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Einrichtung zur automatischen Regelung einer Hilfsheizung für wässerige Lösungen in Verdampfern mit Wärmepumpe
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Regelung einer Hilfsheizung für wässerige
Lösungen in Verdampfern mit Wärmepumpe während ihres Normalbetriebes, ohne dass eine Überwachung und ein Eingreifen durch das Personal erforderlich ist. Wie bei solchen Einrichtungen allgemein bekannt ist, wird vor dem Einschalten des thermodynamischen Kreislaufes die im Verdampfer enthaltene Roh- flüssigkeit mittels einer zusätzlichen Hilfsheizung vorgewärmt. Wenn diese Rohflüssigkeit in den Rohren des Verdampferkondensators siedet, entwickelt sich aus derselben Dampf, welcher sich im höchsten Punkt der Dampfglocke des Verdampfers ansammelt.
Dieser Dampf wird durch eine Wärmepumpe angesaugt und anschliessend ausserhalb des Rohrbündels des Verdampferkondensators komprimiert. Während durch die Ansaugung in der Dampfglocke eine Druckverminderung und dadurch eine Senkung des Siedepunktes der Rohflüssigkeit entsteht, bewirkt die Dampfkompression anderseits die Erhöhung der Temperatur des im Verdampferkondensator enthaltenen Dampfes.
Der zwischen dem komprimierten Dampf und der zu verdampfenden Flüssigkeit durch die Wandstärke des Rohrbündels des Verdampferkondensators erzeugte
Temperaturunterschied ist genügend, um die totale Kondensierung des komprimierten Dampfes zu be- wirken, wodurch die Abgabe der eigenen Verdampfungskalorien oder derjenigen einerandernRohflüssig- keit, die sich nahe ihrem Siedepunkt befindet, und aus welcher sich anderer, gewichtsmässig dem sich kondensierenden Dampf gleichwertiger Dampf entwickelt, erfolgt. Auf diese Weise geht die latente Wärme nicht verloren, sondern wird wiedergewonnen. Ausserdem wird ein guter Teil der Siedekalorien bzw. des Wärmeinhaltes des Destillates und der nicht kondensierbaren Gase wiedergewonnen und der kalten, im Gegenstrom zu den genannten Fluida in den Verdampfer eintretenden Rohflüssigkeit zugeleitet.
Die zusätzliche, in der Heizkammer des Verdampfers angeordnete Hilfsheizung besteht üblicherweise aus einer Reihe elektrischer Tauchwiderstände oder auch aus einem Heizrohr mit grosser Oberfläche. Als Heizmedium für das Heizrohr kann Dampf, Abdampf, heisse Abgase, unter Überdruck stehendes heisses Wasser, in Dieselmotoren zirkulierendes Kühlwasser oder dgl. verwendet werden. Es ist auch bekannt, in der Heizkammer des Verdampfers zusätzlich zu dem elektrischen Heizsystem das Heizrohr anzuordnen.
Um den in Gang gesetzten Kreislauf wirksam und die Destillation konstant zu halten, braucht dem Verdampfer nur jene Wärmemenge von wenigen Kalorien zugeführt werden, die zur Aufrechterhaltung der Verdampfung, sowie zur Deckung der Strahlungsverluste benötigt wird. Während der Destillation können jedoch dem Fachmann bekannte Umstände auftreten, durch welche die vorbestimmte Hilfswärme entweder zu gross oder ungenügend wird, so dass die Temperatur im Verdampfer, die innerhalb gewisser vorbestimmter Grenzen bleiben muss, Änderungen erfährt. Diese Temperaturänderungen wirken sich ungünstig sowohl auf die Nennleistung des Verdampfers als auch auf die Qualität des Destillates oder des Konzentrates, sowie ferner auf den Verbrauch der zusätzlichen Hilfswärme aus.
Die händische Regelung der zu deren Erzeugung dienenden Hilfsheizung ist sehr umständlich und verursacht viel Arbeit. Dazu besteht die Möglichkeit falscher Handhabung und daraus entstehender Defekte. Es wurden daher schon Einrichtungen zur automatischen Einstellung vorgeschlagen, die auf einem mit Kontakten versehenen Vakuummesser beruhen. Aber auch diese Einstellung befriedigt nicht, da der mit Kontakten versehene Vakuummesser
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oft durch die ihm eigene Trägheit, z. B. durch die gegeneinander wirkenden Federn, mit Verzögerung und daher ungenau arbeitet.
