DE19653256A1

DE19653256A1 - Kondensator für binäre/polynäre Kondensation

Info

Publication number: DE19653256A1
Application number: DE19653256A
Authority: DE
Inventors: Francisco Dr Blangetti; Guenter Volks
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-06-25
Also published as: CA2225192A1; JPH10185457A; EP0849556A3; US5927388A; EP0849556A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kondensator zur Durchführung einer binären/polynären Kondensation.

Derartige Kondensatoren werden beispielsweise benötigt in Stromerzeugungssystemen, die zur Wirkungsgradsteigerung mit einem Kreislaufstoff arbeiten, welcher im Energiekreislauf leicht umwandelbar ist, beispielsweise ein Ammoniak/Wasser- Gemisch. Durch Änderung der Zusammensetzung des Gemisches im Kreislauf kann gegenüber dem klassischen Rankine-Prozeß zu Beginn des Kreislaufes mehr Wärme aufgenommen und an dessen Ende weniger Wärme abgegeben werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen deflematori schen Kondensator für binäre/polynäre Kondensation zu schaf fen, der mit minimalen exergetischen Verlusten arbeitet.

Das "deflegmatorisch" bezieht sich hierbei auf die Kondensa tion einer Dampfmischung mit Konzentrationsänderung der am Kondensationsprozeß beteiligten Phasen.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein derartiger Kondensator aus durch eine stehende Anordnung der vom Kühlmittel durchström ten Rohre, durch einen zumindest annähernd im oberen Bereich der Kühlmittelrohre angeordneten Einlaßstutzen für das zu kondensierende Gemisch und durch einen unterhalb der Kühlmit telrohre angeordneten Sammelraum für das abzuführende Konden sat, wobei der Einlaßstutzen und der Sammelraum über einen die Rohre umhüllenden Kondensatormantel miteinander verbunden sind, ferner dadurch, daß das Kühlmittel im überwiegenden Teil des Kondensationsraumes in reinem Gegenstrom zum Flüssigkeits/Dampf-Gemisch geführt wird und das Gemisch und der Kondensatfilm im Gleichstrom strömen, wozu die Rohre über je einen Rohrboden mit einer eintrittseitigen und einer aus trittseitigen Wasserkammer verbunden sind.

Das mit einem solchen Apparat erzielte dampfseitige gleitende Temperaturprofil ist eine Folge der Entmischung oder Trenn arbeit, die durch die binäre/polynäre Kondensation auftritt. Am Anfang der Kondensationsstrecke kondensiert eine Mischung, welche angereichert ist mit der schwerersiedenden Komponente des Gemisches, während am Ende der Kondensationsstrecke eine andere Mischung auskondensiert, welche mit der leichter siedenden Komponente des Gemisches angereichert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines mit einem Ammoniak/Wasser-Gemisches arbeitenden Apparates schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines deflagmatorischen Konden sators;

Fig. 2 ein Diagramm Trennarbeit S als Funktion der Konzen tration des Gemisches in der Kernströmung;

Fig. 3 ein Schema zur Kondensation eines gesättigten strömenden Dampfgemische mit Temperatur- und Konzentrationsverlauf;

Fig. 4 einen Ausschnitt eines Diagrammes mit dem Tempera turverlauf entlang der Rohre;

Fig. 5 eine Anordnung der Rohrabstützung;

Fig. 6 einen Teilschnitt durch den Kondensator mit der Befestigung der Rohrabstützung;

Fig. 7 eine Variante der Rohrabstützung im Längsschnitt.

Fig. 8 eine Dampf-Zuströmvariante des Kondensators gemäß Fig. 1.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit tel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Der in Fig. 1 gezeigte Apparat ist in der Regel mit andern Wärme- und Stoffübertragern in einer nicht dargestellten Kolonne assoziert. So könnte er den unteren Teil einer solchen Säule darstellen. Er besteht in seiner äußeren Form im wesentlichen aus zylindrischen Teilen, nämlich einem oberen Einlaßstutzen 1, einem unteren Sammelraum 2 und dazwischen einem den Einlaßstutzen mit dem Sammelraum verbindenden Kondensatormantel 3. Alle Elemente sind in senkrechter Anordnung und werden vom zu kondensierenden Gemisch von oben nach unten durchströmt.

