VERFAHREN ZUR KÜHLUNG VON VERSCHMUTZTEN FLÜSSIGKEITEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von verschmutzten Flüssigkeiten in einer Kältemaschine, bei indirekter Kühlung mit einer Kühlflüssigkeit, und einen Wärmetauscher für eine Kältemaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Kältemaschinen zur Kühlung von Wasser verwenden bisher meist verdampfendes Kältemittel, das bei Wärmeentzug aus dem zu kühlenden Wasser in einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, eine Änderung in der Phase von flüssig zu gasförmig durchläuft. Derartige Verdampfer werden üblicherweise als Rohrbündelapparate oder Plattenwärmetauscher realisiert.

[0003] Bei verschmutztem Wasser besteht allerdings die Gefahr, daß diese Verdampfer wasserseitig durch Ablagerungen (dem sogenannten Fouling) und Sedimentationen in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.

[0004] Verschmutztes Wasser tritt z. B. bei der Kühlung von unterirdischen Bergwerken und dergleichen auf. Die physikalisch, chemisch und biologisch verursachten Ablagerungen führen dabei dazu, daß die für den Wärmeübergang relevanten Flächen nicht mehr so gut die Wärme leiten, da zusätliche Wärmeleit- und Wärmeübergangswiderstände zugefügt sind, oder daß Wasserräume durch Ablagerung verkleinert werden und letztendlich den Wärmeaustauscher verstopfen. Das Kältemittel wird dabei auf die Wärmetauscher aufgebracht, was ökologische Probleme mit leichter entweichendem Kältemittel mit sich bringt.

[0005] Bisher werden verschmutzte Wärmetauscher chemisch oder physikalisch behandelt, indem sie mit Reinigungsflüssigkeit (ggf. in Rückrichtung) gespült werden (oft auch 'gesäuert' werden) oder indem man auf mechanischem Wege nach einem Öffnen der Wärmetauscher durch Abkratzen oder automatische Wischsysteme ggf. mit zusätzlichen Schleif- und Poliermitteln die Verunreinigungen "abkratzt". In all diesen Fällen sind die Maßnahmen aufwendig und lästig und sind insbesondere kostenintensiv, weil die Kälteanlage während dieser Zeit stillsteht ggf. und für Ersatz gesorgt sein muß. Weiter müssen Verdampfer "kältemittelfest" sein, also aus aufwendigen Werkstoffen völlig dicht sein.

[0006] Konventionelle Plattenkühler können Wasser abkühlen und in bestimmten Fällen auch Wasser gefrieren. Das sich bildende Eis kann durch mechanische oder thermische Methoden von der Platte entfernt werden. Durch den Druck des verdampfenden Kältemittels ist es notwendig, die Platten mechanisch so auszuführen, daß sie die erforderliche Druckfestigkeit aufweisen, um Unfälle auszuschließen und zu verhindern, daß Kühlmittel austritt.

[0007] Die Druckfestigkeit bedingt, daß bei den üblich verwendeten Kältemittel große, den Wärmeübergang reduzierende Wandstärken und zweckmäßige Verbindungstechniken verwandt werden um betriebs- und unfallsicher auszuführen.

[0008] Große Wandstärken bedeuten allerdings auch, daß die Effizienz des Wärmetauschers durch Wärmeleitwiderstände reduziert wird, und letzlich eine höhere Energieaufnahme der Kältemaschine die Folge ist. Gleichzeitig sind die Kosten für die Plattenverdampfer und deren notwendige Peripherie hoch und üblicherweise verwendete Werkstoffe, wie Edelstahl, Aluminium oder Titan sind nur schwer und somit kostenintensiv zu verarbeiten.

