DE1601136C3 - Verfahren und Vorrichtung zum direkten Wärmeaustausch zwischen einem Gas- oder Dampfstrom und einer verdampfenden Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten Wärmeaustausch zwischen einem Gas- oder Dampfstrom und einer verdampfenden Flüssigkeit.

Es ist bei Dampferzeugungsanlagen bekannt, in einen Strom überhitzten Wasserdampfes Wasser einzuspritzen, das verdampft und dabei den Wasserdampf abkühlt, z.B. auf Sattdampftemperatur. In der 28. Auflage der »Hütte II A, des Ingenieurs Taschenbuch« ist in Bild 95c der Seite 506 ein Einspritzkühler gezeigt, der zwischen eine Vorüberhitzcr- und eine Nachübcrhitzerrohrsehiange einer Dampfkesselanlagc eingebaut ist und zur Temperaturregelung des überhitzten Dampfes dient. Dabei besteht der Einspritzkühler aus einem rohrförmigen Apparat mit einer axialen Einspritzdüse und einem Eintrittsstutzen für den zu kühlenden Wasserdampf, in dessen Strömungsrichtung das Kühlwasser eingespritzt wird. Damit das Wasser in möglichst kleine Tröpfchen verteilt wird, muß es mit einem relativ großen Druck durch einen möglichst kleinen Mündungsquerschnitt der Einspritzdüse gedrückt werden, da die Tröpfchen nach ίο dem Verlassen der Düse keine weitere Zerteilung erfahren. Wenn nur ein geringer Flüssigkeitsdruck vorhanden ist und das Kühlwasser in nicht so kleine Tröpfchen zerspritzt wird, ist zu deren vollständiger Verdampfung eine relativ große Wegstrecke, d. h. Rohrlänge des Einsprilzkühlers, erforderlich. Bei vielen technischen Anwendungsgebieten der Einspritzkühlung bzw. Flüssigkeitsverdampfung sind große Rohrlängen jedoch lästig, und die Erhöhung des Flüssigkeitsdruckes würde zusätzliche Kosten verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, daß eine schnelle und vollständige Verdampfung einer Flüssigkeit in einem Gas- oder Dampfstrom bzw. eine Abkühlung eines Gas- oder Dampfstromes mit Hilfe einer verdampfenden Flüssigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Gas- oder Dampfstrom künstlich ein Ringwirbel erzeugt wird, wobei die Flüssigkeit in das Störgebiet der Strömung hineingespritzi, in diesem fein zerteilt und unter Abkühlung des Gas- oder Dampfstromes verdampft wird.

Nach dem Verfahren der Erfindung wird ein Gasoder Dampfstrom in einer solchen Weise künstlich gestört, daß ein Ringwirbel gebildet wird, der durch Umströmung eines Strömungshindernisses entsteht. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird zentrisch in das Störgebiet der Strömung hineingedrückt, entweder in Richtung der Strömung an der der Anströmung abgewandten Seite des Strömungshindernisses oder gegen die Strömung an der angeströmten Seite des Strömungshindernisses. Wird die Flüssigkeit in Richtung des Gas- oder Dampfstromes eingespritzt, so ist dazu nur ein geringer Überdruck notwendig, da der hinter dem Strömungshindernis entstehende Ringwirbel ein Totwassergebiet niedrigen Druckes einschließt. Die zentrisch in das Totwassergebiet eingespritzten Flüssigkeilsstrahlen stoßen auf rückströmendc Gas- oder Dampfteilchen des Ringwirbels und werden zurückgerissen. Dabei findet eine weitere Zerteilung und teilweise Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen statt. Die nicht verdampften Tröpfchen prallen von rückwärts gegen das Strömungshindernis und verdampfen dort. Das durch die Verdampfung abgekühlte Gas wird von dem das Strömungshindernis umströmenden Gas bzw. Dampf mitgerissen und vermischt sich auf kurzem Weg mit diesem. Durch die mehrmalige Zerteilung der Flüssigkeitströpfchen und deren Verwirbelung wird ein guter Wärmeübergang und eine schnelle und vollständige Verdampfung der Flüssigkeit auf einer nur kurzen Wegstrecke erreicht, auch wenn der Einspritzdruck der Flüssigkeit sehr gering ist.