Diese kondensierbare Mischung besteht im vorliegenden Fall aus Ammoniak (NH₃) und Wasser (H₂O). Es weist eine Ammoniak- Konzentration von 0.6 bis 0.3 Massenanteile auf. Es wird dem Einlaßstutzen 1 mit einem Druck von ca. 4.0 bis 1.5 bar und bei annähernd der Taupunkttemperatur, d. h. nahe der Sättigung zugeführt.

Der eigentliche Wärmeaustauscher besteht aus einem Bündel senkrecht angeordneter Rohre 4, die vom Kühlmittel, hier Wasser, von unten nach oben durchströmt sind. Diese Rohre, von denen je nach gewünschter Leistung mehrere Tausend vorhanden sein können, weisen vorzugsweise eine Länge von ca. 5 bis 20 Meter auf. Sie sind in klassische Bauweise über je einen Rohrboden 6, 5 mit einer eintrittseitigen Wasserkammer 7 und einer austrittseitigen Wasserkammer 8 verbunden. Diese Wasserkammern sind mit einer Zuleitung 9 respektiv einer Ableitung 10 versehen. Diese durchdringen die Wandungen einerseits des Einlaßstutzens 1, andererseits des Sammelrau mes 2 und sind in den nicht dargestellten Kühlkreislauf geschaltet.

Das richtige Funktionieren des Apparates hängt wesentlich davon ab, daß ein sauberer Gegenstrom zwischen Kühlwasser und Dampfmischung realisiert ist. Hierzu ist der Übergang vom Einlaßstutzen zum berohrten Kondensationsteil in der Ebene des oberen Rohrbodens 5 trichterförmig verengt. Mit dieser Maßnahme wird das Dampfgemisch in das Rohrbündel gezwungen. Darüberhinaus soll eine Randgängigkeit des Dampfgemisches weitgehend verhindert werden. Die Verjüngung resp. der Durch messer des Kondensatormantels wird deshalb so dimensioniert, daß der Ringspalt 11 zwischen den Rohren der äußeren Bün delperipherie und dem Kondensatormantel so eng wie möglich ist. Er sollte maximal der zweifachen lichten Weite zwischen zwei benachbarten Rohren entsprechen.

Der dampfseitige Leervolumenanteil des Rohrbündels, bezogen auf die Summe aller Rohrumfänge hinsichtlich des Rieselfilmes [Rieselmenge in kg/m.sec], ist so bemessen, daß die Ge schwindigkeit des an den Rohren herabfließenden Kondensat filmes - welche bei turbulentem Film ca. 0.8 bis 1.2 m/sec beträgt - etwa der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des zu kondensierenden Dampfgemisches entspricht. Mit dieser Maßnahme wird der weiter unten zu beschreibende Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem gleichströmenden Dampfgemisch und dem Kondensatfilm sichergestellt.

Der Übergang vom berohrten Kondensationsteil zum Sammelraum 2 ist in der Ebene des unteren Rohrbodens 6 leicht erweitert, damit das sich auf dem Rohrboden ansammelnde Kondensat ablau fen kann. Diese Erweiterung kann wie die obere Verjüngung ebenfalls trichterförmig vorgenommen sein.

Der kreisförmige untere Rohrboden 6 ist in seinem Zentral bereich von einem Rohr 17 durchdrungen, welches in seinem in den Kondensationsraum hineinragenden Teil perforiert ist. Dieses Rohr 17 ist zum Abzug der nichtkondensierbaren Gase aus dem Kondensationsraum bestimmt. Hierzu ist es durch die untere Wasserkammer 7 und die Wandung des Sammelraumes aus dem Apparat herausgeführt und mit geeigneten Saugmitteln ver bunden. Der verbleibende kondensierende Anteil aus dem abge saugten Gemisch, welcher praktisch nur aus Ammoniak besteht, wird in einer nachgeschalteten Absorptionskolonne zurückge wonnen.

Zur oben erwähnten Minimierung der exergetischen Verluste muß ein solcher Kondensator folgende Bedingungen erfüllen:

- Er muß maximale Trennarbeit leisten, weshalb eine deflagmatorische Kondensation anzuwenden ist; als zwin gende Folge hiervon muß er mit kleinen Temperaturdiffe renzen arbeiten.
- Der einmal gebildete Kondensatfilm soll auf seinem Weg zum Sammelgefäß integer bleiben, d. h. entlang der Kondensationsstrecke soll es zu keiner Rückvermischung (back-mixing) von Kondensat und Dampf kommen. Am besten erreichbar ist diese Forderung durch einen Gleichstrom zwischen Kondensatfilm und Dampfmischung.
- Schließlich soll das Kühlmittel im Gegenstrom zu Dampf und Kondensatfilm strömen.

Im Diagramm in Fig. 2 ist die Trennarbeit in Funktion der Konzentration bei verschiedenen Temperaturdifferenzen darge stellt. Es versteht sich, daß in diesem Zusammenhang auf die Bekanntgabe von genauen Zahlenwerten verzichtet werden muß, da diese von allzu zahlreichen Parametern abhängen. Für das Verständnis der Erfindung sind die nachstehenden qualitativen Aussagen ausreichend.

Auf der Abzisse ist die Konzentration Y einer gasförmigen, kondensierbaren Mischung aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Trennarbeit oder Entmischung S angegeben. Die 4 Kurven verläufe stehen für 4 unterschiedliche treibende Potentiale des Wärme- und Stoffüberganges, d. h. der Temperaturdifferen zen zwischen Mischung und Kühlmittel. Dargestellt sind die 4 Temperaturdifferenzen 30, 20, 10 und 5 Kelvin.

Der generelle Kurvenverlauf lehrt, daß die Trennarbeit am größten ist bei tiefen Massenanteilen der leichtsiedenden Flüssigkeit im zu kondensierenden Gemisch.

Ferner lehrt das Diagramm, daß zur Erzielung einer möglichst großen Trennarbeit eine möglichst kleine Temperaturdifferenz zwischen Gemisch und Kühlmittel anzulegen ist.

Schließlich ist erkennbar, daß eine sehr große Temperatur differenz zu praktisch keiner Trennarbeit führt. In diesem Fall läuft eine sogenannte Totalkondesation ab, d. h. das Gemisch kondensiert praktisch als reiner Stoff auf einer Isotherme.

Genau letzteres will die Erfindung vermeiden. Ziel ist eine nichtisotherme Kondensation des Gemisches mit einer entspre chenden Verminderung der unerläßlichen Exergieverluste.

Gemäß Obigem muß also dann hinsichtlich einer maximalen Trennarbeit auf eine gute Kondensation verzichtet werden. Dementsprechend wird hierzu eine sehr geringe treibende Temperaturdifferenz von beispielsweise 5 Kelvin vorgesehen, was selbstverständlich zu sehr großen Austauschflächen führt.

Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 3 erläutert, welche schematisch die Kondensation eines gesättigten strömenden Dampfgemisches zeigt. Mit 21 ist die äußere Rohrwand eines vom Kühlmittel von unten nach oben durchströmten Rohres bezeichnet. Diese Rohrwand bildet eine senkrechte kalte Fläche, deren Temperatur unter der Taupunkt temperatur - verglichen mit jener in der Konzentration im Kern der Strömung - liegt. Gelangt die von oben nach unten strömende gesättigte Dampfmischung mit der kalten Fläche in Berührung, so bildet sich ein Kondensat, welches als Film 22 an der Fläche herabfließt. Im Gegensatz zu der Kondensation reiner Stoffe rufen Phasengleichgewicht und Kinetik die Bildung einer dampfseitigen Stofftransport-Grenzschicht und damit einen Temperaturabfall an der Phasengrenze zwischen Film und Dampf hervor. Im Ergebnis stellt sich in diesem Bereich eine Anreicherung in der leichtersiedenden Komponente des Gemisches ein. In diesem Bereich ist demnach die Konzen tration höher als in der Kernströmung.

Diese Sachverhalte sind in der Figur dargestellt. Mit Y_G ist die Konzentration der leichtersiedenden Komponente des Gemi sches bezeichnet, welche in der Kernströmung konstant ist, was sich durch ihren horizontalen Verlauf auszeichnet. An der Phasengrenze zwischen Film und Dampf hingegen steigt die Konzentration bis zum Punkt A an. Im Kondensatfilm hingegen sinkt die Konzentration vom Punkt B an der Phasengrenze bis hin zur Rohrwand ab. Die Punkte A und B stehen dabei im soge nannten Phasengleichgewicht, und aus einem Enthalpiediagramm lassen sich dann die zugehörigen Temperaturen bestimmen. Der Temperaturverlauf ist im Diagramm mit T bezeichnet, wobei T_K die Temperatur in der Kernströmung it und T_W die Temperatur des Kondensatfilmes an der Rohrwand darstellt.

