DE2837892C2 - Vorrichtung zum Kondensieren von Dampf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit mehreren Wärmetauschelementen, in denen Dampf durch einen an der Oberfläche herabfließenden Flüssigkeitsfilm kondensiert wird und die aus jeweils zwei im Abstand parallel zueinander angeordneten Platten bestehen, die an ihren Rändern miteinander dicht verbunden sind und die in einem oberen und einem unteren Abschnitt über je eine Leitung dampf- und kondensatseitig miteinander verbunden sind.

In vielen industriellen Anwendungsfällen ist Dampf zu kondensieren, um ihn aus dem Verfahren abzuscheiden, beispielsweise um Wasser wiederzugewinnen oder aus verschiedenen anderen Gründen. Beispielsweise werden in Verdampfersystemen der Holzfaser- und Papier-Industrie Oberflächenkondensatoren verwendet, die es erlauben, das warme, aus dem Wasserdampf wiedergewonnene Kondensatwasser wieder in den Verfahrensvorgang rückzuführen.

Wenn Wasserdampf oder anderer zu kondensierender Dampf dampfförmige Substanzen enthält, die flüchtiger sind als das Wasser oder die anderen Substanzen, die den durch Kondensation wiederzugewinnenden Hauptbestandteil des Dampfes bilden, dann besteht eine Möglichkeit zur Behandlung des Dampfes darin, sämtliche Bestandteile desselben zu kondensieren, d. h. auch die hochflüchtigen Bestandteile, und zwar durch Unterkühlen um ein vorbestimmtes Maß.

Die US-PS 37 88 954 betrifft ein Destillationsverfahren und zeigt eine Kondensationsvorrichtung, die obere und untere Kondensationskammern aufweist, die durch eine horizontale Trenn- oder Prallwand voneinander getrennt sind, die dazu bestimmt ist, die weniger flüchtigen Komponenten von den flüchtigeren Komponenten des zu kondensierenden Dampfes zu trennen. Die US-PS 32 61 392 zeigt einen Verdampfer mit einer vertikal angeordneten Trennwand, die einen Heizraum trennt Ein Wärmetauscher mit plattenförmigen Wärmetauschelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der US-PS 33 32 469 beschrieben.

In der Wärmetauschertechnologie und speziell in der Technik der Oberflächenkondensatoren der verschiedensten Arten liegen sehr umfangreiche Erfahrungen vor. Bis jetzt gibt es jedoch noch kein voll zufriedenstellendes System zur wirksamen Trennung von Kondensat in einem plattenförmigen Wärmetauscher zu einem Konzentrat der flüchtigeren Bestandteile des zu kondensierenden Dampfes von den weniger flüchtigen

* Komponenten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Systeme zu vermeiden und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der es möglich ist, eine selektive Kondensation durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche. '

Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht aus einem Gehäuse, das eine Mehrzahl von Wärmetauschelementen umschließt, an deren Außenseiten eine Kühlflüssigkeit vorbeiströmt, die den in den Elementen enthaltenen Dampf kondensieren soil. Die Wärmetauschelemente bestehen jeweils aus zwei breiten Platten, die an ihren Rändern bis auf je eine öffnung am Boden und am oberen Ende dicht miteinander verbunden sind. Eine Verzweigungs- oder Verteilerleitung verbindet alle Wärmetauschelemente an ihren oberen Enden miteinander, so daß der Dampf frei vom einen Element zum nächsten fließen kann. Weiterhin ist eine bodenseitige Verbindungsleitung vorgesehen, die sich in jedes der Wärmetauschelemente öffnet In dieser Verbindungsleitung ist jedoch eine Trennwand angeordnet, die den einen Endbereich der Verjii/dungsleitung vom anderen Endbereich abtrennt.

Der zu kondensierende Dampf wird in die Innenräume aller Wärmetauschelemente zur einen Seite der Trennwand in der Verbindungsleitung zugeführt Der Dampf steigt dann in diesen Wärmetauschelementen nach oben und wird darin teilweise kondensiert. Das gebildete Kondensat enthält die leichter kondensierbaren Bestandteile des Dampfes.

