DE2919250C2

DE2919250C2 - Wärmetauscher für den Entzug von exothermer Kristallisationswärme aus einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2919250C2
Application number: DE2919250A
Authority: DE
Inventors: Karl Ing.(Grad.) 4300 Essen Biasin; Bernd Dr.-Ing. 4030 Ratingen Stoy
Original assignee: Rheinisch Westfaelisches Elektrizitaetswerk AG
Current assignee: RWE Energie AG
Priority date: 1979-05-12
Filing date: 1979-05-12
Publication date: 1981-01-29
Also published as: FR2456928A1; CH643939A5; FR2456928B1; DE2919250B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den Entzug von exothermer Kristallisationswärme aus einer Flüssigkeit, mit mindestens einer Wärmeträgerleitung zur Führung eines Wärmeträgermediums, wobei mindestens ein Teil der Wandung der Wärmeträgerleitung als Wärmeaustauschwandung ausgeführt ist.

Bei der Auskristallisation von Kristallen aus einer Flüssigkeit bzw. bei der Verfestigung einer Flüssigkeit wird bekanntlich Wärme frei. Die freiwerdende Wärme wird dabei allgemein als Kristallisationswärme bezeichnet, sie ist betragsmäUig gleich der entsprechenden Schmelzwärme. In einer Flüssigkeit, in der noch keine Kristalle gebildet sind, ist die Kristallisationswärme latent vorhanden, sie wird daher vielfach auch als Latentwärme bezeichnet

Die Kristallisationswärme läßt sich einer Flüssigkeit mit Hilfe eines Wärmetauschers entziehen und, ggf.

nach Übertragung auf ein höheres Temperaturniveau mit Hilfe einer Wärmepumpe, für Heizzwecke od. dgl. nutzbar machen. Ein solcher Wärmetauscher bzw. die Wärmeaustauschwandung eines solchen Wärmetauschers stellt eine Wärmesenke dar, an der die

ίο Kristallisation beginnt Die Oberfläche der Wärmeaustauschwandung bietet dabei im allgemeinen genug Keime, an denen Kristalle anwachsen können. Als Flüssigkeit ist Wasser, das bei Abkühlung unter Abgabe seiner Kristallisationswärme zu Eis kristallisiert, beispielhaft zu nennen und in der Praxis von besonderer Bedeutung.

Bei dem bekannten Wärmetauscher, von dem die Erfindung ausgeht, die die Wärmeträgerleitung eine einfache Rohrleitung von kreisringförmigem Querschnitt, die, ggf. in Schlangenlinien, innerhalb eines Flüssigkeitsbehälters verlegt ist Als Wärmeträgermedium wird in der Wärmeträgerleitung Salzwasser (Sole) geführt, ggf. auch ein Alkohol/Wasser-Gemisch. Bei dem bekannten Wärmetauscher wirkt die gesamte Wandung der Wärmeträgerleitung als Wärmetauschwandung, auf der sich, bei Wasser als Flüssigkeit, zunächst unregelmäßig an verschiedenen Stellen Eis bildet das allmählich xu einer geschlossenen Eisschicht zusammenwächst Diese dick anwachsende Eisschicht führt zu erheblichen mechanischen Belastungen der Wärmeträgerleitung, die daher entsprechend stark dimensioniert werden muß. Der Auftrieb der auf der Wärmeaustauschwandung der Wärmeträgerleitung anwachsenden Eisschicht macht es im übrigen notwendig, daß die Wärmeträgerleitung fest im Boden oder an der Wandung des entsprechenden Flüssigkeitsbehälters verankert wird.

Um zu große Dicken der anwachsenden Eisschicht zu verhindern, könnte theoretisch von Zeit zu Zeit die Temperatur des durch die Wärmeträgerleitung geführten Wärmeträgermediums über die Schmelztemperatur von Eis erhöht werden, so daß sich die Eisschicht von der Wärmeaustauschwandung der Wärmeträgerleitung lösen und zur Oberfläche der Flüssigkeit hin aufschwimmen würde. In der Praxis wird jedoch nicht so gearbeitet. Einerseits ist die für das Lösen der Eisschicht von der Wärmeaustauschwandung der Wärmeträgerleitung erforderliche Energie so groß, daß es nicht wirtschaftlich ist, so zu verfahren. Andererseits würden

so die großflächigen, unregelmäßig geformten Eisplatten schnell eine durchgehende Eisdecke bilden.

Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für den Entzug von exothermer Kristallisationswärme aus einer Flüssigkeit anzugeben, bei dem die Kristallisation so erfolgt, daß starke mechanische Belastungen des Wärmetauschers selbst und des jeweiligen Flüssigkeitsbehälters sicher verhindert werden.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst dadurch gekennzeichnet* daß die Wärmeaustauschwandung in Kristallisationsbereiche und in die kristallisationsbereiche voneinander trennende Isolationsberei-

h"i ehe aufgeteilt ist. Die Kristallisationsbereiche sind dabei Bereiche geringen Wärmewiderstandes zwischen Flüssigkeit und Wärmeträgermedium, die Isolationsbereiche sind Bereiche hohen Wärmewiderstandes zwischen

Flüssigkeit und Wärmeträgermedium. Ein geringer Wärmewiderstand zwischen Flüssigkeit und Wärmeträgermedium kann dabei dadurch erreicht werden, daß zwischen der Flüssigkeit und der äußeren Oberfläche der Wärmeaustauschwandung ein geringer Wärmeübergangswiderstand vorliegt und/oder daß die Wärmeaustauschwandung einen geringen Wärmeleitwiderstand aufweist und/oder daß zwischen der inneren Oberfläche der Wärmeaustauschwandung und dem Wärmeträgermedium ein geringer Wärmeübergangs- ι ο widerstand vorliegt Entsprechende Möglichkeiten gibt es für einen hohen Wärmewiderstand.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß es eine Vielzahl von Vorteilen bringt, wenn die Kristallbildung an der Wärmeaustauschwandung der Wärmeträgerleitung an bevorzugten Stellen, nämlich in den Kristallisationsbereichen, erfolgt. Weiter ist erkannt worden, daß es vorteilhaft ist, wenn die einzelnen Kristallisaiionsbereiche voneinander durch Isolationsbereiche getrennt sind, in denen praktisch keine Kristallisation erfolgen kann. Am Beispiel des Systems Wasser/Eis erläutert wird dadurch nämlich einerseits systematisch verhindert, daß die Wärmeträg<;rleituiig des Wärmetauschers mit einer durchgehenden Eisschicht bedeckt wird, so daß übermäßige mechanische Belastungen des Wärmetauschers vermieden werden, andererseits schwimmen jeweils nur eine Vielzahl von einzelnen, relativ kleinen Eisplättchen zur Oberfläche des Wasser auf, die sich leicht über- oder untereinanderschieben können, so daß auch übermäßige mechanische Belastungen der Seitenwand·: des Flüssigkeitsbehälters systematisch verhindert werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Wärmetauscher auszugestalten und weiterzubilden, was im folgenden nur beispielhaft erläutert werden soll.

Wie eingangs dargelegt worden ist, ist es für die Kristallbildung in einer Flüssigkeit bzw. für die hier durchgehend als Beispiel erläuterten Eisbildung in Wasser nicht nur notwendig, daß eine Wärmesenke vorhanden ist, sondern es müssen an dieser Wärmesenke auch genügend Keime vorhanden sein, an denen Kristalle anwachsen können. Es ist daher zweckmäßig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Wärmeaustauschwandung zumindest in den Kristallisationsbereichen aus einem die Kristallbildung erleichternden Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist Andererseits kann man die Kristallbildung in den Isolationsbereichen nicht nur über den hohen Wärmewiderstand in diesen Bereichen verhindern bzw. erschweren, sondern auch dadurch, daß die Wärmeaustauschwandung zumindest in den Isolationsbereichen aus einem eine Kristallbildung erschwerenden Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist. In der Praxis wird es im allgemeinen so sein, daß die Wärmeaustauschwandung durchgehend aus einem Material besteht, das entweder die Kristallbildung erleichtert oder die Kristallbildung erschwert und daß die Wärmeaustauschwandung in den entsprechenden Bereichen mit dem Material jeweils w> entsprechend entgegenstehender Charakteristik beschichtet ist. Nur der Vollständigkeit halber ist hier noch darauf hinzuweisen, daß die Materialauswahl für die Wärrneaustauschwandung bzw. die Beschichtung der Wärmeaustauschwandung auch entscheidend dafür ist, b"> wie hoch der Wärmeübergangswiderstand zwischen der Wärmeaustauschwanriung und der Flüssigkeit bzw. dem Wärmeträgermedium is·.

