DE1751590A1

DE1751590A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE1751590A1
Application number: DE19681751590
Authority: DE
Inventors: Louis Bernath; Wetch Joseph Ronald
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1967-06-26
Filing date: 1968-06-25
Publication date: 1971-07-08
Also published as: GB1240141A; NL6808746A; SE338059B; IL30252A; FR1571767A; US3438432A; IL30252A0; BE717094A

Description

PATENTANWALT!!
Dr.-lng.HANS-RU.SCHK»

Dip!.-lng. HEINZ AGUUAR München 27, PianzenautrStP.3

North American Hookwell Corporation, Bl Segundo/California (USA)

W ä r m e aus t a us c h e r

Bei Destillationsanlagen, in denen z.B. rohes Meerwasser in Frischwasser umgewandelt wird, werden Wäroieaustaue eher verwendet, um mindestens einen Teil der Wärme zurückzugewinnen, die dem Frischwasser im Betrieb der Anlage zugeführt wird. Bei einer von mehreren bekannten De3tillationsanlagen, die einen Wärmeaustauscher benötigt, wird da3 Dampfwledererhitaungsverfahren mit direkter Kondensation angewendet. Bei diesem Verfahren wird die Speiseflüssigkelt, wie rohes Meerwasser, rasch verdampft, und der resultierende Dampf wird zu einer Produktflüasigkeit, wie Frischwasser, direkt kondensiert» Bevor das Meerwasser zur Verdampfungsstufe geleitet

SAD OBtQiNAL

wird, wird dem Meerwasser Wärme zugeführt. In dieser 3tufe sowie in den nachfolgenden Verdampfungsstufen, wenn solche vorgesehen sind, gibt da3 Meerwasser einen Teil der zugeführten Wärme an das Frischwasser ab, zu dem sich der Dampf kondensiert» Bs ist erwünscht, diese zugeführte Wärme zurückzugewinnen, wodurch die Wärmewirtschaftlichkeit sowie der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird.

Mit den herkömmlichen Wärmeaustauschern kann ein Teil ' der zugeführten Wärme aus dem Frischwasser zurückgewonnen werden. Dies kann jedoch nicht ohne Schwierigkeiten durchgeführt und zwar u_oa. wegen der Verunreinigung des Frischwassers durch das Meerwasser, wenn in einem solchen Wärmeaustauscher ein leck besteht, da der Druck auf der Meerwasserseite höher ist als auf der Frischwasserseite. Sine weitere Schwierigkeit ist die Empfindlichkeit des Wärmeaustauschers für das Absetzen von Kesselstein, das eine Folge der kleinen thermischen Impedanz in diesen Wärmeaustauschern ist, da die Geschwindigkeiten der Flüssigkeiten hoch sind. Dies bedeutet, dass die Wärmeübertragungaflächen wesentlich größer bemessen werden müssen, als eigentlich erforderlich ist, um die thermische Impedanz wesentlich zu erhöhen. Da die in Wärmeaustauschern verwendeten Rohre im allgemeinen aus einer Kupfer-liickel-Legierung bestehen, deren Bestandteile wegen der großen lachfrage beständig teurer werden, so stellen dio Rohre fast 5Ο$ί der Kapitalanlage für eine DeatillationBeinrichtung dar. Diese letztgenannte Schwierigkeit führt dazu, dass Destillationsanlagen nur in weit entlegenen Dürregebieten noch wirtschaftlich sind.

In den herkömmlichen Destillationsanlagen wird rohes Meerwasser behandelt, um das Absetzen von Kesselstein in den Rohren des Wärmeaustauschers gering zu halten. Dies kann jedoch nicht vollständig verhindert werden» Diese Behandlung umfasst tua* das

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Zusetzen geeigneter Chemikalien sum rohen Meerwasser. Die Verwendung solcher Chemikalien erhöht die Betriebskosten der Destillationsanlage/wodurch die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen herabgesetzt

Es wurde vorgeschlagen, in Wärmeaustauschern Kunststofffolien zu verwenden. Vglohierzu: J₀M,Weaver, "Plastic Film Heat Exchangers", Chemical Engineering Progress, 56, 49-51 (Juli 1960. Deren Kosten sind dann wesentlich.geringer als bei aus Metall bestehenden Wärmeauatauschern, und die Biegsamkeit der Kunststoffolien im Betrieb bewirkt eine Selbstreinigung vom Kesselsteine

