DE8712814U1

DE8712814U1 - Meßgaskühleinrichtung

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Publication number: DE8712814U1
Application number: DE8712814U
Authority: DE
Original assignee: VIA GESELLSCHAFT fur VERFAHRENSTECHNIK MBH 4000 DUESSELDORF DE
Current assignee: VIA GESELLSCHAFT fur VERFAHRENSTECHNIK MBH 4000 DUESSELDORF DE
Priority date: 1987-09-23
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1989-01-19
Also published as: US4829778A

Description

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PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 2I₄ Sept« 1987

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,VlA Gesellschaft für Verfahrenstechnik mbH
4000 Düsseldorf 11 ,

.Meßgaskühleinrichtung

•Die Erfindung betrifft eine Meßgaskühleinrichtung, bestehend aus einem einen Teil des Kältemittelkreislaufs eines Kühlaggregats bildenden Wärmetauscher, der zusammen mit einem
Kondensatabscheider in einem nach außen wärmeisolierten
Behälter angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher von einem in dem Behälter im wesentlichen senkrecht angeordneten
Rohrstück gebildet wird, an dessen unterem Ende eine Rohrleitung mit einem Rohrdurchmesser, der kleiner als der des Rohrstücks ist, angeschlossen ist, die um den Außenumfang
des Rohrstücks wendelförmig in nach oben gerichteter Wendelsteigung gewickelt ist, und wobei das obere Ende des Rohrstücks und das obere Ende der Rohrleitungswendel durch die Wand des Behälters dicht hindurchgeführt sind.

Eine derartige Meßgaskühleinrichtung ist aus der von der
Anmelderin stammenden DE 31 11 415 Al bereits bekannt.

Die bekannte Meßgaskühleinrichtung arbeitet an sich recht
zufriedenstellend, doch hat sie sich bei bestimmten Anwendungsfällen als zu unflexibel bei der Verwendung des Mate-

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rials für die das Meßgas führenden Bauteile erwiesen* Das üblicherweise verwendete Kältemittel greift nämlich bestimmte Materialien, insbesondere viele Kunststoffe, an und steht außerdem Unter einem Betriebsdruck, der meist erheblich höher ist als der Druck des Meßgases ist: Während das Kältemittel einen Druck in der· Größenordnung von 2... 3 bar aufweisen kann, liegt der Druck des Meßgases meist weit unter einem Wert von 1 bar, z. B. zwischen 0,1 und 0,5 bar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Meßgaskühleinrichtung derart weiterzubilden, daß für solche Teile, die kein Kältemittel führen, eine größere Flexibilität hinsichtlich der benutzten Materialien erreicht wird. Dadurch lassen sich bei Anwendungsfällen, in denen z. B. das Meßgas unter sehr viel niedrigerem Druck (oder unter sehr Viel höherem Druck) als der Druck des Kältemittels steht, erhebliche Einsparungen bei den Produktionskosten erreichen. Des weiteren wird der Einsatz von transparenten Materialien (wie Glas oder transparente Kunststoffe) erleichtert, was Vorteile bei der Überwachung und Wartung der MeCgas-Kühleinrichtung haben kann.

Der Einsatz von Glas als Wärmetauscherrohrmaterial ist bei der bekannten Anordnung deshalb problematisch, weil bei rauher Behandlung es schon einmal zum Bruch des Glasrohres kommen kann, was beim Stand der Technik zum ungewünschten Austritt von Kältemittel führen würde.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß um das Rohrstück eine zweite Rohrleitung wendelförmig gewickelt ist, deren zwei Enden durch die Wand des Behälters dicht hindurchgeführt sind, und die über im Behälter befindliche Wärmeübertragungsflüssigkeit mit der ersten Rohrleitung in Wärmekontakt steht und von Kältemittel des Kühlaggregates durchströmt ist.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß beim Aufbau der Meßgaskühleinrichtung - abgesehen von den Bauteilen, die das

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Kältemittel führen - eine größere Vielfalt von Materialien eingesetzt werden kann. Su konnte als Werkstoff für die das Meßgas führcsyidsn 'l'ailö anstelle von Edelstahl säurefester ( aber nicht kältemitteldichter) Kunststoff verwendet werden, wie PVC (Polyvinylchlorid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid). Ahnliches gilt für den wärmeisolierten Behälter.

