DE1501567A1

DE1501567A1 - Method and device for indirect heat exchange between liquids

Info

Publication number: DE1501567A1
Application number: DE19661501567
Authority: DE
Inventors: Fritz Jakob
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1966-08-22
Filing date: 1966-08-22
Publication date: 1970-01-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch zwischen mindestens zwei Flüssigkeiten, wobei die Flüssigkeiten kontinuierlich mit einem Wärmeübertragungsmittel in Berührung gebracht werden.The invention relates to a method and the associated device for indirect heat exchange between at least two liquids, the liquids being continuously brought into contact with a heat transfer medium.

Diese Verfahren sind bekannt und bilden die Grundlage der Wärmeübertragungstechnik. Gewöhnlich strömen die Flüssigkeiten, zwischen denen Wärme ausgetauscht werden soll, über stationäre Austauschflächen. So zu verfahren ist aber dann nachteilig, wenn sich durch Temperaturänderung oder Eindampfung der miteinander in Wärmeaustausch stehenden Flüssigkeiten ein Niederschlag von Stoffen auf den Heizflächen bildet, die in den Flüssigkeiten in gelöstem oder ungelöstem Zustand mitgeführt werden und die Heizflächen verkrusten. Dies ist beispielsweise bei der Anwärmung und Verdampfung von Meerwasser der Fall.These processes are known and form the basis of heat transfer technology. The liquids between which heat is to be exchanged usually flow over stationary exchange surfaces. However, this procedure is disadvantageous if a precipitate forms as a result of a change in temperature or evaporation of the liquids exchanging heat with one another forms of substances on the heating surfaces, which are carried along in the liquids in a dissolved or undissolved state and encrust on the heating surfaces. This is the case, for example, with the heating and evaporation of sea water.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist bekannt, den Wärmeaustausch nicht an festen und stationären Heizflächen, sondern an flüssigen Wärmeüberträgern zu vollziehen, die in direkte Berührung mit den Flüssigkeiten gebracht werden. So wird beispielsweise bei einem der Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser die Wärme des hergestellten Süßwassers direkt an ein Übertragungsöl abgegeben, das in das kältere Meerwasser eingeführt wird und dadurch die aufgenommene Wärme an das Meerwasser abführt. Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass das Übertragungsöl nur schwierig von dem Süßwasser vollkommen getrennt werden kann und dieses somit in unerwünschter Weise beeinflusst.In order to avoid these disadvantages, it is known not to carry out the heat exchange on fixed and stationary heating surfaces, but on liquid heat exchangers which are brought into direct contact with the liquids. For example, in one of the processes for desalination of sea water, the heat of the fresh water produced is transferred directly to a transfer oil, which is introduced into the colder sea water and thereby dissipates the absorbed heat to the sea water. However, this known method has the disadvantage that the transmission oil can only be completely separated from the fresh water with difficulty and thus affects it in an undesirable manner.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, diese Nachteile zu beseitigen und den indirekten Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten in vorteilhafter Weise zu ermöglichen. Dies geschieht dadurch, dass als Wärmeübertragungsmittel eine feste, instationäre, Wärme speichernde Masse verwendet wird.The invention has set itself the task of eliminating these disadvantages and enabling the indirect heat exchange between liquids in an advantageous manner. This is done by using a solid, unsteady, heat-storing mass as the heat transfer medium.

