DE2158716C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Flüssigkeiten, insbesondere Kraftstoffen oder ähnlichen Flüssigkeiten, bis in die Nähe des Gefrierpunktes bzw. Stockpunktes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 2ur Kühlung von Flüssigkeiten mittels eines Rohrwärmetauschers, insbesondere Kraftstoffen oder ähnlichen Flüssigkeiten, bis in die Nähe des Gefrierpunktes bzw. Stockpunktes, insbesondere bei der Kraftstoffgeräteerprobung in der Nähe des Stockpunktes des Kraftstoffes, wobei unter Kraftstoffgeräten die Geräte zur Kraffsiofförderung. Kraftstoffzumessung u. dgl. verstanden werden, und die Kühlung der Flüssigkeiten unmittelbar durch Verdampfung eines Kälte.nittels erfolgt, das dem Rohrwärmetauscher zugeführt wird und dessen Verdampfungstemperatur unterhalb des Gefrierpunktes bzw. Stockpunktes der zu kühlenden Flüssigkeit liegt, wobei die Zufuhr des Kältemittels und die Durchströmgeschwindigkeit der zu kühlenden Flüssigkeit so gewählt werden, daß die Flüssigkeiten mit einer Temperatur, die bis nahe ihrem Gefrierpunkt bzw. Stockpunkt liegt, aus dem Rohrwärmetauscher austritt.

Um diese Geräte auf einem Prüfstand untersuchen zu können unter Simulierung der Flugzustände, ist es notwendig, den Kraftsioll bis in die Nähe des Stockpunktes, der bei -60° C liegt, abzukühlen.

Hierzu ist schon vorgeschlagen worden, in die Prüfstandsanlage eine Kältemaschine einzubauen, die über einen Wärmeaustauscher einen Kälteträger, der in einem gesonderten Kreislauf zirkuliert, auf die geforderte KraftMolftemperatur abkühlt, wobei dann dieser Kälteträger dazu dient, den Kraftstoff seinerseits über einen Wärmeaustauscher ?u kühlen, Nun nimmt aber die Kälteprüfung in der Gesamterprobung der genannten Geräte einen sehr geringen Zeitumfant: ein, so daß die Prüfstände mit eigenen Kältcmeüchinen und einem Kälteträger in eigenem Kreislauf sehr teuer kommen. Da außerdem der Kälteträger nur auf die Temperatur des zu kühlenden Kraftstoffes abgekühlt wird, muß der Wärmeaustauscher zwischen dem Kälteträger und dem Kraftstoff sehr groß ausgeführt werden, um bei dem erforderlichen Krafts'.offdurchsat/ die gewünschte Kühlung bis in die Nähe des Stockpjnktes zu erzielen. Das heißt also, daß die herkömmlichen Anlagen verhältnismäßig hoch in den Gestehungskosten liegen und auch einen erhöhten Raumbedarf aufweisen.

Aus der US-PS 34 43 394 ist beispielsweise ein Rohrwärmeaustauscher bekannt, der in erster Linie zur Abkühlung von Wasser dient und der in der genannten Weise betrieben wird. Es wird dort ausgeführt, daß zur F.rzielung eines günstigen Wirkungsgrades die Temperaturen des Kältemittels und der zu kühlenden Flüssigkeit dicht beieinander liegen sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Anordnung /u erstellen zur Kühlung von Flüssigkeiten, insbesondere Kraftstoffen oder ähnlichen Flüssigkeiten, bis in die Nähe des Gefrierpunktes bzw. Stockpunktes, insbesondere, um Kraftstoffgeräte wie Vorrichtungen zur Kraftstofförderung, Kraftstoffzu-

messung u.dgl. in der Nähe des Stockpunktes zu untersuchen, das geringe Herstellkosten verursacht und das bei geringem Bauvolumen eine schnelle Abkühlung des Kraftstoffes auch bei größeren Durchsatzmengen zu erzielen gestattet _s

