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EP0849556A2 - Kondensator für binäre/polynäre Kondensation - Google Patents

Kondensator für binäre/polynäre Kondensation Download PDF

Info

Publication number
EP0849556A2
EP0849556A2 EP97810915A EP97810915A EP0849556A2 EP 0849556 A2 EP0849556 A2 EP 0849556A2 EP 97810915 A EP97810915 A EP 97810915A EP 97810915 A EP97810915 A EP 97810915A EP 0849556 A2 EP0849556 A2 EP 0849556A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
condensation
mixture
pipes
capacitor according
steam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97810915A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0849556A3 (de
Inventor
Francisco Blangetti
Günter Volks
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0849556A2 publication Critical patent/EP0849556A2/de
Publication of EP0849556A3 publication Critical patent/EP0849556A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
    • F28B1/02—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using water or other liquid as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0135—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by grids having only one tube per closed grid opening
    • F28F9/0136—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by grids having only one tube per closed grid opening formed by intersecting strips
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    • Y10S165/416—Extending transverse of shell, e.g. fin, baffle
    • Y10S165/423—Bar
    • Y10S165/424—Bar forming grid structure

Definitions

  • the invention relates to a capacitor for implementation binary / polynary condensation.
  • Such capacitors are required for example in Power generation systems used to increase efficiency work with a circulating substance which is in the energy cycle is easily convertible, for example an ammonia / water mixture.
  • a circulating substance which is in the energy cycle is easily convertible, for example an ammonia / water mixture.
  • the invention has for its object a deflator Creating capacitor for binary / polynary condensation, who works with minimal exergetic losses.
  • the "deflegatory” refers to the condensation a steam mixture with a change in concentration of the Phases involved in the condensation process.
  • such a capacitor is distinguished through an upright arrangement of the coolant Pipes, through an at least approximately in the upper area of the coolant pipes arranged inlet port for the condensing mixture and through a below the coolant pipes arranged collecting room for the condensate to be discharged, the inlet connection and the collecting space via one connected the condenser jacket enveloping the tubes are further characterized in that the coolant predominantly Part of the condensation space in pure counterflow to the Liquid / vapor mixture is led and the mixture and the condensate film flows in direct current, which is why the pipes flow over one tube plate with one inlet side and one outlet side Water chamber are connected.
  • the steam side sliding achieved with such an apparatus Temperature profile is a result of segregation or separation work, which occurs due to binary / polynary condensation.
  • a mixture condenses, which is enriched with the heavy-boiling component of the mixture, while at the end of the condensation path condensed another mixture, which with the lower-boiling Component of the mixture is enriched.
  • the apparatus shown in Fig. 1 is usually different Heat and mass transfer in a not shown Column associated. So he could be the bottom part of one represent such a pillar. It exists in its outer form essentially of cylindrical parts, namely one upper inlet connection 1, a lower collecting space 2 and in between the inlet port with the collecting room connecting capacitor jacket 3. All elements are in vertical arrangement and are from the condensed Flows through the mixture from top to bottom.
  • this condensable mixture consists of ammonia (NH 3 ) and water (H 2 O). It has an ammonia concentration of 0.6 to 0.3 parts by mass. It is fed to the inlet port 1 at a pressure of approximately 4.0 to 1.5 bar and at approximately the dew point temperature, ie close to saturation.
  • the actual heat exchanger consists of a bundle vertically arranged tubes 4, from the coolant, here Water that flows from bottom to top. These pipes, several thousand of which, depending on the desired performance may be present, preferably have a length of approx. 5 to 20 meters. They are over in classic construction a tube sheet 6, 5 with an inlet-side water chamber 7 and an outlet-side water chamber 8 connected. This Water chambers are one with a feed line 9 respectively Lead 10 provided. These penetrate the walls on the one hand the inlet connection 1, on the other hand the collecting room 2 and are in the cooling circuit, not shown switched.
  • the correct functioning of the device depends essentially that a clean counterflow between cooling water and steam mixing is realized.
