DE3223747A1

DE3223747A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines gasfoermigen druckpolsters mit vorbestimmbarem druck in einem ausgleichsraum

Info

Publication number: DE3223747A1
Application number: DE19823223747
Authority: DE
Inventors: Gerolf Ing. Mann (grad.), 6941 Laudenbach
Original assignee: BBC YORK KAELTE KLIMA
Current assignee: BBC YORK KAELTE KLIMA
Priority date: 1982-06-25
Filing date: 1982-06-25
Publication date: 1983-12-29

Description

BROWN, BOVERI-YORK GmbH

Mannheim 23. Juni 1982

Mp.-Nr. 582/82 ZPT/P5-Wg/Hl

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines gasförmigen Druckpolsters mit vorbestimmbarem Druck in einem Ausgleichsraum

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Erzeugen eines gasförmigen Druckpolsters mit vorbestimmbarem Druck in einem Ausgleichsraum, der mit einem Wärmeübertragungs-System in Verbindung steht und an ein verdampfbares Medium, vorzugsweise das Wärmeübertragungs-Medium des Systems, grenzt.

In Wärmeübertragungs-Systemen wird Wärmeenergie durch ein im Kreislauf zirkulierendes, meist flüssiges Wärmeübertragungs-Medium, z. B. in Form eines Kälteträgers oder Wärmeträgers, vom Erzeugungsort durch Rohrleitungen zum Verbrauchsort übertragen. Um hierbei temperaturbedingte Volumenschwankungen des Systems ausgleichen und auffangen zu können, sind solche Systeme mit wenigstens einem Ausgleichsraum versehen, der ein gasförmiges Druckpolster enthält und Volumenänderungen aufnimmt bzw. abfängt. Der Ausgleichsraum grenzt hierbei an einen

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Raum, der rait dem System verbunden ist und der flüssigen Wärmeträger enthält. Ausgleichsraum und der Raum für den flüssigen Wärmeträger sind hierbei in einem Ausdehnungsgefäß angeordnet.
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Um unerwünschte Dampfbildungen im Wärmeübertragungs-System zu vermeiden, die z. B. zu Schäden an Pumpen oder Apparaten führen könnten, muß das System insgesamt unter einem bestimmten Druck stehen. Dieser Druck wird durch das gasförmige Druckpolster des Ausgleichsraums dem System aufgeprägt. Hierzu ist der Ausgleichsraum über eine einstellbare Druckregelvorrichtung mit einem Druckspeicher für ein Inertgas, z. B. Stickstoff verbunden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß sich das Inertgas im Wärmeträger löst, so daß bis zur Sättigung des Wärmeträgers immer wieder Inertgas nachgespeist werden muß, um den Druck des Druckpolsters konstant halten zu können. Nach einer Sättigung des Wärmeträgers mit Inertgas ist dieser Nachteil zwar behoben, während des Betriebs des Systems stellt sich jedoch ein anderer Nachteil ein, der weit schwerwiegender ist. An Stellen erhöhter Temperatur und/oder niedrigeren Druckes tritt das Inertgas aus dem Wärmeträger aus und führt häufig zu Schäden an Pumpen oder anderen, vom Wärmeträger durchflossenen Apparaten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem auf einfache und kostengünstige Weise ein gasförmiges

³^ Druckpolster in einem Ausgleichsraum ausgebildet werden kann, das sich im Medium des Wärmeübertragungs-Systems nicht löst und somit die Betriebssicherheit gewährleistet bzw. erhöht. Zusätzlich soll das Verfahren für Wärmeübertragungs-Systeme der verschiedensten Art anwendbar sein.

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Erfindungsgemäß besteht nun die Lösung dieser Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß das Medium wenigstens in dem an den Ausgleichsraum grenzenden Bereich auf einer Temperatur gehalten wird, deren zugeordneter Dampfdruck dem gewünschten Druck des Druckpolsters gleich ist.

