DE4029071A1 - Device for evaporation esp. flash evapn. of liq. prods. - comprises vessel with upper vapour outlet and vertical perforated inlet pipe surrounded by sloping horizontal evapn. surfaces - Google Patents
Device for evaporation esp. flash evapn. of liq. prods. - comprises vessel with upper vapour outlet and vertical perforated inlet pipe surrounded by sloping horizontal evapn. surfacesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for evaporation of liquid products according to the preamble of claim 1 and a method for operating such a device.
Vorrichtungen zum Verdampfen flüssiger Produkte sind in vielen Ausführungsformen bekannt. Im Gegensatz zu Dampf kesseln oder Dampferzeugern dienen sie jedoch in der Regel nicht zur Herstellung von Dampf, sondern zur Umwandlung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen in dampfför migem Zustand, weil sie in diesem, beispielsweise zu che mischen Reaktionen, getrennt werden sollen, oder weil ein gelöster Stoff durch Verdampfen der Lösungsmittel wiederge wonnen werden soll.Devices for vaporizing liquid products are known in many embodiments. In contrast to steam however, they usually serve boilers or steam generators not for the production of steam, but for conversion of liquids or liquid mixtures in steam State because they are too che, for example mix reactions that should be separated or because one Solute again by evaporating the solvent should be won.
Die wichtigsten Einflußgrößen beim Verdampfen stellen stets die Siedetemperatur des Produktes, der Betriebsdruck des Verdampfers und die zugeführte Wärmeenergie zum Beheizen dar. Die Siedetemperatur des Produktes ist nicht nur pro duktspezifisch und von einer bestimmten Produkttemperatur abhängig, sondern auch von der Konzentration des Produktes. So steigt beispielsweise die Siedetemperatur beim Eindicken eines Produktes mit wachsender Konzentration merklich an.The most important factors influencing evaporation are always the boiling point of the product, the operating pressure of the evaporator and the heat energy supplied for heating The boiling point of the product is not only per product-specific and from a certain product temperature dependent, but also on the concentration of the product. For example, the boiling temperature rises when thickening of a product with increasing concentration.
Unter Verdampfen versteht man allgemein den Übergang einer Flüssigkeit in den gas(dampf)förmigen Zustand. Erhitzt man eine Flüssigkeit so weit, daß ihre Oberfläche die Sätti gungstemperatur erreicht hat, so gehen an dieser Oberfläche laufend Moleküle in den Dampfzustand über. Die dazu erfor derliche Verdampfungswärme kann der Flüssigkeit entweder im Verdampfer zugeführt werden (beheizbare Verdampfer), oder aber die Flüssigkeit wird vor Eintritt in den Verdampfer mittels einer beliebigen Heizvorrichtung auf Siedetemperatur erwärmt, und sie kann sich dann innerhalb des Verdampfers durch den dort herrschenden geringeren Betriebsdruck ent spannen und zum Teil verdampfen (Entspannungs-Verdampfer). Die Restflüssigkeit wird im allgemeinen wieder dem Vorwärmer zugeführt und der Dampf entweder als Produkt verwertet und/ oder kondensiert, wenn das Entspannungsverfahren die Aus scheidung von Salzen oder anderen Bestandteilen des Ausgangs produktes bezwecken soll.Evaporation is generally understood to mean the transition a liquid in the gas (vapor) state. Heated a liquid so far that its surface saturates temperature has reached, so go to this surface continuously molecules into the vapor state. The necessary Such heat of vaporization can either be of the liquid are fed into the evaporator (heatable evaporators), or but the liquid is made before entering the evaporator to any boiling temperature using any heating device warms up, and it can then get inside the evaporator due to the lower operating pressure prevailing there tension and partially evaporate (flash evaporator). The residual liquid is generally the preheater again supplied and the steam is either used as a product and / or condenses when the relaxation process turns off separation of salts or other components of the output purpose of the product.
Neben den Unterscheidungen in beheizbare und Entspannungs- Verdampfer differenziert man Umlauf- von Durchflußverdampfern. Erfolgt bei letzteren der Durchfluß des flüssigen Produktes (Massenstrom) von oben nach umten, spricht man von einem Fallstrom- oder Fallfilmverdampfer. Diese werden eingesetzt, wenn die Ver weilzeit der einzudampfenden Flüssigkeit sehr niedrig liegen soll, wie zum Beispiel bei der Eindampfung von wärmeempfind lichen Lösungen, die nur kurze Zeit ihrer Siedetemperatur ausgesezt werden dürfen, damit sie nicht geschädigt werden. Der Bedarf an Verdampfern mit kurzer Aufenthaltszeit der eingesetzten Produkte hat in der Vergangenheit relativ stark zugenommen. Dies liegt zum einen an den steigenden Forde rungen an Produktqualität und Ausbeute und zum andern an der immer größer werdenden Zahl neuer Stoffe, die sich ther misch instabil verhalten und nicht selten auch oxydations empfindlich sind. Die Betriebsweise bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen und extrem kurzen Verweilzeiten ist daher bei der thermischen Aufbereitung solcher Produkte eine unumgängliche Voraussetzung, wenn Schädigungen ver mieden werden sollen. Fallfilmverdampfer erfüllen jedoch nicht immer in ausreichendem Maße die vorgenannten Bedin gungen. Die Tatsache, daß im Verdampfer die Höhe der Tem peratur und die Verweilzeit, während welcher das Produkt dieser ausgesetzt wird, für den Grad seiner Schädigung maß gebend sind, führt zwangsläufig zu der Forderung nach Bauarten, bei denen das Produkt in noch kürzerer Zeit, möglichst als noch dünnerer Film, die Verdampfungsflächen passiert und deren Betriebsweise das Überschreiten der höchstzulässigen Temperatur auf der Produktseite verhindert. So sind zu der Gruppe der beheizbaren Verdampfer gehörende, sogenannte Dünnschichtverdampfer bekannt, bei denen der Flüssigkeits film mit entsprechend geringer, in bestimmten Grenzen ein stellbarer Dicke mechanisch erzeugt und bewegt wird. Eine geringe Filmdicke ist bei Flüssigkeitsfilmen, wie sie in Dünnschichtverdampfern auftreten, bekanntlich eine wesentliche Voraussetzung für die Erzielung guter Wärme übergänge.In addition to the distinctions between heatable and relaxation Evaporators are differentiated from circulation evaporators. With the latter, the flow of the liquid product takes place (Mass flow) from top to bottom, one speaks of a downflow or Falling film evaporator. These are used when the Ver because the time of the liquid to be evaporated is very low should, such as in the evaporation of heat sensitivity solutions that only boil for a short time may be used out so that they are not damaged. The need for evaporators with a short stay products used has been relatively strong in the past increased. On the one hand, this is due to the rising Forde improvements in product quality and yield and on the other the ever increasing number of new substances that are there behave mixed unstable and not seldom also oxidations are sensitive. The mode of operation at relative low temperatures and extremely short residence times therefore in the thermal processing of such products an essential requirement if damage ver should be avoided. Falling film evaporators meet however the above-mentioned conditions are not always sufficient gung. The fact that the amount of tem temperature and the dwell time during which the product this is suspended, measured for the degree of its damage give necessarily leads to the requirement for types, where the product is in even less time, if possible as even thinner film that passes through evaporation surfaces and whose mode of operation exceeds the maximum permissible Temperature on the product side prevented. So are that Group of heatable evaporators belonging to so-called Thin film evaporators are known in which the liquid film with correspondingly lower, within certain limits adjustable thickness is generated mechanically and moved. A low film thickness is with liquid films, as they occur in thin film evaporators, as is well known an essential prerequisite for achieving good warmth transitions.
