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Rieselkühler für Flüssigkeiten Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher
für Flüssigkeiten, der einen besseren Wirkungsgrad ergibt als die bekannten :anlagen,
bei denen die Schwierigkeit besteht, bei einem Austauscher gegebener Größe den geWünschten
starken Wärmeübergang zu erzielen und die Anlagekosten und Betriebskosten niedrig
zu halten.
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Bei Wärmeaustauschern kommt es hauptsiichlich auf die Wärmeleitfähigkeit
der Scheidewand, die Strömungsgeschwindigkeit der im Austausch befindlichen Flüssigkeiten
und ihre Viskosität an. Um die Bedingung eines guten Übergangs durch die Scheidewand
zu erfüllen, verwendet man für sie in der Regel Kupfer. Weniger einfach ist die
Lösung der beiden anderen Aufgaben, Erzielung passender Geschwindigkeit und Berücksichtigung
der mehr oder weniger großen Viskositiit. In der Regel wird die Scheidewand als
Rohr ausgebildet, das in eine der Flüssigkeiten eintaucht, während die andere durch
das Rohr fließt. Wenn nun beispielsweise bei einem Kühler für Kältemaschinen die
zu kühlende Flüssigkeit durch die Rohre fließt, zeigt sich der Nachteil, daß der
Kern der in den Rohren befindlichen Flüssigkeitssäulen sich am Wärmeübergang mir
wenig beteiligt, weil rlie Außenschicht der Flüssigkeit, die infolge fler Reibung
einerseits an der Rohrwand, anderseits an der Innenschicht verhältnismäßig langsam
fließt, als eine Art Warmeisolator wirkt. Besonders stark tritt dieser Mangel hervor,
wenn die Flüssigkeit ein schlechter Wärmeleiter ist, wie dies z. B. Öl
der
Fall ist.
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Der mangelhafte Wärmeübergang an der Innenschicht hat den weiteren
Nachteil, daß diese Schicht, die einen großen Teil der gesamten Flüssigkeitsmenge
darstellt, ständig durch die Rohre getrieben werden .muß, ohne entsprechende Wärmeaustauschbarkeit
zu, leisten. Der Kraftaufwand, der in dieser Weise v erlorengeht, ist beträchtlich
und wird noch erhöht, wenn die Rohre, wie es früher oft geschah, zur Erzielung einer
günstigeren Wärmeübertragung einen von der Kreisform abweichenden Ouerschnitt erhalten,
beispielsweise flachgedrückt werden.
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Gemäß der Erfindung werden diese Übelstände dadurch beseitigt, daß
die beiden Flüs-' sigkeiten, die sich im Austausch befinden, in dünner Schicht beiderseits
der Scheidewand strömen. Beispielsweise kann man die Anordnung so treffen, daß die
Scheidewand in Form eines Rohrs ausgebildet wird, das am einen Ende höher liebt
als am anderen, so daß die im Rohr strömende Flüssigkeit frei niederfällt, während
das Rohr außen, ebenfalls in dünner Schicht, von der anderen Flüssigkeit
bespült
wird. Die Flüssigkeitsschichten beiderseits der vom Rohr gebildeten Scheidewand
werden stetig aufrechterhalten, d. h. wenn eine der beidenFlüssigkeiten verdampft,
wird der Flüssigkeitsweg, auf dem der Wärmeaustausch stattfindet, so kurz gemacht;
daß auf ihm eine vollständige Verdampfung noch nicht eintritt, also die eine der
beiden Wandseiten nicht trocken wird.
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Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
wird ein Rohrbündel ganz oder annähernd senkrecht angeordnet und eine der beiden
Flüssigkeiten in dünner Schicht von ringförmigem Querschnitt von innen, die andere
von außen in ebenfalls dünner Schicht von ringförmigem Querschnitt auf die Wand
des Rohrs geleitet. Die beiden dünnen, im Querschnitt ringförmigen Flüssigkeitsschichten
fließen schnell an den Rohren nieder und tauschen dabei ihre Wärme aus. Der Wärmeübergang
erfolgt unter diesen Bedingungen mit äußerst hohem Wirkungsgrad, da die beiden Schichten
sehr dünn und nur durch die Scheidewand aus gutem Wärmeleiter, z. B. Kupfer oder
Eisen, getrennt sind.
