DE880593C - Bei wiederholter Verdampfung und Kondensation chemisch stabiles Waermeuebertragungsmittel - Google Patents

Description

• Bei wiederholter Verdampfung und Kondensation chemisch stabiles Wärmeübertragungsmittel Wärmeübertragung erfolgt durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Durch wiederholte Konvektion hervorgerufene Wärmeübertragung wird in großem Umfang technisch ausgenutzt, wobei als wärmeübertragendes Mittel Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase verwendet werden. Besonders der Wasserdampf spielt als wärmeübertragendes Mittel seit Anfang des i9. ,Jahrhunderts in der modernen Technik eine überragende Rolle. Hierbei wird die sehr große latente Verdampfungswärme des Wassers ausgenutzt. Ein Gewichtsteil gesättigten Wasserdampfes von Atmosphärendruck und ioo' C enthält nämlich mehr als 25mal soviel `'Wärme als die gleiche Gewichtsmenge Luft. Wenn der Dampf seine latente Wärme an ein anderes Mittel abgibt, kann die Temperatur des letzteren nie höher ansteigen als auf die Temperatur des Dampfes.
• Die vorliegende Erfindung bedient sich anderer Dämpfe bei höheren Temperaturen als die des Wasserdampfes, welch letztere bei Temperaturen verwendet wird, die in der Regel unterhalb 200° C und nie oberhalb der kritischen Temperatur 36g° C liegen. Das wärmeübertragende Mittel darf bei der Arbeitstemperatur nicht korrodierend oder auf andere Weise zerstörend auf die Behälter einwirken, in denen es verdampft bzw. kondensiert wird. Ferner ist es notwendig, daß das Mittel beim Kondensieren flüssige Form annimmt. Eine sehr interessante Stellung in dieser Hinsicht nehmen die Alkalimetalle und ganz besonders Kalium und Natrium ein, die unter Atmosphärendruck bei 76o bzw. 88o° C sieden, die jedes für sich sehr erhebliche latente Verdampfungswärmen, 49o bzw. iooo kcal/kg, besitzen, deren Erstarrungspunkte bei 63 bzw. g8° C liegen, und die ferner keine meßbare Affinität zu Eisen oder Eisenlegierungen, die wichtigsten Konstruktionsstoffe der Technik, erkennen lassen. Die erwähnten beiden Alkalimetalle bilden unter sich leicht Legierungen, wobei dem Gesetz der Gefrierpunktserniedrigung gemäß Erstarrungspunkte bis unter -12l/2 C herunter erzielt werden können. Diese Metallegierungen verhalten sich also bei gewöhnlicher Temperatur wie Flüssigkeiten. Gemische von Alkalimetallen oder zwischen diesen und anderen Metallen und intermetallische Verbindungen, besonders solche, die bei niedriger Temperatur sieden, zeigen noch günstigere Eigenschaften. Durch Mischen von Metallen werden Systeme erzielt, die über ein ausgedehntes Temperaturfeld verbreitete Siedepunkte besitzen. Der Siedepunkt kann auch durch Regelung des im System herrschenden Druckes ununterbrochen variiert werden, und zwar durch Zusätze von Edelgasen oder anderen Gasen, die weder mit den siedenden Metallen noch mit dem Behälter, in dem sie aufbewahrt werden, reagieren. Um die Benetzung der Behälteroberfläche mit dem wärmeabgebenden Mittel zu erhöhen, können gewisse Stoffe mit niedriger Oberflächenspannung zugeführt werden.
• Der grundlegende Bestandteil der Erfindung ist ein Wärmeübertragungsmittel, das gegen wiederholte Verdampfung und Kondensation chemisch stabil ist, das eine hohe latente Verdampfungswärme besitzt und das ferner einen im Vergleich mit anderen in der heutigen Dampftechnik verwandten Kochflüssigkeiten hohen Siedepunkt besitzt. Das Mittel gemäß der Erfindung besteht aus einem oder mehreren Alkalimetallen, wozu kleinere Mengen anderer Stoffe mit niedriger Oberflächenspannung hinzugefügt werden können.
• Für die Wärmeübertragung gemäß der Erfindung können die meisten üblichen Konstruktionen von Dampfkesseln, Überhitzern, Vorwärmern, Wärmeaustauschern u. dgl. angewendet werden.
• Ein Beispiel einer hierfür geeigneten Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt. -Ein oder mehrere Dampferzeuger i werden in einer Feuerung mit festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff oder durch andere beliebige Mittel erhitzt. Der Dampferzeuger i arbeitet mit einem Abscheider a und Verteilern 5, 6 zusammen. Der Abscheider a gibt Wärmemittel in Dampfform an die Wärmeaustauscher 3, 4 ab, von denen der erstere beispielsweise als ein Wärmeofen arbeiten könnte und der letztere beispielsweise als Kondensator für das Wärmemittel gemäß der Erfindung und als Dampferzeuger für ein anderes Wärmemittel, das zweckmäßigerweise sö gewählt werden könnte, daß es als Glied eines binären Kreises für Dampferzeugung (z. B. die Kombination Quecksilber-Wasserdampf) arbeitet. Von den Wärineaustauschern 3, 4 geht das Wärmemittel in flüssiger Form, eventuell mit Hilfe einer Pumpe 1i, durch die Verteiler 5, 6 zum Dampferzeuger i zurück. Wenn in dem Wärmeaustauscher 4 Wasser verdampft wird, sollte er aus gemantelten Rohren ausgeführt werden, damit aus Sicherheitsgründen eine möglichst kleine Wassermenge sich an denjenigen Heißflächen befindet, auf deren anderer Seite das Wärmemittel gemäß der Erfindung zirkuliert. Sektionsweise angeordnete automatische Ausschaltungen können vorgesehen werden. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, zirkuliert im System 4, 7, 8 ein Wasser-Dampf-Gemisch. In den Abscheider 7 wird Speisewasser von einem Ekonomiser 1o eingeführt, und von dem Abscheider 7 geht Dampf über einen Überhitzer g an die Verbraucher, beispielsweise eine Turbine, ab.
• Das dargestellte System kann so vereinfacht werden, daß die verschiedenen Teile in einem geschlossenen Rohrsystem oder Raum vereinigt sind, das mit geeigneten Füllkörpern sowie Rohren und Blechen zur richtigen Verteilung des zirkulierenden Wärmemittels und zur Verhinderung stoßweisen Kochens ausgestattet ist.
• Für die Temperaturkontrolle werden in geeignete Teile des Systems Thermoelemente eingeführt. Normalerweise wird natürliche Zirkulation angewendet, es ist aber auch eine zwangsläufige Umwälzung denkbar, wofür im System eine geeignete Pumpenvorrichtung eingesetzt wird.
• Einige Beispiele möglicher Anwendungsgebiete für das neue Wärmeübertragungsmittel seien nachstehend erwähnt. i. Fortbringen von Wärme Die obengenannten Wärmemittel können als sehr wirksame Kühlmittel verwendet werden, wobei außer der im Vergleich mit Wasser viel größeren Wärmeabsorption auch dafür gesorgt ist, daß der Arbeitsdruck niedrig bleibt. z. Überführung von Wärme in einem geschlossenen System In ein und demselben System liegt bisweilen die Aufgabe vor, Wärme von einem Teil, der nicht überhitzt werden darf, wegzuführen an einen anderen Teil, wo Wärme benötigt wird. Dies kann z. B. in einer Brennstoffmasse der Fall sein, die zu einem Teil brennt und wo Gefahr einer Zusammensinterung der Asche vorliegt und zu einem anderen Teil thermisch abgebaut (pyrolysiert) wird und wo also Wärmebedarf vorliegt. In einem solchen Fall können in der Brennstoffmasse ganz eingebettete Wärmeübertragungssysteme gemäß der Erfindung verwendet werden. Man erzielt einen Temperaturausgleich ohne Wärmeverluste. 