DE3625408A1 - Verfahren zur vermeidung von ablagerungen in senkrecht stehenden verdampferheizrohren und vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Ablagerungen in senkrecht stehenden Verdampferheizrohren, die von einzudampfendem Material durchflossen werden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß die meisten Heizkörperverdampfer mit der Zeit eine graduelle Einbuße des Wärmeübergangs erfahren, weil sich auf der Produktseite der Heizrohre mehr oder weniger dicke, thermisch schlecht leitende Ablagerungen bilden. Typische Beispiele für solche Ablagerungen sind Calciumcarbonat und Calciumsulfat, aber es kann sich auch um Produktkristalle handeln. Bisher müssen derart verkrustete Heizkörper periodisch abgestellt und chemisch oder mechanisch gereinigt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, das ohne größeren apparativen Aufwand selbstreinigend wirkt bzw. die sich kontinuierlich von selbst reinigt.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die Flüssigkeit am unteren Heizrohrende unter Druck eingespeist wird und im Heizrohr abrasiv wirkende Feststoffpartikel mitgeführt werden, deren schleifende Einwirkung auf der Heizrohrinnenseite eine Ablagerung von Verkrustungen verhindert. Infolge statischer Turbulenzen schlagen die Feststoffpartikel gegen die Heizrohrinnenwände und entfernen dort entstehende Ablagerungen, so daß der Wärmeübergang uneingeschränkt erhalten bleibt.

Um ein stetiges Nachfüllen der Feststoffpartikel zu vermeiden, werden diese bevorzugt im Kreislauf geführt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Feststoffpartikel innerhalb des Heizrohres durch einen strahlpumpenartigen Effekt zusammen mit der Flüssigkeit nach oben bewegt und über ein zentrisch in einem Heizrohrbündel angeordnetes Zentralrohr nach unten fallengelassen, von wo aus sie unter Ausnutzung des Strahlpumpeneffektes erneut nach oben an der Rohrinnenseite bewegt werden.

Um den strahlpumpenartigen Effekt zu verstärken, sind um die Primärbohrung weitere Bohrungen kleineren Durchmessers angeordnet, welche die Feststoffpartikel dem Primärstrahl zuführen.

Als Material für die Feststoffpartikel bieten sich zum einen keramische Kügelchen und/oder Sandkörnchen einheitlicher Größe an, aber auch solche Feststoffpartikel, die aus dem gleichen Material bestehen wie die zu verhindernden Ablagerungen. Die letztgenannte Auswahl der Feststoffpartikel führt zum einen zu dem gewünschten Abrasionseffekt und unterstützt zusätzlich eine präferentielle Kristallisation auf den Feststoffpartikeln selbst, wodurch Ablagerungen von selbst verhindert werden.

Um den Kreislauf, das ist die Aufwärtsbewegung des Flüssigkeitsstroms mit den Feststoffpartikeln an den Rohrinnenwänden und die Abwärtsbewegung im Zentralrohr, besser aufrecht erhalten zu können, werden die beiden Ströme thermisch isoliert geführt.

Zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, bei der inmitten flüssigkeitsdurchströmter Heizrohre ein ungeheiztes Zentralrohr und im unteren Bereich jedes Heizrohres strahlpumpenartige Ausbildungen ringförmig angeordnet sind, die die mit Feststoffpartikeln beladene Flüssigkeit im Kreislauf bewegt. Bevorzugt besteht das Zentralrohr aus schlecht leitendem Material und/oder ist thermisch isoliert.

Als strahlpumpenartige Ausbildungen haben sich ringförmig in dem Boden des Heizrohres eingesteckte Strahlrohre empfohlen. Zusätzlich kann ein Sekundärstrahleneffekt noch durch Bohrungen erzielt werden, die ringförmig um jedes der eingesteckten Strahlrohre liegen. Hierdurch werden die Feststoffpartikel dem Primärstrahl zugeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt und soll im folgenden erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Heizkörpers und

Fig. 2 die Darstellung der Schwarmgeschwindigkeitscharakteristik.

