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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von reinem Dampf, mit einem Behälter mit mindestens einer Zufuhröffnung für das zu verdampfende Medium und mindestens einer Abfuhröffnung für den erzeugten Dampf und mit mindestens einem Wärmetauscher, der innerhalb des Behälters vorgesehen ist, und der als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist und eine erste Gruppe von Fluten aufweist, die zwischen einem Wärmeträgerzulaufanschluss und einem Wärmeträgerablaufanschluss angeordnet sind, die mit entsprechenden Anschlüssen ausserhalb des Behälters in Verbindung stehen. Wärmeträger kann Rohdampf sein, der im Wärmetauscher kondensiert wird oder es kann eine Flüssigkeit sein, die im Wärmetauscher abgekühlt wird.
Der im Behälter befindliche Plattenwärmetauscher hat in seinem eigenen Gehäuse unten ein oder mehrere Eintrittsöffnungen für die zu verdampfende Flüssigkeit, im oberen Bereich tritt die teilweise verdampfte Flüssigkeit durch ein oder mehrere Öffnungen aus. Die Verdampfung erfolgt in einem Umlauf des zu verdampfenden Mediums.
Charakteristisch für Plattenwärmetauscher ist es, dass sie ein grundsätzlich geschlossenes Gehäuse aufweisen. Die Ein- und Austritte können verschieden geformt sein (z.B. Rohre, Schlitze, Muffen, Flansche).
Es ist in vielen Bereichen der Technik erforderlich, reinen Dampf zur Verfügung zu stellen. Dies ist etwa in Krankenhäusern der Fall, wo Dampf für medizinische Zwecke benötigt wird. Mit Dampf im Sinne der vorliegenden Erfindung ist in der Regel Wasserdampf gemeint, das heisst, dass das zu verdampfende Medium Wasser ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist jedoch auch für jede andere Form der Verdampfung verwendbar, wie sie beispielsweise in der Kälteindustrie oder der Lebensmittelindustrie benötigt wird.
Zur Herstellung von reinem Dampf werden in der Regel Rohrbündelwärmetauscher verwendet, in denen reiner Dampf erzeugt wird. Es sind Vorrichtungen bekannt, die im Wesentlichen aus einem Wärmetauscher beliebiger Bauart bestehen, der einerseits mit einem Wärmeträger, meist Rohdampf, beaufschlagt wird, um die erforderliche Wärme zuzuführen und der andererseits mit dem zu verdampfenden Medium versorgt wird, das im Inneren des Wärmetauschers zumindest teilweise verdampft und danach in einen separaten Behälter geführt wird, in dem der Dampf von der verbleibenden Flüssigkeit getrennt wird und im Sinne eines Pufferspeichers zwischengespeichert wird.
Der apparative Aufbau der bekannten Vorrichtungen ist relativ aufwändig, so dass die Kosten für die Herstellung und den Betrieb gross sind. Darüber hinaus weisen solche Vorrichtungen ein grosses Bauvolumen auf. Aus der EP 0 758 073 B ist eine Vorrichtung zur Verdampfung eines Kältemittels bekannt, bei der ein Plattenwärmetauscher in eine Dampftrommel integriert ist und mit seinen Stirnseiten seitlich aus dieser Dampftrommel vorragt. Auf diese Weise kann ein sehr kompakter Aufbau erzielt werden, der konstruktive Aufbau jedoch ist im Detail kritisch, da der Druckbehälter relativ grosse Durchbrechungen für den Wärmetauscher aufweist, was bei den zu erwartenden unterschiedlichen Wärmedehnungen zu entsprechenden Verformungen und Spannungen führt.
Darüber hinaus ist die Anpassung des Prozesses an die jeweiligen Gegebenheiten relativ schwierig, da der Naturumlauf des Kältemittels durch die Fallkanäle konstruktiv vorgegeben ist.