Es versteht sich, daß diese Betrachtung nur lokal für die jeweils vorliegende Konzentration gilt. Mit zunehmender Kon densation, bei welcher zunächst die schwerersiedende Kompo nente kondensiert, ändert sich damit laufend die Konzentra tion des Gemisches in der Kernströmung. Die obigen Betrach tungen sind also stetig durchzuführen, um den endgültigen Kondensationsverlauf zu bestimmen.

Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf M dieser nichtisothermen deflagmatorischen Kondensation eines Gemisches in einem Diagramm "Temperatur entlang z" [T, z], wobei z für die Höhe des senkrechten Kondensationsraumes steht. W bezeichnet den Temperaturverlauf des Kühlmittels. Mit R ist der isotherme Verlauf einer Totalkondensation bezeichnet. ΔT stellt den erzielbaren Gewinn dar, der im vorliegenden Fall einer Ammoniak/Wasser-Mischung mehrere Kelvin, z. B. 5-8 K, betragen kann.

Nach alldem ist zu erkennen, daß trotz großer benötigter Austauschflächen der konstruktive Aufwand bei vorliegender Erfindung wesentlich geringer ist im Vergleich zu konventio nellen Methoden, bei denen ein vergleichbares, jedoch in jedem Fall schlechteres Ergebnis nur dadurch zu erzielen ist, daß beim Rankine-Prozeß Mehrdruckkondensatoren zur Anwen dung gelangen. Mehrdruckkondensatoren können diesen Gewinn nur stufenweise realisieren, wie dies in Fig. 4 durch den Verlauf N dargestellt ist, im Gegensatz zur erfindungsgemäßen gleitenden Kondensation M, die einen steten Verlauf auf weist.

Weiter maßgebend für eine einwandfreie Funktionsweise des Kondensators ist die Maßgabe, daß Störungen der Strömungs führung im Kondensationsraum weitgehend verhindert werden. Solche Störungen könnten zu einer unerwünschten Durchmischung des Kondensatfilms und der Dampfphase führen, was sich nega tiv auf die deflegmatorische Kondensation auswirkt. Anstelle der bisher in Kondensatoren üblichen Stützplatten ist deshalb vorgesehen, die Rohre durch horizontal verlaufende Bänder 12, 13 abzustützen. Diese Bänder werden wechselseitig in einer oder mehreren Ebenen über der Länge der Berohrung angeordnet.

In Fig. 5 ist eine derartige Rohrabstützung skizziert. Bei der gewählten Rohranordnung handelt es sich um eine soge nannte Dreiecksanordnung, von der man weiß, daß sie die Unterbringung einer größtmöglichen Anzahl Rohre gestattet. Eine erste Lage von Bändern 12 ist von einer zweiten kreuz weise angeordneten Lage von Bändern 13 unterlegt. Die mit ihre Schmalseiten angeströmten Bändern bilden nur eine unwe sentliche Sperrung des durchströmten Querschnitts.

In Fig. 6 ist die Führung resp. Befestigung solcher Bänder am Kondensatormantel 3 gezeigt. Im einfachsten Fall liegen die Bänder wärmebeweglich in einer um den Mantel umlaufenden Führung 14 ein. Die ringförmige Führung kann ihrerseits an mehreren Stellen des Mantelumfangs in Abstützungen 15 befe stigt sein.

Eine Variante der Rohrabstützung ist in Fig. 7 dargestellt. Zur Anwendung gelangen hier verzahnte Bänder 16. Je zwei Lagen können über die Verzahnung ineinandergeschachtelt werden und ergeben so ein steifes Gitter, durch das die Rohre 4 anläßlich der Montage problemlos eingeschoben werden, um dann mit den Rohrböden 5 und 6 form- und/oder kraftschlüssig verbunden zu werden.

Um schädliche Rohrvibrationen zu vermeiden, werden solche Rohrabstützungen je nach Rohrdurchmesser und Wandstärke im Abstand von 1 bis 1.2 m über der Längserstreckung des Konden sationsraumes angebracht.

