DE1642442A1

DE1642442A1 - Entspannungsverdampfer

Info

Publication number: DE1642442A1
Application number: DE19671642442
Authority: DE
Inventors: Gideon Levite
Original assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Current assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Priority date: 1966-10-06
Filing date: 1967-10-06
Publication date: 1972-02-24
Also published as: DE1642442C3; DE1642442B2; US3497422A

Description

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Baldwin-Lima-Hamilton Corp. 4. Oktober 19β7

Industrial Equipment Division Demet 583 - H/Schi Philadelphia, Pa., 19 142/USA

Entspannungsverdampfer

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Entspannungsverdampfer zur Gewinnung reinen Wassers aus Meerwasser ^ durch vielstufige Entspannungsverdarapfung.

Bei der Entspannungsverdampfung, insbesondere bei der Gewinnung reinen Wassers aus Meerwasser, kommen üblicherweise sogenannte Vielstufenentspannungsverdampfer zur Anwendung. Ein derartiger Verdampfer besteht im wesentlichen aus einer Vakuumkammer, durch welche das betreffende Salzx^asser fließt. Der Druck in der Kammer ist dabei niedriger als der Sättigungsdruck des Salzwassers in der Kammer, so daß sich ein Teil des Salzwassers in an sich bekannter Weise als Dampf oder Gas abspaltet. Der Hauptteil eines derartigen Verdampfers enthält vielfach auch einen Tropfenabschneider, der die mit den Dämpfen aufsteigenden Salzwassertröpfchen entfernt. Diese * Dämpfe werden auf einem Rohrbündel, durch welches das ankommende Umlaufsalzwasser bzw. frisches Meerwasser hindurchläuft, kondensiert. Die Kondensationswärme wird auf das ankommende, durch die Kondensatorröhren fließende Meerwasser übertragen. Das Kondensat fällt von den Röhren in einen Destillattrog, wo es zu bereits vorher erzeugtem Destillat hinzutritt und aus der Kammer geleitet wird. Das verbleibende Meerwasser gelangt von der Entspannungskammer und einer Druckmindervorrichbung in eine weitere Stufe mit niedrigem Druck. Dort werden wiederum MeeJÄrwasserdämpfe abgespalten. Das Meerwasser in den Kondensatröhren, das aus frischem Meerwasser

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und Uralaufmeerwasser bestehen kann, gelangt nunmehr in eine weitere Stufe mit höherem Druck, in welcher es durch die Kondensationswärme der abgespaltenen Dämpfe weiter aufgewärmt wird. Ein Vielstufenentspannungsverdampfer besteht also in der Regel aus mehreren solcher Einheiten. Die Drücke nehmen dabei in Richtung des Meerwasserflusses nacheinander ab, während die Temperaturen in Richtung des frischen oder in Umlauf gebrachten Meerwassers nacheinander zunehmen.

Wie sich in der Praxis gezeigt hat, sind derartige Vielstufen-Entspannungsverdampfer mit gewissen Mängeln und Nachteilen behaftet: So sind beispielsweise die Verdampferverkleidungen recht unhandlich, sie enthalten ziemlich viel ungenutzten Verdampferraum. Diese Verkleidungen müssen zudem so konstruiert sein, daß sie eine vollständige Evakuierung aushalten können, selbst wenn sie bei höheren Drücken verwendet werden. Der Grund hierfür liegt im wesentlichen darin, daß aus den Gasen nicht kondensierbare Dämpfe herausgezogen v/erden müssen, bevor die Anlage in Betrieb genommen werden kann.

Zusätzlich erforderliches Verstärkungsmaterial macht die Verkleidungen noch unhandlicher und schwerer. Sin weiterer Nachteil bei den bekannten Verdampfern dieser Art besteht auch darin, daß bei normalen Betriebsdrücken, die in verschiedenen Stufen unter dem atmosphärischen Druck liegen, Luft einsickert. Dies erfordert zusätzliche Vakuumpumpen zur Aufrechterhaltung der Betriebsbedingungen. Ein anderer, nicht minder großer Nachteil der vorgenannten vielstufigen Entspannungsverdichter liegt in den Abmessungen der Kondensatorröhren begründet, die gewöhnlich zwischen y/k und 1 Zoll Durchmesser haben und nahtlos sein müssen.

