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Beschreibung Wärmeübertragereinrichtung zur Ausnutzung der Wärme von
husPuffgasen.
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(Priorität: 15,November 1969, SA-2022, Ungarn) Die Erfindung betrifft
eine Ubertragereinrichtung zur Ausnutzung der Wärme von Auspuffgasen.
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In der Wärmetechnik besteht häufig die Aufgabe, die Wärme von heißen
Gasen in einer billigen und gut regelbaren Einrichtung zur Erwärmung oder Verdampfung
irgendeines wärmeaufnehmenden Mittels (meistens Wasser) zu verwenden.
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Besondere Probleme treten in Jenen Fällen auf, in denen sich die Erzeugung
der heißen Gase nicht nach dem Jeweiligen Bedarf des die Wärme aufnehmenden Mittels
richtet. Dies ist z.B. dann der -Fall, wenn das heiße Gas ein Auspuffgas und das
die Wärme aufnehmende Mittel Wasser für eine Heizung ist. Es kommt z.B. oft vor,
daß eine Heizung nicht benötigt wird, während Auspuffgase dennoch entstehen.
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In solchen Fällen sind die bisher bekannten Regelungsarten zum Teil
undurchführbar, oder sie bedingen kostspielige Einrichtungen.
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In Anbetracht der Regelung der Apparate ist zwar eine Lösung bekannt
geworden, wonach die Wärmeaufnahme des wärmeaufnehmenden Mittels durcb Änderung
der Menge und/oder der Temperatur des Auspuffgases geregelt wird. Ferner ist eine
Lösung bekannt, bei der die Menge des produzierten
Dampfes nach
dem Maß der Überflutung geregelt wird. (In solchen Fällen wird das wärmeaufnehmende
Mittel in einem mit den heißen Gasen unmittelbar beheizten Großwasserraumapparat
verdampft; Die Regelung durch Änderung der Gasmenge kann in dem erwähnten Fall durch
Ableitung gelöst werden, aber auch so nur prinzipiell, weil die Absperrorgane immer
durchlässig sind und die durchsickernden heißen Gase einen unzulässigen Druck-Anstieg
auf der Sekundärseite oder eine unerlaubte Erhitzung oder Verdampfung des durchflie-Senden
Wassers verursachen. Die zur Ableitung des Gases dienenden Armaturen sind überdies
auch noch kostspielig.
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Bei der Regelung durch Änderung der Uberflutung der Oberflächen ge
aten die wärmetauschenden Flächen, nachdem das wErmeableitende Mittel verdampft
und daher keine Bespülung mehr vorhanden ist, sowie die Oberflächen unmittelbar
mit den heißen Rauchgasen in Berührung und werden deshalb auch selbst heiß, wodurch
sich hier sehr bald Kesselstein bildet. Infolge der raschen Verschlechterung der
Wärmeübergabe müssen sehr große Flächen eingebaut werden, und die Flächen sind auch
häufig zu reinigen. Außerdem werden die Rohre oft schadhaft.
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Es ist weiterhin eine Lösung bekannt, bei der das heiße Gas irgendein
Übertragungsmittel verdampft und das zu erwärmende oder zu verdampfende, die Wärme
aufnehmende Mittel im Kondensator des Übertragungsmittels die Wärme aufnimmt. In
diesem Fall besteht die bisher bekannte Re gelungs art darin, daß das die Wärme
aufnehmende Mittel immer die ganze von den heißen Gasen abgegebene Wärmemenge aufnimmt,
wobei aber ein drittes Hilfskühlmittel den Überfluß an einer weiteren Wärmeaustauschfläche
aus dem die Wärme aufnehmenden Mittel sofort entzieht.
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Diese Lösung entstand zur Behebung von Fehlern an den eingangs genannten
und längst bekannten klassisch Lösungen mnd ergibt ein besseres Resultat als Jene.
Aber auch die letztgenannte Lösung hat einen bedeutenden Nachteil, nämlich daß zum
Betrieb ein drittes Kühlmittel notwendig ist, daß sie außerdem kompliziert und kostspielig
ist
und zur Verwirklichung ein dreistufiger Wärmeaustauscher benötigt wird.
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Ein Ubertragungsmittel wird zur Wärmeübertragung auch bei den im Kesselbau
allgemein bekannten sog. Schmidt-Hardtmann-Kesseln verwendet. Da aber diese ihre
eigene Feuerung benutzen, wird bei ihnen die Regelung natürlich durch die Regelung
der Feuerungseinrichtung bewirkt.