Die Erfindung zielt darauf ab, einen Verdampfer zu schaffen, der wirtschaftlicher als die bekannten
Verdampfer arbeitet, und besteht im Wesen darin, dass die automatische Regelung der Hilfsheizung die
Kombination folgender durch elektrische Stromkreise miteinander verbundener an sich bekannter Teile umfasst :
ein hochempfindliches, in der Glocke des Verdampfers montiertes Thermometer mit drei elek- trischen Kontakten - einem gemeinsamen Kontakt, einem Minimalkontakt und einem Maximalkontakt-, einen dreipoligen, von der Sammelschiene der Verdampfersteuerung gespeisten Umschalter, ein elektronisches Relais, welches von den Kontakten des Thermometers steuerbar ist, wenn sich der dreipolige
Umschalter in der Stellung der automatischen Regelung der Hilfsheizung befindet, einen zweipoligen
Umschalter, sowie zwei zusätzliche Hilfsheizkörper, deren Einschaltung durch das elektronische Relais steuerbar ist, wobei der zweipolige Umschalter abwechselnd die Einschaltung des einen und des andern dieser Hilfsheizkörper gestattet.
Die erfindungsgemässe Einrichtung bedient sich bekannter Teileinrichtungen. So wurden schon Kontaktthermometer mit zwei wirksamen Kontaktstellen vorgeschlagen, von-welchen die eine für die Zuschaltung und die andere für die Abschaltung einer Heizung für Räume bzw. Wärmeschränke bestimmt ist. Ebenso wurde bei einer Thermostaten-Schaltung bereits ein Elektronenrelais in Verbindung mit einem Kontaktthermometer verwendet. Die bekannten Schaltanordnungen, die diese Teileinrichtungen verwenden, ermöglichen aber nur die Zu-bzw. Abschaltung einer einzigen Heizquelle. Mit der erfindungsgemässen Einrichtung können jedoch zwei Heizkörper je nach Wahl durch die Anordnung des dreipoligen und des zweipoligen Umschalters im Zusammenwirken mit dem Kontaktthermometer und dem Elektronenrelais ein-bzw. ausgeschaltet werden.
Die Einrichtung gewährleistet die automatische Regelung der zusätzlichenHilfswärme und somit die Einstellung bzw. Regelung der Temperatur und demzufolge auch des Vakuums innerhalb der im voraus festgelegten Grenzen, so dass mit grosser Wirtschaftlichkeit ein kontinuierlicher Betrieb des Verdampfers ohne eine Überwachung durch das Personal ermöglicht ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung, bei der die beiden Heizkörper für die Hilfsheizung aus einem elektrischen Widerstand und aus einem eine grosse Oberfläche aufweisenden Heizrohr bestehen, ist erfindungsgemäss die Durchflussmenge des Heizmediums im Heizrohr durch ein durch das elektronische Relais gesteuertes elektromagnetisches Ventil regelbar. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der dreipolige, von der Sammelschiene der Verdampfersteuerung gespeiste Umschalter zur automatischen Ein-oder Ausschaltung der automatischen Regelung der Hilfsheizung und auf einer dritten Stellung über den zweipoligen Umschalter direkt zur Einschaltung eines der Hilfsheizkörper vorgesehen sein.
Die Zeichnung stellt ein schematisches, nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dar.
Oberhalb des Verdampferkondensators 2 ist eine Dampfglocke 1 und unterhalb des Verdampfers eine Heizkammer 3 angeordnet. Mit 4,5 und 6 sind Wärmeaustauscher zwischen der Robflüssigkeit und dem Destillat bzw. der nicht kondensierbaren Gase und mit 7 eine Wärmepumpe bezeichnet.
In der Heizkammer sind Gruppen 8,38 der händisch steuerbaren Widerstände für die Vorerwärmungsund Betriebsphase, sowie ein elektrischer, mittels der erfindungsgemässen automatischen Regelvorrichtung gesteuerter, zusätzlicher Hilfswiderstand 9 und ein eine grosse Oberfläche aufweisendes, von einem Heizmedium durchflossenes Heizrohr 10 vorgesehen. Der Zufluss des Heizmediums wird während der Vorerwärmungsphase durch ein von Hand aus zu bedienendes Ventil 11 geregelt. Ferner ist für den Normalbetrieb ein Ventil 12 zu der von Hand auszuführenden Regelung des Heizmediumflusses durch das Heizrohr 10 vorgesehen. Für die Regelung des Zuflusses des Heizmediums durch das Heizrohr 10 dient ein elektromagnetisches, durch die erfindungsgemässe automatische Regelvorrichtung gesteuertes Ventil 13.
Von der Sammelschiene 14 der Verdampfersteuerung wird ein dreipoliger Umschalter 15 mit drei Stellungen, von denen eine die Mittelstellung ist, gespeist. In einer Stellung steht er mit einem zweipoligen Umschalter 16 mit zwei Stellungen in Verbindung.
Der dreipolige Umschalter 15 ermöglicht, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, abwechselnd folgende Schaltungen :
Die Einschaltung der automatischen Regelung der Temperatur im Verdampfer während des Betriebes, u. zw. entweder mittels des zusätzlichen Hilfswiderstandes 9 oder des Heizrohres 10 ; die Ausschaltung dieser automatischen Einschaltung und die direkte Einschaltung des Hilfswiderstandes 9 oder des
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Heizrohres 10 zwecks Mitwirkung und Beschleunigung der anfänglichen Vorerwärmungsphase.
