DE3328311A1

DE3328311A1 - Automatische waermetauschvorrichtung zur vorbeugung der ablagerungen in waermetauscherflaechen verschiedener bauart, die von zwei in geringem mass mischbaren trueben durchstroemt werden

Info

Publication number: DE3328311A1
Application number: DE19833328311
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. 5010 Bergheim Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-05
Filing date: 1983-08-05
Publication date: 1985-02-14

Description

Titel: Automatische Wärmetauschvorrichtung zur Vorbeu-
gung der Ablagerungen in Wärmeaustauscherflächen verschiedener Bauart, die von zwei in geringem Maß mischbaren Trüben durchströmt werden Titel Automatische Wärmetauschvorrichtung zur Vorbeugung der Ablagerungen in Wärmeaustauscherflächen verschiedener Bauart, die von zwei in geringem Maß mischbaren Trüben durchströmt werden Anwendunqsorebiet Bei allen Arten von Wärmetauschern, die von zwei in geringem Maß mischbaren Trüben (A) und (B), verschiedener pH-Werte (1-14), durchströmt werden, im allgemeinen hochkonzentrierte Lösungen und ihr Filtrat, wie es in der chemischen Verfahrenstechnik der Fall ist. Ein spezielles Anwendungsgebiet bietet die Tonerdeindustrie, wo als Trübe A (konzentrierte Lösung) Natriumaluminat (NaAlO2) und als Trübe B Mutterlauge verwendet werden kann.
Zweck Das Zusatzpatent beinhaltet das Hauptpatent -Doppeldreiwegventil für Flüssigkeiten und Gase verschiedener pH-Werte (1-14)- das es ermöglicht, eine automatische Wärmetauschvorrichtung mit zwei in geringem Maß mischbaren Trüben A und B (Trübe A = konzentrierte Lösung, Trübe B = diluierte Lösung, die dieselben Feststoffteilchen wie Trübe A beinhaltet) zu schaffen, die die Entstehung von Ablagerungen auf beiden Wäremaustauschflächen verhindert und so den Wärmeübertragungskoeffizient konstant hoch hält, was zu einem konstanten wirtschaftlichen Wirkungsgrad der Wärmetauscher mit allen daraus folgenden Vorteilen führt.
Stand der Technik Es ist bekannt, daß zur Vorbeugung von Ablagerungen in Wärmeaustauschflächen, die von Trüben durchströmt werden, die Umkehrung der Strömungsrichtung der beiden Trüben sowie der Umtausch von Trüben theoretisch sehr nutzvoll ist, aber die praktische Lösung (auf Grund des heutigen Standes der Technik) beruht auf technologischen Schemen, die auf Verwendung von Normalventilvorrichtungen aufgebaut und dadurch sehr kompliziert sind.
Kritik des Standes der Technik Ein technologisches Schema zur Vorbeugung von Ablagerungen in Wärmeaustauschflächen, die von geringmischbaren Trüben durchströmt werden, umfaßt 38 bis 48 Ventile, ist daher kompliziert und schwer übersichtbar, was zur Folge hat, daß bei seiner Wartung auf Eingreifen des Menschen kaum verzichtet werden kann. Ein weiterer Unsicherheitsfaktor ist von der großen Anzahl der Ventile gegeben, die in das technologische Schema eingebaut sind, da beim Ausfall eines einzigen Ventils die gesamte Anlage so lange stillgelegt werden muß, bis die Defektion beseitigt ist.
Aufgabe Das Zusatzpatent löst folgende Aufgabe: Verhinderung der Verschmutzung von Wärmeaustauschflächen, die geringmischbaren Trüben ausgesetzt sind, durch eine originelle Ventilvorrichtung mit vier Doppeldreiwegventilen (Hauptpatent), die über einen mit einem bestimmten Programm gespeicherten Mikroprozessor hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden.
Lösunq und Beschreibung der Ausführunq Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgendes Verfahren gelöst: In dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Wärmeaustauschvorrichtung mit n Platten-Wärmeaustauschern dargestellt, aber das Prinzip ist das gleiche bei anderen Wärmetauschertypen.
In Fig. 1 sind n Platten-Wärmetauscher dargestellt, bei denen die Eintritte und Austritte der Trüben A und B in die Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, ......, n-l, und n durch (1), (2), (3) und (4) gekennzeichnet sind, mit (V1), (V2), (V3) und (V4) sind die Doppeldreiwegventile (Hauptpatent) mit (5) die Lüftungsventile des Platten-Wärmetauschers und mit (6) die Ventile für Inbetriebnahme oder Isolierung der Platten-Wärmetauscher nr. 1, 2, ........, , n-l n-1 bis n bezeichnet. Die Doppeldreiwegventile (Hauptpatent) (V1), (V2), (V3) und (V4) ermöglichen eine Wärmetauschvorrichtung für zwei Trüben (A und B) von denen die Trübe A (heiße) im Bereich des Wärmetauschers WÄT nr. 1, 2, ......, n-l und n an die Trübe B (kalte) Wärmeenergie abgibt.
