DE4437149B4

DE4437149B4 - Direct flash evaporation processes

Info

Publication number: DE4437149B4
Application number: DE19944437149
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Albring; Rainer Dipl.-Ing. Apley; Bodo Dr.-Ing. Burandt; Klaus Dr.-Ing.-habil. Döge; Günter Prof. Dr.-Ing. Heinrich
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1994-10-18
Filing date: 1994-10-18
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2014-10-19
Also published as: DE4437149A1

Abstract

Verfahren zur Entspannungsverdampfung einer Flüssigkeit in einem Dampfraum mit Einbauten, wobei sich die Flüssigkeit durch Druckminderung unter den Sättigungsdruck abkühlt und eine Teilverdampfung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Gemisch aus einem Kälteträger und einem Kältemittel ist und durch die Entspannungsverdampfung der Kälteträger abkühlt und das Kältemittel vollständig verdampft.Process for the flash evaporation of a liquid in a vapor space with internals, the liquid cooling down by reducing the pressure below the saturation pressure and partial evaporation taking place, characterized in that the liquid is a mixture of a refrigerant and a refrigerant and cools down by the flash evaporation and the Refrigerant completely evaporated.

Description

Bei der Verdampfung von Flüssigkeiten unterscheidet man in Konvektion (Oberflächenverdampfung), Blasenverdampfung und Filmverdampfung. In der Kältetechnik spielt vor allem das Blasensieden eine technisch bedeutende Rolle. Sowohl beim Behältersieden als auch bei der bekannten Art der Blasenverdampfung strömender Flüssigkeiten sind Kältemittel und Kälteträger durch eine feste Wand getrennt. Sind Kältemittel und Kälteträger aus dem gleichen Stoff, wie zum Beispiel bei Wasser als Kältemittel, dann kann die Verdampfungsentalphie des Kältemittels unmittelbar dem Kälteträger entzogen werden. Dieser Siedemechanismus erfolgt bekanntermaßen durch die Entspannungsverdampfung, bei der der Druck der Flüssigkeit unter den Siededruck abgesenkt wird, so dass Dampfblasen innerhalb der Flüssigkeit entstehen können.When evaporating liquids a distinction is made between convection (surface evaporation) and bubble evaporation and film evaporation. In refrigeration Bubble boiling in particular plays a technically important role. Both during container boiling as well as in the known type of bubble evaporation of flowing liquids refrigerant and coolant through a solid wall separated. Are refrigerants and coolant from the same substance as for example water as a refrigerant, then the evaporation enthalpy of the refrigerant can immediately affect that Cooling agent removed become. As is known, this boiling mechanism takes place through flash evaporation, at which the pressure of the liquid is lowered below the boiling pressure so that steam bubbles inside the liquid can arise.

Bekannt ist auch ein Verfahren der Direkt-Entspannungsverdampfung von Kältemitteln aus einem Kälteträger-Kältemittel-Gemisch als Behälter-Sieden, bei dem das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch unterhalb des Flüssigkeitsspiegels zugeführt wird, wobei die Verdampfung in der Flüssigkeit (Blasensieden) durch die Entspannung der zugeführten Flüssigkeit unter den zugehörigen Sättigungsdruck und an der Flüssigkeitsoberfläche (Konvektion) erfolgt. Dabei wird der hohe Volumenanteil des Kälteträgers im Verhältnis zum flüssigen Kältemittel zur Bildung einer großen Phasengrenzfläche nicht ausgenutzt. Das Gemisch aus Kälteträger und Kältemittel steht mit einem waagerechten Flüssigkeitsspiegel im Behälter. Ein hohes Flächen-Volumen-Verhältnis lässt sich bei dieser Ausführung nur mit einem großen Flüssigkeitsspiegel erreichen. Die Flüssigkeitssäule im Behälter verschlechtert die Transportbedingungen und erfordert große Unterschreitungen des Sättigungsdruckes oder größere Überhitzungstemperaturen. Durch eine aufgezwungene Strömung der Flüssigkeit in Richtung des Flüssigkeitsspiegels wird bei den bekannten Verfahren die Verdampfungsbedingung verbessert, dabei muss jedoch durch Einbauten gesichert werden, dass keine Mischungsverluste zwischen Kälteträger-Kältemittel-Eingang und Kälteträger-Ausgang auftreten.A method is also known Direct flash evaporation of refrigerants from a refrigerant-refrigerant mixture as container boiling, where the refrigerant-refrigerant mixture below of the liquid level supplied the evaporation in the liquid (bubble boiling) the relaxation of the supplied liquid among the associated saturation pressure and on the liquid surface (convection) he follows. The high volume fraction of the refrigerant in relation to liquid refrigerant to form a large one Phase interface not exploited. The mixture of refrigerant and refrigerant stands with a horizontal liquid level in the container. A high area-volume ratio can be achieved in this version only with a big one liquid level to reach. The liquid column in the container deteriorates the transport conditions and requires large falls below the saturation pressure or higher superheat temperatures. By an imposed current the liquid towards the liquid level the evaporation condition is improved in the known processes, however, it must be ensured by means of internals that no mixture losses between the coolant-refrigerant inlet and coolant outlet occur.

