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Einrichtung zum abwechselnden Heizen und Kühlen von Wärmetauschern
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum abwechselnden Heizen und Kühlen von
Wärmetauschern.
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Bei manchen Fertigungsverfahren werden Apparate mit Austauschflächen
verwendet, die im Wechsel dien zu behandelnden Stoff heizen oder kühlen, z. B. Pressen,
in denen Kunstharz durch Wärme plastisch gemacht und dann durch Kühlung verfestigt
wird, oder Gefäße, in denen chemische Umsetzungen durch Wärme eingeleitet und durch
Kühlung gesteuert werden. In der Zeitspanne kurz nach dem Umstellen von Kühlen auf
Heizen oder umgekehrt steigt der Wärme- bzw. Kältebedarf durch den anfangs großen
Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeträger, im allgemeinen Wasser, und der Austauschfläche
um ein Vielfaches über den Durchschnitt an, was eine unerwünschte Verlängerung der
Behandlungszeit und Wärmeverluste nach sich zieht.
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Es ist bekannt, diese Verbrauchsspitzen zu vermindern durch Speicher,
die in den Kreislauf des Wassers geschaltet werden, und zwar durch Misch-oder durch
Verdrängungsspeicher, die Heiz- und Kühlspitzen ausgleichen, und weiterhin durch
Ruffang- und durch Wechselspeicher, die das unmittelbar nach dem Umschalten ablaufende
besonders kühle oder heiße Wasser bis zur nächsten Umstellung aus dem Kreislauf
nehmen und durch teilweise Wiederverwendung, also Rückgewinnung der Wärme den Vorwärmer
und den Kühler für das Wasser entlasten, damit an Energie sparen und die Behandlungszeit
verkürzen.
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Die bisher bekannten Ausführungen verwenden für die beiden Aufgaben
des Ausgleichens und Rückgewinnens getrennte Gefäße. Für die Rückgewinnung kennt
man drei grundsätzliche Ausführungsarten. Das Ablaufwasser wird in getrennten Gefäßen
für heißes und kühles Wasser aufgefangen, die miteinander am Boden und über dem
Wasserspiegel durch Rohre verbunden und mit Einrichtungen zur Aufrechterhaltung
eines bestimmten Druckes, sei es durch Dampf oder ein inertes Gas, versehen sind,
was eine aufwendige und wenig betriebssichere Lösung darstellt. Es ist auch bekannt,
das Ablaufwasser in mittlerer Höhe in ein Gefäß zu führen, in dem durch Schwerkraftwirkung
kühles Wasser zu Boden sinkt und wieder dem Kühlkreis zugeführt wird, bzw. heißes
Wasser nach oben steigt und wieder in den Heizkreis gelangt. Bei dieser Anordnung
sind aufwendige Vorkehrungen notwendig, damit die Schwerkraftwirkung nicht durch
Wasserströmungen aufgehoben wird.
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Bei der dritten bekannten Ausführungsart wird ein Verdrängungsspeicher
in Nebenschluß zur Ablaufleiturig gelegt, wobei durch Zusammenwirken von Rohrschaltern
kühles Wasser in den unteren, heißes in den oberen Teil des Speichers eingeleitet
und wieder abgezogen wird. Mit einer solchen Anordnung läßt sich eine optimale Wärmerückgewinnung
erzielen, da sich der kühle und heiße Abwasserstrom nicht mischen kann, unter der
Voraussetzung, daß die Anschlüsse zum richtigen Zeitpunkt umgeschaltet werden. Andernfalls
wird der Speicherraum nicht voll ausgenutzt, oder es strömt z. B. kühles Wasser
in den Vorwärmer, damit den regelmäßigen Arbeitsvorgang im Wärmeverbraucher gefährdend.
Meist wird die Umschaltung beim Erreichen bestimmter Ablauftemperaturen vorgenommen
und muß dann schnell vollzogen werden. Das bietet Schwierigkeiten wegen der Trägheit
der Thermometer und wegen dynamischer Wirkungen bei der Umschaltung der Rohrwege
zu verzögernden und beschleunigenden Wassermassen. Erschwerend kommt hinzu, daß
bei der Nebenschlußsohaltung von Wechselspeichern Vorkehrungen zum Druckausgleich
zwischen Heiz- und Kühlstromkreis zu treffen .sind.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Einrichtung zum
abwechselnden Heizen und Kühlen von Wärmetauschern zu schaffen, die die Nachteile
der bekannten Einrichtungen vermeidet, die also in optimalem Maß einen Teil der
Wärme des Ablaufwassers nach dem Umschalten nutzbar macht, die weiterhin keine besonderen
Vorkehrungen für den Druckausgleich zwischen Heiz- und Kühlkreis braucht und die
schließlich die Einrichtung vereinfacht und Wärmeverluste an die Umgebung verkleinert.
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Dies Ziel wird dadurch erreicht, daß der untere Teil des Ausgleichspeichers
als Wechselspeicher vorgesehen ist und hierzu am oberen Ende des unteren Teils eine
Heißwasserzuführleitung und am unteren Teil eine Kaltwasserzu- und -abführleitung
angeordnet
ist, die unabsperrbar mit dem Kühlstromkreis in Verbindung
steht.
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Bei der erfindungsgemäßen. Einrichtung wird heißes Wasser in den oberen
Teil des Wechselspeicherraums, das kühle in den unteren eingeleitet. Zum Unterschied
von einzelstehenden, in Nebenschluß geschalteten Wechselspeichern wird dabei die
obere Zuleitung für heißes Wasser immer gleichsinnig durchströmt, dient also nur
zur Zuleitung. Befindet sich im Wechselspeicher heißes Wasser, wird dieses durch
von unten kommendes kühles Wasser in den Ausgleichspeichernatum verdrängt.