Die flüchtigeren Bestandteile des Dampfes werden nicht so schnell kondensiert und gelangen zur oberen Verbindungsleitung und durch diese hindurch zu jenen Wärmetauschelementen, deren Böden sich auf der andeien Seite der Trennwand in die untere Verbindungsleitung öffnen. Die weitere Abkühlung des Dampfes kondensiert die flüchtigeren Bestandteile, und das Kondensat, das diese Bestandteile enthält, sammelt sich am Boden des Kondensators zur anderen (zweiten) Seite der Trennwand getrennt von dem reineren Kondensat auf der ersten Seite der Trennwand. Die beiden Kondensate lassen sich auf diese Weise getrennt aus der Vorrichtung abziehen. Die nichtkondensierbaren Gase und die Abgase werden auf der gleichen Seite der Trennwand abgezogen wie das verunreinigte Kondensat.

Die meisten Wärmetauschelemente stehen mit der Dampfeintrittsseite der unteren Verbindungsleitung in Verbindung, und das meiste Kondensat wird auf dieser Seite aus der Vorrichtung abgezogen. Der Dampf fließt aufwärts durch die meisten Wärmetauschelemente.

Die geringere Zahl der Wärmetauschelemente, in denen die flüchtigeren Bestandteile kondensiert werden,

Führen den Dampf in Abwärtsrichtung, so daß Abgase und nichtkondensierbare Gase an den unteren Enden jener Wärmetauschelemente entweichen können. Die Abgase können anschließend kondensiert und ihr Wärmegehalt in einer nachfolgenden Behandlungsstufe wiedergewonnen werden.

Die obige Beschreibung hat sich nur auf die Kondensation des Dampfes bezogen, nachfolgend soll jedoch auch die Kühlmittelströmung erläutert werden.

Das Kühlmittel kann als kontinuierlicher Kühlwasserstrom zugeführt werden, der aufgeheizt wird, während der Dampf kondensiert Das Kühlwasser kann jedoch auch mit Hilfe einer Umwälzpumpe im Kreislauf geführt werden und mit Hilfe einer Verdampfungskühlung außerhalb des beschriebenen Systems gekühlt werden, bevor es der Vorrichtung als Kühlmittel wieder zugeführt wird. Das Kühlmittel kann jedoch auch eine zu verdampfende Flüssigkeit sein. In letzterem Falle, bei welchem Wasser oder eine andere zu verdampfende Flüssigkeit als Kühlmittel zur Kondensation des Dampfes in den Wärmetauschelementen verwendet wird, fließt die Kühlflüssigkeit als ein dünner Film an den Außenflächen der Wärmetauschelemente abwärts, was zu einer Verdampfung eines beträchtlichen Anteils der Kühlflüssigkeit führt. Auf diese Weise arbeiten die Innenräume der Wärmetauschelemente als Kondensatoren, während die Außenflächen der gleichen Wärmetauschelemente innerhalb des Gehäuses als Verdampfer arbeiten.

In Versuchsanlagen wurde Wasserdampf kondensiert, der übelriechende und einen hohen biochemischen Sauerstoffbedarf aufweisende Substanzen enthielt Über 90% des Kondensats werden gebildet, während der Dampf auf der Dampfeintrittsseite der Trennwand in den Wärmetauschelementen aufwärtsströmt Das Kondensat, das hierbei gebildet wird, enthält jedoch weniger als 20% der verunreinigenden Substanzen. Die verbleibenden 80% der verunreinigenden Substanzen gelangen auch in die abwärts gerichtete Strömung in jenen Wärmetauschelementen, deren untere Enden auf der anderen Seite der Trennwand mit der unteren Verbindungsleitung verbunden sind. Die 20% des Gesamtkondensats, das zur einen Seite der Trennwand gebildet und gesammelt wurde, und die Abgase, die auf der schmutzig-Kondensat-Seitc abgezogen werden, führen zusammen über 80% der gesamten Verunreinigungen mit sich.