Obwohl die bei aus Metall bestehenden Wärmeaustauschern auftretenden Schwierigkeiten durch die Verwendung von Kunststofffolien im wesentlichen beseitigt werden können, so bestanden bei diesen vor der Erfindung mehrere Beschränkungen, so dass die Verwendung von Kunststoffolien in Wärmeaustauschern nicht ernsthaft in Erwägung gezogen wurde* U*a_e können die bekannten Kunststoffolien einem beständigen Druck nicht widerstehen, wenn gewisse Druek- und Temperaturbedingungen vorliegen und senkrecht auf die Oberfläche der Folie einwirken, wodurch eine dauernde Verformung verursacht wird. Der ausgeübte Druck erzeugt in der Folie innere Spannungen mit der Folge, dass die Folie kriecht oder sich verformt_o Solche innere Spannungen in der Kunststoffolie müssen daher wesentlich vermindert oder vermieden werden, so dasa im Wärmeaustauscher der Kunststofflim nur sehr wenig und möglichst überhaupt nicht kriecht.

Die Erfindung sieht vor:

einen neuen und verbesserten Wärmeaustauaeher unter Verwendung von Kunststoffolien, wobei ein unerwünschtea Kriechen der Kunststoffolien wesentlich vermindert oder gänzlich vermieden wird,

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einen Wärmeaustauscher für eine Destillationsanlage, die wirtschaftlich arbeitet, eine größere Wärmeaustauschfläche und eine längere Lebensdauer aufweist,

einen Wärmeaustauscher, bei dem eine Verunreinigung einer ersten Flüssigkeit durch eine zweite Flüssigkeit vermieden wird, und

einen Wärmeaustauscher, der wirksam arbeitet, selbst wenn sich an den Wärmeaustauschflächen Kesselstein in verhältnismäßig großen Mengen absetzt.

™ Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung eignet sich besonders gut für Destillationsanlageno Bei einer Ausführungsform eines Wärmeaustauschers wird eine unter Druck gesetzte Produktflüssigkeit durch eine Anordnung von aus einem biegsamen Material, z.B₀ aus Kunststoff bestehenden Rohren im Segenstrom zu einer Speiseflüssigkeit geleitet, die aufgrund der Eigensohwere durch einen Behälter strömt, in dem die Rohre eingetaucht ruhen und von geeigneten Mitteln im wesentlichen ohne Belastung in der Schwebe gehalten werden«, Die vergrößerte Fläche des Wärmeaustauschers er- * möglicht die Verwendung geringerer Flüssigkeitsgeschwindigkeiten, so dass ein stärkeres Absetzen von Kesselstein zugelassen werden kann« Wird eine der Wärmeauatausohrohre undicht, so tritt keine Verunreinigung der Produktflüssigkeit ein, da die unter Druck gesetzte Produktflüssigkeit durch das Leck in die Speiseflüseigkeit strömt.

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben· In der beiliegenden Zeiohnung ist die
Fig.1 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete Seitenansicht einer

Ausführungsform eines Wärmeaustauschers,, nach der Erfindung, Fig*2 ein Ausschnitt aus einer sohaubildlichen.Darstellung

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ORIGINAL

* _ 5 —

der Einheit nach der figd, von der Linie 2-2 aus gesehen, wobei gewisse !Beile der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen wurden,
Figo3 ein vergrößert gezeichneter Schnitt nach der Linie 3-3 in der Fig»2 und die -

Mg.4 ein Ausschnitt aus einer schaubildlichen Darstellung der Einheit nach der Fig.1, von der Linie 4-4 aus gesehene Nachstehend wird eine Ausführungsform des erfindungsge-» mäßen Wärmeaustauschers beschrieben. Die 3?ig»1 zeigt eine Wärmeaustauschereinheit 10, die im besonderen in einer 'Destinations-' anlage Ton Putzen i3t_? bei der ein Dampfwiedererhitzungsverfahren mit direkter Kondensation angewendet wird, wobei ein Teil der von der Produktflüssigkeit, z*B₀ vom -Frischwaijser absorbierten Wärme zurückgewonnen und zum Erhöhen der Temperatur der Speia^flüssigkeit, wie Meerwasser, dienen solle Von einer geeigneten, nicht dargestellten Quelle aus führt eine Einlassleitung 18 für eine Speiseflüssigkeit 12 zu einem Einlassumpf 14 eines Behälters 16.

