DE3643816A1

DE3643816A1 - Eindampf-vorrichtung mit einer verdampfer-kondensator-einheit

Info

Publication number: DE3643816A1
Application number: DE19863643816
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl Ing Koenig
Original assignee: MAN Technologie AG
Current assignee: KOENIG, NIKOLAUS, DIPL.-ING. (FH), 8081 OBERSCHWEI
Priority date: 1986-02-19
Filing date: 1986-12-20
Publication date: 1987-08-20
Also published as: DE3643816C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Eindampf-Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Betrieb einer Eindampf-Vorrichtung beispielsweise in einer Wasseraufbereitungsanlage mit Brüdenverdichter und Verdampfer-Kondensator-Einheit wird das salzhaltige Roh wasser in einem Siedekessel bis auf Siedetemperatur er hitzt, wobei Dampf entsteht, der vom Brüdenverdichter an gesaugt und adiabat verdichtet wird, so daß sich die Tempera tur und der Druck des Dampfes erhöhen. Der erhitzte und ver dichtete Dampf wird durch den Siedekessel geleitet, wobei ein Teil der in dem Dampf enthaltenen Wärme an das sieden de Rohwasser übergeht und den Dampf kondensiert. Das Kon densat wird gesammelt und als Reinwasser abgeführt. Die beim Siedevorgang entstehende Sole wird ebenfalls abge führt und gegebenenfalls zur Vorwärmung des Rohwassers benutzt.

Grundsätzlich sind also beispielsweise für Projekte der Meerwasserentsalzung durch Brüdenkompression zwei Haupt komponenten nötig:

Komponente 1 ist die Brüdenverdichtung durch Strömungs maschinen;

Komponente 2 ist ein Wärmetauschersystem zur Verdampfung und Kondensation der Brüden. Diese Verdampfer-Kondensator genannten Einheiten sind speziell für mehrstufige Anlagen der entscheidende Kostenfaktor. Um die Anforderungen opti mal zu erfüllen, sind für eine Verdampfer-Kondensator-Ein heit folgende Zielsetzungen gegeben:

a) billige Heizfläche
b) hohe Wärmedurchgangskoeffizienten
c) kompakte Bauweise (geringe Bauhöhe)
d) stabile Betriebseigenschaften
e) Verwendung hochkorrosionsbeständiger Werkstoffe.

Der Erfindung liegt die Schaffung einer Eindampf-Vorrich tung der eingangs genannten Art zugrunde, deren Verdampfer- Kondensator-Einheit einfach und kompakt aufgebaut ist und in zuverlässiger Weise wirkungsvoll betrieben werden kann.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe da durch, daß die Verdampfer-Kondensator-Einheit zumindest ein Spiral-Fallfilmverdampferrohr umfaßt.

Das Fallfilmverdampferrohr weist zweckmäßigerweise eine oder mehrere spiralförmig verlaufende rohraußenseitig konvexe Sicken in der Rohrzylinderschale auf.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung umfaßt das Fallfilmverdampferrohr rohrinnenseitig konkave spiral förmig verlaufende Sicken in der Rohrzylinderschale, wo bei in besonders bevorzugter Ausführungsvariante die rohr außenseitig konkaven Sicken gleichzeitig die rohrinnen seitig konkaven Sicken sind.

Die Sicken sind zweckmäßigerweise einstückig mit der Rohr zylinderschale ausgebildet und jeweils dem Anwendungsfall in der Neigung bzw. Steigung, Anzahl, Größe (Füllquerschnitt) und Form angepaßt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die rohraußenseitig kon vexen Sicken mit einer Tropfkante versehen sind, die bevor zugt einstückig mit der Sicke ausgebildet sein kann.

Zwischen den Sicken kann die eigentliche Heizfläche des Fallfilmverdampferrohrs in der Oberfläche entsprechend den Einsatzbedingungen profiliert ausgebildet sein. Ins besondere kann das Fallfilmverdampferrohr mit Längs- oder Spiralrillen versehen sein. Aber auch andere regelmäßige Muster können im Einzelfall vorteilhaft sein.

Bevorzugt ist die Wandstärke der eigentlichen Rohrzylinder schale gleich der Wandstärke der Sicken, so daß ein ein facher Aufbau gegeben ist.

