DE102006046051B4

DE102006046051B4 - Regelbarer Wärmeübertrager mit verdampfendem Kühlmedium

Info

Publication number: DE102006046051B4
Application number: DE102006046051A
Authority: DE
Inventors: Gerard Westendorp; Henricus Johannes Slats; Anton Scholten; Joannes Avertanus Jozef Ten Dam; Marinus Van Driel; Jacques Smolenaars
Original assignee: Green Vision Holding BV
Current assignee: Green Vision Holding BV
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: DE102006046051A1

Abstract

Wärmeübertrager, mit einem ersten Raum für das zu kühlende Medium und einem zweiten Raum für ein kühlendes Medium und eine wärmeübertragende Oberfläche für die Übertragung der Wärme zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum, bei dem der erste Raum mit Leitungen für die Zufuhr und Abfuhr des zu kühlenden Mediums versehen und der zweite Raum mit Leitungen für die Zufuhr und Abfuhr des kühlenden Mediums versehen ist, gekennzeichnet dadurch, dass ein verflüssigbarer Teil des kühlenden Mediums im zweiten Raum verdampft und der zweite Raum so gestaltet ist, dass der verflüssigbare Teil des kühlenden Mediums sich hauptsächlich im unteren Bereich des zweiten Raumes sammelt und dort einen Flüssigkeitsvorrat, welcher einen wohl definierten und einstellbaren Teil der wärmeübertragenden Oberfläche umgibt, bildet, wodurch der Verdampfungsprozess in einer vorbestimmbaren und regelmäßigen Weise erfolgt, und wodurch die Temperatur des zu kühlenden Mediums durch das Variieren des Flüssigkeitsniveaus im zweiten Raum regelbar wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, bei dem die Austrittstemperatur des zu kühlenden Prozessst0roms einstellbar ist, wobei gleichzeitig das Kühlmedium verdampft wird.
In vielen Prozessen ist es notwendig, ein Medium bis zu einer Temperatur, die innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen muss, abzukühlen. Um dies zu erreichen, werden verschiedene Methoden angewandt.
Eine bekannte Kühlmethode ist dem Prozessstrom eine Flüssigkeit hinzuzufügen, die in diesem Prozessstrom verdampft. Durch Veränderung der Menge des verdampfenden Kühlmediums kann die gewünschte Austrittstemperatur geregelt werden. Üblicherweise wird das Kühlmedium durch Zerstäuber in den Prozessstrom eingebracht. Dies kann sowohl zeitproportional als auch konstant modulierend erfolgen. Nachteilig oder einschränkend hierbei kann sein, dass das verdampfte Kühlmittel dem Prozessstrom nicht zugefügt werden sollte oder dass das verdampfte Kühlmittel an anderer Stelle nützlicher sein kann. Ein anderes Problem kann eine schlechte Temperaturverteilung sein, da der Ort der Verdampfung schwierig zu kontrollieren ist.
Eine zweite Methode variabel zu kühlen ist die Verwendung eines nicht verdampfenden Kühlmediums und eines Wärmeübertragers, der groß genug sein muss, um bei vollständiger Zufuhr des Kühlmediums den zu kühlenden Prozessstrom weiter als notwendig abzukühlen. Durch Verringerung der Kühlmittelzufuhr steigt die mittlere Temperatur des Kühlmediums im Wärmeübertrager, und damit wird weniger Wärme übertragen. Deshalb kann die Zugabe des Kühlmittels verändert werden, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Dies kann sowohl zeitproportional als auch konstant modulierend erfolgen.
Die oben genannte Methode der regelbaren Kühlung sollte prinzipiell mit einem verdampfenden oder siedenden Kühlmedium verwendet werden können. Die Temperatur eines siedenden Mediums ist jedoch festgelegt, da diese vom Druck abhängig ist. Wird nun die Kühlmittelmenge verringert, so wird nicht wie bei nicht verdampfenden Medien die Temperatur im Wärmeübertrager gleichmäßig steigen, sondern das Kühlmittel wird an bestimmten Stellen beginnen zu sieden, an anderen Stellen nicht. In der praktischen Anwendung bedeutet dies, dass ohne spezielle Vorkehrungen die Temperaturverteilung unregelmäßig und pulsieren wird, da die Verteilung der Siedeintensität auf chaotische Weise in Ort und Zeit variiert. Daraus folgt eine schlechte Temperaturverteilung und ein unregelmäßiger Kühlmitteldampfstrom, welcher dann selbst ein zu kontrollierender Prozessstrom sein kann.
Eine bekannte Methode, die oben genannten Probleme zu umgehen, ist die Aufteilung des zu kühlenden Mediums. Hierbei wird ein Teilstrom durch den verdampfenden Kühler geleitet und ein anderer Teilstrom bleibt ungekühlt. Danach werden beide Teilströme wieder miteinander gemischt. Durch die Veränderung des Teilstromverhältnisses kann die Temperatur bei jeder Vermischung geregelt werden. Ein Nachteil ist, dass zusätzliche Regelventile benötigt werden und Vorkehrungen für eine gute Temperaturverteilung nach dem Mischen getroffen werden müssen.
Die Patentschriften DD 25 469 A und US 4 593 532 A beschreiben Wärmeübertrager, in denen das Kühlmittel kondensiert und die Flüssigkeit ein klar definiertes Flüssigkeitsniveau bildet. Dieses Niveau bestimmt jedoch nicht das Maß der Kühlleistung und ist auch nicht einstellbar. In der Patentschrift DD 25 469 A ist das Flüssigkeitsniveau so bestimmt, dass die wärmeübertragende Oberfläche immer vollständig von siedendem Wasser umgeben ist. In der Patentschrift US 4 593 532 A hat das Flüssigkeitsniveau keinerlei wärmeübertragende Funktion. Der dort verwendete Flüssigkeitsbehälter wird lediglich dazu genutzt sicher zu stellen, dass die Pumpe immer von Flüssigkeit umspült ist. Im Gegensatz zu den beiden genannten Patentschriften ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die erforderliche Kühlleistung und damit die Temperatur des zu kühlenden Mediums zu regeln.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
1 stellt das Prinzip des regelbaren Wärmeübertragers dar.
Die Erfindung sieht einen regelbaren Wärmeübertrager mit einem verdampfenden Kühlmedium vor, bei dem die Temperatur des zu kühlenden Medium geregelt wird durch die Zugabe des Kühlmittels, wobei jedoch eine gute Temperaturverteilung bei gleichzeitiger Kontrolle des Siedeprozesses möglich ist, so dass ein gleichmäßiger Kühlmitteldampfstrom entsteht.
Die Erfindung soll zuerst anhand von 1 vorgestellt werden. Ein zu kühlendes Medium wird über eine Einlassleitung [1] zugeführt. Das zu kühlende Medium soll sich über die wärmeübertragende Oberfläche [2] verteilen. Danach wird das zu kühlende Medium in der Auslassleitung [3] aufgefangen. Das Kühlmedium kann in reiner flüssiger Form zugeführt werden. Es kann sich jedoch auch um ein Gemisch aus verdampfender Flüssigkeit und Gas handeln. In diesem Fall wird das Gemisch erst über eine Einlassleitung [4] einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider [5] zugeführt. Danach wird der verflüssigbare Teil des Kühlmittels durch eine Leitung [6] zum kalten Teil [7] des Wärmeübertragers geleitet. Der kalte Teil des Wärmeübertragers ist so gestaltet, dass die Flüssigkeit sich auf einfache Weise im unteren Bereich des Wärmeübertragers sammelt. Die Flüssigkeit kann an der wärmeübertragenden Oberfläche [2] zu sieden beginnen. Der erzeugte Dampf wird über den Dampfausgang [8] zum Kühlmittelausgang [9] geführt. Bei diesem Verfahren ist das Kühlvermögen mehr oder weniger linear abhängig vom Niveau des verflüssigbaren Kühlmittelanteils im Wärmeübertrager. Die Temperaturverteilung des zu kühlenden Mediums ist hierbei gut vorherbestimmbar und homogen, und der erzeugte Dampfstrom ist gleichmäßig, so dass keine unerwünschten Druckstöße auftreten.
Eine mögliche Variante der Erfindung kann die Tatsache sein, dass das eintretende Kühlmittel vollständig verflüssigbar ist. In diesem Fall wird der Gas-Flüssigkeits-Abscheider nicht benötigt und das flüssige Kühlmittel kann direkt über die Leitung [6] zugeführt werden.
Eine weitere Abwandlung der Erfindung ist durch die Integration des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders und des Wärmeübertragers möglich. An Stelle des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders und den Leitungen [6] und [8] entsteht ein Raum, der zeitweise das Gas von der Flüssigkeit abschei det und gleichzeitig ein Wärmeübertrager ist. Dabei sind potentielle Störungen in der Temperaturverteilung zu bedenken, die die Gas-Flüssigkeits-Trennung verursachen kann.
Die Varianten der Erfindung haben alle die gemeinsame Eigenschaft, dass das Niveau der Flüssigkeit im kühlenden Teil des Wärmeübertragers die zu regelnde Temperatur bestimmt. Wird mehr Kühlmittel zugeführt als verdampft wird, so steigt das Flüssigkeitsniveau. Umgekehrt, sinkt das Flüssigkeitsniveau, so wird weniger Kühlmittel zugeführt als verdampft wird.