Die US 3,538,718 A zeigt einen Wärmetauscher für niedrig siedende Kältemittel, der insgesamt im Inneren eines Druckbehälters angeordnet ist, um das darin befindliche Kältemittel zu verdampfen. Der Wärmetauscher wird auf der Kälteträgerseite im Kreuzstrom mit einem vorgeschalteten Hilfswärmetauscher betrieben und ist nicht für die Kondensation von Rohdampf geeignet. Auch ist hier die Anpassung bzw.
Regelung des Naturumlaufs nicht möglich, problematisch ist. Ähnliches gilt für eine Lösung, die in der WO 03/060411 A offenbart ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Lösung anzugeben, die einerseits konstruktiv einfach ist und damit kostengünstig herstellbar und betreibbar ist und die andererseits eine einfache und effiziente Einstellung und Regelung sowie eine Optimierung des Wärmeübergangs und der hydraulischen Verhältnisse, sowie bei niedrig siedenden Flüssigkeiten der Verdampfungstemperatur, ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Verschmutzungen und Verkrustungen durch ein optimales Design nach Möglichkeit zu verhindern.
Bei einer Anwendung in der Kältetechnik wird eine möglichst geringe Flüssigkeitshöhe angestrebt, da diese den Siedepunkt der zu verdampfenden Flüssigkeit erhöht und ein möglichst tiefer Siedepunkt angestrebt wird, um eine optimale Kühlleistung zu erzielen.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch erreicht, dass der Plattenwärmetauscher eine zweite Gruppe von Fluten aufweist, die mit einem oberen Sammler in Verbindung stehen, der mindestens eine Ausströmöffnung aufweist. Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht es, handelsübliche Plattenwärmetauscher einzusetzen, die vollkommen in den Behälter integriert sind, so dass nur die Leitungen zu Wärmeträgerzulaufanschluss und zum Wärmeträgerablaufanschluss durch die Behälterwand hindurchgeführt werden müssen.
Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemässen Lösung ist die Tatsache, dass über die Ausströmöffnung der zweiten Gruppe von Fluten des Plattenwärmetauschers eine einfache und effiziente Auslegung und Regelung möglich ist. Insbesondere ist es dabei günstig, wenn die Ausströmöffnungen des Plattenwärmetauschers mit ei nem nach oben gerichteten Steigrohr verbunden sind. Bei dieser Ausführungsvariante kann die Antriebskraft, die den Naturumlauf im Inneren des Plattenwärmetauschers hervorruft, in besonders vorteilhafter Weise durch die Steuerung des Flüssigkeitspegels im Inneren des Behälters in weiten Grenzen variiert werden, so dass sich ein grosser Regelbereich ergibt.
Durch die Optimierung der Strömungsverhältnisse kann insbesondere eine Vermeidung von Verschmutzungen und Verkrustungen erreicht werden.
Ein optimaler Naturumlauf erhöht den Flüssigkeitsanteil im Wärmetauscher, dieser erhöht den Wärmeübergang, spült den Wärmetauscher und verhindert Ablagerungen und Verkrustungen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist auch in einem Zwangsumlaufbetrieb einsetzbar, bei dem das zu verdampfende Medium mechanisch durch den Wärmetauscher gefördert wird. Aufgrund des aparativen Aufwands ist jedoch ein Naturumlauf bevorzugt. Falls es aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten des reinen Dampfs oder anderer Umstände angezeigt ist, können auch mehrere Wärmetauscher vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Behälter als stehender Zylinder ausgebildet ist. Um das Austragen von Flüssigkeitspartikeln zu vermeiden, ist es besonders bevorzugt, wenn im oberen Bereich des Behälters ein Flüssigkeitsabscheider vorgesehen ist.
Ein solcher Flüssigkeitsabscheider kann mit beispielsweise dadurch realisiert werden, dass im oberen Bereich ein Lochblech vorgesehen ist, auf das das zu verdampfende Medium aufgebracht wird, um einen definierten Flüssigkeitsspiegel zu erhalten. Der aufsteigende Dampf muss in diesem Fall durch die Flüssigkeitsschicht auf dem Lochblech hindurchtreten und wird auf diese Weise von mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen befreit.
Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von reinem Dampf mit folgenden Schritten:
Zuführen eines Mediums in einen Behälter, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist;
Hindurchführen eines Wärmeträgermediums durch erste Fluten des als Plattenwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauschers;
Hindurchführen des Mediums durch zweite Fluten des Plattenwärmetauschers und Verdampfen zumindest einer Teilmenge des hindurchströmenden Mediums.
Erfindungsgemäss ist dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Medium im oberen Bereich des Wärmetauschers gesammelt wird. Von besonderem Vorteil ist es im Zuge dieses Verfahrens, wenn die Reindampferzeugung durch eine Änderung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter optimiert wird. Von besonderem Vorteil ist es im Zuge dieses Verfahrens, dass der Wärmeübergang, die hydraulischen Verhältnisse, die die Bildung von Ablagerungen im Wärmetauscher und die Konzentration der umlaufenden Flüssigkeit beeinflussen und bei niedrig siedenden Flüssigkeiten die Verdampfungstemperatur durch eine Änderung des Flüssigkeitsspiegels im Behälter auch während des Betriebs optimiert werden kann.
Das Verfahren wird dabei so geführt, dass der Flüssigkeitsspiegel im Inneren des Behälters mindestens im mittleren Bereich des Wärmetauschers gelegen ist, maximal jedoch weit über dem Wärmetauscher liegen kann.
Durch eine Abschlammeinrichtung, die üblicherweise am Behälterboden angeordnet ist, kann die Konzentration des umlaufenden Mediums eingestellt werden. Hohe Konzentrationen können durch mitgerissene Tröpfchen die erzeugte Dampfqualität negativ beeinflussen.
Zusammen mit der Flüssigkeitsabscheidung kann durch die erfindungsgemässe Optimierung der hydraulischen Verhältnisse auch die Dampfqualität beeinflusst werden.
Die Regelung der erzeugten Reindampfmenge erfolgt dabei im Allgemeinen, wie üblich durch eine Veränderung der Temperatur auf der Wärmeträgerseite, bei Kondensation des Wärmeträgermediums, wird das durch eine Druckregelung realisiert.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Vorrichtung in einem Längsschnitt, Fig. 2, 3 und 4 Darstellungen eines Wärmetauschers in vergrössertem Massstab von verschiedenen Seiten bzw. von oben und Fig. 5, 6 und 7 Darstellungen einer weiteren Ausführungsvariante eines Wärmetauschers von verschiedenen Seiten bzw. von oben.
Die Vorrichtung von Fig. 1 besteht aus einem Behälter 1, der als zylindrischer Druckbehälter in stehender Form, also mit senkrechter Achse ausgebildet ist. Im Inneren des Behälters 1 befindet sich im unteren Bereich ein Plattenwärmetauscher 2, der vom Wärmeträgermedium durchströmt wird. Der Wärmeträgerzulaufanschluss ist mit 3 bezeichnet, während der Wärmeträgerablaufanschluss mit 4 bezeichnet ist.
In an sich bekannter Weise besteht der Wärmetauscher 2 aus einem Stapel von hier schematisch dargestellten Platten 15, die abwechselnd eine erste Gruppe von Fluten 7a und eine zweite Gruppe von Fluten 7b begrenzen. Die erste Gruppe von Fluten 7a erstreckt sich zwischen dem Wärmeträgerzulaufanschluss 3 und dem Wärmeträgerablaufanschluss 4, die übereinander liegend angeordnet sind, während sich die zweite Gruppe von Fluten 7b zwischen einer Einströmöffnung 5 und einer Ausströmöffnung 6 erstrecken, die in den verbleibenden Ecken des Plattenwärmetauschers 2 angeordnet sind. Wesentlich ist, dass der Plattenwärmetauscher 2 sich in einem Gehäuse befindet, die Einströmöffnung 5 und die Ausströmöffnung 6 sind in einer sammlerartigen Funktion als Stutzen oder Schlitze ausgebildet.