Die Wandstärke der Rohrzylinderschale und der Sicken ist bevorzugt vergleichsweise dünn, so daß hochwertige Heiz flächenmaterialien effektiv ausgenutzt und gleichzeitig geringe Wärmedurchgangswiderstände erzielt werden können. Profilierte Rohre mit dünnen Wandstärken erreichen nor malerweise kaum noch die Stabilität, um die erforder lichen mechanischen Kräfte (Temperatur-Druckdifferenz) aufnehmen zu können. Die erfindungsgemäßen Spiralsicken übernehmen hier wesentliche mechanische Versteifungsfunk tion und stabilisierende Eigenschaften. Somit können bei geringen Wandstärken gleichwohl noch ausreichende Differenz drücke (Temperaturdifferenzen) verarbeitet werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 12 bis 16.

Durch die Erfindung wird mithin auf der Verdampfungsseite (Rohrinnenseite) aufgrund der spiralförmigen im Rohrkanal konkaven Sicke der dünne Flüssigkeitsfilm des vertikal von oben nach unten orientierten Fallfilms in regelmäßigen Ab ständen entsprechend der Steigung der Sicken gesammelt und in Drallrichtung winkelig versetzt wieder aufgebaut. Durch diese kontinuierliche radiale Bewegung im Film kann auch bei sehr geringer spezifischer Beladung ein dünner Fall film mit guter Konzentrationsverteilung erzeugt werden.

Durch die richtige Wahl der Geometrie "Heizfläche" zu "Verteilsicke" können hohe Konzentrationsfaktoren im einfachen Durchlauf ohne trockene Stellen ("DRY OUT" mit allen negativen Folgen von SCAILING und FOULING) erzeugt werden.

Die eigentliche Heizfläche wird vorzugsweise bei Meer wasserentsalzungsanlagen als gerilltes Verdampferrohr mit all den in der Literatur bekannten Vorteilen aus geführt. Dabei ist besonders darauf hinzuweisen, daß die hohen Wärmeübergangszahlen nur in einer schmalen Bandbreite der spezifischen Beladung erzielt werden. Diese optimalen spezifischen Beladungen sind kleine Werte, welche nach dem Stand der Technik in technischen Anlagen aus Betriebsgründen (Scailing) praktisch nicht erreicht werden. Demgegenüber ermöglicht das erfindungs gemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr einen praktischen Betrieb innerhalb der gewünschten Werte der spezifischen Beladung.

Die auf der Kondensationsseite (Rohraußenseite) konvexen spiralförmigen Sicken unterbrechen den ablaufenden Konden satfilm regelmäßig nach kurzen Lauflängen entsprechend der Steigung der Sickenspirale. Bei geeigneter Ausbildung einer Tropfkante werden aufgrund des Dranageeffekts der konden sationsseitigen Wärmetauscherfläche hohe Wärmeübergangs koeffizienten erzielt.

Bei allen technischen Kondensationsvorgängen im Vakuum ist mit einer Beeinträchtigung des Wärmeübergang durch NC- Gase zu rechnen. Die Verluste (mittlere treibende Tempera turdifferenzen) werden um so geringer, je niedriger die Konzentration der NC-Gase im wandnahen Bereich gehalten werden kann.

Die Dampfströmung des kondensierenden Mediums ist vorzugs weise senkrecht zur Achse des Verdampferrohrs. Durch die Spiralsicke mit Tropfkante wird eine erhebliche Störung der Dampfströmung erreicht und der obengenannte Prozeß positiv beeinflußt.

Durch die Erfindung können mithin nicht nur hohe Wärme durchgangskoeffizienten und stabile Betriebseigenschaf ten erzielt werden, sondern auch kostengünstige kompakt aufgebaute Heizflächen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei mehrstufigen Verdampfer-Kondensator-Ein heiten. Derartige Einheiten lassen sich mit geringer Bau höhe realisieren.

Die Erfindung eignet sich vornehmlich für die Meerwasser entsalzung, aber auch bei Deponie-Abwasserentsorgungs anlagen und generell bei thermischer Destillation. Weiter eignet sich die Erfindung zum Eindampfen von extrem tempera turempfindlichen Stoffen, wie z.B. in der pharmazeutischen Industrie. Als Vorteile ergeben sich kleinste Temperatur differenzen des Heizdampfs zum Medium sowie kurze Verweil zeiten durch kleine Rohrlängen und kleine spezifische Be ladungen. In Verwendung der Erfindung beim Eindampfen von hochkorrosiven Stoffen ist der besondere Vorteil zu ver zeichnen, daß aufgrund der extrem dünnen Heizflächen bei gleichzeitig maximalen Wärmedurchgangszahlen eine opti male Materialausnutzung eingerichtet werden kann. Beim Eindampfen von krustenbildenden Fluiden ist die gleich mäßige Filmdicke über der gesamten Heizfläche ohne Kon zentrationsspitzen besonders vorteilhaft. Die Nutzung des erfindungsgemäßen Spiral-Fallfilmverdampferrohrs in Ver dampfer-Kondensator-Systemen ist grundsätzlich unabhängig von der Speisedampfquelle, d.h. Art und Bauweise des "Dampferzeugers".

