DE1444340C3

DE1444340C3 - Verwendung eines Wärmeaustauscherelements mit gewellter Wand für eine Salzwasserd estilliereinrichtung

Info

Publication number: DE1444340C3
Application number: DE1444340A
Authority: DE
Inventors: Gunther Ernst Burlington Diedrich; Charles William South Burlington Lotz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-06-28
Filing date: 1963-12-19
Publication date: 1975-09-25
Also published as: DE1444340B2; DE1444340A1; US3291704A; NL6404273A; CH431456A

Description

Bei der Herstellung von Süßwasser aus Salzwasser durch Destillation besteht eines der schwierigsten Probleme darin, die Flächen (Verdampferflächen), an denen das Salzwasser verdampft wird, funktionsfähig, insbesondere frei von Niederschlägen und Verkrustungen, zu halten.

Aus der FR-PS 1 245 284 ist bereits eine Meerwasserdestilliereinrichtung bekannt, die ein rohrförmiges Wärmeaustauscherelement aus gut wärmeleitendem Material enthält, dessen äußere Dampfkondensationsfläche axiale, wellige Rillen aufweist, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Die Innenseite, von der das Meerwasser verdampft, ist glatt und wird von einer konzentrischen Abstreiferanordnung mit leistenförmigen Abstreifern überstrichen, die eine dünne Salzwasserschicht erzeugen sollen. Die mechanische Abstreiferanordnung benötigt zusätzliche Energie und ist wartungsintensiv sowie störanfällig.

Es ist fener aus der CH-PS 269 613 ein Wärmeaustauscher bekanntgeworden, bei dem Betriebsverhältnisse verwirklicht werden sollen, die, was die Güte des Wärmeüberganges anbetrifft, denen bei Tropfenkondensation nahekommen. Die Wärmeübergangszahlen bei Tropfenkondensation sind nämlich um ein Vielfaches größer als bei Hautkondensation. Diese Veröffentlichung befaßt sich also, wie die erstgenannte französische Patentschrift, mit der Kondensationsseite einer Wärmeaustauschwand. Die Wärmeaustauschwand kann jedoch aus einem Wellblech bestehen, so daß dann auch die Verdampferseite gewellt ist. Die Form der Wellen auf der Verdampferseite ist dann aber ausschließlich durch Überlegungen bestimmt, die die Kondensatseite betreffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Salzwasserdestilliereinrichtung zu schaffen, deren Wärmetauscher einen hohen Wirkungsgrad hat und praktisch nicht zu Verschmutzungen neigt, so daß die Betriebs- und Wartungskosten klein sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die Verwendung eines Wärmeaustauscherelements mit gewellter Wand für eine Destilliereinrichtung zur Bereitung von destilliertem Wasser aus Salzwasser, wobei die Abstände zweier Erhebungen auf der Verdampferseite der Wand im Bereich von etwa 1,27 bis 12,7 mm, ihre Höhe im Bereich von etwa 1,27 bis 6,35 mm und das Verhältnis zwischen der Länge der Wand zur Höhe der Erhebungen zwischen etwa 50 :1 und 5000 :1 liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer gewellten Wärmeaustauscherwand, deren Wellenabstände verhältnismäßig gering sind, ergeben sich hohe Verdampfungsleistungen, da die Oberflächenspannung

ίο das zu destillierende Salzwasser in die Vertiefungen zu ziehen strebt und auf den Erhöhungen daher eine dünne Schicht gebildet wird, von der aus das Wasser rasch verdampft. Unerwarteterweise tritt hierbei jedoch keine Verkrustung der Erhöhungen ein, da Destillat aus den Vertiefungen herausspritzt, das die dünne Schicht auf den Erhöhungen laufend erneuert und die Bildung von Krusten verhindert.

Weiterbildungen und Ausgestaltgungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte isometrische Darstellung einer Ausführungsform einer Wärmeaustausclierwand, wie sie erfindungsgemäß für eine Salzwasserdestilliereinrichtung verwendet werden kann,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Wärmeaustauscherwand, wie sie erfindungsgemäß zur Salzwasserdestillation verwendet werden kann, und

F i g. 3 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht einer Salzwasserdestilliereinrichtung, in der eine Wärmeaustauscherwand der in F i g. 1 und 2 dargestellten Art verwendet werden kann.

