CZ85599A3

CZ85599A3 - Výparník s vodní lázní

Info

Publication number: CZ85599A3
Application number: CZ99855A
Authority: CZ
Inventors: Wilhelm Schuhbeck
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 1999-12-15
Also published as: DE19810536A1

Description

Vynález se týká výparníku s vodní lázní k odpařování a/nebo zahřívání fluida, s vodní nádrží, s alespoň jedním potrubím pro fluidum, probíhajícím ve vodní nádrži, s topným zařízením pro vodu a s cirkulačním zařízením k cirkulaci vody. Dále se vynález týká způsobu odpařování a/nebo zahřívání fluida, přičemž se fluidum vede potrubím, nacházejícím se ve vodní nádrži, a uvádí se do nepřímé tepelné výměny s vodou, voda se přinejmenším časem pomocí topného zařízení ohřívá a pomocí cirkulačního zařízení cirkuluj e.

Dosavadní stav techniky

Nízkovroucí plyny, jako např. kyslík, dusík nebo argon, se v cisternách ukládají většinou v kapalném stavu. Na místě spotřeby je naopak plyn zapotřebí většinou v plynném stavu, například dusík a argon k uskutečnění procesu v inertním plynu nebo kyslík k autogennímu sváření nebo řezání. Zkapalněný plyn se proto musí nejdříve odpařit a nahřát.

K tomu se často používají výparníky s vodní lázní, u kterých se odpařované fluidum vede potrubím přes vodní lázeň a nepřímou tepelnou výměnou s ní se odpařuje a zahřívá. Jako • · » · · · potrubí se používají především trubková hadová tělesa nebo trubková vinutí. Přenos tepla z vody na fluidum je přitom mimo jiné závislý na cirkulaci vody.

Není-li upravena zvenku vynucená cirkulace, tzn. dochází-li pouze k přirozené cirkulaci vody, uskutečňuje se přenos tepla, který pak může být v podstatě popsán zákony volné konvekce, pouze s mírnější intenzitou. Takový výparník s vodní lázní vyžaduje proto velké plochy tepelné výměny, aby se fluidum, které se má odpařit a zahřát, přivedlo na předem stanovenou teplotu. To znamená, že trubkové hadové těleso, vedené přes vodní lázeň, musí mít relativně velkou délku, což nevýhodně způsobuje ztrátu tlaku nad výparníkem s vodní lázní.

U vysokých odpařovaných množství se proto používá výparník s nucenou cirkulací vody. K tomu se na vodní nádrž napojuje koloběh vody s čerpadlem, který zajišťuje cirkulaci vody a tím zvyšuje přenos tepla z vody na trubkové hadové těleso až na faktor 5.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto vynálezu je proto vyvinout výparník s vodní lázní úvodem jmenovaného druhu, který zaručuje lepší cirkulaci vody a tím tedy lepší přenos tepla na zahřívané fluidum. Dále má být představen příslušný způsob.

Tento úkol je podle vynálezu řešen tím, že jsou upraveny prostředky k regulaci rychlosti proudění • · cirkulované vody.

Výparnik s vodní lázní podle vynálezu se hodí jak k odpařování a nahřívání kapaliny, například kapalného dusíku, tak i k nahřívání plynu.

V protikladu ke známým výparníkům s vodní lázní s nucenou cirkulací cirkuluje voda definovaně podle vynálezu, přičemž se cíleně ovlivňuje rychlost proudění vody. Vnější faktor přenosu tepla, který popisuje přenos tepla mezi vodou a trubkovým hadovým tělesem, se proto může nastavovat. Tím se může také u variabilního průtoku plynu výparníkem s vodní lázní, a tím variabilních přenášených množství tepla, udržovat konstantní výstupní teplota plynu.

Podle vynálezu se vyvolává definované proudění vody ve vodní nádrži. V protikladu k jednoduchému promíchávání vody, při kterém se rychlost a směr proudění vody nastavují libovolně, se proudění vody cíleně ovlivňuje.