[0009] Als Stand der Technik ist die französische Schrift FR-A 2 378 247 zu nennen, in der bereits ein Verfahren zur Kühlung von Fluiden in einer Kältemaschine mit einem drucklosen Wärmeaustauscher und indirekter Kühlung beschrieben ist, wobei Wände in druckloser Umgebung einseitig mit dem Fluid besprüht werden und wobei die rückseitigen Übertragungsflächen der Wände mit einem Kühlmittel aus einem einphasigen Fluid auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt werden und das Fluid wie auch das Kühlmittel jeweils durch Sprühdüsen auf die jeweiligen Oberflächen aufgesprüht und in entsprechenden Sümpfen aufgefangen werden.

[0010] Die Ausbildung der Düsen sowie auch die Zuführung der Fluide bewirkt jedoch eine ungleichmäßige Wärmeverteilung auf den Wänden, die bei einem optimalen Wirkungsgrad unerwünscht ist. Zum anderen ist es schwer, die verschiedenen Flüssigkeiten in einer solchen Vorrichtung getrennt voneinander zu- und abzuleiten.

[0011] Als Stand der Technik ist das deutsche Patent 960 465 zu nennen, das eine Einrichtung zum Kühlen schmutz- bzw. staubhaltiger Luft bzw. Gasen insbesondere für die Behandlung in Bergwerken beschreibt. Dabei wird ein Luftkühler über von mit einem Kühlmittel durchflossenen Rohre abgekühlt und zu kühlende Luft durch ein vom Kühlmittel unabhängiges Waschmittel zusätzlich ausgewaschen.

[0012] Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine zu schaffen, bei der die Druckprobleme und Probleme mit der Verschmutzung und Ablagerung nicht oder nur in geringerem Maße auftreten oder Verschmutzungen einfach zu beseitigen sind.

[0013] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

[0014] Durch die Verwendung von besprühten (oder auch berieselten) Oberflächen, deren rückseitige Übertragungsflächen mit einem Kühlmittel (Kühlsole) gekühlt werden, können glatte und leicht zu reinigende und schon daher wenig verschmutzende Oberflächen verwendet werden, die aufgrund des drucklosen Betriebs auch ggf. während des Betriebs gereinigt werden können. Dabei hat ein Sprühvorgang vor einem reinen 'Rieseln' bedeutende Vorteile hinsichtlich des Wärmeübergangs.

[0015] Durch die Verwendung einfacher geometrischer leicht zu reinigender offener Körper wird der Wärmeaustauscher derart ausgebildet, daß geringe Wandstärken und ein druckloser Betrieb mit einer Kühlsole möglich sind. Anstelle eines Kältemittels wird erfindungsgemäß nur eine Kühlsole verwendet, die unabhängig von einer Temperatur-/Druckrelation mit atmosphärischem oder einem frei wählbaren Druck eingesetzt werden kann. Daher werden die Wandstärken der Körper frei gewählt werden können und diese zweckmäßigerweise so gering wie möglich gehalten werden. Dadurch ergibt sich ein gegenüber druckfest zu bauenden Wandungen erheblich geringerer Wärmeleitwiderstand.

[0016] Das (verschmutzte) Wasser wird auf der wasserseitigen Oberfläche durch intensive Berieselung oder durch Besprühen mit Sprühdüsen aufgebracht. Ablagerungen können sich entweder nicht bilden oder sind mit ggf. entsprechender Konfiguration der Sprühdüsen einfach zu entfernen. Durch die gerade bei dünnen Wärmetauscherflächen gegebene mechanische Flexibilität kommt es während des Betriebs zu leichten Schwingungen der Flächen, die dazu führen, daß anhaftende Schmutzbeläge (oder auch Eis) ab einer gewissen Größe und Stärke abplatzen.

[0017] Zudem sorgt das Besprühen dafür, daß hohe Turbulenzen und Geschwindigkeiten ein Festsetzen von Partikel stark behindern oder sogar unmöglich machen. Damit wird die Reinigung entweder völlig überflüssig oder zumindest nur in wesentlich verlängerten Abständen nötig. Die benötigte Solemenge kann minimiert werden. Das Besprühen erhöht zudem den Wärmeübergangswert erheblich.

