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Gegenstromherieselungskondensator für Kompressionskältemaschinen Gegenstand
der @ Erfindung ist ein Gegenstromberieselungskondensator mit senkrechten Rohren
für Ammoniak, Kohlensäure, schweflige Säure, iVIethylchlorid o. dgl., wie solche
in Kühlanlagen zur Verwendung kommen. Die bekannten Verflüssiger dieser Art haben
alle mehr oder weniger den schwerwiegenden Nachteil, daß der Wärmedurchgang durch
die Begrenzungswände (Rohrwände) an allen den Stellen erheblich erschwert wird,
an welchen die entstandenen Kondensattropfen zu einer Flüssigkeitsschicht zusammenfließen,
die stets ein sehr viel schlechterer Wärmeleiter iseals die Begrenzungswände. Selbst
bei den senkrechten Kühlrohren der Steilrohrkondensatoren, die an sich den Vorteil
sowohl großer Kühlwassergeschwindigkeit als schnellen Kondensatablaufs besitzen,
sind die Innenwandungen aller Rohre im unteren Drittel vom im Oberteil der Rohre
entstandenen Kondensat überflutet und ist der Wärmedurchgang an diesen überschwemmten
Rohrflächen sehr erheblich vermindert. . .
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Die Forderung, im Verflüssiger viel kondensatarme Flächen zu schaffen,
die allein den Wärmeabfluß und somit den Kondensationsprozeß fördern, ist erfindungsgemäß
erfüllt durch Schaffung eines Steilrohrkondensators, bei dem das einzelne Steilrohr
gewissermaßen in zwei Teile zerlegt ist, nämlich in ein längeres Oberrohr und ein
kürzeres, erweitertes Unterrohr, und zwar so, daß ersteres mit seinem unteren Ende
in letzteres einragt.
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Durch diesen Rohraufbau wird erreicht, daß das im Oberteil des Steilrohrkondensators
entstandene Kondensat nicht mehr die Innenwandungen des unteren Teils der Steilrohre
zu
überfluten vermag, vielmehr sind diese Wärmeaustauschflächen nun absolut kondensatarm
und so für den Wärmedurchgang bestens geeignet. Der zweite ebenfalls ,-sehr wesentliche
Vorteil, der durch diesen' Rohraufbau als bedingter Begleiteffekt erziel t._ wird,
ist die Kühlflächenbildung durch die entstehende Kondensattraufe aus dem Oberrohr
ins Unterrohr. Es ist günstig, daß die Traufe um die Mittelachse der Unterrohre
niedergeht, da der hier aufsteigende Gasstrom am weitesten von der Rohrwand entfernt
ist.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil des Kondensators besteht in
der Einführung des komprimierten Kältemittels. in den Kondensatsammelbehälter. Gegenüber
bekannter Konstruktion, bei der das vom Kompressor kommende Gas ohne V orkühlung
in das gerade nur auf Verflüssigungstemperatur gebrachte Kondensat eingeführt wird,
also dieses durch den Wärmeaustausch mit dem heißen Gas ein wenig Dampf entwickelt,
ist das Kondensat im Sammelbehälter des erfindungsgemäßen Gegenstandes bereits abgekühlt,
so daß das Kondensat, ehe es Verdampfungstemperatur erreicht, eine gewisse Wärmemenge
aufzunehmen vermag, andererseits ist erfindungsgemäß das Kompressorgas durch eine
Vorkühleinrichtung gegangen und ist dasselbe beim Eintritt in die Sammelflasche
schon wesentlich heruntergekühlt. Ein Ansteigen der Temperatur des Kondensats über
die Verflüssigungstemperatur und somit eine Drucksteigerung im Kondensator, die
unvermeidlich vermehrte Kompressorarbeit zur Folge hat, wird also gegenüber bekannter
Konstruktion vermieden.
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Die Vorteile der Gaseinführung ins Kondensat des Sammelbehälters sind
unter erfindungsgemäßen Umständen erheblich. Das vorgekühlte Gas, das durch ein
langes, durchweg gelochtes Rohr in sehr guter Verteilung ins Kondensat des waagerechten
Sammelbehälters geschickt wird, gelangt hier schon zu einem gewissen -Teil zur Verflüssigung,
wird aber im übrigen verflüssigungsreif. Weiterhin wird auch in der ständig vom
Kühlwasser überrieselten Sammelflasche das mitgerissene Kompressorschmieröl ins
Kondensat ausgeschieden, und wird auf diese Weise die Verschmutzung der Innenflächen
der Kühlrohre durch Ölfilm vermieden.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorzug des vorliegenden Apparates ist
seine stufenweise Kühlwasserzuführung, die ohne Umwälzpumpe auskommt. Das Frischwasser
durchströmt erst die Unterkühleinrichtung. für das Kondensat, woselbst es sich nur
minimal, etwa um a Grad, erwärmt, uni nach darauffolgender Überrieselung der Steilrohre
ins Auffangbecken zu gelangen, von wo es im natürlichen -Gefälle in die tiefer gelegene
Vorkühleinrichtüng gelangt (in der beiliegenden Zeichnung ist das Tieferliegen der
Vorkühl-I ichtung infolge der beschränkten Dartkrungsfläche nur in Fig. z zum Ausdruck
'gel acht). Bei nur einmaligem Umpumpen 'des kältesten, also zutiefst im Auffangbecken
geschichteten Wassers auf die erweiterten Kühlrohre unter Zusatz von Frischwasser
läßt sich die Kühlwasserausnutzung nochmals steigern, während bei bekannten Systemen
mit mehrfach gestufter Kühlwasserzuführung diese nicht ohne erhebliche Umpumparbeit
vor sich geht, da, um Gegenstromwirkung zu erreichen, für jede Kühlstufe Umwälzarbeit
nötig wird. Wird im Betrieb Heißwasser, das nicht verunreinigt sein darf, benötigt,
so wird die Vorkühleinrichtung durch eine Abzweigung der Frischwasserzuleitung mit
Kühlwasser beschickt, wie in der beiliegenden Zeichnung (Fig. i) dargestellt. -Kurz
und numerisch zusammengefaßt, ergeben sich also folgende rein erfindungsgemäße Vorteile
des Steilrohrkondensators der vorliegenden Erfindung: i. Mischkondensation des Kältemittels
durch Kondensattraufe aus Steilrohren in die Mittelachse von darunter befindlichen,
erweiterten Fortsetzungsrohren, a. kondensatarme Innenfläche des gesamten normal
hohen Steilrohrsystems, 3. Erzielung von Naßdampf, also von Vorkondensation und
Verflüssigungsreife der Hauptdampfmenge bereits im Kondensatsammelbehälter, durch
Einführung des komprimierten aber v orgekühlten Gases mittels eiines über -die ganze
Länge des Sammelbehälters sich erstreckenden Verteilungsrohres in das ebenfalls
schon vorgekühlte Kondensat, :I. Verringerung des Leistungsgewichts des Apparates,
sich ergebend aus dem unter i, a und 3 Angeführten, 5. verbesserte Ölfernhaltung
von den Innenflächen des Kühlrohrsvstems durch Abscheidung des Öles aus dem vorgekühlten
Gas ins Kondensat des Sammelbehälters bei Eintritt des Gases in dasselbe und die
Niederschlagswirkung der Kondensattraufe, 6. wirksamste Kühlwasserverwendung ohne
bzw. bei nur einmaliger Umpumparbeit durch geeignete Führung des Kühlwassers.
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Schematisches Ausführungsbeispiel Fig. i bis Fig. 3 zeigen den Kondensator
in schematischer Darstellung. i (Fig. i) ist das Leitungsrohr, welches den vom Kompressor
mit verhältnismäßig hohen Überhitzungstemperaturen ankommenden Dampf durch einen
Vorkühler a leitet, welcher von der Kühlwasserzuführung 3 beschickt wird. In der
Einrichtung 2 ist erfindungsgemäß das
Rohr i eine Strecke mit Längskühlrippen
4. versehen, vor welchen ein Kühlwasserverteiler 5 angeordnet ist.
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Nach Verlassen des Vorkühlers 2 tritt der schon wesentlich abgekühlte
Dampf in das geräumige Kondensatsammelrohr 6 der Berieselungskühleinrichtung, und-zwar
über ein fast ausschließlich oben gelochtes Rohr 7, das in das angesammelte Kondensat
etwas eintaucht. Durch die hier erfolgende unmittelbare Berührung des noch dampfförmigen
Stoffes mit dem bereits verflüssigten kommt ein äußerst wirksamer Wärmeaustausch
zustande, der den Dampf ,in zum Teil schon nassen Dampf verwandelt.
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Aus Fig. i ist ferner ersichtlich, daß das Frischwasser oben über
ein Verteilschiff bzw. Rohr 8 im Gegenstrom zum Dampfstrom an den Kühlrohren herabfließt.
Zunächst überströmt das Frischwasser das obere Sammelrohr g, in welchem es das befindliche
Kondensat erheblich abkühlt.
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Durch besondere Leitflächen io wird das Kühlwasser - zu .den Außenwänden
der senkrechten Kühlrohre il herangeführt, die es überrieselt, um dann zu den etwas
umfangreicheren Fortsetzungsrohren 12 zu gelangen. Auf den oberen Flächen 13 dieser
Kühlrohre sind niedere Blechborde 14 so angebracht, daß unten ein Zwischenraum 15
frei bleibt, durch welchen das Rieselwasser abläuft, das durch die Mischung des
wärmeren Wassers mit dem aus den Öffnungen 16 der Leitung 3 zulaufenden kalten Frischwasser
kühl ist. Nach Überrieselung der Fortsetzungsrohre 12 gelangt das Kühlwasser, bevor
es den Kondensatsammler 6 überläuft, nochmals in außen befestigte Bördelbecken 17,
in denen eine Trennung der kälteren von den wärmeren Wassermassen vor sich geht,
indem das obenschwiminende, leichtere Warmwasser durch ausladende Ausgießrinnen
18 in das Sammelschiff i g abläuft, das Kaltwasser aber durch Schlitze 2o sich über
die weiteren Wände der Rohre 12 auf den Kondensatsammler 6 ergießt, um dann ebenfalls
ins Schiff i g abzulaufen. 29 ist das Ableitungsrohr des Sammelwassers.
