DE2404366C2 - Verfahren zum Herbeiführen von Kondensattropfenbildung an Wärmeaustauscherrohren - Google Patents

Description

% der Wärmeübergangskoeffizient zum Innenraum

des Rohres auf der Seite des Kühlmittels ist;
2(i n, der Wärmeübergangskoeffizient der Kondensation

auf der Außenseite des Rohrs, also dampfseitig ist, r,, der Wärmeleitwiderstand der Wand und
r, der Wärmeleitwiderstand des Kesselsteins und von Verunreinigungen.

25 im gegenwärtig häufigsten Fall, wo man eine /u starke Abscheidung von Kesselstein oder Schmutz durch eine entsprechende Vorbehandlung des Kühlmittels vermeidet und wo die Wand aus einem genügend wärmeleitenden Material besteht (z. B. einer Kupferlegierung), haben die verschiedenen Glieder der Formel (1) im wesentlichen das folgende Gewicht:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herbeiführen von Kondensattropfenbildung an Wärmeaustauscherrohren, bei dem dem Speisedampf vor dem Eintritt in den Wärmeaustauscher mindestens ein Fluid kontinuierlich oder diskontinuierlich zugesetzt wird.

Bekanntlich ist in Heizwerken, Wärmekraftwerken, in chemischen Anlagen und Meerwasserentsalzungsanlagen ein wichtiges Problem der hohe Preis der Wärmeaustauscher, besonders wenn diese Wärmeaustauscher aus Rohren aus verhältnismäßig edlen Metallen (Kupferlegicrungcii, Nickellegierungen, Titan) bestehen. Man bemüht sich daher die erforderlichen Investitionskosten wesentlich zu verringern, durch Verbesserung der Wärmctauschqualitüi, um so die Wärmeaustauscherfläche verringern zu können.

40% für den Kehrwert des inneren Wärmeübergangskoeffizienten,

20% für die Summe der Wärmeleitwiderstände,
40% für den Kehrwert des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten.

Man sieht daraus, daß beispielsweise bei einer Verbesserung des Kondensationskoeffizienten h_c um einen Faktor 2 der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient L/sich um einen Faktor 1,25 erhöht.

Die Verbesserung des Kondensationskoeffizienten wird erhalten, indem man für eine tropfenförmige Kondensation an der Außen- oder Innenwand des Wärmetauscherrohres sorgt. Damit diese stattfindet, muß man die Wand hydrophob, also durch Wasser nicht benetzbar machen. Der Dampf kondensiert dann in Form von Tropfen, die an bevorzugten Punkten der Wand entstehen und wachsen und, wenn sie eine genügende Größe erreicht haben, an der Wand entlang rollen und sich von ihr lösen. Der Hauptteii der Rohrwand ist so frei von Flüssigkeit und befindet sich in unmittelbarer Berührung mit dem Dampf, was den Wärmeübergangskoeffizienten erhöht.

Gegenwärtig sind folgende Maßnahmen bekannt, um die Außen- oder Innenwand von Wärmetauscherrohren hydrophob zu machen:

(Λ Man kann beispielsweise diese Wand mit einer hydrophoben Beschichtung versehen. Diese Beschichtung muß aus einem ziemlich gut wärmeleitenden Material bestehen oder als außerordentlich feine Schicht aufgetragen sein. Die Beschichtung muß auch sehr beständig sein und eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer aufweisen. Gegenwärtig liefern Bcschichtungcn aus Gold oder Chrom gute Ergebnisse, haben jedoch den Nachteil außerordentlich hoher Kosten.

Man kann auch organische Mittel zur Förderung der tropfenförmigen Kondensation benutzen, wie Kupferoleat, Octadecylamin, Mercaptan, Siliconöle usw. Diese Produkte werden in die Dampfphase eingeführt und kommen pulverisiert in flüssiger Phase oder Dampfphase mit dem Wärmeaustauscherrohr in Berührung. Sie mischen sich mit dem Dampf und scheiden sich an der Außen- oder Innenwand des Rohres, wo sie absorbiert werden, in Form einer dünnen Haut oder monomolekularen Schicht ab. Beispielsweise soll nach der DE-⁰S 7 07 155 zum Zweck der Leistungssteigerung von dampfbeaufschlagten Wärmeaustauschern mittels einer eine Tropfenkondensation erzeugenden Flüssigkeit dem Heizdampf ständig ader in Zeitabständen Öldampf beigemischt werden. '⁵

Die erwähnten organischen Produkte müssen ungiftig sein und dürfen die Rohre nicht korrodieren.

