DE2510660A1

DE2510660A1 - Waermetauscher mit phasenumwandlung fluessig/fest oder dampffoermig/fest eines stoffes

Info

Publication number: DE2510660A1
Application number: DE19752510660
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Rautenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-12
Filing date: 1975-03-12
Publication date: 1976-09-23

Description

Wärmetauscher mit Phasenumwandlung flüssig/fest oder dampfförmig/£est eines Stoffes Die Bildung fester, haftender Schichten (z. B. Eis oder ReiS) auf metallischen Wärmetauscherflächen ist bei vielen Prozessen teils ein bezweckter, teils ein störender Effekt.
Als Beispiele seien hier die Gefriertrocknung genannt, bei der der absublimierte Wasserdampf in Eiskondensatoren niedergeschlagen wird, Luftkühler, auf denen sich Eis oder Reif bildet, sowie Kühler zum indirekten Frieren von Flüssigkeiten, Suspensionen oder Emulsionen.
Die auf den Flächen solcher Apparate gebildeten Schichten stellen mit wachsender Schichtdicke einen zunehmenden Wärmedurchgangswiderstand dar. Bei den meisten technischen Anwendungen sind jedoch gerade hohe Wärmedurchgangszahlen, d. h. niedrige Wärmedurchgangswiderstände erwünscht.
Dies führt u. a. dazu, daß beispeilsweise ein Anwachsen von Eisschichten mechanisch, z. B. durch Kratzer verhindert wird. Da mechanische Einrichtungen zur Entfernung haftender Schichten von der apparativen Seite her jedoch sehr aufwendig sind, werden insbesondere Wärmetauscher mit großer Leistung, in denen sich Eis oder Reif bildet, periodisch abgetaut, damit die Schichten nicht zu dick werden.
Das Abtauen erfolgt entweder direkt - beispielsweise durch Heizdampf oder warme Luft - auch auch indirekt dadurch, daß anstelle des Kühlmittels ein warmes Fluid durch die Wärmetauscherrohre geführt wird. In einem anderen Vorschlag sind zusätzliche, gesonderte Heizrohre vorgesehen (Auslegeschrift DT-PS 1 057 625).
Es ist auch bekannt, daß man durch elektrischen Strom Wärme erzeugen und diese zum Abtauen von Eis oder Reif einsetzen kann.
Da elektrische Energie jedoch die hochwertigste Energieform darstellt; das Abtauen von Eis jedoch nur minderwertige Energie - beispeilsweise in Form von warmer Luft - verlangt, sind besondere Vorkehrungen notwendig, damit man das Eis bzw. eine Reif-oder andere feste Schicht wirtschaftlich mittels elektrischem Strom von den Wärmetauscherflächen entfernen kann.
Erfindungsgemäß wird die feste Schicht (z. B. das Eis) mittels Wärme von der Wärmetauscherwand nur gelöst, d. h. es wird nur eine sehr kleine Zone - diejenige, die der Wärmetauscherwand am nächsten ist - in den flüssigen oder dampfförmigen Zustand überführt. Die so gelöste Schicht kann dann je nach Anwendungsfall durch die Schwerkraft, einen Flüssigkeits- oder Gasstrom, aber auch durch den Dampfdruck der getauten und erwärmten Schicht von der Wärmetauscherwand wegtransportiert werden.
Weiterhin wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß durch die Wärme, die das Lösen der festen Schicht von der Wärmetauscherwand bewirkt, nicht die gesamte Wärmetauscherwand auf eine Temperatur erwärmt wird, die über dem Schmelz- bzw. Sublimationspunkt der gebildeten Schicht liegt.
Da nur eine dünne Teilschicht der Wärmetauscherwand erwärmt wird, um die feste Schicht zu lösen, ist es erfindungsgemäß möglich, während des Ablösevorganges das Kühlmittel, das die Bildung der Schicht bewirkt hat, weiter strömen zu lassen. Durch dieses Kühlmittel muß jetzt nämlich nur eine vergleichsweise kleines zusätzliche Wärmemenge abgeführt werden.
Vorzugsweise wird die Wärme, die zum Ablösen der gebildeten Schicht eingesetzt wird, elektrisch erzeugt.
An Fig. 1 und 2 ist beispielhaft der Schnitt durch die Wärmetauscherwand einer bevorzugten Ausführung eines solchen Wärmetauschers skizziert.
Das Kühlmittel 1 sorgt für das notwendige Temperaturgefälle zur Bildung der festen Schicht 6 - die z. B. Eis sein könnte. Die Wärmetauscherstützwand 2 - beispielsweise aus Stahl - sorgt für die notwendige Festigkeit der Wärmetauscherwand. Eine dünne Schicht elektrisch isolierenden Materials 3 befindet sich zwischen der Wärmetauscherstützwand 2 und einer elektrisch leitenden Schicht 4, durch die ein Strom geleitet werden kann, ohne daß er auch durch die Wärmetauscherstützwand 2 fließt. Die elektrisch leitende Schicht 2 könnte beispielsweise eine aufgedampfte, dünne metallische Schicht sein, oder auch aus dünnen Folien bzw.
einem Netz dünner Drähte bestehen. Direkt an der elektrisch leitenden Schicht 4 oder nur durch eine weitere dünne Schutzschicht 5 - Fig. 2 - getrennt, wird aufgrund des Temperaturgefälles zwischen Dampf- bzw. Flüssigkeitsraum 7 und Kühlmittel 1 die feste Schicht 6 - z. B. Eis - gebildet.
Ein kurzer Stromfluß durch die elektrisch leitende Schicht 4 reicht nun aus, diese über die Schmelz- bzw. Sublimationstemperatur zu erwärmen und dadurch die gebildete Schicht 6 von der Wärmetauscherwand zu lösen, so daß sie abtransportiert werden kann. Wesentlich ist hierbei, daß die elektrisch leitende Schicht 4 im Verhältnis zur Wärmetauscherstützwand 2 sehr dünn ist. Aufgrund der Trägheit des Wärmeleitungsvorganges wird sich die wesentlich dickere Wärmetauscherstützwand 2 während des Stromflusses nur unwesentlich erwärmen, so daß das Kühlmittel 1 nur eine geringe zusätzliche Wärmemenge abzuführen hat und während des Stromflusses durch die elektrisch leitende Schicht 4 weiterströmen kann.
Vorteilhaft ist es erfindungsgemäß hierbei, in einem Wärmetauscher nicht die gesamte Wärmetauscherfläche gleichzeitig von den gebildeten Schichten befreien, sondern nacheinander einzelne Teilflächen.
Außerdem kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Wärmetauscherwand mit Rippen - Fig. 3 - zu versehen.
Der neuen Wärmetauscherart werden folgende Vorteile zugeschrieben: 1) Der Wärmetauscher kann quasi-kontinuierlich betrieben werden, so daß kein zusätzlicher Wärmetauscher - beispielsweise im Umschaltbetrieb - erforderlich ist.
2) Der geringe Aufwand an Energie für das Ablösen der - den Wärmeübergang behindernden - Schichten, erlaubt es, diese schon dann zu entfernen, wenn die Schichtdicke im Vergleich zur konventionellen Verfahrensweise (Abtauen) noch sehr klein ist. Dünne Schichten bedeuten aber niedrigen Wärmedurchgangswiderstand, d. h. höhere Leistung des Apparates. Zusätzlich schwankt der gesamte Wärmedurchgangswiderstand des Wärmetauschers im zeitlichen Verlauf wesentlich weniger, was für viele Anwendungen aufwendige Regeleinrichtungen (z. B. bei der Gefriertrocknung) überflüssig macht.

