DE1035675B - Kanalfoermiger Waermeaustauscher zum Ausscheiden von in einem Gas vorhandenen Bestandteilen durch Abkuehlung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen kanalförmigen Wärmeaustauscher zum Ausscheiden von in einem Gas vorhandenen Bestandteilen durch Abkühlung, der eine Abfuhr- und eine Zufuhröffnung für das Gas und eine Anzahl in der Bahn des Gases befindlicher vorstehender Teile aufweist, die auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet sind, wobei im Betrieb des Wärmeaustauschers bei wenigstens einer Anzahl dieser vorstehenden Teile oder Gruppen dieser vorstehenden Teile zwischen aufeinanderfolgenden Teilen oder Gruppen von der warmen Seite her zu der kalten Seite eine Abnahme der mittleren Temperatur von höchstens 20° C besteht. Wenn hier von einem Gas die Rede ist, so soll darunter auch ein Dampf oder ein Gasgemisch verstanden werden.

Ein derartiger Wärmeaustauscher kann beispielsweise zum Beseitigen von Wasserdampf und Kohlensäure aus Luft Verwendung finden. Dies kann erwünscht sein, wenn Luft in Fraktionen getrennt oder verdichtet werden muß. Es gibt jedoch auch bei anderen Gasen, z. B. Erdgas, Bestandteile, die durch Ausfrieren entfernt werden können. Bei Wärmeaustauschern dieser Art häufen sich die Ausscheidungsprodukte im Wärmeaustauscher an, so daß dieser über kurz oder lang verstopft wird. Nach Entfernung der Ausscheidungsprodukte, beispielsweise durch Erhitzung, kann der Wärmeaustauscher erneut in Betrieb gesetzt werden. Die zum Beseitigen der Verunreinigungen erforderliche Zeit ist verloren, und die Erfindung bezweckt, einen Wärmeaustauscher der vorerwähnten Art so zu bauen, daß im Vergleich zum bekannten Wärmeaustauscher eine größere Menge von Verunreinigungen ausgefroren werden kann.

Gemäß der Erfindung besitzen wenigstens eine Anzahl der in der Bahn des Gases befindlichen vorstehenden Teile einen derartigen Wärmewiderstand, daß im Betrieb das dem Träger abgewandte Ende eine um mindestens 5° C höhere Temperatur aufweist, als an der Stelle der Befestigung am gemeinsamen Trägerelement herrscht. Der Wärmewiderstand eines vorstehenden Teiles ist von der Wärmeleitung des Materials und von den Abmessungen dieses Teiles abhängig. Bei einer Anzahl der vorstehenden Teile, auf denen die Bestandteile abgeschieden werden, ergibt sich somit eine verhältnismäßig erhebliche Temperaturdifferenz auf der Höhe des Teiles und somit quer zum Trägerelement, dies im Gegensatz zu den bekannten Wärmeaustauschern, bei denen eine solche Temperaturdifferenz über die Teile nicht vorliegt. Wie dies nachstehend näher erläutert wird, können infolge dieser verhältnismäßig erheblichen Temperaturdifferenz mehr Verunreinigungen im Wärmeaustauscher gespeichert werden, als es ohne diese Temperaturdifferenz der Fall sein würde. Vorzugs-Kanalförmiger Wärmeaustauscher

zum Ausscheiden von in einem Gas

vorhandenen Bestandteilen

durch Abkühlung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt,
München 5, Erhardtstr. 11

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 5. November 1955

Albert Teunis Bloem, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

weise ist die Temperaturdifferenz auf einem vorstehenden Teil nicht übermäßig groß, beispielsweise nicht mehr als 30° C, weil sonst der Wärmeaustauscher zu umfangreich werden kann. Gemäß einer baulich einfachen Ausführungsform bestehen die vorstehenden Teile aus Stiften.

