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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für den
unmittelbaren Wärmetausch zwischen zwei strömungsfähigen Medien, von denen das eine
eine Flüssigkeit und das andere entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
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Die Erfindung kann auf verschiedenen Gebieten angewandt werden, ist
jedoch besonders brauchbar für Wärmetauscher, Flüssig-flüssig-Extraktionsapparate
und Anlagen zur Absorption von Gasen in Flüssigkeiten. Im folgenden wird die Erfindung
mit besonderer Berücksichtigung ihrer Anwendung in Wärmetauschern beschrieben, wie
sie in Systemen zur Herstellung von reinen oder schwach konzentrierten Lösungsmitteln
und/oder von reinen oder stark konzentrierten Lösungen, beispielsweise in Systemen
zur Entsalzung von Meerwasser, verwendet werden.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum direkten Inberührungbringen
zwecks Wärmetauschs zweier Medien zu schaffen, die eine große Berührungsfläche zwischen
den beiden Medien sichert und trotzdem in relativ billiger Weise und in kompakter
Form herstellbar ist. Zweckmäßigerweise wird dazu ein Wärmeaustauscher verwendet,
der als zylindrische Kammer mit lotrechter Achse ausgebildet ist, wobei diese Kammer
von den Medien im Gleich-oder Gegenstrom durchströmt wird.
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Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß in der zylindrischen Kammer eine Vielzahl von dünnen Stäben achsparallel oder
schräg zur Kammerachse angeordnet ist und sich diese Stäbe ohne Unterbrechung über
die ganze Länge der Kammer erstrecken, wobei sie zwei jeweils an den Kammerenden
angeordnete Räume verbinden, die zur Zu- bzw. Abführung des einen Mediums dienen,
während für das zweite strömungsfähige Medium jeweils eine Einlaßöffnung und eine
Auslaßöffnung in der Nähe der Kammerenden vorgesehen sind.
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Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer
erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 2 und 3 eine bevorzugte Ausführung der Erfindung im Axialschnitt bzw. im
Querschnitt nach der Linie VIII-VIII in F i g. 2, F i g. 4 bis 6 verschiedene Querschnittsformen,
die der Flüssigkeitsüberzug auf den Oberflächen der Stäbe annehmen kann.
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In der folgenden Beschreibung wird das erste Medium, das in flüssiger
Form zugeführt die Stäbe benetzt und auf deren Oberfläche einen fließenden Überzug
bildet, mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet, während das zweite, in flüssigem oder
gasförmigem Zustand geführte Medium, das in direkte Berührung mit dem erwähnten
ersten Medium gelangen soll, mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet wird.
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Fig. l zeigt vereinfacht eine beispielsweise Anordnung eines Stabes
86 und die Verteilung der beiden Medien 2 und 4. Die Flüssigkeit 2 wird durch Kanäle
12 geleitet, die zwischen dem Stab 86 und einem Flüssigkeitsverteiler oder Stützglied
14 ausgebildet sind. Die Flüssigkeit 2 benetzt die Oberfläche des Stabes 86 und
fließt an diesem, der Schwerkraft folgend, nach unten. Das fließfähige zweite Medium
4 wird auf solche Weise zugeführt, daß es sich in direkter Berührung mit der Flüssigkeit2
in entgegengesetzter Richtung bewegt. Dieses
zweite Medium kann eine Flüssigkeit
sein, die spezifisch leichter ist als die Flüssigkeit 2, oder aber ein Gas oder
ein Dampf, so daß dieses Medium aufwärts strömt. Das Medium 4 ist im wesentlichen
nicht mischbar mit der Flüssigkeit 2 und chemisch inert in bezug auf diese.
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F i g. 1 deutet durch verschiedene Gruppen strichlierter Linien (drei
solcher Linien sind gezeigt) auch an, daß die Fläche, an welcher die direkte Berührung
zwischen den beiden Medien stattfindet, in ziemlich weiten Grenzen variiert werden
kann, indem die Zuführgeschwindigkeit der Flüssigkeit 2 in die Vorrichtung geregelt
und dadurch die Dicke des von der Flüssigkeit gebildeten Oberflächenüberzuges geändert
wird. Bei einem dünneren Überzug ergibt sich im Verhältnis zur Flüssigkeitsmenge
eine größere Fläche der direkten Berührung der Medien.
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Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher die beiden
Medien mit verschiedenen Temperaturen an den entgegengesetzten Enden der Vorrichtung
zugeführt werden. Diese Vorrichtung enthält eine Kammer, die durch ein Gehäuse 70
mit einem dicken Außenmantel 72 und einem dünnen Innenmantel 74 gebildet wird, wobei
die beiden Mäntel einen Raum 76 abgrenzen. Innerhalb des Gehäuses 70 ist eine Vielzahl
von Stäben 86 mit gegenseitigen Abständen angeordnet. Die Stäbe 86 sind in zwei
Gruppen eingeteilt; die eine Gruppe erstreckt sich in der einen Querschnittshälfte
parallel zur Kammerachse und durchsetzt eine Reihe von gelochten Platten 90, während
die andere Gruppe sich in der anderen Querschnittshälfte parallel zur Kammerachse
erstreckt und eine zweite Reihe von ebenfalls gelochten Platten 91 durchsetzt.
