DE2135034B2 - Umkehrwärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umkehrwärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches, der als Baueinheit in einem bei niedriger Temperatur arbeitenden Luftseparator verwendet werden kann.

Es ist schwierig, Luftseparatoren zu standardisieren, weil dieselben mehrere Wärmetauscher-Blöcke umfassen, von denen jeder Umschaltventile und Rückschlagventile aufweist, und weil die Anzahl der Blöcke und die Anzahl der Wärmetauscher u einem Block entsprechend der gewünschten Kapazität des Luftseparators beliebig gewählt werden können, so daß Größe und Anzahl der Umschaltventile und Rückschlagventile von diesen Konstruktionsbedingungen abhängen. Daher ist nicht nur für jeden Einzelfall die Kapazität der Ventile zu bestimmen, soneiern es sind auch die mit diesen zusammenhängenden Bauteile wie Rohrleitungen, Kühlkasten usw. für jeden Luftseparator besonders zu konstruieren. Da für eine einfache Bauweise der Wärmetauscher deren Kapazität zweckmäßig konstant ist, hängt die Anzahl der benötigten Umkehrwärmetauscher von der gewünschten Kapazität des Luftseparators ab, wobei jedoch die Anzahl der Wärmetauscher eines Blocks und die Anzahl der Blöcke des Luftseparators im Gegensatz zueinander stehen, so daß man die Kapazität der Rückschlagventile und den Durchmesser der öffnungen der Umschaltventil vergrößern niuß, wenn eins größere Anzahl Wärmetauscher pro Block zur Erhöhung seiner Arbeitskapazität vorgesehen wird und man die Anzahl der insgesamt benötigten Rückschlagventile und Umschlagventile senken will. Will man hingegen den Durchmesser der öffnung der Umschlagventile und die Kapazität der Rückschlagventile verringern, muß die Anzahl der Blöcke eines Luftseparators erhöht und damit auch die insgesamt notwendige Anzahl Umschlagventile und Rückschlagventile vergrößert werden. Somit ist es schwierig, die Umschaltventile und Rückschlagventile zu vereinheitlichen, wenn deren Größen entsprechend den verschiedenen Konstruktionsbcdingikrgcn unterschiedlieh sein müssen.

Bei einem Speicher-Umschaltwärmetauscher ist es bekannt, zwei Wärmetauscher parallel in ein doppeltes Leitungssystem einzubauen, wobei an beiden Seiten der beiden Wärmetauscher und in jedem verzweigt in die beiden Wärmetauscher führenden Leitungssystem Klappenventile angeordnet sind, die in die jeweilige Betriebsstellung umschaltbar sind, um abwechselnd die Ströme des warmen und des kalten Mediums durch den einen bzw. den anderen Wärmetauscher zu leiten (»Wärme« Juli 1966, Seite 101 bis 104, insbesondere Bild 9). Dabei muß darauf geachtet we-den, daß die Ventile auf beiden Seiten der Wärmetauscher stets gemeinsam schnell umgeschaltet werden, damit Strömungsmittel stets nur in einer Richtung zu den Wärmetauschern gelangt und ein Mischbetrieb vermieden wird. Das exakte gemeinsame Umschalten ist in der Praxis schwierig durchzuführen.

Andererseits ist es bei Umkehrwärmetauschern bekannt, an der Niedrigtemperaturseite Rückschlagventile vorzusehen, wobei beim Umschalten der Druck der Frischluft und des Abgases im Wärmetauscher ausgeglichen wird, so daß der Verlust an Frischluft und der Energieverlust gering gehalten werden kann (US-PS 2 107335). Die Umschaltung dieses bekannten Umkehrwärmetauschers ist aber wegen der zahlreichen hierbei vorgesehenen einzelnen Ventile kompliziert und kaum exakt durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umkehrwärmetauscher für Luftseparatoren u. dgl. zu schaffen, der für die verschiedensten Kapazitäten einheitliche Bauelemente aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Umkehrwärmetauscher der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen, des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspriiche.

Zum Umschalten des Umkehrwärmetauschers wird nur ein einziges Ventil umgeschaltet, nämlich das an der Hochtemperaturseiie des Wärmetauschers befindliche spezielle Ventil. Auf diese Weise läßt sich eine exakte Steuerung der Umschaltvorgänge erzielen, wobei sich während des Umschaltens ein Mischbetrieb einstellt, durch den die Verluste beim Umschalten niedrig gehalten werden können. Sowohl das Umschaltventil als auch die Rückschlagventile lassen sich standardisieren, so daß durch die Erfindung Konstruktion und Bau von Umkehrwärmetau', cheraiilagen sehr vereinfacht werden.