Die Verdampfungsflächen innerhalb der Verdampfer sind meist als Heizrohre ausgeführt, so daß die bekannten Ver dampfer zur Erzielung großer Oberflächen und damit möglichst dünner Filmstärken relativ große Abmessungen aufweisen. Man ist dazu übergegangen, bei Lösungen, die zur Verkrustung oder Belagbildung auf den Rohren neigen, die Heizrohre außer halb des Verdampfergehäuses anzuordnen, um das Verdampfen in den Rohren zu verhindern, damit Betriebsstörungen durch die Bildung von Ablagerungen weitgehend vermieden werden. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die zwischen 2 und 5 m/s liegen können, kann zwar nicht in allen Fällen eine Verkrustung verhindert, aber zumindest verzögert werden.The evaporation surfaces are inside the evaporator mostly executed as heating pipes, so that the known Ver steamer to achieve large surfaces and therefore as possible thin film thicknesses have relatively large dimensions. One has gone over to solutions that incrust or the formation of deposits on the pipes tend to exclude the heating pipes to be placed half of the evaporator housing to allow evaporation in the pipes to prevent malfunctions by the formation of deposits can be largely avoided. Due to high flow velocities between 2 and 5 m / s may not be one in all cases Crusting is prevented, but at least delayed.
Findet die Verdampfung nicht mehr auf bzw. in den Heiz rohren, sondern im eigentlichen Verdampfer, dem sogenannten Brüdenraum, statt, so spricht man von Entspannungsverdampfern. Bei der Entspannungsverdampfung erfolgt die Erzeugung des Brüden durch Drucksenkung der meist auf Siedetemperatur vorgewärmten Lösung. Eine Entspannungsverdampferanlage be steht demnach aus einem Flüssigkeitserhitzer und aus einem als Brüdenraum ausgebildeten Entspannungskörper sowie aus einem Brüdenkondensator. Evaporation is no longer found on or in the heater tubes, but in the actual evaporator, the so-called Vapor room, instead of, one speaks of flash evaporators. The flash is generated during flash evaporation Vapors by lowering the pressure mostly to boiling temperature preheated solution. A flash evaporator system be therefore consists of a liquid heater and one as a vapor space trained relaxation body as well a vapor condenser.
Die Vielzahl der zuvor aufgeführten Verdampfer-Bauarten macht deutlich, daß für die verschiedenen Verdampfungsaufgaben jeweils verschiedene Verdampfertypen zum Einsatz kommen, um den jeweiligen spezifischen Problemen gerecht werden zu können und einen bestmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen.The variety of evaporator types listed above makes it clear that for the different evaporation tasks different evaporator types are used, to meet each specific problem to be able to achieve the best possible efficiency.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, die eingangs genannten und zuvor näher beschriebene Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten in Be zug auf eine universelle Einsetzbarkeit bei großer Betriebs sicherheit und hoher Wirtschaftlichkeit zu verbessern und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung be reitzustellen. Weiterhin ist erwünscht, daß die Vorrichtung bei einfachem und kompaktem Aufbau zur Dampferzeugung mit einer guten Qualität des Sattdampfes eingesetzt werden kann.Proceeding from this, the object of the invention reasons, the aforementioned and described in more detail above Device for evaporating liquid products in Be train for universal use in large operations improve safety and high economic efficiency and a method for operating such a device to sit down. It is also desirable that the device with a simple and compact design for steam generation with a good quality of saturated steam can be used.
Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung durch den Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch den Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 13.This problem is solved with regard to the device by the characterizing part of claim 1 and regarding the procedure by the labeling part of claim 13.