Die Speiseflüssigkeit fließt aus dem Einlassumpf 14 aufgrund der

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Eigenachwere, und weil der Boden des Behälters 16 geneigt verläuft, wobei die lieigung z.B. 11100 beträgt,zu einem Auslas sumpft 20, aus dem die Speiseflüssigkeit duroh eine Auslassleitung 22 abgeführt wird. Wird der Wärmeaustauscher 10 in einer DeohillalLonöanlage verwendet, »io ^uo^ dio 3p3L"ufInnigkeit im Behälter 16 einen böstimaten Anfangsflügsigkeitrjapiegal auf, wie bei 26 sohematisoh dargestellt, sowi8 einen bevorzugfcan BetriabaflUaaigkaitaepiegel, wie bsi 28 dargestellt.

Ia eint linlaaskammer 32 des Behälters 16 wird eine Produktfltiaaigkelt, ζ·Β^ frlgohwasaar duron eine Einlassöffnung 3\ tingelaaasn, dia mit einer Einlassleitung 36 in Verbindung steht.

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tfBOiaO Oft» · . 8ADORlGlMAt

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Die Produktflüesigkeit 30 steht unter der Einwirkung eines Druckkopf ea, der von einer herkömmlichen Pumpe und/oder von einem Druckkopfbehälter erzeugt wird, wie bei 38 schematisch dargestellt« Die Pumpe und/oder der Behälter 38 steht mit der Einlassöffnung über eine Einlassleitung 36 und über eine Leitung 40 mit einer Quelle der Produktflüssigkeit (nicht dargestellt) in Verbindung.

Aus der Einlasskammer 32 strömt die Produktflüssigkeit 30 in einen Einlassverteiler 44» der sich aus mehreren einzelnen gleichen Verteilern z.B_e 48 zusammensetzt. Die Figo2 zeigt einen Teil der Verteileranordnung 44 mit einander gleichen Einlassverteilern 48. Der Einlassverteiler 48 weist eine geeignete Verbindung mit der Einlasskammer 32 auf und leitet die unter Druck gesetzte Produktflüssigkeit zu einer Anzahl von einander gleichen Auslassöffnungen 50, die an der Rohrplatte des Einlassverteilers vorgesehen sind» Die Auslassöffnungen 50 sind in geeigneten Abständen längs der im wesentlichen senkrechten Achse des Einlassverteilers 48 angeordnet» Wie in der Fig*3 dargestellt, kann jede Auslassöffnung 50 mit einem Ansatz 54 versehen werden, der das Anbringen gesonderter Gruppen von Wärmeaustausohkanälen in form der Wärmeaustauschrohre 56 ermöglicht, wie später noch beschrieben wird.

Wie in der Pig_e1 dargestellt, strömt die Produktflüssigkeib von der Gruppe von Einlassverteilern 44 aus durch die Wärmeaustauschrohre 56 und durch eine Gruppe von Auelassverteilern 60, die den Elnlaöeverteilern gleichen, in eine Auslasskammer 62 und wird schließlich durch eine Auslassöffnung 64 in eine Rohrleitung 66 der Anlage abgelassen. Wenn gewünsoht, kann die Strömung der unter Druck gea«czten Produktflüssigkeit durch jeden Elnlass-48 und jeden Auslasaverteiier mittels eines Regelventil»

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ßADORlGlNAt.

reguliert werden, das eine "biegsame Pläche für ein Klemmventil aufweisen kann, wie in den figuren 1 und 2 dargestellt. Bei den Einlass- und Auslassverteilern können auch andere herkömmliche Ventile verwendet werden.

Wie aus der Pigo4 zu ersehen ist, können die Wärmeaustauschrohre 5b gruppenweise angeordnet werden und die Gruppen 70, 72 und 74 bilden. Die Anordnung wird vorzugsweise so getroffen, dass jede Gruppe von Rohren aus einer Anzahl gleicher Rohre besteht, die mit einander eine Einheit bilden» Die Rohre in den Gruppen 70, 72 und 74 können senkrecht, waagerecht oder in jeder anderen gewünschten Weise angeordnet werden„ Jedes Wärmeaustauschrohr 5b wird mit einem zugehörigen Ansatz 54 durch Verkleben, Anklemmen oder dergleichen verbunden.

