DE3636689A1 - Durchlauf-dampferzeuger und dampfrekuperator - Google Patents

Description

Dampferzeuger werden in vielen industriellen Bereichen angewandt. Neben der leistungsbezogenen Dimensionierung, die von 1 kg/h bis in den Bereich mehrerer t/h variiert, ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal für die Auslegung der primären Leistungszufuhr von außerordentlicher Bedeutung. Es ist dies die Betriebsweise, die nach kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Dampfentnahme zu klassifizieren ist.

Insbesonders bei diskontinuierlicher Dampfentnahme bietet der erfindungsgemäße Aufbau eines Dampferzeugers erhebliche Vorteile zum Stand der Technik. Bei diskontinuierlichem Betrieb kann die installierte Leistungszufuhr der Primärenergieversorgung unterhalb des Wertes liegen, der für die momentane Dampfentnahme benötigt würde. Konventionell realisiert man dies in der Form, daß in einem geschlossenen Behälter ein Wasservorrat so weit überhitzt wird, daß das Δ t zwischen Heißwasser und der gewünschten Dampftemperatur so hoch ist, daß eine ausreichende Leistungsvorhaltung für die momentane Dampfentnahme realisiert wird. Dies hat allerdings den Nachteil, daß der Heißwasserbehälter auf den Druck entsprechend der Speicherendtemperatur ausgelegt werden muß. Solche Druckbehälter sind teuer. Erfindungsgemäß wird dies dadurch umgangen, daß ein Wärmetauscher in Form eines porösen Sintermetalls verwandt wird.

Dieser Sintermetallkörper wird so dimensioniert, daß eine äquivalente Leistungsvorhaltung auf Basis der spezifischen Wärmekapazität realisiert wird. Dies geschieht in der Form, daß der Verdampfer sensibel aufgeheizt wird, ohne daß die flüssige Phase des Wassers bzw. Wärmeträgers in nennenswerter Menge vorliegt. Die Aufheizung endet bei der Temperatur, die der Energiemenge entspricht, die zur Verdampfung der Wassermenge führt, die nicht durch direkte Wärmezufuhr gedeckt werden kann. Die Überhitzung der in der Verdampferkammer verbliebenen Dampfphase führt zu keinem nennenswerten Druckanstieg, da der Druck davon abhängt, bei welcher Temperatur der Phasenwechsel vollzogen wird. Konventionell erfolgt die Dampfentnahme in der Weise, daß ein Ventil über der Dampfphase geöffnet wird und das Heißwasser entspannt, wodurch sich ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt. Hierbei verdampft ein Teil des Heißwassers, so daß momentan eine größere Dampfmenge zur Verfügung gestellt werden kann, als dies durch die Wärmezufuhr des installierten Wärmetauschers möglich wäre (Gefällespeicher).

Erfindungsgemäß wird die Dampfentnahme dadurch realisiert, daß die Wasserzufuhr über die Speisepumpe so dosiert wird, daß aufgrund der Abstimmung der vorgehaltenen Leistung und der momentanen Leistungszufuhr Dampf der gewünschten Kondition und Menge bereitgestellt wird. Überraschend stellt sich hierbei ein Druck ein, der unterhalb des Druckes liegt, der auftreten würde, wenn der Phasenwechsel bei der Endtemperatur der Speicherung erfolgen würde.

Da die Wasserzufuhr nur bei geöffnetem Abdampfventil erfolgt, geht das Wasser bzw. Arbeitsmedium bei entsprechendem Druck in den Sattdampfbereich über, um beim weiteren Durchströmen des Sintermetallverdampfers ohne nennenswerten Druckanstieg zu überhitzen. Während der Öffnungsphase wandert der Bereich des Phasenwechsels stromabwärts. Vorteilhaft ist hierbei, daß die Speicherkapazität des Metalls auch unterhalb der Verdampfungstemperatur genutzt werden kann, da das Speisewasser in den Teilen des Verdampfers, die zur Verdampfung keine ausreichende Temperatur mehr aufweisen, sensibel aufgeheizt wird.

Die Abschaltung der Energiezufuhr durch den Primärwärmetauscher erfolgt immer dann, wenn die Speicherendtemperatur erreicht wird; die Zuschaltung entweder, wenn die zur Verdampfung notwendige minimale Temperatur erreicht wird, auf jeden Fall dann, wenn Dampf entnommen wird. Diese Schaltung ermöglicht es, den Primärenergietauscher auf die Leistung auszulegen, die für eine kontinuierliche Verdampfung der stündlich maximal abgeforderten Dampfmenge installiert werden müßte.

Für die Möglichkeit thermischer Speicherleistung spielt die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten porösen Sintermaterials nur eine untergeordnete Rolle, da die Ableitung zum Dampf nur die Strecke der Kugelmitte zur Kugeloberfläche beträgt, diese Strecke beträgt systemsignifikant nur 125-250 µm, da vorzugsweise Korn- bzw. Kugelgrößen von 250-500 µm Anwendung finden. Insbesondere bei einer elektrischen Energieversorgung kann die Wiederaufheizung bei großem Δ t erfolgen, so daß schnelle Wiederaufheizzeiten realisiert werden können.

