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Mit Wärmepumpe arbeitendes Ausdampfverfahren und zu dessen Ausübung
dienende Einrichtung
In Ausdampf- und Destillieranlagen für Flüssigkeiten, Gemenge,
Laugen und Lösungen aller Art muß in vielen Fällen darauf geachtet werden, daß die
Heißdampf- und Brüdentemperaturen niedrig bleiben, um wertvolle Bestandteile der
auszudampfenden Flüssigkeit, z. B. Duft- und Wirkstoffe verschiedener Art, nicht
durch hohe Aus dampf temperaturen mehr oder weniger abzubawen oder Korrosionen an
den Baustoffen der Ausdampfapparatur zu vermeiden. So können zrB. in Destillationsanlagen
zur Erzeugung von Trinkwasser aus Seewasser Korrosionen der Verdampfer bei den derzeit
üblichen hohen Verdampftemperaturen nur bei Verwendung teurer Baustoffe verhindert
werden, und in Ausdampfapparaturen zur Konzentration von Chlorkalizumkühlsole in
Kühlanlagen darf die Ausdampftemperatur nicht über +5c°C-ansteigen, da wärmere Chlorkalziumlösung
die Baustoffe zerstört.
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In Ausdampfanlagen für Milch, Fruchtsäfte usw., die durch Wasserausscbeidung
konzentriert werden, müssen hohe Ausdamp ftemp eraturen vermieden werden, damit
die Duft- und Wirkstoffe der Flüssigkeiten erhalten bleiben.
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Ein bekanntes Verfahren zum Destillieren oder Konzentrieren von wäßrigen
Lösungen und Gemengen durch Ausdampfen ist die Thermokompression, eine Sonderform
der Wärmepumpe, deren Arbeitsmittel der Brüdendampf selbst ist, so daß der Arbeitsmittelkreislauf
nicht in sich geschlossen sein kann. In solchen Einrichtungen be-
tragen
die Heiz- und Siedetemperaturen bei einem Brüdendruck von 1,033 kg/cm2 abs. von
wenig über + 100 bis zu etwa I30° C, je nachdem, ob es sich um leicht- oder schwersiedende
Lösungen handelt.
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Bei Laugen können diese Temperaturen noch höher sein. Bei Anlagen
mit elektrischer Beheizung oder mit Beheizung durch die üblichen Brennstoffe ist
es nicht besser. Soweit also diese hohen Temperaturen überhaupt anwendbar sind,
muß bei der Errichtung von Anlagen der beschriebenen Art durch besondere Maßnahmen
dafür gesorgt werden, daß weder die auszudampfenden Flüssigkeiten selbst noch die
Baustoffe der Einrichtungen Schaden nehmen können.
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Die bekannten mit niedrigen Temperaturen arbeitenden Vakuumausdampfverfahren
bestehen darin, daß die Ausdampfung bei einem Unterdruck gegenüber dei äußeren Atmosphäre
vor sich geht.
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Die Sättigungstremperatur des Brüdendampfes ist in Abhängigkeit vom
absoluten Druck im Aus dampfkessel in dem Maße geringer, je niedriger der Druck
im Ausdampfkessel gehalten wird. Die Vakuumkessel und die Mittel zur Aufrechterhaltung
des Unterdruckes und zur Kondensation des Brüdendampfes erfordern aber hohe Anschaffungskosten
und beansprucllen aufmerksame Bedienung Andere bekannte Ausdampfverfa'hren, die
in Form von VerdunFtungseinrichtungen zur Konzentrierung von Kühlsole in Kälteanlagen
dienen, haben das gemeinsame Kennzeichnet, daß als Heizmittel für die Erwärmung
der auszudampfenden Lösung der warme Kältemitteldampf vcn minbestens einem Ko-lpressor
als Wärmepumpe dient und die warme Lösung in einem Verdunster einem Luftstrom ausgesetzt
wird, in den hinein sie verdunstet. Diese Luft wird dabei der Umgebung* atmosphäre
entnommen und mit dem aufgenommenen Brüdendampf beladen ins Freie wieder ausgestoßen.
