DE4323703C2 - Dampferzeuger mit porösen Trennwänden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, mit einer Wasserversorgung für das zu verdampfende Wasser, einem Dampfaustritt und einer Wärmequelle.

Es gibt viele Arten von Dampferzeugern und die Anwendungen derartiger Generatoren sind vielfältig und umfassen die Bereit­ stellung von Dampf für die Industrie, zur Luftbefeuchtung, wie sie in Klimaanlagen angewandt wird, etc.

Eine allen Dampferzeugern gemeinsame Schwierigkeit besteht darin, daß sie Wasser mehr oder weniger natürlichen Ursprungs verwenden, das praktisch keine Aufbereitung erfahren hat und daher zahlreiche Salze enthält, die zu Kalkablagerungen, Schaum- und Schlammbildung etc. führen, was insbesondere die Heizflächen verschmutzt, die Funktionstüchtigkeit des Generators beeinträchtigt, indem der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches im Bereich der Wärmequelle nach und nach verringert wird, und sehr schnell den Austausch des Generators erfordert. Es gibt Lösungsversuche, die von Zeit zu Zeit eine Spülung des Dampferzeugers vorschlagen, um Schlamm, Schaum und Ablagerungen zu beseitigen. Diese Lösungsversuche sind jedoch nur sehr wenig zufriedenstellend und weisen unter anderem den Nachteil auf, daß die Dampferzeugung unterbrochen werden muß. Eine derartige Unterbrechung kann nur in gewissen Anlagen in Betracht gezogen werden, so daß es oft erforderlich ist, über einen zweiten Dampferzeuger zu verfügen, um kontinuierlichen Betrieb trotz der Betriebsunterbrechungen zur Säuberung oder Spülung oder für andere häufig erforderliche Maßnahmen sicherzustellen.

Die Schwierigkeit der Lösung dieses Problems liegt in der Komplexität der Verschmutzung, die auf den Heizflächen der Verdampfer auftreten kann. Die drei wichtigsten Arten sind:

Die Verschmutzung durch Partikel

Es handelt sich um die Ablagerung von Materialen in Suspension (kleine Teilchen eines Korngrößenbereiches von µm bis zu einigen Hundertstel mm), die unvermeidlich in den Wassernetzen transportiert werden.

Die Ablagerung der Teilchen an der Wand beruht auf mehreren Erscheinungen, darunter

• - der Einwirkung der Brownschen Molekularbewegung auf das Teilchen (wirksam für Teilchengrößen ≦ 0,01 µm),
• - der Gravitation (in relativ statischen Systemen und für Teilchengrößen ≧ 1 µm),
• - dem Absetzen unter Einwirkung der Zentrifugalkraft (bei in Bewegung befindlichen Systemen),
• - der Thermophorese (Teilchen einer Größe zwischen 0,1 und 5 µm neigen dazu, in die kältesten Gebiete des Systems zu diffundieren).

Die Verkalkung

Es handelt sich um die Erzeugung eines kristallinen Festkörpers aus einer flüssigen Lösung. Zwei Bedingungen müssen für die Verkalkung erfüllt werden:

• - Die Löslichkeitsgrenze des betrachteten Salzes muß überschritten sein.
• - Die Ablagerungsgeschwindigkeit muß relativ groß sein.

Die Korrosion

Die Produkte der Korrosionsreaktionen, die an der Oberfläche stattfinden, verschmutzen diese.

Die Verkalkung ist hauptsächlich ein Niederschlag von Kalziumsalzen und von Siliziumdioxid.

Die wichtigsten der beteiligten Salze sind:

• - Kalziumkarbonat (CaCO₃), das sich niederschlägt, wenn die Temperatur ansteigt und entweder Kolloide oder Ablagerungen bildet. Die Löslichkeit von CaCO₃ beträgt 15 mg/l bei 15°C und verringert sich mit der Temperatur.
• - Kalziumhydrogenkarbonat (gewöhnlich Kalziumbikarbonat genannt) (Ca(HCO₃)₂), das sich in einen Niederschlag von CaCO₃ umwandelt, wenn die Temperatur steigt. Kurz gesagt verschiebt sich das Gleichgewicht der folgenden Reaktion nach rechts:
  Ca(HCO₃)₂ ⇄ CaCO₃ ↓ + CO₂ ↑ + H₂O

Eine rein theoretische Lösung des Problems bestände darin, demineralisiertes Wasser zu verwenden. Diese Lösung kann aus Kosten- und Wartungsgründen nicht in Betracht gezogen werden.