In dieser Wärmeaustauschvorrichtung wird die von der Trüben A durch eine der Leitungen der Wärmeaustauschflächen der Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, ......, n-1 und n zugeführte Wärmeemergie, auf die anderen von der Trüben B durchströmten Wärmeaustauschflächen übertragen. Durch die optimal konstant angestrebte Wärmeübertragung der Trüben A (die Wärmeträger ist) auf die Trübe B wird im Endzustand die Trübe A gekühlt und die Trübe B erhitzt. Es ist bekannt, daß der Wärmestrom beim Wärmedurchgang von der Wärmedurchgangszahl, Übertragungsfläche und der mittleren logarithmischen Teinperaturdifferenz der Trüben A und B abhängig ist. Durch Ablagerungen, die sich bei niedrigen Temperaturen, infolge der Inversion der Löslichkeit, sehr leicht in Trüben mit höheren Konzentration bilden, werden sowohl die Wärmedurchgangszahl als auch die Wärmeübertragungsfläche negativ beeinflußt, und dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers, und somit die Wirtschaftlichkeit durch die hohen Energieverluste. Um das zu vermeiden, muß man die Ablagerungen verhindern, oder sie gleich bei der Bildung beseitigen.
Es ist der Gegenstand der Erfindung, diese unerwünschten Ablagerungen zu verhindern, um den Wirkungsgrad der Wärmetauscher für eine unendliche Dauer hoch zu halten und das durch eine Wärmetauschvorrichtung, die vier Doppeldreiwegventile (Hauptpatent) (V1), (v2), (V3) und (V4) mit den dazugehörigen Rohrleitungen verwendet. Die vier Doppeldreiwegventile(Hauptpatent) (V1), (V2), (V3) und (V4) werden hydraulisch (pneumatisch) durch 4 hydraulische (pneumatische) Dreiwegventile (7), (8), (9) und (10) betätigt, die von einem vorprogrammierten Mikroprozessor ferngesteuert werden.
Das gespeicherte Programm besteht aus 4 Teilprogrammen, die in einer experimentell bestimmten Zeitdauer ablaufen ( 24-300 h) und an hand der Tabelle 1 sehr leicht verfolgt werden können. Die 4 Teilprogramme laufen wie folgt ab: Teilprogramm I: Folgt immer nach Teilprogramm IV, in einer experimentelll bestimmten Zeitdauer (24-300 h) und wird durch den Mikroprozessor ausgelöst, der die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (7), (8), (9) und (10) in Richtung (b) öffnet und in Richtung (a) schließt. Die Richtung (c) ist immer geöffnet und sie entspricht den Eingängen und Ausgängen des hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventils (7), (8), (9) und(10). Durch diese Steuerung wird die von der Pumpe (Gebläse) (12) aus dem Tank (IJuftfilter) (11) angesaugte Hydraulikflüssigkeit (Luft) in die Richtung (b) der Dreiwegventile (7), (8), (9) und (10) geleitet und von hier mittels Förderdruck in die Kolbenkammern der Doppeldreiwegventile (V1), (V2), (V3) und (V4), wo der Kolben der Doppeldreiwegventile durch die hydraulische (pneumatische Kraft so bewegt und danach festgehalten wird, daß der Ausgang (e) des Doppeldreiwegventils (V1) geöffnet, bzw. der Ausgang (d) geschlossen wird und gleichzeitig der Ausgang (e) des Doppeldreiwegventils (V3) geschlossen, bzw. der Ausgang (d) geöffnet wird, gleichzeitig aber der Eingang (e) des Doppeldreiwegventils (V2) geschlossen, bzw. der Eingang (d) geöffnet wird und der Eingang (e) des Doppeldreiwegventils (V4) geöffnet, bzw. der Eingang (d) geschlossen wird, so daß die Trüben A und B ihre Durchströmungsrichtung durch die Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, ...... n-l und n wie folgt verläüft: Trübe A (2) Trübe B (1) (3) (4) Die heiße Trübe A fließt jetzt in die Wärmetauscher WÄT nr.
1, 2, ...... n-l und n in den Punkten (2) hinein, löst die Ablagerungen die sich beim vorigen Teilproqramm IV in!dieser Zone gebildet hatten, verläßt setzt mit einer niedrigeren Temperatur die Wärmetauscher WAT nr. 1, 2, ...... n-l und n an den Punkten (3), so daß sich jetzt an dieser Zone, infolge der Inversion der Löslichkeit Ablagerungen bilden können.
Die kältere Trübe B fließt in diesem Fall in die Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, ...... n-l und n in den Punkten (4) ein, wo vorher diese Trübe die Wärmetauscher heiß verlassen hatte, so daß jetzt diese Wärmeaustauschfläche einwandfrei ist, aber diesmal die Wärmetauscher in den Punkten (1) heiß verläßt, wodurch die Ablagerungen, die sich in dem vorigen Teilprogramm IV bilden konnten, wieder aufgelöst werden.
