DE2428361A1

DE2428361A1 - Kaelteaustauscheranlage mit eiswasser als zwischentraeger

Info

Publication number: DE2428361A1
Application number: DE19742428361
Authority: DE
Inventors: Otto Eckhardt; Friedhelm Limberger; Heinz Dipl Ing Menne
Original assignee: Benteler Deutschland GmbH
Current assignee: Benteler Deutschland GmbH
Priority date: 1974-06-12
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1976-01-02

Description

Kälteaustauscheranlage mit Eiswasser als Zwischenträger.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteaustauscheranlage mit Eiswasser als Zwischentrager.
Derartige Kälteaustauscheranlagen zur indirekten Kühlung eines Kühlsystems sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, sie bestehen regelmäßig aus einem mehr oder weniger großen offenen Wasserbehälter, in dem Verdampferrohre in Bündel- oder Röhrenkesselbauweise verlegt sind. Es wird periodisch mittels einer Verdampferanlage Eis angesetzt. Das im Behälter befindliche als Zwischenträger dienende Kaltwasser kühlt über die im Behälter zumeist außenherum angeordneten Wärmeaustauscherrohrschlangen das diese durchströmende Kühlwasser zur Versorgung von Klimageräten.
Bei der indirekten Kühlung gibt also der Verdampfes die Kälte an das als Zwischentraaer dienende Kaltwasser ab. Dieses kühlt dann über die Austauscherrohrschlangen das eigentliche Kühlsystem. Schließlich sei der Vollständigkeit halber noch erwähnt, daß z.B.
seit langer Zeit offene Kaltwassersätze bekannt sind, z.B. für die Würzekühlung in Brauereien und für die Milchkühlung in Molkereien, wobei das Kaltwasser einem außerhalb liegenden Austauscher- oder Kühler mittels Pumpe zugeleitet wird.
Es sind Systeme bekannt, wo unabhängig von der Belastung der Anlage Abschmelzwasser von maximal + o,S Grad C entnommen werden kann. Durch Mischventile muß dem Kühlwasser außer dem Abschmelzwasser dann aber noch geregelt zusätzlich anderes Wasser zugeleitet werden, damit dem Klimagerät, d.h., der Verbraucherstelle Kühlwasser der gewünschten Zulauftemperatur zugeführt werden kann.
Es hat nicht an Vorschlägen gefehlt, Rührwerke einzusetzen, um das als Zwischenträger dienende Kaltwasser zu bewegen.
In der deutschen Patentschrift 1.o46 o77 wird z.B.
vorgeschlagen, daß das Wasser durch die umlaufenden Propeller noch eine zusätzliche Bewegungsenergie erhält, die dem Wasser eine kreisende Strömungsrichtung aufzwingen. Es wird vorzeschlazen, daß das Wasser auf seinem gesamten Wege durch den Behälter senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Bewegungsimpulse erhält, welche dem Wasser einen schraubenförmigen Weg durch den Behälter aufzwingen.
Bei den neueren, bekannten Kaltwassersätzen, z.B.
Eisspeichersätzen sind die WSrmeaustauscherrohrschlangen im Behälter außen, um das Verdampferrohrpaket herum angeordnet. Dadurch ist die Länge der Wärmeaustauscherrohre und entserechend auch die Leistung pro Satz begrenzt.
Der Platzbedarf steigt natürlich mit der gewünschten Kältespeicherung, er wird aber von den Architekten zumeist im Verhältnis als zu hoch beanstandet.
Hinzu kommt noch der Umstand, daß derartige Eisspeichersätze als Versorgungszentrum für Klimaanlagen in unseren Lebens- und Wohnbereichen nur einige Monate im Jahr in Betrieb sind.
