DE849563C - Kaeltespeicher - Google Patents

Description

• Kältespeicher In der deutschen Patentschrift 729 109 ist die optimale Bemessung von im Umschaltwechselbetrieb arbeitenden Kältespeichern für die Tiefkühlung von Gasen angegeben. Hierbei war vorausgesetzt, daß die Speichermasse aus geriffelten und spiralig aufgewickelten Metallbändern (Horden) besteht, die in Lagen (z. B. entsprechend der deutschen Patentschrift 492 431) übereinander angeordnet sind. Bei diesen Speichereinsätzen ist für eine verhältnismäßig große Wärmeaustauschfläche bei bestimmter Speichermasse Sorge getragen. Von anderer Seite ist aber auch bereits in Erwägung gezogen worden, als Speichermasse Schüttmassen, z. B. Eisenstücke oder Raschigringe zu verwenden (s. britische Patentschrift 276 381, S. r, Zeilen 73 und 74). Ferner ist es bekannt, bei Winderhitzern im Hochtemperaturgebiet keramische Formsteine als Speichermasse zu verwenden, welche von den heißen Gasen umspült werden. Für Kältespeicher sind jedoch bisher nur Horden aus geriffelten Metallbändern als Speichermasse verwendet worden. Keramische Formsteine, wie sie im Hochtemperaturgebiet verwendet werden, würden den tiefsten Temperaturen auf die Dauer nicht gewachsen sein, und der Anwendung von Schüttmassen stand die Auffassung entgegen, daß sie der Gasströmung einen zu hohen Strömungswiderstand entgegensetzen, durch Staubbildung das Gas verunreinigen, wegen der verhältnismäßig geringen Oberfläche einen schlechten Wärmeaustausch ergeben usw.
• Eingehende Versuche haben erwiesen, daß es sich hierbei um ein unberechtigtes Vorurteil handelt. Schüttgut aus Kies, Split, Stahlkies od. ähnl. Stoffen hat zwar bei nicht zu kleiner Körnung im Verhältnis zur Masse eine kleinere Oberfläche als Metallbandhorden, ist dafür jedoch in einem solchen Maße billiger, daß sich seine Verwendung durchaus rechtfertigt. Bei nicht zu kleiner Körnung ist der freie Raum zwischen den Schüttgutkörpern weit genug, um den auftretenden Druckverlust in angemessenen Grenzen zu halten. Bei sauber gewaschenem Schüttgut tritt auch keine Staubbildung auf. Außerdem hat sich gezeigt, daß die verwendeten Materialien den tiefen Temperaturen und den starken Temperaturänderungen gewachsen sind. Die im Verhältnis zur Oberfläche hohe Masse solcher Schüttgüter erweist sich als vorteilhaft, weil bei gegebener Wärmeaustauschfläche die hohe Wärmekapazität ein seltenes Umschalten der Kältespeicher zuläßt, wodurch die Umschaltverluste kleiner werden. Wenn solche mit Schüttgut gefüllten Kältespeicher unter Umständen auch etwas größer werden als Kältespeicher mit Metallbandhorden, so ist dies im Endergebnis bedeutungslos, weil sie sich infolge der Billigkeit des Schüttgutes als wirtschaftlicher erweisen als die bisherigen Kältespeicher. In den meisten Fällen werden aber mit Schüttgut gefüllte Kältespeicher kleiner, insbesondere niedriger als die bisher verwendeten Kältespeicher.
• Im Hauptpatent ist für die Anzahl s der Umschaltungen der Kältespeicher je Stunde die Beziehung angegeben, wobei WS die Wärmekapazität der Speichermasse eines Kältespeichers in kcal/°C, V das durch die Anlage durchgesetzte Gasvolumen in Nm3/h, c" die mittlere spezifische Wärme des entspannten Gases in kcal/Nm3 - °C bedeutet und der Wert von a zwischen 2 und 25, vorzugsweise bei 4,2 liegen soll.
• Diese Beziehung behält auch für Kältespeicher mit Schüttgut als Speichermasse Gültigkeit, obwohl sich die im Anspruch i des Hauptpatents angegebenen Beziehungen für die Länge der Speichermasse (i,6 bis 3,5 cm je Grad Temperaturgefälle) und den massiven, zur Gasströmung senkrechten Querschnitt der Speichermasse (o,i bis o,5 cm2 je Nm3 des stündlich durchgesetzten Gases) infolge der Stückigkeit des Schüttgutes nicht einhalten lassen. Bei Anwendung der vorerwähnten Beziehung für die Anzahl s der Umschaltungen ergeben sich aber, wie zu erwarten ist, bei mit Schüttgut gefüllten Kältespeichern verhältnismäßig lange, also durchaus günstige Umschaltzeiten. Erfindungsgemäß wird jedoch die Bemessung der Speichermasse bei Schüttgut auf eine etwas andere Grundlage gestellt, bei der die Schütthöhe H des Schüttgutes in Abhängigkeit von dem Durchmesser d der das Schüttgut bildenden Stücke oder Körner bestimmt wird, wobei vorausgesetzt wird, daß der Durchmesser d stets zwischen 2 und 30 mm liegen soll. ` Diese Voraussetzung muß deswegen gemacht werden, weil sehr große Körnungen eine zu geringe Wärmeaustauschfläche im Verhältnis zur Speichermasse ergeben. Zwar könnte bei sehr großer Körnung die erforderliche Wärmeaustauschfläche durch Anwendung großer Schüttmassen erreicht werden. Es ist aber einleuchtend, daß dabei von einer gewissen Grenze ab die Kältespeicher umfangreich werden, ohne daß die in diesem Fall sehr lange Umschaltdauer noch einen nennenswerten Nutzen bietet. Bei sehr kleiner Körnung werden die Kanäle zwischen den Körnern zu eng. Es ergeben sich also zu kleine hydraulische Durchmesser, so daß ungünstige Strömungsverhältnisse auftreten, selbst wenn das Verhältnis der Oberfläche zur Speichermasse noch kleiner ist als bei geriffelten Hordenblechen. Deshalb mußte die Korngröße nach unten auf 2 mm Durchmesser eingeschränkt werden.
• Es ist eine neue Erkenntnis, daß bei Verwendung von Schüttgut als Speichermasse die Menge des Schüttgutes und damit bei an sich durch die Gasmengen und den freien Strömungsquerschnitt bestimmten Querschnitt des Kältespeichers die Höhe H der Speichermasse in Abhängigkeit von dem Durchmesser d der Schüttkörper zu bemessen ist.
• Erfindungsgemäß soll die obere Grenze des Verhältnisses der Höhe H der Speichermasse zum Körnungsdurchmesser d bestimmt werden durch die Beziehung worin H = Schütthöhe in Metern, d = Körnungsdurchmesser in Metern, bestimmt durch die mittlere Maschenweite der zur Erzielung einer möglichst einheitlichen Korngröße benutzten Siebe (bei Kugeln oder bei ellipsoidähnlichen Körpern ist d der mittlere Durchmesser, bei Ringen ist d = 2,4 # Ringdurchmesser, bei Sattelkörpern d = 3,6 - Sattelbreite), 4 T=mittlereTemperaturänderung desGases zwischen Eintritt und Austritt in °C, u= Gasgeschwindigkeit in N s "j3 , bezogen auf i in2 des leer angenommenen Kältespeichers, also ohne Berücksichtigung der durch das Schüttgut erfolgten Verdrängung, P = mittlere Gasdichte in kg s2 m-', ii -- dynamische Zähigkeit in kg SM-2 bedeutet, während die untere Grenze bestimmt wird durch die Beziehung Vorzugsweise werden folgende Werte gewählt: oder Die beiden empirisch aufgestellten Formeln für die Bemessung der Höhe der Speichermasse drücken die Forderungen für das Nichtüberschreiten eines höchstzuverlässigen Druckverlustes sowie für einen mindestnotwendigen Wärmeaustausch aus. Sie verbinden die an einem Versuchsregenerator ermittelten Zusammenhänge zwischen Druckverlust und Gasgeschwindigkeit sowie Wärmeübergangszahl und Gasgeschwindigkeit mit den an ausgeführten Regeneratoren gemachten Erfahrungen hinsichtlich des zulässigen Druckabfalles und des erforderlichen Wärmeaustausches zwischen dem strömenden Gas und der Schüttung.
• Vorzugsweise sollen Höhe und Querschnitt der Schüttung so bemessen werden, daß die Kosten für diejenige Verdichterarbeit, welche zur Deckung des Druckverlustes und zur Deckung des durch unvollständigen Wärmeaustausch bedingten Verlustes notwendig ist, vermehrt um den Kapitaldienst ein Minimum ergeben. Dies ist bei den üblichen Energiepreisen, Baukosten und Zinsei dann erfüllt, wenn bei gegebener Gasmenge der Querschnitt und somit die Geschwindigkeit so gewählt wird, daß sich aus den beiden als vorzugsweise gekennzeichneten Beziehungen etwa die gleichen Werte für die Füllhöhe H errechnen.
