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Verfahren und Vorrichtung zur Herbeiführung eines Wärmeaustausches
zwischen einem mit kondensierbaren Dämpfen beladenen wärmeren Gasstrom und einem
anderen, kälteren Gasstrom annähernd gleichen Gesamtdruckes Es ist bekannt, zwei
Gasströme, von denen der eine wärmer ist als der andere, derart miteinander in Wärmeaustausch
zu bringen, daß man die beiden Gasströme durch aneinander- oder ineinanderliegende,
eine Wärmeaustauschvorrichtung bildende Leitungen im Gegenstrom zueinander führt.
Diese bekannten Einrichtungen ermöglichen einen vollkommenen Wärmeaustausch nur
dann, wenn das abzukühlende Gas keine kondensierbaren Dämpfe mit sich führt. Sind
solche dagegen dem Gase beigemischt, so war dies bisher mit dem Nachteil verbunden,
daß die latente Wärme, welche die von dem wärmeren Gasstrom mitgeführten kondensierbaren
Dämpfe bei ihrer Verflüssigung abgeben, nicht nutzbar gemacht werden konnte. Diese
Wärmeentwicklung bedeutete also einen irreversiblen Verlust.
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Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herbeiführung eines reversiblen Wärmeaustausches zwischen einem mit kondensierbaren
Dämpfen beladenen wärmere,, Gasstrom und einem anderen, kälteren Gasstrom annähernd
gleichen Gesamtdruckes. Der Wärmeaustausch wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht,
daß die Flüssigkeit, die sich durch die infolge der Ubertragung der Kälte von der
kälteren auf die wärmere Leitung eintretende Kondensation der in der wärmeren Leitung
enthaltenen Dämpfe bildet, in die kältere Leitung übergeführt wird und in dieser
durch die Wärme, welche von der wärmeren Leitung auf die kältere übertragen wird,
zur Verdampfung gelangt.
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Gastemperaturwechsler sind bei kontinuierlich wirkenden Absorptionskältemaschinen
mit Umlauf eines indifferenten Hilfsgases durch Verdampfer und Absorber an sich
bekannt, wie beispielsweise aus den amerikanischen Patentschriften 1609 334
und I 672 265 hervorgeht. Bei diesen bekannten Einrichtungen werden ebenfalls Lösungsmitteldämpfe,
die in dem den Gastemperaturwechsler durchströmenden warmen. Gasgemisch enthalten
sind, durch Wärmeaustausch mit dem kälteren Gasgemischstrom kondensiert; auch wird
das Kondensat durch zwei feine Bohrungen in die Leitung, durch welche das kältere
Gasgemisch zum Absorber strömt, übergeführt. Bezüglich des Zweckes der beiden Bohrungen
wird in den Patentschriften nur angegeben, daß, falls irgendwelche Flüssigkeit in
die
warme Leitung hineingelangen sollte, diese durch die erwähnten
beiden feinen Bohrungen in die kalte Leitung und zum Absorber abgeführt werden solle.
Es wird aber nirgends angegeben oder auch nur angedeutet,. daß die durch die Bohrungen
in die kalte Leitung eintretende Flüssigkeit in dieser Leitung durch die Wärme,
welche von der warmen Leiturig auf die kalte übertragen wird, verdampft werde und
daß dadurch der Wärmeaustausch verbessert werden soll:, 'Bei den bekannten Einrichtungen
ist offenbar nur an eine Entwässerung der warmen Leitung gedacht, welche vom Absorber
zum Verdampfer führt: -Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß die Überführung der Kondensflüssigkeit,;us der warmen Leitung in die kalte Leitung
ganz allgemein bei beliebigen Wärmeaustauschern (also nicht nur bei solchen für
Absorptionsmaschinen), bei denen die warme- Leitung kondensierbare Dämpfe führt,
zur wirksamen Verbesserung des Wärmeaustausches benutzt werden kann. Die in die
kalte Leitung eintretende Kondensflüssigkeit soll in dieser wieder verdampft werden.
Die hierzu erforderliche Wärme wird der warmen Leitung entzogen, die dadurch wirksam.
gekühlt wird. Ein derartiger allgemeiner Erfindungsgedanke ist den Vorveröffentlichungen
nicht zu entnehmen.