Dadurch wird die erforderliche Wärmeübergangsfläche verhältnismäßig teuer. Nachteilig wirkt sich bei den Viel-

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stufenentspannungsverdampßrn der bekannten Bauart auch aus, daß sie sich nicht, und wenn, dann nur bedingt, für die Massenfertigung eignen. Es ist daher nicht möglich, ein- und dasselbe Grundmodell einer Destillationsanlage für unterschiedliche Größen zu verwenden.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, alle diese erkannten Mängel und Nachteile nicht nur zu beseitigen, sondern auch gleichzeitig den Entspannungsverdampfer so auszugestalten, daß er im Aufbau kleiner und kompakter wird, was sich auch äußerst vorteilhaft auf die Gestaltung des Dampfraumes auswirkt, da dieser dann recht klein gehalten werden kann.

Konform zu dieser Aufgabe soll mit der vorliegenden Erfindung auch die Aufgabe gelöst werden, einen Entspannungsverdampfer zu schaffen, der annähernd mit atmosphärischem Druck arbeitet, relativ leicht gebaut und weitgehend luftdicht ist.

Eine weitere·Aufgabe, die mit der Erfindung gelöst wird, besteht darin, einen Entspannungsverdampfer mit billigeren Kondensatorröhren zu schaffen, deren Oberflächen dabei möglichst groß sind.

Ferner soll es die vorliegende Erfindung ermöglichen, einen Grundtyp eines Entspannungsverdampfers zu schaffen, der verhältnismäßig billig in größeren Mengen hergestellt und durch typisierte Einheiten nach dem Baukasten-Prinzip zusammengesetzt werden kann.

Die vorliegende Erfindung weist Wege, wie diese Aufgaben zu lösen sind. Sie besteht deshalb im wesentlichen darin, daß koaxial zur Verkleidung der Kondensationsvorrichtung eine oder mehrere Rinnen, Kanäle oder dergleichen vorgesehen sind, in deren Innenraum sich jeweils über die ge-

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samte Kanallänge hinweg ein/unter Druck und Temperatur ein-

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tretenden und zu verdampfenden Meerwasser entgegengerichteter Strömungswiderstand erstreckt, der bandagenähnlich von spiralförmig ausgebildeten Rippen umgeben ist, welchen Mittel zur Ableitung des Kondensats zugeordnet sind.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung besteht der Strömungswiderstand aus'einer Packung porösen Materials und enthält im wesentlichen feinmaschigen Draht, Glaswolle und/oder Kunststoffschaum.

Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Strömungswiderstand oder auch nur ein Teil desselben als Tropfenabscheider dient.

Nach der Erfindung ist weiter vorgesehen, daß aus dem Umfang jeder Rippe an der der Rinnen- bzw. Kanalöffnung entgegengesetzten Seite ein Segment entfernt ist, wobei die Höhen der einzelnen Segmente in Richtung des Destillatstromes zunehmen.

Die Rippen sind der weiteren Erfindung zufolge bodenseitig mit dem Kondensatdurchfluß dienenden öffnungen versehen. Dabei werden die Rippenöffnungen in Richtung des Kondensatdurchflusses größer.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rippenöffnungen mit einem Abflußrohr verbunden, über das eine Wärmeübergangsflüssigkeit hinweggeleitet wird. Die Verkleidung der Kondensationsvorrichtung dient dabei der Führung dieser Wärmeübergangsflüssigkeit.

Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere, aus je einem Kanal, Strömungswiderstand und Rippen usw. bestehende Einheiten mit einer gemeinsamen, der Führung der Wärme-'Übergangsflüssigkeit an den jeder Einheit zugeordneten Kondensationsvorrichtung dienenden Verkleidung zu umgeben.

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Sehiießlich bezieht sich die vorgeschlagene Erfindung gleichermaßen noch auf ein Verfahren zur Gewinnung reinen Wassers aus Meerwasser durch vielstufige Entspannungsverdampfung. Dieses Verfahren ist dabei im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die zur Entspannungsverdampfung unter Druck und Temperatur stehende Flüssigkeit., wie etwa Meerwasser, einem im Verhältnis zu seinem Querschnitt relativ langen leitungsartigen Teil unter ständigem Widerstand gegen die Flüssig!© itsströmung in einen die Flüssigkeitsleitung bewirkenden Teil überführt wird., wobei in der Flüssigkeit ein ständiger Druckabfall erzeugt wird., durch welchen die % Flüssigkeit verdampft und das dabei entstehende Kondensat abgeführt wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine EntspannungsνerdampferEinheit,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Verdampfer nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Verdampfer mit Mitteln, die der Leistungserhöhung der Anlage dienen,

Fig. H- eine weitere Ausführungsform des Verdampfers nach Fig. 1 in perspektivischer Darstellung.