Die teildruckbestimmten Lösungs- und Brüdentemperaturer bleiben so niedrig, daß
Korrosionen an Einrichtungsteilen nicht entstehen. Die Nachteile solcher Anlagen
bestehen darin, daß sie an den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine gebunden sin,
also nur mit ihr zusammen arbeiten können, und daß ihre Ausdampfleistung in AbhängigLeit
von den lllima- und jahreszeitblestiiiiinten Zustandsänderungen der atmosphärischen
Luft sich in weiten Grenzen fortwährend ändert und gerade dann, wenn im sommerlichen
Vollbetrieb der R:älteanlage die größten Feuchtigkeitsmengen aus der Kühfraumiuft
in die Sole übergehen, am kleinsten wird.
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Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, bei einem Verfahren
zum Ausdampfen von Flüssigkeiten mit jeweilig bester Zuordnung der HXeizdampf- und
Brüdentemperaturen zu arbeiten, ohne daß die genannten Nachteile der vorbeschriebenen
bekannten Verfahren in Erscheinung treten. Gegenstand der Erfindung ist ein mit
Wärmepumpe betriebenes Ausdampfverfahren, bei dem die Wärmepumpe in einer neuartigen
Form der Thermokompression arbeitet, die mit der bekannten Form der Thermokompression
lediglich darin üblereinstimmt, daß die Kompressionswärme für die Beheizung der
auszudampfenden Flüssigkeit durch den Kondensator ausgenutzt wird. Im übrigen handelt
es sich bei dieser neuen Thermokompression um ein Zweistoffsystem im gesamten äußeren
Bereich der Wärmepumpe, bei dem ein Hilfsgas nicht nur, wie an sich bekannt, den
aus der Flüssigkeit erzeugten Brüdendampf aufnimmt, sondern bei dem dieses Hilfsgas
außerdem durch Kühlung und Entfeuchtung vorher für den Brüdendampf aufnahmefähig
gemacht wird. Die Merkmale des erfindungsgemäßen Thermokompressionsverfahrens werden
nachfolgend als kennzeichnende Unterscheidungsmerkmale gegenüber bekannten Verfahren
genannt. Von der bekannten Form der Thermokompression unterscheidet sich das neue
Verfahren dadurch, daß das Arbeitsmittel der Wärmepumpe seinen eigenen in sich geschlossenen
Kreislauf von Verdampfung, Verdichtung und Verflüssigung hat, ohne mit der auszudampfenden
Flüssigkeit oder ihrem Brüdendampf in stoffliche Berührung zu kommen, daß Ausdampfung
und Brüdenkondensation in der Hilfsatmosphäre eines inerten Gases erfolgen und daß
die Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels der Wärmepumpe nicht der Brüdenerzeugung
gleichkommt, sondern der Brüdenkondensation dient, die bei der Kühlung durch den
Verdampfer der Wärmepumpe eintritt.
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Von den für Kälteanlagen bekannten Verfahren zur Verdunstung von Kühlsole
an atmosphärischer Luft mit Beheizung der flüssigkeit durch Wärme, die von mindestens
einem Kältemaschinenkompressor oder einem Rilfskompressor als Wärmepumpe abgegeben
wird, unterscheidet sich das neue Verfahren dadurch, daß die Luft oder ein anderes
Hilfsgas, bevor es im Verdunster den Brüdendampf aufnimmt, vom Verdampfer der Wärmepumpe
abgekühlt und dadurch entfeuchtet wird, im übrigen aber auch dadurch, daß die Wärmepumpe
einen Verdampfer eigens als Bestandteil der Ausdampfeinrichtung üblerhaupt besitzt.
Außerdem besteht noch ein Unterschied darin, daß das neue Verfahren nicht an den
Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine gebunden ist, sondern daß die Wärmepu-mpe
eine selbständige Einrichtung ist mit eigenem Arbeitsmittelkreislauf von Verdampfung,
Verdichtung und Verflüssigung.