Výhodně je upraveno cirkulační zařízení, jehož počet otáček a/nebo směr otáčení je možné nastavovat. Změna počtu otáček cirkulačního zařízení má výhodu, že se mění rychlost proudění vody v nádrži a tím se může cíleně ovlivňovat faktor přenosu tepla na stěně potrubí. Tímto způsobem se může například v závislosti na množství fluida, proudícího potrubím, nastavovat počet otáček cirkulačního zařízení tak, aby výstupní teplota plynu z výparníku s vodní lázní zůstávala nezávisle na množství fluida vždy konstantní.

Může být ale také výhodné měnit rychlost proudění vody tím, že se mění průtočný odpor v koloběhu vody, počet otáček a směr otáčení cirkulačního zařízení však zůstávají konstantní. K tomu mohou být například ve vodní nádrži nebo u cirkulačního zařízení, upraveného mimo vodní nádrž, v přívodním potrubí nebo v odváděcím potrubí k cirkulačnímu zařízení, resp. od cirkulačního zařízení upraveny regulovatelné průtočné odpory.

Výhodně je cirkulační zařízení upraveno ve vodní nádrži. Jako cirkulační zařízení se mohou používat například jedna nebo více vrtulí, oběžných kol nebo šroubů. Jednoduchá míchadla, která vyvolávají nedefinovaná turbulentní proudění ve vodě, jsou naproti tomu nevhodná.

Silně podchlazené plyny, které mají být zahřívány, vedou ke tvoření ledu na vnější stěně potrubí. Led působí izolačně a se vzrůstající tloušťkou zamezuje přenosu tepla z vody na zahřívaný plyn. Aby se vylepšil přenos tepla a tak se tloušťka ledu udržovala nepatrná, popř. aby se tvoření ledu zcela zamezilo, zvyšuje se proto v oblasti potrubí rychlost proudění vody. To se dosud uskutečňuje tím, že se upravuje cíleně úzká spára mezi potrubími navzájem a mezi potrubími a vnější stěnou nádrže. Změna nebo regulace rychlosti proudění během provozu není možná. Podle vynálezu se nyní rychlost proudění a směr proudění vhodně usměrňují, čímž se umožňuje také přizpůsobování poměrů proudění a tím přenosu tepla na zahřívané fluidum, tloušťce ledu.

Změnou směru otáčení cirkulačního zařízení může být výparník s vodní lázní přeřizován z principu protiproudu na princip stejnosměrného proudu, čímž se může rovněž výhodně

_ c _ ······ · □ · · · · · • · · · · · • ♦ · · · · ········ ·· ·· regulovat výstupní teplota plynu.

Výparník s vodní lázní je výhodný především tehdy, probíhá-li vodní nádrží více než jedno potrubí. Mnohdy se má větší množství frakcí, např. různé plyny nebo plyny rozdílných tlaků, zahřívat současně v jednom výparníku s vodní lázní. V tomto případě může být podle vynálezu faktor přenosu tepla mezi jednotlivými potrubími, trubkovými hadovými tělesy nebo trubkovými vinutími a vodní lázní optimalizován tak, aby výstupní teplota plynu všech zahřívaných frakcí odpovídala vyžadovaným hodnotám.

Přivádění tepla do vodní lázně se uskutečňuje výhodně pomocí elektrického topného zařízení nebo tím, že je upravena trubka k přivádění páry do vodní lázně. Rovněž je možné přivádění tepla přidáváním horké vody.

Výhodně má voda v nádrži na nej teplejším místě teplotu mezi 80 a 100 °C, takže mezi vodou a žádanou výstupní teplotou plynu panuje vysoký teplotní rozdíl. To má výhodu, že může být potrubí pro zahřívané fluidum oproti obvyklým výparníkům zkráceno.

Dochází-li k zahřívání přidáváním horké vody nebo přiváděním vodní páry, má vodní nádrž vedle přívodního potrubí pro topné médium také odváděči potrubí pro přebytečnou studenou vodu. Na základě cílené cirkulace vody opouští podle vynálezu také při vysokých teplotách vody až téměř 100 °C nádrž relativně studená voda s teplotou pouze těsně nad žádanou výstupní teplotou plynu, tzn. tepelná energie vody se využívá optimálně.

'i • · ♦ ·· ··· ··· • · · · · · ·· φφ φφ · ·

U dosavadních výparníků s vodní lázní vyvstává problém, že se u nominálního průtoku fluida výparníkem sice vystupující plyn zahřívá na žádanou teplotu, u nepatrného průtoku však výstupní teplota plynu silně stoupá. K tomuto problému dochází především tehdy, je-li teplotní rozdíl mezi vodou a žádanou výstupní teplotou plynu příliš velký.