• Bezüglich der Körnung der Schüttmasse ist noch folgendes zu sagen: Die Korngröße soll möglichst einheitlich sein. Verschieden große Körner innerhalb einer einheitlichen Schicht von Schüttgut ergeben große Raumerfüllung und sehr enge Strömungskanäle. Der Druckabfall ist infolgedessen erheblich. Das Verhältnis von Oberfläche zu blasse eines Korns soll im Hinblick auf eine gute Ausnutzung der Speicherfähigkeit möglichst einheitlich sein. Es' wird bisweilen zweckmäßig sein, in verschiedenen Schichthöhen eines Kältespeichers nach der Erfindung Schüttkörper mit verschiedenem Durchmesser d oder verschiedener Art zu verwenden. Bei der Abkühlung des Gases im Kältespeicher erfolgen nämlich Ausscheidungen verschiedener Gasbestandteile in verschiedenen Höhen, welche die Strömungskanäle zwischen den Schüttkörpern verstopfen. An diesen Stellen ist <laiiii durch die Wahl geeigneter Schüttkörper größeren Durchmessers für entsprechend größere Strömtmgsdurchmesser zu sorgen, so daß die Niederschläge nicht so schnell zu Verstopfungen führen. In der Regel handelt es sich bei den Niederschlägen um die Ausscheidung fester Kohlensäure, so daß diese Maßnahme in der Hauptsache im Gebiet der tiefen Temperaturen anzuwenden ist. Die Höhe jeder derartigen Schüttkörperschicht ist nach den Angaben der Erfindung einzeln zu berechnen.
• Nachstehend wird ein iBeispiel für die erfindungsgemäße Bemessung eines mit Splitt einheitlich gefüllten Kältespeichers gegeben: Regenerator mit Basaltfüllung, Körnung io bis 15 mm Annahmen Gasdurchsatz 3 6oo Nm;li3 Sauerstoff, Erwärmung von 9o° K auf 28o° K, Mitteltemperatur 185` K, mittlere Dichte mittlere Zähigkeit mittlere Korngröße d = 0,0125 m, Gasgeschwindigkeit w = 1,3 m/s. Erfindungsgemäß beträgt der günstigste Wert für H bzw. Beide Gleichungen ergeben also nahezu den gleichen Wert für die Füllhöhe H der Speichermasse. Demnach ist die angenommene Geschwindigkeit w = 1,3 m,.`s zweckmäßig. Der Regeneratorenquerschnitt wird nunmehr das Volumen R = 0,77 . 2,6o = 2,00 m3.
• Bei einem Schüttgewicht von i 65o kg,'in3 und einer mittleren spezifischen Wärme des Füllmaterials von errechnet sich die Wärmekapazität der Füllung Die Umschalthäufigkeit wählt man zw;ckin;ißig zu Umschaltungen/h. Demzufolge dauert eine Schaltperiode etwa 6 Minuten.

Claims (4)

1. PATE\TAVSPRLCHE: i. Im Umschaltwechselbetrieb arbeitender Kältespeicher mit Schüttgut als Speichermasse, z. B. Kies, Split, Stahlkies od. dgl., bei dem die Umschalthäufigkeit je Stunde in Abhängigkeit von der Speichermasse und der durchgesetzten Gasmenge ist, wobei a zwischen 2 und 25, vorzugsweise bei 4,2 liegen soll, während V das durchgesetzte Gasvolumen in Nm3jh, cp die mittlere spezifische Wärme des entspannten Gases in kcal; Nm3 . °C und Ws die Wärmekapazität der Speichermasse in kcal'°C bedeutet, dadurch gekennzeichnet, (lag das Verhältnis der Höhe H der Schüttmasse zum Durchmesser d der Schüttkörper durch die Beziehungen begrenzt ist und worin H = Schutthöhe in Metern, d = Körnungsdurchmesser in Metern, bestimmt durch die mittlere Maschenweite der zur Erzielung einer möglichst einheitlichen Korngröße benutzten Siebe (bei Kugeln oder bei ellipsoidähnlichen Körpern ist d der mittlere Durchmesser, bei Ringen ist d = 2,4 # Ringdurchmesser, bei Sattelkörpern d = 3,6 # Sattelbreite), d T = mittlere Temperaturänderung des Gases zwischen Eintritt und Austritt in °C, w = Gasgeschwindigkeit in , bezogen auf i m2 des leer angenommenen Kältespeichers, also ohne Berücksichtigung der durch das Schüttgut erfolgten Verdrängung, @O = mittlere Gasdichte in kg s2 m-4, q =dynamische Zähigkeit in kg s m-2 bedeutet und der Wert für den Durchmesser d der Schüttkörper zwischen 2 und 30 mm liegt.
2. 2. Kältespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis ist.
3. 3. Kältespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis ist.
4. 4. Kältespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer einheitlichen Schicht von Schüttgut Schüttkörper mit einheitlichem Körnungsdurchmesser d verwendet werden. . g. Kältespeicher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedenen Schichthöhen der Kältespeicher Schüttkörper mit verschiedenem Durchmesser d oder solche verschiedener Art, insbesondere im Gebiet der tiefen Temperaturen bzw. der starken Festausscheidungen Schichtkörper mit größerem Durchmesser verwendet werden.