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Heiz- oder Kühlanlage für Geräte, insbesondere zur Durchführung chemischer
Reaktionen
In technischen Geräten, insbesondere zur Durchführung chemischer Reaktionen
ist häufig die Aufgabe gestellt, Wärme unter Einhaltung einer bestimmten Temperatur
zu- oder abzuführen. Hierzu wird in der Regel Dampf verwendet, weil dieser bei gleichbleibender
Temperatur unter Kondensation große Wärmemengen abgeben oder unter Dampfbildung
aus Wasser große Wärmemengen aufnehmen kann.
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Dampferzeugungsanlagen haben jedoch wegen der bei diesen Anlagen
notwendigen Trommeln einen großen Platzbedarf. Außerdem entstehen durch häufige
Undichtigkeiten der Kondenstöpfe erhebliche Wärmeverluste Man ist daher teilweise
dazu übergegangen, die vorerwähnten technischen Geräte statt mit Dampf mit Wasser
oder anderen Flüssigkeiten zu beheizen oder zu kühlen. Dabei ergibt sich jedoch
der Nachteil, daß bei einer Wärmeaufnahme die Temperatur des Wassers tsteigt und
bei einer Wärmeabgabe die Wassertemperatur fällt. Diese Temperaturänderungen sind
um so kleiner, je gröker die Flüssigkeitsmenge ist, die durch die Einrichtung gefordert
wird, um eine bestimmte Wärmemenge aufzu-
nehmen oder abzugeben.
Bei Wasser ist die Temperaturänderung etwa 1° C, wenn für die Zufuhr oder Abfuhr
von 10 000 kcal 10 m3 Wasser verwendet werden.
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Die Leitungen für die Zuführung oder Abführung von Wärme mittels
Wasser unter diesen Betriebsbedingungen sind jedoch viel teurer als eine Dampfleitung
für die Fortleitung der gleichen Wärmemenge. Bei einem Temperaturunterschied von
20° C werden zur Zuführung der Abführung von 10 000 kcal nur etwa 0,5 m3 und bei
einem Temperaturunterschied von 500 C nur etwa o, 2 mS benötigt.
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Die Erfindung bezweckt, die vorgenannten nachteile bei der Kühlung
doer Heizung von technischen Gerxoten durch einen Flüssigkeitskreislauf zu vermeiden.
Zu diesem Zweck wird der Flüssigkeitsrücklauf geteilt, und zwar wird die Flüssigkeit
einerseits unmittelbar zu dem Gerät zurückgeführt und andererseits über einen Wärmeaustauscher
geleitet, in dem ihr Wärme zugeführt bzw. entzogen wird. Hierbei besteht das wesentliche
und kennzeichnende Merkmal der Anlage gemäß vorliegender Erfindung darin, die Anlage
derart anzulegen, daß die Temperaturänderung der Flüssigkeit im Wärmeaustauscher
mindestens das Fünffache der Temperaturänderung in der Heiz- bzw.
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Kühleinrichtung beträgt und daß durch die Heiz-bzw. Küleinrichtung
mindestens das Fünffache der über den Wärmeaustauscher strömen den Wassermenge fließt.
Dadurch wird nicht nur erreicht, daß die Leitungen, weleche den Wärmeaustauscher
mit der Heiz- oder Kühleinrichtung verbinden, nur einen sehr geringen Querschnitt
erfordern. sondern es ergibt sich noch der weitere Vorteil, daß die Temperatur in
der Heiz- bzw.
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Kühleinrichtung sich nur sehr wenig ändert. Letzterer Umastand ist
für die Druchführung vieler chemischer Vorgänge von sehr großer Bedeutung.
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Bei Raumheizungsanlagen, bei denen als Wärmeträger heißes Wasser
verwendet wird, ist es bekannt, kaltes Rücklaufwasser in die Verlaufleitung zu leiten,
um eine bestimmte Vorlauftemperatur zu erhalten oder die Vorlauftemperatur nach
Bedarf verändern zu können. Diese NIaßnahme führt aber nicht zu dem in vorliegender
Erfindung angestrebten Ziel, d'a dnrch die Heiz-oder Kühleinrichtung nicht ein Vielfach,
der über den Wärmauastauscher strömenden Wassermenge fließt und da das durch die
heiz- oder Kühleinerichtung strömende Wasser nicht nur sehr geringen Änderungen
unterworfen ist. Bei den bekannten Raumheizungsanlage wird vielmehr die Temperatur
des Wassers in der Heizeinrichtung absichtlich erheblich gesteigert.
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Ausführuingsbeispeile der Erfindung sind in Abb. 1 bis 4 schematisch
dargestellt.
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In Abb. I ist das technische Gerät, das geheizt odeer gekühlt werden
soll, mit a, sein Wärmeaustauscher, durch den Wärme zu- oder abgeführt werden soll,
mit b bezeichnet. Die Leitungen hahen die Bezeichnung c1 c2, c3 und c4. Die Umwälzpumpe
d för dert die Flüssigkeit durch den Wärmeaustauscher über die Leitungen C3, C4,
c1 und c2.
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Ein Teil der umgewälzte Flüssigkeit wird durch die Leitung l1 abgeleitet
und n den Wärmeaustauscher f geführt.
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Die aus dem Wärmeasutauscher f austretende Flüssigkeit strömt über
die Umlaufpumpe g und die Leitung l2 in den ersten Kreislauf zurück.
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Die Arbitsweise dieser Analge geht aus dem in Abb. 2 angegebenen
Zahlenbeispiel hervor. Dabei ist zugrunde gelegt, daß aus einer Einrichtung, die
mit rund 150° C zu betreiben ist, 100 000 kcal/Std. abgeführt werden sollen.
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Zur Kühlung soll Wasser verwandt werden; dessen zulässige Erwärmung
soll 1° C betragen, und zwar soll es von I49 auf I500 C erwärmt werden. Der Einfachheit
habler sind die spezifische Wärme des Wassers mit 1 kcal/kg und Grad Celsius und
das spezifische Gewicht mit 1 kg/l eingesetzt. Bei Erwärmung um 1° C werden von
1 m3 also 1000 kcal aufgenommen. Zur Abfühung von 100 000 kcal/Std. sind danach
100 m3/Std. Wasser umzuwälzen. Von dieser umgewälzten Wasser menge sollen nun 5
m3/Std. entnommen und nach Abkühlung in dem Wärmeaustausche f dem Umwälzkreislauf
wieder zugeführt werden. Die Umwälzpumpe d selbst fördert also nur 95 m3/Std.
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Damit durch Mischung von 95 m5/Std. Wasser von I500 C mit 5 m3/Std.
kälterem Wasser 100 m3/Std.
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Wasser von 149° C entstehnen, müssen nach der Wärmebilanz die zugemischten
5 m3 auf 130° C abgekühlt werden, Wie ohne weiteres ersichtlich, steht die umgewälzte
Wassermenge zu der rückgekühlten Wassermenge im umgekehrten Verhältnis wie der zugelassene
Temperaturunterschied in dem Gerät a zu dem Temperaturunterschied im Wärmeaustauscher
(Rückkühler) f.
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Abb. 3 zeigt die grundsätzliche Anordnung bei drei zu kühlenden Geräten
a1, a2 und a3. Jedes dieser Geräte ist mit einer Umwälzleitung cl, c2 und c3 und'
bei Bedarf mit einer Umwälzpumpe d1, d2 und d3 versehen. Die aus den einzelnen Umwälzkreisläufen
zur Rückkühlung abgeführten Wassermengen werden über eine Sammelleitung h1 zu dem
Wärneaustauscher f und von hier über die Pumpe g und die Sammelleitung h2 wieder
den Umwälzkreisläufen zugeführt.
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In die Abzweigleitungen sind Regler r1, r2 und r3 eingebaut, die
durch Temperaturfühler t1, t3 und t3 betätigt werden. Diese Temperatur fühler sind
entweder in die Leitung am Austritt aus den Geräten oder in die Leitung am Eintritt
in diese eingebaut. Die einzelnen Geräte a1, a2 und a3 können' mit verschiedenen
Temperaturen betrieben werden, a1 z. B. mit einer Temperatur von I500 C, wie an
Hand des Beispeisl Abb. 2 beschrieben ist.
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Der Regler t1 ist dabei auf 150° C eingestellt und öffnet das Regelventil
r1 so weit, daß 5 m3/Std.
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Wasser aus dem Umwälzkreislauf abströmen und nach Rückkühlung wieder
zugeführt werden.
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Soll das Gerät a2 uneter sonst gleichen Verhältnissen mit nur 140°
C betrieben werden, so ist der Regler t2 auf I400 C eingestellt. Um diese Tem-
peratur
einzuhlaten, müssen 10 m3/Std. Wasser von I300 C zugeführt werden, die sich mit
dem Umwälzwasser mischen. Der Temperaturfühler t2 öffnet das Regelventil r2 demnach
so weit, daß 10 m3/Std. Wasser von 130° C eintreten können.
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Bei dem Gerät as ist angenommen, sodaß ebenfalls eine Temperatur
von 140° C eingehalten werden soll. Der Temperaturfühler ist jedoch in der Leitung
am Eintritt in das Gerät angeordnet.
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Er regelt also die Mischwassertemperatur und muß, wenn die Betriebsbedingungen
die gleichen sind wie bei a2, das Regelventl r3 so weit öffnen, daß chenfalls 10
m3/Std. zuströmen.
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Werden durch das Gerät a3 bei einer Temperaturerhöhung um 1° C ebenfalls
100 m/3Std. Wasser gefördert, so ist der Temperaturfühler t3 auf 1390 C einzustellen.
Die Pumpe d3 fördert in diesem Fall, wie auch die Pumpe d2, go m3/Std.
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In der Leitung h1 stellt sich durch die Mischung von Wasser verschiedener
Temperatur eine mittlere Temperatur ein. Die Temperatur am Eintritt in den Wärmeaustauscher
f ist bei den angenommeneu Bedingungen etwa I46,60 C.
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Ändert sich infolge Verschiebung der Belastung oder der Temperaturen
am Eintritt in den Wärmeaustauscher f auch die Temperatur am Austritt, so stellen
die Regler r1. r2 und r3 bei Erhöhung der Temperatur über 1300 C eine größere Wassermenge
ein, bei Absenkung unter I300 C eine kleinere Wassermenge. Da die Regler temperaturgesteuert
sind, passen sie sich jeder Änderung der Betriebsbedingungen selbsttätig an.
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Die angeführten Zahlenbeispiele dienen nur zur grundsätzlichen Erläuterung.
Das Verfahren kam unter beliebig anderen Betriebsbedingungen in entsprechender Weise
angewendet werden.
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Die von den Umwälzpumpen d1, d2 und, d3 geförderten flüssigkeitsmengen
können ungeregelt sein und auch bei geänderten Betriebsbedingungen gleichbleiben,
denn die Regler rl, r2 und r3 passen die entnommene und rückgeführte Wassermenge
selbsttätig an.
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Bei weitverzweigten Anlagen, bei denen die Leitungen h1 und h2 sehr
lang werden können, kann es zweckmäßig sein, ideen Unterschied zwischen der in den
Geräten einzuhaltenden Temperatur (in den Beispielen 150 bzw. 140° C) und der Rücklauftemperatur
(im Beispiel I300 C) höher zu wählen, das Wasser in dem Wrmeaustauscher f also auf
beispielsweise 110° C abzukühlen. Wird die in dem Wärmeausstauscher f abgegebene
Wärme zur Krafterzeugung ausgenutzt, so kann es in diesem Fall zweckmäßig sein,
die Abkühlung in zwei hintereinandergeschalteten Wärmeaustauschern 1 und 2 durchzuführen
und in diesen Dampf von verschiedenem Druck zu erzeugen.
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Die gleiche Anordnung kann zweckmäßig sein, wenn die Wärme zur Heizung
an Betriebseinrichtungen abegegeben werden soll, die verschiedene Temperaturen benötigen.
Die Arbeitsweise ist hierbei grundsätzlich die gleiche. Es isit lediglich die Rücklauftemperatur
in der Leitung h2 höher als die Temperatur, die in den Bletriebseinrichtungen at,
a2 und as eingehalten werden muß, und in den Wärmeaustauschern f bzw. f1 und 2 usw.
wird nicht Wärme abgegeben, sondern Wärme zugeführt. An Stelle der Wärmeaustanscher
f können zur Wärmeaufnahme Mischvorwärmer, zur Wärmeabgabe Entspannungsgefäße verwandt
werden.