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Verfahren zur Verwertung der in unreinen Abwässern enthaltenen Wärme
Unreine Abwässer von etwa 5o bis 6o°, wie sie beispielsweise in Sulfatzellstoffabriken
in großer Menge anfallen, oder auch warines Kühlwasser aus Abdampfoberflächenkondensatoren
und Laugenkondensat aus Vakuumapparaten hat man bisher meistens nutzlos ablaufen
lassen, weil man die darin noch enthaltene Wärme wirtschaftlich nicht verwerten
konnte. In derartigen Betrieben fallen aber meistens auch unreine Brüden an. Diese
können bekanntlich wegen ihrer unreinen Bestandteile und deren korrodierenden Wirkung
nicht unmittelbar in Wärmeaustauschapparaten benutzf werden, wenn nicht Apparate
von teurem Material verwendet werden, und man hat sie daher bisher auch durch Wasser
zum Kondensieren gebracht, wodurch die nichtkondensierbaren Bestandteile ausgeschieden
werden.
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Nimmt man nun nach der Erfindung das warme Abwasser zum Kondensieren,
so hat man gleichzeitig den Vorteil, große Mengen heißen Kondensats von 9o bis 95°
zu erzielen, welches keine mehr so große korrodierende Wirkung hat. Auf diese Weise
kann man unter gleichzeitiger Ausnutzung der in den Abwässern und den Brüden enthaltenen
Wärme große :Mengen von reinem Wasser vorwärmen, die in denselben Betrieben meist
auch in großer Menge gebraucht werden. Da ferner diese Abwasser- und Brüdenmengen
in den Betrieben meist unregelmäßig und stoßweise anfallen, so besteht nach der
weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf diese Weise auch die Möglichkeit, die Abwärme
zu speichern, indem für das heiße Kondensat ein Speicher eingeschaltet wird. Zu
diesem Zweck müssen natürlich die dem Kondensator zufließenden Brüden und Abwassermengen
so geregelt werden, daß immer eine möglichst hohe Temperatur des Kondensats erreicht
wird. Um Unreinigkeiten aus den Abwässernnicht in die Wärmeaustauscher gelangen
zu lassen, wird das Kondensat nötigenfalls vor dem Eintritt in die Wärmeaustauscher
gefiltert.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur
Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung veranschaulicht.
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Durch das Rohr i fließt der größere Teil des Abdampfes z. B. aus einem
Zellstoffkocher in den Teil ja dieses Rohres. Der Teil ja reicht in den Behälter
2 hinein, ist an seinem Ende geschlossen und mit einer Anzahl von Ausströmungsdüsen
3 versehen, die in Ejektoren d. münden. Von der entgegengesetzten Seite ist ein
Rohr 5 für die Kühlflüssigkeit in den Behälter 2 und das Rohr i hineingeführt. Dieses
Rohr 5 ist gleichfalls mit einer Anzahl
von Ausströmungsdüsen 6
versehen, die in die Düsen 3 zentral eingesetzt sind. Jedes Düsenpaar 3, 6 bildet
einen Injektor, in dem der Abfluß- oder sonstige Dampf mit der Kühlflüssigkeit innig
gemischt und der Dampf kondensiert wird. Um die Kühlfläche zu vergrößern, können
die Düsen 3 zu Röhren verlängert werden. In diesem Falle werden die Rohre ja und
5 in dem Behälter oder außerhalb des Behälters höher angeordnet. Der Behälter 2
ist mit einem Ausflußrohr 7 für die nichtkondensierbaren Gase sowie mit einem Cr
lochten Überlaufrohr 8 versehen, das sich über die ganze Länge des Behälters erstreckt
und über ein Rohr 811 mit einem Sammler g für das heiße Gemisch der entstehenden
Flüssigkeiten verbunden ist. In das Rohr 5 für die Kühlflüssigkeit ist ein Ventil
32 eingesetzt, das durch ein Thermometer 33 in dem Rohr 8 derart selbsttätig
verstellt wird, daß die Menge der Kühlflüssigkeit, die in den Behälter 2 durch das
Rohr 5 eintritt, in Abhängigkeit von der Temperatur des Flüssigkeitsgemisches geregelt
wird, das aus dem Behälter 2 durch das Rohr 8 abströmt. Der Sammler g hat einen
Dampfdom io, von dem ein Dampfrohr i -q mit einem Rückschlagventil i i nach dem
Boden des Behälters 2 führt. Von dem Hauptdampfrohr i ist ein Nebenrohr 13 abgezweigt
und mit einem Heizrohr 13a in dem Sammler g für das Flüssigkeitsgemisch verbunden.