Das relativ klare Kondensat, das an der Mehrheit der Wärmetauschelemente gebildet wurde, ist im wesentlichen geruchlos und kanr: ohne weitere Aufbereitung in einen industriellen Verfahrensvorgang rückgeführt werden.

Der davon getrennte Strom verunreinigten Wassers kann zur weiteren Aufbereitung in einer Abscheidesäule od. dgl. verwendet werden.

Die Erfindung und ihre Vorteile sowie weitere vorteilhafte Merkmale sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig.2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1, der diejenige Seite zeigt, in welcher sauberes Kondensat gebildet wird;

F i g. 3 einen ähnlichen Schnitt wie F i g. 2, jedoch diejenige Seite der Vorrichtung, in welcher schmutziges Kondensat gebildet wirr";

F i g. 4 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach F i g. 1 längs der Linie 4-4;

Fig.5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 von

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtungen nach den F i g. 1 bis 5, wobei einige Teile weggebrochen sind und einige Teile nur als Phantome eingezeichnet sind.

Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 10 mit im wesentlichen vertikalen Vorder- und Rückwänden 12 und 13 und zwei Seitenwänden 14. Innerhalb des Gehäuses 10 sind mehrere Wärmetauschelemente 15 im Abstand parallel zueinander senkrechtstehend angeordnet Die Wärmetauschelemente 15 bestehem jeweils aus zwei parallel zueinander angeordneten breiten flachen Platten, die an ihren Rändern miteinander dicht verbunden sind und zwischen sich jeweils einen Hohlraum einschließen. Die Wärmetauschelemente 15 können zur Kondensation von Wasserdampf oder anderen Dämpfen verwendet werden, indem man diese Dämpfe durch die Innenräume der Wärmetauschelemente 15 leitet und einen indirekten Wärmev.--ergang zu einem Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, rsrsteül, das als dünner Film an den Außenflächen der Wärmetauschelemente 15 nach unten fließt

Einrichtungen zur Zuführung der Kühlflüssigkeit in das Gehäuse 10 und zur gleichmäßigen Verteilung derselben über die Außenflächen der Wärmetauschelemente 15 gehen aus den F i g. 1 bis 3 anschaulich hervor. Ein perforierter, im wesentlichen horizontal angeordneter Trog 16 ist quer über den Innenraum des Gehäuses 10 oberhalb der Wärmetauschelemente 15 angeordnet Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit fließt durch die Perforationslöcher des Trogs 16 nach unten auf die Außenflächen der Wärmetauschelemente 15 und fließt an diesen herunter. Die Kühlflüssigkeit wird zweckmä-Bigerweise nicht direkt in den Trog 16 eingeleitet, sondern besser in einen oben offenen Überlaufbehälter 17, der oberhalb des Trogs 16 angeordnet ist und die Kühlflüssigkeit gleichmäßiger im Trog 16 verteilt. V/enn sehr große Kühlmittelmengen verwendet werden, dann braucht man den Überlaufbehälter 17 nicht Der Überlaufbehälter 17 wird von einer Rohrleitung 18 mit Kühlflüssigkeit gespeist

Die Kühlflüssigkeit, die durch das Gehäuse 10 nach unten geflossen ist, wird am Boden des Gehäuses I¹O gesammelt, wo nach innen zusammenlaufende Bodenwände 22 und 23 als Verlängerungen der Vorder- und Rückwände 12 und 23 einen Sammler 24 bilden. Aus diesem Sammler 24 führt ein Auslaß 25 nach außen. Das Einlaßrohr 18 kann zusätzliche frische Kühlflüssigkeit je nach Bedarf dem Trog 16 zuführen. Wenn eine Rezirkulierung der Kühlflüssigkeit erfolgen soll, dann kann man eine Umwälzpumpe und Einrichtungen zum Rückkühltn der Kühlflüssigkeit vor dem Wiedereinführen in die Vorrichtung einsetzen.

