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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVr 259990 KLASSE 89 e. GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 17. Februar 1911 ab.

Um eine möglichst wirtschaftliche Verdampfung zu erzielen, sind Verdampf- bzw. Kochapparate in Anwendung, bei welchen nur der ersten Kammer zwecks Verdampfung äußere Wärme zugeführt wird, während alle übrigen Kammern ihre Verdampfwärme von den in den vorhergehenden Kammern sich bildenden Schwaden erhalten, wobei zwecks Erzielung günstiger und rascher Verdampfung

ίο ein Absaugen der Schwaden bzw. eine Teilevakuierung in den Kammern angewandt wird.

Man hat derartige Verdampfapparate u. a. etagenförmig ausgeführt, wobei der Dampf aus der einen Kammer in die nächstfolgenden durch Rohrleitungen geführt wird. Diesen Einrichtungen haftet der Nachteil an, daß durch Anwendung der Verbindungsrohre ein großer Wärmeverlust stattfindet. Abgesehen davon wird durch Anwendung der Rohre eine bedeutende Verteuerung des Verdampfapparates hervorgerufen. Um den Verdampfverlust, der durch die Anwendung freiliegender Rohre verursacht wird, nach Möglichkeit zu vermeiden, hat man ferner Verdampfapparate konstruiert, welche aus kastenförmigen, liegenden, nebeneinander angeordneten Kammern bestehen, bei denen der Dampf aus der einen Kammer in die nächstfolgenden durch Verbindungsleitungen hinübergeführt wird, welche durch zwischen die einzelnen Elemente eingebaute Wände gebildet werden. Zwar wird dadurch der Wärme verlust, der sonst bei Anwendung freier Röhren entstand, bedeutend eingeschränkt, indessen muß man bei dieser Einrichtung den bedeutenden Nachteil mit in Kauf nehmen, daß die eingebauten Verbindungsleitungen zum Zwecke einer eventuellen Reinigung usw. nicht zugänglich sind. Des weiteren wird dadurch ebenfalls eine Verteuerung des ganzen Apparates verursacht, welche keineswegs so geringfügig ist, da der Querschnitt der Verbindungsleitungen groß gewählt werden muß, um zu verhindern, daß Saftteile mit dem Dampf in die Leitung mitgerissen werden.

Diese Nachteile werden gemäß vorliegender Erfindung dadurch behoben, daß der Verdampfapparat, welcher in bekannter Weise mit Dampfröhren ausgerüstet ist, die parallel zu einer Seitenwand verlegt sind, aus einzelnen kastenförmigen Elementen besteht, die so untereinander verbunden sind, daß der in jedem vorangehenden Element entwickelte Dampf unmittelbar in die Heizkammer des folgenden Elementes tritt, so daß Rohre, welche sonst die Dampfräume der einzelnen Kammern verbinden, in Fortfall kommen.

Des ferneren wird die Ausnutzung des Dampfes gemäß der Erfindung dadurch bedeutend vergrößert, daß die Anzahl der Verdampfungsröhren den jeweiligen Bedingungen der Wärmeabgabe in jedem folgenden Element größer ist als im vorangehenden. Außerdem wird aus demselben Grunde die Länge der Röhren in jedem folgenden Element kleiner gehalten als im vorangehenden.

Eine diesen Zweck erfüllende Verdampfungs-

anlage ist in den Zeichnungen veranschaulicht, und zwar zeigt:

Fig. ι eine Draufsicht auf einen viergliedrigen Apparat,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-B der Fig. i, ■

Fig. 3 einen Querschnitt nach den Linien C-D-E-F-G-E-K-L der Fig. 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht,

ίο Fig. 5 endlich eine Vorderansicht gemäß Fig. 4, von links gesehen.

