Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten
Die Heizflächen von Verdampfern werden vorzugsweise aus Rohren gebildet, die in der Regel in Rohrböden eingewalzt oder eingeschweisst werden. Die Rohrböden sind mit einem Mantel verbunden, so dass sich eine Heizkammer ergibt, in welcher die Heizrohre von aussen durch ein Heizmedium, beispielsweise Dampf, beheizt werden, während die einzudampfende Flüssigkeit durch die Rohre hindurchgeführt wird.
Bei einfachen, von der Flüssigkeit durchströmten Rohren ist jedoch über die ganze Rohrlänge ein gleich günstiger Wärmeübergangswert nicht zu erreichen. Dies rührt daher, dass z. B. bei Fallstromverdampfern die von oben in die senkrecht stehenden Verdampfungsrohre eingeleitete Flüssigkeit zunächst träge und ungleichmässig an den Rohrinnenwandungen herunterfliesst, wodurch in den oberen Rohrpartien eines solchen Verdampfers infolge Überhitzung unerwünschte Ablagerungen und Verschmutzungen eintreten. Nach dem Einsetzen der Verdampfung wird die Flüssigkeit von dem entstehenden Dampf in die Mitte des Rohrquerschnittes abgestossen und zum unteren Rohrende gefördert, wobei ein Teil der Flüssigkeit die Heizfläche nicht mehr berührt.
Hierdurch wird jedoch diejenige Flüssigkeitsmenge, die mit der Heizfläche in Berührung kommt, teilweise überkonzentriert und scheidet an den Rohrwandungen unerwünschte Beläge ab.
Bei Kletterverdampfern, bei denen die einzudampfende Flüssigkeit von unten in die Verdampferrohre eingeführt wird, ist im Bereich des scheinbaren Flüssigkeitsstandes der Wärmeübergang nur gering, weil in der Flüssigkeit nur eine schwache und in der Regel laminare Strömung herrscht. In dem Rohrbereich, in dem die Flüssigkeit von den entstehenden Dampfblasen nach oben gefördert wird, ist der Wärmeübergang dagegen wesentlich höher. Der mittlere Wärmeübergangswert wird daher bei einem solchen Verdampferrohr durch die ungünstigen Verhältnisse an der Eintrittsseite des Rohres begrenzt. Die Belagbildung ist demnach auch im unteren Teil der Rohre besonders gross.
Bei waagrecht liegenden Verdampferrohren ist eine gleichmässige Benetzung der Innenwand mit der einzudampfenden Flüssigkeit fast nicht zu erreichen.
Es ist bekannt, in Verdampfungsapparaten durch rotierende Einsätze Gase und Dämpfe in rotierender Bewegung zu halten. Die Anordnung von rotierenden Einsätzen, die von einer äusseren mechanischen Kraft angetrieben werden, kommt wegen des hohen konstruktiven Aufwandes für Verdampferrohre jedoch nicht in Frage.
Man hat auch schon versucht, mit fest angeordneten Drallkörpern in der Eintrittsseite der Heizrohre eine rotierende Bewegung der Flüssigkeit und des Dampfes einzuleiten. Die in die Rohre eintretende Flüssigkeitsmenge ist jedoch bei Fallstromverdampfern und Kletterverdampfern mit begrenzter Flüssigkeitsaufgabe sehr gering und die Dampfgeschwindigkeit noch so niedrig, dass der angestrebte Effekt nicht oder nur zu einem geringen Teil erreicht wird. Da bei Verdampfern, bei denen in der Eintrittsseite der Heizrohre drallerzeugende Vorrichtungen eingebaut sind, 90% und mehr Wasser oder Lösungsmittel hinter den Dralleinsätzen verdampft wird, kann eine Rotation des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches über die ganze Länge des Rohres nicht aufrechterhalten werden.
Es sind auch Rohreinsätze bekannt, die in der ganzen Länge durch ein Verdampferrohr hindurchgehen und die durch schraubenlinienförmige Windungen eine rotierende Bewegung des im Rohr erzeugten Dampfes erzwingen. Solche Einsätze haben jedoch eine grössere benetzte Oberfläche als die Heizfläche des Verdampferrohres. Da die Einsatzkörper am Wärmeaustausch nicht beteiligt sind, wird ein grosser Teil der durch die Rohre geleiteten Flüssigkeit für die Benetzung der Einsatzkörperoberfläche in Anspruch genommen, ohne dabei eingedampft zu werden. Es ist deshalb erforderlich, denjenigen Anteil der Flüssigkeit, der auf der Heizfläche durch die Heizrohre geführt wird, höher zu konzentrieren, damit sich nach der Vermischung mit dem nicht eingeengten Anteil der gewünschte Konzentrationsgrad einstellt.
