WO2002001133A1 - Wärmetauscher für kältetrockneranlagen - Google Patents

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WO2002001133A1
WO2002001133A1 PCT/EP2001/007371 EP0107371W WO0201133A1 WO 2002001133 A1 WO2002001133 A1 WO 2002001133A1 EP 0107371 W EP0107371 W EP 0107371W WO 0201133 A1 WO0201133 A1 WO 0201133A1
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tube
heat exchanger
exchanger according
medium
cold storage
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PCT/EP2001/007371
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Klaus Eimer
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Ultrafilter International Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for refrigeration dryer systems with thermal storage, which is used in particular for drying compressed air.
  • Systems of this type can be used to dry all gaseous media.
  • the following statements for compressed air also apply to the application of the invention with other gases and take the priority of German patent application 100 30 627.6-16, to which reference is made in terms of content.
  • Compressed air is an energy source for production processes and must meet defined purity criteria. The focus is on the need for dry, clean compressed air.
  • the gas In the case of cold drying, the gas is cooled, which reduces the storage capacity for water vapor and other undesirable constituents, and these constituents separate out in liquid form and can thus be separated from the gas stream. Cooling takes place in a refrigerant-gas heat exchanger, usually to a dew point temperature slightly above 0 ° C. A too high dew point temperature leads to an impermissibly high moisture content of the dried gas, a temperature below 0 ° C to freeze the refrigeration dryer. Therefore, the lowest gas temperature must be regulated in the narrowest possible temperature range.
  • the refrigerant-gas heat exchanger is preceded by a gas-gas heat exchanger in which the warm, cooled pressure Air flows in counterflow to the dried, cold compressed air and its cold pre-cools in an energy-saving manner.
  • the refrigerant circuit of these refrigeration dryer systems must be designed for the highest load that occurs during operation, which is determined by the compressed air throughput as well as the compressed air and ambient temperature. If the load is lower, the refrigerating capacity must be reduced, which is influenced by influencing the refrigerant circuit, e.g. Opening a hot gas bypass valve or by operating the refrigeration dryer on and off, you want to avoid inadmissibly low temperature of the compressed air, which would lead to undesired freezing of the excreted moisture.
  • control via the hot gas bypass valve leads to considerable energy loss.
  • on-off operation the lowest compressed air temperature fluctuates in the refrigeration dryer, which leads to an undesirable increase in the dew point temperature and / or to inadmissibly low temperatures and freezing.
  • heat stores are used which should have the highest possible heat capacity.
  • EP 405 613 describes heat exchangers with tubes which have fins arranged at right angles to the tubes.
  • these fins connect a coil through which the air to be cooled flows through a coil through which the refrigerant flows; and in an upstream air-air heat exchanger, the pipe coil with the air to be cooled with a pipe coil through which the air cooled by the refrigerant flows and is heated again.
  • EP 045 101 describes a refrigerant-air heat exchanger in which the compressed air to be cooled flows over a water bath and cools down in the process, the water bath itself being cooled by a coil of pipes through which the refrigerant flows.
  • the latent heat of fusion of the freezing water can also be used with this arrangement.
  • the heat exchangers consist for example of two nested tubes, one medium through the inner tube and the other medium through the space between the inner tube and the outer tube flows. It is also common to arrange several inner tubes in a common outer tube.
  • tube-in-tube heat exchangers have a very good heat transfer coefficient and thus small dimensions due to the immediately adjacent flowing two media, between which the heat is to be exchanged, are simple and inexpensive to manufacture and can be arranged geometrically favorably in the refrigeration dryer. Furthermore, the outflow of the condensate separated from the air humidity is optimal, since the pipe carrying the compressed air to be dehumidified is to be arranged with a constant gradient.
  • these heat exchangers only have the low heat storage capacity of the tube walls, in particular no increased storage capacity due to freezing water. Thereby, thermodynamically favorable on-off operation can only be achieved with large temperature fluctuations.
  • the heat exchangers described in EP 405 613 have a high heat storage capacity, they have an unfavorable heat transfer coefficient, since the heat from the first tube does not go directly to the second tube, but via the fins and parallel to that with water impregnated storage mass flows. As a result, large lengths of pipe are required, which are to be arranged in a snake shape and thus do not allow any slope for an optimal condensate drain. In addition, the manufacturing effort and space requirements compared to the tube-in-tube heat exchangers described is significantly greater.
  • the refrigerant-air heat exchanger described in EP 045 101 has a poor overall heat transfer coefficient between the refrigerant and compressed air compared to the tube-in-tube heat exchangers, since the heat flow must also overcome the heat conduction resistance between the tube wall and the surface of the water bath. In addition, the effort to generate a sufficiently large contact area between the water bath and compressed air is considerable, since large dimensions of the pressure vessel can be realized.
  • the object of the present invention is to create, based on EP 405 613, a heat exchanger with thermal storage suitable for the cold drying of gases, in particular compressed air, and a method for its operation, which has a favorable heat transfer coefficient and a high heat storage capacity.
  • a heat exchanger in which at least one inner tube is arranged in an outer tube, one of the two media flowing in the inner tube and the other of the two media flowing in the outer tube, which exchange heat or cold.
  • One of the two media is the gas stream to be cooled
  • the other medium is either the refrigerant stream or the stream of the dried gas stream to be warmed up, which releases its cooling to the gas stream to be cooled.
  • Which of the media flows in the inner and which flows in the outer tube is irrelevant to the invention.
  • a thermal storage medium is switched into the heat flow between the two media, which through its cold storage capacity in the event of load fluctuations, temperature fluctuations or on-off operation of the refrigerant flow etc.
  • the thermal storage medium is enclosed by a cold storage tube, the cold storage tube being arranged inside or outside the inner tube.
  • an annular cylinder of storage medium is placed around the medium flowing in the inner tube, the heat flow having to pass through this annular cylinder on its way from or to the medium flowing in the outer tube.
  • the storage medium is a medium at its phase boundary, for example freezing water, or freezing salt solution or another liquid with a low melting point, such as alcohol or mixtures of such liquids.
  • These storage media should have in common that they each store large amounts of heat or cold in a narrow temperature range and thus make the temperature of the gas to be cooled at the outlet of the heat exchanger according to the invention controllable in a narrow temperature range, even if the cooling dryer is supplied with cooling to a certain extent Time period is switched off, or the amount and temperature of the inflowing gas to be dehumidified fluctuate greatly.
  • the technical term for the heat stored in the described way is "latent heat” and "breakpoint" for the area in which the heat is latently stored without or without a significant change in temperature (definitions according to "Lexikon der Physik, Lieber Taschenbuch Verlag, June 1971) ,
  • the thermal conductivity of water and ice is so good and the cold or heat storage capacity of freezing water is so high that, for example, a layer thickness of the ring-shaped cylinder of water / ice of 1 to 2 mm only requires an insignificant increase in the heat exchange area and yet at full load of the refrigeration dryer with a storage time of 5 to 10 minutes ensures a dew point temperature of almost 0 ° C. This results in about 3 to 6 switching cycles of the refrigeration unit per hour and thus a very gentle mode of operation for cost-effective on-off operation of the refrigeration unit.
  • the object of the invention is thus solved in principle, the tube-in-tube heat exchanger according to the invention with cold accumulator hardly having to be enlarged compared to the prior art without cold accumulator and the advantages of this proven construction being retained, and on the other hand the advantages of the cold accumulator without the disadvantages the heat exchanger according to EP 405 613 can be used.
  • the invention enables a simple load-dependent control with an almost constant outlet temperature of the gas to be dried by switching the cooling generator on and off without the risk of overloading the thermal store or its complete discharge of the heat exchanger, moreover, it is easier to manufacture and enables a good condensate drain.
  • saline solutions or other liquids with a low phase transition temperature for example a low melting point, such as alcohol or mixtures of such liquids
  • a thermal storage medium for example a low melting point, such as alcohol or mixtures of such liquids
  • the heat exchanger according to the invention can thus also be used in refrigeration dryers with dew point temperatures below 0 ° C., for example with a dew point temperature of -40 ° C. Refrigeration dryers of this type are in the DE 198 08 011.
  • the choice of the suitable thermal storage medium depends essentially on the desired lowest gas temperature of the heat exchanger in question.
  • Refrigeration dryers of this type have gas-gas heat exchangers in which the warm gas to be dehumidified is cooled in countercurrent with dehumidified, cold gas to temperatures directly above 0 ° C and the separated condensate is discharged in liquid form, followed by gas-gas heat exchangers and refrigerant-gas heat exchangers in which the moisture to be separated is mainly obtained in solid form as ice.
  • a heat exchanger according to the invention as a gas-gas heat exchanger with water as the storage medium in the range from 0 ° C.
  • the cold storage tube can be arranged within the inner tube or enclose it.
  • the annular cylinder made of thermal storage medium connects in the first case to the inner wall and in the second case to the outer wall of the tube.
  • an outer tube can comprise one inner tube / cold storage tube or more.
  • not a single but a plurality of inner tubes are arranged together in the thermal storage medium of a single cold storage tube, and all are arranged together in a single outer tube.
  • the inner tube, outer tube and cold storage tube can have cross sections of any shape, such as, for example, essentially rectangular, triangular, oval. However, a circular shape is preferred for reasons of compressive strength. It is also possible to construct the heat exchanger similar to a honeycomb, in which one of the first medium is used "Honeycomb" through which flow flows is surrounded by, for example, 6 honeycombs through which the second medium flows, the honeycomb walls being double-walled and containing the thermal storage medium. This also results in inner and outer tubes and cold storage tubes.
  • the thermal storage media that can be used according to the invention exhibit a considerable change in the specific volume when the phase changes. This increases the specific volume of water when freezing by approx. 13%.
  • the cold storage tube is therefore either to be made of elastically deformable material, or there are elements that can be deformed under pressure in the cold storage tube, e.g. made of foam, or the cold storage tube must be connected to a compensation volume.
  • the adaptation to the change in volume can be produced by changing the shape of the tube cross section with the same lateral surface or by changing the lateral surface with essentially the same shape of the tube cross section.
  • a tube with a circular cross-section designed as a hose can experience a change in diameter, in the first case e.g. change an oval cross section to a circular one.
  • the equalization volume as a pressure accumulator
  • the pressure on the thermal storage medium then corresponding to the system pressure - i.e. the pressure of the gas to be dried - or to use the surrounding atmosphere as an equalization volume at ambient pressure in the cold storage tube, in which case the Pressure difference between system pressure and atmospheric pressure on the cold storage tube.
  • the cold storage tube can be connected to an equalizing volume at one or both ends. If the cold storage tube is designed unfavorably in this sense, this can involve the risk that, for example when using water as a thermal storage medium in the longitudinal direction of the tube, individual areas of the cold storage tube freeze and thus freeze between such frozen locations a closed volume and very high pressures can arise in the freezing of further water.
  • a compensating connector is arranged in the cold storage tube, which connects all length regions of this tube and ensures pressure equalization and connection with the equalizing volume.
  • the compensating connector such as an elastic hose filled with a non-freezing medium.
  • the compensating connector viewed in the longitudinal direction, has openings at short intervals which connect its inner volume to the remaining volume of the cold storage tube.
  • the compensating connector is designed as a compensating tube made of heat-insulating material, and a heater is arranged in the compensating tube, which preferably consists of an electrical heating conductor operated at low voltage.
  • the gas temperature will already reach a temperature of almost 0 ° C after flowing through part of the pipe length of the outer pipe, and therefore in this area and especially in the course of the following remaining pipe length, a quick freezing of the water and a rapid growth of the inner tube surrounding ice sheet take place. As a result, all the water will soon be frozen towards the end of the pipe and there is therefore a risk that the temperature of the ice sheet will drop below 0 ° C, which would lead to icing of the condensed water carried by the gas stream on the outside of the cold storage pipe.
  • thermal storage medium at least at intervals in the longitudinal direction of the tube in order to exchange hot and cold water and to freeze more uniformly over the length of the tube and thus contribute to better charging of the thermal memory and to complete it prematurely Avoid freezing in parts of the cold storage tube.
  • the movement of the thermal accumulator in the axial longitudinal direction of the tube takes place via a pump device, which can be designed as a very small circulating pump, which is installed in a connecting line between both ends of the cold storage tube.