  • the transition from Inlet connection to the condensed part on the plane of the upper tube sheet 5 narrowed in a funnel shape.
  • the steam mixture is forced into the tube bundle.
  • the steam mixture is said to be marginal largely prevented.
  • the rejuvenation resp. the diameter the capacitor jacket is therefore dimensioned so that the annular gap 11 between the tubes of the outer bundle periphery and the capacitor jacket as tight as possible is. It should be a maximum of twice the clear width between correspond to two neighboring pipes.
  • the empty volume portion of the tube bundle on the steam side on the sum of all pipe sizes with regard to the trickle film [Flow rate in kg / m * sec] is such that the speed of the condensate film flowing down the pipes - which with turbulent film approx. 0.8 to 1.2 m / sec is - about the average flow velocity of the condensing steam mixture corresponds.
  • the measure is the heat and heat to be described below Mass transfer between the co-flowing steam mixture and the condensate film ensured.
  • the transition from the condensed section to the collecting room 2 is slightly expanded in the plane of the lower tube sheet 6, so that the condensate that collects on the tube sheet runs off can.
  • This extension can be like the top taper also be made funnel-shaped.
  • the circular lower tube plate 6 is in its central area penetrated by a tube 17, which in its in the part protruding into the condensation space is perforated.
  • This tube 17 is for the removal of the non-condensable gases determined from the condensation space. For this it is through the lower water chamber 7 and the wall of the collecting room led out of the apparatus and connected with suitable suction means. The remaining condensing portion from the extracted Mixture which consists practically only of ammonia, is recovered in a downstream absorption column.
  • the diagram also teaches that to achieve one possible large separation work, the smallest possible temperature difference between mixture and coolant.
  • the invention aims to avoid the latter.
  • the goal is one non-isothermal condensation of the mixture with a corresponding Reduction of essential exergy losses.
  • Fig. 3 explains which schematically the condensation of a shows saturated flowing steam mixture.
  • she is outer tube wall one of the coolant from bottom to top flowed through pipe.
  • This tube wall forms one vertical cold surface whose temperature is below the dew point temperature - compared to that in the concentration in The core of the flow - lies. It gets from top to bottom flowing saturated vapor mixture with the cold surface in Touch, a condensate forms, which is a film 22 flows down the surface.
  • pure substances call the phase balance and kinetics Formation of a vapor-side mass transfer boundary layer and thus a temperature drop at the phase boundary between Film and steam. The result arises in this Area an enrichment in the low-boiling component of the mixture.
  • the concentration is in this area higher than in the core flow.
  • Y G denotes the concentration of the lower-boiling component of the mixture, which is constant in the core flow, which is distinguished by its horizontal course.
  • the concentration rises to point A.
  • the concentration drops from point B at the phase boundary to the pipe wall.
  • Points A and B are in the so-called phase equilibrium, and the associated temperatures can then be determined from an enthalpy diagram.
  • the temperature curve is designated T in the diagram, T K representing the temperature in the core flow it and T W representing the temperature of the condensate film on the tube wall.
  • Fig. 4 shows schematically the course M of this non-isothermal deflagmatory condensation of a mixture in one Diagram "temperature along z" [T, z], where z is the height of the vertical coke deposition room. W denotes the Temperature curve of the coolant. With R is the isothermal Course of a total condensation called. ⁇ T represents the achievable profit, which in the present case is a Ammonia / water mixture several Kelvin, e.g. 5-8K can.
  • Capacitor Also decisive for the proper functioning of the Capacitor is the requirement that disturbances in the flow can be largely prevented in the condensation chamber. Such disturbances could lead to undesired mixing of the condensate film and the vapor phase cause what is negative affects deflegmatory condensation.
  • the support plates that have been customary in capacitors so far are therefore provided the tubes by horizontally extending bands 12, 13 to support. These bands are mutually in one or several levels arranged along the length of the pipe.
  • FIG. 5 Such a pipe support is sketched in FIG. 5.