Eine solche Arbeitsweise führt jedoch zu einer erhöhten Verschmutzung der Heizflächen und dadurch zu einer Erniedrigung des Wärmeübergangswertes. Ausserdem übersteigen die Kosten für derartige Einsatzkörper diejenigen für die Verdampferrohre.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten in Heiz- und Verdampfungsrohren, die von aussen beheizt werden und durch welche die einzudampfende Flüssigkeit hindurchgeführt und in welchen der Flüssigkeit und dem entstehenden Dampf eine Drallbewegung erteilt wird. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch Heiz- und Verdampfungsrohre gekennzeichnet, die mit schraubenlinienförmig um die einzelnen Rohre laufenden Sicken so versehen sind, dass sich bei gleichbleibendem Rohrumfang in Längsrichtung der Rohre eine Vergrösserung des Rohrquerschnittes ergibt.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird der Flüssigkeit und dem entstehenden Dampf durch die Sicken in den Rohren eine Drallbewegung aufgezwungen. Ausserdem ergeben sich durch die Vergrösserung des Rohrquerschnittes in der Strömungsrichtung des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches an jeder Rohrstelle günstige Strömungsbedingungen und vorteilhafte Wärme iibergangswerte, die dann optimal werden, wenn die Erweiterung des Querschnittes so gewählt wurde, dass sich in dem Rohr beim Betrieb über die gesamte Rohrlänge eine konstante Dampfgeschwindigkeit einstellt. Hierdurch wird eine vollkommen gleichmässige Benetzung der Heiz- und Verdampfungsfläche mit der einzudampfenden Flüssigkeit erreicht und schädliche Überhitzung der Flüssigkeit und damit verbundene Ablagerungen von Feststoffen auf der Heizfläche vermieden.
Ferner können infolge der günstigen Wärme übergangswerte die erfindungsgemässen Heiz- und Verdampfungsrohre gegenüber den bisher bekannten Verdampfungsrohren in ihrer Abmessung bei gleicher Verdampfungsleistung kleiner gewählt werden.
Zur Herstellung der Heiz- und Verdampfungsrohre, die mit schraubenlinienförmig um die einzelnen Rohre laufenden Sicken versehen sind, können normale, glatte Rohre beispielsweise durch Drücken so verformt werden, dass in der Längsrichtung der Rohre Sicken schraubenlinienförmig um die Rohre laufen und sich der freie Querschnitt eines Rohres in Längsrichtung bei praktisch gleichbleibendem Rohrumfang vergrössert.
In der Regel wird ein erfindungsgemässes Heiz- und Verdampfungsrohr mit drei oder vier schraubenlinienförmigen, um das Rohr laufenden Sicken versehen.
Es können jedoch auch mehr als vier schraubenlinienförmig um das Rohr laufende Sicken angebracht werden.
Das Rohr kann auch lediglich an zwei jeweils gegen überliegenden Seiten zusammengedrückt werden, so dass sich in dem Rohr zwei schraubenlinienförmig gewundene Sicken bilden, wobei der Rohrquerschnitt in der Längsrichtung des Rohres zunimmt.
Durch die Steigung, mit der sich die Sicken um ein Rohr winden, wird der Drall bzw. die Umdrehungsgeschwindigkeit des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches bestimmt. In der Regel haben sich die Sicken oder Vertiefungen am Ende der Verdampferrohre etwa einmal um 360 um die Rohre gewunden. Es ist jedoch auch möglich, die Rohre so mit Sicken zu versehen, dass diese schon z. B. nach einem Viertel der Rohrlänge sich um 3600 um die Rohre gewunden haben.
Die erfindungsgemässen Heiz- und Verdampfungsrohre können mit gleich gutem Erfolg in senkrechter oder waagrechter oder auch geneigter Anordnung in bekannter Weise in die Rohrböden von Verdampfern eingebaut werden. Bei senkrechter oder geneigter Anordnung kann die einzudampfende Flüssigkeit von oben oder von unten durch die Heiz- und Verdampfungsrohre geführt werden, wobei jeweils die einzudampfende Flüssigkeit an den Rohrenden mit den kleinen Rohrquerschnitten in die Verdampferrohre eingeleitet wird.
Für die Einpassung der Verdampferrohre in die Rohrböden des Verdampfers ist es vorteilhaft, wenn die beiden Rohrenden einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Aus diesem Grund werden zweckmässigerweise die beiden Rohrenden frei von Sicken gehalten.
