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Die Erfindung betrifft einen Umlaufkondensator mit einem Kondensatorblock, der
Verflüssigungspassagen für ein Heizmedium und mindestens einen Umlaufabschnitt
mit Verdampfungspassagen für eine Flüssigkeit aufweist, wobei sich die
Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung jeder Verdampfungspassage auf
gegenüberliegenden Seiten des Kondensatorblocks befinden und wobei die
Eintrittsöffnungen aller Verdampfungspassagen des Umlaufabschnittes unterhalb der
Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen des Umlaufabschnittes angeordnet
sind.
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Bei einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Drucksäule und einer
Niederdrucksäule wird flüssiger Sauerstoff aus der Niederdrucksäule gegen
gasförmigen Stickstoff aus der Drucksäule im indirekten Wärmeaustausch in einem
Wärmetauscher verdampft, wobei der Stickstoff kondensiert. Ein derartiges
Kondensator-Verdampfersystem wird in der Regel als Hauptkondensator bezeichnet.
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Der Hauptkondensator wird fast ausschließlich als Plattenwärmetauscher gefertigt und
als Fallfilmverdampfer oder als Umlaufkondensator ausgebildet. Bei einem
Umlaufkondensator steht der Kondensatorblock in dem Flüssigkeitsbad, aus dem
Flüssigkeit verdampft werden soll. Die Flüssigkeit tritt von unten in die
Verdampfungspassagen des Kondensatorblocks ein und wird teilweise gegen das
durch die Verflüssigungspassagen strömende Heizmedium verdampft. Die Dichte des
in den Verdampfungspassagen verdampfenden Mediums ist geringer als die Dichte
des umgebenden Flüssigkeitsbades, wodurch eine Siphonwirkung entsteht, so dass
Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbad in die Verdampfungspassagen nachströmt.
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Im Hauptkondensator einer Luftzerlegungsanlage wird flüssiger Sauerstoff verdampft.
Hierbei ist darauf zu achten, dass der in die Verdampfungspassagen des
Kondensatorblocks einströmende flüssige Sauerstoff nur zu einem Bruchteil verdampft
wird. Dadurch wird verhindert, dass möglicherweise im flüssigen Sauerstoff
vorhandene störende Verunreinigungen angereichert werden. So werden
beispielsweise nur etwa 10% der in die Verdampfungspassagen einströmenden
Menge an flüssigen Sauerstoff verdampft und 90% als Flüssigkeit von den
Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen zurück zu den Eintrittsöffnungen der
Verdampfungspassagen gefördert. Der Teil des Kondensatorblocks, in dem ein solcher
Umlauf von Flüssigkeit erreicht wird, wird im Folgenden als Umlaufabschnitt
bezeichnet.
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Je größer die Eintauchtiefe des Kondensatorblockes eines Umlaufkondensators in dem
Flüssigkeitsbad ist, desto höher wird der mittlere hydrostatische Druck in den
Verdampfungspassagen und desto schlechter verdampft die Flüssigkeit, da die
Siedetemperatur der Flüssigkeit entsprechend der Dampfdruckkurve ansteigt. Der
Wirkungsgrad eines Umlaufkondensators kann aber durch Unterteilung des
Kondensatorblocks in mehrere übereinander angeordnete Umlaufabschnitte erhöht
werden. Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, dass die Eintauchtiefe der
einzelnen Umlaufabschnitte jeweils geringer ist als bei einem einzigen hohen
Kondensatorblock. Damit wird der hydrostatische Druck in den
Verdampfungspassagen geringer und die Flüssigkeit kann leichter verdampfen.