Claims

Ansprüche :

Wärmetauscher mit Bildung von Eis, Reif oder einer sonstigen ten Phase auf gekühlten Flächen, in dem das Eis, der Reif oder die feste Phase mittels Wärme von der Wärmetauscherfläche abgelöst wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die feste Phase (z. B. Eis oder Reif) nicht vollständig in die flüssige oder dampfförmige Form überführt wird, sondern durch Phasenwechsel einer sehr dünnen, der Wärmetauscherwand nahen Schicht von der Wärmetauscherwand gelöst wird, indem eine ebenfalls dünne, dem abzulösenden Feststoff nahe Schicht der Wärmetauscherwand kurzzeitig aufgeheizt wird, wobei der Fluß des Kältemittels, das z. B.

die Eisbildung bewirkt hat, für den Ablösevorgang nicht unterbrochen zu werden braucht.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme in der dünnen Schicht der Wärmetauscherwand, die das Ablösen der festen, gebildeten Schicht bewirkt, mittels elektrischem Strom erzeugt wird, beispielsweise durch ohmsche Wärme in einer besonderen Schicht oder durch den Skin-Effekt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Wärmetauscherflächen aus mehreren Schichten besteht, und zwar nach Fig. 1 bis 3: Einer dicken Schicht, der Wärmetauscherstützschicht (2), die dem Kühlmittel am nächsten ist und der Wärmetauscherwand die notwendige Festigkeit verleiht, anschließend einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht (3), einer dritten elektrisch leitenden, im Vergleich zur Wärmetauscherstützschicht (2), sehr dünnen Schicht (4), durch die ein Strom geleitet werden kann, ohne daß er auch durch die Wärmetauscherstützschicht (2) fließt, und evtl. einer vierten, sehr dünnen Schutzschicht (5), die lediglich die Aufgabe hat, Beschädigungen der elektrisch leitenden Schicht (4) zu verhindern.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (4) eine dünne aufgedampfte, aufgalvanisierte oder aufgestrichene metallische Schicht ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (4) aus dünnen Drähten gebildet wird, die beispielsweise netzartig angeordnet sind.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht eine dünne, geklebte Folie ist.