DEK0024930MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 17. Februar 1955 Bekanntgemacht am 13. Dezember 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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 auszu^ dampfenden Flüssigkeit, z. B. Duft- und Wirkstoffe verschiedener Art, nicht durch hohe Ausdampftemperaturen mehr oder weniger abzubauen oder Korrosionen an den Baustoffen der Ausdampfapparatur zu vermeiden. So können z. B. in Destillationsarilagen zur Erzeugung von Trinkwasser aus Seewasser Korrosionen der Verdampfer bei den derzeit üblichen hohen Verdampf temperaturen nur bei Verwendung teurer Baustoffe verhindert werden, und in Ausdampfapparaturen zur Konzentration von Chlorkalziumkühlsole in Kühlanlagen darf die Ausdampftemperatur nicht über -[-50⁰C ansteigen, da wärmere Chlorkalziumlösung die Baustoffe zerstört. In Ausdampfanlagen für Milch, Fruchtsäfte usw., die durch .Wasserausscheidung konzentriert werden, müssen hohe Ausdampftemperaturen vermieden werden, damit die Duft- und Wirkstoffe der Flüssigkeiten erhalten bleiben.

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-

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tragen die Heiz- und Siedetemperaturen bei einem Brüdendruck von 1,033 kg/cm² abs. von wenig über -f- 100 bis zu etwa 130° C, je nachdem, ob es sich um leicht- oder schwersiedende Lösungen handelt. 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.

Die bekannten mit niedrigen Temperaturen arbeitenden Vakuumausdampfverfahren bestehen darin, daß die Ausdampf ung bei einem Unterdruck gegenüber der äußeren Atmosphäre vor sich geht. Die Sättigungsfcemperatur des Brüdendampfes ist

so in Abhängigkeit vom absoluten Druck im Auisdampfkessel 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

^5 Brüdendampfes erfordern aber hohe Anschaffuingskosten und beanspruchen aufmerksame Bedienung'. Andere bekannte Ausdampfverfahren, die in Form von Verdun stungseinrichtuingen zur Konzentrierung von Kühlsole in Kälteanlagen dienen, haben das gemeinsame Kennzeichen, daß als Heizmittel für die Erwärmung der auszudampfenden Lösung der warme Kältemitteldampf von mindestens einem Kompressor als Wärmepumpe dient und die warme Lösung in einem Verdunster einem

.35 Luftstrom ausgesetzt wird, in den 'hinein sie verdunstet. Diese Luft wird dabei der Umgebumgs;-atmosphäre entnommen und mit dem aufgenommenen Brüdendampf beladen ins Freie wieder ausgestoßen. Die teäldruokbestimmten Lösungs- und Brüdentemperaturen bleiben so niedrig, daß Korrosionen an Einrichtungsteilen nicht entstehen. Die Nachteile solcher Anlagen bestehen darin, daß sie an den Kältemittelkreislauf der Kältemaschine gebunden sind, also¹ nur mit ihr zusammen arbeiten können, und daß ihre Ausdampfleistuing in Abhängigkeit von den klima- und janreszeätbestimmten Zustandsänderungen der atmosphärischen Luft sich in weiten Grenzen fortwährend ändert und gerade dann, wenn im sommerlichen Vollbetrieb der Kälte-

.50 anlage die größten Feuchtigkeitsmengen aus der Kühlraumluft in die Sole übergehen, am kleinsten wird.

Durch die 'Erfindung wird die Aufgabe gelöst, bei einem Verfahren zum Ausdampfen von Flüssigkeiten mit jeweilig bester Zuordnung der Heizdampf- und Brüdentemperaturen ziv arbeiten, ohne daß die genannten Nächteile der vorbeschriebenen bekannten Verfahren in Erscheinung treten. Gegenstand der Erfindung ist ein mit Wärmepumpe betriebenes Auedampfverfahren, bei dem die Wärmepumpe in einer neuartigen Form der Thermokompression arbeitet, die mit der bekannten Form der Thermokompression lediglich darin übereinstimmt, daß die Konipressionsw^rme 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 aufnähmefähig gemacht wird. Die Merkmale des erfmdungsgemäßen 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 85, 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. Von den für Kälteanlagen bekannten Verfahren zur Verdunstung von Kühlsole an atmosphärischer Luft mit Beheizung der Flüssigkeit durch Wärme, die von, mindestens einem Kältemaschinenkampresisor oder einem Hilfskompressor 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 überhaupt besitzt. Außerdem besteht noch ein Unterschied darin, daß das neue Verfahren nicht an den Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine gebunden ist, sondern daß die Wärmepumpe eine selbständige Einrichtung ist mit eigenem Arbeitsmittelkreislauf von Verdampfung, Verdichtung und Verflüssigung.