Um einen möglichst guten Wärmeübertragungswert zwischen dem Kältemittel des Kühlaggregats und der das Meßgas führenden Wärmetauscherwendel zu erreichen, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die zweite Rohrleitungswendel in einem zwischen RohrStückaußenfläche und erster Rohrleitungswendel gebildeten Ringraum angeordnet sein. Dadurch wird nämlich die das Kältemittel führende Kühlwandel in die das Meßgas führende Kühlwendel bzw. Rohrstücke eingeschlossen, so daß besonders kurze Wärmeübertragungswege verwirklicht werden können.

Die zweite Rohrleitungswendel kann einen ersten äußeren Wendelteil und einen zweiten, dazu koaxialen inneren Wendelteil aufweisen, wobei die Wendelteile an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und an ihrem oberen Ende den Kältemitteleinlaß bzw. den Kältemittelauslaß bilden. Durch diesen Aufbau ergibt sich eine besonders kurze Bauhöhe für den Wärmetauscherbehälter.

Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung besitzt der Behälter eine verschließbare Öffnung zum Einfüllen von Wärmeübertragungs- bzw. Wa mespeicherungsflüssigkeit, wobei insbesondere Kochsalzlösung oder ein Gemisch aus Wasser und Ethandiol (Glykol) als derartige Flüssigkeit sich bewährt hat. Der Behälter kann auch einen in die Kühlsole eingetauchten Sensor aufweisen, mit dem beispielsweise ein mikroprozessorgesteuertes Betriebskontrollgerät betreib ist.

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- 4 Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs-

\ beispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen darge- ! stellt ist.

] Es zeigt:

I Fig. 1 scheraatisch den Aufbau einer Meßgaskühleinrichtung, i die mit den erfindungsaemäßen Merkmalen ausge- ; stattet ist;

j Fig. 2 in einer Axialschnittansicht, teilweise mit verj setzt dargestellteil Rohranschlüssen, eine besonders I günstige Ausführungsform für einen wärmeisolierten ! Behälter mit Wärmetauscher und Abscheider gemäß den ■ Merkmalen der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Deckel des Behälters der Fig. 2 zur Erläuterung der Verschiedenen Rohranschlüsse.

Fig. 1 zeigt eine Meßgaskühleinrichtung 10, die in Gasanalysemeßeinrichtungen eingesetzt werden, um feuchtes Meßgas soweit abzukühlen, daß an keiner nachfolgenden Stelle der Gasanalysenmeßeinrichtung der Taupunkt unterschritten wird. Bei bestimmten Meßproblemen ist es erforderlich, den Taupunkt des Meßgases konstant zu halten, um den Einfluß des Wasserdampfes auf das Meßergebnis auszuschalten. Der von der erfindungsgemäßen Meßgaskühleinrichtung konstantgehaltene Feuchtigkeitsteil, insbesondere Wasserdampfanteil, läßt sich später bei der Kalibrierung der Gasanalysenmeßeinrichtung berücksichtigen.

Die Meßgaskühleinrichtung besteht in an sich bekannter Weise , aus einem (oder mehreren) Wärmetauseher 12, 112, dem das ! beispielsweise aus einem Abgaskanal stammende, U₄ U. zeit-■ lieh schwankende Feuchtigkeit enthaltendes Meßgas 14 zugei führt Wird, innerhalb des Wärmetauschers wird das Meßgas auf

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beispielsweise 2° .C abgekühlt und dann bei 16 wieder abgegeben. Das dabei anfallende Kondensat des Meßgases wird in einem Abseheidebehälter 18 ausgefällt. Als Kühlmedium wird ein Kältemittel, beispielsweise das mit der Bezeichnung R12, eingesetzt. Ein Kompressor 20 verdichtet das aus dem Wärmetauscher 12 austretende und über einen Dampfdom 54 geführte Kältemittel je nach gewünschten Betriebsbedingungen auf beispielsweise 7 bar. Der Kompressor kann aus einem Druckgehäuse bestehen, in dem sich ein elektromotorisch betriebs— ner Kolbenverdichter befindet.