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Die Vereinigung der beiden Speicherräume in einem e nizigen Gefäß,
über dessen Wasserspiegel sich noch der notwendige Rauaa für die Aufnahme der Volumenschwankungen
des Wassers infolge der wechselnden Temperaturen befindet, vereinfacht den Aufbau
der Anlage, erspart sonst notwendige Rohrleitungen und Rohrschalter, setzt die Wärmeverluste
aal -die Umgebung herab und ermöglicht eine unabsperrbare Verbindung über die Hauptleitung
zwischen Heiz- und Kühlkreis, also den für sicheren Betrieb notwendigen Druckausgleich
zwischen beiden Kreisen, ohne ciaß Nebenströmungen eintreten können. Weiterhin ist
bei der erfindungsgemäßen Einrichtung bei verspäteter Umschaltung des Wechselspeichers
nach dem Kühlen eine Überlastung des Vorwärmers mit der Gefahr des Zusammenbruchs
der Druckhaltung im gleichzeitig als Ausdehnungsgefäß dienenden torwärmer bzw. Ausgleichspeicher
verhindert.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Als Wärmeerzeuger dient hier ein Mischvorwärmer. Der Dampf strömt
durch die Leitung 1 in den Speicher 2. Im oberen Teil befindet sich ein Rieseleinbau
3. Eine Pumpe 4, die sogenannte Ladepumpe, fördert abgekühltes Wasser
aus dem unteren Teil des Gefäßes in den Rieseleinbau. Es erwärmt sich beim Abwärtsfallen
etwa auf die Sattdampftemperatur. Eine Pumpe 5 saugt heißes Wasser ab und drückt
es durch den Wärmetauscher 6 über die Leitung 7 in den wärmeerzeugenden Speicher
2 zurück. Wenn der Wärmetauscher 6 gekühlt werden soll, wird die Pumpe 5
stiblgesetzt, und die Pumpe 8 fördert gekühltes Wasser über den Wärmetauscher 6
im Kreislauf über den Kühler 9. Während des Kühlers läuft die Ladepumpe
4 weiter. Der Wärmeaustausch in dem Rieseleinbau 3 wird also nicht unterbrochen;
es findet ein ziemlich gleichförmiger Dampfzufluß über die Leitung 1 statt.
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Um zu verhindern, daß das im Wärmetauscher 6 zurückbbeibende Wasser
nach .dem Umschalten aufgeheizt oder gekühlt werden muß, um also Wärme zu sparen,
ist der Ausgleichspeicher 2 nach unten verlängert und erhält einen weiteren Anschluß
10 zu der Ablaufleitung vom Wärmetauscher 6 und zum Kühler 9.
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Wenn von Heizen auf Kühlen umgeschaltet wird, hält man die Pumpe 5
an und läßt die Pumpe 8 laufen. Diese Pumpe saugt über den Anschluß 10 kühles Wasser
aus dem Speicher, das zum Kühler 9 gelangt, drückt eine gleiche Menge durch den
Wärmetauscher 6 !und verdrängt damit das heiße in den Heizfiächenräumen enthaltene
Wasser über die Leitung 7 in den Speicher 2. Danach wird das Dreiwegeventil 11 so
umgestellt, daß das Wasser unmittelbar vom Wärmetauscher 6 zum Kühler 9 fließt
und über die Pumpe 8 kreist. Beim Umschalten vom Kühlen auf Heizen wird die Pumpe
8 angehalten, und die Pumpe 5 läuft. Das heiße Wasser vom Speicher 2 wird durch
den Wärmetauscher 6 gedrückt und verdrängt zunächst über das Dreiwegeventil 11 das
kühle Restwasser über den Anschluß 10 in den untersten Teil .des Speichers. Danach
wird durch Umstellung des Ventils 11 das nachkommende heiße Wasser über die Leitung
7 in den Speicher geleitet, wo es schließlich über die Ladepumpe 4 zur Wiedererwärmung
und zum Wärmeaustausch in den Rieseleinbau 3 gefördert wird. Der untere Teil des
Speichers 2 arbeitet also als Wechselspeicher, der warmes und kaltes Wasser ohne
Wärmeaustausch aufnimmt und wieder abgibt; der obere Teil dagegen arbeitet als Wärnleausgleichspeicher.
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Wärmewirtschaftlich kann es vorteilhaft sein, etwas mehr Wasser in
den Wechselspeicher laufen zu lassen, als dem Inhalt des Wärmetauschers 6 entspricht,
mit dem Ziel, Wärme zurückzugewinnen, die in den Austauschflächen um den behandelten
Stoff gespeichert ist. Es ist dann zweckmäßig, das kühle Wasser aus dem Wechselspeicher
nicht über den Kühler 9 zu führen, sondern über ein zusätzliches Dreiwegeventil
12 über die Leitung 13 unmittelbar der Kühlwasserpumpe 8 zuzuleiten.
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Wird der untere Raum doppelt so groß gemacht, als dem aufzunehmenden
Wasservolumen entspricht, so ,bleibt ständig ein Wasserpolster im Speicher als Trennschicht.
Es nimmt unter dem Einfluß .des Wärmeüberganges mit den Behälterwandungen allmählich
die mittlere Temperatur zwischen dem kühlen und dem heißen Wasser an. Dadurch werden
die Austauschverluste zwischen dem kühlen und dem heißen Wasser herabgesetzt.