F i g. 1 zeigt ein Wärmeaustauscherelement in Form einer Wand 10, die eine Reihe von länglichen parallelen Vorsprüngen aufweist. Die Vorsprünge haben Abmessungen, daß sie leicht mittels eines Form- oder Preßwerkzeuges oder durch Walzen hergestellt werden können. Die Wand besteht aus einem Werkstoff, der von der zu destillierenden Flüssigkeit benetzt wird oder an dem die zu destillierende Flüssigkeit haftet, gleichzeitig sollte jedoch die Oberflächenspannung der zu destillierenden Flüssigkeit diese in die Vertiefunqen zwischen den Vorsprüngen ziehen. Hierdurch wird erreicht, daß sich die zu destillierende Flüssigkeit in Form einer sehr dünnen Schicht über die Oberfläche der Vorsprünge verteilt. Diese Schicht wird beim Verdampfen dauernd erneuert, indem Destillat aus den Vertiefungen herausspritzt.

Die Länge der Wand und die Geschwindigkeit, mit der die zu destillierende Flüssigkeit zugeführt wird, werden so bemessen, daß aus der Flüssigkeit kein Salz ausfällt.

In Fig. 1 und 2 sind die parallelen Vorsprünge mit 12 und die dazwischenliegenden Vertiefungen mit 14 bezeichnet.

Die eine Oberfläche der Wand 10, beispielsweise die Vorderfläche 16, kann als Verdampfungsfläche dienen, während die rückwärtige Oberfläche 18 als Kondensationsfläche arbeitet.

- In der Praxis kann die zu destillierende Flüssigkeit der Verdampfungsfläche 16 in der Nähe ihres oberen Endes zugeführt werden, so daß sie unter der Wirkung der Schwerkraft nach unten strömt. Wenn bei der Konstruktion der Fläche bestimmte Verhältnisse und bestimmte Abmessungen eingehalten werden, zeigt es sich, daß ciie zu destillierende Flüssigkeit

nicht gleichmäßig über die gesamte Oberfläche herabfließt, sondern sich vielmehr in den Vertiefungen 14 sammelt, während auf den Erhöhungen oder Vorsprüngen 12 nur eine sehr dünne Schicht der zu destillierenden Flüssigkeit verbleibt.

Der rückwärtigen Oberflächfe?lSi|der Wärme übertragenden Wand 10 wird genügend Wärme zugeführt, um die Temperatur der zu destillierenden Flüssigkeit so weit zu erhöhen, daß die Flüssigkeit in den Vertiefungen 14 zu kochen beginnt, wie F i g. 2 zeigt. Anfänglich fließt die angesammelte, zu destillierende Flüssigkeit längs den Vertiefungen 14 nach unten, wie im Teil A der F i g. 2 dargestellt ist. Es bildet sich dann eine Dampfblase, wie der Teil B zeigt, die schließlich in C platzt, so daß die zu destillierende Flüssigkeit als dünne Schicht über die benachbarten Vorsprünge 12 verspritzt wird. Dieser Effekt tritt in den Vertiefungen 14 der ganzen Verdampfungsfläche mit statistischer Verteilung dauernd auf.

Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß die maximale Verdampfungsgeschwindigkeit auf den Vorsprüngen 12 herrscht, da sich auf diesem Teil der Oberfläche nur eine sehr dünne Schicht der zu destillierenden Flüssigkeit befindet. Das Kochen innerhalb der Vertiefungen 14 zeigt an, daß auch zu diesen Teilen der Verdampfungsfläche 16 genügend Wärme gelangt.

Wenn die erforderliche Wärmemenge dadurch gewonnen wird, daß man die rückwärtige Fläche der Wärme übertragenden Wand 10 zur Kondensation von Dampf verwendet, wird man feststellen, daß das Kondensat dazu neigt, sich in den Vertiefungen 14 zu sammeln, wodurch d?e Vorsprünge 12 für das Kondensieren neuen Dampfes freigemacht und der Wärmewiderstand der Kondensationsfläche im ganzen gesehen niedrig wird.

Das Kondensat fließt unter der Wirkung der Schwerkraft längs der Vertiefungen 14 abwärts und kann unten an der Wand gesammelt werden.