[0018] Die andere, der wasserseitigen Oberfläche entgegengesetzte Innenseite wird mit einer Kühlsole beaufschlagt, die mit einer - üblicherweise als Solekühlsatz bezeichneten - preiswerten Kältemaschine auf eine Temperatur gebracht wird, die es erlaubt, das zu kühlende Wasser leistungs- und temperaturmäßig auf den erforderlichen Zustand zu bringen. Die Sole kann dabei entweder als Flüssigkeit berieseln oder ebenfalls durch Sprühdüsen an die Wand gespritzt werden. Diese Möglichkeit erlaubt es, auch die Soleseite drucklos auszuführen und gleichzeitig mit einer geringeren Solemenge die Kältemaschine betreiben zu können.

[0019] Durch Bau einfacher z.B. im wesentlichen zylindrischer Körper (runden, ovalen oder auch eckigen Querschnitts) können selbsttragende Strukturen gebildet werden, die vorzugsweise mit sich spitzwasserabweisend überlappenden Deckeln versehen sind. Auf diese Weise können die Kältemaschinen in Vertikalrichtung bis zu größeren Höhen gebaut werden, was ansonsten bisher durch die sich ergebenden Flüssigkeitssäulen und den bei verdampfendem Kältemittel resultierenden Siedeverzug konstruktive und energetische Nachteile hatte.

[0020] Als Dichtung kann aber auch eine pneumatische oder hydraulische Dichtung (engl. grommet) z.B. ein luftgefüllter Schlauch oder ein mit einem sonstigen Fluid gefüllte Wulst zwischen die 'Wand' und ihre jeweilgen Befestigungen eingebracht werden. Sie erlauben bei einem Druckablassen eine einfache Inspektion und Reinigung und Stabilisieren die Halterung gleichzeitig gegen Vibration.

[0021] Der Wärmeaustausch zwischen Kühlsole und Wasser kann somit auf einfache und preiswerte Weise und mit geringeren Wandstärken erfolgen. Es ist aber auch denkbar, ein Wärmetauscherarrangement auf der warmen Seite eines Kälteprozesses bei der Kondensatorkühlung einzusetzen.

[0022] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine einfache Ausführung mit garaden Wänden (von den Ansprüchen nicht gedeckt) und

Fig. 2

einen Sprühkühler mit Auffangwannen (von den Ansprüchen nicht gedeckt), und

Fig. 3

einen Sprühkühler mit zylindrigen Körpern nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

[0023] Die in der Fig. 1 dargestellte Kältemaschine erlaubt es, den Wärmeaustausch zwischen Kühlsole und Wasser auf einfache und preiswerte Weise bei geringen Wandstärken und somit geringen Herstellungs- und Transportkosten der Vorrichtung erfolgen zu lassen.

[0024] Ein Solekühlsatz 1 dient dazu, die Sole auf die erforderliche Temperatur abzukühlen und damit die Wasserkühlung beginnen zu lassen.

[0025] Mit einer Solepumpe 2 wird die Sole zu Düsenstöcken 3 gefördert, die mit Sprühdüsen 20 ausgestattet sind, wobei ein sich durch Versprühen bildender Sole-Sprühkegel (4) sich gleichförmig auf eine Wand 22 auflegt und diese Wand abkühlt. Die erwärmte Sole wird dann über einen Solesumpf 24 über eine Leitung 5 abgezogen und tritt unvermischt wieder über eine Solepumpe 6 dem Solekühlsatz bei.

[0026] Das abzukühlende Wasser hingegen wird bei dem Einlaß 7 eintreten und an wasserseitige Düsenstöcke 8 geleitet, deren Sprühkegel 9 die mit Sole gekühlte Wand beaufschlagt, so daß das Wasser an der gekühlten Wandung abkühlt. Ggf. kann dieser Solesprühkegel drehbar zwischen den ebenen Wänden ausgeführt sein, um eine gleichmäßige Beaufschlagung zu gewährleisten.