Aus der US-PS 37 75 589 ist ein Dampferzeuger bekannt, der elektrolytisch arbeitet. Dieser Erzeuger besteht aus einem ersten Behälter, in dem der Dampf durch di­ rekten Übergang des elektrischen Stroms zwischen Elek­ troden erzeugt wird. Dieser Behälter wird aus einem Speisebehälter mit Wasser versorgt, der mit dem erst­ genannten durch ein Kapillarrohr verbunden ist.

Für die Funktionstüchtigkeit eines solchen Dampferzeu­ gers gibt es drei Probleme:

• - Das erste besteht in der Dampfmenge und im Stromverbrauch: Es ist von der Oberfläche der Elektroden abhängig, die ins Wasser eintaucht. Um eine möglichst regelmäßige Funktion zu erreichen, ist es erforderlich, daß der Wasserstand h im Behälter so konstant wie möglich ist. Diese Konstanz des Wasserspiegels wird durch eine mit Hilfe des Kapillarrohres geregelt und begrenzte Wasserversorgung sichergestellt.
• - Das zweite Problem dieses Dampferzeugers besteht in der elektrischen Isolation. Dieses Problem ist es, daß zu der Erfindung Anlaß gegeben hat, die Gegenstand dieses amerikanischen Patentes ist.

Der bekannte Vorschlag sieht nämlich die Herstellung des Rohres aus einem isolierenden Material vor, um das Problem der elektrischen Isolation zu lösen.

• - Das dritte Problem besteht in der Verschmutzung des Behälters, d. h. in den Kalkablagerungen auf den Elektroden und im Behälter.

Da im übrigen dieser Behälter so klein wie möglich sein muß, um mit ihm maximale Wirksamkeit sicherzustellen, d. h. eine sehr geringe zu erhitzende Wassermenge, er­ reicht die Verschmutzung sehr schnell Ausmaße, die jeg­ lichen Betrieb unmöglich macht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Dampferzeuger der eingangs genannten Art zu schaffen, der es erlaubt, langanhaltenden Betrieb mit praktisch konstantem Wir­ kungsgrad sicherzustellen, das heißt dieselbe Funktion­ stüchtigkeit des Dampferzeugers nach langer Betriebs­ dauer, ohne eine Spülung des Generators zu erfordern und indem dadurch die Probleme der Wasseraufbereitung, die mit diesem Spülen verbunden sind, vermieden werden.

Hierzu betrifft die Erfindung einen Dampferzeuger, der der oben definierten Art entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gehäuse besteht, das durch eine wasserdurchlässige, poröse Trennwand in zwei Kammern aufgeteilt wird,

• - wobei die eine der beiden Kammern die Wärmequelle aufnimmt, während
• - die andere Kammer das Versorgungswasser empfängt.

Auf überraschende Weise weist dieser Dampferzeuger auch bei Benutzung mit sehr hartem Wasser, das viel Kalziumkarbonat und Kalziumhydrogenkarbonat enthält, eine hervorragende Funktionstüchtigkeit auf. Es ist praktisch keine Kalkablagerung an der Oberfläche der in das zu verdampfende Wasser eingetauchten Wärmequelle festzustellen. Außerdem enthält der abgegebene Dampf nur sehr wenig feste oder zur Verfestigung neigende Partikel.

Auftretende extrem komplexe physikalisch-chemische Erschei­ nungen führen dazu, daß die Salze in Form von Ablagerungen in der porösen Trennwand und an dieser festgesetzt werden. Es findet nämlich ein Phänomen begrenzter Konvektion zwischen dem kalten Versorgungswasser, das in die Versorgungskammer eingebracht wird, und dem zum Siedepunkt erhitzten Wasser in der Verdampfungskammer statt. Wie gesagt erfolgt der Wärmeaustausch durch Konvektion, aber auch durch Leitung, jedoch ohne außerordentlich starke Zirkulation oder Bewegung. Dadurch verringert sich der Mineralsalzgehalt des Versorgungs­ wassers, das notwendigerweise von der Versorgungskammer in die Siedekammer, die die Wärmequelle enthält, übertritt, und zwar entweder in der Versorgungskammer oder beim Durchtritt durch die poröse Trennwand. Die festgestellten Ergebnisse sind hervorragend. Nach langem Betrieb, in der Größenordnung von 2000 Stunden, wird praktisch keine Kalkablagerung auf der Wärmequelle oder Kalkstücke, die auf den Boden der Verdampfungskammer unter die Wärmequelle gesunken sind, festgestellt. Stattdessen haben sich die Salze in Form von Schlamm in der anderen Kammer oder in der Trennwand abgelagert und in der Trennwand sind die Kalziumverbindungen praktisch nicht in Form von Schlamm oder Schaum vorhanden, sondern in Form festen Kalkes.

Nach einem anderen interessanten Merkmal der Erfindung besteht die Trennwand aus einem keramischen Material oder auch aus Fasern und insbesondere aus einem Vlies aus synthetischem Material. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ablagerung der Salze durch die Wirkung von Ablagerungskeimen, die die poröse Trennwand darstellt und insbesondere eine Trennwand aus Fasern, gefördert wird. Außerdem besteht keine Gefahr, daß diese Fasern vom Wasser oder Dampf mitgetragen werden, was zu einem extrem reinen Dampf führt, der zur Luftbefeuchtung in Klimaanlagen sehr vorteilhaft ist.

In besonders vorteilhafter Weise ist das Gehäuse ein Zylinder mit einem zentralen Rohr, in das die Wärmequelle eingesetzt ist, und zwei Trennwänden, die mit dem Gehäuse zwei Versorgungs­ kammern und zwischen diesen die Kammer begrenzen, die die Wärmequelle aufnimmt, wobei die aufgeteilte Wasserversorgung an die beiden Kammern angeschlossen wird.

Diese Ausführungsform des Dampferzeugers ist sehr einfach und platzsparend; sie ist leicht herzustellen, da es sich um ein Rohr handelt, das an jedem Ende mit einer Trennwand versehen ist, von denen die eine den Austrittsstutzen trägt und die andere die Wasserversorgung. Im Inneren des Rohres, vorzugsweise in Achsenrichtung, ist ein Rohr vorgesehen, das an beiden Enden austritt, derart, daß der so begrenzte Innenraum des Gehäuses torisch ist. In dieses Rohr wird die Wärmequelle eingeschoben, bei der es sich vorzugsweise um einen elektrischen Widerstand handelt.

Entsprechend einer Ausführungsvariante wird der elektrische Widerstand fest montiert und das die Trennwände enthaltende Gehäuse wird als verschiebbare Ausrüstung angebracht, um seinen Ersatz zu ermöglichen. Dieser Ersatz erfolgt nach langer Benutzungsdauer, wenn die Trennwand oder Trennwände mit Salzen in Form von Schlamm oder festen Ablagerungen beladen sind. Dadurch wird jeglicher langwieriger und verschmutzender Eingriff im Bereich der Anlage selbst vermieden, da es genügt, den Zylinder durch einen anderen Zylinder zu ersetzen. Eine andere Lösung bestände im Austausch der porösen Trennwände. Dieser Austausch kann vor Ort oder in der Werkstatt nach Entfernung des Gehäuses unter dessen Ersatz durch ein Gehäuse oder ein wiederaufbereitetes Gehäuse erfolgen, das heißt durch eines, das beispielsweise neue Trennwände erhalten hat.

Einem anderen vorteilhaften Merkmal entsprechend wird der Dampfaustritt durch eine poröse Trennwand vom Inneren des Gehäuses getrennt. Diese Trennwand vervollständigt die Reinigung des Dampfes und stellt die Ablagerung der letzten kristallisierbaren oder ablagerungsfähigen Salze sicher, die vom Dampf mitgeführt werden. Am Ausgang wird so ein Dampf äußerster Reinheit erhalten.

Die vorliegende Erfindung wird hierunter eingehender anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des Dampferzeugers der Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Dampferzeugers, der einer vorgezogenen Ausführungsform der Erfindung entspricht,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 3 dargestellten Dampferzeugers,

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Variante des Dampferzeugers der Fig. 3 und 4.

Entsprechend den Fig. 1 und 2 betrifft die Erfindung einen Dampferzeuger, der aus einem Gehäuse 1 besteht, das durch eine wasserdurchlässige Trennwand 4 in zwei Kammern 2, 3 aufgeteilt wird. Kammer 2 ist die Versorgungskammer, die das Wasser durch die Versorgungsleitung 5 empfängt; Kammer 3 stellt die Verdampfungskammer dar und enthält zu diesem Zweck die Wärmequelle 6. Diese beiden Kammern 2, 3 ermöglichen den Wasseraustausch, d. h. den Durchtritt des Wassers aus der Versorgungskammer 2 in die Verdampfungskammer 3 durch die poröse Wand 4. Der Austausch kann auch in umgekehrter Richtung erfolgen.

