DE3877266T2

DE3877266T2 - Rektifikationskolonnen fuer dampferzeuger.

Info

Publication number: DE3877266T2
Application number: DE8888305568T
Authority: DE
Inventors: Paul Holmes; Fred Houghton
Original assignee: British Gas PLC
Current assignee: British Gas PLC
Priority date: 1987-06-18
Filing date: 1988-06-17
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2008-06-18
Also published as: EP0295951B1; ATE84237T1; DE3877266D1; GB8714337D0; US4901540A; EP0295951A2; CA1325997C; ES2037832T3; EP0295951A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Fluidzirkulationssystem und einem Dampferzeuger mit einer Rektifikationssäule bzw. Rektifikationskolonne, in der eine Komponente eines Wärmeübertragungsmediums von einem Gemisch von Komponenten als ein Dampf getrennt und gereinigt wird. Insbesondere betrifft sie das bekannte Verfahren des Hinzufügens eines Kondensats der gereinigten Komponente, als Rückfluß bzw. Reflux bekannt, zu der Rektifikationssäule, um den Reinigungsprozeß des Dampfes zu unterstützen.
Wie bei der vorliegenden Erfindung steigt in herkömmlichen Rektifikationssäulen von Dampferzeugern, die in geschlossenen Wärmeübertragungssystemen verwendet werden, Dampf, der in einem sogenannten Aufkocher oder Reboiler erzeugt wird, die Säule an Böden vorbei aufwärts, die Zwischenkonzentrationen des Gemischs sammeln, indem in jedem Fraktionierboden ein Gleichgewicht zwischen Dampf, der durch die Säule hochsteigt, und einem flüssigen Kondensat erlangt wird, welches durch das Bodensystem absinkt. Wärme und Masse wird in jedem Fraktionierboden durch Hervorrufen eines Wirbelkontakt von flüssiger Phase und Dampfphase übertragen, so daß die aufsteigenden Dämpfe mit verdampfbaren Komponenten aus der absinkenden Flüssigkeit angereichert werden, während weniger verdampfbare Gase kondensieren, um die absinkende Flüssigkeit zu verdünne, wodurch gewährleistet wird, daß der aufsteigende Dampf zunehmend konzentriert wird, während die absinkende Flüssigkeit zunehmend verdünnt wird. In einigen herkömmlichen Systemen wird ein Teil des gereinigten Dampfes, der durch die Säule bereitgestellt wird, innerhalb der Säule mittels eines internen Wärmetauschers kondensiert, um ein flüssiges Kondensat zu bilden, welches dem obersten Fraktionierboden zugeführt wird, und das durch das Bodensystem nach unten läuft, um die oben erwähnten Gleichgewichtszustände zu erzeugen und so den aufsteigenden Dampf zu reinigen. Dieser kondensierte Dampf, Rückfluß genannt, beeinflußt direkt die Produktqualität. Einige andere Systeme gewinnen Kondensat aus einem äußeren Kondensor und verwenden dieses als Rückfluß. Ein Beispiel eines Systems, welches einen extern erzeugten Rückfluß verwendet, ist in der US-A-2,556,753 offenbart, wobei einzelne Posten des Rückflusses bzw. Reflux zu der Rektifikationssäule in Mengen zurückgeführt werden, die durch den Strom des Kondensats aus dem externen Kondensor bestimmt sind. Die Menge des Rückflusses beeinflußt jedoch die Qualität des Dampfes. Wenn die Rückflußmenge zu gering ist, kann keine ausreichende Dampfkonzentration auftreten, und die Reinheit des rektifizierten Dampfes ist unakzeptabel gering. Wenn die Rückflußmenge zu groß ist, dann sinkt die Gesamtmenge des Produktes, obwohl dieses von hoher Qualität ist. Darüberhinaus wild Wärme unökonomisch von dem Reboiler auf den Rektifikationssäulenkondensor übertragen. Bei einigen herkömmlichen Säulen bzw. Kolonnen werden Fluide von irgendwo in dem System dem Wärmetauscher als Kühlmittel zugeführt, um die dem System zugeführte Wärmeenergie auf zubewahren. Die Erzeugung des Rückflusses ist unkontrolliert und es gibt üblicherweise einen Überschuß davon. Es ist wünschenswert, diesen Rückfluß in einer Rektifikationssäule zu optimieren.
