DE1517493A1 - Vielstufiger Entspannungsverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen vielstufigen Entspannungsverdampfer, und zwar insbesondere auf einen solchen, der zur Erzeugung destillierten Wassers aus unreinem Wasser oder Seewasser geeignet ist.

Bei Entspannungsverdampfern wird die zu verdampfende Sole oder Flüssigkeit durch eine Serie von Erhitzern geleitet, von denen der letzte im allgemeinen durch Frischdampf beheizt wird, der von einer äußeren Quelle stammt. Bei zahlreichen Verdampfern, und insbesondere bei Verdampfern zum Destillieren von Seewasser, ist die Spitzentemperatur der Sole, auf die die zirkulierende Sole im frischdampfbeheizten Erhitzer erhitzt werden kann, durch zahlreiche betriebliche und aufbaumäßige Umstände begrenzt, insbesondere durch die bei höheren Betriebstemperaturen auftretende Gefahr des Abscheidens von Ablagerungen. Im Falle von Verdampfern zur Destillation von salzhaltigem

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Wasser wie z.B. Seewasser ergibt sich im allgemeinen eine zulässige obere Grenze für die Temperatur der Sole in der Gegend von etwa 93⁰C, so daß sämtliche im Verdampfer enthaltenen Erhitzer bei unteratmosphärischen Drücken arbeiten. Diese Anordnung führt auf der anderen Seite zu dem Vorteil, daß niedrig gespannter Abdampf in dem frischdampfbeheizten Erhitzer verwendet werden kann. In einigen anderen Fällen jedoch steht für den Verdampfer lediglich eine Dampfquelle zur Verfügung, die den Dampf unter beträchtlichem Druck abgibt. Für diese Fälle ist es wünschenswert, Maßnahmen zur vorteilhaftesten Ausnutzung des höher gespannten Dampfes zu treffen.

Mit der Erfindung soll die vorangehend umrissene Aufgabenstellung für einen vielstufigen Entspannungsverdampfer mit mindestens drei aus jeweils einer Entspannungskammer und einem zugeordneten Erhitzer bestehenden Stufen sowie einem zusätzlichen, frischdampfbeheizten Erhitzer dadurch gelöst werden, daß die ) Einlaßleitung des frischdampfbeheizten Erhitzers mit der Druckseite eines mechanischen Kompressors (z.B. eines Turbokompressors oder Kolbenkompressors) verbunden ist, dessen Ansaugseite an eine Zwischenstufe des Verdampfers angeschlossen ist und aus dieser Stufe Dampf zur Einspeisung in den Frischdampferhitzer abzieht.

j Vorzugsweise ist dabei die Anordnung so getroffen,

daß die besagte Einlaßleitung oder eine andere Einlaßleitung

. des frischdampfbeheizten Erhitzers mit der Abgabeseite einer

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Dampfturbine verbunden ist, so daß der in den frischdampfbeheizten Erhitzer eingespeiste Frischdampf in der Turbine expandiert ist. Die Turbine kann dabei zum Antrieb des Kompressors benutzt werden. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, wenn Turbine und Kompressor so ausgelegt sind, daß während des Betriebes der Druck des Turbinen-Abdampfes etwa gleich ist dem Druck des vom Kompressor gelieferten komprimierten Dampfes. g

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung stellt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung dar.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, enthält der Entspannungsverdampfer eine Soleleitung 10, die durch eine Serie von rhitzern 12 hindurchgeführt ist. In der Leitung 10 wird die Sole graduell auf eine höhere Temperatur gebracht, und zwar im wesentlichen durch die latente Wärme, die bei der Kondensation des aus Entspannungskammern 14 stammenden und über Leitungen 13 in die Erhitzer 12 eingeleiteten Dampfes. Die Entspan- f nungskammern 14 liegen in Serie hintereinander und werden mit der in den Erhitzern 12 erwärmten Sole gespeist. Das in den Erhitzern 12 kondensierende Destillat wird über eine Pumpe 16 abgepuiüpt. In gleicher .'eise wird auch die in den Entspannungskammern 14 nicht verdampfte Flüssigkeit aus der letzten Entspannungskammer abgezogen. Für den Rundlauf der Sole ist eine Zirkulationspumpe 18 in der Leitung 10 vorgesehen.

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Im Entspannungsverdampfer ist ein weiterer Erhitzer 20 vorhanden, durch den die Sole unmittelbar vor dem Eintritt in die erste der Entspannungskammern 14 hindurchgeleitet wird. Dieser Erhitzer 20 wird mit Fremddampf beheizt, der über die Leitung 22 zugeführt wird.

