Firma TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho,
Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan
Verfahren und Vorrichtung zur Dampferzeugung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dampf, insbesondere von Dampf für das Betreiben
von Elektrizitätswerken, bei dem bzw. bei der Wasser verdampft wird, und zwar unter Verwendung von heißem Untergrundwasser
(heißem Quellwasser), heißem oder warmem industriellen Abwasser oder heißen Abgasen, wobei der erzeugte Dampf zum Antrieb einer
Dampfturbine herangezogen wird.
Bei den bekannten biothermischen Elektrizitätserzeugeranlagen wird lediglich heißer Untergrunddampf wirkungsvoll ausgenutzt,
nicht aber heißes Untergrundwasser. In den letzten Jahren ist jedoch die Erzeugung von Dampf unter Verwendung thermischer Energieträger
vergleichsweise geringer Temperatur wesentlich geworden, etwa von heißem Untergrundwasser und heißen industriellen
Abwässern mit Temperaturen zwischen 80° C und 120° C. Bei derartigen
Dampferzeugern wird ein Wärmetauscher dazu verwendet, mit Hilfe von Heißwasser vergleichsweise geringer Temperatur Wasser
zum Verdampfen zu bringen und mit dem entstehenden Dampf dann eine mit einem Generator verbundene Dampfturbine zu betreiben.
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Fig. 1 zeigt einen für derartige Zwecke bestimmten Dampferzeuger bzw. Wärmetauscher nach dem Stand der Technik. Dieser
Dampferzeuger weist einen zylindrischen Kessel 1 auf, der am
einen Ende seiner Unterseite einen Einlaß 1a für Heißwasser (R1) und am gegenüberliegenden Ende seiner Oberseite einen Auslaß
1b für den erzeugten Dampf R^ aufweist. Die entgegengesetzten
Enden des Kessels 1 sind durch Abschlußplatten 2 und 3 verschlossen, zwischen denen sich eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren
4 erstreckt. Die Abschlußplatten 2 und 3 sind durch domförmige Endplatten 2 und 3 abgedeckt. Das Innere der Endplatte
5 ist durch eine Trennwand 7 in eine obere und eine untere Kammer unterteilt. Die untere Kammer ist mit einem Einlaß 5a für
Heißwasser (W) versehen, die obere Kammer mit einem Auslaß 5b für das verbrauchte Heißwasser (W). Das Heißwasser W fließt also
vom Einlaß 5a durch die unteren Wärmeübertragungsrohre 4, durch
eine Kammer in der rechtsseitigen Endplatte 6, durch Wärmeübertragungsrohre 4 und schließlich durch den Auslaß 5b wieder nach
außen, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Das zu verdampfende Wasser R dagegen fließt um die Wärmeübertragungsrohre 4 herum,
wobei dann der entstehende Dampf Rv durch den Auslaß 1b abgeführt
wird.
Bei diesem Verdampfer erfolgt also das Kochen des Wassers auf der Grundlage einer natürlichen Zirkulation, wobei der Wärmeübergang
vergleichsweise gering ist, mit der Folge, daß die thermische Energie des Heißwassers nicht wirkungsvoll ausgenutzt wird, so
daß beträchtliche Mengen an Heißwasser erforderlich sind.
Es ist deshalb der Wunsch nach der Entwicklung eines wirkungsvollen
und kompakten Dampfgenerator entstanden, der mit Heißwasser
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ORIGINAL INSPEHTFn
vergleichsweise geringer Temperatur auskommt, etwa mit Untergrund-Heißwasser
oder heißem industriellen Abwasser oder heißem Abgas.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Dampf unter Verwendung
eines Heizfluids vergleichsweise niedriger Temperatur. Dabei soll der erzeugte Dampf zum Betreiben einer mit einem elektrischen Generator
gekoppelten Turbine verwendbar sein und das Heizfluid soll nach seiner Verwendung als Verdampfer auch noch als Kühlmittel
für eine Klimaanlage oder dergleichen dienen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Dampferzeugungsverfahren,
das dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verdampfer eine Flüssigkeit durch ein eine höhere Temperatur als diese
aufweisendes Heizfluid erhitzt wird, so daß sich ein Gemisch aus dieser erhitzten Flüssigkeit und Dampf bildet, und daß dann in
einem zweiten Verdampfer mit Wärmetauschrohr die im Gemisch enthaltene Flüssigkeit verdampft wird, wobei die zu erhitzende Flüssigkeit
und das Heizfluid den ersten Verdampfer unter Wärmeübergang durchströmen, womit das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch entsteht,
wobei das Gemisch dann in den zweiten Verdampfer zur Trennung des Dampfes von der Flüssigkeit eingebracht wird, und wobei die abgetrennte
Flüssigkeit im zweiten Verdampfer um das Wärmetauschrohr herum für seine vollständige Verdampfung geführt wird, worauf
schließlich der im zweiten Verdampfer erzeugte Dampf der Dampfverbraucher-Vorrichtung zugeführt wird.
Zur Durchführung dieses Verfahrens wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Dampferzeugung geschaffen, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß ein erster und ein zweiter Verdampfer hinter-
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einander geschaltet sind, daß der erste Verdampfer ein Außenrohr, ein erstes mit Spiel konzentrisch im Außenrohr verlaufendes
Wärmetauschrohr, Elemente zum Hindurchleiten einer zu verdampfenden Flüssigkeit durch entweder den Spalt zwischen erstem
Wärmetauschrohr und Außenrohr oder durch das erste Wärmetauschrohr selbst hindurch, und Elemente zum Hindurchführen eines eine
höhere Temperatur als die zu verdampfende Flüssigkeit aufweisendes Heizfluid durch den nicht von der zu verdampfenden Flüssigkeit
durchströmten Spalt bzw. das erste Wärmetauschrohr aufweist, daß Elemente vorgesehen sind zum überführen des Dampf-Flüssigkeits-Gemisches
in den zweiten Verdampfer unter Trennung der Flüssigkeit vom Dampf, und daß der zweite Verdampfer ein zweites Wärmetauschrohr
und Elemente aufweist, welche die abgetrennte Flüssigkeit um das zweite Wärmetauschrohr herumführen, derart, daß die
abgetrennte Flüssigkeit im wesentlichen vollständig verdampft.
Abwandlungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
.
Auf der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Dampfgenerator nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch die Grundform eines Dampfgenerators
nach der Erfindung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen Dampf-Wasser-Verhältnis und Wärmeübergang,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine praktische Ausführungsform des
Dampfgenerators nach der Erfindung,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V von Fig. 4,
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Fig. 6 eine Seitenansicht, wobei einzelne Teile weggebrochen sind, des Dampfgenerators von Fig. 4, gesehen in Richtung
des Pfeiles VI, und
Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen abgewandelten Dampfgenerator
nach der Erfindung.
Zunächst sollen die Grundlagen der Erfindung anhand der Fig. 2 erläutert werden. Der in Fig. 2 dargestellte Dampfgenerator weist
einen ersten Verdampfer 10 auf, durch den ein Wasser-Dampf-Gemisch mit vorgegebenem Verhältnis zwischen Dampf und Wasser erzeugt
wird. Ferner weist der Dampfgenerator einen zweiten Verdampfer
20 auf, in welchem das Wasser als dünner:Wasserfilm längs der
Oberfläche eines Wärmetauschrohres nach unten fließt und dabei verdampft wird. Im einzelnen besteht der erste Verdampfer 10 aus
einem Zylinder 11 mit Einlaß 11a zum Zuführen einer zu verdampfenden
Flüssigkeit, nämlich Wasser RT, und einem Auslaß 11b am gegenüberliegenden
Ende , aus dem ein Gemisch aus Wasser und Dampf austritt. Ein Wärmetauschrohr 14 erstreckt sich konzentrisch
durch den Zylinder 11 und wird von Heißwasser W durchströmt. Der
Auslaß 11b ist mit dem Einlaß 21a des oberen Teils des Kessels 21 des zweiten Verdampfers 21 verbunden, und zwar über eine Leitung
15. Im zweiten Verdampfer 21 ist unterhalb des Einlasses 21a ein Verteiler 22 vorgesehen, und ein von Heißwasser W durchströmtes
Wärmetauschrohr 24 befindet sich unterhalb des Verteilers 22, der eine Öffnung 25 aufweist, durch die vom Einlaß 21a her
zugeführtes Wasser nach unten und um das Wärmetauschrohr 24 herum fließt, und zwar in Form eines dünnen Wasserfilms. Der im ersten
und zweiten Verdampfer 10 bzw. 20 erzeugte Dampf wird dann einer anzutreibenden Vorrichtung zugeführt, beispielsweise einer auf
der Zeichnung nicht dargestellten Dampfturbine.