1st eine große Menge Flüssigkeit in einem Gas- oder Dampfstrom zu verdampfen, erfolgt die Einspritzung der Flüssigkeit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung.

6j Die zentrisch in die Strömung eingespritzte Flüssigkeit fließt am Strömungshindernis radial vom Zentrum nach außen. Die Zerteilung der Flüssigkeitströpfchcn und deren Verdampfung firdct hauptsächlich im Bereich der

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Uniströmung des Strömungshindernisses statt.

Gemäß dem Verfahren können der Gas- oder Dampfsironi und die verdampfende Flüssigkeit aus verschiedenen Medien bestehen, wenn nur die Temperatur des Gases oder Dampfes wesentlich über der Temperatur der verdampfenden Flüssigkeit liegt und die Flüssigkeit sich in der Nahe des Siedczustandes befindet. Vorteilhafterweise bestehen der Gas- oder Dampfstrom und die verdampfende Flüssigkeit jedoch aus einem gleichen Medium. So kann z. B. flüssiger Sauerstoff, der bei der Luftzerlcgung einem Doppelrektifikator entnommen wird, schnell und vollständig in gasförmigen Produktsauerstoff hinein verdampft werden, ohne daß durch diese direkte Einspritzverdampfung das Produktgas durch ein Fremdgas verunreinigt werden würde. Als weiteres Beispiel sei die eingangs erwähnte Abkühlung von überhitztem Wasserdampf durch eingespritztes Wasser erwähnt oder eine Tempcraturregulicrung von Kältcmitteldämpfcn durch eingespritzte flüssige Kältemittel. .

Das Verhältnis von abzukühlendem Gas oder Dampf zu verdampfender Flüssigkeit hängt hauptsächlich von derTemperaturdifferenz vordem Wärmeaustausch und von der gewünschten Mischungstemperatur ab. Im Falle der Verdampfung von flüssigem Sauerstoff mittels gasförmigen Sauerstoffs beträgt das Volumenverhältnis von verdampfter Flüssigkeit zu Gas zweekmäßigcrweise 1 : 100, da aus Sicherheitsgründen aus dem Doppelrektifikator von Luftzerlegern sich mit explosionsgefährlichen Kohlenwasserstoffen anreichender flüssiger Sauerstoff kontinuierlich abgezogen wjrd, dessen verdampfte Menge mit Vorteil I Volumprozent der gasförmigen Produktsatierstoffmcngc beträgt.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus einem Strömungsrohr für den Gas- oder Dampfstrom und aus einer rechtwinklig zur Strömungsrichtung, konzentrisch im Rohr angeordneten Scheibe. Zwischen dem Außenrand der Scheibe und der Innenwand des Strömungsrohres verbleibt für den Gas- oder Dampfstrom ein freier Ringquerschnitt. Die Scheibe, die ein umströmtes Strömungshindernis darstellt, führt zur Ausbildung des Ringwirbels hinter der Scheibe. Das Zentrum der Scheibe weist eine Flüssigkeitsleitung auf, die in eine Bohrung ausmündet. Die zu verdampfende Flüssigkeil wird durch die Flüssigkeitsleitung und durch die abschließende Bohrung gedrückt und in den Gas- oder Dampfstrom eingespritzt, wo sie mit Hilfe der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Effekte schnell und vollständig innerhalb eines kurzen Rohrstückes verdampft. Wird nur eine geringe Gasabkühlung angestrebt, so ist der freie Ringquerschnitt für die Strömung relativ groß; die Flüssigkeitseinspritzung erfolgt in Strömungsrichtung und die Flüssigkeitsleitung befindet sich auf der angeströmten Seite der Scheibe. Wird eine starke Gasabkühlung gewünscht bzw. ist eine große Flüssigkeitsmenge zu verdampfen, so ist der freie Ringquerschnitt für die Strömung relativ klein; die Flüssigkeitseinspritzung erfolgt gegen die Strömungsrichtung, und die Flüssigkeitsleitung befindet sich auf der der ankommenden Strömung abgewandten Seite der Scheibe. Dabei erfolgt die Zerteilung der eingespritzten Flüssigkeitströpfchen und deren Verdampfung hauptsächlich im engen Ringspalt zwischen dem Außenrand der Scheibe und der Innenwand des Strömungsrohres.