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vertikal-Teilansicht eines spiralförmigen Fallfilmverdampferrohrs,

Fig. 2 die Einzelheit A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Fallfilmverdampfer rohr nach Fig. 1 längs der Linie A-B,

Fig. 4 die Einzelheit B der Fig. 3,

Fig. 5 und 6 eine qualitative Darstellung der hydrau lischen Effekte am Fallfilmverdampferrohr gemäß Fig. 1 auf der Verdampfungsseite (Rohrinnenseite) in einem vertikalen Längsschnitt bzw. bei aufge wickelter Rohrinnenfläche, und

Fig. 7 und 8 den Fig. 5 und 6 ähnliche qualitative Dar stellungen der hydraulischen Effekte am Fallfilm verdampferrohr gemäß Fig. 1 auf der Kondensations seite (Rohraußenseite) in einem vertikalen Längs schnitt bzw. bei aufgewickelter Rohraußenfläche.

Eine hier grundsätzlich nicht näher interessierende (nicht veranschaulichte) Verdampfer-Kondensator-Einheit einer nach dem Brüdenverfahren arbeitenden Meerwasseraufbereitungsan lage umfaßt zumindest ein Fallfilmverdampferrohr (1) gemäß Zeichnung.

Das Fallfilmverdampferrohr (1) besitzt eine oder mehrere spiralförmig verlaufende außen konvexe Sicken (2) in der Rohrzylinderschale (4) mit jeweils dem Anwendungsfall an gepaßter Neigung bzw. Steigung (S), Anzahl, Größe (Füll querschnitt) und Form. Die im Kondensationsraum konvexen spiralförmigen Sicken (2) unterbrechen den ablaufenden Kondensatfilm regelmäßig nach den kurzen Lauflängen ent sprechend der Steigung (S).

Gemäß Fig. 2 umfaßt die rohraußenseitig konvexe spiral förmige Sicke (2) an radial äußerer Stelle des Rohrs eine vergleichsweise scharfe unterseitige Tropfkante (5), durch die ein Drainageeffekt der kondensationsseitigen Wärmetauscher fläche erzielt wird, was zu hohen Wärmeübergangskoeffizienten im Betrieb führt.

Zwischen den konvexen Sicken (2) ist die rohraußenseitige Oberfläche des Fallfilmverdampferrohrs (1) profiliert, bei spielsweise durch Ausbildung von Längsrillen (6), wie dies im einzelnen den Fig. 1 bis 4 zu entnehmen ist. Auch Spiral rillen oder andere regelmäßige Muster sind möglich. Dadurch wird bei einem gerillten Verdampferrohr eine Heizfläche (F) geschaffen, welche einen praktischen Betrieb innerhalb der gewünschten Werte einer spezifischen Beladung er möglicht, was zusätzlich auf der Rohrinnenseite (Ver dampfungsseite) zu hohen Wärmeübergangszahlen führt.

Die rohraußenseitig konvexen spiralförmigen Sicken (2) sind in der Rohrzylinderschale (4) derart integriert, daß gleichzeitig auch rohrinnenseitig konkave spiral förmige Sicken (3) ausgebildet sind.

In den Fig. 5 und 6 sind die hydraulischen Effekte am Spiral-Fallfilmverdampferrohr (1) auf der Verdampfungs seite bzw. Rohrinnenseite in einem vertikalen Längs schnitt und in einer Abwicklung des Innenumfangs der Rohrschale qualitativ dargestellt. Durch die spiral förmigen im Rohrkanal konkave Sicken (3) wird der dünne Flüssigkeitsfilm (7) des vertikal von oben nach unten orientierten Fallfilms in regelmäßigen Abständen (Stei gung S) durch die Sicke (2) gesammelt und in Drallrich tung winklig versetzt wieder aufgebaut, so daß eine Neu verteilung (8) des Fallfilms an tieferer Stelle des Fallfilmverdampferrohrs (1) entsteht. Durch die konti nuierliche radiale Bewegung im Film in der Sicke kann auch bei sehr geringer spezifischer Beladung ein dünner Fallfilm mit guter Konzentrationsverteilung erzeugt wer den. Durch die richtige Wahl der Geometrie der Heizfläche (F) zur Verteilsicke (3) können hohe Konzentrationsfak toren im einfachen Durchlauf ohne trockene Stellen (DRY OUT mit allen negativen Folgen von SCAILING und FOULING) erzeugt werden.