Die Erfindung bezweckt nun ein Verfahren zum Herbeiführen von Kondensattropfenbildung an Wärmetauscherrohren durch Einwirkung eines besonders günstigen, die Kondensattropfenbildung fördernden Mittels.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die im Anspruch definierten Fluorderivate sind beschrieben in der FR-A-21 63 808. Wenn man diese Verbindungen dem eingespeisten Dampf zusetzt, haften sie an der Rohrwand und bilden eine Beschichtung mit ausgezeichneten hydrophoben und oleophoben Eigenschaften. Man kann so nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kondensation in Tropfenform nicht nur von Wasserdampf sondern auch von Dämpfen organischer Flüssigkeiten erreichen;

Als Beispiele der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Fluorderivate seien die folgenden Produkte erwähnt:

40

45

CF₃-(CFj)_n-C₂H₄-COOH
CF,- (CF₂),,- (C₂H₄),- COOH
CF,—(CF₂)„—C₂H₃CIOPO₃H₂
CF₃-(CF₂J_n- C₂H₄-SO₂NH-(CH₂)₆OH
CF₃-(CF₂J_n-C₂H₄SO₂-N(CHj)-C₂H₄OH

mit denen man ausgezeichnete Ergebnisse an Wänden aus rostfreiem Stahl erhält und

CF₃-(CFj)„—C₂H₃Cl-OPO₃H₂
CF₃-(CF₂),,-(CjH₄),-COOH
CF₃-(CFj)_n-C₂H₄-SH

■i5

mit denen man ausgezeichnete Ergebnisse an Wänden aus Kupfer erhält.

Das Verfahren kann auch mit Hilfe von Stoffzusammcnsetzungen auf der Grundlage von fluorhaltigen Polymeren und Copolymeren durchgeführt werden, die beispielsweise in der FR-A-21 75 332 beschrieben sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als fluorhaltiges Derivat ein polyfluoriertes ^b5 Disulfid der allgemeinen Formel:

C„F₂„₄, -(CH₂)..,- S - S -(CH₂),,-CF_2n+ ,

verwendet, worin C_nF_2n+1 eine gerade oder verzweigte perforierte Kette bedeutet und π und a jeweils eine ganze Zahl zwischen 2 und 20 sind.

Diese polyfluorierten Disulfide sind in der FR-A-21 71 560 beschrieben.

Die Zuführung des oder der polyfluorierten Produkte in die Dampfphase erfolgt entweder durch Mischen mit der Flüssigkeit, welche den Speisedampf liefern soll, wobei die fluorierten Produkte mit iwrem eigenen Dampf druckdestillieren, durch Durchleiten des Dampfes über oder durch eine Lösung oder Emulsion der fluorierten Produkte in Wasser oder durch mechanisches Einspritzen des oder der fluorierten Produkte, die gegebenenfalls in einem Lösungmsittel gelöst sind, in den Speisedampf in Form eines Nebels.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das oder die fluorierten Produkte gemeinsam mit einem üblichen Hilfsmittel zur Förderung der Kondensattropfenbildung benutzt. Die Einführung dieser verschiedenen Verbindungen kann entweder gleichzeitig oder getrennt erfolgen.

Für bestimmte Anwendungszwecke, besonders in Anlagen zur Entsalzung von Meerwasser, ist es unbedingt erforderlich, daß das Mittel zum Herbeiführen von Kondensattropfenbildung ungiftig ist.

Bei den verwendeten fluorierten Derivaten ist dies der Fall, da die Fluorderivatmoleküle eine genügend lange pcrfluorierte Kette aufweisen, welche die Giftigkeit genügend herabsetzt oder ganz beseitigt.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Figur, die schematisch eine Verdampfungs-Kondensationsanlage zeigt, an Hand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Die für das Verfahren verwendete Vorrichtung weist einen Dampferzeuger 1, eine Kondensationskammer 2 und ein Kühlsystem 3 auf.