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Das das Wärmetauschrohr 14 umströmende Wasser R1. wird erhitzt
und ein Teil dieses Wassers verdampft, so daß ein Wasser-Dampf-Gemisch
entsteht, das durch den Auslaß 11b abgeführt wird. Das Verhältnis von Dampf zu Wasser nimmt dabei gegen den Auslaß 11b
ständig zu.
Die Abhängigkeit zwischen diesem Verhältnis X und der Güte des Wärmeübergangs oO ist in Fig. 3 als Kurve I dargestellt. Gemäß
Fig. 3 nimmt die Wärmeübergangsζahl OC dann sehr schnell ab,
wenn das Dampf-Wasser-Verhältnis X den Wert 0,5 übersteigt. Dies
kann durch die Ringströmung erklärt werden, bei welcher die Aussenoberflache
des Wärmetauschrohres 14 dann "trocken" wird, d.h. es bildet sich um das Wärmetauschrohr 14 herum eine dünne, isolierende
Dampfschicht. Aus diesem Grund wird der erste Verdampfer
10 so ausgelegt, daß die Wärmeübergangszahl OC nicht unter einen
vorgegebenen Wert absinkt.
Der zweite Verdampfer 20 kann dagegen so ausgelegt werden, daß die Wärmeübergangsζahl 00 jeden beliebigen Wert annimmt, und zwar
einfach dadurch, daß die Dicke des auf der Oberfläche des Wäririetauschrohres
24 gebildeten Wasserfilms verändert wird, also die Menge des nach unten flMenden Wassers, wobei jedoch aus praktischen
Gesichtspunkten heraus doch die Wassermenge auf einen bestimmten Wert begrenzt werden soll. Wenn die zu verdampfende Flüssigkeit
Wasser oder ein Kühlmittel ist, beispielsweise Freon, dann liegt die Wärmeübergangszahl OG bei etwa 4x103 Kcal/m2h°C,
wie dies durch die gestrichelte Linie II in Fig. 3 angedeutet ist. Wird die Vorrichtung nach der Erfindung so ausgelegt, daß das
Dampf-Wasser-Verhältnis X am Kreuzungspunkt A zwischen der Kurve I und der Kurve II bei etwa 0,7 liegt, dann verläuft die Verdamp-
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fung im ersten Verdampfer 10 längs der Kurve I, womit ein Dampf-Wasser-Gemisch
RTTT erzeugt wird, das 70% Dampf, Rest Wasser enthält,
wobei das Restwasser dann im zweiten Verdampfer restlos verdampft wird. Es hat sich gezeigt, daß ein Dampf-Wasser-Gemisch
X zwischen 0,6 und 0,8 in der Praxis sehr vorteilhaft ist, wenn Wasser oder Freon verdampft werden soll. Es ist also möglich,
unter wirkungsvoller Nutzung von Heißwasser Dampf zu erzeugen, ohne daß übermäßig große Wärmeübergangsflächen erforderlich
sind. Anstelle von heißem Untergrundwasser kann auch heisses Industrieabwasser oder ein heißes Gas Verwendung finden.
