DE69015327T2

DE69015327T2 - Fallfilm-Wärmetauscher.

Info

Publication number: DE69015327T2
Application number: DE69015327T
Authority: DE
Inventors: Bertrand Clauzade; Goff Pierre Le
Original assignee: Pechiney Recherche GIE
Current assignee: Mersen SA
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1990-11-12
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: FR2654502A1; EP0429375B1; FR2654502B1; DK0429375T3; DE69015327D1; JP3033841B2; ATE116055T1; EP0429375A1; US5195578A; ES2065510T3; JPH03168592A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher mit einer Wärmeaustauschvorrichtung wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert und z.B. aus GB-A-143 413 bekannt. Sie betrifft insbesondere das Feld der Fallfilmverdampfer.
Fallfilmverdampfer (im folgenden mit FFV bezeichnet) sind in der chemischen und der Nahrungsmittelindustrie sowie der Klima- und Kühltechnik weit verbreitet, um Wärmeaustausche zwischen einem Fluid und einer Flüssigkeitsströmung geringer Dicke ohne Blasenbildung in letzterer zu bewirken.
Sie unterscheiden sich darin von Siedekesseln, in denen die gesamte zu verdampfende flüssige Phase von relativ großer Dicke Blasen enthält, die sich an der Oberfläche der beheizten Wand bilden.
FFVs haben zahlreiche Vorteile im Vergleich zu Siedekesseln: zunächst verkalken wegen des Fehlens von Blasen ihre beheizten Wände weniger schnell, aufgrund ihrer großen Übertragungsleitfähigkeit arbeiten sie mit einem geringen Wärmegradienten, was für die Lebensdauer der Geräte vorteilhaft ist, und schließlich ermöglichen sie die Verdampfung von thermisch wenig stabilen Flüssigkeiten.
Sie haben jedoch zwei Nachteile: so ist es schwierig, einerseits eine Flüssigkeitsströmung in einer gleichförmigen dünnen Schicht am Kopf eines FFV zu verteilen und andererseits diese Schicht aufrechtzuerhalten, ohne daß sie aufreißt und sich in Rinnsalen versammelt, was zur Austrocknung bestimmter Bereiche der beheizten Wand führt.
Die Leistungsfähigkeit eines FFV läßt sich im wesentlichen durch zwei Größen definieren: einerseits die spezifische Leistung, die die verdampfte Masse der strömenden Flüssigkeit in bezug zu dem Gesamtvolumen oder der Gesamtmasse des FFV angibt, und die auch als Übertragungsfluß pro Volumen- oder Masseneinheit angegeben werden kann, andererseits der Verdampfungsanteil, d.h. der verdampfte Anteil der den FFV durchlaufenden Flüssigkeitsströmung. Die Betriebszuverlässigkeit und das erforderliche Maß an Wartung sind zwar weniger leicht zu quantifizieren als die vorgenannten Größen, sind aber auch zu berücksichtigende Leistungsfaktoren, insbesondere die Verschmutzungs-, Verkalkungs- oder Korrosionsgeschwindigkeiten.
Ein "Minimal-FFV", bestehend aus einer einfachen beheizten vertikalen Wand, auf dem der zu verdampfende Flüssigkeitsfilm fließt, hat die bereits genannten Nachteile. Zahlreiche Patente beschreiben Verbesserungen dieses "Minimal- FFV".
Um die Flüssigkeitsströmung gleichmäßig zu verteilen und die Effizienz des Wärmeaustauschs zu verbessern, beschreibt das Patent EP-A-0 221 722 eine Wärmetauschervorrichtung mit einer vertikalen Leitung, deren Außenfläche mit zahnförmigen Stegen bestückt ist, die in Reihen angeordnet und untereinander gruppiert sind und Turbulenzförderer bilden, die die entlang der geheizten Wand fließende Flüssigkeit streuen und aufteilen.
Um den Verdampfungsanteil zu erhöhen, beschreibt das Patent WO 82/00597 eine Wärmetauschervorrichtung mit einer vertikalen Leitung, in der ein Fluid zirkuliert, und an deren Außenfläche Tanks angebracht sind, um einen Bruchteil der entlang der Außenwand der vertikalen Leitung fließenden Flüssigkeitsströmung dauerhaft zurückzuhalten und so die mittlere Verweildauer der strömenden Flüssigkeit im FFV zu erhöhen.
Schließlich beschreibt das Patent GB-A-143 413 Verbesserungen an Rohrkondensatoren, in denen ein zu kondensierendes Gas zirkuliert und die äußerlich durch fließendes Wasser gekühlt werden. Diese Verbesserungen bestehen typischerweise darin, daß das Innere des Rohrs ein spiralförmiges Blech enthält, damit das Gas spiralförmig zirkuliert, und daß ein Kabel schraubenlinienförmig außen am Rohr aufgewickelt ist, um die Wasserströmung zu verlangsamen.
Diese drei Patente bilden nur Teillösungen, mit denen nicht alle gewünschten Eigenschaften erreicht werden können. So verbessert das Patent EP-A-0 221 722 die Regelmäßigkeit der Verteilung der strömenden Flüssigkeit nur dadurch, daß sie sie in tröpfchen- oder netzförmige Rinnsale aufteilt, läßt aber den Verdampfungsanteil im wesentlichen genauso wie bei einem aus einer einfachen geheizten Wand bestehenden FFV. Das Patent GB-A-143 413 verändert nur wenig das Strömungsverhalten des Kühlwassers und seine Verweildauer an der Außenwand des Rohrs, außerdem verringert das um das Rohr gewickelte Kabel die direkte Austauschfläche zwischen der Außenwand und dem Wasser. Das im Rohr enthaltene spiralförmige Blech verändert zwar die Gasströmung, nimmt aber nicht direkt am Wärmeaustausch zwischen dem zu kondensierenden Gas und dem Kühlwasser teil.
Mit dem Patent WO 82/00597 kann zwar die mittlere Verweildauer und damit der Verdampfungsanteil gesteigert werden, nicht aber der Wärmeaustauschstrom verbessert werden, der bestenfalls gleich dem bei einer einfachen geheizten Wand bleibt; tatsächlich bildet die in den kleinen, z.B. tiegelförmigen Tanks befindliche strömende Flüssigkeit eine dicke Schicht, die dem Wärmeaustausch abträglich ist, da die Leitfähigkeit einer Flüssigkeit 100- bis 500mal geringer ist als die der bei FFVs verwendeten wärmeleitfähigen Materialien. Außerdem führt die Ansammlung von Flüssigkeit in den kleinen Tiegeln zu einer erhöhten Verkalkungs- und Verschmutzungsgefahr beim Betrieb, insbesondere wenn die Flüssigkeitsströmung aufhört.
Aufgabe der Erfindung ist, drei Anforderungen gleichzeitig zu genügen, und zwar einerseits der nach hoher spezifischer Leistung, andererseits nach hohem Verdampfungsanteil (hoher Verweildauer) und nach geringer Verkalkungs- und Verschmutzungsgeschwindigkeit, was der Stand der Technik nicht ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung.
Das im Rohr zirkulierende Fluid kann eine Flüssigkeit, ein Dampf oder ein Gas sein, eventuell unter Druck; es können auch Verbrennungsgase sein, wobei in diesem Fall der FFV ein Rohr mit größerem Durchmesser hat (siehe Figur 6).
Die häufigsten Anwendungen der Vorrichtung liegen einerseits im Bereich der Kühl- und Klimatechnik, andererseits im Bereich der Chemie, Parachemie (parachimie) und Nahrungsmittelindustrie und betreffen typischerweise die Konzentrierung von verdünnten wässerigen Lösungen, Gasflüssigkeitsreaktionen, die einen Wärmeaustausch erfordern, z.B. die AbsorPtion von Chlorwasserstoffgas in Wasser, die Oxidation oder Hydrierung von organischen Verbindungen. In letzterem Fall ist bevorzugt, die Gasströmung im Gegenstrom im schraubenlinienförmigen Raum (12), der über der Flüssigkeit steht, zirkulieren zu lassen; man kann auch die Gasphase auf einem vom Atmosphärendruck verschiedenen Druck halten, so wird eine Desorption möglicherweise durch einen Druck unterhalb des Atmosphärendrucks erleichtert; auch können eine Absorption oder das Flüssighalten einer flüchtigen Verbindung einen Druck oberhalb des Atmosphärendrucks erfordern. Bei diesen Anwendungen, insbesondere im Fall chemischer Gas-Flüssigkeitsreaktionen, kann man am Kopf des FFV die ausströmende Flüssigkeit wiedergewinnen, wenn die Gas-Flüssigkeitsreaktion in einem einzigen Durchgang nicht so weit fortgeschritten ist wie erwünscht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zunächst gekennzeichnet durch den nachfolgenden Satz von Parametern, die die geometrische Form der Vorrichtung bestimmen, und deren Werte von unterschiedlichen Kriterien abhängen, die mit der Technologie, der chemischen Verfahrenstechnik oder der praktischen Anwendung der FFVs zusammenhängen:
- das zentrale Rohr (2) des FFV, in dem ein Fluid (1) zirkuliert, kann von kreisförmigem Querschnitt sein, wobei in diesem Fall sein Außendurchmesser De zwischen 1 mm und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 100 mm liegt.
Es kann auch einen quadratischen, rechteckigen (siehe Fig. 3), dreieckigen, elliptischen oder parallelogrammförmigen Querschnitt haben, wobei der größte Außendurchmesser De zwischen 1 mm und 2000 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 500 mm liegt, und wobei der oder die Stege eine Pseudoschraubenlinie bilden. Um die Beschreibung nicht zu belasten, sollen die Wörter "Schraubenlinie" oder "schraubenlinienförmig" auch Vorrichtungen mit einer Pseudoschraubenlinie um ein Rohr mit nichtkreisförmigem Querschnitt umfassen.
Der Nutzen nichtkreisförmiger Formen ist offensichtlich, wenn eine gewisse Kompaktheit angestrebt wird oder wenn der FFV in eine andere Vorrichtung eingebaut werden soll, die zu geometrischen Einschränkungen zwingt.
- Der schraubenlinienförmige Steg (4), der sich um das Rohr windet, hat eine Breite La, die mit dem Außendurchmesser des Rohrs De in Beziehung steht: das Verhältnis La/De liegt zwischen 0,05 und 5, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1, wobei sich dieses Verhältnis mit der Höhe in ein und demselben FFV ändern kann; so kann es bei einem Verfahren mit hohem Verdampfungsanteil bevorzugt sein, einen breiteren Steg im oberen Bereich des FFV als im unteren Bereich zu haben, wobei in diesem Fall eine Kegelform dadurch vermieden werden kann, daß gleichzeitig die Stegbreite La und der Außendurchmesser De so geändert werden, daß die Summe "La+De" über die gesamte Höhenausdehnung des FFV konstant bleibt.
- Der schraubenlinienförmige Steg hat ein Gefälle, gemessen durch den Winkel α am am weitesten vom Rohr entfernten Ende des Stegs und eine Steigung p, die die Beziehung p = π Dt tgα für einen zylindrischen FFV mit Außendurchmesser Dt erfüllen (siehe Figur 2); der Winkel α liegt zwischen 1º und 60º, vorzugsweise zwischen 3º und 10º, und kann in ein und demselben FFV variieren, um lokal die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu verändern.
- Der schraubenlinienförmige Steg hat eine Breite La in Beziehung zu seiner Dicke an der Basis Eb, gemessen parallel zur Rohrachse; der Steg ist nicht nur ein Träger für die Flüssigkeitsströmung, er überträgt auch den größten Teil, wenn nicht die Gesamtheit, des Wärmeflusses, so daß, um den Wärmefluß effizient bis zum am weitesten vom Rohr entfernten Ende des Stegs zu übertragen, eine gewisse Dicke des Stegs an seiner Basis notwendig ist: Das Verhältnis La/Eb soll kleiner als 20 und vorzugsweise kleiner als 10 sein. Die untere Grenze dieses Verhältnisses liegt bei 0,5, vorzugsweise bei 1: Unterhalb dieser Werte hat der Steg eine große relative Dicke, die im allgemeinen weder durch mechanische noch durch wärmeübertragungstechnische Überlegungen gerechtfertigt ist.
Der erfindungsgemäße FFV umfaßt wenigstens einen schraubenlinienförmigen Steg, es kann jedoch aus Produktivitätsgründen sinnvoll sein, mehrere Stege vorzusehen, sofern die Wärmeübertragung nicht anderweitig beschränkt ist. Die maximale Anzahl n von Stegen ist höchstens gleich dem Verhältnis P/Eb; die Steigung p ist durch die Wahl des Außendurchmessers Dt und des Winkels α bestimmt, die beides Anfangsvorgaben sein können; die Dicke des Stegs an seiner Basis Eb kann durch die Breite La des Stegs festgelegt sein.
Die Dicke Ee des Stegs an seinem am weitesten vom Rohr entfernten Ende, gemessen in der Ebene der Rohrachse, kann von 0 im Fall eines spitz zulaufenden Steges bis zum Abstand Ds zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen reichen, wobei dieser Abstand gleich dem Verhältnis "Steigung/Stegzahl" ist.
Der schraubenlinienförmige Steg läßt sich beschreiben durch Verschiebung einer in der Ebene der Rohrachse liegenden Erzeugenden (6). Diese Erzeugende, die gekrümmte Bereiche sowie zur Gänze oder teilweise gerade Stücke aufweisen kann, definiert (siehe Fig. 1b) eine Stegfläche Sa (einen Querschnitt des Stegs in der Ebene der Rohrachse) und eine Kanalfläche Sc (Kanalquerschnitt), die durch den oberen Bereich der Erzeugenden, eventuell zusammen mit der Außenwand des Rohrs und/oder eines Bruchteils oder des unteren Bereichs der darüber liegenden nachfolgenden Windung begrenzt ist (siehe Figur 5a). Diese zwei Flächen sind nicht unabhängig voneinander, da bei ansonsten gleichen Bedingungen die Fläche Sa sich je nach Menge der strömenden Flüssigkeit und damit je nach Fläche Sc des Kanals ändert, auch wenn die strömende Flüssigkeit diesen nicht vollständig füllt: Das Verhältnis Sc/Sa liegt zwischen 0,1 und 10, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Windungen einander recht eng benachbart sind, in der Größenordnung von wenigen Millimetern bis einigen zehn Millimetern, um den besten Nutzen aus den Phänomenen der Benetzung von Oberflächen durch eine Flüssigkeit zu ziehen, die die Austauschflächen (siehe Figur 5a und b) unter Aufrechterhaltung einer dünnen Schicht signifikant erhöhen können.
Die Ansprüche 2 bis 31 geben besondere Ausführungsformen der Erfindung an:
- Das Bett des Kanals kann gerillt sein, wobei die Rillen schraubenlinienförmig sein können, um die Austauschoberfläche zu erhöhen und die Flüssigkeitsströmung in dünner Schicht besser zu kanalisieren. Man kann das Kanalbett auch mit die Turbulenz fördernden Rauhigkeiten versehen, um den Austauschstrom zu erhöhen, z.B. indem im Kanalbett ein austauschbares, feinmaschiges Gitter angeordnet wird.
- Es kann notwendig sein, den Wärmeaustausch durch Verwendung eines hohlen Steges (Fig. 1c) zu erhöhen, indem ein Fluid, vorzugsweise im Gegenstrom zur Flüssigkeitsströmung, zur Zirkulation gebracht wird, das eventuell vom im Rohr zirkulierenden Fluid verschieden sein kann. Der hohle Steg kann auch mit dem Inneren des Rohrs in Verbindung stehen (Fig. 1d)
- Insbesondere dann, wenn der FFV zur Durchführung einer chemischen Reaktion dient, können das Rohr und/oder der hohle oder massive Steg porös sein, um außerdem einen Substanzaustausch zwischen dem im Rohr und/oder dem Steg zirkulierenden Fluid und der im Kanal zirkulierenden Flüssigkeitsströmung zu ermöglichen. So kann z.B., um ein Fluid A und eine Flüssigkeit B in eine flüchtige Verbindung C umzusetzen, die im Laufe der Umsetzung zu extrahieren ist, das Fluid A im porösen Rohr und/oder dem porösen, eventuell hohlen Steg und die Flüssigkeit B im schraubenlinienförmigen Kanal zur Zirkulation gebracht werden; durch Einwirken insbesondere auf den Druck des Fluids A kann man die Reaktionspartner A und B fortschreitend in Kontakt bringen und die Extraktion der flüchtigen Verbindung C ermöglichen; man kann auch das Rohr in seiner Funktion als Träger für das Wärmeaustauschfluid belassen und den Reaktionspartner A nur in dem hohlen und porösen Steg zur Zirkulation bringen.
- Der Steg kann eventuell einen äußeren Rand (8) aufweisen, der mit dem Steg einteilig oder an diesen angesetzt sein kann und mehrere Funktionen haben kann: die Kanalisierung des Flüssigkeitsstroms, außerdem die Kanalisierung des Gasstroms, die Herstellung eines Wärmekontakts mit der Umgebung des FFV oder, im Gegenteil, die thermische Isolierung des FFV.
Es versteht sich, daß je nach angestrebter Funktion oder Funktionen der äußere Rand aus isolierendem oder wärmeleitendem Material hergestellt ist, unterschiedliche Höhe hat und mehr oder weniger fest mit dem Steg verbunden ist.
Der erfindungsgemäße FFV besteht aus einem Rohr und einem oder mehreren Stegen, eventuell mit Rand, aus Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit über 1 W/mK, vorzugsweise über 8 W/mK.
Das Material des Rohrs sowie das eines jeden Steges können unterschiedlich sein, wie auch das Material des Steges und das des Randes. Diese Materialien werden vorzugsweise ausgewählt unter:
- Graphit und kohlenstoffhaltigen, wärmeleitend gemachten Materialien, die durch jedes beliebige bekannte Verfahren wie abtragende, vorzugsweise automatische Bearbeitung, Extrusion etc. geformt sind, in einem Überarbeitungsstadium des Materials, in dem es nicht zwangsläufig seine definitiven Eigenschaften hat, in dem aber die durch abtragende Bearbeitung, Extrusion oder ein anderes Verfahren erreichte Form erhalten bleibt.
- Metalle und Metallegierungen, die durch ein beliebiges bekanntes Verfahren wie abtragende, vorzugsweise automatische Bearbeitung, Formguß oder Sintern von Metallpulvern etc. geformt sind.
- Wärmeleitende Keramiken, die durch ein beliebiges bekanntes Verfahren wie Formguß, Extrusion etc. geformt sind.
- Wärmeleitend gemachte Kunststoffmaterialien, die durch ein beliebiges bekanntes Verfahren wie Extrusion, Spritzguß etc. geformt sind.
- Wärmeleitende Verbund- und Mehrschichtmaterialien, die durch ein beliebiges bekanntes Verfahren wie Extrusion, Spritzguß, Formguß, Pultrusion etc. geformt sind.
Der FFV kann erhalten werden durch Zusammenbauen seiner verschiedenen Teile, Rohr, Steg und eventuell Rand, wobei es sich um mechanischen Zusammenbau, Schweißen, Kleben oder ein beliebiges anderes bekanntes Zusammenbauverfahren handeln kann. Wenn eine Zirkulation der Gasphase in Gegenstrom zur Flüssigkeitsströmung erwünscht ist, besteht der Rand vorteilhafterweise aus einem Rohr, dessen Innendurchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des FFV ist (im Fall eines zylindrischen FFV). Zum Beispiel wird der FFV unter Kraftaufwand in das "Rand"-Rohr eingeschoben, wenn ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Steg und dem "Rand"-Rohr erwünscht ist, d.h., wenn das "Rand-Rohr zum Wärmeaustausch beiträgt. Andernfalls kann man den FFV in ein innerlich gerilltes "Rand"-Rohr einschrauben (siehe Figur 4) oder in ein "Rand"-Rohr mit hierfür ausreichendem Spiel einschieben, wobei ein solches "Rand"-Rohr aus denselben Materialien wie der FFV oder aus isolierenden Materialien (z.B. Rohren oder Hülsen aus Kunststoffmaterial, das eventuell warmschrumpfbar ist) besteht.
Wie erwähnt wurde, resultiert die bei der Erfindung angestrebte Verteilung der Flüssigkeitsströmung als dünner Film - wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung in bestimmten Fällen auch verwendet werden kann, ohne daß die Flüssigkeits-Strömung einen dünnen Film bildet - aus der dem Kanal eigenen Geometrie, aber auch aus der Benetzbarkeit des Kanals durch die Flüssigkeitsströmung. Um die Benetzbarkeit zu verbessern, kann es notwendig sein, das Kanalbett einer Oberflächenbehandlung, z.B. einer Oberflächenoxidation, zu unterwerfen. Im allgemeinen kann der FFV auf seiner gesamten Oberfläche oder einem Teil davon Behandlungen ausgesetzt werden, die die Oberflächenwärmeleitfähigkeit verbessern (elektrolytische Metallabscheidungen), oder die die Einstellung der Porosität des Rohrs oder der Stege auf einen gewünschten Wert ermöglichen.
Der FFV ist ein Modul, das eigenständig verwendet werden kann; um die Verarbeitungskapazität zu erhöhen, ist es jedoch wünschenswert, eine große Anzahl dieser FFV-Module parallel und gleichzeitig zu betreiben. Zu diesem Zweck werden die mehreren Module in einer Hülle (16) in einem Muster angeordnet, das bei einer zylindrischen Hülle (16) eine hexagonale dichte Packung sein kann (siehe Figuren 7 und 8). Diesen Modulen sind zugeordnet:
- im oberen Bereich (17) der Hülle angeordnete Versorgungsvorrichtungen zur Versorgung jedes Moduls mit strömender Flüssigkeit,
- im unteren Bereich (18) der Hülle angeordnete Rückgewinnungseinrichtungen für die strömende Flüssigkeit,
- Einrichtungen, die die Zirkulation der Gasphase ermöglichen, mit eventuell einer oder mehreren Zuleitungen (19), vorzugsweise unten an der Hülle, und ein oder mehreren Ableitungen (20), vorzugsweise oben an der Hülle.
- Einrichtungen, die die Zirkulation des Fluids innerhalb der Rohre und eventuell der Stege ermöglichen, sofern diese hohl sind.
Es kann auch wünschenswert sein, die Verweildauer der strömenden Flüssigkeit zu erhöhen, indem FFV-Module Ende an Ende angeordnet und mit einem beliebigen bekannten Mittel zusammengehalten und ausgerichtet werden.
Zu den bereits erwähnten Vorteilen der Erfindung kommen noch mehrere, die mit der Hydrodynamik der auf den Stegen fließenden Flüssigkeitsströmung zusammenhängen.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß gerade aufgrund der Schraubenlinienform der Stege die Flüssigkeit nicht in parallelen Rinnsalen fließt, sondern daß zwei Phänomene einander entgegengesetzt sind:
- eine Zentrifugalbewegung der Rinnsale aufgrund der Krümmung der Bahnen der Flüssigkeit,
- eine Zentripetalbewegung der Rinnsale aufgrund der Tatsache, daß das lokale Gefälle in der Nähe der Innenwand größer als am Außenrand ist.
Daraus resultiert eine beträchtliche radiale Durchmischung der verschiedenen Flüssigkeitsrinnsale.
Als erste Konsequenz ist es nicht notwendig, am Kopf des Geräts einen Verteiler anzubringen, der eine gleichförmige Verteilung der Flüssigkeit auf der ganzen Breite des Steges sicherstellt. Diese Gleichförmigkeit stellt sich spontan ein.
In zweiter Konsequenz ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens trockener Bereiche geringer, da sie durch seitliche Bewegungen der Flüssigkeit leicht wiederbenetzt werden.
Bei einem auf einer vertikalen Wand fließenden Film liegt die Schwelle für das Auftreten trockener Bereiche bei einer Reynolds-Zahl in der Größenordnung von 30, wenn der Flüssigkeitsdurchsatz langsam verringert wird.
Bei einem Rohr mit Graphitstegen von 170 mm Durchmesser, wie in Beispiel 4 beschrieben, konnte der Durchsatz ohne merkliches Austrocknen der Oberfläche bis auf eine Reynolds-Zahl von 10 gesenkt werden.
In dritter Konsequenz führt die radiale Durchmischung zu einer gleichen Verweildauer für jeden Teil der Flüssigkeitsströmung, was sowohl für die Gleichmäßigkeit der Qualität bedeutsam als auch sehr günstig für wärmeempfindliche Erzeugnisse ist.
Die vierte Konsequenz ist die Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten, der sich direkt auf die Wärmeaustauschleistung auswirkt.
Die nachfolgenden Figuren und Beispiele sollen die Erfindung verdeutlichen und das Verständnis ihrer Funktionsweise, ihrer Ausführung und ihrer Vorteile erleichtern.

KURZBESCHREIEUNG DER FIGUREN

Gleiche Bezugszeichen werden für ähnliche Elemente mit gleicher Funktion benutzt.

Figur 1

zeigt mehrere Teilansichten des Rohrs und der Windungen eines Steges im Schnitt entlang der vertikalen Achse des Rohrs.
In den Figuren 1a und 1b kommen folgende Symbole vor:
De = Außendurchmesser des Rohrs
La = Breite des Stegs
Dt = Außendurchmesser des FFV
Eb = Dicke der Basis des Steges
Ee = Dicke des Steges an seinem Ende
Ds = Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Windungen
Sc = Kanalfläche (Querschnitt)
Sa = Stegfläche (Querschnitt)
Figur 1c stellt schematisch einen hohlen Steg dar und zeigt zusammen mit Figur 1d andere Varianten des Randes.

Figur 2

zeigt eine Außenansicht eines FFV mit zwei Stegen, in der der Winkel α und die Steigung p einer Schraubenlinie eingetragen sind.

Figur 3

zeigt in einem Schnitt senkrecht zur vertikalen Achse einen FFV mit rechteckigem Querschnitt.

Figur 4

zeigt im Schnitt entlang der vertikalen Achse einen FFV, dessen Rand aus einem innerlich gerillten Rohr besteht.

Figur 5

Figuren 5a und 5b stellen im Schnitt entlang der vertikalen Achse eine Teilansicht eines Rohres und der Windungen eines Steges dar, wobei Figur 5a ein Beispiel für eine nur aus geraden Stücken bestehende Erzeugende ist, wohingegen in Figur 5b die Erzeugende Kurven umfaßt.

Figur 6

zeigt einen FFV mit einem Rohr von grobem Durchmesser, das als Wand einer Brennkammer verwendet wird.

Figur 7

Figur 7a zeigt im Schnitt entlang der vertikalen Achse eine Anordnung mit mehreren Parallelen FFVs und veranschaulicht deren Betrieb.
Figur 7b zeigt im Schnitt senkrecht zur vertikalen Achse die dichte hexagonale Packung der FFVs.

Figur 8

ist eine Ansicht eines FFV-Systems mit voneinander getrennten Hauptteilen, die den Zusammenbau eines FFV- Systems verdeutlicht.

BEISPIELE

Beispiel 1

Fin FFV wurde durch abtragende Bearbeitung eines von LE CARBONE LORRAINE hergestellten imprägnierten zylindrischen Graphitblocks hergestellt.

Geometrische Eigenschaften des FFV:

- FFV mit einem Steg mit Steigung p = 20 mm und dem in Figur 5a dargestellten Profil
- Außendurchmesser De = 50 mm
- Stegbreite La = 50 mm
- Dicke des Stegs an seiner Basis Bb = 15 mm
- Dicke am Ende Ee = 5 mm
- Winkel α der Schraubenlinie = 2,43º
- Gefälle β des Kanals = 6º
- Höhe H = 800 mm
Leistungsdaten dieses FFV im Vergleich mit einem aus einem Graphitrohr mit der gleichen Höhe und dem gleichen Durchmesser bestehenden FFV (gekennzeichnet durch Index o):
- Vergrößerung der Austauschfläche:
S/So = 5
Vergrößerung der Wärmeleistung Q (= h s ΔT)
Die Temperaturdifferenz ΔT zwischen beiden Seiten des fließenden Films wird in beiden Fällen gleich angenommen.
Der Austauschkoeffizient h wurde in beiden Fällen experimentell bestimmt: bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist der Koeffizient h auf dem Steg ca. 3mal größer als der Koeffizient ho an der vertikalen Wand (ho = 1 kW/m²K, h = 3 kW/m²K).
Dies liegt wahrscheinlich an der turbulenten Durchmischung der Flüssigkeitsrinnsale, die aus von der Zentrifugalkraft bewirkten radialen Zirkulationsströmungen resultiert:
Q/Qo = 15
Unter Berücksichtigung des nicht verschwindenden thermischen Widerstands des Stegs beträgt dieses Verhältnis für einen Graphitsteg wie oben definiert ca 4.
Q'/Qo = 4
- Verdampfungsanteil:
Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit u (in m/s) und damit bei gleicher Reynolds-Zahl ist der auf dem Steg fließende Flüssigkeitsdurchsatz
M = u La,
der auf der Wand des "Minimalrohrs" fließende ist:
Mo = u π De
M/Mo = La/π De = 0,32
T/To = Q'M/Qo/Mo =3,14 Q'/Qo 12
- Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit u beträgt die Verweildauer ts der Flüssigkeit im Gerät:
beim Minimalzylinder:
tso =H/u
bei einem erfindungsgemäßen FFV:
ts = H/p Ls/u sinα
wobei Ls die mittlere Länge einer Windung (= 300 mm) und α das mittlere Gefälle einer Windung (α = 3,8º) ist.
ts/tso = Ls/p sinα = (Ls)2/(p)2 230
Zusammenfassend wurde
die spezifische Verdampfungsleistung im wesentlichen auf das 4fache,
der Verdampfungsanteil auf das 12fache und
die Verweildauer auf das 230fache erhöht,
indem von einem FFV mit vertikaler Wand aus Graphit zu einem erfindungsgemäßen FFV übergegangen wurde.

Beispiel 2

Ein FFV wurde durch abtragende Bearbeitung eines zylindrischen Aluminiumblocks mit denselben geometrischen Eigenschaften wie im Beispiel 1 hergestellt. Es wurde derselbe experimentelle Ansatz wie in Beispiel 1 verfolgt.
Zusammenfassung der Ergebnisse:
Die spezifische Verdampfungsleistung wurde auf das 7fache,
der Verdampfungsanteil auf das 23fache und
die Verweildauer auf das 230fache erhöht, indem von einem FFV mit vertikaler Wand aus Aluminium zu einem erfindungsgemäßen FFV übergegangen wurde.

Beispiel 3

Die Figuren 7 und 8 zeigen das Prinzip eines Verdampfers, der aus einem in einem vertikalen zylindrischen Dampfraum angeordneten Bündel von Rohren mit Stegen gebildet ist. Die Rohre werden durch den Durchgang heißer Gase beheizt, die aus einer Brennkammer (für Gas, Heizöl, ...) stammen.
Die Rohre sind in einer Sechseckstruktur mit einem Abstand zwischen den Stegrändern von 50 mm angeordnet, wie in Figur 7b gezeigt. Es gibt somit 29 Rohre pro m² Dampfraumquerschnitt. Mit h = 3 kW/m²K und Δt = 5 ºC ergibt sich die Wärmeleistung zu 11,8 kW pro Meter Rohr und die spezifische Leistung des Rohrbündels zu 340 kW/m³ anstelle von 90 kW/m³ ohne Stege.

Beispiel 4

Ein FFV wurde durch abtragende Bearbeitung eines von LE CARBONE LORRAINE hergestellten imprägnierten zylindrischen Graphitblocks hergestellt.

Geometrische Eigenschaften des FFV:

- einstegiger FFV mit Steigung p = 20 mm und dem in Figur 1a dargestellten Profil
- Außendurchmesser De = 170 mm
- Wanddicke des Rohrs = 10 mm
- Breite des Stegs La = 52 mm
- mittlerer Winkel α = 1,64º
- Höhe = 600 mm

Erzielte Ergebnisse:

S/So = 3
Q/Qo = 9 und Q'/Qo = 2,3
M/Mo = 10,3
T/To = 24
Zusammenfassend wurde die spezifische Verdampfungsleistung auf das 2,3fache und der Verdampfungsanteil auf das 24fache erhöht.

Beispiel 5

Figur 6 zeigt die Verwendung eines solchen Stegrohrs als Wand einer Brennkammer. Sein Innendurchmesser beträgt 150 mm, seine Höhe 600 mm. Es ist mit 28 Windungen einer einfachen Wendel und somit mit einer Gesamtverdampfungsfläche von 0,9 m² versehen.
Aus den experimentellen Ergebnissen wird berechnet, daß bei einer Verdampfungsleistung Q = 12 kW die Innenfläche der Graphitwand (die in Kontakt mit der Brennerflamme ist) eine Temperatur von 107 ºC hat, wenn die Verdampfungsoberfläche des flüssigen Films bei 100 ºC liegt.
Bei dieser niedrigen Temperatur wird der Graphit nicht angegriffen. Die Erfahrung zeigt, daß bis ca. 400 ºC der Graphit selbst bei Sauerstoffüberschuß der Korrosion durch eine Flamme widersteht.

Claims

1. Wärmetauschervorrichtung mit einem im wesentlichen vertikalen Rohr (2) aus wärmeleitendem Material, innerhalb dessen ein Fluid (1) zirkuliert und schraubenlinienförmig um das Rohr angeordneten Einrichtungen zum Verlangsamen des Schwerefließens einer Flüssigkeitsströmung (3) außerhalb des Rohrs, die Gegenstand des Wärmeaustauschs und in Kontakt mit einer gasförmigen Phase ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtungen aus einem durch einen Steg (4) gebildeten Kanal (14) bestehen, und daß

a) um ein gleichmäßiges Schwerefließen ohne Ansammlung des Flusses im Kanal zu erreichen, der Kanal kontinuierlich geneigt ist, wobei der Winkel α zwischen der von jedem Steg gebildeten Schraubenlinie oder Pseudoschraubenlinie und der Horizontalebene zwischen 1º und 60º liegt,

um ein Fließen der Strömung in dünner Schicht zu erhalten, das Profil des Kanals eingerichtet ist, um die zentrifugalkraft zu kompensieren, die eine Ansammlung der Strömung am Rande des Kanals bewirkt,

c) um eine größere Wärmeaustauschkapazität zwischen der Strömung und dem Fluid herzustellen, der Steg (4) aus wärmeleitendem Material und in thermischem Kontakt mit dem Rohr (2) ist, wobei das Rohr (2) einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Außendurchmesser De zwischen 1 mm und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 100 mm oder einen nicht-kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen (13), dreieckigen, elliptischen oder parallelogrammförmigen Querschnitt mit größtem Außendurchmesser De zwischen 1 mm und 2000 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 500 mm, hat, wobei das Rohr dann außen mit einem Steg (4) in Form einer Pseudoschraubenlinie versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis zwischen der Breite des Stegs La und dem größten Außendurchmesser De zwischen 0,05 und 5, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1, liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Verhältnis La/De vom oberen zum unteren Bereich der Vorrichtung von 0,05 bis 5 oder von 5 bis 0,05 variieren kann, wobei La und/oder De allein oder gleichzeitig variieren können, um die Änderung des Verhältnisses La/De zu bewirken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Winkel α zwischen der von jedem Steg gebildeten Schraubenlinie oder Pseudoschraubenlinie und der Horizontalebene vorzugsweise zwischen 3º und 10º liegt und an einer einzigen Vorrichtung variieren kann, wobei der Winkel an den am weitesten vom Rohr entfernten Ende des Stegs gemessen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Verhältnis zwischen der Breite des Stegs La und der Dicke des Stegs an seiner Basis Eb, die parallel zur Achse des Rohrs und zur Außenoberfläche des Rohrs gemessen wird, zwischen 0,5 und 20, vorzugsweise zwischen 1 und 10, variieren kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die maximale Anzahl an Stegen n, gezählt in einer zur Achse des Rohrs senkrechten Ebene, höchstens gleich dem Verhältnis zwischen der Steigung der von dem Steg gebildeten Schraubenlinie oder Pseudoschraubenlinie zur Dicke des Stegs an seiner Basis Eb sein kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Dicke Ee des Stegs an seinem Ende zwischen 0 und dem in der Ebene der Achse des Rohrs gemessenen Abstand Ds zwischen zwei aufeinanderfolgenden, zu einem oder mehreren Stegen gehörenden Windungen variieren kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Steg im Schnitt ein Profil aufweist, das eine Stegoberfläche Sa und eine Kanaloberfläche Sc, gemessen in der Ebene der Achse des Rohrs, aufweist, so daß das Verhältnis Sc/Sa zwischen 0,1 und 10 und vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Stegoberfläche Sa durch Geradensegmente begrenzt sein kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Stegoberfläche Sa nur durch Geradensegmente begrenzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der obere Bereich des Stegs und eventuell der äußere Bereich des Rohrs, die in Kontakt mit der Flüssigkeitsströmung sind, mit Rlllen versehen sind, um die Austauschoberfläche zwischen der Flüssigkeitsströmung und dem Bett des Kanals zu vergrößern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der obere Bereich des Stegs und eventuell der in Kontakt mit der Flüssigkeitsströmung befindliche Teil des Rohrs mit Rauhigkeiten versehen sein kann, die zur Erhöhung des Übertragsflusses die Turbulenz fördern.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Steg (15) hohl sein kann, so daß er von einem Fluid durchströmt werden kann, das entgegen der Strömungsrichtung der Flüssigkeit fließen kann und von dem im Rohr fließenden Fluid verschieden sein kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der das Material des Rohrs und ggf. das des Stegs porös sein kann und eine Membranwirkung aufweisen kann, so daß ein Teil des Fluids die Wand des Rohrs und das Material des Stegs durchqueren und physikalisch, chemisch oder physikalisch-chemisch mit der Flüssigkeitsströmung wechselwirken kann.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Material des Rohrs von dem des Stegs verschieden sein kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Steg einen äußeren Rand (8) aufweist und das Material des äußeren Rands (8) von dem Material, das den Rest des Stegs bildet, verschieden und eventuell ein isolierendes Material sein kann.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der das Material des Rohrs und des Stegs unter jenen mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 1 W/mK, vorzugsweise über 8 W/mK, ausgewählt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Material des Rohrs und/oder des Stegs Graphit oder ein wärmeleitendes kohlenstoffhaltiges Material ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Material des Rohrs und/oder des Stegs Metall oder eine Metall-Legierung ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Material des Rohrs und/oder des Stegs wärmeleitende Keramik ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Material des Rohrs und/oder des Stegs wärmeleitend gemachtes Kunststoffmaterial ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Material des Rohrs und/oder des Stegs wärmeleitendes Verbund- oder Mehrlagenmaterial ist.

23. Vorrichtung oder Vorrichtungsteil nach Anspruch 18, gefertigt durch abtragende Bearbeitung oder Extrusion des Materials, in jedem Herstellungsstadium, in dem die Form der Vorrichtung beibehalten werden kann.

24. Vorrichtung oder Vorrichtungsteil nach Anspruch 19, gefertigt durch abtragende Bearbeitung oder Formguß des Materials oder durch Sintern von Metallpulvern aus dem Material.

25. Vorrichtung oder Vorrichtungsteil nach Anspruch 20, gefertigt durch Formguß oder Extrusion des Materials.

26. Vorrichtung oder Vorrichtungsteil nach Anspruch 21, gefertigt durch Extrusion oder Spritzguß des Materials.

27. Vorrichtung oder Vorrichtungsteil nach Anspruch 22, gefertigt durch ein unter Extrusion, Spritzguß, Formguß oder Pultrusion des Materials ausgewähltes Verfahren.

28. Vorrichtung, in der Vorrichtungsteile nach einem der Ansprüche 23 bis 27 durch ein unter mechanischem Zusammenbau, Schweißen und Kleben ausgewähltes Verfahren zusammengebaut sind.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der eine Vorrichtung ohne äußeren Rand mit einem äußeren Rand zusammengebaut ist, um den Kanal zu formen und eventuell das Volumen der Gasphase allein auf den Raum zwischen den Windungen des oder der Stege der Vorrichtung zu beschränken, um die Zirkulation einer Gasphase entgegen der Flüssigkeitsströmung zu ermöglichen.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der äußere Rand ein eventuell innerlich gerilltes Rohr ist, dessen Innenmaße im wesentlichen den Außenmaßen der Vorrichtung entsprechen.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß sie einer Phase der Behandlung oder Beschichtung der Oberfläche der ganzen Vorrichtung oder eines Teils davon unterzogen worden ist.

32. System von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 22,

gekennzeichnet durch:

- eine Hülle (16), die mehrere der Vorrichtungen parallel zueinander angeordnet enthält,

- im oberen Bereich der Hülle (17) angeordnete Versorgungsvorrichtungen für die Flüssigkeitsströmung,

- im unteren Bereich der Hülle (18) angeordnete Rückgewinnungseinrichtungen für die Flüssigkeitsströmung,

- Einrichtungen, die die Zirkulation der Gasphase ermöglichen, mit eventuell einer oder mehreren Zuleitungen (19), vorzugsweise unten an der Hülle, und ein oder mehreren Ableitungen (20), vorzugsweise oben an der Hülle,

- Einrichtungen, die die Zirkulation des Fluids innerhalb der Rohre (21) und eventuell des Stegs (15) ermöglichen,

um die Wärmeaustauschkapazität zu vervielfachen.

33. System von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem mehrere der Vorrichtungen Ende an Ende angeordnet sind mit Hilfe eines beliebigen bekannten Mittels, um die Rohre fluchtend und in Verbindung zu halten.

34. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31 zur Desorption und Verdampfung, insbesondere bei industriellen Verdampfern und der Klimatechnik sowie zur Kondensation und Absorption von Gasen oder Dämpfen bei Gas-Flüssigkeit-Reaktoren und in der Klimatechnik.