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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrstufige Röhrenwärmetauschervorrichtung, die insbesondere zur Entsalzung von Meerwasser verwendet werden kann.
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Stand der Technik
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Obwohl prinzipiell auf beliebige mehrstufige Wärmetauschervorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mehrstufigen Wärmetauschervorrichtungen zur Entsalzung von Meerwasser erläutert.
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Im aktuellen Stand der Technik und auch in älteren Veröffentlichungen werden mehrstufige Wärmetauschervorrichtungen zur Entsalzung von Meerwasser, auch als Multi-Effekt-Wärmetauschervorrichtungen bezeichnet, in ihrer Grundfunktion und auch mit einer Variantenvielfalt beschrieben.
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Derartige Wärmetauschervorrichtungen werden im technischen Einsatz in Verbindung mit anderen technischen Einheiten so eingesetzt, dass die systemimmanenten Stoffströme in einer folgerichtigen Reihenfolge an spezifische Orte der Entsalzungsanlage mit den dort notwendigen physikalischen Eigenschaften und physikalischen Effekten gelangen, die die Funktion der Wärmetauschervorrichtungen erst möglich machen bzw. diese qualitativ und funktionssicher arbeiten lassen.
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Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Bauformen von Multi-Effekt-Wärmetauschervorrichtungen, nämlich zum einen Multi-Effekt-Wärmetauschervorrichtungen, die pro Effekt aus mehreren Kammern eine gemeinsame Kammer bilden, sowie auch solche, die aus einer Kammer pro Effekt bestehen.
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In beiden Bauformen werden mit aufeinander abgestimmten Temperatur- und Dampfdruckwerten in jedem Effekt Verdampfungs- und Kondensierungsvorgänge ausgeführt, oder es wird nur verdampft und dem Folgeeffekt wird der Dampf wiederum zur Verfügung gestellt. Dadurch kann der Energieinhalt eines einmal erzeugten Dampfes durch Rückführung der Verdampfungswärme mehrmals genutzt werden, wobei der Phasenübergang und der damit verbundene Energiefluss von Flüssigkeit zu Dampf zu Flüssigkeit zu Dampf so lange ausgeführt werden kann, bis nicht mehr ausreichend Energie für einen Phasenübergang ausgetauscht werden kann oder bis eine bauliche Beschränkung den letzten Phasenübergang in der Multi-Effekt-Wärmetauschervorrichtung definiert.
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Die
DE 10 2009 038 836 A1 beschreibt einen Plattenwärmeübertrager, der kolonnenweise aus Blechpaaren so aufgebaut ist, dass die Blechpaare, die aus einem Verdampfer- sowie einem Kondensationsblech bestehen, hintereinander geschaltet je eine Verdampferkammer und eine Kondensationskammer für je einen Effekt bilden, wobei die Blechpaare mit Abstandshaltern aus elastischen Dichtelementen versehen sind. Diese elastischen Dichtelemente arbeiten sowohl als Verdampferdichtungen als auch als Kondensationsdichtungen.
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Die hintereinander geschalteten Kammern bilden eine Gesamtkammer mit einem Gesamtvolumen und eine Gesamtverdampferfläche, die sich aus der Addition aller Blechpaare ergibt, da die hintereinander geschalteten Blechpaare ebenfalls von elastischen Dichtelementen als Abstandshalter auf Distanz gehalten werden. So bilden z. B. 15 Blechpaare hintereinander geschaltet in einem Effekt 15 Verdampfer- und Kondensationskammern. Der Dampf wird in einem Effekt kondensiert, und die bei der Kondensation frei werdende Energie wird in dem Folgeeffekt zum Verdampfen des Mediums genutzt.
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Die Verdampferbleche haben Durchbrüche mit unterschiedlichen Querschnittsflächen zur Durchführung von flüssigen Medien, wie Rohwasser, Sole oder Destillat, und zur Durchführung von Inertgasen und des Dampfes, der in der Verdampferkammer entsteht. Diese Durchbrüche bilden in Verbindung mit den elastischen Kondensator- und Verdampferdichtungen Kanäle für die Zu- und Abführung sowie für die Verteilung der Flüssigen und gasförmigen Medien auf die Verdampfer- und Kondensatorkammer.