Der in Fig. 1 dargestellte Heizkörper besteht im wesentlichen aus einem Zentralrohr 1 aus thermisch schlecht leitendem Material und kreisförmig um das Zentralrohr herum angeordneten Heizrohren 2. Das Rohrbündel wird wie üblich mit Dampf oder einem Wärmeträgeröl beheizt. Das einzudampfende Medium wird mit einer nicht dargestellten Pumpe unter geeignetem Druck am Flansch 3 eingespeist und tritt am Flansch 4 aus. Von dort führt ein Rohr in nach dem Stand der Technik bekannter Weise zu einem Dampfabscheider. Das am Flansch 3 eintretende Medium strömt durch enge Rohre 5, die konzentrisch in das untere Ende der Heizrohre 2 hineinragen. Wegen der hohen Geschwindigkeit in den Rohren 5 ergibt sich ein Strahlpumpeneffekt, welcher Flüssigkeit aus dem Raum 6 unter dem Zentralrohr 1 ansaugt und durch die Heizrohre 2 nach oben befördert. Auf diese Weise ergibt sich eine Umlaufströmung durch die Heizrohre 2 von unten nach oben und durch das Zentralrohr 1 von oben nach unten. Die in den Heizrohren durch Verdampfung entstehenden Blasen unterstützen die Aufwärtsströmung durch Mammutpumpeneffekte, während sich im Zentralrohr 1 wegen seiner schlechten thermischen Leitfähigkeit keine Dampfblasen bilden, so daß die dortige Abwärtsströmung nicht durch einen Mammutpumpeneffekt behindert werden kann.

Nach dem Einlaß des Heizdampfes oder des Wärmeträgeröls werden durch eine nicht dargestellte Schleuse über dem Flansch 4 keramische Kügelchen oder Sandpartikel vom Durchmesser d zugegeben. Diese fallen durch das Zentralrohr 1 auf den Bodenkopf 7, von dem sie radial nach unten zur unteren Außenwand der Rohre 5 abrollen. In diesem Bereich befinden sich Bohrungen 8, durch welche das einzudampfende Medium unter Druck vom Flansch 3 herkommend mit hoher Geschwindigkeit nach oben strömt und dadurch die Kügelchen oder Sandpartikel in die Umlaufströmung befördert. Die Geschwindigkeiten sind so bemessen, daß die Kügelchen oder Sandpartikel nach dem für Schwarmeffekte modifizierten Gesetz von Stokes durch die Heizrohre 2 nach oben in den Raum 9 befördert werden. Dieser ist so bemessen, daß dort die Geschwindigkeit für eine Levitation der Kügelchen oder Sandpartikel nicht mehr ausreicht, so daß sie direkt oder über die schräge Fläche 10 des oberen Rohrbodens wieder in das Zentralrohr 1 gelangen und auf den Bodenkopf 7 absinken, womit der Kreislauf von neuem beginnt.

Auf dem Wege durch die Heizrohre 2 schlagen die Kügelchen oder Sandpartikel infolge statischer Turbulenzen schleifend gegen die Innenwände dieser Rohre, was zur Folge hat, daß Ablagerungen kontinuierlich abrasiv entfernt werden. Auf diese Weise bleibt der Wärmeübergang uneingeschränkt erhalten.

Es versteht sich, daß die relative Menge und Abrasivität der Feststoffteilchen nur so groß gewählt wird, daß ihr Effekt gerade zur Beseitigung der Ablagerungen ausreicht aber keinen nennenswerten Verschleiß der Heizrohre 2 verursacht. Wo immer möglich, sollten die Feststoffteilchen aus dem gleichen Material bestehen wie die zu verhindernden Ablagerungen, weil dann zusätzlich zu dem Abrasionseffekt eine präferentielle Kristallisation auf den Teilchen die Verhinderung von Ablagerungen unterstützt.

Fig. 2 zeigt die Schwarmgeschwindigkeitscharakteristik, das ist die Abhängigkeit des sogenannten Behinderungsfaktors von der Feststoffkonzentration.