Der unterschiedliche Wärmeleitwiderstand der Wärmeaustauschwandung in den Kristallisationsbereichen einerseits und den Isolationsbereichen andererseits läßt sich auf einfache Weise dadurch verwirklichen, daß die Dicke der Wärmeaustauschwandung in den Kristallisationsbereichen geringer ist als in den Isolationsbereichen. Die Kristallisationsbereiche können dabei besonders einfach durch Ausnehmungen in der Wärmeaustauschwandung realisiert sein. Diese Ausnehmungen können sowohl auf der äußeren Oberfläche als auch auf der inneren Oberfläche der Wärmeaustauschwandung angeordnet sein, im letztgenannten Fall muß man allerdings berücksichtigen, daß durch die auf der inneren Oberfläche der Wärmeaustauschwandung angeordneten Ausnehmungen die Strömungsverhältnisse innerhalb der Wärmeträgerleitung beeinflußt werden.

Sind die Kristallisationsbereiche durch auf der äußeren Oberfläche der Wärmeauttauschwandung angeordnete Ausnehmungen realisiert, eo ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen sich nach außen erweiternd ausgebildet sind. Diese Ausbildung der Ausnehmungen hat den Vorteil, daß sich die in den Ausnehmungen gebildeten Eisplättchen bzw. Eisblöckchen ohne weiteres aus den Ausnehmungen lösen können.

Die geometrische Form der Kristallisationsbereiche ist natürlich grundsätzlich beliebig. Strebt man eine optimale Flächenausnutzung der Wärmeaustauschwandung und eine gleichmäßige Breite der Isolationsbereiche an, so ist es vorteilhaft die Kristalüsationsbereiche reciiteckig auszubilden.

Strebt man eine besonders leichte Ablösbarkeit der entstehenden Eisplättchen von der Wärmeaustauschwandung an und will man die Bildung einer durchgehenden Eisdecke auf der Oberfläche des Wassers unter allen Umständen sicher verhindern, so ist es eher vorteilhaft die Kristallisationsbereiche kreisrund auszubilden.

Eine Erweiterung der Kristailisationsbereiche läßt sich, wenn es gwünscht ist besonders elegant dadurch erzielen, daß randseitig an den Kristallisationsbereichen Ergänzungsrippen od. dgl. vorgesehen sind. Insbesondere dann, wenn die Kristallisationsbereiche durch auf der äußeren Oberfläche der Wärmeaustauschwandung angeordnete Ausnehmungen gebildet sind, sind derartige Ergänzungsrippen vorteilhaft anwendbar.

Vermeidet man es, die Unterseiten der Wandung der Wärmeträgerleitung als Wärmeaustauschwandung auszuführen, so kann bei einer entsprechend geschickt gewählten Querschnittsform der Wärmeträgerleitung der auf die Wärmeträgerleitung wirksame Auftrieb praktisch vernachlässigbar gering gehalten werden. Die Wärnieträgerleitung kann in einem solchen Fall am Boden eines Flüssigkeitsbehälters sogar ohne jede Vcanl'crjng verlegt werden, bei Verlegung an den Wänden eines Flüssigkeitsbehälters kann die Dimensionierung der Verankerung sich nach dem Gericht der Wärmeträgerleitung selbst bestimmen. Als ein besonders vorteilhafter Querschnitt für eine auf dem Boden eines Flüssigkeitsbehälters zu verlegende Wärmeträgerleitung hat sich ein trapezförmiger Querschnitt herausgestellt. Bei einem trapezförmigen Querschnitt der Wärmeträgerleitung kann nämlich die Wai.dung ohne weiteres an drei Seiten als Wärmeaustauschwandung ausgebildet sein. Gleichwohl behalten alle sich in den Kristallisationsbereichen bildenden Eisplättchen eine freie vertikale AuHriebsk.omponente, können also unbehindert zur Oberfläche des Wassers aufschwim-

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausfuhrungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung ein erstes > Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, eingesetzt in einem Flüssigkeitsbehälter,

Fig.2 ausschnittsweise und in vergrößerter Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, ι ο

F i g. 2a einen Schnitt durch den Gegenstand gemäß F i g. 2 entlang der Linie A-A,

F i g. 2b einen Schnitt durch den Gegenstand gemäß F i g. 2 entlang der Linie B-B,

F i g. 2c einen Schnitt durch den Gegenstand gemäß ι > F i g. 2 entlang der Linie C-C,