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Speziell für den Dampf ergeben sich dabei zwei Probleme. Zum einen entstehen durch das Strömen des Dampfes von den Verdampferkammern in das Dampfrohr, dem damit verbundenen Richtungswechsel um 90° und dem anschließenden Strömen des Dampfes in die Kondensatorkammern, wo wiederrum ein Richtungswechsel des Dampfes um 90° notwendig wird, und das Strömen des Dampfes zwischen den Verdampfer- und Kondensatorplatten erhebliche Strömungsverluste, die mit einem Energieinhaltsverlust vom Dampf einhergehen. Zum anderen werden diese Verluste durch einen zu kleinen Plattenabstand nochmals erhöht, da der Abstand aus fertigungstechnischen Gründen und Stabilitätsgründen mit den elastischen Dichtungen begrenzt ist.
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Damit der Plattenwärmetauscher aus der
DE 10 2009 038 836 A1 im technischen Einsatz qualitativ und funktionssicher arbeiten kann, ist es notwendig das erzeugte Destillat und das in einem dünnen Flüssigkeitsfilm herunterfließende Rohwasser, das von Effekt zu Effekt immer mehr zu einer Sole aufkonzentriert wird, in Behältern an jedem einzelnen Effekt aufzufangen. Da der jeweilige Folgeeffekt aufgrund der geringeren Sole- und Destillattemperatur einen etwas geringeren Druck hat, werden das Destillat sowie die Sole über eine Leitung in den Behälter des nächsten Effektes gesaugt. Die Sole wird somit dem Folgeeffekt zur Verfügung gestellt und das Destillat abgeführt.
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Die
DE 196 03 380 C2 beschreibt eine integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit als Zentralelement einer Destillationsvorrichtung mit Rückgewinnung der Verdampfungswärme, wobei Destillations- und Sammelrückgewinnungsvorgang in einem kontinuierlichen Gegenstromverfahren erfolgen und eine senkrechte und wenig wärmeleitende Verdampfungsfläche von dem Flüssigkeitsfilm der herabgleitenden und zu destillierenden Lösung bedeckt wird. Die Kondensations- und Verdampfungsfläche verlaufen in geringem Abstand parallel gegen überstehend und bilden zusammen einen Spaltkanal, den sogenannten Dampfraum. Je zwei einander zugewandte Rückseiten der Kondensationsflächen bilden ebenfalls einen sehr schmalen Spaltkanal, in welchem die zufließende Lösung die Kondensationswärme aufnimmt. Der Dampfraum enthält nur die Gasphase des Lösungsmittels, und die Reste der aus der erhitzten Lösung entwichenen nicht kondensierbaren Gase.
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Die
DE 30 10 042 offenbart eine Vorrichtung zum Destillieren von Wasser mit einem Gehäuse, einem Wärmeaufnahme-Plattenglied zum Aufnehmen von Wärme an einer Seite und zum Verdampfen eines zu behandelnden Wassers sowie einer Mehrzahl von Kühlplattengliedern zum Kondensieren des Wasserdampfes und zum Verdampfen des zu behandelnden Wassers durch die latente Kondensationswärme. Die Kühlplattenglieder sind unter paralleler Abstandsbeziehung untereinander und in Bezug auf das Wärmeaufnahme-Plattenglied angeordnet. Weiterhin sind Wasserhaltemittel vorgesehen zum Halten des zu behandelnden Wassers an der einen Seite des Wärmeaufnahme-Plattengliedes und an einer Seite eines jeden der Kühlplattenglieder, wobei jedes Wasserhaltemittel der Kondensationsoberfläche des angrenzenden Kühlplattenglieds gegenüberliegend angeordnet ist. Ein Wasserzufuhrmittel dient zum Zuführen des zu behandelnden Wassers zu den Wasserhaltemitteln, und ein Wassersammelmittel dient zum Sammeln des kondensierten Wassers.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mehrstufige Röhrenwärmetauschervorrichtung, insbesondere zur Entsalzung von Meerwasser, nach Anspruch 1.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren durch eine unterseitige erste Endverschlussplatte und durch eine oberseitige zweite Endverschlussplatte verschlossen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind vorgesehen:
eine erste röhrenförmige Trennwand, welche im Innenraum der innersten Wärmetauscherröhre derart angeordnet ist, dass sie das erste Auffangbecken für das an der Außenoberfläche der Heizeinrichtung hinunterlaufende nicht verdampfte Medium zusammen mit einem Teil der Außenoberfläche der Heizeinrichtung und zusammen mit der ersten Endverschlussplatte bildet und das erste Auffangbecken für das an der Innenoberfläche der innersten Wärmetauscherröhre hinunterlaufende Kondensat zusammen mit einem Teil der Innenoberfläche der innersten Wärmetauscherröhre und zusammen mit der ersten Endverschlussplatte bildet;