Die Fig. 5, 6, 7 und 8 enthalten schließlich Querschnitte durch den in Fig. 1 dargestellten Entspannungsverdampfer mit demgegenüber modifizierten Ausführungsformen.

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Der Verdampfer 10 enthält einen Kanal 12, der im wesentlichen aus einem halbzylindrischen Blechstreifen, z. B. aus Stahl, besteht. Dieser Kanal 12 ist mit porösem Material 14 ausgefüllt. Als Füllmaterial kann z. B. ein Drahtnetz, Kunststoff schaum, Glaswolle oder dgl. verwendet werden. Eine elastische Bandage, z. B. aus Stahl, Kupfer, bestimmten Legierungen oder auch aus Kunststoff, ist spiralförmig um den Kanal 12 sowie um das Füllmaterial 14 herumgewickelt. Durch diese Wicklung bildet der Spiralstreifen Rippen l6. Die Fertigungsart dieser Rippen l6 entspricht irn wesentlichen derjenigen, die bei der Herstellung von Rippenrohren für Wärmetauscher Anwendung findet.

Aus dem Umfang jeder Rippe wird an der der öffnung des Kanales 12 gegenüberliegenden Stelle ein Segment herausgeschnitten. Die Höhe der aus den Rippen herausgeschnittenen Segmente nimmt nacheinander von links nach rechts bzw. in Richtung des Destillatstromes zu (vgl. Fig. 2). Die Rippen 16, der Kanal 12 sowie die Packung 14 vrerden in das Rohr 20 eingepaßt, wodurch sich eine Wärmeübergangsflache ergibt. Das Rohr 20 umgrenzt schließlich zusammen mit den ausgeschnittenen Segmenten der Rippen 16 eine Anzahl öffnungen 18 für den Durchfluß des Destillats. Das Rohr 20 wird vorzugsweise aus gut wärmeleitfähigem Material, z. B. einer Kupferlegierung, hergestellt; es kann einen relativ großen Durchmesser haben, z. B. 4 Zoll oder mehr, und eineNaht besitzen. Die. Rippen l6 liegen eng am Rohr 20 an und stützen dieses^ sie brauchen jedoch nicht unbedingt dampfdicht anzuschließen.

Die vorstehend beschriebenen Teile bilden eine Grundeinheit; aus einer Vielzahl solcher Einheiten läßt sich ohne Schwierigkeiten eine Entspannungsverdampferanlage zusammensetzen.

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Aus den Pig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß jede Grundeinheit durch Konsolen, Stege oder dergleichen 22 in einer der Umgrenzung der ganzen Entspannungsverdamperanlage dienenden Verkleidung 24 gehalten wird.

Der Betrieb eines Entspannungsverdampfers'nach Pig. I und läuft wie folgt ab:

Das au verdampfende Meerwasser gelangt unter hoher Temperatur in den Kanal 12, so daß dieser zum Teil gefüllt ist. Mittels einer Pumpe wird das Meerwasser unter hohem Druck in Λ die durch den Pfeil 2β dargestellte Richtung gefördert. Der Widerstand des porösen Materials 14 gegenüber der Strömung des Meerxtfassers verursacht im Kanal 12 eine ständige Druckminderung, Vielehe wiederum die Verdampfung des Meerwassers während des FÜeßens durch den Kanal 12 verursacht. Die vom Meerwasser abgespaltenen Dämpfe gelangen durch den nichtgefüllten Teil der Packung nach oben, der auf diese Weise als Tropfenabsehneider arbeitet. Sobald die Dämpfe aus der Packung austreten, werden sie durch die Rippen l6 daran gehindert, zwischen Rinne 12 und Rohr 20 dem Ring entlang zu fließen. Ohne die Rippen l6 erfolgte dieser Fluß wegen des Druckunterschieds zwischen den einander benachbarten Rippen. Die Dämpfe gelangen an das Rohr 20 und kondensieren an dessen Innenfläche. Das kondensierte Destillat läuft an den Seiten des Rohres 20 herab und wird gesammelt; durch die öffnungen l8 fließt es sodann zur Niederdrucksexte. Das im Kanal 12 befindliche Meerwasser fließt in der Leitung 28 um, von wo es zur Hochdruckseite des Verdampfers 10 im Ring&raum zwischen Rohr 20 und Verkleidung 24 zuruckgeleitet v.-ird. Bei Bedarf kann durch die Leitung 50 frisches Meerwasser zugeführt werden. Während seines Flusses von links nach rechts wird das umlaufende Meerwasser durch Aufnahme der Kondensationswärme der abgespaltenen Dämpfe allmählich erwärmt. Bei der Abspaltung der Destillatdämpfe wird das zu verdampfende Meerwasser allmählich kühler.

