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Mittelbar wirkende Wärmeaustauschvorrichtung zum Kühlen oder Erwärmen
eines Gemisches von Flüssigkeit und Gas oder Dampf In zahlreichen Anwendungsfällen
der Wärmeaustauschtechnik tritt die Aufgabe auf, Gemische von Flüssigkeit und Gas
oder Dampf auf mittelbarem Wege zu kühlen, gegebenenfalls auch zu erwärmen. Derartige
Gemische fallen z. B. vielfach beim Destillieren oder Verdampfen von Ausgangsstoffgemischen
an, die eine Mehrzahl von Einzelstoffen stark verschiedener Flüchtigkeit, mitunter
auch schon Flüssigkeiten und Gase bzw. Dämpfe nebeneinander etwa in gegenseitig
gelöster Form enthalten, welche nach der völligen Überführung in Gasdampfform zunächst
durch Kondensieren teilweise verflüssigt werden und aus diesem Zwischenzustand,
d. h. als Gemisch von Flüssigkeit und Gas oder Dampf, bis auf eine tiefere, meist
die gewöhnliche Temperatur herabzukühlen sind. Andererseits bestehen auch namentlich
in der chemischen Technik solche Anwendungsfälle, wo ein Ausgangsgemisch von Flüssigkeit
und Gas oder Dampf auf eine höhere Temperatur zu bringen, also zu erwärmen ist.
In der Regel sind bei solchen für einen Wärmeaustausch inBetracht kommendenAusgangsgemischen
die Massen einerseits der Flüssigkeit, andererseits des. Dampfes oder Gases von
etwa gleicher oder doch mindestens vergleichbarer Größenordnung. Da nun aber bei
allen praktisch in Betracht kommenden Stoffgemischen der betrachteten Art (das Raumgewicht
oder die Dichte
,der Flüss,igkeit immer ein großes Vielfaches, mitunter
ein Mehrhundertfaches von dem Raumgewicht oder der Dichte des Dampfes oder Gases
beträgt, so ist auch dias Volumen .des flüssigen Anteils allgemein in ungefähr .demselben
Maßverhältnis. kleiner als das Volumen ,des dampf- oder gasförmigen Anteils. Dieser
Sachverhalt führt auf erhebliche Erschwerungen, wenn das Ausgangsgemisch in einem
stetigen Strom :durch einen mittelbar gekühlten bzw. er-,vä:rmten Wärmeausbauschraum
so geführt wird, daß sich die flüssige un!d die gasdampfförmige Phase räumlich scheiden,
weil dem größeren Volumen des Dampfes oder Gases beim Fehlen besonderer Vorkehrungen
im allgemeinen eine verhältnismäßig .große, dem kleineren Volumen der Flüssigkeit
eine verhältnismäßig kleine Strömungsgeschwindigkeit entspricht, wodurch (die Wärmeaustauschleistung
im ganzen stark beeinträchtigt wird.
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Bei dem Gegenstand (der Erfindung werden die vorgenannten Schwierigkeiten
und Nachteile bekannter Ausführungen beseitigt und die Wirksamkeit und Ausnutzung
von Wärmeaustauschern für die geschilderte Aufgabe wesentlich verbessert. Gemäß
,der Erfindung wird bei einer mittelbar wirken-.den Wärmeaustauschvorrichtung zum
F'ü'hlen oder Erwärmen eines Gennisches von Flüssigkeit und Gas oder Dampf der einheitliohe
Wärmeaustauschraum, .den das Ausgangsgemisch in zwei übereinandergeschichteten Strömen
(durchzieht, so gestaltet, daß der Strömungsquerschnitt für .das Gas oder den Dampf
mehrfach größer als der für,die Flüss-i:gkeit ist. Bei einer. Ausführungsform der
erfind'angsgemäßen Vorrichtung als liegender Röhrenwärmeaustauscher mit einer Mehrzahl
von parallel stehenden senkrechten, den Röhrenaußenraum ,durchsetzenden Querwänden
zum wiederho:ltenUmlenken des wärmeaustauschenden Gutes kann die gekennzeichnete
Gestaltung dadurch zustande gebracht werden, ,daß ,die Querwände, die nur die Flüssigkeit
leiten, in größerer Anzahl als die Querwände, ,die nur -das Gas oder den Dampf leiten,
angeordnet sind. Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung als
stehender, senkrechte Kühl- oder Heizrohre enthaltender Wärmeaustauscher,dessen
Röhrenaußenraum das wärmeaustauschende Gut durchzieht, ist dadurch .gekennzeichnet,
daß das Gas bzw. der Dampf im oberen Teil durch quer zu den Rohren angeordnete Umlenkungsböden
und die Flüssigkeit im unteren Teil durch senkrechte, parallel zu den Rohren angeordnete
Umlenkungswände geleitet wird. Bei dieser Ausführungsform kann dadurch, daß der
Abstand der im oberen Teil quer zu den Rohren angeordneten Umlenkungsböden wesentlich
größer als der davon unabhängige Abstand der im unteren Teil parallel zu den Rohren
angeordneten Umlenkungswän,de gehalten wind, ebenfalls ein für das Gas oder ,den
Dampf mehrfach größerer Strömungsquerschnitt als der für die Flüssigkeit verfügbare
Strömungsquerschnitt geschaffen werden. Es werden also bei dem Wärmeaustauscher
nach der Erfindung der für die Flüssigkeit einerseits und der für das Gas oder den
Dampf andererseits vorgesehene Strömungsweg in ihren Querschnitten unter Anpassung
an die verschieden großen Volumina beider Stoffe unterschiedlich bemessen, obgleich
beide Stoffe durch denselben einheitlichen Wärmeaustauschraum gemeinsam, aber übereinandergeschichtet
hindurchziehen. Durch diese Gestaltung und Betriebsweise des Wärmeaustau.schers
wird -dier Vorteil erzielt, daß nicht nur für den Gas-oder Dampfstrom, sondern auch
für .den an Volumen viel kleineren Flüssigkeitsstrom eine praktisch annehmbare Strömungsgeschwindigkeit
an den Wärmeaustauschflächen vorbei und damit für beide ein befriedigend günstiger
Wärmeaustausch gesichert und somit eine hochgradige Ausnutzung der Vorrichtung erzielt
wird.
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In den Zeichnungen betreffen die Abb. z bis 4 als ein Beispiel eine
erfindungsgemäße Ausführungsform eines liegenden und die Abb. 5 bis 7 als ein anderes
Beispiel eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines stehenden Röhrenwärmeaustauschers.
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Abb. z ist ein senkrechter Längsschnitt nach der Linie a-a der Abb.
2,; Abb. 2 ist ein waagerechter Schnitt und eine Aufsicht nach (der Linie b-b von
Abb. z ; Abb. 3 und q. send senkrechte Querschnitte nach den Linien c-c bzw. d-d
.der Abb. 2.
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Nach Abb. z und 2 besitzt der liegende Röhrenwärmeaustauscher ein
im Querschnitt rechteckiges Gehäuse z, das am linken Ende durch -den Boden 2 abgeschlossen
ist, während an seinem rechten Ende der Rohrboden 3 und das ihn überdeckende Kopfgehäuse
q. vorgesetzt sind, welch letzteres durch die Zwischenfivand 5 in,die -beiden Teilkammern
6 und 7 getrennt ist. Das im Rohrboden 3 befestigte Bünidel paralleler Wärmeaustausch.rohre
8 wird am linken Ende durch den Rohrboden 9 gehalten, .der zusammen mit dein ihn
überdeckenden Wölbdeckel io einen fliegenden, Wärmedehnungen ermöglichenden Kopf
und eine Kopfkammer rz ergibt. Das Gehäuse z trägt an seinem obenldegenden Deckenteil,
ider Rohrwand 3 benachbart, den Zufuhrrohrstutzen @n2 für ,das beispielsweise zu
kühlende Ausgangsgemisch von Flüssigkeit und Dampf bzw. Gas und den Abfuhrstutzen
1q. für das nach der Kühlung hinterbleibende Gemisch von Gasen und Dämpfen. Zur
Abfuhr der gekühlten Flüssigkeit ist .an demselben linksseitigen Ende der Siphonkasten-z5
mit dem Abgangsrohrstutzen 16 angeordnet, deren Gestaltung im einzelnen .aus Abb.
3 hervorgeht. Hiernach, sind bei diesem Kasten 15 in der Seitenwand ,des Gehäuses
r eine untere Flüs.sigkeitsdurchtrittsöffnung 17 und eine obere Öffnung 18 für den
Dampfdruckausgleich vorgesehen, und im Innern .des Kastens befinden sich die senkrechte
Stauwand r9, welch.-. mit ihrem oberen Überlaufrand 2o die Flüssigkeitsmass; im
Innern des Wärmeaustauschers bis zu der Spiegelhöhe 21 angestaut hält, und die Taudhu;ngswand
22, welche zwar den Flüssigkeitsaustritt durch .den Rohrstutzen 1ü ermöglicht,
aber .den Dampf- bzw. Glasraum des @Värineaustauscbers von .diesem Rohrstutzen absperrt.
Das
Kopfgehäuse 4 besitzt oben, für die Teilkammer 6, den Abgangsrohrstutzen
23 und unten, für die Teilkammer 7, den Zugangsrohrstutzen 24 für das Kühlmittel,
z. B. Kühlwasser, das demnach von der Zugangskammer 7 aus die untere Hälfte der
Kühlrohre 8 durchzieht, in die linksseitige Umlenkungskopfkammer i i übertritt,
von dieser in und durch ,die obere Hälfte der Rohre 8 geleitet und nach -dem Durchtritt
durch die Kopfkammer.6 über den Abgangsrohrstutzen 23 weggeführt wird.
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Gemäß der Erfindung sind in dem von .dem Gehäuse i umschlossenen Röhrenaußenraum
senkrechte, quer zu den Rohren stehende Umlenkungsquerwäude 25 und 2.6 von besonderer
Gestaltung und Anordnung eingebaut. Die Querwände 25 reichen über die ganze Höhe
des Röhrenaußenraums, durchsetzen also sowohl den Flüssigkeits- als auch den Dampfraum
und haben ,die aus Abb. 3 und 4 hervorgehende Umrißform, bei der .die jeweils frei
stehende Seitenkante gestuft ist. Die Querwände 26 haben rein rechteckige Umrißform
und ragen nach oben hin wenig über die Spiegelhöhe zii der Flüssigkeit hinaus. Sie
sind in der waagerechten Breite so bemessen, daß der jeweils vor ihrer frei stehenden
Seitenkante verbleibende freie Umlenkungsquerschnitt 2!8 für den Flüssigkeitsstrom
kleiner als der bei jeder Querwand 25 in ihrem oberen Teil frei gelassene Ümlenkungsquerschnitt
27 für den Dampf- oder Gaststrom ist (vgl. Abb. 3 und 4). Aus A'bb. i und 2 ergibt
sich nun -das für die Erfindung wesentliche Merkmal, :daß die nur ,die Flüssiglteit
leitenden @LTmlenkungsquerwände, d. h. die Querwände 26, welche nur in dem Flüssigkeitsraum
stehen und die dieselbe Funktion übernehmen-,den unteren Teile der Querwände 25,
beide zusammengerechnet, in wesentlich größerer Anzahl als die Querwände 215 und
damit deren obere Teile, welche nur das Gas bzw.,den Dampf leiten und umlenken,
vorhanden sind. Es entfallen nämlich nach Abb. i und 2 jeweils drei nur .die Flüssigkeit
leitende Querwände auf eine nur das Gas bzw.,den Dampf leitende Querwand. Die Abb.2
läßt durch die darin eingezeichneten Richtungspfeile und -bögen den in einer zusammenhängenden
punktierten Linie dargestellten Strom des Gases bzw. Dampfes, der durch den oberen
Teil des Wärmeaustauschers, und den Strom der Flüssigkeit, der ,durch -den unteren
Teil desselben geleitet wird, erkennen. Das Ausgangsgemisch von Flüssigkeit und
Gas bzw. Dampf tritt durch den Zufuhrrohrstutzen 12 ein, der flüssige Anteil fällt
in das zwischen dem Rohrboden 3; un=d der benachbarten Querwand 26 befindliche Abteil
hinein, und beide Phasen schichten sich in der -durch Abb. i ,dargestellten Weise
übereinander. Der Dampf bzw. das Gas wird nur durch die Querwände 25 bis schließlich
zu dem Abfuhrstutzen 14 geleitet, die Flüssigkeit dagegen, nimmt den aus Abb. 2
erkennbaren Schlangenweg zwischen den sämtlichen Querwänden 25 und 26 hindurch bis
schließlich zu dem Siphonkasten 15 und dem Abgangsrohrstutzen 1,6. Da nach der Zeichnung
die Anzahl der -nur die Flüssigkeit leitenden Querwände dreimal so groß wie -die
Anzahl der nur das Gas bzw. den Dampf leitenden Querwände ist und die Schichthöhen
beider Phasen gleich groß, nämlich je gleich der Hälfte .der Höhe des Wärmeaustauschraums
angenommen sind, so beträgt der Strömungsquerschnitt für die Flüssigkeit zwischen
den einzelnen Querwänden nur ein Drittel der Größe des Strömungsquerschnitts ides
Gases bzw. Dampfes. Dieses kann selbstverständlich teils durch Verminderung oder
Vermehrung der Querwände 26, teils durch Veränderung .des Höhenverhältnisses für
die Gasdampf- und Flüssigkeitsschicht, womit auch eine Veränderung des Verhältnisses
der zugeordneten Wärmeaustauschflächen der Rohre einhergeht, weitgehend variiert
werden.
