DE4228923C2 - Vorrichtung zur Kühlung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Küh­ lung von Flüssigkeiten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE-OS 29 51 549 ist ein Doppelrohrwärmeaustauscher mit Verdrängungsrohren bekannt. Durch die EP-A-0 131 213 ist ein Wärmeaustauscher mit einem in einem zylindrischen, für ein Kältemittel vorge­ sehenen Kessel angeordneten Rohrbündel bekannt, dessen Rohre in einer oberen und unteren Rohrplatte angeordnet sind. Im oberen Bereich der Rohre befinden sich Verteilerköpfe für eine Wärme abgebende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, wobei zwischen den Verteilerköpfen und den Rohrwandungen ein Ringspalt belassen ist und sich die oberen Enden der Rohre in eine Vorlaufkammer erstrecken. Aus der Vorlaufkammer gelangt die Wärme abgebende Flüssigkeit in die Rohre und wird durch die Verteilerköpfe an die Rohrinnenwand geführt, an der sie herabrieselt. Sie gibt dabei ihre Wärme an das im Kessel befindliche siedende Kältemittel ab und tritt abge­ kühlt am unteren Ende der Rohre aus. Nachteilig bei diesem bekannten Wärmeaustauscher ist die sehr große Kältemittel­ füllung, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Umwelt­ schutzes. Nachteilig ist ferner, daß der Siedevorgang im großvolumigen Kessel relativ schwach ist.

Es sind auch Vorrichtungen zur Eisspeicherung be­ kannt, vgl. Pohlmann, Handbuch der Kältetechnik, Seite 510 ff. Bei solchen Eisspeicheranlagen wird die Kälte als Eis an Verdampferrohren oder Platten eines offenen Eiswas­ serbehälters gespeichert. Bei der "Kälteentnahme" schmilzt ein entsprechender Anteil der gespeicherten Eisschicht ab. Anlagen zur Eisspeicherung werden dort eingesetzt, wo in kurzer Zeit große Kälteleistungen benötigt werden. Eine typische Anwendung sind Melkstellen, in welchen binnen der kurzen Melkzeit (ca. 1 bis 2 Stunden) die Milch von ca. 30°C auf 5°C so rasch wie möglich abgekühlt werden muß, um Bakte­ rienaufnahme durch die warme Milch zu verhindern. Bei einer Milchmenge von z. B. 4000 l ist zur Abkühlung eine Kältean­ lage mit einer Leistung von 116 kW notwendig. Mit einer Eisspeichervorrichtung kann man die Pausen zwischen den Melkzeiten zur Eisspeicherung benutzen. Bei einer Speicher­ dauer von z. B. 7 Stunden genügt eine Leistung der Kältevor­ richtung von 17 kW. Zur Eisspeicherung werden bisher offene Wasserbehälter verwendet, in denen im Wasser Rohrschlangen­ verdampfer oder Verdampferplatten liegen. Nachteilig ist u. a. die offene, mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Ausbildung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrich­ tung zur Kühlung von Flüssigkeiten werden folgende Vorteile erzielt:

Da das Kältemittel im engen Ringspalt zwischen dem Innen- und Außenrohr siedet, beträgt, rein volumetrisch betrachtet, die Kältemittelfüllung nur einen Bruchteil der Füllung im Rohrkessel. Der Siedevorgang im engen Ringspalt ist viel intensiver als im Rohrkessel. Der Blasenanteil ist daher viel größer und dadurch die Füllung im Betrieb kleiner als volumetrisch gerechnet. Der Wärmeübergang im engen Spalt von Kältemittel auf die Wand ist besser als der beim übli­ chen Blasensieden in einem Kessel. Die Leistung, die beim Rohrkessel der bekannten Ausführungsarten von der Wand des Kessels zur Umgebung entweicht, wird bei der Erfindung zur Vorkühlung der zu kühlenden Flüssigkeit benutzt. Der Tempe­ raturunterschied zwischen Flüssigkeit und Umgebung ist kleiner als der zwischen Kältemittel und Umgebung. Bei vorgegebener Leistung kommt man somit mit kleineren Wärme­ austauschflächen aus. Die zur Berieselung kommende Flüssig­ keit ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung vorgekühlt. Der Temperaturunterschied zwischen Eintritt und Austritt des Wassers bei der Berieselung ist kleiner als bei dem Wärme­ austauscher nach der EP-A-0 131 213. Dadurch kann die Berie­ selungshöhe kleiner gewählt werden. Dies wiederum ermöglicht geringere Bauhöhen für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzusehen als bei vergleichbaren Anlagen im Stand der Technik.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der er­ findungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei Verwendung der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Eisspeicherung ergeben sich gegenüber Eis­ speicheranlagen des Standes der Technik folgende Vorteile:

