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Gaskühler, insbesondere Gegenstromwärmeaustauscher für Luftverflüssigungs-und
Trennungsvorrichtungen Für viele Zwecke, insbesondere für die Gastrennung durch
Verflüssigung, müssen Gase stark abgekühlt werden, die noch Feuchtigkeit enthalten,
sei es auch nur in sehr geringen Spuren. Die bisher benutzten Gaskühler, insbesondere
die Gegenstromwärmeaustauscher der Gasverflüssigungsvorrichtungen, zeigen den Nachteil,
-daß sie häufig zufrieren, daher außer Betrieb genommen und aufgetaut werden müssen.
Der Hauptgrund liegt darin, daß bei den meisten Bauarten das zu kühlende Gas oben
ein- und unten austritt, das Kühlmittel, insbesondere die vom Verflüssiger zurückströmenden
kalten Gase, dagegen umgekehrt unten ein- und oben austritt. Der Grund für die Wahl
dieser Strömungsrichtung war wohl darin zu suchen, daß man glaubte, der Wärmeaustausch
sei nur dann gut, wenn die natürliche Strömungsrichtung innegehalten werde, worunter
man verstand, daß das kälter werdende, sich "zusammenziehende, also schwerer werdende
Gas nach unten, das sich erwärmende, ausdehnende, leichter werdende Gas nach oben
ströme. Die umgekehrte Strömungsrichtung bietet jedoch den Vorteil, daß die abgeschiedene
Feuchtigkeit, soweit sie sich flüssig niederschlägt, zurückfließen und von Zeit
zu Zeit - oder auch ununterbrochen - abgelassen werden kann, während sie nach der
bisher meist üblichen Bauart in kältere Zonen fließt und dort festfriert. Bekanntlich
schlagen sich z. B. aus Gasen, die bei Umgebungstemperatur mit Wasserdampf gesättigt
waren, bei Abkühlung bis auf o° etwa drei Viertel der Feuchtigkeit in flüssiger
Form nieder und können durch geeignete Anordnungen flüssig abgelassen werden; nur
das restliche Viertel setzt sich bei weiterer Abkühlung als fester Niederschlag
an den- Rohren ab. Frühere Erfinder, die aus ähnlichen Überlegungen eine Strömungsrichtung
von unten nach oben anordnen wollten, glaubten besondere Maßnahmen treffen zu müssen,
um dem vermeintlichen ungünstigen Einfluß der verkehrten Strömungsrichtung entgegenzutreten;
diese Maßnahmen waren aber teuer und mit sonstigen Unzuträglichkeiten verknüpft.
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In der Praxis der Luftverflüssigung (die im folgenden als Beispiel
zugrunde gelegt sei) wird daher heute fast überall vor dem Eintritt der Druckluft
in den Gegenstromwärmeaustauscher eine Trocknung vorgeschaltet, z. B. durch Chemikalien
wie Chlorcalcium oder Ätznatron. Bei dieser Anordnung findet keine Ausscheidung
von flüssigem Wasser mehr statt, vielmehr schlagen sich die Verunreinigungen (Wasser
und Kohlendioxyd) in fester Form nieder. Hier scheint die an sich bekannte Strömung
der abzukühlenden Luft von unten nach oben vor der umgekehrten Richtung auf den
ersten Blick keinen Vorteil zu bieten, da auf jeden Fall
nach längerer
ununterbrochener Betriebszeit ein Auftauen unvermeidlich ist. Es kommt jedoch auch
noch darauf an, daß das Auftauen und Ausblasen und die darauffolgende Wiederinbetriebnahme
so schnell wie möglich erfolgen können, da währenddessen Strom, Arbeitszeit und
Chemikalien verbraucht werden, ohne daß dem eine nutzbare Erzeugung gegenüberstünde.
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Weiter ist noch zu bedenken, daß es in der Praxis ein durchaus nicht
seltener Fall ist, daß der Betrieb auf längere oder kürzere Zeit stillgelegt wird,
wenn z. B. eine Störung am Luftverdichter oder eine Unterbrechung der Stromlieferung
vom Kraftwerk her eintritt, oder wenn der Betrieb der Anlage nur in einer Schicht
erfolgen soll - sei es, daß man nur billigen Nachstrom benutzen will, oder daß bei
schlechter Wirtschaftslage keine Absatzmöglichkeit für die volle Erzeugung besteht
- oder daß z. B. die Anlage regelmäßig von Samstag mittag bis Montag früh stillstehen
soll. Bei derartigen Unterbrechungen findet stets eine Erwärmung des Austauschers
und ein teilweises Abtauen des niedergeschlagenen Eises statt; bei der alten Anordnung
floß das Schmelzwasser in die kälteren Zonen und fror dort wieder fest, wodurch
sich bei der Wiederinbetriebnahme Schwierigkeiten ergaben.