Die Erfindung wird weiterhin anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Umkehrwärmetauschers in einem Luftseparator,

Fig. 2 ein Schaltbild eines anderen bekannten Umke hrwärmetauschers,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umschaltventils,

Fig. 4 einen Längsschnitt einer Ausfiihrungsform eines erfindungsgemäßen Rückschlagventils,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausfiihrungsform eines erfindungsgemäßen Rückschlagventils,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines eine Einheit bildenden, erfindungsgemäß ausgestatteten Umkehrwärmetauschers,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestatteten Umkehrwärmetauschers,

Fig. 8 eine schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform des Umkehrwärmetauschers,

Fig. 9 eine schematische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform des .Umkehrwärmetauschers, und

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umkehrwärmetauschers, der sechs erfindungsgemäß ausgestaltete Wärmetauschereinheiten aufweist.

Ein Wärmetausch zwischen Frischluft und Abgas wird von vier bis fünf Umschaltventilen gesteuert, die jeder bekannte Wärmetauscher-Block aufweist, wie beispielsweise der in Fig. 1 dargestellte einzige Wärmetauscherblock, der aus sechs Umkehrwärmetauschern besteht und die übliche Wärmetauschervorrichtung eines Luftseparators darstellt. Für den Wärmetausch wird die Frischluft auf etv/a 5 bar komprimiert durch eine Rohrleitung 1, durch ein geöffnetes Umschaltventil C, und durch eine Rohrleitung 2 in ein Verteilerrohr Iz geleitet, von wo sie durch einzelne Drosselventile D₁ verteilt in die sechs Umkehrwärmetauscher A₁ bis A_b geleitet wird, in denen sie durch Wärmetausch mit Abgas und/anderen Arbeitsgasen oder Gasprodukten auf etwa 103 K abgekühlt wird. Aus den Wärmetauschern gelangt die abgekühlte Frischluft in ein Sammelrohre 10 und von dort durch eine Rohrleitung 3 und ein Rückschlagventil B₁

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in eine Rohrleitung 4, welche sie einer weiteren Behandlung zuführt. Andererseits wird aus dem Separator Abgas mit einem Druck von etwa 1,2 bar durch Rohrleitungen 5 und 6, ein Rückschlagventil B₂ und eine Rohrleitung 7 in ein Verteilerrohr 11 geführt, von wo es gleichmäßig verteilt durch die sechs Umkehrwärmetauscher A₁ bis A₆ strömt und hinter diesen mit normaler Temperatur durch jeweils ein Drosselventil D₂ in ein gemeinsames Sammelrohr 13 und durch eine Rohrleitung 8 und ein geöffnetes Umschaltventil C₄ in eine aus dem Luftseparator herausführende Abgasleitung 9 gelangt.

Zwischen der Frischluft und dem Abgas (verbrauchter Stickstoff) findet gesteuert von den Umschaltventilen C₁ bis C₅ ein Wärmetausch beispielsweise derart start, daß ausgehend von geöffneten Umschaltventilen C₂ und C₄ und geschlossenen Umschaltventilen C₁, C₃ und C₅ zum Umschalten die Umschaltventile C₂ und C₄ geschlossen werden und dadurch die Frischluftzufuhr und der Abgasstrom augenblicklich unterbrochen wird, woraufhin man das Umschaltventil C₅ öffnet, um den Druck der Frischluft und des Abgases auf etwa 2,6 bar auszugleichen. Dann schließt man das Umschaltventil C₅ und öffnet

; die Uriischaltventile C₁ und C₃, um die Strömungswege vollständig auszutauschen. Beim Umkehrwärmetauscher aus Fig. 1 sind die Leitungen für die Gasprodukte nicht in das Austauschsysiem der Leitungen für Frischluft und Abgas eingeschlossen und dementsprechend auch weggelassen.

Eine solche Anlage erfordert nicht nur komplizierte Schaltvorgänge, sondern auch Verteilerrohre 11 und 12 und Sammelrohre 10 und 13 zum Verteilen und Sammeln der in die Anlage eingeleiteten Frischluft und Abgase und zum Sammeln derselben hinter den einzelnen Wärmetauschern. Wenn das Umschaltventil C₅ geöffnet wird, um eine Verbindung zwischen den Pfaden für Frischluft und Abgas zu schaffen und den Druck zwischen denselben auszugleichen, werden bedeutende Mengen Frischluft und Abgas in einem Block vermischt, so daß bei geöffnetem Umschaltventil C₁ eine große Menge Frischluft mit dem Abgas abgelassen wird. Dadurch ergibt sich ein großer Frischluftverlust und, da sich der Druck des Abgases

, abrupt ändert, entsteht ein starkes Geräusch, so daß Schalldämpfer od. dgl. erforderlich werden. Außerdem unterbrechen derart starke Druckänderungen das Gas-Flüssigkeits-Gleichgewicht des Abscheideverfahrens, wodurch die Stabilität des Abscheidevorganges gestört wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage mit einei.i Kühlturm 70 und einem Verdampfer-Kühlturm 71 wird ir.5chluft durch eine Rohrleitung 72 herangeführt und im Kühlturm 70 mit Wasser gekühlt. Dbses Wasser wird vom in den Verdampfer-Küi/Iturm 71 geleiteten Abgas oder verbrauchtem Stickstoff gekühlt. Wenn aber unter einem Druck von 5 bar stehende Frischluft und unter einem Druck von etwa 1,2 bar stehendes Abgas ausgetauscht werden, findet ebenfalls die obenerwähnte abrupte Druckänderung statt, wodurch, wenn diese Druckänderung direkt auf den Verdampfer-Kühlturm 71 wirkt, seine Füllung aus ihm herausgedrückt wird oder er zerbricht, weshalb ein Dreiwege-Umschaltventil 73 vorgesehen ist, um eine unmittelbare Einwirkung der Druckänderung auf den Kühlturm 71 beim Auslassen von Abgas durch eine Rohrleitung 74 beim Austausch von Abgas und Frischluft zu verhindern.