Bekannt ist ein Entspannungsverdampfer bei dem das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch über einen Stutzen und einem Drosselorgan in den Flüssigkeitssumpf eingespritzt wird. Das Drosselorgan bewirkt die Druckabsenkung unter den Sättigungsdruck, so dass es zu einer Verdampfung in der Flüssigkeit kommt. Zusätzlich findet noch eine Verdampfung an der Flüssigkeitsoberfläche statt. Der Dampf wird über einen oben angeordneten Stutzen abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit verlässt über einen unteren Stutzen den Entspannungsverdampfer.A flash evaporator is known in which the coolant-refrigerant mixture via a nozzle and a throttle in the liquid sump is injected. The throttle element causes the pressure to drop below the saturation pressure, so that there is evaporation in the liquid. Additionally finds evaporation on the surface of the liquid takes place. The steam gets over you aspirated nozzle and the cooled liquid leaves over one bottom nozzle the flash evaporator.

Ein weiterer bekannter Entspannungsverdampfer ist der Tangentialseparator. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Verdampfer wird das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch in den Dampfraum tangential eingespritzt. Die Druckabsenkung des Kälteträger-Kältemittel-Gemisches unter Sättigung erfolgt wieder in einem vorgeschalteten Drosselorgan. Durch Zentrifugalkraft werden die Flüssigkeitstropfen vom Dampfstrom getrennt. Der Dampf wird über einen oben angeordneten Stutzen abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit verlässt über einen unteren Stutzen den Tangentialseparator.Another well-known flash evaporator is the tangential separator. In contrast to the one described above The refrigerant-refrigerant mixture evaporates injected tangentially into the vapor space. The pressure drop of the Refrigerant-refrigerant mixture under saturation takes place again in an upstream throttle body. By centrifugal force become the liquid drops separated from the steam flow. The steam is placed above one Aspirated and the cooled liquid leaves over one lower spigot the tangential separator.

Aus der Druckschrift DE 40 29 071 A1 ist eine Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten bekannt. Die Verdampfung findet in einem Dampfraum statt, wobei in diesem Dampfraum Einbauten angeordnet sind. Gemäß Spalte 2, ab Zeile 35, wird mitgeteilt, dass bei einer Entspannungsverdampfung die Erzeugung des Brüden durch Drucksenkung der meist auf Siedetemperatur vorgewärmten Lösung erfolgt. Gemäß der 1 wird die Flüssigkeit über ein Zentralrohr (Produkteinlass) in das Gehäuse eingeführt, der Dampfauslass befindet sich im oberen Bereich (dort Pos. 3) und der Produktauslass (flüssige Phase) befindet sich bei Position 4.From the publication DE 40 29 071 A1 a device for evaporating liquid products is known. The evaporation takes place in a steam room, internals being arranged in this steam room. According to column 2 , from line 35 , it is announced that in the case of flash evaporation, the vapor is generated by lowering the pressure of the solution, which is usually preheated to boiling temperature. According to the 1 the liquid is introduced into the housing via a central pipe (product inlet), the steam outlet is in the upper area (there item 3) and the product outlet (liquid phase) is in position 4 ,

Aus der Druckschrift DE 30 18 918 A1 ist eine Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen Teilverdampfen einer Flüssigkeit bekannt, wobei durch das Einbringen der Flüssigkeit in ein Vakuumgefäß eine Entspannungsverdampfung stattfindet, die die Flüssigkeit abkühlt bei gleichzeitiger entsprechender Teilverdampfung.From the publication DE 30 18 918 A1 a device for cooling and simultaneous partial evaporation of a liquid is known, wherein by introducing the liquid into a vacuum vessel, an expansion evaporation takes place, which cools the liquid with a corresponding partial evaporation.

