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Verfahren und Vorrichtung zum unmittelbaren Wärmeaustausch zwischen
Gasen Bei vielen chemischen Prozessen muß, um z. B. kleine Reaktionszeiten zu erhalten
oder um sich der Asymptote irgendwelcher Umwandlungsvorg'änge zu nähern, die Wärmeübertragung
von Gasen bei möglichst hohen Temperaturen erfolgen. Die Festigkeitseigenschaften
der meisten Baustoffe setzen der Wärmeübertragung jedoch eine natürliche Grenze.
So gestatten selbst Strahlungsrekuperatoren keine Erwärmungen des zu erhitzenden
Gases von mehr als 900°C, wenn die die Wärme übertragende Wand metallisch ist. Die
Grenze liegt noch niedriger, wenn das Gas z. B. Eigenschaften hat, die es mit dem
Wandmaterial reagieren lassen. Bei keramischen Baustoffen können die Temperaturen
höher sein. Es ist dann aber die Rekuperatorbauweise trotz wiederholt durchgeführter
Versuche nicht anwendbar, und auch bei der Regeneratorbauweise sind bisher Aufheiztemperaturen
über 1000° C mit wirtschaftlichen Mitteln noch nie erreicht worden.
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Durch die Erfindung soll nun ein Weg gewiesen werden, um bei gleichzeitig
kontinuierlichem Betrieb von einem Gas auf ein zweites oder auch auf mehrere, bei
beliebigen Temperaturen Wärme zu übertragen, ohne daß man sich hierbei besonderer
metallischer oder keramischer Wärmeträger zu bedienen braucht. Die Erfindung besteht
darin, daß die Gase mit etwa gleichen Tangential- bzw. Winkelgeschwindigkeiten bei
gleich- oder gegenläufigen Axialgeschwindigkeiten unter Vermeidung jeglicher Trennwände
um eine gemeinsame Achse rotieren. Die mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und gleicher
Drehrichtung um eine gemeinsame Achse rotierenden Gase vermischen sich nur wenig
bzw. nach verhältnismäßig langer Zeit. Hierbei ist die Diffusionszeit um so länger,
je größer das Verhältnis von Tangential- zur Axialgeschwindigkeit ist, wobei sogar
die Axialgeschwindigkeiten der einzelnen Gasgruppen entgegengesetzt gerichtet sein
können. Die geringste Diffusion erhält man naturgemäß, wenn außer den Winkelgeschwindigkeiten
der Gase untereinander auch deren Axialgeschwindigkeiten gleich und gleichsinnig
sind.
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Leitet man somit in einen Zylinder, in dessen Boden sich zwei oder
mehr konzentrisch angeordnete ringförmige Leitsysteme befinden, durch diese Leitsysteme
zwei oder mehr Gase mit Strömungsrichtungen und Geschwindigkeiten ein, die den obengenannten
Bedingungen entsprechen, so wird man am Ende des Zylinders über entsprechende Auffangvorrichtungen
bei bestimmter Zylinderlänge die Gase praktisch unvermischt wieder ableiten können.
Hierbei spielt das spezifische Gewicht der Gase keine wesentliche Rolle. Ein Vermischen
der Gase wird bei geeigneter Abstimmung der Düsenform der Leitsysteme und des Zuführungsdruckes
vielmehr auch dann vermieden, wenn man das spezifische schwerere Gas durch das innere
Leitsystem einleitet. Haben die Gase verschiedene Temperaturen, so wird Wärme von
dem einen auf das andere Gas übergehen. Hierbei sind irgendwelche die Gase trennenden
Wände nicht erforderlich, und der Wärmeübertragungsvorgang kann bei beliebigen Temperaturen
vor sich gehen.
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Die aus diesem Grundgedanken sich ergebenden konstruktiven Möglichkeiten
werden an Hand von drei Beispielen erläutert: In Fig. 1 bezeichnet a ein aus feuerfesten
Baustoffen und mit der nötigen Isolierung umkleidetes zylindrisches Gefäß. In diesem
befindet sich ein zur Steigerung der Innenstrahlung eingebauter, ebenfalls aus feuerfestem
Material bestehender Innenzylinder b. Den Boden des zylindrischen Gefäßes a bilden
zwei konzentrisch zueinander angeordnete ringförmige Leitsysteme c und d. Dem Leitsystem
c wird das Gas durch das Innere e des Innenzylinders b zugeführt, dem Leitsystem
d durch eine Außenringdüse f. Beide Gase werden nun bei entsprechender
Druckregelung und Düsengestaltung so eingeleitet, daß ihre Winkel-und
möglichst
auch ihre Axialgeschwindigkeiten untereinander gleich sind. Betrachtet man den Verlauf
von Gaspartikeln, die zu einem beliebigen Zeitpunkt auf einem Radius liegen, so
erhält man eine Spirale, wie sie in Fig. 1 eingezeichnet ist. Wie eingangs erwähnt,
werden sich bei Einhaltung der Grundbedingungen die beiden Gasgruppen GI und GI,
nicht oder nur unwesentlich vermischen, wobei der gedachte Mantel T die ideelle
Trennfläche bildet. Die beiden Gase werden aufgefangen durch zwei Ringkanäle g und
h, die beiderseits der Trennfläche liegen.
