Temperiereinrichtung für Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung für Flüssigkeiten mit einer Fluidleitung (1), durch welche die zu temperierende Flüssigkeit geleitet werden kann, und mit einem Behälter (2) für ein Wärmetauschermedium, durch welche die Fluidleitung (1) geführt ist.

Solche Temperiereinrichtungen finden in allen Bereichen der Technik Anwendung, in denen Flüssigkeiten exakte Temperaturgrenzen einhalten müssen, z.B. in Spritzgussanlagen, Raffinerieanlagen, aber auch in Viskositätsmesseinrichtungen für Flüssigkeiten.

Die WO01/31265A1 beschreibt einen Wassererwärmer, in welchem zu erwärmendes Wasser in einer Leitung durch einen geschlossenen Behälter geführt wird, in welchem sich Wasser im Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase befindet. Das Wasser in dem Behälter wird durch einen Brenner oder eine elektrische Widerstandsheizung erwärmt.

In üblichen Temperiereinrichtungen wird die zu temperierende Flüssigkeit durch eine Leitung geführt, deren Außenmantel von einem flüssigen Wärmetauschermedium umströmt wird. Zur Regelung der Endtemperatur wird die Temperatur des Wärmetauschermediums in Abhängigkeit von der gemessenen Endtemperatur der Flüssigkeit eingestellt. Dazu wird das Wärmetauschermedium aus zwei Reservoirs mit unterschiedlichen Temperaturen mittels eines gesteuerten Mischventils zusammengemischt.

Solche Temperiereinrichtungen funktionieren in der Regel recht gut. Unter manchen Bedingungen neigen solche Systeme jedoch wegen systemimmanenter Totzeiten zu Regelschwingungen.

Dem gegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine zuverlässige Temperiereinrichtung bereitzustellen, welche diesen Nachteil nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Temperiereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dadurch, dass sich das Wärmetauschermedium in einem Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase befindet, befindet sich das Wärmetauschermedium immer auf der Gleichgewichtstemperatur, unabhängig von der mit dem Volumenstrom ausgetauschten Wärmemenge. Eine Regelung der Temperatur des Wärmetauschermediums ist daher nicht erforderlich, so dass Regelschwingungen nicht auftreten können.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung eine Kompensationseinrichtung vorgesehen, durch welche die zwischen der zu temperierenden Flüssigkeit und dem Wärmetauschermedium ausgetauschte Wärmemenge kompensiert wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass die ausgetauschte Wärmemenge zu einer Verschiebung des Phasengleichgewichts führt.

Diese Kompensationseinrichtung kann gemäß besonders vorteilhafter Ausführungen ein Expansionsgefäß oder eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung sein. Dafür bieten sich elektrische Heiz- und/oder Kühleinrichtungen wie Heizwiderstände, Heiztransistoren oder Peltierelemente an.

In einer zu bevorzugenden Ausführung wird die Heiz- und/oder Kühleinrichtung durch eine zweite Fluidleitung gebildet, die durch den Behälter verläuft, und durch die ein zweites Wärmetauschermedium geführt wird.

Für eine besonders gleichmäßige Temperierung der Flüssigkeit ist ein Temperaturfühler zur Messung der Endtemperatur der Flüssigkeit nach dem Austritt aus dem Behälter vorgesehen. Es kann zusätzlich oder alternativ ein Temperaturfühler für die Temperatur der Flüssigkeit vor dem Eintritt in den Behälter vorgesehen sein. Weiterhin kann ein Messfühler für den Druck der Gasphase des Wärmetauschermediums in dem Behälter vorgesehen sein.

Anhand der so gewonnenen Messwerte wird die Kompensationseinrichtung mittels einer Steuerung gesteuert. Auf diese Weise lässt sich das Gleichgewicht des Wärmetauschermediums besonders gut konstant halten.

Der Behälter kann gegen die umgebende Atmosphäre thermisch isoliert sein, um einen Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Phasengleichgewicht zu vermeiden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung. Eine zu temperierende Flüssigkeit X wird mit einem Volumenstrom V durch eine erste Fluidleitung 1 geleitet. Im Beispiel handelt es sich um Wasser, welches mit einem Volumenstrom von 2 l/h durch die Fluidleitung 1 geleitet wird. Das Wasser wird der Leitung 1 mit einer Temperatur von 90°C zugeführt und soll auf eine Temperatur von 80°C ± 0,1°C temperiert werden.