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Neben der Vermeidung der genannten Nachteile bekannter Ausdampfverfahren
hat das Verfahren nach der Erfindung noch die folgenden Vorteile: Da die Verdunstung
der Flüssigkeit und die KUondensation des Brüdendampfes bei ihren - Teildrücken
in einem inerten Hilfsgas vor sich gehen, bedarf es für die Aggregatzustandsänderungen
keiner unterdruckfesten Gefäße wie beim Vakuumverfahren und keiner überdruckfesten
Gefäße wie bei der bekannten Form der Thermokompression, und man kann die Heiz-
und Brüdentemperaturen in Abhängigkeit vom Kompressorhubvolumen und von der Größe
der Wärmeaustauschflächen in weiten Grenzen beliebig wählen bei unverändertem Gesamtdruck
im Bereich der Hilfsatmosphäre, der mit dem Druck der äußeren Luftatmosphäre über-
einstimmen
kann. Außerdem ist als Wärmepumpe jede beliebige Kompressorbauart anwendbar in jeder
beliebigen Größenordnung, während die bekannte Form der Thermokompression wegen
der bei den großen spezifischen Brüdenvolumina und den geringen Pressungen erforderlichen
sehr großen Liefermengen nur mit Turbokompressoren durchführbar ist, die aber nur
oberhalb einer Reizleistungsgrenze von etwa 200 000 kcalZh wirtschaftlich arbeiten.
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Als Wärmepumpen können Kompressiorsmaschinen oder Sorptionsmaschinlen
Verwendung finden. In den Zeichnungen Abb. 1 bis 3 ist das neue Verfahren in Beispielen
mit Kompressionsmaschinen als Wärmepumpen dargestellt. Als Hilfsgas kann Luft oder
jedes andere für die jeweilige Brüdenart diffus geeignete inerte Gas dienen. Die
Förderung des Hilfsgases kann durch Ventilatoren, wie gezeichnet, oder selbsttätig
durch die Schwerkraftunterschiede zwischen dem wärmeren und kälteren Bereich des
Hilfsgases erfolgen. Die Flüssigkeit kann wie in den gezeichneten Beispielen aus
einem Rieselfilm oder aus flachen Schalen bei geringer Bauhöhe verdunsten Abb. 1
zeigt eine Darstellung des Verfahrens mit Rotationskompressor als Wärmepumpe, Umwälzung
immer desselben Hilfsgases durch Ventilatoren und getrennter Anordnung von Kondensator
und Verdunster. Von der Wärmepumpe 1 gelangt das verdichtete Arbeitsmittel über
Druckleitung 13 zum Durchlaufkondensator 2, von wo es flüssig über Flüssigkeitsleitung
14 zum Regelventil 9 und von hier entspannt weiter über Einspritzleitung 15 zum
Verdampfer 4 fließt. Aur diesem wird es dampfförmig über Saugleitung 16 von der
Wärmepumpe abgesaugt, um erneut verdichtet zu werden, womit sich der Kreislauf des
Wärmepumpenarbeitsmittels schließt. Das Hilfsgas wird von den Ventilatoren 6 über
Verdampfer 4 und Verdunster 3 stetig umgewälzt. Die auszudampfende Flüssigkeit fließt
über Leitung I7 zum Kondensator 2, wird als sein Kühlmittel von ihm erwärmt und
gelangt über Leitung 18 in den unteren verdunsterseitigen Teil des Gehäuses 12,
den sie bis zur Höhe 19 anfüllt.
