DE2331389A1 - Fluessigkeitsfilm-verdampfer - Google Patents

Description

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United Kingdom Atomic Energy Authority, -11 Charles II Street,

London S.W.1 4QP,

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 29396/72 vom 22. Juni 1972 beansprucht.

Flüssigkeitsfilm-Verdampfer

Die Erfindung bezieht sich auf Filmverdampfer, bei denen eine Flüssigkeit kontinuierlich als Film auf eine beheizte Verdampferfläche aufgebracht und deren Dampf kontinuierlich abgeführt wird. Erfindungsgemäß weist ein Filmverdampfer eine metallische Verdampfungsfläche auf, die, im wesentlichen anliegend, ein Fadenwerk trägt, dessen Oberfläche eine Benetzbarkeit hat, die wesentlich geringer als diejenige des Metalls ist, und einen Kontaktwinkel aufweist, dessen Tangens größer als eins ist, wobei der Querschnitt des Fadens normal zu dessen Längsachse so ist, daß an der Schnittstelle der Flächen der Verdampferoberfläche und des Fadens Hohlräume gebildet werden, die als Kernbildungsstellen wirken. Wegen der relativen NichtBenetzbarkeit des Fadens gelangt der Film der Einsatzflüssigkeit nicht in den Hohlraum, der im Winkel zwischen dem Faden und der Verdampferoberfläche gebildet wird, mit der Folge, daß eine Gasblase den Hohlraum füllt und als ein KernbildungsZentrum wirksam ist, wo vorwiegend eine Dampfbildung auftritt. Durch den Aus-

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druck "Kontaktwinkel" ist die Neigung der Flüssigkeitsoberfläche zur gemeinsamen Oberfläche zwischen dem massiven Metall (des Verdampfers) und der Flüssigkeit an deren Treffpunkt gemeint; beispielsweise ist der Kontaktwinkel zwischen Wasser und sauberem Glas gleich null.

Die Hohlräume werden vorzugsweise durch das Anbringen von Fäden mit rundem Querschnitt an der sonst planen Verdampferoberfläche gebildet, wobei die Fäden einen ausreichend großen Durchmesser, z.B. etwa 0,005 " (0,1 mm), aufweisen, um Hohlräume von annehmbarer Abmessung zu bilden, wenn auch zu berücksichtigen ist, daß der Durchmesser des verwendeten Fadens von dessen Grad der Nicht-Benetzbarkeit abhängig sein wird.

Das Fadenwerk kann auf der Verdampferoberfläche als einzelner Strang aufgebracht werden, doch wird es vorzugsweise in Form eines Maschenwerks aufgebracht, wobei die Maschergröße ausreicht, um eine genügende Fläche der Verdampferoberfläche dem Flüssigkeitsfilm auszusetzen. Vorteilhaft wird eine Maschengröße von etwa 0,16 "-(etwa 4 mm) eines Polypropylenf&dens verwendet, dessen Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 0,02" (0,1 bis 0,5 mm) und vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,015 (0,25 bis 0,58 mm) liegt. Andere Fäden mit einer Nicht-Benetzbarkeit, die mit derjenigen von Polypropylen vergleichbar ist, können natürlich verwendet werden, und in einigen Fällen kann der erforderliche Grad von relativer Nicht-Benetzbarkeit dadurch erzielt werden, daß ein Metallfaden mit einer oxydierten Oberfläche ausgewählt und dieser auf eine Verdampferoberfläche einer Legierung aufgebracht wird« Ein Beispiel dafür ist die Verwendung eines ob er flächen oxidiert en. Kupferdrahtes auf einer Verdampferoberfläche einer Niekel-Kupfer-Legierung. Das Ausmaß, bis zu welchem diese Kombination nützlich ist, hängt von den Verfahrensbedingunger. ab. Der Metalldraht wird wohl im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit seiner Oxidoberfläche während des Betriebs ausgewählt werden» Als weitere Alternative kann das Fadenwerk einen kunststoffummantelten Metalldraht aufweisen, wobei der Kunststoffüberzug die Nicht-Benetzbarkeitseigen-

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schaft ergibt.

Die Verdampferoberfläche kann eben oder gekrümmt sein, doch ist es in jedem Falle zweckmäßig, ein offenes Maschenwerk von Fäden zu verwenden, welches im Falle von Rohrverdampfern in die Form eines Rohres von dem gleichen Durchmesser wie dem des Verdampfers vorgeformt ist, so daß es auf die Verdampf ngsoberfläche des Rohres aufgebracht und durch Metallgurte oder durch Klebstoff befestigt werden kann.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Horizontalrohrlallfilm -Verdampferanlage mit Verdampferrohren, die erfindungsgemäß konstruiert sind,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Rohres, wie es in der Anlage nach Fig. 1 verwendet werden kann, während die

Fign. 5 und 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergeben.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage arbeitet in herkömmlicher Weise, d.h. eine zu verdampfende wässrige Flüssigkeit ist in einem Sammel- oder Falltank '1 enthalten und wird über Schlitze 2 in dessen Boden über eine Reihe von zur Horizontalen geneigten Verdampferrohren verteilt. Gleichzeitig wird Dampf aus einer Hauptleitung 4 in eine Kammer 5 hineingeleitet, die durch eine Rohrplatte 6 begrenzt wird, in welche die unteren Enden der Rohre 3 münden. Dampf gelangt aus der Kammer 5 in die Rohrbohrungen und erwärmt die Rohre, um auf diese Weise den auf das Äußere der Rohre aufgebrachten Flüssigkeitsfilm zu verdampfen. Beim Heizen

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der Rohre wird der Dampf kondensiert und läuft entlang den Rohren in einen Kondensatabfluß 6 zurück. Dampf aus der Einsatzflüssigkeit gelangt durch eine öffnung 7 hindurch, während das Konzentrat in einem Kanal 8 am Boden der Kammer für den Wiederumlauf gesammelt wird.

Um die Verdampfung der Flüssigkeit zu beschleunigen, mit dem Ziel, einen größeren Anteil des fallenden Films der Einsatzflüssigkeit zu verdampfen, weisen die Verdampferrohre Fäden 11 auf, die sich_; im wesentlichen, angeschmiegt, über deren Außenoberflächen erstrecken. Das Material der Fäden 11 hat eine Oberflächen-Benetzbarkeit, die wesentlich geringer ist als diejenige der Metallrohre, und hat vorzugsweise einen Kontaktwinkel, dessen Tangens größer als eins ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Fäden 11 aus Polypropylen und sind in Form eines offenen Maschenwerks gewirkt. Die Fäden 11 haben einen runden Querschnitt normal zu ihrer Längsachse. Der Einzelfaden weist einen Durchmesser von 0,020" (0,5mm) auf, und der mittlere Maschendurchmesser beträgt 0,16" (4-mm). Die Wirkung des Fadens bzw. Fadenwerks bei der Erzeugung von Kernbildungsstellen ist aus den Fign. 3 und 4 ersichtlich. Nach den Fign. 3 und 4 sind auf einer Verdampferflache 10 aus Kupferlegierung, die gekrümmt, z.B. konvex, wie in Fig. 1 dargestellt, oder bei anderen Ausführungsbeispielen auch konkav oder flach sein kann, Kunsts-Dff-Fäden aus Polypropylen 11 von rundem Querschnitt, normal zu ihren Längsachsen, mit einem Durchmesser von etwa 0,015 " (0,4 mm) befestigt. Die Fäden haben eine gegenüber der aus Kupferlegierung bestehenden Oberfläche des Verdampfers unterschiedliche Benetzbarkeitseigenschaft. Wenn ein Flüssigkeitsfilm 12 auf die Oberfläche aufgebracht wird, damit dieser in Richtung des Pfeiles A, wie in Fig. 3 dargestellt, fließt, so benetzt der Film die Oberfläche 10, doch wird wegen der Kontaktwinkel eigenschaften des Kunststoffmaterials in Bezug auf die Flüssigkeit die Oberfläche des Fadenwerks nicht benetzt. Beim Strömen über das Fadenwerk, in nicht- benetzendem Kontakt mit diesem, gelangt die Flüssigkeit nicht in

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die Hohlräume 13» die im Winkel zwischen der Oberfläche IO und der F adenober fläche gebildet werden, sondern diese Hohlräume halten eine Gasblase unter dem Flüssigkeitsfilm fest und bilden Kernbildungsstellen, an welchen sich vorwiegend Dampfblasen bilden, ohne daß der Flüssigkeitsfilm sehr gestört wird.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Verdampfers für vertikal fallenden Film wurde eine gewebte Hülse aus Kupferdraht über die Außenoberfläche eines Rohres aus Kupferlegierung gestreift. Ein Wasserfilm wurde dem oberen Bereich der Bohroberfläche zugeführt und floß als Film über das mit der Hülse überzogene Rohr. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine gute UmfangsverjELßilung des Wassers in der Filmströmung erzielt. Dampf wurde in die Bohrung des Rohres eingebracht un,d kondensiert, um auf diese Weise den für die Verdampfung notwendigen Temperaturranstieg zu erreichen. Eine bedeutende Verbesserung der Wärmeübertragungsrate wurde im Vergleich zu einer glatten Verdampferoberfläche unter den gleichen Betriebsbedingungen festgestellt, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Verdampferbetriebs führte.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit durch Strömen eines Flüssigkeitsfilms über eine glatte Verdampfungsfläche, die ein Fadenwerk aus einem Material trägt, dessen Oberfläche wesentlich weniger durch die Flüssigkeit benetzbar ist als das Material der Verdampfungsfläche, wobei der Fadenquerschnitt normal zur Längsachse so ist, daß Kernbildungsstellen dort gebildet werden, wo die Oberfläche des Fadens die Verdampferfläche schneidet, sowie durch Zuführen von Wärme zur Verdampferoberfläche, und zwar entfernt von derjenigen, welche das Fadenwerk trägt, um Flüssigkeit aus dem Film herauszusieden.

Patent ansprüche

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Claims (3)

233138S 75 036 kü/g ■ 19. JUN11973 Patentansprüche

1. Filmverdampfer, gekennzeichnet durch eine metallische Verdampfungsfläche, die, im wesentlichen eng anliegend, Fäden trägt, deren Oberfläche eine Benetzbarkeit haben, die bedeutend geringer als diejenige der metallischen Verdampfungsfläche ist, und einen Kontaktwinkel aufweist, dessen Tangens größer als ti-ΐε ist, wobei der Querschnitt des Einzelfadens normal -r-x seiner Längsachse so ist, daß an der Schnittstelle der Oberflächen da;· Verdampfungsfläche und des Fadens Hohlräume gebildet werden, die als Fernbildungsstellen wirksam sind.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelfaden einen runden Querschnitt aufweist.

3. Verdampfer nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeiaanec, daß das Fadenwerk die Form eines offenen Maschenwerks hat*

4. Verdampfer mit einer zylindrischen Verdampfungsfläche und nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Maschenwerk zylindrisch ist und die Oberfläche bedeckt.

5. Verdampfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelfaden aus Kunststoff oder einem kunststoffüberzogenen Material besteht.

6. Verdampfer nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Faden aus Polypropylen besteht.

7. Verdampfer nach einem oder mehreren der Ansprüche Λ bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelfäden ein Metalldraht ist, der einen nicht-benetzbaren'überzug oder einen.über?v:g -",ragt,

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der bedeutend weniger benetzbar ist als derjenige der Verdampfungsfläche .

8. Verdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden ein Kupferdräht mit einem Kupferoxidüberzug ist.

9· Verdampfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelfaden einen Durchmesser Von mehr als 0,005 " (. 0,1mm) und weniger als 0,050" (0,76 mm) aufweist.

10. Verdampfer nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelfaden einen Durchmesser zwischen 0,010 und 0,020 " (zwischen 0,25 und 0,5 mm) aufweist.

11. Verdampfer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenweite im Durchmesser etwa 0,10" (etwa 2,5 mm) beträgt.

12. Fallfilm-Verdampf er anlage, gekennzeichnet durch Metallrohr-Außenflächen als Verdampfungsflächen, welche ein Fadenwerk aus einem Material tragen, dessen Oberflächen-Benetzbarkeit bedeutend geringer ist als die der Verdampfungsfläche, sowie durch eine Verteilungseinrichtung zum Einbringen eines Heizmediums in die Bohrungen der Rohre, derart, daß Flüssigkeit von den Rohr-Außenflächen von Kernbildungssteilen aus verdampft wird, die dort angeordnet sind, wo die Oberfläche des Fadenwerks diejenige des Rohres schneidet.

13. Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film der Flüssigkeit über eine plane Verdampfungsfläche zum Fließen gebracht wird, die ein Fadenwerk trägt, dessen Oberfläche durch die Flüssigkeit weniger benetzbar ist als das Material der Verdampfungsfläche, wobei der Faden-

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querschnitt normal zu dessen Längsachse so ist, daß Kern-"bildungsstellen dort gebildet werden, wo die Oberfläche des Fadenwerks die "Verdampfungs fläche schneidet, und daß Wärme an die Verdampf ungsfläche geleitet wird, die derjenigen abgelegen ist, welche das Fadenwerk trägt, derart, daß Flüssigkeit aus dem Film herausgesiedet wird.

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