DE19630568C1 - Verfahren zur Kühlung von verschmutzten Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von verschmutzten Flüssigkeiten in einer Kältemaschine, die mit einem drucklosen Wärmeaustauscher versehen ist, bei indirekter Kühlung mit einer Kühlflüssigkeit, und einen Wärmetauscher für eine Kältemaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Kältemaschinen zur Kühlung von Wasser verwenden bisher meist verdampfendes Kältemittel, das bei Wärmeentzug aus dem zu kühlenden Wasser in einem Wärmetauscher, dem Ver­ dampfer, eine Änderung in der Phase von flüssig zu gas­ förmig durchläuft. Derartige Verdampfer werden üblicher­ weise als Rohrbündelapparate oder Plattenwärmetauscher realisiert.

Bei verschmutztem Wasser besteht allerdings die Gefahr, daß diese Verdampfer wasserseitig durch Ablagerungen (dem sogenannten Fouling) und Sedimentationen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.

Verschmutztes Wasser tritt z. B. bei der Kühlung von un­ terirdischen Bergwerken und dergleichen auf. Die physi­ kalisch, chemisch und biologisch verursachten Ablagerun­ gen führen dabei dazu, daß die für den Wärmeübergang re­ levanten Flächen nicht mehr so gut die Wärme leiten, da zusätliche Wärmeleit- und Wärmeübergangswiderstände zu­ gefügt sind, oder daß Wasserräume durch Ablagerung ver­ kleinert werden und letztendlich den Wärmeaustauscher verstopfen. Das Kältemittel wird dabei außen auf die Wärmetauscher aufgebracht, was ökologische Probleme mit leichter entweichendem Kältemittel mit sich bringt.

Bisher werden verschmutzte Wärmetauscher chemisch oder physikalisch behandelt, indem sie mit Reinigungsflüssig­ keit (ggf. in Rückrichtung) gespült werden (oft auch "gesäuert" werden) oder indem man auf mechanischem Wege nach einem Öffnen der Wärmetauscher durch Abkratzen oder automatische Wischsysteme ggf. mit zusätzlichen Schleif- und Poliermitteln die Verunreinigungen "abkratzt". In all diesen Fällen sind die Naßnahmen aufwendig und lä­ stig und sind insbesondere kostenintensiv, weil die Käl­ teanlage während dieser Zeit stillsteht und ggf. und für Er­ satz gesorgt sein muß. Weiter müssen Verdampfer "kälte­ mittelfest" sein, also aus aufwendigen Werkstoffen völ­ lig dicht sein.

Konventionelle Plattenkühler können Wasser abkühlen und in bestimmten Fällen auch Wasser gefrieren. Das sich bildende Eis kann durch mechanische oder thermische Me­ thoden von der Platte entfernt werden. Durch den Druck des verdampfenden Kältemittels ist es notwendig, die Platten mechanisch so auszuführen, daß sie die erforder­ liche Druckfestigkeit aufweisen, um Unfälle auszuschlie­ ßen und zu verhindern, daß Kühlmittel austritt.

Die Druckfestigkeit bedingt, daß bei den üblich verwen­ deten Kältemitteln große, den Wärmeübergang reduzierende Wandstärken und zweckmäßige Verbindungstechniken ver­ wandt werden um betriebs- und unfallsicher auszuführen.

Große Wandstärken bedeuten allerdings auch, daß die Ef­ fizienz des Wärmetauschers durch Wärmeleitwiderstände reduziert wird, und letzlich eine höhere Energieaufnahme der Kältemaschine die Folge ist. Gleichzeitig sind die Kosten für die Plattenverdampfer und deren notwendige Peripherie hoch und üblicherweise verwendete Werkstoffe, wie Edelstahl, Aluminium oder Titan sind nur schwer und somit kostenintensiv zu verarbeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Käl­ temaschine zu schaffen, bei der die Druckprobleme und Probleme mit der Verschmutzung und Ablagerung nicht oder nur in geringerem Maße auftreten oder Verschmutzungen einfach zu beseitigen sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 1 sowie der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 gelöst.