Die US-A-2,556,753 und die US-A-3,658,655 offenbaren andererseits Systeme, bei denen ein Rückfluß einem jeweiligen Erhitzer unter Steuerung vorgeschriebener Programme zugeführt wird, wobei es keine vorbestimmten Zeitspannenverhältnisse gibt. Diese Systeme sind auf die Erzeugung von Destillationsprodukten gerichtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Fluidzirkulationssystem und einem Dampferzeuger vorgesehen, der Dampf aus einer Lösung erzeugt, die ein Gemisch von Komponenten enthält, wobei die Vorrichtung eine Dampfrektifikationssäule enthält, die einen Boiler überragt und die Dampfrektifikationssäule eine vertikale Reihe von Dampfaustauschböden enthält, die den Zweck haben, den Dampf zunehmend zu reinigen, wenn dieser in der Säule aufsteigt, wobei das Fluidzirkulationssystem eine Rückflußeinrichtung enthält, mit einem Dampfkondensor, der außerhalb des Dampferzeugers angeordnet ist, um in der Rektifikationssäule gereinigten Dampf zu kondensieren, und eine Leitung mit der Dampfrektifikationssäule rückgekoppelt ist, um ihr Rückfluß zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung des Rückflusses zu der Säule von einem Ventil reguliert wird, welches den Durchlaß des Rückflusses durch die Leitung steuert, wobei das Ventil entsprechend einer Temperaturfühleinrichtung betätigt wird, die so angeordnet ist, daß sie auf die Temperatur des Dampfes oben in der Dampfrektifikationssäule reagiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 auf schematische Weise einen Teil der Rektifikationssäule eines boilers zur Darstellung des Rückfluß- Flüssigkeitseingangs mit einem Strömungsmodulationsventil;
Fig. 2 eine alternative Ventilanordnung in der Rückflußsäule der Figur 1;
Fig. 3 eine weitere Anordnung der Rückflußsäule mit einer modifizierten Form eines Rückflußmodulationsventils;
Fig. 4 noch eine weitere Form des Modulationsventils für die Rektifikationssäule;
Fig. 5 eine typische Rektifikationssäule im Querschnitt mit einer weiteren Form eines Modulationsventils zur Steuerung des Stromes der Rückfluß-Flüssigkeit;
Fig. 6 eine Konstruktion des Modulationsventiles gemäß Figur 5 in größerer Einzelheiten und
Fig. 7 ein neues Wärmepumpensystem, welches die Rektifikationssäule verkörpert, ausgestattet mit einem Modulationsventil gemäß der Erfindung.
In den Anordnungen der Figuren 1 bis 3 wird ein Rückflußstrom bzw. Refluxstrom von einem Kondensor 9 in eine Rektifikationssäule 10 von einem verschieblichen Kolben 11 gesteuert, der eine Öffnung 12 in der Seitenwand eines Zylinders 13, in dem der Kolben gleitet, zunehmend öffnet oder schließt. Somit hat die Kolben/Zylinder-Anordnung die Form eines Spulenventils. Der Kolben ist mit einer Stange 14 verbunden, die von einem Betätigungsorgan 15 bewegt wird. Das letztere kann verschiedene Formen haben und variabel positioniert sein. In der Anordnung der Figur 1 ist das Betätigungsorgan ein Faltenbalg 16, der ein expandierbares Medium wie Wachs enthält und sie in der Rektifikationssäule befindet und in der Umgebung des Abgabedampfs angeordnet ist. Eine Erhöhung der Temperatur innerhalb der Säule in der Nähe des Faltenbalgs ruft eine größere Öffnung des Rückflußventils und damit einen erhöhten Rückfluß hervor, umgekehrt reduziert ein Temperaturabfall den Rückflußinput in die Säule. Bei den normalerweise verwendeten Lösungen, beispielsweise Ammoniak in Wasser, tritt ein Temperaturabfall auf, wenn der Ammoniakgehalt in der Lösung erhöht ist, womit eine positive Feedbackkontrolle für die Vorrichtung gegeben ist. Durch Steuerung des Rückflusses ist es auf diese Weise möglich, die Rektifikationssäule automatisch so zu betreiben, daß optimale Bedingungen herrschen.
