DE4437149B4

DE4437149B4 - Verfahren zur Direktentspannungsverdampfung

Info

Publication number: DE4437149B4
Application number: DE19944437149
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Albring; Rainer Dipl.-Ing. Apley; Bodo Dr.-Ing. Burandt; Klaus Dr.-Ing.-habil. Döge; Günter Prof. Dr.-Ing. Heinrich
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1994-10-18
Filing date: 1994-10-18
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2014-10-19
Also published as: DE4437149A1

Abstract

Verfahren zur Entspannungsverdampfung einer Flüssigkeit in einem Dampfraum mit Einbauten, wobei sich die Flüssigkeit durch Druckminderung unter den Sättigungsdruck abkühlt und eine Teilverdampfung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Gemisch aus einem Kälteträger und einem Kältemittel ist und durch die Entspannungsverdampfung der Kälteträger abkühlt und das Kältemittel vollständig verdampft.

Description

Bei der Verdampfung von Flüssigkeiten unterscheidet man in Konvektion (Oberflächenverdampfung), Blasenverdampfung und Filmverdampfung. In der Kältetechnik spielt vor allem das Blasensieden eine technisch bedeutende Rolle. Sowohl beim Behältersieden als auch bei der bekannten Art der Blasenverdampfung strömender Flüssigkeiten sind Kältemittel und Kälteträger durch eine feste Wand getrennt. Sind Kältemittel und Kälteträger aus dem gleichen Stoff, wie zum Beispiel bei Wasser als Kältemittel, dann kann die Verdampfungsentalphie des Kältemittels unmittelbar dem Kälteträger entzogen werden. Dieser Siedemechanismus erfolgt bekanntermaßen durch die Entspannungsverdampfung, bei der der Druck der Flüssigkeit unter den Siededruck abgesenkt wird, so dass Dampfblasen innerhalb der Flüssigkeit entstehen können.
Bekannt ist auch ein Verfahren der Direkt-Entspannungsverdampfung von Kältemitteln aus einem Kälteträger-Kältemittel-Gemisch als Behälter-Sieden, bei dem das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch unterhalb des Flüssigkeitsspiegels zugeführt wird, wobei die Verdampfung in der Flüssigkeit (Blasensieden) durch die Entspannung der zugeführten Flüssigkeit unter den zugehörigen Sättigungsdruck und an der Flüssigkeitsoberfläche (Konvektion) erfolgt. Dabei wird der hohe Volumenanteil des Kälteträgers im Verhältnis zum flüssigen Kältemittel zur Bildung einer großen Phasengrenzfläche nicht ausgenutzt. Das Gemisch aus Kälteträger und Kältemittel steht mit einem waagerechten Flüssigkeitsspiegel im Behälter. Ein hohes Flächen-Volumen-Verhältnis lässt sich bei dieser Ausführung nur mit einem großen Flüssigkeitsspiegel erreichen. Die Flüssigkeitssäule im Behälter verschlechtert die Transportbedingungen und erfordert große Unterschreitungen des Sättigungsdruckes oder größere Überhitzungstemperaturen. Durch eine aufgezwungene Strömung der Flüssigkeit in Richtung des Flüssigkeitsspiegels wird bei den bekannten Verfahren die Verdampfungsbedingung verbessert, dabei muss jedoch durch Einbauten gesichert werden, dass keine Mischungsverluste zwischen Kälteträger-Kältemittel-Eingang und Kälteträger-Ausgang auftreten.
Bekannt ist ein Entspannungsverdampfer bei dem das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch über einen Stutzen und einem Drosselorgan in den Flüssigkeitssumpf eingespritzt wird. Das Drosselorgan bewirkt die Druckabsenkung unter den Sättigungsdruck, so dass es zu einer Verdampfung in der Flüssigkeit kommt. Zusätzlich findet noch eine Verdampfung an der Flüssigkeitsoberfläche statt. Der Dampf wird über einen oben angeordneten Stutzen abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit verlässt über einen unteren Stutzen den Entspannungsverdampfer.
Ein weiterer bekannter Entspannungsverdampfer ist der Tangentialseparator. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Verdampfer wird das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch in den Dampfraum tangential eingespritzt. Die Druckabsenkung des Kälteträger-Kältemittel-Gemisches unter Sättigung erfolgt wieder in einem vorgeschalteten Drosselorgan. Durch Zentrifugalkraft werden die Flüssigkeitstropfen vom Dampfstrom getrennt. Der Dampf wird über einen oben angeordneten Stutzen abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit verlässt über einen unteren Stutzen den Tangentialseparator.
Aus der Druckschrift DE 40 29 071 A1 ist eine Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten bekannt. Die Verdampfung findet in einem Dampfraum statt, wobei in diesem Dampfraum Einbauten angeordnet sind. Gemäß Spalte 2, ab Zeile 35, wird mitgeteilt, dass bei einer Entspannungsverdampfung die Erzeugung des Brüden durch Drucksenkung der meist auf Siedetemperatur vorgewärmten Lösung erfolgt. Gemäß der 1 wird die Flüssigkeit über ein Zentralrohr (Produkteinlass) in das Gehäuse eingeführt, der Dampfauslass befindet sich im oberen Bereich (dort Pos. 3) und der Produktauslass (flüssige Phase) befindet sich bei Position 4.
Aus der Druckschrift DE 30 18 918 A1 ist eine Vorrichtung zum Abkühlen und gleichzeitigen Teilverdampfen einer Flüssigkeit bekannt, wobei durch das Einbringen der Flüssigkeit in ein Vakuumgefäß eine Entspannungsverdampfung stattfindet, die die Flüssigkeit abkühlt bei gleichzeitiger entsprechender Teilverdampfung.
Aufgabe der Erfindung ist es, kleine Bauabmessungen des Verdampfers bei der Direkt-Entspannungsverdampfung zu erreichen, wobei der Dampf und die Flüssigkeit den Verdampfer getrennt verlassen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Druckmindenung des strömenden Kältemittel-Kälteträger-Flüssigkeitsgemisches unter den Sättigungsdruck in den Eintritt des Dampfraumes gelegt wird, wobei durch strömungsrichtungsbeeinflussende Elemente gleichzeitig eine Kombination und Überlagerung von Entspannung, von Verdampfung in stark verwirbelter Zweiphasenströmung bei großer Phasengrenzfläche und von Abscheidung zwischen Kältemittel und Kälteträger, hervorgerufen durch Zentrifugalkraft und/oder Trägheitskraft sowie Schwerkraft der Kälteträgerflüssigkeit und Auftriebskraft des Kältemitteldampfes, erfolgt. Dabei wird die für die Verdampfung notwendige Phasengrenzfläche zwischen Dampf und Flüssigkeit sowohl durch den durch die Strömung erzeugten, unregelmäßigen Flüssigkeitsspiegel, durch Flüssigkeitsfilme an festen Oberflächen, durch entstehende Gasblasen, Gaspfropfen sowie durch Gaseinschlüsse und Flüssigkeitstropfen so gebildet, dass die Flüssigkeitstropfen nicht zu fein verteilt und auf kurzem Wege abgeschieden werden. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Kombination und Überlagerung der Prozessschritte Entspannung, Verdampfung, Abscheidung in einem kleinen Raum stattfinden kann, und dass der Dampf und die Flüssigkeit im Sättigungszustand getrennt austreten.
Die Erfindung nutzt den größeren Anteil des nicht verdampfenden Kälteträgers im Verhältnis zum verdampfenden Kältemittel aus, indem die Abscheidung großer Tropfen des Kälteträgers in den Bereich der für die Verdampfung erforderlichen Phasengrenzfläche der stark verwirbelten Zweiphasenströmung gelegt wird, so dass Entspannung, Verdampfung und Abscheidung auf engem Raum gleichzeitig stattfinden.