Der Erfindung liegt follich die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kleine Bauform für die Kilteaustauscheranlage mit Eiswasser als Zwischenträger zu finden. Da die gesamte Kühlanlage nur wenige Wochen im Jahr funktionell gefordert ist, besteht weiterhin die Aufgabe, die VerdamDferaggregate möglichst klein zu halten, was sich sowohl investitionsmäßig, aber auch insgesamt günstig auswirkt.
Die Erfindung betrifft eine Kälteaustauscheranlage mit Eiswasser als Zwischenträger zwischen dem an einem oder mehreren Verdampfersystemen anhaftenden Eis und dem in einem Wärmeaustauscher umlaufenden Kühlwasser.
Die Erfindung besteht darin, daß eine Verdamoferrohrschlange bzw. ein Rohrschlangennaket oben und eine Wärmeaustauscherrohrschlange untenlieg-end, beide jeweils als archimedische Spirale gebogen, deü Behälter ausnutzend, die durch ein überwiegend waagerecht eingefügtes, die Strömung förderndes, durchbrochenes Leitblech getrennt sind, welches im Bereich des Durchbruches zumindest einen Rührwerkflügel angeordnet hat, der seinerseits mit gegenüber dem Kühlwasserlauf gegenläufigem Drehsinn über eine Welle von einem oberhalb angeordneten Motor angetrieben wird und, welches zwischen-sich und der Behälterinnenwand eine zumeist ringförmige Ausnehmung bildet.
Nach bevorzugter Ausführungsform ist der Rührflügel mittig angeordnet und so ausoerormt, daß das Abschmelzwasser dadurch nach unten unter die Leitbleche und dort spiralförmig nach außen gedrückt wird. Hierdurch wird eine überwiegend geaenlaufize Strömungsrichtuna von Abschmelzwasser und in den Wärmeaustauscherrohren fließendem Kühlwasser erreicht.
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß die ans ich waagerecht angeordneten Leitbleche im nüteren Bereich mit gutem Radius umgebördelt in Rohrform übergeführt werden, wodurch zwischen dem so gebildeten Rohr und der Behälter wand ein Ringkanal für das wiederaufsteigende Kaltwasser gebildet wird.
Im senkrechten, d.h., im rohrartigen Bereich sind die Leitbleche umlaufend derart mit Bohrungen und/oder Schlitzen versehen, daß hierdurch den auf Vorrat vereisten, übereinander angeordneten Verdampferschlangen möglichst gleichmäßig wiederaufsteigendes Wasser zugeleitet wird, um ein weitgehend gleichmäßiges Eisabschmelzen zu erreichen.
Bei größeren Kälteaustauscheranlagen können erfindungsgemäß mehrere Rührflügel übereinander angeordnet werden.
Für solche Austauscheranlagen größerer Kapazität wird schließlich vorgeschlagen, 2 übereinanderliegende Verdampferrohrschlangen über 2 Kompressoren zu speisen, die ihrerseits zeitlich versetzt anlaufen. Hierdurch ist die Spitzenbelastung des Stromnetzes merklich gemildert und zusätzlich wird dadurch die Sicherheit für ständige Funktionsbereitschaft erhöht.