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'Vorrichtung zur Kältetrocknung von Gas,
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insbesondere Druckluft ~Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Kältetrocknung von Gas, insbesondere von Druckluft, mit einem Gas-/Gaswärmeaustauscher
sowie einem Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher iiim wesentlichen vertikaler Anordnung,
wobei das zu trocknende Gas aufeinanderfolgend den Gas-/Gaswärmeaustauscher, den
Gas-/ Kältemittelwärmeaustauscher und anschließend wieder den Gas-/ Gaswärmeaustauscher
in einem kontinuierlichen Kreislauf durchströmt.
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Eine solche Anordnung ist aus der von der Anmelderin stammenden DT-OS
2 232 386 bekannt. Der in dieser Druckschrift beschriebene Kältetrockner arbeitet
in vorteilhafter Weise im Gegenstromverfahren, wodurch eine bedeutsame Energieeinsparung
erreicht wird. Das zu trocknende Gas, insbesondere Druckluft, wird vom Kompressor
zunächst in einen Gas-/Gaswärmeaustauscher eingeführt, wo dem eingeführten Gas bzw.
der Druckluft ein Teil der Wärme entzogen wird. Von diesem Gas-/Gaswärmeaustauscher
strömt das Gas dann zu einem Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher, wo der .Taupunkt
des zu trocknenden Gases soweit herabgesetzt wird, daß die darin enthaltene Feuchtigkeit
sowie auch zum Teil weitere Verunreinigungen abgeschieden werden, Nach dem Abscheiden
der
Feuchtigkeit wird das Gas dem Gas-/Gaswärmeaustauscher im Gegenstrom wieder zugeführt,
um das nun trockene Gas wieder aufzuwärmen und dabei gleichzeitig das zugeführte
noch feuchte Gas abzukühlen.
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Gegenüber bereits früher bekannten Anordnungen zeichnet sich diese
aus der DT-OS 2 232 386 bekannte Vorrichtung zur Kältetrocknung dadurch aus, daß
das natürliche Gefälle der Luft in ihren verschiedenen Temperaturzuständen ausgenutzt
wird, wodurch eine erhebliche Verringerung des sonst üblichen Druckverlustes erreicht
wurde. Dieses natürliche Gefälle ergibt sich dadurch, daß die zunächst in den Kältetrockner
eingeführte warme Luft bei ihrer Abkühlung abwärts strömen kann, was ihrem natürlichen
Gefälle deshalb entspricht, weil sich beim Abkühlen eine Gasverdichtung ergibt.
Eine gleiche Strömungsrichtung von oben nach unten ist auch beim Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher
vorgesehen, so daß auch hier das Gas durch den Wärmeaustauscher längs seinem natürlichen
Gefälle strömt. Umgekehrt strömt das Gas bei seiner Wiederaufwärmung im Gas-/Gaswärmeaustauscher
von unten nach oben, was ebenfalls dem natürlichen Bedürfnis des sich aufwärmenden
und damit leichter werdenden Gases entspricht. Die Abwärtsbewegung des noch mit
Verunreinigungen beladenen abzukühlenden Gases in Abwärtsrichtung durch die Wärmeaustauscher
ist auch deshalb von Vorteil, weil dadurch nicht nur die abgeschiedene Feuchtigkeit,
sondern auch evtl. enthaltener Schmutz sowie Ölrest sich unten sammeln und in einfacher
Weise abgezogen werden können.
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Nachteilig ist allerdings, daß sich durch die vertikale Anordnung
der beiden Wärmeaustauscher eine recht große Bauhöhe ergibt, die beim Kältetrockner
der DT-OS 2 232 386 sogar dazu zwingt, die beiden Wärmeaustauscher nebeneinander
anzuordnen, was zusätzlich den Flächenbedarf für die Aufstellung des Trockners erhöht.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung liegt darin, daß zur
Schaffung ausreichend großer Wärmeaustauscherfläche
sehr lange Rohrleitungen
erforderlich sind, die nur dadurch in dem Kessel untergebracht werden können, daß
sie im wesentlichen horizontal innerhalb des Wärmeaustauscherkessels ange--rdnet
werden, beispielsweise als parallelgeschaltete Kühlschlangen oder als zickzick-
oder spiralförmig angeordnete Kühlschlangen, deren Achsen auch im wesentlichen horizontal
liegen Nachteil dieser im wesentlichen horizontalen Anordnung ist, daß sich bei
geringeren Durchströmungsgeschwindigkeiten leicht Schmutzteile in den Kühlschlangen
ablagern können.
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Im Zusammenhang mit vertikal angeordneten Kältetrocknern ist auch
bereits ein Wärmeaustauscherelement bekannt geworden, bei dem in ein Rohr ein zweites
Rohr (Kernrohr) eingeschoben ist, wobei der Innendurchmesser des äußeren Rohres
größer als der Außendurchmesser des Kernrohres ist, so daß sich ein ringförmiger
Raum ergibt, der zum Hindurchführen des einen Austauschermediums dient, während
das Innere des Kernrohres das zweite Austauschermedium führt. Da auch hier eine
recht große Länge für ein Austauscherelement erforderlich ist, um ausreichende Austauscheröläche
zu erhalten, wurden diese Wärmeaustauscher-Rohrelemente ebenfalls entweder zickzackförmig
oder spiralförmig angeordnet, wobei die spiralförmige Bauweise, die sogenannte Zyklonbauweise,
Vorteile insofern aufweist, als bei ihr die Gefahr der Ablagerung von Schmutz etwas
geringer ist, weil keine scharfen Krümmungen vorkommen So zweckmäßig die Anordnung
von Rohr mit eingefügtem Kernrohr ist, hat sie doch den Nachteil, daß beim Biegen
der Rohrkombination leicht eine Verschiebung der Achse des Kernrohrs bezüglich der
Achse des umgebenden Rohres auftritt, so daß sich z, B. ein Teil der Außenwand des
Kernrohres an eincm Teil der Innenwand des umgebenden Rohres anlegt. Dadurch entsteht
Jeweils ein in Strömungsrichtung sich verengender Raum, in dem sich auch sehr feiner
Schmutz leicht niederschlagen kann, wodurch nicht nur die Gefahr einer Verstopfung
gegeben ist, sondern sich auch die Fläche vermindert, über der das Wärmeaustauschermedium
mit der Rohrwandung in Verbindung steht.
