DE2851112C2 - Verfahren und Vorrichtung zum selbsttätigen Regeln der Verdampfungs- und Kondensationsleistung einer Destillationsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selbsttätigen Regeln der Verdampfungs- und Kondensationsleistung einer Destillationsanlage, die mit einer Wärmepumpenanlage gekoppelt ist, mit der die Kondensationswärme vom Kondensator zum Verdampfer der Destillationsanlage zurückgeführt wird und die einen eigenen Kreislauf besitzt, in dem ein Arbeitsmittel verdichtet und die anfallende Überschußwärme über einen Zusatzkühler abgeführt wird, dessen Kühlleistung eingestellt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In Destillationsanlagen, die z. B. für die thermische Abtrennung verdampfbarer Komponenten von Flüssigkeitsgemischen eingesetzt werden, ist während des Betriebs im Beharrungszustand die für den Verdampfer erforderliche Leistung etwa gleich jener Leistung, die vom Kondensator abgeführt werden muß. Soll nun die Verdampfungswärme von einer Wärmepumpe geliefert werden unter gleichzeitiger Rückgewinnung der Kondensationswärme, so muß in den Wärmepumpenkreislauf ein Zusatzkühler eingeschaltet sein. Denn bei Wärmepumpen ist die Wärmeabgabe gegenüber der Wärmeaufnahme um jene Leistung erhöht, die vom Verdichter als mechanische Arbeit aufgenommen wird.

Wird der thermische Gleichgewichtszustand in solchen Destillationsanlagen z. B. durch Temperatur- und/oder Durchsatzschwankungen der zur Verdampfung gelangenden Flüssigkeit und/oder durch Leistungsschwankungen der Wärmetauscher und/oder des Verdichters der Wärmepumpe beeinflußt, so kann dies zu erheblichen Betriebsstörungen der Anlage führen.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art wird daher die Leistung des Zusatzkühlers in Abhängigkeit von jener Temperatur eingestellt, die am Verdichter der Wärmepumpenanlage gemessen ίο wird (DE-OS 28 23 570). Da diese Temperaturschwankungen den thermischen Gleichgewichtszustand der Wärmepumpenanlage jedoch nur sehr langsam und unvollständig abbilden, sind trotz dieser Maßnahme Betriebsstörungen nicht auszuschließen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Abstimmung von Verdampfungsleistung und Kondensationsleistung bei den in der Praxis auftretenden Betrbbszuständen auf einfache und betriebssichere Weise erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß die Kühlleistung des Zusatzkühlers in Abhängigkeit vom in der Destillationsanlage herrschenden Brüdendruck eingestellt wird, so daß die Kühlleistung beim Ansteigen des Brüdendruckes vergrößert und beim Absinken des Brüdendruckes verringert wird.

Da der Brüdendruck sehr empfindlich auf Störungen

des thermischen Gleichgewichtszustandes reagiert,

werden solche Störungen sehr rasch erfaßt und durch Vergrößern oder Verkleinern der Kühlleistung des

Zusatzkühlers schnell und zuverlässig ausgeglichen, so daß ein störungsfreier Betrieb der Anlage gewährleistet ist.

Hierbei ist am einfachsten, wenn die Kühlleistung des Zusatzkühlers durch Verändern des Kühlmitteldurchflusses eingestellt wird.

Eine andere, bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die Kühlleistung des Zusatzkühlers in Abhängigkeit vom im Kondensator herrschenden Brüdendruck eingestellt wird.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens mit einer Destillationsanlage, die wenigstens einen Verdampfer und wenigstens einen Kondensator umfaßt, und die mit einer Wärmepumpenanlage gekoppelt ist, kennzeichnet sich dadurch, daß am Kondensator ein Kondensatableiter in Form einer u-förmigen Schleife vorgesehen ist, an derem einen Schenkel ein Flüssigkeitsstandsregler angeordnet ist, der über eine Steuerleitung mit einem im Kühlmittelfluß des Zusatzkühlers angeordneten Regelventil verbunden ist.

