DE102011118041A1

DE102011118041A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nachverdampfung von Fluidtröpfchen bei Entspannungsmaschinen

Info

Publication number: DE102011118041A1
Application number: DE102011118041A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Priebe
Original assignee: ADATURB GmbH
Current assignee: LEVITEC GMBH, DE
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Mit einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zur Nachverdampfung von Nassdampfanteilen eines Nassdampf-/Dampfgemisches vor einer Entspannungsmaschine, insbesondere von Fluiden mit kleiner Oberflächenspannung, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der eine möglichst vollständige Verdampfung der möglicherweise im Gemisch enthaltenen Mikrotröpfchen erreicht wird, derart, dass derartige Entspannungsmaschinen nicht mit Nassdampf beaufschlagt werden.
Dies wird verfahrensmäßig dadurch erreicht, dass das Nassdampf-/Dampfgemisch über eine Einrichtung beschleunigt und turbulent wenigstens einmal derart umgelenkt wird, dass die im Gemisch enthaltenen Tröpfchen zerrissen und nachverdampft werden, wobei der Enthalpie-Überschuss des überhitzten Dampfes mit Nassdampfanteilen bis zur Sattdampfzone zu der Nachverdampfung genutzt wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Nachverdampfung von Nassdampfanteilen eines Nassdampf-/Dampfgemisches vor einer Entspannungsmaschine, insbesondere von Fluiden mit kleiner Oberflächenspannung.
Ein Problem bei Entspannungsmaschinen, wie insbesondere bei Turbinen, ist es, wenn im überhitzten Dampf, der in die Entspannungsmaschine eintritt, noch Tröpfchen des eingesetzten Fluids vorhanden sind. Es kann dabei zu Schädigungen beispielsweise der Turbinenschaufeln kommen.
Es ist bekannt, zur Verdampfung beispielsweise Rohrbündelwärmetauscher oder auch Plattenwärmetauscher einzusetzen, wobei bei Plattenwärmetauschern mit kleinen Strömungsquerschnitten und höheren Strömungsgeschwindigkeiten kleine Tröpfchen bis zur Größe von 10^–6 m bis 10^–9 m mitgerissen werden, die dann eine eingesetzte Turbine beaufschlagen, derart, dass diese Turbine durch diese Nassdampftröpfchen beschädigt wird oder aufgrund des Nassdampfgehaltes nicht ihren berechneten Wirkungsgrad erreicht.
Derartige Entspannungsmaschinen werden nicht nur mit reinen Wasserdampfgemischen betrieben, sondern es ist auch bekannt, Fluide mit kleinen Oberflächenspannungen, wie bei ORC-Fluiden, z. B. Kohlenwasserstoffen, fluorierten oder methylierten Kohlenwasserstoffen oder Silikonöle einzusetzen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung, mit der eine möglichst vollständige Verdampfung der möglicherweise im Gemisch enthaltenen Mikrotröpfchen erreicht wird, derart, dass derartige Entspannungsmaschinen nicht mit Nassdampf beaufschlagt werden.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Nassdampf-/Dampfgemisch über eine Einrichtung beschleunigt und turbulent wenigstens einmal derart umgelenkt wird, dass die im Gemisch enthaltenen Tröpfchen zerrissen und nachverdampft werden, wobei der Enthalpie-Überschuss des überhitzten Dampfes mit Nassdampfanteilen bis zur Sattdampfzone zu der Nachverdampfung genutzt wird.
Unter überhitztem Nassdampf wird ein Dampf-/Tröpfchengemisch verstanden, in dem das zu verdampfende Fluid nicht vollständig verdampft ist, also beispielsweise nur 90% des Massenstromes, so dass 10% Mikro- und Nanotröpfchen vorliegen. Der Dampfanteil ist dabei derart überhitzt, dass zwischen Sattdampf-Enthalpie des vollständigen Massenstromes und dem Enthalpie-Gehalt des Gemisches ein Überschuss an Enthalpie besteht, der zur Nachverdampfung der Flüssigkeit ausreicht.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Gemisch bis auf 60% der Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird, so dass es durch entsprechende turbulente Strömungen zum Zerreißen der Tröpfchen kommt.
Erfindungsgemäß kann ein Gemisch mit einem bis zu 25%-igen Tröpfchenanteil an dem Massenstrom entsprechend beschleunigt werden.
Eine entsprechende Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass drei ineinander auf Abstand konzentrisch positionierte Rohre vorgesehen sind mit Umlenkeinrichtungen zur Bildung eines durchgängigen Strömungskanales zur Durchleitung und Beschleunigung des Nassdampfgemisches, wobei der Querschnitt des gebildeten Strömungskanales kleiner ist als der Querschnitt des die Vorrichtung mit den Nassdampf-/Dampfgemisch beaufschlagenden Einströmkanales.
Durch eine entsprechende Rohr-in-Rohr-in-Rohr-Lösung lässt sich in der Dampfzuleitung zu einer Entspannungsmaschine mit entsprechender Querschnittsverengung z. B. bis zu 60%-ige Schallgeschwindigkeit erreichen, wobei durch wenigstens eine, insbesondere mehrere Umlenkungen, weitere Querschnittsverengungen um jeweils 180° eine entsprechende Turbulenz zum Zerreißen der Mikro- bzw. Nanotröpfchen erreichen lässt.
Vorteilhaft wird eine derartige Vorrichtung so ausgestaltet, dass der überhitzte Nassdampf von einem innenliegenden Strömungskegel in einen äußeren Kreisring mit vermindertem Querschnitt gegenüber dem zuleitenden Rohr einströmt und dabei beschleunigt wird, sodann in einer ersten Umlenkeinheit um 180° umgelenkt wird und dabei Turbulenzen entstehen. Der Strom wird dann weiter in Richtung der ersten Zuströmung geführt und erneut beispielsweise in einer Kugelkalotte um 180° turbulent umgelenkt und dann aus dem innenliegenden Rohr zum Austritt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung geleitet. Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die zweite Umlenkeinrichtung aus einem kreisförmigen Bauteil mit halbkreisförmiger Ausnehmung gebildet ist, wobei das mittlere Rohr in der Mitte des Halbkreises endet, wobei auch vorgesehen sein kann, dass der Querschnitt des die Abströmung bildenden Rohrstutzens etwa dem die Einströmung bildenden Rohrstutzens entspricht.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, diese zeigt in
1 die Darstellung eines Prozesses im P-h-Diagramm,
2 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie in
3 einen Schnitt C-C in 2.
Wie im P-h-Diagramm gezeigt, muss das Nassdampf-/Dampfgemisch thermisch so weit überhitzt sein, dass durch entsprechende Entspannung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Demister) ein Enthalpie-Abbau in Verbindung mit einer absinkenden Temperatur und des Druckes stattfindet (Linie BC im P-h-Diagramm nach 1).
Die entsprechende Entspannung wird durch die Querschnittsverengung vom zuführenden Rohr zum kreisringförmigen Leitungsquerschnitt erreicht, sobald das Zerreißen der Tröpfchen durch eine entsprechende Turbulenzerzeugung in den Umlenkeinheiten erfolgt.
Die allgemein als Demister wirkende Vorrichtung, allgemein mit 1 bezeichnet, ist in 2 schematisch und nicht maßstabgerecht dargestellt.
Das Nassdampf-/Dampfgemisch wird über ein Rohr 2 der Vorrichtung 1 zugeführt und über einen Anströmkegel 3 einem ersten Ringraum 4 zugeführt unter gleichzeitiger Verringerung des wirksamen Strömungsquerschnittes.
Der Ringraum 4 wird dadurch gestaltet, dass ein konzentrisches Innenrohr 5 in dem mit 2a bezeichneten äußeren Rohr positioniert ist, wobei ein weiterer Ringraum 6 dadurch entsteht, dass in das Rohr 5 wiederum ein konzentrisches Innenrohr 7 eingesetzt ist, wobei die Rohre jeweils über Abstandhalter fixiert sind, die in 3 angedeutet und mit 8 bezeichnet sind.
Eine erste Umlenkung des den Ringraum 4 durchströmenden Gemisches erfolgt über eine erste Umlenkeinheit 9, eine zweite Umlenkung erfolgt durch eine innenliegende Kugelkalotte 10, die Bestandteil des Ablenkkegels 3 ist. Bei beiden Umlenkungen werden die entsprechenden Turbulenzen erzeugt, um die im Gemisch befindlichen Tröpfchen zu zerstören und nachzuverdampfen. Der Austritt aus dem Demister 1 ist mit 11 bezeichnet, wobei der Eintrittsquerschnitt und der Austrittsquerschnitt im dargestellten Beispiel identisch sind.