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Es sei bemerkt, daß bei dieser Kesseltype aus grundsätzlichen Sicherheitsgesichtspunkten
eine wesentliche Bedingung darin besteht, daß im Zirkulationskreis des Ubertragungsmittels
keinerlei die Strömung beschränkenden Organe vorhanden sein dürfen. Sinkt nämlich
die Zirkulation während des Betriebes unter ein gewisses MaB, so verbrennen die
Heizflächen des Kessels, und der ganze Kessel geht zu Grunde.
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Zweck der Erfindung ist es, die obigen Mängel zu beheben und eine
zur Verwertung der Wärme von Auspuffgasen dienende Wärmeübertrager einrichtung zu
schaffen, bei der mit sehr einfachen Mitteln die Dampferzeugung geregelt werden
kann, ohne daß zur Abschaltung der Dampferzeugung auch die Strömung der Auspuffgase
abgestellt werden muß. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dem obigen Ziel
Genüge geleistet werden kann, wenn die Verwertung der Wärme der Auspuffgase mit
einem Übertragungsmittel durchgeführt und in den Kreislauf des Übertragunsmittels
ein speziell ausgebildetes, die Flüssigkeitsströmung beschränkendes bzw. abstellendes
Organ eingebaut wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinrichtung ist also im Weg
der Auspuffgase ein ein Übertragungsmittel verdampfender Wärmeaustauscher angeordnet
und zu dem Wärmeaustauscher in geschlossenem Kreis ein den Dampf des Ubertragungsmittels
kondensierendes Entlüftungsorgan geschaltet, wobei in die zwischen den zwei Wärme
-austauschern befindliche Flüssigkeitsleitung zur Begrenzung und Abstellung der
Flüssigkeitsströmung ein geeignetes besonderes Organ eingebaut ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Entlüfter
ein mit natürlicher oder künstlicher Heizung ausgebildeter Gasbehälter, der an den
Kondensator-Wärmeaustauscher sowohl unmittelbar als auch über eine Flüssigkeitssperre
angeschlossen ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen; darin zeigen:
Fig. 1 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemßen Einrichtung
Fig. 2 ein Schema einer Alternative der Erfindung; Fig. 3 und Fig. 4 schematische
Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung; und Fig. 5 ein Beispiel
zur Vereinigung von mehreren erfindungsgemäßen Einrichtungen in schematischer Darstellung.
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Die Einrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einem ein Übertragungsmittel
oder Zwischenmedium in einem geschlossenen Kreis enthaltenden Verdampfungs-Wärmeaustauscher
11 und Kondensator-Wärmeaustauscher 9.
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An den Kondensator-Wärmeaustauscher 9 ist ein Entlüftungsorgan 5 angeschlossen,
während zwischen dem Kondensator-ärmeaustauscher 9 und dem Verdampfungs-Wärmeaustauscher
10 ein die Flüssigkeitsströmung einschränkenles czw. abstellendes Organ 1 eingebaut
ist. Ausführungsbeispiele dieses Organs 1 sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt
und werden im Zusammenhang mit diesen Figuren beschrieben.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 verdampfen die Auspuffgase 12
im Wärmeaustauscher 11 das Übertragungsmittel, dessen Dampf 2 über eine Leitung
22 in den Kondensator-Wärmeaustauscher 9 gelangt, durch den das durch den Wärmeaustauscher
strömende, die Wärme aufnehmende Mittel 3 erwärmt bzw. verdampft wird.
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Da das Übertragungsmittel vollständig rein ist, ist eine Kesselsteinbildung
infolge Überflutung nicht zu befürchten, so daß sich aus der Änderung des Ausmaßes
der Überflutung keine Probleme ergeben.
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Falls keine Notwendigkeit zur Erwärmung bzw. Verdampfung des wärmeaufnehmenden
Mittels 3 besteht, kann die Strömung des Ubertragungsmittels
anhand
des Organs 1 abgestellt werden, so daß der Ersatz der verdampfenden wärmeaustauschenden
Flüssigkeit unterbleibt und dadurch die Ubertragung durch das Ubertragungsmittel
aufhört.