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Der Wirkungsgrad kann dadurch erheblich leiden, außerdem ergibt sich
ein erhöhter Druckverlust. Außerdem ist die Herstellung einer spiral- oder zickzackförmig
angeordneten Kühlschlange mit eingelegtem Kernrohr technisch recht aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Beibehaltung der Vorteile der
Anordnung gemäß der DT-OS 2 232 386 - günstiger Energiewirkungsgrad durch Gegenstromprinzip
und Ausnutzung des natürlichen Gefälles zur Verminderung der Druckverluste - einen
Kältetrockner zu schaffen, der wesentlich kompakter ist und bei dem die Gefahr der
Verstopfung der Kühlschlangen und die damit verbundenen erhöhten Druckverluste und
verschlechterten Wirkungsgrade vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest der
Gas-/Gaswärmeaustauscher Wärmeaustauscherelemente besitzt, die aus einem Außenrohr
und einem darin angeordneten Innenrohr (Kernrohr) und aus im Zwischenraum zwischen
Außenrohrinnenfläche und Kernrohraußenfläche und/oder im Kernrohr angeordneten,
mit der bzw. den Flächen in Wärmekontakt stehenden, in Querschnittsansicht mäanderförmig
verlaufenden Metallblech besteht.
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Durch diese Anordnung wird nicht nur vermieden, daß sich bei unachtsamer
Handhabung während der Herstellung oder Montage das Kernrohr an die Innenfläche
des Außenrohres anlegt und damit zu Schmutzsammelstellen führt, es wird auch eine
so starke Erhöhung der Wärmeaustauschkapazität erreicht, daß die Gesamtlänge des
Austauscherelementes nicht mehr zu Zickzack- oder Schleifenform gebogen werden muß,
um sie im Wärmeaustauscherkessel unterbringen zu können Vielmehr kann die gesamte
Austauscherrohrlänge in der vertikalen Bauhöhe des Austauscherkessels untergebracht
werden. Dadurch wird die Herstellung der Kühlschlangen stark vereinfacht und der
Durchströmungswiderstand wesentlich verringert, da das hindurchströmende Gas keine
scharfen Kurven überwinden muß. Die Berührungslinien zwischen den Rohrflächen und
den mäanderförmig verlaufenden
Metallblechen liegen stets in Strömungsrichtung
des Wärmeaustauschmediums, so daß die Gefahr von Schmutzablagerungen wesentlich
verringert wird.
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Statt die Austauscherelemente im wesentlichen vertikal anzuordnen,
kann es bei bestimmten Anwendungen günstig sein, einen leichten Drall (0,2 O.. 2
Drehungen pro m oder auch 0,5 ... 1 Drehungen pro m vertikaler Höhenunterschied)
vorzusehen, insbesondere dann, wenn eine bestimmte Verwirbelung des Gases zweckmäßig
ist. Durch diesen Drall ändert sich nichts an der grundsätzlichen Tatsache, daß
scharfe Ecken vermieden und eine dauernde Abwärtsbewegung des zu kühlenden Gases
(bzw. Aufwärtsbewegung des zu erwärmenden Gases) sichergestellt wird.
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Wegen des schlechteren Wärmeüberganges zwischen Gas und Metall gegenüber
dem Wärmeübergang von Kühlmittel auf Metall ist die aus mäanderförmig verlaufenden
Metallblech bestehende Berippung besonders im Gaskreis von Vorteil, während sie
beim Kühlmittelkreis unter Umständen weggelassen werden kann. Eine solche optimale
Anpassung an die Wärmeaustauschmedien kann den Herstellungspreis bedeutend verringern.
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Mit den erfindungsgemäß gestalteten Wärmeaustauschelementen ist es
möglich, die in der DT-OS 2 232 386 dargestellte Anordnung von vertikal nebeneinander
liegendem Gas-/Gaswärmeaustauscher und Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher so aufzubauen,
daß eine wesentlich größere Kompaktheit erreicht wird, z. B.
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durch Verringern der benötigten Grundfläche und/oder durch Verringerung
der Bauhöhe. Die bekannte Anordnung ist besonders 3 für Großtrockneranlagen (z.
B. ab 5000 m³/h) geeignet. Für Trockner kleinerer Kapazität (beispielsweise von
60 bis 5000 m³/h ist eine noch größere Kompaktheit dadurch zu erreichen, daß Gas-jKältemittelwärmeaustauscher
und Gas-/Gaswärmeaustauscher koaxial zueinander angeordnet werden. Das kann beispielsweise
dadurch geschehen, daß der Gas-/Gaswärmeaustauscher oberhalb des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers
liegt oder auch dadurch, daß der Gas-/Kältemittelaustauscher innerhalb des Gas-/Gasaustauschers
liegt.
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Da innerhalb des Gas-/Kältemi'ttelwärmeaustauschers der Wärmeübergang
günstiger liegt, können die dort verwendeten Wärmeaustauscherelemente kürzer gehalten
werden, so daß die Bauhöhe des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers geringer wird,
als die des Gas-/Gaswärmeaustauschers. Statt dessen können aber auch die Rippen
des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers in geringerer Anzahl oder mit kleinerer Fläche
gegenüber den Rippen des Gas-/Gaswärmeaustauschers vorgesehen werden, insbesondere
dann, wenn aus Normierungsgründen für beide Austauschereinheiten gleiche Höhen zweckmäßig
sind. Statt der verringerten Bauhöhe wird dann eine Verbilligung der Herstellung
erreicht.