  • Triangular arrangement that is known to be the The largest possible number of pipes can be accommodated.
  • a first layer of bands 12 is crosswise from a second arranged position of bands 13 underlaid. With the narrow sides of their tapes form only an insignificant one Blocking of the cross-section flowed through.
  • Fig. 6 the leadership respectively. Attachment of such tapes on Capacitor jacket 3 shown.
  • they are Tapes can be moved in a heat-circulating manner around the jacket Leadership 14 a.
  • the ring-shaped guide can turn on attached several locations of the circumference of the jacket in supports 15 be.
  • Toothed belts 16 are used here. Two each Layers can be nested into one another via the toothing and result in a stiff grid through which the pipes 4 can be easily inserted during assembly then with the tube sheets 5 and 6 positive and / or non-positive to be connected.
  • Fig. 8 is a steam inflow variant for Condensation room shown. Functionally identical elements are included the same reference numerals as in Fig. 1.
  • Execution is the usually circular upper tube plate 5 expanded in diameter.
  • This is in Example provided with two lateral steam supply lines 19.
  • Via suitable openings 20 in the capacitor jacket 3 the are evenly distributed over its circumference Radially vapor into the tube bundle.
  • the top part of the tubing not in counterflow pressurized, but this affects the type of steam introduction the way it works. Because the steam becomes immediate redirected to the vertical and in this area no pronounced capacitor film has formed yet. With This solution can reduce the overall length due to the large needed exchange areas already very "long" apparatus be reduced somewhat.

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Abstract

Ein deflagmatorischer Kondensator für die binäre/polynäre Kondensation eines Dampfgemisches ist stehend angeordnet. Er weist vom Kühlmittel durchströmte Rohre (4), einen im oberen Bereich der Kühlmittelrohre angeordneten Einlassstutzen (1) für das zu kondensierende Gemisch und einen unterhalb der Kühlmittelrohre (4) angeordneten Sammelraum (2) für das abzuführende Kondensat auf. Der Einlassstutzen (1) und der Sammelraum (2) sind über einen die Rohre (4) umhüllenden Kondensatormantel (3) miteinander verbunden. Das Kühlmittel wird im überwiegenden Teil des Kondensationsraumes in reinem Gegenstrom zum Gemisch geführt. Das erzielte dampfseitige gleitende Temperaturprofil ist eine Folge der Entmischung anlässlich der Kondensation. Am Anfang der Kondensationsstrecke kondensiert eine Mischung, welche angereichert ist mit der schwerersiedenden Komponente des Gemisches, während am Ende der Kondensationsstrecke eine andere Mischung auskondensiert, welche mit der leichtersiedenden Komponente des Gemisches angereichert ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kondensator zur Durchführung einer binären/polynären Kondensation.
Derartige Kondensatoren werden beispielsweise benötigt in Stromerzeugungssystemen, die zur Wirkungsgradsteigerung mit einem Kreislaufstoff arbeiten, welcher im Energiekreislauf leicht umwandelbar ist, beispielsweise ein Ammoniak/Wasser-Gemisch. Durch Änderung der Zusammensetzung des Gemisches im Kreislauf kann gegenüber dem klassischen Rankine-Prozess zu Beginn des Kreislaufes mehr Wärme aufgenommen und an dessen Ende weniger Wärme abgegeben werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen deflematorischen Kondensator für binäre/polynäre Kondensation zu schaffen, der mit minimalen exergetischen Verlusten arbeitet.
Das "deflegmatorisch" bezieht sich hierbei auf die Kondensation einer Dampfmischung mit Konzentrationsänderung der am Kondensationsprozess beteiligten Phasen.