Bei dem neuartigen Verfahren ist somit die Wärmeübertragungsfläche für die Flüssigkeiten die Oberfläche einer instationären, die zu übertragende Wärme speichernde, feste Masse, die hintereinander mit den verschiedenen Flüssigkeiten in Berührung gebracht wird, wodurch diese entweder Wärme abgeben oder aufnehmen. Sie kann im Kreislauf durch Behälter geführt werden, wobei nach dem Durchlaufen des letzten Behälters der Behälterreihe die Rückförderung der Masse in den ersten Behälter mit Hilfe irgendeines bekannten Förderwerkes erfolgen kann, aber auch durch eine hydrodynamische Förderung. Im letzteren Fall wird zweckmäßigerweise einem oberhalb des ersten Behälters angeordneten Abscheider, in dem sich das geförderte Gut, d.h. die Speichermasse, von der Förderflüssigkeit wieder trennt, Förderflüssigkeit entnommen und über eine Pumpe, beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Mischdüse, in das aus dem letzten Behälter austretende Fördergut eingeleitet.In the novel process, the heat transfer surface for the liquids is the surface of an unsteady, the solid mass to be transferred that stores heat and is brought into contact with the various liquids one after the other, whereby these either give off or absorb heat. It can be circulated through containers, and after passing through the last container in the row of containers, the mass can be conveyed back into the first container with the aid of any known conveying mechanism, but also by hydrodynamic conveyance. In the latter case, a separator arranged above the first container, in which the conveyed material, ie the storage mass, separates from the conveyed liquid again, is expediently removed and conveyed liquid via a pump, for example with the aid of a suitable mixing nozzle, into the from the last container escaping conveyed goods initiated.

Ein wesentlicher Vorteil dieser neuartigen Verfahrensweise gegenüber dem Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten und flüssigen Heizflächen, z.B. Öl, besteht darin, dass die größere Differenz der spezifischen Gewichte wesentlich größere Relativgeschwindigkeiten zwischen der festen Wärmeübertragungsmasse und den Flüssigkeiten ermöglicht, wodurch sich kleinere Strömungsquerschnitte und bessere Wärmeübertragungszahlen ergeben.A major advantage of this new method compared to the heat exchange between liquids and liquid heating surfaces, e.g. oil, is that the greater difference in specific weights enables significantly higher relative speeds between the solid heat transfer mass and the liquids, which results in smaller flow cross-sections and better heat transfer coefficients.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die zum Zwecke des Durchtritts der Wärmeübertragungsmasse offenen Querschnitte zwischen den einzelnen Behälterverbindungsstellen für die benachbarten verschiedenen Flüssigkeiten in einer Richtung zumindest teilweise flüssigkeitsundurchlässig zu machen, indem die Behälterflüssigkeit, die nicht durch die Flüssigkeit des benachbarten bzw. der benachbarten Behälter verunreinigt werden soll, unter einen geringfügig höheren Druck gesetzt wird als die benachbarte Flüssigkeit.It has proven to be advantageous for the cross-sections, which are open for the purpose of the heat transfer compound to pass through, between the individual container connection points for the adjacent ones to make different liquids at least partially liquid-impermeable in one direction by the container liquid, which is not to be contaminated by the liquid of the adjacent or the adjacent container, is placed under a slightly higher pressure than the adjacent liquid.

Zur Erzielung eines günstigen Wärmeübergangs zwischen der Wärmeübertragungsmasse und den Flüssigkeiten werden die Flüssigkeiten vorteilhafterweise im Gegenstrom zur Wärmeübertragungsmasse durch die Behälter geführt. Sind die einzelnen Behälter übereinander angeordnet, wie dies zweckmäßigerweise der Fall sein soll, so lässt sich für den Antrieb der Wärmeübertragungsmasse die Schwerkraft nutzen.To achieve a favorable heat transfer between the heat transfer mass and the liquids, the liquids are advantageously passed through the container in countercurrent to the heat transfer mass. If the individual containers are arranged one above the other, as is expediently the case, then gravity can be used to drive the heat transfer mass.

Bei einer geringen Oberflächenverschmutzung bzw. -verkrustung der Wärmeübertragungsmasse kann der kontinuierliche Betrieb über längere Zeiträume ohne wesentliche Abnahme des Wärmeübertragungswirkungsgrades aufrechterhalten werden. Findet dagegen eine rasche und relativ starke Verkrustung der Massenoberfläche statt, so hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Wärmeübertragungsmasse, die beispielsweise aus gekörntem Steinmaterial bestehen kann, entweder nach jedem Durchgang durch die Vorrichtung von den Ablagerungen zu befreien oder vollständig zu erneuern. Eine so starke Verkrustung kommt jedoch sehr selten vor.If there is little surface contamination or incrustation of the heat transfer compound, continuous operation can be maintained over longer periods of time without a significant decrease in the heat transfer efficiency. If, on the other hand, there is rapid and relatively strong encrustation of the surface of the mass, it has proven to be expedient to either remove the deposits from the heat transfer mass, which can consist, for example, of granular stone material, or to completely renew it after each passage through the device. However, such a strong encrustation is very rare.