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Für größeren Luftdurchsatz ist es zweckmäßig, in jedem Wärmeaustauscher
jeweils mehrere Austauscherelemente nebeneinander angeordnet vorzusehen Besonders
bei koaxialer Anordnung des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers innerhalb des Gas-/Ga#wärmeaustauschers
ist es dann zweckmäßig, die Achsen der Wärmeaustauschelemente auf einer kontinuierlich
verlaufenden geschlossenen Kurve anzuordnen, wobei in vielen Fällen diese Kurve
einen Kreis darstellen wird.
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Statt das Austauscherelement aus einem Kernrohr und einem Außenrohr
mit zugehörigem gewelltem Rippenblech aufzubauen, kann es unter Umständen günstig
sein, in einem Außenrohr mehrere Kernrohre vorzusehen, wobei um jedes Kernrohr gewelltes
Blech liegt. Das gewellte Blech kann entweder symmetrisch um jedes Kernrohr herum
angeordnet sein oder auch so zusammengepreßt sein, daß es im wesentlichen keinen
freien Raum im Lumen des Außenrohres freiläßt. In die einzelnen Kernrohre selbst
kann ebenfalls gewelltes Blech eingeführt werden, insbesondere dann, wenn das durch
die Kernrohre fließende Medium gasförmig ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
von Wärmeaustauscherelementen der vorstehend genannten Art, Das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren besteht zum
einen darin, daß zunächst ein
Rohr (Kernrohr) mit einem gewellten Blech ummantelt wird, wonach dieses ummantelte
Kernrohr dann in ein Außenrohr eingeschoben wird. Statt nur ein Rohr (Kernrohr)
in das Außenrohr einzuschieben, können auch in ein entsprechend größeres Außenrohr
mehrere ummantelte Kernrohre eingeschoben werden. Unter bestimmten Umständen ist
es günstig, auch noch in das Kernrohr gewelltes Blech einzuschieben.
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Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es vorteilhaft sein, zwischen
dem gewellten Blech und dem Rohrmantel eine Verbindung herzustellen, beispielsweise
durch Verlöten oder Verschweißen.
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Noch günstiger ist es, wenn statt dessen nach Einschieben des gewellten
Bleches das Rohr durch Ziehen in seinem Durchmesser verringert wird, wodurch ein
Einklemmen und weiteres Einfalten des gewellten Bleches erreicht wird. Durch diese
Herstellungsart ist es insbesondere möglich, bei Anordnung von mehreren Kernrohren
in einem größeren Außenrohr zu erreichen, daß das Lumen des Außenrohres vollständig
von gewelltem Blech angefüllt wird, so daß der Wärmeübergangswiderstand von den
einzelnen Blechteilen zu den Rohrmänteln verringert und damit der Wärmeübergang
erleichtert wird.
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Unter Umständen ist es günstig, dem gewellten Blech einen leichten
Drall zu geben, wodurch das hindurchströmende Medium einer Spiralbewegung unterworfen
wird, was bei manchen Anwendungen von Vorteil ist.
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Das gewellte Blech kann aus einem Blechstreifen hergestellt werden,
der mit den Wellungen versehen und dann um einen Dorn herumgebogen wird, um ihn
in das Kernrohr einzuschieben oder um das Kernrohr herumzulegen. Eine andere Möglichkeit
ist die, ein Rohr so mit Einsenkungen zu versehen, daß sich die gewünschte Form
des gewellten Bleches ergibt, wobei dieses Ausgangsmaterial von besonderem Vorteil
ist, wenn das gewellte Blech durch Tiefziehen des umhüllenden Rohres anschließend
gepreßt wird.
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Es sei noch auf die ebenfalls von der Anmelderin stammende Gebrauchsmusterschrift
G 73 25 813 hingewiesen. Die in dieser Gebrauchsmusterschrift dargestellte Vorrichtung
zur Kältetrocknung ist besonders für geringere Durchsatzmengen geeignet.
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Gemäß dieser Gebrauchsrnusterschrift sind Gas-/Caswärmeaustauscher
und Gas-/Kältemittelaustauscher in einem Gehäuse vertikal nebeneinander untergebracht.
Die größere Kompaktheit wird hier durch die geringere Durchsatzkapazität erkauft
Die bezüglich der DT-OS 2 232 386 geschilderten Mängel sind in gleicher Weise bei
dieser Ausführungsform noch vorhanden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung von Ausführungsbeispielen sowie aus
der folgenden Beschreibung.
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Es zeigt: Fig. 1 .eine Vorrichtung zur Rältettocknung von Gas gemäß
dem Stand der Technik; Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kältetrocknung von Gas; Fig. 3 eine Schnittansicht
längs der Linie A-B der Fig. 2; Fig. 4a - 4e Schnittansichten von verschiedenen
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Austauscherelemente; Fig. 5a - 5e und 6a
- 6d schematische Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens für die
erfindungsgemäßen Austauscherelemente; Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Kältetrocknung von Gas;
Fig. 8 eine Schnittansicht
längs der Linien A-B der Fig. 7; Fig. 9 eine gegenüber der Fig. 7 um 45° verdrehte
Teilschnittansicht zur Darstellung der Rohrverbindung zwischen unterer und oberer
Ringleitung; Fig. 10 eine noch weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältetrockners
für Gas und Fig. 11 eine Schnittansicht längs der Linie A-B der Fig. 10.
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In Fig. 1 ist ein Kältetrockner 10 bekannter Art dargestellt.
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Er umfaßt einen vertikal angeordneten Gas-/Gaswärmeaustauscher 12
sowie einen parallel dazu aufgestellten Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher 14. Innerhalb
des Gas-/Gaswärmeaustauschers 12 befindet sich ein Wärmeaustauschereinsatz 18, der
aus horizontal liegenden Kühlschlangen 24 ausgerüstet ist, an deren Außenwandungen
sich Kühlrippen 26 befinden.