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen in der durch die vorgeschlagene Bauweise erreichbaren Leistung auf kleinem Raum zu sehen. Es können kleinere Verdampfer gelJ4hlt werden, deren Platzbedarf geringer ist als der einzelner großer Anlagen. Als wesentlicher Vorteil wird herausgestellt, daß die gezielte Führung des Abschmelzwassers zu der Wärmeaustauscherrohrschlange hin möglich ist und die Leistung durch die Regelung der Drehzahl des Rührwerkes variiert werden kann. Dabei ist steuerungstechnisch der große Vorteil gegeben, daß der oder die Kompressoren in größeren Zeitintervallen anlaufen oder gar eine Netzbelastung in Spitzenzeiten der allgemeinen Belastung überhaupt vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird es für wichtig gehalten, daß das vom Wärmeaustauscher zurückkehrende dort durch den Wärmeaustauscher angewärmte Wasser möglichst gleichmäßig einer größtmöglichen vereisten Oberfläche der Verdampferrohrschlange zugeführt wird.
Durch die den Ringkanal bildende Vorrichtung kann vermieden werden, daß bestimmte Partien der Verdamnferrohre im Einzugsbereich der Kaltwasserrückflüsse vorzeitig eisfrei sind und den angestrebten Rhythmus des Vorratsvereisens und des gleichmäßigen Abschmelzens stören. Schließlich ist die Fertigung einfach und kostensrarend dadurch, daß die Verdampferrohrschlangen z.B. standardmäßig für eine bestimmte Leistung ausgelegt sind. Bei mehrfacher Leistung werden die Pakete vervielfacht.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeisniele nachstehend näher erläutert: Figur 1: Schnitt durch eine Austauscheranlave Figur 2: Schnitt durch eine Austauscheranlage mit zwei übereinanderliegenden Verdamnferrohrschlancren mit hochgezoqenen Leitblechen Figur 3: Ouerschnitt durch eine Austauscheranlage nach der Linie II - II der Figur 2.
Figur 4: Querschnitt durch eine Austauscheranlage Rührflügel exzentrisch im Kopfbereich des Behälters angeordnet.
Figur 5: Schnitt durch eine Austauscheranlage mit besonderen Leitblechen.
Figur 6: Querschnitt durch eine Austauscheranlage nach der Linie III-III der Figur 5.
Figur 7: Schnitt durch eine Austauscheranlage mit nebeneinander angeordneten Verdampferrohrschlangen.
Figur 8: Querschnitt durch eine Austauscheranlage in komiakter Ausführung und Behälter in Rundform.
Bei der Kälteaustauscheranlaze nach Figur 1 ist das bevorzugte Schema der obenliegenden Verdamnferrohrschlange (7) und der unten angeordneten Wärmeaustauscherrohrschlange (8) dargestellt, bei der beide Rohrschlangen (7 + 8) durch das waagerecht angeordnete Leitblech (9) getrennt sind. Dieses Leitblech in der einfachsten Form hat einen kurzen Rohrstutzeneinsatz (io) in etwa mittig angeordnet, um gelöste Eisstücke von dem sich drehenden Rührflügel (6) fernzuhalten.
Die Austauscheranlage besteht aus dem Behälter (1) mit der im Deckelbereich angeordneten Traverse (2).
Hierauf ist der Motor (3) montiert, an dessen Wellenverlängerung (4) der Rührflügel (6) befestigt ist. Um die Welle (4) ist ein bis unterhalb der Verdampferrohrschlange (7) reichendes Schutzrohr (5) vorzugsweise aus Kunststoff angeordnet.
Die Verdampferrohrschlange (7) hat über die Verbindungsrohre (75 Anschluß an das Verdampfersystem.
Die Wärmeaustauscherrohre (8) sind mit dem Kühlsystern über die Austauscherverbindungsrohre (85 verbunden. Die im Kühlsystem notwendigen Entlüftungsschrauben und Ventile sind nicht eingezeichnet.
Die Rohrschlangen volldeckend ist Kaltwasser (11) mit einem geeigneten Korrosionsschutzmittel versehen im Behälter (1) eingefüllt.
In Figur 2 ist eine Austauseheranlage dargestellt, bei der im oberen Bereich zwei übereinander liegende Verdampferrohrschlangen (12 und 13) angeordnet sind.
Das Leitblech (14) entspricht zum Teil dem Leitblech (9), ist jedoch seitlich in Rohrform hochgezogen, so daß sich zwischen dem rohrartigen Teil des Leitbleches (14) und der Behälterwand (1) ein Ring kanal (16) für das wiederaufsteigende Kaltwasser bildet.
Für die Ausführungsform gemäß Figur 2 ist der rohrförmige Teil des Leitbleches (14) umlaufend mit Bohrungen und/oder Schlitzen versehen, die der Höhe nach unterschiedlich angeordnet sind. Diese sind in Größe, Anzahl, Höhe und-Abstand so gewählt, daß hierdurch das aufsteigende Kaltwasser den Verdampferrohrschlangen (12 + 13) gleichmäßig zugeleitet wird.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Kälteaustauscheranlage nach der Linie II-II der Figur 2. Der Rührflügel (6) ist mittig angeordnet. In Figur 3 ist die Gegenläufigkeit von Drehbewegung des Rührflügels (6) und der Pumprichtung des Kühlwassers im Wärmeaustauscherrohrsystem veranschaulicht.
Eine besonders günstige Austauscherleistung hat sich ergeben bei Gegenlaufgeschwindigkeiten von Abschmelzwasser gegenüber dem Kiihlwasser von etwa 1 m/sec.
In Figur 4 ist zur Verdeutlichung gegenüber Figur 3 schematisch die Anordnung des Rührflügels (6) exzentrisch in dem Kopf- oder Eckbereich des Behälters (1) dargestellt. Bei dieser Ausführung wird die kreisende Bewegung des Abschmelzwassers (11) unterstützt durch die zusätzliche Anordnung von senkrechten Leitblechen (17) im Bereich der W§rmeaustauscherrohr (8).
In Figur 5 + 6 ist eine Kälteaustauscheranlage dargestellt, bei der ein stärker als üblich dimensionierter Rührflügel (6) nicht nur mittig Abschmelzwasser (11) aus dem oberen Raum abzieht, sondern das Leitblech (18) ist ähnlich (14) ausgebildet, jedoch abweichend davon hat das Leitblech (18) in seinem waagerechten Bereich U-förmige Einstanzungen (19). Die freigestanzten Blechlappen (20) sind etwa 200 nach unten abgewinkelt, wodurch zusätzlich Abschmelzwasser infolge der Injektorwirkung in den Wärmeaustauscherraum gezogen wird. Das System des seitlich wiederaufsteigenden Kaltwassers ist beibehalten.
In Figur 7 ist eine Kälteaustauscheranlage dargestellt, bei der zwei Verdamnferrohrschlangen (21 und 22) in einem Behälter nebeneinander angeordnet sind. Beide Verdampferrohrschlangen sind durch zeitlich versetzten Anlauf der Kompressoren bedingt, stets unterschiedlich stark vereist. Die besonders ausgearbeiteten Leitbleche (14) sind hier mehrfach angewendet.
Bei dieser Doppelanordnung sind im Wärmeaustauscherraum mittig Strömungsbleche (23) angebracht, damit das dem Kaltwasserlauf in den Austauscherrohrschlangen (8) in entgegenlaufendem Drehsinn strömende Abschmelzwasser in der durch den Rührflügel (6) erzeugten Strömungsrichtung nicht abgebremst wird.
Diese Anordnung macht es möglich, daß mit einer Anzahl Wärmeaustauscherrohrschlangen (8) mehrere separate Kiihlsysteme gespeist werden können.
In Figur 8 ist eine Rohrführung gezeigt für eine kompakte Behälterbauweise in runder Form.