  • This pump is activated while the thermal storage medium is being charged, e.g. switched on when the refrigerant compressor is running or only in limited time segments during charging. Pumps with a leak-free split rotor motor and a power consumption of a few watts are particularly suitable as pumps.
  • simple means e.g. the flow resistance can be measured with an electronic pressure or differential pressure transducer, which increases with increasing freezing and allows a statement to be made about the optimal time for switching the cooling generator on or off.
  • Other devices can also be used as the pumping device, e.g. one expansion tank at each end of the cold storage tube, between which the thermal storage medium is pumped back and forth by using compressed air.
  • the heat exchanger tubes inner tube, outer tube, cold storage tube
  • it can be done in a simple In the form of the three pipes, without having any further fastenings or spacers with one another, their course, apart from the connection to connecting lines at their two ends, can be arranged pushed into one another.
  • a plurality of inner tubes can also be arranged without further attachment to one another or to the cold storage tube surrounding them, pushed into the latter.
  • the tubes are preferably fixed to one another and kept at a defined distance in order to ensure optimal conditions for heat transfer and cold storage. This can be done by equipping the tubes with ribs or other spacers, which ensure a uniform spacing when the tubes are arranged one inside the other.
  • the inner tube can have molded-on spacers which center it in the cold storage tube surrounding the inner tube, and the cold storage tube itself can also have spacers which center it in the surrounding outer tube.
  • the pipes jointly producible for example by aluminum extrusion, and thereby to design pipes and fins jointly.
  • the inner tube and the cold storage tube surrounding it can be produced jointly, for example two, three or four fins connecting the two tubes to one another.
  • the cold storage tube can then be smooth on its outside or have further ribs which make it individually centerable in an outer tube or, in the case of several in a common outer tube, keep the cold storage tubes at a distance from one another. It is then also within the scope of the invention to produce the inner tube, cold storage tube and outer tube, including connecting ribs, together.
  • the ribs are so thin that they do not allow a substantial flow of heat by bridging the thermal storage medium and do not hinder the flow of the media. It is also according to the invention to arrange spacers or fins between them without a fixed connection to the tubes. It can be advantageous to design these ribs or spacers in a material with low thermal conductivity. It is also advantageous to equip one or more of the tubes (inner, outer tube, cold storage tube) with grooves which are arranged in the longitudinal direction of the tubes and hold the ribs in position. In a further embodiment of the invention, the separately producible fins or spacers are equipped with openings which enable pressure equalization under the subspaces which are formed within the tubes by arranging the fins.
  • the cold storage tube has a corrugated shape in order to enlarge the heat transfer area, it coming close to the outer tube at the wave crests and the inner tube at the wave troughs.
  • the cold storage tube is connected to the outer tube via ribs on one or more of the wave crests and to the inner tube via ribs on one or more of the wave troughs, the ribs being part of the tube wall or integrally formed or consisting of separate parts.
  • an elastic tube made of plastic or corrugated metal foil is arranged over the inner tube and connected at its ends to the inner tube ( arranged by means of a clamping ring, glue) or inserted into the outer tube and connected to it at its ends; Spirally wound hose of small cross-section, which is wound around the inner tube, or is inserted into this or the outer tube. It is also within the scope of the invention to install flow guiding devices in the flow space of the first and / or the second medium which influence the flow in the direction of improved heat transfer.
  • These can be, for example, internals for swirling or for generating swirl or for generating a spiral flow with a corresponding increase in speed, or deformations of the tube walls for producing the effects described.
  • the spacers and / or ribs described above can also be designed such that the effects described are produced.
  • the heat exchanger consists of a single outer tube to simplify the description.
  • the scope of the invention also includes a heat exchanger consisting of two tube groups, each with more than one tube, the gas to be cooled flowing in the tubes of the first tube group and the second medium extracting heat from the gas to be cooled in the tubes of the second tube group (i.e.
  • the refrigerant supplied by a refrigeration generator or dried gas to be heated) where all tubes of the first tube group can be inner tubes and the tubes of the second tube group are then the outer tubes surrounding the inner tubes, or conversely all tubes of the second tube group are inner tubes and the tubes of the first tube group are then outer tubes surrounding the inner tubes.
  • the inner tubes are guided into a collecting tube at both ends; the outer tubes are also connected to a collecting tube at both ends; this also applies to the cold storage tubes, provided that they can be connected to a common compensation volume.
  • an inner tube and an outer tube and a cold storage tube are arranged essentially coaxially, the outer tube enclosing the inner tube and the cold storage tube is either enclosed by the inner tube or encloses it.
  • the outer tubes are arranged parallel to one another and pressure-tightly connected to the relevant collecting tube, for example by soldering or screwing, these collecting tubes being arranged parallel to one another and perpendicular to the tube axes of the outer tubes.
  • Inner tubes and cold storage tubes penetrate these header tubes, the outside of the outer two tubes on the circumferential side of the header tube opposite the connection between the outer tube and the associated header tube being connected to these header tubes in a pressure-tight manner.
  • the inner tubes are also combined at both ends in a header, likewise the cold storage tubes, the inner tubes penetrating the header tubes of the cold storage tubes when the cold storage tubes encompass the inner tubes.
  • FIG. 1 Schematic representation of a heat exchanger for cold drying compressed air according to the prior art
  • FIG. 2 cross section of a heat exchanger according to the invention with a preferred pipe arrangement
  • FIG. 3 shows a section through a heat exchanger according to the invention, consisting of two tube arrangements according to FIG. 2
  • FIG. 4 cross section of a heat exchanger according to the invention with a tube arrangement according to FIG. 2 with a preferred fixation of the tubes
  • FIG. 6 cross section of a heat exchanger according to the invention with a further preferred tube arrangement with a plurality of inner tubes, a common cold storage tube and an outer tube
  • FIG. 8 cross section of a heat exchanger according to the invention with a tube arrangement according to FIG. 4 with a different design of the cold storage tube
  • FIG. 10 longitudinal section of a heat exchanger according to the invention with another embodiment for designing the cold storage tube
  • FIG. 11 section through a heat exchanger according to the invention with expansion tank and pump device by means of pressurization
  • FIG. 12 section through a heat exchanger according to the invention with expansion tank and circulation pump
  • FIG. 1 shows schematically and by way of example a device for the continuous cold drying of compressed air as it is constructed and operated according to the prior art.
  • it has one Refrigerant compressor 1, a refrigerant liquefier 2, a refrigerant / gas heat exchanger 3 and a throttle element 4 for throttling the refrigerant flow.
  • the refrigerant condenser 2 can be air-cooled or water-cooled.
  • the refrigerant that flows in the dashed-line refrigerant line 9 and the direction of flow of which is indicated by the directional arrow 11 is injected in liquid form into the cooling tubes of the refrigerant / gas heat exchanger 3, evaporates there with heat absorption, is sucked in by the refrigerant compressor 1, compressed and in the Refrigerant condenser 2 pressed, where the steam condenses again, releasing heat.
  • the device is additionally equipped with a gas / gas heat exchanger 12, in which, on the one hand, the gas emerging from the refrigerant / gas heat exchanger 3 is heated and, on the other hand, the moist gas flowing in from the gas inlet 7 is cooled.
  • the gas / gas heat exchanger 12 brings about considerable energy savings and lowers the relative humidity of the gas emerging from the device.
  • the gas in particular compressed air, flows from the gas inlet 7 via the gas / gas heat exchanger 12 into the refrigerant / gas heat exchanger 3, is cooled in both heat exchangers 3, 12, separates moisture as intended, and leaves the device again via the gas outlet 8
  • the directional arrows 10 show the direction of flow of the gas flowing in the gas line 6.
  • the moisture separated out as condensate is discharged via the condensate drain 5.
  • the dew point temperature of the dried gas is determined by the lowest gas temperature which is present in the embodiment shown at the end of the refrigerant / gas heat exchanger 3 facing the gas outlet 8.
  • the device must be operable so that 3 temperatures below the freezing point in the refrigerant / gas heat exchanger Water are excluded. This is achieved by using a heat exchanger according to the invention as a refrigerant / gas heat exchanger 3 with, for example, freezing water as thermal Storage medium reached, even if the cooling generator is operated in on-off mode.
  • the device according to the prior art is operated at gas temperatures below 0 ° C. and thus allows icing, at least a part of the device must be de-iced at certain time intervals.
  • a device of this type is described in DE 198 08 011. If the device according to FIG. 1 were operated at temperatures below the freezing point of water, in a preferred embodiment the gas / gas heat exchanger 12 would be used as the heat exchanger according to the invention, e.g.
  • the refrigeration dryer system ensures in all load ranges and at different temperatures of the incoming compressed air, even with energy-saving on-off operation, that the gas / gas heat exchanger 12 does not freeze and ensures reliable condensate removal, and that the provided dew point temperature is maintained as the lowest gas temperature at the outlet of the refrigerant / gas heat exchanger 3.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the heat exchanger according to the invention.
  • a tube of a first 13 and a second tube group 14 is shown in cross section, a first medium 19 flowing in the tube of the first tube group 13 designed as an inner tube 15, and a second medium 20 in the tube of the second tube group 14 designed as an outer tube 16 flows and both media 19, 20 are in heat exchange.
  • both tubes are arranged with a common tube longitudinal axis 23.
  • the inner tube 15 placed the cold storage tube 17, the space between the inner tube 15 and the cold storage tube 17 being filled with the thermal storage medium 18.
  • the heat or cold flow between the two media 19, 20 runs via the thermal storage medium 18, which thus largely controls the outlet temperature of the first medium 19 to be cooled, independently of the flow rates of the media 19, 20 and their entry temperatures into the heat exchanger according to the invention.
  • freezing water is used as the thermal storage medium 18, the outlet temperature of the first medium 19 is slightly above ° C, provided the switching frequency is selected so that the water does not freeze completely and when the refrigerant compressor 1 is switched on and off the ice does not thaw completely. Since the pipes 15, 16 do not touch directly, there is no impermissible direct heat flow between the media 19, 20. Even if the pipes 15, 16, 17 in this exemplary embodiment touch each other due to a lack of fixation, the direct heat transfer would be due to the different radii of curvature of the tube walls of the tubes 15, 16, 17 very low.
  • the water-ice mixture expands considerably during freezing and could be in the space between the pipes 15, Generate 17 very high pressures, you would not connect this space to a compensation volume, not shown.
  • One of both ends or both ends of the cold storage tube 17 shown in cross section are connected to this compensation volume, that is, rather the space between the inner tube 15 and the cold storage tube 17.
  • this compensation volume is at atmospheric pressure according to the invention, the cold storage tube 17 must for the excess pressure of the second medium 20 be dimensioned for external pressure. Therefore it can also According to the invention, it may be advantageous to design the compensation volume as a pressure accumulator, the pressure of which approximately corresponds to the pressure level of the media 19, 20.
  • the first medium 19 flows in the outer tube 16 and the second medium 20 accordingly in the inner tube 15.
  • the cold storage tube 17 could also be enclosed by the inner tube 15.
  • the tubes 15, 16, 17 of the exemplary embodiment shown have a circular cross section and constant wall thickness, the tube walls being shown in a shade of gray.
  • the cross section of one or more of the tubes 15, 16, 17 can also have a shape other than circular, and one or more of the tubes 15, 16, 17 can be provided with shapes (not shown) which determine the position of the tubes 15, 16, 17 fix one below the other.
  • the pipes 15, 16, 17 from all possible materials and with different material thicknesses, e.g. Made of metal or plastic, as a rigid tube or as a flexible hose or as a thin film.
  • FIG. 3 shows two inner tubes 15, two outer tubes 16 and two cold storage tubes 17, each of these double tubes 15, 16, 17 each being connected to a header tube 26 and the tube longitudinal axes 23 of the header tubes 26 being arranged in parallel.
  • Inner tubes 15 and cold storage tubes 17 penetrate the collecting tube 26, to which the two outer tubes 16 are connected, and the outer sides of the cold storage tube 17 are sealingly connected to this collecting tube 26.
  • the inner tubes 15 penetrate the header tube 26, to which the cold storage tubes 17 are connected, and the outer sides of the inner tubes 15 are sealingly connected to this header tube 26.