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Daszu behandelnde Gas, beispielsweise aus einem Kompressor stammende,
möglicherweise schon vorgekühlte Druckluft, wird dem Gas-/Gaswärmeaustauscher 12
über einen Einlaß 28 zugeführt, wobei die Drucklufttemperatur beispielsweise 350
C beträgt.
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Vom Einlaß strömt die Druckluft an den Kühlschlangen und Kühlrippen
24, 26 vorbei in Richtung des Pfeiles M von oben nach unten und kühlt sich dabei
ab.
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Es tritt bei 30 aus und gelangt über ein nicht dargestelltes Rohr
zum Einlaß 40 des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers 14.
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Der Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher 14 enthält ebenfalls einen Wärmeaustauschereinsatz
36, der von einem Gehäuse 38 umschlossen ist. Das in den Einlaß 40 einströmende
auf eine Temperatur von z. B. 200 C abgekühlte Gas durchströmt den Wärmeaustauschereinsatz
36 und verläßt diesen mit einer Temperatur von + 1,50 C.
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Durch die Temperatur erniedrigung wird in dem Gas enthaltene
Feuchtigkeit
niedergeschlagen und kann mittels Ablässe 57 und 58 entfernt werden. Das nun trockene
Gas tritt bei 42 aus dem Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher aus und wird einem wahlweise
vorhandenen Filter 56 zugeführt, wo evtl. nicht mit dem Tauwasser niedergeschlagene
Schmutzreste und Ölteilchen auf gefangen werden. Von diesem Filter gelangt dann
das kalte Gas in den Gas-/Gaswärmeaustauscher 12 zurück, wo es vom Einlaß 32 durch
die Kühlschlangen 26 hindurch und nach oben und aus dem Auslaß 34 herausgeführt
wird. Dabei wärmt sich dieses Gas wieder auf eine für den Gebrauch geeignete Temperatur
an.
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Dieser bekannte Kältetrockner wendet also bereits das energiesparende
Rückstromprinzip an und erreicht durch die Ausnutzung des natürlichen Gefälles der
verschieden temperierten Gasbestandteile auch eine Erniedrigung des Durchströmungswiderstandes.
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Nachteilig ist allerdings die horizontale Anordnung der Kühlschlangen
sowohl im Gas-/Gaswärmeaustauscher 12 als auch im Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher
14, wo das über eine Einspritzleitung 52 zugeführte Kältemittel die hintereinander
angeordneten Kühlschlangen 46 durchströmt und über die Saugleitung 54 wieder aus
dem Wärmeaustauschergehäuse austritt. Falls im Kältemittel Schmutzteilchen oder
Fremdstoffe enthalten sind, ist es durch die horizontale Anordnung der Kühlschlangen
leicht möglich, daß sich diese Fremdstoffe am Boden der Kühlschlangen absetzen und
so mit der Zeit das Lumen der Rohrleitungen verengen und damit zum einen den Wärmeübergang
zur Rohrwand verschlechtern, zum anderen aber den Durchströmungswiderstand für das
Kältemittel erhöhen. Noch größer ist diese Gefahr beim Gas-/Gaswärmeaustauscher,
weil innerhalb der Druckluft sehr häufig Fremdstoffe vo: vorhanden sind, die sich
hier ebenfalls in den horizontal angeordneten Kühlschlangen 24 absetzen und nicht
nur den Wärmeübergang zunehmend behindern, sondern ebenfalls zu einer Lumenverkleinerung
und damit zu einer Erhöhung der Druckdifferenz führen können. Ein so aufgebauter
Kältetrockner muß also in regelmäßigen Abständen gewartet werden, um Ablagerungen
wieder zu entfernen. Außerdem ist die Bauhöhe der Anordnung recht hoch, trotz der
Anordnung der beiden Wärmeaustauscher nebeneinander,
was natürlich
wiederumdie erforderliche Aufstellfläche vergrößert. Wird, wie in der Gebrauchsmusterschrift
G 73 25 813 gezeigt, ein gemeinsames Gehäuse für sowohl den Gas-/Gaswärmeaustauscher
als auch für den Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher verwendet, vergrößert sich zwar
die Kompaktheit der Gesamtanlage bei gleichbleibender Bauhöhe, jedoch besitzt ansonsten
dieser Trockner ähnliche Nachteile wie der eingangs erwähnte und in der DT-OS 2
232 386 beschriebene Trockner.
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In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform eines gegenüber dem vorstehend
geschilderten Stand der Technik erfindungsgemäß verbesserten Kältetrockners im Längsschnitt
dargestellt, während die Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Schnittlinie
A-B der Fig. 2 wiedergibt.
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Auch hier besteht die Vorrichtung zur Kältetrocknung von Gas wie beim
Stand der Technik aus einem Gas-/Gaswärmeaustauscher 12 sowie einem Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher
14. Beide Wärme austauscher sind koaxial übereinander angeordnet. Diese Anordnung
ist gegenüber der ir der Fig. 1 dargestellten bekannten Anordnung deshalb besonders
günstig, weil sie zum einen die Grundfläche des Austauschers stark verkleinert,
zum anderen aber auch strömungstechnisch wesentlich günstiger ist, weil die Notwendigkeit
von Verbindungsrohrleitungen zwischen den beiden Wärmeaustauschern teilweise wegfallen.
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Die Vergrößerung der Bauhöhe durch das Übereinanderordnen von den
beiden Wärmeaustauschern wird dadurch in Grenzen gehalten, daß zumindest im Gas-/Gaswärmeaustauscher
12 Austauscherelemente verwendet werden, die besonders gute Wärmeübertragungseigenschaften
besitzen. Beispiele für derartige Wärmeaustauschere7 amente sind im Querschnitt
in den Fig. 4a - d wiedergegeben.