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Bei größeren Zylinderlängen läßt sich, wie erwähnt, eine gewisse Diffusion
der Gase längs der gedachten Trennfläche T nicht vermeiden, und die tatsächliche
Trennfläche wird ein Raum sein, der in der Fig. 1 durch die Schnittlinien TI und
TI, gekennzeichnet ist. Zum Abfangen dieser Gasmengen könnte man zwischen die Ringkanäle
g und h noch einen dritten, in Fig.2 mit m bezeichneten Absaugkanal vorsehen, wobei
in Wirklichkeit die gedachte Trennfläche nicht parallel zur Zylinderwand, sondern
unter einem Winkel hierzu verlaufen kann, je nach der Expansion des einen bzw. Kontraktion
des anderen Gases. Auch können die Zylinder selbst sich nach oben erweitern oder
verengen.
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Weitere Maßnahmen dienen dazu, die Winkelgeschwindigkeiten der Gase
untereinander gleich und damit die Diffusion zwischen den Gasen klein zu halten.
Man kann z. B. Gase über gemeinsame sich drehende ringförmige Leitsysteme einleiten.
In Fig. 1 sind zu diesem Zweck die Leitsysteme c und d auf einer Scheibe angeordnet,
die um die Achse k rotiert. Läßt man im Grenzfalle die Scheibe mit der den Gasen
zugedachten Winkelgeschwindigkeit rotieren, so brauchen die Gase untereinander nur
auf die Drücke reguliert zu werden, die den an sich geringen Axialgeschwindigkeiten
entsprechen. Strömen die Gase axial gegenläufig, so müssen naturgemäß das eine Leitsystem
an einem, das andere am anderen Ende des Zylinders angeordnet und beide durch eine
gemeinsame Welle oder Antrieb verbunden werden.
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In vorteilhafter Weise kann man ferner Gase durch den Innenzylinder
oder -kegel abziehen oder zuführen. In Fig. 2 ist ein aus porösem Material oder
mit Löchern oder Schlitzen versehener Innenkegel t vorgesehen. Durch diesen Innenkegel
wird laufend ein Teil des einen Gases zum Auslaßkanai g hin abgesaugt, wodurch als
die Strömung verbessernde Maßnahme zunächst einmal die Grenzschicht beseitigt wird.
Gleichzeitig aber tritt auch eine Temperatursteigerung in den Poren des Innenkegels
auf, wenn in dem den Innenkegel umströmenden Gas eine Verbrennung vor sich geht.
Durch die Strahlung des erhitzten Innenkegels wird dann der Wärmeaustausch zwischen
den Gasen unterstützt. Dasselbe kann naturgemäß auch am Außenzylinder a geschehen.
Die übrigen Bezeichnungen der Fig. 2 -entsprechen denen der Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der drei Gase zur Anwendung kommen.
Das eine Gas strömt bei f ein und gelangt von dort in das Leitsystem d. Ähnlich
tritt das dritte Gas über n in das mittlere Leitsystem i. Das zweite Gas wird bei
dieser Anordnung über die Düsen p, die in einem Innenkegel b nebeneinander angeordnet
sind, zugesetzt. Der Innenkegel b kann mit den Leitsystemen d und i zusammen wiederum
um die Achse k rotieren. Diffundiert das dritte Gas in die beiden anderen, über
das Leitsystem d bzw. die Düsen p eingeleiteten Gase, so wird die Diffusion innerhalb
eines Raumes verlaufen, der etwa durch den Kegel b und die Linie
T begrenzt sein wird. Den Diffusionsgrad selbst kann man, falls erforderlich,
z. B. durch entsprechende Geschwindigkeitsdifferenzen der Gase untereinander weitgehend
regeln. Natürlich kann auch bei Verwendung von drei Gasen das zweite so zugeführt
werden, wie es bei Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.
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Wie bereits erwähnt, können die Gase nicht nur in gleicher axialer
Richtung, sondern auch bei gleichsinniger Tangentialbewegung in Achsrichtung entgegengesetzt
strömen. Hiervon wird man vorzugsweise dann Gebrauch machen, wenn aus wärmewirtschaftlichen
Gründen auf eine Wärmeübertragung im Gegenstrom Wert gelegt werden muß.
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Auch kann der Außenzylinder a stets die gleichen Funktionen übernehmen
wie der Innenkegel t in Fig. 2 oder der Innenkegel b in Fig. 3. Der Innenzylinder
b in Fig. 1 und 2 kann auch dünnwandig und mit Innenrippen versehen sein, um das
bei e einströmende Gas vorzuwärmen und die Innenflächen des Zylinders zu kühlen.
Das gleiche kann auch mit dem Außenzylinder a bezüglich Vorwärmung des über f und
d einströmenden Gases geschehen.
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Das sich an dem hier beschriebenen Strömungswärmetauscher andere Wärmetauscher
anschließen müssen oder können, um die Wärme im niedrigen Temperaturbereich auszutauschen,
soll nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden.