DE69506669T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verdampfung einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verdampfung einer Flüssigkeit.
• Zur Verdampfung einer Flüssigkeit kann man bekanntlich einen elektrischen Widerstand benutzen, den man in relativ viel Wasser taucht. Bei dieser Ausgestaltung ist eine relativ lange Zeit erforderlich, um die zu verdampfende Flüssigkeit zu erwärmen, wobei der Verdampfungsertrag, besonders im sequentiellen Betrieb, schwach bleibt. Dies ist zum Beispiel bei einigen Dampfkesseln unter Verwendung von Brenngasen der Fall.
• Aus dem französischen Patent FR 78 08 201 ist jedoch ein Dampferzeuger bekannt, der die Eigenschaft besitzt, das im porösen Körper enthaltene Wasser relativ schnell zu verdampfen, obwohl ein elektrischer Widerstand zur Erwärmung eines am unteren Bereich im Wasser getauchten porösen Körpers benutzt wird. Um die Leistung zu optimieren, wird die Höhe des Wasserspiegels in Bezug auf die dem Körper zugeführte Wärmeflußdichte eingestellt, all dies in Bezug auf seine Saugfähigkeit. Dieses Verfahren ist auf alle Energiearten, wie z. B. Brenngase, anwendbar.
• Auch wenn die Nutzung der Saugfähigkeit eines porösen Körpers in manchen Fällen die Leistungen von Dampfkesseln verbessert, so sind dennoch Grenzen gegeben, da die Menge an Flüssigkeit im Körper mit zunehmender Höhe desselben abnimmt. Dieses Phänomen führt in der Praxis erstens dazu, die Höhe des porösen Körpers deshalb auf einige Zentimeter zu begrenzen, und zweitens, den Differenzwert der Flüssigkeitspegelschwankungen klein zu halten, wenn man eine Optimierung der Leistung in Bezug auf die Wärmeflußdichte erreichen möchte.
• Das Patent DE-C-15 80 50 kann man in gewisser Weise als eine Veranschaulichung dieser Dampfkesselart betrachten.
• So ist es im deutschen Patent insbesondere bekannt, die beschriebene Flüssigkeitsdampfvorrichtung mit
• - mindestens einem einem bestimmten Druck ausgesetzten porösen Substrat (d. h. mit Kapillareigenschaft)
• - Versorgungsvorrichtungen an Flüssigkeit für das Substrat, damit dieses die Flüssigkeit durch eine Zirkulation der Flüssigkeit im Substrat von oben herab annimmt,
• - mindestens einer unterhalb der von oben kommenden Versorgung sich befindenden Energiequelle, um mindestens einen Bereich zur Dampferzeugung des genannten Substrats zu heizen, so daß mindestens ein Teil der Flüssigkeit verdampft wird,
• auszurüsten.
• Das Patent verwendet jedoch als Substrat mehrere Fasern, die durch den "Effekt der Saugkraft", d. h. durch die Kapillareigenschaft der genannten Fasern, versorgt werden. Da die Durchflußmenge einer Faser durch Kapillarvorgang, wie oben erwähnt, mit der Höhe des Versorgungswasserspiegels sinkt, zeigt uns die Fig. 4 dieses Patents, inwiefern es vorteilhaft sein kann, mehrere auf verschiedenen Ebenen angebrachte Versorgungsbecken zu verwenden, wobei die höchste Durchflußmenge bei einem waagerecht liegenden Substrat erreicht wird.
• Versuche mit einer solchen Vorrichtung haben jedoch gezeigt, daß die Ergebnisse unbefriedigend bleiben, und daß die Flüssigkeitsmenge im Verdampfungsbereich zu schnell abnimmt, wobei die Flüssigkeitversorgung in diesem Bereich oft nicht schnell genug erfolgt.
• Außerdem ist die Vorrichtung des Patents DE-C-15 80 50 ungeeignet für die heutige industrielle Nutzung (hoher Ertrag, Kompaktheit, niedrige Herstellungskosten für breite Serienherstellung, lange Nutzungsdauer...).
• Aus dem Patent FR-A-2 144 355 ist eine Vakuumpumpe mit Wasserdampfdiffusion bekannt, die einen elektrisch beheizten Verdampfer aufweist, der aus einem Trägerrohr besteht, an dessen Seiten die zu verdampfende Flüssigkeit aufgenommen wird, wobei das untere Ende mit mindestens einer Schicht aus porösem Isolierstoff umwickelt ist, welcher sich in Kontakt mit der Innenwand eines porösen elektrischen Heizelements befindet, jedoch mit Abstand zum genannten Rohr.
• Eine solche Vorrichtung erlaubt keine kontinuierliche Dampferzeugung, da die Richtung des erzeugten Wärmeflusses der Richtung des Dampfaustritts entgegenwirkt.
• Ziel der Erfindung ist es, eine Lösung für die oben genannten Nachteile anzubieten, und insbesondere ein Verfahren für die industrielle Nutzung mit interessanten Handelsbedingungen, ohne horrende Herstellungs- und/oder Wartungskosten zur Verfügung zu stellen, wobei gleichzeitig die einfache Benutzung, die Leistung und die Zuverlässigkeit den heutigen Bedürfnissen angepaßt sind.
• Durch die mit der in den Ansprüchen festgelegte Erfindung wird für einen gegebenen Verdampfungsbetrieb, der den vordefinierten Energieversorgungen entspricht, ein Flüssigkeitseingangsdurchfluß im ("kapillaren") Substrat festgesetzt, der höher ist als der im selben Substrat induzierte Flüssigkeitseintrittsfluß, in einer angenommenen waagerechten Lage des Substrats, einzig durch die Kapillarität und die Verdampfung der Flüssigkeit. Um dies zu erreichen, sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, daß die Flüssigkeitszuführvorrichtungen für das genannte Substrat Druck ausübende Mittel für die Flüssigkeit aufweisen müssen, damit ein höherer Druck erreicht wird als der Umgebungsdruck.
• Um Mißverständnisse zu vermeiden, wurde in Fig. 1 das angewandte vorteilhafte Verfahren gezeigt, durch das der induzierte Durchfluß, wie oben erwähnt, "im selben Substrat, einzig in Bezug auf die Kapillarität und die Verdampfung (selbstverständlich unter den gleichen Bedingungen der Energieversorgung), in einer für das Substrat angenommenen horizontalen Lage", gemessen wird.
• Demnach wird zu allererst das genannte Substrat 7A in seiner Umgebung in horizontale Lage gebracht, damit die auf die Kapillarkräfte wirkenden Gravitationseinflüsse vernachlässigt werden können.
• Anschließend wird in einem Behälter 5A mit einer zu verdampfenden Flüssigkeitsmenge Q&sub1; (es handelt sich dabei natürlich um eine "freie" Flüssigkeit: gerade soviel Flüssigkeit wie der Behälter aufnehmen kann) ein Ende 7A&sub1; dieses Substrats eingetaucht.
• Das Substrat wird dann mit Hilfe der geeigneten Mittel 19A einer gegebenen Wärmeenergie ausgesetzt, wobei "diese Wärmeenergie"
• - die Flüssigkeit, die in der Zwischenzeit in Richtung des Pfeils 6 vom Behälter 5A in das Substrat "gewandert" sein wird, (zumindest teilweise) zum Verdampfen bringen sollte,
• - auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung identisch reproduzierbar sein muß, ebenso wie auf die Wärme ausstrahlende Wand 21A, sollte eine solche für die Realisierung der Erfindung verwendet werden. (Wird ein elektrischer Widerstand verwendet, so muß man für den Vergleich den gleichen Widerstand mit der gleichen Stärke beaufschlagen; bei Gas ist der gleiche Brenner unter den gleichen Bedingungen zu versorgen).
• Da das Substrat 7A "trocken" in den Behälter gesetzt wurde, kann man den "induzierten Durchfluß" der eintretenden Flüssigkeit in das Substrat aus der Menge Q&sub2; oder dem Flüssigkeitsgewicht, der für einen gegebenen Zeitraum in das Substrat eingedrungen ist (und der deshalb den Behälter verlassen hat), herleiten.
• Bemerken wir, daß der erfindungsgemäße "Flüssigkeitsdurchfluß unter Druck" vorzugsweise mit feinen Substraten (vorteilhafterweise von 2 mm Dicke oder weniger) erreicht wird, was gleichzeitig den Dampfabzug nur unterstützen kann. Diese Lösung ist außerdem vorteilhaft in Bezug auf die Phase der Verdampfungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und allgemeiner in Bezug auf den Ertrag.
• Um das gewünschte Einfließen der Flüssigkeit in das Substrat zu erreichen, wird bei der vorliegenden Erfindung das Gewicht einer Flüssigkeitssäule benutzt oder, ebenfalls um die Flüssigkeit in das Substrat zu zwingen, zum Beispiel eine Pumpe.
• Nach einer weiteren Eigenschaft der Erfindung wird für die vorliegende Verdampfungsvorrichtung eine Dicke des Substrats zwischen 0,05 mm und 5 mm, im günstigsten Fall unter 2 mm, empfohlen.
• Außerdem bietet dieses Substrat vorzugsweise eine Porosität zwischen ca. 5% und 90%, wobei ein Substrat verwendet wird, das leere Speicherräume für die Flüssigkeit besitzt, so daß diese Flüssigkeit zwischen 5% und 100% der genannten Speicherräume füllen kann. Im Gegensatz zu den sehr dicken Fasern der Verdampfungsvorrichtungen, die (hauptsächlich) die kapillaren Pumpeigenschaften in Anspruch nehmen, bietet so die Nutzung eines Substrats, das sich quasi als ein feiner poröser Film darbietet, den Vorteil, daß der erzeugte Wärmefluß in oder auf der Fläche des Substrats nur einer unbedeutenden Schichtdicke der zu verdampfenden Flüssigkeit begegnet, weshalb der Übergang zur Dampfphase besonders schnell ist (einige Sekunden), mit einem unter Bedingungen besonders hohen Ertrag.
• Beim Kombinieren eines als feiner Film erzeugten Substrats mit einem Flüssigkeitsfluß, der den oben genannten Forderungen entspricht, wurde unter einer konstant gehaltenen Wärmeflußdichte festgestellt, daß der Verdampfungsertrag sich veränderte, sobald man den Flüssigkeitsfluß im Substrat veränderte. Umgekehrt veränderte sich derselbe Verdampfungsertrag bei konstantem Flüssigkeitsfluß, sobald man die Wärmeflußdichte Variationen unterwarf Es wurde ebenfalls ein Maximum an Verdampfungsertrag erzielt, zugunsten eines Gleichgewichtszustandes zwischen dem zu verdampfenden, im porösen Substrat bildenden "Film" eindringenden Flüssigkeitsfluß und dem Wärmefluß dieses Substrats, wobei ein praktisch feuchtigkeitsloser Dampf erzeugt wurde.
• Es wurde weiterhin festgestellt, daß um ein breites Spektrum an Wärmeflußdichte zu nutzen, verschiedene poröse Filme für das Substrat in Bezug auf ihre Dicke verwendet werden mußten, darauf achtend, daß die oben genannten Eigenschaften vorteilhaft beachtet wurden. Zusätzlich konnte man für jede einzelne Dicke und in Bezug auf das verwendete poröse Material insbesondere schließen, daß der Bereich zwischen einem Minimum an "Durchlaufflüssigkeit" und der Maximalmenge an Sättigung (bzw. Übersättigung) der zu verdampfenden Flüssigkeit im porösen Film als Verwendungsbereich für den Durchfluß verwendet werden konnte.
• Wenn nicht ein besonders großer Ertrag an Verdampfung gesucht wird, sieht eine Eigenschaft der Erfindung vor, den Verwendungsbereich für den Durchfluß der zu verdampfenden Flüssigkeit zu erhöhen, indem das Substrat in einen Übersättigungszustand gebracht wird, so daß ein Teil der Flüssigkeit, durch Grenzflächenspannung am Substrat festgehalten, sich auf eine freie Außenseite des Substrats ergießt.
• Eine einfache Methode, den Flüssigkeitsfluß im Substrat zu regulieren, besteht darin, die Fläche des Substrats in Bezug auf die Horizontale zu neigen.
• Um die Gravitationskraft zu nutzen, kann, wie oben erwähnt, eine Wassersäule im Bereich des Substrats, die direkt dem Wärmefluß ausgesetzt ist, oder eventuell noch oberhalb, angebracht werden. Wird der Flüssigkeitsfluß stärker als die Wärmeflußdichte, kann die sich unten ergießende überschüssige Flüssigkeit aufgefangen werden, um im oberen Bereich wieder eingesetzt zu werden.
• Eine weitere Methode der Flüssigkeitszufuhr besteht darin, die Flüssigkeit unter Druck im gesamten oder in einem Teil des Durchflußbereichs des Substrats zu injizieren. Das Substrat kann so plaziert werden, daß es an zwei gegenüberliegenden Enden (zwischen denen die zu verdampfende Flüssigkeit entlang fließt) in einem Schlauch badet, wohin die genannte Flüssigkeit durch Zwangsumlaufvorrichtungen gebracht wird. Diesbezüglich wird im folgenden zuerst gezeigt, welchen Einfluß der Druck einer Flüssigkeitssäule auf den Flüssigkeitsfluß in einem porösen Substrat hat, um dann den Einfluß der Neigung des Substrats auf den Flüssigkeitsfluß vorzuführen, wobei in diesem Beispiel ein poröses Substrat aus z. B. Baumwollstoff von 0,2 mm Dicke und 120 mm Breite verwendet wird. Einfluß der Höhe des porösen Films auf den Flüssigkeitsfluß: Einfluß der Neigung des porösen Films auf den Flüssigkeitsfluß:
• Um das Substrat der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem gewünschten Flüssigkeitsfluß zu tränken, kann man, entsprechend einer anderen Eigenschaft der Erfindung, Tropfvorrichtungen verwenden, indem man zum Beispiel die kapillaren Pumpeigenschaften eines zusätzlichen, in einem geeigneten Becken getauchten porösen Körpers nutzt. Ebenfalls möglich ist die Anwendung einer Pumpe, um die Flüssigkeit unter Druck in einen Schlauch zu leiten, der örtlich einen Winkel bildet, innerhalb dessen das poröse Substrat angebracht worden ist, so daß die Enden des Substrats in der Schlauchflüssigkeit baden.
• Bemerken wir, daß die Verdampfung der im Substrat befindlichen Flüssigkeit gänzlich oder zum Teil durch die drei folgenden Wärmeübertragungsformen erzielt werden kann: Strahlung, Konduktion oder Konvektion, sowohl durch Brenngas als auch z. B. aus einer elektrischen Quelle gewonnen, und dieses in Betriebsbedingungen mit einem Druck, der höher, niedriger oder gleich dem atmosphärischen Druck ist, wobei die Verdampfung verschiedener Flüssigkeiten wie Wasser, Alkohol, flüssiges Erdöl oder andere dabei in Betracht gezogen werden kann.
• Was das poröse Substrat der Erfindung betrifft, so können wir anmerken, daß dieses ebenfalls aus Baumwollfasern oder -fäden, oder auch aus Mineralfasern, wie z. B. Glas- oder Quartzfasern, oder aus metallischen, wie z. B. Stahlfasern hergestellt werden kann. Eine Herstellung des Substrats aus porösem und wasserdurchlässigem Material, das man aus gesintertem Metallpulver gewonnen hat, kann ebenfalls in Betracht gezogen werden. Zwei Arten von Substraten werden in der Praxis begünstigt: ein aus einem wasserdurchlässigen, flexiblen Faserstoff geformtes Substrat, oder auch eine Platte rigider Struktur.
• In der vorangehenden Beschreibung ist bis jetzt nur die Rede von einem einzigen Substrat gewesen. Die Verwendung von mehreren Substraten ist jedoch ebenfalls vorgesehen. In einer Vielzahl von Fällen wird es insbesondere möglich sein; ein einziges Substrat mit einer gegebenen Fläche vorteilhafterweise durch mehrere kleinere Substrate zu ersetzen, deren Gesamtfläche der des einzelnen gleichkommt, wobei jedes kleinere Substrat eigene Flüssigkeitsversorgungsmittel aufweist, wodurch ebenso viele Verdampfungsbereiche entstehen, die bei Wunsch individuell optimiert werden können.
• Sollten mehrere Substrate verwendet werden, so kann in einigen Anwendungen vorgesehen werden, diese Substrate teilweise zu überlappen, so daß sie mindestens an einer Stelle ihrer Fläche voneinander getrennt sind, damit insbesondere ein Raum für einen günstigen Dampfabzug freigelassen wird.
• Werden mehr als zwei Substrate verwendet, so ergibt sich ebenso der Vorteil, diese auf beiden Seiten der Wärmequelle anzubringen, so daß die Quelle umschlossen wird.
• Bevor die Erfindung mit Hilfe verschiedener Begleitfiguren genauer beschrieben wird, möchten wir hier noch anmerken, daß besonders im Fall einer durch mindestens einen Gasbrenner funktionierenden Wärmequelle, die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise zwei hohle Kammern aufweist, die einen Kaminschacht eingrenzen, innerhalb dessen die Brennrückstände zirkulieren können, wobei diese Kammern jeweils mindestens ein Substrat umschließen.
• Die als nicht einschränkenden Beispiele beigelegten Figuren, zusätzlich zur Fig. 1, sind folgendermaßen aufgeteilt:
• Fig. 2 zeigt eine mögliche Struktur des Substrats entsprechend der Erfindung,
• Fig. 3 ist eine perspektivische Sicht einer Montage, um den Flüssigkeitsfluß im porösen Substrat zu messen, in Bezug auf die Höhe des Versorgungswasserspiegels,
• Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Wasserdurchflußvariationen eines porösen Substrats entsprechend der Erfindung in Bezug auf die Höhe des Wasserspiegels zeigt,
• Fig. 5 ist eine Seitenansicht (Pfeil V) des Dampferzeugers, ebenfalls perspektivisch in Fig. 6 mit Ausschnitt dargestellt,
• Fig. 7 ist ein Diagramm, das für einen Aufbau des Typs aus den Fig. 5 und 6 die Variationen des Dampfertrags in Bezug auf die erzeugte Wärmekraft zeigt, wobei mehrere Wasserspiegel und zwei verschiedene Dicken des porösen Substrats in Betracht gezogen werden,
• Fig. 8 ist ein Diagramm, das in Bezug auf die wirkende Wärmekraft den Einfluß der Dicke des Substrats auf die Temperatur der austretenden Gase vorführt, immer noch gemäß der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführung,
• Fig. 9 ist eine Schnittperspektive eines Dampfkessels, bei dem ein elektrischer Patronenwiderstand verwendet wird,
• die Fig. 10 und 11 sind zwei Schnittperspektiven (jeweils nach den Linien XI-XI und X-X) einer elektrischen Verdampfungsvorrichtung, die mit zwei örtlich in einer Wasserführung badenden porösen Substraten bestückt ist, in der das zu verdampfende Wasser mit Hilfe einer Pumpe injiziert wird,
• Fig. 12 ist eine teilperspektivische Sicht mit Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit tropfenweise einstellbarer Flüssigkeitszufuhr, und
• Fig. 13 ist ebenfalls eine teilperspektivische Sicht mit Ausschnitt eines anderen Dampferzeugers, der durch Wärmestrahlung Dampf aus einem Widerstand erzeugt. Im folgenden wird die Verdampfung nur auf Wasser bezogen, obwohl auch andere Flüssigkeiten mit denselben Vorrichtungen verdampft werden können.
• In Fig. 2 wird das Beispiel einer Zusammensetzung eines porösen "Films" 1 mit Kapillareigenschaften, aus Baumwolle, des Typs "Bienenwaben" mit rechteckigen Maschen von ca. 30 bis 50 mm² gezeigt. Wie alle mit der Erfindung kompatiblen Substrate, weist dieses ebenfalls eine Struktur auf, die leere Räume zum Zurückhalten der zu verdampfenden Flüssigkeit beinhaltet, wobei diese Räume hier durch die Zwischenräume der Maschen und durch die leeren Stellen in der Struktur der Fäden selbst dargestellt sind. Die mittlere Region des hier dargestellten Substrats 1 besteht aus gewebten Fäden verschiedener Größen, entscheidend für die Wahl des gewünschten Durchflusses. Am Rand besteht dieses Substrat aus dreifach dickeren Fäden als im mittleren Bereich. Auf diese Weise wird am Rand ein Reservekissen, in dem das Wasser gespeichert und zum mittleren Bereich der Maschen weitergeleitet wird, gebildet.
• Die Wahl des wasserdurchlässigen Substrats ist in der Erfindung wichtig. Im folgenden wird man feststellen können, daß seine Dicke stets zwischen ca. 0,05 mm und 5 mm schwankt, wobei die Porosität für die zu verdampfende Flüssigkeit zwischen 5% und 90% liegt.
• Um besser die Anwendungsformen der nachstehenden Anwendungsbeispiele zu verstehen, bietet die Fig. 3 das Beispiel einer experimentellen Flüssigkeitsversorgung durch das Pumpen eines in einer bestimmten Höhe eines Wasserspiegels gelegten feinen porösen Substrats. Diese Vorrichtung erlaubt, kurz nach Austritt aus dem Versorgungsbecken und dank der Schwerkraft, die Regulierung des Flüssigkeitsflusses. Sie besteht aus einer Waage 3, einem Behälter 5, der das aus dem porösen "Film" 7 heraustretende Wasser wieder auffängt, und einem Wasserbecken 9, in das der obere Bereich 7a des porösen Substrats getaucht ist. Um einen konstanten und freien Durchfluß in der ganzen Breite des Durchgangsbereiches des porösen Films zu erhalten, wurde der Film an seinem unteren Ende zu 11 Spitzen ausgefranst. Die Durchflußmeßung besteht darin, die Höhe h des Wasserspiegels im Behälter 9 zu ändern.
• Die nachfolgende Tabelle zeigt die Eigenschaften von drei porösen Substraten verschiedener Dicke, beispielsweise aus quadratischen Maschen, wie in Fig. 2 dargestellt.
• Das Diagramm in Fig. 4 beschreibt den Wasserdurchfluß in einem senkrechten porösen Film mit kleinen Maschen (d. h. eine Dicke von < 1 mm für die Fläche einer Einzelmasche von ca. 0,05 mm²) in Bezug auf die Höhe des Wasserspiegels. Die Kurve (A) mißt den Wasserdurchfluß, der bis zum unteren Ende des Substrats frei fließt. Die Kurve (B) mißt den Wasserdurchfluß des gleichen porösen Films, wenn dieser an seinem unteren Ende in 2 cm Wasser getaucht ist. Die Kurve (C) mißt den Durchfluß des Films, wenn dieser gegen eine Metallplatte gedrückt ist, ohne daß sein unteres Ende ins Wasser getaucht ist. So kann man, je nach Anwendungsbedingungen des Substrats, den Flüssigkeitsfluß ändern, der in einem Verhältnis von 1 bis 8 nach der Kurve (A), ein Verhältnis von 1 bis 5, Kurve (B), und ähnlich dem Letzteren, Kurve (C), wenn der poröse Film gegen eine Wärmeaustauschwand gedrückt ist, fließt.
• In den Fig. 5 und 6 verdampft der dargestellte Dampfkessel Wasser, das in gegen Wärmeaustauschwände 21 gedrückten porösen Filmen enthalten ist. Die Wärmeübertragung kann in dieser Art von Kessel genauso über einen mit atmosphärischer Luft oder durch Gebläse genährten Rampenbrenner wie 19, als auch über einen oder mehrere Strahlbrenner vollzogen werden. Im ersten Fall vollzieht sich die Wärmeübertragung hauptsächlich durch Konvektion, in zweiten jedoch hauptsächlich durch Strahlung.
• Es werden vorzugsweise mehrere in zwei getrennten, jeweils aus zwei leicht quaderförmigen metallischen hohlen Behältern 29 bestehenden Kammern 23, die senkrecht und merklich parallel zueinander stehen, angeordnete Substrate 7a, 7b, ... verwendet, wobei diese Substrate voneinander getrennt sind, damit zwischen ihnen ein Raum 31 für den Abzug des Rauchs, der vom Brenner erzeugt werden könnte, entsteht. Der Brenner wird vorzugsweise im unteren Teil des Zwischenraums 31 angebracht, an einem Ort, wo der Raum eine pyramidenähnliche Form aufweist. Der Abzug ist seitlich durch Wände abgeschlossen (nicht dargestellt).
• Im vorliegenden Fall wurde jede Trennwand 21 mit porösen Filmen 7a, 7b, 7c ausgerüstet, wobei der erste sich auf ungefähr die Hälfte der Fläche der Austauschwand, der zweite auf 3/4 der übrigen Fläche und der dritte auf 1/4 des oberen Bereichs ausbreitet. Auf jeden porösen Film wurde ein Gitter 33 mit breiten, zu 90% geöffneten Maschen, mit einer Maschenfläche von 4 cm², angebracht, erstens, um einen günstigen thermischen Kontakt der Substrate zu sichern, und zweitens, um den erzeugten Dampf durchzulassen. Jeder Behälter ist ebenfalls mit einem oben angebrachten Becken 34 ausgerüstet, in dem eine obere Portion der drei porösen Filme, im Beispiel mit gleicher Dicke, eingetaucht ist. Es ist festzustellen, daß der poröse Film 7a, um den Behälter 34 im oberen Bereich zu erreichen, von 7b getrennt gehalten wird (Abstand d). Auf diese Weise wird die gesamte sich im thermisch geschützten oberen Bereich des Films 7a gespeicherte Säule C 1 dazu dienen, unter entsprechendem Druck (höher als der Umgebungsdruck des betrachteten Behälters) den gegen die Wand 21 gedrückten unteren Teil zu versorgen, der in Bezug auf den Wärmeaustausch und die Verdampfungskapazität absolut aktiv ist. Ähnlich ist es beim Film 7b, jedoch mit einer kleineren Säule C2, die fast gänzlich dem Wärmefluß ausgesetzt ist. Im unteren Bereich eines jeden Behälters wurde das Wasser 35 dargestellt, das in einem geeigneten unteren Becken aufgefangen wird, wenn der Durchfluß im Film höher ist als der Wärmefluß verdampfen kann. Erreicht dieses überschüssige Wasser einen vordefinierten Pegel, kann es mit Hilfe einer Pumpe wieder in die Becken 34 zurückgeführt werden. Das Diagramm in Fig. 7 zeigt, welchen Einfluß die Anzahl der Substrate und die Höhe des Wasserspiegels auf den Verdampfungsertrag in Bezug auf die ausgeübte Wärmeleistung haben, entweder mit einem einzigen porösen Film der oben genannten Art "mit kleinen Maschen" anstelle der zwei Substrate 7a, 7b, oder mit den beiden Substraten selbst. In jedem Fall besteht die Messung darin, die Höhe des Wasserspiegels im Becken 34 zu ändern, wobei in diesem Beispiel das Becken auf einer Höhe von ungefähr 4/5 der Austauschwandhöhe angebracht wurde.
• Eine der Kurven, für einen einzigen porösen Körper und in Bezug auf eine Wasserhöhe von H-9 mm der maximal bis zum Beckenrand erlaubten Höhe H, läßt eine Ertragszunahme von 0,30 g/Wh auf 0,8 g/Wh erkennen, gefolgt von einem Rückgang auf 0,65 g/Wh, wenn man die eingesetzte Leistung von 1,2 kW auf 2,4 kW erhöht.
• Wird die Leistung noch mehr erhöht, und erhöht man ebenfalls die Höhe des Wasserspiegels auf H-4 mm, beobachtet man eine ähnliche Kurvenform (mit Rauten gekennzeichnet), mit einem weiter steigenden Ertrag bis 3,4 kW, und einer Abnahme des Ertrags bei 3,4 kW. Dieser Ertragsrückgang wird bei H-2 mm noch deutlicher und erreicht den Wert 0,9 g/Wh.
• Durch den Einsatz von zwei porösen Körpern und einer auf H-9 zurückgeführten Wasserhöhe wird der Ertrag weiterhin bis auf 1,10 g/Wh, bei einer Leistung von 4 kW, erhöht, wobei ein ähnlich hoher Ertrag dieser Leistung bis zu einer Höhe von H-2 mm beibehalten wird.
• Demnach muß man die Wasserhöhe in Bezug auf die Leistung der Wärmequelle einstellen, um ein Maximum an Ertrag zu erhalten. Dieses Maximum an Ertrag wird wegen einem zu schwachen Flüssigkeitsfluß im Substrat jedoch wieder vermindert, wenn man die Leistung erhöht. Man wird wiederum feststellen, daß der Ertrag an Verdampfung steigt, wenn zwei Substrate für eine selbe Austauschfläche aufgestellt werden.
• Bei einer praktisch konstanten Leistung von 2,4 kW wird weiterhin festgestellt, daß der Ertrag an Verdampfung von 0,6 g/Wh auf 0,8 g/Wh wächst, also ein Gewinn von 30% auf den Ertrag des Kessels. Dieser Gewinn wird durch eine Änderung der Höhe des Wasserspiegels von H-2 mm auf H-4 mm und H-9 mm erzielt.
• Für einen Dampfkessel wie in den Fig. 5 und 6, zeigt die Grafik der Fig. 8 den Einfluß der Dicke des oder der Substrate auf die Temperatur der Gase am Ausgang des Kessels, bezogen auf eine Änderung seiner Leistung. Bei solchen Messungen der Wärmeübertragung weist ein poröser Film mit "kleinen Maschen" eine Temperaturschwankung von 120ºC auf 400ºC auf, ein poröser Film mit großen Maschen jedoch nur eine Schwankung von 300ºC auf 370º.
• Fig. 9 ist eine Schnittperspektive einer Herstellungsvariante eines mit elektrischem Widerstand arbeitenden Dampferzeugers. Er besteht aus einem Patronenwiderstand 37, an dessen Außenfläche ein faseriges Substrat justiert wurde, das die Erscheinung einer flexiblen Muffe 39 aufweist, und das bei 41 und 43 genäht wurde, um zwei Halbflächen 45a und 45b zu bilden, die sich im unteren Bereich des Behälters 47 ausstrecken, wobei sie zum Teil im oberen Bereich in einem oberen Becken 49, dessen Pegel man (mit einer Versorgungspumpe) variieren lassen könnte, und im unteren Bereich in einem unteren Sammelbecken 51 eingetaucht sind. Der Behälter 47 ist außerdem in seinem oberen Bereich mit einem Ausgang 53 für den Dampfabzug ausgerüstet.
• Ähnliche Messungen wie beim Gasbrenner der Fig. 5 und 6 wurden auf diese Art von Brenner mit elektrischem Widerstand durchgeführt. Jede der nachstehenden Tabellen zeigt, bei konstantem Wasserdurchfluß, den Verdampfungsertrag bei einer Änderung der Wärmeflußdichte für vier verschiedene Dicken von porösen Filmen. 1) Poröser Film, Dicke 0,2 mm 2) Poröser Film, Dicke 1 mm 3) Film mit parallelen Fasern, Dicke 2 mm 4) Film mit parallelen Fasern, Dicke 4 mm
• Bei gleichen Variationen der Wärmeflußdichte beobachtet man eine Änderung des Verdampfungsertrags um 20% für eine Dicke von 0,2 mm, um 40% für eine Dicke von 1 mm, um 30% für eine Dicke von 2 mm, und um 25% für eine Dicke von 4 mm.
• Im Falle eines porösen Substrats von 1 mm Dicke, beim Maximumertrag von 1,28 W/cm², stellt man fest, daß praktisch keine Flüssigkeit mehr am unteren Teil des Substrats wegfließt (davon ausgehend, daß das Substrat senkrecht aufgestellt ist). Es herrscht also ein Gleichgewicht zwischen der im porösen Film eindringenden Menge an zu verdampfender Flüssigkeit und dem Fluß der Wärmequelle, bei einer Wärmeflußdichte von 8 W/cm².
• In den Fig. 10 und 11 ist der poröse Film örtlich im zu verdampfenden Wasser, das in einem geschlossenen Kreislauf einer Leitung zirkuliert, eingetaucht. Diese Art Vorrichtung kann in verschiedenen Lagen durch Verwendung einer Pumpe und/oder eines Einstellventils, um das Substrat mit Wasser unter Druck zu versorgen, funktionieren. Die Verdampfungsmittel weisen einen rechteckigen Widerstand 59 mit einer Leistung von 270 Watt auf. Auf dem Widerstand angebracht und festgehalten befindet sich ein Stofftuch, das einen gewebten Film 61 bildet, und das bei 63 und 65 zusammengenäht ist, um eine Muffenform zu ergeben, die sich nach unten erstreckt und im unteren Teil 67 der Leitung 69 eingebettet und verbunden ist. Diese Muffe erstreckt sich auch im Inneren des oberen Teils 71 derselben Leitung 69. Der Widerstand ist in einem Verdampfungsbehälter 73 eingebettet. Der Verdampfungsbehälter weist ein Dampfaustrittsrohr 75 und ein Wasserabflußrohr 77 für das überschüssige Wasser auf, wenn der zirkulierende Wasserdurchfluß zu groß ist, und eine am Widerstand verbundene Backe, um am Behälter bei 81 fixiert zu werden. Ein flexibler Stoff (dessen Maschen dargestellt wurden) ist im oberen und unteren Bereich durch in der Leitung 69 angebrachte Ritzen eingetaucht, wobei das Wasser bei 83 eintritt und bei 83 wieder austritt, bevor es wiederverwertet wird. Die Verbindungen 87 und 89 erlauben außerdem die Stromversorgung des Widerstands. In dieser Vorrichtung ist der Wasserfluß durch eine Pumpe 84, deren Durchfluß eingestellt werden kann, gesichert. Der Ausgang 85 der Leitung ist mit einem Ventil 86 ausgerüstet. Damit die Flüssigkeit vorzugsweise im porösen Film durchfließt, kann ein leichter Überdruck in der Leitung ebenfalls bewirkt werden.
• Ebenfalls durch Einstellung des Ventils kann, indem ein Wasserfilm hergestellt wird, das sich durch Grenzflächenspannung an der Oberfläche der Seiten des porösen Films hält, eine Übersättigung des Substrats erreicht werden.
• Die Pumpe 84 und das Ventil 86 erlauben es nun, die Flüssigkeit einem höheren Druck als dem Umgebungsdruck des Behälters 73 auszusetzen, und dies oberhalb des Bereichs, wo das Substrat 61 der Wärme des Widerstands 59 ausgesetzt ist, was zu den schon erwähnten Durchflußbedingungen im Substrat führt.
• Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse, die mit dieser Einrichtung errechnet wurden, bei einer konstanten Flußdichte von 4,7 W/cm², mit Änderung des Versorgungswasserflusses und unter Verwendung eines Substrats mit "kleinen Maschen" der schon vorgestellten Art.
• Demnach ist der Verdampfungsertrag im porösen Substrat um 20% höher, wenn man den eintretenden Wasserfluß von 57 g/min. auf 15 g/min. senkt.
• Fig. 12 ist das Beispiel einer Tropfvorrichtung für die Versorgung eines Verdampfungsgerätes, ähnlich dem in Fig. 8. Durch Verwendung einer ganzen Auswahl austauschbaren porösen Körpern, die einen konstanten Flüssigkeitsfluß erlauben, kann man eine günstige Verteilung der Flüssigkeit mit sehr wenig Durchfluß auf großen Flächen des Substrats erreichen. Der Flüssigkeitsfluß kann außerdem leicht der Verdampfungsquelle angepaßt werden, bis zur Übersättigung des porösen Films. Diese Vorrichtung kann ebenfalls für das Filtern von im Wasser enthaltenen Salzen, oder auch als Filter für austauschbare Flüssigkeiten verwendet werden.
• In dieser Fig. 12 umschließt ein hängendes gewebtes Doppel-Substrat IIIa, IIIb einen rohrförmigen elektrischen Widerstand 113, im unteren Bereich eines Verdampfungsbehälters 115. Der obere Teil des Substrats öffnet sich "V-förmig", von zwei Stützen gehalten. Für die Versorgung mit zu verdampfender Flüssigkeit ist also durch eine Tropfvorrichtung gesorgt, unter Verwendung von zwei feinen gewebten rechteckigen Substraten 117, 119, die senkrecht hängen und an ihrem unteren freien Ende Fransen 120 aufweisen, womit das Tropfen und eine vorteilhafte Verteilung der Flüssigkeit begünstigt werden.
• Im oberen Bereich baden die Substrate 117 und 119 in einem Wasserversorgungsbehälter 121, dessen Wasserpegel veränderbar ist, und der von einer nicht dargestellten Quelle versorgt wird. Ein Kamin 123 erlaubt dem Dampf zu entkommen.
• Fig. 13 zeigt eine Verdampfungsvorrichtung für Flüssigkeit, die mindestens eine rostfreie gesinterte Stahlplatte von 1 mm Dicke verwendet. In diesem Anwendungsbeispiel wird die Flüssigkeit durch Wärmeaustrahlung eines elektrischen Widerstandes verdampft.
• Zwei "S-förmige" Platten 125, 127 einer gesinterten rostfreien Stahllegierung mit einer Porosität von 30% wurden in diesem Falle verwendet und Rücken an Rücken aufgestellt, um ein Gewölbe in umgekehrter "U-Form" um den rohrförmigen Widerstand 129 zu bilden. Diese stabilen Platten sind im oberen Bereich zusammengedrückt, wo sie bei 131 festgehalten werden, um wasserdicht in eine Leitung 133 eingeführt zu werden, wo die zu verdampfende Flüssigkeit 135 fließt. Durch diese Aufstellung und durch den leichten Druck in der Leitung (z. B. mit Hilfe einer Pumpe), fließt die Flüssigkeit in die von den beiden Platten eingeschlossenen leeren Räume. Im Zentrum des Gewölbes und 10 mm von den beiden Wänden entfernt wurde der elektrische Widerstand 129 aufgestellt, der sich auf der gesamten Länge des Gewölbes erstreckt. Im unteren Bereich wird bei 137 der Überschuß an Flüssigkeit wieder aufgefangen, der wieder zum Eingang des Rohrs 133 zurückgeführt werden kann, um die Substrate zu versorgen.
• Obwohl die porösen Wände 125 und 127 mit Hilfe des Speicherrohrs örtlich eingetaucht wurden, kann man dieses Verdampfungselement auch mit Hilfe der Tropfvorrichtung aus Fig. 12 versorgen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Herstellungsbeispiele finden insbesondere im verarbeitenden Gewerbe, im öffentlichen Bereich oder im Handwerk Anwendung sowie in der verarbeitenden und in der Lebensmittelindustrie. So kann man unter Verwendung von natürlichen Brenngasen oder elektrischer Energie Dampferzeuger herstellen, die einige kg Dampf pro Stunde bis mehr als eine Tonne pro Stunde produzieren. Diese Dampferzeuger können, zum Beispiel, in Gastronomieöfen, Bäckereiöfen, Universalbacköfen, in der Keks- oder Fertiggerichtherstellung, in der Textilindustrie für die Behandlung von Fasern, oder z. B. auch in Dampfbügelanstalten, bis hin zu biologischen Labors für die Entkeimung, eingesetzt werden. Es können auch Dampferzeuger für Einzelbügeleisen oder mit Dampfeinrichtungen, oder auch für Boden- und Wandreinigungsgeräte hergestellt werden. Was das Spektrum der Wärmeflußdichte im Rahmen der Erfindung betrifft, so läßt sich erwähnen, daß es von einigen mW/cm² bis zu zig- W/cm² reicht.
• Damit die erfindungsgemäße Vorrichtung so wohl bei atmosphärischem Druck, wie auch bei Überdruck oder Unterdruck funktioniert, sollte außerdem betont werden, daß nur das "Unter-Druck-Setzen" der Flüssigkeit vorher abgestimmt werden sollte, um die gewünschten Durchflußbedingungen im Substrat zu erhalten.

Claims (16)

1. - Verfahren zur Verdampfung einer Flüssigkeit, bei dem ein poröses Substrat mit der genannten zu verdampfenden Flüssigkeit versorgt wird, und mindestens ein Bereich des genannten Substrats einem Wärmefluß ausgesetzt wird, um mindestens einen Teil der Fläche der Flüssigkeit bis zum Siedepunkt zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein aus mindestens einer Schicht bestehendes poröses Substrat verwendet, das man leicht vertikal aufstellt, so daß eine der Seiten dem zugeführten Wärmefluß ausgesetzt ist, und daß die Versorgung des porösen Substrats mit der zu verdampfenden Flüssigkeit von seiner oberen Fläche ausgeht, so daß die Flüssigkeit sich von oben nach unten verteilt, und die Verdampfung spätestens beim Erreichen der anderen Fläche des Substrats eintritt.

2. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats sich innerhalb der Werte 0,05 mm und 5 mm befindet.

3. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Pumpe ein zusätzlicher Druckanstieg in der genannten Säule erzeugt wird.

4. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Substrat eine Flüssigkeit mit einem etwas höheren Durchfluß als die eigentliche Abflußkapazität innerhalb des Substrats zuführt, so daß ein schwacher Anteil der Flüssigkeit sich über eine freie Fläche des genannten Substrats ausbreitet, wobei die Flüssigkeit durch Grenzflächenspannung an diesem haften bleibt.

5. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man einem ersten äußeren Ende des Substrats die Flüssigkeit zuführt, so daß die Flüssigkeit an diesem hinunterfließt und dabei verdampft, und man das zweite äußere Ende des Substrats in ein Becken mit Flüssigkeit taucht, und man die in diesem Becken enthaltene Flüssigkeit dazu benutzt, um das erste äußere Ende des Substrats zu versorgen.

6. - Vorrichtung zur Verdampfung einer Flüssigkeit mit mindestens einem porösen Substrat, Flüssigkeitszuführvorrichtungen für dieses Substrat, und mindestens eine unterhalb der Zuführvorrichtungen angebrachte thermische Energiequelle, um mindestens einen Bereich des Substrats zu erhitzen, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Flüssigkeitszuführvorrichtungen sich auf einer dem Substrat höheren Ebene befinden,

- das poröse Substrat aus mindestens einer hauptsächlich vertikalen Schicht besteht, deren eine Seite dem Wärmefluß aus der genannten thermischen Energiequelle ausgesetzt ist, und deren oberer Teil mit der zu verdampfenden Flüssigkeit unter den durch die Zuführvorrichtungen entstehenden Druck versorgt wird, so daß die Flüssigkeit sich von oben nach unten verteilt und die Verdampfung spätestens beim Erreichen der anderen Fläche des Substrats eintritt.

7. - Vorrichtung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats sich innerhalb der Werte 0,05 mm und 5 mm befindet.

8. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Substraten besteht die sich zum Teil überlappen und voneinander jeweils an mindestens einer Fläche getrennt sind.

9. - Vorrichtung nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Energiequelle sich auf einer gewissen Höhe wie eine Wärme ausstrahlende Wand ausbreitet, und daß drei poröse Schichten (7a, 7b. 7c) sich jeweils auf mindestens die Hälfte der Höhe der thermischen Energiequelle ausbreiten, nämlich über Dreiviertel der übrigen Fläche, und über das obere Viertel.

10. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einer wasserdichten, faserigen und weichen Stoffleinwand besteht.

11.- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Platte mit einer harten, z. B. metallischen, und besonders gesinterten Struktur ist.

12. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Stoffäden mit verschiedenen Durchmessern enthält.

13. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszuführvorrichtungen des Substrats auch mit Tropfvorrichtungen versehen sind.

14. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Substrate einer bestimmten Breite, durch die diese zum größten Teil mit Flüssigkeit versorgt werden, umfaßt, wobei beide Substrate sich zu beiden Seiten der Energiequelle ausbreiten, welche sich auf mindestens das Wesentliche der Breite der Substrate ausbreitet.

15. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet:

- daß die genannte Energiequelle mindestens einen Gasbrenner enthält,

- und daß sie außerdem zwei hohle Kammern enthält, zwischen denen ein Kaminschacht eingegrenzt wird, in dem die Brennrückstände durchfließen können, wobei jede der genannten Kammern mindestens ein Substrat umschließt.

16. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat an zwei seiner entgegengesetzten Enden in einen Schlauch getaucht wird, wohin die genannte Flüssigkeit durch Zwangsumlaufvorrichtungen, zwischen denen sich die Flüssigkeit befindet, gebracht wird.