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Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung des Festwerdens von Salzschmelzen
in Rohrsystemen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Verhinderung des Festwerdens von Salzschmelzen in Rohrsystemen,
die als Wärmeübertrager dienen. Gemische anorganischer Salze, im allgemeinen Eutektika,
z. B. ein Gemisch aus 40 Gewichtsprozent Natriumnitrit, 7 Gewichtsprozent Natriumnitrat
und 50 Gewichtsprozent Kaliumnitrat, bieten als Wärmeaustausch.. mittel bzw. Wärmeträger
zahlreiche Vorteile, wie unter anderem Widerstandsfähigkeit gegen Hydrolyse und
hohe Wärmeleitfähigkeit. Jedoch ist ihre Verwendung in Umlaufsystemen wegen der
Schwierigkeit der Inbetriebnahme, ausgehend vom kalten, festen Zustand der Salze,
bisher beschränkt geblieben.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Verhinderung
des Festwerdens von Salzschmelzen., welche als Wärmeübertrager in Rohrsystemen zirkulieren,
wobei das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man der erhitzten,
wasserfreien Salzschmelze beim Abkühlen Wasser bzw. Wasserdampf so lange zu-. setzt,
bis eine verdünnte Salzlösung resultiert, welche nach dem Erkalten im Rohrsystem
flüssig bleibt, und daß man dieser erkalteten, verdünnten Salzlösung ihren Wassergehalt
bei erneutem Erhitzen durch Verdampfen wieder entzieht, bis die wasserfreie Salzschmelze
wiederhergestellt ist.
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Bei Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Wärmeaustausch
mittels einer zirkulierenden Salzschmelze, welche sich bei Raumtemperatur in festem
Zustand befindet und welcher man als Lösungsmittel Wasser oder Wasserdampf unter
ausreichendem Druck und in ausreichender Menge beigibt, damit der flüssige Aggregatzustand
im Umlaufsystem beim Abkühlen erhalten bleibt, und das man, gleichfalls unter ausreichendem
Druck, Lösungsmittel durch Verdampfen entzieht, um den flüssigen Aggregatzustand
beim Erwärmen des Wärmeaustauschmediums aufrechtzuerhalten.
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Zweckmäßig pumpt man das Lösungsmittel bei Bedarf aus einem Lösungsmittelbehälter
in einen im Umlaufsystem eingebauten Wärmeträgerbehälter und führt es aus letzterem
in Dampfform wieder in den Lösungsmittelbehälter zurück, während das System abgekühlt
wird. Wenn erwünscht, kann während des Abkühlens ein Teil des Wärmeträgers einem
Speicherbehälter zugeführt werden, in dem der Wärmeträger erstarrt. Anschließend
kann er unter Erwärmen mit oder ohne Hilfe des Lösungsmittels geschmolzen und in
das Umlaufsystem zurückgeführt werden. In einem solchen Fall kann das Fassungsvermögen
des Wärmeträgerbehälters geringer sein, weil bei Abkühlung auf Raumtemperatur der
Wärmeträger nicht mit Lösungsmitel verdünnt bzw. nicht so stark verdünnt zu werden
braucht.
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Zum Gegenstand der Erfindung zählt auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens. Diese Vorrichtung kennzeichnet sich durch einen
Behälter für das Lösungsmittel, der mit dem Wärmeträgerbehälter durch je eine Rohrleitung
der Anlage verbunden ist, wobei die erstere Rohrleitung mit einem Druckbegrenzungsventil
ausgestattet ist, während die letztere eine Pumpe aufweist und am unteren Teil des
Behälters für das Lösungsmittel und am oberen Teil des Wärmeträgerbehälters angeschlossen
ist.
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Diese Vorrichtung kann auch einen zusätzlichen, beheizbaren Wärmeträger-Speicherbehälter
aufweisen.
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Auch kann bei der Vorrichtung der Wärmeträgerbehälter mit einem oder
mehreren Anschlüssen zum Ein- und Auslassen von Dampf unter Druck ausgestattet sein.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist ein Umlaufsystem für den Wärmeträger unter Einbeziehung eines Wärmeträgerbehälters
sowie einen Behälter für verdampfbares Lösungsmittel auf, wobei die beiden Behälter
untereinander
mit einer Dampfleitung und einer Flüssigkeitsleitung mit eingebauter Pumpe zur-Beförderung
des Lösungsmittels zum Wärmeträger verbunden sind. Die Flüssigkeitsleitung führt
vorzugsweise vom unteren Teil des Lösungsmittelbehälters zum oberen Teil des Wärmeträgerbehälters,
wo die Leitung in -einer oder -mehreren Düsen zum Berieseln des Wärmeträgers
enden kann. Im allgemeinen wird die Dampfleitung mit einem Ventil versehen, welches
sich öffnet, wenn der Dampfdruck einen bestimmten Wert erreicht. Dieser bestimmte
Wert wird vorher so festgelegt, daß er jenem Druckwert entspricht, welcher zur Aufrechterhaltung
des flüssigen Aggregatzustandes der Mischung aus Wärmeträger und Lösungsmittel notwendig
ist. Dieser Wert ist bei Temperaturen oberhalb des Siedepunktes der Mischung im
allgemeinen höher als Atmosphäreridrück.