Je nach strömungstechnischem Erfordernis kann die Ausströmöffnung 6 einfach ausgebildet sein oder doppelt an den beiden Seiten des Plattenwärmetauschers 2 vorhanden sein, wobei die zweite Ausströmöffnung mit 6b bezeichnet ist. An der Ausströmöffnung 6 ist ein Steigrohr 8 vorgesehen, das sich ausgehend vom Plattenwärmetauscher 2 senkrecht nach oben erstreckt und in einer Öffnung endet. Das Steigrohr 8 kann verschiedenste Geometrien im Querschnitt haben um es den räumlichen Verhältnissen im Behälter 1 anzupassen. Ein typischer Flüssigkeitsspiegel im Inneren des Behälters 1 ist mit 11 gekennzeichnet. Zur Regelung des Verfahrens kann der Flüssigkeitsspiegel 11 in weiten Grenzen variieren, wobei der Minimalwert mit 11b gekennzeichnet ist.
Der Minimalwert 11b liegt geringfügig oberhalb der Mitte des Plattenwärmetauschers 2, um zu gewährleisten, dass die Fluten 7b zumindest zur Hälfte mit flüssigem Medium beaufschlagt sind. Ein Saugrohr 14 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, das Medium aus einem beliebigen Bereich des Behälters 1 ansaugen. Um das Ansaugen von eventuellen Sedimenten zu verhindern, die sich im unteren Bereich des Behälters befinden, kann hier ein Filter vorgesehen sein, und falls erforderlich kann das Saugrohr 14 auch nach oben orientiert sein. Im oberen Bereich des Behälters 1 ist eine Flüssigkeitsabscheider 13 vorgesehen, der verbleibende Flüssigkeitströpfchen aus dem abgezogenen Reindampf abscheidet.
Das zu verdampfende Medium wird in den Behälter 1 über einen oberen Anschluss 9 und/oder einen unteren Anschluss 9b zugeführt.
Ein Abschlämmanschluss 12 befindet sich im unteren Teil des Behälters. Das verdampfte Medium, also der reine Dampf, wird über einen Anschluss 10 oben abgezogen.
Die Ausführungsvariante von der Fig. 5 bis 7 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Ausführungsvariante im Wesentlichen dadurch, dass der Behälter 1 liegend ausgebildet ist. Der Wärmetauscher 2 besitzt einen runden Querschnitt, ansonsten gelten die obigen Ausführungen in analoger Weise.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, reinen Dampf kostengünstig herzustellen und gleichzeitig eine Optimierung des Verfahrens einfach und in einem weiten Bereich zu ermöglichen.
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The invention relates to a device for generating pure steam, comprising a container having at least one feed opening for the medium to be evaporated and at least one discharge opening for the generated steam and at least one heat exchanger, which is provided within the container, and which is designed as a plate heat exchanger and a first group of floods disposed between a heat carrier inlet port and a heat carrier drain port communicating with corresponding ports outside the vessel. Heat transfer medium can be raw steam that is condensed in the heat exchanger or it can be a liquid that is cooled in the heat exchanger.
The plate heat exchanger located in the container has in its own housing down one or more inlet openings for the liquid to be evaporated, in the upper part of the partially evaporated liquid exits through one or more openings. The evaporation takes place in a circulation of the medium to be evaporated.
Characteristic of plate heat exchangers is that they have a basically closed housing. The inlets and outlets may be shaped differently (e.g., tubes, slots, sleeves, flanges).
It is necessary in many fields of technology to provide pure steam. This is the case, for example, in hospitals where steam is needed for medical purposes. For the purposes of the present invention, steam as a rule means steam, that is to say that the medium to be evaporated is water.
However, the device according to the invention can also be used for any other form of evaporation, as required, for example, in the refrigeration industry or the food industry.