jeweils eine weitere röhrenförmigen Trennwand, welche im jeweiligen Raum zwischen der innersten bis vorletzäußersten Wärmetauscherröhre und der jeweils nächstäußeren Wärmetauscherröhre derart angeordnet ist, dass sie das jeweilige weitere Auffangbecken für das an der jeweiligen Außenoberfläche hinunterlaufende nicht verdampfte Medium zusammen mit einem Teil der jeweiligen Außenoberfläche der innersten bis vorletzäußersten Wärmetauscherröhre und zusammen mit der ersten Endverschlussplatte bildet und das jeweilige weitere Auffangbecken für das an der jeweiligen Innenoberfläche hinunterlaufende Kondensat zusammen mit einem Teil der jeweiligen Innenoberfläche der nächstäußeren Wärmetauscherröhre und zusammen mit der ersten Endverschlussplatte bildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine erste Dichteinrichtung zwischen der ersten Endverschlussplatte und der Mehrzahl von dadurch unterendseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren und eine zweite Dichteinrichtung zwischen der zweiten Endverschlussplatte und der Mehrzahl von dadurch oberendseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der Innenraum der innersten Wärmetauscherröhre und die jeweiligen weiteren Räume zwischen der innersten bis vorletzäußersten Wärmetauscherröhre und der nächstäußeren Wärmetauscherröhre evakuierbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren zylinderförmig ausgebildet ist und konzentrisch um die zentrale Achse herum angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren polygonal ausgebildet und konzentrisch um die zentrale Achse herum angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das erste Auffangbecken für das an der Außenoberfläche der Heizeinrichtung hinunterlaufende nicht verdampfte Medium und die jeweiligen weiteren Auffangbecken bis zum vorletztäußeren Auffangbecken für das an der jeweiligen Außenoberfläche hinunterlaufende nicht verdampfte Medium mit einem jeweils nächstäußeren Auffangbecken sequenziell paarweise über eine jeweilige Medium-Ausgleichsleitung verbunden, wobei das äußerste Auffangbecken für das an der Außenoberfläche der vorletztäußersten Wärmetauscherröhre hinunterlaufende nicht verdampfte Medium eine nach außen führende Medium-Abflussleitung aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das erste Auffangbecken für das an der Innenoberfläche der innersten Wärmetauscherröhre hinunterlaufende Kondensat und die jeweiligen weiteren Auffangbecken für das an der jeweiligen Innenoberfläche hinunterlaufende Kondensat bis zum vorletztäußersten Auffangbecken für das an der jeweiligen Innenoberfläche hinunterlaufende Kondensat mit einem jeweils nächstäußeren Auffangbecken sequenziell paarweise über eine jeweilige Kondensat-Ausgleichsleitung verbunden, wobei das äußerste Auffangbecken für das an der Innenoberfläche der äußersten Wärmetauscherröhre hinunterlaufende Kondensat eine nach außen führende Kondensat-Abflussleitung aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren konzentrisch um die zentrale Achse herum angeordnet, wobei jeweilige Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Wärmetauscherröhren gleich sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren konzentrisch um die zentrale Achse herum angeordnet, wobei jeweilige Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Wärmetauscherröhren von innen nach außen zunehmen oder abnehmen oder variiieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Heizeinrichtung blockförmig.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Heizeinrichtung röhrenförmig.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Zuführungseinrichtung einen oberseitig auf der Außenoberfläche der Heizeinrichtung angebrachten Verteilerschlauch auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Zuführungseinrichtung einen Innenzulauf der Heizeinrichtung und eine oberseitig auf der Heizeinrichtung angeordnete Verteilereinrichtung auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Kühleinrichtung eine endseitig verschlossene Außenwandröhre, in welche die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren eingesetzt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bilden die Außenwandröhre und die Außenoberfläche der äußersten Wärmetauscherröhre einen Kühlkanal für ein Kühlmedium als Kühleinrichtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erstrecken sich die Trennwände von der unteren Endverschlussplatte ausgehend bis zu einem Teil der Länge der Wärmetauscherröhren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Trennwände höhenverstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erstrecken sich die Trennwände von der unteren Endverschlussplatte ausgehend bis zur oberen Endverschlussplatte über die gesamte Länge der Wärmetauscherröhren und weisen im oberen Bereich Perforationen zum Dampfdurchtritt auf.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung fasst verschiedene funktionelle technischen Einheiten aus mehreren Bauweisen durch eine spezielle röhrenförmige Bauweise zusammen. Die Erfindung vereinfacht somit die Bauweise und die Herstellung von mehrstufigen Wärmetauschervorrichtungen erheblich und verändert die Wirtschaftlichkeit signifikant. Vor allem für kleine Anlagen ist eine erhebliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
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Durch die vorliegende Erfindung werden eine ganze Reihe von Vorteilen der Multi-Effekt-Wärmetauschertechnologie möglich.
