DE4031950A1 - Waermetauscher sowie system insbesondere zum erwaermen und vergasen von fluessigem kohlendioxid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere zum Erwärmen und Vergasen von flüssigem Kohlendioxid, mit mindestens zwei Strömungskanälen für Medien mit unter­ schiedlichen Wärmeinhalten, wobei die Strömungskanäle über Trennwände derart benachbart sind, daß die Trennwände Wärmeaustauschbrücken für die Wärmeübertragung zwischen den Medien bilden.

Ferner betrifft die Erfindung auch ein System zum Übertra­ gen von Wärme eines ersten, wärmeren Mediums auf ein zwei­ tes, kälteres Medium, insbesondere auf flüssiges Kohlen­ dioxid zum Zwecke des Vergasens, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Es sind sogenannte Plattenwärmetauscher bekannt, bei denen jeweils Strömungskanäle zwischen parallelen, üblicherweise aus Metall bestehenden Platten gebildet sind, so daß hier diese Platten Trennwände bilden, die als Wärmebrücken zwischen den Medien wirken. Derartige Wärmetauscher arbei­ ten bei geringen Temperaturunterschieden Δ T zwischen den Medien zufriedenstellend. Bei hohen Temperaturunterschieden treten jedoch in den Platten sowie in deren Halterungen und Abdichtungen hohe mechanische Spannungen auf, die leicht zu Undichtigkeiten führen, so daß die Medien dann unzulässi­ gerweise ineinander übergehen können.

Eine häufige Anwendung von Wärmetauschern ist das Erwärmen von flüssigen und damit sehr kalten Gasen zum Zwecke der Aggregatzustandsänderung von flüssig nach gasförmig (Verga­ sen bzw. Verdampfen). So muß beispielsweise zum Versetzen von Getränken mit "Kohlensäure" flüssiges Kohlendioxid von einer Temperatur von etwa minus 30 bis minus 40°C etwa auf Raumtemperatur erwärmt werden, so daß ein Temperaturunter­ schied Δ T zwischen den Medien von ca. 60 bis 120°C erfor­ derlich ist. Bei dieser speziellen Anwendung dürfen nun un­ ter keinen Umständen Undichtigkeiten und damit Vermischun­ gen der Medien auftreten, um nicht die zu versetzenden Getränke mit dem jeweils verwendeten Wärmemedium zu verun­ reinigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der sich bei hoher Betriebssi­ cherheit auch für große Temperaturunterschiede zwischen den Medien und daher insbesondere für eine Vergasung von flüs­ sigen Gasen, wie Kohlendioxid, eignet. Ferner soll ein besonders wirtschaftliches System zum Übertragen der Wärme des wärmeren Mediums auf das kältere Medium geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß jeder Strö­ mungskanal von mindestens einer Rohrschlange gebildet ist und die Rohrschlangen gemeinsam in einen Block aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit derart eingegossen sind, daß die Trennwände jeweils von zwei Wendungen der benachbarten Rohrschlangen sowie dem dazwischen liegenden Material des Blockes gebildet sind. Durch diese vorteil­ hafte Ausgestaltung wird eine außerordentlich hohe Sicher­ heit gegen Undichtigkeiten und Vermischungen der Medien erreicht, da selbst bei eventuellen Undichtigkeiten der Rohrschlangen noch eine Abdichtung durch das Material des gegossenen Blockes gewährleistet bleibt.

Dabei bestehen die Rohrschlangen vorzugsweise aus Edel­ stahl, so daß sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher einerseits für Anwendungen im Lebensmittelbereich gut eignet, und andererseits sind hierdurch die Rohrschlangen nahezu unempfindlich auch gegen aggressive Stoffe, wie ins­ besondere Kohlendioxid. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich damit besonders gut für die eingangs genannte Anwendung, d. h. zum Vergasen von flüssigem Kohlendioxid, mit dem dann Getränke versetzt werden sollen.