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Aus der DE 199 39 294 ist ein mehrstöckiger Umlaufkondensator bekannt, bei dem
sich die Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen
eines Umlaufabschnittes auf gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauscherblockes
befinden. Auf diese Weise erreicht man in allen Verdampfungspassagen gleichlange
Strömungswege für den zu verdampfenden flüssigen Sauerstoff. Dies hat den Vorteil,
dass die Druckverluste und damit die Umlaufraten in allen Verdampfungspassagen
gleich sind. Andererseits hat diese Anordnung aber den Nachteil, dass die umlaufende
flüssige Sauerstoffmenge immer auf der den Eintrittsöffnungen gegenüberliegenden
Seite des Kondensatorblocks austritt und über konstruktiv aufwändige Rohrleitungen
oder Kanäle zu den Eintrittsöffnungen zurückgeleitet werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umlaufkondensator zu
entwickeln, bei dem in allen Verdampfungspassagen eine möglichst gleichmäßige
Verdampfung der Flüssigkeit erzielt wird und der sich mit möglichst geringem
konstruktiven Aufwand herstellen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Umlaufkondensator der eingangs genannten Art
gelöst, bei dem erste und zweite Verdampfungspassagen vorgesehen sind und sich
die Eintrittsöffnungen der ersten Verdampfungspassagen und die Austrittsöffnungen
der zweiten Verdampfungspassagen auf der gleichen Seite des Kondensatorblocks
befinden.
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Erfindungsgemäß tritt die Flüssigkeit von unten in die ersten Verdampfungspassagen
ein, strömt in den Verdampfungspassagen nach oben, verdampft teilweise und verlässt
die ersten Verdampfungspassagen auf der gegenüberliegenden Seite des
Kondensatorblocks. Der Flüssiganteil des aus den ersten Verdampfungspassagen
austretenden Flüssigkeits-Gas-Gemisch fließt zu den auf der selben Seite wie die
Austrittsöffnungen der ersten Verdampfungspassagen angeordneten Eintrittsöffnungen
der zweiten Verdampfungspassagen. Die Flüssigkeit strömt dann durch die zweiten
Verdampfungspassagen zurück zu der Seite des Kondensatorblocks, auf der sich die
Eintrittsöffnungen in die ersten Verdampfungspassagen befinden. Während des
Durchströmens der zweiten Verdampfungspassagen wird wiederum ein Teil der
Flüssigkeit verdampft.
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Erfindungsgemäß wird die Flüssigkeit mittels der ersten und zweiten
Verdampfungspassagen zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des
Kondensatorblocks hin und her gefördert und dabei zunehmend verdampft.
Aufwendige Konstruktionen wie Rückführrohre oder Rückführkanäle für die Flüssigkeit
sind daher nicht mehr erforderlich.
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Die Verdampfungspassagen sind dabei so ausgeführt, dass sich alle Eintrittsöffnungen
eines Umlaufabschnittes unterhalb der Austrittsöffnungen dieses Umlaufabschnittes
befinden. Auf diese Weise kann vor den Eintrittsöffnungen ein solcher
Flüssigkeitsstand gewählt werden, dass die Flüssigkeit über die Eintrittsöffnungen in
alle Verdampfungspassagen eintritt, die Austrittsöffnungen aber im Gasraum enden.
Dies hat den Vorteil, dass das in den Verdampfungspassagen aufsteigende
Flüssigkeits-Gasgemisch in allen Verdampfungspassagen den gleichen Gegendruck
erfährt, wodurch wiederum unterschiedliche Umlaufraten in den einzelnen
Verdampfungspassagen vermieden werden.
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Wird zudem der Flüssigkeitsstand vor den Eintrittsöffnungen so hoch gewählt, dass
sich der statische Druck an den einzelnen Eintrittsöffnungen um weniger als 20%,
bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% unterscheidet, so
werden nahezu gleiche Umlaufraten durch alle Verdampfungspassagen erzielt.