Erfindungsgemäss zeichnet sich ein derartiger Kondensator aus durch eine stehende Anordnung der vom Kühlmittel durchströmten Rohre, durch einen zumindest annähernd im oberen Bereich der Kühlmittelrohre angeordneten Einlassstutzen für das zu kondensierende Gemisch und durch einen unterhalb der Kühlmittelrohre angeordneten Sammelraum für das abzuführende Kondensat, wobei der Einlassstutzen und der Sammelraum über einen die Rohre umhüllenden Kondensatormantel miteinander verbunden sind, ferner dadurch, dass das Kühlmittel im überwiegenden Teil des Kondensationsraumes in reinem Gegenstrom zum Flüssigkeits/Dampf-Gemisch geführt wird und das Gemisch und der Kondensatfilm im Gleichstrom strömen, wozu die Rohre über je einen Rohrboden mit einer eintrittseitigen und einer austrittseitigen Wasserkammer verbunden sind.
Das mit einem solchen Apparat erzielte dampfseitige gleitende Temperaturprofil ist eine Folge der Entmischung oder Trennarbeit, die durch die binäre/polynäre Kondensation auftritt. Am Anfang der Kondensationsstrecke kondensiert eine Mischung, welche angereichert ist mit der schwerersiedenden Komponente des Gemisches, während am Ende der Kondensationsstrecke eine andere Mischung auskondensiert, welche mit der leichtersiedenden Komponente des Gemisches angereichert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines mit einem Ammoniak/Wasser-Gemisches arbeitenden Apparates schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt eines deflagmatorischen Kondensators;
Fig. 2
ein Diagramm Trennarbeit S als Funktion der Konzentration des Gemisches in der Kernströmung;
Fig. 3
ein Schema zur Kondensation eines gesättigten strömenden Dampfgemische mit Temperatur- und Konzentrationsverlauf;
Fig. 4
einen Ausschnitt eines Diagrammmes mit dem Temperaturverlauf entlang der Rohre;
Fig. 5
eine Anordnung der Rohrabstützung;
Fig. 6
einen Teilschnitt durch den Kondensator mit der Befestigung der Rohrabstützung;
Fig. 7
eine Variante der Rohrabstützung im Längsschnitt.
Fig. 8
eine Dampf-Zuströmvariante des Kondensators gemäss Fig. 1.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Der in Fig. 1 gezeigte Apparat ist in der Regel mit andern Wärme- und Stoffübertragern in einer nicht dargestellten Kolonne assoziert. So könnte er den unteren Teil einer solchen Säule darstellen. Er besteht in seiner äusseren Form im wesentlichen aus zylindrischen Teilen, nämlich einem oberen Einlassstutzen 1, einem unteren Sammelraum 2 und dazwischen einem den Einlassstutzen mit dem Sammelraum verbindenden Kondensatormantel 3. Alle Elemente sind in senkrechter Anordnung und werden vom zu kondensierenden Gemisch von oben nach unten durchströmt.
Diese kondensierbare Mischung besteht im vorliegenden Fall aus Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O). Es weist eine Ammoniak-Konzentration von 0.6 bis 0.3 Massenanteile auf. Es wird dem Einlassstutzen 1 mit einem Druck von ca. 4.0 bis 1.5 bar und bei annähernd der Taupunkttemperatur, d.h nahe der Sättigung zugeführt.
Der eigentliche Wärmeaustauscher besteht aus einem Bündel senkrecht angeordneter Rohre 4, die vom Kühlmittel, hier Wasser, von unten nach oben durchströmt sind. Diese Rohre, von denen je nach gewünschter Leistung mehrere Tausend vorhanden sein können, weisen vorzugsweise eine Länge von ca. 5 bis 20 Meter auf. Sie sind in klassische Bauweise über je einen Rohrboden 6, 5 mit einer eintrittseitigen Wasserkammer 7 und einer austrittseitigen Wasserkammer 8 verbunden. Diese Wasserkammern sind mit einer Zuleitung 9 respektiv einer Ableitung 10 versehen. Diese durchdringen die Wandungen einerseits des Einlassstutzens 1, andererseits des Sammelraumes 2 und sind in den nicht dargestellten Kühlkreislauf geschaltet.