Der aus rostfreiem Stahl hergestellte Dampferzeuger 1 ist eine zylindrische Kammer von 0,5 m Durchmesser und 1 m Länge, die etwa 100 Liter entsalztes (mit Pcrmutit behandeltes) Wasser enthalt. Sie wird durch eintauchende Heizelemente 4 erhitzt, die mit Dreiphasenstrom gespeist sind und eine Maximalleistung von 36 KW abgeben.

Die Kondensationskammer 2 besteht aus einem Zylinder aus chemisch und wärmebeständigem Glas von 1 m Länge und 400 mm Durchmesser, der durch eine mit zwei Beobachtungsfenstern versehene Glaswollcschicht wärmeisoliert ist. Die Kondensationskammer 2 ist mit dem Dampferzeuger 1 durch eine wärmeisolierte Leitung 5 aus rostfreiem Stahl verbunden, deren Innendurchmesser (160 mm) so berechnet ist, daß der Dampf mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 1 m/s in die Kondensationskammer 2 eintritt.

Durch die Kondensationskammer 2 führt ein Meßrohr 6, an dem die Kondensation stattfindet. Das Meßrohr 6 ist 900 mm lang und hat einen Außendurchmesser von 25 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Es ist gegenüber den Wänden der Kammer 2 durch Ringe 7 aus Polytetrafluoräthylen wärmeisoliert. Unterhalb des Rohres 6 ist ein Kondensatfänger 8 von erheblich geringerer Länge als die Länge des Rohres 6 angeordnet.

Duich das Rohr 6 strömt Wasser des Kühlsystems 3, das unmittelbar mit der städtischen Wasserleitung verbunden ist. Das Wasser wird durch eine Pumpe 9 im Kühlsystem 3 umgepumpt, welche unter den aneewand·

ten Betriebsbedingungen 15mVh abgeben kann. Die Einstellung der Temperatur des Kühlmittels erfolgt durch kontinuierliche Zuführung von Wasser, wobei die Regelung von Hand durch Verstellung des Nadelventils 10 erfolgt, welches die Ableitung des vom Ausgang der Kondensationskammer 2 kommenden erwärmten Kühlwassers steuert.

Der hohe Durchsatz des in jedem Rohr strömenden Wassers ist so gewählt, daß die durch die Dampfkondensation bewirkte Temperaturerhöhung des Rohrs 6 gering bezüglich der Temperaturdifferenz zwischen dem Dampf und dem Kühlwasser ist. In diesem Beispiel besteht das Rohr 6 aus Kupfer.

Man führt nun durch die Leitung Il in den vom Dampferzeuger 1 kommenden Dampf eine poly fluorier- i"> te Disulfidverbindung der Formel (C₈FiZCSH₄S)J ein. Zur Abscheidung von 1 m^J Kondensat müssen etwa 38 mg dieser Verbindung eingeführt werden. Durch eine einzige Einspritzung von (CsFi₇C₂H₄S)₂ erreicht man eine tropfenförmige Kondensation während mehr als 2500 Stunden, was zeigt, daß die Lebensdauer der Verbindung (CsFi₇CiH₄S)I sehr groß ist.

Beispiel 2

Bei der Inbetriebnahme der Apparatur mit einem Rohr 6 aus einer Kupfe^Nickel-Legierung bilden sich an der Oberfläche des Rohres 6 verschiedenfarbige Streifen und Flecke, die durch Kondensatfäden hervorgerufen werden, die sich am Rohr bilden und es oxydieren.

Unter diesen Bedingungen haftet die Verbindung (CsF]₇C₂H₄S)₂ allein nur schwer am Rohr 6. Man verwendet daher ein Gemisch bestehend aus der Verbindung (C₈F₁₇C₂H₄S)₂ und der Säure C₈Fi₇C₂H₄ COOH. Diese Säure ermöglicht die Haftung des Disulfidderivats. Man spritzt durch die Leitung 11 ein einziges Mal ein Gemisch von ¹A der Säure und ²Zi des Disulfids ein und erhält so während mehr als 2500 Stunden eine tropfenförmige Kondensatbildung.