Durch die vorliegende Erfindung werden die hier geschilderten Nachteile der bekannten Umkehrwärmetauscher behoben.

Das in Fig. 3 gezeigte Umschaltventil besteht nicht in der bisher üblichen Weise aus vier bis fünf einzelnen Ventilen, sondern weist zwei Ventilkörper 41 und 42 auf einer Ventilstange 43 auf und enthält in einem Gehäuse drei Ventilkammern M₁, Λ/, und /VZ₃, die mit Hilfe der Ventilkörper 41 und 42 voneinander getrennt werden können. In der mittleren Ventilkammer M₂ befindet sich eine öffnung 52, während die an den Enden befindlichen beiden Ventilkammern M. und Ai₃ jeweils zwei öffnungen 48 und 50 bzw. 49 und 51 haben, so daß die durch zwei öffnungen in einer der äußeren Kammer und durch eine öffnung in der anderen äußeren Kammer und die öffnung 52 in der mittleren Kammer M₂ führende Strömungsnfade durch Verschieben rlrr Veniiletanof» 4^ answtauscht bzw. umgeschaltet werden können.

Die Ventilkörper 41 und 42 sind scheibenartig ausgebildet und haben auf ihren beiden Seiten jeweils Sitzflächen 41a und 41fc bzw. 42a und 42b, die auf einem Ventilsitz aufliegen können. Die Ventilstange 43 ist in axialer Richtung verschiebbar im Ventilgehäuse gelagert und mit einem Stellkolben 44 verbunden. Die öffnungen 50 und 51 befinden sich an der Oberseite des Ventilgehäuses und stellen eine Verbindung mit dem Wärmetauscher her, d. h. sie bilden einen Auslaß für Frischluft und einen Einlaß für Abgas, während die gegenüberliegenden öffnungen 48 und 49 als Einlaß für Frischluft dienen. Die öffnung 52 dient als Auslaß für Abgas.

Die Sitzflächen 41a und 42a der Ventilkörper 41 und 42 weisen zu den öffnungen 48 bzw. 49 des Ventilgehäuses und die Sitzflächen 41 b und 42b zur öffnung 52, wodurch die gewünschte Steuerung von Frischluft und Abgas erzielt werden kann. Der Stellkolben 44 für die Ventilstange 43 ist in einem Zylinder gelagert, welcher eine Einlaßleitung 46 und eine Auslaßleitung 47 für als Arbeitsmittel dienende Luft aufweist. Das andere Ende der Ventilstange 43 ist in einem Kolben eines Luftkissens 45 gelagert, der ebenfalls in einem Zylinder sitzt. Dieses Luftkissen dient zum Abdampfen der vom Stellkolben 44 hervorgerufenen Bewegungen der Ventilstange 43.

Im Betrieb des Umschaltventils gemäß Fig. 3 wird beispielsweise als Arbeitsmittel dienende Druckluft durch die Einlaßleitung 46 in den Zylinder eingeleitet und drückt dadurch den Kolben 44, in Fig. 3 gesehen, nach links und damit die Sitzflächen 41a und 42b der Ventilkörper Vi und 42 auf deren entsprechende Ventilsitze, so daß Frischluft durch die öffnungen 49 und 51 und Abgas durch die öffnungen 50 und 52 durch das Ventil hindurchströmen kann. Wenn hingegen Druckluft durch die Auslaßleitung 47 in den Zylinder gedrückt irrf und die Einlaßleitung 46 somit als Auslaßleitung dient, bewegt sich der Kolben 44 nach rechts, so daß die Sitzflächen 41i» und 42a der Ventilkörper 41 und 42 auf deren entsprechende Ventilsitze gedrückt werden und die Sitzflächen 41a und 42b nunmehr frei liegen. Dementsprechend strömt Frischluft durch die öffnungen 48 und 50 und Abgas durch die öffnungen 51 und 52 durch das Ventil hindurch, so daß die Strömungspfade vollständig ausgetauscht sind.