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Die Verteilung der Flüssigkeit in Form dünner Schichten vermeidet
Wirbelbildungen in der Innenschicht, wie sie bei ganz von der Flüssigkeit ausgefüllten
Rohren unvermeidlich sind, auch bietet sie die Möglichkeit, die Flüssigkeiten frei
fließen zu lassen.
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Gemäß der Erfindung können nicht nur Flüssigkeiten verarbeitet werden,
die ständig flüssig bleiben, sondern auch solche, von denen eine durch den Wärmeübergang
verdampft wird, z. B. bei der Kühlung von Salzwasser durch die Verdampfung flüssigen
Ammoniaks in Kälteanlagen. In diesem Falle wird zweckmäßig das Salzwasser in dünner
Schicht durch die Rohre, das Ammoniak, ebenfalls in dünner Schicht, außen an den
Rohren niedergeleitet. Um zu bewirken, daß beide Seiten der Scheidewand ständig
von Flüssigkeit bespült werden, d. h. daß nicht die eine Seite durch die Verdampfung
einer der Flüssigkeiten trocken wird, teilt .man den Weg der Flüssigkeit, die verdampfend
außen über die Rohre fließt, in eine Reihe übereinanderliegender Stufen ein, an
deren unterem Ende frische Flüssigkeit zugeführt wird, z. B. durch mehrere übereinanderliegende
Schalen, in denen sich :die außen an den Rohren abfließende, nicht verdampfte Flüssigkeit
sammelt, worauf sie in dünner, ringförmiger Schicht weiter abwärts geleitet wird.
Die Kammer, in der sich das Rohrbündel befindet, wird abgeschlossen, um die Dämpfe
:der Flüssigkeit zu gewinnen.
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Auf der Zeichnung ist in Abb. i und 2 ein Ausfiihriingsbeispiel einer
Anlage dargestellt, bei der die beide.i Flüssigkeiten beim Wärmeaustausch flüssig
bleiben, in Abb. 3 und d. eine Anlage, bei der die eine der beiden Flüssigkeiten
verdampft.
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Abb. i ist ein Axialschnitt der ganzen Anlage.
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Abb. z zeigt in größerem Maßstab eines ihrer Rohre.
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A:bb. 3 und q. sind entsprechende Darstellungen.
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Die Anlage nach Abb. i und 2 besteht aus einem Behälter io mit einer
oberen Rohrwand i i und einer unteren Rohrwand 1:2, die den Behälter in eine Oberkammer
13, eine Zwischenkammer 14 und eine Unterkammer 15 zerlegen. In den Rohrwänden sind
senkrechte Rohre 16 befestigt, durch die die Oberkammer 13 mit der Unterkammer 15
in Verbindung steht. Die Unterkammer 15 ist durch eine Grundplatte 17, auf der der
Behälter io steht, abgeschlossen. Die Oberkammer 13 kann offen oder, wie Abb. i
zeigt, durch einen Deckel 18 verschlossen sein, der, wenn die Flüssigkeit in der
Oberkammer 13 nicht unter Druck steht, nur lose aufgelegt, dagegen befestigt wird,
wenn die Flüssigkeit unter Druck steht.
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Die eine der Flüssigkeiten wird-der Zwischenkammer 14. durch ein Ventilrohr
i9, die andere der Oberkammer 13 durch ein Rohr 2-. mit Absperrventil 25
zugeführt.
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Die Flüssigkeit aus dem Rohr i9 wird an eine Verteilerplatte 20 abgegeben,
die quer in der Kammer 14 angeordnet ist. Die Rohre 16 gehen durch die Löcher 21
in der Platte 2o, deren Lichtweite etwas größer ist als der Außendurchmesser der
Rohre 16. Durch den ringförmigen Spalt strömt die Flüssigkeit in dünner Schicht
22 außen an den Rohren 16 nieder, sammelt sich auf der Rohrwand 12 und wird durch
das Ventilrohr 23 abgeführt. Die zweite Flüssigkeit gelangt durch Verteiler 26 in
die Rohre 16. Die Verteiler haben die Form einer Kappe 27 mit Bund 28, die abnehmbar
in das Rohr 16 eingesetzt ist. Zwischen die Kappe und das Rohr kann eine Abdichtung
eingelegt sein, die auch verhindert, daß die Kappe in dem Rohr festrostet. Die Flüssigkeit
tritt durch eine Bohrung 29 mitten in der Kappe 27 ein und trifft auf einen kegelförmigen,
durch Rippen 31 an dem Bund 28 befestigten Ausbrecher 30, der sie als dünne Schicht
32 an der Innenwand des Rohrs 16 niederfließen läßt. Die aus den Rohren 16 abströmende
Flüssigkeit sammelt sich in der Unterkammer 15 und wird durch das Ventilrohr 33
entnommen.
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Wenn die Flüssigkeit, die das Ventilrohr 24 zuführt, nicht unter Druck
steht, wird das Ventil 25 so eingestellt, daß die Flüssigkeit nur in dünner Schicht
auf der Rohrwand ii
steht. -In diesem Falle wird der Deckel i8,
wie erwähnt, nur lose aufgelegt und kann auch ganz fehlen.
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Die beiden dünnen Flüssigkeitsschichten 22 und 32, die nebeneinander
auf :der Außenseite und der Innenseite des Rohrs niederströmen, tauschen ihre Wärme
sehr vollkommen aus, weil sie sich schnell bewegen und in enger Berührung mit der
Wand des Rohres stehen. Die eine Flüssigkeit nimmt die ganze Wärme der anderen auf,
abzüglich des Betrages, der an die Wand der Rohre abgegeben wird.
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Man kann nach Wunsch die wärmere oder die kältere Flüssigkeit in den
Rohren 16 strömen lassen. Wenn eine der Flüssigkeiten Niederschläge absetzt, die
an den Rohren anhaften, ist es zweckmäßig, diese Flüssigkeit durch die Rohre zu
führen, weil sie nach Abnahme des Deckels 18 und der Verteiler 26 leicht gereinigt
werden können.
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Die Ausführungsform nach Abb. 3 und 4 eignet sich für Flüssigkeiten,
von denen eine verdampft. Die Anordnung ist im allgemeinen die gleiche wie die nach
Abb. i und 2, und entsprechende Teile sind daher mit denselben Bezugszeichen benannt.
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Die zu kühlende Flüssigkeit, im vorliegenden Falle Salzwasser, wird
der Oberkammer 13 durch ein Ventilrohr 38 zugeführt und fließt durch die Verteiler
26 und die Rohre 16 zur Unterkammer 15, der sie durch ein Ventilrohr 39 entnommen
wird, während die wärmeaufnehmende Flüssigkeit, im vorliegenden Falle Ammoniak,
der Zwischenkammer 14 zugeleitet wird und an den Rohren 16 außen n iederströmt.
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Der Unterschied gegenüber der vorhin beschriebenen Einrichtung liegt
in der Art, wie das Ammoniak, :das während des Wärmeaustausches zum Teil verdampft,
in der Kainnaer 14 verteilt wird, um zu vermeiden, daß die Rohre teilweise trocken
werden. Zu diesem Zweck sind in der Zwischenkammer 14 versetzte Schalen 34 mit aufgebogenen
Rändern 35 senkrecht übereinander angeordnet. Die Schalen haben Löcher 36 zum Durchgang
der Rohre 16, die, wie die Löcher 2 1 nach Abb. 2, einen ringförmigen Spalt
um die Rohre frei lassen, so daß die Flüssigkeit, die sich in den Schalen ansammelt,
außen an den Rohren niederrieselt.
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Die Zuleitung der Flüssigkeit erfolgt durch ein Rohr 37 zu der obersten
Schale 34, die Ableitung der Dämpfe durch ein Rohr 42 über der obersten Schale 34.
Zwischen die Dampfableitung 42 und die Flüssigkeitszuleitung 37 ist eine Scheidewand
43 eingesetzt, die ähnlich ausgebildet ist wie eine der Schalen 34 iinl dazu dient,
ein Überreißen von Flüssig-1<eit aus dem Rohr 37 in das Rohr 42 zu verhindern
und außerdem mit dein aufsteigenden Dampfstrom etwa mitgerissene Flüssigkeitsteilchen
abfängt. Die Flüssigkeit aus .dem Rohr 37 wird im Cberschuß auf die oberste Schale
34 aufgegeben, d. h. in größerer Menge, als in der Zeiteinheit :durch die Ringräume
36 wieder abfließen kann. Die überschüssige Flüssigkeit strömt über den Rand 35
auf die nächst tiefer liegende Schale. Das außen an den Rohren niederrieselnde flüssige
Ammoniak wird zum Teil durch die von dem Salzwasser in den Rohren abgegebene Wärme
verdampft. Der flüssige Rückstand sammelt sich am Boden der Zwischenkammer 14 auf
der Rohrwand 12, wird von einer Pumpe 41 durch eine Leitung 4o angesaugt und :durch
lie Druckleitung der Pumpe dein Rohr 37 wieder zugeführt.
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Die Dämpfe steigen an den versetzten Kanten 35 im Zickzack nach oben,
bis sie über der Scheidewand 43 durch die Leitung 42 abgesogen werden.
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Da die in den Rohren 16 strömende Flüssigkeit sowohl bei der Vorrichtung
nach Abb. i wie bei der nach Abb. 3 in dünner Schicht frei niederströmt und nur
dem Reibungswiderstand unterliegt, übt sie keinen Rückdruck aus, wie es eine volle
Flüssigkeitssäule tut, wenn sie durch ein Rohr gedrückt wird. Auch die außen ,an
den Rohren niederströmende Flüssigkeit unterliegt keinem Rückdruck. Die Wärmeabgabe
erfolgt unmittelbar von einer dünnen Flüssigkeitsschicht zur anderen durch die Wand
der Rohre hindurch, und die Dicke der Flüssigkeitsschichten kann geregelt werden,
so daß die Wärmeabgabe in der günstigsten Weise erfolgen kann. Die dünne Schicht
wird in den Rohren auf die erreichbare höchste Temperatur erwärmt oder auf die erreichbare
tiefste Temperatur gekühlt, weil sich im Innern :der Rohre kein Kern von Flüssigkeit
befindet, der dem Wärmeaustausch entzogen ist.
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Bei der Vorrichtung nach Abb. i und 2 braucht die Zwischenkammer 14
nicht unbedingt dampfdicht zu sein, während sie es bei der Vorrichtung nach Abb.
3 und 4 selbstverständlich sein muß.
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Bei dem Betriebe :der Vorrichtung nach Abb. 3 und 4 müssen :die Schalen
34 in solchem Abstand übereinander angeordnet sein, daß noch ein Rest unverdampfter
Flüssigkeit in die jeweils nächst tiefere Schale gelangt. Wenn es möglich ist, die
Weite der Ringräume 36 zur Rohrlänge in ein solches Verhältnis zu bringen, daß die
Rohre auf der ganzen Länge berieselt werden, ist nur eine Schale 34 nötiz, während
im andern Falle mehrere Schalen erforderlich sind.
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Die Ränder 35 können mit Ausschnitten zum Abfluß der Flüssigkeit versehen
sein, die in den einzelnen Schalen zueinander versetzt sind.
Man
kann auch umgekehrt die zu verdampfende Flüssigkeit in den Rohren 16 fließen lassen,
jedoch würde dies eine dampfdichte Ausbildung der Oberkammer 13 und der Unterkammer
15 erfordern.
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Wenn keine der beiden Flüssigkeiten verdampft wird, macht es keinen
Unterschied, welche von beiden innen und welche außen an den Rohren niederströmen.
Da keine Verdampfung stattfindet, ist Gewähr geboten, daß die außen niederrieselnde
Flüssigkeit die Rohre bis zum Boden der Zwischenkammer 14 bedeckt.
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Infolge der sehr günstigen Wärmeübertragung kann die Vorrichtung verhältnismäßig
klein, .daher leicht und billig ausgeführt werden. In vielen Fällen ist aber noch
wichtiger, daß der Durchfluß ,durch die Vorrichtung keine Pumpe braucht, während
die bekannten Wärmeanistauscher verhältnismäßig große Pumpen benötigen, um unter
erheblichem Kraftaufwand die Strömung durch den Austattscher aufrechtzuerhalten.