Aus dem Verdampfer wird somit erfindungsgemäß ein Abscheider-Verdampfer, der bereits in der Eintrittszone des flüssigen Kältemittel-Kälteträger-Gemisches durch Phasentrennung die Bedingungen für den Dampfraum reproduziert.
Die Erfindung wird am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. 1 zeigt die Zustandspunkte des Prozessverlaufes der Entspannungsverdampfung mit Abscheidung im 1g p/h-Diagramm.
Das Kältemittel-Kälteträger-Flüssigkeitsgemisch (siehe 1) gelangt mit einem Druck p1 und einer Temperatur t1 (Zustandspunkt 1) in den Entspannungsverdampfer. Im Entspannungsverdampfer wird die Kälteträger-Kältemittel-Flüssigkeit vom Druck p1 auf den Druck p2 gedrosselt, wobei gleichzeitig ab dem Druck ps1 die Verdampfung und Abscheidung des Kältemittels aus der Kälteträgerflüssigkeit erfolgt. Der Kälteträger kühlt sich bei diesem Entspannungsverdampfungs-Abscheidungsvorgang von der Temperatur t1 auf die Temperatur t2 ab und gelangt im Sättigungszustand 2a aus dem Entspannungsverdampfer. Das Kältemittel wird im Entspannungsverdampfer vollständig verdampft und gleichzeitig aus der Kälteträgerflüssigkeit abgeschieden. Der Kältemitteldampf wird im trockengesättigten Zustand 2b aus dem Entspannungsverdampfer abgesaugt.
2 zeigt einen stehenden Entspannungsverdampfer in weitgehender rotationssymmetrischer Ausführung. Die Einbauten 1 des Entspannungsverdampfers befinden sich im Dampfraum. Das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch gelangt über den Anschlussstutzten 3 in den mit Einbauten 1 versehenen Dampfraum. Die Druckabsenkung vom Druck p1 unter den Sättigungsdruck ps1 bis zum Druck p2 erfolgt ausschließlich durch die Einbauten 1, wobei gleichzeitig eine große Flüssigkeitsoberfläche infolge dieser Einbauten 1 realisiert wird. Nach Unterschreitung des Sättigungsdruckes verdampft das Kältemittel und trennt sich gleichzeitig vom Kälteträger. Die Bildung einer großen Phasengrenzfläche an den Einbauten begünstigt den Verdampfungsprozess. Der Dampf wird über den Stutzen 2 abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit verlässt über den Stutzen 4 den Entspannungsverdampfer. Das Rohr 5 dient zum Druckausgleich.
In der 3 ist eine liegende Variante eines Entspannungsverdampfers dargestellt. Der Druckabbau der über den Stutzen 3 eintretenden Kälteträger-Kältemittel-Flüssigkeit erfolgt durch die Einbauten 1 weitgehend in horizontaler Richtung. Der Dampf wird über den Stutzen 2 abgesaugt und die abgekühlte Flüssigkeit fließt am hinteren Ende des liegenden Entspannungsverdampfers über den Stutzen 4 ab. Die Druckausgleichsleitung 5 liegt außerhalb des Behälters.

Claims

Verfahren zur Entspannungsverdampfung einer Flüssigkeit in einem Dampfraum mit Einbauten, wobei sich die Flüssigkeit durch Druckminderung unter den Sättigungsdruck abkühlt und eine Teilverdampfung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Gemisch aus einem Kälteträger und einem Kältemittel ist und durch die Entspannungsverdampfung der Kälteträger abkühlt und das Kältemittel vollständig verdampft.
Verfahren zur Entspannungsverdampfung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Einbauten durch Stelleingriff von Hand oder durch Regelung so verändert werden kann; dass eine Anpassung an alle Lastbedingungen möglich ist.
Verfahren zur Entspannungsverdampfung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kälteträger-Kältemittel-Gemisch auch ein Absorptionsmittel-Kältemittel-Gemisch sein kann.