Die Mündung der Flüssigkeitsleitung weist bei größeren, zu verdampfenden Flüssigkeitsmengen mit Vorteil mehrere Bohrungen auf, die mit gleichem Abstand um die Rohrachse angeordnet sind, wodurch eine bessere Flüssigkeitsverteilung erreicht wird. Außerdem kann die Mündung beim Vorhandensein des notwendigen Flüssigkeitsdruckes mit einer Zerstäubungsdüse versehen sein. Die Flüssigkeitströpfchen erhalten dadurch eine hohe Geschwindigkeit.

Mit Vorteil durchdringt die Flüssigkeitsleitung das Strömungsrohr senkrecht und erstreckt sich bis zur Rohrachse, wo die Leitung zum Zentrum der Scheibe hin rechtwinkelig umgebogen ist. Auf diese Weise ergibt sich der kürzeste Weg von der Wandung des Stromungsrohres zum Zentrum der Scheibe. Die Flüssigkeitsleitung ist vortcilhaftprwei.se mit einer Isolierung versehen, die eine die Einspritzung störende Verdampfung der in der Nähe des Siedczustandes befindlichen Flüssigkeit bereits in der Leitung verhindert.

Damit keine Wärme von der Scheibe auf die Flüssigkeit in der Mündung der Flüssigkeitsleitung übertragen wird, ist diese nur über die eine Bohrung der Scheibe ausfüllende Isolierung mit der Scheibe verbunden. Dadurch ist eine unkontrollierbare Verdampfung der Flüssigkeit in der Leilungsmündung weitgehend ausgeschlossen. Die Scheibe kann bei der Flüssigkeitseinspritzung in Strömlingsrichtung des Gas- oder Dampl'siromes auf der angeströmten Seite mit Rippen versehen sein. Da durch den durch die Scheibe verursachten Ringwirbcl eine Rückströmung von Flüssigkeitströpfchen und ein Aufprall auf die Scheibe erfolgt, wird durch die Rippen, vorzugsweise radiale, der Wärmeübergang zwischen Scheibe und verdampfenden Tröpfchen erhöht.

Die Erfindung sei an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbcispicls näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zum direkten Wärmeaustausch zwischen einem Gas- oder Dampfstrom und einer verdampfenden Flüssigkeit durchgeführt wird. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Strömungsrohr 1 mit einem einströmenden und ausströmenden Gas- oder Dampfstrom 2 bzw. 3. Im Strömungsrohr 1 ist rechtwinkelig zur Strömungsrichtung eine runde Scheibe 4 angeordnet, deren Durchmesser so bemessen ist, daß für den Gas- oder Dampfstrom 2 zwischen dem Aufienrand der Scheibe und der Innenwand des Strömungsrohres ein freier Ringquerschnitt 5 verbleibt. Durch das Umströmen der Scheibe 4 bildet sich hinter der Scheibe ein Ringwirbel 6 mit einem Totwassergebiet 7. Gemäß dem Beispiel soll flüssiger Sauerstoff, der dem Kondensatorverdampfer eines Doppelrektifikators eines Luftzerlegers entnommen wird, in gasförmigen Produktsaucrstoff, der in Regeneratoren auf Umgebungstemperatur angewärmt wurde, verdampft werden. Nachdem sich bei der Luftzerlegung im flüssigen Sauerstoff explosible Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Azetylen, anreichern, wird aus Sicherheitsgründen kontinuierlich flüssiger Sauerstoff abgezogen, dessen verdampfte Menge 1 Volumprozent der gasförmigen Produktsauerstoffmenge beträgt. Da die zu verdampfende Flüssigkeitsmenge nur sehr gering ist, wird sie in Strömungsrichtung in den Gasstrom 2 bzw. 3 eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt zentrisch im Strömungsrohr 1 durch eine Bohrung 8, die in einer Blende 9 an der Mündung einer Flüssigkeitsleitung 10 angebracht ist. Zwischen der Mündung der Leitung 10 und der Scheibe 4 befindet sich eine Isolierung 11, die eine zentrische Öffnung 12 der

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Scheibe ausfüllt. Die mit der Isolierung Il versehene Flüssigkeitsleitung 10 durchdringt senkrecht das Strömungsrohr 1 auf der angeströmten Seite der Scheibe 4.