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Die einfachste Form eines Austauscherelementes 59 ist in Fig. 4a wiedergegeben.
Das Austauscherelement 59 besteht hier aus einem äußeren Rohr 60 und einem koaxial
dazu angeordneten Innenrohr 62, das auch als Kernrohr bezeichnet wird. In das Kernrohr
ist mäanderförmig gewelltes Blech 64 eingeschoben, daß mit der
Innenwand
des Kernrohrs 62 in wärmeleitender Berührung steht.
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Durch dieses gewellte Blech 64 wird die Wärmeaustauscherfläche innerhalb
des Kernrohres um beispielsweise einen Faktor von 10 - 15 vergrößert. Berücksichtigt
man, daß durch den Einfluß des längeren Wärmeleitweges eine Wärmeübergangsverschlechterung
auftritt, die durch einen Faktor von beispielsweise 0,3 - 0,7 berücksichtigt wird,
ergibt sich ir.mer noch eine Verbesserung des Wärmedurchganges um einen Faktor von
im vorliegenden Beispiel 3 - 10,5. Wenn vorher eine Kühlschlangenlänge von z. B.
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6 m erforderlich war, die in einem Wärmeaustauscherkessel ohne Zickzack-
oder Schleifenführung nicht mehr untergebracht werden konnte, wird es durch diese
Verbesserung des Wärmeüberganges möglich, die Kühlschlangenlänge auf 2 m oder gar
60 cm zu verkürzen, wodurch es möglich wird, diese Kühlschlangen bzw. -rohre wie
in Fig. 2 dargestellt geradlinig von einem oberen Lufteintrittssammler 44 durch
den Gas-/Gaswärmeaustauscher 12 und anschließend durch den Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher
14 zum unteren Luftaustrittssammler 47 zu führen. Die gesamte Bauhöhe beträgt also
beispielsweise nur 2 - 3 m.
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Das in Fig. 4a dargestellte Profil ist besonders geeignet für einen
Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher, bei dem das Kältemittel durch das von der Kernrohraußenfläche
und der Innenfläche des äußeren Rohres gebildete Lumen 66 hindurchfließt, während
das zu kühlende Gas das Kernrohr 62 durchströmt. Die innerhalb des Kernrohres durch
die mäanderförmig gewellten Bleche gebildete größere Wärmeaustauscherfläche ist
deshalb günstig, weil der Wärmeübergang von Gas auf Metall häufig schlechter ist,
als der zwischen Kühlmittel und Metall. Durch die Erhöhung der Wärmeaustauscherfläche
um einen ähnlichen Faktor ergibt sich eine optimale Anpassung des Wärmeaustauschers
an die Wärmeaustauschermedien.
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Falls das Kältemittel durch das Kernrohr fließt, während das Gas durch
das von Kernrohr und Außenrohr gebildete Lumen 66 fließt, ist es zweckmäßig, die
mäanderförmig gewellten Bleche in dieses Lumen 66 anzuordnen, wie es in Fig. 4b
dargestellt ist.
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Ist ein Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen vorgesehen, wie z. B. im
Gas-/Gaswärmeaustauscher 12, sollte sowohl innerhalb des Kernrohres als auch zwischen
Kernrohr und äußerem Rohr mäanderförmig gewelltes Blech vorgesehen werden, wie es
in der Fig. 4c dargestellt ist.
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Wie aus der Fig. 2 sowie auch aus den Fig. 4d und 4e zu erkennen ist,
kann es zweckmäßig sein, mehrere Kernrohre 62 innerhalb nur eines äußeren Rohres
60 anzuordnen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform vereinfacht sich
durch diese Anordnung der Anschluß des oberen Luftaustrittsammlers 42 an das in
diesem Falle vier Kernrohre enthaltende Austauscherelement 59, weil der obere Luftaustrittssammler
42 pro Austauscherelement 59 nur an ein Lumen 66 angeschlossen werden braucht. Noch
größer ist die Vereinfachung im Bereich des Gas-/Kältemittelwärmeaustaushers, weil
sonst für jedes Kernrohr eine eigene Einspritzung erforderlich wäre Die in den Fig.
4d und 4e dargestellten Ausführungsformen eines Austauschelementes unterscheiden
sich dadurch, daß in der Fig. 4e um jedes Kernrohr 62 das mäanderförmig gewellte
Blech axialsymmetrisch zu dem jeweiligen Kernrohr angeordnet ist. Soll das Lumen
66 zur Erhöhung der Wärmeaustauscherfläche pro Flächeneinheit des Lumens verbessert
werden, ist es zweckmäßig, gemäß Fig. 4d das gewellte Blech so zu verformen, daß
diese freien Räume verschwinden. Dies kann dadurch geschehen, daß das in Fig. 4e
dargestellte Rohr 60 gezogen wird, wodurch sich eine Durchmesserverringerung ergibt,
die zu einem Zusammendrücken des gewellten Bleches um die einzelnen Kernrohre herum
führt, wodurch aus der Anordnung der Fig. 4e die der Fig. 4d entsteht.
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Die Herstellung der in den Fig. 4a - 4e dargestellten Austauscherelemente
ist auf verschiedene Weise möglich. Man kann beispielsweise von einem ebenen Blechstreifen
ausgehen, wie er in Fig. 5a schematisch wiedergegeben ist. Dieser Blechstreifen
68 kann dann gewellt werden, Fig. 5b, und zur Einbringung in ein Kernrohr 62 nach
entsprechender Aufwicklung, beispielsweise über
einen Dorn 70,
eingeschoben werden, woraufhin der Dorn 70 wieder herausgezogen wird.