Von diesem Rohr führt ein Rohr 13v mit einem Rückschlagventil 14 zu dem unteren
Teil des Behälters 2. Der Flüssigkeitsraum des Sammlers g ist über ein Rohr 15,
in das ein Filter 39 eingesetzt ist, mit einem Wärmeaustauscher verbunden.
Er besteht bei der gezeichneten Ausführung aus einem Zylinder 16, der durch Querwände
17, 18 in eine mittlere Kammer, eine obere Kammer ig und eine untere Kammer 2o zerlegt
ist, welche beiden letzteren durch Rohre 21 verbunden sind. In dem Zylinder 16 ist
ferner eine mittlere Scheidewand 22 vorgesehen, die die obere Kammer ig in zwei
Teile zerlegt und in der mittleren Kammer dicht oberhalb der Scheidewand i8 endet.
Das heiße Flüssigkeitsgemisch strömt aus dem Rohr 15 in die linke Hälfte der oberen
Kammer ig, durch die Rohre 21 auf der linken Seite der Scheidewand 22 in die untere
Kammer 2o und von dieser durch die Rohre 21 auf der rechten Seite der Scheidewand
22 in die rechte Hälfte der oberen Kammer ig, von wo es durch ein Rohr 24 mit einem
Ventil 23 in den Behälter 25 für das abgekühlte Kondensat abfließt. Mittels einer
Purnpe 26 wird kaltes reines Wasser durch ein Rohr 27 in die linke Hälfte der mittleren
Kammer des Zylinders 16 und von hier um die untere Kante der Scheidewand 22 in die
rechte Hälfte dieser Kammer gedrückt, so daß es durch die Rohre i erwärmt wird.
Das erwärmte Wasser strömt durch ein Rohr 28 ab. Obwohl der Abdampf von dem Rohre
i Verunreinigungen enthält, die die Ausnutzung des sich bildenden Flüssigkeitsgemisches
für gewisse Heizzwecke unmöglich machen können, ist das aus dem Rohr 28 abströmende
heiße Wasser vollkommen rein und kann für alle Heizzwecke benutzt werden.
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Wie oben angegeben, verwendet man Abwässer oder sonstige Wässer einer
Fabrik mit einer Temperatur von etwa 4o bis 6o° C als Kühlflüssigkeit in dem Behälter
2. Es ist aber auch möglich, diese Kühlflüssigkeit in dem System kreisen und sie
dabei auf eine Temperatur abkühlen zu lassen, die nicht niedriger ist als die soeben
angegebene. In beiden Fällen werden größere Wärmemengen zurückgewonnen, als wenn
kaltes Wasser zum Kondensieren des Abdampfes verwendet wird. Läßt man die Kühlflüssigkeit
umlaufen, so erzielt man den weiteren Vorteil, daß dieses Kondensat sich mit den
Bestandteilen oder Verunreinigungen anreichert, die in dem Abdampf enthalten sind.
Enthält z. B. der Abdampf wertvolle Bestandteile, was z. B. beim Kochen von Zellstoff
nach dem Sulfatverfahren der Fall ist, so können diese in verhältnismäßig leichter
Weise wiedergewonnen werden. Ein derartiger Kreislauf des Kondensats ist bei der
gezeichneten Ausführung vorhanden. Zu diesem Zweck hat der Behälter 25 ein Ablaufrohr
2g und ein Auslaßrohr 30, das zu einer Pumpe 3 i führt, die das abgekühlte Kondensat
durch ein Rohr 5 in den Behälter 2 zurückbefördert, in dem das Kondensat als Kühlflüssigkeit
für eine neue Dampfmenge des nächsten Abdampfes, wie oben angegeben, benutzt wird.
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Wie mit punktierten Linien auf der Zeichnung angegeben, läßt sich
ein Dampfsammler 36 mittels eines Rohres 35 mit einem Rückschlagventil 34 zu dem
Zweigrohr 13 parallel schalten.