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß als Kältemittel verflüssigte technische Gase, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet werden, deren Verdampfungstemperaturen erheblich unter dem Gefrier- bzw. Stockpunkt der zu kühlenden Flüssigkeit liegen, und daß die Flüssigkeit mit Drall durch die Rohre des Rohrwärmesustauschers geführt wird, um ein Stocken der Flüssigkeit an den Wandungen der Rohre zu vermeiden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Rohrwärmeaustauscher, der ein Rohrbündel aufweist, bei dem jedes Rohr des Rohrbündels doppelwandig ausgeführt ist und die Flüssigkeit durch die innere öffnung des Rohres strömt, während das verdampfende Kältemittel durch den äußeren Zwischenraum des doppelwandigen Rohres geleitet wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes doppelwandige Rohr aus zwei ineinandergeschobenen konzentrischen Rohren besteht, von denen jedes innere Rohr an jedem Ende mit einem Zwischenboden des Rohrwärmeaustauschers dicht verbunden ist. während jedes äußere Rohr an seinem unteren Ende mit einem weiteren Zwischenboden dicht verbünden ist und das andere obere Rohr des äußeren Rohres frei kurz vor dem gegenüberliegenden Zwischenboden endet, wobei der Eintrittsstutzen für das flüssige Kältemittel zwischen den beiden Zwischenböden für die unteren Enden der inneren und äußeren Rohre angeordnet ist. während der Austrittsstutzen für das verdampfte Kältemittel im Gehäuse des Rohrwärmeausiauschers in der Nähe des gegenüberliegenden oberen Rohrwärmeaustauschers in der Nähe des gegenüberliegenden oberen Zwischenbodens für die inneren Rohre angeordnet ist.

Vorteilhafterweisc ist das Gehäuse des Rohrwärme- ^₀ austauschers mit einem Faltenbalg versehen zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmedehnungen in den inneren Rohren und im Gehäuse.

Es kann ferner ein Anschlußstut/en für Preßluft am Gehäuse angeordnet sein, der dazu dient, nach _4S Abstellen der Kältemiuelzufuhr das Kältemittel aus dem Rohrwärmeaustauschcr zu entfernen.

Um den Wärmeübergang im Rohrwärmeaustauscher zu erhöhen, ist vorgesehen, einen Draht spiralig mit einer gewissen Ganghöhe um das innere Rohr zu wickeln, wobei der Drahtdurchmesser der Weite des Zwischenraumes zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr entspricht.

Um den Drall der Flüssigkeit bei Durchströmen der Wärmeaustauscherrohre zu erzielen, ist im inneren Rohr ein spiralig verdrehtes flarhcs Band angeordnet, dessen Breite dem Innendurchmesser des inneren Rohres entspricht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden ^₁₀ näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen teilweise geschnittenen Rohrwarmeaustauscher gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von f,_s flüssigem Stickstoff als Kühlmittel, und

F i g. 3 eine Anordnung zur Anwendung des erfin-(hingseemäßcn Verfahrens, in der der Rohrwärmeaustauscher als Verdampfer in einer herkömmlichen Kühlanlage dient

In der Zeichnung kann man erkennen, daß der Rohrwärmeaustauscher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Gehäuse 1 besteht, das an jedem Ende mit dem Gehäuseboden 4 verschlossen ist in die die mit einem Flansch versehenen Ein- und Austrittsstutzen 3 für die zu kühlende Flüssigkeit eingeschweißt sind. Die Gehäuseböden 4 sind mittels der Schrauben 6 und der Muttern 5 gegen die Gehäuseflansche 7 geschraubt unter Zwischenschaltung der Dichtungen 8. Das Gehäuse 1 weist einen angeschweißten Faltenbalg 2 auf, der es gestattet, unterschiedliche Wärmedehnungen auszugleichen. Im Gehäuse 1 sind die Zwischenboden 12, 13 und !4 eingeschweißt, wobei die dem Kraftstoffdurchfluß dienenden inneren Rohre 11 in die Zwischenboden 12 und 13 dicht eingeschweißt sind, während die der Kältemittelführung dienenden äußeren Rohre 9 nur mit ihrem unteren Ende in den Zwischenboden 14 dicht eingeschweißt sind und ihre oberen Enden kurz vor dem Zwischenboden 12 für die inneren Rohre 11 enden. Um das Kältemittel auf einem möglichst langen W eg durch den Zwischenraum 9a zwischen den äußeren Rohren 9 und den inneren Rohren 11 zu führen, ist ein Draht 10 mit einer gewissen Ganghöhe um das innere Rohr spiralig gewickelt, wobei der Durchmesser des Drahtes 10 der Weite des Zwischenraumes 9.-? entspricht. Ein Anschlußstut/.en 16 für das flüssige Kältemittel ist an das Gehäuse 1 angeschweißt, derart, daß das flüssige Kältemittel in den Zwischenraum /.wischen den Zwischenboden 13 und 14 eintritt und von dort aus in den Zwischenraum 9a /wischen den inneren Rohren 11 und den äußeren Rohren 9.