Hierzu folgende Erläuterungen:

Für die Geschwindigkeit eines einzigen in einer ruhenden Flüssigkeit unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten sinkenden kugelförmigen Teilchens gilt nach dem Gesetz von Stokes

wobei

Δ ρ= Differenz der Dichten von Feststoff und Flüssigkeitd= Teilchendurchmesserg= Erdbeschleunigung und µ= Viskosität der Flüssigkeit.

Handelt es sich nicht um ein einzelnes Teilchen, sondern um einen Schwarm gleicher Teilchen, so ist die Sinkgeschwindigkeit kleiner als v _s , weil die nach unten sinkenden Teilchen durch Verdrängung eine Flüssigkeitsströmung nach oben erzeugen, die der Sinkbewegung entgegenwirkt. Die Sinkgeschwindigkeit des Teilchenschwarms ist dementsprechend

v = Φ v _s ,

wobei Φ eine Größe kleiner als 1 ist, die Behinderungsfaktor genannt wird. Φ ist eine Funktion der volumetrischen Feststoffkonzentration, die als Schwarmgeschwindigkeitscharakteristik bezeichnet wird und in Fig. 2 dargestellt ist.

Will man kugelförmige, in einer Flüssigkeit suspendierte Teilchen von einheitlichem Durchmesser durch ein vertikales Rohr nach oben fördern, muß man die Geschwindigkeit der Suspension größer machen als die Schwarmgeschwindigkeit. Umgekehrt kann man die Teilchen von der Flüssigkeit abtrennen, wenn man dafür sorgt, daß die Vertikalgeschwindigkeit der Suspension kleiner ist als die Schwarmgeschwindigkeit.

Die dichteste Packung von Kugeln gleichen Durchmessers hat ein Leervolumen von 26%, so daß die maximal mögliche Feststoffkonzentration bei 74 Volumen-% liegt. Bei dieser Konzentration erreicht Φ den Wert Null. Es versteht sich daher, daß die für die vorliegende Erfindung zu wählende volumetrische Feststoffkonzentration in den Heizrohren beträchtlich unter dem genannten Grenzwert liegen muß.

Claims (11)

1. Verfahren zur Vermeidung von Ablagerungen in senkrecht stehenden Verdampferheizrohren, die von einzudampfendem Material durchflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit am unteren Heizrohrende unter Druck eingespeist wird und im Heizrohr abrasiv wirkende Feststoffpartikel mitgeführt werden, deren schleifende Einwirkung auf der Heizrohrinnenseite eine Ablagerung von Verkrustungen verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel im Kreislauf geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel innerhalb des Heizrohres durch einen Strahlpumpeneffekt an der Innenseite zusammen mit der Flüssigkeit nach oben bewegt werden und über ein zentrisch in einem Heizrohrbündel angeordnetes Zentralrohr nach unten fallen, von wo aus sie unter Ausnutzung des Strahlpumpeneffektes erneut in den Kreislauf geführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bohrungen um die einen Strahlpumpeneffekt erzeugende Primärbohrung weitere Strahlpumpeneffekte erzeugt werden, die die Feststoffpartikel dem Primärstrahl zuführen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoffpartikel keramische Kügelchen und/oder Sandkörnchen einheitlicher Größe verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffpartikel aus dem gleichen Material bestehen wie die zu verhindernden Ablagerungen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsaufwärtsstrom vom Flüssigkeitsabwärtsstrom thermisch isoliert geführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß inmitten flüssigkeitsdurchströmter Heizrohre ein ungeheiztes Zentralrohr und im unteren Bereich jedes Heizrohres strahlpumpenartige Ausbildungen ringförmig angeordnet sind, die die mit Feststoffpartikeln beladene Flüssigkeit im Kreislauf bewegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr aus schlecht leitendem Material, vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik, besteht und/oder thermisch isoliert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als strahlpumpenartige Ausbildungen ringförmig in einem Boden des Heizrohres eingesteckte Strahlrohre dienen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß um die Strahlrohre Bohrungen liegen, die einen Sekundärstrahleneffekt erzeugen, der die Feststoffpartikel dem Primärstrahl zuführt.