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Vorrichtung zum Tiefkühlen von Gasen Zum Tiefkühlen von Gasen oder
Gasgemischen, die durch Rektifizieren oder Waschen zerlegt werden sollen, können
grundsätzlich genau wie zum Erwärmen Wärmeaustauscher (Rekuperatoren) oder Wärmespeicher
(Regeneratoren) benutzt werden. Bis zum letzten Jahrzehnt hat man zum Tiefkühlen
von Gasen ausschließlich Wärmeaustauscher verwendet, und zwar wurde hier die Röhrenbauart
benutzt. Das Hochdruckgas strömte gewöhnlich durch ein Bündel dünner Rohre, während
das Niederdruckgas um dieses Bündel, geleitet wurde. Mit der fortschreitenden Technik
ergab sich die Notwendigkeit, einen Wärmeaustausch zwischen sehr großen Gasmengen
vorzusehen. Aus wirtschaftlichen Gründen kann ein aus Röhren bestehender Wärmeaustauscher
jedoch diese Bedingung nicht erfüllen. Aus diesem Grunde wurde letzthin der Wärmespeicher
in der Tiefkühltechnik eingeführt. Bei der bekannten angewendeten Form ist ein Gefäß
mit gewellten Aluminiumbändern angefüllt, wobei in dessen Volumeneinheit natürlich
eine ein Vielfaches größere Wärmeaustauschfäche untergebracht werden kann als beim
Röhrenaustauscher. Es sind daher mit derartigen Wärmespeichern auch Anlagen für
sehr große Leistungen auszuführen. Der Wärmespeicher hat darüber hinaus noch den
Vorteil, daß das zu verarbeitende Gas nicht von den kondensierbaren Verunreinigungen
(z. B. Wasserdampf, Kohlensäure) befreit zu werden braucht. Bei Betrieb wird nämlich
der Wasserdampf und die Kohlensäure im Wärmespeicher beim Einblasen der warmen Luft
kondensiert, dagegen beim Ausblasen der kalten, trockenen Gase wieder verdampft.
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Die vorliegende Erfindung geht von der Erwägung aus, daß es wünschenswert
wäre, einen Weg zu finden, um auch mit Wärmeaustauschern die beim Wärmespeicher
zum Tiefkühlen von Gasen erzielten Vorteile zu erreichen. Der Wärmeaustauscher hat
nämlich gegenüber dem Wärmespeicher eine Reihe von wichtigen prinzipiellen Vorteilen,
so daLß
also, falls die bisherigen Nachteile desselben vermieden
werden können und dementsprechend die gleichen Vorzüge wie beim Wärmespeicher erzielt
werden, dies eine fortschrittliche Bereicherung der Technik darstellen würde.
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Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich das Problem dadurch in
einfachster Weise lösen läßt, daß man einen Wärmeaustauscher in Form eines sogenannten
Plattenaustauschers benutzt. Bei dieser Bauart werden keine Röhren verwendet, sondern
die beiden Medien werden zwischen entsprechend geformten, z. B. gewellten Platten
aus Blech o. dgl. geführt. Die Anwendung dieser Bauart beim Tiefkühlen kommt durch
folgende Überlegungen zustande Wie hervorgehoben, besteht ein wesentlicher Vorteil
des Wärmespeichers darin, daß die Kondensationsprodukte beim Durchleiten des kalten
Gases entfernt werden. Dies läßt sich beim Wärmeaustauscher nur erreichen, wenn
von Zeit zu Zeit eine Umschaltung der beiden Gasströme erfolgt, derart, daß der
Weg des warmen Gases nach einer gewissen Betriebszeit von dem kalten Gas durchströmt
wird, und umgekehrt. Dieser Vorschlag ist an sich nicht neu, jedoch stieß man bei
seiner Verwirklichung in der Praxis auf Schwierigkeiten, weil man auch hierbei die
bekannte Röhrenbauart benutzte. Voraussetzung für die Umschaltung ist aber eine
möglichste Übereinstimmung der Querschnitte. Das läßt sich bei der Röhrenbauart
praktisch nicht erreichen, denn der Innenquerschnitt der Rohre ist immer ganz anders
als der Querschnitt des zwischen den Rohren befindlichen Raumes. Es läßt sich aber,
wie nicht weiter gezeigt zu werden braucht, gerade bei der Plattenbauart eine fast
völlige Übereinstimmung der Qüerschnittsgröße erzielen, so daß hierbei die Umschaltung,
d. h. der Wechselbetrieb, keine Schwierigkeiten verursacht. Die Strömungs- und Kühlungsverhältnisse
bleiben vollständig gleich, ob die Gase nun den einen oder den anderen Weg durchströmen.
In dieser Erkenntnis der besonde= ren Anwendungsmöglichkeit liegt der wesentlichste
Fortschritt der Erfindung. Daß man übrigens die Plattenwärmeaustauscher auch unabhängig
von dem Nichterkennen der eben erwähnten Vorteile nicht zum Tiefkühlen von Gasen
benutzt hat, mag daran liegen, daß man auf den Druckunterschied Rücksicht nehmen
zu müssen glaubte. Selbstverständlich lassen sich Druckunterschiede (bei der Tiefkühlung
steht das eine Gas unter einem Überdruck von o,5 bis zu 5 Atin.) am besten durch
ein Röhrensystem aufnehmen. Einzelne aus Blech bestehende Platten werden sich leicht
durchbiegen. Es lassen sich aber, wie sich gezeigt hat, diese Schwierigkeiten überwinden,
indem man den Platten entweder eine bestimmte, versteifende .Form gibt oder in entsprechender
Anzahl Versteifungs- oder Abstandstücke anbringt. Unter Umständen genügt schon die
Wellung der Blechplatten, die zur Bildung der einzelnen Kanäle vorgenommen wird.