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Der Grund, weshalb die Segmente für die öffnungen l8 in ihrer Höhe zunehmen, liegt darin, daß ihre Fläche (und damit auch die Fähigkeit, Destillat durchzulassen) vergrößert werden soll.

Der Entspannungsverdampfer 4o nach Fig. 3 hat im Prinzip den gleichen Aufbau wie der Verdampfer 11; er besteht jedoch in diesem Falle aus 7 Grundeinheiten 10. Die Verkleidung 42 des Verdampfers 4θ entspricht dabei der Verkleidung 24, hat jedoch einen größeren Durchmesser. Jede Grundeinheit umfaßt ebenfalls wieder einen Kanal 12', eine Packung l4*, Rippen I6¹, Öffnungen I8¹ und ein Wärmeübergangsrohr 20'. Die Einheiten 10' werden in der Verkleidung durch mehrere miteinander verbundene Konsolen 22^f getragen. Obwohl in Fig. 3 sieben Grundeinheiten 10' dargestellt sind, kann selbstverständlich auch jede beliebig andere Anzahl in einer einzelnen Verkleidung untergebracht werden, um eine Entspannungsverdampferanlage erforderlicher bzw. erwünschter Größe zu erhalten. Der Betrieb des Entspannungsverdampfers 40 nach Fig. 3 erfolgt in gleicher Weise wie der des Verdampfers 11 der Fig. 1 und 2; seine Wirkung wird jedoch versiebenfacht.

In Fig. 4 sind die Rippen für die Grundeinheit 10 anderweitig ausgebildet. Der Kanal 12'' hat dabei halbzylindrische Form; er ist mit einer Packung 14" nach Fig. 1 versehen. Anstatt jedoch einen spiralförmig"gewickelten Streifen zur Bildung der Rippen 16 zu verwenden, erhält der Kanal 12 eine Anzahl Einzelrippen 50 mit einem zentrisch gelochten Streifenstück 52 und einem am Kanal 12 befestigten halbzylindrischen Flansch 54. Die Rippen 50 sind wie die Rippen Ic bei 56 mit Segmenten versehen. Der Unterschied zwischen den Rippen 50 und den Rippen 16 besteht darin, daß die erstgenannten Rippen einzeln aus einem Blech ausgestanzt und dann verhältnismäßig leicht am Kanal 12'' angebracht werden können.

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In Pig. 5 ist der Kanal 62 exzentrisch zum Wärmeübergangsrohr 64 angebracht. Diese Exzentrizität gestattet eine Durchmesserverringerung des Wärmeübertragungsrohres 64.

Fig. 6 zeigt eine Grundeinheit 70, die einen rechteckigen Kanal 72 innerhalb eines sechseckig ausgebildeten Wärmeübergangsrohres 74 hat. In Pig. 7 ist die Grundeinheit mit einem rechteckigen Kanal 82 versehen, welcher in einer kreisförmigen Wärmeübergangsfläche 84 angebracht ist. In Pig. 8 ist schließlich eine Grundeinheit 90 dargestellt, die einen rechteckigen Kanal 92 aufweist, der auf einer fünfeckigen Wärmeübergangsfläche angeordnet ist. Alle diese Ausbildungsformen enthalten Segmentrippen.