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Die Flüssigkeit wird durch die Pumpe 5 über Leitung 20 von der durch
19 bezeichneten Ansammlung abgesaugt und über Leitung 21 in die Sprüheinrichtung
22 gefördert, von der sie als Sprühregen auf die Ringfüllung des Verdunsters 3 niedergeht
und nach Berieselung der Füllringe sich unterhalb der Ringfüllung sammelt, um durch
die Pumpe ständig umgewälzt zu werden. Die ausgedunstete Flüssigkeit wird über Leitung
23 abgeführt. Die Ventilatoren 6 wälzen das Hilfsgas ständig um. Mit Brüden beladen
strömt es über den Verdampfer und wird von diesem unter den Taupunkt abgekühlt,
wobei der Brüdendampf kondensiert und ausgeschieden wird. Das Brüdenkondensat tropft
von der Verdampferoberfläche ab und sammelt sich über die Leitbleche 24 im unteren
verdampferseitigen Teil des Gehäuses I2, der mit dem Brüdenkondensat bis zur Höhe
25 angefüllt ist. Das Brüdenkondensat wird über Leitung 26 abgeführt. Die Neigung
der Leitbleche 24 hat den Zweck, dem vom Verdampfer abströmenden Hilfsgars vor der
Ablenkung zum Verdunster eine kurzstreckige, möglichst entgegengesetzte Richtung
zu geben, so daß die Kondensattropfen nach unten fallen. und nicht vom Gasstrom
nach der Ver: dunsterseite mitgerissen werden. Das vom Verdampfer kommende getrocknete
Hilfsgas tritt unten in den Verdunster 3 ein und strömt über den innerhalb der Ringfüllung
herunterrieselnden warmen Flüssigkeitsfilm hinweg nach oben. Hierbei verdunstet
die Flüssigkeix in das Hilfsgas hinein. Das die Verdunsterfüllringschicht 3 oben
verlassende brüdengesättigte Hilfsgas passiert dann noch ein Füllring- oder Lamellengitter
27, das ein Mitreißen von Flüssigkeitströpfchen nach den Ventilatoren verhindert.
Mit dem Durchgang durch die Vertilatoren schließt sich der Kreislauf des ständig
umgewälzten Hilfsgases. Die gesamte Einrichtung außer der Wärmepumpe und dem Kondensator
ist im Gehäuse 12 untergebracht. Zwischen dem wärmeren und kälteren Teil der Einrichtung
befindet sich eine Isolierschicht. Das Wärmeäquivalert der Wärmepumpenarbeit wird
beim Fehlen von zusätzlichen Wärmeaustauschern durch die Wärmeverluste der Einrichtung
verbraucht. Soll die Ausdampfung der Flüssigkeit ihrer Destillation dienen, können
Lauge und Rückstände durch das Rohr 23 abgeführt werden.
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Das in Abb. 2 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von der Darstellung
nach Abb. I dadurch, daß die Wärmepumpe ein Kolbenkompressor ist, daß Kondensator
und Verdunster zu einem Verdunstungskondensator einheitlich zusammengefaßt sind
und daß die Einrichtung roch die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Teile hat.
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Die übrigen Teile und die grundsätzliche Arbeitsweise des Verfahrens
entsprechen der Beschreibung zu Abb. 1, aus der auch die Bezugszeichen übernommen
sind. Der Verdunstungskondensator 2, 3, ein Röhrenapparat, bewirkt die Kondensation
des Wärmepumpenarbeitsmittels im Innern der Rohre und die Flüssigkeitsverdunstung
aus dem über die Rohroberflächen herabrieselnden warmen Flüssigkeitsfilm und dient
somit gleichzeitig dem Wärmeaustausch zwischen dem kondensierenden Wärmepumpenarbeitunittel
und der verdunstenden Flüssigkeit einerseits, zwischen der letzteren und dem Hilfsgas
andererseits, und ferner der stofflichen Durchdringung (Diffusion) zwischen dem
BrüdendamFf und dem Hilias. Der Wärmeaustauscher 7 hat die Aufgabe, die zum Ausdampfen
über Leitung 17 ZU-geführte Flüssigkeit von der über Leitung 23 abgebenden ausgedampften
Flüssigkeit erwärmen und letztere dadurch abkühlen zu lassen. Der Wärmeaustauscher
8 hat die Aufgabe, das vom Kondensator zum Verdampfer durch Leitung 14 übergehende
flüssige Wärmepumpenarbeitsmittel von dem über Leitung 26 abgehenden Brüdenkondensat
abkühlen und letzteres dadurch erwärmen zu lassen.
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Das Wärmeäquivalent der Wärmepumpenarbeit wird, soweit es nicht der
Deckung von Wärmeverlusten der Einrichtung nutzt, durch den Ver-
kondensator
10 mittels Kühlwassers abgeführt, das über Leitung 28 iu- und über Leitung 29 abfließt.
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In der Leitung 28 befindet sich ein Kühlwasserregler 1I, der steuerseitig
über Leitung 30 mit der Wärmepumpendruckleitung 13 verbunden ist und wie bei einer
Kompressionskältemaschine auf einen bestirimten Kondensatordruck eingestellt wird.