Die beschriebene Anordnung zur Führuny der Kühlflüssigkeit außen an den Wärmetauschelementen entlang hat eine gleichmäßige und wirksame Kühlmittel-Strömung an den Außenflächen der Wärmetauschelemente 15 zur Folge, die zu einer Kondensation von Wasserdampf oder anderem Dampf innerhalb der Wärmetauschelemente 15 führt

Wasser- oder anderer zu kondensierender DampS tritt durch die Vorderwand 12 des Gehäuses 10 durch eine Leitung 26 (F i 7.2,5 und 6) ein. Eine hier nicht dargestellte Prallwand kann zur besseren Verteilung des Dampfes zusätzlich verwendet werden. Die Leitung 26 ist im unteren Bereich der Vorrichtung nahe den unteren Enden der Wärmetsuschelemente 15 gelegen. Die

Vorderkante eines jeden Wärmetauschelements 15 hat im unteren Bereich einen Ausschnitt 27, wie besonders deutlich aus F i g. 6 hervorgeht, d. h. die Ränder der Platten, die jeweils ein Wärmetauschelement 15 bilden, sind nicht überall dicht miteinander verbunden. Alternativ können Einlaß- und AuslaDkästen an die Wärmetauschelemente 15 angeschweißt sein, es kommen jedoch auch noch andere Herstellungsverfahren infrage. Die Ausschnitte 27 verbinden die Innenräume der Wärmetauschelemente 15 mit einer bodenseitigen Verbindungsleitung B, die sich quer zur Front des Gehäuses 10 in ihm erstreckt, wie Fig. I zeigt. Diese Leitung B weist eine obere Wand 28 und eine Bodenwand 29 auf. Die Vorderwand wird von der Vorderwand 12 des Gehäuses 10 gebildet. Weiterhin ist die Verbindungsleitung B von einer Rückwand 30 begrenzt, die an den Ausschnitten 27 zu den Wärmetauschelementen 15 hin geöffnet ist. Aus der Leitung B kann auf diese Weise nichts in den übrigen Innenraum des Gehäuses 10 austreten und umgekehrt, die Leitung B steht nur mit den Innenräumen der Wärmetauschelemente 15 über die Ausschnitte 27 in Verbindung.

Der zu kondensierende Dampf tritt in die Leitung B durch die Zuleitung 26 hindurch ein und gelangt dann durch die Ausschnitte 27 in die Wärmetauschelemente 15, in denen er beim Aufwärtsströmen (F i g. 2) kondensiert wird.

Die Leitung 5 ist auf ihrer gesamten Länge innerhalb des Gehäuses 10 nicht offen, sondern von einer Trennwand 31 unterbrochen, wie in den Fig. 1, 5 und 6 zu sehen ist. Der Dampf, der durch die Zuleitung 26 in die Leitung B eintritt, kann direkt nur in diejenigen Wärmetauschelemente 15 eintreten, deren Ausschnitte 27 auf derjenigen Seite der Trennwand 31 liegen, auf der die Zuleitung 26 in die Leitung B mündet.

'es wurde gefunden, daß die Tren

var.d 31 zweckmä-

ßigerweise so angeordnet werden sollte, daß sie die bodenseitigen Verbindungsleitung B in einen relativ langen Abschnitt 32 und einen relativ kurzen Abschnitt 33 teilt. Dies erlaubt eine direkte Verbindung der meisten Wärmetauschelemente 15 mit dem Dampfeingang über die Zuleitung 26 über den längeren Verteilerabschnitt 32, wie die F i g. 5 und 6 zeigen.

Es soll nun der obere Vorderbereich der Wärmetauschelemente erläutert werden, wo eine obere Verbindungsleitung H angeordnet ist, die sich im Gehäuse 10 erstreckt und die oberen Vorderenden aller Wärmetauschelemente 15 miteinander verbindet. Die obere Verbindungsleitung H weist auf ihrer ganzen Länge keine Verengungen. Trennwände od. dgl. auf. Die Warmetauschelemente 15 haben oben jeweils einen Ausschnitt 37, der sich in die Verbindungsleitung H hinein öffnet Mit Ausnahme an den Ausschnitten 37 ist die Verbindungsleitung H allseitig geschlossen, und zwar durch eine Obenvand 38, eine Bodenwand 39, eine Rückwand 40 und durch die die Vorderwand bildende vordere Gehäusewand IZ

