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Meßgas-KUhleinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Meßgas-Kühleinrichtung, bestehend aus
einem Kühl-Aggregat und einer vom Kühl-Aggregat gekühlten, nach außen wärmeisolierten
Kühlkammer, der ein Gaswärmetauscher mit Kondensat-Abscheider angeordnet ist.
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Eine derartige Meßgas-Kühleinrichtung ist bereits aus einem Prospekt
der Firma Hartmann & Braun aus dem Jahre 1978 bekannt geworden. Die bekannte
Meßgas-Kühleinrichtung hat die Form eines Kompressor-Kühlschrankes, der aus einem
Stahlblechgehäuse besteht, in dem hermetisch dicht ein Motor und ein Kompressor
angeordnet sind. Der Innenraum des Stahlblechgehäuses ist in den Kühlkreis mit einbezogen
und mit Kältemittel R 12 gefüllt. Zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Temperatur
in der Kühlkammer dient ein Thermostat, dessen Temperaturfühler als Tensions-Thermometer
ausgebildet ist. Sobald die Soll-Temperatur von dem vorgeschriebenen Temperaturbereich
abweicht, wird durch das Tensions-Thermometer ein Schalter betätigt, der den Kompressor-Motor
ein-oder ausschaltet.
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Innerhalb der Kühlkammer befindet sich ein aus Glas gefertigtes Kühlsystem,
dessen Kühlwendel das Meßgas abkühlt. Das durch den Abkühlvorgang abgeschiedene
Kondensat fließt durch einen Verbindungsschlauch in ein aus Blech gefertigtes und
unterhalb des Kühl-Aggregats angeordnetes Kondensat-Sammelyefäß. Um die Schwankungen
der Kühlkammertemperatur, die durch das periodische Arbeiten des Kühl-Aggregats
bedingt sind, einigermaßen zu glatten, ist die Kühlwendel in einem Flüssigkeitsbad,
einer KochsazL6öung -untergebracht.
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Uber einen an der Gerätevorderseite angebrachten Kondensat-Ablasshahn
kann das Kondensat abgelassen werden.
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Eine derartige Meß-Kühleinrichtung dient beispielsweise dazu, die
Analyse der Abgase eines Verbrennungs-Prozesses zu erleichtern.
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Insbesondere bei industriellen Verbrennungs-Prozessen wird zur Vermeidung
von Umweltbelastungen durch schädliche Abgas-Verunreinigungen - CO, C02, CmHn, NOX,
SO2 - eine kontinuierliche Messung und Analyse der Verbrennungsgase gefordert. Auch
zur frlangung optimaler Wirtschaftlichkeit kann die UberwaelluncJ der Verbrennungsgase
zweckmäßig sein, beispielsweise, um eine exakte stöchiometrische Einstellung und
Regelung des Verbrennungsvorganges zu ermöglichen.
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Mit Hilfe derartiger Abgas-Analysen lassen sich Verbrennungs-Prozesse
automatisch steuern, es können Grenzwerte überwacht werden oder auch Eingriffe in
die Prozess-Regelung vorgenommen werden, falls bestimrce Grenzwerte aufgrund eines
Signals der Abgas-Analyse-Einrichtung überschritten oder unterschritten werden.
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Damit die Analysen-Meßgeräte zuverlässig arbeiten, muß das zu analysierende
Gas zunächst aufbereitet werden. Je nach Art der vorzunehmenden Analyse und des
zu überwachenden Gases, insbc-ondere Abgases wie auch der zu analysierenden Abyas-Bestandteile
wird
es zweckmäßig sein, den Feuchtigkeitsgehalt wie auch die Temperatur
des Meßgasstromes auf einen bestimmten Wert zu fixieren.
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Zu diesem Zweck werden Meßgaskühler der eingangs genannten Art eingesetzt.
Beispielsweise kann mit derartigen Meßgaskühlern der Meßgasstrom auf eine Eichtemperatur
von +2 0C gekühlt und kondensierbare Dämpfe (insbesondere Wasserdampf) niedergeschlagen
werden. Derartige kondensierbare Dämpfe beeinträchtigen stark die Empfindlichkeit
der Analysen-Messung und haben auch ungünstigen Einfluß auf die Genauigkeit der
Analysen-Werte.
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Besonders wichtig sind Meßgaskühler bei der Analyse von Gasen, insbesondere
Abgasen, die Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe
enthalten. Derartige Gase bzw. Abgase treten insbesondere bei Hüttenwerken (Stahlerzeugung),
bei Kraftwerken, in Chemieanlagen aber auch bei der behördlichen Überwachung der
Umweltluft auf. Durch diese Anwendungsbereiche ergeben sich bestimmte Anforderungen
an den Meßgaskühler. So wird es häufig notwendig sein, gleichzeitig mehrere Gase
auf ihr Vorhandensein zu überprüfen, d.h., daß der Meßgaskühler unter Umständen
mehrere voneinander unabhängige Gaswege besitzen muß.