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Das in der Vorkühlanlage 2 warm bis heiß gewordene Frischwasser verläßt
die Einrichtung 2 durch den Ablauf 3' und kann das gewonnene Warmwasser als solches
Nutzzwecken zugeführt werden.
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Für den Fall aber, daß wenig Frischwasser verfügbar ist, ist unter
dem Sammler 6 eine Rückkühlanlage 21 (Fig. z) eingebaut, von der das durch die Eigenverdampfung
abgekühlte Wasser ins Schiff ig rieselt, woselbst es mittels Rohrleitung 29' in
die Dampfvorkühlanlage 22 gelangt. Diese Anlage besteht aus dem glatten Dampfrohr
i und den das Kühlwasser aufnehmenden Trögen 22 und 23 sowie den zwischengeschalteten
Rückkühlflächen 2q.. Trog 22 hat oben Überlauf des erwärmten Kühlwassers, während
seine besonderen, großflächigen Ablaufwände 25 ebenfalls Rückkühlflächen sind. Mit
I ist ein Isolierschild bezeichnet, der eventuelle Strahlungswärme und 'warmen Wasserdampf,
von der Vorkühlanlage 22 herrührend, ableitet.
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Fig. 3 zeigt das rechtsseitige Querschnittbild entsprechend der Schnittlinie
a-a der Fig. 2.
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Hat der über das Verteilrohr 7 in den Sammler 6 eingetretene Dampf
das Kondensat verlassen, so strebt er, bereits stark durchgewirbelt und wesentlich
abgekühlt, in den Röhren 12 hoch, sich dabei in bekannter Weise an den Innenflächen
niederschlagend. Im vorliegenden Apparat ergibt sich erfindungsgemäß auch in der
Mittelachse der Kühlrohre 12 ein Kühlvorgang. Um dies zu erreichen, ragen die dünneren
Kühlrohre i i mit. ihren unteren Enden i i' in die Rohre 12 ein, und das aus den
Röhren i i ablaufende bereits unterkühlte Kondensät ergießt sich nun traufenartig
um die Mittelachse der Rohre 12 in dieselben. Hierdurch findet i. eine starke Durchwirbelung,
Abkühlung und Kondensation (die Sprühtröpfchen der Kondensattraufe werden zu Kondensationskernen)
gerade der Dampfmassen statt, die bisher in derselben Rohrstrecke kaum gekühlt wurden,
geschweige denn verflüssigt; 2. werden die Innenflächen der Kühlrohre 12 um eben
dieses herabträufelnde Kondensat entlastet. Eine ähnliche Wirkung ergibt sich effindungsgemäß
auch durch Kondensatrieselstangen 26 (Fig. i), welche das Kondensat aus den Rohren
i i nächst der Mittelachse der Rohre 12 herableiten.
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Um die Innenflächen der Kühlrohre i i in derselben Weise von Kondensat
aus dem Ouerrohr g zu entlasten und überhaupt eine Wirkung wie in den Kühlrohren
i2 zu erzielen, ist erfindungsgemäß, wie aus Fig. i ersichtlich, an den oberen Enden
der Rohre i i eine zentrische Kondensatsammelvorrichtung 26' (Rinnen, Röhren, Rieselstangen)
vorgesehen, die das aus dem geräumigen Querrohr g anfallende, stark abgekühlte Kondensat
in die Mittelachse der Rohre i i leitet bzw. traufen läßt.
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Für den Fall, daß eine wesentliche Unterkühlung des sich in Rohr 6
ansammelnden Kondensats erwünscht ist, ist unter dem Auffangbecken ig in bekannter
Weise eine Unterkühlvorrichtung 27 (in Fig. 2 seitlich) vorgesehen, in welcher das
Kondensat, das durch Rohr 28 zugeführt wird, durch das im Gegenstrom befindliche
Frischwasser in Leitung
3 unterkühlt wird. 30 ist die Kondensatableitung
zum Regulierventil.
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Entlüftungsvorrichtung E kann, wie üblich, an höchster Stelle des
Kondensators oder in .Verbindung mit der Unterkühlungseinrichtung 27 angebracht
sein.
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Mit 3 ist die Ableitung des wärmeren Wassers auf dem Auffangschiff
i9 (Fig. 2) gekennzeichnet sowie der Ablauf aus Behälter 23.
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Am Schluß der Beschreibung sei noch erwähnt, daß sich der Apparat
auch als Kondensator in einer Wärmekraftanlage verwenden läßt, und zwar mit Vorteil,
wenn als arbeitendes Mittel in der Kraftmaschine (Kolbenmaschine, Turbine) ein Kältemittel,
wie eingangs der Beschreibung erwähnt, dient.