Durch die Verwendung von besprühten (oder auch beriesel­ ten) Oberflächen, deren rückseitige Übertragungsflächen mit einem Kühlmittel (Kühlsole) gekühlt werden, können glatte und leicht zu reinigende und schon daher wenig verschmutzende Oberflächen verwendet werden, die auf­ grund des drucklosen Betriebs auch ggf. während des Be­ triebs gereinigt werden können. Dabei hat ein Sprühvor­ gang vor einem reinen "Rieseln" bedeutende Vorteile hin­ sichtlich des Wärmeübergangs.

Durch die Verwendung einfacher geometrischer leicht zu reinigender offener Körper wird der Wärmeaustauscher derart ausgebildet, daß geringe Wandstärken und ein druckloser Betrieb mit einer Kühlsole möglich sind. An­ stelle eines Kältemittels wird erfindungsgemäß nur eine Kühlsole verwendet, die unabhängig von einer Temperatur-/Druckrelation mit atmosphärischem oder einem frei wählbaren Druck eingesetzt werden kann. Daher können die Wandstärken der Körper frei gewählt und diese zweckmäßigerweise so gering wie möglich gehalten werden. Dadurch ergibt sich ein gegenüber druckfest zu bauenden Wandungen erheblich geringerer Wärmeleitwiderstand.

Das (verschmutzte) Wasser wird auf der wasserseitigen Oberfläche durch intensive Berieselung oder durch Be­ sprühen mit Sprühdüsen aufgebracht. Ablagerungen können sich entweder nicht bilden oder sind mit ggf. entspre­ chender Konfiguration der Sprühdüsen einfach zu entfer­ nen. Durch die gerade bei dünnen Wärmetauscherflächen gegebene mechanische Flexibilität kommt es während des Betriebs zu leichten Schwingungen der Flächen, die dazu führen, daß anhaftende Schmutzbeläge (oder auch Eis) ab einer gewissen Größe und Stärke abplatzen.

Zudem sorgt das Besprühen dafür, daß hohe Turbulenzen und Geschwindigkeiten ein Festsetzen von Partikeln stark behindern oder sogar unmöglich machen. Damit wird die Reinigung entweder völlig überflüssig oder zumindest nur in wesentlich verlängerten Abständen nötig. Die benötig­ te Solemenge kann minimiert werden. Das Besprühen erhöht zudem den Wärmeübergangswert erheblich.

Die andere, der wasserseitigen Oberfläche entgegenge­ setzte Innenseite wird mit einer Kühlsole beaufschlagt, die mit einer - üblicherweise als Solekühlsatz bezeichneten - preiswerten Kältemaschine auf eine Tempe­ ratur gebracht wird, die es erlaubt, das zu kühlende Wasser leistungs- und temperaturmäßig auf den erforder­ lichen Zustand zu bringen. Die Sole kann dabei entweder als Flüssigkeit berieseln oder ebenfalls durch Sprühdü­ sen an die Wand gespritzt werden. Diese Möglichkeit er­ laubt es, auch die Soleseite drucklos auszuführen und gleichzeitig mit einer geringeren Solemenge die Kältema­ schine betreiben zu können.

Durch Bau einfacher z. B. im wesentlichen zylindrischer Körper (runden, ovalen oder auch eckigen Querschnitts) können selbsttragende Strukturen gebildet werden, die vorzugsweise mit sich spritzwasserabweisend überlappenden Deckeln versehen sind. Auf diese Weise können die Kälte­ maschinen in Vertikalrichtung bis zu größeren Höhen ge­ baut werden, was ansonsten bisher durch die sich erge­ benden Flüssigkeitssäulen und den bei verdampfendem Käl­ temittel resultierenden Siedeverzug konstruktive und en­ ergetische Nachteile hatte.

Als Dichtung kann aber auch eine pneumatische oder hy­ draulische Dichtung (engl. grommet) z. B. ein luftgefüll­ ter Schlauch oder ein mit einem sonstigen Fluid gefüllte Wulst zwischen die "Wand" und ihre jeweiligen Befestigun­ gen eingebracht werden. Sie erlauben bei einem Druckab­ lassen eine einfache Inspektion und Reinigung und Stabi­ lisieren die Halterung gleichzeitig gegen Vibration.