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Die Erfindung ist also nicht auf die Verwendung für Absorptionskältemaschinen
beschränkt, sondern einer allgemeinen Verwendung für alle solche Fälle fähig; in
denen ein kalter Gasstrom und ein mit kondensierbaren Dämpfen beladener warmer Gasstrom
ihre Wärme austauschen sollen. Sie hat aber besondere Bedeutung für Absorptionskältemaschinen.
Bei den bekannten Wärmeaustauschern für Absorptionskältemasclhinen, die in den oben
angegebenen Veröffentlichungen beschrieben sind, sind nur zwei feine Kapillarbohrungen
in den beiden Endkammern des verhältnismäßig langen Wärmeaustäuschers vorgesehen.
Dadurch, kann der Wärmeaustausch jedenfalls nur unwesentlich beeinflußt werden.
Die Erfindung sieht deshalb vor, bei solchen Wärmeaustauschern für Absorptionskältemaschinen
eine größere Anzahl von Verbindungsleitungen für den Durchtritt der Kondensflüssigkeit
über die Länge der wärmeaustanschenderi Leitungen zu verteilen, um einen reversiblen
Wärmeaustausch im Sinne der Erfindung zu erzielen.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele einer Wärmeaustauschvorrichtung
angegeben, mit der sich das Verfahren gemäß der Erfindung durchführen läßt.
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Abb. i zeigt zwei durch _ Schweißung wärmeleitend- miteinander verbundene
Leitungen i und a, die in etwas verschiedener Höhenlage nebeneinanderliegend so
geführt sind, daß an ihrer Berührungsstelle die Wärme des von der Leitung i in Richtung
des Pfeiles a: geführten Gasstromes an den Gasstrom übergeht, der in Richtung des
Pfeiles y die Leitung a durchströmt. Die Leitungen i und :2 können entweder horizontal
oder mit schwachem Gefälle angeordnet sein. In bestimmten Abständen ist der untere
Teil der höher liegenden Leitung i mit dem unteren Teil der tiefer liegenden Leitung
z durch [)-Rohre 3, 3', 3" usw. verbunden. Diese [)-Rohre ermöglichen den Übertritt
von Flüssigkeit aus der Leitung i in die Leitung a. Da sie aber zugleich einen Flüssigkeitsverschluß
bilden, verhindern sie den Übertritt von Gas aus der einen in die andere Leitung.
Der Wärmeaustauschvorgang spielt sich in folgender Weise ab: Infolge der niedrigen
Temperatur des die Leitung a durchziehenden Gasstromes wird der in entgegengesetzter
Richtung die Leitung i durchziehende wärmere Gasstrom so weit abgekühlt, daß die
kondensierbaren Dämpfe, mit denen er beladen ist, sich ganz oder teilweise in Form
tropfbarer Flüssigkeit ausscheiden und durch die [)-Rohre 3, 3', 3" usw. in die
Leitung eintreten. Der in der Leitung a befindliche Gasstrom besitzt wegen seiner
anfänglich erheblich niedrigeren Temperatur eine verhältnismäßig geringe Dampfspannung.-
Infolgedessen verdampft die in die Leitung o, eintretende Flüssigkeit dort in den
Gasstrom hinein. Die zu dieser Verdampfung erforderliche Wärme entstammt der Leitung
i, in welcher eine gleich große Wärmemenge bei der Kondensatbildung frei geworden
war. Man könnte auch sagen, daß die zur Kondensatbildung in der Leitung i erforderliche
Abkühlung durch Übergang derjenigen Wärmemenge bewirkt wird, .die von der Leitung
i an die Leitung :2 übergeführt werden muß, um in dieser eine gleich große Flüssigkeitsmenge
zu verdampfen. Die Bildung der Kondensationswärme nimmst dabei fortgesetzt zu, bis
ein Beharrungszustand erreicht ist, der im Grenzfall einen vollkommen reversiblen
Wärmeaustausch ermöglicht. Es ist dann weder Wärmezufuhr von außen noch Abführung
von Wärme nach außen erforderlich.