Das Trägerelement kann eine Scheidewand zwischen zwei Räumen sein, in denen Mittel mit verschiedenen Temperaturen strömen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein in Fraktionen zu trennendes Gasgemisch in wärmeaustauschender Berührung mit wenigstens einer der gebildeten Fraktionen ist. Manchmal ist es jedoch erwünscht, daß die dem Gas oder dem Gasgemisch zugeführte Kältemenge von sich auf das Mittel selbst beziehenden Umständen, d. h. von der Menge an zugeführtem Mittel oder den Fraktionen, aus denen es zusammengesetzt ist, unabhängig ist. Insbesondere in diesem Falle ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung möglich, daß das Trägerelement auf einer Seite in wärmeaustauschender Berührung mit einem in einem Raum befindlichen Kühlmittel steht. Dieses Kühlmittel kann das Arbeitsmittel einer Kältemaschine sein, beispiels-

So weise einer Kaltgaskältemaschine.

Ferner hat sich herausgestellt, daß es, wenn der Wärmeaustauscher Wasserdampf und Kohlensäure aus Luft beseitigen soll, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erwünscht ist, daß der

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für den Wasserdampf bestimmte Teil des Wärmeaustauschers wenigstens im wesentlichen horizontal und der für die Kohlensäure bestimmte Teil im wesentlichen vertikal angeordnet ist.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 stellen eine Ausführungsform dar, bei der die vorstehenden Teile aus Stiften bestehen. Dabei ist Fig. 1 ein Längsschnitt gemäß der Linie I-I der Fig. 2 und Fig. 2 ein Querschnitt gemäß der Linie H-II der Fig. 1.

Die Fig. 3 und 4 stellen eine Ausführungsform dar, bei der die vorstehenden Teile aus mit Schlitzen versehenen Rippen bestehen. Dabei ist Fig. 3 ein Längsschnitt durch den Wärmeaustauscher gemäß der Linie III-III der Fig. 4 und Fig. 4 ein Querschnitt gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen Wärmeaustauscher, bei dem ein Teil im wesentlichen horizontal und ein anderer Teil im wesentlichen vertikal angeordnet ist.

Der Wärmeaustauscher nach den Fig. 1 und 2 besteht aus einem Träger, der mit vorstehenden Teilen 2, wie beispielsweise Stiften, versehen ist. Durch eine Isolierwand 3 ergibt sich ein Kanal 4 für das Gasgemisch, wobei die vorstehenden Teil 2 sich in der Bahn des Gasgemisches befinden. Der Wärmeaustauscher weist eine Zufuhröffnung 5 und eine Abfuhröffnung 6 für das abzukühlende Gasgemisch auf. Der Träger 1 ist an einem Ende: in wärmeaustauschender Berührung mit einer in einem Raum 7 befindlichen Kühlflüssigkeit, beispielsweise flüssigem Stickstoff. Durch die Wärme, die dem' abzukühlenden Gas entzogen und über die Stifte 2 und den Träger 1 der Flüssigkeit im Raum 7 zugeführt wird, verdampft diese Flüssigkeit, wonach der Dampf durch eine Leitung 8 einer nicht dargestellten Kältequelle zugeführt werden kann, um wieder verdichtet zu werden. Das von der Kältequelle erzeugte Kondensat kann dann durch eine Leitung 9 erneut dem Raum 7 zugeführt werden. Als Kältequelle kann beispielsweise eine Kaltgaskältemaschine benutzt werden, obgleich selbstverständlich jede andere geeignete Kältequelle Verwendung finden kann.

Das Trägerelement hat im Normalbetrieb einen derartigen Wärmewiderstand oder ist aus derartigem Material hergestellt, daß zwischen den mittleren Temperaturen der Stifte 2 eine mittlere Temperaturdifferenz von höchstens 20° C besteht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die mittlere Temperatur der Reihe von vorstehenden Teilen 2 α um höchstens 10° C höher als die der Reihe 2 b, die ihrerseits wieder um 10⁰C höher als die der Reihe2c ist, usw. Hierbei ist die mittlere Temperatur das arithmetische Mittel der Temperatur an einem Ende 10 eines vorstehenden Teiles und der Temperatur an der Stelle 11, an der er am Träger 1 befestigt ist. Der Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Punkten beträgt bei jedem vorstehenden Teil mindestens 5° C und vorzugsweise höchstens 30° C, bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise 19° C.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Das Gas oder das Gasgemisch wird durch die öffnung 5 einem Wärmeaustauscher zugeführt, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Gebläses. Wenn das Gasgemisch Luft ist, enthält es als unerwünschte Bestandteile Wasserdampf und Kohlensäure. Die Luft gelangt in Berührung mit den Stiften 2, die am unteren Ende am kältesten sind, wobei die Luft abgekühlt wird und sich Wasser bilden kann. In einem gewissen Augenblick strömt die Luft an den Stiften entlang, die am unteren Ende bereits eine sehr niedrige Temperatur haben, so daß der Wasserdampf aus der Luft nach Kondensation auf vorhergehenden Stiften auf dem unteren Teil dieser Stifte ausfriert. Nach einiger Zeit ist jedoch eine so große Menge Eis 12, wie sie durch gestrichelte Linien in der Fig. 1 angegeben ist, auf der unteren Seite der Stifte 7 ausgefroren, daß die Luft gezwungen wird, an der Oberseite dieser Stifte entlang

