DE2043431A1

DE2043431A1 - Kälteaustauscher fur stromende Medien, insbesondere fur Gase und Luft, sowie Verfahren zum Betreiben des Kalte austauschers

Info

Publication number: DE2043431A1
Application number: DE19702043431
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Bresin, Adam, Paris
Priority date: 1969-09-04
Filing date: 1970-09-02
Publication date: 1971-04-08
Also published as: FR2060159B1; FR2060159A1; US3670522A; BE755660A; GB1290565A

Description

Adam B r e s i η

9 Cite du Paradis -75-Paris 1Oe Frankreich

Kälteaustauscher für strömende Medien, insbesondere für Gase und Luft, sowie Verfahren zum Betreiben des Kälteaustauschers

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kälteaustauscher für strömende Medien, insbesondere für Gase und Luft, bei denen der Kälteaustausch zwischen dem Kältemittel und dem zu kühlenden Medium mittels eines Gefriermittels, beispielsweise einer Flüssigkeit, die gegebenenfalls gefrierbar ist, erfolgt, wobei in einer Ummantelung zwei Rohrleitungssysteme, von denen das eine für das Kühlmittel bestimmt und mit einer Kältemaschine verbunden ist und das andere von dem zu kühlenden Medium durchströmt wird, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben des Kälteaustauachers.

Kälteerzeuger der vorgenannten Art haben gegenüber Kälteerzeugern, bei denen ein Medium in direktem Kon-

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takt mit einem Rohrbündel, in dem die Verdampfung des Kühlmittels vor sich geht, den Vorteil, daß dadurch eine Steuerung der in dem zwischengeschalteten Gefriermittel gespeicherten Kälte ermöglicht wird und daß dadurch die Häufigkeit des Wiederingangsetzens der Kältemaschine vermindert wird. Der Wirkungsgrad dieser "bekannten Kälteaustauscher war jedoch nicht sehr "befriedigend. Denn der Kälteaustausch an der Austauschfläche zwischen dem G-efriermittel und dem zu kühlenden Gas vollzog sich unter ungünstigen Bedingungen, weil die Masse des Gases gering ist. Um den Wirkungsgrad des Kälteaustausehers zu verbessern, war man daher genötigt, den Unterschied zwischen der Temperatur des zu kühlenden Gases und der Temperatur des GeMermittels zu verringern. Doch gibt es einen Mindestunterschied, den man deshalb nicht unterschreiten kann, weil es anderenfalls notwendig wäre, die erforderliche Menge des Gefriermittels übermäßig zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kälteaustauscher und ein Verfahren zum Betreiben eines Kälteaustauschers zu schaffen, durch die es ermöglicht wird, diese Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Kälteaustauscher der oben genannten Art dadurch gelöst, daß die Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für das Kühlmittel innerhalb der Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für das zu kühlende Medium verteilt sind, wobei beide Rohrleitungssysteme in die Gefrierflüssigkeit eintauchen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Kälteaustauscher gemäß der Erfindung sind die von dem zu kühlenden Medium durchströmten Rohrleitungen regelmäßig

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über den Querschnitt de-r Ummantelung verteilt, während die Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für das Kühlmittel in mehreren ebenen und parallelen, horizontal · oder geneigt in Bezug auf eine in Längsrichtung des Kühlmantels gelegten Symmetrieebene angeordneten Bündeln innerhalb der Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für · das zu kühlende Medium eingelagert sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Kälteaustauschers gemäß der Erfindung besteht darin, daß quer zur Längsachse der Ummantelung verlaufende von den Rohr- j leitungen beider Rohrleitungssysteme durchdrungene, einen ^v von dem von einer außerhalb der Ummantelung angeordneten Pumpe in große Umlaufgeschwindigkeit versetzten Gefriermittel auf einander folgend im Kontakt mit den kalten ■ Rohrleitungen und den zu kühlenden Rohrleitungen durchströmten Umlenkkanal· bildende Ablenkplatten.