Bedingt durch ihren einfachen, aus wenigen verschiedenen Einzelteilen bestehenden Aufbau ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur besonders kostengünstig, sondern auch mit relativ einfachen Mitteln herstellbar. Dies ermöglicht ihren Bau auch in den sogenannten Entwicklungsländern, wo die erfindungsgemäß aufgebauten und betriebenen Vorrich tungen für die verschiedensten Zwecke, beispielsweise als Entsalzungsanlagen, in Chemiewerken, in der Textilindustrie oder in Kraftwerken zum Einsatz gelangen können.Due to their simple, from a few different Parts existing structure is the inventive Device not only particularly inexpensive, but also can be produced with relatively simple means. this makes possible their construction also in the so-called developing countries, where the Vorrich constructed and operated according to the invention tion for a variety of purposes, such as Desalination plants, in chemical plants, in the textile industry or can be used in power plants.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ihre besonders geringe Störanfälligkeit. Während der Verdampfung ist keine Wärmezufuhr notwendig, die Wärme wird durch Erhitzen in einem außerhalb der Vorrichtung liegenden Wärmeaustauscher aufgebracht. Die erfindungs gemäße Vorrichtung benötigt keine angetriebenen mechanisch drehenden Teile mit der für solche Teile zur Erzielung einer gleichmäßigen Filmverteilung bisher notwendigen hohen Bearbeitungsgüte.Another advantage of the device according to the invention is their particularly low susceptibility to faults. During the Evaporation does not require heat, the heat is done by heating in an outside of the device lying heat exchanger applied. The fiction according device does not need driven mechanically rotating parts with the for achieving such parts a uniform film distribution previously necessary high processing quality.
Ein besonders kompakter Aufbau wird dadurch er reicht, daß das Gehäuse, die Rieselflächenteller und das Zentralrohr einen runden Querschnitt aufweisen (Anspruch 2). Gemäß Anspruch 3 ist es für eine gleich mäßige Filmverteilung besonders zweckmäßig, wenn sich die vom Zentralrohr nach außen abfallenden Rieselflächen teller kegelstumpfförmig erweitern. Dabei ist es besonders günstig, daß die Neigung der Kegelfläche jedes Riesel flächentellers zwischen 1 : 5 und 1 : 20, insbesondere 1 : 10, beträgt (Anspruch 4).This makes it a particularly compact structure is enough that the housing, the trickle plate and the central tube has a round cross section (Claim 2). According to claim 3, it is the same for one moderate film distribution particularly useful if the trickle surfaces falling outwards from the central tube Expand the frustoconical plate. It is special favorable that the slope of the conical surface of each trickle surface plates between 1: 5 and 1: 20, in particular 1:10, is (claim 4).
Um dem entstehenden Dampf einen ausreichenden Frei raum zum Abzug zur Verfügung zu stellen, füllen gemäß Anspruch 5 die Rieselflächenteller den Ringspalt zwischen Zentralrohr und Gehäuse etwa zur Hälfte aus.Adequate clearance for the steam produced To provide space for deduction, fill according to Claim 5 the trickle surface plate between the annular gap Central tube and housing about halfway out.
Eine besonders gleichmäßige Produktverteilung auf den Rieselflächentellern wird dadurch erreicht, daß die Öffnungen im Zentralrohr als waagerecht angeordnete Schlitzreihen mit jeweils mehreren waagerechten Schlitzen je Rieselflächenteller ausgebildet sind (Anspruch 6).A particularly even product distribution the trickle surface plates is achieved in that the Openings in the central tube as horizontally arranged Row of slots, each with several horizontal slots per trickle plate are formed (claim 6).
Damit der Dünnschichtfilm auf den Rieselflächen teilern beim Überströmen im wesentlichen eine konstante Breite behält, sind gemäß Anspruch 7 auf jedem Riesel flächenteller mehrere Leitelemente vorgesehen, die in vorteilhafter Weise konvex nach oben gewölbt ausge bildet sein können (Anspruch 8). Herstellungstechnisch ist es besonders einfach, daß jeder Rieselflächenteller und die zugehörigen Leitelemente einstückig ausgebildet sind (Anspruch 9).So that the thin film on the trickle areas divide essentially a constant when overflowing Keeps width are according to claim 7 on each trickle surface plate provided several guide elements, which in advantageously curved convex upwards can be formed (claim 8). Manufacturing technology it is particularly simple that every trickle plate and the associated guide elements are formed in one piece are (claim 9).
Um eine gleichmäßige Verteilung des durch das Zentral rohr zugeführten Produktes auf den Rieselflächentellerab schnitten zu gewährleisten, sind nach Anspruch 10 die Leitelemente auf jedem Rieselflächenteller und die entsprechenden Öffnungen im Zentralrohr derart angeordnet, daß sie sich in ihrer Anzahl und gegenseitigen Lage entsprechen.To ensure an even distribution of the central pipe supplied product on the trickle plate To ensure cuts are the guide elements according to claim 10 on each pouring plate and the corresponding openings arranged in the central tube so that they are in their Correspond to the number and mutual position.
Um bei der Verdampfung eventuell mitgerissene Flüssigkeitsteilchen im Gehäuse zurückzuhalten, ist gemäß Anspruch 11 ein im Bereich oberhalb der Ver dampfungsflächen (Brüdenraum) angeordneter Flüssigkeits abscheider vorgesehen.To get entrained in the evaporation Retain liquid particles in the housing according to claim 11 in the area above the ver vaporization surfaces (vapor space) of arranged liquid separator provided.
Nach Anspruch 12 ist als Material für die produkt führenden Teile korrosionsfester Stahl, insbesondere V2A, vor gesehen.According to claim 12 is the material for the product leading parts of corrosion-resistant steel, especially V2A seen.
Durch den besonders hohen thermischen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, diese als Dampferzeuger, z. B. im Zusammenhang mit Solar kraftwerken, einzusetzen (Anspruch 14). Unter Beibehalt des grundsätzlichen Aufbaues der erfindungsgemäßen Vor richtung ist es gemäß Anspruch 15 sogar möglich, diese als Kondensator einzusetzen.Due to the particularly high thermal efficiency the device according to the invention, it is also possible these as steam generators, e.g. B. in connection with solar power plants to use (claim 14). While maintaining the basic structure of the invention direction it is even possible according to claim 15 use as a capacitor.
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und tech nischen Konzeption bzw. den Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem je weiligen Anwendungsgebiet bekannte Auswahlkriterien un eingeschränkt Anwendung finden können; insbesondere sind sie auch unabhängig voneinander zur Lösung der Aufgabe oder zumindest einer Teilaufgabe vorteilhaft verwendbar.The aforementioned and the claimed and in the Described embodiments, according to the invention using components or process steps in their size, shape, material selection and tech African conception or the procedural conditions special exceptions, so that in each because of the known application criteria can find limited use; are in particular they also independently of each other to solve the task or at least one subtask can be used advantageously.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden, wozu einerseits auf die Unteransprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter und in der Zeich nung dargestellter Ausführungsbeispiele verwiesen wird.There are now different ways of teaching To design and develop the invention for what on the one hand on the subclaims and on the other hand the following explanation is more preferred and in the drawing Reference shown embodiments is referred.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten; Fig. 1 shows a cross section through the basic structure of the device according to the invention for evaporating liquid products;
Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt durch die erfin dungsgemäße Vorrichtung entlang der Linie II-II aus Fig. 1; Fig. 2 shows a horizontal section through the inventive device along the line II-II of Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Anordnung einzelner Rieselflächenteller in Seitenansicht entlang der Linie III-III aus Fig. 2; FIG. 3 shows a section of the arrangement of individual pouring surface plates in a side view along the line III-III from FIG. 2;
Fig. 4 zeigt - stark vergrößert - eine Innenansicht eines Teilbereiches des Zentralrohres entlang der Linie IV-IV aus Fig. 2; Fig. 4 shows - greatly enlarged - an interior view of a portion of the central tube along the line IV-IV of Fig. 2;
Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, ein gesetzt in eine Entspannungsverdampferanlage eines Solar kraftwerkes mit einstufigem Arbeitsprozeß und Fig. 5 shows the device according to the invention, a set in a flash evaporator system of a solar power plant with a one-step process and
Fig. 6 zeigt die Anordnung nach Fig. 5 in einem zwei stufigen Arbeitsprozeß. FIG. 6 shows the arrangement according to FIG. 5 in a two-stage work process.
Die in Fig. 1 als Ganzes im Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht zunächst aus einem Gehäuse 1, in das von unten her ein Zentralrohr 2 hinein ragt, welches als Produkteinlaß dient. Am oberen Ende des Gehäuses 1 befindet sich ein Dampfauslaß 3, durch den der entstandene Dampf das Gehäuse 1 verläßt. Im unteren Be reich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im darge stellten Ausführungsbeispiel auf der linken Seite eine weitere Öffnung als Produktauslaß 4 vorgesehen. Durch diese Öffnung gelangt der nicht verdampfte Teil des Produktes aus dem Gehäuse 1 heraus.The device according to the invention shown as a whole in cross section in FIG. 1 initially consists of a housing 1 , into which a central tube 2 projects from below, which serves as a product inlet. At the upper end of the housing 1 there is a steam outlet 3 through which the resulting steam leaves the housing 1 . Be in the lower area of the device of the invention is in Darge exemplary embodiment illustrated on the left side as product outlet a further opening 4 is provided. The unevaporated part of the product comes out of the housing 1 through this opening.
Bei der Verdampfung auftretende Dampfblasen und/ oder hohe Dampfgeschwindigkeiten machen einen Flüssig keitsabscheider 5 unterhalb des Dampfauslasses 3 not wendig, um die mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen vom Dampf abzutrennen und im Gehäuse zurückzuhalten.When vaporization occurs, vapor bubbles and / or high vapor velocities make a liquid separator 5 below the steam outlet 3 necessary to separate the entrained liquid particles from the steam and retain them in the housing.
Um das zu verdampfende Produkt möglichst gut in dem ihn zur Verfügung stehenden entspannten Raum zu verteilen, sind um das Zentralrohr 2 herum eine Mehrzahl von im engen Abstand und parallel zueinander, übereinander und mit seitlichen Öffnungen versehene Rieselflächenteller 6 vorgesehen, von denen nur einige angedeutet sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erweitern sich die nach außen abfallenden Rieselflächenteller 6 kegel stumpfförmig. Bevorzugt wird als Neigung der Kegel fläche jedes Riesenflächentellers 6 ein Verhältnis von 1 : 10 gewählt, jedoch sind auch andere Neigungs verhältnisse denkbar, um andere Strömungsgeschwindig keiten der über die Rieselflächenteller 6 fließenden Flüssigkeit zu erhalten.In order to distribute the product to be evaporated as well as possible in the relaxed space available to him, a plurality of trickling surface plates 6 are provided around the central tube 2 , closely spaced and parallel to one another, one above the other and with side openings, only a few of which are indicated . In the preferred exemplary embodiment, the trickling surface plates 6 sloping outward widen in the shape of a truncated cone. Preferably, the ratio of 1:10 is selected as the inclination of the conical surface of each giant surface plate 6 , but other inclination ratios are also conceivable in order to obtain other flow speeds of the liquid flowing over the pouring surface plate 6 .
Die durchgezogenen Pfeile in Fig. 1 geben die Fließrichtung der Flüssigkeit wieder und die ge strichelten Pfeile stellen die Bewegungsrichtung des durch Entspannung entstandenen Dampfes dar.The solid arrows in Fig. 1 represent the direction of flow of the liquid and the dashed arrows represent the direction of movement of the vapor generated by expansion.
Aus Fig. 1 geht ferner hervor, daß die Riesel flächenteller 6 den Ringspalt zwischen Zentralrohr 2 und Gehäuse 1 etwa zur Hälfte ausfüllen.From Fig. 1 also shows that the trickle plate 6 fill the annular gap between the central tube 2 and the housing 1 about half.