ίο zu strömen. Infolgedessen streicht somit an diesem Teil der Stifte mehr Luft entlang, so daß mehr Wärme an die Stifte abgegeben wird. Hierdurch schmilzt ein Teil des auf den Stiften befindlichen Eises, und das gebildete Wasser fließt herunter, wonach es entweder abgeführt werden kann oder gefriert, wiederum an dem kälteren unteren Ende der Stifte. Die an dem oberen Ende der Stifte entlang strömende Luft gelangt etwas weiter nach rechts mit anderen Stiften in Berührung, deren Temperatur niedrig genug ist, um Eis abzusetzen, so daß sich auf dem oberen Ende dieser Stifte eine Eismenge 13 absetzt, die in der Figur durch Punktstrichlinien angegeben ist. Wenn der Durchgang auf der Oberseite dieser Stifte verstopft wird, wird die Luft gezwungen, in diesem Teil an der Unterseite der Stifte vorbeizuströmen. Erst wenn auch dieser Durchgang gesperrt ist, ist der Eisausscheider verstopft.

In dem weiter rechts liegenden Teil des Eisausscheiders kann, wenn dies erforderlich ist und die Stifte eine ausreichend niedrige Temperatur aufweisen, auf ähnliche Weise die in der Luft vorhandene Kohlensäure ausgeschieden werden.

Der Wärmeaustauscher gemäß Fig. 3 und 4 arbeitet nach dem gleichen Prinzip; deshalb sind diejenigen den Fig. 1 und 2 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In diesem Falle jedoch steht das abzukühlende Gas, das dem Wärmeaustauscher durch die öffnung 5 zugeführt wird und ihn durch die öffnung 6 hindurch wieder verläßt, über einen Träger 14 in wärmeaustauschender Berührung mit einem kalten Mittel, das dem Wärmeaustauscher durch eine öffnung 15 zugeführt wird und ihn durch die öffnung 16 verläßt. Auf dem Träger 14 sind eine Anzahl plattenförmiger vorstehender Teile 17 mit schlitzförmigen öffnungen 18 angebracht. Das durch die öffnung 15 dem Wärmeaustauscher zugeführte kalte Mittel strömt an vorstehenden Teilen 19 entlang, die gleichfalls auf dem Träger befestigt sind, und steht so in wärmeaustauschender Berührung mit dem abzukühlenden Gas. Auch in diesem Falle ist der Wärmewiderstand des Trägerelementes 14 so gewählt, daß zwischen den aufeinanderfolgenden Teilen 17, auf denen die Bestandteile des Gases ausgeschieden werden, eine mittlere Temperaturdifferenz von höchstens 20° C besteht. Außerdem ergibt sich im normalen Betrieb des Wärmeaustauschers auf der Höhe der vorstehenden Teile ein Temperaturgefälle von 5° C. Dieser Wärmeaustauscher kann Verwendung finden, wenn in Fraktionen zu trennende Luft gereinigt werden muß, wobei die Abkühlung durch wärmeaustauschende Berührung mit einer der in der Gastrennanlage gebildeten Fraktionen, beispielsweise Stickstoff, erfolgt. Auf ähnliche Weise, wie dies bei Fig. 1 erläutert ist, bildet sich Eis am unteren Ende der Teile 17, wenn sie eine ausreichend niedrige Temperatur aufweisen. Wenn das Gasgemisch nachher gezwungen wird, an dem oberen Ende der vorstehenden Teile vofbeizuströmen, welche oberen Teile, wie dies im vorstehenden erläutert ist, eine höhere Temperatur aufweisen, schmilzt dieses Eis teilweise wieder ab.