Durch diese Anordnung wird das Gefriermittel in einer Zwangsströmung senkrecht zu den Rohrleitungen beider Rohrleitungssysteme so geleitet, daß infolge der dadurch erzeugten Turbulenz ein guter Kälteübergangskoeffizient erzielt wird. Darüberhinaus wird das Gefriermittel im aufeinanderfolgenden T/echsel im Kontakt mit den kalten Rohrleitungen und den zu kühlenden Rohrleitungen geleitet, da die von dem Kältemittel durchströmten Leitungen zwischen den von dem zu kühlenden Mittel durchströmten Leitungen angeordnet sind. Infolgedessen kühlt das Gefriermittel in,häufiger Wiederholung mit der Wirkung ab, daß seine Temperatur praktisch konstant bleibt und in nächster Nachbarschaft der Temperatur des Kältemittels liegt. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung vereinigt somit die .Torzüge von Kälteaustauschern, bei denen das zu kühlende Medium in direkter Berührung mit den Rohrleitungen für den unmittelbaren

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Übergang von dem Kältemittel steht mit den Vorteilen der Vorrichtungen, bei denen ein Gefriermittel zwischengeschaltet ist.

Eine sehr zweckmäßige Ausführungsform des Kälteaustauschers gemäß" der Erfindung besteht darin, daß die Ummantelung durch einen zylindrischen Mantel mit zwei in Nachbarschaft der Enden quer zur Längsrichtung angeordneten, von den von dem zu kühlenden Medium durchströmten Rohren durchdrungenen Platten, wobei an einer der Platten die Rohrleitungen für das Kühlmittel angeordnet sind und mit die Enden des zylindrischen Mantels mittels Klammern und Bolzen mit dem Mantel so verbundenen Kappen gebildet wird, daß an den Enden zwei Teilräume, von denen der eine durch eine längs verlaufende Trennv/and in zwei Kammern mit jeweils einem Eingangsstutzen und einem Ausgangsstutzen für das abzukühlende Medium geteilt wird, während in dem am anderen Ende gebildeten Teilraum eine Verteilereinrichtung für das Kühlmittel, die mit einem der Enden des kalten Rohrbündels und einem Sammelkollektor für das verdampfte Medium verbunden ist, vorgesehen ist, wobei Verteiler und Kollektor mittels die Wandung der zylindrischen Umhüllung flüssigkeitsdicht durchdringender Rohrleitungen mit der Kältemaschine verbunden sind.

Zweckmäßig ist es ferner, die lumpe für den Umlauf des Gefriermittels in Nachbarschaft der Enden der Ummantelung derart mit der Ummantelung zu verbinden, daß die Eintrittsöffnung in Nachbarschaft der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung des zu kühlenden Mediums liegt.

Ein Ausführungsbeispiel eines Kälteaustauscher gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kälteaustauscher -■■"■'

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kalte- ~ austauscher gemäß Fig. 1 nach der Linie H-II

Figo 3 einen anderen Querschnitt durch den Kälteaustauscher gemäß Fig. 1 nach der Linie IH-III

Der Kälteaustauscher gemäß der Erfindung besteht -wie _ή

aus der Zeichnung hervorgeht- aus einem zylindrischen ^

Mantel 1, der an seinen beiden Enden durch mit in der Zeichnung nicht dargestellten Klammern und Bolzen mit dem Mantel 1 verbundenen Kappen 2 und 3 verschlossen ist« Zwischen dem Ende des Mantels 1·, das durch die Kappe 3 verschlossen ist und dieser Kappe ist eine Platte 4 fest angeordnet; eine andere ähnliche Platte 5 ist . in dem Mantel 1 in Bezug auf das andere Ende des Mantels derart angeordnet, daß dadurch der Teilraum 6 gebildet wird. .

Zwischen den Platten 4 und 5 und diese durchdringend sind -wie aus den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist- i

die Rohrleitungen 7,7" ..., die ein von der zu kühlenden Flüssigkeit durchströmtes Rohrleitungssystem bilden, angeordnet. Die zu kühlende Flüssigkeit gelangt durch den an der Abschlußkappe 3 angeordneten Rohrstutzen 8 in den einen der beiden durch eine in der Mittelebene des Teilraums angeordnete Trennwand 10 gebildeten zwei Teilräume 9,9* und' tritt von dort durch den Stutzen 8' wieder aus. Die Anordnung erfolgt dabei in der Weise, daß die Rohrleitungen 7 dieses RohrbündeIs zwei Jüohfleitungsgrüppen bilden, wobei die Rohrleitungen der in der Zeichnung dargestellten oberen Rohrleitunissgruppe von dem zu kühlenden Medium von rechts nach linka und

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' die Rohrleitungen der unteren Rohrleitungsgruppe von links nach'rechts durchströmt werden.

