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Die Erfindung betrifft einen Badkondensator mit
mindestens einem Wärmetauscherblock,
der Verflüssigungspassagen
für ein
Heizmedium und Verdampfungspassagen für ein zu verdampfendes Fluid aufweist,
wobei sich die Einund Austrittsöffnungen der
Verdampfungspassagen an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des
Wärmetauscherblocks
befinden und gegen die Umgebung offen sind.
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Bei einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage
mit einer Drucksäule
und einer Niederdrucksäule wird
flüssiger
Sauerstoff aus der Niederdrucksäule gegen
gasförmigen
Stickstoff aus der Drucksäule
in indirektem Wärmeaustausch
in einem Wärmetauscher
verdampft, wobei der Stickstoff kondensiert.
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Bei einer Ausführung des Wärmetauschers als Badkondensator
steht der Kondensatorblock in dem Flüssigkeitsbad, aus dem Flüssigkeit
verdampft werden soll. Die Flüssigkeit
tritt von unten in die Verdampfungspassagen des Kondensatorblockes
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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Der Badkondensator wird in der Regel
als Plattenwärmetauscher
realisiert, der abwechselnd Verdampfungspassagen für den Sauerstoff
und Verflüssigungspassagen
für den
Stickstoff aufweist. Die senkrecht verlaufenden Verdampfungspassagen sind
oben und unten offen. Die Verflüssigungspassagen
für den
Stickstoff sind dagegen oben und unten mit seitlich am Kondensatorblock
angebrachten Headern verbunden, über
die der Stickstoff zugeführt bzw.
abgezogen wird. Die Umlenkung des Stickstoffs von dem seitlichen
Gas-Header, über
den der Stickstoff zugeführt
wird, in die senkrechten Stickstoffpassagen erfolgt über schräg im Kondensatorblock
verlaufende Verteilkanäle.
Entsprechend wird der kondensierte Stickstoff über schräg angeordnete Verteilpassagen
aus den Verflüssigungspassagen
in den Flüssigkeits-Header
geführt.
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Als Behälter für das Flüssigsauerstoffbad dient in
der Regel der Sumpf einer Rektifikationssäule, beispielsweise der Niederdrucksäule, oder
ein separater Kondensatorbehälter.
Da es sich bei diesen Behältern
um Druckbehälter
handelt, sind diese praktisch ausnahmslos zylindrisch ausgeführt. Die
Plattenwärmetauscherblöcke haben
dagegen aus Kosten- und Fertigungsgründen eine quaderförmige Geometrie.
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Um das aus verfahrenstechnischen
Gründen benötigte Blockvolumen
des Badkondensators in einem Behälter
mit kreisrundem Querschnitt unterbringen zu können, muss für den Behälter oft
ein größerer Durchmesser
gewählt
werden als für
für die
zugehörige
Rektifikationssäule.
Zudem wird der kreisrunde Behälterquerschnitt
von dem in der Draufsicht rechteckigen Kondensatorblock mit den
seitlich angebrachten Headern schlecht ausgenutzt. Dies bedingt
höhere
Kosten für
den Behälter
und für
die infolge des größeren Durchmessers
nötige
Vergrößerung der
den Behälter
umgebenden Coldbox.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist
es daher, einen Badkondensator zu entwickeln, mit dem das Platzangebot
in dem den Kondensator fassenden Behälter besser genutzt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Badkondensator der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Ein- und Austrittsöffnungen
in die Verflüssigungspassagen
an den beiden Stirnflächen des
Wärmetauscherblocks
angeordnet sind, an denen sich die Ein- und Austrittsöffnungen
der Verdampfungspassagen befinden.
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Der erfindungsgemäße Badkondensator besitzt mindestens
einen Wärmetauscherblock,
der Verflüssigungspassagen
für ein
Heizmedium und Verdampfungspassagen für ein zu verdampfendes Fluid
aufweist. Die Ein- und Austrittsöffnungen
der Verdampfungspassagen befinden sich an zwei gegenüberliegenden
Stirnflächen
des Wärmetauscherblocks
und sind gegen die Umgebung, das heißt zu dem Behälter, in
dem der Badkondensator angeordnet ist, offen. Die Ein- und Austrittsöffnungen
der Verflüssigungspassagen
befinden sich ebenfalls an diesen beiden Stirnflächen des Wärmetauscherblocks.