Das wenige Wasser, das nicht gefriert, kann durch einige kleine öffnungen 20 abgeführt werden.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Bauart verläuft ein Teil 21, in dem der Wasserdampf ausgeschieden wird, etwas schräg, während ein Teil 22, in dem die Kohlensäure ausgeschieden wird, sich in vertikaler Richtung erstreckt. Auch bei dieser Ausführungsform steht der Träger 1 in wärmeaustauschender Berührung mit einem Mittel mit niedriger Temperatur, das sich in einem Raum 7 befindet. Auf dem Träger 1 sind eine Anzahl einen, spitzen Winkel mit ihm einschließender Stifte 23 angeordnet, die sich bis zu einer Wand 24 erstrecken; auch bei dieser Ausführungsform ist das Temperaturgefälle an jedem Stift wenigstens 5° C. Infolge der schrägen Anordnung der Stifte ist die Nutzoberfläche bei gleichem Temperaturgefälle auf einem Stift größer als bei senkrecht angeordneten Stiften, während es außerdem auf baulich einfache Weise möglich ist, die Ecke, wo die Teile 21 und 22 ineinander übergehen, mit Stiften zu füllen. Im allgemeinen ist es unerwünscht, daß der Teil 21 des Wärmeaustauschers, in dem das Wasser ausgeschieden wird, zu sehr von der horizontalen Lage abweicht, um zu verhüten, daß das abschmelzende Wasser sich unten im Wärmeaustauscher sammelt und beim Heruntertropfen von den Stiften auf eine Eismenge fällt. Selbstverständlich ist es auch möglich, mit Hilfe eines besonderen Baues dieses heruntertröpfelnde Wasser abzuführen, im allgemeinen würde dies jedoch eine zusätzliche Verwicklung für den Wärmeaustauscher bedeuten. Bei der Kohlensäure ist diese Gefahr nicht zu befürchten und ist es gerade erwünscht, daß sich das abzukühlende Gas in vertikaler Richtung bewegt, damit beim Anheizen die Kohlensäure leicht entweichen kann.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Kanalförmiger Wärmeaustauscher zum Ausscheiden von in einem Gas vorhandenen Bestandteilen durch Abkühlung, der im Kanal eine Anzahl nacheinander vom durchfließenden Gas angeströmt werdender, frei in den Kanal hineinragender, vorstehender Teile aufweist, die mit einem gemeinsamen Träger verbunden sind, welcher mit einer Kühlquelle in Verbindung steht und derart dimensioniert ist, daß in Längsrichtung des Trägers im Betrieb ein solches Temperaturgefälle auftritt, daß bei wenigstens einer Anzahl der vorstehenden Teile oder Gruppen dieser Teile vom warmen Ende des Trägers her zu dessen kaltem Ende zwischen aufeinanderfolgenden Teilen oder Gruppen derselben eine Abnahme der mittleren Temperatur von höchstens 20° C besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen und die Wärmeleitung wenigstens einer Anzahl der vorstehenden Teile derart gewählt sind, daß im Betrieb das freie Ende des Teiles eine um mindestens 5° C höhere Temperatur aufweist, als an der Stelle (11) der Befestigung am gemeinsamen Träger (1, 14) herrscht.

2. Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehenden Teile aus Stiften (2, 23) bestehen.

3. Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) an seinem kalten Ende in wärmeaustauschender Berührung mit einem für das Unterbringen eines Kühlmittels, wie flüssiges Gas, eingerichteten Raum (7) steht.

4. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Beseitigen von Wasserdampf und Kohlensäure aus Luft, dadurch gekennzeichnet, daß der für das Ausfrieren des Wasserdampfes bestimmte Teil (21) des Wärmeaustauschers wenigstens im wesentlichen horizontal und der für das Ausfrieren der Kohlensäure bestimmte Teil (22) im wesentlichen vertikal verläuft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 663 170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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