DE2904059C2

DE2904059C2 - Direktkontakt-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2904059C2
Application number: DE2904059A
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Akatu; Kojiro Kaneko; Michio Hitachi Ibaraki Kuroda; Shozo Hitachiouta Ibaraki Nakamura; Ryoichiro Hitachi Ibaraki Oshima; Seiichiro Sakaguchi; Shigehisa Sugita; Satoshi Tsukahara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-03
Filing date: 1979-02-02
Publication date: 1982-02-04
Also published as: US4275563A; JPS54104064A; DE2904059A1; JPS5744918B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Direktkontakt-Wärmetauscher, in dem ein flüssiges, wärmeabgebendes Heizmedium ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium für eine Energieerzeugungsanlage verdampft.

Als Arbeitsmedium für Energieerzeugungsanlagen wird häufig ein niedrigsiedendes Medium verwendet wie Freon, Butan, Ammoniak u. dgl. Dieses wird durch Wärmetausch mit einem erwärmten, wärmeabgebenden Heizmedium wie erwärmten, wärmeabgebenden Heizmedium wie erwärmten Esteröl, Turbinenöl, Alkylbenzolöl o. dgl. verdampft. Normalerweise haben diese niedrigsiedenden Arbeitsmedien jedoch nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Wärmewiderstand zum Zeitpunkt der Verdampfung. Wenn daher Wärme zu übertragen ist, müssen die Bereiche zur Wärmeleitung vergrößert werden. Dadurch werden die Wärmetauscher groß und sperrig, so daß die gesamte Anlage in bezug auf Wirtschaftlichkeit nachteilig beeinflußt wird. Es ist daher erforderlich, die Größe der Wärmetauscher zu vermindern.

Die JA-OS 52-118 146 betrifft einen Direktkontakt-Wärmetauscher zum Erwärmen eines niedrigsiedenden Mediums, das als Arbeitsmedium dient und in einem Wärmetauscher mit einem wärmeabgebenden Heizmedium in direkten Kontakt gebracht wird. Nach der genannten Veröffentlichung wird entweder das niedrigsiedende oder das wärmeabgebende Medium in einen unteren Abschnitt des Wärmetauschers eingeführt, und die jeweils andere Flüssigkeit wird in einen oberen Abschnitt des Wärmetauschers eingeführt, so daß die beiden Flüssigkeiten den Wärmetauscher im Gegenstrom durchströmen. Wenn jedoch die beiden Flüssigkeiten im Gegenstrom durch den Wärmetauscher strömen, kollidieren sie miteinander, so daß die Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher und in dem den Wärmetauscher enthaltenden geschlossenen Kreislauf geschwächt wird. Infolgedessen kann der Wärmetauscher seine Wärmeübertragungsleistung nicht ausreichend steigern und die Turbine kann somit ihren Arbeitswirkungsgrad ebenfalls nicht erhöhen. Um die Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums zu erhöhen, ist ferner im geschlossenen Kreislauf des wärmeabgebenden Mediums eine Pumpe angeordnet, die eine große Kapazität haben muß.

Durch die DE-PS 3 01 836 ist ein Direktkontakt-Wärmetauscher bekannt geworden, bei dem im untersten Teil eines senkrecht stehenden Dampferzeugers ein niedrigsiedendes Medium wie Wasser in feinverteiltem

Zustand eingeleitet wird, während im oberen Teil des Dampferzeugers ein hochsiedendes Medium z. B. Öl zugeführt wird. Die beiden Medien begegnen sich im Dampferzeuger im Gegenstrom. Dabei ist nachteilig, daß das oben eingeleitete öl, da es leichter als Wasser ist, entgegen seiner Aufschwimmtendenz nach unten fließen muß.

Die US-PS 22 22 575 zeigt einen waagerecht liegenden Wärmetauscher, in den Wasser oder Dampf über waagerecht liegende, nach unten spritzende Düsen eingeleitet wird, während heißes öl von der Seite her den langgestreckten waagerechten Wärmetauscher durchströmt Das Wasser wird dabei als die niedrigsiedende Flüssigkeit in eine fortlaufend vorhandene heiße Flüssigkeit (Öl) eingespritzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Direktkontakt-Wärmetauscher für eine Energieerzeugungsanlage zu schaffen, in dem eine verbesserte Wärmeübertragungswirksamkeit durch eine erhöhte Zirkulationskraft des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher und in dem diesen enthaltenden geschlossenen Kreislauf erzielbar ist