So ist beispielsweise auch bei der Meerwasserentsalzung die Verkrustungsgeschwindigkeit nicht so groß, dass nach jedem Umlauf eine Regenerierung bzw. Erneuerung der Wärmespeichermasse notwendig ist. Es hat sich als ausreichend erwiesen, einen geringen Prozentsatz der Wärmespeichermasse kontinuierlich abzuziehen, zu erneuern und wieder zuzuführen. Auf diese Weise stellt sich auf der Speichermasse eine zulässige mittlere Dichte der Ablagerungen ein. Die Ablagerungen selbst dienen damit ebenfalls als Wärmeübertragungsmasse.In seawater desalination, for example, the rate of incrustation is not so great that a regeneration or renewal of the heat storage mass is necessary after each cycle. It has proven to be sufficient to continuously withdraw a small percentage of the heat storage mass, to renew it and to supply it again. In this way, a permissible mean density of the deposits is established on the storage mass. The deposits themselves thus also serve as heat transfer mass.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung, in der das erfindungsgemäße Verfahren für den Fall der Meerwasserentsalzung schematisch dargestellt ist.Further details and advantages of the invention emerge from the following description with reference to the drawing, in which the method according to the invention is shown schematically for the case of seawater desalination.

Die Behälter 2, 3, in denen der Wärmeaustausch zwischen dem Meerwasser bzw. dem Süßwasser und einer Schüttung 16 aus gekörntem Gesteinsmaterial stattfindet, sind säulenartig übereinander angeordnet und mit einem kopfseitigen Abscheider 5 für die Abscheidung des Gesteinsmaterials aus der Rückförderflüssigkeit sowie einer fußseitigen Austrittsöffnung 8 für die Rückförderung des Gesteinsmaterials durch die Steigleitung 6 versehen. Die beiden Innenräume der Behälter 2, 3 stehen über eine konische Einschnürung 4 miteinander in Verbindung, so dass das Gesteinsmaterial auf Grund der Schwerkraft in dem Maße durch die Behälter fließen kann, wie es am Fuße des unteren Behälters 3 durch die hydrodynamische Fördervorrichtung abgeführt und am Kopf des oberen Behälters 2 dem Abscheider 5 aufgegeben wird.The containers 2, 3, in which the heat exchange between the seawater or fresh water and a bed 16 of granular rock material takes place, are arranged in columns one above the other and with a top-side separator 5 for separating the rock material from the return fluid and a bottom-side outlet opening 8 for the return of the rock material through the riser 6 is provided. The two interiors of the containers 2, 3 are connected to one another via a conical constriction 4, so that the rock material can flow through the container due to gravity to the extent that it is at the foot of the lower container 3 through the hydrodynamic conveying device is discharged and given to the separator 5 at the head of the upper container 2.