Der Aufbau der Verbindungsleitungep. B und H, die Anordnung der Wärmetauschelemente 15, die nur an den Öffnungen bzw. Ausschnitten 27 und 37 offen sind, und die Trennwand 31 bewirken, daß der Dampf durch jene Wärmetauschelemente 15 aufwärts strömt, die mit der Leitung B im Abschnitt 32 verbunden sind, und durch die restlichen Wärrnctaüscheiernente i5 nach unten strömt, die mit dem Abschnitt 33 der Leitung B auf der anderen Seite der Trennwand 31 verbunden sind. Dieser Strömungsweg geht besonders anschaulich aus den F i g. 4 bis 6 hervor.

Das in den Wärmetauschelementen 15 gebildete Kondensat wird durch zwei Kondensatautlässe 41 und 42 nach außen abgegeben (F i g. 2, 3 und 6). Der Kondensatauslaß 41 führt aus dem Abschnitt 32 der bodenseitigen Verbindungsleitung Sund der Kondensatauslaß 42 führt aus dem kürzeren Abschnitt 33 dieser Leitung B nach außen. Der Auslaß 41 liegt unterhalb der Dampfzuleitung 26 und der Auslaß 42 liegt unterhalb der Auslaßleitung 36 für nichtkondensierten Dampf oder Gase. Wie F i g. 6 zeigt, kann die untere Wand der bodenseitigen Verbindungsleitung B so geformt sein, daß die Kondensatausleitung erleichtert wird. Die Trennwand 31 teilt die bodenseitige Verbindungsleitung Sin zwei ungleiche Abschnitte, wie bereits erläutert wurde. Der Dampf, beispielsweise Wasserdampf, strömt deshalb durch eine größere Anzahl Wärmetauschelemente 15 nach oben und eine kleinere Anzahl Wärmetauscheiemetiie 15 nach unten. Das Verhältnis dsr ar: die Abschnitte 32 und 33 angeschlossenen Oberflächen hängt von dem zu kondensierenden Fluid ab. Für einen Vorverdampfer für das bei der Kraftpapierherstellung anfallende Abwasser ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn 90% der Wärmetauschelemente 15 mit dem Dampfeinlaßabschnitt 32 in direkter Verbindung stehen, während die übrigen Wärmetauschelemente 15 mit dem Abschnitt 33 der bodenseitigen Verbindungsleitung B in direkti- Verbindung stehen. Für andere Zwecke kann ein davon abweichendes Verhältnis vorteilhaft sein. In einem typischen Fall eines Vorverdampfers für das bei der Kraftpapierh-erstellung anfallende Abwasser, in welchem Wasserdampf kondensiert werden soll, werden etwa 90% des Dampfes während des Aufwärtsströmens durch die größere Zahl der Wärmetauschelemente 15 kondensiert, so daß nur etwa 10% des Dampfes für den Weg über die obere Verbindungsleitung H und die anderen Wärmetauschelemente 15. die mit dem Auslaß 36 in direkter Verbindung stehen, übrigbleiben. Diese 10% des Dampfes sind jedoch reich an flüchtigen Verunreinigungssubstanzen bzw. solchen mit niedrigem Siedepunkt. Das Kondensat, das während des Abwärtsströmens gebildet wird und durch den Auslaß 42 abgeleitet wird, ist sehr viel reicher an übelriechenden Bestandteilen und biochemischen Sauerstoffbedarf erzeugenden Bestandteilen, als das Kondensat, das auf der Dampfeintrittsseite durch den Auslaß 41 abgeleitet wird. Probeläufe zeigten als Ergebnis einen Gehalt von weniger als 20% an solchem übelriechendem Kondensat in den 90% des während des Aufwärtsströmens gebildeten Kondensats und über 80% an solchen übelriechenden Bestandteilen in den übrigen 10% des während ues Abwärtsströmens gebildeten Kondensats und den Abgasen, die an den Kondensatauslaß 42 und den Auslaß 36 abgegeben werden.