Die den letzten Entspannungskammern 14 zugeordneten Erhitzer 24, die jeweils über Leitungen 25 mit den betreffenden Entspannungskammern verbunden sind, enthalten nicht die Soleleitung 10, sondern eine Leitung 26, durch die mittels einer Pumpe 28 frisches, kaltes Rohwasser eingespeist wird. Diese Maßnahme dient dazu, überschüssige Wärme aus dem Kreislaufsystem zu entziehen. Nach dem Austritt aus dem in der Serie am weitesten vorn liegenden Erhitzer 24a wird ein Teil des in der Leitung 26' zirkulierenden Rohwassers abgeleitet, während ein weiterer Teil über eine Leitung 30 in die letzte der Entspannungskammern 14 eingespeist wird. Hier mischt sich das erwärmte frische Rohwasser mit dem nicht-verdampften Rest an bereits behandelter Sole, die über die Leitung 10 zirkuliert wurde. Von der aus dieser letzten Entspannun^skammer abgezogenen !.lischung wird ein Teil verworfen, während ein weiterer Teil mit Hilfe der Pumpe 18 in der bereits beschriebenen Weise erneut in den Kreislauf eingespeist wird. Mithin erfolgt die Zugabe des gesamten in den Kreislauf eingeführten frischen Rohwassers über die Leitung 30.

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Zur besseren Unterscheidbarkeit der verschiedenen Erhitzer soll der über die Leitung 22 mit Dampf versorgte Erhitzer 20 nachfolgend auch als "Frischdampf-Erhitzer" bezeichnet werden, während für die Erhitzer 12, in denen die Sole durch Dampfkondensation erhitzt wird, die Bezeichnung "Sole-Erhitzer¹¹ und für die Erhitzer 24, in denen frisches Rohwasser durch Dampfkondensation erwärmt wird, die Bezeichnung "Rohwasser- ^ Erhitzer" gewählt werden soll.

Wie bereits erwähnt, liegt ein wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung darin, in möglichst vorteilhafter Weise das Druckgefälle auszunutzen, das von dem aus der äußeren Quelle 31 zugespeiste, sog. Frischdampf erhältlich ist. Zur Erreichung dieses Zieles wird der Frischdampf über eine Dampfturbine 32 geleitet, bevor er den frischdampferhitzer 20 erreicht. Die Turbine ist mit einem Rotations-Kompressor 33 gekoppelt. Der Kompressor 33 ist auf seiner Saugseite über eine Leitung 34 mit einem der in den Zwischenstufen angeordnetaaErhitzer ver- ' f bunden, so daß der in die"Turbine 32 eingeleitete Dampf im Ergebnis dazu dient, einen Teil des über den Kompressor aus einer der Zwischenstufen des Verdampfers abgezogenen (und aus der Sole stammenden) Dampfes zu komprimieren. Dieser komprimierte Dampf wird zusammen mit dem Abdampf aus der Turbine in den Frischdampferhitzer 20 eingespeist, in welchem diese Dampf mischung kondensiert wird. Das auf diese V/eise in dem Erhitzer 20 gebildete Kondensat kann über die Leitung 21 als

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Kesselspeisewasser abgezogen werden, es kann aber auch über die Leitung 23 dem in den Erhitzern 12 befindlichen Kondensat zugeführt werden.

Durch die beschriebene Maßnahme läßt sich unter einem gewissen Satz von Betriebsbedingungen die Menge des zum Betrieb des Verdampfers benötigten Frischdampfes vermindern, und zwar um einen Anteil, der näherungsweise der Menge des in dem Kompressor 33 komprimierten Dampfes entspricht. Hierdurch wird eine nennenswerte Ersparnis an Frischdampf und Wärmeverbrauch erzielt. Diese Ersparnis kann innerhalb weiter Grenzen schwanken, je nachdem thermodynamischen Zyklus, der in dem Verdampfer benutzt wird. Darüber hinaus werden neben der Turbine 32 und dem Kompressor 33 praktisch keine zusätzlichen weiteren Hilfseinrichtungen und kein zusätzlicher weiterer Aufwand mehr benötigt. Tatsächlich ist auch eine Reduktion der Heizoberflächen in den Rohwasser-Erhitzern 24 möglich. Vorzugsweise sind die Turbine 32 und der Kompressor 33 so ausgelegt, daß der Druck des Turbinen-Abdampfes etwa gleich ist dem Druck des von dem Kompressor gelieferten komprimierten Dampfes.

