher 44 eingeblasen, wodurch das Eis in diesem schmilzt oder verdampft.
Ist der Wärmeaustauscher 43 nach einer gewissen Zeit mit Eis angefüllt, so kann als Zwischenmedium dienende Luft durch die Leitungen 62 und 58, bei entsprechender Stellung des Dreiweghahnes 61 und geschlossenem Abschlusshahn 60, in den Raum 36 eingepresst werden. Um den Raum 36 mit Druck luft zu füllen, kann die Kaltgas-Kühlmaschine mit einem nicht dargestellten kleinen Kompressor oder einem Druckgefäss versehen sein.
Die Hähne 53 und 54 werden dann so eingestellt, dass der Wärmeaus- tauscher 43 von der Kolonne 30 abgeschaltet und der Wärmeaustauscher 44 an die Kolonne 30 angeschlossen ist. Dann wird Luft durch den Wärmeaustauscher 44 angesaugt. Ausserdem soll der Hahn 59 geöffnet werden, so dass der Druck im Raum 35 auf den atmosphärischen Druck absinkt, wodurch der Wärmekontakt zwischen dem Kocher 31 und dem Träger 41 unterbrochen ist.
Der Wärme- austauscher 43 kann dann so gereinigt werden, wie es vorstehend für den Wärmeaustauscher 44 beschrie ben ist.
Die Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Die in dieser Figur dargestellte Anlage weist eine in der Zeichnung schematisch dargestellte Kaltgaskühlmaschine 70 auf. Diese Kühlmaschine 70 hat zwei Kondensationsräume 71 und 72; in beiden Räumen 71, 72 kann ein Medium an Gefriererrippen 73 resp. 74 abgekühlt werden.
Die Anlage hat weiter zwei Wärmeaustauscher 75 und 76, die den vorstehend beschriebenen Wärme- austauschern entsprechen. Jeder der beiden Wärme- austauscher 75 und 76 hat einen Träger 77 bzw. 78, der mit durchlochten Ansätzen 79 bzw. 80 versehen ist.
Unterhalb jedes Wärmeaustauschers 75, 76. be findet sich eint Raum 81 bzw. 82 mit einem Boden 83 bzw. 84 aus Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, also z. B. Kupfer. Diese Böden 83 und 84 sind mit Rippen 85 bzw. 86 versehen, und die Träger 77 und 78 sind an den zugehörigen Böden 83 bzw. 84 so befestigt, dass ein Wärmekontakt zwischen Boden und Träger vorhanden ist.
Die Räume 81 und 82 stehen einerseits über die Leitungen 87 bzw. 88, die durch einen Dreiweghahn 89 an eine Leitung 90 angeschlossen sind, mit der obern Seite des Kondensationsraumes 71 und ander seits durch die Leitungen 91 bzw. 92, die durch einen Dreiweghahn 93 an eine. Leitung 94 mit einer Pumpe 95 angeschlossen sind, mit der untern Seite des Kon densationsraumes 71 in Verbindung. Die Wärme- austauscher 75 und 76 stehen -durch eine Leitung 97 bzw. 98, die beide an einen Dreiweghahn 96 an geschlossen sind, mit einer Leitung 99 in Verbindung, die sich an den Kondensationsraum 72 anschliesst.
Dieser Kondensationsraum 72 hat eine Abflussleitung 100 mit einem Siphon 101.
Die Wirkungsweise dieser Anlage ist folgende: Im Kondensationsraum 71, den Räumen 81 und 82 und dem sie verbindenden Leitungssystem befindet sich ein die Wärme übertragendes Zwischenmedium, z. B. eine Fluorverbindung. Bei der Lage der Dreiweg hähne 89, 93 und 96 nach der Fig. 3 ist der Wärme- austauscher 76 im Betrieb, während der Wärmeaus- tauscher 75 ausgeschaltet ist.
Das zu kondensierende Gasgemisch, z. B. Luft, wird am obern Ende des Wärmeaustauschers 76 zu geführt und in diesem vorgekühlt. Dabei werden, wie vorstehend bereits erläutert, Wasserdampf und Koh lensäure an den Ansätzen 80 ausgefroren. Die ge reinigte und vorgekühlte Luft strömt durch die Lei tungen 98 und 99 zum. Kondensationsraum 72, wo sie verflüssigt wird und als Kondensat durch die mit einem Siphon 101 versehene Leitung 100 entnommen werden kann. Die Pumpe 95 pumpt aus dem Kon densationsraum 71 durch die Leitungen 94 und 92 ein flüssiges, die Wärme übertragendes Zwischen medium in den Raum 82. Dieses Zwischenmedium verdampft in diesem Raum 82, und der Dampf strömt durch die Leitungen 88 und 90 wieder zum Konden sationsraum 71 zurück, wo es wieder kondensiert.
Die Verdampfung des Zwischenmediums im Raum 82 wird durch die der Luft entzogene Wärme bewirkt, die über den Träger 78, den Boden 84 und die Rippen 86 auf das Zwischenmedium übertragen wird.
Inzwischen kann der Wärmeaustauscher 75 er erwärmt werden, z. B. durch eine nicht dargestellte Heizschlange, oder indem warme Luft in ihn hin eingeblasen wird. Im letzteren Falle muss noch eine verschliessbare Zuführungsöffnung für die Luft an gebracht werden, die den Leitungen 51 und 52 der Fig. 2 entspricht.
Ist der Wärmeaustauscher 76 durch das ausge schiedene Eis und Trockeneis verstopft, so werden die Dreiweghähne 89, 93 und 96 so verdreht, dass der Wärmeaustauscher 75 angeschlossen und der Wärmeaustauscher 76 abgeschaltet wird.
Es kann nicht nur ein beliebiges, die Wärme übertragendes Zwischenmedium, sondern auch ein Teil des verflüssigten Gases als solches Zwischen medium verwendet werden. In diesem Falle kann ein Wärmeaustauscher vorgesehen werden, der fest mit dem Kopf der Kühlmaschine verbunden ist, welche Maschine jedoch einen gesonderten Kondensations raum besitzt, wie dies bei der Anlage nach der Fig. 3 der Fall ist. Ein anderer Wärmeaustauscher ist ähn lich wie die Wärmeaustauscher 76 und 75 nach Fig. 3 ausgebildet.
Dieser zweite Wärmeaustauscher kann mittels einer geringen Menge bereits erzeugter flüssiger Luft abgekühlt werden.