DE60003854T2

DE60003854T2 - Verfahren zur leistungssteigerung von wärmepumpenanlagen für die eiserzeugung

Info

Publication number: DE60003854T2
Application number: DE60003854T
Authority: DE
Inventors: Avraham Ophir
Original assignee: IDE Technologies Ltd
Current assignee: IDE Technologies Ltd
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2020-09-09
Also published as: ES2202166T3; US6688117B1; JP2003517557A; JP3901521B2; DE60003854D1; AU7037000A; EP1247024A1; IL133576A0; IL133576A; EP1247024B1; WO2001044665A1; ATE244825T1; ZA200205114B

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungssteigerung von Wärmepumpenanlagen zur Eiserzeugung, die nach dem Prinzip der mechanischen Wasserdampfverdichtung arbeiten, insbesondere von solchen Anlagen, die "hartes" Wasser verwenden.
Die durch die Erfindung zustande kommenden Verbesserungen bestehen in der Beseitigung von Problemen, die durch das Mitreißen von Wassertröpfchen aus der Verdampfer/Gefrierkammer in die Verdichterkammer über Tropfenabscheider verursacht werden. Dies kann zum Verkrusten der Tropfenabscheider und der schnell drehenden Ausrüstungen in der Verdichterkammer mit Eis und harter Ablagerung führen und kann einen Rückgang des Wirkungsgrads sowie Verschleiß der Rotationsverdichter verursachen. Ein weiteres Problem, das durch das Mitreißen von Wassertropfen verursacht werden kann, ist das Gefrieren solcher unterkühlter Tropfen auf den Tropfenabscheidern, was den Dampfdurchgang durch sie verstopft.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Prinzip ist bekannt und in der Praxis nachgewiesen, daß Eis (für Entsalzungs-, Kühl-, Sport-, Unterhaltungszwecke usw.) in großtechnischem Maßstab relativ wirtschaftlich hergestellt werden kann, indem man Wasser im Vakuum gleichzeitig sieden und an seinem Tripelpunkt (0°C und 4 mm Hg) gefrieren läßt. Danach muß das so produzierte, sehr große verdünnte Wasserdampfvolumen auf Drücke und Temperaturen verdichtet werden, bei denen es sich auf leicht verfügbarem Weg, z. B. Luftkühlung oder Wasser aus einem herkömmlichen Kühlturm, kondensieren läßt.
Eine großtechnische Anlage dieser Art ist in der IL-A-106945 und US-A-5520008 des Anmelders offenbart und hat sich im mehrjährigen Betrieb als überaus praktisch und wirtschaftlich erwiesen. Grundlegend weist diese Anlage eine Verdampfer/Gefrierkammer auf, die mit einer Verdichterkammer kommuniziert, die ihrerseits mit einer Kondensatorkammer kommuniziert. Die Verdichterkammer enthält ein Paar leichte, effiziente, mit hohem Durchsatz und hoher Drehzahl arbeitende Laufräder mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis, die in Reihe arbeiten. Ein effektiver Tropfen- (Nebel-) Abscheider mit einem geringen Druckabfall ist zwischen den beiden Laufrädern eingefügt. Ein weiterer Tropfenabscheider liegt zwischen der Verdampfer/Gefrierkammer und der Verdichterkammer. Die Aufgabe dieser Tropfenabscheider besteht darin, die schnell drehenden Laufräder vor Erosion oder anderweitiger Beschädigung durch Tropfen oder andere Teilchen zu schützen, die mit dem Dampf mitgerissen werden, was später erläutert wird. Solche Tropfenabscheider können vom "Jalousie"-Typ (der eine abrupte Änderung der Richtung des Dampfflusses bewirkt) oder vom "Maschen"- (porösen Matratzen-) Typ sein, oder beide Typen können in Kombination verwendet werden.
