DE2322501A1 - Vorrichtung zum verdampfen von fluessigkeiten - Google Patents
Vorrichtung zum verdampfen von fluessigkeitenInfo
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Description
WM It
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg AG Z O Z. ζ. ο υ ι
Akte: PHN 6788
Anmeldung vom: 2.5.73
Anmeldung vom: 2.5.73
Vorrichtung· zum Verdampfen von. Flüssigkeiten.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verdampfen von Flüssigkeiten, die mit mindestens einer
heizbaren Wand und mit Mitteln versehen ist, mit deren Hilfe
die betreffende Flüssigkeit als ein dünner Film über die erwähnte Wand verteilt wird. Derartfee Vorrichtungen können in der
Industrie, z.B. in Systemen verwendet werden, bei denen zum Transportieren von Wärme an einer Stelle (Verdampfer) eine
Flüssigkeit verdampft wird und an einer anderen Stelle (Kondensor) wieder kondensiert. Durch die gute Wärmeübertragung·
bei Verdampfung und Kondensation sind die dazu benötigten Wärmeübertragungsoberflächen
klein. Weiter sind die auftretenden Temperaturverluste und ist auch die umlaufende Menge des Wärme—
transportmediums gering. Letzteres ergibt den Vorteil, dass zum Rundpumpen nur eine geringe Leistung erforderlich ist.
Dadurch, dass die Temperaturen, bei denen in der chemischen Prozesstechnik und auch in Kraftwerkzeugen die
Prozesse vor sich gehen, meisteis hoch sind, soll auch der Temperaturpegel, auf dem der vorerwähnte Wärmetransport erfolgt,
hoch sein. Bei diesen hohen Temperaturen von mehr als 5000C
sind nur metallische Wärmeträger (z.B. Na und K) gut brauchbar. Sie können nämlich diese Temperaturen aushalten und weisen
niedrige Dampfspannungen auf. Ein Nachteil ist jedoch der, dass das Sieden dieser Flüssigkeiten durch ihre hohe Oberflächenspannung
und durch die geringe Zunahme ihres Dampfdimckes mit
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der Temperatur verzögert wird. Dies veranlasst unerwünschte
Schwankungen der Temperatur und des Druckes. Dies lässt sich bekanntlich dadurch vermeiden, dass derartige Flüssigkeiten
als ein dünner Film über eine erhitzte Oberfläche geführt werden, so dass Verdampfung an der Filmoberfläche nahezu ohne
Ueberhitzung stattfindet.
Die Verteilung der .Flüssigkeit über die betreffende
Oberfläche bereitet bei den sehr hohen Temperaturen Schwierigkeiten.
Bei niedrigen Temperaturen ist es üblich, die Dicke der Flüssigkeitsschicht durch Wischer oder rotierende Walzen
auf mechanischem Wege herabzusetzen. Aus technologischen Gründen sind diese Verfahren bei höheren Temperaturen schwer anwendbar.
Auch sind Fallstromverdampfer bekannt, bei denen die Flüssigkeit oben über eine Wand verteilt wird und dann an der
Wand herabströmt. Ungestörte Schichten gleichmässiger Dicke lassen sich jedoch sehr schwer erzielen.
Die Erfindung bezweckt, die obengenannten Probleme zu vermeiden. ^-
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist daher dadurch
gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch eine poröse Schichf
gebildet werden, von der ein erster Teil die betreffende Wand bedeckt und auf der Oberseite über ein Bogenstück in einen zweiten
Schichtteil übergeht, der sich in einiger Entfernung von dem ersten Schichttedl erstreckt und von einem Flüssigkeitsbehälter
umgeben ist, in den eine Zufuhrleitung für zu verdampfende Flüssig
keit mündet.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung saugt die genannte poröse Schicht über das Bogenstück Flüssigkeit aus
dem Behälter und verteilt diese Flüssigkeit als ein gleichmassiger
ungestörter Film über die erhitzte Wand. Die poröse Schicht *iirkt dabei wie ein Heber.
Durch Aenderung des Flüssigkeitspegels im Behälter passt sich die angesaugte Flüssigkeitsmenge an die dem Behälter
zugeführte Flüssigkeitsmenge an. Im stationären Zustand sind die Flüssigkeitsmengen, die aus dem Behälter abgeführt
und dem Behälter zugeführt werden, einander gleich. Auf diese Weise ist durch einfache Mittel eine sehr befriedigende Verteilung
der Flüssigkeit über die Wand gewährleistet. Nachstehend wird an Hand der Figurbeschreibung die Wirkungsweise
noch näher erläutert.
Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der
Vorrichtung nach der Erfindung weist der genannte zweite Teil der Schicht einen in Richtung auf das Bogenstück zunehmenden
Querschnitt auf.
Dies lässt sich nach der Erfindung dadurch erreichen, dass der zweite Teil der Schicht mit einer Anzahl Aussparungen
versehen wird, die sich in Richtung auf das Bogenstück verjüngen. Z.B. können die Aussparungen dreieckig gestaltet sein.
Durch die obengenannte Aenderung des Querschnittes des zweiten Schichtteiles wird erreicht, dass der Einfluss der
Aenderung des Flüssigkeitspegels im Behälter auf den der Wand zugeführten Flüssigkeitsstrom grosser wird. In anderen Worten:
die Regelung des der Wand zugeführten Flüssigkeitsstromes ist empfindlicher geworden.
409847/05 5 8
Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der
Vorrichtung nach der Erfindung wird die poröse Schicht durch eine Anzahl Gazen mit groben Maschen gebildet, die von einer
Gazeschicht mit feineren Maschen umgeben sind.
Auf diese Weise wird ein Heber erhalten, wobei die Flüssigkeitsströmung in dem Heber einem nicht zu starken
Widerstand begegnet, während infolge der feinmaschigen Gazen die Kapillarkraft derart gross ist, dass die Flüssigkeit wohl verdampfen,
aber nicht ausströmen kann.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Raum, in dem der Dampf gebildet wird, über eine Dampfleitung mit einem Kondensor
verbunden ist, der über eine Knndensatleitung mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist, wobei der Kondensor höher
als der Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist und sich in der Kondensationsleitung eine Flüssigkeitssperre befindet.
Auf diese Weise wird eine Vorrichtung erhalten, bei der der gebildete Dampf Wärme von der heizbaren Wand zu dem Kondensor
transportiert und bei der das Medium ohne Anwendung von Pumpmitteln umläuft.
Weiter stellt sich in dieser Vorrichtung automatisch im Flüssigkeitsbehälter ein derartiger Flüssigkeitspegel"ein,
dass der der Wand zugeführte Flüssigkeitsstrom stets der verdampften Menge Medium entspricht.
Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform der Vorrichtung
nach der Erfindung, bei der die zu verdampfende Flüssig keit ein Metall, z.B. Natrium ist, ist der Raum, in der Dampf
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gebildet wird, über eine Dampfleitung an den Kondensor
angeschlossen, der über eine Kondensatleitung mit einem Sammelgefäss verbunden ist, von dem aus das Kondensat dem
Flüssigkeitsbehälter in derartigem Masse zugeführt wird, dass die zugeführte Menge grosser als die verdampfende Menge ist.
Bei dieser Vorrichtung wird also stets ein Ueberschuss
an Flüssigkeit der heizbaren Wand zugeführt. Dieser
Ueberschuss wird infolge der Schwerkraft auf der Unterseite aus der porösen Schicht herausströmen. Dies hat den Vorteil, dass
sich in der porösen Schicht keine Anhäufung von Metalloxyden ergeben kann.
Eine derartige Anhäufung würde einen korrosiven
Angriff der porösen Schicht und der Wand des Verdampfers veranlassen.
Dadurch, dass man einen Ueberschuss an Flüssigkeit durch die poröse Schicht hindurchströmen lässt, ist die lange
Lebensdauer der Vorrichtung sichergestellt;
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch und nicht masstäblich eine Vorrichtung zum Verdampfen von Flüssigkeiten,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druck und dem Massenstrom der Flüssigkeit in der
porösen Schicht.
Fig. 3a die Weise, auf die die poröse Schicht mit
dreieckigen Aussparungen versehen sein kannr
Fig. 3fr die Weise, auf die der Querschnitt der porösen
Schicht von dem Bogenstück her abnimmt,
Fig. k eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen dem Druck und dem Massenstrom der.Flüssigkeit in der porösen Schicht nach Fig. 3,
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Fig. 5 eine Verdampfungsvorrichtung, bei der der Dampf, nachdem er über einen Kondensor geführt worden ist,
über eine Kondensatleitung wieder in den Flüssigkeitsbehälter zurückströmt,
Fig. 6 eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen von Natrium, bei der das Natrium mit IfiLfe von Pumpen rundgepumpt
wird, und Figuren 7 und 8 andere Ausführungsfbrmen von
Verdampfungsvorrichtungen, in Fig. 1 bezeichnet 1 einen
Verdampfungsbehälter, der auf der Obersexte mit einer Dampfabfuhrleitung
2 und auf der Unterseite mit einer Dampfabfuhrleitung 2 und auf der Unterseite mit einer Leitung 3 zum Abführen
gegebenenfalls verbleibender Flü ssigkeit versehen ist.