Das in Figur 2 dargestellte Ventil hat im wesentlichen eine gleiche Wirkung wie das vorstehend beschriebene, jedoch ein anderes Betätigungsorgan 15. In diesem Fall enthält dieses einen Satz von Bimetallstreifen oder Scheiben 20, die Fläche an Fläche gekoppelt sind, um eine Bewegung des Betätigungsbauteils hervorzurufen, wenn die Temperatur in der Rektifikationssäule sich ändert, wobei die Bewegung gleich der aufsummierten Bewegung aller Streifen oder Scheiben ist.
In Figur 3 ist eine etwas andere physikalische Anordnung dargestellt. Das Spulenventil kann entfernt von der Rektifikationssäule sein, obwohl es nahe bei dieser dargestellt ist. Der Faltenbalg 16 befindet sich in einem Gehäuse 22, welches an einer Stelle angeordnet sein kann, die sich zwischen der Rektifikationssäule 10 und dem Rückflußkondensor 9 befindet, und er kann bei Umgebungstemperatur gehalten sein. Der Faltenbalg ist mit einem Sensorgefäß 23 verbunden, welches sich innerhalb der Rektifikationssäule befindet, und zwar über eine geeignete Verbindungsleitung 24, und das gesamte Betätigungssystem ist mit einem expandierbaren Wachs gefüllt. Wenn die Temperatur in dem Gefäß sich ändert, dehnt sich der Wachs aus oder zieht sich zusammen, wodurch Wachs in den Faltenbalg gezwängt oder von dort über die oben erwähnte Leitung abgezogen wird und das Spulenventil betätigt wird. Diese Anordnung ermöglicht eine Vereinfachung der Konstruktion der Rektifikationssäule, wobei die letztere nicht die einzig mögliche Stelle für das Gefäß ist, da weitere Stellen innerhalb von Systemen mit Rektifikationssäulen bestehen, wo die Temperatur von Fluiden mit der Quantität des Rückflusses im Verhältnis stehen, der in jedem Augenblick für eine optimale Leistung erforderlich ist. Stromabwärts eines Expansionsventils in einer Wärmepumpe befindet sich eine solche Position.
Eine weitere Alternative ist in Figur 4 dargestellt, die dieses Mal wieder in der Rektifikationssäule angeordnet ist. Sie enthält einen Stab 25, der sich in das Innere der Rektifikationssäule erstreckt und mit einem Ende mit einem Absperrglied 26 in dem Rückflußeinlaß verbunden ist und ein freies Ende hat. Ein durchlöchertes scheibenförmiges Verschlußbauteil 27 wirkt mit einer Öffnung in dem Absperrglied 26 zusammen und ist drehbar an dem Stab befestigt. Ein spiralförmiges Element 28 aus einem Bimetallstreifen ist mit einem ersten Ende an der Scheibe an einer radialen Position befestigt, und mit einem zweiten Ende an dem freien Ende des Stabes angebracht. Wenn sich die Temperatur in der Rektifikationssäule ändert, ändert sich der Durchmesser des spiralförmigen Elementes und bewirkt eine drehbare Verlagerung des mit der Scheibe gekoppelten Endes. Durch diese Einrichtung wird die Öffnung in dem Absperrglied in einem größeren oder kleineren Maße durch die Scheibe geschlossen, wobei dies den Strom des Rückflusses von dem Kondensor 9 steuert.
