-
Verfahren und Apparatur zur Wiedergewinnung der Kondensationswärme
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Apparatur zur Wiedergewinnung
der Kondensationswärme eines aus wenigstens einem nicht kondensierbaren Gas, wenigstens
einem Dampf und gegebenenfalls wenigstens einer Flüssigkeit gebildeten Gemisches
(kondensierendes Gemisch) unter Anwendung eines Gemisches aus Fließstoffen (wiedergewinnendes
Gemisch) im Gegenstrom, wobei das kondensierende und das wiedergewinnende Gemisch
zusammen im Wärmeaustausch stehen.
-
In einem Gemisch, das aus Gas, Dampf und Flüssigkeit besteht, bedingt,
unter der Voraussetzung, daß der Dampf immer gesättigt ist, eine Änderung der Temperatur
oder des Gesamtdruckes eine Änderung der Zusammensetzung des gasförmigen Anteils
des Gemisches, d. h. des 1folv erhältnisses Gas zu Dampf. Insbesondere beim Abkühlen
des Gemisches nimmt der Dampfgehalt durch Kondensation ab, beim Erwärmen hingegen
nimmt der Dampfgehalt durch Verdampfung der Flüssigkeit zu.
-
Die Enthalpie des Gemisches, bei einer Temperatur t und einem
Druck p, bezogen auf einen beliebigen Zustand (to, po), hängt .somit, außer
von der spezifischen Wärme der einzelnen Komponenten, von der Verdampfungswärme
der Flüssigkeit bei der Temperatur t, vom Gesamtdruck p und von der Dampfspannung
der Flüssigkeit bei der Temperatur t ab. Da die Dampfspannung sich im allgemeinen
mit der Temperatur nach einem nichtlinearen Gesetz ändert, weicht der temperaturabhängige
Enthalpieverlauf eines derartigen Gemisches, bei umwesentlicher Änderung des Gesamtdruckes
(p nahezu po) manchmal auch stark vom linearen Verlauf ab.
-
Es ist daher im allgemeinen nicht möglich, mit einem einzigen Fließstoff
einen Enthalpieverlauf zu erreichen, der dem des in Frage kommenden Gemisches im
gleichen Temperaturbereich entspricht.
-
Dies gilt auch für aus mehr als einem Gas oder mehr als einem Dampf,
mit den entsprechenden Flüssigkeiten, bestehende Gemische.
-
Bei herkömmlichen Dampfkesselarnlagen ist es bekannt, zur Rückgewinnung
der Wärme, d. h. zur besseren Wärmeausnutzung, mehrere Flüssigkeitskreisläufe hintereinander
vorzusehen. Dabei ist ein in dem einen Kreislauf befindlicher Kondensator jeweils
im Kessel des nachgeordneten Kreislaufes angeordnet, um die in diesem Kessel befindliche,
einen, verglichen mit der Flüssigkeit des v orgeordneten Kreislaufes, geringeren
Siedepunkt aufweisende Flüssigkeit zu erhitzen. Bei dem Verfahren nach der Erfindung
handelt es sich, wie eingangs bereits angegeben, aber um die Wiadergewinnung der
Kondensationswärme eines aus wenigstens einem nicht konrndensierbaren Gas, wenigstens
einem Dampf und gegebenenfalls wenigstens einer Flüssigkeit gebildeten Gemisches
(kondensierendes Gemisch) unter Anwendung eines Gemisches aus Fließstoffen (wiedergewinnendes
Gemisch) im Gegenstrom, wobei das kondensierende und das wiedergewinnende Gemisch
zusammen im Wärmeaustausch stehen.
-
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Gemisch
aus Fließstoffen verwendet wird, das eine derartige Veränderung der Zusammensetzung
und demzufolge der spezifischen Wärme des wiedergewinnenden Gemisches während des
Wärmeaustausches herbeiführt, daß der temperaturabhängige Enthalpieverlauf ,des
wiedergewinnenden Gemisches während des Wärmeaustausches dem Verlauf der Enthalpie
des kondensierenden Gemisches gleich ist. Bei einem bekannten Verfahren ist zur
Rückgewinnung der Wärme zwischen den Dampfräumen über der zu verdampfenden Flüssigkeit
und über der zu verdichtenden eine Verbindung vorgesehen. Die Oberfläche, .durch
die die Wärme ausgestauscht wird, besitzt dabei eine von Punkt zu Punkt veränderliche
Temperatur. Demgegenüber ist nach der Erfindung der Wärmeinhalt der beiden Gemische
(des kondensierenden und des wiederäewinnenden Gemisches) sowie deren Temperatur
aufeinander abgestimmt, daß entlang der Austauschfläche zwischen den beiden im Gegenstrom
fließendenGemischen möglichst konstante
Temperatursprünge vorhanden
sind. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem kondensierbaren Gemisch ein
oder mehrere nichtkondensierbare Gase enthalten sind, betrifft dieses Verfahren
auch nur einen bei einem hohen Nutzeffekt ablaufenden Vorgang zur Rückgewinnung
der Verdichtungswärme eines Bestandteiles (Dampf) einer gasförmigen Mischung und
nicht zur Nutzbarmachung der in einem Dampf enthaltenen Kondensationswärme im allgemeinen,
um mit ihr. was aus zahlreichen Industrieverfahren bekannt ist, Dampf derselben
oder einer anderen Art zu erzeugen.
-
Bei -dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das wiedergewinnende Gemisch
beispielsweise aus wenigstens einem Gas und wenigstens einer Flüssigkeit gebildet
sein.
-
Die Änderung der Zusammensetzung des wiedergewinnenden Gemisches wird
in diesem Fall durch Phasenänderung (Verdampfung) von wenigstens einer der das Gemisch
bildenden flüssigen Substanzen erreicht.
-
In der Praxis wird diese Phasenänderung durch Erwärmung des wiedergewinnenden
Gemisches während des Wärmeaustausches mit dem kondensierenden Gemisch erzielt.
-
Ein Fall von besonderem Interesse liegt vor, wenn das wiedergewinnende
Gemisch aus den gleichen Substanzen wie das kondensierende Gemisch besteht. In diesem
Fall benutzt man die wiaadergewonnene Wärme, um. ein Gemisch zu bilden, das aus
.den gleichen Bestandteilen besteht und die gleichen Kennzeichen besitzt wie das
kondensierende Gemisch v or dem Wärmeaustausch.
-
Ein Beispiel der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung betrifft
den isotopischen Deuteriumaustausch zwischen Wasserstoff und Wasserdampf. Der gasförmige
Wasserstoff, der einen kleinen Deuteriumanteil enthält und mit Wasser zusammen vorhanden
ist, wird mit dem aus dem Wasser entstehenden Wasserdampf bis zu einer erheblichen
Verminiderung der Wassermenge gesättigt. Der Wassergehalt des verdunstenden Gemisches
wird somit geringer, wogegen der Dampfgehalt größer wird. Der übrige Wasseranteil
wird durch äußere Mittel verdunstet. Das Dampf-Wasserstoff-Gemisch, das kein in
flüssigem Zustand befindliches Wasser mehr enthält, fließt über einen Katalysator,
auf dem der Durchgang des Deuteriums vom Wasserstoff zum Wasserdampf erfolgt. Ein
solches im Gegenstrom zum verdunstenden Gemisch fließendes Gemisch liefert dem verdunstenden
Gemisch durch Kondensation eines großen Wasserdampfanteils, der somit wieder in
den flüssigen Zustand übergeht, einen erheblichen Teil der von diesem Gemisch benötigten
Wärme.
-
Eine Ausführungsform der Apparatur zur Wiedergewinnung der Kondensationswärme
gemäß dem Verfahren nach der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt,
und zwar zeigt Fig.1 im Schnitt einen Wärmeaustawscher zur Ausführung des Verfahrens,
Fig.2 eine Einzelheit des unteren Teils der Vorrichtung laut Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab und Fig. 3 im Schnitt eine Einzelheit des Austauscherä nach einer Ausführungsvariante.