Wenn auch entsprechend der Fig. 2 die poröse Trennwand 4 die Kammer 2 vollständig von der Kammer 3 trennt, so ist dies doch nicht notwendigerweise der Fall und die Trennwand 4 muß die obere Wand des Gehäuses 1 nicht unbedingt erreichen. Die Dampfabführung erfolgt durch die Leitung 7.

Bei der Wärmequelle 6 handelt es sich vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, um einen elektrischen Widerstand, der in einen Zylinder eingebettet ist, der beispielsweise in die Kammer 3 und insbesondere in einen Mantel eingeschoben wird, der in der Kammer 3 angeordnet ist.

Die poröse Wand 4 ist eine poröse, wasserdurchlässige Wand. Es kann sich um eine Wand aus porösem keramischem Material handeln oder auch um eine Wand aus Fasern, beispielsweise einem Vlies, insbesondere aus synthetischen Fasern.

Die Fig. 3 und 4 stellen eine erste Ausführungsform der Erfindung schematisch dar. Das Gehäuse 31 besteht danach aus einem Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt, der zwei Trennwände 34A und 34B enthält, die zwei Versorgungskammern 32A, 32B zwischen der Trennwand 34A bzw. 34B und der Umfangswand 31 begrenzen. Zwischen den Trennwänden 34A, 34B befindet sich die Verdampfungskammer 33. Die Wärmequelle 36 ist in der Achse im Inneren einer zylindrischen Hülse 38 angeordnet. Der Dampfaustritt 37 befindet sich im oberen Teil und die Zuleitungen des Versorgungswassers 35A, 35B münden in den Kammern 32A bzw. 32B. Es sei bemerkt, daß der Wasserspiegel im Inneren des Dampferzeugers derart eingestellt ist, daß das Rohr 38, das die Wärmequelle 36 aufnimmt, vollständig eingetaucht ist.

Fig. 4 stellt insbesondere den Kopf 136 des Widerstandes 36 dar und den Verteiler 135, der mit den beiden Wasserversorgungs­ eingängen 35A und 35B verbunden ist.

Der Dampfaustritt erfolgt durch die Austrittsöffnung 37, die mit dem Dampfaustrittsstutzen 137 verbunden ist. Zur Erleichterung der Herstellung erfolgt die Wasserversorgung auf der einen Seite durch einen Deckel 200, der auf das eine Ende des röhrenförmigen Körpers 201 aufgezogen ist, der den Behälter bildet, und der Dampfaustritt durch einen Deckel 202, der das andere Ende des Rohres 201 bedeckt. Die Deckel 200, 202 weisen vorzugsweise Befestigungsmittel 203A-203B (Fig. 3) auf, die die Trennwände 34A, 34B halten.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Trennwände 34A, 34B in der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 den oberen Teil des Behälters nicht erreichen, so daß der Dampf in den Dampfaustritt 37 streichen kann, sowohl, wenn er aus der Verdampfungskammer 33 stammt (der größte Teil des Dampfes), als auch, wenn er aus den beiden Versorgungskammern 32A, 32B stammt.

Die Ausführungsform der Fig. 5 unterscheidet sich von der der Fig. 3 und 4 nur dadurch, daß im oberen Teil der Verdampfungs­ kammer 32 eine Trennwand 34C vorgesehen ist, die mit den seitlichen Trennwänden 34A, 34B verbunden ist. Der in dieser Dampfkammer 32 erzeugte Dampf ist gezwungen, diese Trennwand zu durchstreichen, die einen Filter darstellt und einen weiteren Anteil fester oder zur Ablagerung neigender Stoffe zurückhält, die vom Dampf mitgeführt werden.

Die oben beschriebene Ausführungsform und ihre Variante lassen sich besonders leicht ausführen. Der Generator stellt eine Patrone dar, die auf den Widerstand gesteckt wird, der am Gehäuse des Dampferzeugers befestigt bleibt, wobei das Gehäuse und sein Rohr die Aufnahme der Wärmequelle bilden, die durch einfaches Verschieben entnommen oder an ihren Platz gebracht werden kann. Wie bereits oben angegeben, kann das mit Mineralsalzen und Ablagerungen beladene Gehäuse nach einer Periode ausgewechselt werden, die experimentell zu bestimmen ist und je nach Härte des verwendeten Wassers in der Größenordnung von 2000 Stunden liegen kann. Die so entfernte Patrone kann gesäubert oder durch Austausch der Trennwände aufbereitet werden, oder weggeworfen werden.