Das richtige Funktionieren des Apparates hängt wesentlich davon ab, dass ein sauberer Gegenstrom zwischen Kühlwasser und Dampfmischung realisiert ist. Hierzu ist der Übergang vom Einlassstutzen zum berohrten Kondensationsteil in der Ebene des oberen Rohrbodens 5 trichterförmig verengt. Mit dieser Massnahme wird das Dampfgemisch in das Rohrbündel gezwungen. Darüberhinaus soll eine Randgängigkeit des Dampfgemisches weitgehend verhindert werden. Die Verjüngung resp. der Durchmesser des Kondensatormantels wird deshalb so dimensioniert, dass der Ringspalt 11 zwischen den Rohren der äusseren Bündelperipherie und dem Kondensatormantel so eng wie möglich ist. Er sollte maximal der zweifachen lichten Weite zwischen zwei benachbarten Rohren entsprechen.
Der dampfseitige Leervolumenanteil des Rohrbündels, bezogen auf die Summe aller Rohrumfänge hinsichtlich des Rieselfilmes [Rieselmenge in kg/m*sec], ist so bemessen, dass die Geschwindigkeit des an den Rohren herabfliessenden Kondensatfilmes - welche bei turbulentem Film ca. 0.8 bis 1.2 m/sec beträgt - etwa der mittleren Strömungsgeschwindigkeit des zu kondensierenden Dampfgemisches entspricht. Mit dieser Massnahme wird der weiter unten zu beschreibende Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem gleichströmenden Dampfgemisch und dem Kondensatfilm sichergestellt.
Der Übergang vom berohrten Kondensationsteil zum Sammelraum 2 ist in der Ebene des unteren Rohrbodens 6 leicht erweitert, damit das sich auf dem Rohrboden ansammelnde Kondensat ablaufen kann. Diese Erweiterung kann wie die obere Verjüngung ebenfalls trichterförmig vorgenommen sein.
Der kreisförmige untere Rohrboden 6 ist in seinem Zentralbereich von einem Rohr 17 durchdrungen, welches in seinem in den Kondensationsraum hineinragenden Teil perforiert ist. Dieses Rohr 17 ist zum Abzug der nichtkondensierbaren Gase aus dem Kondensationsraum bestimmt. Hierzu ist es durch die untere Wasserkammer 7 und die Wandung des Sammelraumes aus dem Apparat herausgeführt und mit geeigneten Saugmitteln verbunden. Der verbleibende kondensierende Anteil aus dem abgesaugten Gemisch, welcher praktisch nur aus Ammoniak besteht, wird in einer nachgeschalteten Absorptionskolonne zurückgewonnen.
Zur oben erwähnten Minimierung der exergetischen Verluste muss ein solcher Kondensator folgende Bedingungen erfüllen:
  • Er muss maximale Trennarbeit leisten, weshalb eine deflagmatorische Kondensation anzuwenden ist; als zwingende Folge hiervon muss er mit kleinen Temperaturdifferenzen arbeiten.
  • Der einmal gebildete Kondensatfilm soll auf seinem Weg zum Sammelgefäss integer bleiben, d.h. entlang der Kondensationsstrecke soll es zu keiner Rückvermischung (back-mixing) von Kondenssat und Dampf kommen. Am besten erreichbar ist diese Forderung duch einen Gleichsrom zwischen Kondensatfilm und Dampfmischung.
  • Schliesslich soll das Kühlmittel im Gegenstrom zu Dampf und Kondensatfilm strömen.
Im Diagramm in Fig. 2 ist die Trennarbeit in Funktion der Konzentration bei verschiedenen Temperaturdifferenzen dargestellt. Es versteht sich, dass in diesem Zusammenhang auf die Bekanntgabe von genauen Zahlenwerten verzichtet werden muss, da diese von allzu zahlreichen Parametern abhängen. Für das Verständnis der Erfindung sind die nachstehenden qualitativen Aussagen ausreichend.
Auf der Abzisse ist die Konzentration Y einer gasförmigen, kondensierbaren Mischung aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Trennarbeit oder Entmischung S angegeben. Die 4 Kurvenverläufe stehen für 4 unterschiedliche treibende Potentiale des Wärme- und Stoffüberganges, d.h. der Temperaturdifferenzen zwischen Mischung und Kühlmittel. Dargestellt sind die 4 Temperaturdifferenzen 30, 20, 10 und 5 Kelvin.
Der generelle Kurvenverlauf lehrt, dass die Trennarbeit am grössten ist bei tiefen Massenanteilen der leichtsiedenden Flüssigkeit im zu kondensierenden Gemisch.
Ferner lehrt das Diagramm, dass zur Erzielung einer möglixhst grossen Trennarbeit eine möglichst kleine Temperaturdifferenz zwischen Gemisch und Kühlmittel anzulegen ist.
Schliesslich ist erkennbar, dass eine sehr grosse Temperaturdifferenz zu praktisch keiner Trennarbeit führt. In diesem Fall läuft eine sogenante Totalkondesation ab, d.h das Gemisch kondensiert praktisch als reiner Stoff auf einer Isotherme.
Genau letzteres will die Erfindung vermeiden. Ziel ist eine nichtisotherme Kondensation des Gemisches mit einer entsprechenden Verminderung der unerlässlichen Exergieverluste.
Gemäss Obigem muss also dann hinsichtlich einer maximalen Trennarbeit auf eine gute Kondensation verzichtet werden. Dementsprechend wird hierzu eine sehr geringe treibende Temperaturdifferenz von beispielsweise 5 Kelvin vorgesehen, was selbstverständlich zu sehr grossen Austauschflächen führt.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 3 erläutert, welche schematisch die Kondensation eines gesättigten strömenden Dampfgemisches zeigt. Mit 21 ist die äussere Rohrwand eines vom Kühlmittel von unten nach oben durchströmten Rohres bezeichnet. Diese Rohrwand bildet eine senkrechte kalte Fläche, deren Temperatur unter der Taupunkttemperatur - verglichen mit jener in der Konzentration im Kern der Strömung - liegt. Gelangt die von oben nach unten strömende gesättigte Dampfmischung mit der kalten Fläche in Berührung, so bildet sich ein Kondensat, welches als Film 22 an der Fläche herabfliesst. Im Gegensatz zu der Kondensation reiner Stoffe rufen Phasengleichgewicht und Kinetik die Bildung einer dampfseitigen Stofftransport-Grenzschicht und damit einen Temperaturabfall an der Phasengrenze zwischen Film und Dampf hervor. Im Ergebnis stellt sich in diesem Bereich eine Anreicherung in der leichtersiedenden Komponente des Gemisches ein. In diesem Bereich ist demnach die Konzentration höher als in der Kernströmung.
Diese Sachverhalte sind in der Figur dargestellt. Mit YG ist die Konzentration der leichtersiedenden Komponente des Gemisches bezeichnet, welche in der Kernströmung konstant ist, was sich durch ihren horizontalen Verlauf auszeichnet. An der Phasengrenze zwischen Film und Dampf hingegen steigt die Konzentration bis zum Punkt A an. Im Kondensatfilm hingegen sinkt die Konzentration vom Punkt B an der Phasengrenze bis hin zur Rohrwand ab. Die Punkte A und B stehen dabei im sogenannten Phasengleichgewicht, und aus einem Enthalpiediagramm lassen sich dann die zugehörigen Temperaturen bestimmen. Der Temperaturverlauf ist im Diagramm mit T bezeichnet, wobei TK die Temperatur in der Kernströmung it und TW die Temperatur des Kondensatfilmes an der Rohrwand darstellt.
Es versteht sich, dass diese Betrachtung nur lokal für die jeweils vorliegende Konzentration gilt. Mit zunehmender Kondensation, bei welcher zunächst die schwerersiedende Komponente kondensiert, ändert sich damit laufend die Konzentration des Gemisches in der Kernströmung. Die obigen Betrachtungen sind also stetig durchzuführen, um den endgültigen Kondensationsverlauf zu bestimmen.
Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf M dieser nichtisothermen deflagmatorischen Kondensation eines Gemisches in einem Diagramm "Temperatur entlang z" [T,z], wobei z für die Höhe des senkrechten Kokndesationsraumes steht. W bezeichnet den Temperaturverlauf des Kühlmittels. Mit R ist der isotherme Verlauf einer Totalkondensation bezeichnet. ΔT stellt den erzielbaren Gewinn dar, der im vorliegenden Fall einer Ammoniak/Wasser-Mischung mehrere Kelvin, z.B. 5-8K, betragen kann.
Nach alldem ist zu erkennen, dass trotz grosser benötigter Austauschflächen der konstruktive Aufwand bei vorliegender Erfindung wesentlich geringer ist im Vergleich zu konventionellen Methoden, bei denen ein vergleichbares, jedoch in jedem Fall schlechteres Ergebnis nur dadurch zu erzielen ist, dass beim Rankine-Prozess Mehrdruckkondensatoren zur Anwendung gelangen. Mehrdruckkondensatoren können diesen Gewinn nur stufenweise realisieren, wie dies in Fig. 4 durch den Verlauf N dargestellt ist, im Gegensatz zur erfindungsgemässen gleitenden Kondensation M, die einen steten Verlauf aufweist.
Weiter massgebend für eine einwandfreie Funktionsweise des Kondensators ist die Massgabe, dass Störungen der Strömungsführung im Kondensationsraum weitgehend verhindert werden. Solche Störungen könnten zu einer unerwünschten Durchmischung des Kondensatfilms und der Dampfphase führen, was sich negativ auf die deflegmatorische Kondensation auswirkt. Anstelle der bisher in Kondensatoren üblichen Stützplatten ist deshalb vorgesehen, die Rohre durch horizontal verlaufende Bänder 12, 13 abzustützen. Diese Bänder werden wechselseitig in einer oder mehreren Ebenen über der Länge der Berohrung angeordnet.
In Fig. 5 ist eine derartige Rohrabstützung skizziert. Bei der gewählten Rohranordnung handelt es sich um eine sogenannte Dreiecksaordnung, von der man weiss, dass sie die Unterbringung einer grösstmöglichen Anzahl Rohre gestattet. Eine erste Lage von Bändern 12 ist von einer zweiten kreuzweise angeordneten Lage von Bändern 13 unterlegt. Die mit ihre Schmalseiten angeströmten Bändern bilden nur eine unwesentliche Sperrung des durchströmten Querschnitts.
In Fig. 6 ist die Führung resp. Befestigung solcher Bänder am Kondensatormantel 3 gezeigt. Im einfachsten Fall liegen die Bänder wärmebeweglich in einer um den Mantel umlaufenden Führung 14 ein. Die ringförmige Führung kann ihrerseits an mehreren Stellen des Mantelumfangs in Abstützungen 15 befestigt sein.
Eine Variante der Rohrabstützung ist in Fig. 7 dargestellt. Zur Anwendung gelangen hier verzahnte Bänder 16. Je zwei Lagen können über die Verzahnung ineinandergeschachtelt werden und ergeben so ein steifes Gitter, durch das die Rohre 4 anlässlich der Montage problemlos eingeschoben werden, um dann mit den Rohrböden 5 und 6 form- und/oder kraftschlüssig verbunden zu werden.
Um schädliche Rohrvibrationen zu vermeiden, werden solche Rohrabstützungen je nach Rohrdurchmesser und Wandstärke im Abstand von 1 bis 1.2 m über der Längserstreckung des Kondensationsraumes angebracht.