Am einfachsten lässt sich dies erreichen, wenn die Sicken erst in einem bestimmten Abstand von einem Rohrende beginnend in das Rohr eingedrückt werden und der freie Rohrquerschnitt sich bis zum anderen Rohrende zunehmend so vergrössert, dass dort der urspüngliche Kreisquerschnitt des Rohres wieder erreicht wird.
In den Abbildungen ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung in beispielsweiser und schematischer Weise dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Verdampfer, der Heiz- und Verdampfungsrohre enthält, die je mit drei Sicken versehen sind.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf das Einlassende des in der Fig. 1 dargestellten Verdampfungsrohres.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen Querschnitte durch das in der Fig. 1 dargestellte Rohr an den Stellen A-A', B-B', C-C' und D-D'.
Die Fig. 1 zeigt einen Vertikalteilschnitt aus einem Fallstromverdampfer, bei dem zwischen den ausschnittsweise dargestellten Rohrböden 1 und 2 ein erfindungsgemässes Heiz- und Verdampfungsrohr 3 angeordnet ist. Die einzudampfende Flüssigkeit wird von oben in das Rohr 3 eingeleitet, das zwischen den Rohrböden 1 und 2 durch ein geeignetes Heizmedium von aussen erwärmt wird. Das oben runde Rohrende ist in dem oberen Rohrboden 1 eingewalzt. Hinter der Walzstelle sind in das Rohr drei Sicken eingedrückt.
Bei der Sicht in das Rohr von oben ergibt sich ein Bild, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Umfang der dreizackigen Figur entspricht dabei dem Rohrumfang. Bei einem Horizontalschnitt durch das Rohr 3 an der Stelle A-A' erhält man den in Fig. 3 dargestellten Querschnitt. Der freie Querschnitt beträgt dabei nur einen Bruchteil des ursprünglichen Rohrquerschnittes.
Die Sicken winden sich erfindungsgemäss schraubenlinienförmig um das Rohr und sind so ausgebildet, dass der Querschnitt des Rohres von oben nach unten zunimmt.
An der Stelle B-B' beträgt der freie Querschnitt 1/4 des ursprünglichen Rohrquerschnittes. Dieser Querschnitt durch das Rohr an der Stelle B-B' ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Horizontalschnitt durch das Rohr an der Stelle C-C' ergibt den in Fig. 5 dargestellten Querschnitt, der die Hälfte des ursprünglichen Rohrquerschnittes beträgt. Die Fig. 6 stellt einen Horizontalschnitt durch das Rohr 3 an der Stelle D-D' dar, an der der Rohrquerschnitt 1/4 des ursprünglichen Rohr querschnittes ausmacht. Am unteren Rohrende sind die Sicken ausgelaufen und in den Kreisquerschnitt des ursprünglichen Rohres übergegangen. Das Rohr 3 ist an seinem unteren Ende in den Rohrboden 2 eingewalzt.
In einem Fallstromverdampfer, der mit Röhren ausgerüstet ist, die erfindungsgemäss mit drei schraubenlinienförmig umlaufenden Sicken versehen sind, wird eine Flüssigkeit mit 20 % Trockensubstanzgehalt bei einmaligem Durchgang durch die Rohre des Verdampfers bei einer Eindampftemperatur von 600 C und einer Heizdampftemperatur von 75 C auf 50% Trocken- substanzgehalt eingedampft. Der Flüssigkeitsdurchsatz durch ein 4 m langes Rohr beträgt pro Stunde 36,7 kg mit 20 S Trockensubstanzgehalt.
Der Wärmedurchgangswert beträgt 2000 kcal/m2h0C. Die Rohre, deren lichter Durchmesser 32 mm vor der Anbringung der Sicken beträgt, weisen folgende Querschnitte auf:
Rohrquerschnitt bei 1/4 Rohrlänge: etwa 200mm"
Rohrquerschnitt bei V2 Rohrlänge: etwa 400 mm
Rohrquerschnitt bei 8/4 Rohrlänge: etwa 600mm2.
Bei einer Gesamtwasserverdampfung in einem Rohr pro Stunde von 21,8 kg ergibt sich an allen Stellen des Rohres unterhalb des Querschnittes von 200mm2 eine gleichbleibende Dampfgeschwindigkeit von 58 m/sec. Da sich die Sicken nach einem Viertel der Rohrlänge einmal um 360 um das Rohr gewunden haben, dreht sich der Brüdenstrom innerhalb des Rohres mit einer Drehzahl von etwa 3 480 Upm. Durch die entstehende Fliehkraft wird die Flüssigkeit mit dem 37fachen ihres eigenen Gewichtes auf die Heizfläche gedrückt.