Die vorangehende Beschreibung betraf die Dampfströmung durch die Innenräume der Wärmetauschelemente 15 und hat die Kühlflüssigkeitsströmung an den Außenflächen der Wärmetauschelemente nur im Hinblick auf die Kühlwirkung an dem zu kondensierenden Dampf behandelt Es ist jedoch auch bedeutsam, die Verdampfung dieser Kühlflüssigkeit durch den Wärmeübergang aus dem kondensierenden Dampf in die Betrachtungen einzubeziehea Weil das Wasser bzw. eine andere Kühlflüssigkeit an den Wärmetauschelementen 15 als ein dünner Film hinunterfließt, wird ein beträchtlicher Anteil dieser Kühlflüssigkeit verdampft Dieser Effekt kann vorteilhaft dazu ausgenutzt werden, eine solche Flüssigkeit als Kühlmittel zu verwenden, die ohnehin — aus anderen Gründen — verdampft werden

soll. Während die Innenräume der Wärmetauschelemente 15 also als Kondensator arbeiten, wirkt der Außenraum um die V/ärmetauschelemente 15 innerhalb des Gehäuses 10 als Verdampfer.

Beispielsweise wird zu dem Trog 16 von der Pumpe P rezirkulierte Flüssigkeit mit der zu verdampfenden Flüssigkr.« vermischt durch das Rohr 18 zugeführt und die gebildeten Dämpfe strömen von den Außenseiten der Wärmetauschelemente 15 weg, weil die Flüssigkeit vom heißen Dampf in den Wärmetauscheleir.enten 15 aufgeheizt wird. Der gebildete Dampf steigt zum oberen Teil der Vorrichtung über dem Trog 16 auf. F i g. 6 der Zeichnungen zeigt, wie die Gehäusewand 13 von dem nächstgelegenen Wärmetauschelement 15 entfernt sein

kann, damit die im Gehäuse 10 gebildeten Dämpfe ungehindert nach oben aufsteigen können. Diese Dämpfe können dann entweder durch den Zwischenraum an der Längsseite des Troges 16 oder durch eine Leitung zum Kopf des Gehäuses 10 aufsteigen, wo eine Abzugs- und Abscheideeinrichtung od. dgl., die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, dazu verwendet werden kann, den durch Verdampfung der Kühlflüssigkeit erzeugten Dampf aufzubereiten. Die F i g. 1 bis 3 zeigen, daß das Gehäuse 10 in der Mitte am Kopf bei 50 entlüftet wird, es sei jedoch auch betont, daß an jener Stelle eine Abscheideeinrichtung vorgesehen sein kann, mit welcher vom Dampf mitgeführte Flüssigkeitströpfchen aufgefangen werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

. Patentansprüche:

1. Vorrichtung mit mehreren Wärmetauschelementen, in denen Dampf durch einen an der Oberfläche herabfließenden Flüssigkeitsfilm kondensiert wird und die aus jeweils zwei im Abstand parallel zueinander angeordneten Platten bestehen, die an ihren Rändern miteinander dicht verbunden sind und die in einem oberen und einem unteren Abschnitt über je eine Leitung dampf- und kondensatseitig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

daß die kondensatseitige Verbindungsleitung (B) durch eine die Wärmetauschelemente (15) in Gruppen unterteilende Trennwand (31) in zwei Abschnitte (32,33) unterteilt ist, deren jeder einen Kondensatauflaß (41,42) aufweist, und
daß der eine Abschnitt (32) der kondensatseitigen Verbindungsleitung (B) den Dampfeinlaß (26) und der andere Abschnitt (33) einen Auslaß (36) für nichtkondensierten Dampf oder Gase aufweist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen der Wärmetauschelemente (15) unterschiedlich groß sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Gruppe der Wärmetauschelemente (15), die dem dampfeinlaßseitigen Abschnitt (oJ) der Verbindungsleitung (B) zugehört, beträchtlich größer kl als die andere Gruppe.