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Zur Zuführung des Heizmediums ist mit
den Eintrittsöffnungen
der Verdampfungspassagen ein Gas-Header verbunden, der mit einem
Stutzen versehen ist. Entsprechend ist ein Flüssigkeits-Header vorgesehen,
der strömungsseitig
mit den Austrittsöffnungen
der Verdampfungspassagen verbunden ist. Der Gas-Header und der Flüssigkeits-Header
stellen jeweils außerhalb
des Kondensatorblocks eine Strömungsverbindung
zwischen den einzelnen Verdampfungspassagen und einem an den jeweiligen
Header angeschlossenen Stutzen dar und dienen zum Verteilen des
zugeführten
Heizmediums auf die Verdampfungspassagen beziehungsweise zum Zusammenführen des
aus den Verdampfungspassagen austretenden Heizmediums.
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Von Vorteil sind der Gas-Header und/oder der
Flüssigkeits-Header
mittig über
bzw. unter dem Kondensatorblock angebracht. Auf diese Weise wird eine
möglichst
symmetrische Durchströmung
der Verflüssigungspassagen
erreicht.
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Die Verdampfungspassagen und die
Verflüssigungspassagen
sind vorzugsweise in Richtung der Tiefe des Kondensatorblocks abwechselnd
angeordnet, wobei jeweils in einer zu dieser Richtung senkrechten
Ebene nur ein Typ von Passagen, d.h. entweder Verdampfungs- oder
Verflüssigungspassagen, angeordnet
sind. Als Höhe
wird im Folgenden die Ausdehnung des Kondensatorblocks in der Hauptströmungsrichtung
der einzelnen Passagen bezeichnet, d.h. in Richtung der Höhe wird
der Block durch die beiden Stirnflächen begrenzt, in denen die
Ein- und Austrittsöffnungen
der Verdampfungspassagen liegen. Die Blockbreite ist demnach die
verbleibende Richtung, in der gleichartige Passagen nebeneinander
angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die Verdampfungspassagen
so angeordnet, dass sich die Mehrzahl der Verdampfungspassagen geradlinig
durch den Wärmetauscherblock
erstreckt, wodurch der Druckverlust in den Passagen minimiert wird.
Lediglich im Bereich des Gas- und des Flüssigkeits-Headers der Verflüssigungspassagen
ist eine geradlinige Führung
der Verdampfungspassagen nicht möglich,
da ein Teilbereich der Stimflächen
durch die Header abgedeckt ist.
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Von Vorteil sind die Verdampfungspassagen über die
gesamte Breite des Kondensatorblocks verteilt. Da ein Teil der Stirnflächen von
den Headern abgedeckt wird, ist es bei einer geradlinigen Führung der
Verdampfungspassagen nicht möglich,
die Verdampfungspassagen über
die gesamte Breite des Blocks zu verteilen. Es werden deshalb Bereiche
mit schräg
verlaufenden Passagen vorgesehen, durch die das zu verdampfende
Fluid auch in den Teil des Kondensatorblocks umgelenkt wird, der
im "Schatten" der Header liegt,
d.h. in den Teil des Blocks, der bei geradliniger Führung der
Verdampfungspassagen nicht erreichbar wäre.
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Vorzugsweise wird der Badkondensator
aus mehreren Wärmetauscherblöcken aufgebaut.
Durch den Einsatz mehrerer Wärmetauscherblöcke lässt sich
die zur Verfügung
stehende Fläche
in dem den Badkondensator fassenden Behälter besser ausnutzen. Hierbei
ist es zweckmäßig, einen
großen
Wärmetauscherblock
zentral in dem Behälter
und jeweils daneben zwei kleinere Blöcke anzuordnen. Eine besonders
gute Flächenausnutzung
wird erzielt, wenn in der Draufsicht, d.h in einer durch die Blockbreite und
-tiefe definierten Ebene, die längeren
Seiten der kleineren Blöcke
ungefähr
den kürzeren
Seiten des größeren Blocks
entsprechen und zusätzlich
die kürzeren
Seiten der kleineren Blöcke
ungefähr
dem 0,162-fachen des Durchmessers entsprechen, in den die Blöcke einbeschrieben
werden sollen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung werden vier in der Draufsicht rechteckige Wärmetauscherblöcke zu einem
Badkondensator verbunden. Zwei größere Blöcke liegen nebeneinander zentral
in dem Behälter.