Während in Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrich tung nur prinzipiell dargestellt ist, sieht eine be sondere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß jedem Rieselflächenteller 6 eine Mehrzahl von Leitelementen 7 derart zugeordnet ist, daß die Breite des Dünn schichtfilmes des über jeden Rieselflächenteller 6 strömenden Produktes zwischen zwei benachbarten Leit elementen 7 im wesentlichen konstant ist. Die in Fig. 1 der besseren Übersicht wegen nicht darge stellten Leitelemente 7 lassen sich besonders deut lich aus Fig. 2 entnehmen, wo eine Aufsicht auf einen mit Leitelementen 7 versehenen Rieselflächenteller 6 dargestellt ist. Im dargestellten und insoweit bevor zugten Ausführungsbeispiel sind zehn Leitelemente 7 vorhanden, von denen jedes von einem Punkt an der Grenze zwischen Zentralrohr 2 und Rieselflächenteller 6 ausgeht, radial abwärts der Neigung des Rieselflächen tellers entsprechend verläuft und diesen an seinem unteren Ende halbkreisförmig überragt. Der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht ist zu entnehmen, daß jedes Leitelement 7 konvex nach oben gewölbt ausgebildet ist.While in FIG. 1 processing the Vorrich invention shown only schematically, provides a be sondere embodiment of the invention that each Rieselflächenteller 6 is assigned a plurality of vanes 7 in such a manner that the width of the thin-layer film of the flowing across each Rieselflächenteller 6 product between two adjacent guide elements 7 is substantially constant. The in Fig. 1 the better overview because of not Darge presented guide elements 7 can be seen particularly clearly Lich from Fig. 2, where a view of a provided with guide elements 7 trickling surface plate 6 is shown. In the illustrated and in this respect before ferred embodiment, there are ten vanes 7, each of which emanates from a point on the boundary between the central tube 2 and Rieselflächenteller 6, radially extending downwardly of the inclination of the trickling adjuster according to and semi-circularly projects beyond this bottom at its end. The side view shown in FIG. 3 shows that each guide element 7 is convexly curved upwards.
Die Leitelemente 7 bezwecken, daß - trotz der stetigen Zunahme des Umfangs beim Überströmen jedes Rieselflächen tellers - die Breite des Dünnschichtfilmes zwischen zwei benachbarten Leitelementen 7 im wesentlichen konstant bleibt.The guide elements 7 aim that - despite the steady increase in the circumference when flowing over each trickling surface plate - the width of the thin film between two adjacent guide elements 7 remains substantially constant.
Um die zu verdampfende Flüssigkeit möglichst gleich mäßig auf allen Abschnitten der Rieselflächenteller 7 zu verteilen, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Öff nungen im Zentralrohr 2 als Schlitzreihen mit jeweils mehreren Schlitzen 8 je Rieselflächenteller 6 ausgebildet sind. Dabei ist es zweckmäßig, daß sich die Leitelemente 7 auf jedem Rieselflächenteller 6 und die Schlitze 8 im Zentral rohr 2 in ihrer Anzahl und gegenseitigen Lage entsprechen. Fig. 4 zeigt in stark vergrößerter Darstellung einen kleinen Teilbereich des Zentralrohres 2 von innen. Hier sind deutlich die horizontal verlaufenden Schlitze 8 zu erkennen, die nach oben und unten jeweils von einem Rieselflächenteller 6 be grenzt sind. Zwischen den Schlitzen 8 einer Schlitzreihe befinden sich gewissermaßen "Stege" 9, die in ihrer An zahl und Lage den Leitelementen 7 entsprechen.In order to distribute the liquid to be evaporated as evenly as possible over all sections of the trickling surface plate 7 , it is particularly advantageous if the openings in the central tube 2 are formed as rows of slots with several slots 8 per trickling surface plate 6 . It is expedient that the guide elements 7 on each flow plate 6 and the slots 8 in the central tube 2 correspond in their number and mutual position. Fig. 4 shows a greatly enlarged representation of a small portion of the central tube 2 from the inside. Here you can clearly see the horizontal slots 8 , which are bordered up and down by a trickle plate 6 be. Between the slots 8 of a row of slots are so to speak "webs" 9 , the number and position of the guide elements 7 correspond to.
Es ist leicht ersichtlich, daß sich bei einer ge ringen Anzahl von Leitelementen die "toten" Flächen je des Rieselflächentellers stark vergrößern, falls die be nachbarten Kanten der Leitelemente radial nach außen ver laufen sollen. Umgekehrt hat eine zu große Anzahl von Leit elementen ebenfalls eine Verringerung der "Nutzflächen" je des Rieselflächentellers zur Folge. Versuche haben ergeben, daß sich die im Ausführungsbeispiel dargestellte Anordnung von zehn Leitelementen je Rieselflächenteller als be sonders zweckmäßig erwiesen hat. Jedoch soll sich die Lehre der vorliegenden Erfindung keineswegs auf diese An zahl von Leitelementen beschränken. It is easy to see that ge wrestle number of guide elements the "dead" areas each of the trickle plate greatly increase if the be adjacent edges of the guide elements ver radially outwards should run. Conversely, too many leaders elements also a reduction in "usable space" each of the trickle plate. Experiments have shown that the arrangement shown in the embodiment of ten guiding elements per pouring surface plate as be has proven particularly useful. However, the Teaching of the present invention in no way to this Limit number of guiding elements.