Idealerweise kommt es beim Betreiben einer Anlage dieser Art mit Reinwasser, das in die Verdampfer/Gefrierkammer geführt wird, dazu, daß die Tropfen des Reinwassers, die durch den Wasserdampf mitgerissen werden, beim Auftreffen auf den zwischen der Verdampfer/Gefrierkammer und der Verdichterkammer eingefügten Tropfenabscheider ineinanderfließen und auf Größen anwachsen, deren Gewicht die Einziehkraft des Dampfs überwinden kann, so daß die Tropfen auf kontrollierbare Weise wieder in die Verdampfer/Gefrierkammer herabtropfen. Beim Unterkühlen der Reinwassertropfen könnten sie aber bei Berüh- rung mit den Tropfenabscheideroberflächen gefrieren, an ihnen kleben bleiben und die Dampfdurchgänge verstopfen. Überwinden läßt sich dieses Problem durch Bereitstellen von Einrichtungen zum periodischen oder kontinuierlichen Erwärmen des Tropfenabscheiders, um das darauf gebildete Eis zu schmelzen. Eine solche Lösung ist mit Jalousietropfenabscheidern anwendbar und kommt häufig zum Einsatz, ist aber mit den effizienteren Maschentropfenabscheidern unpraktisch.
Wesentlich ernstere Probleme entstehen, wenn eine Eiserzeugungsanlage, etwa die oben beschriebene, mit "hartem" Wasser gespeist wird, d. h. Wasser, das schwer lösliche Salze enthält, z. B. Sulfate und Carbonate von Calcium und Magnesium. Diese Verunreinigungen werden in der Verdampfer/Gefrierkammer wegen der Beseitigung von Wasser durch Verdampfen wie auch Gefrieren viel stärker konzentriert, oft über ihre Sättigungswerte hinaus. Bei Berührung solcher übersättigter Tropfen mit festen Oberflächen schlagen sich die darin enthaltenen schwer löslichen Salze auf solche Oberflächen nieder und bilden eine festsitzende Ablagerung. In diesem Fall erschwert Erwärmung nur die Situation, indem sie bewirkt, daß Wasser verdampft und mehr Salze ausfällen. Andererseits können solche Feststoffe wegen ihrer geringen Löslichkeit nicht wirksam mit Wasser abgewaschen werden und machen eventuell den Gebrauch starker Säuren oder anderer korrodierender Waschmedien notwendig.
Eine solche Ablagerung, bildet sie sich im ersten Tropfenabscheider (der zwischen der Verdampfer/Gefrierkammer und der Verdichterkammer eingefügt ist), würde den Durchgang für den Wasserdampf zusetzen und behindern und könnte sogar abbrechen und mit dem Dampfstrom in den Verdichter mitgeführt werden, was Schäden an den Laufradflügeln riskiert.
Festgestellt wurde, daß die Haftfestigkeit unterschiedlicher Salze an festen Oberflächen mit ihrer Wasserlöslichkeit variiert, wobei sie am geringsten für die stärker löslichen Salze und am höchsten für die schwer löslichen Salze ist, z. B. die o. g. Sulfate und Carbonate. Die letzteren Salze können so fest haften, daß sie sogar an den schnell drehenden Laufradflügeln kleben, was ihre feine Balance stört sowie Schwingungen und schnellen Verschleiß ihrer Lager hervorruft. Diese auf den Laufradflügeln verkrustete Ablagerung kann auf eine solche Dicke anwachsen, daß sie den hydrodynamischen Wirkungsgrad der Anlage senkt. Zudem können die hohen Zentrifugalkräfte der Laufradflügel schließlich die Haftung der Ablagerung überwinden, wodurch Splitter davon abplatzen und mit sehr hoher Geschwindigkeit und kinetischer Energie nach außen fliegen. Solche "Geschosse" können stark zerstöre risch wirken, indem sie schnelle Erosion der Laufradflügelspitzen und Abdeckschaufeln bewirken.
