Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten
Die Heizflächen von Verdampfern werden vorzugsweise aus Rohren gebildet, die in der Regel in Rohrböden eingewalzt oder eingeschweisst werden. Die Rohrböden sind mit einem Mantel verbunden, so dass sich eine Heizkammer ergibt, in welcher die Heizrohre von aussen durch ein Heizmedium, beispielsweise Dampf, beheizt werden, während die einzudampfende Flüssigkeit durch die Rohre hindurchgeführt wird.
Bei einfachen, von der Flüssigkeit durchströmten Rohren ist jedoch über die ganze Rohrlänge ein gleich günstiger Wärmeübergangswert nicht zu erreichen. Dies rührt daher, dass z. B. bei Fallstromverdampfern die von oben in die senkrecht stehenden Verdampfungsrohre eingeleitete Flüssigkeit zunächst träge und ungleichmässig an den Rohrinnenwandungen herunterfliesst, wodurch in den oberen Rohrpartien eines solchen Verdampfers infolge Überhitzung unerwünschte Ablagerungen und Verschmutzungen eintreten. Nach dem Einsetzen der Verdampfung wird die Flüssigkeit von dem entstehenden Dampf in die Mitte des Rohrquerschnittes abgestossen und zum unteren Rohrende gefördert, wobei ein Teil der Flüssigkeit die Heizfläche nicht mehr berührt.
Hierdurch wird jedoch diejenige Flüssigkeitsmenge, die mit der Heizfläche in Berührung kommt, teilweise überkonzentriert und scheidet an den Rohrwandungen unerwünschte Beläge ab.
Bei Kletterverdampfern, bei denen die einzudampfende Flüssigkeit von unten in die Verdampferrohre eingeführt wird, ist im Bereich des scheinbaren Flüssigkeitsstandes der Wärmeübergang nur gering, weil in der Flüssigkeit nur eine schwache und in der Regel laminare Strömung herrscht. In dem Rohrbereich, in dem die Flüssigkeit von den entstehenden Dampfblasen nach oben gefördert wird, ist der Wärmeübergang dagegen wesentlich höher. Der mittlere Wärmeübergangswert wird daher bei einem solchen Verdampferrohr durch die ungünstigen Verhältnisse an der Eintrittsseite des Rohres begrenzt. Die Belagbildung ist demnach auch im unteren Teil der Rohre besonders gross.
Bei waagrecht liegenden Verdampferrohren ist eine gleichmässige Benetzung der Innenwand mit der einzudampfenden Flüssigkeit fast nicht zu erreichen.
Es ist bekannt, in Verdampfungsapparaten durch rotierende Einsätze Gase und Dämpfe in rotierender Bewegung zu halten. Die Anordnung von rotierenden Einsätzen, die von einer äusseren mechanischen Kraft angetrieben werden, kommt wegen des hohen konstruktiven Aufwandes für Verdampferrohre jedoch nicht in Frage.
Man hat auch schon versucht, mit fest angeordneten Drallkörpern in der Eintrittsseite der Heizrohre eine rotierende Bewegung der Flüssigkeit und des Dampfes einzuleiten. Die in die Rohre eintretende Flüssigkeitsmenge ist jedoch bei Fallstromverdampfern und Kletterverdampfern mit begrenzter Flüssigkeitsaufgabe sehr gering und die Dampfgeschwindigkeit noch so niedrig, dass der angestrebte Effekt nicht oder nur zu einem geringen Teil erreicht wird. Da bei Verdampfern, bei denen in der Eintrittsseite der Heizrohre drallerzeugende Vorrichtungen eingebaut sind, 90% und mehr Wasser oder Lösungsmittel hinter den Dralleinsätzen verdampft wird, kann eine Rotation des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches über die ganze Länge des Rohres nicht aufrechterhalten werden.
Es sind auch Rohreinsätze bekannt, die in der ganzen Länge durch ein Verdampferrohr hindurchgehen und die durch schraubenlinienförmige Windungen eine rotierende Bewegung des im Rohr erzeugten Dampfes erzwingen. Solche Einsätze haben jedoch eine grössere benetzte Oberfläche als die Heizfläche des Verdampferrohres. Da die Einsatzkörper am Wärmeaustausch nicht beteiligt sind, wird ein grosser Teil der durch die Rohre geleiteten Flüssigkeit für die Benetzung der Einsatzkörperoberfläche in Anspruch genommen, ohne dabei eingedampft zu werden. Es ist deshalb erforderlich, denjenigen Anteil der Flüssigkeit, der auf der Heizfläche durch die Heizrohre geführt wird, höher zu konzentrieren, damit sich nach der Vermischung mit dem nicht eingeengten Anteil der gewünschte Konzentrationsgrad einstellt.
Eine solche Arbeitsweise führt jedoch zu einer erhöhten Verschmutzung der Heizflächen und dadurch zu einer Erniedrigung des Wärmeübergangswertes. Ausserdem übersteigen die Kosten für derartige Einsatzkörper diejenigen für die Verdampferrohre.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten in Heiz- und Verdampfungsrohren, die von aussen beheizt werden und durch welche die einzudampfende Flüssigkeit hindurchgeführt und in welchen der Flüssigkeit und dem entstehenden Dampf eine Drallbewegung erteilt wird. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch Heiz- und Verdampfungsrohre gekennzeichnet, die mit schraubenlinienförmig um die einzelnen Rohre laufenden Sicken so versehen sind, dass sich bei gleichbleibendem Rohrumfang in Längsrichtung der Rohre eine Vergrösserung des Rohrquerschnittes ergibt.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird der Flüssigkeit und dem entstehenden Dampf durch die Sicken in den Rohren eine Drallbewegung aufgezwungen. Ausserdem ergeben sich durch die Vergrösserung des Rohrquerschnittes in der Strömungsrichtung des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches an jeder Rohrstelle günstige Strömungsbedingungen und vorteilhafte Wärme iibergangswerte, die dann optimal werden, wenn die Erweiterung des Querschnittes so gewählt wurde, dass sich in dem Rohr beim Betrieb über die gesamte Rohrlänge eine konstante Dampfgeschwindigkeit einstellt. Hierdurch wird eine vollkommen gleichmässige Benetzung der Heiz- und Verdampfungsfläche mit der einzudampfenden Flüssigkeit erreicht und schädliche Überhitzung der Flüssigkeit und damit verbundene Ablagerungen von Feststoffen auf der Heizfläche vermieden.
Ferner können infolge der günstigen Wärme übergangswerte die erfindungsgemässen Heiz- und Verdampfungsrohre gegenüber den bisher bekannten Verdampfungsrohren in ihrer Abmessung bei gleicher Verdampfungsleistung kleiner gewählt werden.
Zur Herstellung der Heiz- und Verdampfungsrohre, die mit schraubenlinienförmig um die einzelnen Rohre laufenden Sicken versehen sind, können normale, glatte Rohre beispielsweise durch Drücken so verformt werden, dass in der Längsrichtung der Rohre Sicken schraubenlinienförmig um die Rohre laufen und sich der freie Querschnitt eines Rohres in Längsrichtung bei praktisch gleichbleibendem Rohrumfang vergrössert.
In der Regel wird ein erfindungsgemässes Heiz- und Verdampfungsrohr mit drei oder vier schraubenlinienförmigen, um das Rohr laufenden Sicken versehen.
Es können jedoch auch mehr als vier schraubenlinienförmig um das Rohr laufende Sicken angebracht werden.
Das Rohr kann auch lediglich an zwei jeweils gegen überliegenden Seiten zusammengedrückt werden, so dass sich in dem Rohr zwei schraubenlinienförmig gewundene Sicken bilden, wobei der Rohrquerschnitt in der Längsrichtung des Rohres zunimmt.
Durch die Steigung, mit der sich die Sicken um ein Rohr winden, wird der Drall bzw. die Umdrehungsgeschwindigkeit des Flüssigkeit-Dampf-Gemisches bestimmt. In der Regel haben sich die Sicken oder Vertiefungen am Ende der Verdampferrohre etwa einmal um 360 um die Rohre gewunden. Es ist jedoch auch möglich, die Rohre so mit Sicken zu versehen, dass diese schon z. B. nach einem Viertel der Rohrlänge sich um 3600 um die Rohre gewunden haben.
Die erfindungsgemässen Heiz- und Verdampfungsrohre können mit gleich gutem Erfolg in senkrechter oder waagrechter oder auch geneigter Anordnung in bekannter Weise in die Rohrböden von Verdampfern eingebaut werden. Bei senkrechter oder geneigter Anordnung kann die einzudampfende Flüssigkeit von oben oder von unten durch die Heiz- und Verdampfungsrohre geführt werden, wobei jeweils die einzudampfende Flüssigkeit an den Rohrenden mit den kleinen Rohrquerschnitten in die Verdampferrohre eingeleitet wird.
Für die Einpassung der Verdampferrohre in die Rohrböden des Verdampfers ist es vorteilhaft, wenn die beiden Rohrenden einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Aus diesem Grund werden zweckmässigerweise die beiden Rohrenden frei von Sicken gehalten.