Wie weiter oben bereits erläutert ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Dampferzeuger in einem Kraftwerk einzusetzen. In Fig. 5 ist die Ver wendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Solar kraftwerk schematisch dargestellt. Mittels Sonnenenergie wird Wasser in Flachkollektoren 10 auf eine Temperatur von 95°C erhitzt, nachdem es aus einem Wasserspeicher 11 von einer Pumpe 12A über nicht näher bezeichnete Leitungen zu den Flachkollektoren 10 herangefördert wurde. Das er hitzte Wasser wird von einer weiteren Pumpe 12B der er findungsgemäßen Vorrichtung, hier im Ganzen als Dampfer zeuger 13 bezeichnet, zugeführt. Bei der gegebenen Anordnung des Verdampferbodens in einer gewissen Höhe über der Wasser spiegelfläche des Wasserspeichers 11 stellt sich bei dem in Fig. 5 angegebenen Betriebsdruck p=0,715 bar ent sprechend einer Austrittswassertemperatur von ta=90°C im Dampferzeuger eine Wasserhöhe von 3,0 m über dem Wasser spiegel des Wasserspeichers 11 ein. Das Wasser steigt im Zentralrohr und Produktauslaß bis zum unteren Boden des eigentlichen Verdampfers hoch. Um den Dampferzeuger 13 in Betrieb zu nehmen, muß die bereits erwähnte Pumpe 12B das Wasser auf die Höhe des obersten Rieselflächentellers, im Beispiel 2,5 m höher, fördern. Um außerdem die Rohrlei tungswiderstände zu überwinden, ist noch eine zusätzliche Pum penleistung entsprechend einer Förderhöhe von H=4,0 m vorzusehen.As already explained above, it is also possible to use the device according to the invention as a steam generator in a power plant. In Fig. 5, the use of the device according to the invention in a solar power plant is shown schematically. By means of solar energy, water in flat collectors 10 is heated to a temperature of 95 ° C. after it has been conveyed from a water reservoir 11 by a pump 12 A to the flat collectors 10 via lines not specified. He heated water is supplied by another pump 12 B of the device he invented, here referred to as a steam generator 13 . Given the arrangement of the evaporator bottom at a certain height above the water mirror surface of the water reservoir 11 , the operating pressure p = 0.715 bar shown in FIG. 5 corresponds to an outlet water temperature of t a = 90 ° C. in the steam generator, a water height of 3.0 m above the water level of the water reservoir 11 . The water rises in the central pipe and product outlet to the bottom of the actual evaporator. In order to put the steam generator 13 into operation, the pump 12 B already mentioned must convey the water to the height of the top trickling surface plate, in the example 2.5 m higher. To also overcome the pipe resistance, an additional pump capacity corresponding to a delivery head of H = 4.0 m must be provided.
Im Falle des in Klammer angegebenen Betriebsdruckes des Dampferzeugers 13 mit p=0,483 bar, entsprechend einer Wasseraustrittstemperatur von ta=80°C steigt das Wasser in der Rohrleitung und im Dampferzeuger 13 auf eine Höhe von H=5,17 m über dem Wasserspiegel des Wasser speichers 11. Um in diesem Fall den Dampferzeuger 13 in Betrieb zu setzen, muß mittels einer dritten Pumpe 12C das Wasser aus dem Dampferzeuger 13 in den Wasserspeicher 11 zurückgedrückt werden. Auch bei diesem Betriebszustand ist eine Förderhöhe H=4,0 m erforderlich.In the case of the operating pressure of the steam generator 13 given in brackets with p = 0.483 bar, corresponding to a water outlet temperature of t a = 80 ° C, the water in the pipeline and in the steam generator 13 rises to a height of H = 5.17 m above the water level of the Water storage 11 . In order to put the steam generator 13 into operation in this case, the water from the steam generator 13 must be pressed back into the water reservoir 11 by means of a third pump 12 C. A delivery height H = 4.0 m is also required in this operating state.
Bei allen anderen Betriebszuständen mit Betriebs drücken im Dampferzeuger zwischen p=0,7 und 0,4 bar arbeiten beide Pumpen 12B und 12C mit entsprechend kleineren Drehzahlen, so daß jeweils alle Riesel flächenteller des Verdampfers mit den erforderlichen Wasser mengen versorgt werden können, und daß das am Boden des Dampferzeugers 13 anfallende abgekühlte Wasser wieder in den Wasserspeicher 11 zurückgedrückt wird, der auf diese Weise als Wärmespeicher dient.In all other operating states with operating pressures in the steam generator between p = 0.7 and 0.4 bar, both pumps 12 B and 12 C operate at correspondingly lower speeds, so that each trickle plate of the evaporator can be supplied with the required amounts of water, and that the resulting cooled water at the bottom of the steam generator 13 is pressed back into the water reservoir 11 , which thus serves as a heat store.
Der im Dampferzeuger 13 erzeugte Dampf wird in be kannter Weise einem aus Turbine 14 und Generator 15 be stehenden Turbosatz zugeleitet, anschließend in einem Kondensator 16 mit einer Grädigkeit von 5°C niederge schlagen und mittels einer Pumpe 12D wieder in den Wasser speicher 11 rückgeführt.The steam generated in the steam generator 13 is supplied in a known manner to a turbine set consisting of turbine 14 and generator 15 , then beat in a condenser 16 with a degree of 5 ° C. and is returned to the water reservoir 11 by means of a pump 12 D .
Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweistufigen Arbeitsprozeß. Hier wird das in Flach kollektoren 10 auf 125°C erwärmte Wasser einem ersten Dampferzeuger 13A mit einem Betriebsdruck von p=2,025 bar zugeführt und dort zum Teil verdampft. Die nicht verdampften auf etwa 120°C abgekühlten Wasseranteile werden bei diesem Ausführungsbeispiel nicht in den Wasserspeicher 11 sondern in die Flachkollektoren 10 zurückgeleitet. Der entstandene Dampf wird in bekannter Weise dem aus Turbine 14 und Generator 15 bestehenden Turbosatz zugeführt. Daran an schließend folgt ein Kondensator 16A, welcher im wesentlichen den gleichen Aufbau haben kann wie die erfindungsgemäße Vorrichtung. In diesem Kondensator 16A erfolgt die Nieder schlagung des Dampfes mittels relativ kühlerem Wasser einer Temperatur von etwa 90°C, welches durch die Konden sation auf 95°C erwärmt und mittels einer Pumpe 12C dem als Wärmespeicher diendenden Wasserspeicher 11 zugeleitet wird. Fig. 6 shows the inventive device in a two-stage working process. Here, the water heated to 125 ° C in flat collectors 10 is fed to a first steam generator 13 A with an operating pressure of p = 2.025 bar and partially evaporated there. In this exemplary embodiment, the water portions which have not evaporated to about 120 ° C. are not returned to the water reservoir 11 but to the flat-plate collectors 10 . The steam produced is fed in a known manner to the turbine set consisting of turbine 14 and generator 15 . This is followed by a capacitor 16 A, which can have essentially the same structure as the device according to the invention. In this condenser 16 A, the steam is struck by means of relatively cooler water at a temperature of approximately 90 ° C., which is heated to 95 ° C. by the condensation and fed to the water reservoir 11 serving as a heat accumulator by means of a pump 12 C.