Die Menge des von der Zwischenstufe durch den Kompressor 33 abgezogenen Dampfes hängt - bei vorgegebenen Frischdampfbedingungen - ab von dem Druck in der an den Kompressor angeschlossenen Verdampferstufe und vom Druck in dem Frischdampferhitzer 20, in den die Dampfmischung abgegeben wird. Wenn das Druckverhältnis zwischen dem höheren und dem tieferen der oben

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erwähnten beiden Drücke vermindert wird, steigt das Verhältnis von abgeschwächtem Dampf zu zugeführtem Frischdampf beträchtlich an. Auf der anderen Seite ist jedoch die größte Leistungsfähigkeit der Anlage gegeben, wenn der Verdampfer mit einer möglichst hohen Sole-Temperatur betrieben wird und mit einer gerade noch praktikabel niedrigen Dampftemperatur in dem kältesten RohwasserErhitzer 24b. ^

ils sei darauf hingewiesen, daß der vom Kompressor 33 abgezogene Dampf von einer Zwischenstufe des Verdampfers und nicht von der ersten oder der letzten L^:tufe abgenommen wird. Es wurde nämlich gefunden, dato eine beträchtliche Verbesserung des Verhältnisses von abgesogenem Dampf zu zugeführtem Frischdampf
und damit eine beträchtliche Verbesserung des Dampfverbrauchs
der Anlage erzielbar ist, wenn der Kompressor 33 den Dampf
von einer Entspannungskammer oder einem Erhitzer abzieht, der
bei einem mittleren, zwischen dem höchsten und dem niedrigsten in der Anlage verfügbaren Druck arbeitet. Zweckmäßig wird die ^ Dampfextraktion durch den Kompressor 33 durchgeführt in dem
beim höchsten Druck arbeitenden iiohwasser-^rhitzer 24a (falls
mehr als ein solcher Erhitzer verwendet wird) oder in dem beim geringsten I-ruck arbeitenden Sole-Erhitzer 12o. Die gestrichelten Leitungen 34, 56 und 3C deuten die Anschlüsse zwischen der Saugseite des Kompressors 33 und - je nach Lage des Falles den Erhitzern 24a bzw. 12a an.

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Alternativ kann die Anordnung so getroffen werden, daß eine ausgewählte mittlere Entspannungskammer 14a über eine Leitung 39 mit einem einfachen Dampf gefäß 4-0 verbunden wird, wobei der Anschluß des Kompressors 33 dann über eine Leitung 42 an dieses Dampfgefäß 40 erfolgt. Bei dieser Modifikation bilden die Kammer 14a und das Dampfgefäß 40 die "mittlere ^ Stufe des Verdampfers", aus der der Dampf abgezogen wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, laufen durch das Dampfgefäß 40 im Gegensatz zu den Erhitzern 12 und 24 keine Flüssigkeitsleitungen hindurch.

Eine Untersuchung der thermodynamischen Verhältnisse der vorhergehend beschriebenen Anordnungen zeigt, daß keine thermodynamischen Verluste auftreten, wenn der Dampf von dem mit dem höchsten Druck arbeitenden Rohwasser-Erhitzer 24a abgezogen wird, da bei dieser Stelle die Wärme aus der Anlage noch verworfen wird und die Extraktion von Dampf bei einem mittleren , ψ Druck die Menge des durch den Kompressor 33 verarbeiteten Dampfes erhöht. Das gleiche gilt, wenn die Saugseite des Kompressors mit dem speziellen Dampfgefäß 40 oder der ihm zugeordneten Entspannungskammer 14a verbunden wird. Ein gewisser thermodynamischer Verlust tritt auf, wenn die Saugseite des Kompressors 33 mit dem kältesten Sole-Erhitzer 12a verbunden wird. Dieser Verlust ist jedoch nur klein, da dieser Erhitzer bei einem Temper.aturpegel arbeitet, der bereits sehr stark dem Pegel angenähert ist, ab dem die Wärme aus der Anlage verworfen wird. Im übrigen

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wird dieser thermodynamische Verlust im allgemeinen mehr als ausgeglichen durch die Vorteile, die sich durch die verbesserte Wirkungsweise der aus Turbine 32 und Kompressor 33 zusammengeschalteten Hilfsanlage ergeben.