Podle vynálezu se výhodně volí vyšší teplota vody než u výparníků podle stavu techniky. Cirkulace vody podle vynálezu umožňuje také u silně rozdílných průtoků a vysokých teplotních rozdílů mezi vodou a dosahovanou koncovou teplotou neměnnou výstupní teplotu plynu. Na základě vyšší teploty vody se může plocha tepelné výměny mezi vodou a fluidem zmenšovat, tzn. že vodou probíhající potrubí nebo trubkové hadové těleso pro fluidum může být zkráceno. Výparník s vodní lázní podle vynálezu se tím jednak zlevňuje a jednak se snižuje pokles tlaku potrubím.

Kromě zařízení se vynález týká také způsobu odpařování a/nebo zahřívání fluida, přičemž se fluidum vede potrubím, nacházejícím se ve vodní nádrži, a uvádí se do nepřímé tepelné výměny s vodou, voda se alespoň časem pomocí topného zařízení ohřívá a pomocí cirkulačního zařízení cirkuluje.

Podle vynálezu se přitom reguluje rychlost proudění vody.

Výhodně se může měnit počet otáček a/nebo směr otáčení cirkulačního zařízení.

• · · · «·«·

·«······ · · ·»

Mimořádně výhodně se uskutečňuje variace rychlosti proudění v závislosti na fyzikálních a chemických vlastnostech fluida. Tak se rychlost proudění přizpůsobuje především druhu, množství, tlaku a vstupní teplotě fluida, jakož i žádané výstupní teplotě.

Mimořádně výhodné je, když se rychlost proudění proměňuje tak, že výstupní teplota plynu z výparníku s vodní lázní zůstává v podstatě stejná. Leží-li momentální výstupní teplota plynu pod vyžadovanou hodnotou, zvyšuje se např. počet otáček cirkulačního zařízení, čímž se mění rychlost proudění a přenos tepla na fluidum se zvyšuje. Při příliš vysokých výstupních teplotách se postupuje podobně. Vynález má naopak také výhodu, že se může výstupní teplota plynu při konstantním průtoku měnit, je-li to spotřebitelem vyžadováno.

Výparník s vodní lázní a způsob podle vynálezu se osvědčily především při zahřívání a/nebo odpařování nízkovroucích, zkapalněných plynů, především dusíku, kyslíku, argonu nebo produktů zemního plynu.

Nachází-li se u výparníku s vodní lázní podle vynálezu cirkulační zařízení uvnitř vodní nádrže, je příznivé, má-li jádrová trubka na svém horním a dolním konci otvory, a mimořádně příznivé je, jsou-li obě čelní plochy jádrové trubky po celém svém průřezu otevřené. Při zapojeném cirkulačním zařízení proudí voda na vnější straně u jádrové trubky a podél potrubí a uvnitř jádrovou trubkou opět zpátky, resp. obráceně. Je-li cirkulační zařízení vypojeno, může voda stejným způsobem na základě přirozené cirkulace ve •» · > · · • « · 4 · · • » · · • « « · » • · * · · • » · 5 · ί » · · · • » β

vodní nádrži cirkulovat. K zahřívání nepatrných množství

plynu je tato přirozená lázní často dostačující.	cirkulace	vody ve	výparníku s vodní
Vynález	má četné	výhody	oproti	stavu	techniky.
Regulování	rychlosti	proudění	vody	vylepšuj e	zjevně

cirkulaci vody a tím přenos tepla na fluidum. Změna jak směru otáčení, tak i počtu otáček cirkulačního zařízení umožňuje cíleně nastavitelnou cirkulaci vody. Výstupní teploty plynu mohou být nyní jak při plném zatížení, tak i při dílčím zatížení lépe přizpůsobovány požadovaným hodnotám.

U více potrubních vedení přes vodní lázeň, např.

pro nebo vody více zahřívaných frakcí fyzikálními vlastnostmi, optimalizována tak, aby s rozdílnými může být chemickými cirkulace se zajišťovalo akceptovatelné zahřívání všech frakcí. Dosud byla možná optimalizace pouze změnou teploty vody. Toto známé regulování je ovšem na základě vysoké teplotní kapacity vody velmi neúčinné a nepřihlíží k velmi rychlým změnám výkonu.

