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Verfahren zum Wärmeaustausch von zu kühlenden Gasen mit einem Kühlmittel
Zur Erzielung eines möglichst großen thermischen Nutzeffekts werden Wärmeaustauscher
vorzugsweise als Gegenstromapparate ausgeführt. Will man derartige Wärmeaustauscher
gleichzeitig als Kondensationskühler verwenden, so stößt man auf Schwierigkeiten.
Wenn die .Kühler derartig ausgeführt werden, daß das Gas und das sich bildende Kondensat
in derselben Richtung, strömen, so ist die Trennung der beiden schwierig und eine
Rektifizierung unmöglich.
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Führt man das Gas im Gegenstrom zu dem Kondensat, so muß die Gasgeschwindigkeit
unter derjenigen des Kondensats bleiben, wobei dasselbe entlang der Kühlkörper mitgerissen
wird, oder, wenn man den Wärmeaustauscher mit einem Bündel zusammengedrehter Kühlrohre
versieht (vgl. Verfahrungstechnik 1940, S. i bis 6), von denen das Kondensat abtropft,
muß die Geschwindigkeit niedrig bleiben, wobei das Kondensat zerstäubt und gleichfalls
mitgerissen wird.
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Eine hohe Gasgeschwindigkeit ist jedoch erwünscht, damit die Wärme
der Kühlkörperwand gut auf das Gas übertragen wird. Die bezüglich der Kühlung und
der Kondensation aufzustellenden Forderungen scheinen also unvereinbar miteinander
zu sein, und man muß einen Kompromiß schließen.
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Bei der Kühlung nitroser Gase, wobei zugleich der Kontakt zwischen
Gas und Kondensat möglichst gering zu halten ist, um die Salpetersäurekonzentration
im Kondensat zu erniedrigen, hat man daher vorgeschlagen, auf das Gegenstromprinzip
zu verzichten und die Gase senkrecht entlang der Kühlrohre zu führen.
,Das
Kondensat wird dann erst bei@hohen Gasgeschwin= digkeiten mitgerissen, wobei auch
der Kontakt gering ist. Man müßte aber auf die Vorteile des Wärmeaustausches im
Gegenstrom verzichten.
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Zur Ausscheidung der Benzolfraktion aus Koksofengas durch Kühlung,
nachdem das Gas die Ammoniakkühler passiert hat, ist man auf das Gegenstromprinzip
angewiesen, und zwar im Hinblick auf die hier vorherrschende Bedeutung der Wärmebilanz.
Das Führen von Gas und Kondensat in derselben Richtung ist bei einer derartigen
Trennung, wo man möglichst viel in den Kühlern rektifizieren will, von Nachteil.
Die hierbei üblichen Kondensationskühler, z. B. Benzoltiefkühler, mit zusammengedrehten
Kühlrohren, durch die die durch Kühlung ausgeschiedenen kalten Fraktionen geleitet
werden, haben indessen eine niedrige Staugrenze, das ist die Grenze der Gasgeschwindigkeit,
wobei das Kondensat mitgerissen wird: Demzufolge muß die Gasgeschwindigkeit geringer
sein als diejenige, die mit Rücksicht auf eine gute Wärmeübertragung erwünscht wäre,
und demzufolge müssen die Kühler eine große Kühloberfläche besitzen.
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Durch die vorliegende Erfindung werden diese Nachteile vermieden und
ein Wärmeaustausch von Gas und Kondensat im Gegenstrom unter gleichzeitiger Kondensation
mit erhöhtem Nutzeffekt ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht, daß man die Gase eine spiralförmige
Bahn entlang führt, wobei sie die Kühlrohre wiederholt in aufeinanderfolgenden Abschnitten
dieser Bahn in Querrichtung derart passieren, daß die Richtung, der das Kühlmittel
folgt, der axialen Strömungsrichtung der Gase entgegengesetzt und gleichzeitig der
Strömungsrichtung des Kondensats gleichgerichtet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im Prinzip aus einem rohrförmigen
Gehäuse, in dem um einen zentralen Kernkörper herum eine schraubenlinienförmige
Führungsfläche angeordnet ist, durch die die Kühlkörper, vorzugsweise Kühlrohre,
hauptsächlich parallel zur Achse des rohrförmigen Gehäuses laufen.
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Zwecks Zerstäubung des Kondensats muß es aus den Rohren abgeblasen
werden. Naturgemäß sind dazu wesentlich größere Gasgeschwindigkeiten als zum Mitreißen
eines tropfenden Kondensats erforderlich. Das die Kühlkörper entlang abwärts strömende
Kondensat sammelt sich stellenweise in jedem Abschnitt der spiralförmigen Bahn auf
dem Boden der schraubenlinienförmigen Fläche und strömt entlang dieser Fläche hinunter,
wo es verhältnismäßig geringen Widerstand des Gases findet. Experimentell hat sich
herausgestellt, daß die Staugrenze hier um ein Mehrfaches höher liegt als bei den
bekannten Vorrichtungen. Demzufolge ist die zulässige Gasgeschwindigkeit .und die
dadurch resultierende Wärmeübertragung des Gases auf die Kühlkörper gleichfalls
wesentlich höher. In den bekannten Kondensationskühlern mit zusammengedrehten Kühlrohren
ist die Wärmeübertragung der Rohre auf das Kühlmittel mindestens das Doppelte wie
die Wärmeübertragung des Gases auf die Rohre, während in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die letztgenannte Übertragung derart gesteigert werden kann, daß sie die erstgenannte
übertrifft.
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Vorzugsweise macht man die Zahl der Kühlrohre gemäß der Erfindung
sehr groß, etwa mehrere Hundert bis mehrere Tausend, je nach der gewünschten Gasgeschwindigkeit,
und den Durchmesser sehr gering, und vorzugsweise nicht größer als i cm Außendurchmesser.
Die Rohre montiert man auf eine Anzahl von konzentrischen Ringen, wobei die Entfernung
zwischen den Rohren auf den Ringen der Entfernung zwischen den gegenseitigen Ringen
gleich ist. Man kann diese Entfernungen gegenseitig ausgleichen.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung wählt man jedoch die Entfernung
zwischen den konzentrischen Ringen und die Entfernung zwischen den Rohren auf jedem
Ring derart, daß jedes Rohr in derselben Zeit mit derselben Gasmenge in Berührung
kommt und so gleiche Wärmemengen transportiert.
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Dieses wird dadurch erreicht, daß man die Entfernungen zwischen den
konzentrischen Ringen gegenseitig ausgleicht und die Entfernungen zwischen den Rohren
auf jedem Ring proportional dem Halbmesser des Rings zunehmen läßt. Man kann die
Rohre daher in geraden Linien, die durch den Mittelpunkt der konzentrischen Ringe
laufen, montieren. Diese Konstruktion besitzt außer dem obenerwähnten noch den weiteren
Vorteil, daß das Gas auf jedem Ring ebenso viele Rohre passiert und deshalb an jeder
Stelle eines radialen Querschnitts dieselbe Temperatur besitzt. Die Widerstandszahl
ist hier sehr gering.
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Mit Vorteil ändert man die gegenseitige Reihenfolge der Rohre auf
den aufeinanderfolgenden Ringen. Dies hat zur Folge, daß man die Entfernung zwischen
den Ringen vermindern kann, ohne daß ein Zusammenfrieren der Rohre befürchtet zu
werden braucht, falls die Temperatur so niedrig ist, daß Bestandteile des Kondensats
erstarren.
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Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, daß sich an der Außenseite
des Kühlers nur ebenso viele Rohre wie an der Innenseite befinden, so daß der Raum
an der Außenseite sehr unzulänglich ausgenutzt ist.
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Man vermeidet diesen letzteren Nachteil, wenn man die Entfernung der
Rohre auf jedem Ring ausgleicht und die Entfernung zwischen den Ringen, vermindert
um den Rohrdurchmesser, proportional zu dem Halbdurchmesser zunehmen läßt.
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Der Bedingung, daß die Gasgeschwindigkeit entlang jedem Ring dieselbe
sein muß, wird auch hier entsprochen, so daß jedes Rohr eine gleiche Menge Wärme
abgeben kann. Allerdings werden dabei Temperaturunterschiede in dem Gas auf verschiedenen
Ringen eintreten. DieMindestentfernung zwischen denkingen bzw. Rohren beträgt etwa
das Doppelte des Durchmessers der Rohre. Vergrößert man diese Entfernung auf das
Dreifache, so erzielt man im allgemeinen gute Resultate.
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Vorzugsweise werden zur Gaszufuhr und -abfuhr nach dem spiralförmigen
Raum im zentralen Kernkörper, der dann als Hohlrohr hergestellt wird, Öffnungen
angebracht, wobei die Zu- und Abfuhrleitungen mit diesem Hohlkern verbunden werden.
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Es sei erwähnt, daß Wärmeaustauscher bekannt sind (vgl. die holländischen
Patentschriften 47305, 59703
und 6oiio; und die USA.-Patentschrift 153i777),
die eine spiralförmige Form zeigen. Bei diesen Vorrichtungen durchläuft die Flüssigkeit
einen spiralförmigen
Weg um ein zentrales Kühlrohr herum. Bei den
bekannten Vorrichtungen ist weder die Gegenstromkondensation noch das wiederholte
Passieren der Kühlkörper in Querrichtung vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung soll an Hand der Zeichnung, in der die Fig.
i und 2 einen Kühler gemäß der Erfindung im Längs- bzw. Querschnitt, die Fig. 3
und 4 schematisch die Rohrmontierung im Kühler darstellen, näher erläutert werden.
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In Fig. i und 2 ist die Fläche des zylindrischen Kühlers mit i und
die schraubenlinienförmige Fläche mit 2 bezeichnet. Letztere befindet sich zwischen
der Fläche i und dem zentralen Kern 3. Das Gas wird bei 4 in den Kühler eingeführt
und tritt bei 5 wieder aus. Es strömt in spiralförmiger Bahn nach oben, und zwar
im Gegenstrom zu dem Kühlmittel, das über die Rohrleitungen 6 und 7 durch Hunderte
von Rohren 8 zugeführt wird, nach unten strömt und über 9 und io den Kühler verläßt.
Die sich kondensierenden Bestandteile strömen über die Rohre nach unten, bis sie
die schraubenlinienförmige Fläche erreichen. Entlang dieser Fläche strömen sie weiter
und werden über die Leitung ii abgelassen.
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Die Mindestentfernungen zwischen den Rohren sowohl auf jedem Ring
wie von Ring zu Ring sind in dem dargestellten Beispiel etwa dreimal die Länge des
Rohrdurchmessers. Dieser beträgt bei einem Benzoltiefkühler zur Kühlung von Koksofengas,
der hier dargestellt ist, 0,75 cm. Die Gesamtzahl der Rohre schwankt zwischen
etwa 140o bis 260o und die Zahl der Schraubenwindungen 17-6, je nach der gewünschten
Kapazität des Kühlers.
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In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 sind die Rohre abwechselnd
auf den Schnittpunkten der konzentrischen Ringe mit den durch den Mittelpunkt laufenden
Linien angeordnet. Die Entfernungen zwischen den Ringen sind hier überall einander
gleich. Aus diesem Schema geht deutlich hervor, daß die Dichte der Rohrmontierungen
auf den Ringen nach der Außenfläche hin stark abnimmt.
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Gemäß Fig. 4 sind die Entfernungen zwischen den Rohren auf jedem Ring
einander gleich, wobei die Kanäle für den Gasstrom proportional zu dem Radius der
Ringe in der Breite zunehmen.