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Keramischer Wärmeaustauscher Die Erfindung bezieht sich auf einen
keramischen Wärmeaustauscher, insbesondere auf Siedegefäße, die zur Behandlung von
korrosiven Körpern bestimmt sind. Sie hat Verbesserungen zum Gegenstand, durch die
große Wärmemengen je Flächeneinheit in der Zeiteinheit in derartigen Kochern übertragen
werden können, trotz der Verwendung von keramischen Stoffen, die bekanntlich einen
geringen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten besitzen.
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Die in der Zeiteinheit durch eine Wand übertragene Wärmemenge Q kann
durch folgende Formel berechnet werden Q = KS (T-0)
in der S die Oberfläche
der Austauschwand ist, die das heiße Mittel von dem zu erhitzenden Mittel trennt.
T ist die mittlere Temperatur des heißen Mittels, 0 die mittlere in dem zu erhitzenden
Mittel aufrechtzuerhaltende Temperatur, K der Austauschkoeffizient der Wandung.
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Im Falle der Kochgefäße, d. h. von Austauschern, in denen die Wärme
von einer Flüssigkeit zu einer anderen oder von einem Dampf zu einer Flüssigkeit
übergeht, hängt dieser Koeffizient im wesentlichen von der Dicke der Wand und ihrer
thermischen Leitfähigkeit ab. K ist um so höher, je geringer die Dicke und je größer
die thermische Leitfähigkeit ist.
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Will man die Wärmemenge Q auf beträchtliche Werte bringen, so muß
S, bei gegebenen Werten von T, 0, K, einen ziemlich großen Wert erhalten.
Die Herstellungstechnik nötigt jedoch zu Wandstärken, die mit der Abmessung der
Behälter anwachsen, d. h.
mit S. Infolgedessen wird der Austauschkoeffizient
eines Behälters um so geringer, j e größer die Abmessung des Behälters ist, d. h.
je größer S ist. Die Erhitzung eines, keramischen Behälters mittels eines Mantels,
in dem ein heißes Mittel umläuft, wird demnach einen sehr schiechten Wirkungsgrad
haben im Vergleich zu dem eines ähnlichen Metallbehälters.
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Nach der genannten Gleichung muß, wenn K zu gering ist, S oder (T
- 0) einzeln oder gleichzeitig erhöht werden, um Q auf einen annehmbaren Wert zu
bringen. Die Erhöhung von S würde zu Wandungen mit gewellter Form führen, die nicht
oder nur mit sehr hohen Unkosten herstellbar wären. Die Erhöhung von (T -0) ist
nicht immer möglich, besonders im Falle einer Heizung mit Dampf, die zur Anwendung
von Dampf mit sehr hohem Druck führen würde, der aus Kosten- und Sicherheitsgründen
nicht zulässig wäre.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Faktoren K und S unter Vermeidung
der erwähnten Nachteile zu erhöhen. Sie hat einen keramischen Wärmeaustauscher zum
Gegenstand, der sich im wesentlichen dadurch kennzeichnet, daß er einen ringförmigen
Teil besitzt, in dem eine Heizschlange aus keramischem Stoff angeordnet ist.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung
auf ein Kochgefäß.
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Die zu erhitzende Flüssigkeit ist in einem Behältern aus keramischem
Stoff eingefüllt. Gemäß der Erfindung besitzt der Behälter einen ringförmigen Teil
2, in dem eine von einem Heizmittel durchströmte Schlange 3 aus keramischem Stoff
angeordnet ist. Diese Schlange erhält zweckmäßig eine dünne Wandung vorn geringerer
Stärke, als diejenige der Wandungen des Behälters r und eine große abgewickelte
Oberfläche. Sie wird von einer schraubenförmigen Auflage getragen, die einen Teil
der inneren Ringbäche des Behälters bildet. Ihre Zu- bzw. Abführung ist bei q. in
der inneren Wand und bei 5 in dem äußeren Teil des Behälters angeordnet. Sie könnten
in gleicher Weise entweder beide in derselben Wand des Behälters (in der inneren
oder in der äußeren Wand) oder in dem Deckel des Kochers angeordnet sein. Ihre Abdichtung
wird durch eine metallische Fuge (Silber, nicht oxydierende Metalle) oder durch
säurefeste plastische Stoffe gewährleistet.
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Die beschriebene Bauart stellt eine vorteilhafte Lösung des Problems
des Temperaturaustausches dar, und zwar besonders aus folgenden Gründen: -a) Der
Austauschkoeffizient K einer Schlange mit dünner Wandung ist viel höher als derjenige
einer Behälterwand, da eine solche Wand aus Herstellungsgründen notgedrungen dick
ist; b) die gesamte Oberfläche der Schlange ist sehr groß bei geringem Raumbedarf;
c) die besondere Form des Behälters mit seinem ringförmigen Teil, in dem die Schlange
angeordnet ist, ist besonders geeignet für eine gute Wärmeübertragung. Unabhängig
von der Dicke und der thermischen Leitfähigkeit hängt nämlich der Austauschkoeffizient
der Schlangenwandung auch von den Konvektionskoeffizienten ab. Diese sind aber um
so größer, je größer die Verschiebungsgeschwindigkeiten der Wärmeaustauschmittel
an der Wandberührung sind. Die Ringform des Behälters setzt den Durchtrittsquerschnitt
der Konvektionsströme auf ein Minimum herab, woraus sich eine hohe Geschwindigkeit
dieser Ströme ergibt; d) die freie Oberfläche der zu erhitzenden Flüssigkeit befindet
sich oberhalb des zentralen Kernes. Sie ist demnach so groß wie möglich, wodurch
die Regelmäßigkeit und Schnelligkeit der Verdampfung gewährleistet wird.
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Aus allen diesen Gründen ist das Produkt NS der genannten Gleichung
erheblich verbessert.
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Die in der Heizschlange umlaufenden Strömungsmittel können heißes
Wasser, entspannter oder unter Druckbefindlicher Wasserdampf, Öl, organische
Flüssigkeiten mit hohem Siedepunkt oder ganz allgemein alle Wärmeübertragungsmittel
sein. Die Auswahl dieser Mittel wird sich nach dem für 0 gegebenen Wert und nach
dem gewählten Unterschied (T - 0) bestimmen.
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Die keramische Anordnung gemäß der Erfindung stellt im allgemeinsten
Sinne einen Wärmeaustauscher dar, und selbstverständlich können die Grundsätze seiner
Bauart zweckmäßig auch für die Kühlung Anwendung finden.