Das Wellen derartiger Platten wie auch Abstandshalter soll nicht als erfinderisches
Merkmal für sich in Anspruch genommen werden. Diese Maßnahme dient nur zur besonderen
Lösung des hier vorliegenden Problems.
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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele für die Form der
Bleche in Fig. r bis q. dargestellt.
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Fig. 5 zeigt ein Betriebsschema.
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In der Fig. z ist der Querschnitt durch einen Rekuperator aus glatten
ebenen Blechen i dargestellt, die durch Abstandstücke 2 gegeneinander abgestützt
werden. In der Fig. 2 besteht der Wärmeaustauscher abwechselnd aus ebenen und gewellten
Blechen, in der Fig. 3 ausschließlich aus gewellten Blechen. In der Fig. 4. ist
die Wellung der Bleche derartig, daß der Querschnitt Röhren von kreiszylindrischem
Querschnitt zeigt, durch die das eine Gas, während gleichzeitig durch die Zwischenräume
zwischen den röhrenartigen Kanälen das andere Gas strömt. Alle diese Anordnungen
können sowohl mit geraden als auch mit gewellten oder sonst gekrümmten Erzeugnissen
hergestellt werden.
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Werden die Bleche bzw. die Abstandstücke an ihren Berührungspunkten
verschweißt, verlötet, oder in sonstiger Weise vereinigt, so können zwischen je
zwei benachbarten Blechzwischenräumen, selbst bei dünnwandigen Blechen, beträchtliche
Druckunterschiede herrschen. Dasselbe kann man erreichen, wenn man das Plattenbündel
nicht verschweißt oder verlötet, sondern unter genügendem Druck von außen zusammenpreßt.
In diesem Falle muß man nur vermeiden, daß die Wellentäler und -berge ineinandergleiten.
Zu diesem Zweck kann man entweder die Wellungsrichtungen je zweier benachbarter
Bleche kreuzen oder die Wellung mit einer gewellten statt geraden Erzeugenden ausführen
oder zwischen je zwei Bleche Blechstreifen oder sonstige Abstandstücke legen.
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Statt gewellter Bleche kann man natürlich auch mit grubenförmigen
Vertiefungen versehene Bleche verwenden, wie sie bei Dampfinantelgefäßen ausgeführt
werden.
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Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung besteht im einfachsten Fall
aus im wesentlichen parallelen Blechen, zwischen denen abwechselnd die abzukühlenden
bzw. zu erwärmenden Gase strömen. Um die beiden Gasströme
voneinander
zu trennen, ist es am naheliegendsten, zwei benachbarte Platten paarweise an ihren,
seitlichen (d. h. der Strömungsrichtung des Gases im wesentlichen parallelen) Rändern
durch Schweißen, Löten oder Falzen zu einem taschenähnlichen Körper zu vereinigen,
derart, daß zu einer bestimmten Zeit der eine Gasstrom im Innern der Taschen, der
andere zwischen den Taschen strömt. Zur Zuführung bzw. zur Abnahme der Gase, die
in bzw. um den Taschen strömen, ist nun eine Maßnahme notwendig, die die Aufgabe
des Rohrbodens bei Röhrenwär`meaustauschern erfüllt. Zu diesem Zweck kann man z.
B. am einfachsten an der Einführungsstelle des Gases' die Nähte der Taschen offen
lassen, dafür aber die Seitenränder je zweier benachbarter Taschen miteinander durch
Schweißen, Löten oder Falzen vereinigen (Abb. 5). In der Abbildung bedeutet i die
Seitenansicht eines Bleches, die seitlichen Schweiß- oder Lötnähte der Taschen,
3 die Schweiß- oder Lötnähte je zweier benachbarter, zu benachbarten Taschen gehörender
Bleche an der Eintrittstelle des einen Gases und 4 die Umrahmung der Eintrittsöffnung.
In dem durch die Pfeile dargestellten Fall erfolgt der Gaseintritt in die Taschen
von vorn durch die rahmenförmige Üffnung q., yvährend das im Gegenstrom dazu zwischen
den Taschen strömende Gas nach unten hin austritt. In der Ausführung nach Abb.5
bilden die Strömungsrichtungen der einzelnen Gasströme an der Ein- und' Austrittsstelle
miteinander Winkel.
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Natürlich sind auch Anordnungen möglich, bei denen die Bleche nicht
nach Art eines ebenen Parallelbündels, sondern zylindrisch oder spiralig angeordnet
sind.
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Sollen am Wärmeaustausch gleichzeitig mehr als zwei Gasströme teilnehmen,
z. B. mehrere Zerlegungsprodukte eines Gasgemisches, so könnten für je zwei Teilströme
selbständige Wärmeaustauscher verwendet werden. Im allgemeinen wird es aber vorteilhafter
sein, für die verschiedenen Gasströme verschiedene Kanalteilsysteme desselben Wärmeaustauschers
zu verwenden. Die oben beschriebenen konstruktiven Maßnahmen können sinngemäß auch
auf diesen Fall übertragen werden.