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Um gewelltes Blech in das Lumen 66 zwischen Kernrohr 62 und äußerem
Rohr 60 einzubringen, kann ein gemäß Fig. Sb gewellter Streifen um das Kernrohr
62 herumgelegt werden (Fig. 5e) und anschließend dieses Kernrohr, ggf. zusammen
mit weiteren Kernrohren, in das äußere Rohr 60 eingeschoben werden. Das gewellte
Blech kann dabei aus mehreren Stücken 68 bestehen.
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Statt des vorstehend geschilderten Verfahrens, bei dem von einem Blechstreifen
ausgegangen wird; ist es auch möglich, von einem Blechrohr 72 auszugehen, siehe
Fig. 6a. Dieses Rohr kann durch geeignete Verfahren, z. B. durch Eindrücken, mit
Wellungen versehen werden, wie es in der Fig. 6b wiedergegeben ist. Das so verformte
Rohr läßt sich leicht in ein entsprechendes Kernrohr 62 bzw. auch in ein entsprechendes
äußeres Rohr 60 einschieben, siehe Fig. 6c. Wird nun durch Ziehen das Rohr 60 bzw.
62 hinsichtliches seines Durchmessers verkleinert, so vertiefen sich die Wellungen
des Blechstreifens 72, während gleichzeitig durch den dabei entstehenden Druck ein
guter Wärmeübergangskontakt zwischen dem gewellten Blech und der Rohrwand auftritt.
Statt dessen kann natürlich auch das gewellte Blech auf andere Weise mit dem Rohr
verbunden werden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen.
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Durch diese erfindungsgemäß aufgebauten Austauscherelemente gelingt
es, besonders kompakte Vorrichtungen zur Kältetrocknung zu schaffen. Auf die in
Fig. 2 dargestellte Ausführungsform wurde bereits kurz eingegegangen. Der in der
Fig. 2 dargestellte Kältetrockner sei nun in größeren Einzelheiten beschrieben.
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Die Darstellung ist schematisch und einige Teile, wie Fundament, ein
möglicherweise vorhandenes äußeres Gehäuse und sonstige Halterungsvorrichtungen
sind aus Vereinfachungsgründen weggelassen. Das Gerät besteht aus einem Gas-/Gaswärmeaustauscher
12 und einem damit eng verknüpften Gas-/Kältemittelaustauscher 14.
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Durch diesen Aufbau gelingt es, für Gas-/Gaswärmeaustauscher 12
und
für Gas-/Kältemittelaustauscher 14 die gleichen Kernrohre 62 vorzusehen Dadurch
entfallen irgendwelche Verbindungsleitungen und Sammelräume, die sonst erforderlich
wären, siehe beispielsweise das in Fig. 1 dargestellte bekannte Gerät Dadurch wird
nicht nur der Strömungswiderstand verringert, auch der Aufbau des Kältetrockners
kann vereinfacht und verbilligt werden, weil ein Teil der sonst erforderlichen druckfesten
Sammler und Verbindungsleitungen wegfall.
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Um jeweils vier Kernrohre 62 (siehe Fig. 4d und 4e) liegt ein äußeres
Rohr 60, durch das im Gas-/Gaswärmeaustauscher 12 von einem mittleren Luftsammler
74 kalte Luft von unten nach oben in den oberen Luftaustrittssammler 42 strömt,
um von dort über einen Austrittsstutzen 76 den Kältetrockner als getrocknete normaltemperierte
Luft zu verlassen. Dagegen strömt durch das Lumen des äußeren Rohres 60 im Bereich
des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers 14 ein Kältemittel, das an einem unteren Kältemittelsammler
zugeführt wird, von dort das oder die äußeren Rohre 60 durchströmt und am oberen
Kältemittelsammler 80 wieder gesammelt und abgezogen wird.
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Das zu trocknende Gas wird dem Kältetrockner über einen Stutzen 82
zugeführt, gelangt zunächst in den oberen Lufteintrittssammler 44, der in Form eines
ringförmigen hohlen Kastens mit rechteckigem Querschnitt dargestellt ist. An der
Bodenfläche dieses Kastens münden die Kernrohre der vier vorgesehenen äußeren Rohre
60, siehe Fig. 3. Das Gas bzw. die Druckluft strömt aus dem Sammler 44 in die Kernrohre
62, wird durch das in Gegenrichtung durch das Lumen des äußeren Rohres 60 strömende
getrocknete und kalte Gas vorgekü#hlt und dann durch das im Lumen des äußeren Rohres
im Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher fließende Kältemittel auf eine Temperatur nahe
dem Nullpunkt, z. B. auf 1,5° C, gebracht. Die so abgekühlte Luft tritt zusammen
mit kondensierter Feuchtigkeit in den unteren Luftaustrittssammler 47 aus, der die
gleiche Form besitzt, wie der obere Lufteintrittssammler 44. Während des gesamten
Abkühlungsprozesses scheidet sich Feuchtigkeit aus, die entweder in Form von
Tröpfchen
mit dem Gas mitgeführt werden oder sich an den Wänden des Kernrohres bzw an den
in diesem Kernrohr enthaltenen mäanderförmigen Blechstreifen niederschlägt und langsam
nach unten rinnt und in den Sammler 47 austritt, wo sie mittels nicht näher dargestellem
Kondensatableiter abgezogen werden kann.
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Die Höhe des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers 14 kann gleich der
Höhe des Gas-/Gaswärmeaustauschers 12 gewählt werden, falls dies aus Gründen der
Auswechselbarkeit der einzelnen Austauscher zweckmäßig ist. Wegen des oft höheren
Wärmeübergangswertes des Kältemittels ist es jedoch unter Umständen zweckmäßig,
die Höhe des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers gegenüber der Höhe des Gas-/Wärmeaustauschers
12 geringer zu halten, weil dadurch die Gesamthöhe des Trockners verringert werden
kann.
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Vom unteren Luftaustrittssammler 47 wird nun das trockene kalte Gas
im Zentrum des Kältetrockners zum mittleren Luftsammler 74 geführt, der mit den
Lumen der äußeren Rohre 60 des Gas-/Gaswärmeaustauschers 12 in Verbindung steht.