Es wird also die Temperatur des Mediums auf einen vorbestimmten Wert oder in einem vorbestimmten Temperaturbereich selbsttätig konstant gehalten. Da der Ausgleichsraum vor der Inbetriebnahme luftleer gemacht wurde, verdampft ein Teil des Mediums und bildet das Druckpolster des Ausgleichsraum. Der Dampfdruck des Druckpolsters ist hierbei durch die Temperatur des Mediums eindeutig bestimmt und kann Dampftafeln entnommen werden, bzw. einem vorgegebenen Druck bzw. Druckbereich des Druckpolsters kann die zugeordnete Temperatur dort entnommen werden. Da jetzt das Druckpolster von Dampf des Wärmeübertragungs-Mediums gebildet ist, sind die eingangs genannten Schwierigkeiten auf einfache und kostengünstige Weise vermieden. Darüber hinaus läßt sich der Druck des Druckpolsters durch Änderung der Temperatur gegebenenfalls an verschiedene Betriebsbedingungen leicht anpassen.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Ausgleichsraum und einem Raum für das verdampfbare Medium, die beide in einem an das Wärmeübertragungs-System angeschlossenen Ausdehnungsgefäß enthalten sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens dem Raum für das verdampfbare Medium ein Wärmetauscher zugeordnet ist. Dieser Wärmetauscher ist sowohl für die Zufuhr als auch für die Abfuhr von Wärme geeignet und bietet somit beste Voraussetzungen zur Durchführung des Verfahrens.

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In Weiterbildung der Erfindung kann der Wärmetauscher wenigstens bereichsweise im Raum für das Medium vorgesehen oder außerhalb des Raumes angeordnet und mit dessen Außenwand verbunden sein, wobei der Wärmetauscher als Wärmetauschrohr ausgebildet und vorzugsweise um die Außenwand des Raumes für das verdampfbare Medium gewickelt ist.

Soll die Wärme dem Wärmetauscher mit Hilfe einer Flüssigkeit oder eines Gases zugeführt werden, so ist vorteilhaft der Wärmetauscher als fluiddurchflossene Rohrschlange ausgebildet. Hierdurch kann sowohl eine Kühlung als auch eine Erhitzung des Mediums erfolgen.

Ist dagegen aufgrund der Betriebsbedingungen bzw. der Art des Wärmeübertragungs-Mediums lediglich eine Wärmezufuhr erforderlich, so ist es empfehlenswert, den Wärmetauscher als mindestens einen elektrischen Heizkörper auszubilden.

Die Konstanthaltung der Temperatur des Mediums kann gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden, daß im Raum für das Medium ein Temperaturfühler und/oder im Ausgleichsraum ein Druckfühler vorgesehen und zur Steuerung der Energiezufuhr mit einem dem Wärmetauscher vorgeschalteten Energie-Zufuhrregler verbunden ist.

Um hierbei Temperaturabweichungen des Mediums zu vermeiden, die zu einem unerwünschten Druck des Druckpolsters führen könnten, ist es empfehlenswert, daß im Ausgleichsraum ein Druckwächter und/oder im Raum für das Medium ein Temperaturwächter angeordnet ist, der jeweils beim Abweichen vom eingestellten Sollwert die Energiezufuhr zum Wärmetauscher beeinflußt und gegebenenfalls beim Unterschreiten des eingestellten Sollwerts einen

Zusatzwärmetauscher in Betrieb nimmt. Um solche Betriebszustände auch optisch und oder akustisch erfassen zu können, ist es empfehlenswert, wenn an den Druckbzw. Temperaturwächter ein Signalgeber angeschlossen ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im

Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor. 10

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Wärmeübertragungs-System mit einem Ausgleichsraum gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Ausgleichsraum und einen Raum für das verdampfbare Medium, die zusammen in einem

Ausdehnungsgefäß angeordnet sind, in einem vertikalen Zentralschnitt als Einzelheit und in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 als weitere Ausführungsvariante in einem vertikalen Zentral

schnitt.

In Fig. 1 ist ein Wärmeübertragungssystem 2 mit zwei Apparaten 4 und 6 dargestellt. Diese sind mittels einer Rohrleitung 8, in welche eine Pumpe 10 eingeschaltet ist, zu einem Kreislauf verbunden, in dem ein Wärmeübertragungs-Medium in Form eines Wärmeträgers oder Kälteträgers umgewälzt werden kann. Hierbei wird dem Wärmeträger im Apparat U, (z. B. Verdampfer einer Kälteanlage), Wärme entzogen. Im Apparat 6, (z. B. Produktkühler einer verfahrenstechnischen Anlage), wird dem Wärmeträger dagegen Wärme zugeführt und durch den zirkulierenden Wärmeträger weitergeleitet. Der Wärmefluß kann jedoch auch umgekehrt sein, falls die Funktionen der Apparate 4 und 6 vertauscht werden. An die Rohrleitung 8 ist im Bereich zwischen den beiden Apparaten 4,

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in Strömungsrichtung gesehen vor der Umwälzpumpe 10 eine Anschlußleitung 12 angeschlossen. Diese führt zum Ausdehnungsgefäß 14 und mündet in den unteren Bereich

seines Innenraumes.
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Das Ausdehungsgefäß 14 weist funktionsmäßig gesehen in seinem oberen Bereich den Ausgleichsraum 16 auf, der das Druckpolster aufnimmt, im unteren Bereich dagegen ist ein Raum 18 vorgesehen, der einen Teil des Wärmeübertragungs-Mediums aufnimmt. Das Ausdehnungsgefäß 14 ist hierbei als stehender zylindrischer Behälter ausgebildet und umschließt sowohl den Ausgleichsraum 16 als auch den Raum 18 für das verdampfbare Wärmeübertragungs-Medium. Das Ausdehnungsgefäß 14 ist von einer Wärmeisolierung 20 umgeben, die sich auch über jenen Endbereich der Anschlußleitung 12 erstreckt, der an das Ausdehnungsgefäß angeschlossen ist.

Im Raum 18 für das verdampfbare Medium ist der Wärmetauscher 22 in Form eines stabförmigen elektrischen

Heizkörpers 24 angeordnet. Der elektrische Anschluß ist nach außen zu einem Energie-Zufuhrregler 26 geführt, der seinerseits über eine elektrische Leitung 28 mit dem Stromnetz in Verbindung steht.
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Im Ausgleichsraum 16 ist ein Druckfühler 30 angeordnet und steht über eine Leitung mit dem Energiezufuhrregler 26 in Wirkverbindung.

vor dem Betrieb wird das Wärmeübertragungssystem 2 mit einem Wärmeträger, z. B. Wasser, über nicht dargestellte Anschlüsse gefüllt und insbesondere der Ausgleichsraum 16 evakuiert. Der Ausgleichsraum 16 wird hierbei von etwa 30 bis 70% des Volumens des Ausdehnungsgefäßes 14 gebildet, der Rest bildet den Raum 18, der mit Wärmeträgern angefüllt ist.

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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem der Wärmeträger aus Wasser besteht, soll dem übertragungssystem ein Druck von ca, 2,5 bis 3,0 bar durch entsprechende Ausbildung des Druckpolsters im Ausdehnungsraum 16 aufgeprägt werden. Die diesen Druckbereich zugeordnete Siedetemperaturen des Wassers im Raum 18 liegen zwischen 127° Celsius und 133° Celsius. Der vorgesehene Druckbereich muß am Druckfühler 30 oder am Zufuhrregler 26 eingestellt werden, der dann mit Hilfe des Energie-Zufuhrreglers 26 die elektrische Stromzufuhr zum Heizkörper 24 so regelt, daß der gewünschte Temperatur- bzw. Druckbereich eingehalten ist. Es ist daher möglich, im Wärmeübertragungssystem 2 Wärme vom Apparat 6 zum Apparat 4 störungsfrei zu übertragen.

Ist das Wärmeübertragungssystem 2 dagegen in einer Kälteanlage eingesetzt bei Arbeitstemperaturen zwischen minus 45° Celsius und minus 50° Celsius so dient als Wärmeträger bzw. Kälteträger z. B. Trichlormonofluormethan, dessen Dampfdruck bei Umgebungstemperatur (200 Celsius) etwa 0,89 bar beträgt. Nach dem Füllen und Evakuieren des Systems 2, insbesondere des Ausgleichsraums 16, wird die Pumpe I^ in Betrieb genommen zum Kältetransport zwischen den beiden Apparaten. Soll hierbei das System mit einem Überdruck zwischen rund 2,1 bar und rund 2,4 bar arbeiten, so wird der Druckfühler 30 auf diese Druckwerte eingestellt. Der Energie-Zufuhrregler 26 wird hierbei vom Druckfühler 30 derart angesteuert, daß sich im Raum befindende Medium auf eine Temperatur zwischen 46© Celsius und 50° Celsius einstellt. Diesen Temperaturen sind die vorgenannten Dampfdrücke zugeordnet.

Auch in diesem Anwendungsfall sind Kavitationsprobleme der Pumpen und andere bei der Anwendung von Inertgas als

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Druckpolster auftretende Probleme ausgeschlossen. Der Wärmeträger ist stark unterkühlt. Die erforderliche Heizleistung für den Raum 18 beträgt pro m2 Oberfläche des Ausdehnungsgefäßes bei einem Wärmedurchgangswert der ^ mit der Wärmeisolierung 20 versehenen Wände von etwa 0,6 W/m^k und einer Temperaturdifferenz von ca. 28 k (Differenz zwischen mittlerer Temperatur des Mediums im Raum 18 und Raumtemperatur von ca. 20° Celsius) somit nur 16,8 W/m2. Dies ist ein außerordentlich geringer Wert, der durch die Wärmeisolierung 20 des Ausdehnungsgefäßes 14 samt des oberen Bereiches der Anschlußleitung 12 erreicht werden kann. Auch Wärmeverluste durch Eigenzirkulationen des Kälteträgers in der Anschlußleitung 12 sind äußerst gering, da sich in dieser ansteigenden An-Schlußleitung eine Temperaturschichtung einstellt, die Eigenzirkulationen entgegenwirkt.

Fig. 2 stellt das Ausdehnungsgefäß 14 als Einzelheit in größerem Maßstabe und in einer Ausführungsvariante in zentralem Vertikalschnitt dar. Der Wärmetauscher 22 ist hier als Rohrwendel oder Rohrschlange 32 ausgebildet und mit einer Zuflußleitung 34 und einer Abflußleitung 36 für ein vorzugsweise flüssiges Heizmedium versehen. Im Raum 18 für das Medium ist ein Temperaturfühler 38 angeordnet, der mit dem in die Zufuhrleitung 34 eingeschaltetem Energie-Zufuhrregler 40 in Wirkverbindung steht. Gleichzeitig ist im Raum 18 ein Temperaturwächter 42 vorgesehen, der ebenfalls auf den Zufuhrregler 40 einwirkt. Zudem ist noch ein optischer und/oder akustischer Signalgeber 44 vorgesehen.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird hier die Temperatur des verdampfbaren Mediums bzw. Wärmeträgers im Raum 18 erfaßt und die Energiezufuhr zum Wärmetauscher auf den voreingestellten Temperaturwert geregelt. Der Temperaturwächter 42 hat eine Sicherheits-

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funktion, er schaltet die Energiezufuhr ab, wenn bestimmte voreingestellte Grenzwerte über oder unterschritten werden.

Vorzugsweise steht der Temperaturwächter 42 mit einem in den Figuren nicht dargestellten Zusatzwärmetauscher in Wirkverbindung. Dieser Zusatzwärmetauscher ist ebenfalls dem Raum 18 zugeordnet und ist vorzugsweise als elektrische Heizung ausgebildet. Beim Ansprechen des Druck-Wächters 42 wird diese Zusatzheizung in Betrieb genommen und ihre Leistung durch den Druckwächter 42 geregelt. Daher ist im Störfalle, das heißt wenn der Druckwächter 42 anspricht, die Möglichkeit einer Notbeheizung des

Raumes 18 gegeben.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Ausführungsvariante eines Ausdehnungsgefäßes als Einzelheit und in einer gegenüber Fig. 1 größeren Darstellung. Der Wärmetauscher ist hier als Wärmetauschrohr 46 ausgebildet, im Bereich des Raumes 18 um die Außenwand des Ausdehnungsgefäßes 14 gewickelt und mit dieser gut wärmeleitend, z. B. durch Verlöten oder Verschweißen, verbunden. In Fig. 3 sind die einzelnen Lagen des gewickelten Wärmetauschrohres im Querschnitt zu erkennen. An den Enden des Wärmetauschrohres 46 ist eine Zufuhrleitung 48 mit eingeschaltetem Energie-Zufuhrregler 52 sowie eine Abflußleitung 50 angeschlossen, so daß das Wärmetauschrohr 46 von einem flüssigen oder gasförmigen Heizmittel durchflossen werden kann. Im Ausgleichsraum 16 ist ein Druckfühler sowie ein Druckwächter 56 angeordnet, die mit dem Zuflußregler 52 in Wirkverbindung stehen. Die Arbeitsweise entspricht hier jener der anderen Ausführungsbeispiele, so daß sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen. Besonders hervorzuheben ist noch, daß bei einer Anwen-

*** dung eines Wärmetauschrohres gegebenenfalls auch eine Kühlung des im Raum 18 enthaltenen Mediums möglich ist.

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Dies kann in speziellen Betriebszuständen von Vorteil sein.

Die im Zusammenhang mit den einzelnen Figuren beschriebenen Merkmale der Erfindung können auch in Kombination miteinander, soweit diese im Sinne der Erfindung wirkt, von erfindungswesentlicher Bedeutung sein.

Für die Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes kann folgendes gelten. Der Gesamtinhalt des Ausdehnungsgefäßes ist auf den Rauminhalt und das Temperaturverhalten des jeweiligen Wärmeübertragungs-Systems abzustimmen, wobei die Form des Ausdehnungsgefäßes ohne Bedeutung ist. Der Raum 16 soll ungefähr 30 bis 70$ des Rauminhalts des Ausdehnungsgefäßes betragen, der Rest dient als Raum 18 für das zu verdampfende Medium. Die Leistung des Wärmetauschers 22 ist so zu bemessen, daß einmal eine ausreichend schnelle Aufheizung bzw. Abkühlung des im Raum 18 vorhandenen verdampfbaren Mediums gewährleistet ist, zum anderen muß die Leistung des Wärmetauschers 22 den Ausgleich der Wärmeverluste, die trotz Isolierung des Ausdehnungsgefäßes während des Betriebs auftreten, ausgleichen können.

Claims

O Z Z O /

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Ansprüche

/Verfahren zum Erzeugen eines gasförmigen Druckpolsters mit vorbestimmbarem Druck in einem Ausgleichsraum (16), der mit einem Wärmeübertragungs-System (2) in Verbindung steht und an ein verdampfbares Medium, vorzugsweise das Wärmeübertragungs-Medium des Systems, grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium wenigstens in dem an den Ausgleichsraum (16) grenzenden Bereich auf einer Temperatur gehalten wird, deren zugeordneter Dampfdruck dem gewünschten Druck des Druckpolsters gleich ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ²P Anspruch 1, mit einem Ausgleichsraum (16) und einem Raum

(18) für das verdampfbare Medium, die beide in einem an das Wärmeübertragungs-System (2) angeschlossenen Ausdehnungsgefäß (14) enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens dem Raum (18) für das verdampfbare Medium wenigstens ein Wärmetauscher (22) zugeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (22) wenigstens bereichsweise im Raum (18) für das Medium vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher außerhalb des Raumes (18) angeordnet und mit dessen Außenwand verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

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Cf

dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als Wärmetauschrohr (46) ausgebildet und vorzugsweise um die Außenwand des Raumes (18) gewickelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als fluiddurchflossene Rohrschlange (32) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein elektrischer Heizkörper (24) ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum (18) für das Medium ein Temperaturfühler (38) und/oder im Ausgleichsraum

(16) ein Druckfühler (30, 54) vorgesehen und zur Steuerung der Energiezufuhr mit einem dem Wärmetauscher (22) vorgeschalteten .Energie-Zufuhrregler (26, 40, 52) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgleichsraum (16) ein Druckwächter (56) und/oder im Raum (18) für das Medium ein Temperaturwächter (42) angeordnet ist, der jeweils beim Abweichen vom eingestellten Sollwert die Energiezufuhr zum Wärmetauscher (22) beeinflußt und gegebenenfalls beim Unterschreiten des eingestellten Sollwerts einen Zusatzwärmetauscher in Betrieb nimmt bzw. beim Überschreiten die Energiezufuhr zum Wärmetauscher unterbricht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Druck- bzw. Temperaturwächter ein Signalgeber (44) angeschlossen ist.