Je ein kleinerer Block wird auf beiden Seiten der großen Blöcke angeordnet. Statt
mit drei oder vier Blöcken
kann der Behälterquerschnitt
auch mit beliebig vielen Blöcken
ausgefüllt
werden.
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Von Vorteil besitzen mehrere Wärmetauscherblöcke, besonders
bevorzugt alle Wärmetauscherblöcke, einen
gemeinsamen Gas- und einen gemeinsamen Flüssigkeits-Header. Die Zuführung des
Heizmediums erfolgt über
einen einzigen Gas-Header,
der mit allen Eintrittsöffnungen
in die Verflüssigungspassagen
der verschiedenen Wärmetauscherblöcke verbunden
ist. Entsprechend wird das Heizmedium auch über einen einzigen Flüssigkeits-Header
aus allen Wärmetauscherblöcken wieder
abgezogen.
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Die Verteilung des Heizmediums auf
die einzelnen Verflüssigungspassagen
eines Blocks erfolgt bevorzugt innerhalb des Kondensatorblocks in
Bereichen mit Verteilkanälen,
die eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
des Heizmediums von den Eintrittsöffnungen auf die gesamte Breite
des Wärmetauscherblocks
bewirken.
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Der erfindungsgemäße Badkondensator ist insbesondere
für den
Einsatz in Tieftemperaturluftzerlegungsanlagen und hierbei ganz
besonders als Hauptkondensator einer Doppelsäule geeignet.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten
der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Badkondensator,
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2 die
Draufsicht auf den Badkondensator nach 1,
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3 die
Orientierung der Verflüssigungspassagen
in einem Wärmetauscherblock
und
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4 die
Orientierung der Verdampfungspassagen in dem Block.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Badkondensator
dargestellt, der als Hauptkondensator in einer Doppelsäule einer
Tieftemperaturluftzerlegungsanlage zum Einsatz kommt. Der Badkondensator
besitzt zwei zentrale Wärmetauscherblöcke 1a, 1b sowie
zwei kleinere Wärmetauscherblöcke 2a, 2b.
Die Wärmetauscherblöcke 1a, 1b, 2a, 2b verfügen über einen
gemeinsamen Gasheader 3 und einen gemeinsamen Flüssigkeitsheader 4.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf den Badkondensator gemäß 1 zeigt.
Der Badkondensator wird entweder zentral in einer runden Rektifikationssäule oder
einem separaten kreisrunden Kondensatorbehälter angeordnet. Die Wärmetauscherblöcke 1a, 1b, 2a, 2b werden
daher so dimensioniert und angeordnet, dass eine gute Flächenausnutzung
einer vorgegebenen Kreisfläche 5,
beispielsweise der Säulenquerschnittsfläche, erreicht
wird. Zu diesem Zweck ist es günstig,
wenn in der Draufsicht die Länge 6 der
beiden kleineren Blöcke 2a, 2b etwa
der Summe der kürzeren
Seiten 7 der beiden zentralen Blöcke 1a, 1b entspricht
und zusätzlich
die kürzeren Seiten
8 der kleineren Blöcke 2a, 2b so
gewählt
werden, dass diese dem 0,162-fachen des Kreises 5 entspricht,
in den die Blöcke 1a, 1b, 2a, 2b einbeschrieben
werden sollen.
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Die Wärmetauscherblöcke 1a, 1b, 2a, 2b sind
identisch aufgebaut. In 3 ist
beispielhaft ein Schnitt durch den Wärmetauscherblock 1a gezeigt, in
dem der Verlauf der Verflüssigungspassagen
zu erkennen ist. Als Heizmedium wird im Hauptkondensator einer Luftzerlegungsanlage
gasförmiger
Stickstoff eingesetzt. Der gasförmige
Stickstoff wird den Verflüssigungspassagen 9 der
Wärmetauscherblöcke 1a, 1b, 2a, 2b über den
Gasheader 3 zugeführt.
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Der Gasheader 3 ist als
halbzylindrisches Rohr ausgeführt
und mittig auf den oberen Stirnflächen der Blöcke 1a, 1b, 2a, 2b angeordnet.