Das Gas strömt nun unter Erwärmung durch dieses Lumen nach oben und tritt im oberen
Luftaustrittssammler 42 aus dem Lumen wieder aus. Über den Auslaß 76 gelangt dann
die getrocknete auf Normaltemperatur befindliche Luft aus dem Kältetrockner aus
und kann von dort seinem Verwendungszweck zugeführt werden.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Kältetrockner sind im Zentrum noch
weitere Einrichtungen vorgesehen, die die Arbeitsweise des Kältetrockners weiter
verbessern. Es handelt sich dabei um einen Zyklonabscheider 84, der mit einer Prallschürze
86 versehen ist und dazu dient, mitgerissene größere Wasser- und öltröpfchen aufzufangen
und nach unten abzuleiten. Der von dem Zyklonabscheider gebildete Beruhigungsraum
führt gleichzeitig dazu, daß feinere Tröpfchen Zeit gewinnen, sich abzusetzen. Oberhalb
des Zyklonabscheiders 84 befindet sich ein weiterer Beruhigungsraum 88 mit einer
Prallplatte 90. Feuchtigkeits- und öltropfen, die diesen Beruhigungsraum durch den
oberhalb angeordneten Kamin 92 mit dem Luftstrom verlassen,
besitzen
bereits sehr geringe Durchmesser Besonders schädlich sind dabei die feinen öltröpfchen,
die im Kompressor entstanden sind und durch die dort stattfindenden Vorgänge "gecrackt"
sind und daher für Schmierzwecke wertlos geworden sind. Sie müssen daher von den
an den Drucklufttrockner angeschlossenen Geräten ferngehalten werden. Zu diesem
Zweck ist ein Filter 94 am Ende des Kamins 92 im oberen Bereich des Kältetrockners
vorgesehen. Dieses Filter ermöglicht ein optimales Abscheiden der noch vorhandenen
Feuchtigkeits-, blo und Staubreste. Das Filter 94 ist in einfacher Weise von oben
her austauschbar, beispielsweise nach Entfernen einer Verschlußplatte 96. Die geschilderte
Anordnung des Filters 94 ist nicht nur vom Standpunkt des Auswechselns her besonders
günstig, es liegt auch an der Stelle mit der kältesten Luft. Das abzuscheidende
öl ist daher in diesem Bereich am dickflüssigsten und besitzt auch wieder größere
Tropfendurchmesser weil während des Durchströmens der Beruhigungsräume und des Kamins
92 die Tropfen die Möglichkeit hatten, zusammenzufließen. Dadurch ist es möglich,
Filter mit etwas größerer Porenweite zu verwenden, als es sonst erforderlich wäre.
Beispielsweise wird ein Filter mit 3 /u Porenweite verwendet, um öltröpfchen, die
einen Durchmesser von kleiner als etwa 10 - 20 /u besitzen, abzufangen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß innerhalb des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers
das Prinzip der Einspritzverdampfung und nicht das der Überflutungsverdampfung gewählt
wurde, weil die Uberflutungsverdampfung zum einen besser für horizontale Verdampfer
geeignet ist, zum anderen aber auch nur wesentlich träger geregelt werden kann.
Eine flinke Regelung ist aber von Nutzen, weil dadurch die Drucklufttemperatur wesentlich
näher an Oo C herangebracht werden kann, ohne daß die Gefahr der Vereisung besteht.
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Außerdem besteht beim Überflutungsverdampfer die Gefahr der Kältemittelentmischung,
so daß ein sich nicht so leicht entmischendes, aber wärmetechnisch weniger wirksames
Mittel verwendet werden müßte.
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Die Anordnung des Kamins 92 ist besonders geeignet, wenn die an den
Kältetrockner angeschlossenen Verbraucher pulsierend arbeiten Die während des Arbeitsimpulses
hochgerissenen Tropfen haben während des zwischen den einzelnen Arbeitsimpulsen
liegenden Ruhezeitraumes ausreichend Zeit, um im Kamin wieder nach unten zu fallen.
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Statt der in der Fig. 3 dargestellten Anordnung von nur vier äußeren
Rohren 60 können natürlich noch weitere Rohre angeordnet werden, je nach geforderter
Nennleistung. Auf diese Weise läßt sich beigleichem übrigen Aufbau die Nennleistung
sehr genau an den Bedarf anpassen, wodurch sich zwar das äußere Ausmaß des Kältetrockners
nicht ändert, aber die Herstellungskosten entsprechend angepaßt sind.
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In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältetrockners
dargestellt, bei der Gas-/Gaswärmeaustauscher 112 und Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher
114 koaxial ineinander angeordnet sind. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht
in vielen Teilen der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform.
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Zur Erleichterung der Über sicht wurden entsprechende Teile mit gleichen
Bezugszahlen mit vorangestellter "1" bezeichnet.
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Durch die Ineinanderschachtelung der beiden Wärmeaustauscher gelingt
es, die Bauhöhe des Gerätes noch weiter zu verringern.
