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Wärmeaustauschvorrichtung für Mittel von flüssigen und dampf- bzw.
gasförmigen Aggregatzuständen Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauschvorrichtung
für Mittel von flüssigen und dampfförmigen oder gasförmigen Aggregatzuständen, die
unmittelbar vermittels wirbelnder Bewegung des dein Wärmeaustauschraum in getrennten
Strömen unter Druck zugeführten dampf- oder gasförmigen Mittels aufeinanderwirken.
Dabei wird zunächst das flüssige Mittel durch das dampf-oder gasförmige Mittel in
den staubförmigen Zustand übergeführt, um entweder die zerstäubte Flüssigkeit zu
verdampfen oder zu vergasen oder das gas- oder dampfförmige Mittel zu verflüssigen.
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W ärmeaustauschverfahren und Vorrichtungen, in denen flüssige und
dampf- oder gasförmige Mittel in unmittelbare Berührung miteinander gebracht werden,
sind bekannt. Es ist auch bereits vorgeschlagen, überhitzten Dampf unmittelbar in
das Wasser eines Behälters oder Kessels einzuleiten, um durch unmittelbaren Wärmeaustausch
Sattdampf zu erzeugen, und es ist auch bereits bekannt, einen Wärmeaustausch zwischen
dampfförmigen und flüssigen Mitteln in der Weise vorzunehmen, daß ein Heizdampfstrom
durch eingebaute Filter mit großer Oberfläche geleitet wird, die ständig durch eingespritztes
Wasser angefeuchtet werden, zum Zweck, die Wassermengen zunächst auf sehr großer
Oberfläche fein zu verteilen und sie danach zu verdampfen und dabei in Sattdampf
oder gar überhitzten Dampf umzuwandeln unter gleichzeitiger Kühlung des Heißdampfes.
Endlich ist es auch bereits bekannt geworden, einen Wärmeaustausch zwischen zwei
Mitteln vorzunehmen in der Weise, daß das dampf-oder gasförmige Mittel in eine drehende
Bewegung versetzt wird, die an einer äußeren Führungswand eines zylindrischen Gefäßes
spiralförmig fortschreitet, wobei das zweite flüssige Mittel mit dem gasförmigen
Mittel in unmittelbare Berührung gebracht wird und dabei eine Zerreißung oder Zerstäubung
des flüssigen Mittels in feinste Teile erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung besteht darin,, daß in einem Wärmeaustauschraum,
dessen Form und Begrenzung beliebig ist, Ausströmdüsen für das dampf- oder gasförmige
Mittel rings um eine Mittelachse so angeordnet sind, daß die verlängerten Achsen
benachbarter Düsen sich einander überschneiden, und daß in Richtung der erwähnten
Mittelachse eine Absaugevorrichtung vorgesehen ist, die im Betriebe zusammen mit
den Ausströmdüsen in der Weise wirkt, daß im Wärmeaustauschraum ein freier trombenartiger
Wirbel entsteht, der mit den Wänden des Austauschraumes nicht in Berührung kommt,
wobei das flüssige, zu zerstäubende Mittel in diesen Wirbel irgendwie, vo,teilhafterweise
aber axial, eingeführt wird. Die Flüssigkeit wird infolge der an sich bekannten
außerordentlichen Zerreißwirkung eines Barartigen Wirbels in allerfeinste
Teile,
in sogenannten Flüssigkeitsstaub, aufgelöst, wodurch eine bisher nicht erreichte
Vergrößerung der Oberfläche der Flüssigkeit entsteht, so daß ein fast augenblicklicher
Austausch der Wärme stattfindet, in der Weise, daß von dem höheren Wärmeniveau des
gas- bzw. dampfförmigen Mittels Wärme in das aufgelöste Flüssigkeitsmittel übergeht
und dieses entsprechend der vorhandenen Wärmemenge ganz oder teilweise ebenfalls
in Gas bzw. Dampf verwandelt. Die Erfindung betrifft hiernach eine Einrichtung,
durch welche das an sich für andere Zwecke bekannte Tornadowirbelprinzip zum Wärmeaustausch
zweier Mittel von verschiedenem Aggregatzustand, und zwar eines Mittels von flüssigem
Aggregatzustand mit einem Mittel von gas- oder dampfförmigem Aggregatzustand, in
unmittelbarer Einwirkung aufeinander ausgenutzt wird.
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Dieses Verfahren kann für eine Reihe von technischen Gebieten zur
besonderen Anwendung kommen i. es kann angewendet werden ganz allgemein zur Dampferzeugung,
um aus der Flüssigkeit Sattdampf zu erzeugen, ohne daß die Flüssigkeit unmittelbar
durch Heizgase zur Verdampfung gebracht wird; a. es kann dazu dienen, um Heizdampf
zu kühlen unter gleichzeitiger Erzeugung von Sattdampf oder Heißdampf geringerer
Temperatur; 3. zur Vernebelung und- Vergasung von allen flüssigen Kohlenwasserstoffen,
insbesondere schweren Heiz- und Treibölen bei Feuerungs- und Kraftanlagen; 4. in
der chemischen Industrie bei vielen Vernebelungs- und Mischprozessen, z. B. bei
der Schwefelsäureherstellung zur innigen Mischung von Salpetersäure, schwefliger
Säure und Wasserdampf in der Bleikammer (sogenannter Verdampfapparate), desgleichen
bei der Blausäureherstellung aus den Cyansalzen und ferner 'bei der Veinebelung
von Fetten und Ölen; 5. zur unmittelbaren Mischkondensation bzw. Niederschlagung
von Dämpfen oder Gasen; 6. bei allen Kochprozessen, bei denen unmittelbare Einwirkung
der Heizdämpfe in Frage kommt; 7. zur Bildung von Heißwasser oder Heizflüssigkeiten
zu Heizungs- und Temperierungszwecken (z. B. bei Fernheizwerken, Abdampfheizungen
usw. als Dampfwarmwasserumformer) ; B. bei Dampferzeugungsanlagen zur Wasservorwärmung.
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Im nachfolgenden soll die Erfindung in ihrer Anwendung zur Erzeugung
von Dampf beschrieben werden. Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung
schematisch dargestellt.
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Abb. i zeigt schematisch eine Wärmeaustauschvorrichtung als Dampf
erzeugungsanlage, Abb. z schematisch eine Entstehungsform des künstlich erzeugten
Wirbels bei Anwendung von vier Düsen, Abb.3 desgleichen bei sechs Düsen.
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Es wird hochüberhitzter Dampf von gewünschter Betriebsspannung in
entsprechenden Düsen a zur Expansion gebracht in einem geschlossenen Raum b von
beliebiger Gestaltung. Die Düsen werden zweckmäßig so angeordnet, daß die ausströmenden
Dämpfe sich gegenseitig so beeinflussen, daß ein Wirbel entsteht, wie er beispielsweise
von F u 11 e r bereits seit längerem zur Zerstäubung von festen Brennstoffen angewendet
wird, als sogennanten Tornadowirbel (s. Abb. a und 3). Die Expansion, d. h. die
Druck- und Temperatursenkung des Dampfes, wird dabei in solchen Grenzen gehalten,
daß eine Strömungsgeschwindigkeit von hinreichender Größe entsteht, um die gewünschte
Wirbelenergie erzeugen zu können. Sie wird beispielsweise bei einem Druck des überhitzten
Dampfes von 5o at und 450'C Temperatur bei einer Entspannung auf ¢7 at und einer
Senkung der Temperatur auf 40o° nach dem Mollierschen i-s-Diagramm mit etwa aoo
m/Sek. schon bei weitem hinreichend sein. Diesem Wirbel wird das fast auf Siedetemperatur
vorgewärmte Speisewasser oder allgemein die zu verdampfende bzw. zu vergasende Flüssigkeit
unter etwas höherem Druck als demjenigen, der imDampferzeugungsraumherrscht, durch
eine geeignete Leitung c zugeführt. Die eingeführte Flüssigkeit wird sofort in dem
Tornadowirbel zu allerfeinstem Wasserstaub zerrissen, wobei fast augenblicklich
infolge der ungewöhnlich vergrößerten Oberfläche der zerstäubten Flüssigkeit ein
Wärmeaustausch stattfindet, in der Weise, daß der überhitzte Dampf auf Sattdampf
herabgekühlt und die zerstäubte Flüssigkeit in Sattdampf verwandelt wird. Die Menge
der Verdampfung hängt natürlich von dem zu diesem Zwecke zur Verfügung stehenden
Wärmeüberschuß des Dampfes ab. Die ausgeschiedenen Kesselsteinteilchen oder sonstige
Verunreinigungen der Flüssigkeiten schlagen sich hierbei an der Wand des Wärmeaustauschraumes
nieder, wo sie keine wärmetechnischen Nachteile hervorrufen und in einer richtig
durchkonstruierten Vorrichtung bequem entfernt werden können.
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Der Vorgang der Verdampfung oder Vernebelung kann auch stufenweise
durchgeführt werden, wobei beliebig viele Vorrichtungen in Serie oder parallel,
oder teils parallel, teils in Serie. geschaltet sein können. Dabei läßt
sich
eine Regelung des Vernebelungs- bzw. Verdampfungsgrades leicht erreichen. Die Gesamtmenge
des entstandenen Sattdampfes wird nunmehr von einer Kreiselpumpe bzw. einem Kreiselverdichter
d abgesaugt und auf einen etwas höheren Druck gebracht und darauf einem Überhitzen
e zugeführt. Von diesem Überhitzen wird der Dampf einer Sammelstelle f und von da
teils den Düsena, teils den Verbrauchsstellen zugeleitet.
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Durch die Einrichtung werden folgende Vorteile erzielt: i. Es ist
nur ein einziger Verdampfungsraum nötig von denkbar einfachster Ausbildung. Ferner
ist nur eine einzige Einspritzdüse für die Flüssigkeit erforderlich.
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2. Der Raum kann sehr gering in der Ausdehnung gehalten werden.
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3. Alle Schwierigkeiten, die bei der Erzeugung von Dampf mittels Feuergasen
entstehen, sind vermieden.
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Die Reinhaltung kann jederzeit ohne größere Betriebsstörung vorgenommen
werden und ist denkbar einfach.
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5. Es sind nirgends Kesselräume erforderlich, sondern die Dampferzeugung
erfolgt in beliebig gelagertem geschlossenem Raum, und die Überhitzung geht in engen
Röhren mit hoher Dampfgeschwindigkeit und bei geringen Wandstärken vor sich.
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6. Die Ausdehnungen der ganzen Anlage werden auf ein denkbar geringes
Maß verkleinert. , 7. Irgendwelche Bauschwierigkeiten und Teile, die zu Betriebsstörungen
Veranlassung geben können, fallen fort. .