Der Umschalter 16 ermöglicht, je nach Wahl den Hilfswiderstand 9 oder das Heizrohr 10 einzuschalten. Der elektrische Kontakt zur automatischen Einschaltung oder Ausschaltung des Hilfswider- standes 9 oder des Heizrohres 10 während des Normalbetriebes des Verdampfers wird bei der Än- derung der Betriebstemperatur hergestellt, u. zw. durch das Ausdehnen bzw. Zusammenziehen des Queck- silbers eines hoch empfindlichen Thermometers 18. Dieses in der Verdampferglocke montierte Thermo- meter 18 ist mit drei ortsfesten elektrischen Kontakten versehen, dem gemeinsamen Kontakt 30, dem Minimalkontakt 31 und dem Maximalkontakt 32, wobei diese Kontakte zur Steuerung eines elektronischen Relais 17 dienen.
Während des Normalbetriebes des Verdampfers stellt sich die Quecksilbersäule des Thermometers 18 von vornherein in dem zwischen den Kontakten 31 und 32, das ist in dem zwischen dem Minimal-und dem Maximalkontakt liegenden Abschnitt ein. Erweist sich die von Hand im voraus festgelegte und kon- stant zugeführte Wärmemenge als ungenügend, so ergibt sich im Heizkessel eine Temperaturverminderung.
Dadurch zieht sich die Quecksilbersäule zusammen, nähert sich dem Kontakt 30 und unterbricht den
Kontakt 31. Diese Unterbrechung verursacht das Ansprechen des Relais 17 und infolgedessen auch des zusätzlichen Hilfswiderstandes. Das Relais 17 schaltet über den Umschalter 16, nachdem der
Umschalter 15 auf automatische Regelung eingestellt worden ist, entweder den elektrischen Hilfswiderstand 9 ein oder öffnet das elektromagnetische Ventil 13 für den Zufluss des Heizmediums in das Heizrohr 10, u. zw. je nachdem, ob der Umschalter 16 zur Einschaltung der einen oder der andern zusätzlichen Hilfserwärmungsvorrichtung geschaltet ist.
Durch die zusätzliche, durch eine der eingeschalteten Hilfserwärmungsvorrichtungen bewirkte Wärmezufuhr dehnt sich die Quecksilbersäule des Thermometers 18 aus. Sobald das Quecksilber den Kontakt 32 erreicht, wird das Relais 17 entregt und dadurch die Zufuhr der zusätzlichen Hilfswärme unterbrochen. IndemelektrischenStromkreissindKontrollampen 19,20 und 21 eingeschaltet, welche eine sichtbare Kontrolle der Einschaltung sowohl des Umschalters 15 als auch des elektrischen Hilfswiderstandes 9, sowie der Öffnung des elektromagnetischen Ventils 13 gestatten.
Der Ausschlag der Quecksilbersäule des Thermometers 18 zwischen dem Minimalkontakt 31 und dem Maximalkontakt 32 gestattet somit mittels des gemeinsamen Kontaktes 30 sowohl die Einschaltung, als auch die Unterbrechung eines elektrischen Stromkreises, welch letzterer mittels des elektronischen Relais 17 die automatische Einschaltung oder Ausschaltung der zusätzlichen Hilfserwärmungsquelle steuert.
Die für den Normalbetrieb erforderliche Wärmemenge wird entweder durch die mit einem Schutz versehenen, elektrischen Widerstände 38 oder durch das Heizrohr 10 geliefert, wobei die vorbestimmte Menge an Heizmedium mit dem Ventil 12 händisch eingestellt wird.
Die elektrischen Widerstände 8, welche zwecks Vereinfachung des dargestellten Schemas nicht mit dem elektrischen Stromkreis verbunden sind, sowie das Ventil 11 werden nur zur Durchführung der anfänglichen Vorerwärmungsphase des Verdampfers benötigt.
Die Einrichtung weist noch ein Filter 39 zur Filterung wässeriger Staubteilchen aus dem angesaugten Dampf, einen Druckausgleichsbehälter 40 und einen automatischen Flüssigkeitsstandsregler 41 für die Rohflüssigkeit auf. Mit 42 ist der Austrittsbehälter 42 für das Destillat bezeichnet.
Zwecks Verallgemeinerung der erfindungsgemässen Einrichtung wurde angenommen, dass der dargestellte Verdampfer sowohl mit elektrischen Widerständen als auch mit einem Mediumheizrohr zur Erwärmung der zu behandelnden Rohflüssigkeit beheizt ist. Es versteht sich, dass der Verdampfer auch nur die eine oder andere Heizung aufweisen kann, wobei jener Teil des Stromkreises für die nicht vorgesehene Heizung weggelassen wird.
Zur Verbesserung der erfindungsgemässen Einrichtung können selbstverständlich auch weitere ausser den bereits beschriebenen Vorkehrungen getroffen werden, u. zw. ohne deshalb den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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