Im nachfolgenden Kondensator 22 wird das Kältemittel verflüssigt, wobei die Wärmeabfuhr durch einen Ventilator 24 erfolgt, der bei niedriger Umgebungstemperatur von einem kaltemxtteldruckgesteuerten Ventilatorschalter 26 ausgeschaltet werden kann. Anschließend erfolgt eine Druckreduzierung des Kältemittels durch ein Kapillarrohr 28 von beispielsweise ca. 7 bar auf z. B. 2 bar. Das druckreduzierte Kältemittel wird dann in eine Wärmetauscherrohrschlange 30 (Verdampfer) eingespritzt, wo es indirekt über Kühlsole 32 Wärmeenergie vom Meßgas aufnimmt und durch diesen Vorgang verdampft wird. Der Kompressor 20 saugt das verdampfte Kältemittel über Rohrleitung 34 wieder an. Der Verdampfer 30 befindet sich gemeinsam mit der vom Meßgas durchströmten Wärmetauschereinheit 36 in einem mit Kühlsole gefüllten Behälter 38. Die Wärmetauschereinheit 36 selbst besteht aus einem spiralförmig gewickelten Rohr 40 mit anschließendem Abscheidebehälter 18 und Kondensatablaßrohr 42.

Das Meßgas wird durch Wärmeabgabe an die Kühlsole und diese durch das Kältemittel gekühlt. Alle drei Systeme Meßgas, Kühlsole und Kältemittel sind hermetisch voneinander getrennt. Die Meßgäsaustrittstemperatur wird vorzugsweise von einem Heißgasbypassregelventil 44 geregelt, das in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck am Verdampferausgang mehr oder Weniger Kältemittel vom Ausgang dös Kompressors 20 abzieht und dem Kompressoreingang über einen Bypass 46 wieder zu-

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führt.

Da Druck und Temperatur des Kältemittels in unmittelbarem Verhältnis zueinander stehen, gewährleistet dieses Heißgasbypassregelventil in an sich bekannter Weise bei einem eingestellten Verdampferdruck von beispielsweise 2,2 bar auch eine konstante Temperatur des Meßgases innerhalb des Meßgasdurchtrittsbereiches, der für die Vorrichtung vorgesehen ist.

Zur Kontrolle der Temperatur der Sole 32 dient ein mikroprozessorgesteuertes Betriebskontrollgerät, wobei die Temperatur durch eine in die Kühlsole eingetauchte Sensoreinrichtung 50 ermittelt werden kann.

Außerdem ist im Kältemittelkreislauf noch ein Kältemitteltrockner 52 vorhanden.

Umfaßt die Mefcgaskdhleinrichtung mehr als einen Wärmetauscher 12, beispielsweise für einen zweiten Meßgasweg, kann der Kältemittelkreislauf so geführt sein, daß sich eine Parallelschaltung oder auch eine Hintereinanderschaltung ergibt.

Das anfallende Kondensat wird über ein externes Kondensatgefäß gesammelt, oder von einer automatischen Kondensatablaßeinrichtung abgepumpt.

In Fig. 2 ist in einer axialen, teilweise versetzten Schnittansicht ein Wärmetauscher 12 mit einer Wärmetauschereinheit 36 zu erkennen, die von einem in einem Behälter 38 im wesentlichen senkrecht angeordneten Rohrstück 56 gebildet wird, an dessen unterem Ende 58 eine Rohrleitung 62 mit einem Rohrdurchmesser 68, der kleiner als der Durchmesser des Rohrstücks 56 ist, angeschlossen ist, siehe Bezugszahl 70. Die Rohrleitung 62 ist um den Aüßenumfang 64 des Rohrstücks 56 wendelförmig mit nach oben gerichteter Wendelsteigung 66 gewickelt, wobei das

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obere Ende 82 des Rohrstücks 56 und das obere Ende der Rohrleitungswendel 62 durch die hier einen Deckel bildende Wand 74 des Behälters 38 abgedichtet in Form von Rohranschlüssen 76, 78 hindurchgeführt sind.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Rohrleitung direkt auf die Außenumfangswand 64 des RohrStücks 56 gewickelt ist, läßt hier diese (erste) Rohrleitungswendel zwischen sich und der Außenfläche 64 des Rohrstücks 5 6 einen ringförmigen Raum 80 frei, so daß es möglich ist, um das Rohrstück 56 eine zweite Rohrleitung 84 wendelförmig aufzuwickeln, deren zwei Encisn 86, 88 durch die (wiederum den Deckel) bildende Wand 74 des Behälters 38 dicht hindurchgeführt sind und Anschlußleitungen 90 bzw. 92 für die Zufuhr bzw. den Abzug von Kältemittel bilden.