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Ist die Temperaturdifferenz der beiden Gasströme und dementsprechend
der relative Gehalt des wärmeren Gasstromes an kondensierbareri Dämpfen sehr groß,
so, kann es vorkommen, daß nicht alles Kondensat in der den kälteren Gasstrom führenden
Leitung zur Verdampfung gelangt. In diesem Falle ist es zweckmäßig, den -beiden
aneinanderliegenden Leitungen ein solches Gefälle zu geben', daß die unverdampft
bleibende Flüssigkeit in dasjenige Gefäß zurückströmen kann, aus welchem
die
den wärmeren Gasstrom führende Leitung gespeist wird. Der Anlage, der die Wärmeaustauschvorrichtung
angehört, bleibt dadurch sowohl die Flüssigkeit als auch die ihr innewohnende Wärme
erhalten.
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Eine Wärrneaustauschvorrichtung, bei der die beiden Leitungen ebenfalls
liegend angeordnet, aber nicht nebeneinander, sondern ineinander geführt sind, ist
durch Abb. 2 veranschaulicht. Hier führt die innenliegende Leitung i i den wärmeren
und die sie umschließende Leitung 12 den kälteren Gasstrom. Um den Übertritt des
in der Leitung i i gebildeten Kondensats in die Leitung z2 zu ermöglichen, besteht
die Leitung i i auf ihrer Unterseite aus einem etwa den vierten Teil ihres Umfanges
bedeckenden engmaschigen Drahtnetz 13, durch welches das Kondensat hindurchtropfen
kann. Unter der Voraussetzung, daß zwischen den beiden Gasströmen nur eine ganz
geringe Druckdifferenz besteht, verhindert die an dem Drahtnetz hängende Flüssigkeitsschicht
infolge ihrer Oberflächenspannung den Übertritt von Gas aus der einen Leitung in
die andere.
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Während die Abb. i und 2 Ausführungsformen für Wärmeaustauschvorrichtungen
in liegender Anordnung darstellen, zeigen die Abb. 3 und 4 solche in stehender Anordnung,
und zwar befindet sich in beiden Fällen die den kälteren Gasstrom führende Leitung
innerhalb der den wärmeren Gasstrom führenden Leitung.
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Bei Abb. 3 besteht die Leitung für den kälteren Gasstrom aus einer
Anzahl von Rohrstücken 2,1, die (in nicht dargestellter Weise) an der Innenwand
eines die Leitung für den wärmeren Gasstrom bildenden homogenen Rohres 22 befestigt
sind. Jedes Rohrstück 21 mündet unten in eine ringförmige Schale 23, deren äußerer
Rand etwas höher als ihr Innenrand liegt. Das untere Ende der Rohrstücke 2 1 berührt
nicht den Boden der ringförmigen Schalen 23, sondern ragt in diese nur so weit hinein,
daß es zusammen mit einer die Schalen anfüllenden Flüssigkeit einen Flüssigkeitsverschluß
gegenüber den Gasen darstellt. Wird nun die innere Leitung von einem kälteren, die
äußere von einem mit kondensierbaren Dämpfen beladenen wärmeren Gasstrom durchzogen,
so schlägt sich das in der äußeren Leitung aus. den Dämpfen gebildete Kondensat
zunächst an der Außenband der Rohrstücke 2i nieder, gelangt von da in die ringförmigen
Schalen 23 und schließlich über den niedrigeren inneren Rand derselben in das Innere
der innenliegenden Gasleitung hinein, wo es infolge der hier herrschenden geringen
Dampfspannung sofort verdampft. Die zur Verdampfung erforderliche Wärme wird dabei
wieder durch die Kondensationswärme bestritten, die bei der Verflüssigung der Dämpfe
in der äußeren Leitung frei geworden war.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 4 besteht die außenliegende, zur
Führung des. wärmerer Gasstromes bestimmte Leitung 25 wieder aus einem homogenen
Rohr, während die innenliegende, den kälteren Gasstrom führende Leitung aus lauter
gleichartigen Ringen 26 von trichterförmigem Querschnitt gebildet ist, die so übereinander
angeordnet sind, daß je zwei benachbarte Ringe zusammen mit der in dem unteren Ringe
befindlichen Flüssigkeit einen Flüssigkeitsverschluß für die Gase bilden. Auch hier
ist zweckmäßig der innere Rand der Ringe niedriger als der Außenrand, so daß das
an den Ringen außen sich niederschlagende Kondensat unter Aufrechterhaltung der
Flüssigkeitsverschlüsse in das Innere der innenliegenden Leitung übertreten und
dort verdampfen kann.