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Um die Temperatur des durch das Rohr 28 abgezogenen heißen Wassers
zu regeln, ist ein Ventil 37 vorgesehen, das durch ein Thermometer 38 in diesem
Rohr selbsttätig verstellt wird. Hat das abgekühlte Flüssigkeitsgemisch, das durch
das Rohr z4 in den Behälter 25 fließt, eine Temperatur, die wenig höher ist als
die Temperatur des Kühlwassers in dem Rohr 27, so kann ein weiterer Teil der Wärme
der Flüssigkeit in dem Behälter 25
dadurch wiedergewonnen werden, daß die
überschüssige Flüssigkeit aus dem Ablaufrohr 29 einem Vorwärmer 4o zugeleitet wird,
der das Wasser in dem Rohr 27 erwärmt. Bei Anlagen, in denen das Kondensat
durch das System umläuft, wie bei der gezeichneten
Ausführung, ist
die Menge der Flüssigkeit, die durch das Ablaufrohr 29 abfließt, der Menge des zugeführten
Dampfes gleich und beträgt somit nur einen verhältnismäßig kleinen Teil der Menge
der umlaufenden Flüssig-],zeit. Somit kann eine weitere Wärmemenge durch Verwendung
einer verhältnismäßig kleinen Wärmeübertragungsfläche gewonnen werden, die durch
den Vorwärmer 40 gebildet wird, oder die gesamte Wärmeübertragungsfläche kann durch
Verwendung eines solchen zusätzlichen Vorwärmers erheblich verringert «-erden, ohne
daß dadurch die thermische Leistung der ganzen Anlage herabgesetzt würde.
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Die beschriebene Vorrichtung hat folgende Wirkungsweise: Der Abdampf
tritt durch das Hauptrohr i während einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer ein.
Er strömt zum größeren Teil. in den Teil ia dieses Hauptrohres und von da durch
die Düsen 3 in den Behälter 2, der vorher mit dem abgekühlten Kondensat eines früheren
Abdampfes mittels des Rohres 5 bis zu der erforderlichen Höhe gefüllt ist. Während
der Abdampfdauer ist das Ventil 23, das die Temperatur der sich bildenden Mischung
regelt, selbsttätig geöffnet und gestattet den dauernden Zutritt von Kühlflüssigkeit
durch die Düsen 6. Alsdann wird der Abdampf mit dem abgekühlten Kondensat zu einem
Flüssigkeitsgemisch mit einer Temperatur vermischt, die dicht unter dem Siedepunkt
liegt, wenn das Verhältnis der Dampfmenge zu der Menge des abgekühlten Kondensats
(Kühlflüssigkeit) richtig gewählt wird. Der Behälter 2 muß so bemessen werden, daß
eine ausreichende Regelung der Temperatur erhalten wird. Im allgemeinen braucht
er aber nicht so groß zu sein, daß er die Gesamtmenge des heißen Flüssigkeitsgemisches
aufzunehmen vermag, das sich während einer Abdampfdauer bildet. Dieses heiße Gemisch
wird durch das Abflußrohr 8 dem Sammler 9 zugeführt, der die Gesamtmenge des heißen
Flüssigkeitsgemisches aufnehmen muß, das sich während einer Abdampfdauer bildet
und in dem die Flüssigkeit ihren niedrigsten Stand beim Beginn jeder Abdampfdauer
haben muß. Die Flüssigkeit steigt während-und unmittelbar nach Beendigung der Abdampfdauer
auf ihren höchsten Stand, worauf sie in den Zeit räumen zwischen zwei Abdampf dauern
langsam wieder auf ihren niedrigsten Stand sinkt. Aus dein Sammler 9 wird das heiße
Flüssigkeitsgemisch sowohl während der Abdampfdauer als auch während der Zeiträume
zwischen ihnen ständig durch das Rohr 15 nach dein Wärmeaustauscher 16 abgeführt,
in dem es sich abkühlt, um darauf in den Behälter 25 für die abgekühlten Kondensate
zu fließen, in dem es aufgespeichert. wird, um als Kühlflüssigkeit in dem Behälter
2 bei der nächsten Abdampfdauer verwendet> zu werden. Das überschüssige abgekühlte
Kondensat wird aus dem Behälter 25 durch das Ablaufrohr 29 und den Vorwärmer q.o
abgeführt.
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Das heiße Flüssigkeitsgemisch, das durch den Zylinder 16 dauernd strömt,
erwärmt einen Strom von Kühlwasser, der gleichfalls dauernd fließt und als heißes
Wasser durch das Rohr 28 abgeführt wird. Der mit verhältnismäßig langen Zeitabständen
intermittierend zuströmende Abdampf wird auf diese Weise benutzt, um im wesentlichen
fortlaufend heißes Wasser zu erzeugen.