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Zum ordnungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung ist es notwendig, daß
der Wärmeaustauscher des Kondensators 9 entlüftet wird. Die Entlüf -tung kann in
bekannter Weise dadurch erreicht werden, daß bei Betriebsbeginn, wenn der Druck
des Übertragungsmittels den atmosphärischen Wert noch übersteigt, über das Entlüftungsorgan
5 entlüftet wird. Diese Methode hat den Nachteil, daß wegen der Verwendung eines
einfachen Hahnes als Entlüftungsorgan zur Betätigung ein besonderer Handgriff notwendig
ist und außerdem mit dem Abziehen von Luft aucn ein Teil des Übertragungsmitteldampres
aus dem System entweicnt, so daß ein näuriges Nachfüllen notwendig ist.
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Erfindungsgemä t sich die Entlüftung vorteilhaft gemäuder in Figur
2 dargestellten Ausrünrungsform erreicnen. Hier wird das Entlüttungs organ durch
den mit natürlicher oder künstlicher Kühlung 6 wirkenden Gasbehälter 4 durchgeführt,
dessen oberer Teil über eine Leitung 7 an dem Entlüftungspunkt des Kondensators
9 und dessen unterer Teil über eine Flüssigkeitssperre an dem Kondensator des Wärmeaustauschers
9 angeschlossen ist. In der außer Betrieb stehenden Einrichtung ist der Druck gering,
und es sind überall nichtkondensierende Gase vorhanden.
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Sobald aber die Dampferzeugung, d.h. die Strömung des wärmeaufnehmenden
Mittels über den Kondensator-Wärmeaustauscher beginnt, steigt der Druck im Raum
des Übertragungsmittels, und das Ubertragungsmittel beginnt zu kondensieren.
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Die Kondensation des Übertragungsmittels endet Jedoch in dem gekühlten
Gasbehälter 4. In diesen strömt ein Dampf-Gasgemisch, aber nur FlUssigkeit tritt
aus,so daß sich alles im Betrieb befindliche nichtkondensiedende Gas hier sammelt,
d.h. der Kondensator-Wärmeaustauscher sich entlilftet.
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Dio Flüssigkeitsversorgung der mit heißen Rauchgasen beheizten Fläche
des Wärmeaustauschers kann in bekannter Weise durch ein Ventil geregelt werden.
Ein Nachteil dieser Lösung liegt Jedoch darin, daß die Heiznicht auch bei geschlossenem
Ventil Flüssigkeit erhält, da Jedes
Ventil mit der Zeit undicht
wird. Hieraus folgt, daß dann, wenn die Kühlung fehlt, der Druck des Übertragungsmittels
rasch unzulässig hoch ansteigt. Das Ventil bzw. der Abschlußhahn erfordert daher
beständige Instandhaltung bzw. Wartung, was schon an und für sich von Nachteil ist.
Außerdem hat aber diese Lösung noch zur Folge, daß bei Jedem Montagevorgang auch
noch ein Verlust an Übertragungsmittel eintritt, also eine beständige Nachfüllung
notwendig ist.
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Alle diese Nachteile können durch die nachstehende Lösung vermieden
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel des zur Begrenzung und Abstellung der Flüssigkeitsströmung
dienenden Organes 1 ist in Fig. 3 dargestellt.
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Dieses Organ ist ein umgekehrt U-förmiges Rohr 14, 17, dessen oberer
T^'1 als eine einen Damm 21 enthaltende Kammer ausgebildet ist, die Wt£ eine Leitung
18 an den Kondensator-Wärmeaustauscher 9 angeschlossen ist. Der Damm 21 bzw. das
U-förmige Rohr sind so ausgebildet, daß die Flüssigkeit des Übertragungsmittels
unter normalen Bedingungen nicht hindurchströmen kann. Im Zweig 14 des U-förmigen
Rohres ist ein Heizorgan 16 vorgesehen.
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Soll die Verdampfung des Mittels 3 teginnen, so schaltet man den Heizkörper
16 ein, wodurch sich im Rohr 14 Luftblasen bilden, der Flüssigkeitsspiegel aufsteigt
und die Flüssigkeit über den Damm 21 steigend in den Verdampfungs-Wärmeaustauscher
11 gelangt. Sie verdampf dort, wodurch der Kreislauf des Vermittlungsmittels beginnt
und so lange aufrecht bleibt, als das Heizorgan 16 in Betrieb steht. Die Rohrleitung
18 dient dazu, den durch das Heizorgan 16 erzeugten Dampf in den Kondensr-Wärmeaustauscher
9 zu leiten.