For the production of pure steam tube bundle heat exchangers are usually used in which pure steam is generated. There are devices are known which consist essentially of a heat exchanger of any design, on the one hand with a heat transfer medium, usually raw steam is applied to supply the required heat and the other is supplied with the medium to be evaporated, at least partially in the interior of the heat exchanger is vaporized and then passed into a separate container in which the vapor is separated from the remaining liquid and is cached in the sense of a buffer memory.
The apparatus design of the known devices is relatively complex, so that the cost of production and operation are large. In addition, such devices have a large volume of construction. EP 0 758 073 B discloses a device for evaporating a refrigerant, in which a plate heat exchanger is integrated in a steam drum and protrudes laterally out of this steam drum with its end faces. In this way, a very compact design can be achieved, but the structural design is critical in detail, since the pressure vessel has relatively large openings for the heat exchanger, resulting in the expected different thermal expansion to corresponding deformations and stresses.
In addition, the adaptation of the process to the respective conditions is relatively difficult, since the natural circulation of the refrigerant through the drainage channels is structurally predetermined.
The US 3,538,718 A shows a heat exchanger for low-boiling refrigerant, which is arranged in its entirety inside a pressure vessel in order to evaporate the refrigerant therein. The heat exchanger is operated on the brine side in cross flow with an upstream auxiliary heat exchanger and is not suitable for the condensation of raw steam. Also here is the adaptation or
Regulation of natural circulation is not possible, is problematic. The same applies to a solution which is disclosed in WO 03/060411 A.
Object of the present invention is to avoid the disadvantages described above and to provide a solution that is both structurally simple and thus inexpensive to produce and operate and on the other hand a simple and efficient setting and control and optimization of heat transfer and hydraulic conditions, and at low boiling liquids of the evaporation temperature enabled. Another object of the invention is to prevent soiling and encrustation by an optimal design as far as possible.
In an application in refrigeration the lowest possible liquid level is sought, as this increases the boiling point of the liquid to be evaporated and the lowest possible boiling point is sought in order to achieve optimum cooling performance.
According to the invention, these objects are achieved in that the plate heat exchanger has a second group of floods, which communicate with an upper header, which has at least one outflow opening. The solution according to the invention makes it possible to use commercially available plate heat exchangers which are completely integrated in the container so that only the lines to the heat carrier inlet connection and to the heat carrier outlet connection have to be passed through the container wall.
Of particular advantage in the inventive solution is the fact that a simple and efficient design and control is possible via the outflow opening of the second group of floods of the plate heat exchanger. In particular, it is advantageous if the outflow openings of the plate heat exchanger are connected with egg nem upwardly directed riser. In this embodiment, the driving force that causes the natural circulation in the interior of the plate heat exchanger can be varied in a particularly advantageous manner by the control of the liquid level inside the container within wide limits, so that there is a large control range.
By optimizing the flow conditions, in particular an avoidance of contamination and incrustations can be achieved.
An optimal natural circulation increases the liquid content in the heat exchanger, this increases the heat transfer, flushes the heat exchanger and prevents deposits and encrustations. The inventive device can also be used in a forced circulation operation, in which the medium to be evaporated is mechanically conveyed through the heat exchanger. Due to the aparativen effort, however, a natural circulation is preferred. If it is indicated due to high flow rates of pure steam or other circumstances, several heat exchangers may be provided.
It is particularly advantageous if the container is designed as a stationary cylinder. To avoid the discharge of liquid particles, it is particularly preferred if a liquid separator is provided in the upper region of the container.
Such a liquid separator can be realized, for example, by providing a perforated plate in the upper region, onto which the medium to be evaporated is applied in order to obtain a defined liquid level. In this case, the ascending vapor must pass through the liquid layer on the perforated plate and in this way is freed of entrained liquid droplets.
Furthermore, the present invention relates to a process for the production of pure steam with the following steps:
Supplying a medium into a container in which a heat exchanger is arranged;
Passing a heat transfer medium through first flooding of the heat exchanger formed as a plate heat exchanger;
Passing the medium through second flooding of the plate heat exchanger and vaporizing at least a subset of the medium flowing therethrough.
