DE19722905A1 - Kühler für Meßgase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kühler für Meßgase entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gase, die in optischen Konzentrationsmeßgeräten analysiert werden sollen, müssen so vorbereitet werden, daß die optische Strecke nicht verschmutzt. Neben dem Herausfiltern von Partikeln ist das Gas zu trocknen, da sowohl Kondensattröpf­ chen als auch hoher Wasserdampfgehalt die Messung stören. Üblicherweise wird das Meßgas gekühlt, so daß der wesentlichste Teil des Wasserdampfes als Kon­ densat ausfällt. Dies wird in Meßgaskühlern realisiert. Die Eintrittstemperatur des Gases beträgt üblich bis zu 150°C, der Eintrittstaupunkt bis etwa 70°C. Der Austritts- oder Solltaupunkt des Gases liegt meist im Bereich 2-5°C. Diese Tem­ peratur muß im Meßgaskühler unterschritten werden, jedoch muß sie stets über 0°C bleiben, um Vereisung des Gerätes zu vermeiden.

Das Meßgas kann mit wachsender Temperatur exponentiell mehr Wasser auf­ nehmen. Wasserdampfgesättigtes Gas gibt bei der Abkühlung Kondensat ab und zwar umso mehr, je heißer es ist. Der Meßgaskühler muß neben der Wärmeener­ gie, die das Gas selbst bei der Abkühlung abgibt, dem kondensierenden Dampf vor allem die Kondensationswärme entziehen und an die Umgebung abgeben. Die Kondensationswärme stellt im Normalfall den weitaus größten Teil der aus dem Meßgas abzuführenden Energie dar. Gemäß obigen Ausführungen fällt wiederum der bedeutend größere Anteil davon bei Temperaturen deutlich über dem Austritts- oder Solltaupunkt an. Die Wärmeenergie des Meßgases ist durch die Kälteein­ richtung vom unteren Temperaturniveau (unter Solltaupunkt, üblich 0-3°C) auf ein deutlich höheres zu befördern, welches über der Umgebungstemperatur (max. 50°C) liegt. Dann kann die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden. Un­ abhängig vom Kühlprinzip der Kälteeinrichtung im einzelnen (z. B. Kompressor­ aggregat, Peltiermodule) wird von der Funktion her eine Wärmepumpe benötigt. Die Effektivität solcher Einrichtungen sinkt mit steigender zu überwindender Temperaturdifferenz. Je größer die Differenz zwischen der Kühltemperatur und der Umgebungstemperatur ist, desto mehr Betriebsenergie wird je Einheit "ge­ pumpter" Wärme benötigt. Die Betriebsenergie fällt letzlich als Verlustwärme der Kühleinrichtung an und muß zusätzlich zu der dem Medium entzogenen Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Dazu sind leistungsstarke Lüfter-Kühlprofil- Einrichtungen notwendig. In geschlossenen Meßanlagen trägt dieser Wärmestrom zu erhöhter Innentemperatur bei, die wiederum Umgebungstemperatur des Meß­ gaskühlers darstellt. Damit erhöht sich auch die vom Meßgaskühler zu über­ windende Temperaturdifferenz.

Konventionelle Meßgaskühler (z. B. Gröger & Obst: GO-PK) verfügen üblicher­ weise über eine Kühlstufe, die auf dem unteren Temperaturniveau arbeitet (ca. 0-5°C). Die gesamte Kühl- und Kondensationswärme muß über die volle Tempera­ turdifferenz von unter Solltaupunkt bis über Umgebungstemperatur gebracht werden. Wie oben gezeigt, fallen große Wärmemengen bei Temperaturen deutlich über dem Solltaupunkt und teilweise über der Umgebungstemperatur an. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effektivität von Meßgaskühlern zu erhöhen, d. h., die je dem Meßgas entzogener Wärmeeinheit von der Wärmepumpe benötigte Energiemenge zu senken.

Es ist bekannt, in Kühlern für Meßgase mehrere Kühlstrecken einzusetzen. Eine solche wird in der DE 39 07 259 beschrieben. Sie werden abwechselnd vom Meß­ gas durchströmt. Die jeweils durchströmte Kühlstrecke kühlt das Meßgas auf den Solltaupunkt ab, wobei es zur Vereisung der kalten Wandflächen kommt. Ein Teil der Kälteeinrichtung wird durch Peltiermodule dargestellt, die sich zwischen den Kühlstrecken befinden. Nach Vereisung einer Kühlstrecke wird der Meßgasstrom durch eine andere, nicht vereiste geleitet. Die Wärme wird vom Peltierelement von der aktiven Kühlstrecke zur vereisten transportiert. Der Eisbelag taut und das Kondensat läuft ab. Jede Kühlstrecke stellt eine einzelne Kühlstufe dar.