In Fig. 8 schliesslich ist eine Dampf-Zuströmvariante zum Kondensationsraum gezeigt. Funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Bei dieser Ausführung ist der in der Regel kreisförmige obere Rohrboden 5 in seinem Durchmesser erweitert. An seiner äusseren Peripherie sowie an der Aussenwand des Kondensatormantels 3 ist eine umlaufende Ringkammer 18 angeschweisst. Dieser ist im Beispielsfall mit zwei seitlichen Dampf zuleitungen 19 versehen. Über geeignete Öffnungen 20 in Kondensatormantel 3, die gleichmässig über dessen Umfang verteilt sind, strömt der Dampf radial in das Rohrbündel ein. Zwar wird bei dieser Lösung der oberste Teil der Berohrung nicht im Gegenstrom beaufschlagt, jedoch beeinträchtigt diese Art der Dampfeinführung die Funktionsweise nicht. Denn der Dampf wird unmittelbar in die Senkrechte umgelenkt und in diesem Bereich hat sich noch kein ausgeprägter Kondensatorfilm gebildet. Mit dieser Lösung kann die Baulänge des aufgrund der grossen benötigten Austauschflächen ohnehin schon sehr "langen" Apparates etwas reduziert werden.
Bezugszeichenliste
1
Einlassstutzen
2
Sammelraum
3
Kondensatormantel
4
Rohr
5
oberer Rohrboden
6
unterer Rohrboden
7
eintrittseitige Wasserkammer
8
austrittseitige Wasserkammer
9
Kühlwasser-Zuleitung
10
Kühlwasser-Ableitung
11
Ringspalt zwischen 4 und 3
12
Stützbänder
13
Stützbänder
14
Bänder führung
15
Abstützung von 12,13 an 3
16
verzahnte Bänder
17
Rohr für die Extraktion der Inertgase
18
Ringkammer
19
Dampfzuleitung
20
Dampfeintrittöffnung
21
Rohrwand
22
Kondensatfilm

Claims (7)

  1. Kondensator für die binäre/polynäre Kondensation eines Dampfgemisches, gekennzeichnet durch eine stehende Anordnung der vom Kühlmittel durchströmten Rohre (4), durch einen zumindest annähernd im oberen Bereich der Kühlmittelrohre angeordneten Einlassstutzen (1) für das zu kondensierende Gemisch und durch einen unterhalb der Kühlmittelrohre (4) angeordneten Sammelraum (2) für das abzuführende Kondensat, wobei der Einlassstutzen (1) und der Sammelraum (2) über einen die Rohre (4) umhüllenden Kondensatormantel (3) miteinander verbunden sind
       ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel im überwiegenden Teil des Kondensationsraumes in reinem Gegenstrom zum Gemisch geführt wird und das Gemisch und der Kondensatfilm im Gleichstrom strömen, wozu die Rohre (4) über je einen Rohrboden (5, 6) mit einer eintrittseitigen und einer austrittseitigen Wasserkammer (7, 8) verbunden sind.
  2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leervolumenanteil des Rohrbündels in Bezug auf die Summe aller Rohrumfänge so bemessen ist, dass die Geschwindigkeit des an den Rohren (4) herabfliessenden Kondensatfilmes (22) etwa der mittlere Geschwindigkeit des zu kondensierenden Dampfgemisches entspricht.
  3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (4) im Kondensationsraum in mindestens einer Ebene durch horizontal angeordnete Bänder (13, 14, 16) gestützt sind, welche in dem die Rohre umhüllenden Kondensatormantel (3) gelagert sind.
  4. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Rohrboden (6) von mindestens einem Rohr (17) durchdrungen ist, welches in seinem in den Kondensationsraum hineinragenden Teil perforiert ist und welches durch die untere Wasserkammer (7) aus dem Apparat herausgeführt ist zum Abzug der nichtkondensierbaren Gase aus dem Kondensationsraum.
  5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Einlassstutzen (1) zum berohrten Kondensationsteil trichterförmig verengt ist.
  6. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassstutzen (1) für das zu kondensierende Gemisch eine Ringkammer (18) mit mindesten einer Dampfzuleitung (19) aufweist, über welche Ringkammer das Gemisch durch Dampfeintrittöffnungen (20) im Kondensatormantel (3) in den Kondensationsraum einströmt.
  7. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Übergang vom berohrten Kondensationsteil zum Sammelraum () trichterförmig erweitert ist.
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