Eine praktische Ausfuhrungsform der Erfindung soll nun anhand
der Fig. 4, 5 und 6 erläutert werden. Diese Ausführungsform weist einen ersten Verdampfer 30 auf, der aus einer Vielzahl von Rohren
33 gebildet ist, deren jedes durch Endplatten 31 und 32 verschlossen ist. Jedes Rohr 33 enthält Verschließplatten 34 und 35,
zwischen denen eine Vielzahl von Wärmetauschrohren 36 angeordnet ist. Das Einlaßrohr 27 und das Auslaßrohr 38 sind mit den
Endplatten 31 bzw. 32 verbunden. Die Einlaßrohre 37 sind gemeinsam an ein Heißwasser-Zuführrohr 39 angeschlossen, während die
Auslaßrohre 38 gemeinsam zu einem Auslaßrohr 40 für das verbrauchte Heißwasser führen. Das zu verdampfende Wasser wird in den Zwischenraum
36 zwischen den Wärmetauschrohren 33 eingeleitet, und zwar mittels eines Rohres 44, das benachbart einer der Verschließplatten
angeordnet ist. Durch ein Auslaßrohr 60 nahe der Verschließplatte 35 wird das entstehende Dampf-Wasser-Gemisch vom
Verdampfer 30 in einen zweiten Verdampfer 45 überführt. Durchmesser und Länge der Rohre 33 sowie Durchmesser, Länge und Anzahl
der Wärmetauschrohre 36 sind so gewählt, daß das Dampf-Wasser-Verhältnis
am Auslaß des ersten Verdampfers zwischen 0,6 und
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0,8 liegt, je nach Material der Rohre, Art, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit
des Heißwassers W und der Art der zu verdampfenden Flüssigkeit.
Gemäß den Fig. 5 und 6 weist der zweite Verdampfer eine Vielzahl von Wärmetauschrohren 51 auf, die sich zwischen den.Abschlußplatten
49 und 50 erstrecken und mit dem Auslaßrohr 40 in Verbindung stehen oder in Parallelschaltung mit der Heißwasser-Zuführleitung
39 verbunden sind. Ein Verteiler 53 mit einer Vielzahl von Öffnungen 58 bzw. aus einer Vielzahl nebeneinander befindlicher
Abschnitte mit Öffnungen 58 dazwischen, und Platten 46 und 47 zur Begrenzung von Kammern 54 und 55 sind ebenfalls im zweiten
Verdampfer vorgesehen. Außerdem weist der zweite Verdampfer 45 an seinem einen Ende einen Dampfauslaß 56 auf, der mit einem
Dampf-Auslaßrohr 57 verbunden ist. Ferner ist ein Dampf-Wasser-Separator
59 am Eingang des Dampfeinlasses 56 vorgesehen. Durchmesser,
Länge und Anzahl der Wärmetauschrohre 51 sind je nach Art, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Heißwassers oder einer
anderen verwendeten Heizflüssigkeit ausgelegt, ebenfalls gemäß Art, Temperatur, Strömungsmenge und Dampf-Wasser-Verhältnis
des zu verdampfenden Wassers bzw. der zu verdampfenden Flüssigkeit, so daß das gesamte zugeführte Wasser (Flüssigkeit) verdampfen
wird.
Wie bei der Grundkonstruktion nach Fig. 2 wird das im ersten Verdampfer 30 erzeugte Dampf-Wasser-Gemisch nach seiner überführung
in den zweiten Verdampfer 45 durch den Separator 59 in Wasser und Dampf aufgeteilt, wobei das abgetrennte Wasser dann
durch die Öffnungen 58 hindurch nach unten und um die Wärmetauschrohre
51 herum fließt. Das Wasser wird somit im zweiten Verdamp-
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fer 45 vollständig verdampft, und der erzeugte Dampf wird dann
einer Dampfturbine zugeführt.
Wie erwähnt, ist es mit der Erfindung möglich, den thermischen Wirkungsgrad von heißen Fluiden vergleichsweise niedriger Temperatur
zu verbessern, etwa von Untergrundwasser oder industriellem Abwasser oder Abgas, und zwar mit Hilfe von Verdampfern sehr
kompakter Konstruktion. Der erste und der zweite Verdampfer sind durch eine einfache Leitung miteinander verbunden, ohne daß mehrere
Verbindungsrohre oder andere aufwendige Verbindungselemente erforderlich sind.