Wie bereits angegeben, können die porösen Trennwände aus wasserdurchlässigem keramischem Material bestehen oder aus Decken oder Matten aus Vlies. Der poröse Körper aus Keramik oder Fasern wirkt sich durch die Wirkung als Kristallisationskerne auf die Ablagerung der Salze günstig aus.

Die im Rahmen der Erfindung durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß trotz der fortlaufenden Zufuhr gelöster Mineralien die Gesamthärte des Wassers im Verdampfer (vor und hinter dem Filter) geringer ist, als die des Wassers des Netzes. Es findet also ein beinahe vollständiger thermischer Entzug der Kohlensäure des Versorgungswassers statt.

Durch die Wirkung der Wärme fällt das Kalziumhydrogenkarbonat als Kalziumkarbonat aus, das sich im und auf dem porösen Körper ablagert. Es ist festzustellen, daß die Ablagerung in den Verdampfern mit keramischem Filter stärker an der Oberfläche stattfindet, als im Volumen. Dagegen ist in den Verdampfern mit synthetischem Filter die Oberflächenablagerung sehr gering im Vergleich zur Ablagerung im Volumen. Dies liegt an der Fülldichte des keramischen Filters, die größer ist, als die Fülldichte der synthetischen Stoffe. Der Filter stellt einen hervorragenden Träger für die Bildung und die Ablagerung des Kalkes dar.

Den Generatoren zufolge, die für die Versuche verwendet wurden, bleibt die Ablagerung an dem Rohr haften, in dem der Widerstand gleitet, und in diesem Fall kann dieses Wachstum der Kalkabla­ gerung dazu dienen, die Lebensdauer des Dampferzeugers zu messen.

Im Fall der direkten Verwendung eines Widerstandes lösen sich die Kalkablagerungen von Zeit zu Zeit durch die Erscheinungen entgegengesetzt gerichteter Wärmedehnung. Diese Ablagerungen sinken auf den Boden des Behälters.

Nach 2000 Betriebsstunden ist festzustellen, daß die Mineral­ ablagerungen in den mit Filtern ausgestatteten Verdampfern dichter sind, als in den Verdampfern ohne Filter, in denen der größte Teil der Ablagerungen in Form von Schlamm auftritt. Mehrere Phänomene sind zu berücksichtigen:

Es scheint, daß die Anwesenheit des Filters die Konvektion begrenzt, während dagegen die Konvektion die Gruppierung der suspendierten Partikel in einen voluminösen Schlamm bewirkt.

Außerdem können mehr Mineralien in einem mit Filter versehenen Dampferzeuger gesammelt werden, als in einem Generator ohne Filter. Im Fall eines Betriebes ohne Entleerung des Befeuchters ist das Sammelvolumen der entscheidende Parameter für die Lebensdauer des Verdampfungssystems.

Schließlich bleibt anzumerken, daß ein elektrischer Widerstand als Wärmequelle die am einfachsten zu installierende und zu regelnde ist. Unter gewissen Umständen kann diese Wärmequelle jedoch auch durch eine Rohrschlange ersetzt werden, die von einem Wärme transportierenden Fluid durchflossen wird. Die Ergebnisse der Erfindung sind dieselben.

Claims (5)

1. Dampferzeuger mit einer Wasserversorgung für das zu verdampfende Wasser, einem Dampfaustritt und einer Wärmequelle (6), dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gehäuse besteht, das durch eine wasserdurchlässige, poröse Trennwand (4) in zwei Kammern (2, 3) aufgeteilt wird,

• 1. - wobei die eine (3) der beiden Kammern die Wärmequelle (6) aufnimmt, während
• 2. - die andere Kammer (2) das Versorgungswasser (5) empfängt.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (4) aus einem keramischen Material oder auch aus Fasern und insbesondere aus einem Vlies aus synthetischem Material besteht.

3. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Zylinder (31) mit einem zen­ tralen Rohr (38), in das die Wärmequelle (36) ein­ gesetzt ist, und zwei Trennwänden (34A, 34B), die mit dem Gehäuse (31) zwei Versorgungskammern (32A, 32B) und zwischen diesen die Kammer (33) begrenzen, die die Wärmequelle (36) aufnimmt, wobei die aufge­ teilte Wasserversorgung (35A, 35B) an die beiden Versorgungskammern (32A, 32B) angeschlossen wird.

4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Dampfaustritt (37) durch eine poröse Trenn­ wand (34C) von der Dampfabgabekammer oder den Kam­ mern getrennt ist, die Dampf abgeben.

5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß er in Form einer austauschbaren Einheit (31, 38) ausgebildet wird, die die Wärmequelle (36) auf­ nimmt.