Sofern in der Wiederaufheizphase, also bei geschlossenem Abdampfventil, flüssige Phase des Wärmeträgers verbleibt, steigt für diesen Anteil zwangsläufig die Phasenwechseltemperatur und der Druck. Dies ist ein systemsignifikant gewünschter und erfindungsgemäßer Effekt, da zwischen Durchlaufdampferzeuger und Abdampfventil ein beispielsweise federbelasteter Überströmventil installiert wird, welches bei einem voreingestellten Maximaldruck Dampf in eine Filterkerze leitet. Diese Filterkerze ist ebenfalls aus porösem Sintermetall und dient der Abscheidung von Schwebstoffen und Kesselstein aus dem Speisewasser. Die Porosität der Filterkerze entspricht maximal dem Porenradius des Verdampfers, die Filterfläche ist so dimensioniert, daß bei minimalem Wasserstand die jeweils maximale Wassermenge pro Sekunde überströmen kann. Die Einleitung des Dampfes bewirkt einerseits eine Rückspülung der Filterporen durch den Dampfstoß sowie eine Aufheizung der Kerze durch Kondensation des Dampfes. Die Aufheizung ist insofern von Bedeutung, als eine vermehrte Ausfällung von Calciumcarbonat (Kesselstein) insbesondere ab Temperaturen von 62°C erwartet werden kann. Die vorbeschriebene Verfahrenstechnik hat den Sinn, Ablagerungen im Verdampfer zu reduzieren, wobei die chemische Behandlung des Speisewassers zumindest reduziert werden kann.

Sofern die Möglichkeit besteht, Abdampf gezielt abzusaugen, kann das System um einen Dampfrekuperator erweitert werden, wodurch sehr große Energiemengen in Form der Verdampfungsenthalpie sowie Speisewasser zurückgewonnen werden können.

Hierbei wird die Arbeitsfähigkeit des Dampfes in der Weise Genutzt, daß mittels mindestens einer Strahldüse und eines Diffusors in einer Kammer Unterdruck aufgebaut wird, deren umgebende Grenzflächen aus porösem Sintermetall bestehen. Die Sinterwand übernimmt hierbei die Funktion des sonst üblichen massiven Mischrohres, wobei der anzusaugende Massenstrom jedoch kontinuierlich dem Treibstrahl beigemischt wird, was zu einer erheblichen Reduktion der sonst üblichen Stoßverluste im Mischrohr führt.

Die Konditionierung des angesaugten Dampfes auf den gewünschten Zustand kann in der Form durchgeführt werden, daß die Verdichtung und Temperaturerhöhung ausschließlich durch den Injektor erfolgt oder aber in der Form, daß der Dampf beim Durchströmen des porösen Mischrohrs auf eine gewünschte Temperatur überhitzt wird und lediglich der Druckhub durch den Strahlverdichter erfolgt.

Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Durchlauf-Dampferzeuger mit elektrischer Beheizung im Maßstab 1 : 1 für eine Dampfmenge von 2,5 kg/h Sattdampf 135°C, 3 bar, entsprechend 0,7 g/s. Gefordert wird für die Anwendung als Dampferzeuger für ein Bügeleisen 1,5 g/s für eine Taktzeit von mindestens 10 s. Für besonders schwere Stoffqualitäten können jedoch auch größere Dampfmengen z. B. von max. 3 g/s erforderlich sein.

Der Verdampferblock (1) aus gut leitendem porösen Sintermetall ist so dimensioniert, daß die Abdampffläche und Speicherkapazität bei gewählter Korngröße und Porosität für die maximale Dampfmenge ausreicht. Sind Korngröße und Porenradius optimal auf das zu verdampfende Arbeitsmedium abgestimmt, können Wärmeübergangskoeffizienten < 70 kW/m²*K bezogen auf die Abströmfläche in Ansatz gebracht werden. Die Seitenflächen des Verdampfers (1), die an die Aufnahme (2) grenzen, sind so ausgelegt, daß die Wärmemenge aus dem Heizkörper (3) übertragen werden kann, die benötigt wird, um die vorgegebene maximale stündliche Dampfmenge im kontinuierlichen Betrieb zu erzeugen.

Im Beispiel sind dies 2,5 kg entsprechend 0,7 g/s. Die erforderliche Leistung beträgt:

sensibel
4,36 kJ * 2,5×Δ t 115= 1225 kJ latent
2,60 kJ * 2,5= 5400 kJ
  6625 kJ

Die benötigte Leistung beträgt somit 1,85 kW. Die Übertragungsfläche kann nunmehr durch Vorgabe eines Δ t zwischen Verdampfungstemperatur bzw. Mindesttemperatur des Sintermetallverdampfers und Heizkörper bestimmt werden oder man berechnet zunächst die erforderliche Speicherkapazität und bestimmt das erforderliche Δ t bei gegebener Fläche.