Der Wärmeaustausch zwischen Kühlsole und Wasser kann so­ mit auf einfache und preiswerte Weise und mit geringeren Wandstärken erfolgen. Es ist aber auch denkbar, ein Wär­ metauscherarrangement auf der warmen Seite eines Kälte­ prozesses bei der Kondensatorkühlung einzusetzen.

Die Erfindung wird aus nachfolgender Beschreibung anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine einfache Ausführung der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 2 einen Sprühkühler in einer Ausführung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, und

Fig. 3 einen Sprühkühler mit zylindrigen Körpern in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Die in der Fig. 1 dargestellte Kältemaschine erlaubt es, den Wärmeaustausch zwischen Kühlsole und Wasser auf ein­ fache und preiswerte Weise bei geringen Wandstärken und somit geringen Herstellungs- und Transportkosten der Vorrichtung erfolgen zu lassen.

Ein Solekühlsatz 1 dient dazu, die Sole auf die erfor­ derliche Temperatur abzukühlen und damit die Wasserküh­ lung beginnen zu lassen.

Mit einer Solepumpe 2 wird die Sole zu Düsenstöcken 3 gefördert, die mit Sprühdüsen 20 ausgestattet sind, wo­ bei ein sich durch Versprühen bildender Sole-Sprühkegel sich gleichförmig auf eine Wand 22 auflegt und diese Wand abkühlt. Die erwärmte Sole wird dann über einen Solesumpf 24 über eine Leitung 5 abgezogen und tritt un­ vermischt mit dem abzukühlenden Wasser wieder über eine Solepumpe 6 dem Solekühlsatz bei.

Das abzukühlende Wasser hingegen wird bei dem Einlaß 7 eintreten und an wasserseitige Düsenstöcke 8 geleitet, deren Sprühkegel 9 die mit Sole gekühlte Wand beauf­ schlagt, so daß das Wasser an der gekühlten Wandung ab­ kühlt. Ggf. kann dieser Solesprühkegel drehbar zwischen den ebenen Wänden ausgeführt sein, um eine gleichmäßige Beaufschlagung zu gewährleisten.

Über einen Wassersumpf 26 wird das abgekühlte Wasser 10 abgezogen und über eine Sammelleitung 11 dem Kältever­ braucher zugeführt.

Soleseitig ist eine Abdichtung sinnvoll, aber nicht in jedem Fall notwendig. Sofern die Sole preiswert, ungif­ tig und umweltunschädlich ist, wäre einem geringfügigen Übertritt von Sole ins Wasser prinzipiell nichts entge­ genzusetzen. Die Sole muß nur in geeigneten Zeiträumen überprüft und ggf. neu eingestellt werden. Im allgemei­ nen wird man aber Sorge dafür tragen, daß die Sole so wenig wie möglich mit Wasser kontaminiert wird, weshalb einfache Barrieren sinnvoll sind. Diese können sowohl form- als auch kraftschlüssig ausgeführt werden, wie dies beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt ist.

In der Fig. 2 ist dabei weiter dargestellt, wie ein Be­ rieselungskühler in einer Ausführung mit durch Platten abgeschlossenen Räumen aufgebaut sein kann. Hierbei tritt die Sole an der Einmündestelle 31 über eine Ver­ teilleitung in einen durch zwei Platten abgeschlossenen Raum ein, ebenso das zu kühlende Wasser an der Stelle 32. Über Düsenstöcke 33 und Sprühdüsen 34 werden die Wandungen 35 soleseitig gekühlt und wasserseitig er­ wärmt. Die Wandung 36 ist dabei der Abschluß zur Umge­ bung und nimmt am Wärmeaustausch nicht teil. Sie kann daher (ggf. beidseitig) wärmegedämmt werden.