Gleichzeitig wird dem Wasserspeicher 11 95°C warmes Wasser entnommen und dem Dampferzeuger 13B zugeführt. At the same time, 95 ° C. warm water is removed from the water reservoir 11 and fed to the steam generator 13 B.
Hier erfolgt die Dampferzeugung, Wasserrückführung, Stromerzeugung, Kondensation und Kondensatrückführung wie im Ausführungsbeispiel zu Fig. 5.Here, steam generation, water recirculation, electricity generation, condensation and condensate recirculation take place as in the exemplary embodiment in FIG. 5.
Die zuvor beschriebenen Niedertemperatur-Solarkraft werke können heute schon - unter Ausnutzung bekannter Technologien - in den sogenannten Entwicklungsländern hergestellt werden. Hierdurch kann eine ständige Strom versorgung gewährleistet werden. Zur Gewinnung der Energie aus der Sonneneinstrahlung werden konventionelle Sonnen kollektoren mit einfacherer Glasabdeckung verwendet. Sie sind mit in fast allen Entwicklungsländern vorhandenen maschinellen Einrichtungen herstellbar.The previously described low temperature solar power works can already do so today - using known ones Technologies - in the so-called developing countries getting produced. This allows a constant flow supply can be guaranteed. To get the energy The sun's rays become conventional suns collectors with a simpler glass cover. they are present in almost all developing countries machine equipment can be produced.
Solche Kollektoren lassen sich leicht reinigen, so daß sie auch bei hoher Staubbelastung der Luft, wie dies z. B. in Ägypten gegeben ist, einwandfrei über lange Zeit betriebsfähig bleiben.Such collectors are easy to clean, so that even with high levels of dust in the air, like this e.g. B. is given in Egypt, flawlessly for a long time remain operational.
Die ununterbrochene und allen Lastschwankungen ge recht werdende Wärmeversorgung des vorgesehenen Nieder druck-Dampfkraftwerkes wird durch die Anlage eines Warm wasser-Wärmespeichers sichergestellt. Dieser Speicher be steht aus so einfachen Bauelementen, daß er ebenfalls in den meisten Entwicklungsländern hergestellt werden kann. Das gleiche gilt - mit geringen Einschränkungen - für die vorgesehenen Niederdruck-Dampfturbinen, Generatoren, Motoren und Wärmeaustauscher.The uninterrupted and all load fluctuations ge rightful heat supply of the planned low Pressurized steam power plant is created by the installation of a warm water heat storage ensured. This memory be is made of such simple components that it is also in most developing countries can be manufactured. The same applies - with minor restrictions - to the intended low-pressure steam turbines, generators, Motors and heat exchangers.
Bei der Suche nach der günstigsten maximalen Prozeß temperatur für Sonnenkraftwerke mit Flachkollektoren, wurde anhand realistischer Anlagekomponenten (Kollektordiagramm und Dampfturbinen-Wirkungsgrad) nachgewiesen, daß diese günstigste Prozeßtemperatur zwischen 95°C und 80°C liegt.When looking for the cheapest maximum process temperature for solar power plants with flat-plate collectors based on realistic system components (collector diagram and steam turbine efficiency) demonstrated that these most favorable process temperature is between 95 ° C and 80 ° C.
Schließlich soll ein Zahlenbeispiel die vorstehenden
Ausführungen unterstreichen:
Bei einem Wasserdurchsatz von 0,5 m3/s und einer
(gewählten) Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s beträgt
der erforderliche Strömungsquerschnitt 0,5 m2. Bei einem
Durchmesser des Zentralrohres 2 von 0,8 m beträgt der Um
fang etwa 2,5 m. In der Wand des Zentralrohres 2 befinden
sich zehn 5 mm hohe Schlitze 8 von 200 mm Länge, an die
sich jeweils Stege 9 von 50 mm Länge anschließen, wobei
die Schlitze und Stege abwechselnd über den ganzen Umfang
des Rohres verteilt angeordnet sind.Finally, a numerical example should underline the above statements:
With a water throughput of 0.5 m 3 / s and a (selected) flow rate of 1 m / s, the required flow cross-section is 0.5 m 2 . With a diameter of the central tube 2 of 0.8 m, the order is about 2.5 m. In the wall of the central tube 2 there are ten 5 mm high slots 8 of 200 mm in length, to which webs 9 of 50 mm in length are connected, the slots and webs being arranged alternately distributed over the entire circumference of the tube.
Um den erforderlichen Strömungsquerschnitt A=0,5 m2 zu erreichen, sind fünfzig Schlitzreihen übereinander er forderlich. Jede Schlitzreihe mündet auf einem Riesel flächenteller 6, der zur Aufrechterhaltung der Strömungs geschwindigkeit kegelstumpfförmig mit einer Neigung von 1 : 10 gestaltet ist. Zum Abzug des gebildeten Dampfes sind die Rieselflächenteller 6 in einem Höhenabstand von 40 mm übereinander angeordnet. Bei dem vorgesehenen mittleren Tellerdurchmesser von 2,0 m beträgt die Strömungslänge des Wassers 0,6 m, so daß sich bei der Wassergeschwindigkeit von 1,0 m/s eine Verweilzeit von 0,6 Sekunden ergibt. Dem abziehenden Dampf steht bei der lichten Höhe zwischen zwei Rieselflächentellern 6 von 30 mm insgesamt ein Querschitt von A=9,42 m2 zur Verfügung.In order to achieve the required flow cross-section A = 0.5 m 2 , fifty rows of slots one above the other are required. Each row of slots ends on a trickle surface plate 6 , which is designed to maintain the flow speed frustoconical with an inclination of 1:10. To draw off the steam formed, the trickling surface plates 6 are arranged one above the other at a height distance of 40 mm. With the proposed mean plate diameter of 2.0 m, the flow length of the water is 0.6 m, so that there is a residence time of 0.6 seconds at the water speed of 1.0 m / s. A total cross-section of A = 9.42 m 2 is available to the extracting steam in the clear height between two trickling surface plates 6 of 30 mm.
