DE4029071A1

DE4029071A1 - Vorrichtung zum verdampfen von fluessigen produkten

Info

Publication number: DE4029071A1
Application number: DE4029071A
Authority: DE
Inventors: Massah Sobhy Ahmed El
Original assignee: Individual
Current assignee: El Massah Sohby Ahmed Dipl-Ing 42289 Wupperta
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1990-09-13
Publication date: 1992-03-19
Anticipated expiration: 2010-09-14
Also published as: DE4029071C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.

Vorrichtungen zum Verdampfen flüssiger Produkte sind in vielen Ausführungsformen bekannt. Im Gegensatz zu Dampf kesseln oder Dampferzeugern dienen sie jedoch in der Regel nicht zur Herstellung von Dampf, sondern zur Umwandlung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen in dampfför migem Zustand, weil sie in diesem, beispielsweise zu che mischen Reaktionen, getrennt werden sollen, oder weil ein gelöster Stoff durch Verdampfen der Lösungsmittel wiederge wonnen werden soll.

Die wichtigsten Einflußgrößen beim Verdampfen stellen stets die Siedetemperatur des Produktes, der Betriebsdruck des Verdampfers und die zugeführte Wärmeenergie zum Beheizen dar. Die Siedetemperatur des Produktes ist nicht nur pro duktspezifisch und von einer bestimmten Produkttemperatur abhängig, sondern auch von der Konzentration des Produktes. So steigt beispielsweise die Siedetemperatur beim Eindicken eines Produktes mit wachsender Konzentration merklich an.

Unter Verdampfen versteht man allgemein den Übergang einer Flüssigkeit in den gas(dampf)förmigen Zustand. Erhitzt man eine Flüssigkeit so weit, daß ihre Oberfläche die Sätti gungstemperatur erreicht hat, so gehen an dieser Oberfläche laufend Moleküle in den Dampfzustand über. Die dazu erfor derliche Verdampfungswärme kann der Flüssigkeit entweder im Verdampfer zugeführt werden (beheizbare Verdampfer), oder aber die Flüssigkeit wird vor Eintritt in den Verdampfer mittels einer beliebigen Heizvorrichtung auf Siedetemperatur erwärmt, und sie kann sich dann innerhalb des Verdampfers durch den dort herrschenden geringeren Betriebsdruck ent spannen und zum Teil verdampfen (Entspannungs-Verdampfer). Die Restflüssigkeit wird im allgemeinen wieder dem Vorwärmer zugeführt und der Dampf entweder als Produkt verwertet und/ oder kondensiert, wenn das Entspannungsverfahren die Aus scheidung von Salzen oder anderen Bestandteilen des Ausgangs produktes bezwecken soll.

Neben den Unterscheidungen in beheizbare und Entspannungs- Verdampfer differenziert man Umlauf- von Durchflußverdampfern. Erfolgt bei letzteren der Durchfluß des flüssigen Produktes (Massenstrom) von oben nach umten, spricht man von einem Fallstrom- oder Fallfilmverdampfer. Diese werden eingesetzt, wenn die Ver weilzeit der einzudampfenden Flüssigkeit sehr niedrig liegen soll, wie zum Beispiel bei der Eindampfung von wärmeempfind lichen Lösungen, die nur kurze Zeit ihrer Siedetemperatur ausgesezt werden dürfen, damit sie nicht geschädigt werden. Der Bedarf an Verdampfern mit kurzer Aufenthaltszeit der eingesetzten Produkte hat in der Vergangenheit relativ stark zugenommen. Dies liegt zum einen an den steigenden Forde rungen an Produktqualität und Ausbeute und zum andern an der immer größer werdenden Zahl neuer Stoffe, die sich ther misch instabil verhalten und nicht selten auch oxydations empfindlich sind. Die Betriebsweise bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen und extrem kurzen Verweilzeiten ist daher bei der thermischen Aufbereitung solcher Produkte eine unumgängliche Voraussetzung, wenn Schädigungen ver mieden werden sollen. Fallfilmverdampfer erfüllen jedoch nicht immer in ausreichendem Maße die vorgenannten Bedin gungen. Die Tatsache, daß im Verdampfer die Höhe der Tem peratur und die Verweilzeit, während welcher das Produkt dieser ausgesetzt wird, für den Grad seiner Schädigung maß gebend sind, führt zwangsläufig zu der Forderung nach Bauarten, bei denen das Produkt in noch kürzerer Zeit, möglichst als noch dünnerer Film, die Verdampfungsflächen passiert und deren Betriebsweise das Überschreiten der höchstzulässigen Temperatur auf der Produktseite verhindert. So sind zu der Gruppe der beheizbaren Verdampfer gehörende, sogenannte Dünnschichtverdampfer bekannt, bei denen der Flüssigkeits film mit entsprechend geringer, in bestimmten Grenzen ein stellbarer Dicke mechanisch erzeugt und bewegt wird. Eine geringe Filmdicke ist bei Flüssigkeitsfilmen, wie sie in Dünnschichtverdampfern auftreten, bekanntlich eine wesentliche Voraussetzung für die Erzielung guter Wärme übergänge.

Die Verdampfungsflächen innerhalb der Verdampfer sind meist als Heizrohre ausgeführt, so daß die bekannten Ver dampfer zur Erzielung großer Oberflächen und damit möglichst dünner Filmstärken relativ große Abmessungen aufweisen. Man ist dazu übergegangen, bei Lösungen, die zur Verkrustung oder Belagbildung auf den Rohren neigen, die Heizrohre außer halb des Verdampfergehäuses anzuordnen, um das Verdampfen in den Rohren zu verhindern, damit Betriebsstörungen durch die Bildung von Ablagerungen weitgehend vermieden werden. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die zwischen 2 und 5 m/s liegen können, kann zwar nicht in allen Fällen eine Verkrustung verhindert, aber zumindest verzögert werden.

Findet die Verdampfung nicht mehr auf bzw. in den Heiz rohren, sondern im eigentlichen Verdampfer, dem sogenannten Brüdenraum, statt, so spricht man von Entspannungsverdampfern. Bei der Entspannungsverdampfung erfolgt die Erzeugung des Brüden durch Drucksenkung der meist auf Siedetemperatur vorgewärmten Lösung. Eine Entspannungsverdampferanlage be steht demnach aus einem Flüssigkeitserhitzer und aus einem als Brüdenraum ausgebildeten Entspannungskörper sowie aus einem Brüdenkondensator.

Die Vielzahl der zuvor aufgeführten Verdampfer-Bauarten macht deutlich, daß für die verschiedenen Verdampfungsaufgaben jeweils verschiedene Verdampfertypen zum Einsatz kommen, um den jeweiligen spezifischen Problemen gerecht werden zu können und einen bestmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, die eingangs genannten und zuvor näher beschriebene Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten in Be zug auf eine universelle Einsetzbarkeit bei großer Betriebs sicherheit und hoher Wirtschaftlichkeit zu verbessern und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung be reitzustellen. Weiterhin ist erwünscht, daß die Vorrichtung bei einfachem und kompaktem Aufbau zur Dampferzeugung mit einer guten Qualität des Sattdampfes eingesetzt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung durch den Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch den Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 13.

Bedingt durch ihren einfachen, aus wenigen verschiedenen Einzelteilen bestehenden Aufbau ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur besonders kostengünstig, sondern auch mit relativ einfachen Mitteln herstellbar. Dies ermöglicht ihren Bau auch in den sogenannten Entwicklungsländern, wo die erfindungsgemäß aufgebauten und betriebenen Vorrich tungen für die verschiedensten Zwecke, beispielsweise als Entsalzungsanlagen, in Chemiewerken, in der Textilindustrie oder in Kraftwerken zum Einsatz gelangen können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ihre besonders geringe Störanfälligkeit. Während der Verdampfung ist keine Wärmezufuhr notwendig, die Wärme wird durch Erhitzen in einem außerhalb der Vorrichtung liegenden Wärmeaustauscher aufgebracht. Die erfindungs gemäße Vorrichtung benötigt keine angetriebenen mechanisch drehenden Teile mit der für solche Teile zur Erzielung einer gleichmäßigen Filmverteilung bisher notwendigen hohen Bearbeitungsgüte.

Ein besonders kompakter Aufbau wird dadurch er reicht, daß das Gehäuse, die Rieselflächenteller und das Zentralrohr einen runden Querschnitt aufweisen (Anspruch 2). Gemäß Anspruch 3 ist es für eine gleich mäßige Filmverteilung besonders zweckmäßig, wenn sich die vom Zentralrohr nach außen abfallenden Rieselflächen teller kegelstumpfförmig erweitern. Dabei ist es besonders günstig, daß die Neigung der Kegelfläche jedes Riesel flächentellers zwischen 1 : 5 und 1 : 20, insbesondere 1 : 10, beträgt (Anspruch 4).

Um dem entstehenden Dampf einen ausreichenden Frei raum zum Abzug zur Verfügung zu stellen, füllen gemäß Anspruch 5 die Rieselflächenteller den Ringspalt zwischen Zentralrohr und Gehäuse etwa zur Hälfte aus.

Eine besonders gleichmäßige Produktverteilung auf den Rieselflächentellern wird dadurch erreicht, daß die Öffnungen im Zentralrohr als waagerecht angeordnete Schlitzreihen mit jeweils mehreren waagerechten Schlitzen je Rieselflächenteller ausgebildet sind (Anspruch 6).

Damit der Dünnschichtfilm auf den Rieselflächen teilern beim Überströmen im wesentlichen eine konstante Breite behält, sind gemäß Anspruch 7 auf jedem Riesel flächenteller mehrere Leitelemente vorgesehen, die in vorteilhafter Weise konvex nach oben gewölbt ausge bildet sein können (Anspruch 8). Herstellungstechnisch ist es besonders einfach, daß jeder Rieselflächenteller und die zugehörigen Leitelemente einstückig ausgebildet sind (Anspruch 9).

Um eine gleichmäßige Verteilung des durch das Zentral rohr zugeführten Produktes auf den Rieselflächentellerab schnitten zu gewährleisten, sind nach Anspruch 10 die Leitelemente auf jedem Rieselflächenteller und die entsprechenden Öffnungen im Zentralrohr derart angeordnet, daß sie sich in ihrer Anzahl und gegenseitigen Lage entsprechen.

Um bei der Verdampfung eventuell mitgerissene Flüssigkeitsteilchen im Gehäuse zurückzuhalten, ist gemäß Anspruch 11 ein im Bereich oberhalb der Ver dampfungsflächen (Brüdenraum) angeordneter Flüssigkeits abscheider vorgesehen.

Nach Anspruch 12 ist als Material für die produkt führenden Teile korrosionsfester Stahl, insbesondere V2A, vor gesehen.

Durch den besonders hohen thermischen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, diese als Dampferzeuger, z. B. im Zusammenhang mit Solar kraftwerken, einzusetzen (Anspruch 14). Unter Beibehalt des grundsätzlichen Aufbaues der erfindungsgemäßen Vor richtung ist es gemäß Anspruch 15 sogar möglich, diese als Kondensator einzusetzen.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und tech nischen Konzeption bzw. den Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem je weiligen Anwendungsgebiet bekannte Auswahlkriterien un eingeschränkt Anwendung finden können; insbesondere sind sie auch unabhängig voneinander zur Lösung der Aufgabe oder zumindest einer Teilaufgabe vorteilhaft verwendbar.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden, wozu einerseits auf die Unteransprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter und in der Zeich nung dargestellter Ausführungsbeispiele verwiesen wird.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten;

Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt durch die erfin dungsgemäße Vorrichtung entlang der Linie II-II aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Anordnung einzelner Rieselflächenteller in Seitenansicht entlang der Linie III-III aus Fig. 2;

Fig. 4 zeigt - stark vergrößert - eine Innenansicht eines Teilbereiches des Zentralrohres entlang der Linie IV-IV aus Fig. 2;

Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung, ein gesetzt in eine Entspannungsverdampferanlage eines Solar kraftwerkes mit einstufigem Arbeitsprozeß und

Fig. 6 zeigt die Anordnung nach Fig. 5 in einem zwei stufigen Arbeitsprozeß.

Die in Fig. 1 als Ganzes im Querschnitt dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht zunächst aus einem Gehäuse 1, in das von unten her ein Zentralrohr 2 hinein ragt, welches als Produkteinlaß dient. Am oberen Ende des Gehäuses 1 befindet sich ein Dampfauslaß 3, durch den der entstandene Dampf das Gehäuse 1 verläßt. Im unteren Be reich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im darge stellten Ausführungsbeispiel auf der linken Seite eine weitere Öffnung als Produktauslaß 4 vorgesehen. Durch diese Öffnung gelangt der nicht verdampfte Teil des Produktes aus dem Gehäuse 1 heraus.

Bei der Verdampfung auftretende Dampfblasen und/ oder hohe Dampfgeschwindigkeiten machen einen Flüssig keitsabscheider 5 unterhalb des Dampfauslasses 3 not wendig, um die mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen vom Dampf abzutrennen und im Gehäuse zurückzuhalten.

Um das zu verdampfende Produkt möglichst gut in dem ihn zur Verfügung stehenden entspannten Raum zu verteilen, sind um das Zentralrohr 2 herum eine Mehrzahl von im engen Abstand und parallel zueinander, übereinander und mit seitlichen Öffnungen versehene Rieselflächenteller 6 vorgesehen, von denen nur einige angedeutet sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erweitern sich die nach außen abfallenden Rieselflächenteller 6 kegel stumpfförmig. Bevorzugt wird als Neigung der Kegel fläche jedes Riesenflächentellers 6 ein Verhältnis von 1 : 10 gewählt, jedoch sind auch andere Neigungs verhältnisse denkbar, um andere Strömungsgeschwindig keiten der über die Rieselflächenteller 6 fließenden Flüssigkeit zu erhalten.

Die durchgezogenen Pfeile in Fig. 1 geben die Fließrichtung der Flüssigkeit wieder und die ge strichelten Pfeile stellen die Bewegungsrichtung des durch Entspannung entstandenen Dampfes dar.

Aus Fig. 1 geht ferner hervor, daß die Riesel flächenteller 6 den Ringspalt zwischen Zentralrohr 2 und Gehäuse 1 etwa zur Hälfte ausfüllen.

Während in Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrich tung nur prinzipiell dargestellt ist, sieht eine be sondere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß jedem Rieselflächenteller 6 eine Mehrzahl von Leitelementen 7 derart zugeordnet ist, daß die Breite des Dünn schichtfilmes des über jeden Rieselflächenteller 6 strömenden Produktes zwischen zwei benachbarten Leit elementen 7 im wesentlichen konstant ist. Die in Fig. 1 der besseren Übersicht wegen nicht darge stellten Leitelemente 7 lassen sich besonders deut lich aus Fig. 2 entnehmen, wo eine Aufsicht auf einen mit Leitelementen 7 versehenen Rieselflächenteller 6 dargestellt ist. Im dargestellten und insoweit bevor zugten Ausführungsbeispiel sind zehn Leitelemente 7 vorhanden, von denen jedes von einem Punkt an der Grenze zwischen Zentralrohr 2 und Rieselflächenteller 6 ausgeht, radial abwärts der Neigung des Rieselflächen tellers entsprechend verläuft und diesen an seinem unteren Ende halbkreisförmig überragt. Der in Fig. 3 dargestellten Seitenansicht ist zu entnehmen, daß jedes Leitelement 7 konvex nach oben gewölbt ausgebildet ist.

Die Leitelemente 7 bezwecken, daß - trotz der stetigen Zunahme des Umfangs beim Überströmen jedes Rieselflächen tellers - die Breite des Dünnschichtfilmes zwischen zwei benachbarten Leitelementen 7 im wesentlichen konstant bleibt.

Um die zu verdampfende Flüssigkeit möglichst gleich mäßig auf allen Abschnitten der Rieselflächenteller 7 zu verteilen, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Öff nungen im Zentralrohr 2 als Schlitzreihen mit jeweils mehreren Schlitzen 8 je Rieselflächenteller 6 ausgebildet sind. Dabei ist es zweckmäßig, daß sich die Leitelemente 7 auf jedem Rieselflächenteller 6 und die Schlitze 8 im Zentral rohr 2 in ihrer Anzahl und gegenseitigen Lage entsprechen. Fig. 4 zeigt in stark vergrößerter Darstellung einen kleinen Teilbereich des Zentralrohres 2 von innen. Hier sind deutlich die horizontal verlaufenden Schlitze 8 zu erkennen, die nach oben und unten jeweils von einem Rieselflächenteller 6 be grenzt sind. Zwischen den Schlitzen 8 einer Schlitzreihe befinden sich gewissermaßen "Stege" 9, die in ihrer An zahl und Lage den Leitelementen 7 entsprechen.

Es ist leicht ersichtlich, daß sich bei einer ge ringen Anzahl von Leitelementen die "toten" Flächen je des Rieselflächentellers stark vergrößern, falls die be nachbarten Kanten der Leitelemente radial nach außen ver laufen sollen. Umgekehrt hat eine zu große Anzahl von Leit elementen ebenfalls eine Verringerung der "Nutzflächen" je des Rieselflächentellers zur Folge. Versuche haben ergeben, daß sich die im Ausführungsbeispiel dargestellte Anordnung von zehn Leitelementen je Rieselflächenteller als be sonders zweckmäßig erwiesen hat. Jedoch soll sich die Lehre der vorliegenden Erfindung keineswegs auf diese An zahl von Leitelementen beschränken.

Wie weiter oben bereits erläutert ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Dampferzeuger in einem Kraftwerk einzusetzen. In Fig. 5 ist die Ver wendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Solar kraftwerk schematisch dargestellt. Mittels Sonnenenergie wird Wasser in Flachkollektoren 10 auf eine Temperatur von 95°C erhitzt, nachdem es aus einem Wasserspeicher 11 von einer Pumpe 12A über nicht näher bezeichnete Leitungen zu den Flachkollektoren 10 herangefördert wurde. Das er hitzte Wasser wird von einer weiteren Pumpe 12B der er findungsgemäßen Vorrichtung, hier im Ganzen als Dampfer zeuger 13 bezeichnet, zugeführt. Bei der gegebenen Anordnung des Verdampferbodens in einer gewissen Höhe über der Wasser spiegelfläche des Wasserspeichers 11 stellt sich bei dem in Fig. 5 angegebenen Betriebsdruck p=0,715 bar ent sprechend einer Austrittswassertemperatur von t_a=90°C im Dampferzeuger eine Wasserhöhe von 3,0 m über dem Wasser spiegel des Wasserspeichers 11 ein. Das Wasser steigt im Zentralrohr und Produktauslaß bis zum unteren Boden des eigentlichen Verdampfers hoch. Um den Dampferzeuger 13 in Betrieb zu nehmen, muß die bereits erwähnte Pumpe 12B das Wasser auf die Höhe des obersten Rieselflächentellers, im Beispiel 2,5 m höher, fördern. Um außerdem die Rohrlei tungswiderstände zu überwinden, ist noch eine zusätzliche Pum penleistung entsprechend einer Förderhöhe von H=4,0 m vorzusehen.

Im Falle des in Klammer angegebenen Betriebsdruckes des Dampferzeugers 13 mit p=0,483 bar, entsprechend einer Wasseraustrittstemperatur von t_a=80°C steigt das Wasser in der Rohrleitung und im Dampferzeuger 13 auf eine Höhe von H=5,17 m über dem Wasserspiegel des Wasser speichers 11. Um in diesem Fall den Dampferzeuger 13 in Betrieb zu setzen, muß mittels einer dritten Pumpe 12C das Wasser aus dem Dampferzeuger 13 in den Wasserspeicher 11 zurückgedrückt werden. Auch bei diesem Betriebszustand ist eine Förderhöhe H=4,0 m erforderlich.

Bei allen anderen Betriebszuständen mit Betriebs drücken im Dampferzeuger zwischen p=0,7 und 0,4 bar arbeiten beide Pumpen 12B und 12C mit entsprechend kleineren Drehzahlen, so daß jeweils alle Riesel flächenteller des Verdampfers mit den erforderlichen Wasser mengen versorgt werden können, und daß das am Boden des Dampferzeugers 13 anfallende abgekühlte Wasser wieder in den Wasserspeicher 11 zurückgedrückt wird, der auf diese Weise als Wärmespeicher dient.

Der im Dampferzeuger 13 erzeugte Dampf wird in be kannter Weise einem aus Turbine 14 und Generator 15 be stehenden Turbosatz zugeleitet, anschließend in einem Kondensator 16 mit einer Grädigkeit von 5°C niederge schlagen und mittels einer Pumpe 12D wieder in den Wasser speicher 11 rückgeführt.

Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweistufigen Arbeitsprozeß. Hier wird das in Flach kollektoren 10 auf 125°C erwärmte Wasser einem ersten Dampferzeuger 13A mit einem Betriebsdruck von p=2,025 bar zugeführt und dort zum Teil verdampft. Die nicht verdampften auf etwa 120°C abgekühlten Wasseranteile werden bei diesem Ausführungsbeispiel nicht in den Wasserspeicher 11 sondern in die Flachkollektoren 10 zurückgeleitet. Der entstandene Dampf wird in bekannter Weise dem aus Turbine 14 und Generator 15 bestehenden Turbosatz zugeführt. Daran an schließend folgt ein Kondensator 16A, welcher im wesentlichen den gleichen Aufbau haben kann wie die erfindungsgemäße Vorrichtung. In diesem Kondensator 16A erfolgt die Nieder schlagung des Dampfes mittels relativ kühlerem Wasser einer Temperatur von etwa 90°C, welches durch die Konden sation auf 95°C erwärmt und mittels einer Pumpe 12C dem als Wärmespeicher diendenden Wasserspeicher 11 zugeleitet wird.

Gleichzeitig wird dem Wasserspeicher 11 95°C warmes Wasser entnommen und dem Dampferzeuger 13B zugeführt.

Hier erfolgt die Dampferzeugung, Wasserrückführung, Stromerzeugung, Kondensation und Kondensatrückführung wie im Ausführungsbeispiel zu Fig. 5.

Die zuvor beschriebenen Niedertemperatur-Solarkraft werke können heute schon - unter Ausnutzung bekannter Technologien - in den sogenannten Entwicklungsländern hergestellt werden. Hierdurch kann eine ständige Strom versorgung gewährleistet werden. Zur Gewinnung der Energie aus der Sonneneinstrahlung werden konventionelle Sonnen kollektoren mit einfacherer Glasabdeckung verwendet. Sie sind mit in fast allen Entwicklungsländern vorhandenen maschinellen Einrichtungen herstellbar.

Solche Kollektoren lassen sich leicht reinigen, so daß sie auch bei hoher Staubbelastung der Luft, wie dies z. B. in Ägypten gegeben ist, einwandfrei über lange Zeit betriebsfähig bleiben.

Die ununterbrochene und allen Lastschwankungen ge recht werdende Wärmeversorgung des vorgesehenen Nieder druck-Dampfkraftwerkes wird durch die Anlage eines Warm wasser-Wärmespeichers sichergestellt. Dieser Speicher be steht aus so einfachen Bauelementen, daß er ebenfalls in den meisten Entwicklungsländern hergestellt werden kann. Das gleiche gilt - mit geringen Einschränkungen - für die vorgesehenen Niederdruck-Dampfturbinen, Generatoren, Motoren und Wärmeaustauscher.

Bei der Suche nach der günstigsten maximalen Prozeß temperatur für Sonnenkraftwerke mit Flachkollektoren, wurde anhand realistischer Anlagekomponenten (Kollektordiagramm und Dampfturbinen-Wirkungsgrad) nachgewiesen, daß diese günstigste Prozeßtemperatur zwischen 95°C und 80°C liegt.

Schließlich soll ein Zahlenbeispiel die vorstehenden Ausführungen unterstreichen:
Bei einem Wasserdurchsatz von 0,5 m³/s und einer (gewählten) Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s beträgt der erforderliche Strömungsquerschnitt 0,5 m². Bei einem Durchmesser des Zentralrohres 2 von 0,8 m beträgt der Um fang etwa 2,5 m. In der Wand des Zentralrohres 2 befinden sich zehn 5 mm hohe Schlitze 8 von 200 mm Länge, an die sich jeweils Stege 9 von 50 mm Länge anschließen, wobei die Schlitze und Stege abwechselnd über den ganzen Umfang des Rohres verteilt angeordnet sind.

Um den erforderlichen Strömungsquerschnitt A=0,5 m² zu erreichen, sind fünfzig Schlitzreihen übereinander er forderlich. Jede Schlitzreihe mündet auf einem Riesel flächenteller 6, der zur Aufrechterhaltung der Strömungs geschwindigkeit kegelstumpfförmig mit einer Neigung von 1 : 10 gestaltet ist. Zum Abzug des gebildeten Dampfes sind die Rieselflächenteller 6 in einem Höhenabstand von 40 mm übereinander angeordnet. Bei dem vorgesehenen mittleren Tellerdurchmesser von 2,0 m beträgt die Strömungslänge des Wassers 0,6 m, so daß sich bei der Wassergeschwindigkeit von 1,0 m/s eine Verweilzeit von 0,6 Sekunden ergibt. Dem abziehenden Dampf steht bei der lichten Höhe zwischen zwei Rieselflächentellern 6 von 30 mm insgesamt ein Querschitt von A=9,42 m² zur Verfügung.

Bei einer erzeugten Dampfmenge je Verdampfer von
=14,89 g/h=4,136 kg/s
und dem spezifischen Volumen V des Dampfes von 2,365 m³/kg bei 0,7 bar, beträgt die Abströmungsgeschwindigkeit w_D des Dampfes aus den Rieselflächentellern 6

ist also außerordentlich niedrig, so daß ein Mitreißen von Wassertropfen weitgehend vermieden wird. Die Dampfge schwindigkeit erhöht sich im Mantelraum zwischen Ver dampfer und Gehäuse 1. Bei einem Gehäusedurchmesser von 3,5 m ergibt sich hier ein Strömungsquerschnitt von

also eine Dampfgeschwindigkeit von etwa 1,5 m/s.

Der Dampfauslaß 3 zur Turbine 14 wird für eine Dampfge schwindigkeit von 20 m/s ausgelegt und erhält damit ebenfalls einen Durchmesser von 0,8 m.

Der zuvor beschriebene Verdampfer besitzt eine Aus dampffläche von

Es werden also

verdampft, ein Zahlenwert, der, bezogen auf die Ausdampf flächen von Niederdruck-Dampfkesseln, als sehr niedrig bezeichnet werden kann. Bedingt durch die verhältnismäßig große Verdampfungsfläche läßt sich durch den Einsatz ohne Mitreißen von Wassertropfen dennoch ein ausgezeichneter Wirkungsgrad erzielen.

Die zuvor beschriebenen Erkenntnisse werden bei der Berechnung und Konstruktion eines Solarkraftwerkes, welches als Beispiel eine installierte Leistung von 4 MW erbringen soll, verwendet.

Das Kraftwerk besteht aus,
Kollektoren mit einer Fläche von 270 000 m²,
einem Wasserspeicher von einem Volumen von 1,57 Mio m³,
vier Dampferzeugern mit einer Gesamtfläche von 528 m²,
vier Niederdruck-Dampfturbinen mit je 1.250 KVA und
vier Kondensatoren mit einer Grädigkeit von 5°C.

Die Gesamtkosten für die Anlage wurden mit 51,8 Mio DM ermittelt. Bei zinsloser Zurverfügungstellung des Kapitals und jährlicher Rückzahlung von 3% beträgt der Strompreis ab Werk 0,30 DM/kWh.

Von der Strahlungsenergie der Sonne werden mit der geplanten Anlage 5% in elektrischem Strom umgewandelt.

Im Gegensatz zu allen anderen bisher bekannten Solar kraftwerken können mit der vorgeschlagenen, die erfindungs gemäße Vorrichtung verwendenden Anlage die Verbraucher in sonnenscheinlosen Zeiten bis zur Dauer von einem Monat voll mit Strom versorgt werden.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Zentralrohr
3 Dampfauslaß
4 Produktauslaß
5 Flüssigkeitsabscheider
6 Rieselflächenteller
7 Leitelement
8 Schlitz
9 Steg
10 Flachkollektoren
11 Wasserspeicher
12A Pumpe
12B Pumpe
12C Pumpe
12D Pumpe
13 Dampferzeuger
13A Dampferzeuger
13B Dampferzeuger
14 Turbine
15 Generator
16 Kondensator
16A Kondensator
16B Kondensator

Claims

1. Vorrichtung zum Verdampfen von flüssigen Produkten, insbesondere durch Entspannen von auf Siedetemperatur vor gewärmten Produkten, mit einem mindestens je einen Produkt einlaß, Dampfauslaß und Produktauslaß aufweisenden Gehäuse, in dessen Inneren eine Vielzahl von Verdampfungsflächen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfauslaß (3) im obersten Teil des Gehäuses (1) angeordnet und daß als Verdampfungsflächen eine Mehrzahl von im engen Abstand und parallel zueinander, übereinander und um ein vertikal in das Gehäuse hineinragendes, mit seitlichen Öffnungen versehenes und das Produkt zuführendes Zentralrohr (2) an geordneten und nach außen abfallenden Rieselflächentellern (6) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1), die Rieselflächenteller (6) und das Zentralrohr (2) einen runden Querschnitt aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die vom Zentralrohr (2) nach außen ab fallenden Rieselflächenteller (6) kegelstumpfförmig erweitern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kegelfläche jedes Rieselflächentellers (6) zwischen 1 : 5 und 1 : 20, insbesondere 1 : 10, beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rieselflächenteller (6) den Ringspalt zwischen Zentralrohr (2) und Gehäuse (1) etwa zur Hälfte ausfüllen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Zentralrohr (2) als Schlitzreihen mit jeweils mehreren Schlitzen (8) je Riesel flächenteller (6) ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Rieselflächenteller (6) eine Mehrzahl von Leitelementen (7) derart angeordnet ist, daß die Breite des Dünnschichtfilmes des über jeden Rieselflächen teller (6) strömenden Produktes zwischen zwei benachbarten Leitelementen (7) im wesentlichen konstant ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Leitelement (7) konvex nach oben gewölbt ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Rieselflächenteller (6) und die zugehöri gen Leitelemente (7) einstückig ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitelemente (7) auf dem Riesel flächenteller (6) und Öffnungen im Zentralrohr (2) in ihrer Anzahl und gegenseitigen Lage entsprechen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn zeichnet durch einen im Bereich oberhalb der Verdampfungs flächen (Brüdenraum) angeordneten Flüssigkeitsabscheider (5).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die produktführenden Teile korrosionsfester Stahl, insbesondere V2A, zur Anwendung kommt.

13. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittels einer Pumpe zugeführte und auf die dem Betriebs druck im Gehäuse entsprechende Siedetemperatur angewärmte flüssige Produkt durch Öffnungen in einem vertikal in das Gehäuse hineinragenden Zentralrohr über im engen Abstand und parallel zueinander, übereinander und konzentrisch um das Zentralrohr angeordnete und nach außen abfallende Rie selflächenteller strömt und dort zu einem wesentlichen Teil durch Entspannung verdampft, wobei der Dampf durch den im obersten Teil des Gehäuses angeordneten Dampfauslaß der weiteren Verwertung zugeleitet und das nicht verdampfte flüssige Produkt am Boden des Gehäuses gesammelt und von dort abgezogen wird.

14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Dampferzeuger.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Kondensator.