Wie zu erkennen ist, bildet die zweite Rohrleitungswendel einen ersten äußeren Wendelteil 94 und einen zweiten, dazu koaxialen inneren Wendelteil 96, die an ihren unteren Enden miteinander verbunden sind und an ihrem jeweiligen oberen Ende 88 bzw. 86 mit dem Kältemittelauslaß 92 bzw. Kältemitteleinlaß 90 in Verbindung stehen. Insbesondere ist das obere Ende der inneren Wendel 96 mit dem Kältemitteleinlaß 90 verbunden. Äußerer Wendelteil 94, innerer Wendelteil sowie Einlaß 90 und Auslaß 92 können einstückig aus Rohrmatisrial gefertigt, sein.

Die die beiden Rohrleitungswendeln bildende Rohrleitung wird aus Metall hergestellt sein, insbesondere aus Kupfer, da PVC (Polyvinylchlorid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid) nicht kältemitteldicht sind. Es ist zweckmäßig, die mit Kältemittel beaufschlagte zweite Rohrleitung wegen ihrer Flexibilität durch Stützeinrichtungen 98 zu umfassen, wobei diese Stützeinrichtungen beispielsweise von drei im Abstand von 120* angeordneten Haltewinkeln gebildet sein können, die ihrerseits beispielsweise mittels Sehräubbefestigüng (Bezugszähi 100) am Deckel 74 befestigt sein können, wobei

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durch !-'«."sen 102 ein abgedichtetes Sackgewinde ausreichender Länge gebildet werden könnte* Die Haltewinkel stützen insbesondere am unteren Ende durch eine Abbiegung 104 die unterste Wendel der zweiten Rohrleitung 84 sowie mit dem Seitenteil 106 die koaxiale Ausrichtung dieser Rohrleitung_ä Die Stützeinrichtung 98 könnte aber auch die Form eines Zylinders mit geschlossener Wandfläche haben, wodurch sich eine gewisse strömungstechnische Führung der im Behälter 38 eingefüllten Salzsöle 108 ergibt, falls z. B. Umwälzpumpeneinrichtungen vorgesehen sind.

Zum Einfüllen der Sole 108 kann eine hier nicht näher dargestellte verschließbare Einfüllöffnung dienen, oder die Sole wird während des Herstellungsprozesses eingefüllt und ist nach Aufsetzen des Deckels 74 auf ten Behälter 38 und dessen Verklebung an der Stelle 114, falls auch Behälterwand und Behälterdeckel aus Kunststoff bestehen, dicht eingeschlossen. In ähnlicher Weise kann auch ein Bodenteil 116 mit der zylindrischen Behälterwand 118 verklebt sein. Zum druckdichten Durchführen und Verkleben der einzelnen Rohranschlüsse 76, 78, 90, 92 sowie des Kondensatableitrohrs 42 durch die Bodenwand 116 sind entsprechend hochgezogene Bereiche 120 vorgesehen, die eine längere Klebefläche und damit eine größere Abdichtsicherheit ergeben. In ähnlicher Weise sind auch Befestigungsstücke 122 in den Behälterboden 116 eingeklebt. Diese weisen Befestigungsgewindelöcher 124 auf. Zur Erfassung der Soletemperatur kann der bereits erwähnte Sensor 50 durch eine entsprechende Öffnung 112 im Deckel 74 in den Behälter 38 eingeführt werden.

Zur Abstützung der Rohrleitung 62 können entsprechend Stützeinrichtungen 126 dienen, die von der Bodenplatte 116 bis zur Deckelplatte 74 reichen und ebenfalls vorzugsweise im Abstand von 120" zueinander dreifach vorgesehen sind.

Das Gehäuse 38 ist von einer Wärmeisolierung 128 umgeben,

beispielsweise gebildet durch aufgeklebte bzw. übergeschobe-

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ne Hartöchaumstucke in Zylinderform (Bezügszahl 130) oder Plattenform (132, 134, 136 oder 138).