Aufgabe der Erfindung ist es, kleine Bauabmessungen des Verdampfers bei der Direkt-Entspannungsverdampfung zu erreichen, wobei der Dampf und die Flüssigkeit den Verdampfer getrennt verlassen.The object of the invention is small To achieve the dimensions of the evaporator in direct flash evaporation, taking the vapor and the liquid leave the evaporator separately.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Druckmindenung des strömenden Kältemittel-Kälteträger-Flüssigkeitsgemisches unter den Sättigungsdruck in den Eintritt des Dampfraumes gelegt wird, wobei durch strömungsrichtungsbeeinflussende Elemente gleichzeitig eine Kombination und Überlagerung von Entspannung, von Verdampfung in stark verwirbelter Zweiphasenströmung bei großer Phasengrenzfläche und von Abscheidung zwischen Kältemittel und Kälteträger, hervorgerufen durch Zentrifugalkraft und/oder Trägheitskraft sowie Schwerkraft der Kälteträgerflüssigkeit und Auftriebskraft des Kältemitteldampfes, erfolgt. Dabei wird die für die Verdampfung notwendige Phasengrenzfläche zwischen Dampf und Flüssigkeit sowohl durch den durch die Strömung erzeugten, unregelmäßigen Flüssigkeitsspiegel, durch Flüssigkeitsfilme an festen Oberflächen, durch entstehende Gasblasen, Gaspfropfen sowie durch Gaseinschlüsse und Flüssigkeitstropfen so gebildet, dass die Flüssigkeitstropfen nicht zu fein verteilt und auf kurzem Wege abgeschieden werden. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Kombination und Überlagerung der Prozessschritte Entspannung, Verdampfung, Abscheidung in einem kleinen Raum stattfinden kann, und dass der Dampf und die Flüssigkeit im Sättigungszustand getrennt austreten.According to the invention, the object is achieved in that the pressure reduction of the flowing refrigerant-coolant-liquid mixture is placed below the saturation pressure in the inlet of the vapor space, whereby elements influencing the flow direction simultaneously combine and superimpose relaxation, evaporation in strongly swirled two-phase flow with a large phase interface and separation between the refrigerant and the coolant, caused by centrifugal force and / or inertia, and gravity of the coolant liquid and buoyancy of the refrigerant vapor. The phase interface between vapor and liquid required for evaporation is formed by the irregular liquid level generated by the flow, by liquid films on solid surfaces, by gas bubbles, gas plugs as well as by gas inclusions and liquid drops, so that the liquid drops are not too finely distributed and to be deposited in a short way. Surprisingly, it was found that the combination and superimposition of the process steps relaxation, evaporation, deposition can take place in a small space, and that the vapor and the liquid in the saturation state separately.

Die Erfindung nutzt den größeren Anteil des nicht verdampfenden Kälteträgers im Verhältnis zum verdampfenden Kältemittel aus, indem die Abscheidung großer Tropfen des Kälteträgers in den Bereich der für die Verdampfung erforderlichen Phasengrenzfläche der stark verwirbelten Zweiphasenströmung gelegt wird, so dass Entspannung, Verdampfung und Abscheidung auf engem Raum gleichzeitig stattfinden.The invention uses the larger part of the non-evaporating coolant in the relationship to the evaporating refrigerant out by making the deposit great Drop of the coolant in the area of for the evaporation required phase interface of the highly turbulent Two-phase flow is placed so that relaxation, evaporation and separation on tight space take place simultaneously.

Aus dem Verdampfer wird somit erfindungsgemäß ein Abscheider-Verdampfer, der bereits in der Eintrittszone des flüssigen Kältemittel-Kälteträger-Gemisches durch Phasentrennung die Bedingungen für den Dampfraum reproduziert.According to the invention, the evaporator thus becomes a separator-evaporator, already in the entry zone of the liquid refrigerant-refrigerant mixture by phase separation the conditions for reproduced the steam room.

Die Erfindung wird am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. 1 zeigt die Zustandspunkte des Prozessverlaufes der Entspannungsverdampfung mit Abscheidung im 1g p/h-Diagramm.The invention is explained in more detail in the following exemplary embodiment. 1 shows the state points of the process of flash evaporation with separation in the 1g p / h diagram.