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale vorgesehen.
_'5 Die beiden Medien durchströmen den senkrecht angeordneten Direktkontakt-Wärmetauscher von unten nach oben in einem klar definierten Gleichstrom. Dadurcii wird Freon von dem von unten hochsteigenden heißen öl im Gleichstrom mitgenommen, nachdem es in den heißen ölstrom eingespritzt worden ist. Dabei wird das Freon in kleine Tröpfchen dispergiert, es bilden sich flüssige Freon-Tröpfchen, die von einer Freon-Dampfblase umhüllt in der heißen Flüssigkeit (öl) schwimmen. Aus den physikalischen Gesetzmäßigkeiten ergibt sich, daß der Wärme'ibertragungskoeffizienl höher wird, wenn der Durchmesser des Tröpfchens kleiner wird. Daraus resultiert bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein besonders hoher Wärmetauschwirkungsgrad.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die gesamte Energieerzeupimgsanlage nach der Erfindung, insbesonder den Aufbau ines geschlossenen Kreislaufs mit Direktkontakt-Wärmetauscher, in dem das niedrigsiedende und das wärmeabgebende Medium in Direktkontakt gebracht werden; und

F i g. 2 die Beziehungen zwischen der Fluidtemperatur und dem Auflösungsverhältnis, zur Verdeutlichung der Bedeutung einer Kühleinheit für das wärmeabgebende Medium.

Bei der Anlage nach F i g. 1 wird Freon als niedrigsiedendes Medium und ein Öl als wärmeabgebendes Medium verwendet. Die Energieerzeugungsanlage umfaßt einen geschlossenen Kreislauf I, in dem das Freon umläuft, und einen geschlossenen Kreislauf II, in dem das öl umläuft. Der geschlossene Kreislauf I umfaßt den Direktkontakt-Wärmetauscher 10, eine Turbine 12, einen Verflüssiger 14, eine Pumpe 16, einen Schmieröikühler 18, einen Ölkühler 20 sowie Leitungen 22,24,26, 28,30 und 32 zum Verbinden dieser Einheiten miteinander. Der geschlossene Kreislauf II umfaßt den Direktkontakt-Wärmetauscher 10, den Ölkühler 20, eine Pumpe 34, eine Öl-Heizeinheit 36 sowie Leitungen 38. 40, 42 und 44 zum Verbinden dieser Einheiten miteinander.

Im unteren Abschnitt des Wärmetauschers 10 sind Freoneinspritzdüsen 46 und öleinspritzdüsen 48 angeordnet, die aufwärts gerichtet sind. Die öleinspritzdü-

sen 48 sind unterhalb der Freoneinspritzdüsen 46 vorgesehen. Gasblasen des Freongases, die durch den direkten Kontakt der beiden Flüssigkeiten entstehen, werden im oberen Abschnitt des Wärmetauschers 10 gesammelt und durch die Leitung 22 in die Turbine 12 eingeleitet Da die öleinspritzdüsiM 48 unterhalb der Freoneänspritzdüsen 46 angeordnet sind, wird die Wärme an das Freon aufgrund der Vermischung beim Lösen des Freons von den Freoneinspritzdütcn 46 wirksam übertragen, und ferner wird verhindert, daß sich Freon am Boden des Wärmetauschers 10 ansammelt

Die aus dem Wärmetauscher 10 zur Turbine 12 strömende Freonmenge ist mittels eines Absperrorgans 50 einstellbar. Das Freongas verrichtet die Arbeit in der Turbine 12. Die Turbine 12 und ein von dieser getriebener Elektroenergieerzeuger 52 setzen die Wärmeenergie des Freongases in Elektroenergie um. Das aus der Turbine 12 austretende Freongas wird im Verflüssiger 14 verflüssigt. Das verflüssigte Freon wird von der Pumpe 16 unter Druck zum Schmierölkühler 18 gefördert Das flüssige Freon, das das Schmieröl gekühlt hat, kühlt ferner das aus dem Wärmetauscher 10 zur Pumpe 34 strömende öl, während es durch den Ölkühler 20 strömt. Das flüssige Freon wird aus dem Ölkühler 20 zu den Freoneinspritzdüsen 46 am unteren Abschnitt des Wärmetauschers 10 gefördert und läuft im geschlossenen Kreislauf I um.