[0027] Über einen Wassersumpf 26 wird das abgekühlte Wasser 10 abgezogen und über eine Sammelleitung 11 dem Kälteverbraucher zugeführt.

[0028] Soleseitig ist eine Abdichtung sinnvoll, aber nicht in jedem Fall notwendig. Sofern die Sole preiswert, ungiftig und umweltunschädlich ist, wäre einem geringfügigen Übertritt von Sole ins Wasser prinzipiell nichts entgegenzusetzen. Die Sole muß nur in geeigneten Zeiträumen überprüft und ggf. neu eingestellt werden. Im allgemeinen wird man aber Sorge dafür tragen, daß die Sole so wenig wie möglich mit Wasser kontaminiert wird, weshalb einfache Barrieren sinnvoll sind. Diese können sowohl form- als auch kraftschlüssig ausgeführt werden, wie dies beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt ist.

[0029] In der Fig. 2 ist dabei weiter dargestellt, wie ein Berieselungskühler in einer Ausführung mit durch Platten abgeschlossenen Räumen aufgebaut sein kann. Hierbei tritt die Sole an der Einmündestelle 31 über eine Verteilleitung in einen durch zwei Platten abgeschlossenen Raum ein, ebenso das zu kühlende Wasser an der Stelle 32. Über Düsenstöcke 33 und Sprühdüsen 34 werden die Wandungen 35 soleseitig gekühlt und wasserseitig erwärmt. Die Wandung 36 ist dabei der Abschluß zur Umgebung und nimmt am Wärmeaustausch nicht teil. Sie kann daher (ggf. beidseitig) wärmegedämmt werden.

[0030] Die von dem Sprühkegel 37 eingebrachten Fluide (in Fig.2 Wasser) laufen an der Wand ab. Soleseitig ist es sinnvoll, z. B. Abtropfbleche 38 anzusetzen, damit die Sole z.B. in eine Solevorlage 39 ablaufen kann. Jeder solebeaufschlagte Zwischenraum hat z. B. einen solchen Abtropfeinbau und eine Solewanne. Die Wände können über formschlüssige Träger 40 in einer Wanne 41 aufgeständert und gehalten werden.

[0031] In der Fig. 2 stehen die Solevorlagen 39 in einem Wassersumpf, welcher durch die Wanne 41 gebildet wird. Durch die Art der konstruktiven Gestaltung bleibt die erwünschte Trennung von Sole und Wasser erhalten. Die erwärmte Sole wird über Leitungen 42 abgezogen und über Sammelleitungen 45 abgeführt. Das Wasser wird mittels einer eigenen Leitung 43 ebenfalls abgezogen. Die seitliche Abdeckung (Spritzschutz) ist nicht dargestellt. Es empfiehlt sich aber ein derartiger wärmegedämmter Abschluß.

[0032] Die Plattenkonfiguration gemäß Abb. 2 kann auf der Oberseite weiter z. B. durch ein sog. 'Labyrinth' abgeschlossen werden. Dies kann beispielsweise durch Blechabdeckungen 44 geschehen, die sich überdecken und ein Verspritzen nach außen unterbinden und Kondensation oder Verdunstung verhindern. Der kleine so entstehende Spalt sichert die Drucklosigkeit der Installation.

[0033] Gemäß der Erfindung wird als Wärmetauscher Zylinderarrangement gewählt, wie dies beispielsweise in Abb. 3 dargestellt ist. Die zylindrischen Behälter 48 werden dabei durch gezielte Belüftungsöffnungen zum Beispiel unterhalb der Deckel drucklos gehalten.

[0034] Nicht dargestellt sind die pneumatischen oder hydraulischen Dichtungen, die sog. 'grommets' fluidgefüllte Wülste zwischen den Zylinder'wänden' und ihre jeweilgen Befestigungen, den Sümpfen vorgesehen werden.