In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Dampf von einem Sole-Erhitzer 12 abzuziehen, der bei einem Druck oberhalb des Druckes im Sole-Erhitzer 12a arbeitet. Dabei kann ( es andererseits aber eintreten, daß die von einer solchen Anordnung durch den Kompressor 33 verarbeitete vergrößerte Dampfmenge nicht die thermodynamischen Nachteile ausgleicht, die sich daraus ergeben, daß die Dampfextraktion bei einem Temperaturpegel stattfindet, bei dem noch V/ärme nutzbringend in die zirkulierende Sole übertragen werden kann.

Mitunter kann es auch wünschenswert sein, die Temperatur der den Frischdampferhitzer 20 verlassenden Sole unter die maximal zulässige Grenze, die unter Berücksichtigung der .Bildung von Ablagerungen gegeben ist, zu reduzieren. In gewissen Fällen kann dabei die auf eine solche Temperatur-Senkung zurückgehende Induktion des lietto-Leistungsfaktors des Verdampfers (d.h. des Verhältnisses von erzeugtem Destillat zu verbrauchtem Frischdampf) mehr als ausgeglichen werden durch die Einsparung im Frischdampf-Verbrauch, die sich aus dem innerhalb des Kompressors 33 benötigten geringeren Druckanstieg ergibt. Dies gilt insbesondere für Seewasser-Verdampfer, die mit recht kleinen Temperatur- und Druckdifferenzen zwischen dem niederdrückende

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und dem Hochdruckende der Anlage arbeiten.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile werden deutlich, wenn die Leistungsfähigkeit eines Verdampfers üblicher Bauart vergl i chen wird mit der Leistungsfähigkeit des gleichen, jedoch nunmehr nach Maßgabe der Erfindung modifizierten Verdampfers. Dabei sei ein Verdampfer betrachtet, der bei konventionel- ^ ler Bauweise einen Leistungsfaktor von 8:1 besitzt, dh. bei dem jedes kg von direkt zum Erhitzer zugeführtem Frischdampf innerhalb des Verdampfers 8 kg Dampf erzeugt, aus denen sich nach Kondensation wiederum 8 kg Destillat ergeben. Aus einem solchen Verdampfer läßt sich mithin insgesamt eine Wassermenge von 9 kg pro kg Frischdampf entnehmen, die sich zusammensetzt aus 8 kg an gebildetem Destillat und 1 kg an kondensiertem Frischdampf. Da jedoch von der entnommenen Wassermenge wiederum 1 kg als Speisewasser zum Frischdampfkessel zurückgeführt werden muß, ergibt sich netto pro kg Frischdampf eine Wasserabgabe von 8 kg, mithin also ein Netto-Leistungsfaktor von 8:1.

Falls nun der gleiche Verdampfer nach Maßgabe der Erfindung modifiziert wird, ergeben sich auch für den Leistungsfaktor einige Veränderungen. Jedes 1/3 kg von Frischdampf, der durch die Turbine durchläuft, erzeugt eine für die Kompression von 2/3 kg Dampf im Kompressor ausreichende Energie. Damit ergibt sich nach Mischung des Turbinen-Abdampfes mit dem komprimierten Dampf bereits aus 1/3 kg Frischdampf die zur Speisung

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des Frischdampf-Erhitzers notwendige Dampfmenge von 1 kg. Diese Dampfmenge erzeugt wiederum (da es sich ja nach wie vor um den gleichen Verdampfer handeln soll) im Verdampfer eine Dampfmenge von 8 kg. Von dieser Dampfmenge sind die vom Kompressor abgezogenen 2/3 kg abzuziehen, so daß nur 7 1/3 kg Dampf als Destillat kondensieren können. Durch Addition dieser Destillatmenge mit dem im Frischdampferhitzer erzeugten 1 kg Destillat ergibt sich insgesamt eine Wasserabgabe von 8 i/3kg. Da von dieser abgegebenen Viassermenge nur 1/3 kg als Kesselspeisewasser benötigt wird, ergibt sich ebenso wie im erstbeschriebenen Pail eine Netto-'.Vasserabgabe von 8 kg. Zum Unterschied vom erstbeschriebenen Fall werden für die Erzeugung dieser Wassermenge jedoch nur noch 1/3 kg Frischdampf benötigt, so daß der effektive ITetto-Leistungsfaktor nunmehr 8:1/3 bzw. 24:1 beträgt.

Natürlich muß bei der erfindunjsgemäßen Ausgestaltung des Verdampfers die Dampfzufuhr zur Turbine 32 bei einem vergleichsweise hohen Druck erfolgen. Der zum Erzeugen dieses höhergespannten Dampfes benötigte zusätzliche Brennstoff ist jedoch vernachlässigbar im Vergleich zu den Einsparungen, die sich aus der Tatsache ergeben, daß die Gesamtmenge an benötigtem Dampf um den Faktor 2/3 vermindert worden ist. ?alls die Dampfquelle 31 ein Kessel ist, kommt noch hinzu, daß dieser wegen seiner wesentlich kleineren Größe billiger konstruiert und installiert werden kann.