Wenn auch bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das Heißwasser
zuerst durch den ersten Verdampfer und dann durch den zweiten Verdampfer hindurch geleitet wird, so kann doch die Reihenfolge
des Durchgangs umgekehrt werden, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.
In manchen Fällen ist es zweckmäßig, zur noch besseren Ausnutzung der Wärme des Heizfluids Freon zu verwenden. Wird beispielsweise
heißes Untergrundwasser einer Temperatur von 140° C als Heizmedium verwendet, und zwar in einer Menge von 160 Tonnen pro
Stunde und wird als zu verdampfende Flüssigkeit Freon mit der chemischen Formel C-Cl F. eingesetzt, dann kann der erste Verdampfer
30 drei Rohre 33 mit einem Durchmesser von 200 mm aufweisen, wobei jedes dieser Rohre 19 Wärmetauschrohre 36 enthält,
deren jedes einen Durchmesser von 25 mm und eine Länge von 16m
aufweist. Dabei wird dann mit dem Freon ein Dampf-Flüssgkeits-Verhältnis
von 0,7 erreicht. Der zweite Verdampfer 45 enthält 57 Wärmetauschrohre 51, deren jedes einen Durchmesser von 25 mm
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und eine Länge von 1,8 m aufweist; damit wird eine vollständige
Verdampfung des flüssigen Preons erreicht. Die Wärmetauschrohre können parallel geschaltet sein,oder es kann eine gewünschte
Anzahl, beispielsweise zwei dieser Rohre, hintereinander geschaltet sein.
Fig. 7 zeigt eine Abwandiungsform der Erfindung, wobei zwei Verdampfer
gemäß den Fig. 2 bis 6 dazu verwendet werden, ein eine Turbine antreibendes Kühlmittel zu verdampfen. Bei dieser Ausführungsform
ist der erste Verdampfer 71 um den zweiten Verdampfer 79 herum angeordnet. Der erste Verdampfer 71 enthält zueinander
konzentrische Außenrohre 72 und Innenrohre 73 und verläuft schraubenförmig um den zylindrischen zweiten Verdampfer 79 herum,
wobei der zweite Verdampfer 79 einen Verteiler 84 aufweist, der mit öffnungen 85 und einer Wasserschlange 82 unterhalb der Öffnungen
85 versehen ist. In diesem Fall fließt das zum Verdampfen des Kühlmittels verwendete Wasser W durch den Einlaß 83, die
Wasserschlange 82, das Innenrohr 73 und wird dann durch eine Auslaßöffnung
76 entlassen. Das zu erhitzende und zu verdampfende Kühlmittel R1. tritt in den Zwischenraum zwischen Innen- und Aus-
Jj
senrohren 73 und 72 ein,und ein Teil des Kühlmittels wird beim
Durchgang durch den ersten Verdampfer 71 verdampft. Ein Gemisch R1-^x, aus Kühlmitteldampf und flüssigem Kühlmittel RT wird dann
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in den oberen Bereich des zweiten Verdampfers 79 eingeführt. Das im ersten Verdampfer 71 noch verdampfte flüssige Kühlmittel wird
im schalenförmigen Verteiler 84 gesammelt und fließt dann durch
öffnungen 85 des Verteilers hindurch nach unten und um die Außenflächen
der Wasserschlange 82 herum, wobei eine vollständige Verdampfung erfolgt. Der Dampf R^ wird durch das Auslaßrohr 81 ab-
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geleitet und treibt eine Turbine an, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt'ist oder in einem Kühlsystem oder in einer
Klimaanlage Verwendung findet.
Aus der Beschreibung ergibt sich, daß die erste, zu verdampfende Flüssigkeit nicht Wasser oder ein Kühlmittel sein muß,und daß
die zweite, zum Verdampfen der ersten Flüssigkeit dienende Flüssigkeit nicht heißes Wasser sein muß, vorausgesetzt, daß die erste
Flüssigkeit eine niedrigere Temperatur als die zweite Flüssigkeit aufweist. Das Wesen der Erfindung liegt vielmehr ganz
allgemein in einer wirksamen Nutzung der Wärmeenergie von Flüssigkeiten oder Gasen vergleichsweise niedriger Temperatur.
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L e e r s e