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Die beiden Plattenreihen sind, wie dargestellt, vertikal gestaffelt.
Jede Platte kann mit einer schmalen Seitenwand 92 versehen sein. Die oberste Platte
jeder Reihe kann ferner zur Befestigung der oberen Enden der Stäbe86 eine Deckwand93
aufweisen.
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Die unteren Enden der Stäbe können in ähnlicher Weise oder in irgendeiner
anderen geeigneten Weise an den untersten Platten befestigt werden. Die Öffnungen
94 (F ig. 3) in den Platten haben alle einen größeren Durchmesser als die Stäbe
86, so daß jeder einzelne Stab die zugeordnete Öffnung mit Spiel durchsetzt, wobei
aber eine Seite des Stabes die Öffnungskante berühren kann.
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Die Kammer kann mit einer zentralen Säule 104 ausgestattet sein,
die eine glatte Oberfläche haben kann, vorzugsweise aber eine gewellte Oberfläche
hat, um so die nutzbare Gesamtoberfläche zu vergrößern, da auch die Säulenoberfläche
für den Wärmeaustausch mitverwendet wird. Die gelochten Platten 90 und 91 sind halbkreisförmig
und an der zentralen Säule 104 befestigt. Bei Weglassung der Säule 104 können die
Platten am Innenmantel 74 bzw. bei Fehlen desselben am Außenmantel 72 befestigt
werden.
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Die Flüssigkeit 2 wird am oberen Ende der Kammer eingeführt und mittels
geeigneter, in Fig. 2 nur schematisch dargestellter Leitorgane 106 zu den oberen
Enden der Stäbe 86, der zentralen Säule 104 und zur Innenseite des Innenmantels
74 geleitet. Die Flüssigkeit bildet an allen diesen Teilen Oberflächenüberzüge und
bewegt sich an ihnen, der Schwerkraft folgend, nach unten. Das zweite Medium 4,
das spezifisch leichter ist als die Flüssigkeit2, wird am unteren Ende der Kammer
eingeführt und bewegt
sich, die Zwischenräume zwischen den flüssigen
Oberflächenüberzügen füllend, im Gegenstrom und in direkter Berührung mit der Flüssigkeit2
nach oben. Die Flüssigkeit 2 wird am unteren Ende der Austauschkammer, das zweite
Medium 4 am oberen Ende der Kammer abgezogen.
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Zweck der gelochten Platten90 und 91 ist die Verteilung der herabfließenden
Flüssigkeit 2 und die Verminderung bzw. Regelung ihrer Fließgeschwindigkeit, besonders
bei langgestreckten Austauschkammern. Die Lochungen können die Form länglicher oeffnungen
oder Schlitze haben, die je von einer größeren Anzahl von Stäben durchsetzt werden.
Die gelochten Platten fungieren demnach als Leit- oder Prallbleche für die Flüssigkeit.
Sie fangen die Flüssigkeit in bestimmten Abständen auf, wobei sich an ihren Oberseiten
in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsdurchsatz durch die Öffnungen 94 Flüssigkeitsansammlungen
bilden. Die beiden Plattenreihen sind so gestaffelt angeordnet, daß sie dem aufwärtsströmenden
Medium 4 einen kontinuierlichen Strömungsweg freigeben.
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Die Verwendung einer Doppelmantelanordnung für die Kammerwände gewährleistet,
daß Korrosion und Abnutzung hauptsächlich am verhältnismäßig billigen Innenmantel
der Kammer stattfindet und nicht am teureren Außenmantel. Bei der gezeichneten Ausführungsform
ist angenommen, daß auf der Kammer ein erheblicher Druck lastet, weshalb der Außenmantel
sehr dick bemessen ist; dies würde es erschweren, die Innenseite des Mantels mit
einem Schutzüberzug gegen Korrosion zu versehen und, falls erwünscht, gewellt auszubilden.
Auch wäre es kostspielig, den Mantel aus korrosionsbeständigem Material herzustellen
oder ihn auszuwechseln. Der Innenmantel 74 könnte auch glatt ausgebildet sein.
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Der Zwischenraum 76 zwischen den beiden Mänteln wird vorzugsweise
mit einer inerten Flüssigkeit, wie Paraffin, gefüllt, die am oberen Ende der Kammer
eingefüllt und am unteren Ende derselben entfernt wird, oder umgekehrt.
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Der Druck zwischen den beiden Mänteln wird gleich dem Druck innerhalb
der Kammer gehalten, so daß der Innenmantel sehr dünn bemessen werden kann, auch
wenn der vom dicken Außenmantel aufgenommene Druck sehr hoch ist.