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Ein kleiner Teil des Abdampfes fließt von dem Hauptrohr i durch das
Nebenrohr 13 und das Rohr 13a durch den Sammler 9, um das heiße Flüssigkeitsgemisch
in ihm zwecks Ausgleiches der Wärmestrahlungsverluste anzuwärmen. Von hier strömt
dieser Dampf durch das Rohr 13v und das Rückschlagventil 1.4 in den Behälter 2,
wo er kondensiert wird. Die durch -den Dampf in dem Rohr 13a bewirkte Erwärmung
trägt dazu bei, das Kondensat in dem Sammler 9 auf einer Temperatur dicht unter
dem Siedepunkt zu erhalten.
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Wird der mit punktierten Linien gezeichnete Dampfsammler 36 vorgesehen,
so strömt ein Teil. des Dampfes in dein Zweigrohr 13 über das Rohr 35 in den Sammler
36, und zwar namentlich während des ersten Teiles einer Abdampfdauer, weil dann
der Druck am höchsten ist. Er wird in diesem Saimnler aufgespeichert, um durch die
Rohre 13, 13a abzuströmen, nachdem der Druck des Abdampfes wieder nachgelassen hat.
Der auf diese Weise aufgespeicherte Dampf gibt in dem Rohr 13a in dem Sammler 9
Wärme ab und strömt durch das Rohr 13v in den Behälter 2. Der Dampfsammler 36 gleicht
also den Strom des Dampfes durch das Zweigrohr 13 aus.
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Der Dampf, der in dem Sammler 9 sich bildet oder in diesen Sammler
zusammen mit dem heißen Flüssigkeitsgemisch durch das Rohr 8a strömt, wird von dem
Dampfdom io durch das Rohr 12 abgeführt, wenn sein Druck eine gewisse Grenze überschreitet,
und gelangt dann durch das Rückschlagventil i i in den Behälter 2, um -dort kondensiert
zu werden.
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Die Ventile 32 und 37, die durch die Therinometer 33 und 38 selbsttätig
verstellt werden, regeln die Wasserströme in den Röhren 5 und 28 derart, daß die
Temperaturen des heißen Flüssigkeitsgemisches, das durch das Rohr -8 abströmt, und
des heißen Wassers, das durch das Rohr 28 abströmt, konstant erhalten werden. Das
Ventil 23 wird von Hand oder selbsttätig in Abhängigkeit des Flüssigkeitsstandes
in dem Sammler 9 eingestellt,
um den Strom des Kondensats durch
den Wärmeaustauscher 16 möglichst konstant zu erhalten.
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Je niedriger die Temperatur des abgekühlten Kondensats ist, das dem
Behälter 2 durch das Rohr 5 zu_ strömt, um so kleiner ist die :Menge dieses' Kondensats,
das erforderlich ist, um eine gewisse Dampfmenge zu kondensieren, und unter sonst
gleichen Verhältnissen können die Größen des Strahl- oder Einspritzkondensators
3, 6, der Pumpe 31 sowie der Behälter 2, 9 und 25 dementsprechend verringert werden.
Es ist also sehr wichtig, den Wärmeaustauscher 16 so wirksam als irgend möglich
auszubilden, um das Kondensat auf eine niedrige Temperatur abzukühlen.
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Die beschriebene Vorrichtung kann in mancherlei Weise auch anders
ausgeführt werden, ohne daß dadurch die Erfindung berührt würde. So kann das Rohr
i3a gelocht werden und das Rohr i3 b fortgelassen werden, so daß der dem Sammler
9 durch das Rohr 13a zuströmende Dampf auf dem Behälter 2 durch das Rohr 12 abgeführt
wird. Die Rohre 13,
13a und 13 b können auch ganz fortfallen. Von dem
Boden des Behälters z kann ein Rohr zu dem Sammler 9 führen, um die Entleerung des
Behälters 2 nach der Abdampfdauer zu ermöglichen, bevor abgekühltes Kondensat in
diesen Behälter 2 für den nächsten Abdampf eingeleitet wird. Der Wärmeaustauscher
kann irgendeine zweckentsprechende Ausgestaltung haben. Offenbar können auch nichtkondensierbare,
heiße Gase, wie Verbrennungsgase, benutzt werden, um ihre Wärme in der beschriebenen
Vorrichtung abzugeben, obwohl in diesem Falle offenbar keine Kondensation eintritt.
Das Verfahren zum Ausnutzen heißer, nichtkondensierbarer Gase ist insbesondere für
Gase brauchbar, die nur eine mäßige Temperatur haben. Gase mit höherer Temperatur
werden besser in Wasservorwärmern o. dgl. ausgenutzt.