Es ist ebenfalls bekannt, mehrere Kühlstrecken parallel für mehrere Meßgasströme bzw. für aufgeteilte Kühlung eines sehr großen Meßgasstromes zu nutzen (Alfa Laval Flow GmbH, Meßgaskühler Serie MAK). Jede Kühlstrecke wird durch eine einzige Kühlstufe gebildet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kühlung stufenweise erfolgt, es wird eine Kühlkaskade realisiert. Das Meßgas durchläuft vorteilhaft zunächst eine Kühlstufe, in der es ohne Zuhilfenahme von Fremdenergie bis in die Nähe der Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Bei einem Eintrittstaupunkt von 70°C und 150°C Gaseintrittstemperatur sind durch Abkühlen auf 55°C ca. 50% der Gesamtkühlleistung direkt abführbar. Damit verringert sich der mit Hilfe von Fremdenergie durch die Kühleinrichtung zu transportierende Energiemenge. Die weitere Kühlung erfolgt in Stufen. Thermodynamisch ideal ist es, in unendlich vielen Stufen differentiell kleine Energiepakete von der jeweils gerade noch nicht unterschrittenen Temperatur dem Meßgas zu entziehen und somit über die kleinst­ mögliche Temperaturdifferenz an die Umgebung abzugeben. Mehr als drei Stufen sind aber nicht sinnvoll, da wegen der verringerten Temperaturdifferenz zwischen Meßgas und Kühlstufen größere Wärmeübertragungsflächen benötigt werden.

Die Erfindung ist im Grundsatz auf sämtliche Kühlprinzipien anwendbar. Bei Kompressorkühlern kann sich der konstruktive Aufwand erhöhen, wenn für jede Kühlstufe ein eigener Kältemittelkreislauf eingerichtet werden muß. Wesentlich günstiger ist die Erfindung auf Peltiergaskühler anwendbar, da Peltierelemente in nahezu beliebiger Leistungsklasse verfügbar und weit weniger kostenintensiv sind. Zugleich erschließt die Erfindung aufgrund der deutlich verbesserten Effizienz des Kühlvorganges Peltiergaskühlern Leistungsbereiche, die bisher Kompressorküh­ lern vorbehalten waren. Ein wesentlicher Unterschied zu bekannten Lösungen (s. o.) besteht darin, daß erfindungsgemäß die verwendeten Kühlstufen denselben Meßgasstrom auf verschiedenem Temperaturniveau kühlen.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert. In Fig. 1 tritt das warme, feuchte Meßgas (1) am unteren Ende in die Kühlstrecke (2) ein. Es gelangt zunächst in die erste Kühlstufe (3). Dort wird es z. B. mittels eines Kühlprofils (5) gegen die Umgebungsluft auf eine Temperatur etwas oberhalb der Umgebungstemperatur gekühlt. Dabei fällt ein erheblicher Teil des Kondensats (4) aus. Das Meßgas gelangt zur zweiten Kühlstufe (6). Dort wird es mittels einer Kühleinrichtung, im Bild ein Peltiermodul (7), weiter abgekühlt, z. B. auf 20°C. Damit ist der größte Teil der dem Meßgas zu entziehenden Wärme entzogen. Wieder fällt Kondensat aus (8). In einer dritten Kühlstufe (9) wird das Meßgas auf den Solltaupunkt gekühlt, im Bild durch ein Peltiermodul (10). Es fällt eine geringe Menge Kondensats (11) aus. Nur ein verhältnismäßig kleiner Energiebe­ trag muß über die volle Temperaturdifferenz befördert werden. Das kalte, ent­ feuchtete Meßgas (12) verläßt die Kühlstrecke (2). Das nach unten laufende Kon­ densat begegnet dem stets noch wärmeren Meßgas. Damit kann es selbst Wärme aufnehmen und entlastet so die Kühleinrichtung. Gleichzeitig gibt es verstärkt gelöste Gase ab, so daß sich der daraus resultierende Meßfehler verringert. Das warme Kondensat (13) verläßt unten die Kühlstrecke (2). Die dargestellte Unter­ einanderanordnung der Kühlstufen ist besonders wegen der Kondensatabsaugung zweckmäßig, jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 2 zeigt eine U-Rohr-Anordnung. Das feuchte heiße Meßgas (1) tritt oben links in die Kühlstrecke (2) ein, wobei es zunächst in der ersten Kühlstufe (3) gegen die Umgebung gekühlt wird. Dabei fällt Kondensat (4) aus. Das Meßgas ändert dann seine Fließrichtung und strömt durch die zweite (6) und dritte (9) Kühlstufe nach oben, wobei jeweils Kondensat (8, 11) ausfällt. Das kalte, trockene Meßgas (12) verläßt die Kühlstrecke (2) oben rechts. Das Kondensat aller Stufen fließt nach unten und verläßt dort (13) die Kühlstrecke (2). Die Kühlung in der zweiten (6) und dritten (9) Stufe wird in diesem Beispiel durch die Peltiermodule (7, 10) realisiert, deren Abwärme über Kühlprofile (5) an die Umgebung abgegeben wird.

Beide dargestellten Varianten können mit größerer oder kleinerer Anzahl von anderen Kälteeinrichtungen betrieben werden. Es sind auch weitere andere Me­ dienführungen vorstellbar, die das stufenweise Kühlkonzept verwirklichen.

Claims (2)

1. Kühler für Meßgase, bestehend aus Meßgaseintritt, Meßgasaustritt, Kondensat­ austritt, Kühlstrecke und Kälteeinrichtung, mit mindestens zwei Kühlstufen der Kühlstrecke, die vom Meßgas nacheinander durchströmt werden und unterschied­ liche Temperatur aufweisen können, gekennzeichnet dadurch, daß die Kühlstufen durch unterschiedliche Methoden des Wärmetransports zwischen Meßgas und Umgebung gekühlt werden.

2. Kühler für Meßgase nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in minde­ stens einer Kühlstufe das Meßgas ohne wärmepumpenartige Hilfseinrichtung gegen Umgebungstemperatur gekühlt wird.