DE818651C - Kaeltespeicher fuer die Verfluessigung von Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung für die Verflüssigung von Gasen durch Wärmeentzug mittels eines wärmeaufnehmenden Stoffes, dessen Temperatur dadurch heruntergesetzt wird, daß ihm ein anderes Gas Wärme entzieht. Eine solche Vorrichtung zum Zerlegen des Gasgemisches in seine Bestandteile durch Verflüssigung ist in der amerikanischen Patentschrift ι 890 646 beschrieben. Derartige Vorrichtungen werden gewöhnlich als Kältespeicher bezeichnet. Bei der Anwendung solcher Kältespeicher zur Verflüssigung von Gasen tritt beispielsweise Luft mit einem Druck von 5 atü in den Kältespeicher ein, und der zum Kühlen dienende Stickstoff verläßt den Kältespeicher mit einem Druck von ungefähr 1 atü, so daß das Volumverhältnis von Stickstoff zu Luft in jedem Temperaturbereich innerhalb des Kältespeichers etwa 3 : 1 ist. Bei gleichen Mengen der durchfließenden Luft und des Stickstoffs tritt ein Ausgleich des Kohlensäuregehaltes in der Luft bzw. im ao Stickstoff bei einem Temperaturstand ein, wo noch ungefähr 10 %> Kohlensäure in der Luft vorhanden sind; bei niedrigeren Temperaturen wird die ausgeschiedene Kohlensäure infolge der zu niedrigen Dampfspannungen bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes nur unvollständig wiederverdampft. Infolge davon wird der Kältespeicher manchmal !durch feste Kohlensäure verstopft und muß dann erwärmt werden, um diese Rückstände zu beseitigen.

Ein Verfahren, um in der Zone, innerhalb deren die Kohlensäure nicht vollständig wiederverdampft wird, bessere Bedingungen zu schaffen, besteht darin, daß zu dem austretenden Stickstoff eine kleine Menge zugegeben wird, so daß der Stickstoff eine größere Wärmeaufnahmefähigkeit in bezug auf die eintretende Luft besitzt. Dadurch ergibt sich > eine niedrigere Lufttemperatur im Bereich jeder

entsprechenden Stickstofftemperatur in den kälteren Zonen des Kältespeichers oder eine höhere Stickstofftemperatur im Bereich jeder entsprechenden Lufttemperatur in der - kalten Zone. Es ist 5 offensichtlich, daß dadurch die Zone, wo die Kohlensäure vollständig vom Stickstoff aufgenommen wird, auf ein niedrigeres Temperaturniveau aus-' gedehnt wird, so daß die Kohlensäure fast vollständig wiederverdampft wird.

ίο Dieses vorgeschlagene Verfahren besitzt deshalb mehrere Mangel, weil die zusätzliche Stickstoffmenge durch die Einführung einer zusätzlichen Luftmenge ergänzt werden muß, ohne daß diese Luftmenge durch den Kältespeicher geht. Die Luft muß aber trocken und frei von Kohlensäure sein; infolgedessen sind weitere Vorrichtungen zur Entfernung dieser Beimengungen erforderlich. Äußert dem bedingt die nach diesem Verfahren entstehende Annäherung der Luft- und Stickstofftemperatüren

ao am kalten Ende des Kältespeichers ein weiteres Auseinandergehen der Luft-und Stickstofftemperaturen am warmen Ende des Kältespeichers und eine daraus folgende Abnahme des Abkühlungsgrades.

*5 Ein anderes bekanntes Verfahren zur Überwindung der bei solchen Kältespeichern auftretenden Schwierigkeiten betrifft die Abführung eines Teiles des Luftstromes ungefähr in der Mitte des Kältespeichers. In der übrigbleibenden Luftmenge ist dann entsprechend weniger Gesamtkohlensäure enthalten, und die Lufttemperatur nähert sich mehr derjenigen des Stickstoffs, so daß die in fester Form ausgeschiedene Kohlensäure durch die größere Stickstoffmenge leicht wiederverdampft wird. Diese Maßnahme erfordert aber wiederum eine besondere Reinigungseinrichtung für die Luftmenge, die in der Mitte des Kältespeichers entzogen worden ist, da sonst die darin enthaltene Kohlensäure und Feuchtigkeit in die Verflüssigungsvorrichtung mitgeführt wird. Obwohl die gesamte Kohlensäuremenge nur klein ist, können dadurch doch Schwierigkeiten bei der Durchführung dieses Verfahrens entstehen.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein verbesserter Kältespeicher, durch den eine vollkommenere Wiederverdampfung von festen Bestandteilen erreicht wird, die aus dem eintretenden Gas, wie z. B. Luft, an derjenigen Stelle des Kreislaufes ausgeschieden werden, wo das austretende Gas, wie

z. B. Stickstoff, durch den Kältespeicher geht. Die Wirkungsweise und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung sollen durch Ausführungsbeispiele und eine Zeichnung erläutert werden.

Fig. ι ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kältespeicher;

Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt auf der Linie 2-2 von Fig. ι;

Fig. 3 ist ein Teilquerschnitt auf der Linie 3-3 von Fig. ι;

'60 Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch einen Kälte-• speicher in abgeänderter Bauweise;

Fig. 5 ist ein Teilquerschnitt auf der Linie 5-5 von Fig. 4;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines zur Wärmeableitung dienenden Elements.

Der erfindungsgemäße Kältespeicher besteht aus einem röhrenförmigen Druckbehälter 5 aus Metall, der Ein- und Austrittsstutzen 6 und 7 an seinen beiden Enden besitzt.

' Durch eine Leitung 8 am oberen Ende des Kälte-Speichers wird das zu kühlende Gas, beispielsweise Luft, eingeleitet, während das Kühlmittel, z. B. Stickstoff, durch die Leitung 9 abgeführt wird. Ein Ventil 10 wird abwechselnd so umgeschaltet, daß Luft und Stickstoff nacheinander durch den Kältespeicher fließen. Leitungen 11 und 12 am unteren Ende des Kältespeichers enthalten den Einlaß für Stickstoff bei 11 und den Auslaß für Luft bei 12. Die Ventile 13 und 14 werden in Übereinstimmung mit der Einstellung des Ventils 10 geschaltet, um die Gase abwechselnd durch den Kältespeicher zu leiten.

Der Druckbehälter 5 ist mit einer Vielzahl von Spulen.15 ausgefüllt, die aus gewelltem Kupferoder Aluminiumblech 16 oder einem ähnlichen Metall bestehen, die um Kerne 17 gewickelt sind. Vorzugsweise sollen Füllmittel verwendet werden, die einen guten Wärmeübergang zwischen den durch den Kältespeicher strömenden Gasen ermöglichen. Die Spulen 15 sind vorzugsweise durch Zwischenringe 18 getrennt; diese Maßnahme ist für den Erfindungsgegenstand aber unwesentlich, da die Wärmeübertragung zwischen den Spulen auch bei direkter Berührung infolge der isolierenden Wirkung des sich zwischen den Metalloberflächen bildenden Gasfilms kaum vermindert wird. Der untere Teil des Kältespeichers enthält nach der Erfindung zahlreiche in seiner Längsrichtung sich erstreckende Metallelemente 19, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, wie Kupfer, Aluminium o. dgl. Diese Elemente können Stäbe, Stangen oder Platten sein, welche eine genügend große Masse und Oberfläche für die Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Spulen 15 im unteren Teil des Kältespeichers besitzen. Auf diese Weise erfolgt eine Wärmeübertragung von der wärmeren zu der kälteren Zone des Kältespeichers mit dem Erfolg, daß die Temperatur der Spulen 15 am untersten kalten Ende erhöht und die Temperatur der zur Wärmeableitung dienenden Elemente an ihren oberen Enden heruntergesetzt wird.

Unter der Annahme, daß der Kältespeicher bereits durch den von unten nach oben durchfließenden Stickstoff auf eine entsprechend niedrige Temperatur gekühlt worden ist, wird der Stickstoffstrom abgestellt und Luft durch die Leitung 8 eingelassen. Die Luft \vird beim Abwärtsströmen durch den Kältespeicher durch Wärmeableitung mittels der metallischen Spulen 15 abgekühlt. Dabei wird der obere Teil der die Elemente 19 enthaltenden Zone des Kältespeichers auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger ist als in dem Falle, daß die Füllmasse des Behälters nicht wärmeleitend wäre, mit dem Erfolg, daß die darin enthaltene Feuchtigkeit und Kohlensäure erstarrt und auf den metallisehen Oberflächen niedergeschlagen wird. Im rieh-

tigen Zeitpunkt wird der Luftstrom abgeschaltet und wiederum Stickstoff durch den Kältespeicher geleitet. Der aufwärts strömende Stickstoff erwärmt sich in dem unteren Teil des Kältespeichers, in welchem sich die Elemente 19 befinden, auf eine höhere Temperatur als in dem Falle, daß die Wärmeaustauschmittel von der höherliegenden Zone nicht die Wärme in die tiefere Zone ableiten würden.

Etwa in der Mitte der zum Wärmeaustausch dienenden tieferliegenden Zone erreichen beide Wirkungen ein Maximum, so daß die Temperatur, bei welcher die Luft Kohlensäure ausscheidet, sich der Temperatur wesentlich mehr nähert, bei wel-

!5 eher der Stickstoff die Kohlensäure wiederverdampft, als es bei der üblichen Bauart von Kältespeichern möglich sein würde, die keinen wesentlichen Wärmeaustausch zwischen den Spulen 15 zulassen. An allen Stellen innerhalb der Zone, in der die wärmeleitenden Elemente untergebracht sind, ist die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen, bei denen Kohlensäure aus der Luft ausgeschieden bzw. durch den Stickstoff wiederverdampft wird, niedriger als in dem Falle, daß keine Vorkehrung für eine Wärmeableitung in der Längsrichtung des Kältespeichers vorgesehen ist. Aus dieser Annäherung der Luft- und Stickstofftemperaturen ergibt sich eine verhältnismäßige Zunahme des Dampfdruckes der Kohlensäure bei der Temperatur des Stickstoffs im Vergleich zu dem Dampfdruck der Kohlensäure bei der entsprechenden Lufttemperatur. Dadurch vermag der Stickstoff einen größeren Teil der Kohlensäure wiederzuverdampfen und aus dem Kältespeicher abzuführen, die an irgendeinen Punkt dieser Zone mit der Luft gelangt ist, als bei der üblichen Bauart von Kältespeichern ohne in der Längsrichtung angeordnete Wärmeleitelemente.

Durch die Anordnung einer genügenden Zahl von Wärmeleitelementen in der kalten Zone des Kältespeichers, die sich von einem Temperaturbereich von ungefähr — 130⁰ C bis zu dem kalten Ende erstreckt, können die Temperaturen der Luft und des Stickstoffes in dieser Zone einander genügend angeglichen werden, so daß eine vollständige Wiederverdampfung und Abführung der abgelagerten Kohlensäure mit Ausnahme an den kältesten Stellen des Kältespeichers erreicht wird. An diesen Stellen befindet sich aber nur noch so wenig Kohlensäure in der Luft (weniger als 0,2% des normalen Kohlensäuregehaltes), daß keine Betriebsschwierigkeiten entstehen.

Die Anordnung der zur Füllung dienenden Wärmeaustauschmittel hängt in jedem besonderen Falle von der Größe des erforderlichen Temperaturangleiches ab, ferner von der Art der für die wärmere Zone gewählten Füllmittel und von der durch den Querschnitt des Kältespeichers strömenden Gasmenge. Für ein wirksames Arbeiten des Kälte-Speichers muß eine genügende Wärmeaustauschfläche und -masse vorhanden sein, um einen ständigen Wärmeaustausch der Füllmittel zu gewährleisten und einen Ausgleich für die mittlere Temperaturdifferenz in der unteren Zone zu schaffen, die sich ergibt, wenn in der Längsrichtung angeordnete Wärmeleitelemente verwendet werden. Die Menge der Wärmeaustauschmittel und deren Gesamtquerschnitt muß so abgestimmt werden, daß diejenige Wärmemenge abgeleitet werden kann, welche zur Herstellung der erforderlichen Temperaturdifferenz nötig ist, inisbesondere in dem ·- oberen Teil der zur Wärmeableitung dienenden Zone, wo die größte Konzentration von Kohlensäure auftritt.

In Fig. 4 bis 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kältespeichers dargestellt; ein röhrenförmiger Druckbehälter 20 aus Metall besitzt Ein- und Austrittsstutzen 21 und 22 an beiden Enden. Durch eine Leitung 23 wird beispielsweise Luft am oberen Ende des Kältespeichers eingeführt, während beispielsweise Stickstoff durch die Leitung 24 abgeführt wird. Ein Ventil 25 wird abwechselnd so umgeschaltet, daß Luft und Stickstoff nacheinander durch den Kältespeicher fließen. Leitungen 26 und 27 am unteren Ende des Kältespeichers enthalten den Einlaß für Stickstoff bei 26 und den Auslaß für Luft bei 27. Die Ventile 28 und 29 werden in Übereinstimmung mit der Einstellung des Ventils 25 geschaltet, um die Gase abwechselnd durch den Kältespeicher zu leiten. Der . Druckbehälter 20 ist teilwe^e mit Wärmeaustauschmitteln 30, wie z. B. eine/ Vielzahl von kleinen Metallstücken, gefüllt, welche auf einem Siebboden 31 ruhen. Ein zweites Sieb 32 kann über den Wärmeaustauschmitteln angeordnet werden. Aluminium oder Kupfer werden als Wärmeäustauschmittel bevorzugt, doch können auch andere geeignete Stoffe verwendet werden. Zweckmäßigerweise erhalten die Wärmeaustauschmittel die Form von kleinen Körpern von Kugel- oder anderer unregelmäßiger Form, wodurch eine besonders große Zahl von Durchgangskanälen zwischen denselben entsteht. Diese Metallteilchen sollen einen Durchmesser von annähernd 3 bis 6 mm haben, können aber auch größer oder kleiner sein. Der zum Wärmeaustausch dienende Stoff wird durch die entsprechende Flüssigkeit abwechselnd gekühlt und erwärmt.

Am unteren oder kalten Ende des Kältespeichers, unterhalb des durch die Wärmeaustauschmittel gefüllten Teiles, ist eine Vielzahl von stabförmigen Elementen 33 aus Metall angebracht, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, wie Kupfer, Aluminium o. dgl. Die Wärmeleitelemente 33 werden durch einen Siebboden 34 getragen und haben die n₅ Form von Stäben, Stangen, Platten oder ähnlichen Elementen mit genügend Masse und Oberfläche, um die Wärmeableitung von den warmen zu den kalten Enden der Wärmeleitelemente zu bewirken. Auf diese Weise strömt die Wärme von der warmen Zone zu dem kalten Ende des Kältespeichers ab und erhöht dadurch die Temperatur an dem tiefsten bzw. kälteren Ende.

Die Wärmeleitelemente 33 sollen vorzugsweise aus um ihre Längsachse verdrillten Stäben von rechteckigem oder rundem Querschnitt bestehen

(vgl. Fig. 6). Durch das Verdrillen der Stäbe entstehen schraubenförmig verlaufende Rillen 35 in den Staboberflächen. Diese Rillen 35 begünstigen den Durchgang der Gase um und zwischen den Stäben. Der Erfindungsgegenstand soll indessen nicht auf die Verwendung von Stäben dieser besonderen Art beschränkt sein, da die Erfindung die allgemeine Verwendung von Mitteln zur Wärmeübertragung von einer mittleren zu einer kälteren Zone des Kältespeichers umfaßt.

Die Wirkungsweise der zuletzt beschriebenen Einrichtung ist im wesentlichen dieselbe wie bei dem erstgenannten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, die Beschreibung zu wiederholen; denn der dadurch erzielte Vorteil ist derselbe.

Die beschriebene Einrichtung eines Kältespeichers gemäß der Erfindung stellt eine wirksame Lösung des Problems der Wiederverdampfung der auf den metallischen Flächen des Kältespeichers abgelagerten Kohlensäure durch den durchströmenden Stickstoff dar. Es ist daher unnötig, besondere Vorrichtungen, wie einen zusätzlichen Luftstrom oder das Abführen eines Teilstromes von Luft aus dem Kältespeicher vorzusehen, bevor die Luft das kalte Ende desselben erreicht.

Obwohl die Erfindung insbesondere als Anwendung für Stickstoffkältespeicher beschrieben worden ist, kann dieselbe in ähnlicher Weise für Sauerstoff als Kühlmittel Anwendung finden, in welchem Falle die eintretende Luft durch die Berührung mit den kalten metallischen Flächen des Kältespeichers gekühlt wird, auf denen sich Feuchtigkeit und Kohlensäure in fester Form abscheiden. Diese letztgenannten Bestandteile werden in diesem Falle durch den kalten Sauerstoffstrom wiederverdampft, der in entgegengesetzter Richtung durch den Kältespeicher geleitet wird.

In der Form, Anordnung und Bauweise des erfindungsgemäßen Kältespeichers können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Erfindungsgegenstand abzuweichen oder die mit der Erfindung verbundenen Vorteile aufzugeben.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Kältespeicher für die Verflüssigung von Gasen, durch welchen abwechselnd das zu erwärmende Gas, wie Stickstoff oder Sauerstoff, bzw. das zu kühlende Gas, wie Luft, strömt, bestehend aus einem Druckbehälter mit umschaltbaren Ventilen an beiden Enden des Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter Wärmeaustauschmittel enthält, die eine Vielzahl von engen Durchgangskanälen für die Gase bilden und ferner gekennzeichnet durch eine große Zahl von Elementen mit hoher Wärmeleitzahl, die in dem mit dem Luftauslaß und Stickstoffeinlaß verbundenen Teil des Behälters in dessen Längsrichtung, zwischen den Wärme-Schutzmitteln verteilt, angeordnet sind.
2. 2. Kältespeicher rfach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Behälter füllenden Wärmeschutzmittel aus gewellten oder zickzackförmig gebogenen Blechstreifen (15) aus Kupfer, Aluminium oder aus einem anderen Werkstoff mit hoher Wärmeübergangszahl bestehen, welche spulenförmig um Kerne (17) gewickelt und in der Längsrichtung des Behälters aufeinandergeschichtet sind.
3. 3. Kältespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit dem Luftauslaß und dem Stickstoffeinlaß verbundenen Teil des Behälters in dessen Längsrichtung plattenförmige Metallelemente (19) zwischen die Spulenwindungen (15) zur besseren Wärmeleitung eingeschoben sind.
4. 4. Kältespeicher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Lufteinlaß und Stickstoffauslaß verbundene Teil des Behälters mit kleinen Kugeln aus Metall von vorzugsweise 3 bis 6 mm Durchmesser oder anderen unregelmäßig geformten Metallkörpern (3°) gefüllt ist, die auf einem in der Mitte des Behälters angebrachten Siebboden (31) ruhen.
5. 5. Kältespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren, mit dem Luftauslaß und Stickstoffeinlaß verbundenen Teil des Behälters in dessen Längsrichtung vierkantige oder runde Metallstäbe (33) angeordnet und so verdrillt sind, daß schraubenförmige Rillen (35) für den Durchgang der Gase entstehen.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 490 878.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 1925 10.