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Die Vorrichtung--zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann auch einen Speicherbehälter für den Wärmeträger aufweisen, wobei der Speicherbehälter
mit dem Wärmeträgerbehälter durch ein Rohr zum Flüssigkeitsdurchlaß verbundenist.
Zum Speicherbehälter zählt eine Einrichtung zum Schmelzen seines Inhalts beim Anwärmen
des Umlaufsystems. Diese Einrichtung weist zweckmäßig eine mit Ventil. versehene
Dampfleitung auf, welche Speicherbehälter und Wärmeträgerbehälter miteinander verbindet.
Es kann ferner eine zweite Dampfleitung in Form_ einer mit beiden Enden am Wärmeträgerbehälter
verbundenen, bei Bedarf mit einem eingebauten Ventil versehenen Schleife vorgesehen
sein, die durch. den Speicherbehälter und mindestens durch einen diesem benachbarten
Teil des Verbindungsrohres hindurchgeführt ist und als Heizrohr dient.
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Der Lösungsmittelbehälter ist zweckmäßig mit einer inneren- Kühleinrichtung,
z. B. einer Kühlwasserschlange, ausgestattet.
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F i g. 1 und 2 der Zeichnungen veranschaulichen je ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Nach F i g. 1 ist ein _Wärmeträgerbehälter 1 vorgesehen, der mittels
einer Flüssigkeitsleitung 2 an eine Umwälzpumpe 3 und eine Heizvorrichtung 4 angeschlossen
ist. Eine Schleifenleitung 5 führt von der Heizvorrichtung 4 zurück zum Behälter
1. Mittels nicht dargestellter Abzweigungen unter Umgehung der Schleife 5 können
chemische Reaktionsgefäße oder andere Geräte zwecks Kühlung oder Erwärmung in herkömmlicher
Weise in Parallelschaltung mit Wärmeaustauschmittel versorgt werden. Eine Dampfleitung
6 verbindet den oberen Teil des Behälters 1 mit dem oberen Teil eines Vorratsbehälters
7 für das verdampfbare Lösungsmittel des als Wärmeträger verwendeten Salzes bzw.
Salzgemisches. Die Leitung 6 ist mit einem Druckbegrenzungsventil8 ausgestattet,
welches sich öffnet, wenn der Druck im Behälter 1 einen vorher festgelegten Wert
erreicht. Das Ventil 8 ist mit einem Druckmeßgerät 9 verbunden. Der untere Teil
des Behälters 7 steht über eine Flüssigkeitsleitung 10 und eine Pumpe 11 mit einem
Berieselungsring 12 im oberen Teil des Behälters 1 in Verbindung. Ein Schlangenrohr
13 für Kühlwasser ist innerhalb- des Behälters 7 eingebaut. Der Behälter 7 ist auch
mit einem Entspannungsventil 14 ausgestattet.
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Im Ruhezustand ist der Behälter 1 mit einer wäßrigen Lösung eines
geeigneten Salzgemisches gefüllt. Die Pumpe 3 wird angestellt und die Heizvorrichtung
4 in Betrieb gesetzt. Wenn die Temperatur der Lösung auf ihren Siedepunkt ansteigt,
erreicht der Druck im Behälter 1 einen Wert von-0,7 atü.. Bei überschreiten-dieses
,'Wertes öffnet sich das Ventil 8 und' gestattet das Einströmen-von Dampf in den
Behälter 7. Mit Hilfe der Kühlschlange 13 wird der Dampf dort kondensiert. Während
die Temperatur steigt, wird dem zirkulierenden Wärmeträger fortschreitend Wasser
entzogen, welches im Behälter 7 kondensiert, bis der Schmelzpunkt des Salzgemenges
erreicht ist. Oberhalb dieses Punktes ist der zirkulierende Wärmeträger im wesentlichen
wasserfrei.