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Erstens entfällt eine Dampfströmung, wie sie sich bei Multi-Effekt-Plattenwärmetauschern mit Kolonnenbauweise ergibt, da der Dampf nicht mehr von einer Vielzahl von Räumen, die einen Gesamtraum ergeben, zu einem neuen Gesamtraum, der wiederum aus einer Vielzahl von Räumen besteht, strömen muss und somit keine Strömungsverluste bzw. Energieverluste des Dampfes mehr vor dem Kondensieren auftreten.
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Zweitens können die Plattenabstände ohne große Mühe von Effekt zu Effekt, mit abnehmender Dampftemperatur variiert bzw. vergrößert werden, was dem Kondensieren bei niedrigeren Temperaturen entgegenkommt und die Dampfverluste seinerseits ebenfalls eliminiert.
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Drittens ergibt sich eine Vergrößerung der Verdampferfläche, wenn man die Wärmetauscherflächen konzentrisch anordnet, was eine bessere Energieübertragung bei sinkenden Temperaturen ermöglicht und die Effektivität steigert.
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Viertens ergibt sich bei einer konzentrischen Bauweise eine natürliche Vergrößerung des Verdampferraumes aus der Radiusabhängigkeit der Verdampferfläche.
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Fünftens vereinfacht sich die Fertigung der Bleche enorm, da keine Durchbrüche für die Medienführung mehr notwendig werden. Das ist eine wirtschaftliche Verbesserung bei der Fertigung der Wärmetauscherbleche.
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Sechstens vereinfacht sich die Montage, da bei einer 16-Effekt Anlage nur noch 16 Wärmetauscherbleche notwendig sind und nicht ca. 300, wenn man bei der gegenwärtigen Technologie 15 Bleche pro Effekt inklusive Verdampfer und Kondensator vorsieht.
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Siebtens vereinfachen sich die Fertigung und die Montage bezüglich der Dichtungen, da man nur einige wenige Dichtungen benötigt
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Achtens erreicht man eine bessere Funktionssicherheit bezogen auf die Lebensdauer der Dichtungen da sich bei einer zentrischen Bauweise die Dichtungen der Plattenwärmetauscher-Effekte entfallen, da der Druckunterschied zum nächsten Effekt sehr klein ist. Die Anforderungen an die Dichtungen sinken also sehr stark.
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Neuntens ergibt sich eine viel günstigeres Verhältnis der Gesamtfläche der Wärmetauscherbleche zur Verdampferfläche, das statt bei ca. 30% bei ca. 95% liegt, wenn man die konzentrische Bauweise wählt.
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Zehntens werden die Abstrahlverluste sehr stark reduziert.
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Elftens, kann durch die Reduzierung der Verluste insgesamt möglicherweise eine größere Anzahl von Effekten bei gleichbleibender Temperaturspanne in die Anlage integriert werden.
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Zwölftens ist das Austauschen von Blechen, wenn sie verschlissen oder verkalkt sind, ohne große Probleme zu durchzuführen.
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Dreizehntens entfällt ein Großteil der Verrohrung, die bei der Umsetzung in eine Anlage nach der
DE 10 2009 038 836 A1 notwendig ist, da man keine Auffangbehälter mehr benötigt. Die Überleitung von einem in den nächsten Effekt gestaltet sich sehr einfach und standardisiert. Das ist ein wirtschaftlicher Vorteil beim Materialeinkauf und bei der Montage.
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Vierzehntens ergibt sich durch die kompakte Bauweise eine bessere Transportfähigkeit bezüglich des Gewichtes.
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Fünfzehntes ergibt sich durch die kompakte Bauweise ebenfalls eine bessere Transportfähigkeit bezüglich des Volumens, da sich die Verrohrung stark reduziert und die verbleibenden Rohre sich im Verlauf natürlich an den Wärmetauscherblechen orientieren und dort befestigt werden können, was den Röhren eine größere Betriebssicherheit beim Transport gibt.
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Sechzehntens ist die Bauweise so kompakt, das sich das Verhältnis der Menge des Permeatausstoßes zum Volumen der Gesamtanlage um einen erheblichen Faktor erhöht.
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Siebzehntens gestaltet sich der Bau und die Funktion der Vakuumleitungen einfacher und stabiler, da sie auf der Abdeckung angebracht werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a, b eine mehrstufige Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1a eine senkrechte schematische Querschnittsansicht und 1b eine waagrechte schematische Querschnittsansicht entlang der Linie X-X' von 1a ist;
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2 eine senkrechte schematische Querschnittsansicht analog zu 1a einer mehrstufigen Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine senkrechte schematische Querschnittsansicht analog zu 1a einer mehrstufigen Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine senkrechte schematische Querschnittsansicht analog zu 1a einer mehrstufigen Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Komponenten.
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1a, b zeigen eine mehrstufige Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 1a eine senkrechte schematische Querschnittsansicht und 1b eine waagrechte schematische Querschnittsansicht entlang der Linie X-X' von 1a ist.
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In 1a, b bezeichnet Bezugszeichen 1 eine mehrstufige Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser M durch Verdampfung und Kondensation. Die Röhrenwärmetauschervorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren P1–P6, welche voneinander beabstandet ineinander gesetzt um eine zentrale Achse MA herum angeordnet sind. Die Mehrzahl von endseitig verschlossenen Wärmetauscherröhren P1–P6 ist, wie in 1b gezeigt, zylinderförmig ausgebildet und konzentrisch um die zentrale Achse MA herum angeordnet.
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Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform ist der Abstand zwischen benachbarten Wärmetauscherröhren, welcher mit d1, d2, d3, d4, d5 bezeichnet ist, gleich. Im Innenraum R der innersten Wärmetauscherröhre P1 ist eine Heizeinrichtung H angeordnet, welche im Inneren ein (nicht dargestelltes) Leitungssystem aufweist, das von außen über einen Heizmediumeingang HE ein Heizmedium aufnehmen kann und über einen Heizmediumausgang HA das Heizmedium abgeben kann. In diesem Beispiel ist die Heizeinrichtung H blockförmig zylindrisch aufgebaut und weist zur innersten Wärmetauscherröhre P1 denselben Abstand d auf, wie die Abstände d1 bis d5 zwischen den Wärmetauscherröhren P1–P6 gewählt sind.
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Bezugszeichen A0 bezeichnet eine Außenwandröhre, welche ebenfalls zylindrisch ist und konzentrisch mit den Wärmetauscherröhren P1–P6 um die Mittelachse MA angeordnet ist. Auch der Abstand d6 von der äußersten Wärmetauscherröhre P6 zur Außenwandröhre ist gleich wie die Abstände d und d1 bis d5. Die Wärmetauscherröhren P1–P6 und die Außenwandröhre A0 sind beiderseits hermetisch verschlossen, und zwar im vorliegenden Beispiel durch eine unterseitige erste Endverschlussplatte E1 und durch eine oberseitige zweite Endverschlussplatte E2, wobei zwischen die jeweiligen Röhrenenden und die Anschlussplatte E1, E2 eine jeweilige Dichteinrichtung B1 bzw. B2 eingelegt ist, welche vorliegend einfach durch eine Gummimatte gebildet ist. Eine derartige Art der Abdichtung schafft abgeschlossene drucksichere Räume R, R1, R2, R3, R4, R5 zwischen der Heizeinrichtung H und der ersten Wärmetauscherröhre P1 bzw. zwischen benachbarten Wärmetauscherröhren, so dass Meerwasser M in der Röhrenwärmetauschervorrichtung gehalten werden kann, ohne dass es ungewollt entweichen kann bzw. ohne dass es zu einem Druckausgleich zwischen den Räumen R1 bis R5 kommt.
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Über eine erste Zuführungseinrichtung RE, V1 wird das zu verdampfende Medium, hier Meerwasser M, auf die Außenoberfläche OF der Heizeinrichtung H derart zugeführt, dass das Meerwasser M vom oberen Ende der Außenoberfläche OF zum unteren Ende der Außenoberfläche OF hinunterlaufen bzw. hinunterrieseln kann. Das Material der Heizeinrichtung H sollte so ausgebildet sein, dass es eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, damit die Wärmeenergie vom heißen Wärmemedium im Inneren der Heizeinrichtung H optimal auf die Außenoberfläche OF der Heizeinrichtung H übertragen werden kann. Über einen mit Bezugszeichen VAC bezeichneten Vakuumanschluss ist der Innenraum R evakuierbar. Weitere (nicht dargestellte) Vakuumanschlüsse sind für die Räume R1–R5 vorgesehen.