In den Figuren 5 und 6 ist eine typische Rektifikationssäule 10 dargestellt, die mit einer weiteren Form eines Rückflußsteuerventils versehen ist. Dieses ist im wesentlichen eine Öffnung 30, die durch ein Rohr 31 begrenzt ist, welches ein einfacher Dichtungsdrucksitz in dem Rückflußeinlaßrohr 32 sein kann, welches durch die vertikale Wand 33 in die Rektifikationssäule führt. Eine Gewindehülse 34 (am besten in Figur 6 zu sehen), ist auf einem entsprechenden Gewindeabschnitt des Rohres gehalten, und an der Hülse ist ein Mitnehmertragarm 35 befestigt, der dazu neigt, die Öffnung zu überdecken. Ein Bimetallstreifen 36 ist an dem Mitnehmer des Tragarms an einem Ende befestigt, während sein anderes Ende mit der Öffnung 30 in dem Rohr 31 zusammenwirkt, um die Strömung der Rückflußflüssigkeit durch die Öffnung zu steuern. Der Bimetallstreifen ist in einer solchen Ausrichtung befestigt, daß er an dem Rohr anliegt, wenn die Temperatur um den Rückflußeingang fällt, und daß er sich davon wegbewegt, wenn die Temperatur ansteigt. Wenn auf diese Weise die Temperatur bei ansteigendem Ammoniakgehalt in der Lösung in den Böden fällt, neigt der kühlere Dampf, der an dem Bimetallstreifen vorbeigeht, dazu, das Ventil zu schließen, und wenn die Temperatur infolge verringertem Ammoniaks ansteigt, öffnet das Ventil, um weitere Mengen von Rückfluß zuzulassen.
Die Tätigkeit des Ventils kann eingestellt werden, indem die Hülse auf dem Rohr gedreht wird, wodurch sich infolge des Gewindeeingriffs eine Bewegung in axialer Richtung ergibt. Einmal eingestellt, wird sie mittels eines Schraubensatzes (nicht dargestellt) zweckmäßigerweise verriegelt. Es kann auch zweckmäßig sein, daß die Hülse die Außenform einer Mutter (nicht dargestellt) hat, zum Zwecke der einfachen Einstellung.
Der Dichtungseingriff des Rohres 30 in das Rückflußeinlaßrohr 32 wird mit Hilfe eines Paares von O-Ringen 37, bewirkt, die jeweils teilweise in Umfangsschlitzen 39, 40 in der Außenfläche des Rohres sitzen. Diese O-Ringe greifen an der Innenfläche des Rückflußeinlaßrohres 32 an, wenn das Ventil darin eingesetzt ist.
Am Beispiel eines neuen vorteilhaften Wärmepumpensystems, das mit Hilfe des vorliegenden Rückflußventiles realisiert ist, ist in Figur 7 offenbart, die die Aspekte des Systems im Zusammenhang mit dem Transport der Systemfluidmedien zeigt.
Eine Pumpe 100 pumpt eine starke Lösung von dem Absorber 102 zu der Rektifikationssäule 10 über eine Wärmeaufnahmespule 105 in dem Kondensor und einen Schwach/Stark- Lösungswärmetauscher 108, wobei an beiden Gelegenheiten Wärme von anderen Fluiden in dem System aufgenommen wird. Diese gepumpte Lösung gibt eine flüchtige Fraktion in der Rektifikationssäule ab, und der Rest wird als schwache Lösung in den Generator 110 abgeführt, wo sie weitere Wärme aufnimmt und als Folge noch mehr Dampf freigibt. Die erwärmte, jedoch geschwächte Lösung wird zu der Pumpe als Arbeitsfluid geführt und passiert dahin den Wärmetauscher 108, wo ein Teil ihrer Eigenwärme auf die oben erwähnte starke Lösung übertragen wird, die in der entgegengesetzten Richtung durchläuft. Von der Arbeitskammer der Pumpe fließt die schwache Lösung in den Eingang des Absorbers 102, um die Zirkulation der Lösung zu vervollständigen.
Dampf, der die Rektifikationssäule 10 verläßt, wird zu dem Kondensor geführt, wo ihre latente Wärme entfernt wird. Das Kondensat wird an dem Kondensor geteilt, eine Fraktion des Kondensats wird als Rückfluß zu der Rektifikationssäule 10 zurückgeführt, während ihr Hauptanteil durch ein Expansionsventil 112 fließt, und von dort in einen Verdampfer 114, wo sie wieder verdampft wird. Der Dampf wird zu dem Absorber 102 geführt, wo er in Lösung in das lösbare Medium des Systems eintritt.