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Abb. 5 ist ein senkrechter Schnitt nach der Linie e-e der Abb. 6,;
Abb. 6 ist ein waagerechter Schnitt und eine Aufsicht nach der Linie f-f der Abb.
5; Ab b. 7 entspricht der A.bb. 6 und ist eine nur Einzelheiten betreffende Abänderung
der Ausführung nach Abb. 5 und 6.
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Nach Abb. 5 und 6 besitzt :der stehende Röhrenwärmeaustauscher ein
im waagerechten Querschnitt quadratisches Gehäuse 3o, das nahe unter dem Deckel
31 den Rohrboden 3.2 und nahe über dem Boden 33 Iden Rohrboden 34 enthält. Zwischen
diesen beiden Rohrböden sind die Wärmeaustauschrohre 35 in der aus Abb. 6 hervorgehenden
Verteilung angeordnet. Zur Zufuhr und Verteilung des durch den Rohrkrümmer 36 herangeführten
Ausgangsgemisches von Flüssigkeit und Gas bzw. Dampf dient der linksseitige Zufuhrkasten
37. Zur Abfuhr der Flüssigkeit dient der rechtsseitige Siphonkasten 38 mit dem Abgangsrohrstutzen
39 und zur Abfuhr des restlichen Gases bzw. Dampfes der an ,derselben Seite angeordnete
Abgangsrohrstutzen 4o, Der zwischen dem unteren Rohrboden 34 und dem Gehäuseboden
33 verbleibende Raum wird durch die senkrechte Mittelwand 45,45 (ebb. 6) in zwei
Einzelkammern 46 und 47 unterteilt. An .die erstere ist der Zufuhrrohrstutzen .a.8,
an,die letztere der Abfuhrstutzen 49 für .das die Rohre 35 durchziehende Kühl- bzw.
Heizmittel angeschlossen. Der obere Teil des Röhrenaußenraums wird von dem zu behandelnden
Dampf bzw. Gas, der untere Teil von der zu behandelnden Flüssigkeit eingenommen.
Nach der Erfindung sind im oberen Teil zwei quer zu den Rohren angeordnete, gemäß
Abb. 5 schwach abwärts geneigte Umlenkungsböden 41 eingebaut. Zwischen dem oberen
Boden 41 und dem Rohrboden 32 ist für das Gas-Dampf-Gemisch in der Gehäusew fand
die verhältnismäßig große übertrittsöffnung 42 von dem Zugangskasten 37 nach dem
Röhrenaußenraum hin vorgesehen. Der senkrecht abfallende kanalartige Teil 43 -des
Kastens 37 führt die von dem Ausgangsgemisch sich abscheidende Flüssigkeit dem u
uteren Teil des Röhrenaußenraums zu. Erfindungsgemäß ist in diesem unteren Teil
gemäß Abb. 6 die senkrechte, parallel zu den Rohren stehende Umlenkungswand 44,
44 von spiraliger Grundrißform so.angeordnet, daß ein einheitlicher Leitkanal für
die von dem Kasten 37,43
her zugeleitete Flüssigkeit entsteht,
die 'dadurch vom äußeren Gehäuseumfang bis nach der Mitte -des Wärmeau.stauschxäums
an den sämtlichen Rohren 35 vorbeigeleitet wird. Von dieser Mitte aus wird die behandelte
Flüssigkeit durch die-Bodenöffnung 5io über den anschließenden Kanal 51,
52 in den Siph onkasten 38 übergeführt. Die in diesem angeordnete Stauwand 53 hält
die Flüssigkeit im unteren Teil des Wärmeaustauschers bis zu der Spiegelhöhe 54
.angestaut. Der übrige Teil des Siphonkastens 38 entspricht der Ausführung des Siphonkastens
r5 in Abb. 2 und 3.