Neben der Vermeidung der genannten Nachteile bekannter Ausdampfverfähren hat das Verfahren; nach der Erfindung noch die folgenden Vorteile: Da die Verdunstung der Flüssigkeit und die Kondensation des Brüdendampfes bei ihren Teildrücken in einem inerten Hilfsgas vor sich gehen, bedarf es für die AggregatzuBtaiidsänderungen 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 Kompresisorhubvolumen und von der Größe der Wärmeaustauschflächen in weilten Grenzen beliebig wählen bei unverändertem Gesamtdruok im Bereich der Hilfsatmosphäre, der mit dem Druck der äußeren Luftatmosphäre über

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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 Heizleistungsgrenze von etwa, 200 ooo kcal/h wirtschaft -

ίο lieh arbeiten.

Als Wärmepumpen können Konapressions,-maschinen oder Sorptionsmasehinen Verwendung finden. In den Zeichnungen Abb. ι 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 Badhöhe verdunsten.

Abb. ι 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 Druckleitung¹13 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. Aus 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 17 zum Kondensator 2, wird als sein Kühlmittel von ihm erwärmt und gelangt über Leitung 18 in den unteren verdunistersekigen Teil des Gehäuses 12, den sie bis zur Höhe 19 anfüllt.

Die Flüssigkeit wird durch die Pumpe 5 über Leitung 20 von der durch 19 bezeichneten Ansammilung abgesaugt und über Leitung 21 in die 'Sprüheinrichtung 22 gefördert, von der sie als 'Sprühregen auf die Ringfüllung des Verdunsters 3

:5° 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

.55 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

■60 und sammelt sich über die Leitbleche 24 im unteren verdampfer.seitigen Teil des Gehäuses 12, 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 Hilfsgas 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 Verdämpfer 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 Flüssigkeit 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. Ventilatoren 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 85, sich eine Isolierschicht. Das Wärmeäquivalent der Wärmepumpenarbeit wird beim Fehlen von zusätzlichen Wärmeaustauschern durch die Wärmeverluste der Einrichtung verbraucht. ¹SoIl die Ausdampfung der Flüssigkeit ihrer Destillation. dienen, können Lauge und Rückstände durch das Rohr 23 abgeführt werden.

Da¹S in Abb. 2 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von der Darstellung nach Abb. 1 dadurch, daß die Wärmepumpe ein Kolbenkompressot ist, daß Kondensator und Verdunster zu einem Verdunstungskondensator einheitlich zusammengefaßt sind und daß die Einrichtung noch die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Teile hat. Die übrigen Teile und die grundsätzliche Arbeitsweise des Verfahrens entsprechen der Beschreibung zu Abb. i, aus der auch die Bezugszeichen übernommen sind. Der Verdunstungskondensator 2, 3, ein Röhrenapparat, bewirkt die Kondensation des WärmepumpenarbeitsnrJttels im Innern der Rohre und die Flüssigkeitsverdunstung aus dem über die Robraberfiächen herabrieselnden warmen Flüssigkeitsfilm und dient somit gleichzeitig dem Wärmeaustausch zwischen dem kondensierenden Wärmepumpenarbeitsmittel und der verdunstenden Flüssigkeit einerseits, zwischen der letzteren und dem Hilfsgas andererseits, und ferner der stofflichen Durchdringung (Diffusion) zwischen dem Brüdendampf und dem Hilfsgas. Der Wärmeaustauscher 7 hat die Aufgabe, die zum Ausdampfen über Leitung 17 zugeführte Flüssigkeit von der über Leitung 23 abgehenden 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. Das Wärmeäquivalent der Wärmepumpenairbeit wird, soweit es nicht der Deckung von Wärme-Verlusten der Einrichtung nützt, durch den Var-

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kondensator ίο mittels Kühlwassers abgeführt, das über Leitung 28 zu- und über Leitung 29 abfließt. In der Leitung 28 befindet si cn ein Kühlwasserregler 11, der steuerseitig über Leitung 30 mit der Wärmepumpendruckleitung 13 verbunden ist und wie bei einer Kompressionskältemaschine auf einen bestimmten Kondensatordruck eingestellt wird. 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 V'orkondensator fließt. Anstatt eines wasser-

.15 gekühlten kann auch ein luftgekühlter Vorkondensator Verwendung finden, dessen Leistung zur 'Aufrechterhaltung des Beharrungszustandes der Wärmepumpe ebenfalls regelbar eingerichtet sein kann,. Die gesamte Einrichtung außer der Wärmepumpe und den Nebenteilen ist im Gehäuse 12 untergebracht.