Das verdampfte Kältemittel wird d'.i'ch den am Gehäuse 1 in der Nähe des oberen Endes angebrachten Austriitsstutzen 18 abgeführt Um nach -\bstellen de¹' Kaltemittel/.ufuhr durch den Stutzen te mögl'c'r^¹ schnell das noch flüssige Kältemittel aus dem Ruht wärmeaustauscher zu entfernen, ist ein Stutzen 19 an das untere Ende des Gehäuses eingeschweißt, de; mit Preßluft, die vorgewärmt sein kann, beaufschlagt),)! ist.

Um ein Stocken der zu kühlenden Flüssigkeit jii den Wandungen des inneren Rohres 11 zu verhindern, wird der durchströmenden Flüssigkeit ein gewisser Drall dadurch aufgezwungen, daß ein spiralig verdrehtes, flaches Band 17 in den inneren Rohren 1! angeordnet ist, wobei die Breite des flachen Bandes dem Innendurchmesser der inneren Rohre Il entsprichi.

Um die von oben eintretende Flüssigkeit bis in die Nähe des Stockpunktes bzw. des Gefrierpunktes zu kühlen, wird durch den Eintrittsstutzen 16 flüssiges Kältemittel eingeführt, das im Gegenstrom durch den Zwischenraum 9.i /wischen den inneren Rohren 11 und den äußeren Rohren 9 nach oben strömt und dabei verdampft. Auf diese Weise wird zur Kühlung der durchströmenden Flüssigkeit sowohl die Verdampfungswärme des Kältemittels verwendet als auch die Erwärmung des verdampften Kältemittels.

Um eine möglichst günstige Kühlwirkung /u erzielen, wird erfindungsgemäß ein Kältemittel verwendet, dessen Verdampfungstemperatur unterhalb des Stockpunktes bzw. ties Gefrierpunktes der /u kühlenden Flüssigkeit liegt, und zwar werden als Kältemittel vorzugsweise verflüssigte technische Gase, insbesondere flüssiger Stickstoff, verwendet, die in verflüssigter Form von einem entsprechenden Lieferanten bezogen werden und von einem wärmeisolierenden Gefäß 20

über ein Ventil 21 zum Stutzen 16 geleitet werden (Fig. 2), wobei der flüssige Stickstoff durch den Gasdruck im Behälter, der durch einen separaten, nicht gezeigten Verdampfer, erzeugt wird, in den Rohrwärmeaustauscher gedruckt wird. Die Menge des zugeführten Kältemittels wird durch das Ventil 21 in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Kraftstoffes aus dem Rohrwärmeaustauscher geregelt.

Bei der beschriebenen Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kältemittel wird der verdampfte Stickstoff durch den Stutzen 18 in die Atmosphäre entlassen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung wird der Rohrwärmeaustauscher als Verdampfer in den Kreislauf einer herkömmlichen Kühlanlage eingebaut. Voraussetzung bei einer Anordnung dieser Art ist allerdings, daß das verwendete Kältemittel eine Verdampfungstemperatur aufweist, die nicht unerheblich unterhalb des Stockpunktes bzw. Gefrierpunktes der zu kühlenden Flüssigkeit liegt. Die herkömmlichen Kältemittel, die in solchen Kühlanlagen verwendbar sind, haben eine Verdampfungstemperatur von -75°C, die ausreicht, um eine genügende Kühlwirkung zu erzielen. Allerdings muß in diesem Falle der Rohrwärmeaustauscher größer gebaut werden, als bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kältemittel. Bei der in der F i g. 3 dargestellten Anordnung wird das Kältemittel im Verdichter 24 verdichtet, im Kondensator 22 verflüssigt und tritt durch das Drosselventil 23 in verflüssigtem Zustand durch den Eintrittsstutzen 16 in den Rohrwärmeaustauscher ein. Es verdampft dort unter Kühlung der durchtretenden Flüssigkeit und tritt als Dampf durch den Stutzen 18 aus und wird über die Leitung 25 zum Verdichter 24 zurückgeführt. In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also auch hier die Kühlung der Flüssigkeit im Rohrwärmeaustauscher direkt durch Verdampfung des Kältemittels im Rohrwärmeaustauscher erzielt, so daß die Anordnung gegenüber dem in der Einleitung erwähnten Stand der Technik stark vereinfacht und billiger in der Herstellung ist.