Für die geforderte Zulaufmenge von 1,5 g/s ist eine momentane Leistung von 3,96 kJ/s zu erbringen. Die Speicherleistung beträgt somit 2,11 kJ/s, da 1,85 kJ/s direkt zugeführt werden können. Der in Fig. 1 beispielhaft aufgeführte Sinterblock aus Sinterbronze verfügt über eine Speicherkapazität von 0,372 kJ/K, so daß pro Sekunde ein Δ t von 5,67 k abgebaut werden muß. Bei einer Taktzeit von 10 s errechnet sich somit ein Speicher Δ t von ca. 58 k zwischen minimaler Verdampfertemperatur und Speicherendtemperatur.

Die Aufladezeit nach vollständiger Entleerung beträgt bei der vorgehaltenen Leistung von 1,86 kJ/s 4,97 K/s bzw. 11,7 s, um einen erneuten Vollastzyklus zu fahren. Für längere Zyklen oder größere Wassermengen kann das Speicher-Δ t vergrößert werden, hierbei kommt es im wesentlichen darauf an, ob das exergetische Potential des Primärenergieträgers ausreicht und ob andere technische Grenzwerte z. B. maximale Temperaturen von elektrischen Heizstäben eine weitere Temperaturerhöhung zulassen. Für den als obersten Grenzwert benannten Massenstrom von 3,0 g/s muß unter Beibehaltung vorgenannter Parameter einem dem Speicher entnehmbaren Wärmestrom von 6,07 kW vorgehalten werden.

Für dieses Beispiel lohnt sich die etwa differenziertere Betrachtung des sensiblen und latenten Anteils der vorzuhaltenden Leistung. Für die Aufheizung des Speisewassers auf Verdampfungstemperatur werden 1,46 kJ/s benötigt, für die das Speicher-Δ t bestimmende Leistung für die Verdampfungsenthalpie 4,61 kJ/s. Bei fixem Speicher-Δ t von 58 K errechnet sich eine Speicherkapazität von 21,6 kJ, woraus sich eine Taktzeit von 4,68 s errechnet. Die Aufladung dauert unter Berücksichtigung der sensibel entnommenen Leistung ca. 15,4 s. Zur Erzielung größerer Öffnungszeiten des Abdampfventils kann das Speicher-Δ t vergrößert werden, wodurch sich allerdings die Ladezeit weiter verlängert.

Zur Realisierung des Wertes für 1,5 g/s muß ein konventioneller Druckwasserspeicher von 0,5 l Inhalt auf ca. 4 bar Behälterbetriebsdruck ausgelegt werden, für den von 3,0 g/s auf 4,7 bar (4,68 s) bei einer gewünschten 10 s Taktzeit auf ca. 7 bar.

In den so dimensionierten Verdampfer (1) wird über eine Zuleitung (4) die der gewünschten Dampfmenge entsprechende Wassermenge in eine Verteilkammer (5) geleitet und zwar nur dann, wenn das in der Abdampfleitung (6) befindliche Ventil geöffnet ist, so daß sich der Phasenwechsel bei niedrigem Druck einstellen kann.

Die insbesondere bei Verwendung von Materialien unterschiedlichen Längen­ ausdehnungskoeffizienten für Verdampfer (1) und Aufnahme (2) bevorzugte Konusform des Verdampfers, gewährleistet eine gute Kontaktierung der Grenzflächen in allen Temperaturbereichen.

Die kleine Bauform reduziert die Abstrahlverluste auf ein Minimum und reduziert die Verluste und Aufheizzeiten nach einer Außerbetriebnahme erheblich. Die Betriebsbereitschaft für die Dampfmenge von 0,7 g/s wird nach ca. 30 s, der für die Speicherendtemperatur nach ca. 40 s erreicht.

Die zuvor beschriebene Geräteapplikation kann natürlich auch mit anderen Primärenergien betrieben werden. Hierbei wird die Heizwendel durch ein Heizmedium führendes Rohr ersetzt und/oder die Außenwandung zur Aufnahme von Strahlungswärme eines Brenners genutzt.

Insbesondere für Dampferzeuger mit kontinuierlichem Betrieb, bei dem eine Leistungsvorhaltung in Form gespeicherter Wärme keinen Sinn ergibt, bietet sich das System an, um Platz und Material zu sparen. Entgegen den vorherigen Ausführungen sollten solche Anlagen möglichst wenig Masse aufweisen, um Stillstandsverluste eines solchen Dampferzeugers auf ein Minimum zu reduzieren. Insbesondere für solche kontinuierlich arbeitenden Durchlauf-Dampferzeuger ist die nachfolgend beschriebene Applikationsvariante auch hinsichtlich der Temperaturregelung und Aufheizzeit im Vergleich zu konventionellen Anlagen vorteilhaft. Erfindungsgemäß wird hierbei die elektrische Rohrwendel bzw. das Heizmedium führende Rohr im Verdampferkörper mit eingesintert, so daß die Wärmeleitstrecke zur Verdampferfläche verkürzt wird. Das Gehäuse (Aufnahme) wird hierbei vorzugsweise aus schlecht wärmeleitenden Materialien z. B. Keramik oder Kohlenstoff hergestellt, sofern keine zusätzliche äußere Beheizung stattfinden soll.

Insbesondere bei Anlagen, in denen hohe Dampftemperaturen bei niedrigen Drücken gewünscht sind, bietet es sich an, eine Ausbildung entsprechend der Fig. 1A vorzunehmen.

Hierbei wird eine gezielte Überhitzung des Dampfes angestrebt, wodurch sich eine thermische Trennung von Verdampfer und Überhitzer anbietet. Fig. 1A zeigt den Dampferzeuger (8) aus porösem Sintermetall, den Nacherhitzer (9) aus porösem Sintermetall, die Heizeinrichtung (10) des Dampferzeugers sowie die Heizeinrichtung (11) des Überhitzers. Beide sind umgeben von einer Wasserdampf-diffusionsdichten Aufnahme (12) sowie der Speisewasserzufuhr (13) sowie der Dampfleitung (14). Hierbei können die Heizeinrichtungen über eine Kurzschlußstrecke (15) verbunden werden, so daß die Überhitzung mit der höchsten Temperatur des externen Kreislaufs erfolgt. Die Sattdampfstrecke (16) kann mit Tropfenabscheidern ausgerüstet werden und auch in Form einer Rohrleitung zwischen Dampferzeuger und Überhitzer ausgebildet werden.

Insbesondere bei größeren Leistungen bietet sich ein modularer Aufbau des Kessels an, so daß auch beispielsweise ein Überhitzer (9) mit mehreren Verdampfern (8) zu einem Versorgungssystem gekoppelt werden könnte.

Eine bei kleinen Dampfmengen sehr preiswerte Variante dieser Bauform besteht darin, daß eine elektrische Heizpatrone in eine im Sintermetallkörper vorgehaltene Aufnahmeöffnung gesteckt wird.

Weiterhin ist es möglich, den Verdampfer (8) und den Überhitzer (9) durch unterschiedliche Primärkreisläufe zu betreiben, beispielsweise den Verdampfer durch einen Ölbrenner und/oder den Kondensatkreislauf und den Überhitzer zwecks schneller und genauer Temperaturregelung durch elektrische Heizeinrichtungen.

Hierbei sei auch darauf hingewiesen, daß mehrere Verdampferkörper zu Destillations- oder Rektifikationskolonnen hintereinander geschaltet werden können, wobei ein Teilstrom die Leitung (16) gasförmig verläßt und ein anderer Teilstrom in der flüssigen Phase dem nächsten Verdampfungselement zugeführt wird.

Sowohl für die kontinuierlich arbeitenden Dampferzeuger wie auch für die zuvor beschriebenen diskontinuierlich arbeitenden Dampferzeuger bietet sich eine sehr einfache Methode zur Abführung von Calzium-Carbonaten oder anderer bei der Verdampfung zurückbleibender Feststoffe an. Insbesondere, wenn auf eine bei konventioneller Technik übliche Wasseraufbereitungsanlage verzichtet werden soll.

Hierbei wird in die Speisewasserzuführung ein Rückflußverhinderer eingebaut. Zwischen diesem Rückflußverhinderer und dem Einlauf in den Verdampfer wird ein Ventil eingebaut. Zeit- oder taktabhängig oder aufgrund anderer Indikationen wird dieses Ventil bei geschlossenem Abdampfventil und beheiztem Verdampfer geöffnet. Die Dampfphase oberhalb des Verdampfungskörpers strömt nun in umgekehrter Richtung durch den Verdampferkörper und reißt liquides Speisewasser mit. Es konnte experimentell festgestellt werden, daß so erhebliche Mengen Kesselstein und andere Feststoffe abgeführt werden können. Insbesondere bei längeren Betriebsunterbrechungen kann dieser Abschlämmung eine Säurespülung vorangestellt werden, so daß bereits haftendes Calzium-Carbonat gelöst wird. Durch die chemische Reaktion nimmt die Spülflüssigkeit einen neutralen pH-Wert an, so daß auch diese nach Ablauf der Reaktion über das Abschlämmventil dem Abfluß zugeführt werden kann.

Unabhängig von der sonstigen Anordnung eignet sich der Verdampfer aus porösem Sintermetall noch für weitere Systeme der Energieübertragung zur Verdampfung von Fluiden.

Die erste Methode besteht verfahrenstechnisch darin, daß der Verdampfer und/oder der Überhitzer in ein Magnetfeld gebracht werden, so daß jedes Atom der versinterten Kugeln möglichst gleichförmig aktiviert wird und die gesamte wärmetauschende Fläche eine einheitliche Temperatur aufweist (el. Wirbelstromverdampfer). Dies ist insbesondere für Destillationskolonnen, Rektifikationseinrichtungen oder bei Desinfektionseinrichtungen mit kleinstmöglichem gewünschten Temperaturgradienten bzw. geringstmöglicher gewünschter Regelabweichung sehr vorteilhaft.

Eine weitere verfahrenstechnische Möglichkeit besteht darin, den Verdampferkörper durch Ultraschall anzuregen, so daß die Schwingungen das im Kapillarsystem ohnehin fein verteilte Wasser zur Zerstäubung bringen. Die Verdampfungsenthalpie kann hierbei durch eine Energiequelle unterhalb der ansonsten bei Umgebungsdruck notwendigen Temperatur erbracht werden. Dies kann beispielsweise unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgen, so daß hier zusätzlich ein Kühleffekt auftritt. Des weiteren kann die Ultra­ schall-Erregung auch ausschließlich zur Eliminierung der Kesselsteinablagerung genutzt werden oder dazu Verwendung finden, eins der zuvor beschriebenen Energieübertragungssysteme zu optimieren.

Die im Dampfkesselbau von Gesetzesseite her vorgeschriebenen Sicherheitseinrichtungen wurden nicht erwähnt, da die Definition der Normschriften für Dampferzeuger der erfindungsgemäßen Gattung nicht anzuwenden sind und sich diese Bestimmungen leistungs-, anwendungs- und regionalbedingt ändern.

Fig. 2 zeigt den Anlagenaufbau einer erfindungsgemäßen Durchlauf-Dampfversorgung ohne Dampfrekuperator.

Durch die Punkte 1, 2 und 3 ist beispielhaft der zuvor beschriebene diskontinuierlich arbeitende Verdampfer, die Aufnahme und der Wärmetauscher für die Primärenergiezufuhr gekennzeichnet. (17) kennzeichnet einen metallischen Verguß zwecks besserer Wärmeableitung aus dem Wärmetauscher (3), der hier beispielhaft als elektrische Heizwendel dargestellt ist. (18) kennzeichnet eine Isolation des gesamten Wärmetauschers. (19) kennzeichnet die Speisepumpe, die über Dampfanforderung mit dem Abdampfventil (20) parallel geschaltet wird. (21) kennzeichnet eine drucklose Speisewasservorhaltung, die allerdings auch durch das Wassernetz realisiert sein kann. (22) kennzeichnet eine Filterkerze, die vorzugsweise aus porös gesintertem Edelstahl besteht. Diese Filterkerze weist einen Porenradius auf, der maximal dem Porenradius des Verdampfers entspricht. Die Filterfläche ist so dimensioniert, daß bei dem statischen p des minimalen Wasserstands die Wassermenge überströmen kann, die dem Verdampfer in gleicher Zeiteinheit maximal zugeführt werden wird. (23) kennzeichnet einen Verteiler, über den das gefilterte Speisewasser der Pumpe zugeführt wird und Abdampf über eine Leitung (24) aus einem Überdruckventil (25) in das Innere der Filterkerze (22) geführt wird. Das Ventil (25) wird so eingestellt, daß es möglichst nach jeder Dampfentnahme kurz anspricht, um die Filterkerze (22) durch den Dampfstoß rückzuspülen, der kondensierende Dampf erwärmt gleichzeitig die Filterkerze. Anzustreben ist eine Temperatur von < 60°C, um eine Ausfällung insbesondere von Calcium vorrangig an der Filterkerze zu erzielen. Je nach Härtegrad des unbehandelten Speisewassers kann sich der Grad der chemischen Wasserbehandlung an der Qualität des Wassers orientieren, die auf der abströmenden Seite der Filterkerze festgestellt werden kann. (20) kennzeichnet ein Dampfdurchgangsventil, das bei Dampfanordnung geöffnet wird und im wesentlichen dazu dient, daß in der Aufheizphase kein Restdampf abströmt und sich der für die Filterrückspülung notwendige Überdruck aufbauen kann.

Insbesondere bei größeren Anlagen kann eine zusätzliche Beheizung der Filterkerze mittels der Kondensatrückführung vorgenommen werden.

Über einen Temperaturfühler des Sintermetallverdampfers oder alternativ die Heizflächentemperatur überwacht und einen Regler (27) wird z. B. die Stromzufuhr bei Erreichen der Speicherendtemperatur abgeschaltet, bei Erreichen der minimalen Heizflächentemperatur zugeschaltet. Eine Zuschaltung erfolgt in jedem Fall parallel zum Betrieb der Pumpe (19) bzw. des Ventils (20) (Dampfanordnung). (28) kennzeichnet eine in der TRD vorgeschriebene Analoganzeige für Druck und/oder Temperatur. (29) kennzeichnet die Stromversorgung für Niederspannung, (30) eine Lampe, die bei Erreichen der minimalen Heizflächentemperatur die Betriebsbereitschaft anzeigt.

(31) kennzeichnet eine manuell oder motorisch bedienbare Drosseleinrichtung zur Einstellung der gewünschten Wasser- bzw. Dampfmenge, die insbesondere bei größeren Dampfmengen und kontinuierlichem Betrieb in einer Bypassleitung installiert werden kann.

Fig. 3 zeigt eine um einen Dampfrekuperator erweiterte Anlage nach Fig. 2.

Hierbei wird der Dampf so konditioniert, daß für den Betrieb eines Strahlverdichters ausreichende Massenströme und Druckverhältnisse für die gegebenen saugseitigen Massenströme vorgehalten werden.

Wie bereits im Berechnungsbeispiel angeführt, beträgt das Verhältnis von sensibler Wärme für die Aufheizung des Speisewassers auf Verdampfungstemperatur und die für die Verdampfung notwendigerweise aufzubringende Energiemenge ca. 1 : 4,4. Hieraus resultiert, daß bei einer Dampfrückgewinnung in offenen Systemen maximal 23% der Energie zur Speisewasserbereitung zurückgewonnen werden können. Bei der erfindungsgemäßen Rekuperation in offenen Systemen beträgt die maximale Rückgewinnungsrate annähernd 75%, da der Dampf nicht kondensiert wird, sondern üblicherweise im Zustand von 1 bar Sattdampf oder im Naßdampfbereich von 1 bar zurückgewonnen werden kann. Die Rekuperation erfolgt in der Weise, daß zwischen dem Verdampfer (1) und dem Abdampfventil (20) ein Dampfstrahlverdichter (32) plaziert wird, dessen Saugseite an eine Stelle angebunden wird, die eine möglichst hohe Konzentration von an die Umgebung abgegebenen Dampf gewährleistet.

Der abgesaugte Dampf wird im Verdichter komprimiert, so daß Treib- und Saugstrahl druckseitig auf einen für den Verbraucher geeigneten Zustand gebracht werden.

Prinzipiell kann der Saugdampf vor Eintritt in die Saugkammer überhitzt werden, so daß im Verdichter der Saugdampf lediglich noch auf einen gewünschten Enddruck gebracht werden muß.

Als Verdichter wird insbesondere ein Dampfstrahlverdichter entsprechend Fig. 4 vorgesehen.

Über eine mit einem Verdampfer verbundene Leitung (33) wird hoch gespannter Dampf in eine Treibdüse (34) geleitet. Der Treibdüse gegenüber ist ein Diffusor (35) installiert, der den Mischstrahl aus Treib- und Saugdampf aufnimmt. Auf das sonst übliche Mischrohr wird verzichtet, statt dessen wird die Mischstrecke (36) von einem Wärmetauscher aus porösem Sintermetall (37) umhüllt. Dies hat den Vorteil, daß der angesaugte Dampf über die Strecke des Treibstrahls vom Düsenaustritt (34) bis zum Diffusoreintritt (35) kontinuierlich beigemischt wird. Eine solche Mischstreckenumhüllung hat zudem den Vorteil, daß der angesaugte Dampf bzw. das Medium über einen Wärmetauscher (38) behandelt werden kann. Im Sinne der erfindungsgemäßen Anlagenkonzeption nach Fig. 3 bedeutet dies, daß der zu rekuperierende Dampf bzw. das Luft-Dampf-Gemisch auf eine gewünschte Endtemperatur gebracht werden kann, so daß im Verdichter nur noch die Arbeit zur Druckerhöhung des überhitzten Saugdampfes zu leisten ist. Dies führt zu sehr stabilen Betriebsverhältnissen im Verdichterteil, da die Mischung überhitzter Dampfströme unproblematischer ist, als beispielsweise das Absaugen von Naßdampf.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet jedoch noch weitere Optionen, die insbesondere bei größeren Massenströmen und bei diskontinuierlichem Betrieb von Dampfversorgung und Dampfrekuperation bzw. Absaugung vorteilhaft angewendet werden können.

Der sich außerhalb der Saugkammer aufbauende Unterdruck (Saugdruck) läßt sich in der Weise beeinflussen, daß der Abstand zwischen Treibdüse (34) und Diffusor (35) verändert wird. Durch die horizontale Verschiebung beispielsweise des Diffusors in Richtung Treibdüse wird die Ansaugfläche für den Saugdampf sowie die innere Saug- bzw. Mischkammer im Volumen reduziert und zwar in der Weise, daß der Diffusor eine Kolbenform (39) aufweist, die die Innenfläche des Mischrohrwärmetauschers (37) aus porösem Sintermetall abdeckt. Bei konstanten Treibdampfverhältnissen kann auf diese Weise entweder ein erhöhter Druck am Verdichteraustritt (40) bei reduziertem Massenstrom auf der Saugseite oder eine Absenkung des absoluten Saugdruckes bei konstanten Druck am Verdichteraustritt erzielt werden. Dies gewinnt insbesondere bei einem erfindungsgemäßen Aufbau nach Fig. 3 Bedeutung, wenn die Dampfversorgung und Absaugung aus betriebstechnischen Anforderungen zeitlich entkoppelt werden sollen. Dies erfolgt in der Weise, daß ein Ventil (41) der äußeren Saugkammer (42) vorgeschaltet wird. Dieses Ventil (41) wird geschlossen und der Strahlverdichter wird in einer Position des Diffusors entsprechend der Fig. 4 in Betrieb genommen, so daß im Anfangspunkt ein großer saugseitiger Massenstrom bewältigt werden kann, da das große Volumen der Saugkammer bzw. die Treibstrahlstrecke die Beimischung hoher saugseitiger Volumenströme bei geringer Druckdifferenz zuläßt.