Das Gesteinsmaterial, für das sich insbesondere bei der Meerwasserentsalzung in vorteilhafter Weise auch Seesand verwenden lässt, da dieser in unbeschränkter Menge zur Verfügung steht und somit auf jede Regenerierung verzichtet werden kann, sinkt nicht als kompakte Masse gleicher Dichte durch die mit Flüssigkeit gefüllten Behälter 2, 3 hindurch, sondern staut sich an den Verengungsstellen ähnlich wie in einer Sanduhr, um einen relativ dichten Abschluss zwischen den mit Süßwasser und mit Meerwasser gefüllten Behältern zu bilden. Das Gesteinsmaterial sinkt ungehindert in den Behältern abwärts, wobei seine Sinkgeschwindigkeit größer als die Steiggeschwindigkeit des Wassers sein muss.The rock material, for which sea sand can also advantageously be used in seawater desalination, since it is available in unlimited quantities and therefore any regeneration can be dispensed with, does not sink as a compact mass of the same density through the containers 2 filled with liquid, 3, but accumulates at the constrictions similar to an hourglass in order to form a relatively tight seal between the containers filled with fresh water and sea water. The rock material sinks downwards unhindered in the containers, whereby its rate of descent must be greater than the rate of rise of the water.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den oberen Behälter 2 durch die Leitung 13 mit Süßwasser zu füllen, das den Behälter im Gegenstrom zu dem Gesteinsmaterial durchströmt und durch die Leitung 14 dem Behälter 2 wieder entnommen wird. Der Behälter 3 wird am Fuße durch die Leitung 11 mit Salzwasser gespeist, das den Kopf des Behälters durch die Leitung 12 wieder verlässt. Da das Süßwasser abzukühlen und das Salzwasser anzuwärmen ist, wird bei dieser Durchströmung der Behälter die Zone 4, in der sie ineinander übergehen und die beispielsweise die Einschnürung eines Doppelkegels sein kann, zum warmen und die Enden der Behälterreihe zum kalten Teil des Systems. Auf dieseIt has proven to be expedient to fill the upper container 2 through the line 13 with fresh water, which flows through the container in countercurrent to the rock material and is removed again from the container 2 through the line 14. The container 3 is fed at the foot through the line 11 with salt water, which leaves the top of the container through the line 12 again. Since the fresh water has to be cooled down and the salt water warmed up, zone 4, in which they merge into one another and which can be, for example, the constriction of a double cone, becomes the warm part of the system and the ends of the row of containers become the cold part of the system. To this

Weise arbeitet die Fördereinrichtung für die Rückführung des Gesteinsmaterials aus dem letzten in den ersten Behälter der Behälterreihe mit kaltem Wasser, wodurch Wärmeverluste vermieden werden.The conveying device works with cold water for the return of the rock material from the last into the first container of the container row, whereby heat losses are avoided.

Der Flüssigkeitsdruck im Behälter 2 ist größer als derjenige im Behälter 3, so dass wohl eine geringe Menge Süßwasser in den Behälter 3 gelangt und sich dort mit dem Salzwasser mischt, dagegen eine Verunreinigung des Süßwassers im Behälter 2, insbesondere des durch die Leitung 14 dem Behälter entnommenen Süßwassers nicht eintreten kann. Eine gleiche Sperrwirkung des Süßwassers ist oben an der Eintrittsöffnung des Behälters 2 für das Gesteinsmaterial vorhanden, wo das Süßwasser den Eintritt des im Abscheider 5 befindlichen Förderwassers verhindert.The liquid pressure in the container 2 is greater than that in the container 3, so that a small amount of fresh water gets into the container 3 and mixes with the salt water there, while contamination of the fresh water in the container 2, in particular that through the line 14 to the container removed fresh water cannot enter. The same blocking effect of the fresh water is present at the top of the inlet opening of the container 2 for the rock material, where the fresh water prevents the entry of the conveyed water located in the separator 5.