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Die Stäbe86 können entweder vertikal oder in Schrägstellung angeordnet
werden. Durch Anderung des Neigungswinkels kann die Strömungsgeschwindigkeit der
Flüssigkeit geändert werden, so daß sich hierdurch eine Möglichkeit zur Regelung
des Wärmeaustauschgrades ergibt. Die Stäbe 86 können auch zu einer Wendel gewunden
werden, wodurch der Strömungsweg der Flüssigkeit verlängert wird.
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Die F i g. 4 bis 6 zeigen verschiedene Querschnittsformen der herabfließenden
Flüssigkeitsschicht, die sich je nach der Gestalt und den Abständen der Stäbe 86
und der Menge der jeweils zugeführten Flüssigkeit ergeben. Gemäß F i g. 4 wird eine
relativ geringe Flüssigkeitsmenge zugeführt, es bilden sich deshalb an den einzelnen
Stäben getrennte Überzugsschichten 2' aus. Gemäß Fig. 5 ist die Zuflußmenge vergrößert,
was zur Folge hat, daß die Flüssigkeit Überzugsschichten 2" bildet, die zwischen
den Stäben zusammenhängen. Gemäß F i g. 6 ist die Zuflußmenge der Flüssigkeit so
weit vergrößert, daß sich eine zusammenhängende Flüssigkeitsschicht2"
von im wesentlich
einheitlicher Dicke ausbildet, die alle Stäbe 86 gemeinsam umschließt.
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Die beschriebene Vorrichtung könnte auch in solchen Wärmetauschern
verwendet werden, bei denen sich eines der Medien nicht bewegt oder sich in der
gleichen Richtung bewegt wie das andere Medium, anstatt im Gegenstrom.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ergibt ein sehr günstiges Verhältnis
der Wärmetausch-Oberfläche je Gewichtseinheit oder je Volumeneinheit des Wärmetauschers.
Das Problem der Korrosion ist bei dieser Einrichtung beträchtlich verringert. Für
die Stäbe können emaillierte Drähte, Glasstäbe und andere reaktionsfähige Materialien
verwendet werden.
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Auch können auf den Stäben Schutzüberzüge vorgesehen werden, die den
Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit und dem anderen Medium nicht beeinträchtigen.
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In vorteilhafter Weise arbeitet die Vorrichtung nach dem wirkungsvolleren
Prinzip der forcierten Konvektion und nicht nach dem Prinzip der Wärmeleitung, das
bei bekannten Wärmetauschern mit Direktübertragung der Medien angewendet wird, bei
welchen ein strömendes Medium (beispielsweise Paraffin in der Form kleiner Tropfen)
in direkter Gegenstromberührung mit einer anderen Flüssigkeit (z. B. Wasser) zusammenwirkt,
wobei der Wärmeübergang innerhalb der Tropfen hauptsächlich durch Wärmeleitung erfolgt.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wärmekonvektion noch begünstigt,
wenn die Wärme zwischen den Grenzflächen von im Gegenstrom bewegten Medien ausgetauscht
wird, was zu einer starken Wirbelbildung führt Die Vorrichtung kann verhältnismäßig
kostensparend hergestellt werden, da die Stäbe auf einfache Weise aufgehängt bzw.
sonstwie montiert werden können und hierbei keine vollkommen abgedichtete, lecksichere
Befestigungsweise wie bei indirekten Wärmetauschern erforderlich ist.
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Bei einer Ausführungsform der als Wärmetauscher verwendeten Vorrichtung
wird als Flüssigkeit 2 Paraffin verwendet, das mit einer Temperatur von ungefähr
3600 C am oberen Ende der Einrichtung zugeführt und mit einer Temperatur von ungefähr
4200'C am unteren Ende der Einrichtung abgezogen wird; für das strömende Medium
4 wird Wasserdampf verwendet, der am unteren Ende der Vorrichtung mit einer Temperatur
von ungefähr 4300 C zur und am oberen Ende der Vorrichtung mit einer Temperatur
von ungefähr 3700 C als flüssiges Wasser abgeführt wird, wobei der Druck innerhalb
der Kammer ungefähr 250 Atmosphären beträgt.
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Wenn auch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit besonderer Berücksichtigung
ihrer Verwendung als Wärmetauscher beschrieben worden ist, so versteht sich doch,
daß sie auch auf anderen Anwendungsgebieten verwendet werden kann, beispielsweise
in Absorptionsapparaten zur Absorption von Gasen in Flüssigkeiten, in Flüssig-flüssig-Extraktionsanlagen
und anderen Einrichtungen, die eine große Berührungsfläche zwischen Flüssigkeit
und Gas oder Flüssigkeit und Flüssigkeit verlangen. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße
Vorrichtung in einer Gasabsorptionsanlage zur Absorption von Ammoniak in Wasser
verwendet werden, wobei die herunterströmende Flüssigkeit Wasser und das aufwärtsströmende
Medium Ammoniakgas ist.
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Als ein Beispiel für eine Anwendung bei einer Flüssig-flüssig-Extraktion
wäre die Raffination von Mineralöl zu nennen, bei welcher das rohe Mineralöl die
aufwärtsströmende Flüssigkeit und ein Lösungsmittel, z.B. Nitrobenzol, das herunterfließende
Medium darstellen würden.