Durch diesen Aufbau wird eine besonders feinfühlige Abstimmung des Gleichgewichtszustandes zwischen Verdampfer und Kondensator erzielt.

Weitere Vorteile und empfehlenswerte Merkmale der Erfindung gehen aus der Beschreibung von Vorrichtungen, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor. Hierbei zeigt

F i g. 1 das Schaltschema einer Destillationsanlage,

F i g. 2 den Kondensator der F i g. 1 als Einzelheit mit einem Kondensatableiter in Form einer Schleife und

F i g. 3 eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der F i g. 2.

Die Destillationsanlage gemäß F i g. 1 weist einen stehenden zylindrischen Behälter 10 auf, aus dem über eine im unteren Bereich angeordnete Leitung 12 angereicherte Flüssigkeit abgeführt werden kann. Am

tiefsten Punkt des Behälters 10 ist eine Leitung 14 angeschlossen, die zu einem Knotenpunkt 16 führt, an den eine weitere Leitung 18 anbindet, welche die zu destillierende Flüssigkeit der Anlage zuführt

Der Verdampfer 20 ist als Oberflächsnwärmetauscher ausgebildet, dessen Primärseite über die Leitung 22 und gegebenenfalls über eine zwischengeschaltete Umwälzpumpe mit dem Knotenpunkt 16 verbunden ist. Über die Leitung 22 wird dem Verdampfer die zu verdampfende Flüssigkeit zugeführt Das Piüssigkeits-Brüdengemisch strömt vom Verdampfer 20 über die Leitung 24 in den Dampfraum 26 des Behälters 10. Hier werden die Brüden von der Flüssigkeit getrennt und strömen über die Leitung 28 zur Primärseite des als Oberflächenkondensator ausgebildeten Kondensators 30. Hier kondensieren die zugeführten Brüden und das Kondensat wird über den Kondensatableiter 32 abgezogen.

Der Kondensatableiter 32 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schwimmer-Kondensatableiter ausgebildet.

Zur Lieferung der Verdampfungswärme für den Verdampfer 20 und zur Aufnahme der Kondensationswärme des Kondensators 30 ist eine Wärmepumpe 34 vorgesehen. Diese weist einen Verdichter 36 auf, der über die Rohrleitung 38 an die Primärseite eines Oberflächenwärmeaustauschers angeschlossen ist, der den Zusatzkühler 40 bildet. Von hier aus führt eine weitere Leitung 42 über die Sekundärseite des Verdampfers 20 und über das Expansionsventil 44 zur Sekundärseite des Kondensators 30. Um den Kreishuf zu schließen, ist dieser über die Leitung 46 mit der Ansaugseite des Verdichters 36 verbunden.

Die Sekundärseite des Zusatzkühlers 40 ist über eine Leitung 48 mit einer Kühlmittelquelle, zum Beispiel Kühlwasser verbunden, das nach dem Durchströmen des Zusatzkühlers 40 über die Leitung 50 abgeführt wird. In der Leitung 50 ist hierbei ein Regelventil 52 angeordnet, mit dem der Kühlmitteldurchfluß durch den Zusatzkühler in Abhängigkeit vom Brüdendruck auf der Primärseite des Kondensators selbsttätig einstellbar ist. Hierzu führt eine Steuerleitung 54 vom Regelventil 52 zu einem im Kondensator 30 angeordneten und schematisch angedeuteten Druckfühler 56.

Dieser Druckfühler erfaßt den Brüdendruck auf der Primärseite des Kondensators 30 und wirkt auf das Regelventil 52 derart ein, daß bei einem Ansteigen des Brüdendrucks das Regelventil weiter öffnet, bei einem Absinken des Brüdendrucks dagegen weiter schließt.

Während des Betriebs wird im Verdampfer 20 die über die Leitung 22 zufließende Flüssigkeit mit Hilfe der Kondensationswärme der Wärmepumpe 34 verdampft. Das Flüssigkeits-Brüdengemisch strömt über die Leitung 24 dem Dampfraum 26 zu, wo es sich in Flüssigkeit und Brüden trennt. Die Brüden strömen über die Leitung 28 zum Kondensator 30, kondensieren hier und das Kondensat wird über den Kondensatableiter 32 abgezogen.