Um eine weitere Absenkung des Absolutdruckes in der äußeren Saugkammer (42) zu erzielen, wird das Volumen der inneren Saugkammer (36) bzw. die Treibstrahlstrecke reduziert, indem der Kolben (39) in Richtung der Treibdüse (34) eingefahren wird. Hierdurch wird eine Änderung des Impulsaustausches herbeigeführt. Der Vorgang kann dadurch abgeschlossen werden, daß der Diffusor (35) den Treibdampfdüsenaustritt (34) verschließt und somit der in der Saugkammer (42) erzielte Enddruck bis zur Öffnung des Ventils (41) aufrechterhalten werden kann. Durch Öffnung des Ventils (41) kann aufgrund der Druckdifferenz des Umgebungsdruckes und des Saugkammerdruckes das Volumen der Saugkammer bis zum Druckausgleich abgesaugt werden und zwar unabhängig davon, ob der Strahlverdichter in Betrieb ist oder nicht.

Im nächsten Takt der Dampfversorgung wird der Diffusor wieder in Ausgangsstellung gebracht und das in der Saugkammer (42) Luft-Dampf-Gemisch abgesaugt und dem Versorgungsstrom nach Aufheizung im Wärmetauscher (37) beigemischt.

Ist die hier geforderte Kondition beispielsweise 1 kg Sattdampf von 3 bar entsprechend 135°C, so beträgt der Energieverbrauch 2650 kJ.

Bei einer Rekuperationsrate von 50% beträgt der Energiebedarf für den Treibstrahl ca. 320 kJ sensible Wärme und 1024 kJ latente, die Wärmemenge für die Aufbereitung des rekuperierten Dampfes 37 kJ, insgesamt 1381 kJ entsprechend einer Energieersparnis von 48% sowie einer Frischwasserersparnis von 50%.

Die Verbindung des beschriebenen Verdampfers nach Fig. 1 mit einem Dampfrekuperator entsprechend Fig. 4 in einem Anlagensystem entsprechend Fig. 3 weist in offenen Systemen etwa 50% niedrigeren Investitions- und Platzbedarf auf. Die Anschlußleistung ist bei diskontinuierlichem Betrieb auf die maximale stündliche Leistung (Dampfmenge) auslegbar und hat etwa um 50% niedrigere Betriebskosten.

Prinzipiell kann das System auch für eine kontinuierliche Fahrweise in geschlossenen Systemen Anwendung finden, da mit dem Verdichter entsprechend Fig. 4 ebensogut Kondensat abgesaugt werden kann, welches im Wärmetauscher dieses Verdichters erneut verdampft werden kann. Die Anwendung des Dampferzeugers in kontinuierliche arbeitenden Dampfanlagen ist in der kompakten Bauform und der sehr guten Einstellung gewünschter Dampfkonditionen, insbesondere der Überhitzung in niedrigen Druckbereichen zu sehen.

Die kleine Bauart des Gerätes bzw. der Anlage, die aus der hohen erzielbaren Wärmeübergangskoeffizienten des porösen Sintermetalls resultiert, kann in anderen Anwendungsbereichen ebenfalls vorteilhaft genutzt werden.

Dies sind beispielsweise Dampfluftbefeuchter, Dampfstrahlapparate zur Reinigung und Desinfizierung bzw. Sterilisation sowie dezentrale Heizungseinrichtungen an Maschinen für die Textil-, Kunststoff-, Papier- und Nahrungsmittel-Industrie. Hier sind neben den genauen Konditionierungen des Dampfes der Verzicht auf zentrale Dampfanlagen und Netze sowie daraus resultierende erhöhte Betriebssicherheit von Bedeutung.

Des weiteren kann aus den Komponenten eine sehr kompakte Destillation bzw. Rektifikationseinrichtung aufgebaut werden mit dem besonderen Vorteil, daß die Beheizung des Verdichter-Verdampfers durch Kondensationswärme des Destillats erfolgt, wodurch sich nach Anfahren des Systems nur noch ein Energiebedarf für die Konditionierung des Treibstrahls einstellt.

