CH620833A5

CH620833A5 -

Info

Publication number: CH620833A5
Application number: CH639177A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang Dr Baldus; Wilhelm Dr Lehmer
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 1976-06-04
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1980-12-31
Also published as: US4178776A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eindicken von Lösungen, bei dem aus der zu konzentrierenden Lösung mit Hilfe mindestens eines Wärmetauschers die kristallisierbaren Bestandteile der Lösung ausgefroren werden, wobei zwischen den Wärmetauschflächen des Wärmetauschers und der zu konzentrierenden Lösung eine Relativbewegung in Form von Schwingungen erzeugt werden kann.

Das Eindicken von meist wässrigen Lösungen durch Ausfrieren der kristallisierbaren Bestandteile, die beim Unterschreiten der Gleichgewichtstemperatur in die feste Phase übergehen und so von der verbleibenden, aufkonzentrierten Lösung mechanisch abgetrennt werden können mit Hilfe eines Wärmetauschers ist bekannt. Um dabei zu verhindern, dass sich eine Schicht aus kristallisierten Bestandteilen auf den Wärmetauschflächen der Wärmetauscher festsetzt, die dann wärme- bzw. kälteisolierend wirkt und nur schwierig wieder von den Wärmetauschflächen zu entfernen ist, wurde vorgeschlagen, die Wärmetauschflächen gleichmässig in Schwingungen zu versetzen. Durch die entstehenden Massenkräfte wird dann erreicht, dass eventuell anhaftende kristallisierte Bestandteile der Lösung abgeschert werden. Gleichzeitig stellt sich der Vorteil einer guten Durchmischung und einer für den Ausfriervorgang günstigen gleichmässigen Konzentrationsverteilung der Lösung ein.

Insbesondere bei höheren Schwingungsfrequenzen der Wärmetauschflächen, die z. B. dann notwendig werden können, wenn Lösungen mit geringeren Konzentrationen ausgefroren werden sollen, besteht bei diesem Verfahren jedoch die Gefahr, dass kältemittelseitig Kavitation und damit ein unkontrollierter Wärmeübergang mit einer Verlangsamung des Ausfriervorganges auftritt. Ausserdem sind die mechanischen Beanspruchungen der vibrierenden Teile entsprechend hoch, was zu apparativen Schwierigkeiten führen kann.

Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, dass sich während eines Ausfriervorganges die Konzentration der zu behandelnden Lösung ändert. Dementsprechend ändert sich auch der Schmelzpunkt der Lösung, so dass mit einer gleichmässigen Schwingung der Wärmetauschflächen keine optimale Ausnutzung der aufzuwendenden Energie erreicht werden kann. Zu Beginn des Ausfriervorganges liegt infolge der dann niedrigen Konzentration der Lösung ein guter Wärmedurchgang vor. Damit ist eine erhöhte Gefahr des Festfrierens von kristallisierten Bestandteilen der Lösung auf den Wärmetauschflächen verbunden, was durch eine verhältnismässig hohe Schwingungsfrequenz verhindert werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zum Eindicken von Lösungen zu entwickeln, das für Lösungen mit den unterschiedlichsten Konzentrationen mit gleichmässig guter Wirkung in bezug auf die Schnelligkeit des Ausfriervorganges und die Menge der ausgefrorenen Bestandteile der Lösung sowie unter guter Ausnutzung der aufzuwendenden Energie angewendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Wärmetauschflächen abwechselnd in Schwingungen versetzt und im Ruhezustand belassen werden.