In den Fig. 7 und 8 sind die hydraulischen Effekte am Spiral-Fallfilmverdampferrohr (1) auf der Kondensations seite bzw. Rohraußenseite qualitativ dargestellt, und zwar in einem vertikalen Längsschnitt gemäß Fig. 7 und in einer Aufwicklung der Rohraußenschale gemäß Fig. 8. Ersichtlich unterbricht die im Kondensationsraum kon vexe spiralförmige Sicke (3) den ablaufenden Kondensa tionsfilm (9) regelmäßig nach kurzen Lauflängen (S). Bei geeigneter Ausbildung der Tropfkante (5) an radial äußerer unterer Stelle der konvexen Sicke (2) wird tropfenweise Flüssigkeit abgezogen ("Drainageeffekt").

Die Dampfströmung des kondensierenden Mediums ist vor zugsweise senkrecht zur Achse (a) des Verdampferrohrs (1). Durch die spiralförmige Sicke (2) mit Tropfkante (5) wird eine erhebliche Störung dieser Dampfströmung erzielt und dadurch die Konzentration der NC-Gase im wandnahen Bereich niedrig gehalten. Die Wandstärke (d) der Rohrzylinderschale (4) ist vergleichsweise dünn gewählt, um hochwertige Heizflächenmaterialien effektiv auszunutzen und gleichzeitig geringe Wärmedurchgangs widerstände einzurichten. Eine dünne Wandstärke (d) ist möglich, da das Fallfilmverdampferrohr (1) zum einen Längsrillen (6) und zum anderen Sicken (2, 3) besitzt, die für hinreichende Stabilität sorgen, so daß bei geringen Wandstärken noch ausreichende Differenzdrücke (Temperaturdifferenzen) verarbeitet werden können.

Claims

1. Eindampf-Vorrichtung mit einer Verdampfer-Kondensator- Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfer- Kondensator-Einheit zumindest ein Spiral-Fallfilmver dampferrohr (1) umfaßt.

2. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Fallfilmverdampferrohr (1) eine oder mehrere spiralförmig verlaufende rohraußenseitig kon vexe Sicken (2) in der Rohrzylinderschale (4) aufweist.

3. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fallfilmverdampferrohr (1) eine oder mehrere spiralförmig verlaufende rohrinnen seitig konkave Sicken (3) in der Rohrzylinderschale (4) aufweist.

4. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rohraußenseitig konvexe(n) Sicke(n) (2) die rohrinnenseitig konkave Sicke(n) (3) ist/sind.

5. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicke(n) (2, 3) einstückig mit der Rohrzylinderschale (4) ausgebildet ist/sind.

6. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rohraußenseitig konvexe(n) Sicke(n) (2) mit einer Tropfkante (5) versehen ist/sind.

7. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Tropfkante(n) (5) einstückig mit der (den) Sicke(n) (2) ausgebildet ist/sind.

8. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fallfilmverdampferrohr (1) mit Längs- oder Spiralrillen (6) als eigentliche Heiz fläche (F) vorgesehen ist.

9. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandstärke (d) der eigentlichen Rohr zylinderschale (4) gleich der Wandstärke der Sicke(n) (2, 3) ist.

10. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (d) der eigent lichen Rohrzylinderschale (4) und der Sicke(n) (2, 3) dünn im Vergleich zum Rohrdurchmesser und der Rohrlänge ist.

11. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfströmung des konden sierenden Mediums im wesentlichen senkrecht zur Achse (a) des Fallfilmverdampferrohrs (1) geführt ist.

12. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Wasseraufberei tungsanlage mit zumindest einem Brüdenverdichter und zu mindest einer Verdampfer-Kondensator-Einheit zur Ver dampfung und Kondensation der Brüden verwendet ist.

13. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Eindampfen von extrem temperaturempfindlichen Stoffen wie z.B. in der pharma zeutischen Industrie verwendet ist.

14. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Eindampfen von hoch korrosiven Stoffen verwendet ist.

15. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Eindampfen von krusten bildenden Fluiden verwendet ist.

16. Eindampf-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie für flüssigen Sondermüll verwendet ist, wobei Fremddampf in mehrstufiger Entspan nung als Energiequelle benutzt ist.