Die Anwendung der jeweils günstigsten Ausbildungsform der mit Packung versehenen Meerwasserkanäle und Wärmeübergangsrohre nach den Pig. 5 bis 8 hängt im wesentlichen vom geforderten Verhältnis Wärmeübergangsfläche : Meerwassermente ^Jim Kanal und/oder von der Wahl bestimmter Fertigungsarten ab.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Entspannungsverdampfers besteht darin, daß die Wärmeübergangsrohre einen verhältnismäßig großen/und damit eine ebensolche Oberfläche haben. Diese Rohre können zudem Nahtrohre sein. Mit einer derartigen Lösung lassen sich die Kosten pro Einheit beträchtlich vermindern. Während die Rohre mit einem äußeren Überzug versehen sind, sind sie im Inneren durch Rippen verstärkt, so daß die Wandstärke nicht größer zu sein braucht als die der Kondensatorrohre bekannter Ausführung.

Selbstverständlich beschränkt sich die vorliegende Erfindung keineswegs allein auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen.

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Claims

Baldwin-Lima-Hamilton Corp. 4. Oktober 19β7 Industrial Equipment Division Demet J58]3 - H/Schi Philadelphia, Pa., 19 142/USA

Patentansprüche

1. Entspannungsverdampfer zur Gewinnung reinen Wassers aus Meerwasser durch vielstufige Entspannungsverdampfung, wobei in jeder Stufe das unter Verringerung von Druck und Temperatur gewonnene Kondensat als Primärdestillat gesammelt und ein Teil dieses Destillates einer weiteren Verdampfung unterworfen und das sich aus der weiteren Verdampfung ergebende Kondensat als hochreines Nachdestillat gesammelt und einem Vorrats- bzw. Sammelbehälter zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß koaxial zur Verkleidung der Kondensationsvorrichtung des Verdampfers eine oder mehrere Rinnen, Kanäle oder dergleichen vorgesehen sind, in deren Innerern sich jex'ieils über die gesamte Kanallänge hinweg ein dem unter Druck und Temperatur eintretenden und zu verdampfenden Meerwasser entgegengerichteter Strömungswiderstand erstreckt, der bandagenähnlich von spiralförmig ausgebildeten Rippen umgeben ist, welchen Mittel zur Ableitung des Kondensates zugeordnet sind.

2. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Strömungswiderstand aus einer Packung porösen Materials besteht und im wesentlichen feinmaschigen Draht, Glaswolle und/oder Kunststoff schaum enthält.

5. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Strömungswiderstand oder ein Teil desselben als Tropfenabscheider dient.

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Demet 385 - H/Schi 'Ή 4. 10. 67

4. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß aus dem Umfang jeder Rippe an der der Rinnenbzvr. Kanalöffnung entgegengesetzten Seite ein Segment entfernt ist, wobei die Höhen der einzelnen Segmente in Richtung des Destillatstromes zunehmen.

5. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rippen bodenseitig mit dem Kondensat-Durchfluß dienenden Öffnungen versehen sind.

6. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet,

daß die Rippen-Öffnungen in Richtung des Kondensat-Durchflusses größer werden.

7· Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rippenöffnungen mit einem Abflußrohr verbunden sind, über das eine Wärmeübergangsflüssigkeit hin weggeleitet wird.

8. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1 bis J, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verkleidung der Kondensationsvorrichtung der Führung der Wärmeübergangsflüssigkeit dient.

9. Entspannungsverdampfer nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch

mehrere, aus je einem Kanal, Strömungswiderstand und Rippen usw. bestehende Einheiten, die von einer gemeinsamen, der Führung der Wärmeübergangsflüssigkeit an den jeder Einheit zugeordneten Kondensationsvorrichtung dienenden Verkleidung umgeben sind.

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10. Verfahren zur Gewinnung reinen Wassers aus Meerwasser durch vielstufige Entspannungsverdampfung, dadurch gekennzeichnet,

daß die zur Entspannungsverdampfung unter Druck und Temperatur stehende Flüssigkeit, wie etwa Meerwasser, einem im Verhältnis zu seinem Querschnitt relativ langen leitungsartigen Teil unter ständigem Widerstand gegen die Flüssigkeitsströmung in einen die Flüssigkeitsleitung bewirkenden Teil überführt wird, wobei in der Flüssigkeit ein ständiger Druckabfall erzeugt wird, durch welchen die Flüssigkeit verdampft und das dabei entstehende Kondensat abgeführt wird.

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