Device for evaporation of liquids
The heating surfaces of evaporators are preferably formed from tubes that are usually rolled or welded into tube sheets. The tube sheets are connected to a jacket, so that a heating chamber results in which the heating tubes are heated from the outside by a heating medium, for example steam, while the liquid to be evaporated is passed through the tubes.
With simple tubes through which the liquid flows, however, an equally favorable heat transfer value cannot be achieved over the entire tube length. This is due to the fact that z. B. in downdraft evaporators, the liquid introduced from above into the vertical evaporation tubes initially flows sluggishly and unevenly down the inner tube walls, causing undesirable deposits and contamination to occur in the upper tube sections of such an evaporator due to overheating. After the onset of evaporation, the liquid is repelled by the resulting vapor into the center of the pipe cross-section and conveyed to the lower end of the pipe, with part of the liquid no longer touching the heating surface.
As a result, however, that amount of liquid that comes into contact with the heating surface is partially overconcentrated and deposits unwanted deposits on the pipe walls.
In climbing evaporators, in which the liquid to be evaporated is introduced into the evaporator tubes from below, the heat transfer is only slight in the area of the apparent liquid level, because there is only a weak and usually laminar flow in the liquid. In the pipe area in which the liquid is conveyed upwards by the vapor bubbles that arise, the heat transfer is, however, much higher. The mean heat transfer value is therefore limited in such an evaporator tube by the unfavorable conditions on the inlet side of the tube. The formation of deposits is accordingly particularly large in the lower part of the pipes.
In the case of horizontal evaporator tubes, even wetting of the inner wall with the liquid to be evaporated is almost impossible to achieve.
It is known to keep gases and vapors in rotating motion in vaporizing apparatus by means of rotating inserts. The arrangement of rotating inserts, which are driven by an external mechanical force, is out of the question because of the high structural complexity for evaporator tubes.
Attempts have also been made to initiate a rotating movement of the liquid and the vapor with fixed swirl bodies in the inlet side of the heating pipes. However, the amount of liquid entering the pipes is very small in downdraft evaporators and climbing evaporators with limited liquid input and the vapor velocity is still so low that the desired effect is not achieved or only to a small extent. Since in evaporators in which swirl-generating devices are built into the inlet side of the heating tubes, 90% or more water or solvent is evaporated behind the swirl inserts, a rotation of the liquid-vapor mixture cannot be maintained over the entire length of the tube.
Pipe inserts are also known which pass the entire length through an evaporator pipe and which force a rotating movement of the steam generated in the pipe by means of helical windings. However, such inserts have a larger wetted surface than the heating surface of the evaporator tube. Since the insert bodies are not involved in the heat exchange, a large part of the liquid passed through the tubes is used to wet the surface of the insert body without being evaporated in the process. It is therefore necessary to concentrate that portion of the liquid that is passed on the heating surface through the heating pipes to a higher level so that the desired degree of concentration is achieved after mixing with the portion that is not restricted.
However, such a mode of operation leads to increased contamination of the heating surfaces and thus to a reduction in the heat transfer value. In addition, the costs for such insert bodies exceed those for the evaporator tubes.
These disadvantages are eliminated by the invention. The invention relates to a device for evaporating liquids in heating and evaporation pipes which are heated from the outside and through which the liquid to be evaporated is passed and in which the liquid and the resulting vapor are given a swirling movement. The device according to the invention is characterized by heating and evaporation tubes, which are provided with helical beads running around the individual tubes so that the tube cross-section is enlarged with the tube circumference remaining the same in the longitudinal direction of the tubes.
In the device according to the invention, a twisting movement is imposed on the liquid and the resulting vapor through the beads in the tubes. In addition, the enlargement of the pipe cross-section in the direction of flow of the liquid-vapor mixture results in favorable flow conditions and advantageous heat transfer values at each pipe point, which are then optimal when the expansion of the cross-section has been chosen so that the pipe is above the sets a constant steam speed over the entire length of the pipe. In this way, a completely uniform wetting of the heating and evaporation surface with the liquid to be evaporated is achieved and harmful overheating of the liquid and the associated deposits of solids on the heating surface are avoided.
Furthermore, as a result of the favorable heat transfer values, the dimensions of the heating and evaporation tubes according to the invention can be selected to be smaller than the previously known evaporation tubes with the same evaporation output.
To produce the heating and evaporation pipes, which are provided with corrugations running around the individual pipes in a helical manner, normal, smooth pipes can be deformed, for example by pressing, so that corrugations run helically around the pipes in the longitudinal direction of the pipes and the free cross-section of a Tube enlarged in the longitudinal direction with practically the same tube circumference.
As a rule, a heating and evaporation pipe according to the invention is provided with three or four helical beads running around the pipe.
However, more than four beads running helically around the pipe can also be attached.
The tube can also only be compressed on two opposite sides, so that two helically wound beads are formed in the tube, the tube cross-section increasing in the longitudinal direction of the tube.
The pitch with which the beads wind around a pipe determines the twist or the speed of rotation of the liquid-vapor mixture. As a rule, the beads or depressions at the end of the evaporator tubes have wound around the tubes around 360 times. However, it is also possible to provide the tubes with beads in such a way that they are already z. B. after a quarter of the pipe length have wound around the pipes by 3600.
The heating and evaporation tubes according to the invention can be installed in a known manner in the tube sheets of evaporators in a vertical or horizontal or even inclined arrangement with equally good success. In the case of a vertical or inclined arrangement, the liquid to be evaporated can be passed through the heating and evaporation tubes from above or below, the liquid to be evaporated being introduced into the evaporator tubes at the tube ends with the small tube cross-sections.
For fitting the evaporator tubes into the tube sheets of the evaporator, it is advantageous if the two tube ends have a circular cross section. For this reason, the two pipe ends are expediently kept free of beads.
The easiest way to achieve this is if the beads are only pressed into the pipe at a certain distance from one pipe end and the free pipe cross-section increases increasingly to the other pipe end so that the original circular cross-section of the pipe is reached again.
In the figures, a device according to the invention is shown in an exemplary and schematic manner.
Fig. 1 shows a section of an evaporator containing heating and evaporation tubes, each provided with three beads.
FIG. 2 shows a plan view of the inlet end of the evaporation tube shown in FIG. 1.
FIGS. 3 to 6 show cross sections through the pipe shown in FIG. 1 at points A-A ', B-B', C-C 'and D-D'.
1 shows a partial vertical section of a downdraft evaporator in which a heating and evaporation tube 3 according to the invention is arranged between the tube sheets 1 and 2 shown in detail. The liquid to be evaporated is introduced from above into the tube 3, which is heated from the outside between the tube sheets 1 and 2 by a suitable heating medium. The tube end, which is round at the top, is rolled into the upper tube sheet 1. Three beads are pressed into the tube behind the rolling point.
When looking into the pipe from above, the result is an image as shown in FIG. The circumference of the three-pointed figure corresponds to the circumference of the pipe. In a horizontal section through the pipe 3 at the point A-A ', the cross section shown in FIG. 3 is obtained. The free cross-section is only a fraction of the original pipe cross-section.
According to the invention, the beads wind helically around the pipe and are designed so that the cross section of the pipe increases from top to bottom.
At the point B-B 'the free cross-section is 1/4 of the original pipe cross-section. This cross-section through the pipe at point B-B 'is shown in FIG. A horizontal section through the pipe at point C-C 'gives the cross-section shown in FIG. 5, which is half of the original pipe cross-section. Fig. 6 shows a horizontal section through the pipe 3 at the point D-D ', at which the pipe cross-section makes up 1/4 of the original pipe cross-section. At the lower end of the pipe, the beads have run out and merged into the circular cross-section of the original pipe. The tube 3 is rolled into the tube sheet 2 at its lower end.
In a falling film evaporator, which is equipped with tubes, which are provided according to the invention with three helically circumferential beads, a liquid with 20% dry matter content is passed through the tubes of the evaporator once at an evaporation temperature of 600 C and a heating steam temperature of 75 C to 50% Dry matter content evaporated. The liquid throughput through a 4 m long pipe is 36.7 kg per hour with 20% dry matter content.
The heat transfer value is 2000 kcal / m2h0C. The tubes, the clear diameter of which is 32 mm before the beads are attached, have the following cross-sections:
Pipe cross-section at 1/4 pipe length: about 200mm "
Pipe cross-section with V2 pipe length: approx. 400 mm
Pipe cross-section with 8/4 pipe length: approx. 600mm2.
With a total water evaporation in a pipe of 21.8 kg per hour, there is a constant steam speed of 58 m / sec at all points on the pipe below the cross-section of 200mm2. Since after a quarter of the pipe length the beads have wound 360 around the pipe, the vapor flow inside the pipe rotates at a speed of about 3,480 rpm. Due to the resulting centrifugal force, the liquid is pressed onto the heating surface with 37 times its own weight.