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Palls aus irgendeinem Grunde aus der Quelle 21 kein Dampf von ausreichend hohem Druck erhältlich sein sollte, kann die in der Zeichnung dargestellte Anlage ohne weiteres mit einer Einspeisung von niedriger gespanntem Frischdampf betrieben werden, indem der Frischdampf nicht über die Turbine 32, sondern direkt in den Frischdampferhitzer 20 eingeleitet wird. In einem solchen Fall kann der Kompressor entweder aus dem Verdampfungszyklus ausgeschaltet werden, oder, alternativ, durch irgendeinen anderen primären Antrieb angetrieben werden.

Es sei noch bemerkt, daß die Verbindungleitungen zwischen dem Turbo-Kompressor und dem Erhitzer oder den Erhitzern, und ebenfalls die Verbindungsleitungen zwischen der Turbine und der Dampfquelle 31, Ventile oder andere Einrichtungen enthalten, mit denen die Frischdampf-Zufuhr und das Abziehen des Dampfes aus den Erhitzern gesteuert wird, und mit denen die beim Anfahren oder Abschalten der Anlage erforderlichen Betriebsbedingungen geregelt werden. Dies ist aus Vereinfachungsgründen in den Zeichnungen nicht gesondert dargestellt.

- Ansprüche -

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Claims (7)

-Ansprüche-

1. Vielstufiger Entspannungsverdampfer mit mindestens drei Stufen, aus jeweils einer Entspannungskammer und einem zugeordneten Erhitzer oder Dampfbehälter, sowie mit einem zusätzlichen Erhitzer, der mit Frischdampf aus einer äußeren Quelle λ gespeist wird und durch den die zu verdampfende Flüssigkeit vor ihrem Eintritt in die Entspannungskammern hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung(22) des Frischdampferhitzers (20) mit der Druckseite eines mechanischen Kompressors (33) (z.B. eines Turbo-Kompressors oder eines Koibenkompressors) verbunden ist, dessen Ansaugseite an eine Zwischenstufe (Ι2α^4ϋ^ 24a) des Verdampfers angeschlossen ist und aus dieser Stufe Dampf zur Einspeisung in den Frischdampferhitzer abzieht.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,//daß die 2'inlaßleitung (22) oder eine weitere Einlaßleitung des Frischdampf erhitzers (20) mit der Abgabeseite einer Dampfturbine (32) zur Einspeisung von in der Turbine entspanntem Frischdampf in den Frischdampferhitzer verbunden ist, und daß der Kompressor (33) durch die Turbine (32) angetrieben ist.

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3. Verdampfer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Ausgestaltung von Turbine (32) und Kompressor (33)» daß während des Betriebes der Druck des Turbinen-Abdampfes näherungsweise gleich ist dem Druck des vom Kompressor gelieferten komprimierten Dampfes.

4. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch einen Verdampfer mit beträchtlich mehr als drei Stufen, wobei die Ansaugseite des Kompressors (33) mit einem Erhitzer oder Dampfbehälter verbunden ist, der einer der letzten wenigen Stufen zugeordnet ist.

5. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verdampfer mit mindestens zwei Eohwasser-Erhitzern, wobei die Ansaugseite des Kompressors (33) mit demjenigen Rohwassererhitzer (24a) verbunden ist, der bei der

) höheren oder höchsten Temperatur arbeitet.

6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Verdampfer mit einem oder mehreren Jiohwasser-Erhitzern und einer Anzahl von Sole-Erhitzern, wobei die Ansaugseite des Kompressors (33) mit demjenigen Sole-Erhitzer (12a) verbunden ist, der bei der niedrigsten Temperatur arbeitet.

- A3 -

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7. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Verdampferstufen mit einem Sole-Erhitzer (1 2) oder Rohwasser-Srhitzer (24) verbunden sind mit Ausnahme einer Zwischenstufe, deren Entspannungskammer (14a) mit einem Dampfgefäß (40) verbunden ist, wobei sich das Dampfgefäß (40) in der Serie zwischen den Sole-Drhitzern (12) und den Kohwassererhitzern (24) befindet, und wobei die Ansaugseite des Kompressors (33) mit dem Dampfgefäß (40) oder der ihr zugeordneten Entspannungskammer (Ha) verbunden ist.

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