Jedes Element des neuen Apparates stellt für sich einen gewöhnlichen, liegenden Verdampfapparat von einer Kastenform dar, in welchem die die Heizfläche bildenden Rohre nicht in Längs-, sondern in Querrichtung angeordnet sind. Das erste, unterste Element, in welches die zum Kochen bestimmte Flüssigkeit eintritt, besitzt auf einer Seite eine Dampfeinlaßkammer M₁, welcher der Heizdampf durch einen oder mehrere Einlaßstutzen α zugeleitet wird, um nach Durchgang durch die Heizrohre aus der Sammelkammer N₁ mittels des Stutzens b₁ durch eine Pumpe o. dgl. als Kondensat abgesaugt zu werden. Der Stutzen C₁ dient zur Entfernung von Gasen, Luft usw. Alle folgenden Elemente besitzen keine Dampfeinlaßkammern. Die Elemente sind nämlich derart miteinander verbunden, daß für jedes von ihnen die Rolle der Dampfeinlaßkammer der Dampf raum des vorangehenden Elements spielt. Auf diese Weise dient der Dampfraum des ersten Elements als Dampfeinlaßkammer für das zweite Element usw. Das zweite, dritte, vierte usw. Element besitzen nur die Kammern N₂, N₃, N^ zur Ableitung des Wassers und der Gase, welche in bekannter Weise mittels Automaten oder Pumpen entfernt werden.

Der Boden und der Flüssigkeitsspiegel (z. B. in Zuckerfabriken der Spiegel des Zuckersaftes) müssen in jedem folgenden Element um so viel höher liegen, daß der Saftschaum und die Spritzteilchen von einem Element in die Röhrchen des folgenden nicht gelangen können.

Die Stutzen bzw. Ventile A₁, d₂, d₃ (Fig. 4) usw. dienen zur Zuleitung des Saftes zu den entsprechenden Elementen, die Stutzen e_1: e_%, e₃ usw. dagegen zur Ableitung des Saftes. Durch diese Stutzen und durch die dieselben verbindenden Röhren e_v d₂, e₂, d₃ usw. wird der Saft von einem Element in das andere angesaugt. Der eingedickte Saft wird durch den Stutzen e₄ der obersten Kammer mittels einer Pumpe entfernt. Um die Zuleitung des Saftes und dessen Übergang von einer Kammer in die ■ andere zu regulieren, sind besondere Ventile vorgesehen. Der Stutzen O dient zur Ableitung des Saftdampfes nach dem Kondensator. P₁, P₂, P₃ usw. sind Schirme, welche das Gelangen des Saftes von einer Kammer in die Heizrohre der folgenden hindern. Die Schirme sind, wie aus der Fig. 2 zu ersehen, an einer Längswand und den beiden Stirnwänden befestigt. Die freien Räume A₁, R₂, R₃ usw. zwischen den oberen Rändern der Schirme und der anderen Kammerlängswand dienen zur Ableitung der in diesen Elementen gebildeten Dämpfe in die Heizrohre des folgenden Elements. Q₁, Q₂, Q₃ sind Einsteiglöcher, während mit S₁₁S₂₁S₃ usw. (Fig. 4) Schaufenster bezeichnet sind.

Die die Heizflächen bildenden Röhrchen können entweder in die Wände der Kammern eingewalzt oder auch mit Hilfe von Gummiringen in die Wände eingesetzt werden.

Um sich über die Wirkungsweise einer derart eingerichteten Verdampfanlage Klarheit zu verschaffen, soll angenommen werden, daß der Dampf des ersten Elements für keine anderen Zwecke als nur zur Verdampfarbeit in den anderen Elementen verwendet werden soll. Weiter soll angenommen werden, daß der Verdampfung chemisch reines Wasser unterliegt, welches auf den Röhrchen keinen Satz bildet, daß zur Heizung Dampf aus den Maschinen von etwa 3 Atm. benutzt wird, und daß die Dämpfe aus dem Element 4 in den Kondensator und in eine Luftpumpe gelangen, welche im vierten Element eine konstante, verdünnte Atmosphäre von 60 cm Wassersäule aufrechterhalten. Unter diesen Verhältnissen ist der absolute Druck des Abdampfes = 1,5 Atm., und der absolute Druck im Luftraum des vierten Elementes wird 0,2 Atm. sein.