Erfindungsgemäß wird als Gußmaterial für den Block Reinalu­ minium mit einer Reinheit von mindestens 99,5% verwendet. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Rohrschlangen und damit zwischen den Medien erreicht, was zu einem guten Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmetauschers führt.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher arbeitet besonders wirt­ schaftlich in einem System, bei dem als Wärmemedium ein Heizmedium einer Heizungsanlage, und zwar insbesondere Heizwasser, verwendet wird. Hierzu wird die Rohrschlange bzw. werden die Rohrschlangen für das Wärmemedium in den Wärmeträger-Kreislauf der Heizungsanlage geschaltet. Hier­ bei ist die hohe Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Wärmetauschers von besonderem Vorteil, da Vermischungen des zu erwärmenden Mediums mit dem Heizwasser, die aufgrund der Unreinheit des Heizwassers besonders nachteilig wären, vor­ teilhafterweise praktisch ausgeschlossen sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung enthal­ ten.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung bei­ spielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Perspektivansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Wärmetauschers und

Fig. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher 2 aus einem gegossenen Block 4 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, und zwar insbesondere aus Aluminium mit einer Reinheit von mindestens 99,5% (= Reinaluminium). Dieses Material besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 210 W/mK. In den Block 4 sind erfindungsgemäß mindestens zwei Rohrschlangen 6 und 8 benachbart zueinander eingegos­ sen. Im dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind vier Rohrschlangen 6 sowie vier Rohrschlangen 8 in den Block 4 eingegossen, wobei die Rohrschlangen 6 Strömungs­ kanäle für ein erstes, wärmeres Medium, im folgenden Wärme­ medium genannt, und die Rohrschlangen 8 Strömungskanäle für ein zweites, kälteres Medium, im folgenden Kältemedium ge­ nannt, bilden. Die Rohrschlangen 6, 8 bestehen erfindungs­ gemäß aus Edelstahl.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die die Rohrschlangen 6 und 8 durchströmenden Medien durch die erfindungsgemäße Aus­ gestaltung über Trennwände 10 voneinander getrennt, die vorteilhafterweise jeweils von zwei Wandungen 12, 14 der benachbarten Rohrschlangen 6, 8 sowie von dem dazwischen­ liegenden Material 16 des Blockes 4 gebildet sind. Dabei bilden diese Trennwände 10 Wärmeaustauschbrücken für die Wärmeübertragung von dem Wärmemedium auf das Kältemedium.

Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt ist, beginnen die Rohr­ schlangen 6 für das Wärmemedium in einem gemeinsamen Ein­ gangsanschluß 18 und enden in einem gemeinsamen Ausgangs­ anschluß 20. Ebenso beginnen die Rohrschlangen 8 für das Kältemedium in einem gemeinsamen Eingangsanschluß 22 und enden in einem gemeinsamen Ausgangsanschluß 24. An diesen Anschlüssen 18 bis 24 sind jeweils nur angedeutete Lei­ tungsverbindungen anschließbar.

Der gegossene Block 4 ist vorzugsweise als Hohlkörper mit Seitenwandungen 26 und einem inneren Totraum bzw. Leer­ raum 28 ausgebildet. Auf diese Weise wird mit einem Minimum des hochwertigen Aluminium-Materials ein Maximum an Wärme­ übertragungs-Querschnitt erreicht. Die Rohrschlangen 6, 8 verlaufen hierbei spiralartig und konzentrisch zueinander durch die Seitenwandungen 26, wobei im dargestellten Bei­ spiel die Rohrschlangen 6 des Wärmemediums außen und die Rohrschlangen 8 des Kältemediums innen angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Seitenwandun­ gen 26 einen im Querschnitt rechteckigen oder quadratischen Hohlblock. Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfin­ dung, einen im Querschnitt z. B. kreisförmigen Hohlblock zu bilden.