Die Rohrleitungen 7,7'··., in denen das zu kühlende Medium umläuft, sind in annähernd gleichmäßiger Weise über den Querschnitt der Ummantelung, die durch den zylindrischen Mantel 1 begrenzt wird, verteilt. Innerhalb dieses Rohrleitungssystems sind die Rohrleitungen, die von dem Kältemittel, das von der Kältemaschine 11 geliefert wird, durchströmt werden, eingesetzt oder eingelagert. Diese Rohrleitungen sind auf der quer zur Längsachse angeordneten Platte 5 überhängend angeordnet und -wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht- auf drei ebene Bündel 12, 12', 12¹· verteilt. Dabei wird jedes Bündel -wie aus Figur 1 erkennbar ist- durch vier miteinander durch Krümmungen verbundene Rohrleitungen gebildet; die drei unteren Rohrleitungen sind dabei -wie ebenfalls aus Figur zu entnehmen ist- mittels des Verteilers 13, in dem dieses Medium sich entspannt, mit der Kältemaschine 11 verbunden, während die drei oberen Rohrleitungen mit einem Sammelkanal 14 verbunden sind, der das verdampfte Medium zur Kältemaschine 11 zurückleitet. Das kalte Rohrleitungssystem 12 muß entweder horizontal oder mit steigender Neigung angeordnet sein, damit keine Sammelstellen gebildet werden, in denen sieh Schmieroel ansammeln würde. Der Verteiler 13 und der Kollektor 14 sind jeweils mit der Kältemaschine 11 mittels des Rohrleitungssystems und 16 verbunden, die durch wasserdichte Kanäle durch die Wandung des Mantels 1 aus dem Inneren des Teilraums 6 geführt sind. Das hat den Vorteil, daß die wasserdichten Führungen nicht entfernt zu werden brauchen, wenn eine Reinigung des Rohrleitungssystems oder ein Ersatz von Rohrleitungen, durchgeführt werden soll. Es genügt» die Endkappen 2 oder 3 zu entfernen, was ohne Schwierigkeiten möglich ist«

Im Inneren des Mantels 1 sind Querwände 17-18, 17'»18"', 17''-18'' ... usw. derart angeordnet, daß sie einen Umkehrverlauf für das Gefriermittel bilden. Um die Gefrierflüssigkeit im Kontakt mit den Rohrleitungen quer zur Ummantelung in Zirkulation zu versetzen, ist eine Pumpe die mit dem Mantel.1 an den Stellen 20 und 21 in lach-

-u τ- -Oj- j --M" j-o. " ■ / j r-M Verbindung . ' ^. · barschaft zu den Platten 4 und y stent, vorgesehen. Die Trennwände 17j 18 werden durchdrungen von den Rohrleitungen 7 und 12, für die sie zugleich als Halterung dienen.

Durch die Trennwände 17, 18 ist also das Innere des Man- ι tels 1 unterteilt in eine vorgegebene Zahl von aufeinanderfolgenden Teilräumen, die in senkrechter Richtung abwechselnd von unten nach oben und von oben nach unten von dem durch die Pumpe 19 in Umlauf gesetzten G-efriermittel durchströmt werden. Daraus ergibt sich, daß diese Flüssigkeit während ihres gesamten Verlaufs innerhalb des Hanteis 1 abwechselnd in Berührung mit den kalten Rohrleitungen 12 und mit den zu kühlenden Rohrleitungen '7 gebracht wird. Die oben angegebenen Vorteile werden mithin in vollem Umfange erreicht.

Ein sehr vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben des Kälteaustauschers gemäß der Erfindung besteht darin, daß das I Volumen des mittels der Pumpe 19 in Umlauf gesetzten Gefriermittels so bemessen ist, daß der Hantel 1 nicht ganz ausgefüllt ist. Das wird mittels eines an dem Mantel 1 vorgesehenen Schachtes 22 sichergestellt. Durch diese Betriebsweise ergibt sich einerseits zwischen den Rohrleitungen der "beiden Rohrleitungssysteme eine turbulente Strömung, was einen guten Kälteübergangskoeffizienten zur iOlhe hat. Andererseits wird, wenn man eine Steuerung des Kälteübergangs durch Gefrieren des Gefriermittels zu schaffen wünscht, durch die unvollständige Ausfüllung

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des Mantels 1 der notwendige Sicherheitsspielraum für die infolge des Gefrierens hervorgerufene Ausdehnung gewährleistet.

Für den Fall, daß als G-efriermittel eine gefrierende Flüssigkeit benutzt werden soll, wird als G-efriermittel reines Wasser, eine Salzlösung schwacher Konzentration oder auch eine Lösung eutektischer Zusammensetzung verwendet.