In Fig. 8 schließlich ist eine Dampf-Zuströmvariante zum Kondensationsraum gezeigt. Funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Bei dieser Ausführung ist der in der Regel kreisförmige obere Rohrboden 5 in seinem Durchmesser erweitert. An seiner äußeren Peri pherie sowie an der Außenwand des Kondensatormantels 3 ist eine umlaufende Ringkammer 18 angeschweißt. Dieser ist im Beispielsfall mit zwei seitlichen Dampfzuleitungen 19 verse hen. Über geeignete Öffnungen 20 in Kondensatormantel 3, die gleichmäßig über dessen Umfang verteilt sind, strömt der Dampf radial in das Rohrbündel ein. Zwar wird bei dieser Lösung der oberste Teil der Berohrung nicht im Gegenstrom beaufschlagt, jedoch beeinträchtigt diese Art der Dampfein führung die Funktionsweise nicht. Denn der Dampf wird unmit telbar in die Senkrechte umgelenkt und in diesem Bereich hat sich noch kein ausgeprägter Kondensatorfilm gebildet. Mit dieser Lösung kann die Baulänge des aufgrund der großen benötigten Austauschflächen ohnehin schon sehr "langen" Appa rates etwas reduziert werden.

Bezugszeichenliste

1

Einlaßstutzen

2

Sammelraum

3

Kondensatormantel

4

Rohr

5

oberer Rohrboden

6

unterer Rohrboden

7

eintrittseitige Wasserkammer

8

austrittseitige Wasserkammer

9

Kühlwasser-Zuleitung

10

Kühlwasser-Ableitung

11

Ringspalt zwischen

4

und

3

12

Stützbänder

13

Stützbänder

14

Bänderführung

15

Abstützung von

12

,

13

an

3

16

verzahnte Bänder

17

Rohr für die Extraktion der Inertgase

18

Ringkammer

19

Dampfzuleitung

20

Dampfeintrittöffnung

21

Rohrwand

22

Kondensatfilm

Claims

1. Kondensator für die binäre/polynäre Kondensation eines Dampfgemisches, gekennzeichnet durch eine stehende Anordnung der vom Kühlmittel durchströmten Rohre (4), durch einen zumindest annähernd im oberen Bereich der Kühlmittelrohre angeordneten Einlaßstutzen (1) für das zu kondensierende Gemisch und durch einen unterhalb der Kühlmittelrohre (4) angeordneten Sammelraum (2) für das abzuführende Kondensat, wobei der Einlaßstutzen (1) und der Sammelraum (2) über einen die Rohre (4) umhüllenden Kondensatormantel (3) mitein ander verbunden sind ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im überwiegenden Teil des Kondensationsraumes in reinem Gegen strom zum Gemisch geführt wird und das Gemisch und der Kondensatfilm im Gleichstrom strömen, wozu die Rohre (4) über je einen Rohrboden (5, 6) mit einer eintrittseitigen und einer austrittseitigen Wasserkammer (7, 8) verbunden sind.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leervolumenanteil des Rohrbündels in Bezug auf die Summe aller Rohrumfänge so bemessen ist, daß die Geschwin digkeit des an den Rohren (4) herabfließenden Kondensat filmes (22) etwa der mittlere Geschwindigkeit des zu konden sierenden Dampfgemisches entspricht.

3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (4) im Kondensationsraum in mindestens einer Ebene durch horizontal angeordnete Bänder (13, 14, 16) gestützt sind, welche in dem die Rohre umhüllenden Kondensa tormantel (3) gelagert sind.

4. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rohrboden (6) von mindestens einem Rohr (17) durchdrungen ist, welches in seinem in den Kondensationsraum hineinragenden Teil perforiert ist und welches durch die untere Wasserkammer (7) aus dem Apparat herausgeführt ist zum Abzug der nichtkondensierbaren Gase aus dem Kondensations raum.

5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang vom Einlaßstutzen (1) zum berohrten Kondensationsteil trichterförmig verengt ist.

6. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßstutzen (1) für das zu kondensierende Gemisch eine Ringkammer (18) mit mindesten einer Dampfzuleitung (19) aufweist, über welche Ringkammer das Gemisch durch Dampfein trittöffnungen (20) im Kondensatormantel (3) in den Kondensa tionsraum einströmt.

7. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Übergang vom berohrten Kondensationsteil zum Sammelraum (2) trichterförmig erweitert ist.