Ansprüche

1. verfahren zur Kühlung von Fluiden in einer Kältemaschine mit einem drucklosen Wärmeaustauscher und indirekter Kühlung, wobei Wände (22) in druckloser Ümgebung einseitig mit dem Fluid besprüht werden, wobei die rückseitigen Übertragungsflächen der Wände (22) mit einem Kühlmittel aus einem einphasigen Fluid auf eine gewänschte Temperatur abgekühlt werden und das Fluid wie auch das Kühlmittel jeweils durch Sprühdüsen (20) auf die jeweiligen Oberflächen aufgesprüht und in entsprechenden Sümpfen (41; 39) aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß

das zu kühlende Fluid eine verschmutzte Flüssigkeit ist, und die Innenwände der als selbsttragende Zylinder (48) ausgebildeten Wände mit Kühlsole als Kühlmittel aus Düsenstöcken (46) besprüht werden,

wobei die Sole in einen separaten Sumpf (39) zur erneuten Abkühlung durch einen Solekühlsatz (1) geführt wird.

2. Druckloser Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Wänden (22, 35), die als selbsttragende Zylinder (48) ausgebildet sind,

wobei in den Zylindern (48) Düsenstöcke (46) mit darauf angeordneten Sprühdüsen (20, 34) zur einseitigen Kühlung der Wände der Zylinder (48) mittels einer Kühlsole auf eine gewünschte Temperatur vorgesehen sind,

während außerhalb der Zylinder (48) weitere Düsenstöcke (33) mit darauf angeordneten Sprühdüsen (20, 34) zur Kühlung einer damit auf die Außenwände gesprühten, verschmutzen Flüssigkeit vorgesehen sind,

wobei zur Abführung der Sole und der gekühlten, verschmutzten Flüssigkeit jeweils ein separater Sumpf (24, 26, 39, 41) vorgesehen ist,

wobei der Sumpf (24, 39) für die Kühlsole zur Weiterleitung und erneuten Abkühlung mit einem Solekühlsatz (1) verbunden ist und

zusätzlich mehrteilige, sich überlappend angeordnete Deckel (44) für die Zylinder vorgesehen sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von stehend angeordneten Zylindern (48), wobei die diesen zugeordnete Sprühdüsen (33) einen mehrere Zylinder (48) erreichenden Sprühnebel erzeugen.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Zylindern (48) vertikal übereinander angeordnet sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch fluidbefüllbare Dichtungen an der bzw. den Zylinderwänden.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch als Reinigungsdüsen zur Abgabe eines Hochdruck-Wasserstrahls ausgelegte Düsen (33).

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch zur Reinigung ausgelegte Dampfdüsen.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine im Betrieb mit Eisbildung zur Abtrennung sich bildenden Eises ausgelegte Sprühstrahldüse.

9. Verwendung eines Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 8 auf der warmen Seite des Kälteprozesses.

Claims

1. Method for cooling fluids in a refrigerating machine with a pressureless heat exchanger and indirect cooling, the walls (22) in the pressureless environment being sprayed on one side with the fluid, the rear transfer surfaces of the walls (22) being cooled by a coolant formed by a single-phase fluid to a desired temperature and the fluid and the coolant are sprayed by spraying nozzles (20) onto the surfaces and collected in corresponding sumps (41, 39), characterized in that the fluid to be cooled is a polluted liquid and the inner walls constructed as self-supporting cylinders (48) are sprayed from nozzle connections (46) with cooling brine as the coolant, the brine being passed into a separate sump (39) for cooling again by a brine cooling assembly (1).

2. Pressureless heat exchanger for performing the method according to claim 1 with walls (22, 35) constructed as self-supporting cylinders (48), the cylinders (48) containing nozzle connections (46) with spraying nozzles (20, 34) located thereon for the one-sided cooling to a desired temperature by means of a cooling brine of the walls of cylinders (48), whilst outside the cylinders (48) there are further nozzle connections (33) with spraying nozzles (20, 34) located thereon for cooling a polluted liquid sprayed therewith onto the outer walls and in which for removing the brine and cooled, polluted liquid in each case a separate sump 24, 26, 39, 41) is provided, the sump (24, 39) for the cooling brine being connected to a brine cooling assembly (1) for passing on and repeat cooling and in addition multipart, overlapping covers (44) are provided for the cylinders.

3. Heat exchanger according to claim 2, characterized by a plurality of standing cylinders (48), the spraying nozzles (33) associated therewith producing a spray mist reaching several cylinders (48).

4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the plurality of cylinders (48) is vertically superimposed.

5. Heat exchanger according to one of the claims 2 to 4, characterized by fluid-fillable seals on the cylinder wall or walls.

6. Heat exchanger according to one of the claims 2 to 5, characterized by nozzles (33) designed as cleaning nozzles for delivering a high pressure water jet.

7. Heat exchanger according to one of the claims 2 to 6, characterized by steam nozzles designed for cleaning purposes.

8. Heat exchanger according to one of the claims 2 to 7, characterized by a spray jet nozzle designed for separating ice which forms during operation involving ice formation.

9. Use of a heat exchanger according to one of the claims 2 to 8 on the warm side of the refrigeration process.

Revendications

1. Procédé de refroidissement de fluides dans une machine frigorifique avec un échangeur de chaleur sans pression et refroidissement indirect, dans lequel des parois (22) sont, en milieu sans pression, arrosées sur une face par le fluide, les surfaces de transmission côté arrière des parois (22) étant refroidies à une température désirée par un agent de refroidissement constitué d'un fluide monophasé, et le fluide et l'agent de refroidissement étant projetés sur les surfaces respectives par des buses de pulvérisation (20) et recueillis dans des puisards correspondants (41 ; 39), caractérisé par le fait que
le fluide à refroidir est un liquide pollué, et les faces intérieures des parois, formées de cylindres autoporteurs (48), sont arrosées de saumure de refroidissement comme agent de refroidissement qui est émise de porte-buses (46),
la saumure étant conduite à un puisard séparé (39) pour son nouveau refroidissement par un groupe de refroidissement de saumure (1).

2. Echangeur de chaleur sans pression pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant des parois (22, 35) qui sont constituées de cylindres autoporteurs (48),
dans les cylindres (48) étant prévus des porte-buses (46) sur lesquels sont montées des buses de pulvérisation (20, 34) pour le refroidissement sur une face des parois des cylindres (48) à une température désirée au moyen d'une saumure de refroidissement,
tandis qu'à l'extérieur des cylindres (48) sont prévus d'autres porte-buses (33) sur lesquels sont montées des buses de pulvérisation (20, 34) pour le refroidissement d'un liquide pollué projeté par celles-ci sur les parois extérieures,
des puisards séparés (24, 26, 39, 41) étant prévus pour l'évacuation de la saumure et du liquide pollué refroidi,
le puisard (24, 39) pour la saumure de refroidissement étant, pour la transmission et le nouveau refroidissement de celle-ci, relié à un groupe de refroidissement de saumure (1), et
en outre, des couvercles (44) en plusieurs parties chevauchants étant prévus pour les cylindres.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par un grand nombre de cylindres placés debout (48), les buses de pulvérisation (33) associées à ceux-ci produisant un brouillard de pulvérisation qui atteint plusieurs cylindres (48).

4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les cylindres (48) sont placés verticalement les uns au-dessus des autres.

5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par des joints d'étanchéité pouvant être remplis de fluide sur la paroi ou les parois des cylindres.

6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par des buses (33) conçues comme buses de nettoyage pour l'émission d'un jet d'eau à haute pression.

7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par des buses à vapeur conçues pour le nettoyage.

8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par une buse à jet porté conçue, dans le cas du fonctionnement avec formation de glace, pour la séparation de la glace qui se forme.

9. Utilisation d'un échangeur de chaleur selon l'une des revendications 2 à 8 sur le côté chaud du processus frigorifique.

Zeichnung