Claims

Patentansprüche:

Käl Kälteaustauscheranlage mit Eiswasser als Zwischenträger zwischen dem an einem Verdampferrohrsystem anhaftenden Eis und dem in einem Wirmeaustauscher umlaufenden Kühlwasser d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Verdam»ferrohrschlange (7) bzw. ein Rohrschlangenpaket oben und eine Wärmeaustauscherrohrschlange (8) untenliegend, beide jeweils als archimedische Spirale gebogen, den Behälter ausnutzend, die durch ein über wiegend waagerecht eingefügtes, die Strömung förderndes, durchbrochenes Leitblech (9) getrennt sind, welches im Bereich des Durchbruches zumindest einen Rührwerksflügel (6) angeordnet hat, der seinerseits mit gegenüber dem Kühlwasser gegenläufigem Drehsinn über eine Welle (4) von einem oberhalb angeordneten Motor (3) angetrieben wird und, welches zwischen sich und der Behälterinnenwand eine zumeist ringförmige Ausnehmung (16) bildet.
2. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Rührflügel (6) an einer Motorwellenverlängerung (4) befestigt, mitten im Behälter (1) angeordnet ist und das Abschmelzwasser in einem solchen Drehsinn nach unten drückt, daß eine überwiegend gegenläufige Strömungsrichtung von Abschmelzwasser und in den Wärmeaustauscherrohren (8) fließendem Khlwasser erreicht wird.
3. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1 und 2 d a d u r c h e k e n n z e i c h n e t, daß das ans ich waagerecht angeordnete Leitblech (9) im äußeren Bereich mit gutem Radius umgebördelt in Rohrform übergeführt ist, wodurch zwischen dem so gebildeten Rohr (14) und der Behälterwand ein Ringkanal (16) für das wiederaufsteigende Kaltwasser gebildet wird.
4. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1 bis 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der hochgezogene rohrförmige Teil (14) des Leitbleches derart mit Bohrungen und/oder Schlitzen (15) versehen ist, damit den auf Vorrat vereisten, übereinander angeordneten Verdamnferrohrschlangen (7) möglichst gleichmäßig wiederaufsteigendes Wasser zugeleitet wird.
5. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rührflügel (6) mit Welle (4) und Motor (3) exzentrisch im Behälter (1) angeordnet ist und stirnseitig Kaltwasser ansaugt.
6. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1 + 5 d a d u r c h g e k e n n ze i c h n e t, dass das waagerechte Zwischenblech (9) respektive Leitblech derart mit Bohrungen versehen ist, daß eine nahezu gleichmäßige Beaufschlagung des untenliegenden Wärmeaustauscherrohrschlangenpaketes (8) mittels Abschmelzwasser sichergestellt ist.
7. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1,5 und 6 d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Warmeaustauscherrohrschlangenpaket auf derart angeordneten überwiegend senkrecht ausgebildeten Blechen (17) aus Edelstahl oder Kunststoff ruht, daß dadurch Leitkanäle für das umlaufende Abschmelzwasser entstehen.
8. Austauscheranlage entsPrechend Anspruch 1, 5 6 und 7 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rührflügel (6) das Abschmelzwasser nach unten drückt.
9. Austauscheranlage gemäß Anspruch 1 und 5-8 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Rührflügel (6) an einer Welle (4) übereinander angeordnet sind.
10. Austauscheranlage gemäß Anspruch 1 - 9 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Motor (3) auf einer Traverse (2) montiert ist und um die den Flügel treibende Welle (4) ein Schutzrohr (5) angeordnet ist.
11. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1-10 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens 2 Verdampferrohrs chiangen (7) übereinander angeordnet sind, die von mehreren Verdampfern gespeist, jedoch unterschiedlich stark auf Vorrat vereist sind.
12. Austauscheranlage entssrechend Anspruch 11 d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei Verdampferrohrschlangen (7) bzw. Rohrschlangen: rakete nebeneinander angeordnet sind, die unterschiedlich stark auf Vorrat vereist sind und die zwei Rührflügel (6) jeweils mittig angeordnet haben.
13. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1-4 und 12 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden nebeneinander angeordneten Verdampferrohrschlangen (7) jeweils separate ausgeformte Leitbleche (14) haben, die in der Funktion durch die am Boden angebrachten Zusatzbleche (23) unterstützt werden.
14. Austauscheranlage gemäß Anspruch 11 oder 12 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei oder mehrere Wärmeaustauscherrohrschlangen (8) für getrennte Kühlsysteme im unteren Bereich des Behälters (1) unter den waagerechnten Leitblechen (14) angeordnet sind.
15. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1 und 14 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Strömungsbleche (23) derart geformt sind, daß gleichmßige Beaufschlagrnig der Austauscherrohrbündel (8) gewährleistet ist.
16. Austauscheranlage entserechend Anspruch 1-4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß.

die Behälterform rund ist zur Erzielung einer komtakten Bauweise.
17. Austauscheranlage entsprechend Anspruch 1-10 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die waagerecht angeordneten Leitbleche Förmige Einstanzungen (19) haben und die entstehenden Blechlappen etwa 20 - 30 ° von der Blechebene abweichend nach unten gedrückt sind. Die Einstanzungen sind so anzeordnet, daß die freigeschnittenen nach unten abzubiegenden Blechlannen (20) in die Drehrichtung des Rührflügels (6) weisen. Der Riihrflügel (6) ist stärker als üblich dimensioniert und bewirkt durch die Drehbewegung, daß durch die nach unten abgewinkelten Blechlappen (20) injektorartig zusätzlich Abschmelzwasser in den Wärmeaustauscherraum gezogen wird.
18. Austauscheranlage entsprechend den vorgenannten Ansprüchen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß+Motordrehzahl regelbar ist, um die Abschmelzgewindigkeit des bevorrateten Eises regeln zu können. + die
19. Austauscheranlage entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur gleichmäßigen Kälteversorgung der Austauscherrohrschlangen (8) mit Abschmelzwasser die Regelung der Drehzahl des Rührwerksmotors (3) automatisch erfolat bei größeren und/oder vorgewählten Arbeitsperioden der Verdampferaggregate.

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