F i g. 3 ausschnittsweise und in vergrößerter Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 'Wärmetauschers,

F i g. 3a einen Schnitt durch den Gegenstand gemäß F i g. 3 entlang der Linie A-A,

F i g. 4 schematisch und im Querschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

F i g. 5 schematisch und im Querschnitt ein fünftes :=> Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschersund

F i g. 6 schematisch und im Querschnitt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. J(I

F i g. 1 zeigt schematisch einen Wärmetauscher 1, der in einen Flüssigkeitsbehälter 2 eingesetzt ist. Der Wärmetauscher 1 ist ausschließlich am Boden des Flüssigkeitsbehälters 2 angeordnet, er könnte aber ebenso gut auch an den Wänden des Flüssigkeitsbehälters 2 angeordnet sein. Der Wärmetauscher 1 dient dem Entzug von exothermer Kristallisationswärme aus einer nicht dargestellten Flüssigkeit. Im einzelnen weist der Wärmetauscher 1 zwei Wärmeträgerleitungen 3 auf, in denen ein Wärmeträgermedium 4 geführt wird. Ein Teil, und zwar der vertikal nach oben gerichtete Teil der Wandung 5 einer jeden Wärmeträgerleitung 3 ist als Wärmeaustauschwandung 6 ausgeführt.

Wie sich aus der schematischen Darstellung in F i g. 1 schon recht deutlich ergibt, ist die Wärmeaustauschwandung 6 in Kristallisationsbereiche 7 und in die Kristallisationsbereiche 7 voneinander trennende Isolationsbereiche 8 aufgeteilt Die Kristallisationsbereiche 7 sind Bereiche geringen Wärmewiderstandes zwischen der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 2 und dem ίο WärmeträgermeHium 4 in der jeweiligen Wärmeträgerleitung 3, während die Isolationsbereiche 8 Bereiche eines entsprechend hohen Wärmewiderstandes sind.

Bei dem in den Fig.2 bis 2c gezeigten rweiten Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 1 besteht die Wärmeaustauschwandung jeder Wärmeträgerleitung 3 aus einem die Kristallbildung erleichternden Material; sie ist in den Isolationsbereichen 8 zusätzlich mit einem eine Kristallbildung erschwerenden Material beschichtet Wie sich aus den F i g. 2a, 2b und 2c in einer Zusammenschau deutlich ergibt, ist die Dicke der Wärmeaustauschwandung 6 in den Kristallisationsbereichen 7 geringer als in den Isolationsbereichen 8. Der Wärmeleitwiderstand der Wärmeaustauschwandung 6 ist aufgrund der geringeren Dicke in den Kristallisationsbereichen 7 wesentlich geringer als in den Isolationsbereichen 8. Die Kristallisationsbereiche 7 sind im einzelnen durch Ausnehmungen 9 realisiert, die auf der inneren, d. h. dem Wärmeträgermedium 4 zuweisenden Oberfläche der Wärmeaustauschwandung 6 angeordnet sind. Die die Kristallisationsbereiche 7 bildenden Ausnehmungen 9 sind dabei rechteckig ausgebildet.

Das in den F i g. 3 und 3a dargestellte Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 1 unterscheidet sich von dem in den F i g. 2 und 2c gezeigten Ausfuhrungsbeispiel eines Wärmetauschers 1 einerseits dadurch, daß die Kristallisationsbereiche 7 kreisrund ausgebildet sind, andererseits dadurch, daß die Kristallisationsbereiche 7 durch Ausnehmungen 9 realisiert sind, die an der äußeren Oberfläche der Wärmeaustauschwandung 6 einer jeden Wärmeträgerleitung 3 angeordnet sind. Wie sich aus F i g. 3a dabei besonders deutlich ergibt, sind die Ausnehmungen 9 in der Wärmeaustauschwandung 6 sich nach außen erweiternd, nämlich konisch ausgebildet.

