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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise durch die DE-A1 29
43 797 bekannt geworden. Wird, wie hier, eine Flüssigkeit als Wärmeträger verwendet,
die über ihren Siedepunkt bei Normaldruck hinaus erwärmt wird, so ist es erforderlich,
diese Flüssigkeit auf einem so hohen Druck zu halten, daß sie nicht zum Sieden kommt.
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Zu diesem Zweck sind die oberen Anschlüsse der Flüssigkeitsspeicher
der bekannten Vorrichtung mit einer Druckgasquelle verbunden, die dafür sorgt, daß
der Flüssigkeit im Behälter stets der erforderliche Druck aufgelastet wird. Als
Druckgas dient aus Sicherheitsgründen Stickstoff.
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Die Verwendung von Stickstoff zur Druckauflastung erscheint bei ausgedehnten
Industrieanlagen aufwendig, da sich einerseits der Stickstoff im Wasser bis zur
Sättigung löst und andererseits wegen der zwangsläufig vorhandenen Leckagen dauernd
Stickstoff in beträchtlichem Umfang verbraucht wird. Es besteht deshalb bei Wasser
oder anderen Flüssigkeiten, die oberhalb ihres Siedepunktes bei Normaldruck eingesetzt
werden, der Wunsch, die Druckauflastung ausschließlich durch Wasserdampf bzw. Dampf
der betreffenden Flüssigkeit vorzunehmen. Insbesondere steht bei Anlagen der einleitend
beschriebenen Art im Heizkessel der Anlage sowieso eine Dampfquelle zur Verfügung,
die zur Druckauflastung herangezogen werden kann.
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Bei Anlagen der beschriebenen Art treten aber spezielle Probleme auf,
die durch den Verfahrensablauf bei der genannten Vorrichtung bedingt sind. Sowohl
die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in den Flüssigkeitsbehältern als auch die mittlere
Temperatur der Flüssigkeit in diesen Behältern ist Schwankungen unterworfen. Es
sind Arbeitszyklen vorgesehen, bei denen Flüssigkeit aus einem vollen Behälter in
den Wärmetauscher gepumpt und gleichzeitig die in diesem Wärmetauscher enthaltene
Flüssigkeit in einen leeren BehAlter ausgeschoben wird. Hierbei schwankt des Flüssigkeitspegel
von einem maximalen Wert, bei dem der Behälter nahezu gefüllt ist, bis zu einem
minimalen Wert, bei dem nur noch eine kleine Restflüssigkeitsmenge vorhanden ist,
und umgekehrt. Auch die mittlere Temperatur der Flüssigkeit ändert sich bei diesen
Vorgängen. Da diese Pegel-und Temperaturschwankungen stets mit Instabilitäten im
Bereich des Flüssigkeitsspiegels verbunden sind, besteht die Gefahr spontaner Kondensationserscheinungen
im Bereich der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Sattdampf, die bei Wasser als
Wasserschlag bezeichnet werden und die Zerstörung des Behälters mit Lebensgefahr
für Bedienungsleute der Anlage zur Folge haben können. Aus Sicherheitsgründen wird
deshalb in der Praxis bei den genannten Anlagen Stickstoff zur Druckauflastung verwendet.
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Es ist bekannt, in Flüssigkeitsbehältern ortsfeste perforierte Scheiben
vorzusehen, die sich über den gesamten Querschnitt des Innendurchmessers des Behälters
erstrecken.
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Diese perforierten Scheiben dienen dazug bei einer Flüssigkeitszufuhr
in den Behälter eine Kolbenströmung zu erzielein.
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Ferner ist es aus dem DE-GM 73 43 635 bekannt, einen Wasserbehälter
durch einen als Schwimmkörper ausgebildeten axial verschiebbaren Kolben in voneinander
getrennte Kammern zu unterteilen. Hierdurch soll eine Vermischung von
Frischwasser
und abgestandenem Wasser innerhalb des Behälters verhindert werden.
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Durch die US-PS 3 438 215 ist außerdem ein Behälter zum Speichern
zweier unterschiedlicher Flüssigkeiten bekannt geworden, der eine axial verschiebbare
Trennwand aufweist, die am oberen und unteren Rand jeweils eine Ringdichtung enthält,
die an der Behälterinnenwand anliegen. Der Ringraum zwischen den beiden Ringdichtungen
kann mittels eines Druckgases beaufschlagt werden, um die Abdichtung zwischen den
unterschiedlichen Flüssigkeiten zu verbessern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der
einleitend genannten Art eine Druckauflastung der Flüssigkeit in den Behältern mittels
Sattdampf zu ermöglichen, ohne daß es zu gefährlichen spontanen Kondensationserscheinungen
bzw. gefährlichen Wasserschlägen kommen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mittels eines Scheibe köders
eine Scheibe bzw. Ringscheibe mit Durchtrittsöffinungen für die Flüssigkeit stets
in geringem Abstand, d.h. einem Abstand von etwa 5 bis 20 cm, unterhalb des Wasserspiegels
gehalten. Bei Pegeländerungen führt der Schwimmkörper diese Scheibe automatisch
mit. Hierdurch wird selbst bei verhältnismäßig raschen Pegeländerungen eine stabilisierende
Wirkung auf die Ausbildung des Flüssigkeitsspiegels und damit auf die Grenzfläche
zwischen Sattdampf und Flüssigkeit erzielt, so daß es nicht mehr zu gefährlichen
spontanen Kondensationserscheinunqen kommen kann. Wesentlich erscheint hierbei,
daß der Auftrieb des Schwimmkörpers so bemessen ist,
daß er auch
während seiner Axialbewegungen im Flüssigkeitsbehälter nicht überflutet wird, wodurch
an den Wanten Wirbel ausgelöst werden könnten.
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Vorzugsweise ist der Schwimmkörper kolbenförmig ausgebildet und, trägt
an seiner Unfangsfldch2 an einer unterhalb Qies ssers-iegels liegenden Stelle eine
mit Durchtrittsöffnungen versehene, d.h. perforierte te Ringscheibe die sich bis
nahe der Behälterinnenwand erstreckt. Falls der Schwimmkörper hierbei z. B. mittels
eines oder zweier Führungsrohre axial geführt wird, so daß er auch nicht verkanten
kann, wird hierdurch der kritische Berührungsbereich zwischen Heißdampf und Flüssigkeit
auf einen mehr oder weniger großen Ringspalt - eine Ringspaltbreite von etwa 10
cm hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen - begrenzt und in diesem Bereich
durch die perforierte Ringscheibe eine Stabilisierung der Grenzfläche erzwungen.
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Bei größeren Unterschieden zwischen der Sattdampftemperatur und der
mittleren Flüssigkeitstemperatur des Behälters ist es gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung zweckmäßig, oberhalb der perforierten Ringscheibe und unmittelbar
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eine weitere Ringscheibe vorzusehen, die vorzugsweise
nicht perforiert ist.
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Damit wird die Flüssigkeitsoberfläche weiter stabilisiert und darüber
hinaus eine Unterteilung in zwei Flüssigkeitsschichten erzwungen, die unterschiedliche
Temperatur aufweisen können. Es ist auf diese Weise möglich, die oberste Flüssigkeitsschicht,
die an den Sattdampfbereich grenzt, auf der Sattdampftemperatur zu halten, selbst
wenn in der darunter liegenden Flüssigkeitsschicht die Temperatur abnimmt.
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Die Erfindung wird durch zwei .Rusführungsbeispiele anhand von 4 Figuren
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum abwechselnden
Heizen und Kühlen einer Presse mit drei Flüssigkeitsbehältern in schematischer DarsteLlung;
Fig. 2 in einem Längsschnitt einen Teil eines solchen Flüssigkeitsbehälters; Fig.
3 den Querschnitt III-III von Fig. 2; Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform eines Flüssigkeitsbehälters.
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Die Heiz-Kühl-Anlage gemäß Fig. 1 enthält als Wärmetauscher eine Mehretagenpresse
1, die im Verlauf eines Arbeitszyklus von 400C auf 1600C erhitzt, kurze Zeit auf
dieser Temperatur gehalten und dann wieder auf 40 OC abgekühlt wird. Ein Arbeitszyklus
nimmt etwa eine Stunde in Anspruch. In bekannter Weise sind Flüssigkeitsbehälter
2 für niedrige Temperatur (75 OC), 3 für mittlere Temperatur (120 OC) und 4 für
hohe Temperatur (140 OC) vorgesehen.
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Sowohl der Flüssigkeitszufuhr als auch der Flüssigkeitsentnahme dienende
Anschlüsse 17, 18 bzw. 19 der Flüssigkeitsbehälter 2, 3 und 4 sind über Sperrventile
6, 7 und 8 durch eine Leitung 9 mit der Zuleitung 10 zur Presse verbunden, wobei
in der Leitung 9 eine Pumpe 11 angeordnet ist sowie vor dem Anschluß an die Zuleitung
10 ein Sperrventil 12. Sie stehen außerdem über Sperrventile 13, 14 und 15 mit der
Ableitung 16 der Presse 1 in Verbindung, so daß auch bei nahezu leerem Flüssigkeitsbehalter
der von der Presse 1 kommende Wärmeträger unterhalb des Flü;sigkeitsspiegels im
Behälter zugeführt wird.
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Ein Heizkreislatuf 20 enthalt einen Dampfkessel 21, ein Speisewassergefäß
21a, eine Kesselspeisepumpe 21b, Sperrventile 22 und 23 sowie einen Kondensatableiter
24.
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Durch die Sperrventile 22 und 23 ist der Heizkreislauf 20 an die Zuleitung
10 bzw. die Ableitung 6 der Presse 1 anschaltbar. Ferner ist ein Kühikreislauf 25
vorgesehen, der neben einem Kühlturm 26 und einer Kühlwasserpumpe 27 zwei Sperrventile
28 und 29 enthält.
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Die Druckhaltung in den Flüssigkeitsbehältern 2, 3 und 4 erfolgt mit
Dampf. Zu diesem Zweck sind Anschlüsse im oberen Bereich der jeweiligen Behälter
an den Dampfkessel 21 über die Leitung 20, ein Dampfdruckreduzierventil 32 und eine
Leitung 33 angeschlossen. Infolge von Kondensationsvorgängen des Dampfpolsters in
den Flüssigkeitsbehältern steigt das Volumen der Flüssigkeit in diesen Behältern
an. Die überschüssige Flüssigkeitsmenge wird über Kondensatableiter 35, 36 bzw.
37 und eine Leitung 34 in das Kondensatgefäß 21a abgespeist.
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Es wird nun ein typischer Verfahrensschritt erläutert.
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Es sei angenommen, daß die Presse 1 eine Temperatur von etwa 40 oC
aufweist und daß das thermisch zu behandelnde Gut in die Presse eingebracht worden
ist. Die Behälter 3 und 4 sind gefüllt, der Behälter 2 ist leer. Sämtliche Ventile
sind geschlossen.
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Durch öffnen der Ventile 7, 12 und 13 wird der in Fig. 1 durch verstärkte
Linien dargestellte Flüssigkeitsweg gebildet und der erste Verfahrensschritt "Vorheizen
111 eingeleitet. Hierbei wird die Fldssigkeit von der Pumpe 11 aus dem Behälter
3 über die Presse 1 in deii Behälter 2 gefördert Am Ende des Schrittes "Vorheizen
I" weisen die Behälter etwa die angegebenen Temperaturen und den angegebenen Flüssigkeitsstand
auf.
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Jeder der Flüssigkeitsbehälter 2 bis 4 bei der Heiz-KUhl-Anlage nach
Fig. 1 enthält im unteren Bereich eine nicht dargestellte ortsfcste perforierte
Scheibe, um bei einer Flüssigkeitszufuhr durch die unteren Anschlüsse 17 bis 19
der Behälter eine möglichst wirbelfreie kolbenartige Strömung im betreffenden Behälter
zu erzielen. Darüberhinaus ist in jedem Flüssigkeitsbehälter eine innerhalb des
Behälters axial verschiebbare perforierte Scheibe vorgesehen, die durch einen Schwimmkörper
stets im Bereich des Flüssigkeitsspiegels gehalten wird. Diese Maßnahme zur Stabilisierung
der Grenzfläche zwischen Dampf und Flüssigkeit und damit zur Verhinderung gefährlicher
spontaner Kondensationserscheinungen kann,z.B. wie in denFig. 2 und 3 oder 4 dargestellt,
realisiert werden.
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In den Fig. 2 und 3 ist die zylindrische Behälterwand mit 41 bezeichnet.
Innerhalb des Behälters sind zwei zur Zylinderachse des Flüssigkeitsbehälters parallele
Führungsrohre 42 und 43 befestigt, die einen kolbenförmigen Schwimmkörper 44 mit
daran befestigter perforierter Scheibe 45so führen, daß sich Schwimmkörper und Scheibe
weder verkanten noch um die Zylinderachse drehen können. Der Auftrieb des Schwimmkörpers
ist so bemessen, daß dieser während der Axialbewegungen im Flüssigkeitsbehälter
nicht überflutet wird, d.h. daß der mit 46 bezeichnete Flüssigkeitspegel stets unterhalb
der oberen Seite des Schwimmkörpers 44 liegt. Die perforierte Scheibe 45 muß hingegen
dauernd überflute sein, d.h. stets vollständig unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
liegen. Bei den verhältnismäßig schnellen Pegelschwankungen beim Füllen und Entleeren
eines Flüssigkeitsspeichers treten auch geringfügige Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels
46 gegenüber dem Schwimmkörper 44 auf. Im Bereich dieser relativen Schwankungen
soll der Schwimmkörper keinerlei Kanten oder Ansätze auf weisen, die zu einer Wirbelbildung
und damit zu einer Störung des Flüssigkeitsspiegels führen könnten.
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/d.h. einer Scheibe mit Durclrtrittsöffnungen 45a,
Beim
Leeren oder Füllen des Flüssigkeitsbehälters sinkt bzw. steigt der Fldssigkeitsspiegel
mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10 cm pro Sekunde und mit diesem
auch der Schwimmkörper und die am Schwinmkörper befestigte perforierte Scheibe 45.
Hierbei tritt keine wesentliche Vermischung der oberhalb der perforierten Scheibe
45 liegenden Flüssigkeitsschicht 47 mit der unter der perforierten Scheibe befindlichen
Flüssigkeit auf.
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Damit wird auch der Flüssigkeitsspiegel 46, d.h. die Grenzfiäche zum
Dampfpolster, wirbelfrei gehalten und es kann wegen der stabilen Oberfläche nicht
zu den gefürchteten spontanen Kondensationserscheinungen kommen. Die Grenzschicht
im Bereich des Flüssigkeitsspiegels 46, d.h.
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die oberste Schicht der Flüssigkeitsschicht 47, behält die Temperatur
des Sattdampfes, selbst wenn in den Behälter unterhalb der perforierten Scheibe
45 Flüssigkeit mit um etwa 100 OC niedrigerer Temperatur zugeführt wird.
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Da bei der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 nur der äußere
perforierte Ringbereich der Scheibe 45 für die Aufrechterhaltung einer stabilen
Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampfpolster wirksam wird, genügt es, wenn,
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, am Schwimmkörper 48 eine sich im wesentlichen
über den Ringspalt zwischen Schwimmkörper und Behälterinnenwand erstreckende Ringscheibe
49f vorgesehen wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist zudem nur ein einziges
Führungsrohr 50 vorhanden. Eine wesentliche Modifikation gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel
besteht schließlich darin, daß in einer unmittelbar unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
46 liegenden Höhe des Schwimmkörpers 48 eine weitere Ringscheibe 51 angeordnet ist.
Diese Ringscheibe ist nicht perforiert. Durch sie wird die Flüssigkeit im Ringraum
zwischen dem Schwimmkörper und der Behälterinnenwand in zwei Flüssigkeitsschichten
52 und 53 unterteilt. Die {mit 't Durchtrittsöffnungen 49a
Flüssigkeitsschicht
52 soll hierbei im Verhältnis sehr dünn ausgebildet sein. Da sie gegenüber dem Flüssigkeitsraum
unterhalb der Ringscheibe 49 nochmals durch die Ringscheibe 51 und die Flüssigkeitsschicht
53 entkoppelt ist, wird hierdurch eine weitere Stabilisierung der Grenzfläche sowohl
hinsichtlich einer möglichen Beunruhigung durch Wirbelbildung als auch hinsichtlich
der Temperatur erzielt. Die oberste Flüssigkeitsschicht 52 wird auch bei verhältnismäßig
raschen axialen Bewegungen des Schwimmkörpers stabil und auf der Temperatur des
angrenzenden Dampfpolsters gehalten.
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Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Wasser verwendet.
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Darüberhinaus erscheint die Verwendung eines eutektischen Gemisches
aus 73,5 % Diphenyloxid (C6H5-0-C6H5) und 26,5 % Diphenyl (C6H5-C6H5) zweckmäßig.
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Die Anordnung und Bemessung der Durchtrittsöffnungen 45a bzw. 49a
der perforierten Scheiben 45 bzw. 49 soll so gewählt sein, daß die kinetische Energie
der Spaltströmung bei Relativbewegungen zwischen Flüssigkeitsspiegel und Scheibe
möglichst abgebaut wird und damit kritische Turbulenzen und Temperaturänderungen
im Bereich der Grenzfläche zwischen Sattdampf und Flüssigkeit vermieden werden.
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