Claims (18)

1. Durchlauf-Dampferzeuger mit einem Verdampfer und einer Heizvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer einen Block (1; 8) aus porösem Sintermetall aufweist, der von dem zu verdampfenden Medium durchströmbar ist.

2. Durchlauf-Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (3; 10) im Sintermetall eingebettet ist, und daß der Verdampfer (1; 8) von einer Wandung aus einem schlecht wärmeleitenden Material, z. B. Kohlenstoff, umhüllt ist.

3. Durchlauf-Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (3; 10) dem Verdampfer (1; 8) Heizenergie mittels eines Magnetfeldes zuführt.

4. Durchlauf-Dampferzeuger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (3; 10) eine Ultraschallquelle aufweist, so daß der Verdampfer (1; 8) mittels Ultraschall angeregt wird und eine Fluidverdampfung unterhalb der Temperatur erfolgen kann, die zum herrschenden Umgebungsdruck gehört.

5. Durchlauf-Dampferzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer (8) ein durch die Gasphase getrennter Überhitzer (9) nachgeschaltet ist, dessen Energieversorgung entsprechend der Heizvorrichtung nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3 und/oder Anspruch 4 ausgebildet ist.

6. Durchlauf-Dampferzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen und damit die Wärmespeicherkapazität des Blockes (1; 8) aus porösem Sintermetall und die maximale Aufheiztemperatur im Block (1; 8) so gewählt sind, daß kurzzeitig Dampfstöße abgebbar sind, die einer abgegebenen Wärmeleistung entsprechen, die größer ist als die kontinuierliche Heizleistung der Heizvorrichtung (3; 10).

7. Durchlauf-Dampferzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speisewasserleitung (4; 13) eine Abschlämmstrecke vorgesehen wird, über die bei geschlossenem Abdampfventil (20) Dampf und/oder Spülwasser oder Spülsäure sowie gelöste und/oder ungelöste Verdampfungsrückstände abführbar sind.

8. Durchlauf-Dampferzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entfernung von Kesselsteinablagerungen eine Ultra­ schallwellen-Quelle vorgesehen ist.

9. Durchlauf-Dampferzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (1) aus porösem Sintermetall konisch ausgebildet ist und in einem Aufnehmer (2) aus gut wärmeleitendem Material eingesetzt ist, der in unmittelbarem Kontakt mit der Heizvorrichtung (3) steht.

10. Dampfversorgungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren Durchlauf-Dampferzeugern nach einem der Ansprüche 1-9 besteht.

11. Dampfversorgungsanlage zum Erzeugen von kurzzeitigen Dampfstößen mit einem Speisewasserbehälter (21), einem Dampferzeuger (1, 2, 3, 4, 5) und einem Dampf­ austrittsventil (20), dadurch gekennzeichnet, daß als Dampferzeuger ein Durchlauf-Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.

12. Dampfversorgungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speisewasserzuleitung (4) zwischen Speisewasserbehälter (21) und Dampferzeuger eine Filterkerze (22) aus porösem Sintermetall angeordnet ist, die über eine mit einem Ventil (25) absperrbare Dampfleitung (24) dampfseitig mit dem Dampferzeuger verbunden ist, so daß die Filterkerze (22) mittels Dampfstoß rückspülbar ist, wobei die Filterkerze (22) durch Kondensation des Dampfes beheizt wird.

13. Dampfversorgungsanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Dampferzeuger und Dampfaustrittsventil (20) eine Strahlpumpe (32) eingebaut ist, die Dampf oder Kondensat ansaugt.

14. Dampf- und Kondensatrekuperator in Form einer Dampfstrahlpumpe mit einer Treibdüse (34), einem Diffusor (35), einer zwischen Treibdüse und Diffusor befindlichen Mischstrecke (36) und einer Saugkammer (42), dadurch gekennzeichnet, daß um die Mischstrecke (36) ein Wärmetauscher (37) angeordnet ist.

15. Dampf- und Kondensatrekuperator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (37) wenigstens teilweise aus porösem Sintermetall besteht.

16. Dampf- und Kondensatrekuperator nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (37) rohrförmig ausgebildet ist und daß die Treibdüse (34) und/oder der Diffusor (35) in Achsrichtung des rohrförmigen Wärmetauschers (37) gleitend beweglich sind.

17. Dampfversorgungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (32) ein Dampf- und Kondensatrekuperator nach einem der Ansprüche 14 bis 16 ist.

18. Verfahren zum Betrieb der Dampfversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13 bzw. 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampferblock (1; 8) aus porösem Sintermetall ohne zu verdampfendes Medium auf eine maximale Aufheiztemperatur erhitzt wird, und
daß nach Erreichen der maximalen Aufheiztemperatur eine bestimmte Menge zu verdampfendes Medium, entsprechend der benötigten Dampfmenge, zugeführt wird, das beim Durchströmen des Verdampferblocks (1; 8) verdampft und durch das geöffnete Dampfaustrittsventil (20) einem Dampfverbraucher zugeführt wird.