DE459470C

DE459470C - Verfahren zum Verdampfen oder Destillieren unter Rueckgewinnung der Verdampfungswaerme mittels Waermepumpe

Info

Publication number: DE459470C
Application number: DEA34901D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1921-02-05
Filing date: 1921-02-15
Publication date: 1928-05-09
Also published as: FR546792A; CH95993A; NL11167C; GB174955A

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
9. MAI 1928

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 459 KLASSE 12 a GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. Februar 1921 ab.

Es ist bekannt, die in Verdampfungs- und Destillieranlagen — auch Abtreibanlagen genannt ■—■ ausgetriebenen Brüdendämpfe bzw. Destillate durch einen Verdichter abzusaugen, zu verdichten und so auf eine höhere Temperatur zu bringen, wodurch die Rückführung der Verdampfungswärme dieser Brüden oder der Destillationswärme an die einzudampfende bzw. destillierende Flüssigkeit ermöglicht wird. So zeigt z. B. Abb. ι der Zeichnung eine solche bekannte Anlage, α ist ein Verdampfer, dessen Flüssigkeit b bei c Wärme zugeführt erhält. Die sich entwickelnden Dämpfe werden von dem Verdichter d abgesaugt, verdichtet und durch die Heizschlange e in derselben zu verdampfenden Flüssigkeit b geschickt, aus der sie entstanden sind.

Die Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch nicht in allen Fällen vorteilhaft. Ist : z. B. die Dampfspannung der zu verdampfenden Flüssigkeit wegen der in Betracht korn- ! menden Temperaturen gering und somit das | spezifische Volumen der zu verdichtenden j Dämpfe groß, so erfordert die Wärmepumpe \ sehr große Abmessungen und daher bedeu- ; tende Anlagekosten. Erhöhte Betriebs- und ί Anlagekosten und Betriebsschwierigkeiten ⁽ können auch dadurch entstehen, daß die ausgetriebenen Dämpfe sich für die Verdich- tung nicht eignen, auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften, wie ihres Verhaltens gegenüber den Metallen, der Luft, dem Wasserdampf, ihrer Zersetzbarkeit, Explosivität usw.

Durch Einführung eines oder mehrerer Gast· oder Flüssigkeiten (kurz genannt Hilfsflüssigkeit) als Wärmeträger in den Wärmepumpenprozeß kann man diese Schwierigkeiten beseitigen.

Xun ist es einerseits bekannt, in Verdampfungsanlagen ohne Wärmepumpe eine Hilfsflüssigkeit als Wärmeträger zu verwenden, die im Kreislauf durch die zu verdampfende Flüssigkeit und einen Kondensator geleitet wird, in den neben Frischdampf auch die nicht komprimierten Brüdendämpfe strömen, um ihre Wärme an die Heizflüssigkeit abzugeben. Andererseits ist die Verwendung mehrerer Wärmeträger im Wärmepumpenprozeß bei Kältemaschinen für Heißwasserbereitung bekannt.

Auch kennt man Trockenverfahren, um feuchtes Gut. durch warme Luft zu trocknen und dabei einen besonderen Wärmeträger zusammen mit einer Wärmepumpe zu verwen-

den, doch geschieht die Einführung des besonderen Wärmeträgers deshalb, weil die Kompression der Luft keine Rückgewinnung von Verdampfungswärme gestattet, also ein anderes, indirektes Verfahren zur Wiedergewinnung der Verdampfungswärme der ausgetriebenen Feuchtigkeit notgedrungen eingeschlagen werden muß.

Ferner ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem die latente Wärme des Abdampfes aus dem Destillierungsgefäß durch Kondensation zur Erzeugung einer äquivalenten Menge reinen Dampfes benutzt wird, der durch einen Kompressor gespannt und durch das Destillierungsgefäß gedrückt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung betrifft dagegen ausdrücklich nur Eindampfungs- und Destillieranlagen unter Rückgewinnung der Verdampfungswärme mittels Wärmepumpe bei gleichzeitiger Verwendung verschiedener Wärmeträger in dem Wärmepumpenprozeß, mit dem Kennzeichen, daß nicht die ausgetriebenen Brüdendämpfe oder Destillate, wie z. B. Wasserdampf, Petroleum oder Teerdestillate, verdichtet werden, sondern die durch die Brüdendämpfe bzw. Destillate erzeugten Dämpfe einer unter abwechselnder Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe ständig einen Kreislauf vollführenden Hilfsflüssigkeit. Nachstehend sei an Hand der in den Abb. 2 bis 6 dargestellten Beispiele die Anwendung des Verfahrens mit seinen Vorzügen näher erläutert.