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Vorzugsweise sind alle ersten und/oder alle zweiten Verdampfungspassagen eines
Umlaufabschnittes jeweils gleich lang. Besonders bevorzugt besitzen alle
Verdampfungspassagen eines Umlaufabschnittes die gleiche Länge. Auf diese Weise
ist die Umlaufrate in allen Verdampfungspassagen gleich, d. h. in jeder
Verdampfungspassage stellt sich dasselbe Verhältnis von nicht verdampfter Flüssigkeit
zu verdampfter Gasmenge ein. Dadurch wird die zu verdampfende Flüssigkeit immer
gut durchmischt und eventuelle Verunreinigungen reichern sich nicht in der Flüssigkeit
an.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Umlaufabschnitt genauso viele erste
wie zweite Verdampfungspassagen auf. Zudem ist es vorteilhaft, wenn alle
Verdampfungspassagen den gleichen Querschnitt besitzen. Durch diese Maßnahme
wird sichergestellt, dass genauso viel Flüssigkeit durch die ersten
Verdampfungspassagen wie durch die zweiten Verdampfungspassagen gefördert wird.
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Der erfindungsgemäße Umlaufkondensator eignet sich insbesondere als
Hauptkondensator einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
von den in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 die Verdampfungspassagen eines erfindungsgemäßen
Umlaufabschnittes,
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Fig. 2 die Ansicht A von Fig. 1,
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Fig. 3 die Ansicht A einer alternativen Ausführungsform von Fig. 1,
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Fig. 4 einen Umlaufkondensator mit vier übereinander angeordneten
Umlaufabschnitten,
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Fig. 5 die Draufsicht auf Fig. 4,
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Fig. 6 ein Kondensatorverdampfersystem mit vier parallel angeordneten
Kondensatorblöcken, die jeweils aus vier übereinander angeordneten
Umlaufabschnitten bestehen,
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Fig. 7 ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 6,
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Fig. 8 die Draufsicht auf die Kondensatorblöcke gemäß Fig. 6,
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Fig. 9 ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 6 mit einer alternativen
Anordnung der Verdampfungspassagen und
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Fig. 10 die Draufsicht auf die Anordnung der Verdampfungspassagen gemäß
Fig. 9.
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In Fig. 1 ist schematisch ein Umlaufabschnitt eines Umlaufkondensators dargestellt,
der als Hauptkondensator einer Doppelsäule in einer
Tieftemperaturluftzerlegungsanlage zum Verdampfen von Sauerstoff eingesetzt wird.
Der Umlaufkondensator besitzt eine Vielzahl von parallel angeordneten
Wärmeaustauschpassagen, in denen gasförmiger Stickstoff im indirekten
Wärmeaustausch mit flüssigem Sauerstoff kondensiert wird, wobei der Sauerstoff
verdampft.
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Die in Fig. 1 nicht dargestellten Verflüssigungspassagen für den Stickstoff erstrecken
sich von oben nach unten über die gesamte Höhe des Umlaufkondensators. Zur
Führung des Sauerstoffs sind zwei verschiedene Typen von Verdampfungspassagen
1, 11 vorgesehen. In der Zeichnung sind die Begrenzungen der ersten
Verdampfungspassagen 1 mit durchgezogenen Linien, die der zweiten
Verdampfungspassagen 11 mit gestrichelten Linien dargestellt.
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In der Darstellung gemäß Fig. 1 besitzen die ersten Verdampfungspassagen 1 an der
linken unteren Ende des Umlaufabschnitts ihre Eintrittsöffnungen 2 und am rechten
oberen Ende ihre Austrittsöffnungen 3. Die zweiten Verdampfungspassagen 11
verlaufen entgegengesetzt von rechts unten nach links oben. Die einzelnen
Verdampfungspassagen 1, 11 verlaufen ausgehend von der jeweiligen Eintrittsöffnung
2, 12 zunächst waagerecht, dann senkrecht nach oben und schließlich waagerecht zu
den Austrittsöffnungen 3, 13. Durch diese Ausführung wird erreicht, dass alle
Verdampfungspassagen jeweils die selbe Länge besitzen.