Fig» 3 zeigt eine Ansicht von oben auf den Behälter 38, insbesondere also den Deckel 74 mit den Anschlußrohren 76, 78 für das Meßgas sowie (in Fig* 2 versetzt gezeichnet) Anschlußrohren 90, 92 für das Kältemittel* Außerdem ist die Sensöröffnung 112 zu erkennen, des weiteren die Füßstücke 122 sowie die Nasen 102. Die auf der rechten Hälfte der Fig. 3 dargestellten FÜsse IZZ Sowie die dazu ausgerichteten Nasen 102 sind in der Fig. 2 ebenfalls versetzt dargestellt.

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Claims

•br.-'ing. ERNST'SbTRATMANN

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 21. Sept. 1987 .8730

•VIA Gesellschaft für Verfahrenstechnik mbH ■

Düsseldorf 11 j

•S chutzansprüche :

.1. Meßgaskühleinrichtung (10), bestehend aus einem einen Teil des Kältemittelkreislaufs eines Kühlaggregats bildenden Wärmetauscher (30, 40), der zusammen mit einem Kondensatabscheider (18) in einem nach außen wärmeisolierten (128) Echälter (38) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher von einem in dem Behälter (38) im wesentlichen senkrecht angeordneten Rohrstück (56) C) gebildet wird, an dessen unterem Ende (58) eine Rohrleitung (62) mit einem Rohrdurchmesser (68), der kleiner als der des Rohrstücks (56) ist, angeschlossen ist, die um den Außenumfang (64) des Rohrstücks (56) wendelförmig mit nach oben gerichteter Wendelsteigung (66) gewickelt ist, und wobei das obere Ende (82) des RohrStücks (56) und das obere Ende der Rohrleitungswendel (62) durch die Wand (74) des Behälters (38) dicht hindurchgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß um das Rohrstück (56) eine zweite Rohrleitung (84) | wendelförmig gewickelt ist, deren zwei Enden (86, 88) ; durch die Wand (74) des Behälters (38) dicht hindurch- j geführt sind, Und die über im Behälter (38) befindliche ^:

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Wärmeübertragungsflüssigkeit (108) mit der ersten Rohrleitung (62) in Wärmekontakt, steht und von Kältemittel des Kühlaggregats durchströmt ist.

i^cßgaskühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rohrleitungswendel (84) in einer zwischen Rohrstückaußenfläche (64) und erster Rohrleitungswendel (62) gebildeten Ringraum '8O) angeordnet ist.

Meßgaskühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rohrleitungswenäel (84) einen ersten äußeren Wendelteil (94) und einen zweiten, dazu koaxialen inneren Wendelteil (96) aufweist, wobei die Wendelteile (94, 96) an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und an ihrem oberen Ende den Kältemitteleinlaß bzw. den Kältemittelauslaß bilden.

Meßgaskühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende (86) der inneren Wendel (96) den Kältemitteleiniaß bildet.

Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rohrleitungswendel (84) von einer zylindrischen Wand (98) oder von zwei oder mehr Haltewinkeln (104) umschlossen bzv,. gestützt ist.

Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (38) eine verschließbare Öffnung zum Einführen von Wärmeübertragungsflüssigkeit (108) wie Salzso2fe oder ein Gemisch aus Wasser und Ethandiol (Glykol), enthält.

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7* Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gasführende Teile aus säurefestem Kunststoff, wie PVDF (Polyvinylidenfluorid) bestehen*

8. Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäüseteile (ausser Kältemittel führenden Teilen) und/oder nicht gasführende Teile aus Kunststoff, wie PVC (Polyvinylchlorid) bestehen.

9. Meßgaskühleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den Kunststoffteilen verklebt sind.

10. Meßgaskühleinrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennznichnet, daß im Gehäuseboden (116) Befestigungsstücke (122) eingeklebt sind.

11. Meßgaskühleinrichtüng nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäusedeckel (74) Nasen (102) zur Aufnahme von Befestigungsschrauben angespritzt sind.

12. Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (38) einen in die Kühlsole eingetauchten Sensor (50) aufweist.

13. Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgäs führenden Teile aus Glasrohr gebildet sind.

14. Meßgaskühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgas führenden Teile aus hoch korrosionsfestem Stahl bestehen.