In den beiden vorangehenden Beispielen wird der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient um den Faktor 3 erhöht.

Beispiel 3

vVeitere Untersuchungen wurden mit einem Rohr 6 aus rostfreiem Stahl durchgeführt. Verschiedene Fluorderivate wurden in den Speisedampf eingespritzt

25

35

45 und die Art der Kondensation festgestellt. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Zusatz

Form der Kondensatbildung

C₈F₁₇(CHj)₁₀COOH
C₈F₁₇C₂H₄SO₃H

CF_nCHCl-CH₂OPO₃H₂
C₇F₁₅-COCH₂-COCH₃

(C₈F₁₇C₂H₄S)₂

Tropfen

Gemischte Kondensation nur während der Einspritzung

desgleichen desgleichen

Tropfen nur beirr. Einspritzen

Beispiel 4

Wiederholung der Untersuchungen des Beispiels 3 mit einem Kondensationsrohr aus gewöhnlichem Stahl. Man erhält mit (C₈F₁₇C₂H₄S)₂ eine gute Kondensattropfenbildung.

Beispiel 5

Wiederholung der Untersuchungen des Beispiels 3 mit einem Kondensationsrohr aus Aluminium. Nach mehreren Einspritzungen von (C₈F₁₇C₂H₄S)₂ erhält man eine Kondensation in Tropfenform.

Beispiel 6

Wiederholung der Untersuchungen des Beispiels 3 mit einem Kondensationsrohr aus Kupferlegierung. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

Zusatz

Form der Kondensatbildung

40 (C₈F₁₇C₂H₄S)₂

CjF₁₇C₂H₄SH
C₈F₁₇(CH₂)_IOCOOH

C₈F₁₇(CH₂J₄-NH₂

Ausgezeichnete Tropfenbüdung; sehr große Lebensdauer desgleichen in Tropfenform während einiger Stunden desgleichen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herbeiführen von Kondensattropfenbildung an Wärmetauscherrohren, bei dem dem Speisedampf vor dem Eintritt in den Wärmetauscher mindestens ein Fluid kontinuierlich oder diskontinuierlich zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus einem Fluorderivat der allgemeinen Formel

C_nF_3n+1-(CHj)₃-X

besteht, worin X eine funktionell Gruppe, welche die Haftung des fluorhaltigen Produkts an der Wand des Rohres bewirken kann, bedeutet und η und a jewel's eine ganze Zahl zwischen 2 und 20 sind. worin

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als fluorhaltiges Derivat ein polyfluonertes Disulfid der allgemeinen Formel:

C_nF_2n+1-(CH₂)^-S-S-(CH₂K-C_nF_2n+1

benutzt, worin C_nF_2n+1 eine gerade oder verzweigte perfluorierte Kette bedeutet und sowohl π als auch a eine ganze Zahl zwischen 2 und 20 sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorderivat zugesetzt wird, indem man es mit der Flüssigkeit mischt, welche den Speisedampf bilden soll.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorderivat zugesetzt wird, indem man den Speisedampf durch oder über eine Emulsion des Fluorderivats in Wasser leitet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dns Fluorderivat zugesetzt wird, indem man es in Form eines Nebels in den si Speisedampf mechanisch einspritzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluorderivat eine Verbindung der Formel (CbF^C₂H₄S)₂ benutzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von Fluorderivaten benutzt.

8. Verfahren nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß als Fluorderivat eine Verbindung der Formel (CbFwC₂H₄S)₂ in Kombination mit einer Säure der Formel CbFhC₂H₄COOH benutzt wird.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in Anlagen zum Entsalzen von Meerwasser.

Ein Mittel, um diese Verbesserung zu erreichen, besteht darin, die Bildung eines Kondensatfilms auf der Außenwand der Wärmeaustauscherrohre zu verhindern und statt dessen für eine Kondensation in Tropfenform zu sorgen.

Eine Betrachtung des klassischen Falls von Kondensatoren mit zylindrischen Rohren zeigt, daß der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient U zwischen dem zu kondensierenden Dampf und dem Kühlmittel sich aach folgender Gleichung berechnet: