DE3706949A1

DE3706949A1 - Vorrichtung zum kuehlen von fluessigkeiten und gasen bzw. kuehltrocknen von gasen mittels speicherfluessigkeiten in einem oder mehreren temperaturniveaus

Info

Publication number: DE3706949A1
Application number: DE19873706949
Authority: DE
Inventors: Karl Fritz
Original assignee: SEILER GEB FRITZ URSULA
Current assignee: SEILER GEB FRITZ URSULA
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1988-09-15

Description

Stand der Technik

Zum Abkühlen von Flüssigkeiten und Gasen in Prozessen oder Verfahren werden Wärmetauscher in Kühlbäder ein gebracht. Dabei wird immer nur je Temperaturniveau ein bestimmtes Kühlbad von nur einem Kälteaggregat gespeist. Es ist auch üblich mehrere Wärmetauscher, durch die gleiche oder unterschiedliche Medien zur Kühlung strö men, in ein Kühlbad einzubringen, jedoch nicht ver schiedene Temperaturniveaus, d.h.: somit verschiedene Kühlbehälter gleichzeitig von einem Kälteaggregat zu speisen.

Zur Unterstützung von Kältespeichern ist auch bekannt, daß sich die Kühlflüssigkeit beim Unterschreiten des Schmelzpunktes an den Kälterohren kristallin (z.B.: als Eis) ansetzt. Dies verhindert jedoch einen wirk samen und kontrollierbaren Wärmetransport (Austausch) an den Kälterohren. Die Nutzung eines solchen latenten Wärme-(Kälte-)Speichers ist somit unzureichend ge geben, und es kommt zu großen Temperaturschwankungen in der Zeit, wenn der isolierende Eisansatz abtauend einen Wärmetransport zu den Kälterohren beeinträchtigt oder verhindert. Damit ist eine Auslegung von Kühlflüs sigkeit und Kälteleistung unter wirtschaftlichen Ge sichtspunkten nicht ausreichend gegeben.

Dies entscheidend zu verbessern beschreibt nachfolgende Vorrichtung.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Flüssigkeiten oder Gasen in chemischen Prozessen oder Verfahren sowie zur Kühltrocknung von Gasen bzw. Luft. Dabei wird als Energieträger eine Basisflüssig keit verwendet, die je nach Einsatzfall (Einsatztem peratur, Umgebungstemperatur) flüssig bleibt und nicht eingefrieren kann. Die tiefste Kühlung erfolgt in dem Basis-Kältebehälter vom dem aus kommunizierend ein oder mehrere Kühlbehälter über Verbindungsleitungen und um wälzend angeschlossen werden. Der Anschluß kann seriell oder parallel vom Basisbehälter aus erfolgen. Die Tem peraturregelung erfolgt über ein einstellbares Regel glied an den kommunizierenden Anschlüssen je Behälter separat. Ein serieller Aufbau ist danach nur bei stei genden Temperaturniveaus möglich. Die Zirkulation kann aufgrund thermischen Differential-Potentials (Schwer kraft) oder durch unterstützenden Pumpendruck aufge bracht und aufrechterhalten werden.

Die Kühlung des Basis-Kältebehälters selbst wird durch einen Wärmetauscher und angeschlossenes Kälteaggregat bewirkt, wobei das Aggregat über Thermostat aus dem Basis-Kältebehälter gesteuert werden kann oder aber auf konstante Temperatur des Kältemittels im Tauscher arbeiten kann. Im ersten Fall wird die Basisflüssig keit in einer Temperaturspanne je nach den Schaltpunk ten des Thermostates intermetierend abgekühlt. Im zweiten Fall läuft das Kälteaggregat ständig und paßt überschüssiges Kältemittel bei, d.h.: es arbeitet auf konstante Temperatur aber verlustbehaftet. In den An ordnungen kann der Basis-Kühlbehälter selbst als Arbeits behälter mit festem Kühlniveau verwendet werden.

Von wesentlicher Bedeutung ist der Speichereffekt von getrennt in die Basisflüssigkeit eingebrachter Speicher flüssigkeit, die im Schmelzpunkt so eingestellt ist, daß sie bei einer definierten Temperatur (z.B.: bei 1-5°C) den Aggregatszustand (Phasensprung) von flüssig zu fest ändert und damit Wärmeenergie ohne Temperatur änderung abgibt. Die Basisflüssigkeit bleibt dann als bewegter Energieträger immer noch flüssig.

Die Kühlung der Medien selbst erfolgt über Wärmetau scher in den verschiedenen Kühlbehältern. Diese Tauscher können als Rohre (glatt oder mit Rippen), Schläuche, Platten oder beliebig geformten Hohlkörpern erfolgen, die mit konstanter Menge oder bedarfgerecht mit wech selnden Mengen flüssiger oder gasförmiger Stoffe durch strömt werden. Die Auslegung der Tauscher und der Kühl niveaus, sowie der Kühlmittelmasse je Behälter erfolgen so, daß die Kühlung jeweils im zulässigen Temperatur bereich erfolgt.

Die Temperatursteuerung des jeweiligen Niveaus je Behälter wird durch Beimischung von Basisflüssigkeit über ein Regelventil aus dem Basis-Kältebehälter bzw. aus einem Behälter niedrigeren Temperaturniveaus er reicht. Die Flüssigkeit wird erzwungen umgewälzt, wenn nicht Schwerkraft eine ausreichende Eigenzirkulation bewirkt.

Der Einsatz solcher Mehrfachbehälter mit unterschied lichen Temperaturniveaus kann nicht nur in der Stufen kühlung bei Prozessen, sondern auch bei der Trocknung von Luft oder Gasen Verwendung finden, wozu diese An ordnung zum ersten Mal eingesetzt wird. Dabei ist die Temperatureinstellung des Basis-Kältebehälters zumeist nahe an den Gefrierpunkt gelegt, ohne ihn zu unter schreiten. Damit erreicht man sehr tiefe Abkühlung des Mediums ohne Einfrieren, auch bei geringen Durchström mengen. Bei Gasen bedeutet dies niedrige Drucktaupunkte.

Ein tiefgekühlter Basis-Kältebehälter dient als Kälte flüssigkeitslieferant für angeschlossene Kühlbehälter und kann gleichzeitig über einen im Basisbehälter ein gebrachten Wärmetauscher Flüssigkeiten oder Gase unter die 0°-Grenze abkühlen. Das bedeutet, daß auch tiefere Drucktaupunkte erzielt werden, wenn es sich um ein Gas handelt. Ein möglicher Eisansatz wird durch eine mecha nische Einrichtung durch Ablösen erwirkt. Alternativ löst auch eine Kurzstrahlung, kurze Stromimpulse oder Ultraschallwellen das Eis von den Wandungen des Wärme tauschers ab.

Mit dieser beschriebenen Anordnung ist ein Speichern von Kälte in Kühlflüssigkeit und Kältespeichern mög lich, die zur Kühlung nur Energie nach Bedarf und nach den Verlusten benötigt, was zu einer erheblichen Ener gieeinsparung insbesondere bei Teillasten führt.

Mit der Anordnung von mehreren Behältern lassen sich gleichzeitig mit einem Kälteaggregat mehrere Medien oder Stufen in gleicher oder unterschiedlicher Tem peratur temperaturkonstant kühlen. Dies ist auch und gerade möglich bei unterschiedlicher Lastbeaufschla gung über der Zeit und je Strang. Es wird nur ein Ag gregat zur Kühlung benötigt und nicht wie herkömmlich je Kühlniveau ein gesondertes Aggregat.

Aufbau

Der Grundaufbau besteht aus einem mit Kühlflüssigkeit (Sole, Wasser, Öl,..) (2) gefüllten Basis-Kältebehäl ter (1), in dem ein Wärmetauscher (3), der in einen Kühlkreislauf eingebunden ist, eintaucht. Temperatur mäßig gesteuert wird das angeschlossene Kälteaggregat (4) durch den Temperatursensor (5), sodaß die Kühl flüssigkeit auf einer bestimmten, einstellbaren Tem peratur oder innerhalb eines einstellbaren Temperatur bereiches gehalten wird. In den Basis-Kältebehälter kann zusätzlich ein Kältespeicher (6) eingebracht sein, der wärmeleitend eine weitere Flüssigkeit (7) von (2) getrennt hält. Diese Flüssigkeit (7) geht unterhalb einer bestimmten Temperatur in den festen Zustand (Phasensprung) über. Bei größerem Kühlbedarf und stei gender Temperatur wird exakt bei der Schmelztempera tur ohne Temperaturveränderung zusätzliche Schmelz wärme aufgenommen.

Der Basis-Kältebehälter kann auch als Lieferant von Kühlflüssigkeit für angeschlossene Behälter (8, 9) dienen. Dabei ist die Kühlflüssigkeit (10, 11) der des Basis-Kältebehälters gleich. Die tiefer gekühlte Basisflüssigkeit des Behälters (1) wird den Flüssig keiten der über je 2 Röhren (12, 13, 14, 15) verbun denen Behälter beigemischt. Als Regelglied dient ein thermostatgesteuertes Ventil (16, 17) und (18, 19). Reicht die Schwerkraft zur Beipaß-Zirkulation nicht aus, werden Umwälzpumpen (20, 21) zur Unterstützung eingesetzt. In jedem der Behälter (8, 9) ist ein Wärmetauscher (22, 23) eingebracht, der das durch fließende Medium auf eine nahe der durch (18, 17 und 18, 19) festgelegten Temperaturen bringt. Zusätzlich eingebrachte Thermosensoren (24, 25) dienen zur Kon trolle der jeweiligen Temperaturen der Kühlflüssig keiten.

Grundsätzlich kann in jeder Kühlflüssigkeit je Be hälter ein Kältespeicher gleich oder ähnlich (7) ein gebracht werden, die alle gleich oder unterschiedlich eingestellte Schmelztemperaturen haben können.

Der Basis-Kältebehälter (1) kann auch gekapselt inner halb des zweiten Behälters (8) eingebracht werden, Fig. 2. Dabei bleibt die gleiche Funktion wie zuvor beschrieben erhalten.

Bei Anschluß von zwei Behältern (8, 9) oder mehr an den Basis-Kältebehälter (1) ist ein Anschluß nach Fig. 4 möglich, sodaß alle zusätzlichen Behälter se parat und getrennt von (7) gespeist werden. Eine se rielle Anordnung nach Fig. 5 ist nur möglich, wenn (8) auf eine höhere Temperatur eingestellt ist als (1) und wenn (9) ebenfalls in der Einstelltemperatur über (8) liegt. Zur besseren Vereinheitlichung der Temperatur innerhalb eines Behälters kann ein Umwälz flügel oder eine Pumpe (28) eingebracht werden.

Die in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Anordnungen können auch für 1- oder 2-stufige Gastrocknung eingesetzt werden. Diese Anordnungen zeigen Fig. 8, 7 und 8. Dabei dient der Behälter (28, 27) zur Speicherung und/oder Tieftemperatur-Aufladung. Die Flüssigkeit (28, 27) ist gleich der Flüssigkeit (32, 33) in den kommunizierend angeschlossenen Behältern (30, 31). Die Flüssigkeiten (32, 33) werden auf Temperaturen gehalten, die Wasserdampf ent haltene Gase, die durch Kühlrohre, Kühlplatten o.ä. (34, 35) geleitet werden, nicht ein- oder angefrieren lassen. Damit kann bis nahe an den Taupunkt 0°C Luft oder ein Gas teilgetrocknet werden. Speicher (28, 27) speisen je weils über einstellbare Regelglieder (38,37) durch Tempe ratursensoren (38, 39) die Behälter (30, 31) durch Bei mischung. Zur Tiefkühlung eines Gases, d.h. für Tau punkte weit unter 0°C kann im Behälter (26, 27) ein Spezialwärmetauscher (40, 41) eingebracht werden, an dessen Wandung Wasserdampf als Eis oder andere Flüs sigkeiten als Kondensat ausfallen, deren Schmelztempe ratur über der Einstelltemperatur liegt. Ein solcher Spezialwärmetauscher (40, 41), dargestellt in Fig. 9, besteht aus einem Glattrohr oder längs- oder quersym metrisch profiliertes Rohr (42) oder Platte, in dem eine Vorrichtung die innere Aufeisung ablöst. Die Vor richtung kann eine stetig oder intermetierend rotieren de Walze (43) mit Lippen (44) oder längs hin- und her bewegender Profilkörper sein (45), die die Gasbewegung (Strömung) nicht mehr als notwendig beeinträchtigt. Die eingebrachten Körper (43, 44) können so geformt sein und in den Dimensionen gewählt werden, daß zur Ver besserung der Wärmeübertragung Verwirbelung auftritt. Die abfallenden Eisteile und/oder Flüssigkeitstropfen werden im Luftstrom mitgenommen und danach abgeschieden.

Claims

1. Vorrichtung zur Kühlung von flüssigen oder gas förmigen Medien in Wärmetauschern, die in Kühl flüssigkeiten verschiedener Behälter eintauchen, die gleiche Kühlflüssigkeit beinhalten und kommu nizierend und die Flüssigkeit umwälzend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung von einem Basis-Kältebehälter ausgeht, der über einen Wärmetauscher an einen Kältekreislauf angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß alle an den alleingekühlten Basis-Kältebehälter angeschlossenen Kühlbehälter gleiche oder unter schiedliche einstellbare Temperaturen durch je eine Regeleinrichtung über die kommunizierends Verbin dung konstant halten, wobei der Basis-Kältebehälter das tiefste Temperaturniveau hält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn zeichnet, daß zur besseren Konstanthaltung der einzelnen Temperaturniveaus in den kommunizieren den Leitungen die Umwälzung unterstützende Pumpen eingesetzt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekenn zeichnet, daß im gekühlten Basis-Kältebehälter getrennt eine zweite Kältespeicherflüssigkeit ein gebracht ist, die je nach Temperaturniveau der Basisbehälterflüssigkeit Schmelzwärme durch Phasen übergang in den festen Zustand als "Kälte" abgeben kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekenn zeichnet, daß verschiedene Behälter zur Unter stützung der Kältespeicherfähigkeit eigene, ge trennt eingebrachte Zusatz-Speichermedien oder -Flüssigkeiten gleiche oder unterschiedlich ein stellbare Schmelzpunkte besitzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Kältebehälter in den angeschlosse nen Kühlbehälter räumlich integriert ist, Fig. 2.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es nur einen tiefgekühlten Basis-Kältebehälter mit einem an den Kältemittelkreis angeschlossenen Wärmetauscher und einen oder mehrere weitere me diumdurchflossenen Wärmetauscher gibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Basis-Kältebehälter Kühlflüssig keits-Temperaturniveau unter 0°C erreicht und im Basisbehälter zur Tiefkühlung von Flüssigkeiten, Gasen oder speziell Luft einen Spezialwärmetauscher beinhaltet bei dem Eisansatz an der Wandung durch mechanische Vorrichtungen abgelöst werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablösen des Eises durch Einrichtungen mit Schockcharakter wie Ultraschall erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Eisablösung durch dosierte Stromim pulse im Wärmetauscherrohr erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die gesamte Regelung und prozessab hängige Steuerung von Kälteaggregat, Temperatur niveaus der Behälter, der Registrierung von Eis ansätzen in Behältern und Wärmetauschern, der Eis entfernung und der Alarmmeldung einzeln oder be liebig kombiniert durch Prozessorsteuereinheit erfolgt.