  • refrigerant flows in the inner tubes 15 as a second medium 20, represented by the directional arrows 11 of the refrigerant line 9.
  • the gas stream to be cooled flows as the first medium 19 in the outer tubes 16.
  • the outer tubes 16 form the first tube group 13, and the inner tubes 15 form the second tube group 14.
  • connection according to the invention of the pipes 15, 16, 17 to the collecting pipes 26 shown in FIG. 3 is provided analogously at the other end of the pipes 15, 16, 17.
  • other embodiments of connecting the pipes 15, 16, 17 to supply lines for the first and second medium 19, 20 and connecting lines for the thermal storage medium 18 can also be carried out, all of which belong to the scope of the invention.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention. These are the details described in FIG. 2 with the same reference numerals, the three tubes 15, 16, 17 being connected to one another by ribs 22 which fix the position of the tubes 15, 16, 17 to one another.
  • the ribs 22 can each be fastened on one side to one of the tubes 15, 16, 17 or can be produced together with it, or can also be connected on their two sides to a different tube 15, 16, 17.
  • three inner tubes 15 carrying the second medium 20 are each surrounded by a cold storage tube 17 containing the thermal storage medium 18 and all together by the outer tube 16 carrying the first medium 19.
  • three inner tubes 15 guiding the first medium 19 are separated from a common refrigerant containing the thermal storage medium 18. Surround storage tube 17 and this from the second medium 20 leading outer tube 16th
  • FIG. 7 of the invention which represents an inner tube 15 with an internal cold storage tube 17
  • the two tubes 15, 17 are fixed to one another with ribs 22 that can be produced separately, these ribs 22 being guided on one side in longitudinal grooves 24.
  • the ribs 22 are advantageously provided with transverse openings 25 for pressure equalization between the subspaces formed by the ribs 22.
  • 7 shows a length section of such a rib 22 at the lower edge of the picture.
  • the exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 8 corresponds to the exemplary embodiment in FIG. 2 with the following differences:
  • the cold storage tube 17 is not circular but wave-shaped, the wave crests close to the outer tube 16 and the wave troughs close reach the inner tube 15.
  • the cold storage tube 17 is connected to the inner tube 15 and the outer tube 16 by ribs 22 at two points.
  • a compensating connector 27 designed as a compensating tube 28 with an electrical heating conductor 29 is arranged, which keeps a connection to all length ranges of the cold storage tube 17 open for the necessary pressure compensation and the isolated freezing of closed length ranges with high pressures possible due to the volume increase during freezing.
  • 9 also shows a sensor 30, with the aid of which thermal overload or complete thermal discharge of the thermal storage medium 18 can be identified.
  • This sensor 30 can be a temperature sensor that detects a deviation from the intended storage temperature for water / ice by completely “freezing” or completely “thawing” recognizes. It can also be a sensor that measures hydraulic continuity. This can be achieved, for example, in that a hydraulic oscillation is generated at one end of the cold storage tube 17 and its passage over the length of the cold storage tube 17 or its impairment when water / ice is used is monitored by freezing.
  • Fig. 10 shows a special embodiment of the invention, in which the cold storage tube 17 is designed as a flexible tube of small diameter with a non-circular cross-section and wound helically and mounted pressed into the inner tube 15.
  • the cold storage tube 17 has a smooth surface facing the inner wall of the inner tube 15, which ensures good thermal contact.
  • the shape, wall and material of the cold storage tube 17 are designed to be elastic so that the change in the specific volume during freezing can be compensated for by changing the cross section of the cold storage tube 17.
  • an expansion tank 32 is arranged at each end of the cold storage tube 17, the one expansion tank 32a being equipped with a piston 33 loaded by spring 34.
  • a separating membrane could preferably also be used instead of the piston.
  • the other expansion tank 32b is temporarily pressurized with compressed air via a pressure application member 35 designed as a solenoid valve in order to press the thermal storage medium 18 completely or partially to the expansion tank 32a. After relieving the compressed air, the spring 34 presses the thermal storage medium 18 back to the expansion tank 32b.
  • a pressure sensor 39 is shown in this exemplary embodiment, with the aid of which the flow resistance can be determined.
  • FIG. 12 shows an expansion tank 32 with a fill level sensor 36 and a circulating pump 37 which is switched on at time intervals for the axial displacement of the thermal storage medium 18, the flow resistance in the exemplary embodiment being used as a pressure difference sensor trained pressure sensor 3 is measured. Operation would also be possible without a fill level sensor 36, in that when the refrigerant compressor is switched on during the thermal charging process, the circulation pump 37 is briefly switched on at intervals in order to achieve an axial displacement of the thermal storage medium 18 and to prevent freezing of limited areas, the flow resistance being measured and when it is reached a predetermined limit value the charging operation would be completed by switching off the refrigerant compressor 1. In unloading mode, the flow resistance would be measured by briefly switching on the circulation pump 37 and the refrigerant compressor 1 would be switched on again as soon as a limit value was undershot.
  • the tubes of one of the two tube groups 13, 14 are arranged within the tubes of the other tube group 13, 14, so that an outer tube 16 encloses at least one inner tube 15;
  • the at least one inner tube 15 is assigned a cold storage tube 17, so that one of the two tubes 15, 17 encloses the other tube 15, 17, the gap between the inner tube 15 and the cold storage tube 17 having a
  • Latent heat storage acting thermal storage medium 18 is filled; one of the two first 19 or second 20 media flows within the at least one inner tube 15 and the other medium 19, 20 flows within the outer tube 16 and thereby outside of the inner tube 15 and also outside of the cold storage tube 17 associated therewith;
  • the thermal storage medium 18 alternately stores or releases heat depending on the operating state of the heat exchanger with fluctuating loads over time, the temperature at each point of the heat transfer surface 31 between the thermal storage medium 18 and the first medium 19 regardless of load-dependent temperature fluctuations of the second medium 20 above the stopping point of the thermal storage medium 18, which acts as a latent heat store, and at least over a substantial range of the
  • Heat transfer surface 31 comes very close to the temperature of the breakpoint.
  • latent heat storage mass as the thermal storage medium, which by suitable selection stops at a certain storage temperature, which in most cases has a phase transition temperature, eg melting temperature, can store considerable amounts of heat in a narrow temperature range

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit thermischem Speicher vorzugsweise zum Trocknen von Druckluft, mit mindestens zwei ineinander angeordneten Rohren (15, 16), wobei in einem Rohr (15, 16) das zu trocknende Gas (19) und im anderen Rohr (15, 16) ein Wärme entziehendes zweites Medium (20) strömt. Jeweils ein äusseres Rohr (16) umschliesst mindestens ein inneres Rohr (15). Dem inneren Rohr (15) ist ein Kältespeicherrohr (17) zugeordnet und der Zwischenraum zwischen diesen beiden Rohren ist mit einem als Latentwärmespeicher geeignetes Medium (18) gefüllt, z.B. mit gefrierendem Wasser. Die Vorrichtung gewährleistet auch bei stark schwankenden Betriebsbedingungen eine konstante Austrittstemperatur des zu trocknenden Gases (19), wobei der Kälteerzeuger im Ein-Aus-Betrieb gefahren werden kann. Das thermische Speichermedium (18) ist in einer gleichmässig dünnen Schicht angeordnet und gewährleistet damit eine günstige Wärmedurchgangszahl, geringe Abmessungen und einfache Herstellbarkeit. Die weitere Ausgestaltung schafft einen bei Phasenänderung des Speichermediums erforderlichen Volumenausgleich und Mittel zur Steuerung.

Description

"Wärmetauscher für Kältetrockneranlaαen"
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Kältetrockneranlagen mit thermischem Speicher, der insbesondere zum Trocknen von Druckluft eingesetzt wird. Anlagen dieser Art sind zur Trocknung aller gasförmigen Medien verwendbar. Die folgenden Ausführungen für Druckluft gelten auch für die Anwendung der Erfindung mit anderen Gasen und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 100 30 627.6-16 in Anspruch, auf die inhaltlich Bezug genommen wird.
Druckluft ist ein Energieträger für Produktionsprozesse und muß definierten Reinheitskriterien genügen. Dabei steht die Forderung nach trockener, sauberer Druckluft im Vordergrund. Bei der Kältetrocknung wird das Gas abgekühlt, wodurch die Speicherfähigkeit für Wasserdampf und andere unerwünschte Bestandteile sinkt, sich diese Bestandteile in flüssiger Form ausscheiden und damit aus dem Gasstrom abgeschieden werden können. Die Abkühlung erfolgt in einem Kältemittel-Gas-Wärmetauscher üblicherweise auf eine Taupunkttemperatur etwas oberhalb von 0°C. Eine zu hohe Taupunkttemperatur führt zu einem unzulässig hohen Feuchtegehalt des getrockneten Gases, eine Temperatur unter 0°C zum Einfrieren des Kältetrockners. Daher muß die niedrigste Gastemperatur in einem möglichst engen Temperaturbereich geregelt werden.
Zur Energieeinsparung wird dem Kältemittel-Gas-Wärmetauscher ein Gas- Gas-Wärmetauscher vorgeschaltet, in dem die warme, zu kühlende Druck- luft im Gegenstrom zur getrockneten, kalten Druckluft strömt und durch deren Kälte energiesparend vorgekühlt wird.
Der Kältemittelkreislauf dieser Kältetrockneranlagen ist auf die höchste im Betrieb auftretende Belastung auszulegen, die durch den Druckluftdurchsatz sowie durch Druckluft- und Umgebungstemperatur bestimmt ist. Bei geringerer Belastung muß die Kälteleistung verringert werden, was durch Beeinflussung des Kältemittelkreislaufes wie z.B. Öffnen eines Heißgas-Bypass-Ven- tils oder durch Ein-Aus-Betrieb des Kältetrockners möglich ist, will man unzulässig niedrige Temperatur der Druckluft vermeiden, die zu einem unerwünschten Einfrieren der ausgeschiedenen Feuchte führen würde.
Die Regelung über Heißgas-Bypass-Ventil führt im Gegensatz zum Ein-Aus- Betrieb zu beträchtlichem Energieverlust. Bei Ein-Aus-Betrieb schwankt die niedrigste Drucklufttemperatur im Kältetrockner, was zu einer unerwünschten Anhebung der Taupunkttemperatur und/oder zu unzulässig niedrigen Temperaturen und Einfrieren führt. Um diese Temperaturschwankungen gering zu halten, werden Wärmespeicher eingesetzt, die eine möglichst hohe Wärmekapazität aufweisen sollten.
Die EP 405 613 beschreibt Wärmetauscher mit Rohren, die rechtwinklig zu den Rohren angeordnete Rippen aufweisen. Bei einem Kältemittel-Luft- Wärmetauscher verbinden diese Rippen eine Rohrschlange, durch die die abzukühlende Luft strömt, mit einer Rohrschlange, durch die das Kältemittel fließt; und bei einem vorgeschalteten Luft-Luft-Wärmetauscher die Rohrschlange mit der abzukühlenden Luft mit einer Rohrschlange, durch die die vom Kältemittel abgekühlte Luft strömt und wieder aufgeheizt wird. Zwischen den Rippen befindet sich eine körnige Masse, die als Wärme- bzw. Kältespeicher dient, und deren Speicherfähigkeit durch Imprägnierung mit Wasser erhöht wird. Dies gilt besonders im Temperaturbereich des Gefrierpunktes von Wasser, da die latente Schmelzwärme des gefrierenden Wassers eine besonders gute Speicherwirkung ergibt. Die EP 045 101 beschreibt einen Kältemittel-Luft-Wärmetauscher, bei dem die zu kühlende Druckluft über ein Wasserbad strömt und sich dabei abkühlt, wobei das Wasserbad selbst durch eine Rohrschlange gekühlt wird, durch die das Kältemittel fließt. Auch bei dieser Anordnung kann die latente Schmelzwärme des gefrierenden Wassers genutzt werden.
Bei üblichen Kältetrocknern mit Heißgas-Bypaß-Ventil oder ähnlichen Mitteln zur Regelung des Kältemittel kreislaufs ohne Nutzung der Speicherwirkung gefrierenden Wassers bestehen die Wärmetauscher beispielsweise aus zwei ineinandergesteckten Rohren, wobei ein Medium durch das innere Rohr, und das andere Medium durch den Zwischenraum zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr strömt. Üblich ist es auch, mehrere innere Rohre in einem gemeinsamen äußeren Rohr anzuordnen.
Diese Rohr-im-Rohr-Wärmetauscher besitzen durch die unmittelbar benachbart fließenden beiden Medien, zwischen denen die Wärme ausgetauscht werden soll, einen sehr guten Wärmedurchgangskoeffizienten und dadurch geringe Abmessungen, sind einfach und kostengünstig herstellbar und im Kältetrockner geometrisch günstig anzuordnen. Weiterhin ist der Abfluß des aus der Luftfeuchte ausgeschiedenen Kondensates optimal, da das die zu entfeuchtende Druckluft führende Rohr mit ständigem Gefälle anzuordnen ist. Allerdings besitzen diese Wärmetauscher nur die geringe Wärmespeicherkapazität der Rohrwandungen, insbesondere keine erhöhte Speicherkapazität durch gefrierendes Wasser. Damit ist ein thermodyna- misch günstiger Ein-Aus-Betrieb nur mit großen Temperaturschwankungen zu verwirklichen.
Die in EP 405 613 beschriebenen Wärmetauscher besitzen zwar eine hohe Wärmespeicherkapazität, jedoch einen ungünstigen Wärmedurchgangskoeffizienten, da die Wärme aus dem ersten Rohr nicht direkt zum zweiten Rohr, sondern über die Rippen und parallel dazu über die mit Wasser imprägnierte Speichermasse fließt. Dadurch werden große Rohrlängen erforderlich, die in Schlangenform anzuordnen sind und damit kein Gefälle für einen optimalen Kondensatabfluß ermöglichen. Dazu ist der Fertigungsaufwand und Raumbedarf gegenüber den beschriebenen Rohr-im-Rohr- Wärmetauschern wesentlich größer.
Der in EP 045 101 beschriebene Kältemittel-Luft-Wärmetauscher besitzt insgesamt zwischen Kältemittel und Druckluft einen im Vergleich zu den Rohr-im-Rohr-Wärmetauschem schlechten Wärmedurchgangskoeffizienten, da der Wärmestrom zusätzlich den Wärmeleitungswiderstand zwischen Rohrwand und Oberfläche des Wasserbades überwinden muß. Zusätzlich ist der Aufwand zur Erzeugung einer ausreichend großen Kontaktfläche zwischen Wasserbad und Druckluft beträchtlich, da große Abmessungen des Druckbehälters zu verwirklichen sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der EP 405 613 einen zur Kältetrocknung von Gasen, insbesondere von Druckluft geeigneten Wärmetauscher mit thermischem Speicher und Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, der einen günstigen Wärmedurchgangskoeffizi- enten sowie eine hohe Wärmespeicherfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher gelöst, bei dem mindestens ein inneres Rohr in einem äußeren Rohr angeordnet, wobei im inneren Rohr eines der beiden Medien und im äußeren Rohr das andere der beiden Medien strömt, die Wärme bzw. Kälte austauschen. Eines der beiden Medien ist der abzukühlende Gasstrom, das andere Medium entweder der Kältemittelstrom oder der Strom des aufzuwärmenden getrockneten Gasstromes, der dabei seine Kälte an den abzukühlenden Gasstrom abgibt. Welches der Medien im inneren und welches im äußeren Rohr strömt, ist für die Erfindung belanglos. Erfindungsgemäß wird in den Wärmefluß zwischen den beiden Medien ein thermisches Speichermedium geschaltet, das durch sein Kältespeichervermögen bei Lastschwankungen, Temperaturschwankungen oder Ein-Aus- Betrieb des Kältemittelstromes etc. für eine über der Zeit quasi konstante Endtemperatur des den betreffenden Wärmetauscher verlassenden abgekühlten Gasstromes sorgt. Das thermische Speichermedium wird von einem Kältespeicherrohr eingeschlossen, wobei das Kältespeicherrohr innerhalb oder außerhalb des inneren Rohres angeordnet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein ringförmiger Zylinder von Spei- chermedium um das im inneren Rohr strömende Medium gelegt, wobei der Wärmefluß diesen ringförmigen Zylinder auf seinem Weg von oder zum im äußeren Rohr fließenden Medium durchwandern muß. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Speichermedium um ein Medium an seiner Phasengrenze, also z.B. gefrierendes Wasser, oder gefrierende Salzlösung oder ein andere Flüssigkeit mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z.B. Alkohol oder Gemische solcher Flüssigkeiten. Diesen Speichermedien soll gemeinsam sein, daß sie jeweils in einem engen Temperaturbereich große Wärme- bzw. Kältemengen speichern und damit die Temperatur des abzukühlenden Gases am Ausgang des erfin- dungsgemäßen Wärmetauschers in einem engen Temperaturbereich regelbar machen, auch wenn die Kälteversorgung des Kältetrockners für eine gewisse Zeitperiode abgeschaltet ist, oder Menge und Temperatur des zuströmenden zu entfeuchtenden Gases stark schwanken. Die Fachbezeichnung für die auf die beschriebene Art gespeicherte Wärme ist „latente Wärme" und „Haltepunkt" für den Bereich, in dem die Wärme latent ohne oder ohne wesentliche Temperaturänderung gespeichert wird (Definitionen nach „Lexikon der Physik, Deutscher Taschenbuch Verlag, Juni 1971 ).
Beim Durchtritt des Wärmestromes durch das thermische Speichermedium und die Wandung des Kältespeicherrohres entsteht ein zusätzlicher Wärmedurchgangswiderstand, der für denselben Wärmestrom eine erhöhte Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien, die sich im Wärmeaus- tausch befinden, oder eine vergrößerte Wärmeaustauschfläche notwendig machen. Daher soll dieser zusätzliche Wärmedurchgangswiderstand möglichst gering sein. Überraschenderweise ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Eis so gut und die Kälte- bzw. Wärmespeicherfähigkeit gefrierenden Wassers so hoch, daß z.B. eine Schichtdicke des ringförmigen Zylinders aus Wasser/Eis von 1 bis 2 mm nur eine unwesentlich Vergrößerung der Wärmetauschfläche erforderlich macht und dennoch bei Vollast des Kältetrockners mit einer Speicherdauer von 5 bis 10 Minuten eine Taupunkttemperatur von nahezu 0°C gewährleistbar macht. Dies ergibt etwa 3 bis 6 Schaltspiele des Kälteaggregates pro Stunde und damit eine durchaus schonende Betriebsweise für kostengünstigen Ein-Aus-Betrieb des Kälteaggregates.
Damit ist die Aufgabenstellung der Erfindung prinzipiell gelöst, wobei der erfindungsgemäße Rohr-im-Rohr-Wärmetauscher mit Kältespeicher gegenüber dem Stand der Technik ohne Kältespeicher kaum vergrößert werden muß und die Vorteile dieser bewährten Konstruktion erhalten bleiben, und andererseits die Vorteile des Kältespeichers ohne die Nachteile der Wärmetauscher nach EP 405 613 nutzbar werden. Insbesondere ermöglicht die Erfindung durch Ein- und Ausschalten des Kälteerzeugers eine einfache lastabhängige Regelung mit nahezu konstanter Austrittstemperatur des zu trocknenden Gases ohne die Gefahr des Überladens des thermischen Speichers oder dessen vollständiges Entladen der Wärmetauscher läßt sich zudem einfacher fertigen und ermöglicht einen guten Kondensatabfluß.
Erfindungsgemäß sind neben gefrierendem Wasser auch andere Latentwärmespeicher wie Salzlösungen oder andere Flüssigkeiten mit niedriger Phasenumwandlungstemperatur also z.B. niedrigem Schmelzpunkt, wie z.B. Alkohol oder Gemische solcher Flüssigkeiten als thermisches Speicherme- dium einsetzbar. Damit wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch bei Kältetrocknern mit Taupunkttemperaturen unter 0°C einsetzbar, z.B. mit einer Taupunkttemperatur von -40°C. Kältetrockner dieser Art sind in der DE 198 08 011 beschrieben. Die Wahl des geeigneten thermischen Speichermediums hängt wesentlich von der gewünschten niedrigsten Gastemperatur des betreffenden Wärmetauschers ab. Kältetrockner dieser Art haben Gas-Gas-Wärmetauscher, in denen das zu entfeuchtende, warme Gas im Gegenstrom mit entfeuchtetem, kalten Gas auf Temperaturen direkt über 0°C abgekühlt und das ausgeschiedene Kondensat in flüssiger Form abgeleitet wird, gefolgt von Gas-Gas-Wärmetauschern und Kältemittel-Gas- Wärmetauschern, in denen die abzuscheidende Feuchte hauptsächlich in fester Form als Eis anfällt. In Kältetrockner dieser Art wird zweckmäßiger- weise ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher als Gas-Gas-Wärmetauscher mit Wasser als Speichermedium im Bereich von 0°C und ein anderer erfindungsgemäßer Wärmetauscher als Gas-Gas-Wärmetauscher oder Kältemittel-Gas-Wärmetauscher mit einem thermischen Speichermedium mit entsprechend niedrigem Haltepunkt im Bereich der niedrigsten Gastemperatur, also z.B. bei -40°C eingesetzt. Die notwendige Enteisung dieser speziellen Kältetrockner soll hier nicht behandelt werden.
Erfindungsgemäß kann das Kältespeicherrohr innerhalb des inneren Rohres angeordnet sein, oder dieses umschließen. Der ringförmige Zylinder aus thermischem Speichermedium schließt im ersten Fall an die Innenwand- und im zweiten Fall die Außenwand des Rohres an. Dabei kann ein äußeres Rohr ein Innenrohr/Kältespeicherrohr umfassen oder mehrere. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind nicht ein einzelnes sondern mehrere innere Rohre gemeinsam in dem thermischen Speichermedium eines einzelnen Kältespeicherrohres, und alle zusammen in einem einzelnen äußeren Rohr angeordnet.
Innenrohr, Außenrohr und Kältespeicherrohr können erfindungsgemäß beliebig geformte Querschnitte haben, wie z.B. im Wesentlichen rechteckig, dreieckig, oval. Bevorzugt ist jedoch aus Gründen der Druckfestigkeit eine kreisrunde Form. Auch ist es möglich, den Wärmetauscher ähnlich einer Bienenwabe aufzubauen, bei dem um jeweils eine vom ersten Medium durchströmte „Wabe" von z.B. 6 Waben umgeben ist, die von zweiten Medium durchströmt werden, wobei die Wabenwandungen doppelwandig ausgeführt sind und das thermische Speichermedium enthalten. Auch so ergeben sich innere und äußere Rohre und Kältespeicherrohre.