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Aufgrund der am Markt vorhandenen Gas-Analysegeräte ergeben sich die
Anforderungen, die der Meßgaskühler erfüllen muß. So muß sein Meßgasvolumen je Gasweg
zwischen 0 und 5 m³ pro Stunde liegen, er sollte Eintrittstemperaturen zwischen
10 und 500C bearbeiten können und bei Umgebungstemperaturen zwischen +20 und zum
Beispiel 430C einwandfrei arbeiten.
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Der Meßgaskühler sollte außerdem einerseits für sehr geringe Betriebsdrücke
ausgelegt sein, also nur einen geringen Durchströmungswiderstand aufweisen, andererseits
sollte er aber auch so ausführbar sein, daß er sehr hohe Betriebsdrücke von beispielsweise
150 bar aushält.
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Die Abkühltemperatur, d.h. die Temperatur, auf der er das zu analysierende
Gas bringt, sollte möglichst nahe am Gefrierpunkt
der zu kondensierenden
Dämpfe liegen, also insbesondere hinsichtlich von Wasserdampf möglichst nahe am
Gefrierpunkt für Wasserdampf, also beispielsweise bei +20C + 0,50C.
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Da der Meßgaskühler häufig mobil eingesetzt werden soll, ist es außerdem
wichtig, daß die Meßgas-Kühleinrichtung nur sehr wenig Platz einnimmt und auch nicht
zu schwer ist. Auch sollte sein Leistungsverbrauch nicht zu hoch sein.
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Der bekannte Meßgaskühler erfüllt diese besonderen Anforderungen nur
in sehr beschränktem Ausmaß. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit
der Einhaltung der Abkühltemperatur.
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Durch das Kühlschrank-Prinzip, gemäß dem die Temperatur des Kühlraumes
durch Ein- und Ausschalten des Kühl-Aggregates geregelt wird, ergeben sich verhältnismäßig
große Kälte-Temperaturschwankungen innerhalb der Kältekammer, was insbesondere bei
solchen Anwendungsfällen von Nachteil ist, wo die Eintrittstemperatur wie auch die
Eintrittsmenge des zu analysierenden Gases starken Schwankungen unterliegt. Aufgrund
der großen Trägheit der Regeleinrichtung bei der bekannten Anordnung ergeben sich
dann unter Umständen nicht mehr tragbare Schwankungen der Temperatur bzw. des Feuchtigkeitsgehaltes
der den Analyse-Geräten zugeführten Meßgase.
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In der Drucksahrift wird erwähnt, daß der Innenraum des Stahlblechgehäuses,
in dem sich Motor und Kompressor befinden sollen, auch noch mit KältemittPl R 12
gefüllt ist. Aus den Abbildungen sind aber keine besonderen Maßnahmen erkennbar,
mit denen verhindert wird, daß das Kältemittel aus dem Gehäuse austritt und damit
zu einer Umweltbelastung wird. Ähnliche nachteilige Folgen könnten auftreten, wenn
versehentlich die Tür des Kühischrankes geöffnet wird und innerhalb der von dieser
Tür abgeschlossenen Kältekammer Kältemittel enthalten sein sollte. Um derartige
nachteilige Folgen zu vermeiden, muß darauf verzichtet werden, das StahlblechgehAuse
mit dem KSltemittwfX1 zu @üllen, statt <I<ijun
wird man wie
bei üblichen Kühlschränken, um die Kältekammer herum von Kältemittel durchflossene
Kühlschlangen anordnen und das zu kühlende Gut über die in der Kältekammer befindliche
Luft abkühlen. Dies wiederum hat jedoch insofern Nachteile, als dadurch der Wärmeübergangs-Widerstand
wie auch die Wärmeübergangs-Zeit erhöht wird, was erneut den Wirkungsgrad verschlechtert
und außerdem die Totzeit vergrößert, da innerhalb der Kältekammer nur stehende Luft
vorhanden ist, die ein schlechter Wärmeleiter ist. Aufgrund dieser Totzeit sind
Schwankungen der Temperatur des von der Meßgas-Kühleinrichtung bekannter Art abgegebenen
Meßgases von 2 bis 3° nicht zu umgehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Meßgas-Kühleinrichtung der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß zum einen ein kompakterer und leichterer Aufbau
entsteht, zum anderen eine wesentlich genauere Einhaltung der Temperatur wie auch
der Taupunkt-Temperatur des von der Meßgas-Kühleinrichtung an die Analyse-Einrichtung
abgegebenen Meßgases ermöglicht wird. Zudem soll es ohne Schwierigkeiten möglich
sein, das Gerät so zu erweitern, daß mehrere Meßgase gleichzeitig auf insbesondere
gleiche Temperaturwerte gebracht werden können.
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Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Kältekammer aus einem geschlossenen,
gasdichten, türfreien Behälter besteht, an dessem unteren Ende ein Zulauf für flüssiges
Kältemittel und an dessem oberen Ende ein Abzug für verdampftes Kältemittel angeordnet
ist, daß der Gas-Wärme-Austauscher von einem in dem Behälter im wesentlichen senkrecht
angeordneten Rohrstück gebildet wird, an dessem unteren Ende eine Rohrschlange mit
einem Durchmesser, der kleiner ist als der des Rohrstücks, angeschlossen ist, die
um den Außenumfang des Rohrstücks wendelförmig mit nach oben gerichteter Wendelsteigung
gewickelt ist, und daß das obere Ende des Rohrstücks und das obere Ende der Rohrschlange
durch die Wand
der Kältekammer dicht hindurchgeführt sind.
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Durch diese Maßnahmen wird einerseits eine sehr kompakte Anordnung
geschaffen, die zudem nicht die Gefahr in sich birgt, daß Kältemittel ungewollt
aus tritt, zum anderen wird durch das hier verwirklichte Gegenstromprinzip ein besonders
wirkungsvolles Abkühlverfahren ermöglicht, bei dem eine sehr große Annäherung an
den Gefrierpunkt des auszukuhlenden Feuchtigkeitsgehaltes erreicht wird, ohne daß
die Gefahr besteht, daß die Meßgas-Kühleinrichtung zufriert. Letzteres wird insbesondere
dadurch erreicht, daß der Meßkühlgaskreis zweistufig ist, nämlich aus einer ersten
Stufe besteht, der Rohrschlange, in der das Meßgas hoher Temperatur eindringt und
soweit vorgekühlt wird, daß sich die größten Feuchtigkeitsmengen bereits hier kondensieren
und aufgrund der großen Strömungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Zentrifugalkräfte
gegen die Rohrschlangenwandungen geschleudert und dort zum Niederschlag und zum
Abfließen nach unten zum Ende der Rohrschlange gebracht werden. Gleiches gilt für
eventuell mit angesaugte Feststoffpartikel, die beim Kondensationsprozess von Feuchtigkeit
umhüllt werden und sich im Kondensat mit niederschlagen.
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Die Endkühlung auf die gewünschte Analysen-Gastemperatur erfolgt dann
innerhalb des Rohrstücks mit dem größeren Durchmesser, das durch die wendelförmig
herumgewickelten Rohrschlange hindurch ebenfalls mit dem im Behälter befindlichen
Kältemittel in direkter Wärmeleitbeziehung steht und so ermöglicht wird, daß das
aus dem Rohrstück am oberen Ende austretende Gas praktisch die Temperatur des flüssigen
Kältemittels besitzt. Da somit das Kältemittel ohne Isolationswirkung durch Luftzwischnräume
mit dem Analysengas in Wärmetauschbeziehung steht, ergibt sich eine besonders günstige
Kühlwirkung, zumal das Gas kurz vor dem Verlassen der erfindungsgemäßen Meßgas-Kühleinrichtung
den kältesten Bereich der Kältekammer durchströmt.
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Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht auf einfache Weise das Anordnen
von mehreren Gaswärmetauschern innerhalb der gleichen Kältekammer, so daß beispielsweise
bei Bedarf mehrere Gase unabhängig voneinander mit der gleichen kompakten Meßgas-Kühleinrichtung
auf die gewünschte bestimmte Gas-Analyse-Temperatur gebracht werden kann.
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Der Sammelbehälter für das Kondensat kann gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung zweckmäßigerweise an das untere Ende des Rohrstücks angeschlossen
sein. Insbesondere für hohe Gasdrücke kann der Sammelbehälter aber auch aus einem
weiteren Rohrstück mit abgedichtetem unteren Ende bestehen, das an das erste Rohrstück
anschließt und durch den Boden des Behälters dicht hindurchgeführt ist. Dieses weitere
Rohrstück kann mit dem ersten Rohrstück einstückig sein, es kann aber auch sich
um ein Rohrstück mit einem Außenumfang handeln, der größer als der Umfang des ersten
Rohrstücks ist, zum Beispiel im wesentlichen dem Umfang der Rohrschlangenwendel
entspricht. Durch diese letztgenannte Anordnung ergibt sich ein besonders kleiner
Raumbedarf für die Kombination aus Gaswärmetauscher und Sammelbehälter, die insgesamt
dann einen zylindrischen Aufbau mit konstantem Außendurchmesser ergeben. Gestaltet
man die Kältekammer gleichfalls rohrförmig, mit einem Radius, der etwas größer als
der Außendurchmesser der Wärmetauscherkonstruktion ist, lassen sich innerhalb des
Behälters ohne Probleme drei Wärmetauscher-Einheiten einschließlich angeschlossenem
Kondensat-Behälter unterbringen, wobei es günstig ist, die Kondensat-Behälter nicht
mehr innerhalb des das Kühlmittel enthaltenen Behälters anzuordnen, sondern diese
Kondensat-Behälter aus dem Boden des Kühlmittel-Behälters austreten zu lassen. Dadurch
kann erreicht werden, daß der Inhalt des Kühlmittel-Behälters nicht zu groß wird,
so daß auch auf diese Weise die Anordnung kompakt bleibt und auch der Kühlmittelbedarf
klein gehalten werden kann. Letzteres verbessert die Regelbarkeit und verbilligt
auch die Produktionskosten.
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Macht man den Innendurchmesser des zylindrischen Behälters noch etwas
größer, lassen sich auch noch mehr Gaswege verwirklichen, bei etwas mehr als 1 1/2-fachen
Durchmesser der Wärmetauscher-Einheit beispielsweise bis zu sieben Gaswege.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik, der dadurch arbeitet, daß er den-
Kompressor ein- und ausschaltet, läßt sich hier ein viel besseres Regelprinzip verwirklichen,
indem gemäß einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung das Kältemittel-Absaugrohr
des Behälters mit einer Heißgas-Bypassleitung des Kühl-Aggregates verbunden wird.
Diese Heißgas-Bypassleitung kann von einem Heißgas-Bypassventil ausgehen, dessen
Einstellung (Kühlmitteldruck oder auch Kühlmitteltemperatur) veränderbar ist, belspielsweise
durch Handeinstellung. Ergänzend läßt sich auch am Kältemittel-Absaugrohr des Behälters
ein Kältemittel-Manometer anschließen, dessen Anzeige oder dessen Meßsignal den
Kältemitteldruck bzw. die Kältemitteltemperatur repräsentiert.
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Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung wird das
vom Kälte-Manometer abgegebene Meßsignal zur Einstellung der Verdampfungs-Temperatur
am Heißgas- Bypassventil verwendet, so daß die Werte der Kältemittel-Temperatur
im oberen Bereich des Behälters, wo auch die Abzugsleitungen des Meßgases liegen,
besonders genau auf den gewünschten Wert gehalten werden.
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Um die gewünschte Kompaktheit zu erhalten, kann es günstig sein, Kühl-Aggregat
und Behälter in einem gemeinsamen, zwei Kammern bildenden Gehäuse anzuordnen, wobei
die den BehAlter enthaltene Kammer zum Zwecke der Wärmeisolierung mit Isolierschaum
gefüllt ist. Das Gehäuse kann gemäß einer noch anderen Weiterbildung der Erfindung
eine dritte, unterhalb der Kammer für den Behälter angeordnete Kammer aufweisen,
in der Sammelbehälter für Kondensat angeordnet sind. Macht man in an sich bekannter
Weise diese Kondensat-Behälter aus durchsichtigem Material, wie Glas oder Kunststoff,
und ordnet man sie innerhalb der dritten Kammer so
an, daß ihr
Inhalt von außen sichtbar ist, läßt sich der Betrieb der Meßgas-Kühleinrichtung
besonders leicht überwachen, beispielsweise daraufhin, ob ein Gas besonders viel
Feuchtigkeit enthält.
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Versieht man die Kondensat-Behälter mit Handventilen, läßt sich das
Kondensat leicht abziehen. Mit Hilfe eines zweiten Ventils könnte sogar erreicht
werden, daß das Kondensat automatisch ausgestoßen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Es zeigt: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht auf eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßgas-Kühleinrichtung gemäß der Schnittlinien
I - I der Fig. 2; Fig. 2 eine Teildraufsicht auf die Anordnung der Fig. 1, insbesondere
auf die Kältekammer; Fig. 3a - 3c schematisch unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten
für Gaswärmetauscher in der Kältekammer; Fig. 4 schematisiert eine perspektivische
Ansicht auf die in einem Gehäuse untergebrachte Meßgas-Kühleinrichtung; und Fig.
5 eine Vorderansicht auf eine noch andere Meßgas-Kühlanordnung zur Darstellung der
von außen sichtbaren Kondensat-Abscheider.
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In Fig. 1 ist in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßgas-Kühleinrichtung 10 dargestellt, bestehend
aus einem Kühl-Aggregat 12 und einer vom Kühl- ggregat 12 gekühlten, nach außen
hin durch eine hier nicht dargestellte Isolation wärmeisolierten Kältekammer 14,
in der sich mehrere Gaswärmetauscher 16 mit darunter angeordneten Kondensat-Abscheidern
18 befinden.