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Zum- Außerbetriebsetzen--des Geräte wird-Kübl= wasser durch die Rohrschlange
13 geschickt und die Pumpe 11 betrieben, um dem Behälter 1 Wasser zuzuführen. Beim
Berieseln des geschmolzenen-Wärmeaustauschmittels mit diesem Wasser wird ein Teil
des Wassers absorbiert und der Rest verdampft. Der verdampfte Rest kehrt über die
Leitung 6 zum' Behälter 7 zurück. Im Behälter 1 wird ein Druck von etwa 0,7 atü
automatisch aufrechterhalten, bis die Temperatur auf unter 100° C abgesunken ist.
Bei dieser Temperatur hört das Sieden auf,. und nun kann die ganze Wassermenge aus
dem Behälter 7 in die Salzlösung gepumpt werden, um den flüssigen. Aggregatzustand
auch bei weiterer Abkühlung aufrechtzuerhalten.
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Der Wasserbedarf hängt von der Temperatur der umgebenden Luft ab.
Wenn die Temperatur etwas über 20° C beträgt, kann eine Konzentration des Salzgemenges
von 71 g je 100 cms im Falle des oben beschriebenen Salzgemenges aufrechterhalten
werden. Das Volumen der Lösung ist nahezu das Dreifache des Volumens des Gemenges
im geschmolzenen Zu-, stand. Zum Beispiel muß bei einem Fassungsvermögen des Umlaufsystems
von 1001 (einschließlich 'des unteren -Teiles des Behälters 1) ein Gesamtfassungsvermögen
von etwa 3001 bereitgestellt werden, was einem Behälter 1 von etwa 2001 Fassungsvermögen
entspricht.
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Verwendet man als Wärmeträger das eingangs angegebene eutektische
Salzgemisch aus Natriumnitrit, Natriumnitrat und Kaliumnitrat mit einem Schmelzpunkt
von etwa 220° C, so resultiert beim Auftreffen von Wasser auf die Schmelze theoretisch
ein Dampfdruck von etwa 24 atü. Bei der hier veranschaulichten Arbeitsweise ist
jedoch der Druck im Wärmeträgerbehälter 1 durch das Druckbegrenzungsventil 8 auf
0,7 atü beschränkt. Abkühlungs- und Lösungsvorgang erfolgen also bei diesem niedrigen
Druck, weshalb es nicht erforderlich ist, die Vorrichtung als Hochdruckanlage zu
bauen.
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Beim Auftreffen von Wassertropfen auf die Salzschmelze sind die Tropfen
stets durch eine Dampfschicht von der heißen Schmelze getrennt, so daß letztere
nur mit dampfförmigem Wasser reagiert. Daher ist es gleichgültig, ob das Wasser
in flüssigem oder dampfförmigem Aggregatzustand in den Wärmeträgerbehälter 1 gelangt.
Die Wassertropfen werden durch das geringe Wärmeleitvermögen des Wasserdampfes verhältnismäßig
langsam erwärmt und zerplatzen, wenn sie eine Temperatur von 100° C erreicht haben.
Dadurch entstehen lokale Druckerhöhungen; die aber, wenn sie über den ganzen Behälter
auf 0,7 atü summiert haben, durch das in der vorliegenden Anordnung vorgesehene
Ventil 8 ausgeglichen werden. Ein gesättigter Wasserdampf,
der bei
etwa 220° C einen Druck von etwa 24 atü ausüben würde, entsteht also praktisch nicht,
weil ihm schon vorher ein großes Volumen freigegeben wird.
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Diese geringe Druckerhöhung von 0,7 atü bringt nun eine Erhöhung der
Wasserdampfkonzentration mit sich, die bei abnehmender Temperatur wächst., Nach
dem Massenwirkungsgesetz gilt dann:
| Cal 0 ' CSchmelze - const. (temperaturabhängig) |
| CLösung |
Durch das Erhöhen der Konzentration C$2 0 wird obiges Gleichgewicht also gestört
und muß sich zugunsten von CLö,ung neu einstellen. Es muß also mehr Wasser in die
Lösung gehen. So ensteht zunächst eine ungesättigte Lösung von Wasser in Salz bzw.
eigentlich eine An- oder Einlagerung, die dann kontinuierlich bei weiterer Abkühlung
und Wasserzufuhr in eine ungesättigte Lösung von Salz in Wasser übergeht.
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F i g. 2 zeigt ein abgewandeltes System, bei welchem ein geringeres
Fassungsvermögen des Wärmeträgerbehälters ausreicht, denen Teile der F i g. 1 entsprechen,
tragen die gleichen Bezugszeichen. Zusätzlich zum Behälter 1 ist ein Wärmeträger-Speicherbehälter
15 vorgesehen, dessen Boden durch ein Rohr 16 mit dem unteren Teil des Behälters
1 in Verbindung steht. Das Rohr 16 weist ein Absperrventil 17 auf. Eine Dampfleitung
18 führt vom Behälter 15 über ein Absperrventil 19 zur Leitung 6. In der Leitung
6 ist ein Absperrventil 20 vorgesehen. Eine Dampfschleifenleitung 21 ist mit beiden
Enden am Behälter 1 angeschlossen. Sie führt über ein Absperrventil 22 in das Innere
des Behälters 15, von dort ein Stück konzentrisch innerhalb der Rohrleitung 16,
tritt aus dieser aus und mündet wieder im Behälter 1. Diese Schleifenleitung dient
als Heizrohr.