Bei einem derartigen Umschaltventil wird auf die mit Frischluft in Kontakt kommenden Flächen der Ventilkörper 41 und 42, d. h. die den Ventilkammern My und My zugewandten Seiten dieser Ventilkörper stets der Druck der Frischluft ausgeübt. Das bedeutet, daß, wenn der Ventilkörper 41 die öffnung 48 der Ventilkammer M₁, wie in Fig. 3 dargestellt, geschlos-. sen hat, auf den Ventilkörper 42 ein Druck von JtPD¹IA aus der Ventilkammer M_} von rechts nach links ausgeübt wird, während auf den Ventilkörper 41 aus der öffnung 48 ein nach rechts gerichteter Druck von nPd²l4 ausgeübt wird, wobei D der

"■ Durchmesser der zur mittleren Ventilkammer M₂ weisende ringförmigen Sitzflächen 41b und 42/; und d der Durchmesser der gegenüberliegenden Sitzflächen 41a und 42a und P der Druck der Frischluft ist. Dementsprechend wird auf die Ventilstange 43

ι". eine Kraft von πΡ{ D~ — d²)/4 ausgeübt, die in Fig. 3 gesehen nach links gerichtet ist und durch Substraktion der beiden auf die Ventilstangc ausgeübten ent-

tilstange mit Hilfe von untereinem Druck ^stehender Frischluft verstellen zu können, welche als Arbeitsmittel auf den Kolben 44 durch die Leitungen 46 oder 47 geleitet wird, sollte der Durchmesser des Kolbens 44 etwas größer als \Π5* -IT² sein, was bedeutet, daß der den Kolben 44 aufnehmende Zylinder einen geringeren Durchmesser als die Ventilkörper aufweisen kann. Das bedeutet, daß, wenn man die Größen der Sitzfl^hen 41a, 41b und 42a, 42b gleich wählt, es notwendig ist, den Kolben 44 zu vergrößern, um den zum Abdichten erforderlichen Anlagedruck der Sitzflachen auf den entsprechenden Ventilsitzen zu erhalten, wohingegen der Kolben 44 einen geringeren Durchmesser erhalten kann, wenn die Sitzflächen 41 /; und 42b einen größeren Durchmesser als die Sitzflächen 41a und 42a haben, weil man auf diese Weise mit einem kleineren Kolben 44 die jeweils notwendigen Anpreßdrücke an den Ventilsitzen unter Zuhilfenahme des Arbeitsdruckes der Frischluft erzielt.

Da die im Luftabscheider verwendete Frischluft unter einem Druck von etwa 5 bar steht, wird diese vorzugsweise zum Betätigen des Kolbens 44 verwendet, so daß man kein gesondertes Arbeitsmittel zum Verstellen der Ventilkörper benötigt.

Das verwendete Rückschlagventil kann aus zwei bekannten und in Fig. 1 dargestellten Rückschlagventilen bestehen, kann jedoch ebenso das in Fig. 4 dargestellte Rückschlagventil sein.

Das Rückschlagventil aus Fig. 4 enthält drei nebeneinanderliegende Ventilkammern A₁, R₂ und R₁. die durch zwei in einem Ventilgehäuse 20 befindliche Trennwände 23 und zwei Stirnwände 29 b grenzt sind. Jede dieser Ventilkammern hat eine normalerweise nicht verschlossene öffnung. Außerdem enthält das Rückschlagventil vier aufgrund von Druckdifferenzen zwischen benachbarten Ventilkammern bewegbare Klappenventile 14, 15, 16 und 17, die zur mittleren Ventilkammer A₂ symmetrisch angeordnet sind. Zwei Klappenventile 15 und 16 sind an den Trennwänden 23 und die anderen beiden Klappenventile 14 und 17 an den Stirnwänden 29 angebracht. In die Ventilkammern münden Rohrstutzen 30, 31, 32,33 oder 34. Gemäß Fig. 4 sind die Klappenventile 14 und 17 einerseits und 15 und 16 andererseits einander gegenüberliegend und in entgegengesetzter Richtung zu öffnen gelagert. Jedes dieser Klappenventile besteht aus einem ringförmigen Ventilsitz 24, der entweder an einer der Trennwände 23 oder einer der Stirnwände 29 befestigt ist, und einer dichtend auf diesen Ventilsitz aufsetzbaren VentilklaDne 25.

die an einem Ende eines um ein Gelenk 18 schwenkbaren Armes 26 angebracht ist. Die Ventilklappe 25 läßt sich dichtend auf den ringförmigen Ventilsitz 24 auflegen, um ein Durchströmen von Luft oder Gas aufgrund des in der betreffenden Kammer herrschenden Druckes zu verhindern, jedoch wird die Ventilklapp«; 25 gelüftet, wenn der auf die innere Fläche 27 derselben ausgeübte Druck größer als der Gegendruck in der benachbarten Ventilkammer ist.

Im Betrieb eines derartigen Rückschlagventils wird unter einem Druck von etwa 5 bar stehende Frischluft vom Wärmetauscher durch den Rohrstutzen 32 in die eine Ventilkammer R₁ eingeleitet, wodurch das Klappenventil 14 aufgrund des auf seine Vcntilklappe 25 ausgeübten Druckes geschlossen und das Klappenventil 15 aufgrund desselben Druckes geöffnet wird, so daß die in die Ventilkammer /?, eingeleitete Frischiufi durch die Ventiifcammer W₂ und den Rohrstutzen 34 in den Luftabscheider strömt. Andererseits wird unter einem Druck von etwa 1,2 bar stehendes Abgas durch den Rohrstutzen 31 in das Rückschlagventil eingeleitet und lüftet das Klappenventil 17. so daß es in die Ventilkammer R, gelangt und dieselbe in Richtung des Wärmetauschers durch den Rohrstutzen 33 verläßt. In diesem Falle bleibt das Klappenventil 16 geschlossen, denn auf seine Innenseite wirkt der Druck des Abgases in Höhe von 1,2 bar und auf seine Außenseite der wesentlich höhere Druck der Frischluft von etwa 5 kg/cm².