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Fig. 2 zeigt die Ansicht der in Fig. 1 mit "A" bezeichneten Seite des
Umlaufabschnittes. Die Verflüssigungspassagen 4 für den Stickstoff und die
Verdampfungspassagen 1, 11 für den Sauerstoff wechseln sich ab, um einen möglichst
guten Wärmeaustausch zwischen dem Stickstoff und dem Sauerstoff zu erzielen. Die
ersten Verdampfungspassagen 1 befinden sich in der einen Hälfte des
Umlaufabschnittes, die zweiten Verdampfungspassagen 11 in der anderen Hälfte.
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Entsprechend sind in der rechten Hälfte der Fig. 2 die Eintrittsöffnungen 2 der ersten
Verdampfungspassagen 1 und in der linken Hälfte der Fig. 2 die Austrittsöffnungen 13
der zweiten Verdampfungspassagen 11 zu erkennen.
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In Fig. 3 ist eine alternative Anordnung der Verdampfungspassagen 1, 11 dargestellt.
Die Verdampfungspassagen 1, 11 wechseln sich wiederum mit den
Verflüssigungspassagen 4 ab. Im Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. 2 sind
nunmehr aber auch die ersten Verdampfungspassagen 1 und die zweiten
Verdampfungspassagen 11 abwechselnd angeordnet, wobei sich zwischen einer
ersten Verdampfungspassage 1 und einer zweiten Verdampfungspassage 11 jeweils
eine Verflüssigungspassage 4 befindet. Mit anderen Worten: In der Darstellung gemäß
Fig. 1 wiederholt sich in einer Richtung senkrecht zur Blattebene folgende
Passagenanordnung mehrfach: eine Ebene mit Stickstoffpassagen 4, gefolgt von von
links unten nach rechts oben verlaufenden ersten Verdampfungspassagen 1, gefolgt
von einer weiteren Ebene mit Stickstoffpassagen, an welche sich schließlich von rechts
unten nach links oben verlaufende zweite Verdampfungspassagen 11 anschließen.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Umlaufkondensator, der
als Hauptkondensator einer Doppelsäule einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage
eingesetzt wird. Der Umlaufkondensator besteht aus vier übereinander angeordneten
Umlaufabschnitten 100, 200, 300, 400. An den mit Ein- und Austrittsöffnungen, z. B.
402, 403, 412, 413, versehenen Seiten jedes Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400
sind jeweils Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 angebracht.
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Auf einer Seite des Kondensatorblocks sind die Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320,
420 mittels einer Überlaufleitung 21 miteinander verbunden. Die Überlaufleitung 21
besitzt auf der Höhe jedes Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400 eine Eintrittsöffnung
122, 222, 322, 422, so dass bei einem bestimmten Füllstand in den jeweiligen
Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 Flüssigkeit in das Überlaufrohr 21 eintritt und in
den Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320 des darunter liegenden Umlaufabschnittes 100,
200, 300 geleitet wird.
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Die Eintrittsöffnungen 122, 222, 322, 422 in die Überlaufleitung 21 sind auf einer
solchen Höhe vorgesehen, dass im Betrieb der maximale Füllstand in den
Flüssigkeitsbehältern 120, 220, 320, 420 zwischen 50 und 90%, vorzugsweise
zwischen 60 und 80% der Höhe des jeweiligen Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400
liegt. Besonders bevorzugt sind die Eintrittsöffnungen 122, 222, 322, 422 in die
Überlaufleitung 21 so angebracht, dass sich der maximale Flüssigkeitsstand in den
Flüssigkeitsbehältern 120, 220, 320, 420 unterhalb der Austrittsöffnungen 3, 13
befindet.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung aller Eintrittsöffnungen 2, 12 unterhalb der
Austrittsöffnungen 3, 13 des jeweiligen Umlaufabschnittes kann ein Flüssigkeitsstand
in den Flüssigkeitsbehältern 120, 220, 320, 420 gewählt werden, der zwischen der
obersten Eintrittsöffnung 2, 12 und der untersten Austrittsöffnung 3, 13 liegt. So wird
sichergestellt, dass alle Verdampfungspassagen 1, 11 an ihrem Eintritt 2, 12 in
Flüssigkeit und an ihrem Austritt 3, 13 im Gasraum liegen. Der Gegendruck am
Austrittsende 3, 13 ist daher bei allen Verdampfungspassagen 1, 11 gleich, so dass in
allen Verdampfungspassagen 1, 11 eine annähernd gleiche Umlaufrate erzielt wird.