Wie in der Fig«4 dargestellt, sind alle Rohrgruppen z_oB. 70, 72 und 74 der Wärmeaustauschrohre 56 bei der dargestellten Ausftihrungsform aus zwei..-folien eines biegsamen Materials, ZoB· aus Polyvinylfluorid hergestellt, die längs einer Hauptabmessung in Abständen mit einander heißversiegelt sind, wodurch eine Anzahl von Flüssigkeitskanälen oder Rohre gebildet wird, die zusammen eine Einheit bilden. Z.B₀ wird die in der Mg«,4 dargestellte Rohr-

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gruppe aus zwei Kunststoffolien hergestellt , die durch Heißversiegeln derart mit einander verbunden werden, dass gleiche, in der Längsrichtung verlaufende Produktrohre, wie die Rohre 82, 84 und 86 gebildet werden. Die Fig,3 zeigt die Rohre 82, 84 und 86 als Schnitt mit den Versiegelungsstellen 88, 90 und 92. Andererseits können die Rohrgruppen auch zusammen mit einem biegsamen Einlass- und einem Ausiaasverteiler an den Enden der Rohrgruppen hergestellt werden, welche Verteiler gleich dem Einlassverteiler 48 wirken, und die mit den betreffenden Einlass- und Auslasskammern 32 und 62 verbunden

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Bei dem im besonderen in den figuren 1 und 4 dargestellten Wärmeaustauscher tO ruhen die senkrecht angeordneten Kunststoffrohrgruppen, wie die Gruppen 70, 72 und 74, eingetaucht in der Speiseflüssigkeit 12, die durch den Behälter 16 fließt» Vor dem Eintauchen unterliegen die aus Kunststoff bestehenden Rohrgruppen einer Spannungsbelastung, die wegen der Schwimmfähigkeit der Rohrgruppen wesentlich vermindert oder aufgehoben wird_p wenn die Rohre in die Flüssigkeit eingetaucht werden. Wenn die Produktflüssigkeit 30 die Durchlässe oder Rohr, z₀B_e 82, 84 und 8b der Rohreinheiten füllt, und weist die Produktflüssigkeit eine geringere Dichte auf als die äußere Speiseflüssigkeit 12, so erhalten die Rohrgruppen, doho die Wärmeaustauschrohre 56 einen Auftriebe Da dieser Auftrieb größer sein kann, als erwünscht, so können die Wärmeaustauschrohre z.B. durch Stangen oder Drähte 76, 78 und 80 beschwert werden, die in ein oder mehrere Rohre der Rohrgruppen eingelegt werden, die den Auftrieb ausgleichen Die Wärmeaustauschrohre 56 werden auf diese Weise im wesentlichen in der Schwebe gehalten, im wesentlichen nicht gespannt und kriechen daher nur wenig oder überhaupt nichto

Die in der Pig<>4 dargestellten Gewichte in Form von Drähten 76, 78 und 80 können in bestimmte oder in alle Wärmeaustauschrohre eingelegt werden. Die Drahtgewichte können sich über die gesamte länge der Wärmeaustauschrohre 56 im Wärmeaustauscher erstrecken und an den Enden am Einlassverteiler 44 und am Auslaseverteiler 60 befestigt werden« Hierdurch wird eine zusätzliche Abstützung geschaffen, die für die Handhabung der langen, auf einander senkrecht ausgerichteten Rohre der Rohrgruppen von Nutzen und erforderlich ist_o Bei einer Ausführung des aus Kunststoff bestehenden Wärmeaustauschers weist jede Rohrgruppe eine Breite von

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1,80 m und eine Länge von 195 Metern bei 96 einander gleichen Produktdurchlässen oder Rohren gleich den Rohren 82, 84 und 86 aufβ Jedes Rohr. ζ.·Β· der Rohrgruppe 74 weist einen Innendurchmesser von 19 mm. aufο Bie Abmessungen der gesamten Anordnung von Rohren des Wärmeaustauschers betragen T,8 m χ 1,8 m χ 195 m· Die angebrachten Drahtgewichte erleichtern die Handhabung der gesamten Anordnung der Wärmeaustauschrohre 56 im besonderem bei windigem Wetter. Die an den betreffenden Einlass- und Auslassverteilern angebrachten Beschwerungsdrähte h_alten auch die Wärmeaustauschrohre 56 im Behälter 16 im Betrieb des Wärmeaustauschers unter veränderlichen Strömungsbedingungen ausgerichtetο