Da das aus der Leitung 14 austretende Süßwasser eine höhere Temperatur als das aus dem Abscheider 5 dem Behälter 2 zugeführte Gesteinsmaterial hat, wird das Gesteinsmaterial beim Durchsinken des Behälters 2 bis auf eine Temperatur nahe der Eintrittstemperatur des Süßwassers in die Leitung 13 erwärmt und das Süßwasser entsprechend abgekühlt. Nach dem Passieren der Einschnürungsstelle 4 sinkt das Gesteinsmaterial im Gegenstrom durch das im Behälter 3 aufsteigende Salzwasser, wobei es dieses erwärmt. Das Gesteinsmaterial verlässt den Behälter 3 bei 8 mit einer Temperatur, die etwa der Eintrittstemperatur des Salzwassers in der Leitung 11 entspricht. Zum Rücktransport des Gesteinsmaterials durch die Steigleitung 6 in den Abscheider 5 wird diesem durch die Leitung 7 Salzwasser entnommen und über eine Pumpe 10 einer am Fuße des unteren Behälters 3 angebrachten Fördereinrichtung 15, beispielsweise einer speziell für diesen Zweck geeigneten Mischdüse, zugeführt.Since the fresh water exiting from the line 14 has a higher temperature than the rock material fed from the separator 5 to the container 2, the rock material is heated when the container 2 sinks to a temperature close to the entry temperature of the fresh water into the line 13 and the fresh water is heated accordingly cooled down. After passing the constriction point 4, the rock material sinks in countercurrent through the rising salt water in the container 3, whereby it heats it. The rock material leaves the container 3 at 8 at a temperature which corresponds approximately to the inlet temperature of the salt water in the line 11. For the return transport of the rock material through the riser 6 into the separator 5, salt water is removed from the separator through the line 7 and fed via a pump 10 to a conveying device 15 attached to the foot of the lower container 3, for example a mixing nozzle especially suitable for this purpose.

Zur kontinuierlichen Regenerierung des Gesteinsmaterials kann, falls diese erforderlich ist, der Steigleitung 6 ständig durch eine nicht dargestellte Einrichtung eine bestimmte Gesteinsmenge entnommen, in einer Aufbereitungsanlage erneuert und darauf dem System wieder zugeführt werden.For continuous regeneration of the rock material, if this is necessary, a certain amount of rock can be continuously removed from the riser line 6 by a device (not shown), renewed in a processing plant and then fed back into the system.

Claims

1. A method for indirect heat exchange between at least two liquids, the liquids being continuously brought into contact with a heat transfer medium, characterized in that a solid, transient, heat-storing mass is used as the heat transfer medium.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquids are conveyed separately from each other by a connected container (2, 3) connected one behind the other in a row through which the solid heat transfer mass (16) passes.

3. The method according to claim 2, characterized in that the heat transfer mass (16) is returned to the first container (2) after the heat exchange between it and the liquid in the last container (3).

4. The method according to claim 3, characterized in that for the return of the heat transfer mass (16) in the first container (2) liquid is used, which is removed from the separator (5) arranged above the first container (2), wherein the at the Return pressure loss occurring with a liquid pump (10) is overcome.

5. The method according to claim 3, characterized in that liquid from the last container (3) is used to convey the heat transfer mass back into the first container (2), the pressure loss occurring during the return being overcome with a liquid pump.

6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the passage of the liquid from the one container into the container through which the other liquid flows is directed by a small pressure difference between the two liquids in a certain direction.

7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the liquids are conveyed in countercurrent to the heat transfer mass (16) through the container (2, 3).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the heat transfer mass is moved through the container (2, 3) essentially by the action of gravity.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the heat transfer mass (16) is removed from the circuit after the heat exchange with at least one liquid, cleaned and then returned to the system.

10. The method according to claim 9, characterized in that the removal of a certain amount of heat transfer mass (16), the regeneration and the return to the system take place continuously.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that sea sand is used as the heat transfer mass (16).

12. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the heat exchange device (1) consists of at least two containers (2, 3) connected one behind the other with interiors merging into one another, in which there is a heat transfer mass moving through the container ( 16) and that each container is provided with a liquid inlet (11, 13) and a liquid outlet (12, 14).

13. The device according to claim 12, characterized in that a return device (6, 15) for the heat transfer mass to the first container (2) is connected to the outlet (8) of the last container (3) passing through by the heat transfer mass (16).

14. The device according to claim 13, characterized in that a separator (5) for separating the heat transfer mass (16) from the return flow is arranged above the first container (2), into which the return device (6) opens.

15. The device according to claim 14, characterized in that at the lower end of the return device (6) a liquid extraction line (7) from the separator (5) is connected, into which a booster pump (10) is connected.