Variabilní cirkulace vody umožňuje dále, především při odpařování silně podchlazených fluid, zohledňovat namrzání potrubních vedení, vedených vodní lázní, a jejich vliv na přenos tepla.

Podmíněna cílenou cirkulací vody se může teplota vody zvyšovat, následkem čehož se může potrubní vedení, vedené vodní lázní, zkracovat. To s sebou přináší úspory nákladů a menší pokles tlaku. Cirkulace vody může být doplňkově ovlivňována různými úpravami cirkulačního zařízení. Ty mohou být realizovány například vrtulemi s různými tvary nebo průměry vrtulí. V této souvislosti je také výhodné upravit vrtule, u kterých je možné přestavovat sklon vrtulových listů.

Dosud bylo u délky potrubí, upraveného pro fluidum, zpravidla přihlíženo k přibližně 20% bezpečnostní rezervě, tzn. byla upravena doplňková plocha tepelné výměny. To bylo nutné k zajištění toho, aby si plynové spotřebiče, zařazené za výparníkem s vodní lázní, také zachovávaly vyžadované specifikace. Tato bezpečnostní rezerva může nyní odpadnout, protože cirkulace vody podle vynálezu, popř. její variace mohou převzít funkci bezpečnostní rezervy.

Cirkulace podle vynálezu jednak umožňuje používat výparník s vodní lázní ve velkém rozsahu výkonu, jak vzhledem ke vstupním a výstupním teplotám, tak i vzhledem ke zpracovávaným množstvím fluida. Jednak vyvstává možnost koncipovat individuální výparník s vodní lázní, který je optimálně přizpůsoben zcela speciálním požadavkům.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude	blíže	vysvětlen	prostřednictvím
konkrétních příkladů	provedení	znázorněných	na výkresech, na
kterých představuje
obr. 1 výparník	s vodní	lázní podle	vynálezu s vně

ležícím čerpadlem a • η obr. 2 výparník s vodní lázní podle vynálezu s cirkulačním zařízením, nacházejícím se ve vodní nádrži.

Příklady provedení vynálezu

Na obrázku 1 je znázorněn výparník s vodní lázní, jak se používá např. k odpařování a zahřívání kapalného kyslíku na teplotu 15 °C. Plynný kyslík se může následně používat například při svařování. Výparník sestává z vodní nádrže 1, ve které je upraveno trubkové hadové těleso 2 pro zahřívaný plyn, jakož i přívodní parní potrubí 2. Voda, nacházející se ve vodní nádrži 1, je potrubím 4 přiváděna z nádrže 1 čerpadlu £ a od něj se potrubím £ čerpá zpátky do nádrže 1.

Kapalný kyslík se odebírá z nezobrazené cisterny a potrubím 7 se vede do trubkového hadového tělesa 2, tepelnou výměnou s vodní lázní se odpařuje a zahřívá a potrubím £ se opět odebírá. Vodní lázeň se přiváděním vodní páry přívodním parním potrubím 2 udržuje na teplotě přibližně 80 až 90 °C. Čerpadlo £ a tím stupeň cirkulace vody jsou nastaveny tak, že se při plném provozu nastavuje takový přenos tepla z vody na kyslík, že kyslík vystupuje s žádanou teplotou 15 °C.

Je-li výparník s vodní lázní provozován pouze v částečném provozu, tzn. že je např. požadována pouze polovina nominálního množství kyslíku, přizpůsobuje se počet otáček čerpadla £ množství zahřívaného plynu. Teplota kyslíku, vycházejícího z potrubí £, tak zůstává nezávisle na • · · · · • · · · · ········ ·· ·· průtoku stále na požadované hodnotě 15 °C.

Na obrázku 2 je znázorněn výparník s vodní lázní podle vynálezu s cirkulačním zařízením, nacházejícím se uvnitř vodní nádrže. Místo čerpadla, ležícího mimo vodní lázeň, je upravena vrtule 2, která se nachází ve vodě a která je poháněna motorem IQ, přestavitelným v počtu otáček a ve směru otáčení. Potrubím 7, které je navinuto na nahoře a dole otevřené jádrové trubky 11, se vede fluidum, např. kapalný kyslík, do výparníku s vodní lázní, a tepelnou výměnou s vodou se odpařuje a ohřívá.