Ein weiterer ernster Nachteil ist, daß unter solchen Umständen keine hoch effizienten Maschentropfenabscheider in Eiserzeugungsanlagen zum Einsatz kommen können, da sie leicht mit Eis und Ablagerungen verkrusten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die o. g. Probleme zu überwinden und ein wirtschaftlich machbares Verfahren zum Schutz von Wärmepumpenanlagen zur Eiserzeugung durch mechanische Wasserdampfverdichtung vor den oben beschriebenen Betriebs- und Wartungsproblemen bereitzustellen, die durch Verkrustung einiger ihrer kritischen Komponenten mit Eis und/oder harten Feststoffen verursacht werden, die aus Verunreinigungen stammen, die in ihrem Speisewasser enthalten sind.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, die ein Verfahren zur Leistungssteigerung einer Wärmepumpenanlage zur Eiserzeugung bereitstellt, die nach dem Prinzip der mechanischen Wasserdampfverdichtung arbeitet und eine Verdampfer/Gefrierkammer aufweist, die mit einer Verdichterkammer kommuniziert, welche mindestens eine Kreiselverdichtereinheit aufweist und mit einer Kondensatorkammer kommuniziert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a. Bereitstellen eines ersten Tropfenabscheiders vom Jalousietyp zwischen der Verdampfer/Gefrierkammer und der Verdichterkammer zur Primärabscheidung der gröberen Tropfen,
b. Bereitstellen eines zweiten Tropfenabscheiders vom Maschentyp nach dem ersten Tropfenabscheider zur Sekundärabscheidung des restlichen feinen Sprühnebels, und
c. Bereitstellen eines kontinuierlichen oder intermittierenden Sprühnebels aus einer verdünnten Lösung eines stark wasserlöslichen anorganischen Salzes im. Gegenstrom zum Dampffluß aus mehreren Sprühdüsen, die zwischen dem ersten und zweiten Tropfenabscheider liegen und zum ersten Tropfenabscheider weisen.

Festgestellt wurde, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Eisbildung auf Tropfenabscheidern sowie die Bildung harter und festsitzender Ablagerungen auf den Tropfenabscheidern oder auf den Laufradflügeln eliminiert. Erstens verhindert die Gefrierpunkterniedrigung von Wasser, hervorgerufen durch die gelösten wasserlöslichen anorganischen Salze, Eisbildung auf den Oberflächen der Tropfenabscheider. Zweitens wurde festgestellt, daß die anderen Feststoffe, die sowohl auf den Tropfenabscheidern als auch den Laufradflügeln abgelagert werden, weich und pulverig sind, so daß sie durch den Dampffluß leicht weggerissen werden. Man geht davon aus, daß die abgelagerten harten Teilchen der gering löslichen Sulfate und Carbonate durch die viel größere Menge des stark wasserlöslichen anorganischen Salzes "verdünnt" werden, das zusammen mit ihnen abgelagert wird.
Ferner fehlt den "Mischablagerungen" der gering löslichen Salze und der wasserlöslichen anorganischen Salze die Haftung an den Oberflächen der massiven Ausrüstungen, weshalb sie sich normalerweise nicht auf den Laufradflügeln ansammeln und durch Abwaschen mit Wasser leicht und wirksam entfernt werden können, sollte dies je nötig werden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Jalousietropfenabscheider ist in der Technik verbreitet und verfügt allgemein über mehrere eng beabstandete "fischgräten"-förmige Teile, deren Oberflächen zur Richtung des Wasserdampfflusses geneigt sind, was Aufprallflächen für die Tropfen und zahlreiche schmale, gewundene Durchgänge zwischen den Teilen bildet. Auch der "Maschen"-Tropfenabscheider ist von der in der Technik verbreiteten Art und kann eng gepackte Schichten aus Sieb-, Maschen-, Ketten- oder anderen Packungsarten aufweisen, die eine große Oberfläche zum Abfangen der mitgerissenen Nebelteilchen oder Tropfen bilden.
Das stark wasserlösliche anorganische Salz, von dem eine Lösung im Gegenstrom zum Dampffluß versprüht wird, wird im folgenden der Kürze halber "Salz" genannt. Beispiele für solche Salze, die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, sind Alkalimetall- und Erdalkalimetallhalogenide (z. B. Natrium- und Kaliumchlorid oder -bromid und Magnesiumchlorid), Nitrate u. ä. Aufgrund von Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit ist Natriumchlorid das am stärksten bevorzugte Salz.
Die Konzentration des Salzes in der erfindungsgemäß zu versprühenden Wasserlösung kann etwa 2 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% betragen. Eine 5%ige wäßrige Natriumchloridlösung ist bevorzugt. Festgestellt wurde, daß bei erfindungsgemäßer Verwendung von Natriumchlorid auch in sehr hartem Wasser nur eine. vergleichsweise kleine Menge davon nötig ist, d. h. weniger als 1 kg Natriumchlorid für jede produzierte Tonne Eis. Dies ist technisch und wirtschaftlich tolerierbar.
Der Hauptteil der versprühten Salzlösung mit Ausnahme der Tropfen, die mit dem Dampffluß an den Tropfenabscheidern vorbei in die Verdichterkammer gerissen werden, wird zur Verdampfer/Gefrierkammer zurückgeführt und ist im Eisbreiprodukt enthalten, das aus der Verdampfer/Gefrierkammer kontinuier- lich entnommen wird. Bei vielen Eiserzeugungsanlagen dieser Art wird dieser Eisbrei weiter in einen eisreichen Brei oder entwässertes festes Eis und eine "Konzentrat" genannte Lösung getrennt. Das Salz sowie die schwer löslichen Sulfate und Carbonate würden sich in diesem Konzentrat ansammeln, das trotz seines Namens ziemlich verdünnt ist. Unter sowohl wirtschaftlichen als auch ökologischen Aspekten und gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die schwer wasserlöslichen Salze durch eine bekannte Einrichtung, z. B. durch Nanofiltration, vom Konzentrat getrennt werden, und die resultierende verdünnte Salzlösung kann dann z. B. durch Umkehrosmose weiter konzentriert werden, um eine Salzlösung mit etwa 5% Konzentration zu ergeben, die dann zu den Sprühdüsen zurückgeführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Gefahr von Umweltverschmutzung gebannt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste (Jalousie-) und der zweite (Maschen-) Tropfenabscheider waagerecht und parallel zueinander am Auslaß der Verdampfer/Gefrierkammer oder benachbart dazu angeordnet, wobei der zweite Tropfenabscheider zuoberst liegt. Gemäß dieser Ausführungsform verläuft die Richtung des Sprühnebels aus den zwischen den beiden Tropfenabscheidern eingefügten Sprühdüsen abwärts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ferner Einrichtungen vorgesehen, um den ersten Jalousietropfenabscheider kontinuierlich oder periodisch zu erwärmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Um die Erfindung zu verstehen und zu erkennen, wie sie in der Praxis realisiert werden kann, wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines nicht einschränkenden Beispiels auf die beigefügten Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt:
1 eine schematische Teilquerschnittansicht einer Wärmepumpenanlage zur Eiserzeugung, die nach dem Prinzip der mechanischen Wasserdampfverdichtung arbeitet.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch einen Teilquerschnitt durch eine Wärmepumpenanlage zur Eiserzeugung mit einer allgemein mit 1 bezeichneten Verdampfer/Gefrierkammer und eine Teilansicht einer allgemein mit 2 bezeichneten Verdichtungskammer. Die Verdampfer/Gefrierkammer 1 ist mit einem Einlaß 3 für das Speisewasser und einem Auslaß 4 zum Entnehmen des Eisbreis versehen. Die Hohlpfeile repräsentieren den Dampffluß von der Verdampfer/Gefrierkammer zur Verdichterkammer. Am Auslaß der Verdampfer/Gefrierkammer 1 zur Verdichterkammer 2 sind ein Jalousietropfenabscheider 5 sowie danach und parallel dazu ein Maschentropfenabscheider 6 vorgesehen. Zwischen den beiden Tropfenabscheidern ist eine Anordnung aus Sprühdüsen 7 vorgesehen, die geeignet ist, eine verdünnte Lösung eines stark wasserlöslichen anorganischen Salzes in Gegenstromrichtung zum Dampffluß zu versprühen. Der Jalousietropfenabscheider 5 ist mit einem System von Rohren zur Zirkulation eines Wärmemediums, vorzugsweise Wasser, durch sie versehen, um die Temperatur der Außenflächen des Tropfenabscheiders etwa 4 bis etwa 10°C über der Dampftemperatur zu halten. Der Einlaß und der Auslaß dieses Wärmemediensystems sind in der Zeichnung mit 8 bzw. 9 bezeichnet.
In der Verdichterkammer 2 ist ein schnell drehendes Laufrad 10 schematisch dargestellt, das von einem Außenmotor 11 angetrieben wird und von Abdeckschaufeln 12 umgeben ist.