Claims

Wärmeübertrager, mit einem ersten Raum für das zu kühlende Medium und einem zweiten Raum für ein kühlendes Medium und eine wärmeübertragende Oberfläche für die Übertragung der Wärme zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum, bei dem der erste Raum mit Leitungen für die Zufuhr und Abfuhr des zu kühlenden Mediums versehen und der zweite Raum mit Leitungen für die Zufuhr und Abfuhr des kühlenden Mediums versehen ist, gekennzeichnet dadurch, dass ein verflüssigbarer Teil des kühlenden Mediums im zweiten Raum verdampft und der zweite Raum so gestaltet ist, dass der verflüssigbare Teil des kühlenden Mediums sich hauptsächlich im unteren Bereich des zweiten Raumes sammelt und dort einen Flüssigkeitsvorrat, welcher einen wohl definierten und einstellbaren Teil der wärmeübertragenden Oberfläche umgibt, bildet, wodurch der Verdampfungsprozess in einer vorbestimmbaren und regelmäßigen Weise erfolgt, und wodurch die Temperatur des zu kühlenden Mediums durch das Variieren des Flüssigkeitsniveaus im zweiten Raum regelbar wird.
Wärmeübertrager wie in Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das kühlende Medium zu einem Teil aus Flüssigkeit und zum anderen Teil aus Gas besteht, wobei die Flüssigkeit vom Gas durch einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider getrennt wird, wobei die abgeschiedene Flüssigkeit über eine Leitung zum Wärmeübertrager strömen kann.
Wärmeübertrager wie in Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das kühlende Medium zum einen Teil aus Flüssigkeit und zum anderen Teil aus Gas besteht, wobei die Flüssigkeit vom Gas abgeschieden wird, indem die Flüssigkeit durch Ausnutzung der Schwerkraft in den unteren Bereich des Wärmeübertragers fällt und sich dort sammelt, wodurch das übrig gebliebene Gas in den oberen Bereichen des Wärmeübertragers verbleibt und sich dort mit der verdampften Flüssigkeit vermischt.