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Wärmetauschers 1 ist für einen senkrechten, freistehenden Einbau in einem Flüssigkeitsbehälter 2 bestimmt. Die drei Wärmeträgerleitungen 3 dieses Wärmetauschers 1 sind vertikal übereinander angeordnet Beide Seitenwandungen jeder der Wärmeträgerleitungen 3 sind als Wärmeaustauschwandungen 6 mit Kristallisationsbereichen 7 ausgeführt Die Kristallisationsbereiche 7 sind auch hier durch Ausnehmungen 9 realisiert, die au' der äußeren Oberfläche der jeweiligen Wärmeaustauschwandung 6 angeordnet und sich nach außen erweiternd ausgebildet sind. Die Ausbildung der Ausnehmungen 9 5ewährleistet, daß die sich an den vertikal angeordneten Kristallisotionsbereichen 7 bildenden Eisplättchen ohne weiteres bei Ablösung von den Kristallisationsbereichen 7 zur Oberfläche der Flüssigkeit (hier: Wasser) hin aufschwimmen können.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 1 weist die Wärmeträgerleitung 3 einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser Wärmetauscher 1 ist zum Einbau am Boden von Flüssigkeitsbehältern 2 bestimmt und hat aufgrund der speziellen Querschnittsform der Wärmeträgerleitung 3 den Vorteil, daß der größte Teil der Wandung der Wärmeträgerleitung 3, nämlich die beiden seitlichen Teile und der obere Teil, als Wärmeaustauschwandung 6 ausgeführt sein kann. Bei gleicher Grundfläche des Wärmetauschers 1 läßt sich die Fläche der Kristallisationsbereiche 7 gegenüber den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 2 bis 2c und 3, 3a um bis zu über 100% erhöhen, ohne daß die Ablöse- und Aufschwimmbedingungen für die sich in den Kristallisationsbereichen 7 bildenden Eisplättchen wesentlich verschlechter' wurden.

In F i g. 6 schließlich ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 1 ausschnittsweise so dargestellt, daß nur die Wärmeträgerleitung 3 im Bereich eines Kristallisationsbereiches 7 gezeigt ist Die Wandung 5 der Wärmeträgerleitung 3 besteht hier wie ersichtlich aus einer durchgehenden Innenwandung 10 aus einem die Kristallbildung erleichternden Material geringen Wärmeleitwiderstandes und einer Beschichtung 11 aus einem die Kristallbildung erschwerenden Material hohen Wärmeleitwiderstandes, die allerdings in dem Teil der Wandung 5 die als Wärmeaustauschwandung 6 ausgeführt ist, nur in den Isolationsbereichen 8 vorgesehen ist Um das Anwachsen eines größeren Eisplättchens zu ermöglichen, ist an dem kreisrund ausgebildeten Kristallisationsbereich 7 eine kreisringförmige Ergänzungsrippe 12 vorgesehen, durch die der

7 8

Kristallisationsbereich 7 praktisch noch in die benach- aufschwimmen und sich aufgrund seiner Formgebung

harten Isolationsbereiche 8 hinein erweitert ist. Nur leicht unter oder über benachbarte Eisplättchen 13

angedeutet ist die Form des sich bildenden Eisplättchens schieben kann, so daß die Ausbildung einer durchgehen-

13. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß ein solches dei·. festen Eisdecke praktisch nicht möglich ist.
Eisplättchen 13 sehr leicht /ur Oberfläche des Wassers

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für den Entzug von exothermer Kristallisationswärme aus einer Flüssigkeit, mit mindestens einer Wärmeträgerleitung zur Führung eines Wärmeträgermediums, wobei mindestens ein Teil der Wandung der Wärmeträgerleitung als Wärmeaustauschwandung ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschwandung (6) in Kristallisationsbereiche (7) und in die Kristallisationsbereiche (7) voneinander trennende Isolationsbereiche (8) aufgeteilt ist

Z Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschwandung (6) zumindest in den Kristallisationsbereichen (7) aus einem die Kristallbildung erleichternden Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustausch wandung (6) zumindest in den Isolationsbereichen (8) aus einesir eine Kristallbildung erschwerenden Material besteht oder mit einem solchen Material beschichtet ist

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Wärmeaustauschwandung (6) in den Kristallisationsbereichen (7) geringer ist als in den Isolationsbereichen (8).

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisationsbereiche (7) durch Ausnehmungen (9) in der Wärmeaustauschwandung (6) realisiert sind.

6. Wärmetauscher nach Arjpruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) in der Wärmeaustauschwandung (6) "ich nach außen erweiternd ausgebildet sind.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Kristallisationsbereiche (7) rechteckig ausgebildet sind.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisationsbereiche (7) kreisrund ausgebildet sind.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß an den Kristallisationsbereichen (7) randseitig Ergänzungsrippen (12) od. dgl. vorgesehen sind.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerleitung (3) einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist.