DE60019328T2 - Verdampfer-kondensator und luftzerlegungsanlage - Google Patents

Verdampfer-kondensator und luftzerlegungsanlage Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer-Kondensator vom Typ mit Bad, umfassend mindestens einen Wärmeaustauschkörper, der eine Vielzahl von flachen Durchgängen für die gegenläufige Zirkulation zweier Fluide, die von einer oder mehreren Zerlegungssäulen kommen, in eine selbe Richtung und mindestens einen dichten Raum zur Eingrenzung eines Fluids aufweist, der den oder jeden Wärmeaustauschkörper enthält, wobei der Eingrenzungsraum einen Mittelabschnitt von allgemeiner zylindrischer Form entlang einer Längsachse umfasst, wobei die Längsachse des Mittelabschnitts des oder jedes Eingrenzungsraums im Wesentlichen orthogonal zur gegenläufigen Zirkulationsrichtung der Fluide in den flachen Durchgängen des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers ist.
  • Der Begriff „im Wesentlichen orthogonal" umfasst Abweichungen bis zu 30° oder 20° und vorzugsweise 10° von der genauen Orthogonalität.
  • Es ist manchmal erforderlich, den Verdampfer derart auszurichten, dass die Entleerung der Flüssigkeiten erleichtert wird.
  • Ein Verdampfer-Kondensator dieser Art ist aus DE-A-1152432 bekannt, bei dem der Eingrenzungsraum zum Teil durch den Wärmeaustauschkörper begrenzt ist, wobei sich das Flüssigkeitsbad ausschließlich außerhalb des Eingrenzungselements befindet.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere Luftzerlegungsanlagen mit doppelter Säule, d.h. mit einer Mitteldrucksäule, die thermisch an eine Niederdrucksäule angeschlossen ist, die mit Verdampfern-Kondensatoren des vorgenannten Typs versehen sind.
  • In solchen Luftzerlegungsanlagen wird der flüssige Sauerstoff, der sich in der Wanne der Niederdrucksäule befindet, in dem Verdampfer-Kondensator durch Wärmeaus tausch mit dem gasförmigen Stickstoff, der an der Spitze der Mitteldrucksäule entnommen wurde, verdampft.
  • Bei einem gegebenen Betriebsdruck der Niederdrucksäule gibt der Temperaturunterschied zwischen dem Sauerstoff und dem Stickstoff, der durch die Struktur des Verdampfers-Kondensators erforderlich wird, den Betriebsdruck der Mitteldrucksäule vor.
  • Es ist somit wünschenswert, dass dieser Temperaturunterschied möglichst gering ist, um die Ausgaben, die mit der Kompression der in die Mitteldrucksäule eingeleiteten zu behandelnden Luft verbunden sind, zu minimieren.
  • Die Verringerung des Temperaturunterschieds zwischen dem Stickstoff und dem Sauerstoff erfordert, um die Wärmeaustauschleistung des Verdampfers-Kondensators aufrecht zu erhalten, eine Erhöhung der Wärmeaustauschfläche innerhalb dieses letztgenannten.
  • Eine erste Lösung würde darin bestehen, die Höhe des Wärmeaustauschkörpers des Verdampfers-Kondensators zu erhöhen, um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern. Allerdings würde eine solche Höhenvergrößerung zu einem hydrostatischen Überdruck innerhalb der Sauerstoffdurchgänge führen, der dazu neigen würde, den Temperaturunterschied zu vergrößern, und der für den ordnungsgemäßen Betrieb des Verdampfers-Kondensators schädlich wäre.
  • Eine weitere Lösung würde darin bestehen, die Anzahl von für den Sauerstoff und den Stickstoff bestimmten Durchgängen zu vervielfachen, wobei beispielsweise die Anzahl der nebeneinander liegenden Wärmeaustauschblöcke, die den Austauschkörper darstellen und parallel innerhalb des Verdampfers-Kondensators funktionieren, erhöht wird.
  • Im Allgemeinen ist in den Zerlegungsanlagen mit doppelter Zerlegungssäule die Niederdrucksäule in Bezug auf den Verdampfer-Kondensator überhöht, der selbst in Bezug auf die Mitteldrucksäule überhöht ist. Der Mittelabschnitt des dichten Raums des Verdampfers-Kondensators ist nun von einem Ring mit einer vertikalen Umdrehungsachse gebildet. Dieser Ring hat vorzugsweise denselben Durchmesser wie die Ringe, die die Mitteldruck- und Niederdrucksäule begrenzen.
  • Die Anwendung der zweiten Lösung, um die Wärmeaustauschfläche bei einer solchen Zerlegungsanlage zu vergrößern, würde nun erfordern, einen Ring eines Verdampfers-Kondensators mit einem größeren Durchmesser als jene der Mitteldruck- und Niederdrucksäulen zu haben.
  • Die Herstellungskosten einer solchen Anlage wären somit relativ hoch, insbesondere auf Grund des großen Durchmessers des Rings des Verdampfers-Kondensators und der besonderen Verbindungsteile, die zwischen dem Ring des Verdampfers-Kondensators und den Ringen der Mitteldruck- und Niederdrucksäule vorzusehen wären.
  • Die Erfindung soll dieses Problem mit Hilfe eines Verdampfers-Kondensators des vorgenannten Typs lösen, der mit geringeren Temperaturunterschieden funktionieren kann und es insbesondere ermöglicht, Luftzerlegungsanlagen mit doppelter Säule herzustellen, die relativ einfach und kostengünstig in der Herstellung sind.
  • Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 1.
  • Nach besonderen Ausführungsarten kann der Verdampfer-Kondensator eines oder mehrere der folgenden Merkmale getrennt oder in allen technisch möglichen Kombinationen aufweisen:
    • – der oder jeder Wärmeaustauschkörper ist derart ausgebildet, dass während der Nutzung ein Flüssigkeitsbad zumindest den unteren Teil des Austauschkörpers umgeben kann und vorzugsweise an den obersten Rand desselben angrenzt;
    • – der oder jeder Wärmeaustauschkörper umfasst mehrere Wärmeaustauschblöcke, die nebeneinander entlang der Längsachse des Mittelabschnitts des entsprechenden Eingrenzungsraums angeordnet sind;
    • – der oder jeder Wärmeaustauschkörper umfasst Anschlüsse für die Zuleitung und Ableitung von Fluiden, diese Anschlüsse stehen mit den flachen Durchgängen des Wärmeaustauschkörpers in Verbindung und sind paarweise einem Fluid zugewiesen, wobei die Anschlüsse jedes Anschlusspaars von Zu-und Ableitungsanschlüssen, die einem selben Fluid zugewiesen sind, im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längs- und Mittelebene des Wärmeaustauschkörpers angeordnet sind;
    • – der oder jeder Wärmeaustauschkörper umfasst mindestens einen Eingangskollektor und einen Ausgangskollektor, die jeweils an ein Anschlusspaar zur Zu- und Ableitung, die einem selben Fluid zugewiesen sind, angeschlossen sind;
    • – für den oder jeden Wärmeaustauschkörper werden der oder die Ausgangskollektor(en) und der oder die Eingangskollektor(en) von einem selben Bereich getragen, insbesondere dem Längsende des entsprechenden Eingrenzungsraums;
    • – für den oder jeden Eingrenzungsraum hat der Mittelabschnitt eine allgemeine Umdrehungsform um seine Längsachse, und vorzugsweise ist der Raum zylindrisch;
    • – der oder jeder Eingrenzungsraum ist im Bereich seines Mittelabschnitts zum Teil durch den entsprechenden Wärmeaustauschkörper begrenzt oder nicht;
    • – der Wärmeaustauschkörper umfasst Anschlüsse für die Zuleitung und Ableitung von Fluiden, die mit den flachen Durchgängen des Wärmeaustauschkörpers in Verbindung stehen, und die Anschlüsse sind außerhalb des Eingrenzungsraums angeordnet;
    • – der oder jeder Wärmeaustauschkörper umfasst Anschlüsse für die Zuleitung eines Gases, die mit Durchgängen des Wärmeaustauschkörpers in Verbindung stehen, und der Wärmeaustauschkörper umfasst Mittel zur Einleitung des in den Zuleitungsanschlüssen vorhandenen kondensierten Gases in diese Durchgänge;
    • – die flachen Durchgänge des oder mindestens eines Körpers sind quer in Bezug auf die Längsrichtung des Eingrenzungsraums ausgerichtet;
    • – Verdampfer, umfassend mindestens zwei Körper, von denen einer flache Durchgänge aufweist, die quer zur Längsrichtung eines Eingrenzungsraums ausgerichtet sind, und ein weiterer flache Durchgänge aufweist, die parallel zur Längsrichtung seines Eingrenzungsraums ausgerichtet sind.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Luftzerlegungsanlage nach Anspruch 13.
  • „Im Wesentlichen horizontal" bedeutet „horizontal oder mit Abweichungen bis zu 30°, vorzugsweise 10°, zur Horizontalen".
  • Offensichtlich muss der Wärmeaustauschkörper im Inneren des Raums horizontal bleiben, damit seine Funktion gesichert ist.
  • Nach Varianten:
    • – umfasst die Anlage eine Mitteldrucksäule, eine Niedrigdrucksäule, wobei der Stickstoff des oberen Teils der Mitteldrucksäule und der Sauerstoff der Wanne der Niedrigdrucksäule durch den Verdampfer- Kondensator in Wärmeaustauschbeziehung gesetzt werden;
    • – ist der oder jeder Eingrenzungsraum neben den Mitteldruck- und Niedrigdrucksäulen angeordnet;
    • – ist mindestens ein Teil des Verdampfers-Kondensators im Zwischenbereich zwischen jenen der Wanne der Niedrigdrucksäule und des oberen Teils der Mitteldrucksäule angeordnet;
    • – enthält der Raum ein flüssiges Sauerstoffbad, in das der Körper während der Nutzung getaucht wird und;
    • – umfasst die Anlage eine Hauptwärmeaustauschleitung, um die zu zerlegende Luft zu kühlen und ist der Verdampfer-Kondensator über der Hauptwärmeaustauschleitung befestigt, wobei der Verdampfer-Kondensator und die Hauptwärmeaustauschleitung eventuell parallele Achsen aufweisen.
  • Die Erfindung wird durch die Studie der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, die nur als Beispiel dient und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, wobei:
  • 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage ist;
  • die 2 und 3 schematische perspektivische Ansichten sind, die die Sauerstoffeingrenzungsräume bzw. die Wärmeaustauschkörper des Verdampfers-Kondensators der Anlage aus 1 darstellen;
  • 4 eine halbe schematische Ansicht im vertikalen Querschnitt von dem Verdampfer-Kondensator der Anlage aus 1 ist, die insbesondere die Struktur eines Stickstoffdurchgangs darstellt;
  • 5 eine schematische Ansicht im vertikalen Querschnitt ist, die einen Sauerstoffdurchgang des Verdampfers-Kondensators der Anlage aus 1 darstellt;
  • die 6 und 7 Ansichten analog zu 4 sind, die zwei Varianten der Erfindung darstellen, und
  • 8 eine Ansicht analog zu 5 ist, die die Struktur eines Sauerstoffdurchgangs für die Variante aus 7 darstellt.
  • 1 stellt schematisch eine Luftzerlegungsanlage 1 dar, die im Wesentlichen umfasst:
    • – eine doppelte Zerlegungssäule, die eine Mitteldrucksäule 2, eine Niedrigdrucksäule 3 und einen Verdampfer-Kondensator 4 vom Typ mit Bad umfasst,
    • – eine Hauptwärmeaustauschleitung 5,
    • – einen Luftverdichter 6,
    • – ein Luftreinigungsgerät 7, und
    • – eine Pumpe 8.
  • Die Niedrigdrucksäule 3 ist über der Mitteldrucksäule 2 befestigt. Ein vertikaler Ring 10 hält den oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 in einem Abstand zur Wanne der Niedrigdrucksäule 3.
  • Die Hauptwärmeaustauschleitung 5 umfasst in dem dargestellten Beispiel fünf Wärmeaustauschblöcke 11. Diese Wärmeaustauschblöcke 11 sind parallel an die übrige Anlage 1 angeschlossen, aber zur Verdeutlichung sind die Anschlüsse nur eines dieser Blöcke in 1 dargestellt. Die Art dieser Anschlüsse geht klarer aus der Beschreibung der Funktion der Anlage 1 heraus, die später erfolgt.
  • Wie durch die 1 bis 4 dargestellt, umfasst der Verdampfer-Kondensator 4 zwei identische Wärmeaustauschköper 13 (3) aus gelötetem Aluminium, die jeweils in einem dichten und zylindrischen Sauerstoffeingrenzungsraum 14 aus rostfreiem Stahl oder aus Aluminium angeordnet sind. (2). In 1 sind nur ein Wärmeaustauschkörper 13 und ein Sauerstoffeingrenzungsraum 14 zu sehen.
  • Es ist zu verstehen, dass ein erfindungsgemäßer Verdampfer-Kondensator nur einen einzigen Austauschkörper und somit einen einzigen Eingrenzungsraum oder mindestens drei Austauschkörper umfassen kann, die jeweils ihren eigenen Raum besitzen. Jeder Körper 13 hat eine Höhe zwischen 800 und 1400 mm.
  • Da der Verdampfer-Kondensator 4 in Bezug auf eine Vertikalebene P, deren Umriss in 4 zu sehen ist, symmetrisch ist, ist untenstehend nur eine Hälfte der Struktur dieses Verdampfers-Kondensators 4 beschrieben. So sind im Nachfolgenden nur ein Wärmeaustauschkörper 13 und ein dichter Raum 14 beschrieben.
  • Der Wärmeaustauschkörper 13 hat eine allgemeine Längsform entlang einer horizontalen oder im Wesentlichen horizontalen Längsachse X-X und umfasst in dem dargestellten Beispiel fünf Wärmeaustauschkörper 16 mit analogen und angehängten gelöteten Platten. Die fünf Blöcke 15 sind im Wesentlichen identisch; ihre Anzahl wird in Abhängigkeit von der Größe des Verdampfers gewählt, wodurch die Dimensionierung erleichtert wird, da identische Blöcke in Serie hergestellt werden. So können mindestens fünf oder mehr als fünf Blöcke 15 vorhanden sein. Der Wärmeaustauschkörper 13 ist in Bezug auf eine vertikale und mittlere Längsachse Q symmetrisch, deren Umriss in 4 zu sehen ist.
  • Jeder Wärmeaustauschblock 16 umfasst einen Stapel von gelöteten rechteckigen parallelen Platten 17, die zwei und zwei Durchgänge definieren, die alternativ für den Stickstoff und den Sauerstoff bestimmt sind. Der Abstand zwischen den parallelen Platten 17 ist durch Distanzwellen sicher gestellt, die auch die Funktion von Wärmerippen erfüllen. Die flachen Durchgänge der Blöcke sind quer in Bezug auf die Längsabmessung des Raums 14 ausgerichtet.
  • Ein für den Stickstoff bestimmter Durchgang 18 ist in 4 zu sehen.
  • Dieser Durchgang 18, wie alle für den Stickstoff bestimmten Durchgänge 18, ist rechteckig und umfasst einen mittleren Hauptwärmeaustauschbereich 19; zwei Eingangsverteilerbereiche 20 und zwei Ausgangssammelbereiche 21.
  • Der Hauptwärmeaustauschbereich 19 umfasst eine Distanzwelle mit vertikalen Erzeugenden. Jeder Eingangsverteilerbereich 20 hat die Form eines rechtwinkeligen Dreiecks, das im Bereich einer oberen Ecke 22 des Durchgangs 18 angeordnet ist, und umfasst eine Distanzwelle mit horizontalen Erzeugenden. Die beiden Eingangsverteilerbereiche 20 vereinigen sich im Bereich der Mittelebene Q, wobei die großen Basislinien dieser Bereiche 20 in Form eines rechtwinkeligen Dreiecks horizontal sind.
  • Die Struktur und die Anordnung der Ausgangssammelbereiche 21 ist analog zu jener der Eingangsverteilerbereiche 20, wobei diese Bereiche 21 jeweils im Bereich einer unteren Ecke 23 des Durchgangs 18 angeordnet sind.
  • Der Durchgang 18 ist auf seinem Umfang durch vertikale und horizontale Stäbe geschlossen, mit Ausnahme einerseits im Bereich der kleinen vertikalen Basislinien 24 der dreieckigen Eingangsbereiche 20 und der kleinen vertikalen Basislinien 25 der dreieckigen Ausgangsbereiche 21 und andererseits im Bereich von Mitteln zur Einleitung von flüssigem Stickstoff, die später erwähnt sind.
  • Die kleinen Basislinien 24 und 25 der Eingangs- 20 und Ausgangsbereiche 21 der fünf Wärmeaustauschblöcke 16 bilden auf jeder Seite des Wärmeaustauschkörpers 13 eine Reihe von Eingangsfenstern bzw. eine Reihe von Ausgangsfenstern für Stickstoff, die horizontal ausgerichtet sind.
  • Jede Reihe von Eingangsfenstern 24 ist hermetisch durch ein Eingangsgehäuse 28 mit halbkreisförmigem Querschnitt abgedeckt, das sich entlang der fünf Wärmeaustauschblöcke 16 erstreckt.
  • Jedes Eingangsgehäuse 28 ist in der Nähe der oberen Ecken 22 der Stickstoffdurchgänge 18 angeordnet und hat in der Vertikalen eine deutlich größere Höhe als jene der kleinen Basislinien 24 der Eingangsverteilerbereiche 20.
  • Jeder Stickstoffdurchgang 18 umfasst ferner in der Nähe des unteren Randes jedes Gehäuses 28 Mittel 30 zur Einleitung von flüssigem Stickstoff, der im Boden des Gehäuses 28 vorhanden ist, in den Durchgang 18. Diese Mittel 30 sind beispielsweise in Form eines dreieckigen Bereichs vorhanden und stehen mit dem Boden des Eingangsgehäuses 28 in Verbindung. Ein solcher dreieckiger Bereich läuft zur Ebene Q hin zusammen und umfasst eine Distanzwelle mit nach unten und zum Inneren des Durchgangs 18 geneigten schrägen Erzeugenden. Nach einer nicht dargestellten Variante können solche Mittel 30 zur Einleitung von Stickstoff keine Welle zur Führung des flüssigen Stickstoffes umfassen oder von einem regelmäßig mit Öffnungen durchbohrten Stab gebildet sein.
  • Jede Reihe von Ausgangsfenstern 25 der für den Stickstoff bestimmten Durchgänge 18 ist hermetisch durch ein Ausgangsgehäuse 32 mit halbkreisförmigem Querschnitt mit einem kleineren Radius als jener der Eingangsgehäuse 28 abgedeckt. Jedes Ausgangsgehäuse 32 erstreckt sich längs entlang der fünf Wärmeaustauschblöcke 16. Jedes Ausgangsgehäuse 32 ist in der Nähe der unteren Ecken 23 der für den Stickstoff bestimmten Durchgänge 18 angeordnet und hat eine größere Höhe in der Vertikalen als jene der kleinen Basislinien 25 der Ausgangssammelbereiche 21.
  • 5 ist eine vertikale Querschnittansicht, die die Struktur eines Durchgangs 34 des für den Sauerstoff bestimmten Wärmeaustauschkörpers 13 darstellt. Ein solcher Durchgang 34, wie alle für den Sauerstoff bestimmten Durchgänge 34, umfasst eine einzige Distanzwelle 35 mit vertikalen Erzeugenden. Dieser Durchgang 34 ist an seinen Seiten durch zwei vertikale Stäbe 36 verschlossen und mündet nach außen im Bereich seiner oberen 37 und unteren horizontalen Ränder 38.
  • Der Austauschkörper 13 umfasst auch im Bereich seines vorderen Endes (rechts in den 1 und 3) einen Eingangskollektor 39 für gasförmigen Stickstoff, der in Bezug auf die Ebene Q symmetrisch ist. Dieser Eingangskollektor 39 umfasst eine gerade und horizontale Eingangsleitung 40 und zwei gekrümmte Ausgangsleitungen 41, die jeweils an das vordere Ende eines Eingangsgehäuses 28 angeschlossen sind.
  • Jedes Ausgangsgehäuse 32 umfasst im Bereich jedes Wärmeaustauschblocks 16 eine vertikale Anschlusshülse 42. Zwei Sammelleitungen 44 für die nicht kondensierbaren Edelgase erstrecken sich horizontal beiderseits des Wärmeaustauschkörpers 13 entlang desselben. Jede Sammelleitung 44 befindet sich auf einer Zwischenhöhe zwischen dem Eingangsgehäuse 28 und dem entsprechenden Ausgangsgehäuse 32. Diese Leitungen 44 sind an die oberen Enden der Hülsen 42 angeschlossen und münden im Bereich des vorderen Endes des Wärmeaustauschkörpers 13 in eine Ausgangssammelleitung 45 für die nicht kondensierbaren Edelgase. Diese Ausgangssammelleitung 45 ist horizontal und in Bezug auf die Ebene Q symmetrisch.
  • Gekrümmte quer verlaufende Leitungen 46 (1 und 4) sind unter dem Wärmeaustauschkörper 13 angeordnet und schließen die unteren Enden der Anschlusshülsen 42 an eine Längsausgangssammelleitung 48 für flüssigen Stickstoff an, die sich horizontal praktisch über die gesamte Länge des Wärmeaustauschkörpers 13 symmetrisch zur Ebene Q erstreckt. Diese Ausgangssammelleitung 48, wie auch die Eingangsleitung 40 und die Ausgangssammelleitung 45, ragt vorne in Bezug auf den Wärmeaustauschkörper 13 über.
  • Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst der dichte Raum 14 einen Mittelabschnitt 50 allgemeiner zylindrischer Form in Form eines metallischen Ringes mit einer Umdrehungsachse Y-Y. Dieser Ring 50 ist dicht im Bereich seines vorderen Endes durch eine vordere Trennwand 51 und im Bereich seines hinteren Endes durch eine hintere Trennwand 52 geschlossen. Die Trennwände 51 und 52 sind zum Inneren des Raums 14 hin konkav.
  • Der Raum 50 weist in seiner vorderen Trennwand 51 drei kreisförmige Durchgänge 54, 55 bzw. 56 auf, die untereinander angeordnet sind und deren Querschnitte jenen der Eingangsleitung 40 des Eingangskollektors 39 für gasförmigen Stickstoff, der Ausgangssammelleitung 45 für nicht kondensierbare Edelgase bzw. der Ausgangssammelleitung 48 für flüssigen Stickstoff entspricht.
  • Ein weiterer Durchgang 57 für die Zuleitung von flüssigem Sauerstoff ist in dieser vorderen Trennwand 51 zwischen den Durchgängen 54 und 55 vorgesehen.
  • Ein Durchgang 58 (1) für die Entnahme von flüssigem. Sauerstoff ist in der hinteren Trennwand 52 vorgesehen.
  • Eine Reinigung 59 ist im Boden des Mittelabschnitts 50 des dichten Raums 14 vorgesehen.
  • Der Wärmeaustauschkörper 13 ist in dem dichten Raum 14 angeordnet, wobei ihre Längsachsen X-X und Y-Y parallel sind. Die Eingangsleitung 40, die Ausgangssammelleitung 45 und die Ausgangssammelleitung 48 treten aus dem dichten Raum 14 durch die Durchgänge 54, 55 bzw. 56 aus.
  • Wie in 2 dargestellt, sind die beiden dichten Räume 14 mit ihren parallelen und horizontalen Längsachsen Y-Y angeordnet. Die dichten Räume 14 sind symmetrisch zur Ebene P mit einem gemeinsamen Rohr 60 zur Ableitung von gasförmigem Sauerstoff angeschlossen, das sich über den dichten Räumen 14 parallel zu ihren Längsachsen Y-Y erstreckt.
  • Der Verdampfer-Kondensator 4 ist neben den Mitteldrucksäulen 2 und Niedrigdrucksäulen 3 über der Hauptwärmeaustauschleitung 5 angeordnet, deren Höhe in 1 verringert wurde, um die Darstellung zu erleichtern. Der Verdampfer-Kondensator 4 wird von der Wärmeaustauschleitung 5 mit Hilfe von nicht dargestellten Querstreben getragen. Ein Teil der Wärmeaustauschkörper 13 des Verdampfers-Kondensators 4 ist auf einer Zwischenhöhe zwischen der Wanne der Niedrigdrucksäule 3 und dem oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 angeordnet.
  • Die Funktion der Anlage 1 wird nun beschrieben.
  • Die zu zerlegende Luft, die vorher durch den Verdichter 6 verdichtet und das Gerät 7 gereinigt wurde, durchquert die Wärmeaustauschleitung 5, wobei sie sich bis in die Nähe ihres Taupunktes abkühlt. Diese Abkühlung wird parallel durch die Wärmeaustauschblöcke 11 sicher gestellt. Dann wird der abgekühlte Sauerstoff in die Wanne der Mitteldrucksäule 2 eingeleitet.
  • Gasförmiger Stickstoff, der vom oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 kommt, wird über Eingangskollektoren 39 in die beiden Eingangsgehäuse 28 jedes Wärmeaustauschkörpers 13 eingeleitet. Dieser gasförmige Stickstoff wird durch die Verteilerbereiche 20 gleichmäßig über die gesamte Breite der für den Stickstoff bestimmten Durchgänge 18 dieses Wärmeaustauschkörpers 13 verteilt. Der Stickstoff fließt nun vertikal nach unten in die Bereiche 19 der Durchgänge 18 ab, wobei er nach und nach kondensiert.
  • Flüssiger Stickstoff, der eventuell im Boden der Eingangsgehäuse 28 vorhanden ist, wird in die Bereiche 19 der Durchgänge 18 mit Hilfe der Einleitungsmittel 30 eingeleitet. Dieser flüssige Stickstoff fließt dann vertikal nach unten mit dem in den Bereichen 19 kondensierten Stickstoff ab.
  • Der flüssige Stickstoff wird unten in den Bereichen 19 der Durchgänge 18 mit Hilfe der Ausgangssammelbereiche 21 gesammelt, dann zu den beiden Ausgangsgehäusen 32 zurückgeschickt. Der nicht kondensierbare Teil, der in diesem Stickstofffluss enthalten ist, wird durch die Sammelleitungen 44 und die Ausgangssammelleitung 45 in die umgebende Atmosphäre geleitet. Der aus den Durchgängen 18 austretende kondensierte Stickstoff wird seinerseits durch die quer verlaufenden Leitungen 46 und die Ausgangssammelleitung 48 gesammelt und dann zum oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 zurückgeschickt.
  • Flüssiger Sauerstoff, der von der Wanne der Niedrigdrucksäule 3 kommt, wird in jeden Sauerstoffeingrenzungsraum 14 über Durchgänge 57 eingeleitet, die in ihren vorderen Trennwänden 51 vorgesehen sind. Dieser flüssige Sauerstoff bildet ein Bad in jedem Raum 14, das den Großteil des Innenvolumens dieses dichten Raums 14 ausfüllt. Die Oberseite des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers 13 grenzt etwas über dem flüssigen Sauerstoffbad an.
  • Flüssiger Sauerstoff des Bades zirkuliert vertikal nach oben in den Durchgängen 34 des betreffenden Wärmeaustauschkörpers 13, wobei er im Gegenstrom zu dem in den Durchgängen 18 zirkulierenden Stickstoff verdampft.
  • Der von jedem Wärmeaustauschkörper 13 verdampfte Sauerstoff wird dann über die Rohrleitung 60 zu der Wanne der Niedrigdruckleitung 3 zurückgeschickt.
  • „Reiches Fluid" LR (mit Sauerstoff angereicherte Luft), das der Wanne der Mitteldrucksäule 2 entnommen wird, wird in einem Druckminderventil 61 im Druck gemindert und dann in einer Zwischenhöhe der Niedrigdruckleitung 3 eingeleitet.
  • „Armes Fluid" LP (in etwa reiner Stickstoff), das am oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 entnommen wird, wird in einem Druckminderventil 62 im Druck gemindert und dann an der Spitze der Niedrigdruckleitung 3 eingeleitet.
  • Unreiner oder „restlicher" Stickstoff NR, der an der Spitze der Niedrigdruckleitung 3 entnommen wird, wird beim Durchlaufen der Hauptwärmeaustauschleitung 11 erhitzt.
  • Gasförmiger Sauerstoff, der der Wanne der Niedrigdruckleitung 3 entnommen wird, wird beim Durchlaufen der Hauptwärmeaustauschleitung 5 erhitzt. Flüssiger Sauerstoff, der mit Hilfe der Durchgänge 58 der dichten Räume 14 und der Pumpe 8 entnommen wird, wird beim Durchlaufen der Hauptwärmeaustauschleitung 5 verdampft.
  • Die Reinigungsvorgänge 59 ermöglichen es, die Verunreinigungen, die sich am Boden der Sauerstoffeingrenzungsräume 14 ansammeln, zu beseitigen.
  • Die Struktur des Verdampfers-Kondensators 4 und die Position der dichten Räume 14 ermöglichen es, relativ große Wärmeaustauschflächen durch Nebeneinanderlegen von Wärmeaustauschblöcken 16 zu erhalten.
  • Überdies sind die Kosten eines solchen Verdampfers-Kondensators 4 relativ gering auf Grund des relativ kleinen Durchmessers der Mittelabschnitte 50 der Sauerstoffeingrenzungsräume 14 und der einfachen Struktur dieser Räume 14. Der Platzbedarf des Verdampfers-Kondensators 4 ist ebenfalls relativ gering auf Grund des kleinen Durchmessers der Mittelabschnitte 50 der Räume 14.
  • Ferner kann auf Grund der Position des Verdampfers-Kondensators 4 die Zirkulation der verschiedenen Fluide zwischen dem oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 und der Wanne der Niedrigdrucksäule 3 und dem Verdampfer-Kondensator 4 gesichert werden, wobei die Pumpmittel begrenzt werden.
  • Es ist auch festzustellen, dass bei einer gegebenen Luftzerlegungsleistung die Länge und die Oberfläche am Boden der Wärmeaustauschleitung 5 mit jenen des Verdampfers-Kondensators 4 vergleichbar sind. Ferner entspricht die Höhe der Mitteldrucksäule 2 und somit die Höhe, an der der Verdampfer-Kondensator 4 zu positionieren ist, praktisch der Höhe der Hauptwärmeaustauschleitung 5, vergrößert um die erforderliche Höhe für die verschiedenen Anschlüsse dieser Leitung 5 an den Rest der Anlage 1. So ist die Höhe der Stützstreben dieses Verdampfers-Kondensators 4 begrenzt.
  • Es ist anzumerken, dass es die Symmetrie der Struktur der Wärmeaustauschkörper 13 ermöglicht, die Höhe der Eingangsverteilerbereiche 20 und Ausgangssammelbereiche 21 zu verringern und somit bei gegebener Austauschhöhe den hydrostatischen Überdruck, der für den Erhalt eines geringen Temperaturunterschieds schädlich ist, zu minimieren.
  • Ferner ermöglichen es in dem Falle, in dem die Sauerstoffeingrenzungsräume 14 und die Wärmeaustauschräume 13 aus unterschiedlichen Metallen hergestellt wären, die die Verwendung von gemischten Verbindungen erfordern, die Struktur und das Vorhandensein des Eingangskollektors 39 für jeden Wärmeaustauschkörper 13, der einzigen Ausgangssammelleitung 45 und der Ausgangssammelleitung 48, die Anzahl dieser Verbindungen zu begrenzen. Es ist nämlich notwendig, solche Verbindungen nur im Bereich der Eingangsleitung 40 des Eingangskollektors 39, der Ausgangssammelleitung 45 und des vorderen Endes der Ausgangssammelleitung 48 vorzusehen.
  • Die Tatsache, dass der Eingangskollektor 39, die Ausgangssammelleitung 45 und die Ausgangssammelleitung 48 von einem selben Bereich der vorderen Trennwand 51 jedes Sauerstoffeingrenzungsraums 14 getragen werden, ermöglicht es auch, die Nachteile zu begrenzen, die mit dem Unterschied der Wärmedehnungskoeffizienten zwischen den Räumen 14 und den Wärmeaustauschkörpern 13 verbunden sind.
  • Eine zufrieden stellende Zirkulation von flüssigem Sauerstoff in dem Bad jedes Raums 14 wird dadurch gewährleistet, dass die Durchgänge 57 zur Zuleitung von flüssigem Sauerstoff und 58 zur Entnahme von flüssigem Sauerstoff an gegenüber liegenden Enden jedes Raums 14 angeordnet sind.
  • Um schließlich Verdampfer-Kondensatoren 4 mit unterschiedlichen Leistungen in Abhängigkeit von den spezifischen Bedürfnissen von verschiedenen Luftzerlegungsanlagen 1 herzustellen, reicht es aus, die Anzahl von Wärmeaustauschblöcken 16, die Anzahl und den Durchmesser der verschiedenen Anschlüsse und die Länge der Ringe 50 zu verändern.
  • 6 stellt eine Variante der Erfindung dar, die sich von jener der 1 bis 5 insbesondere durch Folgendes unterscheidet.
  • Ein Teil 70 der Innenseite des Mittelabschnitts 50 jedes Raums 14 ist von einer Seite 71 des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers 13 gebildet. Die allgemeine zylindrische Form der Mittelabschnitte 15 ist somit keine Umdrehungsform mehr.
  • Jeder Wärmeaustauschkörper 13 hat keine symmetrische Struktur mehr und umfasst für jeden für den Stickstoff bestimmten Durchgang 18 einen einzigen dreieckigen Eingangsverteilerbereich 20 und einen einzigen dreieckigen Ausgangssammelbereich 21, die sich jeweils über die gesamte Breite des betreffenden Durchgangs 18 erstrecken.
  • Ein einziges Eingangsgehäuse 28 und ein einziges Ausgangsgehäuse 32 sind an jeden Wärmeaustauschkörper 13 an seiner Seite 71 angeschlossen. Diese Gehäuse 23 und 25 befinden sich außerhalb des entsprechenden Sauerstoffeingrenzungsraums 14.
  • Der gasförmige Stickstoff wird vom oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 zu den beiden Eingangsgehäusen 28 über eine gemeinsame Eingangssammelleitung 73 und zwei Reihen von quer verlaufenden Leitungen 74 geleitet. Die Eingangssammelleitung 73 ist horizontal und symmetrisch zur Ebene P. Jede Reihe von Leitungen 74 umfasst quer verlaufende Leitungen 74, die voneinander entfernt sind und ein selbes Eingangsgehäuse 28 versorgen.
  • Analog dazu erstreckt sich eine Ausgangssammelleitung 75 für nicht kondensierbare Edelgase, die den beiden Ausgangsgehäusen 32 gemein ist, horizontal und symmetrisch zur Ebene P.
  • Diese Ausgangssammelleitung 75 ist an jedes Ausgangsgehäuse 32 durch eine Reihe von quer verlaufenden Leitungen 76, die in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind, angeschlossen.
  • Ebenso erstreckt sich eine Ausgangssammelleitung 77 für kondensierten flüssigen Stickstoff, die den beiden Ausgangsgehäusen 32 gemein ist, horizontal und symmetrisch zur Ebene P.
  • Jede Ausgangssammelleitung 77 ist an jedes Ausgangsgehäuse 32 durch eine Reihe von quer verlaufenden Leitungen 78, die in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind, angeschlossen. Der kondensierte Stickstoff wird somit zum oberen Teil der Mitteldrucksäule 2 über die Ausgangssammelleitung 77 zurückgeschickt.
  • Die Versorgung jedes Sauerstoffeingrenzungsraums 14 mit flüssigem Sauerstoff wird durch eine Eingangssammelleitung 80 sicher gestellt, die sich in dem betreffenden Raum 14 parallel zur Achse Y-Y befindet und regelmäßig mit Verteilungsöffnungen durchbohrt ist. Die Entnahme von flüssigem Sauerstoff aus jedem Raum 14 wird durch eine Reihe von quer verlaufenden Leitungen 81, die in den Boden des Raums 14 münden, und durch eine horizontale Ausgangssammelleitung 82 sicher gestellt, die zur Ebene P symmetrisch und beiden Räumen 14 gemein ist.
  • Die Tatsache, dass die Eingangs- 28 und Ausgangsgehäuse 32 jedes Wärmeaustauschkörpers 13 außerhalb der Sauerstoffeingrenzungsräume 14 liegen, ermöglicht es, die Sicherheit des Verdampfers-Kondensators 4 zu verbessern. Es ist nun nicht mehr notwendig, einen möglichen Ausfall dieser Anschlüsse zu berücksichtigen, um die Dicke der Wand des zentralen Körpers 50 jedes Sauerstoffeingrenzungsraums 14 zu bestimmen.
  • Die Variante der 6 ermöglicht es auch, die Struktur der Wärmeaustauschkörper 13 und ihre Anschlüsse an die übrige Anlage 1 zu vereinfachen.
  • Überdies ermöglichen es die Eingangssammelleitung 80, die quer verlaufenden Leitungen 81 und die gemeinsame Ausgangssammelleitung 82, eine ordnungsgemäße Zirkulation von flüssigem Sauerstoff in dem Bad jedes Raums 14 sicher zu stellen. Es ist anzumerken, dass solche Leitungen auch bei der Variante der 1 bis 5 vorgesehen sein können.
  • Die 7 und 8 stellen eine weitere Variante der Erfindung dar, die sich hauptsächlich von jener der 6 wie folgt unterscheidet.
  • Für jeden Sauerstoffeingrenzungsraum 14 ist ein Teil des Bodens 85 des zentralen Körpers 50 des Raums von der unteren Wand 86 des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers 13 gebildet. Jedes Ausgangsgehäuse 32 hat einen Querschnitt, der drei Viertel eines Kreises abdeckt, und ist in einer unteren Ecke 23 des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers 13 angeordnet.
  • Wie in 8 dargestellt, weist jeder für den Sauerstoff bestimmte Durchgang 34 einen Eingangsverteilerbereich 87 auf. Dieser Bereich 87 hat die Form eines rechtwinkeligen Dreiecks und ist im Bereich des unteren Randes 38 des Durchgangs 34 angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Breite dieses Durchgangs 34. Der Bereich 87 läuft zur Seite 71 des Wärmeaustauschkörpers 13 hin zusammen. Die kleine Basis 88 des Eingangsverteilerbereichs 87 befindet sich auf Höhe der Seite 89 des Wärmeaustauschkörpers 13, die der Seite 71 gegenüber liegt. Der Durchgang 34 ist an seinen Seiten durch zwei vertikale Stäbe 36 verschlossen, mit Ausnahme des Bereichs der kleinen Basis 88 des Eingangsverteilerbereichs 87, und ist durch einen horizontalen Stab 90 im Bereich des unteren Randes 38 des Durchgangs 34 verschlossen.
  • Die Versorgung mit flüssigem Sauerstoff und die Entnahme von flüssigem Sauerstoff aus jedem Raum 14 sind wie im Fall der 1 bis 5 gewährleistet.
  • Wie im Falle der Variante der 6 ermöglicht es diese Variante, die Struktur der Wärmeaustauschkörper 13 und ihre Anschlüsse an die übrige Luftzerlegungsanlage 1 zu vereinfachen.

Claims (18)

  1. Verdampfer-Kondensator (4) vom Typ mit Bad, umfassend mindestens einen Wärmeaustauschkörper (13), der eine Vielzahl von flachen Durchgängen (18, 34) für die gegenläufige Zirkulation zweier Fluide, die von einer oder mehreren Säulen kommen, in eine selbe Richtung und mindestens einen dichten Raum (14) zur Eingrenzung eines Fluids aufweist, der den oder jeden Wärmeaustauschkörper enthält, wobei der Eingrenzungsraum einen Mittelabschnitt (50) von allgemeiner zylindrischer Form entlang einer Längsachse (Y-Y) umfasst, wobei die Längsachse des Mittelabschnitts des oder jedes Eingrenzungsraums im Wesentlichen orthogonal zur gegenläufigen Zirkulationsrichtung der Fluide in den flachen Durchgängen des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer-Kondensator (4), wobei der Raum dazu bestimmt ist, außerhalb jeder Luftzerlegungssäule angeordnet zu werden, einen Durchgang (57) umfasst, der in dem Eingrenzungsraum (14) angeordnet ist, um die zu verdampfende Flüssigkeit, die von einer Säule kommt, in ein Bad in diesem Raum einzuleiten.
  2. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Wärmeaustauschkörper (13) mehrere Wärmeaustauschblöcke (16) umfasst, die nebeneinander entlang der Längsachse (Y-Y) des Mittelabschnitts (50) des entsprechenden Eingrenzungsraums (14) angeordnet sind.
  3. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Raum (14) derart ausgebildet ist, dass während der Nutzung ein Flüssigkeitsbad mindestens den unteren Teil des Austauschkörpers (13) umgeben kann und vorzugsweise an den obersten Rand desselben angrenzt.
  4. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Wärmeaustauschkörper (13) Anschlüsse für die Zuleitung (28) und Ableitung (32) von Fluiden umfasst, dass diese Anschlüsse (28, 32) mit den flachen Durchgängen (18, 34) des Wärmeaustauschkörper in Verbindung stehen und paarweise einem Fluid zugewiesen sind, wobei die Anschlüsse jedes Anschlusspaars von Zu- und Ableitungsanschlüssen, die einem selben Fluid zugewiesen sind, im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längs- und Mittelebene (Q) des Wärmeaustauschkörpers (13) angeordnet sind.
  5. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Wärmeaustauschkörper (13) mindestens einen Eingangskollektor (39) und einen Ausgangskollektor (45, 48) umfasst, die jeweils an ein Anschlusspaar (28, 32) zur Zu- und Ableitung, die einem selben Fluid zugewiesen sind, angeschlossen sind.
  6. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den oder jeden Wärmeaustauschkörper (13) der oder die Ausgangskollektor en) (45, 48) und der oder die Eingangskollektor en) (39) von einem selben Bereich getragen werden, insbesondere dem Längsende (51) des entsprechenden Eingrenzungsraums (14).
  7. Verdampfer-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den oder jeden Eingrenzungsraum (14) der Mittelabschnitt (50) eine allgemeine Umdrehungsform um seine Längsachse (Y-Y) hat, und eventuell, dass der Raum zylindrisch ist.
  8. Verdampfer-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Eingrenzungsraum (14) im Bereich seines Mittelabschnitts (50) zum Teil durch den entsprechenden Wärmeaustauschkörper (13) begrenzt ist oder nicht (6 bis 8).
  9. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauschkörper (13) Anschlüsse für die Zuleitung (28) und Ableitung (32) des Fluids umfasst, die mit den flachen Durchgängen (18, 34) des Wärmeaustauschkörpers in Verbindung stehen, und dass die Anschlüsse (28, 32) außerhalb des Eingrenzungsraums (14) angeordnet sind.
  10. Verdampfer-Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Wärmeaustauschkörper (13) Anschlüsse (28) für die Zuleitung eines Gases umfasst, die mit Durchgängen (18) des Wärmeaustauschkörpers (13) in Verbindung stehen, und dass der Wärmeaustauschkörper (13) Mittel (30) zur Einleitung des in den Zuleitungsanschlüssen (28) vorhandenen Gases in diese Durchgänge (18) umfasst.
  11. Verdampfer-Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die flachen Durchgänge (18, 34) des oder mindestens eines Körpers (13) quer in Bezug auf die Längsrichtung des Eingrenzungsraums (14) ausgerichtet sind.
  12. Verdampfer-Kondensator nach Anspruch 11, umfassend mindestens zwei Körper (13), von denen einer flache Durchgänge (18, 34) aufweist, die quer zur Längsrichtung seines Eingrenzungsraums (14) ausgerichtet sind, und ein weiterer flache Durch gänge aufweist, die parallel zur Längsrichtung seines Eingrenzungsraums ausgerichtet sind.
  13. Luftzerlegungsanlage, umfassend einen Verdampfer-Kondensator (4) vom Typ mit Bad, umfassend mindestens einen Wärmeaustauschkörper (13), der eine Vielzahl von flachen Durchgängen (18, 34) für die gegenläufige Zirkulation zweier Fluide, die von einer oder mehreren Säulen kommen, in eine selbe Richtung und mindestens einen dichten Raum (14) zur Eingrenzung eines Fluids aufweist, der den oder jeden Wärmeaustauschkörper enthält, wobei der Eingrenzungsraum einen Mittelabschnitt (50) von allgemeiner zylindrischer Form entlang einer Längsachse (Y-Y) umfasst, wobei die Längsachse des Mittelabschnitts des oder jedes Eingrenzungsraums im Wesentlichen orthogonal zur gegenläufigen Zirkulationsrichtung der Fluide in den flachen Durchgängen des entsprechenden Wärmeaustauschkörpers ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Raum außerhalb jeder Zerlegungssäule befindet und derart ausgeführt ist, dass er ein Bad der zu verdampfenden Flüssigkeit, die von einer Säule kommt, enthält.
  14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Mittelabschnitts des oder jedes Eingrenzungsraums (14) des Verdampfers-Kondensators (4) im Wesentlichen horizontal ist.
  15. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mitteldrucksäule (2), eine Niedrigdrucksäule (3) umfasst, wobei der Stickstoff des oberen Teils der Mitteldrucksäule und der Sauerstoff der Wanne der Niedrigdrucksäule durch den Verdampfer-Kondensator (4) in Wärmeaustauschbeziehung gesetzt werden.
  16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Eingrenzungsraum (14) neben den Mitteldruck- und Niedrigdrucksäulen angeordnet ist.
  17. Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Verdampfers-Kondensators (4) im Zwischenbereich zwischen jenen der Wanne der Niedrigdrucksäule (3) und des oberen Teils der Mitteldrucksäule (2) angeordnet ist.
  18. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Hauptwärmeaustauschleitung (5) umfasst, um die zu zerlegende Luft zu kühlen, und dass der Verdampfer-Kondensator (4) über der Hauptwärmeaustauschleitung (5) befestigt ist.
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