Wird jede Rohrgruppe verhältnismäßig lang bemessen, ζ„B, 195 mi wie beschrieben, so lässt die vergrößerte Wärmeaustauschfläche eine geringere Strömungsgeschwindigkeit bei der Flüssigkeit zu, so dass die sich an den Wandungen der Wärmeaustauschrohre absetzenden Verunreinigungen die Leistung der Anlage verhältnismäßig wenig beeinflussen. Eine Absetzung von Unreinheiten an einer Austauschfläche in einer Stärke von 0,025 bis 0,05 mm bei geringer Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst nicht die Leistung eines aus Kunststoff bestehenden Wärmeaustauschers, bei Absetzungen in der gleichen Stärke an den Wandungen von aus Metall bestehenden Rohren wird die Wärmeübertragungsfähigkeit um ungefähr 5Of6 herabgesetzt„ Im Betrieb abrömt die Produktflüssigkeit 30 unter Druck durch die 7/ärmeauBtauiiö?irohry 56, wHhrond die Speiseflüssigkeit in der entgegengesetzten Richtung aufgrund der Eigenschwere durch den Behälter 16 strömt„ Entsteht an einem Rohr einer Rohrgruppe ein Leck, so dass die ProduktflUssigkeit 30 durch die Speiseflüssigkeit nicht verunreinigt werden, da die unter Druck stehende Produktfltissigkeit durch das Leck in die nicht unter Druck ntehendd

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Speiseflüssigkeit einströmt. Jede Rohrgruppe kann von dem betreffenden RegulierungBventil 52 für die Strömung der Produktflüssigkeit verschlossen werden und kann später entfernt und ersetzt werden, wenn erforderliche Eine Destillationsanlage mit einem Wärmeaustauscher nach der Erfindung kann den Betrieb mit einem oder
mehreren Lecks fortsetzen, ohne dass die Produktflüssigkeit verunreinigt wird.

An der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.

Patentansprüche

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Claims

Pate η ta ns prü ehe

Wärmeaustauscher, der einen Wärmeaustausch zwischen einer Speiseflüssigkeit und einer unter Druck stehenden Produktflüssigkeit bewirkt, gekennzeichnet durch

(a) einen Behälter mit einem Einlass und einem Auslass, in dem die Speiseflüssigkeit vom Einlass zum Auslass geleitet wird,

(b) Wärmeaustauschrohre, die mit dem Behälter zusammenwirken und sich in der Speiseflüssigkeit eingetaucht befinden,

(c) eine Einlassverteilereinrichtung und eine Auslassverteilereinrichtung, welche Einrichtung von einander entfernt angeordnet sind und durch die Wärmeaustauschrohre mit einander verbunden werden, und dadurch gekennzeichnet, dass

(d) die Wärmeaustauschrohre die Produktflüssigkeit von der Einlas sverte ile r einrichtung zur Auslassverteilereinrichtung leiten, so dass zwischen der Produktflüssigkeit und der Speiseflüssigkeit eine gewünschte Wärmeübertragung ohne Verunreinigung der Produktflüssigkeit durch die Speiseflüssigkeit erfolgte

2o Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrohre aus einem allgemein biegsamen Material hergestellt sind.

% Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dasβ das genannte biegsame Material aus einer geeigneten Kunststofffolie bestehtο

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4·ο Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauochrohre Beschwerungsmittel enthalten, das mit den Rohren zusammenwirkt und diese in der Schwebe hält, so dass die Rohre sich im wesentlichen in einem unbelasteten Ruhezustand befindeno

5β Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrohre in mehreren benachbarten Gruppen angeordnet sind, die mit den auf Abstand stehenden Einlass- und Auslassverteilereinrichtungen verbunden sind.

6ο Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe von Rohren aus mindestens zwei Kunststoffolien hergestellt ist, die in Abständen mit einander so verbunden sind, dass mehrere Flüssigkeitsdurchlässe gebildet werden, die an einander angrenzen und zusammen eine Einheit bilden.

7e Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschwerungsmittel aus einem Gewicht bestehen, das mit den Rohrgruppen zusammenwirkt_o

8o Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gewicht aus einem Draht besteht, der in einen gewählten Flüssigkeitsdurchlass eingelegt und mit der Einlass- und Auslasseinrichtungen verbunden ist.

9» Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Rohrgruppen im wesentlichen senkrecht angeordnet sind, und dass die Ji'liissigkeitsdruchlässe allgemein waagerecht

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ORJQJNAi INSPECTED

in bezug auf den genannten Behälter verlaufene

10· Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Einlassverteilereinrichtung oder die Auslassverteilereinrichtung ein Regulierungsmittel aufweist, mit dem die Strömung der Produktflüssigkeit durch die Wärmeaustauschrohre wahlweise reguliert werden kann.

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