Taccht man die durch den Wärmetauscher führenden Strömungspfade aus, werden die Klappenventil

14 bis 17 entgegengesetzt geschlossen bzw. geöffnet, so daß die Frischluft stets in die mittlere Ventilkammer R₂ gelangt und lediglich das durch die Ventilkammer R₁ und R_} strömende Strömungsmittel ausgetauscht ist.

Das vorstehende Ausführungsbeispiel gilt für den Fall, daß die Klappenventile 14 und 17 einerseits und

15 und 16 andererseits in entgegengesetzter Richtung verschwenkbar gelagerte Ventilklappen haben. Es ist jedoch auch möglich, die Ventilklappen der Klappenventile 14 und 17 einerseits und 15 und 16 andererseits entgegengesetzt zur mittleren Ventilkammer zu lagern, wie Fig. 5 zeigt.

Das Rückschlagventil gemäß Fig. 5 enthält ebeniaiis drei Ventiikammern /?',, R\ und R'₃, die durch mittlere Trennwände 23 und äußere Stirnwände 29' begrenzt und über Klappenventile 14, 15, 16 und 17 untereinander zu verbinden sind. Zwischen den Stirnwänden 29' und den in die äußeren Ventilkammern /?', und R'_} führenden Rohrstutzen 30 und 31 befinden sich jedoch zusätzliche Kammern S₁ bzw. S₂, damit die Ventilklappen der Klappenventile 14 und 17 bewegt werden können.

Im Betrieb eines derartigen Rückschlagventils wird wiederum unter einem Druck von etwa 5 bar stehende Frischduft vom Wärmetauscher herangeführt und gelangt durch den Rohrstutzen 32 in die Ventilkammer /?',, so daß das Klappenventil 14 geöffnet wird und die Frischluft durch den Rohrstutzen 30 in den nicht dargestellten Luftseparator strömt. Außerdem wird unter einem Druck von 1,2 bar stehendes Abgas aus dem Separator durch den Rohrstutzen 34 in die mittlere Ventilkammer R'₂ geleitet und öffnet dementsprechend das Klappenventil 16, so daß es durch die Ventilkammer Ä'₃ und den Rohrstutzen 33 in den Wärmetauscher abströmen kann. Da in diesem Falle auf die Innenseite des Klappenventils 15 der in der mittleren Ventilkammer R'₂ herrschende Druck von 1,2 bar wirkt und auf seine Außenseite der wesentlich höhere Druck der Frischluft von etwa 5 kg/cm², bleibt dieses Klappenventil geschlossen. Ähnlich verhält es sich mit dem Klappenventil 17, auf dessen Innenseite der in der Ventilkammer R'₃ herrschende Druck von 1,2 kg/cm² und auf seine Außenseite der Druck der durch den Rohrstutzen 31 herangeführten Frischluft von etwa 5 bar wirkt, weil der Rohrstutzen 31 mit dem Rohrstutzen 30 in Verbindung steht. Wenn dann die Strörnungspfade des Wärmetauschers ausgetauscht werden sollen, öffnen bzw. schließen sich die Klappenventile 14 bis 17 in entgegengesetztem Sinne, so daß die vom Wärmetauscher kommende Frischluft durch den Rohrstutzen 33 in die Ventilkammer R\ und aus derselben durch den Rohrstutzen 31 in den Luftseparator und das Abgas durch den Rohrstutzen Λ4 in die mittlere Ventilkammer R'₂ und durch die Ventilkammer /?', und den Rohrstutzen 32 in den Wärmetauscher strömt.

Fig. 6 zeigt eine umkehrbare Wärmetauschcreinheit mit einem Umschaltventil und einem Rückschlagventil, wobei das Rückschlagventil H an der die niedrigere Temperatur aufweisenden Seite und das Umschaltventil C an der die höhere Temperatur aufweisenden Seite des Wärmetauschers A angebracht ist.