Einige der erfindungsgemäß einsetzbaren thermischen Speichermedien weisen bei Phasenänderung eine beträchtliche Änderung des spezifischen Volumens auf. So vergrößert sich das spezifische Volumen von Wasser beim Gefrieren um ca. 13%. Das Kältespeicherrohr ist daher erfindungsge- maß entweder aus elastisch verformbaren Werkstoff zu gestalten, oder es sind im Kältespeicherrohr unter Druck verformbare Elemente, z.B. aus Schaumstoff anzuordnen, oder das Kältespeicherrohr ist an ein Ausgleichsvolumen anzuschließen. Bei elastischer Verformbarkeit ist die Anpassung an die Volumenänderung durch Änderung der Form des Rohrquerschnitts bei gleicher Mantelfläche oder durch Änderung der Mantelfläche bei im Wesentlichen gleicher Form des Rohrquerschnitts erzeugbar. Im zweiten Fall kann ein als Schlauch ausgeführtes Rohr mit kreisförmigem Querschnitt eine Durchmesseränderung erfahren, im ersten Fall sich z.B. ein ovaler Querschnitt zu einem kreisförmigen hin ändern.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, das Ausgleichsvolumen als Druckspeicher auszuführen, wobei der auf dem thermischen Speichermedium lastende Druck dann dem Systemdruck - also dem Druck des zu trocknenden Gases - entspricht oder bei Umgebungsdruck im Kältespeicherrohr die umgebende Atmosphäre als Ausgleichsvolumen zu nutzen, wobei dann die Druckdifferenz zwischen Systemdruck und Atmosphärendruck auf dem Kältespeicherrohr lastet. Dabei kann das Kältespeicherrohr an einem oder beiden Enden mit einem Ausgleichsvolumen verbunden sein. Bei in diesem Sinne ungünstiger Gestaltung des Kältespeicherrohres kann dies die Gefahr in sich bergen, daß z.B. bei Verwendung von Wasser als thermischem Speichermedium in Rohrlängsrichtung betrachtet einzelne Bereiche des Kältespeicherrohres zufrieren und damit zwischen solchen zugefrorenen Stellen ein geschlossenes Volumen und in diesem bei Gefrieren weiteren Wassers sehr hohe Drücke entstehen können. Daher ist in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ein Ausgleichsverbinder im Kältespeicherrohr angeordnet, der alle Längenbereiche dieses Rohres verbindet und für einen Druckausgleich und Verbindung mit dem Ausgleichsvolumen sorgt. Im Rahmen der Erfindung liegen ganz unterschiedliche Ausführungsformen des Ausgleichsverbinders, wie z.B. als mit nicht gefrierendem Medium gefüllter elastischer Schlauch. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Ausgleichsverbinder in Längsrichtung betrachtet in kurzen Abständen Öffnungen, die sein Innenvolumen mit dem übrigen Volumen des Kältespeicherrohres verbinden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausgleichsverbinder als Ausgleichsrohr aus wärmeisolierendem Werkstoff ausgeführt, und im Ausgleichsrohr eine Heizung angeordnet, die bevorzugt aus einem mit niedriger Spannung betriebenen elektrischen Heizleiter besteht.
Betrachtet man zur Erläuterung der folgenden Erfindungsgedanken einen Wärmetauscher, bei dem im inneren Rohr als zweites Medium verdampfendes Kältemittel fließt und im äußeren Rohr abzukühlendes Gas als erstes Medium, wobei gefrierendes Wasser als thermisches Speichermedium im das innere Rohr umgebenden Kältespeicherrohr angeordnet ist, so wird bei laufendem Kältemittelverdichter und geringer thermischer Belastung infolge nur geringer Gasströmung mehr und mehr Wasser zu Eis gefrieren und dabei das Gas bis auf eine Temperatur geringfügig über 0°C abkühlen. Da das Gas mit hoher Temperatur in das äußere Rohr eintritt, wird dort auch das Wasser bei hoher Temperaturdifferenz und hoher Wärmestromdichte zwischen Gas und Kältemittel eine Temperatur deutlich über 0°C annehmen und es wird dort nicht zum Gefrieren kommen. Dagegen wird die Gastemperatur schon nach Durchströmen eines Teils der Rohrlänge des äußeren Rohres eine Temperatur von nahezu 0°C annehmen, und daher in diesem Bereich und besonders im Verlaufe der folgenden restlichen Rohrlänge ein schnelles Gefrieren des Wassers und ein schnelles Wachstum des das innere Rohr umgebenden Eispanzers stattfinden. Im Ergebnis wird zum Rohrende hin bald das gesamte Wasser gefroren sein und damit die Gefahr bestehen, daß die Temperatur des Eispanzers unter 0°C abfällt, was zu einem Vereisen des vom Gasstrom mitgeführten Kondenswassers auf der Außenseite des Kältespeicherrohres führen würde. Im Rahmen der Erfindung liegt es daher auch, das thermische Speichermedium zumindest in Intervallen in Rohrlängsrichtung zu bewegen, um warmes und kaltes Wasser auszutauschen und zu einem über die Rohrlänge gleichmäßigeren Gefrieren und damit zu einer besseren Aufladung des thermischen Spei- chers beizutragen und zu frühzeitiges vollständiges Gefrieren in Teilbereichen des Kältespeicherrohres zu vermeiden.
Die Bewegung des thermischen Speichers in axiale Rohrlängsrichtung erfolgt über eine Pumpvorrichtung, die als sehr kleine Umwälzpumpe aus- geführt sein kann, welche in eine Verbindungsleitung zwischen beiden Enden des Kältespeicherrohres eingebaut ist. Diese Pumpe wird während des Aufladens des thermischen Speichermediums, also z.B. bei laufendem Kältemittelverdichter eingeschaltet oder auch nur in begrenzten Zeitsegmenten während des Aufladens. Als Pumpe eignen sich besonders solche mit leckagefreiem Spaltrotor-Motor und einer Leistungsaufnahme von wenigen Watt. Während des Pumpvorganges kann mit einfachen Mitteln, z.B. mit einem elektronischen Druck- oder Diffenzdruckauf nehmer der Fließwiderstand gemessen werden, der mit zunehmendem Gefrieren steigt und eine Aussage über den optimalen Zeitpunkt für Ein- bzw. Ausschalten des Käl- teerzeugers erlaubt. Als Pumpvorrichtung sind auch andere Vorrichtungen einsetzbar, z.B. je ein Ausgleichsbehälter an jedem Ende des Kältespeicherrohres, zwischen denen durch Einsatz von Druckluft das thermische Speichermedium hin- und hergepumpt wird.
Im Rahmen der Erfindung liegen alle möglichen Gestaltungsformen der Wärmetauscherrohre (inneres Rohr, äußeres Rohr, Kältespeicherrohr) und deren Verbindung untereinander. Dabei können in einer einfachen Ausfüh- rungsform die drei Rohre, ohne in ihrem Verlauf, abgesehen von der Anbin- dung an Anschlussleitungen an ihren beiden Enden, weitere Befestigungen oder Abstandshalter untereinander zu haben, ineinander geschoben angeordnet sein. Auch können mehrere innere Rohre ohne weitere Befestigung untereinander oder zu dem sie umgebenden Kältespeicherrohr in dieses geschoben angeordnet sein. Bevorzugt sind die Rohre jedoch untereinander fixiert und in definiertem Abstand gehalten, um optimale Bedingungen für den Wärmeübergang und die Kältespeicherung zu gewährleisten. Dies kann durch Ausstattung der Rohre mit Rippen oder anderen Abstandshaltern geschehen, die bei Anordnung der Rohre ineinander einen gleichmäßigen Abstand gewährleisten. So kann z.B. das innere Rohr angeformte Abstandshalter besitzen, die es im das innere Rohr umgebende Kältespeicherrohr zentrieren, und das Kältespeicherrohr seinerseits ebenfalls Abstandshalter aufweisen, die es im umgebenden äußeren Rohr zentrieren. Dies sind nur Beispiele für mögliche Ausgestaltungsformen der Rohre und Abstandshalter, die alle im Erfindungsumfang liegen sollen.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Rohre gemeinsam herstellbar auszuführen, so z.B. durch Aluminium-Strangpressen, und dabei Rohre und Rippen zusammen herstellbar zu gestalten. So kann man beispielsweise inneres Rohr und das dieses umschließende Kältespeicherrohr gemeinsam herstellbar ausführen, wobei z.B. zwei, drei oder vier Rippen die beiden Rohre miteinander verbinden. Das Kältespeicherrohr kann dann auf seiner Außenseite glatt sein oder weitere Rippen aufweisen, die es einzeln in einem äußeren Rohr zentrierbar machen oder bei mehreren in einem gemeinsamen äußeren Rohr die Kältespeicherrohre untereinander auf Abstand halten. Im Rahmen der Erfindung liegt es dann auch, inneres Rohr, Kältespeicherrohr und äußeres Rohr einschließlich verbindender Rippen gemeinsam herstellbar auszuführen. Wichtig ist es, daß die Rippen so dünn sind, daß sie keinen wesentlichen Wärmefluß unter Überbrückung des thermischen Speichermediums ermöglichen und die Strömung der Medien nicht behindern. Erfindungsgemäß ist es auch, Abstandshalter oder Rippen ohne feste Verbindung zu den Rohren zwischen diesen anzuordnen. Dabei kann es vorteilhaft sein, diese Rippen oder Abstandshalter in einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit auszuführen. Vorteilhaft ist es auch, eines oder mehrere der Rohre (inneres, äußeres Rohr, Kältespeicherrohr) mit in Längsrichtung der Rohre angebrachten Nuten auszustatten, welche die Rippen in Position halten. Die gesondert herstellbaren Rippen oder Abstandshalter sind in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Öffnungen ausge- stattet, die einen Druckausgleich unter den Teilräumen ermöglichen, die innerhalb der Rohre durch Anordnung der Rippen gebildet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt das Kältespeicherrohr zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche eine gewellte Form, wobei es an den Wellenbergen dem äußeren Rohr und an den Wellentälern dem inneren Rohr nahe kommt. An einem oder mehreren der Wellenberge ist das Kältespeicherrohr über Rippen mit dem äußeren Rohr und an einem oder mehreren der Wellentäler über Rippen mit dem inneren Rohr verbunden, wobei die Rippen Teil der Rohrwand oder angeformt sein oder aus separaten Teilen bestehen können.
Für die Gestaltung des Kältespeicherrohres aus elastischem Werkstoff liegen ganz unterschiedliche Ausbildungsformen im Rahmen der Erfindung, wobei die folgenden nur beispielhaft genannt sind: ein elastischer Schlauch aus Kunststoff oder gewellter Metallfolie ist über das innere Rohr gezogen angeordnet und an seinen Enden mit dem inneren Rohr verbunden (z.B. durch Klemmring, Kleben) oder in das äußere Rohr gesteckt angeordnet und an seinen Enden mit diesem verbunden; spiralförmig wickelbarer Schlauch geringen Querschnitts, der um das innere Rohr gewickelt, oder in dieses oder das äußere Rohr gesteckt angeordnet ist. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, im Strömungsraum des ersten und/oder des zweiten Mediums Strömungsleitvorrichtungen anzubringen, die die Strömung in Richtung eines verbesserten Wärmeüberganges beeinflussen. Dies können z.B. Einbauten zur Verwirbelung oder zur Drallerzeugung oder zu Erzeugung einer spiralförmigen Durchströmung mit entsprechender Geschwindigkeitserhöhung sein, oder Verformungen der Rohrwände zur Erzeugung der beschriebenen Effekte. Auch können die zuvor beschriebenen Abstandshalter und/oder Rippen so ausgebildet sein, daß die beschriebenen Effekte erzeugt werden.