F i g. 3 zeigt einen Salzwasser-Destillationsapparat, in dem Wärme übertragende Wände gemäß der Erfindung verwendet werden können. Der Apparat enthält eine Kammer 20, die mit Wärmeübertragungswänden 22, 24 gemäß der Erfindung in drei Abteile 26, 28, 30 unterteilt ist. In das Abteil 26 wird über ein Einlaßrohr 32 Dampf eingeleitet, beispielsweise aus einem Boiler oder der Abdampf einer Turbine usw., so daß die linke oder Kondensationsfläche der Wärme übertragenden Wand 22 auf eine Temperatur Z₁ erhitzt wird. Infolge der Wärmeübertragung vom Dampf auf die Wand 22 kondensiert der Dampf auf dieser Oberfläche, und das Kondensat fließt in den Vertiefungen in der beschriebenen Weise längs der Kondensationsfläche nach unten. Das Kondensat wird aus dem Abteil 26 durch ein Auslaßrohr 34 abgezogen.

Salzwasser oder eine andere zu destillierende Flüssigkeit wird über ein Einlaßrohr 36 in das Abteil 28 eingeleitet. Um die zu destillierende Flüssigkeit möglichst gleichmäßig über die gesamte Breite der rechten oder Verdampfungsfläche der Wärme übertragenden Wand 22 zu verteilen, ist oben an dieser Fläche ein Ablenkblech 38 angebracht. Die zu destillierende Flüssigkeit wird vorzugsweise in einer solchen Menge pro Zeiteinheit zugeführt, daß sie die Vertiefungen der Verdampfungsfläche füllt, ohne die Scheitel der Vorsprünge zu bedecken, so daß die oben erwähnten Vorteile der Erfindung wirksam werden können. Die zu destillierende Flüssigkeit wird in das Abteil 28 mit einer Temperatur L₂ eingeleitet, die niedriger ist, als die Temperatur t_v Wegen dieser Temperaturdifferenz geht daher Wärme durch die Wand 22 auf die zu destillierende Flüssigkeit über. Ein Teil der zu destillierenden Flüssigkeit verdampft, während der Überschuß längs der Wand 22 nach unten fließt und als konzentrierte Salzlösung oder Sole durch ein Auslaßrohr 40 abgezogen wird. Etwa 75% der zugeführten zu destillierenden Flüssigkeit können mit Sicherheit verdampft werden, ohne daß ein Ausfallen von Salz in der Sole zu befruchten ist. Die bei der Verdampfung entstehenden Dämpfe füllen das Abteil 28 und treffen auf die linke oder Kondensationsfläche der Wärme übertragenden Wand 24 auf. Die Dämpfe geben an diese Wand 24 Wärme ab und kondensieren daher, das Destillat fließt längs der Kondensationsfläche der Wand dann nach unten. Zum Abziehen des Destillates, also des Frischwasser, aus dem Abteil 28 dient ein Auslaßrohr 42. Eine Trennwand 44, die ein Stück in das Abteil 28 hineinreicht, verhindert, daß sich das Destillat mit der überschüssigen Destillationsflüssigkeit mischt. Die auf der Kondensajionsfläche der Wärme übertragenden Wand 24 kondensierenden Dämpfe erhitzen diese auf eine Temperatur i₃. Die rechte Seite dieser Wand wird auf eine unterhalb der Temperatur i₃ liegenden Temperatur I₁ durch kaltes Salzwasser gekühlt, das in das Abteil 30 durch ein Einlaßrohr 46 eingeleitet und über die rechte Oberfläche der Wand 24 durch ein Ablenkblech 48 verteilt wird. Das kalte Salzwasser wird beim Herabrinnen längs dieser Oberfläche erwärmt und durch ein Auslaßrohr 50 abgezogen. Das erwärmte Salzwasser kann dann dem Einlaßrohr 36 zugeführt werden.

Es war oben bereits angedeutet worden, daß bestimmte Abmessungen und Proportionen der Wärme übertragenden Wand 10 in F i g. 1 eingehalten werden müssen, um die Vorteile der Erfindung erreichen zu können. Diese Bemessungsregeln sollen nun an Hand von F i g. 1 angegeben werden. Hier bedeutet H die Höhe eines Vorsprunges, gemessen vom Grund der Vertiefungen bis zur Spitze; P bedeutet die Teilung oder den Abstand zwischen entsprechenden Punkten benachbarter Vorsprünge; T bedeutet die Stärke der Wärmeübertragungswanc und L bedeutet die Länge der Wand.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wurde ein Kupferblech einer Stärke T von etwa 1 mm so gewellt, daß sich eine Höhe H von etwa 1,58 mm und eine Steigung P von etwa 3,18 mm ergab. Bei einer Länge L von etwa 137,5 cm betrug die mittlere Temperaturdifferenz zwischen der Kondensierungsfiäche 18 und der Verdampfungsfläche 16 über diese Länge etwa 5,5° C.

Im allgemeinen kann die Höhe H zwischen etwa 1,27 und 12,7 mm liegen. Die Stärke T sollte wie bei jeder Wärme übertragenden Wand möglichst gering sein. Wenn die Stärke festliegt, können die Höhe und die Teilung durch die folgenden Näherungsformeln bestimmt werden:

H = 2T,

P = 4Γ.

Zusätzlich kann man die Länge L in Abhängigkeit von der Höhe H in einem Verhältnis von 50 : 1 bis 5000: 1 wählen. Die im speziellen gewählte Länge L wird durch die Arbeitsbedingungen des Destillier-

apparates bestimmt, in dem die Wand verwendet werden soll. Da die verdampfende Wärmeübertragungsfläche 16 nur dann in der beschriebenen Weise arbeitet, wenn sich die zu destillierende Flüssigkeit in den Vertiefungen 14 sammelt und die Kuppen der Vorsprünge 12 verhältnismäßig trocken läßt, soll die Flüssigkeit dem oberen Ende der Oberfläche 16 mit einer solchen Rate zugeführt werden, daß dies gewährleistet ist. Es ist einleuchtend, daß beim Herabfließen der zu destillierenden Flüssigkeit mehr und mehr von dieser abdampft und daß dann schließlich die Fläche 16 unter Umständen vollständig trocken wird. Dies ist jedoch nicht erwünscht, da sich dann auf dieser Fläche ein Salzrückstand bilden würde. Die Verdampfungsgeschwindigkeit nimmt mit der Temperaturdifferenz zwischen der Kondensationsfläche 18 und der Verdampfungsfläche 16 zu, vorausgesetzt, daß die Drücke, unter denen diese Vorgänge ablaufen, nicht verändert werden. Ist diese Temperaturdifferenz groß, so wird man eine kleinere Länge wählen, während die Länge bei kleiner Temperaturdifferenz erhöht werden sollte. Die Länge der Wand soll möglichst nicht so groß werden, daß die zu destillierende Flüssigkeit auf der Kondensationsfläche die Vertiefungen völlig ausfüllt und nicht von den Vorsprüngen abfließen kann, um diese wieder für eine Kondensation neuen Dampfes frei zu machen.

Die Destillation ist zwar schon ein sehr altes Verfahren, man hat sie aber bisher nur in sehr beschränktem Maße zur Destillation von Salzwasser angewendet. Das Haupthindernis hierfür sind die hohen Kosten. In erster Linie sind dabei die Anlagenkosten und die Betriebskosten in Rechnung zu stellen. Beide können durch die vorliegende Erfindung beträchtlich gesenkt werden. Kupferblech ist ohne weiteres verfügbar und leicht zu bearbeiten, es hat außerdem eine Wärmeleitfähigkeit, die besser ist, als die der meisten anderen Werkstoffe. Kupferblech kann durch ein einfaches Form- oder Walzwerkzeug in die erfindungsgemäße gewellte Form gebracht werden, kostspielige spanabhebende Bearbeitungsverfahren u. dgl. sind nicht erforderlich. Der Grund hierfür liegt darin, daß die erforderlichen Abmessungen weder besonders klein noch mit engen Toleranzen behaftet sind. Aus den gleichen Gründen kann auch die zur Herstellung verwendete Matrize so lange benutzt werden, wie die Abmessungen des Produktes innerhalb der angegebenen Grenzen liegen.