Bei gleicher Fläche aller Elemente beträgt der Druck : im ersten Element 1,175 Atm., im zweiten Element 0,850 Atm., im dritten Element 0,525 Atm., im vierten Element 0.200 Atm., d. h., der Druckunterschied in zwei benachbarten Elementen ist 0,325 Atm. = 3,3 m einer Wassersäule. Angenommen, daß das spezifische Gewicht der Flüssigkeit im dritten Element 1,3 ist, dann muß die Säule dieser Flüssigkeit, welche eine Wassersäule von 1,3 m ausbalancieren soll, 3,3 : 1,3 = 2,54 m sein. Daraus folgt, daß bei einem Niveauunterschied der Flüssigkeit im dritten no und vierten Behälter von 2 m das Ansaugen der Flüssigkeit aus einem Element in das andere ungehindert vor sich gehen kann. Ist der Druckunterschied zwischen jedem vorangehenden und folgenden Element gleich, so ist auch der Temperaturunterschied gleich und beträgt rund 14⁰C.

Ist nun der Temperaturunterschied zwischen den Elementen gleich und die Heizfläche dieselbe sowie aus demselben Material angefertigt, und besitzen die Heizrohre denselben Durchmesser, dann wird gewöhnlich an-

genommen, daß die Leistungsfähigkeit der Heizelemente dieselbe ist, immer unter der Voraussetzung, daß in allen Kammern chemisch reines Wasser verdampft wird. Auf diesem Prinzip beruhen die Konstruktionen aller jetzt üblichen Verdampfapparate. Die Praxis zeigt jedoch, daß die ersten Elemente viel leistungsfähiger sind als die letzten. Auf Grund von Versuchen und Erwägungen hat es sich nun

ίο gezeigt, daß die Ursache der Verminderung der Leistungsfähigkeit der folgenden Elemente darin liegt, daß das Dampfvolumen mit der Verminderung des Druckes sich vergrößert.

Nach der Tabelle von Zeuner hat ι kg Dampf: bei einem Drucke von 1,5 Atm. ein Volumen von 1,1268 cbm, beim Druck im i. Element von 1,175 Atm. = 1.4197 cbm, beim Druck im 2. Element von 0,850 Atm. = 1,9295 cbm, beim Druck im 3. Element von 0,525 Atm. = 3,0465 cbm.

Da alle Verdampfapparate bis jetzt so konstruiert werden, daß in allen Elementen die Summe der Rohrquerschnitte, durch welche der Dampf geht, beinahe gleich ist, so ergibt sich, daß bei einer angenommenen Geschwindigkeit im ersten Element von 20 m per Sekunde die Geschwindigkeit im zweiten Element = 25 m, im dritten =- 35 m und im vierten Element = 60 m betragen müßte.

Es müßte mit anderen Worten die Geschwindigkeit trotz Abnahme des Druckes steigen, was aber gesetzwidrig ist. Tatsächlich kamen bei den bisherigen Apparaten auch keine Geschwindigkeitssteigerungen zustande, weshalb der Dampf in den letzteren Elementen nicht die ganze Fläche bestreichen konnte, wodurch wiederum ein bedeutender Teil der Heizfläche unausgenutzt blieb und die Verdampfung der Heizfläche nicht entsprach. Theoretische Erwägungen ergeben, daß, wenn zur vorteilhaftesten Abgabe der Wärme die Dampfgeschwindigkeit in den Rohren des ersten Elementes 20 m per Sekunde beträgt, diese Geschwindigkeit bei der geringen Dampfspannung in den folgenden Elementen kleiner als 20 m und in keinem Falle größer sein muß.

Dieser Schluß beruht auf folgenden Erwägungen. Stellt man sich vor, daß ein langes Rohr in Wasser von konstanter Temperatur eingetaucht ist, und läßt man in das Rohr an dessen einem Ende Dampf von beliebigem Druck ein, so wird mit der Entfernung von der Einlaßöffnung die Temperatur des Dampfes allmählich sinken, bis sie mit der Temperatur des Wassers gleich wird. Berechnungen ergeben, daß bei einem Dampfdruck von 1,5 Atm., einem Kupferrohr von 20 mm Durchmesser und einer Temperatur des Wassers von 20" C. die Dampftemperatur in einer Entfernung von 25 m der Einlaßöffnung der Wassertemperatur , von 20 ° C.

gleich ist. In diesem Punkt ist also die Wärmeabgabe gleich Null, wogegen die Wärmeabgabe am Einlaß (112—20) · 22 beträgt, worin 112° die Dampftemperatur, 20 ° die Wassertemperatur und 22 der Wärmeabgabekoeffizient ist. Die Verminderung des Wärmeabgabevermögens geht gleichmäßig vor sich und beträgt auf einen laufenden Meter = (112—20) -22:25 = 81 Wärmeeinheiten. Auf diese Weise überträgt der erste laufende Meter 2025 Wärmeeinheiten, der 10. 2025—(81 · 10) = 1215, der 20. = 2025—(81 · 20) = 405 und der 25. = 2025—(81 · 25) = 0. Daraus ergibt sich die mittlere Wärmeabgabe eines Rohres von 2025 + ο.