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Die Zuführungseinrichtung RE, V1 zum Zuführen des zu verdampfenden Meerwassers M umfasst eine von außen in den Raum R hineinlaufende Zufuhrleitung RE sowie eine Verteilereinrichtung V1, welche vorzugsweise einen dünnen Flüssigkeitsfilm auf der Außenoberfläche OF der Heizeinrichtung H erzeugt. Beim vorliegenden Beispiel ist am oberen Ende der Außenoberfläche OF der Heizeinrichtung H eine Verteilereinrichtung V1 in Form eines Schlauches derart angebracht, dass er den Umfang der zylindrischen Heizeinrichtung H einmal umfasst, also einen Schlauchring bildet. Der Schlauch verfügt über eine Vielzahl kleiner Öffnungen, die auf die Außenoberfläche OF so ausgerichtet sind, dass das zu verdampfende Medium, hier Meerwasser M, in ausreichender Menge auf die Außenoberfläche OF aufgebracht wird, sodass ein möglichst gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm aus Meerwasser M entsteht, der kontinuierlich entlang der Außenoberfläche OF zur Unterseite der Heizeinrichtung H rieselt.
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Bei geeignet gewähltem Druck im Raum R sowie geeignet gewählter Temperatur der Heizeinrichtung H kann das Meerwasser M zumindest teilweise von der Außenoberfläche OF verdampfen, wobei der Dampf mit Bezugszeichen D bezeichnet ist, und an einer Innenoberfläche IP1 der innersten Wärmetauscherröhre P1 wieder kondensieren, wobei ein entsprechendes mit Bezugszeichen K bezeichnetes Kondensat an der Innenoberfläche IP1 der innersten Wärmetauscherröhre P1 hinunterlaufen kann. Im unteren Bereich der Heizeinrichtung H ist ein erstes Auffangbecken A1 für das an der Außenoberfläche OF der Heizeinrichtung H hinunterlaufende nicht verdampfte Meerwasser M sowie ein erstes Auffangbecken B1 für das an der Innenoberfläche IP1 der innersten Wärmetauscherröhre P1 hinunterlaufende Kondensat K vorgesehen.
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Die beiden durch eine Trennwand T1 fluiddicht separierten Auffangbecken A1, B1 sind selbstverständlich derart gestaltet, dass keine Vermischung des aufkonzentrierten Meerwassers M mit dem Kondensat K erfolgen kann. Ein Überlaufen des Meerwassers M bzw, des Kondensats K wird durch Medium-Ausgleichsleitungen L1, L3, L5, L7, L9 und Kondensat-Ausgleichsleitungen L2, L4, L6, L8, L10, welche im Innern der Röhrenwärmetauschervorrichtung 1 vorgesehen sind und welche nachstehend detaillierter beschrieben werden, verhindert. Das Material der Trennwand T1 sowie weiterer Trennwände T2–T6 sollte ein schlechter Wärmeleiter sein, z. B. ein Kunststoffrohr oder ein dünnes Doppelmetallrohr mit einem Luftspalt, um thermische Verluste des Meerwassers M zu verhindern.
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Die jeweiligen Außenoberflächen AP1, AP2, AP3, AP4, AP5 der Wärmetauscherröhren P1, P2, P3, P4, P5 werden analog zur Außenoberfläche OF der Heizeinrichtung H mit entsprechenden Verteilereinrichtungen V2, V3, V4, V5, V6 mit Meerwasser M von der Oberseite her berieselt. Die Verteilereinrichtungen V2–V6 entsprechen der Verteilereinrichtung V1, wobei sie nicht mit frischem Meerwasser gespeist werden, sondern aus dem Auffangbecken A1–A6, aus denen ein Teil des nicht verdampften Meerwassers M über eine jeweilige Rückführleitung, hier ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Rückführleitung RF4 gezeigt, zur jeweils zugehörigen Zuführungseinrichtung V2–V6 mittels einer zugehörigen Pumpe zurückgeführt wird, sodass der jeweilige Rieselfilm nicht abreißen kann.
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Die Wärmetauscherröhren P1–P6 weisen eine geringe Rohrdicke von typischerweise 0,5 bis 1 mm auf und bestehen beispielsweise aus eloxiertem Aluminium, wodurch die an einer jeweiligen Innenoberfläche IP1, IP2, IP3, IP4, IP5 aufgenommene Wärme effektiv zur jeweiligen Außenoberfläche AP1, AP2, AP3, AP4, AP5 geleitet werden kann.