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Die Flüssigkeitsbehälter 120, 220, 320, 420 werden zudem von zwei
Gassammelleitungen 23 durchsetzt, so dass das bei der Verdampfung in den
Verdampfungspassagen 1, 11 entstehende und in die Flüssigkeitsbehälter 120, 220,
320, 420 strömende Sauerstoffgas aus den Flüssigkeitsbehältern 120, 220, 320, 420
über die Gassammelleitung 23 abgezogen werden kann.
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In Fig. 5 ist die Anordnung der Gassammelleitungen 23 und des Überlaufrohres 22 in
der Draufsicht dargestellt. Die ersten und zweiten Verdampfungspassagen 1, 11 sind in
jedem Umlaufabschnitt 100, 200, 300, 400 wie oben anhand von Fig. 2 erläutert,
angeordnet. In der Darstellung gemäß Fig. 5 befinden sich die ersten
Verdampfungspassagen 1 in der unteren Hälfte der Zeichnung, die zweiten
Verdampfungspassagen 11 in der oberen Zeichnungshälfte. Entsprechend wird durch
die ersten Verdampfungspassagen 1 Flüssigkeit von links nach rechts und durch die
zweiten Verdampfungspassagen 11 von rechts nach links transportiert.
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Die Gassammelleitungen 23 sind so angeordnet, dass sie sich gerade nicht vor den
Austrittsöffnungen der Verdampfungspassagen 1, 11 befinden. Durch die seitliche
Versetzung der Gassammelleitungen 23 gegenüber den Austrittsöffnungen 3, 13 der
Verdampfungspassagen 1, 11 wird das aus den Verdampfungspassagen 1, 11
austretende Gas-Flüssigkeitsgemisch zunächst umgelenkt, wobei die
Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Sauerstoffs abgesenkt und gasförmiger
von flüssigem Sauerstoff getrennt wird. Ein Mitreißen von flüssigem Sauerstoff in die
Gassammelleitung 23 wird weitgehend vermieden.
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Die gesamte Flüssigkeit wird in einem Umlaufabschnitt 100, 200, 300, 400 immer von
einer Seite auf die andere Seite des Umlaufabschnittes 100, 200, 300, 400 und wieder
zurück gefördert und dabei optimal durchmischt. Es ist daher nur auf einer Seite des
Kondensatorblocks ein Flüssigkeitsüberlauf 21 notwendig. Dieser Überlauf 21 wird
vorzugsweise auf der Seite des Kondensatorblocks angeordnet, an der oben die
Zufuhr 25 des flüssigen Sauerstoffs erfolgt.
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Die nicht dargestellten Stickstoffpassagen erstrecken sich über die gesamte Höhe des
Kondensatorblocks, das heißt über alle Umlaufabschnitte 100, 200, 300, 400. Der
gasförmige Stickstoff wird über die Zuleitung 26 den Stickstoffpassagen zugeführt und
als Flüssigkeit am unteren Ende des Blocks über Leitung 27 abgezogen. Die Verteilung
des gasförmigen Stickstoffs auf die Stickstoffpassagen erfolgt über einen mit dem
Kondensatorblock verbundenen Sammler/Verteiler 28.
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In den Fig. 6 bis 8 ist einer weitere Variante des erfindungsgemäßen
Umlaufkondensators dargestellt. Dieser besteht aus vier Kondensatorblöcken 61, 62,
63, 64, die wiederum jeweils aus vier Umlaufabschnitten 100, 200, 300, 400 aufweisen.