Für den Fall, daß als Gefriermittel eine bei der niedrigsten Betriebstemperatur nicht gefrierende Flüssigkeit benutzt werden soll, wird Alkohol, Glucol, oder es v/erden wässrige Lösungen dieser Stoffe, die in an sich bekannter Weise den Gefrierpunkt erniedrigen oder aber auch Quecksilber verwendet.

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ü c h e

j 1.J Kälteaustauscher für strömende Medien, insbesondere Λ-^ für Gase und für Luft, "bei denen der Kälteaustausch zwischen dem Kältemittel und dem zu kühlenden Medium

-■--, mittels eines Gefriermittels erfolgt, wobei in einer Ummantelung zwei Rohrleitungssysteme, von denen das eine für das Kühlmittel bestimmt und mit einer Kältemaschine verbunden und das andere von dem zu kühlend'en. Medium durchströmt ist, d a d u r c h g e k e η η ζ ei ohne t , daß die Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für das Kühlmittel innerhalb der Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für das zu kühlende Medium verteilt sind, wobei beide Rohrleitungssysteme in die Gefrierflüssi^keit eintauchen.

2. Kälteaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem zu kühlenden Medium durchströmten Rohrleitungen über den Querschnitt der Ummantelung regelmäßig verteilt . sind, während die Rohrleitungen des Rohrleitungssystems für das Kühlmittel in mehreren ebenen und parallelen, horizontal oder geneigt in Bezug auf die in Längsrichtung der Ummantelung gelegten Symmetrieebene angeordneten Bündeln innerhalb der Rohrleitungen des Rohrleitungssysteme für das zu kühlende Medium eingelagert sind..

3. Kälteaustauscher nach den Ansprüchen /I und. 2, g e k e η η -δ e i c h. η e t <\ u r ο h quer zur Längsachse der Ummantelung verlaufende/von den Rohrleitungen beider Ronrle.ifcun.»:Essvatüme durcvhdrungene^ einen dem von einer außerhalb, der Ummantelunf arigoord-

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neten Pumpe in große Umlaufgeschwindigkeit versetzten Gefriermittel im Kontakt mit den kalten Rohrleitungen und den zu kühlenden Rohrleitungen durchströmten Umlenkkanal bildende Ablenkplatten.

4. Kälteaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung durch einen zylindrischen Mantel mit zwei in Nachbarschaft der Enden quer zur Längsrichtung angeordneten, von den von dem zu kühlenden Medium durchströmten Rohren durchdrungenen Platten, wobei an einer der Platten die Rohrleitungen für das Kühlmittel angeordnet sind, und mit die Enden des zylindrischen Mantels mittels Klammern und Bolzen mit dem Mantel so verbundenen Kappen gebildet wird, daß an den Enden zwei Teilräume, von denen der eine durch eine längsverlaufende Trennwand in zwei Kammern mit jeweils einem Eingangsstutzen und einem Ausgangsstutzen für das abzukühlende Medium geteilt wird,. während in dem am anderen Ende gebildeten Teilraum eine Verteilereinrichtung für das Kühlmittel, die mit einem der Enden des kalten Rohrbündels und einem Sammelkollektor für das verdampfte Medium verbunden ist, wobei Verteiler und Kollektor mittels die V/andung der zylindrischen Umhüllung wasserdicht durchdringender Rohrleitungen mit der Kältemaschine verbunden sind.

5„ Kälteaustauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe für den Umlauf des Gefriermittels in Nachbarschaft der Enden des Kühlmantels derart mit der Ummanterdverbunden ist, daß die Eintrittsöffnung für das Gefriermittel in Machbarschnt't der Eintrittsöffnung und der Austrit too iTrum/i; des zu kühlenden Mediums liegt.

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6. Verfahren zum Betreiben des Kälteaustauschers nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Volumen des mittels der Pumpe in Umlauf gesetzten Gefriermittels so bemessen ist, daß die Ummantelung nicht ganz ausgefüllt wird, um einerseits eine turbulente Strömung, andererseits einen Spielraum für die Ausdehnung für den Fall des Gefrierens des Liediums zu gewährleisten.

7. Verfahren zum Betreiben des Kälteaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gefriermittel eine Gefrierflüssigkeit wie reines Y/asser, eine Salzlösung mit schwacher Konzentration oder ein eutektisches Gemisch verwendet wird.

8. Verfahren zum Betreiben eines Kälteaustauschers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gefriermittel eine bei der niedrigsten Betriebstemperatur nicht gefrierende Flüssigkeit, wie Alkohol, Glucol oder eine wässrige Lösung dieser Stoffe oder Quecksilber verwendet wird.

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