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 Kolbenkompressor. Für die Strömungsverteilung der Luft sind die Drosselklappen 31, 32, 33 vorgesehen, die übrigen Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in' den Abb. 1 und 2. In der gezeichneten Stellung der Drosselklappen, und zwar Drosselklappe 33 geschlossen und Drosselklappen 31 und 32 geöffnet, strömt ständig neue Luft, die durch die offene Drosselklappe 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 31 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 Drosselklappen. ■ 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 Umgebungsatmosphäre 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 Brüderidampfes. Das Kondensat, das sich unterhalb des' Verdampfers sammelt, setzt sich also zusammen aus atmosphärischer Luftfeuchtigkeit und einem Teil der Brüdenfeuchtigkeit, während der andere Teil der Brüdenfeuchtigkeit ins Freie ausgestoßen wird. Durch entsprechende Zwisehenstellungen der Drosselklappen kann das Teilmengenverhältnis zwisehen der durchtretenden atmosphärischen Luft und der immer umgewälzten Luft beliebig geregelt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann seinem We,sen nach anstatt mit »Thermokompression« auch mit »Thermodiffusion« bezeichnet werden.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mit Wärmepumpe arbeitendes Verfahren zum Ausdampfen von Flüssigkeiten, Gemengen und -Lösungen mit Flüssigkeitserwärmung durch den Kondensator der Wärmepumpe und Flüssigkeitsverdunstung in Luft oder einem anderen inerten Hilfsgas als Brüdenträger in einem Verdunster, dadurch gekennzeichnet, daß bei in sich geschlossenem eigenem Kreislauf des Wärmepumpenarbeitsmittels der Verdampfer (4) der Wärmepumpe das über ihn strömende Hilfsgas unter den Taupunkt abkühlt und dabei ent^: feuchtet, worauf das so getrocknete Hilfsgas zum Verdu.nster (3) strömt, um den Brüdendampf aufzunehmen.

2. Mit Luft-als Hilfsgas betriebenes Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsatmosphäre entnommene Luft durch den Verdampfer (4) entfeuchtet und dann mit im Verdunster (3) aufgenommenem Brüdendampf beladen ins Freie wieder ausgestoßen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der über Verdampfer (4) und Verdunster (3) strömenden Luft eine Teilmenge der Umgebungsatmosphäre entnommen und ins Freie wieder ausgestoßen und die andere Teilmenge immer umgewälzt wird, wobei das Teilmengenverhältnis z. B. durch Verstellung von Drosselklappen (31, 32, 33) beliebig geregelt werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß immer dasselbe Hilfsgas über Verdampfer (4) und Verdunster (3) umgewälzt wird.

5. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensator (2) und Verdunster (3) zu einer Einheit, dem Verdunstungskondensator' (2, 3), organisch zusammengefaßt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher (7), in dem die zugeführte Flüssigkeit von der ausgedunste-

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ten abgehenden Flüssigkeit erwärmt wird, wobei letztere sich abkühlt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher (8), in dem das vom Kondensator (2) zum Verdampfer (4) übergehende flüssige Arbeitsmittel der Wärmepumpe vor dem Durchgang durch das Regelventil (9) -von dem durch den Verdampfer (4) ausgeschiedenen, abgehenden Brüdenkonidensat gekühlt wird, wobei letzteres sich erwärmt.

8. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 7, gekennzeichnet durch 'einen wasser- oder luftgekühlten Vorkondensator (10), durch den das Wärmeäquivalent der Wärmepumpenarbeit, soweit es nicht der Deckung von Wärmeverlusten nützt, an Kühlwasser oder an die Umgebungsluft abgeführt wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Beharrungszustand der Wärmepumpe und damit der Flüssiigkeitsausdämpfung durch Regelung der durch den Vorko-ndensator !abzuführenden Wärmemenge, z. B, bei !einem wassergekühlten Vorkondensaten vermöge Mengenregelung des wärmeabführenden Kühlwassers mittels eines in der Kühlwasserleitung (28) befindlichen und vom Verdichtungsdruck der Wärmepumpe betätigten Kühlwassierreglers (11), aufrechterhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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