Die von dem Sprühkegel 37 eingebrachten Fluide (in Fig. 2 Wasser) laufen an der Wand ab. Soleseitig ist es sinn­ voll, z. B. Abtropfbleche 38 anzusetzen, damit die Sole z. B. in eine Solevorlage 39 ablaufen kann. Jeder solebe­ aufschlagte Zwischenraum hat z. B. einen solchen Abtrop­ feinbau und eine Solewanne. Die Wände können über form­ schlüssige Träger 40 in einer Wanne 41 aufgeständert und gehalten werden.

In der Fig. 2 stehen die Solevorlagen 39 in einem Was­ sersumpf, welcher durch die Wanne 41 gebildet wird. Durch die Art der konstruktiven Gestaltung bleibt die erwünschte Trennung von Sole und Wasser erhalten. Die erwärmte Sole wird über Leitungen 42 abgezogen und über Sammelleitungen 45 abgeführt. Das Wasser wird mittels einer eigenen Leitung 43 ebenfalls abgezogen. Die seit­ liche Abdeckung (Spritzschutz) ist nicht dargestellt. Es empfiehlt sich aber ein derartiger wärmegedämmter Ab­ schluß.

Die Plattenkonfiguration gemäß Abb. 2 kann auf der Ober­ seite weiter z. B. durch ein sog. "Labyrinth" abge­ schlossen werden. Dies kann beispielsweise durch Blech­ abdeckungen 44 geschehen, die sich überdecken und ein Verspritzen nach außen unterbinden und Kondensation oder Verdunstung verhindern. Der kleine so entstehende Spalt sichert die Drucklosigkeit der Installation.

Als Wärmetauscher kann ein Platten- oder Zylinderarran­ gement gewählt werden, wie dies beispielsweise in Abb. 3 dargestellt ist. Die zylindrischen Behälter 48 werden dabei durch gezielte Belüftungsöffnungen zum Beispiel unterhalb der Deckel drucklos gehalten.

Nicht dargestellt sind die pneumatischen oder hydrauli­ schen Dichtungen, die sog. "grommets" fluidgefüllte Wül­ ste zwischen den Zylinder"wänden" und ihre jeweiligen Be­ festigungen, den Sümpfen vorgesehen werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Kühlung von verschmutzten Flüssigkei­ ten in einer Kältemaschine, mit einem drucklosen Wärme­ austauscher und indirekter Kühlung mit einer Kühlsole, dadurch gekennzeichnet, daß Wände in druckloser Umge­ bung einseitig mit der verschmutzten Flüssigkeit be­ sprüht werden, wobei die rückseitigen Übertragungsflä­ chen der Wände mit einer Kühlsole aus einem einphasigen Fluid auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt werden und die verschmutzte Flüssigkeit wie auch die Kühlsole jeweils durch Sprühdüsen (20) auf die jeweiligen Ober­ flächen aufgesprüht und in entsprechenden Sümpfen auf­ gefangen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände der als selbsttragende Zylinder (48) ausgebildeten Wände mit Kühlsole aus Düsenstöcken be­ sprüht werden, wobei die Sole in einem separaten Sumpf zur erneuten Abkühlung durch einen Solekühlsatz geführt wird.

3. Wärmetauscher für das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrteilige, sich überlappend angeordnete Deckel.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von stehend angeordneten Zylindern, wobei die diesen zugeordnete Sprühdüsen einen mehrere Zylin­ der erreichende Sprühnebel erzeugen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mehrzahl von Zylindern vertikal übereinan­ der angeordnet sind.

6. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch fluidbefüllbare Dichtungen an der bzw. den (Zylinder-)Wänden.

7. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch als Reinigungsdüsen zur Abga­ be eines Hochdruck-Wasserstrahls ausgelegte Düsen.

8. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch zur Reinigung ausgelegte Dampfdüsen.

9. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, bei dem im Betrieb mit Eisbildung ein Sprühstrahl zur Abtrennung sich bildenden Eises ausgelegt ist.

10. Verfahren zur Kühlung von verschmutzten Flüssigkei­ ten in einer Kältemaschine, mit einem drucklosen Wärme­ austauscher und indirekter Kühlung mit einer Kühlsole, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Wärmetau­ schers nach einem der Ansprüche 2 bis 9 auf der warmen Seite des Kälteprozesses.