Dabei muss dem Wasser ein Wärmestrom Q̇ von 23,2 J/s entzogen werden.

Dazu wird das Wasser in der Fluidleitung 1 durch einen Behälter 2 geleitet, in welchem sich ein Wärmetauschermedium Y befindet. Im Beispiel ist das Wärmetauschermedium ebenfalls Wasser. Der Behälter hat im Beispiel ein Volumen von 20 l und enthält 10 l Wasser. Das übrige Volumen des Behälters 2 ist mit Luft gefüllt, wobei der Luftdruck auf einen Wert eingestellt ist, welcher dem Dampfdruck des Wärmetauschermediums bei der Zieltemperatur entspricht, im Beispiel sind das 475 hpa.

Im dargestellten Beispiel ist das Volumen des Behälters 2 konstant. Es kann aber gleichermaßen auch ein Expansionsbehälter zum Einsatz kommen.

Im eingeschwungenen Zustand ist das Wärmetauschermedium im Behälter 2 auf seinen Siedepunkt erhitzt. Der Wärmestrom von 23,2 J/s wird dabei vollständig durch Verdampfung des Wärmetauschermediums umgesetzt, wobei im Beispiel etwa 10 mg/s Wasser verdampft werden.

In einer zweiten Fluidleitung 3 wird ein zweites Wärmetauschermedium Z durch den Behälter 2 geführt, im Beispiel ebenfalls Wasser mit einer Temperatur von 20°C. An der zweiten Fluidleitung 3 kondensiert ein Teil des verdampften Wärmetauschermediums und gibt somit die bei der Verdampfung aufgenommene Wärme an das zweite Wärmetauschermedium ab.

Anstelle von Wasser können je nach Einsatzgebiet auch andere Fluide als zweites Wärmetauschermedium verwendet werden, z.B. Luft.

Die zweite Fluidleitung ist dabei so dimensioniert, dass durch ihre Oberfläche bei maximalem Durchfluss, wenn die Temperatur des zweiten Wärmetauschermediums praktisch konstant bleibt, die maximal zu erwartende Wärmemenge bei der herrschenden Temperaturdifferenz transportiert werden kann.

Die Fluidleitungen 1,3 sind in der Figur vereinfacht als gerade Rohre dargestellt, werden aber üblicherweise als gewundene Rohrschlangen ausgeführt sein, um die für den Wärmeübergang benötigten Oberflächen zu erreichen. Die Leitungen können voneinander räumlich getrennt oder ineinander verschlungen sein. Letztere Ausführung ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau.

Es können auch beide Fluidleitungen unterhalb des normalen Flüssigkeitsspiegel des Wärmetauschermediums im Behälter 2 angeordnet sein.

Je nach zu verwendenden Medien können die Fluidleitungen 1,3 und der Behälter 2 aus im Anlagenbau üblichen Materialien hergestellt werden, wie z.B. Kupfer, Aluminium oder Edelstahl. Bei besonders aggressiven Medien können spezielle Legierungen oder auch Kunststoffe zum Einsatz kommen. Die Ermittlung der jeweils geeigneten Materialien sowie der für den benötigen Wärmestrom erforderlichen Geometrien ist für den Fachmann ohne weiteres möglich.

Der Arbeitspunkt der beschriebenen Temperiereinrichtung ist durch den Siedepunkt des Wärmetauschermediums im Behälter 2 bestimmt, welcher wiederum vom im Behälter 2 herrschenden Gasdruck abhängig ist. Durch das Verdampfen des Wärmetauschermediums wird der Gasdruck erhöht, was auch zu einer Erhöhung der Siedetemperatur führt.