3. Überführung von Wärme an ein anderes System Die Wärmeübergangszahl, die der übergeführten Wärmemenge proportional ist, ist für kondensierende Dämpfe sehr groß. Wenn z. B. Wasserdampf an einer Wandung kondensiert, beträgt diese Zahl aooo bis 6ooo (auch noch mehr) kcal/m2/h° C, während sie, wenn Rauchgase mit mäßiger Geschwindigkeit eine Wand bestreichen, nur etwa 20 kcal; m=uh' C erreicht. Gemäß der Erfindung kondensierende Metalldämpfe, die in dieser Hinsicht vorteilhaft sind, können demnach u. a. wie folgt verwendet werden: für die Überhitzung von Wasserdampf auf hohe Temperaturen, für die Erwärmung von zirkulierenden Gasen in gewissen Typen von Gasturbinen, für die Zwischenüberhitzung von Wärmemitteln in Dampfturbinenanlagen, für die Überführung von Wärme als erstes Glied eines sog. binären Dampfkreislaufs im Zusammenhang mit Krafterzeugung unter sehr geringem Wärmeverbrauch u. a. m. Über den durch die verbesserte Übergangszahl gesteigerten Wirkungsgrad hinaus wird auch der Vorteil gewonnen, daß das System nie wärmer als der kondensierende Dampf werden kann und demzufolge nicht verbrennen kann. .f. Überführung von Wärme an Ofenräume u. dgl. Uber den vorher genannten Vorteil einer verbesserten Wärmeübergangszahl hinaus wird hier auch der Vorteil einer gleichmäßigen Verteilung der Wärme über die Wände des Ofenraumes ausgenutzt. Die Kondensation und damit auch die Erwärmung wird nämlich an den kälteren Stellen der Ofenfläche am stärksten. Der Dampf geht also an die kühleren Stellen und strebt so selbst einen Temperaturausgleich an. Der Ofenraum kann doppelwandig gemacht werden, wobei das Wärmemittel zwischen den Wänden kondensiert. Die äußere Ofenoberfläche wird möglichst wirksam isoliert. Die Öfen, die selbstverständlich nicht bei extrem hohen Temperaturen angewendet werden können, können sehr dicht gemacht werden, was dann von Vorteil ist, wenn sie mit Schutzgas oder unter Vakuum arbeiten. Ein Wärmesystem mit regelbarem Druck kann auch angewendet werden, wobei der Ofen mit innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen variierenden Maximaltemperaturen arbeiten kann.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmeübertragungsmittel, das bei wiederholter Verdampfung und Kondensation chemisch stabil ist und eine hohe latente Verdampfungswärme sowie einen verhältnismäßig hohen Siedepunkt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem oder mehreren Alkalimetallen besteht.
2. 2. Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß kleinere Mengen anderer Stoffe mit niedriger Oberflächenspannung zugegeben sind.
3. 3. Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß reines Kalium oder reines Natrium oder Gemische aus diesen Metallen in beliebigem Verhältnis verwandt werden. q..
4. Wärmeübertragungsmittel nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß reinem Kalium oder reinem Natrium oder Gemischen beider Metalle in beliebigem Verhältnis kleinere Mengen von einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 5b, 6b, 7b des Periodischen Systems beigegeben sind.
5. 5. Vorrichtung zur Ausnutzung eines Wärmeübertragungsmittels gemäß Anspruch i bis q., bestehend aus einem geschlossenen, evakuierten oder mit regelbarer Gasmenge gefüllten System aus gegen das Wärmeübertragungsmittel bei allen vorkommenden Arbeitstemperaturen widerstandsfähigem Material mit mehreren beheizten Dampferzeugern (i), einem oder mehreren Abscheidern (2), einem oder mehreren Verteilern (5, 6) und einem oder mehreren Wärmeaustauschern (3 und q.), die untereinander durch ein Rohrsystem verbunden sind, in das gegebenenfalls Umlaufspumpen (ii) eingeschaltet werden. Diese fallen in den Temperaturbereich für Glühung, Härtung und andere Wärmebehandlung der meisten Stahlqualitäten.