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Wie aus der Fig. zu erkennen ist, besteht die Kältekammer 14 aus einem
geschlossenen, gasdichten Behälter 20, der in der hier erkennbaren Ausführungsform
aus einem geschweißten Metalldruckgehäuse gefertigt ist, in dem keine problematischen
Zugangsöffnungen wie Türen oder Fensterdurchbrüche vorhanden sind. Dieser Behälter
20 ist zu etwa 4/5 mit einem Kältemittel wie R 12 gefüllt, das über eine am unteren
Ende erkennbare Kältemittel-Zuführleitung 22, siehe auch Fig. 2, zugeführt wird.
Verdampftes Kältemittel wird über ein Kältemittel-Absaugrohr 24 aus dem Behälter
20 abgesogen, wobei sich die Absaugöffnung 26 am oberen Ende oder in einem Dom des
Behälters 20 befindet, jedenfalls oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 28 des Kältemittel
30.
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Das dampfförmige Kältemittel gelangt von der Leitung 24 über ein T-Stück
36 und einer weiteren Leitung 32 in das Kühl-Aggregat 12, das über Leitungen 42
und 44 mit einem von einem Lüfter 40 gekühlten Kondensator 38 in Verbindung stellt
(siehe Fig. 4).
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Um eine bestimmte gewUnzchte Kühlmittel-Temperatur im Bereich der
Absaugleitung 24 aufrechtzuerhalten, wird einerseits über eine von der Leitung 24
ausgehende Meßleitung 48 durch ein Anzeigegerät oder einen Druckmeßwandler 50 der
Druck des Kühlmittelgases und damit dessen Temperatur gemessen. Dieser Meßwert kann
dazu verwendet werden, das Kühl-Aggregat 12 in an sich bekannter Weise derart zu
steuern, daß die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten wird. Vorzugsweise geschieht
dies mit Hilfe einer
Bypass-Anordnung, die gemäß Fig. 4 ein Einstellventil
46 umfaßt, das über eine Bypass-Leitung 52 von einer Anzapfung in der Kondensator-Leitung
Heißgas erhält. Das Heißgas wird über das T-Stück 36 durch Ventil 46 in gesteuerter
Form dem vom Behälter 20 zum Kühl-Aggregat 12 führenden Kältemittelgasstrom zugesetzt.
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Das Ventil 46 besitzt beispielsweise einen Einstellknopf 54, an dem
eingestellt werden kann, bei welchem Druck bzw. der dazu entsprechenden Temperatur
sich das Ventil 46 öffnet, um aus der Leitung 52 Heißgas dem Kühlmittelstrom zuzuführen.
Damit wird ein weiteres Absinken des Druckes und der Temperatur verhindert und eine
bestimmte Temperatur im Bereich des Absaugrohres 24 festgelegt. Mit Hilfe derartiger
an sich bekannter Regeleinrichtungen 46 läßt sich ein Hysterese-Bereich von nur
0,02 bar verwirklichen, während beispielsweise die Temperaturregelung bzw. Druckregelung
mit Hilfe eines Ein- oder Ausschalters für das Kühl-Aggregat 12, wie es bei üblichen
Kühlschränken benutzt wird, eine wesentlich größere Hysterese und damit Temperaturschwankung
bewirkt.
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Es sei nun näher auf den Aufbau der innerhalb der Kältekammer 14 angeordneten
Gaswärmetauscher 16 eingegangen. Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, besteht der Gaswärmetauscher
16 aus einem zylindrischen Rohrstück 56, das in den Behälter 20 im wesentlichen
senkrecht angeordnet ist. Nahe dem unteren Ende 58 dieses Rohrstücks befindet sich
eine seitliche Öffnung 124 in der Rohrstückwand (in der Fig. 1 gestrichelt gezeichnet),
an der das Ende 60 einer Rohrschlange 62 angeschweißt ist, welche Rohrschlange 62
um den Außenumfang 64 des Rohrstücks 56 wendelförmig mit nach oben gerichteter Wendelsteigung
66, die vorzugsweise nahezu gleich dem Durchmesser 68 des Rohrs 70 der Rohrschlange
62 ist, so daß sich die einzelnen Windungen der Rohrschlange nahe aneinander und
an den Außenumfang 64 des Rohrstücks 56 legen und so der Platzbedarf klein bleibt.
Sowohl Rohrstück 56 als auch Rohr 70 sind aus gegen die z. T. sehr aggressiven Analysengase
beständigem Metall gefertigt, z.B. aus Edelstahl (insbesondere Edelstahl mit der
DIN-Bezeichnung 1.4571).
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Die Rohrschlange 62 reicht bis zum oberen Ende 72 des Rohrstücks 56
und ist von dort druckdicht durch den Deckel 74 des Behälters 20 nach außen geführt
und läuft dort beispielsweise in einer Anschlußverschraubung 76 aus. Das obere Ende
des Rohrstücks 56 steht mit einem Rohr 78 in Verbindung, das gleichfalls druckdicht
durch den Deckel 74 nach außen geführt ist und in einer Ansc lußverschraubung 80
endet. Das Rohr 78 kann direkt an einen im Deckel 82 des Rohrstücks 56 angeordneten
Durchbruchs angeschweißt oder auf sonstige Art befestigt sein, oder das Rohr 78
kann, wie in der Darstellung der Fig. 1 zu erkennen, ein kurzes Stück in den oberen
Raum des Rohrstücks 56 hineinführen.
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Wie aus der Fig. 1 deutlich zu entnehmen ist, ist am unteren Ende
58 des Rohrstücks 56 ein Sammelbehälter 18 für Kondensat 84 angeschlossen, wobei
dieser Sammelbehälter 18 zum Beispiel aus einem weiteren Rohrstück 86 mit abgedichtetem
unterem Ende 88 bestehen kann, das an das erste Rohrstück 56 beispielsweise mittels
einer Schweißung 90 angebracht ist und das durch den Boden 92 des Behälters 20 dicht
hindurchgefthrt ist, so daß sich der größere Teil des Sammelbehälters vorzugsweise
außerhalb des Behälters 20 befindet. Natürlich kann man die Rohrstücke 56 und 86
einstückig aus einem einzigen Rohr herstellen, aus Gründen der besseren Raumausnutzung
ist es aber meist günstiger, wenn das weitere Rohrstück 86, wie auch in der Fig.
1 zu erkennen, einen Außenumfang 94 aufweist, der im wesentlichen dem Umfang 96
der Rohrschlangenwendel 62 entspricht, weil dadurch das Auffangvolumen für das Kondensat
vergrößert wird und die Entleerungsintervalle dadurch verlängert werden.
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So zeigt die Fig. 3a ähnlich wie auch die Fig. 2 drei derartige Einheiten
16, 18 innerhalb eines Behälters 20, während Fig. 3b eine Ausführungsform erkennen
läßt, bei der vier derartige Einheiten 16, 18 innerhalb eines Behälters 20 angeordnet
sind. In Fig. 3c sind es gar insgesamt sieben Einheiten 16, 18, die in
dem
wiederum zylindrischen Gehäuse 20 nebeneinander angeordnet sind, so daß im letzteren
Falle beispielsweise sieben verschiedene Meßgase behandelt werden können.
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Wie die Fig. 1 und die Fig. 2 jeweils erkennen lassen, befindet sich
am unteren Ende des Sammelbehälters 86 für Kondensat 84 ein Abzugsrohr 98 für Kondensat
84, das gemäß der Darstellung der Fig. 2 über eine Anschlußverschraubung 100 mit
einem Abzugshahn 102 in Verbindung steht. Dieser Abzugshahn kann so gestaltet werden,
daß er eine Schleuse enthält, die verhindert, daß beim Ablassen des Kondensats der
Innenraum des Sammelbehälters 18 mit der äußeren Atmosphäre in direkte Verbindung
kommt, so daß ein innerhalb des Sammelbehälters 18 befindlicher Über-oder Unterdruck
aufrechterhalten bleibt.
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Die in der Fig. 1 wie auch in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform
ist mit sehr hohen Drücken von beispielsweise 150 bar belastbar, da die einzelnen
Rohrstücke 56 und 86 jeweils mit druckfesten Deckelenden 82 bzw. 88 versehen sind,
die den Rohrstücken Druckbehälterform geben. Falls eine derartig hohe Druckfestigkeit
nicht erforderlich ist, könnte statt des direkt an das untere Ende des Rohrstückes
56 angesetzten weiteren Rohrstückes 86 der Sammelbehälter 18 für Kondensat auch
aus einem besonderen Behälter 118 gebildet sein, wie es die Fig. 5 erkennen läßt,
der unterhalb des vom Rohrstück 56 gebildeten Gaswärmetauschers 16 liegt und mit
dessen unterem Ende über einen Schlauch 104 in Verbindung steht. In diesem Falle
ist es auch zweckmäßig, den Sammelbehälter 118 außerhalb des Behälters 20 der Kältekammer
14 anzuordnen. Man könnte dann sogar noch einen Schritt weiter gehen und die zu
den einzelnen Gaswärmetauschern 16 gehörenden Kondensatbehälter 118 in einer eigenen
Kammer 106 des Gehäuses 34 anordnen, das beispielsweise nach außen hin offen ist
oder eine durchsichtige Scheibe aufweist. Fertigt man die Kondensat-Behälter 118
dann außerdem aus einem durchsichtigen Material, wie Glas oder Kunststoff, läßt
sich der Füllungsgrad mit Kondensat 84 sehr einfach durch Sichtkontrolle überwachen.
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Im übrigen könnte das Gehäuse 34 gemäß Fig. 4 so aufgebaut sein, daß
es eine Kammer 108 für das Kühl-Aggregat 12 einschließlich Kondensator 38, Belüfter
40 und Reglerventil 46 umfaßt, sowie eine weitere Kammer 110, in der der von beispielsweise
Isolierschaum umhüllte Behälter 20 angeordnet ist. Der Isolierschaum 112 umgibt
den Behälter 20 unten, oben wie auch an den Seiten und verhindert ein den Wirkungsgrad
verschlechterndes Eindri gen von Außenwärme in den Behälter 20. Auch wird dadurch
die Temperatur innerhalb des Behälterraumes gleichmäßiger. Dies ist deshalb sehr
wichtig, weil sonst die Gefahr bestehen würde, daß an einzelnen Punkten des Gaswärmetauschers
16 eine zu hohe Temperatur vorhanden wäre, die den gewünschten sehr tiefen Taupunkt
verhindert.
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Wie aus den Fig. 4 und 5 deutlich wird, ist die gesamte Meßgas Kühleinrichtung
sehr handlich und kompakt, so daß sie leicht an jeden gewünschten Meßort transportiert
werden kann. Das Kühl-Aggregat 12 wird vorzugsweise mit Hilfe von elektrischer Energie
betrieben, beispielsweise über einen Steckanschluß 114. Das zu analysierende, noch
nicht gekühlte Gas möge an einer Leitung 128 anliegen, die, siehe Fig. 5, mittels
der Verschraubung 76 an eine Einheit 16, 18 der Meßgas-Kühleinrichtung gemäß Fig.
1 anyeschlossen werden kann. Von dort gelangt das zunächst noch warme Analysen-Gas
in die Rohrschlange 62 und dann in das Rohrstück 56, deren Wandungen durch das Kühlmittel
innerhalb des Behälters 20 nahe der durch das Einstellventil 46 gewünschten Temperatur
sich befinden. Während das Gas mit verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit
durch die Rohrschlange 62 strömt und sich dabei zunehmend abkühlt, werden die im
Gas enthaltenen Feststoffpartikel von kondensierender Feuchtigkeit umhüllt, wie
auch unabhängig von derartigen festen Partikeln die im Meßgas enthaltene Feuchtigkeit
zu feinen Kondensattröpfchen sich kondensieren und an die Rohrschlangenwände geschleudert
werden. Während des weiteren Weges nach unten innerhalb der Rohrschlange 62 koagulieren
auch sehr kleine Tröpfchen zu größeren Tröpfchen und werden dadurch so schwer, daß
sie auf Grund der Zentrifugalkraft an die Rohrschlangenwand
geschleudert
werden und vom Gasstrom getrieben zur Öffnung 124 und von dort in den Kondensat-Abscheider
18 gelangen, wo sie sich in Form von Kondensat-Flüssigkeit 84 schließlich sammeln.
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Das am unteren Ende des Rohrstücks 56 eintretende Analysengas hat
somit einen großen Teil seiner Feuchtigkeit und eventueller Staubbeimengungen auf
die oben geschilderte Weise verloren und gelangt nun, siehe Pfeil 122, durch die
bereits eingangs erwähnte öffnung 124 in der Wand in das Rohrstück 56. Da der Durchmesser
des Rohrs 70 der Rohrschlange viel kleiner als der Durchmesser des Rohrstücks 56
ist, beispielsweise betragen der innere Durchmesser des Rohrstücks 56 30 mm und
der des Rohrs 70 4 mm, so daß das Durchmesshrverhältnis 1 : 7,5 und das Querschnittsverhältnis
1 : 56 beträgt, erniedrigt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Analysen-Gases
innerhalb des Rohrstücks 56 um beispielsweise einen Faktor von mehr als 50. Eventuell
noch vorhandene Kondensattröpfchen fallen daher nach unten in Richtung des Kondensat-Abscheider
18 und werden von dem nur langsam nach oben strömenden Gas im Rohrstück 56 nicht
mehr mitgerissen.
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Das Rohrstück 56 steht mit dem Kühlmittel innerhalb des Behälters
20 in direktem Kontakt und so auf einer Temperatur, die sehr genau der vom Ventil
46 eingestellten Temperatur entspricht. Das bedeutet, daß das aus dem Rohrstück
56 schließlich austretende und in das Abzugsrohr 78 gelangende Meßgas einen nur
noch sehr niedrigen Feuchtigkeitsgehalt besitzt, andererseits eine genau definierte
Temperatur aufweist, die der eingestellten Temperatur entspricht. Das so auf eine
definierte Temperatur und einen definierten Feuchtigkeitsgehalt gebrachte Analysen-Gas
kann nunmehr über eine Verschraubung 80 und einer weiteren Leitung 116 denl Analysen-Gerät
(nicht dargestellt) zugeführt werden, siehe Pfeil 120.
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Da die mehreren innerhalb des Behälters 20 vorgesehenen Gaswärmetauscher
16 voneinander konstruktiv gesehen unabhängig sind, können entweder mehrere Meßgase
gleichzeitig konditioniert werden, oder aber es können beispielsweise zwei Gaswärmetauscher
16 wirkungsmäßig parallel geschaltet werden.
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So könnte beispielsweise durch Parallelschalten der in Fig. 1 erkennbaren
beiden Gaswärmetauscher-Einheiten die Durchsatzkapazität verdoppelt werden, so daß
sich zum einen ein Gasweg mit doppelter Kapazität für ein Gas und - mit Hilfe des
dritten noch vorhandenen, in der Fig. nicht dargestellten Gaswärmetauschers - ein
unabhängig davon arbeitender zweiter Gasweg mit nur einfacher Durchsatzkapazität
ergibt.
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Die erfindungsgemäße Meßgas-Kühleinrichtung weist somit insbesondere
dann, wenn mehrere Gaswärmetauscher-Einheiten 16 nebeneinander innerhalb des Behälters
20 vorgesehen werden, sehr vielgestaltige Anwendungsmöglichkeiten auf.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau,
wenn Kühl-Aggregat 12 und Behälter 14 nebeneinander auf einer gemeinsamen Gehäusegrundplatte
132 aufgebaut werden, wobei zur Befestigung des Behälters 20 beispielsweise zwei
Flansche oder Winkel 134 vorgesehen sein könnten, die ihrerseits mit Hilfe von Schraubbolzen
136 auf der Grundplatte 132 befestigt sind. In ähnlicher Weise ist das Kühl-Aggregat
12 mit Hilfe von Schraubbolzen 138 auf der Grundplatte 132 befestigt, zweckmäßigerweise
unter Zwischenlage von Gummi-Puffern 140 zum Zwecke der Geräuschdäimnung.
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Die durch den Boden 92 des Behälters 20 hindurchtretenden, Kondensatabscheider
18 bildenden Rohrstücke 86 sind gemäß Fig. 1 auch durch die Grundplatte 132 hindurchgeführt
und liegen somit innnerhalb einer Kammer 106 (siehe Fig. 5), die von der den Behälter
20 enthaltenen Kammer, die mit Isolierschaum gefüllt ist, abgetrennt ist.
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Zwischen dieser den Behälter 20 in seiner Isoliereinschäumung aufnehmenden
Kammer 110 und der den Kühl-Aggregatteil 12 mit Zubehör aufnehmenden Kammer 108
ist eine Wand 142 angeordnet, die lediglich in Fig. 4 zu erkennen ist. Wie aus Fig.
4 hervorgeht,
kann der Raum 110 nochmals eine Wand 144 aufweisen,
um einen weiteren Raum 146 zu bilden, der frei von Isolierschaum sein könnte und
zum Beispiel das Anzeigeinstrument 40 aufnehmen könnte, wie auch weitere für den
Meßvorgang zweckmäßige Zubehörteile, wie Anschlußstücke, Aufzeichnungsbögen u. dgl.
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Der Raum 146 könnte zu diesem Zweck über eine Klappe 148, siehe Fig.
5, zugänglich sein.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Meßgas-Kühleinrichtung gelingt es
ohne größere Schwierigkeiten, eine Taupunkt-Temperatur von nur 0,5°C über der Gefrierpunkt-Temperatur
des abzuscheidenden FeuchtigkeitsgehaLtes zu erreichen. Diese große Annäherung gelingt
zum einen durch die genaue Einhaltung der Kühlmittel-Temperatur, die praktisch konstant
ist und der dadurch möglichen großen Nähe zwischen der Verdampfungs-Temperatur für
das Kühlmittel und der Gefrierpunkt-Temperatur der auszuscheidenden Feuchtigkeit,
beispielsweise Wasser, wobei diese Verdampfungs-Temperatur nur 0,50C über der Gefrierpunkt-Temperatur
der Feuchtigkeit liegt.
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Dadurch, daß sich das Kondensat-Abscheidungssystem - abgesehen ggf.
von dem eigentlichen Kondensat-Sammelbehälter - im Kühlraum befindet, vermeidet
man in günstiger Weise eine Rückverdampfung des Kondensats. Wegen der durch die
erfindungsgemäße Anordnung möglichen sehr schnellen Regelung vermeidet man auch
ein Gefrieren des Kondensats. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeitsänderung zwischen
dem ersten Kühlabschnitt (Rohrschlange 62) und dem zweiten Kühlabschnitt (Rohrstück
56) in der Größenordnung von 1 : 10 bis 1 : 100 ergibt sich auch eine optimale Sicherheit
gegen Mitreißen von abgeschiedenen Kondensatpartikeln, wobei die Abscheidungswirkung
durch die infolge der Zentrifugalkraft erreichte Tröpfchen-Koagulierung noch erhöht
wird.