Doch in diesem Teilprogramm I haben sich in den Zonen der Punktstellen (3) und (4) erneut Ablagerungen gebildet, die in dem nächsten Teilprogramm II entfernt werden.
Teilprogramm II: Nach einer gleichen experimentell bestimmten Zeitdauer steuert der Mikroprozessor die Dreiwegventile (8) und (10) so, daß sie in der Richtung (a) geöffnet und in der Richtung (b) geschlossen werden und dadurch infolge der Bewegung des Kolbens des Doppeldreiwegventils (V3) und (V4) durch die Hydraulikflüssigkeit (Luftdruck) die Ausgänge (d) des Doppeldreiwegventils (V3) gesperrt bzw. die Ausgänge (e) geöffnet werden, und gleichzeitig die Eingänge (e) des Doppeldreiwegventils (V4) geschlossen bzw. die Eingänge (d) geöffnet werden, so daß in diesem Fall die Trüben A und B ihre Wärmeaustauschflächen wechseln und dadurch den folgenden Verlauf vorweisen: Trübe A t(1) Trübe B (3) (4) (2) Durch diesen Wechsel der Wärmeaustauschflächen verfolgt man die Wärmeaustauschfläche der Trüben A, die eine hohe Konzentration von Feststoffteilchen hat, durch die Trübe B, die eine geringere Konzentration derselben Feststoffteilchen besitzt, und dadurch auch ein Filtrat sein kann, zu spülen.
In diesem neuen Betriebsprogramm durchströmen die Trüben A und B die Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, ......, n-l und n von den Eintrittspunkten (1) bzw. (3) zu den Austrittspunkten (4) bzw. (2): Trübe A (1) Trübe B (3) (4) (2) In diesem Fall können sich in der Zone des Austrittspunktes (4) und in geringem Maß in der Zone des Eintrittspunktes (3) erneut Ablagerungen bilden, die aber in dem nächsten Teilprogramm III beseitigt werden.
Teilprogramm III: Nach einer experimentell bestimmten Zeitdauer des Teilprogrammes II (24-300 h) steuert der Mikroprozessor die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (7) und (9) so, daß sie in der Richtung (a) geöffnet bzw. in der Richtung (b) gesperrt werden, gleichzeitig aber beide hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (8) und (10) in der Richtung (a) gesperrt bzw. in der Richtung (b) geöffnet werden, so daß jetzt die Hydraulikflüssigkeit (Luftdruck) durch den Kolben der Doppeldreiwegventile (V1), (V2), (V3) und (V4) die Ausgänge der Doppeldreiwegventile (V1) und (V3) in der Richtung (e) schließt und in der Richtung (d) öffnet und gleichzeitig die Eingänge der Doppeldreiwegventile (V2) und (V4) in der Richtung (e) öffnet und in der Richtung (d) sperrt und dadurch die Strömungsrichtung der beiden Trüben A und B wie folgt geändert wird: Trübe A (4) Trübe B (2) (1) (3) In diesem Fall werden die eventuellen Ablagerungen, die sich in der Zone des Punktes (4) durch das Erhitzen infolge des Eintritts der heißen Trübe A gebildet haben, wieder entfernt, sowie auch die geringeren Ablagerungen die sich in der Nähe des Punktes (3) gebildet haben, da hier die diluierte Trübe B die Wärmetauscher mit einer hohen Temperatur verläßt.
Teilprogramm IV: Nach einer gleichen Zeitdauer der ersten drei Teilprogramme steuert der Mikroprozessor erneut die beiden hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (8) und (10) so daß sie in der Richtung (a) geöffnet und in der Richtung (b) geschlossen werden und infolgedessen die Hydraulikflüssigkeit (Luftdruck) den Kolben der Doppeldreiwegventile (V3) und (V4) so bewegt, daß die Eingänge (e) des Doppeldreiwegventils (V4) geschlossen bzw. die Eingänge (d) geöffnet werden und gleichzeitig die Ausgänge (e) des Doppeldreiwegventils (V3) geöffnet bzw, die Ausgänge (d) geschlossen werden, wodurch beide Trüben A und B erneut ihre Wärmeaustauschflächen so wechseln, daß sie folgenden Verlauf vorweisen: Trübe A (3) Trübe B (1) (2) (4) Durch diesen erneuten Wechsel der Wärmeaustauschflächen werden die Ablagerungen, die sich in den Durchströmungsflächen der Trüben A gebildet hatten und durch die Umkehrströmung nicht entfernt werden konnten, diesmal von der Trüben B gelöst und ausgespült. Dadurch ist praktisch das Programm beendet, aber es wiederholt sich ins Unendliche, in einer gleichen Zeitspanne, die stoffabhängig ist und dadurch für jede Art von Trüben experimentell bestimmt werden muß.
Sollte einer der paralellgeschalteten Wärmetauscher WÄT nr.
1, 2, ......, n-l und n irgendeine Defektion bekommen, so kann er gleich mit den Ventilen (6) isoliert werden und nach der Reparatur mit Hilfe der Lüftungsventile (5) wieder in Betrieb gestellt werden.