25 m:

= 1012 Wärmeeinheiten, bei

einer Rohrlänge von 20 m:

= 1215

und endlich bei einer. solchen von 10 m:

2025 + 1215

= 1620 Wärmeeinheiten. Daraus

sieht man, daß mit der Kürze der Heizröhrchen die Leistungsfähigkeit der Heizanlage zunimmt. Auf. Grund der angeführten Daten über die Dampf geschwindigkeit in den Heizrohren kommt man zu folgendem Schluß. Damit in einer Verdampfungsanlage mit mehrfacher Verdampfung, bei welcher Elemente mit gleicher Heizfläche Anwendung finden, alle Elemente gleich intensiv verdampfen, ist es nötig, daß die Dampf geschwindigkeit in den Rohren aller Elemente gleich ist, und daß zu diesem Zwecke die Querschnittsummen aller Heizröhren einzelner Elemente in einem solchen Verhältnis zueinander stehen wie die Volumin# ihrer Dämpfe, mit anderen Worten, es müssen diese Querschnitte umgekehrt proportional den Dampfdrucken in den einzelnen Elementen sein. Sind die Heizflächen in allen Elementen gleich und bestehen dieselben aus Röhren von gleichem Durchmesser, so ist es klar, daß zur Einhaltung dieser Regel die Anzahl der Rohre in jedem folgenden Element größer, dagegen ihre Länge kleiner sein muß: Da aber die Leistungsfähigkeit der Röhren mit iher Kürze relativ zunimmt, so ergibt sich, daß bei einer Verdampfanlage, welche auf dem angeführten Prinzip beruht, alle Elemente gleich leistungsfähig werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der ganzen Anlage im Vergleich mit den üblichen größer sein muß. Die nach dem neuen Prinzip konstruierte Anlage besitzt folgende Heizflächendimensionen:
i. Element = Rohrlänge 3 m, Anzahl ii2Stück,

3- - = 1.75-. -

4. - = - 1,25-,

Wie bereits erwähnt, bezieht

140 -

196 -

301 - .

sich diese

Dimensionierung auf eine Verdampf anlage, bei welcher der Dampf in der ersten Kammer nur in der Anlage Verwendung findet, und

bei welcher chemisch reines Wasser benutzt wird. Soll statt Wasser Zuckersaft oder eine andere Flüssigkeit gekocht werden, so muß naturgemäß die Fläche jedes folgenden EIements etwas größer als die des vorangehenden sein. Diese Vergrößerung muß den jeweils vorliegenden, praktisch bestimmbaren Koeffizienten der Verminderung der Wärmeleitungskraft infolge der Verdickung des Saftes

ίο und dem Satz in den Heizrohren entsprechen. Soll einem der Elemente, z. B. dem dritten Element, Dampf zur Wärmung anderer Apparate entnommen werden, dann muß die Oberfläche dieses Elements, wie auch alle vorangehenden, um eine entsprechende Anzahl von Rohren vergrößert werden.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Verdampfapparat mit mehrfacher Ausnutzung des Dampfes in kastenförmigen, liegenden Kammern, deren Dampfröhren parallel zu einer Seitenwand verlegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einzelnen, kastenförmigen Elementen besteht, die so untereinander verbunden sind, daß der in jedem vorangehenden Element entwickelte Dampf unmittelbar in die Heizkammer des folgenden Elementes tritt, so daß Rohre, welche sonst die Dampfräume der einzelnen Kammern verbinden, in Fortfall kommen.
2. Verdampfapparat nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verdampfungsröhren in jedem folgenden Element größer ist als im vorangehenden.
3. Verdampfapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Röhren in jedem folgenden Element kleiner ist als im vorangehenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.