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Durch diesen Kühlwasserregler wird der Beharrungszustand der Wärmepumpe
und damit der Flüssigkeitsausdampfung in der Weise geregelt, daß bei über die Sollhöhe
steigendem Kondensatordruck mehr Kühlwasser und bei unter die Sollhöhe sinkendem
Kondensatordruck weniger Kühlwasser durch den Vorkondensator fließt. Anstatt eines
wassergekühlten kann auch ein luftgekühlter Vorkondensator Verwendung finden, dessen
Leistung zur Aufrechterhaltung des Beharrungszustandes der Wärmepumpe ebenfalls
regelbar eingerichtet sein kann,.
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Die gesamte Einrichtung außer der Wärmepumpe und den Nebenteilen ist
im Gehäuse 12 untergebracht.
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Abb. 3 zeigt den oberen Teil einer beispielsweisen Verfahrenseinrichtung
nach der Erfindung für den Betrieb mit atmosphärischer Luft als Hilfsgas, wobei
die nachfolgend beschriebenen drei Betriebsarten möglich sind. Kondensator und Verdunster
sind zu einem Verdunstungskondensator zusammengefaßt. als Wärmepumpe dient ein K*olbenkompressor.
Für die Strömungsverteilung der Luft sind die Drosselkiappen 31, 32, 33 vorgesehen,
die übrigen Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den Abb. I und 2. In
der gezeichneten Stellung der Drosselklappen, und zwar Drosselklappe 33 geschlossen
und Drosselklappen 3I und 32 geöffnet, strömt ständig neue Luft, die durch die offene
Drossellkappe 32 aus der Umgebungsatmosphäre eintritt, über den Verdampfer 4 und
nach der aus Abb. 2 ersichtlichen unteren Umlenkung über den Verdunstungskondensator
2, 3 und wird, mit dem Brüdendampf beladen, nach Passieren der Sprüheinrichtung
22 und des Gitters 27 von den Ventilatoren 6 durch die offene Drosselklappe 31 ins
Freie wieder ausgestoßen. Bei dieser Betriebsart trocknet der Verdampfer die eingetretene
Luft durch Kühlung derselben und Kondensation ihrer Luftfeuchtigkeit. Die zweite
Betriebsart ergibt sich, wenn Drosselklappe 33 offen und Drosselklappen 3I- und
32 geschlossen sind. Bei dieser Klappenstellung besteht mit der äußeren freien Atmosphäre
keine Verbindung, und es wird immer dieselbe Luftmenge umgewälzt. Bei dieser Betriebsart
trocknet der Verdampfer die vom Verdunstungskondensator kommende brüdengesättigte
Luft durch Kühlung derselben und Kondensation ihres Brüdendampfes. Die dritte Betriebsart
herrscht bei nur teilweiser Öffnung aller drei D+r,ossCelklappen Bei dieser Klappenstellung
strömt nur eine Teilmenge der benötigten Gesamtluft aus der Umgebungsatmosphäre
über Verdampfer und Verdunstungskondensator und wird brüdenbeladen ins Freie wieder
ausgestoßen, während die andere Teilmenge ständig umgewälzt wird. Bei dieser Betriebsart
trocknet der Verdampfer die aus der U,ngebungsatmosphäre kommende Luft durch Kühlung
derselben und Kondensation ihrer Luftfeuchtigkeit, und er trocknet ferner die vom
Verdunstungskondensator kommende brüdengesättigte Luft durch Kühlung derselben und
Kondensation ihres Brüdendampfes. Das Kondensat, das sich unterhalb des Verdampfers
sammelt, setzt sich also zusammen aus atmosphäriseher Luftfeuchtigkeit und einem
Teil der Brüdenfeuchtigkeit, während der andere Teil der Brüdenfeuchtigkeit ins
Freie ausgestoßen wird.
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Durch entsprechende Zwischenstellungen der Drosselklappen kann das
Teilmengenverhältnis zwischen der durchtretenden atmosphärischen Luft und der immer
umgewälzten Luft beliebig geregelt werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann seinem Wesen nach anstatt
mit »Thermokompression« auch mit »Thermodiffusion« bezeichnet werden.