Die hierbei anfallende Kondensationswärme dient zur Verdampfung des Arbeitsmediums der Wärmepumpe, welches vom Expansionsventil 44 der Sekundärseite des Kondensators 30 zugeführt wird. Die hierbei entstehenden Arbeitsmitteldämpfe werden vom Verdichter 36 über die Leitung 46 zu neuem Kreislauf angesaugt.

Die im Verdampfer 20 benötigte Wärmeleistung zur Verdampfung der Flüssigkeit ist etwa gleich groß der im Kondensator 30 abzuführenden Kondensationswärme.

Da jedoch bei einer Wärmepumpe die Wärmeabgabe etwa um die mechanische Verdichtungsarbeit größer ist als die Wärmeaufnahme ist in den Wärmepumpenkreislauf der Zusatzkühler 40 eingeschaltet Dieser führt diese angefallene Zusatzwärme über das Kühlmedium, zum Beispiel an die Umgebung ab, so daß Wärmegleichgewicht besteht zwischen dem Verdampfer 20 und dem Kondensator 30.

Die Leistung des Zusatzkühlers 40 wird hierbei über den Kühlmitteldurchfluß in Abhängigkeit vom Brüdendruck im Dampfkondensator 30 eingestellt Im thermischen Beharrungszustand zwischen Verdampfer 20 und Kondensator 30 ist der Brüdendruck im Kondensator konstant, das Regelventil braucht nicht einzugreifen. Treten jedoch irgendwelche Störungen dieses Gleichgewichts auf, die zum Beispiel durch Temperaturschwankungen der über die Leitung 18 zugeführten zu verdampfenden Flüssigkeit und/oder durch Leistungsschwankungen der Wärmeaustauscher und/oder des Verdichters ausgelöst sein können, so reagiert der Brüdendruck sehr empfindlich und über die Steuerleitung 54 werden am Regelventil 52 Schritte ausgelöst

Übersteigt zum Beispiel die Verdampfungsleistung des Verdampfers 20 die Kondensationsleistung des Kondensators 30, so führt dies zum Anstieg des Brüdendruckes mit der Folge, daß das Regelventil 52 weiter öffnet und der Kühlmitteldurchfluß durch den Zusatzkühler 40 ansteigt. Da der Zusatzkühler 40 im Wärmepumpenkreislauf dem Verdampfer 20 vorgeschaltet ist, verringert sich die Verdampfungswärme, welche dem Verdampfer 20 zugeführt wird, und das thermische Gleichgewicht zwischen dem Verdampfer 20 und dem Kondensator 30 stellt sich wieder ein. Ist dagegen die Kondensationsleistung des Kondensators 30 durch eine Störung vergrößert worden, so verläuft der Vorgang umgekehrt, das heißt, die Leistung des Zusatzkühlers 40 wird verringert, so daß die Leistung des Verdampfers 20 ansteigt und somit wieder thermisches Gleichgewicht herrscht

Anstatt den Brüdendruck im Kondensator 30 zu erfassen, kann dieser selbstverständlich auch an anderen brüdenführenden Stellen, wie zum Beispiel im Verdampfer 20, abgekühlt werden.

Durch die Leistungsregelung des Zusatzkühlers 40 wird somit dia Verdampfungsleistung und die Kondensationsleistung auf einfache Weise aufeinander abgestimmt, so daß ein störungsfreier Betrieb der Anlage auch bei rasch schwankenden Betriebsbedingungen gegeben ist.

In den F i g. 2 und 3 sind besondere Ausführungsformen des Kondensatabieiters 32 dargestellt. Dieser besteht hier jeweils aus einer u-förmigen Schleife 58, deren erster Schenkel 60 an die Kondensatseite des Kondensators 30 angeschlossen ist, wogegen am oberen Ende des zweiten Schenkels 62 ein Auslauf 64 für das Kondensat vorhanden ist.