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Beim Stillsetzen der Apparatur wird die Pumpe 11 in Tätigkeit gesetzt,
um Wasser in den Behälter 1 einzusprühen. Dies geschieht so lange, bis der Flüssigkeitsstand
im Behälter 1 einen vorher festgelegten Höchstwert erreicht, der von einem (nicht
dargestellten) Wasserstandsmeßgerät angezeigt wird. In diesem Stadium wird das Ventil
17 geöffnet und das Ventil 20 geschlossen, wobei das Ventil 19 geöffnet
ist, so daß der Dampfdruck im Behälter 1 das etwas verdünnte Salzgemenge durch das
Rohr 16 in den Behälter 15 drückt. Wenn dieser genügend gefüllt ist und der Flüsigkeitsstand
im Behälter 1 auf einen vorher festgelegten Mindestwert abgesunken ist, wird das
Ventil 17 geschlossen und das Ventil 20 geöffnet. Nun wird weiterhin Wasser in den
Behälter 1 gepumpt, und man läßt den Dampf durch die Leitung 6 und das Ventil 8
in den Behälter 7 entweichen und dort kondensieren. Dieser Vorgang wird, wie oben
beschrieben, fortgesetzt, bis alles Wasser aus dem Behälter 7 in den Behälter 1
gepumpt ist. Bei geschlossenem Ventil 22 erstarrt der Wärmeträger im Behälter 15.
Bei Inbetriebnahme werden die Ventile 17 und 1.9 geschlossen, die
Ventile 20
und 22 geöffnet und Kühlwasser durch die Rohrschlange 13 geschickt.
Die Pumpe 3 und das Heizgerät werden in Tätigkeit gesetzt, und es strömt Dampf aus
dem Behälter 1 in den Behälter 7, wo er kondensiert, wenn der Dampfdruck den Wert
von 0,7 atü überschreitet. Dabei strömt Dampf aus dem Behälter 1 durch das Ventil
22 und kondensiert in der Leitung 21 innerhalb des Behälters 15, wodurch innerhalb
des Behälters und im oberen Teil des Rohres 16 ein Kanal aufgetaut wird. Wenn der
Flüssigkeitsstand im Behälter 1 bis zu einem -vorher festgelegten Mindestwert abgesunken
ist; - werden die Ventile 17 und 19 geöffnet, so daß der Dampf in den Behälter 15
strömen, dort kondensieren und dabei den Inhalt dieses Behälters verflüssigen kann.
Dieser Behälterinhalt fließt nun durch das Ventil 17 abwärts in den Behälter
1. Überschüssiger Dampf strömt in den Behälter 7, wo er kondensiert. Wenn
der Behälter 15 leer ist, kann das Ventil 22 geschlossen werden.
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Der Druck von 0,7 atü kann je nach dem verwendeten Wärmeträger variiert
werden. Liegt dieser Druck nicht höher als der der Atmosphäre, so kann das Ventil
8 fortfallen.
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Ferner kann auch das Lösungsmittel dem in Abkühlung begriffenen Wärmeträger
in der Form von Dampf zugeführt werden. Es kann also einer in Abkühlung begriffenen
Salzmischung Wasserdampf anstatt Wasser zugeführt werden. Dies geschieht zweckmäßig
unter einem konstanten Druck wie 0,7 atü. Während das Gemenge sich abkühlt, kondensiert
der Dampf und löst jenes langsam auf, so daß die flüssige Phase aufrechterhalten
wird. Bei dieser Arbeitsweise ist der Behälter 7 überflüssig, da der beim Erhitzen
des Systems frei werdende Dampf entweicht oder nutzbringend verwendet werden kann.
Eine solche Arbeitsweise ist ohne Rücksicht darauf möglich, ob ein Wärmeträger-Speicherbehälter
vorhanden ist. Die vorher beschriebenen Dampf- und Flüsigkeitsleitungen zwischen
den Behältern für das Lösungsmittel und den Wärmeträger sowie auch die dort befindliche
Pumpe werden in diesem Falle durch einen Dampfanschluß ersetzt, der vorzugsweise
mit einer Zweiweg-Druckregelventileinrichtung ausgestattet ist.