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Eine besondere Bedeutung hat die beschriebene Erfindung für den Wärmeaustausch
solcher Gasleitungen, die einem Gasgemischumlaufsystem einer kontinuierlich wirkenden
Absorptionsmaschine angehören. Ist z. B. im Verdampfer und Absorber einer derartigen
Absorptionsmaschine zwecks Druckausgleichs dem gasförmigen Arbeitsmittel ein indifferentes
Gas beigemischt und wird dieses durch beliebige hier nicht näher zu beschreibende
Mittel durch Absorber und- Verdampfer umgewälzt, so ist es aus thermischen Gründen
häufig erwünscht, daß der den Absorber verlas-sende, mit dem Dampf des Lösungsmittels
beladene wärmere Gasstrom mit dem vom Verdampfer zum Absorber zurückkehrenden kälteren
Gasstrom in Wärmeaustausch tritt. Es wird hierdurch einerseits Verschleppung von
Wärme und Dämpfen in den Verdampfer, andererseits von Kälte in den Absorber verhütet.
Bei der Ausführungsform nach Abb. 5, die ein derartiges Gasgemischumlaufsystem einer
Absorptionsmaschine unter Weglassung der übrigen Teile dieser Maschine darstellt,
bezeichnet 31 den Verdampfer, 32 den Absorber, 33 die vom Absorber zum Verdampfer
führende, das feuchtwarme Gasgemisch enthaltende Leitung und 34 die das im Verdampfter
,abgekühlte, mit gasförmigem Arbeitsmittel beladene Gasgemisch zum Absorber zurückführende
Leitung. Die Leitung 33 liegt auf einem großen Teil ihrer Länge innerhalb der Leitung
34, welche vom Verdampfer 31 zum Absorber 32 etwas Gefälle besitzt. Der innerhalb
der Leitung 34 liegende Teil der Gasleitung 33 ist an seiner Unterseite mit U-förmig
gekrümmten Röhrchen 35 versehen. Das Kondensat des mitgeführten Dampfes kann durch
die Röhrchen 35 in die den kälteren Gasstrom führende Leitung 34
übertreten
und dort verdampfen. Die Leitung #;3q. ist an ihren Enden so ausgebildet, daß sich
die etwa nicht verdampfende Kondensatmenge in ihrem unteren Teile ansammeln kann.
Durch die in das Kondensat hineinragenden Röhrchen 35 und gegebenenfalls zwischen
diesen anzuordnende Rippen der Leitung 33 kann die Kondensationswärme in die den
kälteren Gasstrom führende Leitung 33 übergeführt werden.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 6 eine kontinuierlich
wirkende, mit indifferentem Hilfsgas arbeitende Absorptionsmaschine dargestellt,
die zwei Wärmeaustauschvorrichtungen gemäß der Erfindung "aufweist. Das iil einem
elektrisch geheizten Austreiber 4i aus einer Absorptionslösung entwickelte gasförmige
Arbeitsmittel (z. B. Ammoniak) hebt die arme Lösung in einem aufsteigenden Rohre
42 in den Gasabscheider 43 empor. Von diesem führt eine Gasleitung 44 zum Kondensator
45, und das Kondensat fließt über eine U-förmig gebogene Leitung 46, die zusammen
mit einem Zwischengefäß 47 eine Drucksicherungsvorrichtung bildet, oben in den Verdampfer
48, wo es in das indifferente Gas hinein verdampft. Vom unteren Teil des Gasabscheiders
43 führt ein U-förmig gekrümmtes Rohr 49 zu einem zweiten Austreiber,5o, in welchem
sich ebenfalls indifferentes Gas befindet. Die hier weiter entgaste Absorptionslösung
gelangt durch eine U-förmig gebogene Leitung 5 i in den Absorber 52. Dieser steht
durch Gasleitungen 53 und 54 mit dem Verdampfer 48 in Verbindung. Die vorm oberen
Teil des Absorbers 52 abführende Gasleitung 53 steigt bis zu einem oberhalb der
Gasgeinisch-Austrittsstelle des Verdampfers 48 liegenden Punkte empör, -biegt dann
um und tritt unten in den Verdampfer 48 ein. Die vom Verdampfter kommende, unten
in. den Absorber 52 einmündende Gasgemischleitung 54 ist durch eine "Erweiterung
,55 des aufsteigenden Teiles der Leitung 53 vertikal hindurchgeführt. Innerhalb
der Erweiterung 55 ist die Leitung 54 in ähnlicher Weise, wie in Abb. 3 oder 4 dargestellt,
so ausgebildet, daß das außen an ihr sich niederschlagende Kondensat der von der
Leitung 53 mitgeführten Dämpfe in das Innere der Leitung 54 gelangt und dort verdampfen
kann. Der Verdampfer 48 ist noch in der aus Abb. 6 ersichtlichen Weise durch eine
Entwässerungsleitung 56 mit der Gasleitung 54 verbunden.