Diese Wärmetauschvorrichtung sichert den Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, ......, n-l und n einen unendlichen Betriebslauf mit einem unveränderten Wirkungsgrad und somit eine maximale Wirtschaftlichkeit.

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Claims

Patentans prüche 1. Automatische Wärmetauschvorrichtung zur Vorbeugung der Ablagerungen in Wärmetauscherflächen verschiedener Bauart, die von zwei in geringem Maß mischbaren Trüben durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich auf 4 Doppeldreiwegventile (V1), (V2), (V3) und (V) stützt, die mit den Rohrleitungen zweier Trüben A und B eine sehr einfache Ventilvorrichtung bilden, die es ermöglichtoin einer unendlichen Anzahl von Wärmetauschern -WÄT nr. 1, 2, ......, n-1 und n - die Strömungsrichtung der beiden Trüben A und B, nach einem bestimmten Programm zu ändern, so daß sich auf den Wärmetauschflächen keine Ablagerungen bilden können.
2. Zwei Trüben A und B nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in geringem Maß mischbar sind, wovon die heiße Trübe A eine hohe Konzentration von löslichen Feststoffteilchen enthält und Wärmeträger ist, und die zu erwärmende Trübe B, die eine diluierte , dieselben Feststoffteilchen wie die Trübe A enthaltende Lösung ist und somit auch ein Filtrat sein kann.
3. Zwei in geringem Maß mischbare Trüben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trübe A auch Natriumaluminat (NaAlO2), deren Temperatur 371 OK beträgt und als Trübe B Mutterlauge, deren Temperatur 313-318 °K beträgt, vorkommen können, so wie es in der Tonerdeindustrie der Fall ist, wo der Ablauf eines Teilprogramms 24 h benötigt, das ganze Programm sich demnach während der Betriebsdauer der Wärmetauscher alle 4 Tage wiederholt.
4. Doppeldreivegventile (V1), (V2), (V3) und (V4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (7), (8), (9) und (10) über einen vorprogrammierten Mikroprozessor so gesteuert werden, daß die Hydraulikflüssigkeit (Luft), die vom Tank (Luftfilter) (11) von der Pumpe (Gebläse) (12) abgesaugt wird,in die hydraulische (pneumatische) Ventilvorrichtung befördert wird und über die Rücklaufleitung (13) wieder in den Tank (11) zurückkehrt.
5. Mikroprozessor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem bestimmten Programm vorprogrammiert wirdt das aus vier Teileinheiten besteht die in einer bestimmten Zeitspanne ablaufen (24-300 h), Zeitspanne die für die beteiligten Trüben A und B experimentell bestimmt wird.
6. Programm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Teilprogramme in der experimentell bestimmten Zeitspanne ablaufen und sich dann in derselben Reihenfolge ( I, II, III und IV) während der gesamten Betriebsdauer der Wärmetauscher (WÄT nr. 1, 2, ......, n-1 und n) wiederholen.
7. Vier-Teilprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teilprogramm (I) dann abläuft, wenn der Mikroprozessor die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (7), (8), (9) und (10) in Richtung (a) schließt und in Richtung (b) öffnet, und dadurch beim Doppeldreiwegventil (Hauptpatent) (V1) die Ausgänge (e) geöffnet und die Ausgänge (d) geschlossen werden, während beim Doppeldreiwegventil (V2) die Ausgänge (e) geschlossen und die Ausgänge (d) geöffnet werden, und gleichzeitig bei dem Doppeldreiwegventil (V ) die Eingänge (e) geschlossen und die Eingänge (d) geöffnet und die Eingänge (e) des Doppeldreiwegventils (V4) geöffnet und die Eingänge (d) geschlossen werden, was bewirkt, daß die Trübe A vom Eintrittspunkt (2) zum Austrittspunkt (3) und die Trübe B vom Eintrittspunkt (4) zum Austrittspunkt (1) durch die Wärmetauscher WÄT nr. 1, 2, n-1 und n strömt.
8. Vier-Teilprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das 2. Teilprogramm (II) immer nach dem Ablauf des ersten Teilprogramms (I) folgt , wobei der Mikroprozessor die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (8) und (10) in der Richtung (a) öffnet und in der Richtung (b) schließt und die Ausgänge (e) des Doppeldreiwegventils (V3) geöffnet bzw. die Ausgänge (d) geschlossen werden und gleichzeitig die Eingänge (e) des Doppeldreiwegventils (V4) geschlossen bzw. die Eingänge (d) geöffnet werden, wobei die Trübe A von Eintrittspunkt (1) zu Austrittspunkt (4) und die Trübe B von Eintrittspunkt (3) zu Austrittspunkt (2) strömt, und dadurch schon am Anfang dieses Teilprogrammes beide Trüben ihre Wärmeaustauschflächen wechseln.
9. Vier-Teilprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß immer auf das zweit Teilprogramm (II) das dritte Teilprogramm (III) folgt und dann beginnt, wenn der Mikroprozessor die hydraulischen( pneumatischen) Dreiwegventile (7) und (9) in der Richtung (a) öffnet und in Richtung (b) schließt und gleichzeitig die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (8) und (10) in Richtung (a) schließt bzw. in Richtung (b) öffnet und dadurch die Ausgänge der beiden Doppeldreiwegventile (V1) und (V3) in der Richtung (d) öffnet und in der und in der Richtung (e) schließt und gleichzeitig die Eingänge der Doppeldreiwegventile (V2) und (V4) in der Richtung (e) öffnet und in der Richtung (d) schließt, wobei die Trübe A vom Eintrittspunkt (4) zum Austrittspunkt (1) und die Trübe B vom Eintrittspunkt (2) zum Austrittspunkt (3) strömt, wodurch die Stromrichtung der beiden Trüben A und B mit Beginn dieses Teilprogramms III umgekehrt werden.
10. Vier-Teilprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß immer auf das dritte Teilprogramm (III) das vierte Teilprogramm (IV) folgt und dann beginnt, wenn der Mikroprozessor die hydraulischen (pneumatischen) Dreiwegventile (7), (8), (9) und (10) in Richtung (a) öffnet und in Richtung (b) schließt und dabei die Ausgänge (e) des Doppeldreiwegventils (V1) schließt bzw.

die Ausgänge (d) öffnet und gleichzeitig die Ausgänge (e) des Doppeldreiwegventils (V3) öffnet bzw. die Ausgänge (d) schließt, und die Eingänge (e) des Doppeldreiwegventils (V2) öffnet bzw. die Eingänge (d) schließt und gleichzeitig die Eingänge (e) des Doppeldreiwegventils (V4) schließt bzw. die Eingänge (d) öffnet, wobei die Trübe A vom Eintrittspunkt (3) zum Austrittspunkt (2) und die Trübe B vom Eintrittspunkt (1) zum Austrittspunkt (4) strömt, wodurch am Anfang dieses Teilprogramms IV beide Trüben erneut ihre Wärmeaustauschflächen wechseln.
11. Vier-Teilprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die während des sich wiederholenden Ablaufs der Teilprogramme (I, II, III und IV) ständig wechselnde Strömungsrichtung der beiden, einen beliebigen pH-Wert (1-14) aufweisenden Trüben A und B, sowie der ständige Wechsel der von den Trüben durchströmten Wärmeaustauschflächen, die infolge der Inversion der Löslichkeit an den kälteren Stellen der von der abkühlenden konzentrierten Trüben A durchströmten Wärmeaustauschflächen entstandenen Ablagerungen, immer wieder aufgelöst und weggespült werden, wobei ein konstant optimaler Wirkungsgrad der Wärmetauschvorrichtung für eine unbegrenzte Betriebsdauer, mit all den daraus sich ergebenden Vorteilen, gesichert wird.