Während des Betriebs ist der Flüssigkeitsstand in den beiden Schenkeln der Schleife 58 verschieden, er wird bestimmt durch die Druckdifferenz zwischen dem Auslauf 64 und dem Brüdendruck im Kondensator. Diese Differenz h ist in den F i g. 2 und 3 eingezeichnet. Verändert sich nun der Druck im Kondensator, so verändert sich auch der Höhenunterschied h, so daß die Leistung des Zusatzkühlers durch diesen Höhenunterschied Λ gesteuert werden kann.

Hierzu ist am ersten Schenkel 60 ein Flüssigkeitsstandregler 66 über Leitungen 68 angeschlossen, der Flüssigkeitsstandänderungen im ersten Schenkel 60

überwacht und bei Veränderungen über eine nicht dargestellte Steuerleitung auf das Regelventil 52 einwirkt. Hierbei bedeutet ein Anstieg der Flüssigkeitssäule im ersten Schenkel 60 eine Verringerung des Brüdendruckes, ein Absinken dagegen eine Erhöhung des Brüdendruckes, so daß vom Flüssigkeitsstandregler 66 die entsprechenden Schritte am Regelventil 52 ausgelöst werden können. Flüssigkeitsstandregler 66, wie sie hier in Frage kommen, sind zum Beispiel ais Wasserstandsregler bei Dampferzeugungsanlagen bekannt.

Während F i g. 2 die Ausbildung der Schleife 58 für Brüdendrücke zeigt, die höher sind als der Druck am Auslauf 64, zeigt Fig.3 dagegen die Ausbildung der Schleife 58 für solche Brüdendrücke, die niedriger sind als der Druck am Auslauf 64. Es können daher ie nach

Ausbildung des Kondensatabieiters Brüdendrücke in der Anlage gefahren werden, die höher oder niedriger liegen als der Druck am Auslauf 64.

Der Einsatz eines Kondensatabieiters in Form einer Schleife ist in der Praxis hauptsächlich bei Brüdendrükken möglich, die gegenüber dem Druck am Auslauf 64 höchstens um einen bestimmten Betrag höher (F i g. 2) oder niedriger (Fig.3) liegen. Als Anhaltspunkt kann ein Betrag etwa von 0,5 Bar als Grenzwert angegeben werden. Da nämlich ein direkter Zusammenhang zwischen der Höhendifferenz Λ und dem Brüdendruck besteht, ergeben sich bei größeren Werten in der Praxis sehr große Längen für die Schenkel der Schleife 58, die in Gebäuden unter Umständen kaum unterzubringen wären.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum selbsttätigen Regeln der Verdampfungs- und Kondensationsleistung einer Destillationsanlage, die mit einer Wärmepumpenanlage gekoppelt ist, mit der die Kondensationswärme vom Kondensator zum Verdampfer der Destillationsanlage zurückgeführt wird und die einen eigenen Kreislauf besitzt, in dem ein Arbeitsmittel verdichtet und die anfallende Überschußwärme über einen Zusatzkühler abgeführt wird, dessen Kühlleistung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistung des Zusatzkühlers in Abhängigkeit vom in der Destillationsanlage herrschenden Brüdendruck eingestellt wird, so daß die Kühlleistung beim Ansteigen des Brüdendruckes vergrößert und beim Absinken des Brüdendruckes verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistung des Zusatzkühlers durch Verändern des Kühlmitteldurchflusses eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistung des Zusatzkühlers in Abhängigkeit vom im Kondensator herrschenden Brüdendruck eingestellt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einer Destillationsanlage, die wenigstens einen Verdampfer und wenigstens einen Kondensator umfaßt, und die mit einer Wärmepumpenanlage gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Kondensator (30) ein Kondensatableiter (32) in Form einer u-förmigen Schleife (58) vorgesehen ist, an derem einen Schenkel (60) ein Flüssigkeitsstandregler (66) angeordnet ist, der über eine Steuerleitung (54) mit einem im Kühlmittelfluß des Zusatzkühlers (40) angeordneten Regelventil (52) verbunden ist.