According to the invention, this method is characterized in that the medium is collected in the upper region of the heat exchanger. It is particularly advantageous in the course of this method, if the pure steam production is optimized by a change in the liquid level in the container. It is particularly advantageous in the course of this process that the heat transfer, the hydraulic conditions that influence the formation of deposits in the heat exchanger and the concentration of the circulating liquid and low-boiling liquids, the evaporation temperature by a change in the liquid level in the container during operation can be optimized.
The method is performed so that the liquid level is located in the interior of the container at least in the central region of the heat exchanger, but at most can be far above the heat exchanger.
By a Abschlammeinrichtung, which is usually arranged on the container bottom, the concentration of the circulating medium can be adjusted. High concentrations can negatively influence the steam quality produced by entrained droplets.
Together with the liquid separation, the steam quality can also be influenced by the optimization of the hydraulic conditions according to the invention.
The regulation of the amount of pure steam produced is generally carried out, as usual by a change in the temperature on the heat carrier side, in condensation of the heat transfer medium, this is realized by a pressure control.
As a result, the present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in FIGS.
They show schematically:
1, a first embodiment of an inventive device in a longitudinal section, Fig. 2, 3 and 4 representations of a heat exchanger in an enlarged scale from different sides or from above and Fig. 5, 6 and 7 representations of another embodiment of a heat exchanger from different sides or from above.
The device of Fig. 1 consists of a container 1, which is designed as a cylindrical pressure vessel in a standing form, ie with a vertical axis. Inside the container 1 is located in the lower part of a plate heat exchanger 2, which is flowed through by the heat transfer medium. The heat carrier inlet connection is designated by 3, while the heat carrier outlet connection is denoted by 4.
In a manner known per se, the heat exchanger 2 consists of a stack of plates 15 shown schematically here, which alternately define a first group of flows 7a and a second group of flows 7b. The first group of flows 7a extends between the heat carrier inflow port 3 and the heat carrier outflow port 4, which are arranged one above the other, while the second group of flows 7b extend between an inflow port 5 and an outflow port 6 arranged in the remaining corners of the plate heat exchanger 2 are. It is essential that the plate heat exchanger 2 is located in a housing, the inflow opening 5 and the outflow opening 6 are formed in a collector-like function as a nozzle or slots.
Depending on the fluidic requirement, the outflow opening 6 may be simple or may be present twice on both sides of the plate heat exchanger 2, the second outflow opening being designated 6b. At the outflow opening 6, a riser 8 is provided, which extends from the plate heat exchanger 2 vertically upwards and ends in an opening. The riser 8 may have a variety of geometries in cross section to adapt it to the spatial conditions in the container 1. A typical level of liquid inside the container 1 is indicated at 11. To regulate the method, the liquid level 11 can vary within wide limits, the minimum value being denoted by 11b.
The minimum value 11b is slightly above the center of the plate heat exchanger 2, to ensure that the floods 7b are at least half acted upon by liquid medium. A suction pipe 14, as shown in Fig. 1, suck the medium from any area of the container 1. In order to prevent the suction of any sediments, which are located in the lower part of the container, a filter can be provided here, and if necessary, the suction pipe 14 can also be oriented upwards. In the upper region of the container 1, a liquid separator 13 is provided, which separates remaining liquid droplets from the withdrawn pure steam.
The medium to be evaporated is supplied to the container 1 via an upper port 9 and / or a lower port 9b.
A Schlämmanschluss 12 is located in the lower part of the container. The vaporized medium, so the pure steam is withdrawn via a port 10 above.
The embodiment of Fig. 5 to 7 differs from the embodiment described above essentially in that the container 1 is formed lying. The heat exchanger 2 has a round cross-section, otherwise the above statements apply in an analogous manner.
The present invention makes it possible to produce pure steam inexpensively and at the same time to allow optimization of the method easily and in a wide range.