IM Betrieb einer derartigen umkehrbaren Wärmetauschcreinheit in Verbindung mit einem Nicderdruck-Luftseparator wird unter einem Druck von etwa 5 bar stehende Frischluft durch die öffnungen 48 und 50 entsprechend den in Fig. 6 gezeigten Pfeilen durch das Umschaltventil C hindurch in den Wärmetauscher A eingeleitet, wo ein Wärmetausch mit im Gegenstrom hindurchgeführtem Abgas stattfindet und die Frischluft auf etwa 103 K abgekühlt wird. Die so abgekühlte Frischluft wird durch den Rohrstutzen 32 in die Ventilkammer R_] des Rückschlagventils B eingeleitet und schließt aufgrund ihres Arbeitsdruckes von etwa 5 kg/cm² das Klappenventil 14 und öffnet dementsprechend das Klappenventil 15, so daß sie in die mittlere Ventilkammer R₂ gelangt, von wo sie durch den Rohrstutzen 34 in den nicht dargestellten Luftseparator oder den unteren Teil des Separatorturmes strömt. Andererseits wird unter einem Druck von etwa 1,2 bar stehendes Abgas vom oberen Ende des Separatorturmes abgezogen und durch den Rohrstutzen 31 in das Rückschlagventil B eingeleitet, wo es das Klappenventil 17 öffnet und in die Ventilkammer Rj gelangt. Aus dieser Ventilkammer strömt das Abgas durch den Rohrstutzen 33 in den Wärmetauscher A, in welchem es eine im wesentlichen normale Temperatur annimmt, woraufhin es durch die öffnung 51 in das Umschaltventil C einströmt. Danach strömt es durch die Ventilkammer M₂ in das Umschaltventil und gelangt durch die öffnung 52 in eine Abgasrohrleitung.

Wenn dann im Wärmetauscher die Strömungspfade für Frischluft und Abgas getauscht werden, wird Druckluft durch die EinlsSleitung 46 in den Zylinder des Stellkolbens 44 des Umschaltventils C eingeleitet, während in diesem Zylinder befindliche Luft aus der Auslaßleitung 47 entweichen kann, so daß der Stellkolben 44 — in Fig. 6 gesehen — nach links bewegt wird und die Dichtfläche 41a des Ventilkörpers 41 und die Dichtfläche 42b des Ventilkörpers 42 auf ihre entsprechenden Ventilsitze gedruckt werden und dabei die Verbindung zwischen den Öffnungen 48 und

50 einerseits und 51 und 52 andererseits unterbrechen, während die jeweils entgegengesetzten Dichtflächen 4lb und 42a der Ventilkörper von ihren Ventilsitzen gelüftet sind. Dementsprechend strömt Frischluft durch die Öffnung 49 zur Öffnung 51 und Abgas durch die Öffnung 50 zur Öffnung 52. Dieser Austausch der Strömungspfade wird durch einen einfachen schnell durchzuführenden Arbeitsvorgang bewerkstelligt. Da die Drücke vor und hinter den Klappenventilen 14 bis 17 des Rückschlagventils durch den vom Umschaltventil C hervorgerufenen Austausch der Strömungspfade verändert weraen, werden nunmehr die Klappenventile 14 und 16 geöffnet und die Klappenventile 15 und 17 geschlossen, so daß der Austausch vollständig ist und durch den Rohrstutzen 33 herangeführte Frischluft durch die Ventilkammern R_} und A₂ zum Rohrstutzen 34 strömt und von dort in den Separator eingeleitet wird, während Abgas durch den Rohrstutzen 3ö in die Ventiikammer H₁ gelangt und von dort durch den Rohrstutzen 32 in den Wärmetauscher, A strömt.

Da beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 die Strömungspfade des Gasproduktes keinerlei Beziehung zur Austauschbarkeit der Strömungspfade des Wärmetauschers haben und auch für die weitere Beschreibung ohne Bedeutung sind, wurden sie weggelassen.

Fig. 7 zeigt einen Umkehrwärmetauscher mit einem Umschaltventil gemäß Fig. 3 und bekannten Rückschlagventilen der in Fig. 1 dargestellten Art. Die oberen Öffnungen 50 und 51 der äußeren Ventilkammern /Vf₁ und M₂ des Umschaltventils C sind an die die höhere Temperatur aufweisende Seite des Wärmetauschers A angeschlossen, während an die die niedrigere Temperatur aufweisende Seite zwei Rückschlagventile B₁ und B₂ ,angeschlossensind, wobei alle diese Teile eine Baueinheit bilden.

Im Betrieb eines derartigen Umkehrwärmetauschers A wird Frischluft durch die Öffnungen 48 und 50 des Umschaltventils C eingeleitet und verläßt den Wärmetauscher A durch das Rückschlagventil B₁ zum Luftseparator, wählend Abgas des Luftseparators durch das andere Rückschlagventil B₂ in den Wärmetauscher A gelangt und diesen durch die Öffnung 51 des Umschaltventils C verläßt und durch die mittlere Ventilkammer M₂ und die Öffnung 52 dieses Umschaltventil in eine Abgasrohrleitung gelangt. Diese Strömungspfade sind in Fig. 7 durch die dort eingezeichneten Pfeile angdeutet. Der Austausch der Strömungspfade findet wiederum in der bereits beschriebenen Weise schnell und einfach statt.

Fig. 8 zeigt einen Umkehrwärmetauscher ähnlich wie in Fig. 6, wobei an die Öffnungen 48, 49 und 52des Umschaltventils CDrosselventile D\, D'\ und D'₂ angeschlossen sind.

