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Verfahren zum Kühlen von Gasen Die Erfindung schlägt ein neues Verfahren
vor, um Gase, und zwar insbesondere hochkomprimierte Gase, wie sie bei der chemischen
Synthese Verwendung finden, mittels an der die Gase einschließenden Wand herabfließender
Flüssigkeit zu kühlen.
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Das neue Verfahren besteht darin, daß an der einen Seite einer glatten
und senkrechten Trennwand die zu kühlenden Gase in wirbelnder Strömung aufwärts
geführt und an der anderen Seite der glatten und senkrechten Trennwand als Kühlmittel
eine so ergiebige Flüssigkeitsschicht abwärts entlang geführt wird, daß letztere,
ohne ihren Zusammenhang zu verlieren, ihren Weg unter wirbelnden oder rollenden
Bewegungen möglichst rasch zurücklegt.
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Es handelt sich also beim Erfindungsgegenstande um eine neue Art
der Berieselungskühlung. An und für sich ist die Berieselungskühlung seit langem
bekannt. Bisher glaubte man jedoch, den Lauf des Kühlmittels an den Trennwänden,
durch welche hindurch der Wärmeaustausch stattfinden sollte, dadurch möglichst vollkommen
gestalten zu können, daß man mehr oder weniger regelmäßige und häufige Richtungswechsel
herbeiführte. Das geschah im allgemeinen durch Umwege, wie Windungen u. dgl. J welche
dem Kühlmittelwege aufgezwungen wurden, beispielsweise durch Wellen der Kühlfläche,
durch übereinanderlegen von waagerechten Rohren, durch jalousieartige Gestaltung
der Kühlfläche usw.
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Hierbei ist aber bis jetzt außer acht gelassen worden, daß das Kühlmittel
sich infolge seiner Schwerkraft an bestimmten Stellen anhäuft und an anderen Stellen
einen sehr dünnen Film bildet oder überhaupt kaum benetzend wirkt. An den Anhäufungsstellen
tropft dann vielfach das Kühlmittel ab und iibt dann selbstverständlich keine Kühlwirkung
aus. Wo der Film zu dünn ist, kann natürlich auch die Kühlwirkung nur eine entsprechend
geringe sein.
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Bei dieser älteren Art der Führung des Kühlmittels durch die Wärmeaustauschflächen
kann mit Bezug auf die obenerwähnte ungleichmäßige Gestaltung des von der Kühlflüssigkeit
gebildeten Films von einem »Wirbeln« oder » Überrollen « nicht gesprochen werden.
In ausgeprägter Form traten jedenfalls diese Erscheinungen nicht auf, und die ungleichmäßige
Verteilung des Kühlmittels über die Wärmeaustauschfläche ist nicht von Vorteil,
sondern von Nachteil gewesen. Die Kühlwirkung hat sich bisher immer in gewissen,
verhältnismäßig engen Grenzen gehalten.
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Die Erfindung hat nun erkannt und durch Versuche festgestellt, daß
sich eine iiberraschende Steigerung der Kühlwirkung herbeiführen
läßt,
wenn man für die beiden Stoffe, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfindet, die
eingangs erwähnten Bedingungen erfüllt. Die zu kühlenden Gase sollen gemäß Erfindung
an der einen Seite einer glatten und senkrechten Trennwand, also beispielsweise
eines glatten und senkrecht stehenden Rohres, in wirbelnder Strömung aufwärts geführt
werden. Gleichzeitig soll gemäß Erfindung an der anderen Seite der glatten und senkrechten
Trennwand eine Flüssigkeitsschicht von bestimmter Ergiebigkeit abwärts fließen.
Die Flüssigkeits- oder Kühlmittelmenge soll so groß sein, daß das Kühlmittel, ohne
seinen Zusammenhang zu verlieren, seinen Weg unter wirbelnden oder überrollenden
Bewegungen möglichst rasch zurücklegt.
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Hierbei ist der Flüssigkeitsfilm nirgends so dünn, daß der Wärmeaustausch
an den dünnsten Stellen beeinträchtigt werden kann.
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Andererseits entsteht an keiner Stelle ein Verlust an Kühlmittel durch
Abtropfen o. dgl.
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Durch das Wirbeln oder Überrollen mischen sich schließlich die verschiedenen
Kühlmittelschichten, von denen bei einem vollkommen homogenen Film infolge des Wärmeüberganges
die innerste eine höhere Temperatur als die äußeren und die äußerste Schicht die
niedrigste Temperatur haben würde, immer wieder so, daß nach jedem Überrollen oder
Wirbeln das Kühlmittel die Trennwand wieder mit einer Temperatur benetzt, welche
unter der Temperatur der innersten Schicht eines homogenen Films liegt.
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Die Entstehung des Wirbelns oder Überrollens hängt von der Kühlmittelmenge
ab, welche man der Wärmeaustauschfläche zuführt. Ist die Menge zu gering, so entsteht
nur ein dünner Film, der sich langsam abwärts bewegt, eine unzusammenhängende oder
stromähnliche Beschaffenheit hat und leicht abbricht oder einreißt. Die Erfindung
verlangt daher eine bestimmte Ergiebigkeit der Kühlflüssigkeit, und zwar hängt die
erforderliche Menge in erster Linie von der Beschaffenheit der Oberfläche der Trennwand
zwischen Kühlgut und Kühlmittel ab.
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Unter einer glatten Oberfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung
ist hier zunächst zu verstehen, daß dieselbe keine Wellen oder sonstigen künstlichen
Vorsprünge besitzen soll. Andererseits ist es aber im Sinne der Erfindung auch günstig,
wenn die Oberfläche möglichst wenig natürliche Unebenheiten besitzt, so daß außer
der Adhäsion möglichst wenig andere Widerstände die Abwärtsbewegung des Kühlmittels
beeinflussen.
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Bei gewissen chemischen Verfahren hat sich beispielsweise herausgestellt,
daß ein im ganzen sehr gleichmäßiger und sich vorteilhaft überrollender Film gewonnen
wird, wenn minutlich auf den Zentimeter Rohrumfang oder Kühlflächenbreite mindestens
300 ccm Flüssigkeit herabrieseln.
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Das neue Verfahren eignet sich mit großer Überlegenheit allgemein
für die Kühlung von Gasen oder Dämpfen. Es ist aber ganz besonders zum Kühlen hochkomprimierter
Gase oder Dämpfe geeignet, wie solche beispielsweise bei der Ammoniaksynthese, bei
der Methanolsynthese oder überhaupt bei der Hochdruckhydrierung vorkommen. Im Vergleich
mit den bisherigen Arbeitsweisen ist die Kühlwirkung nach dem neuen Verfahren geradezu
eine rapide. Sie liefert beispielsweise bei der Ammoniaksynthese eine erheblich
größere Ausbeute als bisher.
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Die beiliegende Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele
von Vorrichtungen, mittels deren das neue Verfahren ausgeübt werden kann.
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In Abb. I dient als Trennwand zwischen dem Kühlgut und dem Kühlmittel
ein einfaches, glattes und senkrecht stehendes Rohr 1. Es ist an seinem oberen Ende
von einem Ringgefäß 2 umgeben, mittels dessen unter Zuhilfenahme eines engen, ringförmigen
Ausfluß spaltes das Kühlmittel an die Außenfläche des Rohres I herangebracht wird.
Ein ähnliches, aber dicht anschließendes Gefäß am unteren Ende des Rohres I sammelt
die Kühlflüssigkeit, um dieselbe ableiten zu können. Die Gase oder Dämpfe werden
so in das Rohr I eingeführt, daß sie dasselbe in der Richtung des eingetragenen
Pfeiles in wirbelnder Strömung aufwärts durchziehen.
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In Abb. 2 ist eine Vorrichtung gezeigt, bei welcher zwei Trennwände
benutzt werden.
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In ein weiteres glattes und senkrecht stehendes Rohr I ist im engeres,
ehensolches Rohr 8 eingebaut, und in den Mantelraum zwischen beiden Rohren werden
die Gase oder Dämpfe durch seitliche oder auch durch anders gestellte Stutzen so
eingeführt, daß sie in wirbelnder Strömung aufwärts, also in der Richtung der eingezeichneten
Pfeile, an den inneren Flächen der Rohre 1 und 8 entlang ziehen.
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Am oberen Ende ist der Mantelraum zwischen I und 8 von einem ringförmigen
Gefäß 2, 9 umgeben, welches mittels zweier schmaler Ringspalte das Kühlmittel an
die Außenflächen I, 8 heranbringt. Am unteren Ende wird das Kühlmittel in geeigneter
Weise aufgefangen.
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Der wirbelnde und sich überrollende Flüssigkeitsfilm kann dem Einfluß
der Atmosphäre ausgesetzt sein, so daß die Kühlwirkung weiterhin noch in der bekannten
Weise durch Verdünstung gesteigert wird. Diese ist aber von untergeordneter Bedeutung,
denn
die überraschende Steigerung der Kühlwirkung beruht auf der
durch die Erfindung gesicherten Wirkung des Wirbelns und Überrollens des Films.
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Bei Versuchen hat sich ergeben, daß 300 ccm Wasser je Minute und
je Zentimeter Umfang der Außenfläche eines Stahlrohres von 6 cm Durchmesser und
3 m Länge, also eine Gesamtmenge von etwa 534 1 je Minute, eine sehr günstige Filmbildung
im Sinne der Erfindung lieferte. Die Bewegung war über den größten Teil der Rohrlänge
wirbelnd und überrollend. Die Erfindung ist aber an diese Zahlen nicht gebunden,
denn es wurden auch noch bei 301 je Minute gute Ergebnisse erzielt.