Unterhalb des Gasheaders 3 befindet sich ein dreieckförmiger Bereich 10 mit
senkrecht verlaufenden Verteilpassagen. Die Basis dieses gleichschenkligen
und mit der Spitze nach unten gerichteten Dreiecks 10 wird
von der Unterkante des halbzylindrischen Gasheaders 3 gebildet.
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Beiderseits des dreieckigen Bereichs 10 sind weitere
dreieckige Bereiche 11 mit horizontal verlaufenden Verteilkanälen angeordnet.
Die dreieckigen Bereiche 11 werden zum einen durch die
Oberseite des Wärmetauscherblocks 1a zwischen
dem Gasheader 3 und der parallel zum Gasheader 3 verlaufenden
Außenkante 12 des
Blocks 1a und zum anderen durch einen Schenkel des Dreiecks 10 begrenzt. Die
dritte Seite ergibt sich durch die Verbindung der Außenkante 12 mit
der Spitze des Dreiecks 10. Die obere und die untere Hälfte der
Wärmetauscherblöcke 1a, 1b, 2a, 2b sind
spiegelsymmetrisch zueinander aufgebaut.
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Der gasförmige Stickstoff wird über den
Gasheader 3 dem Badkondensator zugeführt und auf die Wärmetauscherblöcke 1a, 1b, 2a, 2b verteilt.
In jedem der Blöcke 1a, 1b, 2a, 2b strömt der Stickstoff zunächst in
den vertikalen Kanälen
des dreieckigen Bereichs 10 nach unten und wird dann in
die horizontalen Passagen 11 umgelenkt. Über diese
horizontalen Passagen 11 erfolgt die Verteilung des Stickstoffs in
die eigentlichen Verflüssigungspassagen 9.
Der Stickstoff tritt in Wärmeaustausch
mit dem in den Verdampfungspassagen 13 (siehe 4) entgegenströmenden Sauerstoff,
wird abgekühlt
und verflüssigt. Der
flüssige
Stickstoff verlässt
die Passagen 9 über die
Verteilkanäle 11 und 10 und
den unteren Flüssigkeitsheader 4.
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Die Verdampfungspassagen 13 des
Wärmetauscherblocks 1a für den flüssigen Sauerstoff
sind in 4 wiederum beispielhaft
dargestellt. Die Wärmetauscherblöcke
1a, 1b, 2a und 2b sind
auch im Hinblick auf die Verdampfungspassagen 13 identisch aufgebaut.
Der Großteil
der Verdampfungspassagen 13 verläuft geradlinig durch den Wärmetauscherblock 1a und
ist jeweils oben und unten offen gegen den umgebenden Raum, beispielsweise
gegen die Rektifikationskolonne, in der sich der Badkondensator
befindet. Im mittleren Bereich 14 des Wärmetauscherblocks 1a ist
eine geradlinige Führung
der Verdampfungspassagen nicht möglich,
da die obere und die untere Stirnfläche des Blocks 1a von
dem Gasheader 3 und dem Flüssigkeitsheader 4 abgedeckt
sind.
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Aus diesem Grund sind unterhalb des
Gasheaders 3, und entsprechend spiegelsymmetrisch oberhalb
des Flüssigkeitsheaders 4,
zwei dreieckige Bereiche 15 mit horizontal verlaufenden
Kanälen
angeordnet. Die Oberkante eines solchen Dreiecks 15 wird
von der halben Grundlinie des Headers 3 bzw. 4 gebildet.
Die untere Spitze des Dreiecks 15 liegt seitlich und unterhalb
des Headers 3. Der Bereich 14 zwischen den dem
Gas-Header 3 zugeordneten Dreiecken 15 und den
dem Flüssigkeits-Header 4 zugeordneten
Dreiecken 15 weist senkrechte Kanäle auf.
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Der flüssige Sauerstoff tritt im Betrieb
von unten in die senkrechte Kanäle 13 ein.
Im mittleren Bereich des Wärmetauscherblocks 1a treffen
die Kanäle 13 auf
die beiden dreieckigen Bereiche 15. Der flüssige Sauerstoff
wird durch die horizontalen Passagen 15 nach innen umgelenkt,
um dann in den senkrechten Passagen 14 nach oben zu strömen. Beim
Durchströmen
der inneren Passagen 14 und der geradlinigen Passagen 13 wird
der Sauerstoff im indirekten Wärmeaustausch
mit Stickstoff zumindest teilweise verdampft.