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Die Bauhöhenverringerung erfordert allerdings zusätzliche Maßnahmen,
um das aus dem Gas-/Gaswärmeaustauscher austretende vorgekühlte Gas zu sammeln,
was in einem zusätzlichen Sammelraum 175 geschieht, dann ein von diesem Sammelraum
nach oben führendes Rohr 197, das sich in den Sammelraum 173 öffnet, der mit den
Kernrohren des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers 114 in Verbindung steht. Das vorgekühlte
Gas strömt von diesem (gegenüber der Fig. 2) jetzt am oberen Ende des Kältetrockners
liegenden Sammler 180 in die Kernröhren des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers 114
und ergießt sich in den unteren Luftaustrittssammler 147, wo es die tiefste Temperatur
von etwa 1,5° C erreicht hat. Abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich sowohl
im
Sammler 175 als auch im Sammler 147 und kann von hier abgezogen werden, Vom Sammelraum
147 könnte nun das Gas direkt in den Sammelraum 174 geleitet werden, um sich beim
Aufsteigen durch den Gas-/Gaswärmeaustauscher wieder auf zuwärmen und dann über
den Sammler 142 und den Stutzen 170 auszutreten. Zur Verbesserung der Wasser-, bl-
und Schmutzabscheidung kann aber auch hier, wie bereits bei der in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsform, im Zentrum des Kältetrockners wieder ein Zyklonabscheider 184,
eine Prallschürze 186, ein Beruhigungsraum 188 mit einer Prallplatte 190, ein anschließender
Kamin 192 und schließlich auch wieder eine Filteranordnung 194 vorgesehen werden.
Vom Filter könnte jetzt die auch von kleinen öltröpfchen gereinigte Druckluft wie
bei der Ausführungsform der Fig. 2 in einem um den Kamin herumliegenden Raum 198
zurück zum Sammler 174 geführt werden. Es hat sich aber als zweckmäßig erwiesen,
statt dessen um die äußeren Rohre des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers ein weiteres
Rohr 199 zu legen, dessen Lumen mit einem Sammler 181 in Verbindung steht, der wiederum
Verbindung zum Filter 194 besitzt. Das Lumen des Rohres 198, durch daß das noch
maximal kalte Gas wieder nach unten in den Sammler 174 strömt, dient zur Wärmeisolation
des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers gegenüber dem angrenzend liegenden Gas-/Gaswärmeaustauscher.
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Die Zuführung des Kältemittels erfolgt bei dieser Ausführungsform
von unten über den Sammelraum 162 und wird nach Sammlung im Sammelraum 180 über
eine entsprechende Leitung am oberen Ende des Kältetrockners abgezogen.
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In der Fig. 8 sind wiederum nur jeweils vier äußere Rohre für jeden
Wärmeaustauscher dargestellt. Selbstverständlich kann auch eine kleinere oder größere
Anzahl derartiger Austauscherelemente vorgesehen sein. Zu berücksichtigen ist, daß
durch die Verbindungsleitung 197 nicht der gesamte Kreisumfang eines jeden Wärmeaustauscherringes
für die Anordnung von Austauscherelementen verwendbar ist.
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In den Fig. 10 und 11 ist noch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Kältetrocknung von Gas, insbesondere Druckluft dargestellt. Auch
hier sind Gas-/Gaswärmeaustauscher 212 und Gas-/Kältemittelwärmeaustauscher 214
koaxial ineinander verschachtelt. Statt der ringförmigen Sammelräume mit rechteckigem
Querschnitt sind bei dieser Ausführungsform jedoch Rohrleitungen vorgesehen, wodurch
diese Anordnung besonders druckfest wird. So wird das zu trocknende Gas über den
Stutzen 282 in ein Sammelrohr 244 geleitet, an daß die Kernrohre 262 des Gas-/Gaswärmeaustauschers
212 angelötet oder angeschweißt sind. Statt des Sammelraums 174 ist eine Sammelrohrleitung
274 vorgesehen, um das im Gegenstrom aufwärts strömende gereinigte kalte Gas in
das Lumen des äußeren Rohres 260 des Gas-/Gaswärmeaustauschers einzuführen, von
wo es nach Durchströmen des Austauschers im Sammelrohr 242 gesammelt und dem Auslaß
276 zugeführt wird. Statt des Sammelraumes 175 ist ebenfalls ein Sammelrohr 275
zur Aufnahme des vorgekühlten Gases vorgesehen. Über eine nach oben führende Leitung
297 gelangt dieses vorgekühlte Gas dann in die dem Sammelraum 173 entsprechende
Rohrleitung 273. Von dort werden die Kernrohre des Gas-/Kältemittelwärmeaustauschers
214 versorgt, die in einem unteren Sammelrohr 247 münden. Dieses untere Sammelrohr
247 steht mit einem hier ebenfalls angeordneten Zyklonabscheider 284 über ein Rohr
248 in Verbindung. Der Zyklonabscheider 284 unterscheidet sich von dem in der Fig.
7 dargestellten Zyklonabscheider 184 nur dadurch, daß die untere Wand zur Erhöhung
der Druckfestigkeit gewölbt ausgeführt ist. Das Gehäuse des Zyklonabscheiders enthält
neben der Prallschürze 286 auch den Beruhigungsraum 288 und die Prallplatte 290.
Von hier gelangt das Gas wieder über einen Kamin 292 in eine Filteranordnung 294
und von dort über ein zusätzliches Rohr 295 in den Sammelring 274. Von diesem Sammelring,
der mit dem Lumen des äußeren Rohres des Gas-/Gaswärmeaustauschers 212 in Verbindung
steht, gelangt das Gas unter Anwärmung in den bereits erwähnten Sammelring 242,
um über den Auslaß 276 an den Verbraucher abgegeben zu werden.
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Für die Kältemittel zufuhr und -abfuhr sind keine besonderen druckfesten
Sammelrohre vorgesehen, da der Kältemittelkreislauf
keinen so
hohen Druck wie der Druckluftkreislauf aufweist.
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Durch diesen Aufbau mittels Rohren wird die Größe des von dem Gas
innerhalb des Drucklufttrockners eingenommenen Volumens verringert, wodurch das
sogenannte Druckliterprodukt sich ermäßigt und die Überwachungsanforderungen entsprechend
geringer sind. Tatsächlich enthält die letztgeschilderte Ausführungsform - abgesehen
von dem nur bei Bedarf vorgesehenen Zyklonabscheider und dem Filter - keinerlei
kesselartiges Gebilde, sondern lediglich Rohre. Insofern stellt dies einen "kesselfreien"
Drucklufttrockner dar.
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Patentansprüche:
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