DE3643816C2

DE3643816C2 -

Info

Publication number: DE3643816C2
Application number: DE3643816A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl.-Ing. Koenig (Fh), 8081 Guenzlhofen, De
Original assignee: MAN Technologie AG
Current assignee: KOENIG, NIKOLAUS, DIPL.-ING. (FH), 8081 OBERSCHWEI
Priority date: 1986-02-19
Filing date: 1986-12-20
Publication date: 1989-08-03
Also published as: DE3643816A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Eindampf-Vorrichtung mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter Bezugnahme auf das DE-Buch "Verdampfung und ihre technischen Anwendungen, von Reinhard Billet, Verlag Chemie, 1981, Seite 279", wird als bekannt vorausgesetzt, daß beim Betrieb einer Eindampf-Vorrichtung, beispielsweise einer Wasseraufbereitungsanlage mit Brüdenverdichtung und Verdampfer-Kondensator- Einheit, das salzhaltige Rohwasser in einem Siedekessel bis auf Siedetemperatur erhitzt wird. Dabei entsteht Dampf, der vom Brüdenverdichter angesaugt und adiabat verdichtet wird, so daß sich die Temperatur und der Druck des Dampfes erhöhen. Der erhitzte und verdichtete Dampf wird durch den Siedekessel geleitet, wobei ein Teil der in dem Dampf enthaltenen Wärme an das siedende Rohwasser übergeht und den Dampf kondensiert. Das Kondensat wird gesammelt und als Reinwasser abgeführt. Die beim Siedevorgang entstehende Sole wird ebenfalls abgeführt und gegebenenfalls zur Vorwärmung des Rohwassers benutzt.

Grundsätzlich sind also beispielsweise für Projekte der Meerwasserentsalzung durch Brüdenkompression zwei Hauptkomponenten nötig, nämlich als Komponente 1 die Brüdenverdichtung durch Strömungsmaschinen und als Komponente 2 ein Wärmetauschersystem zur Verdampfung und Kondensation der Brüden. Diese Verdampfer-Kondensator genannten Einheiten sind speziell für mehrstufige Anlagen der entscheidende Kostenfaktor. Um die Anforderungen optimal zu erfüllen, sind für eine Verdampfer-Kondensator-Einheit folgende Zielsetzungen gegeben:

a) billige Heizfläche
b) hohe Wärmedurchgangskoeffizienten
c) kompakte Bauweise (geringe Bauhöhe)
d) stabile Betriebseigenschaften
e) Verwendung hochkorrosionsbeständiger Werkstoffe.

Eine Eindampf-Vorrichtung, die einige dieser Forderungen zum Teil erfüllt, ist aus der DE-OS 15 19 658 bekannt. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung mit gattungsbildenden Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Bei dem aus dieser Offenlegungsschrift bekannten Spiral- Fallfilmverdampferrohr ist außen wenigstens eine spiralförmig verlaufende Sicke vorhanden, die durch Einwalzen oder Einprägen einer entsprechenden Spurrille von außen in das Rohr erhalten wird. Dadurch ergibt sich im oberen Eintrittsbereich ein relativ eng eingeschnürter Durchtrittsquerschnitt für die einzudampfende Flüssigkeit, der sich nach unten hin abschnittsweise vergrößert. Stabile Betriebseigenschaften sind wegen der sich ändernden Strömungsquerschnitte für das Medium nicht zu erreichen. Als Heizfläche dient praktisch die gesamte Außenfläche des Rohres, wobei aber wegen der nicht dargestellten Heizmedium-Zuführung keine qualitativen Aussagen gemacht werden können. Eine gezielte Heizmediumführung ist dort offensichtlich nicht vorgesehen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, durch Maßnahmen am Spiral-Fallfilmverdampferrohr die Eindampf-Vorrichtung so zu verbessern, daß eine für den Wärmetausch günstigere Einflußnahme auf den Strömungsverlauf der beteiligten Medien und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß weist dabei jedes Spiral-Fallfilmverdampferrohr eine Rohrzylinderschale mit wenigstens einer rohraußenseitig konvexen Sicke auf, die gleichzeitig eine rohrinnenseitig konkave Sicke bildet und außenseitig eine einstückig mit ihr ausgebildete Tropfkante besitzt. Ferner ist die Rohrzylinderschale im Bereich zwischen den Sickenwindungen zur Bildung der Heizfläche mit heizleistungssteigernden und fallfilmstabilisierenden Rillen ausgestaltet.

Vorzugsweise ist/sind die Sick(n) und deren Tropfkante(n) sowie die verrillte Heizfläche einstückig mit der Rohrzylinderschale ausgebildet und dem jeweiligen Anwendungsfall in Neigung bzw. Steigung, Anzahl, Größe (Füllquerschnitt) und Form angepaßt.