Die Eisspeicherung erfolgt in einem von der Atmo­ sphäre getrennten Raum. Es besteht die Möglichkeit des Kältebetriebes unter Druck und dadurch die Möglichkeit der Eiswasserlieferung in geschlossenen Kreisläufen. Die Eis­ speicherung im Kessel kann mit einer Nachkühlung des Eiswas­ sers durch Berieselung kombiniert werden, wobei jede ge­ wünschte Temperatur bis 0°C erreichbar ist. Die erfindungs­ gemäße Vorrichtung kann wahlweise zur Wasserkühlung durch Berieselung, zur Eisspeicherung und zur Eisspeicherung mit nachträglicher Nachkühlung durch Berieselung verwendet werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefüg­ ten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Kühlung von Flüssigkeiten,

Fig. 2 einen Ausschnitt "A" der Vorrichtung nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 als Eis­ speicher.

Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung 2 zur Kühlung von Flüssigkeiten mit einer Doppelrohranordnung, die Außen­ rohre 4 und darin angeordnete Innenrohre 6 aufweist, wobei zwischen den Außenrohren 4 und Innenrohren 6 ein Ringspalt 7 gebildet ist.

Die Innenrohre 6 sind in einer oberen Rohrplatte 8 und in einer unteren Rohrplatte 10 abgedichtet angeordnet (beispielsweise eingeschweißt).

Die unteren Enden der Außenrohre 4 sind in einer un­ teren Rohrbodenplatte 12 abgedichtet angeordnet, beispiels­ weise durch Einschweißen. Die untere Rohrbodenplatte 12 ist oberhalb der und beabstandet zur unteren Rohrplatte 10 angeordnet.

Die untere Rohrplatte 10 und die untere Rohrboden­ platte 12 schließen einen Kältemittelflüssigkeits-Verteiler 14 in Form einer zylindrischen Kammer ein, in die ein An­ schluß 15 für entspanntes flüssiges Kältemittel führt.

Die oberen Enden der Außenrohre 4 sind in einer oberen Rohrbodenplatte 16 abgedichtet angeordnet (beispiels­ weise eingeschweißt), die unterhalb der und beabstandet zur oberen Rohrplatte 8 angeordnet ist. Der Raum zwischen der oberen Rohrplatte 8 und der oberen Rohrbodenplatte 16 ist als Abscheider 18 ausgebildet.

Die Doppelrohranordnung 4, 6 ist zwischen der un­ teren Rohrbodenplatte 12 und der oberen Rohrbodenplatte 16, also zwischen dem Verteiler 14 und dem Abscheider 18, von einem zylindrischen Mantel 20 umgeben, der einen Kesselraum 22 einschließt, in den zwei Anschlüsse für eine Wärme abge­ bende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, führen, von denen nur ein Anschluß 24 dargestellt ist, wobei in den Kessel­ kreislauf eine Umwälzpumpe (nicht dargestellt) geschaltet ist.

Am Umfang des Kesselraumes 22 sind auf der Innen­ seite des Mantels 20 kurze Rohre 26 angeordnet, die in den Kesselraum hineinragen und deren obere Enden in der oberen Rohrplatte 8 angeordnet sind, die den Boden einer oberen Kammer 28 bildet.

In den oberen Enden der Innenrohre 6 befinden sich Verteilerköpfe 30 für die Wärme abgebende Flüssigkeit (Was­ ser).

Die Vorrichtung 2 kann als Berieselungskühler und zur Eisspeicherung eingesetzt werden und arbeitet wie folgt:

1. Verwendung als Berieselungskühler

Das entspannte flüssige Kältemittel wird durch den Anschluß 15 in den Verteiler 14 geführt und steigt siedend durch den Ringspalt 7, der beispielsweise eine Breite von 2 mm aufweist, zum Abscheider 18 empor. Eine übliche, nicht dargestellte Flüssigkeitsstandregelung (Hoch- und Nieder­ druckregler) sorgt für die Einhaltung des gewünschten Kälte­ mittelstandes. Die zu kühlende Flüssigkeit, hier Wasser, wird über den Anschluß 24 in den Kesselraum 22 gepumpt und steigt in den Raum zwischen dem Mantel 20 und den Außenroh­ ren 4 zu den in den Kesselraum ragenden Rohren 26. Da in den Außenrohren 4, genauer in den Ringspalten 7, Kältemittel siedet, wird Wärme von der im Kesselraum aufsteigenden Flüssigkeit an das siedende Kältemittel abgegeben und wird die Flüssigkeit (Wasser) dadurch gekühlt. Die so vorgekühlte Flüssigkeit tritt über die Rohre 26 in die obere Kammer 28 ein und gelangt dann über die Verteilerköpfe 30 in die Innenrohre 6, in denen sie auf der Innenwand herabrieselt; dabei gibt die herabrieselnde Flüssigkeit Wärme an das im Ringspalt siedende Kältemittel ab.