Aus der Beschreibung des Umkehrwärmetauschers gemäß Fig. 6 ergibt sich, daß im Betrieb Abgas durch die Öffnung 52 unabhängig vom Strömungspfad des Abgases im Wärmetauscher ausströmt, während nur Frischluft durch die Öffnungen 48 und 49 gelangt. Dabei sorgen die Drosselventile D\ und D'\ dafür, daß eine richtige Menge Frischluft entsprechend der Öffnung des Umschaltventils durch die eine oder andere Öffnung strömt, während das Drosselventil D\ die Menge des Abgases stets auf die bestimmte Stellung des Umschaltventils einreguliert. Wenn das Umschaltventil betätigt wird, nachdem diese Drosselventile £>',, D'\ und D\ geschlossen wurden, können die

Drücke der StröiTungspfade für Frischluft und Abgas ausgeglichen werden.

Das in Fig. 9 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Umkehrwärmetauschers weist ein einziges Drosselventil D\ für die Frischluftzufuhr auf, das sowohl an die Öffnung 48 als auch an die Öffnung 49 des Umschaltventils angeschlossen ist. Im übrigen unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel nicht von dem aus Fig. 8.

Auch kann der Umkehrwärmetauscher aus Fig. 7 mit den Drosselventilen gemäß Fig. K und 9 ausgerüstet werden.

Die in Fig. K) gezeigte Umkchrwärmctauschcraiilage hat sechs Wärmetauschereinheiten gemäß Fig. 8. Im Betrieb wird Frischluft durch eine Verteilerleitung 60 herangeführt, durch Umsehaltventile C₁ bis C\ in die Wärmetauscher /I₁ bis /I₆ geleitet und verlaß: die Wärmetauscher durch Rückschlagventile B\ bis O₆ in ein zum Luttseparator führendes Sammelrohr 63. Das Abgas wird durch eine Verteilerleitung 62 vom Luftseparator herangeführt und gelangt durch Rückschlagventile B\ bis B'_h in die einzelnen Wärmetauscher A₁ bis A₆ und von dort durch Unischaltventile C₁ bis C₆ in ein Sammelrohr 61, welches das Abgas aus der Anlage ableitet. In diesem Falle entsprechen die Drosselventile D\, D'\ und D'₂ den Drosselventilen D₁ und D₁ aus Fig. I und regeln die Durchströmmenge von Frischluft und Abgas durch die einzelnen Wärmetauscher. Gemäß Fig. 1 ist jedoch die Steuerung schwierig, weil bei jedem Austausch der Strömungspfade Frischluft und Abgas abwechselnd durch die Drosselventile D₁ und D₂ strömt. Wenn hingegen die Umkehrwärmetauschereinheit gemäß Fig. K) verwendet wird, strömt die Frischluft stets durch die Drosselventile D', und D'₂ und Abgas stets durch das Drosselventil D",, so daß es sehr leicht ist, die Durchströmmengen von Frischluft und Abgas zu regulieren. Da außerdem die Drosselventile D\ und D'₂ beim Austausch der Strömungspfade geschlossen werden, läßt sich der Druck von Frischluft und Abgas beim Austausch der Strömungspfaa^ ausgleichen.

Mit gemäß Fig. 3 bis lü ausgebildeten Umkehrwärmetauschern lassen sich die folgenden Wirkungen und Vorteile gegenüber den bekannten Wärmetauschern gemäß Fig. 1 und 2 erzielen:

a) Da die Umkehrwärmetauscher nicht als Block, sondern als Baueinheit ausgebildet sind, können sie entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall problemlos ausgewechselt und eingesetzt werden.

b) Da die Kapazität von Luftseparatoranlagen nur von der Anzahl der verwendeten Umkehrwärmetauschereinheiten abhängt, können Baupläne bzw. Konstruktionen für solche Anlagen schnell und genau erstellt werden.

c) Da die Kapazität einer Wärmetauschereinheit konstant ist, ist die notwendige Kapazität der Umschaltventile und Rückschlagventile ebenso konstant, so daß dieselben vereinheitlicht werden können und somit als Massenprodukte herzustellen sind, wodurch die Qualität solcher Ventile verbessert wird und andererseits Kosten gespart werden.

d) Da die Umschaltventile und die Rückschlagventile zur Vereinheitlichung direkt in die entsprechende Umkehrwärmetauschereinheit eingebaut sind, ist es nicht notwendig, ein Sammelrohr und

ein Verteilerohr zwischen den Rückschlagventilen u~d dem Wärmetauscher und ein Verteiler rohr und ein Sammelrohr zwischen dem Wärmetauscher und dem Umschaltventil vorzusehen, so daß die beim Austauschen der Strömungspfade betroffenen Mengen Frischluft und Abgas minimal klein werden und der Austauschverlust von Frischluft auf 25 bis 40% der bei bekannten Vorrichtungen oder Anlagen dieser Art benötigten Austauschmenge sinkt. Außerdem kann das beim Umschalten oder Austauschen der Strömnngspfade auftretende Geräusch auf einen Pegel gesenkt werden, der bei bekannten Wärmetauscheranlagen nur mit Hilfe von Schalldämpfern zu erreichen ist.