Die die Heizfläche bildenden Rillen sind vorzugsweise längs oder schräg zur Achse des Spiral-Fallfilmverdampferrohres verlaufend in der Rohrzylinderschale ausgebildet. Es können aber auch andere regelmäßige Muster für die Heizfläche vorgesehen sein.

Die Wandstärke der Rohrzylinderschale und der Sicken ist bevorzugt vergleichsweise dünn, so daß hochwertige Heizflächenmaterialien effektiv ausgenutzt und gleichzeitig geringe Wärmedurchgangswiderstände erzielt werden können. Profilierte Rohre mit dünnen Wandstärken erreichen normalerweise kaum noch die Stabilität, um die erforderlichen mechanischen Kräfte (Temperatur-Druckdifferenz) aufnehmen zu können. Die erfindungsgemäßen Spiralsicken übernehmen hier wesentliche mechanische Versteifungsfunktion und stabilisierende Eigenschaften. Somit können bei geringen Wandstärken gleichwohl noch ausreichende Differenzdrücke (Temperaturdifferenzen) verarbeitet werden.

Bevorzugte Anwendungsformen des erfindungsgemäßen Spiral- Fallfilmverdampferrohres sind in den Ansprüchen 4 bis 8 angegeben.

Durch das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr wird mithin auf der Verdampfungsseite (Rohrinnenseite) aufgrund der spiralförmigen, im Rohrkanal konkaven Sicke der dünne Flüssigkeitsfilm des vertikal von oben nach unten orientierten Fallfilms in regelmäßigen Abständen entsprechend der Steigung der Sicken gesammelt und in Drallrichtung winkelig versetzt wieder aufgebaut. Durch diese kontinuierliche radiale Bewegung im Film kann auch bei sehr geringer spezifischer Beladung ein dünner Fallfilm mit guter Konzentrationsverteilung erzeugt werden.

Durch die richtige Wahl der Geometrie "Heizfläche" zu "Verteilsicke" können hohe Konzentrationsfaktoren im einfachen Durchlauf ohne trockene Stellen ("DRY OUT" mit allen negativen Folgen von SCAILING und FOULING) erzeugt werden.

Die eigentliche Heizfläche wird vorzugsweise bei Meerwasserentsalzungsanlagen als gerilltes Verdampferrohr mit all den in der Literatur bekannten Vorteilen ausgeführt. Dabei ist besonders darauf hinzuweisen, daß die hohen Wärmeübergangszahlen nur in einer schmalen Bandbreite der spezifischen Beladung erzielt werden. Diese optimalen spezifischen Beladungen sind kleine Werte, welche nach dem Stand der Technik in technischen Anlagen aus Betriebsgründen (Scailing) praktisch nicht erreicht werden. Demgegenüber ermöglicht das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr einen praktischen Betrieb inneralb der gewünschten Werte der spezifischen Beladung.

Die auf der Kondensationsseite (Rohraußenseite) konvexen spiralförmigen Sicken unterbrechen den ablaufenden Kondensatfilm regelmäßig nach kurzen Lauflängen entsprechend der Steigung der Sickenspirale. Bei geeigneter Ausbildung einer Tropfkante werden aufgrund des Drainageeffekts der kondensationsseitigen Wärmetauscherfläche hohe Wärmeübergangskoeffizienten erzielt.

Bei allen technischen Kondensationsvorgängen im Vakuum ist mit einer Beeinträchtigung des Wärmeübergangs durch NC-Gase zu rechnen. Die Verluste (mittlere treibende Temperaturdifferenzen) werden um so geringer, je niedriger die Konzentration der NC-Gase im wandnahen Bereich gehalten werden kann. Unter NC-Gasen sind dabei nichtkondensierbare Gase zu verstehen, die im Dampf enthalten sind.

Die Dampfströmung des kondensierenden Mediums ist vorzugsweise senkrecht zur Achse des Verdampferrohrs. Durch die Spiralsicke mit Tropfkante wird eine erhebliche Störung der Dampfströmung erreicht und der obengenannte Prozeß positiv beeinflußt.

Durch das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr können mithin nicht nur hohe Wärmeduchgangskoeffizienten und stabile Betriebseigenschaften erzielt werden, sondern auch kostengünstige kompakt aufgebaute Heizflächen. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr bei mehrstufigen Verdampfer-Kondensator-Einheiten anwendbar. Derartige Einheiten lassen sich mit geringer Bauhöhe realisieren.

Das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr eignet sich vornehmlich für die Meerwasserentsalzung, aber auch bei Deponie-Abwasserentsorgungsanlagen und generell bei thermischer Destillation. Weiter eignet sich das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr zum Eindampfen von extrem temperaturempfindlichen Stoffen, wie z. B. in der pharmazeutischen Industrie. Als Vorteile ergeben sich kleinste Temperaturdifferenzen des Heizdampfs zum Medium sowie kurze Verweilzeiten durch kleine Rohrlängen und kleine spezifische Beladungen. In Verwendung des erfindungsgemäßen Spiral-Fallfilmverdampferrohres beim Eindampfen von hochkorrosiven Stoffen ist der besondere Vorteil zu verzeichnen, daß aufgrund der extrem dünnen Heizflächen bei gleichzeitig maximalen Wärmedurchgangszahlen eine optimale Materialausnutzung erreicht werden kann. Beim Eindampfen von krustenbildenden Fluiden ist die gleichmäßige Filmdicke über der gesamten Heizfläche ohne Konzentrationsspitzen besonders vorteilhaft. Die Nutzung des erfindungsgemäßen Spiral-Fallfilmverdampferrohrs in Verdampfer-Kondensator-Systemen ist grundsätzlich unabhängig von der Speisedampfquelle, d. h. Art und Bauweise des "Dampferzeugers".

Nachstehend ist das erfindungsgemäße Spiral-Fallfilmverdampferrohr anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführunsbeispiels noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Vertikal-Teilansicht eines spiralförmigen Fallfilmverdampferrohrs,

Fig. 2 die Einzelheit A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Fallfilmverdampfer rohr nach Fig. 1 längs der Linie A-B,

Fig. 4 die Einzelheit B der Fig. 3,

Fig. 5 und 6 eine qualitative Darstellung der hydrau lischen Effekte am Fallfilmverdampferrohr gemäß Fig. 1 auf der Verdampfungsseite (Rohrinnenseite) in einem vertikalen Längsschnitt bzw. bei aufge wickelter Rohrinnenfläche, und

Fig. 7 und 8 den Fig. 5 und 6 ähnliche qualitative Dar stellungen der hydraulischen Effekte am Fallfilm verdampferrohr gemäß Fig. 1 auf der Kondensations seite (Rohraußenseite) in einem vertikalen Längs schnitt bzw. bei aufgewickelter Rohraußenfläche.

Eine hier grundsätzlich nicht näher interessierende (nicht veranschaulichte) Verdampfer-Kondensator-Einheit einer nach dem Brüdenverfahren arbeitenden Meerwasseraufbereitungsan lage umfaßt zumindest ein Fallfilmverdampferrohr (1) gemäß Zeichnung.

Das Fallfilmverdampferrohr (1) besitzt eine oder mehrere spiralförmig verlaufende außen konvexe Sicken (2) in der Rohrzylinderschale (4) mit jeweils dem Anwendungsfall an gepaßter Neigung bzw. Steigung (S), Anzahl, Größe (Füll querschnitt) und Form. Die im Kondensationsraum konvexen spiralförmigen Sicken (2) unterbrechen den ablaufenden Kondensatfilm regelmäßig nach den kurzen Lauflängen ent sprechend der Steigung (S).

Gemäß Fig. 2 umfaßt die rohraußenseitig konvexe spiral förmige Sicke (2) an radial äußerer Stelle des Rohrs eine vergleichsweise scharfe unterseitige Tropfkante (5), durch die ein Drainageeffekt der kondensationsseitigen Wärmetauscher fläche erzielt wird, was zu hohen Wärmeübergangskoeffizienten im Betrieb führt.

Zwischen den konvexen Sicken (2) ist die rohraußenseitige Oberfläche des Fallfilmverdampferrohrs (1) profiliert, bei spielsweise durch Ausbildung von Längsrillen (6), wie dies im einzelnen den Fig. 1 bis 4 zu entnehmen ist. Auch Spiral rillen oder andere regelmäßige Muster sind möglich. Dadurch wird bei einem gerillten Verdampferrohr eine Heizfläche (F) geschaffen, welche einen praktischen Betrieb innerhalb der gewünschten Werte einer spezifischen Beladung er möglicht, was zusätzlich auf der Rohrinnenseite (Ver dampfungsseite) zu hohen Wärmeübergangszahlen führt.

Die rohraußenseitig konvexen spiralförmigen Sicken (2) sind in der Rohrzylinderschale (4) derart integriert, daß gleichzeitig auch rohrinnenseitig konkave spiral förmige Sicken (3) ausgebildet sind.