Für einen optimalen Betrieb muß die Aufteilung des Kondensats gesteuert werden. Diese Steuerung wird von dem Rückflußventil 116 durchgeführt, welches an dem Rückflußeinlaß zu der Rektifikationssäule angeordnet ist. Die Steuerung wird auf eine der Arten durchgeführt, die oben beschrieben sind.
Die Verwendung eines einzigen Kondensors zur Bereitstellung sowohl des Rückflusses als auch der flüssigen Phase zu dem Hauptsystem vereinfacht die Konstruktion der Vorrichtung und reduziert ihre Kosten. Dies ist allein durch die Anwesenheit des Rückflußventils 116 möglich. Der Zweck der Zufuhr der starken Lösung durch die Wärmetauscherspule 105 in den Kondensor und durch den Lösungswärmetauscher 108 besteht darin, die dem System über den Generator 110 zugeführte Wärme solange wie möglich zu bewahren und zu nutzen. Analysen zeigen, daß , als allgemeiner Grundsatz, je größer die Arbeit ist, die von der durch den Boiler zugeführten Wärme gemacht wird, umso größer die Wärme ist, die von der Umgebung zu dem Punkt übertragen wird, an dem sie genutzt wird.

Claims

1. Wärmeübertragungsvorrichtung mit einem Fluidzirkulations- System und einem Dampferzeuger, der Dampf aus einer Lösung erzeugt, die ein Gemisch von Komponenten enthält, mit einer Dampfrektifikationssäule (10), die eine vertikale Reihe von Dampfaustauschböden (8) aufweist, deren Aufgabe darin besteht, den Dampf zunehmend zu reinigen, wenn dieser in der Säule aufsteigt, wobei das Fluidzirkulationssystem eine Rückflußeinrichtung enthält mit einem Dampfkondensor, der außerhalb des Dampferzeugers angeordnet ist, um Dampf zu kondensieren, der in der Rektifikationssäule gereinigt ist, sowie eine Leitung (7), die mit der Dampfrektifikationssäule zur Zuführung von Rückfluß in diese rückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Rückflusses zu der Säule von einem Ventil (11, 13, 26, 31, 116) reguliert wird, welches den Durchlaß des Rückflusses durch die Leitung (7) steuert, wobei das Ventil direkt entsprechend einer Temperaturfühleinrichtung (16, 20, 23, 28) betätigt wird, die so angeordnet ist, daß sie auf die Temperatur des Dampfes oben in der Dampfrektifikationssäule reagiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ventil ein Spulenventil (11) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit einem Faltenbalg (16), der den funktionalen Teil eines Betätigungsgliedes (15) für das Spulenvetil (11) bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Faltenbalg (16) eine ausdehnbare Wachssubstanz enthält und innerhalb der Rektifikationssäule (10) angeordnet ist, um die Temperatur des Abgabedampfs zu fühlen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Faltenbalg (16) außerhalb der Rektifikationssäule (10) angeordnet und mittels einer Leitung (24) mit einem Expansionsgehäuse (23) gekoppelt ist, welches in dem Fluidzirkulationssystem an einer Stelle angeordnet ist, an der die Temperatur des Fluids funktional auf die Menge des Rückflusses bezogen ist, der erforderlich ist, um optimale Bedingungen der Dampferzeugung aufrecht zu erhalten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ventil von einer linearen Anordnung von bimetallischen Elementen (20) betätigt ist, die in Serie auf die Temperatur des Abgabedampfs ansprechen, um das Ventil zu positionieren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ventil eine Scheibe (27) aufweist, deren Winkelposition von einem bimetallischen Element (28) eingestellt wird, welches entsprechend Änderungen der Temperatur des Abgabedampfes die Scheibe (27) um eine Achse (25) dreht, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ventil einen auskragenden bimetallischen Streifen (36) aufweist, der so wirkt, daß eine Öffnung (30) geöffnet oder geschlossen wird, die die Quelle des Rückflusses in die Rektifikationssäule (10) bildet.