Durch die unterbrochene Vibration der Wärmetauschflächen wird erreicht, dass sich während der Stillstandsperiode der Wärmetauschflächen die Strömungsverhältnisse des durch den Wärmetauscher geleiteten Kältemittels beruhigen und der Wärmeübergang kältemittelseitig in kontrollierter Weise vor sich geht, ohne dass Kavitation auftritt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens werden abwechselnd die Wärmetauschflächen und die einzudickende Lösung in Schwingungen versetzt. Dadurch kann ein Festsetzen der kristallisierten Bestandteile der Lösung an den Wärmetauschflächen während des verbesserten Wärmeübergangs bei Stillstand der Wärmetauschflächen durch die Schwingungen der einzudickenden Lösung und die damit an den kristallisierten Bestandteilen angreifenden Strömungskräfte weitgehend verhindert werden. Zusätzlich werden die bereits kristallisierten Bestandteile durch die Strömungskräfte weitertransportiert und eine Durchmischung der Lösung, die zur Vermeidung eines Konzentrationsgefälles der Lösung zu den Wärmetauschflächen hin und damit für einen möglichst gleichmässigen Ausfriervorgang günstig ist, trotz des Stillstandes der Wärmetauschflächen aufrechterhalten. Durch die wieder anschliessende Vibration der Wärmetauschflächen und durch die dabei auftretenden Massenkräfte kann ein vollständiges Abscheren der vielleicht noch angefrorenen kristallisier5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

620 833

ten Bestandteile der Lösung und damit ein kontinuierlicher Ausfrierbetrieb sichergestellt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft, die Schwingungsfrequenz der Wärmetauschflächen zu variieren. Dadurch kann jegliche Ausfrierapparatur optimal an jede Lösungsart mit jeweils anderer Konzentration angepasst und damit wirtschaftlicher genutzt werden. Des weiteren erweist sich das Variieren der Schwingungsfrequenz auch für das Ausfrieren einer bestimmten Lösung als vorteilhaft. Zu Beginn eines Ausfriervorgangs liegt die Konzentration und damit der Schmelzpunkt einer Lösung im Vergleich zum Ende des Ausfriervorganges relativ niedrig und die Gefahr des Festfrierens von kristallisierten Bestandteilen der Lösung auf den Wärmetauschflächen ist infolge des niederen Schmelzpunktes relativ gross. Dem kann mit hohen Schwingungsfrequenzen der Wärmetauschflächen begegnet werden, da dann die auftretenden, an eventuell auf den Wärmetauschflächen angefrorenen kristallisierten Bestandteilen angreifenden Massenkräfte entsprchend gross sind und ein Abscheren der kristallisierten Bestandteile sicher ermöglicht ist. Demgegenüber ist gegen Ende des Ausfriervorganges die Lösung durch das Ausfrieren ihrer kristallisierbaren Bestandteile weitgehend aufkonzentriert und der Schmelzpunkt der Lösung erhöht, wodurch sich die Dauer eines Wärmeübergangs verlängert und die Gefahr des Festsetzens von kristallisierten Bestandteilen der Lösung auf den Wärmetauschflächen erniedrigt. Die längere Dauer des Wärmeübergangs kann aber durch die Verminderung der Schwingungsfrequenz der Wärmetauschflächen beeinflusst werden, da sich dann die Strömungsverhältnisse des durch den Wärmetauscher geleiteten Kältemittels weitgehend beruhigen, so dass eine bei hohen Schwingungsfrequenzen mögliche Kavitation des Kältemittels weitgehend ausgeschlossen ist und der Wärmeübergang kältemittelseitig wieder in kontrollierter Weise vor sich geht. Der verbesserte Wärmeübergang bei verminderter Schwingungsfrequenz verkürzt die Dauer bis zum Erreichen des Festpunktes der Lösung. Deshalb lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auch bei einem kontinuierlichen Ausfrierbetrieb besonders wirtschaftlich einsetzen, bei dem laufen einzudickende Lösung in den Wärmetauscher eingeleitet und entstandenes Konzentrat sowie kristallisierte Bestandteile aus dem Wärmetauscher abgezogen werden. Denn im Wärmetauscher sind dann entsprechend der Strömung der Lösung von Einlauf zum Auslauf des Wärmetauschers hin, während der sich die Konzentration der Lösung gemäss der Ausfrierrate kristallisierbarer Bestandteile der Lösung erhöht, niedrige und hohe Lösungskonzentrationen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und unterschiedlichem Verhalten hinsichtlich eines Wärmeüberganges dauernd gleichzeitig vorhanden. Des weiteren stellt sich mit dem Variieren der Schwingungsfrequenzen der Vorteil ein, dass an eventuell an den Wärmetauschflächen bereits angefrorenen kristallisierten Bestandteilen der Lösung auch unterschiedliche Massenkräfte angreifen, die ein Abscheren der kristallisierten Bestandteile erleichtern.

Weiter erweist es sich als günstig, auch die Schwingungsfrequenz der einzudickenden Lösung zu variieren, um sich den jeweils vorliegenden Ausfrierbedingungen bestmöglich anzupassen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wärmetauschflächen und die einzudickende Lösung jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen in Schwingungen versetzt werden, da dann einerseits die Durchmischung der Lösung besonders gut möglich ist und anderseits eventuell an den Wärmetauschflächen bereits anhaftende kristallisierte Bestandteile der Lösung durch die mit jeweils unterschiedlich hoher Kraft angreifenden Massen bzw. Strömungskräfte besonders sicher abgeschert werden können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können auch die Amplituden der Schwingungen der Wärmetauschflächen und der einzudickenden Lösung entsprechend ihren Schwingungsfrequenzen variiert werden, so dass beispielsweise zur Vermeidung von Kavitation neben der Verminderung der Schwingungsfrequenz auch gleichzeitig die Amplitude der Wärmetauschflächen verkleinert werden kann und zur Vermeidung des Festfrierens kristallisierter Bestandteile auf den Wärmetauschflächen gleichzeitig mit der Erhöhung der Schwingungsfrequenzen auch die Amplitude der Schwingungen erhöht werden kann, wobei dann die angreifenden Massenkräfte besonders hoch sind.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die einzudickende Lösung mit einer Frequenz in Schwingung versetzt wird, die höher ist als die Schwingungsfrequenz der Wärmetauschflächen. Die höhere Schwingungsfrequenz der Lösung stellt dabei sicher, dass an eventuell auf den Wärmetauschflächen bereits angefrorenen kristallisierten Bestandteilen der Lösung die Strömungskräfte nicht wesentlich schwächer angreifen als die direkt durch die Vibration der Wärmetauschflächen verursachten Massenkräfte.

Wie sich gezeigt hat, werden gute Ergebnisse hinsichtlich einer hohen und schnellen Ausfrierwirkung erzielt, wenn die Wärmetauschflächen mit einer Frequenz von 10 bis 50 Hz, vorzugsweise mit einer Frequenz höher als 30 Hz, in Schwingungen versetzt werden. Die Dauer des Konstanthaltens der niederen Frequenzen kann sich dabei nach der Entstehung einer Brückenbildung der kristallisierten Bestandteile zwischen den Wärmeaustauschflächen richten.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch auf Schwingungselementen in einem Gehäuse installierte Wärmetauschflächen, die an einen Schwingungserzeuger gekoppelt sind, und eine am Boden des Gehäuses angeordnete, mit einem zweiten Schwingungserzeuger in Verbindung stehende Membran zur Erzeugung von Schwingungen in der einzudickenden Lösung sowie eine die Frequenzen und die Einschaltdauer beider Schwingungserzeuger regelnden Steuereinheit gekennzeichnet.

Eine vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung weist streifenförmige Zonen mit geringerem Wärmedurchgang auf den Wärmetauschflächen auf, die z. B. aus auf den Wärmetauschflächen aufgebrachten Schichten aus schlecht wärmeleitenden Stoffen bestehen können. Diese Zonen schlechten Wärmedurchgangs machen bei einem möglicherweise trotz der Vibration auftretenden Anfrieren von kristallisierten Bestandteilen der Lösung auf den Wärmetauschflächen die Ausbildung einer zusammenhängenden Schicht unmöglich, wodurch angefrorene Bestandteile durch stärkere Vibration leicht wieder entfernt werden können.

Anhand einer schematischen Darstellung soll ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert werden.

Bei einer Ausfriervorrichtung gemäss der Darstellung sind in einem beckenartigen Gehäuse 1 in Längsrichtung des Gehäuses 1 mehrere Verdampferplatten 2 parallel nebeneinander im gleichen Abstand angeordnet, die auf Schwingungselementen 3 am Boden des Gehäuses 1 gelagert sind. Untereinander sind die Verdampferplatten 2 durch einen Steg 4 starr miteinander verbunden, der gleichzeitig als Aufsatz für einen Schwingungserzeuger 5 für fie Verdampferplatten 2 dient. Den Boden des Gehäuses 1 schliesst eine Membran 6 zur Erzeugung von Schwingungen der Lösung, die an einen zweiten Schwingungserzeuger 7 gekoppelt ist. Eine Steuereinheit 8, die sowohl mit dem Schwingungserzeuger 5 für die Verdampferplatten 2 als auch mit dem Schwingungserzeuger 7 für die Membran 6 in Verbindung steht, regelt die Frequenzen und die Einschaltdauer beider Schwingungserzeuger 5, 7.