In den Fig. 5 und 6 sind die hydraulischen Effekte am Spiral-Fallfilmverdampferrohr (1) auf der Verdampfungs seite bzw. Rohrinnenseite in einem vertikalen Längs schnitt und in einer Abwicklung des Innenumfangs der Rohrschale qualitativ dargestellt. Durch die spiral förmigen im Rohrkanal konkave Sicken (3) wird der dünne Flüssigkeitsfilm (7) des vertikal von oben nach unten orientierten Fallfilms in regelmäßigen Abständen (Stei gung S) durch die Sicke (3) gesammelt und in Drallrich tung winklig versetzt wieder aufgebaut, so daß eine Neu verteilung (8) des Fallfilms an tieferer Stelle des Fallfilmverdampferrohrs (1) entsteht. Durch die konti nuierliche radiale Bewegung im Film in der Sicke kann auch bei sehr geringer spezifischer Beladung ein dünner Fallfilm mit guter Konzentrationsverteilung erzeugt wer den. Durch die richtige Wahl der Geometrie der Heizfläche (F) zur Verteilsicke (3) können hohe Konzentrationsfak toren im einfachen Durchlauf ohne trockene Stellen (DRY OUT mit allen negativen Folgen von SCAILING und FOULING) erzeugt werden.

In den Fig. 7 und 8 sind die hydraulischen Effekte am Spiral-Fallfilmverdampferrohr (1) auf der Kondensations seite bzw. Rohraußenseite qualitativ dargestellt, und zwar in einem vertikalen Längsschnitt gemäß Fig. 7 und in einer Aufwicklung der Rohraußenschale gemäß Fig. 8. Ersichtlich unterbricht die im Kondensationsraum kon vexe spiralförmige Sicke (2) den ablaufenden Kondensa tionsfilm (9) regelmäßig nach kurzen Lauflängen (S). Bei geeigneter Ausbildung der Tropfkante (5) an radial äußerer unterer Stelle der konvexen Sicke (2) wird tropfenweise Flüssigkeit abgezogen ("Drainageeffekt").

Die Dampfströmung des kondensierenden Mediums ist vor zugsweise in Richtung der Achse (a) des Verdampferrohrs (1). Durch die spiralförmige Sicke (2) mit Tropfkante (5) wird eine erhebliche Störung dieser Dampfströmung erzielt und dadurch die Konzentration der NC-Gase im wandnahen Bereich niedrig gehalten. Die Wandstärke (d) der Rohrzylinderschale (4) ist vergleichsweise dünn gewählt, um hochwertige Heizflächenmaterialien effektiv auszunutzen und gleichzeitig geringe Wärmedurchgangs widerstände einzurichten. Eine dünne Wandstärke (d) ist möglich, da das Fallfilmverdampferrohr (1) zum einen Längsrillen (6) und zum anderen Sicken (2, 3) besitzt, die für hinreichende Stabilität sorgen, so daß bei geringen Wandstärken noch ausreichende Differenzdrücke (Temperaturdifferenzen) verarbeitet werden können.

Claims

1. Eindampf-Vorrichtung mit einer Verdampfer-Kondensator- Einheit, die zumindest ein Spiral-Filmverdampferrohr umfaßt, das von außen durch dampfförmiges Medium beheizt, innen von einzudampfendem Medium durchströmt ist, und um dem Medium eine bestimmte Bewegungsrichtung aufzuzwingen, wenigstens eine spiralförmig verlaufende Sicke aufweist, deren Wandstärke gleich jener des Rohres und dünn im Vergleich zum Durchmesser und der Länge des letzteren ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spiral-Fallfilmverdampferrohr (1) eine Rohrzylinderschale (4) mit wenigstens einer rohraußenseitig konvexen Sicke (2) aufweist, die gleichzeitig eine rohrinnenseitig konkave Sicke bildet und außenseitig eine einstückig mit ihr ausgebildete Tropfkante (5) besitzt, und daß die Rohrzylinderschale (4) im Bereich zwischen den Sickenwindungen zur Bildung der Heizfläche (F) mit heizleistungssteigernden und fallfilmstabilisierenden Rillen (6) ausgestattet ist.

2. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sicke(n) (2) und deren Tropfkante(n) (5) sowie die verrillte Heizfläche (F) einstückig mit der Rohrzylinderschale (4) ausgebildet sind.

3. Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die die Heizfläche (F) bildenden Rillen (6) längs oder schräg zur Achse (a) des Spiral-Fallfilmverdampferrohres (1) verlaufend in der Rohrzylinderschale (4) ausgebildet sind.

4. Verwendung der Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1 in einer Wasseraufbereitungsanlage mit Brüdenverdichtung zur Verdampfung und Kondensation der Brüden.

5. Verwendung der Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Eindampfen von extrem temperaturempfindlichen Stoffen.

6. Verwendung der Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Eindampfen hochkorrosiver Stoffe.

7. Verwendung der Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Eindampfen von krustenbildenden Fluiden.

8. Verwendung der Eindampf-Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Entsorgung flüssigen Sondermülls, wobei Fremddampf in mehrstufiger Entspannung als Energiequelle benutzt ist.