Es ergeben sich dabei folgende wesentliche Vorteile:

Da das Kältemittel im engen Ringspalt (2 mm breit) zwischen dem Innen- und Außenrohr siedet, beträgt, rein volumetrisch betrachtet, die Kältemittelfüllung nur einen Bruchteil der Füllung des Rohrkessels. Außerdem ist der Siedevorgang im engen Ringspalt viel intensiver als im großvolumigen Rohrkessel. Dadurch ist der Blasenanteil viel größer, was wiederum eine kleinere Füllung bei Betrieb als volumetrisch gerechnet ergibt. Der Wärmeübergang über die Rohrwandung auf das Kältemittel im engen Spalt ist besser als beim bisher üblichen sogenannten Blasensieden. Die Leistung, die beim Rohrkessel gemäß Stand der Technik von der Wand des Kessels zur Umgebung entweicht, wird bei der beschriebenen Vorrichtung zur Vorkühlung der zu kühlenden Flüssigkeit verwendet. Der Temperaturunterschied zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung ist kleiner als der zwi­ schen Kältemittel und Umgebung. Bei vorgegebener Leistung kann daher die Vorrichtung mit kleineren Wärmeaustauschflächen versehen werden als bei den bisher bekannten Vorrichtungen. Die zur Berieselung kommende Flüs­ sigkeit ist durch die beschriebene Vorrichtung vorgekühlt. Der Temperaturunterschied zwischen Eintritt und Austritt des Wassers bei der Berieselung ist kleiner als bei vergleichba­ ren Vorrichtungen des Standes der Technik. Daher kann die Berieselungshöhe kleiner gewählt werden. Für gleiche Lei­ stungen kann die Vorrichtung kleiner gebaut werden als bekannte vergleichbare Vorrichtungen.

2. Verwendung zur Eisspeicherung

Bei abgestellter Umwälzpumpe des Kesselraumes 22 erfolgt eine Eisbildung 32 auf der Außenseite der Außenrohre 4, wie dies in der Fig. 3 schematisch dargestellt ist, in der die Innenrohre nicht dargestellt sind. Zwischen den Außenrohren 4 ist ein Abstand von etwa 80 mm belassen. Dieser Abstand von 80 mm ist aufgrund der Art der Eisspei­ cherung auf der Rohroberfläche gewählt. Der auf dem Rohr anwachsende Eisansatz wirkt zwischen der Rohroberfläche und dem gefrierenden Wasser wie eine Isolationsschicht. Versuche haben gezeigt, daß bei Rohren eine Eisstärke von etwa 35 mm das wirtschaftliche Maximum darstellt, da ab dieser Eisstär­ ke die Siedetemperatur des Kältemittels stark absinkt, die Eisbildung sehr verlangsamt wird und der Prozeß der Speiche­ rung damit unwirtschaftlich wird. Die fallende Siedetempera­ tur oder der fallende Saugdruck am nicht dargestellten Verdichter kann als Signal für die Beendigung des Speicher­ vorganges benutzt werden, um so ein Zusammenwachsen des Eises zu verhindern und damit den für den Abschmelzvorgang notwendigen Wasserdurchgang zu sichern. Fällt die Siedetem­ peratur bzw. fällt der Saugdruck, was durch einen Saugdruck­ regler (nicht dargestellt) erfaßbar ist, wird der Verdichter abgeschaltet.

Zur Nutzung der gespeicherten Kälte wird die Umwälz­ pumpe wieder eingeschaltet, wodurch warmes Wasser auf der Oberfläche des gespeicherten Eises entlangströmt und sich dabei abkühlt. Die Temperatur des abgekühlten Wassers wird durch die Strömungsgeschwindigkeit, die Größe der Abtauober­ fläche und den Temperaturunterschied zwischen Wasser und der Eisoberfläche bestimmt. Die Temperatur der Eisoberfläche ist 0°C, so daß die Wassertemperatur in einer Eisspeicheranlage nie 0°C erreichen kann. Um Wasser von 1°C zu erhalten, muß die Abtaufläche schon beträchtliche Ausmaße haben.

Da bei der beschriebenen Vorrichtung das Wasser aus dem Kesselraum 22 in die obere Kammer 28 gelangt und von dort zur Berieselung der Innenrohre 6 geführt wird, kann in der Abtauphase das durch das Abschmelzen abgekühlte Wasser auf jede verlangte Temperatur beim Durchlauf durch die Innenrohre bis 0°C nachgekühlt werden.