-
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 bezeichnet A den Außenkörper des
Austauschers mit den Rohrplatten 1 und 2, die die Enden der parallelen Rohre 3 aufnehmen.
Oben münden die Rohre des Rohrbündels in die mit der Austragsleitung 5 des wiedergewinnenden
Gemisches versehene Kammer 4. Unten münden die Rohre 3 in die mit der Zuflußleitung
7 für das kalte Gas versehene Kammer 6.
-
Die unteren Enden der Rohre 3 stehen auch durch ihre Fenster 8 mit
der Kammer 9 in Verbindung, die durch einen Zwischenraum zwischen der Platte 2 und
der ihr parallelen Platte 10 gebildet ist, wobei letztere durch ihren rundum laufenden
Rand ebenfalls mit der AußenwandungA des Austauschers verbunden ist. Die Kammer
9 weist eine Leitung 11 zum Zufluß der kalten Flüssigkeit des wiedergewinnenden
Gemisches auf.
-
Die Außenwandung A weist eine obere Leitung 12 zur Einleitung des
kondensierenden Gas-Dampf-Gemisches auf, das außen die Rohre 3 bestreicht und seine
Wärme an das wiedergewinnende Gemisch abgibt, das im Rohrinnern im Gegenstrom zum
kondensierenden Gemisch strömt. Über die untere Leitung 13 ,der Außenwandung tritt
das kondensierende Gemisch aus und wird durch einen Kondensatabscheider B geleitet.
Aus dem Abscheider B wird über die Leitung 14 die Flüssigkeit und über die Leitung
15 das nicht kondensierbare Gas und der nicht kondensierte Dampf weitergeleitet.
-
Das über 7 eingeleitete Gas strömt axial durch die Rohre 3 hindurch
und reißt die durch die Fenster 8 tretende Flüssigkeit mit sich, die sogleich danach
trachtet, sich filmartig längs der Rohrwände anzulegen. Während der Strömung erfolgt
der Wärmeaustausch. Das längs der Außenwand der Rohre 3 strömende Gemisch kondensiert
und die im Innern der Rohre 3 .strömende Flüssigkeit verdampft, so daß die vorbeschriebenen
thermodynamischenBedingungen erfüllt werden. Das gebildete Gas-Dampf-Gemisch tritt
aus der Leitung 5 aus, während die Leitung 16 der Kammer 4 dazu vorgesehen ist,
die gegebenenfalls während des Wärmeaustausches nicht verdampfte Flüssigkeit abfließen
zu lassen.
-
Im Beispiel nach Fig. 3 haben die Teile, die den bereits beschriebenen
entsprechen, die gleichen Bezugszeichen. Der untere Sammler 9' ist in diesem Fall
aus demBoden derAußenwandungA' und derPlatte2' gebildet. In die Kammer 9' wird das
wiedergewinnende Gemisch - Gas und kalte Flüssigkeit - eingeleitet. Der Flüssigkeitsspiegel
ist niedriger als das untere Ende der Rohre 3'. In den oberen Teil wird kaltes Gas
eingeleitet. Dieses tritt in die Rohre 3' ein und reißt durch Unterdruck über wenigstens
ein kleines Hilfsrohr 17 - -bei geschlossenem Ende -mit welcher jedes Rohr 3' versehen
ist, die Flüssigkeit mit sich, in die dasHilfsrohr mit seinem unterenEnde eintaucht.
Die Hilfsleitung weist in verschiedener Höhe radiale Bohrungen auf, durch die die
Flüssigkeit eintritt, und ist mit ihrem oberen Teil im Ende des Rohres 3' eingefügt.
Die angesaugte Flüssigkeit tritt aus der radialen Bohrung 19 :der Hilfsleitung 17
aus und bestreicht die Wand des Rohres 3', auf der sie sich filmartig verteilt und
vom Gas wie in der Einrichtung der vorbeschriebenenFiguren nach oben mitgenommen
wird.