Je zwei Kondensatorblöcke 61, 62 bzw. 63, 64 sind direkt nebeneinander angeordnet,
so dass die jeweiligen Verdampfungspassagen 1, 11 parallel zueinander verlaufen. Die
so entstehenden Doppelblöcke 61, 62 bzw. 63, 64 stehen sich mit ihren Ein- bzw.
Austrittsöffnungen 2, 3, 12, 13 gegenüber (siehe Fig. 8). Die Anordnung der ersten
und zweiten Verdampfungspassagen 1, 11 entspricht wiederum Fig. 2. Die
Kondensatorblöcke 61 und 62 bzw. 63 und 64 werden so nebeneinander angeordnet,
dass deren mit den ersten Verdampfungspassagen 1 versehenen Blockhälften
aneinandergrenzen.
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Die beiden Doppelblöcke 61, 62 bzw. 63, 64 besitzen jeweils einen gemeinsamen
Flüssigkeitsbehälter 20. In der Mitte zwischen den Kondensatorblöcken 61, 62, 63, 64
befindet sich für jeden Umlaufabschnitt 200, 300, 400 ein allen Blöcken gemeinsamer
Flüssigkeitsbehälter 30. Die äußeren Flüssigkeitsbehälter 20 sammeln lediglich die
umlaufende Flüssigkeit, die durch die zweiten Verdampfungspassagen 11 in die
Flüssigkeitsbehälter 20 geleitet wird und fördern sie über die ersten
Verdampfungspassagen 1 wieder zurück in den zentralen Flüssigkeitsbehälter 30.
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Aufgrund der beschriebenen Anordnung der Verdampfungspassagen 1, 11 erfolgt die
Zufuhr des aus den ersten Verdampfungspassagen 1 austretenden Gas-
Flüssigkeitsgemischs im Wesentlichen in der Mitte des Flüssigkeitsbehälters 30. Die
Gassammelleitungen 23 werden daher im äußeren Bereich des Flüssigkeitsbehälters
30 in der Nähe der Eintrittsöffnungen in die zweiten Verdampfungspassagen 11
angeordnet. In diesen Zonen hat sich die Strömungsgeschwindigkeit des aus den
ersten Verdampfungspassagen 1 austretenden Gas-Flüssigkeitsgemisch soweit
beruhigt, dass praktisch keine Flüssigkeit in die Gassammelleitungen 23 mitgerissen
wird.
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In den Fig. 9 und 10 ist eine alternative Anordnung der Verdampfungspassagen 1,
11 bei einer Anordnung der Kondensatorblöcke 61, 62, 63, 64 gemäß Fig. 6 gezeigt.
Ebenso wie bei dem System gemäß der Fig. 6 bis 8 setzt sich hier ein
Umlaufabschnitt aus den entsprechenden Abschnitten 100, 200, 300, 400 der vier
Kondensatorblöcke 61, 62, 63, 64 zusammen. In diesem Fall besitzt jedoch nicht jeder
der Blöcke 61, 62, 63, 64 erste Verdampfungspassagen 1 und zweite
Verdampfungspassagen 11.
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Die erfindungsgemäße Strömung durch erste Verdampfungspassagen 1 und
Rückströmung durch zweite Verdampfungspassagen 11 wird nicht in jedem einzelnen
Block 61, 62, 63, 64 realisiert, sondern dadurch, dass die beiden benachbarten
Kondensatorblöcke 61, 62 bzw. 63, 64, jeweils um 180° gedreht, zusammengefügt
werden. Die Verdampfungspassagen des Kondensatorblocks 61 bzw. 63 entsprechen
dabei den zweiten Verdampfungspassagen 11 und die Verdampfungspassagen in den
Kondensatorblöcken 62 bzw. 64 entsprechen den ersten Verdampfungspassagen 1.