Während bei bekannten Umkehrwärmctauscheranlagen mit Wärmetauscher-Blöcken der durch Schließen aller Umschaltventile beim Austauschen der Strömungspfade bedingte Druckanstieg das Gas-Flüssigkeitr.-Gleichgewicht stört, können im vorliegenden Fall die Strömungspfade der Wärmetauschereinheit ohne weiteres ausgetauscht werden, da der vorab auftretende Druckanstieg von den Leitungen 62 und 63 gemäß Fig. 8 genügend absorbiert wird und somit keinen Einfluß auf die Luftseparatoranlage ausübt, so daß diese Anlage stabil arbeitet.

Bei Verwendung der vorhandenen Wärmetauschereinheiten kann die Höhe der Kältebox des Wärmetauschers des Luftseparators klein gehalten werden, d. h. das Volumen der Box läßt sich um 20 bis 30% im Vergleich zu bekannten Wärmetauschern verringern, g) Wenn ein Block einer Umkehrwärmetauschereinheit mit Hilfe von vier bis fünf Umschaltventilen in bekannter Weise umgeschaltet wird, ist es notwendig, die einzelnen Ventile in Zusammenwirkung miteinander umzustellen, so daß, wenn auch nur eines dieser Ventile fehlerhaft arbeitet, Frischluft und Abgas derart vermischt werden, daß sich nachteilige F.inflüsse auf den Luftseparator ergeben. Im vorliegenden Falle wird hingegen die Umschaltzeitdauer oder Austauschzeitdauer der Wärmetauschereinheit bei fchlerha^ft arbeitendem oder defektem Umschaltventil lediglich verlängert, so daß keine nachteiligen Einflüsse illlf den I .nfts;pr>:ir:Unr aii«oi>iiht mpnlnn und seine Arbeitsstabilität verbessert wird.

h) Da die durch die Drosselventile hindurchgehenden Strömungsmittelmengen unabhängig vom Austausch der Strömungspfade der Wärmetauschereinheit und stets gleich sind, ist es sehr einfach und leicht, die Durchströmmengen von Frischluft und Abgas zu steuern.

i) Der Druck in den Strömungspfaden für Frischluft und Abgas kann bei der vorliegenden Umkehrwärmetauschereinheit leicht ausgeglichen werden, indem man die Drosselventile vollständig schließt.

Hierzu ή Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Umkehrwärmetauscher mit einem an seine Hochtemperaturseite angeschlossenen, zum Umkehren der Strömungsrichtungen umschaltbaren Ventil und einem an seine Niedrigtemperaturseite angeschlossenen weiteren Ventil, die beide jeweils zwei voneinander getrennte Strömungspfade für Frischluft und Abluft enthalten, dadurch gekennzeichnet.daßdas umschaltbare Ventil (C) in einem Gehäuse nebeneinander drei Ventilkammern (Af₁, Af₂, Af₃) enthält, die durch zwei auf einer gemeinsamen Ventilstange (43) sitzende Ventilkörper (41, 42) wahlweise voneinander zu trennen und miteinander zu verbinden sind, wobei die mittlere Ventilkammer (Af₂) mit einer nach außen führenden Öffnung (52) und die beiden äußeren Ventilkammern (Af₁, Af₃) mit jeweils zwei nach außen iührenden Öffnungen (48, SO bzw. 49, Sl) versehen sind, von denen jeweils eine (50 und 51) an die Hochtemperaturseite des Wärmetauschers (A) angeschlosen ist, und daß das an die Niedrigtemperaturseite angeschlossene Ventil als Rückschlagventil (S) ausgebildet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stirnseiten jedes Ventilkörpers (41, 42) je eine Dichtflächte (41a, 41b und 42, 42b) aufweisen, die abwechselnd mit je einem feststehenden Ventilsitz zusammenwirken, und daß die V ;ntilkörper (41,42) gemeinsam verstellbar sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß da^r Rückschlagventil (B) in einem Gehäuse (20) nebeneinander drei Ventilkammern(A₁, A₂, A₃)enthält, welche durch zwei Trennwände (23) und zwei Stirnwände (29) des Ventilgehäuses begrenzt sind, wobei diese Wände Durchgangsöffnungen enthalten und jeweils mit einer Ventilklappe (14,15,16 bzw. 17) versehen sind, die durch Druckdifferenz zwischen den benachbarten Ventilkammern bewegbar und symmetrisch zur Mitte der mittleren Ventilkammer (R₂) derart angeordnet sind, daß zwei von ihnen an den Trennwänden (23) und die anderen beiden an den Stirnwänden (29) des Rückschlagventils gelagert sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die drei Öffnungen (48,49, 52) des Umschaltventils (C), welche nicht an den Wärmetauscher (A) angeschlossen sind, Drosselventile (D) zum Steuern der Durchflußmenge von Frischluft bzw. Abgas angeschlossen sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die dem Wärmetauscher (A) abgewandten Öffnungen (48, 49) der äußeren Ventilkammern (Af₁, Af₃) des Umschaltventils (C) eine Sammelleitung mit einem Drosselventil (D₁) und an die Öffnung (52) der mittleren Ventilkammer (Af₂) ein weiteres Drosselventil (D₂) angeschlossen ist.