Wie oben beschrieben, ragen die kurzen Rohre 26 in den Kesselraum 22, beispielsweise um ca. 100 mm hinein. Das beim Berieselungsvorgang über den Anschluß 24 zugeführte Wasser steigt im Kesselraum bis zur unteren Kante der Rohre 26 und steigt dann durch die Rohre hindurch in die obere Kammer 28, von wo das Wasser über die Verteilerköpfe 30 - wie beschrieben - zur Berieselung in die Innenrohre 6 ge­ führt wird. Dadurch, daß die Rohre 26 in den Kesselraum 22 ragen, wird im oberen Teil des Kesselraumes oberhalb der unteren Enden der Rohre 26 bzw. zwischen Wasseroberfläche und oberer Rohrbodenplatte (16) ein Luftpolster-Raum 34 gebildet. Im Falle des Einfrierens der Wasserfüllung im Kesselraum 22 ändert sich das Volumen des Kesselinhalts, da die Dichte des Eises niedriger ist als die des Wassers. Da das Luftpolster komprimierbar ist, sichert es den Kesselraum vor einem Bersten.

Aus dem Beschriebenen ergeben sich für die Verwen­ dung der Vorrichtung zur Eisspeicherung folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Eisspeicheranlagen: Die Eisspeiche­ rung erfolgt in einem von der Atmosphäre getrennten Raum. Es besteht durch die vorgeschlagene Ausbildung die Möglichkeit des Betriebes unter Druck und dadurch die Möglichkeit der Eiswasserlieferung in geschlossenen Kreisläufen. Die Eis­ speicherung im Kessel kann direkt mit einer Nachkühlung des Eiswassers durch die Berieselung kombiniert werden, wodurch jede gewünschte Temperatur bis 0°C erreichbar ist. Die Vorrichtung kann wahlweise zur Wasserkühlung mit Beriese­ lung, zur Eisspeicherung oder zur Eisspeicherung mit nach­ träglicher Nachkühlung durch Berieselung eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Kühlung von Flüssigkeiten mit einem in einem Kessel angeordneten Rohrbündel, das als Innen­ rohre (6) ausgebildete Rohre aufweist, die mit ihren Enden in einer oberen und unteren Rohrplatte (10) und (8) angeordnet sind und jeweils von einem Außenrohr (4) unter Belassung eines Ringspaltes (7) zwischen Innenrohr und Außenrohr umgeben sind, wobei die Enden der Außenrohre in einer unteren Rohrbodenplatte (12) und in einer oberen Rohrbodenplatte (16) angeordnet sind, und zwischen der unteren Rohrplatte (10) der Innenrohre (6) und der unteren Rohrbodenplatten (12) der Außenrohre (4) ein Verteiler (14) gebildet ist, der mit dem Ringspalt (7) in Verbindung steht und der einen Anschluß (15) führt, und wobei ferner zwischen der oberen, den Boden einer Kammer (28) bildenden Rohr­ platte (8) der Innenrohre (6) und der oberen Rohrbo­ denplatte (16) der Außenrohre (4) eine Kammer (18) gebildet ist, in die Ringspalte (7) münden, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - in den oberen Rohrenden der Innenrohre (6) in an sich bekannter Weise Verteilerköpfe (30) angeord­ net sind,
• - über den Anschluß (15) und die Verteilerkammer (14) Kältemittel die Ringspalte (7) durchströmt,
• - die Kammer (18) zwischen der Rohrplatte (8) und der Rohrbodenplatte (16) als Abscheider ausgebil­ det ist und
• - in die Kammer (28) außer den Innenrohren (6) kür­ zere in der oberen Rohrplatte (8) und der oberen Rohrbodenplatte (16) angeordnete Rohre (26) mün­ den, die den Kesselraum (22), der von der Wärme abgebenden Flüssigkeit (Wasser) durchströmbar ist, mit der Kammer (28) verbinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Außenrohren (4) etwa 2-80 mm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Ringspaltes (7) etwa 2 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die kürzeren Rohre (26) durch die obere Rohrboden­ platte (16) hindurch um eine vorbestimmbare Länge nach unten in den Kesselraum (22) erstrecken, derart, daß für die im Kesselraum (22) bis zum unteren Ende der Rohre (26) anste­ hende Flüssigkeit ein Luftpolster-Raum (34) zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der Unterseite der oberen Rohrbo­ denplatte (16) gebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Über­ wachung der Siedetemperatur des Kältemittels im Ringspalt (7) oder zur Überwachung des Saugdruckes an einem Verdichter vorgesehen ist, die bei Abfall der Siedetemperatur oder des Saugdruckes eine in den Kesselraum-Kreislauf geschaltete Umwälzpumpe für die Wärme abgebende Flüssigkeit aus dem Außerbetriebszustand in den Betriebszustand schaltet und/ oder den Verdichter abschaltet.