DE3018918A1

DE3018918A1 - Vorrichtung zum abkuehlen und gleichzeitigen teilverdampfen einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE3018918A1
Application number: DE19803018918
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. 4030 Ratingen Kern; Herbert Ing.(grad.) 4630 Bochum Krips
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1980-05-17
Filing date: 1980-05-17
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE3018918C2

Description

Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen
Teilverdampfen einer Flüssigkeit Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen Teilverdampfen einer Flüssigkeit durch direkten Wärmeaustausch,insbesondere für einen Kälteprozeß oder zur Meerwasserentsalzung,mit einem Vakuumgefäß,in das die Flüssigkeit eingeleitet wird, Es sind Kälteprozesse ähnlich den Dampfstrahl-Kältemaschinen bekannt,die jedoch den Nachteil eines schlechten thermodynamischen Wirkungsgrades wegen der indirekten Wärmeübertragung im Verdampfer und Kondensator besitzen, Auch die zur Meerwasserentsalzung verwendeten Thermokompressoren besitzen diesen Nachteil,wobei in diesem Anwendungsfall zusätzlich eine Wirkungsgradverschlechterung dadurch eintritt,daß die für den indirekten Wärmeaustausch bestimmten Heizflächen mit Salz verkrusten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,eine Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen Teilverdampfen einer Flüssigkeit durch direkten Wärmeaustausch zu schaffen,die sowohl für einen Kälteprozeß als auch zur Meerwasserentsalzung geeignet ist und wegen des direkten Wärmeaustauschs einen hohen Wirkungsgrad besitzt.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das eine teilweise Verdampfung der eingeleiteten Flüssigkeit und durch den hierzu benötigten Wärmeentzug eine Abkühlung der restlichen Flüssigkeit bewirkende Vakuumgefäß über einen Verdichter mit einem den Dampf niederschlagenden Kondensator verbunden ist'der durch ein Kühlmedium eines sekundären Kühlkreislaufs gekühlt ist, Erfindungsgemäß ist das Vakuumgefäß im unteren Teil eines Gehäuses ausgebildet,dessen oberer Teil als Kondensator ausgeführt und mit dem Verdichter versehen ist.
Durch das Einleiten der Prozeßflüssigkeit in ein Vakuumgefäß erfolgt in diesem infolge der - - Druckabsenkung ein teilweises Verdampfen der Flüssigkeit,wozu der restlichen Flüssigkeit die für die Verdampfung erforderliche Wärme entzogen wird. Es erfolgt somit gleichzeitig eine Kühlung der restlichen Prozeßflüssigkeit. Da beide gleichzeitig ablaufenden Vorgänge durch einen Kontaktwärmeaustausch erfolgen,besitzen sie einen hohen Wirkungsgrad, Die im Vakuumgefäß verdampfte Flüssigkeitsmenge wird durch den Verdichter angesaugt und komprimiert. Sie gelangt in den Kondensator, in dem sie durch ein Kühlmedium gekühlt und auf diese Weise als Kondensat niedergeschlagen wird, Vor dem Einlauf zum Verdichter ist vorzugsweise ein Tröpfchenabscheider angeordnet, Der Verdichter ist vorzugsweise als Turboverdichter ausgeführt.
Mit der Erfindung ergibt sich eine kompakte Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen Teilverdampfen einer Flüssigkeit,die wegen des direkten Wärmeaustauschs in dem als Verdampfer wirkenden Vakuumgefäß einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad besitzt, Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse im wesentlichen als Zylinder mit senkrechter Längsachse,trichterförmiger Unterseite und gewölbter Oberseite ausgeführt, Bei der Durchführung eines Kälteprozesses in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine weitere Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades dadurch erzielt werden, daß der Kondensator als Sprühkondensator ausgebildet ist,in den ein über einen Rückkühler im geschlossenen Kreislauf umgewälztes Kühlmedium eingeleitet wird, Auf diese Weise findet auch zum Zwecke der Kondensation ein direkter Wärmeaustausch statt, Da die Menge des im geschlossenen Kreislauf umgewälzten Kühlmedium infolge des Hinzutretens des aus der Prozeßflüssigkeit resultierenden Dampfes ständig zunimmt, muß für eine kontinuierliche oder periodische Reduzierung Sorge getragen werden.
Ebenso ist es erforderlich,die Menge der Prozeßflüssigkeit dementsprechend zu ergänzen.Hierbei handelt es sich jedoch um geringe Flüssigkeitsmengen, da etwa 1 bis 2% der Prozeßflüssigkeit im Vakuumgefäß verdampfen.
Um bei Beginn des Prozesses einen Unterdruck im Kondensator zu erzeugen,ist an diesen erfindungsgemäß eine Vakuumleitung angeschlossen,die während des Betriebes zum Absaugen von Inertgasen dientO Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung herangezogen wird,ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Kondensator mit einem Wärmetauscher zum indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium versehen. Auf diese Weise wird aus dem Kondensator lediglich das Süßwasser abgezogen, das sich durch die Niederschlagung des Dampfes aus dem Vakuumgefäß bildet, Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das im Vakuumgefäß eingedickte Meerwasser vor der Rückführung ins Meer als Kühlmedium durch den Wärmetauscher zu leiten,da dieses zu einem geringen Teil verdampfte Wasser erfindungsgemäß gleichzeitig gekühlt worden ist.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine zur Durchführung eines Kälteprozesses verwendete Vorrichtung und Fig. 2 einen entsprechenden Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung.
Die für einen Kälteprozeß eingesetzte Vorrichtung nach Fig.1 zeigt einen zylindrischen Behälter 1,der mit senkrecht stehender Längsachse angeordnet ist und eine trichterförmige Unterseite sowie eine gewölbte Oberseite besitzt, Der untere Teil des Behälters 1 ist als Verdampfungsgefäß 2 ausgebildet,wogegen der obere Teil des Behälters 1 als Kondensator 3 dient, Die Prozeßflüssigkeit P, im vorliegenden Fall zu kühlendes Wasser,wird über eine Zuführleitung 4 in das Verdampfungsgefäß 2 eingeführt,das beispielsweise auf einen Druck von o,o15 bar eva kuiert wird, Durch diesen niedrigen Druck verdampfen 1 bis 2% der Prozeßflüssigkeit P,die beispielsweise eine Temperatur von 200 Celsius aufweist, Durch die der Prozeßflüssigkeit P zur Verdampfung entzogene Wärme kühlt sich die restliche Prozeßflüssig-0 keit Pr auf etwa 13 Celsius ab. Diese gekühlte Prozeßflüssigkeit Pr wird am trichterförmigen Ende des zylindrischen Behälters 1 abgezogen und der weiteren Verwendung zugeführt, Der im Verdampfungsgefäß 2 entstandene Dampf D wird von einem Verdichter 5 angesaugt,der beim Ausführungsbeispiel als Turboverdichter ausgebildet ist und sich innerhalb des Kondensators 3 befindet.- Damit keine Wassertröpfchen in den Verdichter 5 gelangen, ist vor dessen Einlauf ein Tröpfchenabscheider 6 angeordnet. Der Verdichter 5 wird von einem Elektromotor 7 angetrieben5 der beim dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Oberseite des zylindrischen Behälters 1 angeordnet ist, Auch im Kondensator 3 wird durch Anschlußstutzen 8 ein Unterdruck erzeugt'der beim Ausführungsbeispiel bei o,o3 bar liegt.
Im Kondensator 3 ist weiterhin eine Sprühleitung 9 angeordnet, durch welche ein Kühlmedium K in den Kondensator 3 eingesprüht wirdOBei diesem Kühlmedium K handelt es sich im vorliegenden Fall ebenfalls um Wasser,das im Kreislauf über einen Rückkühler 10 geführt wird.Dieses Kühlmedium gelangt auf diese Weise mit etwa 200 Celsius in die Sprühleitung 90Das aus der Kondensatleitung 11 des Kondensators 3 austretende Kondensat besitzt eine Temperatur von etwa 240 Celsius, Dieses Kondensat setzt sich aus dem dem Kondensator 3 zugeführten Kühlmedium K sowie dem niedergeschlagenen Dampf D zusammen, der aus der Prozeßflüssigkeit P im Verdampfungsgefäß 2 ausgedampft worden ist. Da etwa 1 bis 2% der Prozeßflüssigkeit P ausdampfen,nimmt die Menge des Kühlmediums K ständig zu.Sofern es sich bei dem Rückkühler 10 um einen Trockenkühlturm handelt, muß deshalb kontinuierlich oder periodisch eine Reduzierung der Menge des Kühlmediums K erfolgen.Gleichzeitig ist es erforderlich,das Prozeßmedium P um den Betrag des im Verdampfungsgefäß 2 entstandenen Dampfes D aufzufüllen.
Durch die mittels der Anschlußstutzen 8 an den Kondensator 3 angeschlossene Vakuumleitung können beim Betrieb der Vorrichtung Inertgase abgezogen werden. Diese Vakuumleitung kann vor Inbetriebnahme zugleich zur Erzeugung des Vakuums im Kondensator 3 und im Verdampfungsgefäß 2 benutzt werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wird die im Grundaufbau gleichartige Vorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser verwendet Als Prozeßflüssigkeit P wird dem im zylindrischen Behälter 1 ausgebildeten Verdampfungsgefäß 2 dementsprechend durch die Zuführleitung 4 Meerwasser zugeführt0 Durch den im Verdampfungsgefäß 2 herrschenden Unterdruck erfolgt somit eine teilweise Verdampfung des Meerwassers,und zwar wiederum durch direkten Wärmeaustausch. Während der salzfreie Dampf D im Kondensator 3 als Süßwasser S niedergeschlagen wird,wird das eingedickte und gleichzeitig gekühlte Meerwasser aus dem unteren Teil des zylindrischen Behälters 1 abgezogen, Im Kondensator 3 ist bei dieser Anwendung der Vorrichtung außer dem Verdichter 5 ein Wärmetauscher 12 zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmedium und dem niederzuschlagenden Dampf D angeordnet. Als Kühlmedium wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel das eingedickte und gekühlte Meerwasser verwendet,das als restliche Prozeßflüssigkeit Fr am unteren TeR des zylindrischen Behälters 1 abgezogen wird. Das eingedickte Meerwasser wird auf diese Weise über den Wärmetauscher 12 geführt ~bevor es durch eine Abflußleitung 13 ins Meer zurückgeleitet wird.
Auch im vorlegenden Fall geschieht der Wärmeaustausch zum Verdampfen des Meerwassers direkt,so daß ein hoher thermodynami scher Wirkungsgrad erzielt wird.Weiterhin vermeidet die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung das Entstehen von Salzverkrustungen beim teilweisen Verdampfen des Meerwassers, Däs durch Niederschlagen an den Oberflächen des Wärmetauschers 12 entstehende Süßwasser wird durch eine Süßwasserleitung 14 aus dem Kondensator 3 abgezogen, Bezugsziffernliste: D Dampf K Kühlmedium P Prozeßflüssigkeit Pr Restliche Prozeßflüssigkeit S Süßwasser 1 Behälter 2 Verdampfungsgefäß 3 Kondensator 4 Zuführleitung 5 Verdichter 6 Tröpfchenabscheider 7 Elektromotor 8 Anschlußstutzen 9 Sprühleitung 10 Rückkühler 11 Kondensatleitung 12 Wärmetauscher 13 Abflußleitung 14 Süßwasserleitung

Claims

Patent ans p r ü c h e: 1. Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen Teilverdampfen einer Flüssigkeit durch direkten Wärmeaustausch,insbesondere für einen Kälteprozeß oder zur Meerwasserentsalzung, mit einem Vakuuriigefäß,in das die Flüssigkeit eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das eine teilweise Verdampfung der eingeleiteten Flüssigkeit (P) und durch den hierzu benötigten Wärmeentzug eine Abkühlung der restlichen Flüssigkeit (pur) bewirkende Verdampfungsgefäß (2) über einen Verdichter (5) mit einem den Dampf (D) niederschlagenden Kondensatfr (3) verbunden ist,der durch ein Kühlmedium (K) eines sekundären Kühlkreislaufs gekühlt ist 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß das Verdmnpffingsgefäß (2)im unteren Teil eines Gehäuses (1) ausgebildet ist,dessen oberer Teil als Kondensator (3) ausgeführt und mit dem Verdichter (5) versehen ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,daß das Gehäuse (1) im wesentlichen als Zylinder mit senkrechter Längsachse,trichterförmiger Unterseite und gewölbter Oberseite ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,daß vor dem Einlauf zum Verdichter (5) ein Tröpfchenabscheider (6) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,daß der Verdichter (5) als Turboverdichter ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Durchführung eines Kälteprozesses,dadurch gekennzeichnet,daß der Kondensator (3) als Sprühkondensator ausgebildet ist,in den ein über einen Rückkühler (10) im geschlossenen Kreislauf umgewälztes Kühlmedium (K) eingeleitet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet'daß an den Sprühkondensator eine Vakuumleitung (8) angeschlossen ist, 8o Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Meerwasserentsalzung,dadurch gekennzeichnet ~daß der Kondensator (3) mit einem Wärmetauscher (12) zum indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium (K) versehen ist, 9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet'daß das im Verdampfungsgefäß (2) eingedickte Meerwasser vor der Rückführung ins Meer als Kühlmedium (K) durch den Wärmetauscher (12) geleitet wird.