Das Kältemittel-Kälteträger-Flüssigkeitsgemisch (siehe 1) gelangt mit einem Druck p1 und einer Temperatur t1 (Zustandspunkt 1) in den Entspannungsverdampfer. Im Entspannungsverdampfer wird die Kälteträger-Kältemittel-Flüssigkeit vom Druck p1 auf den Druck p2 gedrosselt, wobei gleichzeitig ab dem Druck ps1 die Verdampfung und Abscheidung des Kältemittels aus der Kälteträgerflüssigkeit erfolgt. Der Kälteträger kühlt sich bei diesem Entspannungsverdampfungs-Abscheidungsvorgang von der Temperatur t1 auf die Temperatur t2 ab und gelangt im Sättigungszustand 2a aus dem Entspannungsverdampfer. Das Kältemittel wird im Entspannungsverdampfer vollständig verdampft und gleichzeitig aus der Kälteträgerflüssigkeit abgeschieden. Der Kältemitteldampf wird im trockengesättigten Zustand 2b aus dem Entspannungsverdampfer abgesaugt.The refrigerant-coolant-liquid mixture (see 1 ) reaches the flash evaporator at a pressure p1 and a temperature t1 (condition point 1). In the flash evaporator, the refrigerant-refrigerant liquid is throttled from pressure p1 to pressure p2, the evaporation and separation of the refrigerant from the refrigerant liquid taking place simultaneously from pressure ps1. The coolant cools down from the temperature t1 to the temperature t2 in this flash evaporation deposition process and reaches the saturated state 2a from the flash evaporator. The refrigerant is completely evaporated in the flash evaporator and at the same time separated from the coolant. The refrigerant vapor is in the dry saturated state 2 B aspirated from the flash evaporator.

2 zeigt einen stehenden Entspannungsverdampfer in weitgehender rotationssymmetrischer Ausführung. Die Einbauten 1 des Entspannungsverdampfers befinden sich im Dampfraum. Das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch gelangt über den Anschlussstutzten 3 in den mit Einbauten 1 versehenen Dampfraum. Die Druckabsenkung vom Druck p1 unter den Sättigungsdruck ps1 bis zum Druck p2 erfolgt ausschließlich durch die Einbauten 1, wobei gleichzeitig eine große Flüssigkeitsoberfläche infolge dieser Einbauten 1 realisiert wird. Nach Unterschreitung des Sättigungsdruckes verdampft das Kältemittel und trennt sich gleichzeitig vom Kälteträger. Die Bildung einer großen Phasengrenzfläche an den Einbauten begünstigt den Verdampfungsprozess. Der Dampf wird über den Stutzen 2 abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit verlässt über den Stutzen 4 den Entspannungsverdampfer. Das Rohr 5 dient zum Druckausgleich. 2 shows a standing flash evaporator in a largely rotationally symmetrical design. The internals 1 of the flash evaporator are in the steam room. The coolant-refrigerant mixture passes through the connecting piece 3 in the with internals 1 provided steam room. The pressure drop from pressure p1 below the saturation pressure ps1 to pressure p2 takes place exclusively through the internals 1 , at the same time a large liquid surface due to these internals 1 is realized. After falling below the saturation pressure, the refrigerant evaporates and at the same time separates from the coolant. The formation of a large phase interface on the internals favors the evaporation process. The steam is over the nozzle 2 aspirated and the cooled liquid leaves through the nozzle 4 the flash evaporator. The pipe 5 serves to equalize the pressure.

In der 3 ist eine liegende Variante eines Entspannungsverdampfers dargestellt. Der Druckabbau der über den Stutzen 3 eintretenden Kälteträger-Kältemittel-Flüssigkeit erfolgt durch die Einbauten 1 weitgehend in horizontaler Richtung. Der Dampf wird über den Stutzen 2 abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit fließt am hinteren Ende des liegenden Entspannungsverdampfers über den Stutzen 4 ab. Die Druckausgleichsleitung 5 liegt außerhalb des Behälters.In the 3 a horizontal variant of a flash evaporator is shown. The pressure drop across the neck 3 Entering refrigerant-refrigerant liquid takes place through the internals 1 largely in the horizontal direction. The steam is over the nozzle 2 suctioned off and the cooled liquid flows over the nozzle at the rear end of the flash evaporator 4 from. The pressure compensation line 5 is outside the container.

Claims

Process for the flash evaporation of a liquid in a vapor space with internals, the liquid cooling down by reducing the pressure below the saturation pressure and partial evaporation taking place, characterized in that the liquid is a mixture of a refrigerant and a refrigerant and cools down by the flash evaporation and the Refrigerant completely evaporated.

Process for flash evaporation according to claim 1, characterized in that the position of the internals by manipulation can be changed by hand or by regulation; that a Adaptation to all load conditions is possible.

Process for flash evaporation according to claim 1, characterized in that the refrigerant-refrigerant mixture can also be an absorbent-refrigerant mixture.