Die Betriebskosten jedes Gerätes, bei welchem Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen wird, können dadurch erhöht werden, daß man die Rate Q der Wärmeübertragung erhöht. Diese Rate läßt sich beim Falle der Wärmeleitung durch eine Wand folgendermaßen ausdrücken:

Q[kcalh-im-2] =

Der Faktor (J₁-J₂) ist die Differenz zwischen den Temperaturen auf Sen gegenüberliegenden Seiten der Wand, und R_n, ist der Widerstand, den die Wand dem Wärmefluß entgegensetzt. Es ist ersichtlich, daß Q mit abnehmendem Wärmewiderstand R_w steigt. Da sowohl die Verdampfung als auch die Kondensation an der Oberfläche erfolgt, gleichgültig wie dick die Flüssigkeitsschicht auf der Wand ist, muß die Wärme von der Oberfläche der kondensierenden Flüssigkeit

ίο durch die Flüssigkeitsschicht auf die Wand übertragen werden. Nachdem die Wärmeenergie die Wand durchströmt hat, muß sie noch durch die Schicht der verdampfenden Flüssigkeit bis zu deren Oberfläche strömen, von der aus die Moleküle abdampfen.

Die oben angegebene Formel ist daher in der folgenden Weise abzuändern:

Q-

R_c + R_w + R_e

⁰C hm² kcal*

dabei bedeuten R_c und R_e die Wärmewiderstände der Schicht aus der kondensierenden' Flüssigkeit bzw. der Schicht aus der verdampfenden Flüssigkeit. Die Bedeutung des Einflusses dieser Flüssigkeitsschichten wird klar, wenn man die Wärmeileitfähigkeit einer Kupferwand allein und einer Wand mit zwei etwa 1,59 mm dicken Wasserschichten betrachtet. Bei einer Temperaturdifferenz von etwa 5,5° C und einer 0,8 mm starken Kupferwand ist Q etwa gleich 56 kcal Hi-²S-¹ (8,57· 10⁵Btu/hrft²). Mit den beiden etwa 1,6 mm starken Wasserschichten ist dagegen Q nur noch etwa 2,4 · IO2 kcal nr^s"¹ (3,62 · 10² Btu/hr ft²).

Mit anderen Worten gesagt, ist die Wärmeleitfähigkeit der Kupferwand allein über zweitausendmal größer.

Bei der in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Wand gemäß der Erfindung ergaben Messungen, daß eine Wärmeübergangsgeschwindigkeit von etwa 13kcalm-²s-! (3,30 · 10⁴ Btu/hr ft²) erreicht werden konnte. Es ist ersichtlich, daß die Wärmeübergangsrate um etwa das Hundertfache gegenüber derjenigen mit den etwa 1,6 mm starken Wasserschichten erreicht werden konnte.

Die Wärme übertragende Wand gemäß der Erfindung wird zwar vorzugsweise durch eine wellenartige Verformung eines dünnen Metallbleches hergestellt, in manchen anderen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, ein stärkeres Material zu verwenden und die Erhöhungen oder Vorsprünge auf andere Weise zu bilden. In diesem Fall müssen dann die Vorsprünge der einen Seite nicht notwendigerweise gleich Vertiefungen auf der anderen Seite entsprechen. Unter Umständen können die durch die Erfindung angegebenen Verdampfungs- und Kondensationsflächen auch für sich alleine verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Wärmeaustauscherelementes mit gewellter Wand für eine Destilliereinrichtung zur Bereitung von destilliertem Wasser aus Salzwasser, wobei die Abstände (P) zweier Erhebungen auf der Verdampferseite der Wand im Bereich von etwa 1,27 bis 12,7 mm, ihre Höhe (H) im Bereich von etwa 1,27 bis 6,35 mm und das Verhältnis der Länge (L) der Wand zur Höhe (H) der Erhebungen zwischen etwa 50 : 1 und 5000 :1 liegen.

2. Verwendung eines Wärmeaustauscherelements nach Anspruch 1, wobei der Abstand (P) gleich dem Vierfachen und die Höhe (H) der Erhebungen gleich dem Doppelten der Dicke (T) der Wand sind.

3. Verwendung eines Wärmeaustauscherelements nach Anspruch 1 oder 2, das aus einem gewellten Kupferblech besteht, dessen Dicke (T) zwischen etwa 0,63 und 3,2 mm liegt.