Wenn im Beispiel die zugeführte Wärmemenge z.B. durch Schwankung der

Eingangstemperatur des zu temperierenden Wassers um 10% schwankt, ändert sich die verdampfte Wassermenge, und zwar um 1 mg/s. In dem zur Verfügung stehenden Gasvolumen von 10 l führt dies zu einer Druckänderung von ca. 0,1 hpa/s, dabei verschiebt sich die Siedetemperatur um weniger als 0,05 K/hpa, also lediglich um knapp 0,005 K/s

Da also der Einfluss des Gasdrucks auf die Siedetemperatur klein ist, lässt sich die erfindungsgemäße Temperiereinrichtung leicht regeln. Hierzu kann ein Temperaturfühler 4 am Auslauf der Fluidleitung 1 vorgesehen sein, der die Temperatur des zu temperierenden Flüssigkeit misst. Alternativ oder zusätzlich ist ein Druckfühler 5 im Behälter 2 angeordnet, welcher den herrschenden Gasdruck misst. Zusätzlich kann ein Temperaturfühler 6 am Zulauf der Fluidleitung 1 vorgesehen sein, welcher die Einlauftemperatur der zu temperierenden Flüssigkeit misst.

Die Messwerte der Sensoren 4,5,6 werden einer Steuerung 7 zugeleitet. Diese steuert in Abhängigkeit der Messwerte ein Regelventil 8, durch welches der Volumenstrom des zweiten Wärmetauschermediums gesteuert wird. Dadurch ändert sich die über der Oberfläche der zweiten Fluidleitung herrschende Temperaturdifferenz und somit die transportierte Wärmemenge. Auf diese Weise wird die an der zweiten Fluidleitung 3 kondensierende Menge des Wärmetauschermediums so eingestellt, dass der Gasdruck im Behälter 2 und somit die Siedetemperatur des Wärmetauschermediums konstant bleibt.

Wird eine Änderung der Einlauftemperatur der zu temperierenden Flüssigkeit festgestellt, so kann bereits vor dem Eintreten einer Druck- oder Temperaturabweichung eine Anpassung des Volumenstroms des zweiten Wärmetauschermediums erfolgen.

In speziellen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, auch den Durchfluss der zu temperierenden Flüssigkeit mittels eines Ventils zu steuern.

Über einen Anschluss 9 kann der Betriebsdruck in dem Behälter 2 variiert werden, um die Siedetemperatur des Wärmetauschermediums dem jeweiligen Einsatzzweck anzupassen.

Um bei Inbetriebnahme der Einrichtung das Wärmetauschermedium zum Sieden zu bringen, kann in dem Behälter 1 ein Heizelement 10 vorgesehen sein, z.B. in Form einer üblichen Heizspirale.

Im einfachsten Fall wird sich das Wärmetauschermedium am Boden des Behälters gesammelt bleiben. Um in diesem Fall bei etwas größeren Einrichtungen lokale Schwankungen des Arbeitspunktes durch Transportphänomene zu vermeiden, kann zusätzlich eine Rührvorrichtung 11 vorgesehen sein, in der Figur als Propeller dargestellt.

Alternativ kann eine Mischeinrichtung 12 vorgesehen sein, welche für eine stetige Durchmischung der flüssigen und der Gasphase in dem Behälter sorgt, z.B. in Form eines Ultraschallverneblers. Hierdurch wird sichergestellt, dass im gesamten Behältervolumen stets ein Gleichgewicht der Phasen herrscht. In diesem Fall muss natürlich der Wärmeeintrag durch die Mischeinrichtung bei der Dimensionierung der Temperiereinrichtung berücksichtigt werden.

Alternativ kann z.B. eine Verregnungseinrichtung für das Wärmetauschermedium vorgesehen sein. Wesentlich ist hierbei, dass die Mischeinrichtung drucklos arbeitet, da andernfalls das Phasengleichgewicht des Wärmetauschermediums beeinflusst würde.

Um einen nennenswerten Wärmetransport über die Wand des Behälters 2 an die Umgebung zu vermeiden, kann der Behälter mit einer Isolierung 13 umgeben sein.

Mit der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung lassen sich mit minimalem Aufwand auch größere Volumenströme beliebiger Flüssigkeiten temperieren, hierzu kann die im Beispiel beschriebene Einrichtung entsprechend skaliert werden. Natürlich können anstelle von Wasser auch andere Medien als Wärmetauschermedium verwendet werden.