Auf der Aussenseite ist der Behälter 1 von einer elektrischen Heizweldel 4 umgeben. Auf der Innenseite ist die
Wand des Behälters 1 mit einem ersten porösen Schichtteil 5
überzogen, der über ein Bogenstück 6 in einen zweiten porösen Schichtteil 7 übergeht, der sich parallel zu dem Schichtteil
5 erstreckt und von einem Flüssigkeitsbehälter 8 umgeben ist. Dem Behälter 8 kann über eine Leitung 9 mittels einer Pumpe
zu verdampfende Flüssigkeit zugeführt werden.
Die poröse Schicht 5» 6, J besteht dabei aus einer
Anzahl Gazeschichten mit groben Maschen, die von einer Gaze mit feinen Maschen ebgedeckt sind. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung
ist folgende.
Dadurch, dass Strom durch die Heizwendel 4 hindurch— geleitet wird, wird der Wand des Behälters 1 und dem porösen
Schichtteil 5 Wärme zugeführt.
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Mit Hilfe der Pumpe 10 wird über die Zufuhrleitung 9
dem Behälter 8 zu verdampfende Flüssigkeit zugeführt. Durch Kapillarwirkung steigt die Flüssigkeit im Behälter 8 in den
porösen Schichtteil 7 bis zu dem Querschnitt 11 des Bogenstiückes
6 hinauf. Von dieser Stelle an strömt die Flüssigkeit unter der Einwirkung der Schwerkraft durch den Schichtteil 5 herab. Die
poröse Schicht 7» 6» 5 wirkt also wie ein Heber, wobei die
Flüssigkeit als eine dünne gleichmässige Schicht über die erhitzte Innenwand des Behälters 1 geführt wird, wobei der
Flüssigkeitsstrom völlig oder teilweise verdampft.
Das Gleichgewicht der Kräfte in der porösen Schicht ist gegeben durch die Gleichung:
β -
in der H = Höhe des Schichtteiles 5, h = Höhe des Schichtteiles 7 oberhalb des Flüssigkeits—
pegels,
/ P = spezifisches Gewicht der Flüssigkeit uiid
g S= Schwerkraft.
Δ P und ;-"■ρ sind die Druckverluste im Teil 5 bzw. im Teil 7
infolge der Reibung, die der Flüssigkeitsströmung inder porösen Schicht begegnet.
Δ:P„ = CH. -7 und AP. = Ch. ^p,
HA h A
wobei C = Konstante
A = der für die Flüssigkeitsströmung verfügbare Querschnitt
der porösen Schicht und
.->-»■> = Massenstrom der Flüssigkeit.
.->-»■> = Massenstrom der Flüssigkeit.
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Die obenstehenden Formin sind in Fig. 2 graphisch dargestellt, und daraus geht hervor, dass ein Gleichgewicht
zwischen hinaufsteigender und an der Wand herabströmender
Flüssigkeit bei ftK erreicht wird.
Wenn der Flüssigkeitspegel im Behälter 8 derart herabsinkt, dass der Abstand h zu h geändert wird, wird der Druck
in.der hinaufsteigenden Flüssigkeit', längs der gestrichelten
Linie in Fig. 2 verlaufen Ein Gleichgewichtszustand zwischen zugeführter, und abgeführter Flüssigkeit wird nun bei einem
Massenstrom fH_ erreicht, der kleiner ist. Daraus geht also
hervor, dass durch Aenderung des Flüssigkeitspegels im Behälter 8 der über die Wand des Behälters 1 geführte
Flüssigkeitsstrom sich an die verdampfende Menge anpasst.
Bei sehr schnellen Aenderungen entweder in dem Dampfbedarf oder in der zugeführten Wärme wird es erwünscht sein,
möglichst schnell den zugeführten Flüssigkeitstrom daran anzupassen.
Dies ist z.B. dadurch erzielbar, dass der Behälter 8 schmal ausgeführt wird, so dass mit verhstltnismässig geringen
Aenderungen in der Zufuhr von Flüssigkeit schnell verhältnis— massig grosse Pegeländerungen im Behälter, und also eine
Aenderung von h, herbeigeführt werden können.
Eine noch schnellere Regelung lässt sich dadurch erzielen,dass der für die Flüssigkeit verfügbare Querschnitt
A des Schichtteiles 7 von dem Bogenstück 6 an nach unten herabgesetzt wird.
Dies lässt sich mit einer Form nach Fig. 3a oder einer
Form nach Fig. 3b verwirklichen.
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e-9-
In Fig· 3a weist der Schichtteil 7 eine vom
Bogenstück 6 an zugespitzte Form auf.
In Fig. 3t) wird eine Verringerung des Querschnittes
des Schichtteiles 7 dadurch erhalten, dass dreieckige Aus-1
sparungen 17 angebracht werden.
Eine etwaige Kombination dieser beiden Formen ist auch möglich.
Diese Aenderung des Querschnittes A des Schichtteiles
7 hat zur Folge, dassAt? sich nun sowohl durch die Aenderung
/ η
von h als auch durch die Aenderung von A ändert.
Der Effekt ist in Fig. 4 dargestellt, aus der hervorgeht,dass
bei einer gleichen Aenderung h—>h des Flüssigkeitspegels
die Aenderung des Flüssigkeitsstromes m —■> m„,
wobei ein Gleichgewichtszustand besteht, viel grosser als bei der in Fig. 2 dargestellten Situation ist.
Auf diese Weise kann also sehr schnell die Flüssigkeitszufuhr an sich ändernde Betriebsbedingungen angepasst
werden.
Die Verdampfungsvorrichtung nach Fig. 1 kann in der chemischen Prozesstechnik zum Eindampfen von Stoffen verwendet
werden.
Die Vorrichtung kann auch in Systemen verwendet werden
bei denen ein verdampfendes und kondensierendes Medium Wärme
transportiert.
Ein derartiges System ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist dabei mit den
en Bezugsziffern bezeichnet.
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Die Dampfabfuhrleitung 2 verbindet den Raum im
Behälter 1 mit einem Raum lh, in dem ein Kondensorgebilde 12, z.B. der Erhitzer eines Heissgasmotors, angeordnet ist.
,Der Bodem des Behälters 1 ist nun geschlossen; es braucht kein Kondensat abgeführt zu werden und es ist eine Fülleitung
13 vorhanden, über die eine genügende Menge Medium in die Vorrichtung eingeführt werden kann.
Der Raum 14 ist über eine Kondensatleitung 15 mit
dem Flüssigkeitsbehälter 8 verbunden. In der Leitung 15 befindet sich eine Flüssigkeitssperre 16. Beim Betrieb wird
sich in der Vorrichtung eine derartige Menge Medium befinden, dass unten im Behälter 1 Flüssigkeit vorhanden ist, die das
untere Ende des Schichtteiles 5 benutzt.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende.
Ueber die Heizwendel k wird wieder der Wand des
Behälters 1 Wärme zugeführt. Es sei bemerkt, dass die Wärmezufuhr statt über eine Heizwendel auf jede andere
bekannte Weise, z.B. mittels eines Brenners oder eines chemischen Erhitzungssystems, erfolgen kann. Infolge der
zugeführten Wärme wird, wie oben beschrieben wurde, Flüssigkeit aus der Schicht 5 verdampfen, wobei im stationären
Zustand die Menge aus dem Behälter 8 zugeführter Flüssigkeit gleich der Menge verdampfender Flüssigkeit ist.
Der Dampf strömt über die Leitung 2 in den Raum 14%
und kondensiert dort auf dem Kondensor 12.
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Das Kondensat strömt über die Leitung 15 und die Flüssigkeitssperre 16 in den Behälter 8 zurück. Die
Flüssigkeitssperre in dieser Leitung sorgt dafür, dass beim Anlassen der Vorrichtung kein Dampf durch diese
Leitung strömen kann. Beim Betrieb bildet sich eine Flüssigkeitssäule, die dafür.sorgt, dass eine Strömung
in Richtung auf den Behälter 8 auftritt.
Im stationären Zustand strömt eine Menge Dampf zu dem Kondensor, die gleich der Menge zum Behälter 8 strömender
Flüssigkeit ist. Wenn die Kühlleistung des Kondensors 12 zunimmt, nimmt der Druck im Raum 14 ab,
wodurch die Flüssigkeitssäule in der Leitung' 15 hinaufsteigt.
Die dazu benötigte Flüssigkeit wird dem Behälter 8 entzogen, so dass der Flüssigkeitspegel darin abnimmt.
Dies bedeutet, dass die poröse Schicht 7> 6, 5 der Wand
eine geringere Menge Flüssigkeit zuführen wird. Die nun zugeführte Flüssigkeitsmenge ist zu gering für den ursprünglichen
Zustand und somit gewiss zu gering für die benötigte Leistungsvergrösserung. Der Mangel an Flüssigkeit wird von
der Schicht 5 aus der Sich auf dem Boden des Behälters
befindenden Flüssigkeit aufgesaugt. Auf diese Weise passt sich das System also sehr leicht an Leistungsänderungen
des Kondensors an.
Wenn das System bei hohen Temperaturen Wärme transportieren soll, z.B. falls der Kondensor durch den Erhitzer
eines Heissgasmotors gebilde't wird, sollen Metalle, wie Na oder K, als Medium verwendet werden.
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In diesem Falle tritt die Gefahr auf, dass bei höheren Sauerstoffkonzentrationen die poröse Schicht und
die Wand des Behälters 1 stark angegriffen werden. Die Oxyde sind schwer flüchtig, was bedeutet, dass diese beim
"Verdapfen in der porösen Schicht 5 zurückbleiben und sich
dort anhäufen, so dass die Sauerstoffkonzentrationen dort den zulässigen Wert überschreiten können. Um eine derartige
Anhäufung zu vermeiden, wird bei der Vorrichtung nach Fig.6 das Kondensat aus dem Raum Ik über eine Abfuhrleitung 20 in
ein Vorratsgefäss 21 zurückgeführt. An das Vorratsgefäss 21 schliesst sich eine Leitung 22 an, in der sich eine Pumpe
und ein Verschlussglied 2k befinden. Ueber der Pumpe 23 steht eine Umlaufleitung 25, die dafür sorgt, dass bei
geschlossenem Verschlussglied 2k die von der Pumpe gelieferte Flüssigkeit in das Vorratsgefäss zurückströmen kann. Die
Leitung 22 schliesst sich an die Unterseite des Behälters 1 an. Die Unterseite des Behälters 1 steht über eine Leitung
in der sich eine Pumpe 27 befindet, mit dem Behälter 8 in Ver*-
bindung.
Die Pumpe 27 ist nun derart eingestellt, dass sie stets eine gröseere Menge dem Behälter 8 zuführt als aus
der porösen Schicht verdampft. Die überschüssige Flüssigkeit
wird nun auf der Unterseite aus der Schicht 5 herausströmen und dabei die nicht verdampften Oxyde mitführen, so dass keing
Anhäufung dieser Oxyde in der Schicht 5 auftreten kann.
In den Systemen nach den Figuren 5 und 6 ist ein Verdampfergebilde nach Fig. 1 mit elektrischer Erhitzung
angewandt. Stattdessen können auch andere Ausführungen verwendet werden, z.B. wie sie in den Figuren 7 und 8 dar-
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Claims (4)
1. Vorrichtung zum Verdampfen von Flüssigkeiten, die mit mindestens einer heizbaren Wand und mit Mitteln versehen
ist, mit deren Hilfe die betreffende Flüssigkeit als ein dünner Film über die genannte Wand verteilt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch eine poröse Schicht gebildet werden, von der ein erster Teil die Wand
bedeckt und auf- der Oberseite über ein Bogenstück in einen zweiten Schichtteil übergeht, der sich in einiger Entfernung
von dem ersten Schichtteil erstreckt und von einem Flüssig-
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keitsbehälter umgeben ist, in den eine Zuführleitung für
zu verdampfende Flüssigkeit mündet.
2» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der genannte zweite Teil der Schicht einen in Richtung auf das Bogenstück zunehmenden Querschnitt aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Teil der Schicht mit einer Anzahl Aussparungen versehen ist, die sich in Richtung auf das Bogenstück verjüngen
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,
dass die poröse Schicht durch eine Anzahl Gazen mit groben Maschen gebildet wird, die von einer Gazeschicht mit
feineren Maschen umgeben sind.
5» Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum, in dem der Dampf gebildet wird, über eine Dampfleitung mit einem Kondensor
verbunden ist,der über eine Kondensatleitung mit dem Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist und sich in der Kondensatleitung
eine Flüssigkeitssperre befindet.
6, Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1,
2, 3 oder kt bei der die zu verdampfende Flüssigkeit ein
Metall ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum, in der Dampf gebildet W.rd, über eine Dampfleitung mit einem Kondensor
verbunden ist, der über eine Kondensatleitung mit einem.Sammelgefäss
verbunden ist, von dem aus das Kondensat dem Flüssig-. keitsbehälter in derartigem Masse zugeführt wird, dass die
zugeführte Flussxgkeitsmenge grosser als die verdampfende Menge
ist.
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