Die Einführung dieser Hilfsflüssigkeit kann — je nach dem angestrebten Ziele — in verschiedener Weise geschehen. Soll z. B. eine Verringerung der Abmessungen der Wärme umsetzenden Teile erreicht werden, so gelangt das in Abb. 2 dargestellte Verfahren zur Anwendung. In einem Wärmeaustauschapparat f wird den ausgetriebenen Dämpfen Wärme entzogen und diese zur Verdampfung (gegebenenfalls Überhitzung) eines zweiten Wärmeträgers verwendet, der vom Verdichter d angesaugt und unter abwechselnder Wärmeaufnahme im Wärmeaustauschapparat / und Wärmeabgabe im Verdampfer a durch die Heizschlange e einen Kreisprozeß durchläuft. Durch geeignete Wahl des zweiten Wärmeträgers ist es möglich, für diesen einen Rauminhalt zu erhalten, der im Vergleich zu dem des primären Wärmeträgers gering ist. Es kann durch dieses Verfahren auch der Druck gegenüber dem Primärdampf so weit geändert werden, daß er sich z. B. finden Betrieb des Verdichters besser eignet. Ferner lassen sich im Falle der Verwendung eines Schleuderverdichters bei höherem spezifischem Gewicht des gewählten Wärmeträgers ßo günstigere Radzahlen erzielen.

Auch bezüglich der aufgewendeten Arbeitsleistung für den Prozeß sind durch die vorliegende Erfindung gegenüber den bisher bekannten Wärmepumpenverfahren Vorteile zu erzielen. Die zur Herstellung einer bestimmten Differenz der Siedetemperaturen zu leistende Verdichtungsarbeit ist für verschiedene Flüssigkeiten verschieden. Von Einfluß ist z. B. die Nähe des kritischen Zustandes, wie aus der Kälteindustrie bekannt. Befinden sich z. B. die Primärdämpfe in der Nähe des kritischen Punktes, so ist der Übergang auf einen Wärmeträger, der von seinem kritischen Zustand weiter entfernt ist, gewinnbringend in bezug auf den Arbeitsaufwand.

Als Beispiel einer Anwendung des vorliegenden Verfahrens diene folgendes: Es seien stündlich 20 000 kg Wasser zu verdampfen unter einem Vakuum von etwa 90 ⁰J₀, entsprechend einer Dampftemperatur von 45° C. Die Verdichtung der ausgetriebenen Dampf menge, die pro Minute 5 100 m³ beträgt, müßte bei dem jetzigen Stand der Konstruktion in mehreren parallel geschalteten Schleuderverdichtern vor sich gehen. Wird nach dem vorliegenden Verfahren als zweiter Wärmeträger Schwefelkohlenstoff gewählt und dieser in einem Wärmeaustauschapparat von den Wasserdampfschwaden bei 40⁰ C verdampft, so wird das anzusaugende Volumen auf 950 m³ pro Minute, die Stufenzahl der Schleuderverdichter auf 20 °/_u gegenüber Wasserdampf vermindert. Bei Verwendung von schwefliger Säure wird das minutliche Absaugevolumen etwa 140 m³, also 36mal kleiner als für Wasserdampf, die Stufenzahl etwa gleich groß wie für Schwefelkohlenstoff. Hieraus ersieht man die bedeutende Ersparnis, die in den Anlagekosten erreicht werden kann.

Zur Durchführung des Verfahrens ist gewöhnlich ein zweiter Wärmeaustauschapparat, der die Wärme der Brüdendämpfe auf die Hilfsflüssigkeit überträgt, und für diesen ein zusätzliches Temperaturgefälle erforderlieh. Dieses Temperaturgefälle kann gering gehalten werden, da der Wärmeübergang zwischen einer kondensierenden und einer siedenden Flüssigkeit gut ist, und da man in der Bemessung der Heizflächen, die außerhalb der Verdampfungs- oder Destillierapparate zu liegen kommen, durch konstruktive Rücksichten nicht gehemmt wird. Durch die Verkleinerung der Rauminhalte und der Stufenzahl des Verdichters ist ferner ein besserer Wärmeschutz und eine Verringerung der Rohr-Reibungsverluste erzielbar; durch die viel größere Dampfdichte ist der Wärmeübergang im Verdampfer bzw. Destillierapparat besser, so daß in diesem Gefäß ein kleineres Temperaturgefälle bei sonst gleichen Verhältnissen zulässig ist.

Der Wärmeaustauschapparat f kann aber auch in den Verdampfer α verlegt und da^ Kondensat hinausgeführt werden (Abb. 3).

Dasselbe Verfahren ist zu empfehlen, wenn sich die ausgetriebenen Dämpfe aus den obenerwähnten Gründen zum Durchlaufen des ganzen Wärmeprozesses nicht eignen. Die Führung von z. B. explosiblen Gasen durch einen Wärmeaustauschapparat gibt nicht zu denselben Bedenken Anlaß wie ihre Verdichtung in einem Kompressor.

Dasselbe gilt von Säuren; z. B. dürfte das vorliegende Verfahren zum Eindampfen von Schwefelsäure oder zum Destillieren von Salzsäure in Betracht kommen.

Zur Beseitigung der Überhitzung oder Vergrößerung des Volumens, zur Änderung des Druckes usw. können auch in geeigneter Weise die Hilfsflüssigkeit bzw. ihre Dämpfe vor, während oder nach der Verdichtung mit dem Primärdampf gemischt werden. Dasselbe kann erreicht werden, wenn die überhitzten Dämpfe des zweiten Wärmeträgers zur Vorwärmung des ersten Wärnieträgers verwendet werden.