In den bisherigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der Wärmetauscher zur Vereinfachung der Beschreibung aus einem einzelnen äußeren Rohr. Zum Erfindungsumfang gehört jedoch auch ein Wärmetauscher, bestehend aus zwei Rohrgruppen aus jeweils mehr als einem Rohr, wobei in den Rohren der ersten Rohrgruppe das zu kühlende Gas strömt, und in den Rohren der zweiten Rohrgruppe das dem zu kühlenden Gas Wärme entziehende zweite Medium (das z.B. das von einem Kälteerzeuger geliefertes Kältemittel oder aufzuwärmendes getrocknetes Gas sein kann), wobei alle Rohre der ersten Rohrgruppe innere Rohre sein kön- nen und die Rohre der zweiten Rohrgruppe dann die inneren Rohre umgebende äußere Rohre sind, oder umgekehrt alle Rohre der zweiten Rohrgruppe die inneren Rohre sind und die Rohre der ersten Rohrgruppe dann die inneren Rohre umgebende äußere Rohre. Die inneren Rohre sind an beiden Enden in jeweils ein Sammelrohr geführt; auch die äußeren Rohre sind an beiden Enden mit jeweils einem Sammelrohr verbunden; dies gilt auch für die Kältespeicherrohre, sofern diese an einen gemeinsames Ausgleichsvolumen anschließbar gestaltet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Rohrgruppen bestehend aus jeweils mehreren Rohren sind jeweils ein inneres und ein äußeres Rohr sowie ein Kältespeicherrohr im Wesentlichen gleichachsig angeordnet, wobei das äußere Rohr das innere umschließt und das Kälte- speicherrohr entweder vom inneren Rohr umschlossen wird oder dieses umschließt. Die äußeren Rohre sind parallel zueinander angeordnet und mit dem betreffenden Sammelrohr z.B. durch Löten oder Verschrauben druckdicht verbunden, wobei diese Sammelrohre parallel zueinander und senk- recht zu den Rohrachsen der äußeren Rohre angeordnet sind. Innere Rohre und Kältespeicherrohre durchdringen diese Sammelrohre, wobei die Außenseite des äußeren beider Rohre auf der der Verbindung zwischen äußerem Rohr und zugehörigem Sammelrohr gegenüberliegenden Umfangsseite des Sammelrohres mit diesen Sammelrohren druckdicht ver- bunden ist. Auch die inneren Rohre sind an beiden Enden in jeweils einem Sammelrohr zusammengefaßt, ebenfalls die Kältespeicherrohre, wobei die inneren Rohre die Sammelrohre der Kältespeicherrohre durchdringen, wenn die Kältespeicherrohre die inneren Rohre umfassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung und deren Umfeld werden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigen:
Fig. 1 Schematische Darstellung eines Wärmetauschers zur Kältetrocknung von Druckluft nach dem Stand der Technik
Fig. 2 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer bevorzugten Rohranordnung
Fig. 3 Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauschern, beste- hend aus zwei Rohranordnungen gemäß Fig. 2
Fig. 4 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer Rohranordnung gemäß Fig. 2 mit einer bevorzugten Fixierung der Rohre
Fig. 5 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer weiteren bevorzugten Rohranordnung mit mehreren inneren Roh- ren, jeweils versehen mit einem Kältespeicherrohr, und einem äußeren Rohr
Fig. 6 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer weiteren bevorzugten Rohranordnung mit mehreren inneren Rohren, einem gemeinsamen Kältespeicherrohr und einem äußeren Rohr
Fig. 7 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer Rohranordnung gemäß Fig. 4 mit unterschiedlicher Fixierung der
Rohre
Fig. 8 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer Rohranordnung gemäß Fig. 4 mit unterschiedlicher Gestaltung des Kältespeicherrohres
Fig. 9 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einer Rohranordnung gemäß Fig. 2 mit zusätzlichem Ausgleichsverbinder
Fig. 10 Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einem anderen Ausführungsbeispiel zur Gestaltung des Kältespeicherrohres
Fig. 11 Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit Aus- gleichsbehälter und Pumpvorrichtung mittels Druckbeaufschlagung
Fig. 12 Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit Ausgleichsbehälter und Umwälzpumpe
Fig. 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Kältetrocknung von Druckluft, wie sie nach dem Stand der Technik aufgebaut ist und betrieben wird. Sie weist in dieser einfachsten Form einen Kältemittelverdichter 1 , einen Kältemittelverflüssiger 2, einen Kältemittel/Gas-Wärmetauscher 3 und ein Drosselorgan 4 zur Drosselung der Kältemittelströmung auf. Der Kältemittelverflüssiger 2 kann luftgekühlt oder wassergekühlt sein. Das Kältemittel, das in der gestrichelt gezeichneten Kältemittelleitung 9 strömt und dessen Strömungsrichtung der Richtungspfeil 11 zeigt, wird in flüssiger Form in die Kühlrohre des Kältemittel/Gas- Wärmetauschers 3 eingespritzt, verdampft dort unter Wärmeaufnahme, wird vom Kältemittelverdichter 1 angesaugt, verdichtet und in den Kältemittelverflüssiger 2 gedrückt, wo der Dampf unter Wärmeabgabe wieder kondensiert. Die Vorrichtung ist zusätzlich mit einem Gas/Gas-Wärmetauscher 12 ausgerüstet, in dem einerseits das aus dem Kältemittel/Gas-Wärmetauscher 3 austretende Gas erwärmt und andererseits das vom Gaseintritt 7 zuströmenden feuchte Gas abgekühlt wird. Der Gas/Gas-Wärmetauscher 12 bewirkt ganz beträchtliche Energieeinsparungen und senkt die relative Feuchte des aus der Vorrichtung austretenden Gases. Das Gas, insbesondere Druckluft, strömt vom Gaseintritt 7 über den Gas/Gas-Wärmetauscher 12 in den Kältemittel/Gas-Wärmetauscher 3, wird in beiden Wärmetauschern 3, 12 abgekühlt, scheidet dabei bestimmungsgemäß Feuchte ab und verläßt die Vorrichtung wieder über den Gasaustritt 8. Die Richtungspfeile 10 zeigen die Strömungsrichtung des Gases, das in der Gasleitung 6 strömt. Die als Kondensat ausgeschiedene Feuchte wird über den Kondensatabieiter 5 abgeführt. Die Taupunkttemperatur des getrockneten Gases wird durch die niedrigste Gastemperatur bestimmt, die bei der dargestellten Ausführungsform an dem Gasaustritt 8 zugewandten Ende des Kältemit- tel/Gas-Wärmetauschers 3 vorliegt. Will man ein Vereisen der Gasleitung 6 und der Strömungskanäle des Kältemittel/Gas-Wärmetauschers 3, deren durch Eisansatz bedingtes Zuwachsen und damit zusammenhängende Betriebsstörungen vermeiden, so muß die Vorrichtung so betreibbar sein, daß im Kältemittel/Gas-Wärmetauscher 3 Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser ausgeschlossen sind. Dies wird durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers als Kältemittel/Gas-Wärmetauschers 3 mit z.B. gefrierendem Wasser als thermischem Speichermedium erreicht, auch wenn der Kälteerzeuger im Ein-Aus-Betrieb gefahren wird.
Betreibt man die Vorrichtung nach dem Stand der Technik bei Gastempe- raturen unter 0 °C, und läßt damit ein Vereisen zu, so muß zumindest ein Teil der Vorrichtung in gewissen Zeitabständen enteist werden. Eine Vorrichtung dieser Art sind in DE 198 08 011 beschrieben. Würde die Vorrichtung nach Fig. 1 mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser betrieben, so würde in einer bevorzugten Ausführungsform der Gas/Gas-Wärmetauscher 12 als erfindungsgemäßer Wärmetauscher z.B. mit gefrierendem Wasser als thermischem Speichermedium ausgestattet und an seinem Ausgang vor dem Übergang in den Kältemittel/Gas-Wärmetauscher 3 mit einem nicht dargestellten Kondensatabieiter ausgerüstet, und der Kältemittel/Gas-Wärmetauscher 3 als weiterer erfindungsgemäßer Wärmetauscher mit einem latenten Kältespeicher mit entsprechend niedrigem Schmelzpunkt ausgestattet. Bei Einsatz der beiden erfindungsgemäßen Wärmetauscher in diesem Anwendungsbeispiel gewährleistet die Kältetrockneranlage in allen Lastbereichen und bei unterschiedlichen Temperaturen der eintretenden Druckluft auch bei energiesparendem Ein-Aus- Betrieb, daß der Gas/Gas-Wärmetauscher 12 nicht einfriert und eine zuverlässige Kondensatabfuhr sicherstellt, und daß die vorgesehene Taupunkttemperatur als niedrigste Gastemperatur am Ausgang des Kältemittel/Gas- Wärmetauschers 3 eingehalten wird.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Dargestellt ist im Querschnitt jeweils ein Rohr einer ersten 13 und einer zweiten Rohrgruppe 14, wobei im als inneres Rohr 15 ausgeführten Rohr der ersten Rohrgruppe 13 ein erstes Medium 19 strömt, und im als äußeres Rohr 16 ausgeführten Rohr der zweiten Rohrgruppe 14 ein zweites Medium 20 strömt und wobei sich beide Medien 19, 20 im Wärmeaustausch befinden. Beide Rohre sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einer gemeinsamen Rohrlängsachse 23 angeordnet. Um das innere Rohr 15 ist das Kältespeicherrohr 17 gelegt, wobei der Zwischenraum zwischen innerem Rohr 15 und Kältespeicherrohr 17 mit dem thermischen Speichermedium 18 gefüllt ist. Der Wärme- bzw. Kältestrom zwischen beiden Medien 19, 20 verläuft über das thermische Speichermedium 18, das damit weitgehend unabhängig von den Durchflußmengen der Medien 19, 20 und deren Eintrittstemperaturen in den erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Austrittstemperatur des abzukühlenden ersten Mediums 19 kontrolliert. Wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gefrierendes Wasser als thermisches Speichermedium 18 eingesetzt, so liegt die Austrittstemperatur des ersten Mediums 19 geringfügig über °C, sofern bei Ein-Aus-Betrieb des Kältemittelverdichters 1 die Schaltfrequenz so gewählt wird, daß das Wasser nicht vollständig gefriert und das Eis nicht vollständig auftaut. Da sich die Rohre 15, 16 nicht direkt berühren, gibt es keinen unzulässigen direkten Wärmestrom zwischen den Medien 19, 20. Selbst wenn sich in diesem Ausführungsbeispiel die Rohre 15, 16, 17 mangels Fixierung untereinander berühren würden, so wäre der direkte Wärmeübergang infolge der unterschiedlichen Krümmungsradien der Rohrwände der Rohre 15, 16, 17 sehr gering.
Bleibt man bei den weiteren Erläuterungen bei gefrierendem Wasser als thermischem Speichermedium 18 und überträgt die Erläuterungen sinngemäß auf andere erfindungsgemäß als thermisches Speichermedium 18 einsetzbaren Stoffe, so dehnt sich das Wasser-Eis-Gemisch beim Gefrieren beträchtlich aus und könnte im Zwischenraum zwischen den Rohren 15, 17 sehr hohe Drücke erzeugen, würde man diesen Zwischenraum nicht an ein nicht dargestelltes Ausgleichsvolumen anschließen. Eines von beiden Enden oder beide Enden des im Querschnitt dargestellten Kältespeicherrohres 17 werden an dieses Ausgleichsvolumen angeschlossen, also vielmehr der Zwischenraum zwischen innerem Rohr 15 und Kältespeicherrohr 17. Steht dieses Ausgleichsvolumen erfindungsgemäß unter atmosphärischem Druck, so muß das Kältespeicherrohr 17 für den Überdruck des zweiten Mediums 20 auf Außendruck dimensioniert sein. Daher kann es ebenfalls erfindungsgemäß von Vorteil sein, das Ausgleichsvolumen als Druckspeicher auszuführen, dessen Druck ungefähr dem Druckniveau der Medien 19, 20 entspricht.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, daß das erste Medium 19 im äußeren Rohr 16 fließt, und das zweite Medium 20 entsprechend im inneren Rohr 15. Auch könnte das Kältespeicherrohr 17 vom inneren Rohr 15 umschlossen werden. Die dargestellten Rohre 15, 16, 17 des Ausführungsbeispiels haben kreisrunden Querschnitt und konstante Wandstärke, wobei die Rohrwände in einem Grauton dargestellt sind. Erfindungsgemäß kann der Querschnitt eines oder mehrerer der Rohre 15, 16, 17 auch eine andere als kreisrunde Form annehmen, und eines oder mehrerer der Rohre 15, 16, 17 können mit nicht dargestellten Ausformungen versehen sein, die die Position der Rohre 15, 16, 17 untereinander fixieren. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, die Rohre 15, 16, 17 aus allen möglichen Materialien und mit unterschiedlichen Materialstärken auszuführen, so z.B. aus Metall oder Kunststoff, als steifes Rohr oder als flexibler Schlauch oder als dünne Folie.
Fig. 3 zeigt zwei innere Rohre 15, zwei äußere Rohre 16 und zwei Kälte- speicherrohre 17, wobei jedes dieser je zweifachen Rohre 15, 16, 17 jeweils an ein Sammelrohr 26 angeschlossen ist und die Rohrlängsachsen 23 der Sammelrohre 26 parallel angeordnet sind. Dabei durchdringen innere Rohre 15 und Kältespeicherrohe 17 das Sammelrohr 26, an das die beiden äußeren Rohre 16 angeschlossen sind, und die Außenseiten der Kältespeicher- röhre 17 sind dichtend mit diesem Sammelrohr 26 verbunden. Die inneren Rohre 15 durchdringen das Sammelrohr 26, an das die Kältespeicherrohre 17 angeschlossen sind, und die Außenseiten der Innenrohre 15 sind dichtend mit diesem Sammelrohr 26 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung strömt in den inneren Rohren 15 Kältemittel als zweites Medium 20, dargestellt durch die Richtungspfeile 11 der Kältemittelleitung 9. Der abzukühlende Gasstrom, dargestellt durch die Richtungspfeile 10, strömt als erstes Medium 19 in den äußeren Rohren 16. Das Sammelrohr 26, an das die das thermische Speichermedium 18 führende Kältespeicherrohre 17 angeschlossen sind, wirkt als Ausgleichsvolumen 21 oder ist an dieses angeschlossen. Die äußeren Rohre 16 bilden in diesem Ausführungsbeispiel die erste Rohrgruppe 13, und die inneren Rohre 15 die zweite Rohrgruppe 14.