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Eine weitere Äusführungsform des erfindungsgemäßen Organes 1 ist in
Fig. 4 dargestelLt. Hier schließt sich an den aufsteigenden Zweig 14 des U-förmigen
Rohres ein mit einer Heizvorrichtung 25 und/oder einer Kühlvorrichtung 26 versehenes
Gefäß 23 an, das außerdem über eine Drosselung 24 an den Kondensator Wirmeaustauscher
9 9 angeschlossen ist. Bei diesem Ausführunsbeis"iel arbeitet das Organ 1 folgendermaßen:
Wird das Gefäß 23 mit dem Heizorgan 25 geheizt, so verdrängt der entstehene Dampf
die lttssigkeit, und infolgedessen
nimmt im Zweig 14 des U-förmigen
Rohres die Flüssigkeitsmenge zu, erreicht den Scheitel des U-förmigen Rohres und
beginnt über diesen steigend in den Verdampfungs-Wärmeaustauscher einzuströmen.
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Wird das Gefäß 23 gekühlt, was auch durch eine natürliche Kühlung
bewirkt werden kann, so kondensiert der Dampf, und das Gefäß füllt sich mit Flüssigkeit.
Demnach sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Zweig 14 des U-förmigen Rohres, und die
Strömung des Übertragungsmittels zum Verdampfungs-Wärmeaustauscher hört auf.
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Die Einrichtung kann auch so'ausgeführt sein, daß ein Teil des durch
die Heizvorrichtung 25 erzeugten Dampfes aus dem Gefäß 23 über die Drossel 24 beständig
abzieht. Bei eingeschalteter Heizung 25 kann aber ein Teil des erzeugten Dampfes
wegen der Drossel 24 nicht abziehen und verdrängt daher die Flüssigkeit aus dem
Gefäß 23 gegen den Zweig 14 des U-förmigen Rohres. Wird die Heizung 25 abgestellt,
so entfernt sich der Dampf über die Drossel 24, und es bildet sich kein neuer Dampf,
so daß sich das Gefäß 23 neuerlich mit Flüssigkeit füllt.
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Die besondere Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sichert
außer den beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften noch besondere Schaltungsmöglichkeiten,
die eine Quelle weiterer Vorteile mit sich bringen. Bei Leistungen, in denen die
zur Heizung des die Flüssigkeitsströmung einschränkenden Organs notwendige Energie
erheblich ist, kann die folgende kombinierte Einrichc-ur.g vorgesehen sein (siehe
Fig. 5).
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Der wesentliche Teil der Einrichtung ist in Figuren 4 oder 5 dargestellt.
An diese Einrichtung schließt sich eine wesentlich kleinere, gleichfalls die Wärmeenergie
von Auspuffgasen verwertende, erfindungsgemäß ausgebildete Einrichtung derart an,
daß das Heizorgan 25 der Einrichtung mit der großen Leistung und der Kondensator
der Einrichtung mit der kleinen Leistung durch ein und dieselbe wärmeübertragende
Einrichtung gebildet wird. An der einen Seite der die Wärme Ubertragenden Oberfläche
kor.dansiert der Dampf des Übertragungsmittels der Einrichtung mit der geringen
Leistung, und an der anderen Seite erfolg das Kochen, das zur Betätigung des den
Flüssigkeitskreislauf beschränkenden Organes der Einrichtung mit der großen Leistung
notwendig ist.
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Die Regelung der komb lerten Einrichtung erfolgt ebenso wie bei der
einfachen Einrichtung: Wird die Heizung des die Flüssigkeitsströmung einschränkenden
Organs der Einrichtung mit der geringen Leistung eingeschaltet, so liefert diese
zur Heizung des die Flüssigkeitsströmung begrenzenden Organes der Einrichtung mit
der großen Leistung die nötige Wärme, und die Tätigkeit der letzteren beginnt. Die
Abstellung erfolgt sinrigemäß durch Ausschaltung der Heizung der Einrichtung mit
der kleinen Leistung.
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In Fig 5 ist beispielsweise eine Kombination dargestellt, bei der
sowohl die Einrichtung mit der großen Leistung als auch die Einrichtung mit der
kleinen Leistung entspreeherxd Fig. 4 ausgebildet werden. Nichts hindert aber daran,
dieselben gemäß irgendeinem anderen, z.B. dem in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
auszubilden.
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Der Vorteil der Einrichtlung ist offensichtlicht Die in der Einleitung
beschriebene Regelung und Abstellung geht unter deneeSben vorteilhaften Bedingungen,
jedoch unter Verwendung von wenentlich kleineren Hilfsenergien vonstatten, was tm
Fa'le «won großen Fnergien vorteilhaft ist.