Der größte Teil des Öls, dessen Wärme an das Freon im Direktkontakt-Wärmetauscher 10 abgegeben wurde, tritt aus dem Wärmetauscher \0 durch eine Bonrung aus, die etwas tiefer als der Flüssigkeitsspiegel im Wärmetauscher 10 liegt, und strömt durch die Leitung 38 in den Ölkühler 20. Das aus den Öleinspritzdüsen 48 in den Wärmetauscher 10 gespritzte Öl wird mit der von den aufsteigenden Freonblasen im Wärmetauscher 10 erzeugten nach oben gerichteten Kraft beaufschlagt. Diese nach oben gerichtete Kraft dient dazu, das öl im Wärmetauscher 10 und im geschlossenen Kreislauf Il umlaufen zu lassen.

Der ölkühler 20 senkt die Temperatur des aus dem Wärmetauscher 10 kommenden Öls, so daß in der Pumpe 34 keine Kavitation entsteht. Das Hochteniperaturöl und das Niedrigtemperaturfreon werden im Direktkontakt-Wärmetauscher 10 miteinander in Berührung gebracht. Daher enthält das aus dem Wärmetauscher 10 austretende Öl unter diesen Bedingungen Freon in einer Sattigu/igsmenge. Wenn das Öl in die Pumpe 34 eingeleitet wird, verdampft das im Öl enthaltene Freon mit sinkendem Druck in der Pumpe 34. Ein Verfahren zum Beseitigen dieser Gefahr besteht im Kühlen des Öls. Im allgemeinen ändert sich die Auflösung eines Niedrigtemperaturfluids in einem Hochtemperaturfluid in Abhängigkeit von der Temperatur (vgl. F i g. 2). Das Niedrigtemperaturfluid muß sich bei einer Sättigungstemperatur T₀ auflösen; das Auflösungsverhältnis vermindert sich mit dem Anstieg der Temperatur über den Sättigungswert 7ö. Bei einem von P\ auf Pb fallenden Druck (P_A > Pb) verschiebt sich die Auflösungskurve in der Zeichnung nach links: das Auflösungsverhältnis wird kleiner, wenn die Temperatür gleichbleibt. Wenn z.B. der Druck des aus dem Wärmetauscher 10 kommenden Öls P_A und die Temperatur Ti sind, so enthält das Öl Freon bei einem Auflösungsverhältnis von Da- Wenn in diesem Fall der Druck von Pa auf Pe vermindert wird und die ro Temperatur des Öls gleichbleibend gehalten wird, wird das Auslösungsverhältnis Da', so daß das Freon in einer Menge von (D\-D_f,') verdampfen kann. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist der Ölkühler 20 vorgesehen, um die Temperatur des in die Pumpe 34 strömenden Öls von Ta auf Tb zu senken. In diesem Fall wird die Temperatur auf den Wert Tb gesenkt, wobei der Auflösungsgrad mit D_A aufrechterhalten wird. Daher verdamp^ft unter de.n Druck Pb kein Freon. Das Auflösungsverhältnis "on Freon bei der Temperatur Tb jo und unter dem Druck Pa ist Dg, während das praktisch nutzbare Auflösungsverhältnis D_A ist. Es besteht also ein Spielraum von (Db-Da)- Wie bereits erwähnt, dient der Ölkühler 20 dem Zweck, eine Kavitation in der Pumpe 34 zu vermindern und ferner Wärme rückzugewinnen, so daß Wärmever'.uste kleingehalten werden. Bei dem erläuterten System ist der ölkühler 20 aus den vorgenannten Gründen vorgesehen.

Das im Ölkühler 20 gekühlte öl wird unter Druck von der Pumpe 34 zur Öl-Heizeinheit 36 gefördert. Aufgrund des vorher erläuterten Aufbaus des Direktkontakt-Wärmetauschers 10 zirkuliert das öl mit erhöhter Kraft im Wärmetauscher 10 und in dem geschlossenen Kreislauf II. Infolgedessen wird der Wärmetauscher-Wirkungsgrad des Wärmetauschers 10 erhöht, und die Pumpe 34 braucht nur geringe Kapazität zu haben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Direktkontakt-Wärmetauscher, in dem ein flüssiges, wärmeabgebendes Heizmedium ein niedrigsiedendes Arbeitsmedium für eine Energieerzeugungsanlage verdampft, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einspritzen des wärmeabgebenden Heizmediums Düsen (48) in dem Direktkontakt-Wärmetauscher (10) unterhalb von Düsen (46) zum Einspritzen des niedrigsiedenden Arbeitsmediums angeordnet sind und das niedrigsiedende Arbeitsmedium und das wärmeabgebende Heizmedium in Gegenrichtung zur Schwerkraft eingespritzt werden.