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An der Unterseite der Räume R1, R2, R3, R4, R5 sind analog zum Innenraum R der innersten Wärmetauscherröhre P1 jeweilige weitere Auffangbecken A2–A6 für das an der jeweiligen Außenoberfläche AP1–AP5 hinunterlaufende nicht verdampfte Meerwasser und jeweilige weitere Auffangbecken B2–B6 für das an der jeweiligen Innenoberfläche IP2–IP6 hinunterlaufende Kondensat gebildet.
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Im vorliegenden Fall ist die Bildung der Auffangbecken A1–A6 bzw. B1–B6 dadurch realisiert, dass röhrenförmige Trennwände T1–T6 in die Räume R, R1, R2, R3, R4, R5 eingesetzt sind, welche an der Unterseite durch die Dichteinrichtung D1 abgedichtet sind, sodass die Auffangbecken A1–A6 und B1–B6 jeweils paarweise gegeneinander abgedichtet sind.
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Somit ist es möglich, dass sich der Verdampfungs-Kondensationsvorgang des Raumes R in den Räumen R1, R2, R3, R4, R5 wiederholt, wobei die Temperatur des Dampfes sequenziell sinkt. Ein immer kälter werdender Dampf D beansprucht bei gleichem Energiegehalt ein immer größer werdendes Volumen der Räume R, R1, R2, R3, R4, R5, was im vorliegenden Fall durch die Zylindersymmetrie automatisch erfolgt. Sollte dies nicht ausreichen, so können die Abstände D und D1–D5 von innen nach außen größer werdend vorgesehen werden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Erstreckung der Trennwände T1–T6 ausgehend von der unteren Endverschlussplatte E1 bzw. der Dichteinrichtung D1 ca. 30% der Länge der Wärmetauscherrohre P1–P6. Diese Höhe hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab und kann ggf. wesentlich größer sein, beispielsweise bis zu 80% der Länge der Wärmetauscherrohre P1–P6. Im Folgenden wird das bei der Ausführungsform vorgesehene Ausgleichsverfahren zwischen den Auffangbecken A1–A6 bzw. B1–B6 näher erläutert. Ein jeweiliges Auffangbecken für das nicht verdampfte Meerwasser M A1–A5 ist mit einer zugehörigen Medium-Ausgleichsleitung L1, L3, L5, L7, L9 mit einem nächstäußeren Auffangbecken für das nicht verdampfte Medium M verbunden. Dabei sind die Ausgleichsleitungen L1, L3, L5, L7, L9 als Steigleitungen ausgebildet, sodass sich ein Druckgleichgewicht in den Räumen R, R1, R2, R3, R4, R5 ausbilden kann. Ausgehend von dem äußersten Auffangbecken A6 für das nicht verdampfte Meerwasser M führt eine Medium-Abflussleitung RA nach außen.
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Analog zu den Medium-Ausgleichsleitungen L1, L3, L5, L7, L9 sind zwischen den benachbarten Auffangbecken B1–B6 für das Kondensat K Kondensat-Ausgleichsleitungen L2, L4, L6, L8, L10 vorgesehen, welche jeweils Auffangbecken für das Kondensat K benachbarter Räume in Form von Steigleitungen miteinander verbinden. Aus dem äußersten Auffangbecken B6 für das Kondensat K führt eine Kondensat-Abflussleitung DA nach außen.
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Somit stellt sich ebenfalls in den Auffangbecken B1–B6 ein Druckgleichgewicht ein, sodass diese Auffangbecken B1–B6 wie auch die Auffangbecken A1–A6 nicht zum Überlaufen gebracht werden können, und gleichzeitig wird das Kondensat K auf natürliche Weise unter Ausnutzung des statischen Drucks von Fluiden bis in den letzten Effekt und dann zur Kondensat-Abflussleitung DA gefördert.
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An der Außenoberfläche AP6 des äußersten Wärmetauscherrohres P6 ist eine Kühlung vorgesehen, wobei ein Kühlmedium K in einen Kanal fließt, der von der äußersten Wärmetauscherplatte P6 und der Außenwandröhre A0 gebildet wird. Bezugszeichen KE bezeichnet in diesem Zusammenhang einen Kühlmitteleinlass und Bezugszeichen KA einen Kühlmittelauslass.
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An der Innenoberfläche IP6 der äußersten Wärmetauscherröhre P6 kondensiert der Dampf D der letzten Stufe bzw. des letzten Effekts. Das Kühlmedium K muss die verbleibende im Dampf D enthaltene Energie aufnehmen. Durch diese Kühlung ist es möglich, das Temperaturgefälle über alle Effekte gleichmäßig zu halten, um so quasi ein selbststabilisierendes Gleichgewicht zu erzeugen.