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Es ist daher an eine Luftverflüssigungsvorrichtung die Forderung zu
stellen, daß sie nicht nur bei ununterbrochen fortlaufendem, sondern auch bei häufig
unterbrochenem Betriebe zufriedenstellend arbeitet. Die Versuche des Erfinders haben
gezeigt, daß eine besonders günstige Wirkung mit der im folgenden beschriebenen
Kombination erreicht wird, bei der nicht nur die abzukühlende Druckluft in an sich
bekannter Weise von unten nach oben strömt, sondern auch durch weitere Maßnahmen
das Auftauen und Ausblasen besonders zweckmäßig gestaltet wird.
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Das Auftauen erfolgt in der Weise, daß warme Luft (oder beim Vorhandensein
mehrerer wechselseitig betriebener Trenner bzw. Austauscher warmer Stickstoff) von
unten her, also in derselben Richtung, wie sie die Druckluft im Betriebe hat, durch
den Niederdruckraum des Austauschers geleitet wird. Diese Anordnung hat gegenüber
einer bekannten Anordnung, welche zum Auftauen warmes Gas von oben her durch die
Hochdruckrohre treten läßt, den Vorteil, daß der Austauscher, um denselben Grad
des Tauens zu erreichen, im Durchschnitt genommen weniger erwärmt werden muß und
daß daher nicht nur das Tauen selbst, sondern vor allem das nachfolgende Wiederanfahren
erheblich schneller vonstatten geht; denn eine einfache Überlegung zeigt, daß es
zweckmäßiger ist, während des Tauens die Temperatur im Austauscher nach derselben
Richtung hin abnehmen zu lassen wie während des Betriebes und nicht nutzlos die
allerkältesten Teile auf die höchste Temperatur zu bringen. Ein weiterer Vorteil
der vorgeschlagenen Anordnung ist es, daß die Erwärmung von der Metallwand her erfolgt,
wobei sich das Eis und der Schnee leichter löst als beim Erwärmen vom.Gasraume her,
wie es frühere Erfinder vorschlugen.
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Ein weiteres wichtiges Kennzeichen der Erfindung ist, daß ein besonderer
Anschluß angebracht ist (der sogenannte Einblasestutzen, in den Abbildungen mit
e bezeichnet), vermittels dessen beim Ausblasen Luft von oben her durchgeblasen
werden kann, welche die geschmolzene Feuchtigkeit zum Hochdrucklufteintrittsstutzen
lheräüsschleü= dert.
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In den beiliegenden Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung am Beispiel von Lufttrennungsvorrichtungen gezeigt; natürlich soll
die Erfindung sinngemäß auch auf andere Gase Anwendung finden.
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In Abb. r ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von flüssigem Sauerstoff
dargestellt. Während des Betriebes sind die Ventile a, i
und d geöffnet,
Ventile e, f, g und li geschlossen, Ventilchen k wird von Zeit zu Zeit zwecks
Ablassens des gewonnenen flüssigen Sauerstoffes geöffnet. Die Hochdruckluft strömt
durch Ventil a von unten nach oben durch die Hochdruckrohre des Gegenstromwärmeaustauschers,
den sie bei b verläßt, dann in der bekannten Weise durch Verdampfer, Tiefkühler
und Entspannungsventil i in die Kolonne; der flüssige Sauerstoff wird, wie erwähnt,
durch Ventilchen k entnommen, der Stickstoff gibt zunächst im Tiefkühler seine Kälte
ab, dann im Gegenströmer, in welchen er oben bei c eintritt und den er unten durch
Ventil d verläßt. Soll die ganze Vorrichtung aufgetaut werden, so wird warme Luft
(bzw. warmer Stickstoff, falls noch ein zweiter Trenner vorhanden ist) durch Ventil
g eingeleitet, sie strömt durch die ganze Vorrichtung und wird durch das Sauerstoffabgangsventil
k entlassen; alle übrigen Ventile sind geschlossen. Wenn danach nun ausgeblasen
werden soll, so werden die Ventile a, g, d und k und zunächst auch noch
i und k geschlossen und Druckluft durch e
ein- und durch f ausgeblasen.
Hierdurch wird der Schmutz aus den Rohren des Gegenstromwärmeaustauschers entfernt;
sodann wird Ventil f geschlossen und durch i und k ebenfalls ausgeblasen;
es kann auch noch ein weiterer Ausblasestutzen unmittelbar vor Ventil i vorgesehen
sein. Es ist nun möglich,
mittels der gezeichneten Vorrichtung auch
nur den Wärmeaustauscher aufzutauen, die Kolonne kalt zu lassen, das genügt im allgemeinen,
um das gebildete Eis bzw. den Kohlensäureschnee zu entfernen und die Vorrichtung
für längere Zeit wieder betriebsfähig zu machen und hat den Vorteil, daß das Tauen
sowie das anschließende Wiederanfahren erheblich beschleunigt wird. Zu diesem Zwecke
wird warme Luft durch g ein- und durch h wieder ausgeleitet, alle übrigen Ventile
bleiben zu; danach wird dann nur der Austauscher durch e und f ausgeblasen,
alle übrigen Ventile bleiben geschlossen; dann kann wieder in Betrieb gegangen werden.