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Die im Absorber 52 durch Aufnahme von Ammoniak aus dem Gasgemisch
wieder angereicherte Absorptionslösung gelangt durch ein Verbindungsrohr 57, das
zugleich eine Gasverbindung darstellt, in den oberen Teil eines zweiten Absorbers
58 und nach weiterer Anreicherung in diesem Absorber -mittels einer U-förmig gebogenen
Leitung 59, die mit -der Leitung 51 einen Temperaturwechsler bildet, zum Austreiber
41: zurück. Der Absorber 58 steht durch ein aus zwei Leitungen 6o und 61 gebildetes
Gasgemischumlaufsystem mit dem bereits erwähnten zweiten Austreiber 50 in
Verbindung. Die Gasleitungen 6o und 6.1 sind auf einem Teil ihrer Länge in schwach
geneigter Anordnung in wärmeleitender Verbindung dicht nebeneinander geführt und
in ähnlicher Weise, wie in Abb. i dargestellt, mit einer Einrichtung zum Übertritt
des in der höher liegenden Leitung 61 gebildeten-Kondensats in die Leitung 6o versehen.
Der Ga sgemischumlauf in dem durch die Gefäße 50 und 58 sowie durch die Gasleitungen
6o und 61 gebildeten System wird durch gasförmiges Arbeitsmittel aufrechterhalten,
das einer von der Leitung 44 in die Gasleitung 61 einmündenden Düsenleitung 62 entnommen
wird. Ein etwa sich bildender Druckunterschied zwischen den beiden Gasgemischumläufsystemen-
wird durch die erwähnte Gasverbindung (Rohr 57) ausgeglichen.
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Beim Betriebe der vorstehend beschriebenen Absorptionsmaschine findet
zunächst ein Wärmeaustausch zwischen den Gas2trömen statt, welche die Leitungen
53 und 54 in Richtung der beigefügten Pfeile durchziehen. Dabei werden die von der
Leitung 53 mitgeführten Dämpfe des Lösungsmittels kondensiert und das Kondensat
in die Leitung-54 übergeführt, wo es verdampft. In den Absorber 52 gelangen also
die aus ihm fortgeführten Dämpfe zurück, während in den Verdampfer 48 nur vorgekühltes
und getrocknetes Gasgemisch eintritt. In ganz ähnlicher Weise vollzieht sich der
Wärmeaustausch und Kondensatübergang in den aneinander anliegenden Teilen der Gasgemischleitungen
6o und 61, welche den Austreiber 5o mit dem Absorber 58 verbinden. Auch hier gibt
das die Leitung 6 i in der Pfeilrichtung durchströmende, mit Dämpfen des Lösungsmittels
beladene indifferente Gas an den durch die Leitung 6o im entgegengesetzten Sinne
ziehenden kühleren Gasstrom nicht nur einen Teil seiner Wärme, sondern auch das
Kondensat der in ihr niedergeschlagenen Dämpfe ab. In der Leitung 6o verdampft das
Kondensat unter Bindung der bei der Verflüssigung frei gewordenen. Kondensationswärme.
Etwa nicht verdampftes Kondensat kann infolge des Gefälles, welches die Gasleitung
6o zum Austreiber "5o hin besitzt, in den unteren Teil dieses Austreibers abfließen.
Auch in diesem Falle gelangt also das Lösungsmittel, einerlei ob in dampfförmiger
oder flüssiger Form, in dasjenige der beiden am Gasgemischumlauf beteiligten Gefäße
zurück, in welchem die höhere Temperatur herrscht.