Die aufzukonzentrierende Lösung tritt über einen nahe des

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

620 833

4

Bodens installierten Stutzen 9 in der einen Stirnwand des Gehäuses 1 ein und das entstehende Lösungskonzentrat über einen zweiten Stutzen 10 in der anderen Stirnwand des Gehäuses 1 aus, während das Kältemittel über eine Sammelleitung 11 auf der Seite des Einlaufstutzens 9 für die Lösung in die einzelnen Verdampferplatten 2 eingeleitet und über eine weitere Sammelleitung 12 auf der Seite des Ablaufstutzens 10 wieder aus den Verdampferplatten abgezogen wird. Diese Anordnung erleichert das Trennen der ausgefrorenen von den flüssigen Bestandteilen der Lösung. Die während des Durchströmens der Lösung durch das Gehäuse 1 zwischen den Verdampferplatten 2 kristallisierten Bestandteile steigen aufgrund ihres spezifisch leichteren Gewichtes zur Oberfläche der Lösung auf und können mit Hilfe einer am Deckel des Gehäuses 1 angeordneten, in Richtung des Ablaufstutzens 10 arbeitenden

Räumvorrichtung 13, die zwischen den einzelnen Verdampferplatten 2 in die Lösung eintaucht, in eine Ablaufrinne l4 geschoben werden.

Zur Verhinderung der Ausbildung einer geschlossenen 5 Schicht aus angefrorenen kristallisierten Bestandteilen auf den Verdampferplatten 2 weisen diese streifenförmige Zonen 15 mit geringerem Wärmedurchgang auf, die in Richtung der Strömung der kristallisierten Bestandteile verlaufen und beispielsweise aus wärmeisolierendem Material bestehen können, io Selbstverständlich kann statt des dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ebenso ein sinngemäss aufgebauter Rohrbündel Wärmetauscher zum Eindicken von Lösungen nach dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden.

s

1 Blatt Zeichnungen

Claims

620 833

1. Verfahren zum Eindicken von Lösungen, bei dem aus der zu konzentrierenden Lösung mit Hilfe mindestens eines Wärmetauschers die kristallisierbaren Bestandteile der Lösung ausgefroren werden, wobei zwischen den Wärmetauschflächen des Wärmetauschers und der zu konzentrierenden Lösung eine alternierende Relativbewegung in Form von Schwingungen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschflächen abwechselnd in Schwingungen versetzt und im Ruhezustand belassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd die Wärmetauschflächen und die einzudik-kende Lösung in Schwingungen versetzt werden.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz der Wärmetauschflächen variiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz der einzudickenden Lösung variiert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschflächen und die einzudik-kende Lösung jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen in Schwingungen versetzt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der Schwingungen der Wärmetauschflächen entsprechend ihren Schwingungsfrequenzen variiert werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der Schwingungen der einzudickenden Lösung entsprechend ihren Schwingungsfrequenzen variiert werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzudickende Lösung mit einer Frequenz in Schwingungen versetzt wird, die höher ist als die Schwingungsfrequenz der Wärmetauschflächen.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschflächen mit einer Frequenz von 10 bis 50 Hz, vorzugsweise mit einer Frequenz höher als 30 Hz, in Schwingungen versetzt werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch auf Schwingungselementen (3) in einem Gehäuse (1) installierte Wärmetauschflächen (2), die an einen Schwingungserzeuger (5) gekoppelt sind, und eine am Boden des Gehäuses (1) angeordnete, mit einem zweiten Schwingungserzeuger (7) in Verbindung stehende Membran (6) sowie eine die Frequenzen und die Einschaltdauer beider Schwingungserzeuger (5, 7) regelnde Steuereinheit (8).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschflächen (2) streifenförmige Zonen (15) mit geringerem Wärmedurchgang aufweisen.