Teplota vody se usměrněným přiváděním páry potrubím 2 udržuje na teplotě přibližně 80 až 90 °C. Teplotní rozdíl mezi vodou a vyžadovanou výstupní teplotou plynu je zřetelně vyšší než u výparníků bez regulace rychlosti proudění. Proto mohou být používána kratší trubková hadová tělesa 2, která jsou přiměřeně levnější a která způsobují nižší ztrátu tlaku za, resp. nad trubkovými hadovými tělesy 2Je-li výparník s vodní lázní podle vynálezu provozován v částečném provozu, přizpůsobuje se rychlost rotace vrtule 2 množství zahřívaného plynu. Teplota kyslíku, vycházejícího z potrubí 2, tak zůstává nezávisle na průtoku stále na vyžadované hodnotě 15 °C.

Claims

1. Výparnik s vodní lázní k odpařování a/nebo zahřívání fluida, s vodní nádrží, s alespoň jedním potrubím pro fluidum, probíhajícím ve vodní nádrži, s topným zařízením pro vodu a s cirkulačním zařízením k cirkulaci vody, vyznačuj íeí se tím, že jsou upraveny prostředky k regulování rychlosti proudění cirkulované vody.

2. Výparnik s vodní lázní podle nároku 1, vyznačující se tím, že cirkulační zařízení je upraveno ve vodní nádrži.

3. Výparnik s vodní lázní podle některého z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že počet otáček a/nebo směr otáčení cirkulačního zařízení jsou přestavovitelné.

4. Výparnik s vodní lázní podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že ve vodní nádrži probíhají alespoň dvě potrubí.

5. Výparnik s vodní lázní podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je upraveno elektrické topné zařízení.

6. Výparnik s vodní lázní podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že jako topné zařízení je upravena trubka k přivádění páry do vodní lázně.

• · • · · · ···· · · · ·

7. Výparník s vodní lázní podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že ve vodní nádrži je upravena jádrová trubka a že se mezi jádrovou trubkou a stěnou vodní nádrže nachází (nacházejí) potrubí.

8. Výparník s vodní lázní podle nároku 7, vyznačující se tím, že jádrová trubka má na svém horním a dolním konci otvor.

9. Výparník s vodní lázní podle některého z nároků 1 až 8 k zahřívání a/nebo odpařování nízkovroucích, zkapalněných plynů, především dusíku, kyslíku, argonu nebo produktů zemního plynu.

10. Způsob odpařování a/nebo zahřívání fluida, přičemž je fluidum vedeno potrubím, nacházejícím se ve vodní nádrži, a uvádí se do nepřímé tepelné výměny s vodou, voda se alespoň časem pomocí topného zařízení ohřívá a pomocí cirkulačního zařízení cirkuluje, vyznačující se tím, že se rychlost proudění vody reguluje.

11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že voda cirkuluje pomocí cirkulačního zařízení, nacházejícího se ve vodní nádrži.

12. Způsob podle některého z nároků 10 nebo 11, vyznačující se tím, že se počet otáček a/nebo směr otáčení cirkulačního zařízení mění.

13. Způsob podle některého z nároků 10 až 12, vyznačující se tím, že se reguluje rychlost proudění • · · « · • · * · • · vody v závislosti na fyzikálních a chemických vlastnostech, především druhu, množství, vstupní a výstupní teplotě nebo tlaku fluida.

14. Způsob podle některého z nároků 10 až 13, vyznačující se tím, že rychlost proudění vody se reguluje tak, že výstupní teplota fluida z výparníku s vodní lázní zůstává v podstatě stejná.

15 . Způsob podle některého z nároků 10 až 14, vyznačující se tím, že se voda pomocí topného zařízení zahřívá na více než 70 °C, výhodně na více než 80 °C. 16 . Způsob podle některého z nároků 10 až 15 k

zahřívání a/nebo odpařování nízkovroucích, zkapalněných plynů, především dusíku, kyslíku, argonu nebo produktů zemního plynu.