Die Verdampfung des in die Flüssigkeitsleitung 10 eintretenden flüssigen Sauerstoffs 13 geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die zentrisch in das Totwassergebiet 7 eingespritzten Flüssigkeitsstrahlen auf rückströmendes Gas 14 des Ringwirbels 6 stoßen und zurückgerissen werden, wobei eine Verkleinerung der Flüssigkeitströpfchen und deren teilweise Verdampfung erfolgt. Die nicht verdampften Tröpfchen prallen von rückwärts gegen die Scheibe 4 und verdampfen dort. Die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Sauerstofftröpfchen verdampfen auf diese Weise schnell und vollständig innerhalb einer nur kurzen Rohrlänge.

Die Wirkungsweise der Erfindung sei an Hand von Versuchsergebnissen verdeutlicht.

Beispiel 1

Geringe Gasabkühlung, Einspritzung der Flüssigkeit in Strömungsrichtung des Gases

Nennweite des Strömungsrohres 400 mm

Verdampfungsstrecke 400 mm

Scheibendurchmesser 250 mm

Durchmesser zweier Einspritz- 3 mm
bohrungen

Sauerstoffgasmenge 8000 NmVh

Temperatur des Sauerstoffgases +15° C

Eingespritzte Flüssigsauerstoffmenge 80 NmVh

Temperatur des Flüssigsauerstoffs -183° C

Vordruck des Flüssigsauerstoffs 0,3 atü

Scheibendruckverlust 0,0045 at

Abkühlung des Sauerstoffgases nach 4 grd Verdampfung des Flüssigsauerstoffs

Beispiel II

Starke Gasabkühlung, Einspritzung der Flüssigkeit

gegen die Strömungsrichtung des Gases

Nennweite des Strömungsrohres 50 mm

Verdampfungsstrecke 400 mm

Scheibendurchmesser 48 mm

Durchmesser einer Einspritzbohrung 4 mm

Stickstoffgasmenge 90 NmVh

Temperatur des Stickstoffgases +15⁰C

Eingespritzte Flüssigstickstoffmenge 70 NmVh

Temperatur des Flüssigstickstoffs — 180° C

Vordruck des Flüssigstickstoffs 0,3 atü

Scheibendruckverlust 0,16 at

Abkühlung des Stickstoffgases nach 175 grd Verdampfung des Flüssigstickstoffs

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

16 Ol 136 Patentansprüche:

1. Verfahren zum direkten Warnieaustausch zwischen einem Gas- oder Dampfstrom und einer verdampfenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß im Gas- oder Dampfstrom künstlich ein Ringwirbel erzeugt wird, wobei die Flüssigkeit in das Störgebiet der Strömung hineingespritzt, in diesem fein zerteilt und unter Abkühlung des Gas- oder Dampfstromes verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas- oder Dampfstrom und die verdampfende Flüssigkeit aus einem gleichen Medium bestehen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von verdampfter Flüssigkeit zu Gas 1 : 100 beträgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zentrisch in einem Strömungsrohr (1) ein rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Gas- oder Dampfstromes (2, 3) eine im Strömungsrohr einen Ringquerschnitt (5) bildende Scheibe (4) angeordnet ist, in deren Zentrum sich eine Öffnung (12) für eine Flüssigkeitsleitung (10) befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung (10) an der Mündung eine Blende (9) mit einer Bohrung (8) aufweist, deren Querschnitt kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Leitung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (9) mehrere Bohrungen aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Flüssigkeitsleitung (10) mit einer Zerstäubungsdüse verschen ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung (10) das Strömungsrohr (1) senkrecht durchdringt und in der Rohrachse zur Öffnung (12) der Scheibe (4) hin rechtwinklig umgebogen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung (10) mit einer Isolierung (11) versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (11) bis in die Öffnung (12) zwischen der Scheibe (4) und der Mündung der Flüssigkeitsleitung (10) hineinreicht.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe mit Rippen versehen ist.