Bei einer erzeugten Dampfmenge je Verdampfer von
=14,89 g/h=4,136 kg/s
und dem spezifischen Volumen V des Dampfes von 2,365 m3/kg
bei 0,7 bar, beträgt die Abströmungsgeschwindigkeit wD des
Dampfes aus den Rieselflächentellern 6 With an amount of steam generated per evaporator of
= 14.89 g / h = 4.136 kg / s
and the specific volume V of the steam of 2.365 m 3 / kg at 0.7 bar, the outflow velocity w D of the steam from the trickling surface plates 6
ist also außerordentlich niedrig, so daß ein Mitreißen von Wassertropfen weitgehend vermieden wird. Die Dampfge schwindigkeit erhöht sich im Mantelraum zwischen Ver dampfer und Gehäuse 1. Bei einem Gehäusedurchmesser von 3,5 m ergibt sich hier ein Strömungsquerschnitt vonis therefore extremely low, so that entrainment of water drops is largely avoided. The Dampfge speed increases in the jacket space between Ver steamer and housing 1 . With a housing diameter of 3.5 m there is a flow cross section of
also eine Dampfgeschwindigkeit von etwa 1,5 m/s. a steam speed of about 1.5 m / s.
Der Dampfauslaß 3 zur Turbine 14 wird für eine Dampfge schwindigkeit von 20 m/s ausgelegt und erhält damit ebenfalls einen Durchmesser von 0,8 m.The steam outlet 3 to the turbine 14 is designed for a Dampfge speed of 20 m / s and thus also receives a diameter of 0.8 m.
Der zuvor beschriebene Verdampfer besitzt eine Aus dampffläche vonThe evaporator described above has an off steam area of
Es werden alsoSo there will be
verdampft, ein Zahlenwert, der, bezogen auf die Ausdampf flächen von Niederdruck-Dampfkesseln, als sehr niedrig bezeichnet werden kann. Bedingt durch die verhältnismäßig große Verdampfungsfläche läßt sich durch den Einsatz ohne Mitreißen von Wassertropfen dennoch ein ausgezeichneter Wirkungsgrad erzielen.evaporates, a numerical value that, based on the evaporation areas of low pressure steam boilers, as very low can be designated. Due to the proportionate large evaporation area can be used without Carrying water drops is an excellent one Achieve efficiency.
Die zuvor beschriebenen Erkenntnisse werden bei der Berechnung und Konstruktion eines Solarkraftwerkes, welches als Beispiel eine installierte Leistung von 4 MW erbringen soll, verwendet.The findings described above are used in the Calculation and construction of a solar power plant, which provide an installed capacity of 4 MW as an example should be used.
Das Kraftwerk besteht aus,
Kollektoren mit einer Fläche von 270 000 m2,
einem Wasserspeicher von einem Volumen von 1,57 Mio m3,
vier Dampferzeugern mit einer Gesamtfläche von 528 m2,
vier Niederdruck-Dampfturbinen mit je 1.250 KVA und
vier Kondensatoren mit einer Grädigkeit von 5°C.The power plant consists of
Collectors with an area of 270,000 m 2 ,
a water storage tank with a volume of 1.57 million m 3 ,
four steam generators with a total area of 528 m 2 ,
four low-pressure steam turbines, each with 1,250 KVA and
four capacitors with a degree of 5 ° C.
Die Gesamtkosten für die Anlage wurden mit 51,8 Mio DM ermittelt. Bei zinsloser Zurverfügungstellung des Kapitals und jährlicher Rückzahlung von 3% beträgt der Strompreis ab Werk 0,30 DM/kWh.The total cost of the plant was DM 51.8 million determined. If the capital is made available without interest and annual repayment of 3%, the electricity price is off Factory 0.30 DM / kWh.
Von der Strahlungsenergie der Sonne werden mit der geplanten Anlage 5% in elektrischem Strom umgewandelt.From the radiation energy of the sun with the planned plant 5% converted into electricity.
Im Gegensatz zu allen anderen bisher bekannten Solar kraftwerken können mit der vorgeschlagenen, die erfindungs gemäße Vorrichtung verwendenden Anlage die Verbraucher in sonnenscheinlosen Zeiten bis zur Dauer von einem Monat voll mit Strom versorgt werden.In contrast to all other previously known solar Power plants can be proposed with the invention device using the device in accordance with the device sunless periods up to a month full be powered.
BezugszeichenlisteReference symbol list
1 Gehäuse
2 Zentralrohr
3 Dampfauslaß
4 Produktauslaß
5 Flüssigkeitsabscheider
6 Rieselflächenteller
7 Leitelement
8 Schlitz
9 Steg
10 Flachkollektoren
11 Wasserspeicher
12A Pumpe
12B Pumpe
12C Pumpe
12D Pumpe
13 Dampferzeuger
13A Dampferzeuger
13B Dampferzeuger
14 Turbine
15 Generator
16 Kondensator
16A Kondensator
16B Kondensator 1 housing
2 central tube
3 steam outlet
4 product outlet
5 liquid separators
6 trickle plates
7 guide element
8 slot
9 bridge
10 flat collectors
11 water reservoirs
12 A pump
12 B pump
12 C pump
12 D pump
13 steam generators
13 A steam generator
13 B steam generator
14 turbine
15 generator
16 capacitor
16 A capacitor
16 B capacitor
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DE4029071A DE4029071C2 (en) | 1990-09-13 | 1990-09-13 | Device for evaporating liquid products, method for operating the device and use of the device as a steam generator or condenser |
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