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Selbstverständlich können überall an Stelle von Ventilen auch andere
Schaltorgane, insbesondere Hähne oder Blindflansche und Blindverschraubungen, angeordnet
werden.
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Abb. a zeigt den Einbau eines Wärmeaustauschers nach vorliegender
Erfindung in einen Doppelkolonnenlufttrenner. Im Betriebe tritt die Hochdruckluft
durch Ventil a und den Sammelkopf cä in das Rohrbündel des Wärmeaustauschers unten
ein, beim Sammelkopf b tritt sie oben wieder aus,- sie geht dann in der bekannten
Weise durch Verdampferschlange, Entspannungsventil, untere und obere Kolonne; der
Stickstoff tritt bei c in den äußeren Ringraum des Austauschers und verläßt den
Trenner durch d; der Sauerstoff strömt in dem angedeuteten inneren Rohre durch den
Austauscher und tritt bei k aus dem Trenner aus. Beim Auftauen des Gegenströmers
wird warmes Gas durch g eingeführt und durch 1a entlassen, nachher wird durch e
Druckluft eingeführt, diese durch den Sammelkopf b in die Rohre des Austauschers
geschickt und durch a' und f ausgeblasen, Ventile a, 7a und v müssen
dabei geschlossen bleiben. Soll dagegen, was jedoch nur sehr selten nötig ist, der
ganze Trenner aufgetaut werden, so läßt man das warme Gas ebenfalls durch g eintreten,
schließt jedoch Ventil h, so daß das Gas in die obere Kolonne eintritt, weiter läßt
man es durch die Ventile m und l auch in die untere Kolonne treten,
man öffnet dabei sämtliche Probehähnchen, Sicherheitsventile usw., die hier der
Einfachheit halber nicht gezeichnet sind und läßt durch diese das Gas ins Freie;
nachher bläst man nicht nur durch f aus, sondern nachdem dies geschehen ist, auch
durchs und weiter auch durch die erwähnten Probehähnchen usw.
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Die Dauer des ununterbrochenen Betriebes und die Auftau- und Anfahrzeiten
sind von großer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit einer Gastrennungsanlage. Wenn
die bestmögliche Wirkung erzielt werden soll, so müssen alle Einzelheiten in bezug
auf die Richtung und Führung der Gasströme beim Anfahren. Betriebe. Auftauen und
Ausblasen zusammen stimmen. Die eingehenden Versuche des Erfinders haben gezeigt,
daß gerade die hier beschriebene Zusammenstellung besondere Vorteile zeigt, die
anderen Bauarten, auch wenn nur wenig geändert zu sein scheint, nicht anhaften.
Außer einer langen Betriebsdauer bis zum Einfrieren in ununterbrochenem Betriebe
zeigt sich insbesondere eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Außerbetriebsetzen
und Wiederanstellen. Während eines Betriebsstillstandes wird nämlich stets etwas
von dem niedergeschlagenen Wasserdampf auftauen; bei den bisherigen Bauarten floß
dies in die kälteren Zonen hinunter, insbesondere wurde es beim Ausblasen dorthin
gebracht, weil der Ausblasestutzen immer unten liegen muß, also bisher am kalten
Ende des Austauschers. Nunmehr liegt er jedoch am warmen Ende, und man hat nur nötig,
nach einer Betriebsunterbrechung vor dem Wiederanfahren kurz durch die Ventile e
und f durchzublasen, dann ist der Trenner wieder für längere Zeit betriebsfähig.
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Weiter ergibt sich auch noch ein großer Vorzug beim konstruktiven
Aufbau der ganzen Vorrichtung: das größte Gewicht liegt jetzt unten, was beim Aufstellen
und bei der Beförderung vom Hersteller zum Benutzer ein großer Gewinn ist; ferner
kann die wärmste Stelle nun unten, die kälteste oben liegen; das ist namentlich
ein Vorteil bei Trennern, die ähnlich Abb. r gebaut sind; bei diesen kann ohne weiteres
nun das Metall des Austauschers auf den Boden aufgesetzt werden, während bei den
bisherigen Bauarten der Verdampfer der unterste Teil war, so daß entweder die ganze
Vorrichtung von oben her aufgehängt werden mußte - was vor allem bei späteren Instandsetzungsarbeiten
sehr unangenehm war -. oder aber daß ein Konstruktionselement nötig wurde, welches
sehr druckfest und ein sehr schlechter Wärmeleiter war - die gleichzeitige Erfüllung
dieser beiden Forderungen bot aber erhebliche Schwierigkeiten.