Claims

Verfahren zur Nachverdampfung von Nassdampfanteilen eines Nassdampf-/Dampfgemisches vor einer Entspannungsmaschine, Insbesondere von Fluiden mit kleiner Oberflächenspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Nassdampf-/Dampfgemisch über eine Einrichtung beschleunigt und turbulent wenigstens einmal derart umgelenkt wird, dass die im Gemisch enthaltenen Tröpfchen zerrissen und nachverdampft werden, wobei der Enthalpie-Überschuss des überhitzten Dampfes mit Nassdampfanteilen bis zur Sattdampfzone zu der Nachverdampfung genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch auf bis 60% der Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch mit einem bis zu 25%-igen Tröpfchenanteil an dem Massenstrom beschleunigt wird.
Vorrichtung zur Nachverdampfung von Nassdampfanteilen eines Nassdampf-/Dampfgemisches vor einer Entspannungsmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei ineinander auf Abstand konzentrisch positionierte Rohre (2a, 5, 7) vorgesehen sind mit Umlenkeinrichtungen (3, 9, 10) zur Bildung eines durchgängigen Strömungskanales zur Durchleitung und Beschleunigung des Nassdampfgemisches, wobei der Querschnitt des gebildeten Strömungskanales (4) kleiner ist als der Querschnitt des die Vorrichtung mit den Nassdampf-/Dampfgemisch beaufschlagenden Einströmkanales.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung die erste Umlenkeinheit (3) aus einem Ansträmkegel mit einer innenliegenden Kugelkalotte (10) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Umlenkeinrichtung (9) aus einem kreisförmigen Bauteil mit halbkreisförmiger Ausnehmung gebildet ist, wobei das mittlere Rohr (5) in der Mitte des Halbkreises endet.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des die Abströmung bildenden Rohrstutzens (11) etwa dem die Einströmung bildenden Rohrstutzens (2) entspricht.