Es können in einer Anlage verschiedene Verdampfungs- oder Destillieranlagen O₁, a., (Abb. 4; aufgestellt sein und die Vereinigung der Dämpfe oder Destillate in einer gemein samen Wärmepumpenanlage nicht zulässig oder nicht erwünscht sein. Nach dem vorliegenden Verfahren können diese Dämpfe, wie in Abb. 4 gezeigt, zur Verdampfung eines gemeinsamen zweiten Wärmeträgt'i's bei ί_ϊ und /„ herbeigezogen werden, der in einer einzigen Wärmepumpenanlage d zu Heizzwecken nutzbar gemacht wird.

Wenn die Temperaturen der verschiedenen Destillate oder Dämpfe ungleich sind, kann diese Differenz zur Erzeugung von Dampf verschiedenen Zustandes benutzt werden, der dann z. B. im mehrstufigen Verdichter d in bekannter Weise an verschiedenen Stufen S¹I. £2 bzw. Ii₁, Il₁ ein- bzw. ausgeführt wird (Abb. 5).

Besteht das Destillat aus verschiedenen Bestandteilen, deren Siedepunkte ungleich sind, oder sind die ausgetriebenen Dämpfe überhitzt (wie dies bei echten Lösungen der Fall ist), so kann dieser Umstand wiederum zur Erzeugung von Dampf verschiedenen Zustandes benutzt werden (Abb. 6).

Von den aus dem Verdampfer α entweichenden Dämpfen werden z. B. die schwerer siedenden im Wärmeaustauschapparat Z₁ kondensiert unter Abgabe ihrer Verdampfungswärme an einen besonderen Wärmeträger, der in den Verdichter d bei g₁ eintritt und ihn bei Ji₁ wieder verläßt, um seine Wärme bei C₁ —· die Heizschlange braucht nicht im Verdampfer α zu liegen — abzugeben. Die leichter siedenden Dämpfe werden erst im Wärmeaustauschapparat f., kondensiert und geben ihre Verdampfungswärme an einen Wärmeträger ab, der bei g.₂ in den Verdichter d eintritt und ihn bei It₂ verläßt, um seine Wärme j bei e„ abzugeben.

Sind, wie schon angedeutet, die ausgetriebenen Dämpfe überhitzt, so wird ihnen im Apparat Z₁ die Überhitzung ganz oder teilweise genommen. Im Apparat /₂ wird dann der eventuelle Rest der Überhitzung entfernt und der Wärmeentzug bis zur mehr oder weniger vollständigen Kondensation getrieben.

Gewisse Destillationen werden unter Einspritzung von Dampf einer anderen Flüssigkeit vorgenommen. In diesem Fall empfiehlt es sich, als zweiten Wärmeträger die Einspritzflüssigkeit selbst zu wählen. So kann beispielsweise der Wasserdampf, der bekanntlich bei der Öldestillation in die Destillationsgefäße eingeblasen wird, durch die Kondensationswärme der übergehenden Öldämpfe erzeugt und mittels Wärmepumpe verdichtet und hierauf als Einblasedampf benutzt werden.

Es können auch die beschriebenen Verfahren gleichzeitig verwendet werden, z. B. die Verfahren nach den Abb. 1 und 2.

Claims

Patentansprüche:

r. Verfahren zum Verdampfen oder Destillieren unter Rückgewinnung der Verdampfungswärme mittels Wärmepumpe bei gleichzeitiger Verwendung verschiedener Wärmeträger in dem Wärmepumpenprozeß, dadurch gekennzeichnet, daß nicht die ausgetriebenen Brüdendämpfe oder Destillate, wie z. B. Wasserdampf, Petroleum oder Teerdestillate, verdichtet werden, sondern die durch die Brüdendämpfe bzw. Destillate erzeugten Dämpfe einer unter abwechselnder Warmeaufnahme und Wärmeabgabe ständig einen Kreislauf vollführenden Hilfsflüssigkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Beseitigung der Überhitzung die in der Wärmepumpe verdichteten Dämpfe durch Mischung mit dem Primärdampf abgekühlt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wärmepumpe die Dämpfe einer Hilfsflüssigkeit verdichtet werden, die durch die Brüdendämpfe bzw. Destillate verschiedener Verdampfungsanlagen erzeugt wurden.
4. Verfahren nach xAnspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdich-

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ter die Hilfsflüssigkeit aus den verschiedenen Anlagen entsprechend ihrem Dampfzustand ansaugt und verdichtet.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübergang an die Hilfsflüssigkeit und die Verdichtung der Hilfsflüssigkeitsdämpfe entsprechend den verschiedenen Fraktionen des ausdestillierten Dampfes erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der durch die Brüdendämpfe erzeugten und in der Wärmepumpe verdichteten Dämpfe der Hilfsflüssigkeit abgezweigt und zur Unterstützung der Eindampfung bzw. Destillation in die Verdampfer geleitet wird.
7. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauschapparat für die Übertragung der Wärme an die Hilfsflüssigkeit im Verdampfer selbst angeordnet ist (Abb. 3).

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.