Claims

Verfahren zur Leistungssteigerung einer Wärmepumpenanlage zur Eiserzeugung, die nach dem Prinzip der mechanischen Wasserdampfverdichtung arbeitet und eine Verdampfer/Gefrierkammer (1) aufweist, die mit einer Verdichterkammer (2) kommuniziert, die mindestens eine Kreiselverdichtereinheit aufweist und mit einer Kondensatorkammer kommuniziert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines ersten Tropfenabscheiders (5) vom Jalousietyp zwischen der Verdampfer/Gefrierkammer (1) und der Verdichterkammer (2) zur Primärabscheidung der gröberen Tropfen; b. Bereitstellen eines zweiten Tropfenabscheiders (6). vom Maschentyp nach dem ersten Tropfenabscheider (5) zur Sekundärabscheidung des restlichen feinen Sprühnebels, und c. Bereitstellen eines kontinuierlichen oder intermittierenden Sprühnebels (7) aus einer verdünnten Lösung eines stark wasserlöslichen anorganischen Salzes im Gegenstrom zum Dampffluß aus mehreren Sprühdüsen, die zwischen dem ersten und zweiten Tropfenabscheider (5, 6) liegen und zum ersten Tropfenabscheider (5) weisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentration der versprühten Lösung des stark wasserlöslichen anorganischen Salzes etwa 2 Gew.-% bis etwa 6 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Konzentration etwa 5 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das anorganische Salz NaCl ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine 5%ige wäßrige Lösung in der Menge von etwa 1 kg NaCl je Tonne produziertes Eis versprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der aus der Verdampfer/Gefrierkammer (1) entnommene Eisbrei in einen eisreichen Brei oder entwässertes festes Eis und ein "Konzentrat" getrennt wird, die schwer löslichen Salze vom Konzentrat getrennt werden und die resultierende NaCl-Lösung auf eine Lösung von etwa 5% NaCl konzentriert wird, die zu den Sprühdüsen zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Tropfenabscheider (5, 6) waagerecht und parallel zueinander am Ausgang der Verdampfer/Gefrierkammer (1) oder benachbart dazu angeordnet sind, wobei der zweite Tropfenabscheider (6) zuoberst liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ferner Einrichtungen (8, 9) zum kontinuierlichen oder periodischen Erwärmen des ersten Jalousietropfenabscheiders (5) vorgesehen sind.
Wärmepumpenanlage zur Eiserzeugung, die nach dem Prinzip der mechanischen Wasserdampfverdichtung arbeitet und grundsätzlich eine Verdampfer/Gefrierkammer (1) aufweist, die mit einer Verdichterkammer (2) kommuniziert, die mindestens eine Kreiselverdichtereinheit aufweist und mit einer Kondensatorkammer kommuniziert, wobei die Anlage dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner aufweist: a. einen ersten Tropfenabscheider (5) vom Jalousietyp, der zwischen der Verdampfer/Gefrierkammer (1) und der Verdichterkammer (2) eingefügt ist; b. einen zweiten Tropfenabscheider (6) vom Maschentyp nach dem ersten Tropfenabscheider (5) und parallel dazu; und c. mehrere Sprühdüsen (7), die zwischen dem ersten und zweiten Tropfenabscheider (5, 6) liegen, zum ersten Tropfenabscheider (5) weisen und einen kontinuierlichen oder intermittierenden Sprühnebel aus einer verdünnten Lösung eines stark wasserlöslichen anorganischen Salzes im Gegenstrom zum Dampffluß bereitstellen können.
Anlage nach Anspruch 9, wobei der erste und zweite Tropfenabscheider (5, 6) am oder benachbart zum Auslaß der Verdampfer/Gefrierkammer angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 9 oder 10, ferner mit Einrichtungen (8, 9) zum kontinuierlichen oder periodischen Erwärmen des ersten Jalousietropfenabscheiders.
Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, ferner mit Einrichtungen zum Trennen des aus der Verdampfer/Gefrierkammer entnommenen Eisbreis, um einen eisreichen Brei oder entwässertes festes Eis und ein "Konzentrat" zu bilden, Einrichtungen zum Trennen von schwer wasserlöslichen Salzen vom Konzentrat, um eine verdünnte wäßrige Lösung des stark wasserlöslichen anorganischen Salzes zu bilden, Einrichtungen zum Konzentrieren der Lösung auf die gewünschte Konzentration des stark wasserlöslichen anorganischen Salzes und Einrichtungen zum Zurückführen der resultierenden konzentrierten Lösung zu den Sprühdüsen.