Am einfachsten lässt sich dies erreichen, wenn die Sicken erst in einem bestimmten Abstand von einem Rohrende beginnend in das Rohr eingedrückt werden und der freie Rohrquerschnitt sich bis zum anderen Rohrende zunehmend so vergrössert, dass dort der urspüngliche Kreisquerschnitt des Rohres wieder erreicht wird.
In den Abbildungen ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung in beispielsweiser und schematischer Weise dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Verdampfer, der Heiz- und Verdampfungsrohre enthält, die je mit drei Sicken versehen sind.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf das Einlassende des in der Fig. 1 dargestellten Verdampfungsrohres.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen Querschnitte durch das in der Fig. 1 dargestellte Rohr an den Stellen A-A', B-B', C-C' und D-D'.
Die Fig. 1 zeigt einen Vertikalteilschnitt aus einem Fallstromverdampfer, bei dem zwischen den ausschnittsweise dargestellten Rohrböden 1 und 2 ein erfindungsgemässes Heiz- und Verdampfungsrohr 3 angeordnet ist. Die einzudampfende Flüssigkeit wird von oben in das Rohr 3 eingeleitet, das zwischen den Rohrböden 1 und 2 durch ein geeignetes Heizmedium von aussen erwärmt wird. Das oben runde Rohrende ist in dem oberen Rohrboden 1 eingewalzt. Hinter der Walzstelle sind in das Rohr drei Sicken eingedrückt.
Bei der Sicht in das Rohr von oben ergibt sich ein Bild, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Umfang der dreizackigen Figur entspricht dabei dem Rohrumfang. Bei einem Horizontalschnitt durch das Rohr 3 an der Stelle A-A' erhält man den in Fig. 3 dargestellten Querschnitt. Der freie Querschnitt beträgt dabei nur einen Bruchteil des ursprünglichen Rohrquerschnittes.
Die Sicken winden sich erfindungsgemäss schraubenlinienförmig um das Rohr und sind so ausgebildet, dass der Querschnitt des Rohres von oben nach unten zunimmt.
An der Stelle B-B' beträgt der freie Querschnitt 1/4 des ursprünglichen Rohrquerschnittes. Dieser Querschnitt durch das Rohr an der Stelle B-B' ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Horizontalschnitt durch das Rohr an der Stelle C-C' ergibt den in Fig. 5 dargestellten Querschnitt, der die Hälfte des ursprünglichen Rohrquerschnittes beträgt. Die Fig. 6 stellt einen Horizontalschnitt durch das Rohr 3 an der Stelle D-D' dar, an der der Rohrquerschnitt 1/4 des ursprünglichen Rohr querschnittes ausmacht. Am unteren Rohrende sind die Sicken ausgelaufen und in den Kreisquerschnitt des ursprünglichen Rohres übergegangen. Das Rohr 3 ist an seinem unteren Ende in den Rohrboden 2 eingewalzt.
In einem Fallstromverdampfer, der mit Röhren ausgerüstet ist, die erfindungsgemäss mit drei schraubenlinienförmig umlaufenden Sicken versehen sind, wird eine Flüssigkeit mit 20 % Trockensubstanzgehalt bei einmaligem Durchgang durch die Rohre des Verdampfers bei einer Eindampftemperatur von 600 C und einer Heizdampftemperatur von 75 C auf 50% Trocken- substanzgehalt eingedampft. Der Flüssigkeitsdurchsatz durch ein 4 m langes Rohr beträgt pro Stunde 36,7 kg mit 20 S Trockensubstanzgehalt.
Der Wärmedurchgangswert beträgt 2000 kcal/m2h0C. Die Rohre, deren lichter Durchmesser 32 mm vor der Anbringung der Sicken beträgt, weisen folgende Querschnitte auf:
Rohrquerschnitt bei 1/4 Rohrlänge: etwa 200mm"
Rohrquerschnitt bei V2 Rohrlänge: etwa 400 mm
Rohrquerschnitt bei 8/4 Rohrlänge: etwa 600mm2.
Bei einer Gesamtwasserverdampfung in einem Rohr pro Stunde von 21,8 kg ergibt sich an allen Stellen des Rohres unterhalb des Querschnittes von 200mm2 eine gleichbleibende Dampfgeschwindigkeit von 58 m/sec. Da sich die Sicken nach einem Viertel der Rohrlänge einmal um 360 um das Rohr gewunden haben, dreht sich der Brüdenstrom innerhalb des Rohres mit einer Drehzahl von etwa 3 480 Upm. Durch die entstehende Fliehkraft wird die Flüssigkeit mit dem 37fachen ihres eigenen Gewichtes auf die Heizfläche gedrückt.