Es ist zudem vorteilhaft, wenn der gegossene Block 4 zum mechanischen Schutz des Aluminium-Materials von einem äußeren Gehäusemantel umgeben ist. Dieser Gehäusemantel ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der gesamte Wärmetauscher 2 bzw. der Block 4 einen Ständerfuß 30 aufweist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmetauscher 2 mit einer zusammen mit den Rohrschlangen 6, 8 in den Block 4 eingegossenen, insbesondere elektrischen Zusatz-Beheizung 32 ausgestattet. Diese Zusatz-Beheizung 32 bildet eine sogenannte "Puffer-Heizung", die eine Erwär­ mung des Kältemediums auch dann ermöglicht, wenn das Wärme­ medium noch nicht in ausreichendem Maß oder noch nicht mit ausreichender Temperatur zur Verfügung steht. Zweckmäßiger­ weise besteht die Zusatz-Beheizung 32 aus einer Vielzahl von stabförmigen Heizkörpern 34, die sich etwa senkrecht zum Verlauf der Rohrschlangen 6, 8 durch den Block 4 er­ strecken. Gemäß Fig. 2 liegen die Heizkörper 34 in unmit­ telbarer Nachbarschaft zu den Rohrschlangen 8 für das zu erwärmende Kältemedium. Der Wärmetauscher 2 ist weiterhin erfindungsgemäß mit einem mit dem Block 4 in gut wärmelei­ tendem Kontakt stehenden Thermostaten 36 ausgestattet, der in Abhängigkeit von der Temperatur des Blockes 4 die Zusatz-Beheizung 32 ein- oder ausschaltet. Hierdurch ist vorteilhafterweise stets eine optimale Temperatur des Blockes 4 zum Erwärmen des die Rohrschlangen 8 durchströ­ menden Kältemediums gewährleistet. Dabei kann erfindungs­ gemäß alternativ oder zusätzlich durch den Thermostaten 36 auch der Zulauf des die Rohrschlangen 6 durchströmenden Wärmemediums gesteuert werden.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 2 läßt sich besonders wirtschaftlich in einem System einsetzen, bei dem als erstes Medium, d. h. als Wärmemedium, ein Heizmedium einer Heizungsanlage, und zwar insbesondere Heizwasser, verwendet wird. Hierzu werden die Rohrschlangen 6 erfindungsgemäß in den Heizkreislauf der jeweiligen Heizungsanlage geschaltet. Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Heizwasser eine Vorlauf- Temperatur von ca. 60 bis 80°C besitzt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschrie­ bene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.

Claims (11)

1. Wärmetauscher insbesondere zum Erwärmen und Vergasen von flüssigem Kohlendioxid mit mindestens zwei Strö­ mungskanälen für Medien mit unterschiedlichen Wärme­ inhalten, wobei die Strömungskanäle über Trennwände derart benachbart sind, daß die Trennwände Wärmeaus­ tauschbrücken für die Wärmeübertragung zwischen den Medien bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strömungskanal von mindestens einer Rohrschlange (6, 8) gebildet ist und die Rohrschlangen (6, 8) gemeinsam in einem Block (4) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit derart eingegossen sind, daß die Trennwände (10) jeweils von zwei Wandungen (12, 14) der benachbarten Rohrschlangen (6, 8) sowie dem dazwischen liegenden Material (16) des Blockes (4) gebildet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlangen (6, 8) aus Edelstahl bestehen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Blockes (4) Aluminium, insbesondere Rein­ aluminium mit einer Reinheit von mindestens 99,5%, ist.

4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gegossene Block (4) als Hohlkörper mit Seitenwandungen (26) und einem inneren Totraum (28) ausgebildet ist, wobei die Rohrschlangen (6, 8) vorzugsweise spiral­ artig und konzentrisch zueinander durch die Seiten­ wandungen (26) verlaufen.

5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strömungskanal von mehreren, insbesondere vier Rohrschlangen (6, 8) gebildet ist, die jeweils in einem gemeinsamen Eingangsanschluß (18; 22) beginnen und in einem gemeinsamen Ausgangsanschluß (20; 24) enden.

6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine zusammen mit den Rohrschlangen (6, 8) in den Block (4) einge­ gossene, insbesondere elektrische Zusatz-Beheizung (32).

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz-Beheizung (32) aus einer Vielzahl von stabför­ migen Heizkörpern (34) besteht, die sich etwa senk­ recht zum Verlauf der Rohrschlangen (6, 8) durch den Block (4) erstrecken.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen mit dem Block (4) in wärmeleitendem Kontakt stehenden, die Zusatz-Beheizung (32) schaltenden und/oder den Zulauf des wärmeren Mediums steuernden Thermostat (36).

9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (4) von einem äußeren Gehäusemantel umgeben ist.

10. System zum Übertragen von Wärme eines ersten, wärmeren Mediums auf ein zweites, kälteres Medium, insbesondere auf flüssiges Kohlendioxid zum Zwecke des Vergasens, unter Verwendung eines Wärmetauschers nach einem oder mehreren dar Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Medium ein Heizmedium, insbesondere Heizwas­ ser, einer Heizungsanlage verwendet wird.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizwasser eine Temperatur von ca. 60 bis 80°C be­ sitzt.