Das in Fig. 3 dargestellte Beispiel eines erfindungsgemäßen Anschlusses der Rohre 15, 16, 17 an Sammelrohre 26 ist analog auch am anderen Ende der Rohre 15, 16, 17 vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Ausfüh- rungsformen des Anschlusses der Rohre 15, 16, 17 an Zuführleitungen für das erste und zweite Medium 19, 20 und Verbindungsleitungen für das thermische Speichermedium 18 ausführbar, die alle zum Umfang der Erfindung gehören.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei handelt es sich um die in Fig. 2 beschriebenen Einzelheiten mit denselben Bezugszeichen, wobei die drei Rohre 15, 16, 17 untereinander durch Rippen 22 verbunden sind, die die Lage der Rohre 15, 16, 17 untereinander fixieren. Die Rippen 22 können jeweils einseitig an einem der Rohre 15, 16, 17 befestigt oder mit diesem zusammen herstellbar sein, oder auch an ihren beiden Seiten mit jeweils einem anderen Rohr 15, 16, 17 verbunden sein.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind drei das zweite Medium 20 führende innere Rohre 15 jeweils von einem das thermische Speichermedium 18 beinhaltenden Kältespeicherrohr 17 umgeben und alle zusammen von dem das erste Medium 19 führenden äußeren Rohr 16.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind drei das erste Medium 19 führenden inneren Rohre 15 von einem gemeinsamen das thermische Speichermedium 18 beinhaltenden Kälte- speicherrohr 17 umgeben und dieses von dem das zweite Medium 20 führenden äußeren Rohr 16.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 der Erfindung, das ein inneres Rohr 15 mit einem dazu innenliegenden Kältespeicherrohr 17 darstellt, sind die beiden Rohre 15, 17 mit gesondert herstellbare Rippen 22 untereinander fixiert, wobei diese Rippen 22 einseitig in Längsnuten 24 geführt sind. Im dargestellten Beispiel sind die Rippen 22 vorteilhaft mit Queröffnungen 25 zum Druckausgleich zwischen den von den Rippen 22 gebildeten Teilräumen versehen. Fig. 7 zeigt am unteren Bildrand einen Längenabschnitt einer solchen Rippe 22.
Das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung stimmt mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 überein mit folgenden Unterschieden: Das Kältespeicherrohr 17 ist zu Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche nicht kreisrund sondern in Wellenform ausgeführt, wobei die Wellenberge nahe an das äußere Rohr 16 und die Wellentäler nahe an das innere Rohr 15 heranreichen. An jeweils zwei Stellen ist das Kältespeicherrohr 17 durch Rippen 22 mit dem inneren Rohr 15 und dem äußeren Rohr 16 verbunden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 9, das wiederum mit den Erläuterungen zu Fig. 2 übereinstimmt, ist im thermischen Speichermedium 18 ein als Ausgleichsrohr 28 ausgebildeter Ausgleichsverbinder 27 mit elektrischem Heizleiter 29 angeordnet, der eine Verbindung mit allen Längenbereichen des Kältespeicherrohres 17 für erforderlichen Druckausgleich offen hält und das isolierte Zufrieren abgeschlossener Längenbereiche mit durch die Volumenvergrößerung beim Zufrieren möglichen hohen Drücken verhindert. Weiterhin zeigt Fig. 9 einen Sensor 30, mit dessen Hilfe eine thermische Überladung oder vollständige thermische Entladung des thermischen Speicherme- diums 18 erkennbar wird. Dieser Sensor 30 kann ein Temperatursensor sein, der eine Abweichung von der vorgesehenen Speichertemperatur bei Wasser/Eis durch vollständiges „Zufrieren" oder vollständiges „Auftauen" erkennt. Es kann auch ein Sensor sein, der die hydraulische Durchgängigkeit mißt. Dies ist z.B. dadurch zu verwirklichen, daß an einem Ende des Kältespeicherrohres 17 eine hydraulische Schwingung erzeugt und deren Durchleitung über die Länge des Kältespeicherrohres 17 oder deren Beein- trächtigung bei Anwendung von Wasser/Eis durch Zufrieren überwacht wird.
Fig. 10 zeigt eine besondere Ausbildung der Erfindung, bei der das Kältespeicherrohr 17 als flexibles Rohr kleinen Durchmessers mit nicht kreisförmigem Querschnitt und schraubenförmig aufgewickelt ausgeführt und in das innere Rohr 15 gedrückt montiert ist. Das Kältespeicherrohr 17 hat eine der Innenwand des inneren Rohres 15 zugewandte glatte Fläche, die für einen guten thermischen Kontakt sorgt. Form, Wandung und Material des Kältespeicherrohres 17 sind so elastisch ausgeführt, daß die Änderung des spezifischen Volumens beim Gefrieren durch Änderung des Querschnitts des Kältespeicherrohres 17 ausgleichbar ist.
In Fig. 11 ist an beiden Enden des Kältespeicherrohres 17 je ein Ausgleichsbehälter 32 angeordnet, wobei der eine Ausgleichsbehälter 32a mit einem durch Feder 34 belasteten Kolben 33 ausgerüstet ist. An Stelle des Kolbens könnte vorzugsweise auch eine Trennmembran Verwendung finden. Der andere Ausgleichsbehälter 32b ist über ein als Magnetventil ausgeführtes Druckbeaufschlagungsorgan 35 zeitweise mit Druckluft beaufschlagt, um das thermische Speichermedium 18 vollständig oder teilweise zum Ausgleichsbehälter 32a zu drücken. Nach Entlasten von der Druckluft drückt die Feder 34 thermisches Speichermedium 18 zurück zum Ausgleichsbehälter 32b. Dargestellt ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Drucksensor 39, mit dessen Hilfe der Fließwiderstand ermittelbar ist.
Fig. 12 zeigt einen Ausgleichbehälter 32 mit Füllstandssensor 36 und Umwälzpumpe 37, die in Zeitintervallen zur axialen Verschiebung des thermischen Speichermediums 18 eingeschaltet wird, wobei in dem Ausführungsbeispiel der Fließwiderstand mit einem als Druckdifferenzsensor ausgebildeten Drucksensor 3 gemessen wird. Der Betrieb wäre auch ohne Füllstandsensor 36 möglich, indem während des thermischen Ladevorganges Kältemittelverdichter eingeschaltet die Umwälzpumpe 37 in Intervallen kurz eingeschaltet würde, um eine axiale Verschiebung des thermischen Speichermediums 18 zu erreichen und einem Zufrieren begrenzter Bereiche vorzubeugen, dabei der Fließwiderstand gemessen würde und bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes der Ladebetrieb durch Abschalten des Kältemittelverdichters 1 abgeschlossen würde. Im Entladebetrieb würde durch kurzzeitiges Einschalten der Umwälzpumpe 37 der Fließwiderstand gemessen und der Kältemittelverdichter 1 wieder eingeschaltet, sobald ein Grenzwert unterschritten wäre.
In den Figuren sind nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Erfindung soll sich ausdrücklich über die beschriebenen Beispiele hinaus auf alle anderen möglichen Gestaltungs-, Ausführungs- und Anordnungsformen der Rohre 15, 16 der beiden Rohrgruppen 13, 14, deren Zuordnung und Fixierung untereinander, der Zuordnung der Rohre 15, 16 zu den Medien 19, 20 sowie den Rohrgruppen 13, 14 und ihre Anbindung an die Zuleitungsrohre für die Medien 19, 20 und eventuell vorhandene Aus- gleichsvolumen 21 beziehen. Wichtig ist im Sinne der Erfindung, daß
- die Rohre einer der beiden Rohrgruppen 13, 14 innerhalb der Rohre der anderen Rohrgruppe 13, 14 angeordnet sind, so daß jeweils ein äußeres Rohr 16 mindestens ein inneres Rohr 15 umschließt;
- dem mindestens einen inneren Rohr 15 ein Kältespeicherrohr 17 zugeordnet ist, so daß eines der beiden Rohre 15, 17 das andere Rohr 15, 17 umschließt, wobei der Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr 15 und dem Kältespeicherrohr 17 mit einem als
Latentwärmespeicher wirkenden thermischen Speichermedium 18 gefüllt ist; - eines der beiden ersten 19 oder zweiten 20 Medien innerhalb des mindestens einen inneren Rohres 15 strömt und das andere Medium 19, 20 innerhalb des äußeren Rohres 16 fließt und dabei außerhalb des inneren Rohres 15 und auch außerhalb des diesem zugeordneten Kältespeicherrohres 17;
- der Wärmefluß vom ersten Medium 19 zum zweiten Medium 20 hauptsächlich über das thermische Speichermedium 18 verläuft ohne wesentlichen zusätzlichen direkten thermischen Kontakt der Rohre der beiden Rohrgruppen 13, 14 untereinander;
- und das thermische Speichermedium 18 alternierend Wärme speichert oder abgibt in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Wärmetauschers mit über der Zeit schwankenden Belastungen, wobei die Temperatur an jedem Punkt der Wärmeübertragungsfläche 31 zwischen thermischem Speichermedium 18 und erstem Medium 19 unabhängig von lastabhängigen Temperaturschwankungen des zweiten Mediums 20 oberhalb des Haltepunktes des als Latentwärmespeicher wirkenden thermischen Speichermediums 18 gehalten wird und zumindest über einen wesentlichen Bereich der
Wärmeübertragungsfläche 31 der Temperatur des Haltepunktes sehr nahe kommt.
Dadurch wird insgesamt die Aufgabe der Erfindung gelöst.
Besonders vorteilhaft ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
als thermisches Speichermedium eine sogenannten Latentwärmespeichermasse zu verwenden, die durch geeignete Auswahl bei einer bestimmte Speichertemperatur Haltepunkt, die in den meisten Fällen eine Phasenumwandlungstemperatur z.B. Schmelz- temperatur ist, in einem engen Temperaturbereich beträchtliche Wärmemengen speichern kann
das partielle Zufrieren des thermischen Speichermediums 18 durch seine axiale Verschiebung in Zeitintervallen unter Einsatz einer
Pumpvorrichtung 38 oder durch andere beschriebene Maßnahmen zu vermeiden
ein thermisches Überladen des thermischen Speichermediums 18 oder dessen vollständige thermische Entladung durch Überwachung mit geeigneten Sensoren zu verhindern und mit Hilfe der Sensorsignale durch Ein-Aus-Betrieb der Kältezuführung einen energiesparenden Betrieb mit sehr konstanter Gasaustrittstemperatur sicher zu stellen.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher mit thermischem Speicher zur Kältetrocknung von Gasen, insbesondere zum Trocknen von Druckluft, mit zwei Rohrgrup- pen aus mindestens je einem Rohr, wobei in den Rohren der ersten
Rohrgruppe als erstes Medium das zu kühlende und dadurch zu trocknende Gas und in den Rohren der zweiten Rohrgruppe ein dem zu trocknenden Gas Wärme entziehendes zweites Medium strömt, und wobei die beiden Rohrgruppen in thermischem Kontakt zueinander stehen und ein thermisches Speichermedium umfassen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
die Rohre einer der beiden Rohrgruppen (13, 14) sind innerhalb der Rohre der anderen Rohrgruppe (13, 14) angeordnet, so daß jeweils ein äußeres Rohr (16) mindestens ein inneres Rohr (15) umschließt;
dem mindestens einen inneren Rohr (15) ist ein Kältespeicherrohr (17) zugeordnet, so daß eines der beiden Rohre (15, 17) das andere Rohr (15, 17) umschließt, wobei der Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr (15) und dem Kältespeicherrohr (17) mit einem thermischen Speichermedium (18) gefüllt ist;
eines der beiden ersten oder zweiten Medien (19, 20) strömt innerhalb des mindestens einen inneren Rohres (15) und das andere Medium (19, 20) fließt innerhalb des äußeren Rohres (16) und dabei außerhalb des inneren Rohres (15) und auch außerhalb des ihm zugeordneten Kältespeicherrohres (17);
- und der Wärmeübertragungweg zwischen den Rohren der beiden
Rohgruppen (13, 14) findet hauptsächlich über das thermische Speichermedium (18) statt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelnes inneres Rohr (15) mit zugeordneten Kältespeicherrohr (17) innerhalb des äußeren Rohres (16) angeordnet ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere innere Rohre (15) von einem gemeinsamen Kältespeicherrohr (17) umgeben sind, und das Kältespeicherrohr (17) innerhalb des äußeren Rohres (16) angeordnet ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere innere Rohre (15) mit jeweils einem zugeordneten Kältespeicherrohr (17) innerhalb des äußeren Rohres (16) angeordnet sind.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) innerhalb des zugeordneten inneren Rohres (15) angeordnet ist und von diesem umschlossen wird.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) außerhalb des zugeordneten inneren Rohres (15) angeordnet ist und dieses umschließt.
7. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Rohr (15) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.
8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohr (16) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.
9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) ein starres Rohr mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ist und der Zwischenraum zwischen dem mindestens einen inneren Rohr (15) und Kältespeicherrohr (17) zur Kompensation von Änderungen des spezifischen Volumens des thermischen Speichermediums (18), insbesondere bei Phasenumwandlung wie Gefrieren, an ein Ausgleichsvolumen (21 ) angeschlossen ist.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsvolumen (21) mit der umgebenden Luft verbunden ist.
11. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im thermischen Speichermedium (18) parallel zur Rohrlängsachse (23) ein Ausgleichsverbinder (27) angeordnet ist, der alle Längenbereiche des Zwischenraumes zwischen innerem Rohr (15) und Kältespeicherrohr (17) mit dem Ausgleichsvolumen (21 ) verbindet.
12. Wärmetauscher nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsverbinder (27) als Ausgleichsrohr (28) ausgeführt ist.
13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsrohr (28) mit dem thermischen Speichermedium (18) gefüllt ist und über in kurzen Abständen angeordneten Ausgleichsbohrungen mit dem übrigen thermischen Speichermedium (18) verbunden ist.
14. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des aus wärmeisolierendem Werkstoff bestehenden Ausgleichsverbinders (27) ein sich in Richtung der Rohrlängsachse (23) erstreckender, zur Verhinderung des Einfrierens des innerhalb des Ausgleichsverbinders (27) befindlichen Mediums geeigneter Heizleiter (29) angeordnet ist.
15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (29) durch elektrischen Strom beheizbar ist.
16. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß inneres Rohr (15) und Kältespeicherrohr (17) durch Rippen (22) miteinander verbunden sind, die in Richtung der Rohrlängsachse (23) verlaufen und so gestaltet sind, daß sie keinen wesentlichen Wärmetransportweg zwischen erstem Medium (19) und zweitem Medium (20) bilden.
17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (22) mit einem der beiden Rohre (15, 17) fest verbunden sind und mit diesem eine Einheit bilden, und das anderer Rohr (15, 17) von den Rippen (22) in Position gehalten wird.
18. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Rippen (22) inneres Rohr (15), Kältespeicherrohr (17) und äußeres Rohr (16) miteinander verbinden, und die gesamte Einheit (15, 16, 17, 22) in einem einzigen Fertigungspro- zeß wie z.B. Strangpressen herstellbar ist.
19. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (22) mit keinem der beiden Rohre (15, 17) fest verbunden und mindestens drei Rippen (22) vorhanden sind, wobei Rippen (22) und Rohre (15, 17) mittels je Rippe (22) mindestens einer mindestens einem der beiden Rohre (15, 17) zugeordneten, die Rippe (22) führenden Längsnut (24) positionierbar sind.
20. Wärmetauscher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (22) mit Queröffnungen (25) ausgestattet sind, die einen
Druckausgleich zwischen den durch Rippen (22) und Rohre (15, 17) gebildeten sich in Rohrlängsrichtung (23) erstreckenden Kanälen ermöglichen.
21. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß äußeres Rohr (16) und Kältespeicherrohr (17) durch Rippen (22) miteinander verbunden sind, die in Richtung der Rohriängsachse (23) verlaufen und so gestaltet sind, daß die Strömung des fließenden Mediums (19, 20) nur wenig behindert wird.
22. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) zur Kompensation von Änderungen des spezifischen Volumens des thermischen Speichermediums (18), insbesondere beim Gefrieren, elastisch verformbar ausgeführt ist.
23. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) aus einem Schlauch besteht, der über das innere Rohr (15) gezogen ist und an beiden Enden mit diesem zum Einschluß des thermischen Speichermediums (18) verbunden ist.
24. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) aus einem Schlauch besteht, der in das innere Rohr (15) gesteckt ist und an beiden Enden mit diesem zum Einschluß des thermischen Speichermediums (18) verbunden ist.
25. Wärmetauscher nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) aus einem Wellschlauch besteht.
26. Wärmetauscher nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) aus einem Kunststoffschlauch besteht.
27. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) als gewickeltes Rohr geringen Querschnitts ausgeführt ist, das sich an die Rohrwand des inneren Rohres (15) anlegt.
28. Wärmetauscher nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Kältespeicherrohr (17) an die innere Rohrwand des inneren Rohres (15) anlegt.
29. Wärmetauscher nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältespeicherrohr (17) um das innere Rohr (15) gewickelt ist.
30. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Einheiten - bestehend aus jeweils einem inneren Rohr (15), einem Kältespeicherrohr (17) und einem äußeren Rohr (16) mit gemeinsamer Rohrlängsachse (23) - strömungsmäßig parallel geschaltet und an beiden Enden an jeweils drei Sammelrohre (26) angeschlossen sind, wobei jeweils ein Sammelrohr (26) die parallel geschalteten inneren Rohre (15), Kältespeicherrohre (17) und äußeren Rohre (16) verbindet.
31. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Speichermedium (18) Wasser Verwendung findet.
32. Wärmetauscher nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Speichermedium (18) frierendes Wasser eingesetzt wird, das eine Taupunkttemperatur unmittelbar oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser belastungsunabhängig regelbar macht.
33. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Speicher- medium (18) eine Flüssigkeit eingesetzt wird, die durch ihre im Vergleich zu Wasser niedrige Phasenumwandlungstemperatur, insbesondere ihres niedrigen Schmelzpunktes, eine Taupunkttemperatur unter 0°C, insbesondere im Bereich von - 20°C bis - 70°C, weitgehend belastungsunabhängig regelbar macht.
34. Wärmetauscher nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Speichermedium (18) eine Salzlösung mit einem in der Temperatur engbegrenzten Phasenumwandlungsbereich verwendet wird.
35. Wärmetauscher nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Speichermedium (18) eine organische Substanz mit einem in der Temperatur engbegrenzten Phasenurήwandlungsbereich verwendet wird.
36. Wärmetauscher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Speichermedium (18) ein Alkohol oder ein Alkohol- Gemisch mit einem in der Temperatur engbegrenzten Phasenum- Wandlungsbereich verwendet wird.
37. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des thermischen Speichermediums (18) mindestens ein Sensor (30) angeordnet ist, der durch beginnendes Abweichen von einem vorgegebenen Sollwert ein thermisches Überladen des thermischen Speichermediums (18) oder dessen vollständige thermische Entleerung erkennbar macht.
38. Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (30) ein Temperatursensor verwendet wird.
39. Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (30) ein am Ausgleichsbehälter (32) angeordneter Füllstandssensor (36) verwendet wird, der die Volumenausdehnung des thermischen Speichermediums (18) meßbar macht.
40. Wärmetauscher nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (30) ein Sensor verwendet wird, der durch Überwachung der hydraulischen Durchgängigkeit des thermischen Speichermediums über die Länge des Kältespeicherrohres (17) ein beginnendes „Zufrieren" und damit eine thermische Überladung erkennbar macht.
41. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Speichermedium (18) zumindest zeitweise mit Hilfe einer Pumpvorrichtung (38) in Längsrichtung des Kälte- speicherrohres bewegt wird, um einen axialen Temperaturausgleich herbeizuführen.
42. Wärmetauscher nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung (38) aus einer Umwälzpumpe (37) besteht, die dem Betriebszustand entsprechend ein- und ausgeschaltet wird.
43. Wärmetauscher nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung (38) aus durch das Zusammenwirken von zwei Ausgleichsbehältern (32) und einem Druckbeaufschlagungsorgan (35), bevorzugt einem mit Druckluft wirkenden Magnetventil gebildet wird, wobei einer der Ausgleichsbehälter (32a) als Druckspeicher ausgeführt ist, der bei Druckbeaufschlagung des zweiten Ausgleichbehälters (32b) das außerhalb des Kältespeicherrohres (17) befindliche thermische Speichermedium aufnimmt und mittels Füllstandssensor (36) meßbar macht.
44. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 37 und 41 , dadurch gekennzeichnet, daß thermisches Überladen des thermischen Speichermediums (18) und damit dessen nahezu vollständiges Einfrieren durch Messung des Fließwiderstandes des thermischen Speichermediums (18) überprüft wird.
45. Wärmetauscher nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr über das zweite Medium (20) eingeschaltet wird, sobald der Fließwiderstand einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, und wieder ausgeschaltet wird, sobald der Fließwiderstand eine vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
46. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 45 mit thermischem Speicher zur Kältetrocknung von Gasen, insbesondere zum Trocknen von Druckluft, bestehend aus zwei Rohrgruppen mit mindestens je einem Rohr, wobei in den Rohren der ersten Rohrgruppe als erstes Medium das zu kühlende und dadurch zu trocknende Gas und in den Rohren der zweiten Rohrgruppe ein dem zu trocknenden Gas Wärme entziehendes zweites Medium strömt, und wobei die beiden Rohrgrup- pen in thermischem Kontakt zueinander stehen und ein thermisches
Speichermedium umfassen, das überschüssige Kälteenergie des zweiten Mediums adsorbiert und diese in Betriebsphasen an das erste Medium abgibt, in denen das zweite Medium nicht genügend oder keine Kälteenergie bereitstellt, gekennzeichnet durch folgende Merk- male:
die Rohre einer der beiden Rohrgruppen (13, 14) sind innerhalb der Rohre der anderen Rohrgruppe (13, 14) angeordnet, so daß jeweils ein äußeres Rohr (16) mindestens ein inneres Rohr (15) umschließt; dem mindestens einen inneren Rohr (15) ist ein Kältespeicherrohr
(17) zugeordnet, so daß eines der beiden Rohre (15, 17) das andere Rohr (15, 17) umschließt, wobei der Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr (15) und dem Kältespeicherrohr (17) mit einem als Latentwärmespeicher wirkenden thermischen Speichermedium (18) gefüllt ist;
eines der beiden ersten (19) oder zweiten (20) Medien strömt innerhalb des mindestens einen inneren Rohres (15) und das andere Medium (19, 20) fließt innerhalb des äußeren Rohres (16) und dabei außerhalb des inneren Rohres (15) und auch außerhalb des diesem zugeordneten Kältespeicherrohres (17);
der Wärmefluß vom ersten Medium (19) zum zweiten Medium (20) verläuft hauptsächlich über das thermische Speichermedium
(18) ohne wesentlichen zusätzlichen direkten thermischen Kontakt der Rohre der beiden Rohrgruppen (13, 14) untereinander;
und das thermische Speichermedium (18) speichert oder gibt alternierend Wärme ab in Abhängigkeit vom Betriebszustand des
Wärmetauschers mit über der Zeit schwankenden Belastungen, wobei die Temperatur an jedem Punkt der Wärmeübertragungsfläche (31 ) zwischen thermischem Speichermedium (18) und erstem Medium (19) unabhängig von lastabhängigen Tempera- turschwankungen des zweiten Mediums (20) oberhalb des Haltepunktes des als Latentwärmespeicher wirkenden thermischen Speichermediums (18) gehalten wird und zumindest über einen wesentlichen Bereich der Wärmeübertragungsfläche (31 ) der Temperatur des Haltepunktes sehr nahe kommt.
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