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Im Betriebe dieses Wärmeaustauschers nach Abb. 5 und,6 schichten sich
das Gas bzw. der Dampf und die Flüssigkeit nm Röhrenaußenraum übereinander, wie
in Abb. 5 ,angegeben. Das Gas bzw. der Dampf nehmen den ,durch die eingezeichneten
Richtungspfeile angedeuteten Weg von der Übertritts-Öffnung 42 um die Umlenkungsböden
4i herum an den Rohren35 vorbei nach demAbgangsrohrstutzen 4o. Infolge der Stellung
-der Böden 41 quer zu den Rohren 35 kann den Abständen der Böden bzw. den damit
geschafften Durchtritts- und Strömungsquerschnitten für den Gasdampfstrom anstandslos
ein passend großes Maß gegeben werden:. Andererseits wird für:den Strom der Flüssigkeit
an den Rohren 35 vorbei durch die parallel zu ihnen stehende Umlenkungswand 4q.,
4q.ein begrenzt großer Strömungsquerschnitt geschaffen, der im Verhältnis zu -dem
Strömungsquerschnitt für das Gas oder,den Dampf klein ist, wie die Darstellungen
der Abb. 5 und 6 ohne weiteres ergeben. Wenn es sich beispielsweise um das Kühlen
eines Gemisches von Gas und, Dampf einerseits und von bereits kondensierter Flüssigkeit
andererseits bandelt, so tritt durch den Stutzen 48 Kühlflüssigkeit, beispielsweise
kaltes Wasser, in die rechte Verteilkammer 46 und damit in die rechte Hälfte des
Rohrbodens 35 ein, wird in der oberen, unter dem Gehäusedeckel 3r liegenden Kopfkammer
in ,die linke Hälfte des Rohrbündels umgelenkt und aus diesem über die Verteilkammer
47 durch den Abgangsrohrstutzern 49 weggeführt. Beim Kühlen .des Gas-Dampf-Gemisches
im oberen Teil des Wärmeaustauschers bilden sich im allgemeinen noch beschränkte
Mengen von Kondensat; diese Kondensate rieseln über die Querböden.4,z. abwärts und
schließlich ebenfalls in die den unteren Teil einnehmende, fertig zu kühlende Flüssigkeitsmasse
hinein.
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Die Ausführung nach Abb. 7 unterscheidet sich von der nach Abb. 6
im wesentlichen nur dadurch, ,daß- an die Stelle der spiralig angeordneten Umlenkungswand
44, 44 der Abb. 6 eine Reihe von wechselständig zueinander und parallel zu denRohrreihen
stehenden Umlenkungswänden 5'5 vorgesehen wird. Die Flüssigkeit nimmt dadurch den
in Abb. 7 durch Bogenpfeile angedeuteten Schlangenweg von der Zutrittsstelle des
Kastens 37 nach der Abgangsstelle,des Siphonkastens 38 hin. Dieser steht dann nur
durch einen Kanal 52, der dem gleichbezifferten Kanal der Abb. 5 entspricht, mit
dem Flüssigkeitsraum in Verbindung. Die Führung,des Gas-Dampf-Stroms im oberen Teil
der Vorrichtung stimmt mit den Angaben (der Abb. 5 überein. Ebenso ist auch die
Führung des die Wärmeaustauschrohre durchziehenden Kühl- bzw. Heizmittels von dem
Zufuhrstutzen 48 bi-s nach dem Abfuhrstutzen 49 hin in gleicher Art, wie für Abb.
5 angegeben, zu denken.
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Die Anordnung von - senkrechten Umlenkwänden für die Flüssigkeit parallel
zu den Rohren, wie aus Abb. 7 erkennbar, statt etwa quer zu ihnen, kann grundsätzlich
auch bei einem liegenden W.ärmeaustauscher mit waagerechten Rohrreihen, wie nach
Abb. i bis 4, zum Ersatz ider dort vorgesehenen Anordnung von Umlenküngsquerwänden
Anwendung finden. Es würde dann allerdings angebracht sein, die aus den Abb. 3 und:
¢ erkennbare waagerechte Breitenerstreckungdes Wärmeaustauschers und die darauf
entfallende Anzahl von Rohrreihen wesentlich größer zu machen, damit eine verhältnismäßig
große Anzahl von umlenkenden O:uerw.änden im ganzen, d. h. eine entsprechend häufige
Umlenkung sowohl -des flüssigen. als auch des gas@dalnpfförmigen Anteils des Wärmeaustauschgutes
vorgesehen werden kann.