ίο Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung sind, wie schon erwähnt, besonders geeignet zur Verwendung in Prüfstandsanlagen zur Erprobung von Kraftstoffgeräten wie z. B. Vorrichtungen zur Kraftstofförderung. Kraftstoffzumcssung u.dgl. in der Nähe des Stockpunktes des Kraftstoffes. Auf dieses Beispiel ist die Anwendung jedoch nicht beschränkt, da das Verfahren und die Vorrichtung überall dort vorteilhaft eingesetzt werden können, wo es sich darum handelt, eine rasche Kühlung einer Flüssigkeit /u erzielen, ohne Gefahr zu laufen, daß die Leitungen sich durch Stocken bzw. Gefrieren der Flüssigkeit an den Wandungen zusetzen. Dies ist z. B. der Fall bei Flüssigkeiten, die abgekühlt werden, um eine chemische Reaktion zu verhindern bzw. hinauszuzögern.

Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die offenbarte räumliche Ausbildung und konstruktive Ausgestaltung werden soweit sie gegenüber dem Stand der Technik einzelr oder in Kombinationen neu sind, als erfindungswesent lieh beansprucht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

«f Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kühlung von Flüssigkeiten mittels eines Rohrwärmeaustauschers, insbesondere Kraftstoffen oder ähnlichen Flüssigkeiten, bis in die S Nähe des Gefrierpunktes bzw. Stockpunktes, insbesondere bei der Kralftstoffgeräteerprobung in der Nähe des Stockpunktes des Kraftstoffes, wobei unter Kraftstoffgeräten Geräte zur Kraftstofförderung, Kraftstoffzumessung u. dgL verstanden werden und die Kühlung der Flüssigkeiten unmittelbar durch Verdampfung eines Kältemittels erfolgt, das dem Rohrwärmeaustauscher zugeführt wird und dessen Verdampfungstemperatur unterhalb des Gefrierpunktes bzw. Stockpunktes der zu kühlenden Flüssigkeit liegt, wobei die Zufuhr des Kakemittels und die Durchströmgeschwindigikeit der zu kühlenden Flüssigkeit so gewählt werden, daß die Flüssigkeiten mit einer Temperatur, die bis nahe ihrem Gefrierpunkt bzw. Stockpunkt liegt, aus dem Rohrwärmeaustauscher austritt, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel verflüssigte technische Gase, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, verwendet werden, deren Verdampfungstemperaturen erheblich unter dem Gefrierpunkt bzw. Stockpunkt der zu kühlenden Flüssigkeit liegen, und daß die Flüssigkeit mit Drall durch die Rohre des Rohrwärmeausüiuschers geführt wird, um ein Stocken der Flüssigkeit an den V/andungen der Rohre /.u vermeiden.

2. Vorrichtung ?um Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I. bestehend aus einem Rohrwärmeaustauscher, der ein Rohrbündel aufweist, bei dem jedes Rohr des Rohrbündcls doppelwandig ausgeführt ist und die Flüssigkeit durch die innere öffnung j₅ des Rohres strömt, während das verdampfende Kältemittel durch den äußeren Zwischenraum des doppelwandigen Rohres geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dall jedes doppelwandige Rohr aus zwei ineinandergeschobenen konzentrischen Roh- ^₀ ren (9,11) besteht, von denen jedes innere Rohr (11) an jedem Ende mit einem Zwischenboden (12, 13) des Rohrwärmeaustauschers dicht verbunden ist, während jedes iiußere Rohr (9) an seinem unteren Ende mit einem weiteren Zwischenboden (14) dicht ^₅ verbunden ist und das andere obere Ende des äußeren Rohres (9) frei kurz vor dem gegenüberliegenden Zwischenboden (12) endet, wobei der Eintrittsstutzen (16) für das flüssige Kältemittel zwischen den beiden Zwischenboden (13, 14) für die unteren Enden der inneren und äußeren Rohre (9, 11) angeordnet ist, während der Austrittsstutzen (18) für das verdampfte Kältemittel im Gehäuse (1) des Rohrwärmeaustauschers in der Nähe des gegenüberliegenden oberen Zwischenbodens (12) für die inneren Rohre (11) angeordnet ist.

3. Vorrichtung; nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) des Rohrwärmeauslauschers einen Faltenbalg (2) zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmedehnungen in den inneren ^₀ Rohren (11) und im Gehäuse (1) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein AnschlußMiitzen (19) für Preßluft am Gehäuse (1) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ^ dadurch gekennzeichnet, daß ein mil einer gewissen Ganghöhe um das innere Rohr (11) gewickelter Draht (10) vorgesehen ist, dessen Durchmesser der Weite des Zwischenraumes (9a) zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr (9,11) entspricht

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Rohr (11) ein spiralig verdrehtes, flaches Band (17) angeordnet ist, dessen Breite dem Innendurchmesser des inneren Rohres (11) entspricht