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2 ist eine senkrechte schematische Querschnittsansicht analog zu 1a einer mehrstufigen Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist die Röhrenwärmetauschereinrichtung mit Bezugszeichen 1' bezeichnet, wobei eine im Vergleich zur ersten Ausführungsform geänderte Heizeinrichtung H' vorgesehen ist. Diese ist, anstelle blockförmig zu sein, röhrenförmig gestaltet. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der im Innern der röhrenförmig ausgestalteten Heizeinrichtung H' vorgesehene Hohlraum R0 ebenfalls zur Verdampfung des Meerwassers M beitragen kann. Mit anderen Worten ist die zur Dampferzeugung effektive Außenoberfläche OF' der Heizeinrichtung H' dadurch vergrößert. Analog zur ersten Ausführungsform kann die Verteilereinrichtung V1a, V1b bei diesem Beispiel durch zwei Schlauchringe gebildet werden, wobei der erste Schlauchring V1a im Raum R0 und der zweite Schlauchring V1b im Raum R1 an der Oberseite der Heizeinrichtung H' verläuft.
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3 ist eine senkrechte schematische Querschnittsansicht analog zu 1a einer mehrstufigen Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Röhrenwärmetauschereinrichtung mit Bezugszeichen 1'' bezeichnet, wobei eine weitere Modifikation für die Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche hier mit Bezugszeichen H'' bezeichnet ist. Die Heizeinrichtung H'' umfasst in diesem Fall einen Innenzulauf RE' für das Meerwasser M, welcher von außen gespeist wird. An der Oberseite der Heizeinrichtung H'' strömt das Meerwasser M aus und wird durch eine Verteilerplatte VT auf den Umfang der Heizeinrichtung H'' verteilt, sodass der besagte Flüssigkeitsfilm, welcher die Außenoberfläche OF'' hinabrieselt, gebildet werden kann.
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4 ist eine senkrechte schematische Querschnittsansicht analog zu 1a einer mehrstufigen Röhrenwärmetauschervorrichtung zur Entsalzung von Meerwasser gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der vierten Ausführungsform ist die Röhrenwärmetauschereinrichtung mit Bezugszeichen 1''' bezeichnet, wobei im Unterschied zur zweiten Ausführungsform eine andere Gestaltung der Trennwände T1'–T6' gewählt. Insbesondere verlaufen die Trennwände T1'–T6' ausgehend von der unteren Endverschlussplatte E1 bzw. der Dichteinrichtung D1 bis zur oberen Endverschlussplatte E2 über die gesamte Länge der Wärmetauscherrohre P1–P6. Zum Übertritt des Dampfes D ist ein Bereich mit Perforationen PF im oberen Bereich der Trennwände T1' bis T6' vorgesehen. Die Höhenerstreckung dieses Perforationsbereichs hängt wiederum von weiteren Parametern ab und ist für einen speziellen Konstruktionsaufbau optimierbar.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine zylindrische konzentrische Symmetrie der Wärmetauscherröhren bzw. der Außenwandröhre beschrieben wurde, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, sondern auch für polygonale oder sonstige Geometrien ineinander gesetzte Wärmetauscherröhren anwendbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die Entsalzung von Meerwasser beschränkt, sondern für beliebige Verdampfungs/Kondensationsprozesse anwendbar.
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Auch ist die Heizeinrichtung nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt. Beispielsweise kann auch ein Überlaufprinzip gewählt werden, wobei am oberen Ende der Heizeinrichtung ein Überlaufbecken, das am Umfang mit geeigneten Durchflussöffnungen versehen ist, vorgesehen ist, welches den Flüssigkeitsfilm gleichmäßig durch diese Öffnungen bzw. durch Überlaufen über die Aussenkante auf die Außenoberfläche der Heizeinrichtung verteilt.
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Weiterhin ist die Anzahl der Stufen bzw. Effekte selbstverständlich je nach Anforderung variierbar.
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Die Trennwände könnten auch im oberen Überströmbereich für den Dampf mit verschiebbaren Kulissen versehen sein, so dass die jeweilige Trennhöhe und der Überströmfluß variabel und den Anforderungen entsprechend anpassbar sind. Der Perforationsbereich entfällt somit und wird durch den Kulissenbereich ersetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009038836 A1 [0007, 0011, 0049]
- DE 19603380 C2 [0012]
- DE 3010042 [0013]
