Die dampfförmige Phase des Stoffes kondensiert unter Wärmeabgabe an die flüssige Phase des Stoffes, die dabei teilweise oder vollständig verdampft. In den meisten Anwendungen stellt eine geringe Temperaturdifferenz zwischen den zu verdampfenden und den zu kondensierenden Stoffströmen ein bevorzugtes Ent- wicklungsziel dar.

[002] Eine in der Praxis häufig auftretende verfahrenstechnische Aufgabe ist das Verdampfen der flüssigen Phase eines Stoffes unter Nutzung der Kondensati- onswärme des gleichen Stoffes. Dieser Vorgang tritt bei Destillation, bei Konzen- trationsprozessen und bei Wasserreinigungsprozessen auf. Die dampfförmige Phase des Stoffes kondensiert in diesem Verfahren unter Wärmeabgabe an die flüssige Phase des Stoffes, die dabei teilweise oder vollständig verdampft. Da zur Wärmeübertragung von der warmen auf die kalte Seite eines Wärmeübertragers eine treibende Temperaturdifferenz notwendig ist, muß der Sättigungsdruck auf der Kondensationsseite höher sein als auf der Verdampferseite. Diese Tempera- turdifferenz muß die konvektiven Wärmeübertragungswiderstände zwischen dem Fluid und der jeweiligen Oberfläche des Wärmeübertragers sowie den Wärme- leitwiderstand im Material des Wärmeübertragers überwinden. Zusätzlich erfor- dern die im praktischen Betrieb eines Wärmeübertragers stattfindenden Ver- schmutzungen eine Berücksichtigung bei der Bemessung der treibenden Tempe- raturdifferenz.

[003] Die bekannten Bauformen solcher Wärmeübertrager sind Doppelrohrbün- del-, Rohrbündel-, Rohrschlangen-, oder Plattenwärmeübertrager. Der Kostenan- teil und der Platzbedarf von Wärmeübertragern in verfahrenstechnischen Appara- ten sind erheblich. Mit zunehmender Fläche steigen Kosten und Masse von Appa- raten. Gleichzeitig sinkt die notwendige treibende Temperaturdifferenz. Damit existiert ein komplexes Optimierungsproblem und häufig ist eine große Anzahl voneinander abhängiger Einflußgrößen zu berücksichtigen.

[004] Besonders bei Verdampfungsvorgängen von Wasser bei niedrigen Drücken, wie sie in Wasserreinigungsanlagen oder Meerwasserentsalzungsanlagen auftre- ten, arbeitet man mit einem Dampf, der sich durch geringe Dichte gegenüber normalen technischen Gasen auszeichnet. Große Gasvolumenströme erfordern große Strömungsquerschnitte in den Wärmeübertragern, um den Druckverlust gering zu halten.

[005] Die sogenannten Verdampfer-Kondensator-Wärmeübertrager sind sowohl in Ausführungen mit Kondensator im Rohr und Verdampfung an der Rohroberflä- che, als auch mit Verdampfung im Rohr und Kondensation an der Oberfläche be- kannt. Häufig wird ein mit siedender Flüssigkeit berieseltes waagerecht ausge- richtetes Rohrbündel verwendet. Im Inneren des Rohres kondensiert Dampf. Der Rohrdurchmesser und die Anzahl parallel durchströmter Rohre müssen unter dem Gesichtspunkt des geringen Druckverlusts und des Flächenbedarfes bemessen werden. Nachteilig ist, daß das Kondensat sich bei längeren Rohren aufstauen kann. Um das ungehinderte Ablaufen des Kondensats zu sichern, werden Rohr- bündel in bekannten Anwendungen auch senkrecht angeordnet. Bei senkrechter Anordnung der Rohrbündel ist die Verteilung der verdampfenden Flüssigkeit an der Rohraußenseite problematischer. Befindet sich die verdampfende Flüssigkeit im Inneren des Rohres, so erhöht sich das Volumen des Fluids und damit der Druckverlust mit zunehmendem Dampfanteil. Die Kondensation an der Außensei- te des Rohres funktioniert in diesem Fall unproblematisch [006] In den meisten Anwendungen stellt die geringe Temperaturdifferenz zwi- schen den Stoffströmen ein bevorzugtes Entwicklungsziel dar. Eine geringe Tem- peraturdifferenz zwischen dem kondensierenden und verdampfenden Stoff hat verfahrenstechnische, im besonderen aber energetische Vorteile. Je geringer die notwendige Temperaturdifferenz zum Übertragen einer bestimmten Wärmemenge ist, um so besser ist die exergetische Güte des entsprechenden Vorganges. Die Temperaturdifferenz ist direkt proportional der Größe der wärmeübertragenden Fläche. Sie ist weiterhin direkt proportional zu den Wärmeübergangsbedingun- gen. Nach den bekannten Regeln der Wärmeübertragung hängen Wärmeübertra-

gerfläche, die Temperaturdifferenz zwischen den Stoffströmen, die Wärmeüber- tragungseigenschaften und die übertragene Leistung in folgender Form voneinan- der ab : Q = kAAtm Q Wärmeleistung A wärmeübertragende Fläche tm logarithmische Temperaturdifferenz k Wärmedurchgangskoeffizient [007] Geringe Temperaturdifferenzen zwischen den Stoffströmen erfordern dem- zufolge, unter der Voraussetzung gleicher Wärmeübergangsbedingungen, größere wärmeübertragende Flächen. Große Gasvolumenströme erfordern überdies einen großen Strömungsquerschnitt im Kondensatorbereich, um einen Druckverlust ge- ring zu halten. Energieoptimierte Wärmeübertrager sind deshalb sehr große Appa- rate. Im weiteren erfordert die Gestaltung einer notwendigen gleichmäßigen Be- rieselung und Erzeugung eines Flüssigkeitsfilms auf den Flächenelementen des Wärmeübertragers im Verdampferbereich einen anlagentechnischen und kon- struktiven Aufwand.

[008] Um die Nachteile bekannter Lösungen zu vermeiden, wird ein erfindungs- gemäßer Wärmeübertrager vorgestellt. Ziel der Erfindung ist es, ein System der genannten Art mit einem energieoptimierten Wärmeübertrager und einer hohen exergetischen Güte zu schaffen. Ein Druckverlust im Kondensatorbereich soll mi- nimiert werden und es sollen Voraussetzungen für ein konstruktiv einfaches Flüs- sigkeitsverteilungssystem zur Erzeugung eines gleichmäßigen Flüssigkeitsfilms auf den Flächen des Wärmeübertrages im Verdampferbereich geschaffen werden.

[009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkma- le des Hauptanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.

[010] Ein Verdampfer-Kondensator-Wärmeübertrager gemäß der Erfindung um- faßt einen Verdampfer-Bereich, einen Kondensator-Bereich und eine dazwischen trennend liegende wärmeübertragende Fläche.

Der Verdampfer-Bereich umfaßt ein Flüssigkeitsverteilungssystem, einen Dampf- sammelraum, einen Sammelbereich für nicht verdampfte Flüssigkeit, ein Rest- flüssigkeitsableitsystem, eine Vorrichtung zur Tropfenabscheidung und eine Dampfableitung.

Der Kondensator-Bereich besteht im Gegenstück aus einer Dampfzuleitung, ei- nem Kondensatsammelbehälter, einem Sammelbereich für nicht kondensierte, nicht kondensierbare Gase, einem Restgasableitsystem und einer Kondensatablei- tung.

Die Verdampfung und Kondensation der Phasen erfolgt vorzugsweise bei annä- hernd gleicher Temperatur. Es sind Phasen gleicher oder unterschiedlicher Stoffe einsetzbar.

Zwischen diesen Bereichen liegt eine wärmeübertragende Fläche, die gemäß der Erfindung mäanderförmig ausgeführt ist. Eine erfindungsgemäße Ausführungs- form dieser Fläche liegt darin, daß das Größenverhältnis der halben Wellenlänge und der Amplitude einen Faktor von mindestens 3 aufweist. Die genannte Fläche besteht aus einem dünnwandigem Metall oder einem faserverstärkten Kunststoff.

Die mäanderförmige wärmeübertragende Fläche und die parallele Seitenbewan- dung des Gehäuses sind gasdicht miteinander verbunden.

Zwischen der Seitenbewandung und der mäanderförmigen wärmeübertragenden Fläche entsteht an der Ober-und an der Unterseite der mäanderförmigen Fläche jeweils ein Raum.

Die obenliegende Seite bildet den Verdampfer-Bereich und die untenliegende Sei- te bildet den Kondensator-Bereich. Die wärmeübertragende Fläche trennt diese Bereiche druckdicht und schließt sie gegeneinander hermetisch ab.

[01 1] Im Verdampfer-Bereich befindet sich eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung der zu verdampfenden Flüssigkeit auf die mäanderförmige wärmeüber- tragenden Fläche. Wesentliche Voraussetzung einer guten Funktion eines berie- selten Verdampfungsapparates ist ein gleichmäßiger, dünner Rieselfilm. Gemäß der Erfindung wird durch die mäanderförmige, wärmeübertragende Fläche der

konstruktive Aufwand für die Erzeugung eines gleichmäßigen, dünnen Rieselfilms verringert.

[012] Der Verdampfer-Bereich, ist so dimensioniert, daß der an den geneigten Flächen entstehende Dampf ohne wesentlichen Druckverlust, also mit einer ge- ringen Geschwindigkeit, abströmt. Der nicht verdampfende Teil der über die wärmeübertragende Fläche gleichmäßig ablaufenden Flüssigkeit sammelt sich im Wellental der wärmeübertragenden Fläche. Von diesem Sammelbereich im Wel- lental wird die nicht verdampfte Flüssigkeit durch das Restflüssigkeits- Ableitsystem abgeführt. Die mäanderförmige, wärmeübertragende Fläche um- schließt förmlich mit dessen Wellental diesen Bereich. Die Restflüssigkeit wird gegebenenfalls in derselben Anlage oder einer nachgeschalteten Baugruppe er- neut verrieselt.

[0131 Über dem Verdampferraum befindet sich ein Dampfsammelraum, der zum Abtransport des entstehenden Dampfes dient.

[014] Die nach unten zeigende Seite der mäanderförmigen wärmeübertragenden Fläche bildet den Kondensator-Bereich. In diesem Bereich kondensiert der, an der im Verdampfungsteil des gleichen oder eines weiteren Apparates gebildete Dampf.

[015] Der Druckunterschied zwischen Verdampfer-Bereich und dem Kondensator- Bereich ist durch den Sättigungsdruckunterschied zwischen Verdampfer und Kondensator bestimmt.

Die Dampfzuströmung im Kondensator-Bereich erfolgt über den Raum der zwi- schen der Unterseite der Kondensatorfläche und dem Sammelbehälter für das Kondensat gebildet wird.

Im Kondensator-Bereich kann der Dampf wegen der großen Strömungsquer- schnitte ohne großen Druckverlust zu den kühlen Flächenbereichen des Wärmeü- bertragers gelangen.

[016] Im Wellenberg, dem oberen Bereich des Kondensatorraumes, der durch zwei oben zusammenkommende Abschnitte der mäanderförmigen wärmeüber- tragenden Fläche gebildet ist sammeln sich die nichtkondensierbaren bzw. nicht kondensierten Gase. Diese Restgase werden durch ein Restgasableitsystem aus der Anlage abgeleitet.

[017] Von der Kondensationsfläche können die Tropfen ohne Widerstand, auf Grund der Schwerkraftwirkung abfließen oder abtropfen. Zum Sammeln des Kondensates ist der untenliegende Bereich des Kondensator-Bereiches mit einem Kondensatsammelbehälter ausgestattet.

Die Oberflächen der wärmeübertragenden mäanderförmigen Fläche und die In- nenwand des Gehäuses sind mit einer oberflächentechnischen und in weiterer Folge einer nanotechnischen Veredelung ausgestattet.

[013] Vorteilhaft zu anderen Wärmeübertragern entsteht ein viel geringerer Druckverlust. Die bei der Rohrbündelbauform auftretenden Spritzverluste werden vermieden. Die Konstruktionsform der mäanderförmigen wärmeübertragenden Fläche, fest verbunden mit den Seitenwänden, erlaubt das Verwenden von ge- ringen Wandstärken für die wärmeübertragende Fläche. Diese Wandstärke ist kleiner als die üblichen Rohrwandstärken in bekannten Rohrbündelwärmeübertra- gern. Damit kann Material und Masse gespart werden.

[019] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beige- fügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Verdampfer-Kondensator-Wärmeübertrager gemäß der Erfin- dung in einer Schemadarstellung.

Ein Verdampfer-Kondensator-Wärmeübertrager liegt in einem Gehäuse 4. Der Verdampfungsprozeß eines Fluids erfolgt in einem Verdampfer-Bereich 21 mit einem Flüssigkeitsverteilungssystem 22, einem Dampfsammelraum 23, einem Sammelbereich für nicht verdampfte Flüssigkeit 24, einem Restflüssigkeitsableit- system 25, einer Dampfableitung 26 und einer Vorrichtung zur Tropfenabschei- dung 27.

Der Kondensationsprozeß erfolgt in einem Kondensator-Bereich 11 mit einer Dampfzuleitung 12, einem Kondensatsammelbehälter 13, einem Sammelbereich für nicht kondensierte Gase 14, einem Restgasableitsystem 15 und einer Kon- densatableitung 16.

Die mäanderförmige wärmeübertragende Fläche 3 und die Seitenbewandung des Gehäuses 4 sind gasdicht miteinander verbunden. Die Verbindung kann durch Schweißen, Kleben, Löten oder andere Verfahren erfolgen. Die wärmeübertra- gende Fläche ist trennt den Verdampfer-Bereich 21 und den Kondensator- Bereich 11. Der Kondensator-bzw. Verdampferbereich 11, 21 ist durch einen Deckel bzw. Boden gegenüber der äußeren Atmosphäre druckdicht abgeschlos- sen. Der Sammelbereich für die nicht verdampfte Flüssigkeit ist über seitliche Bohrungen mit einer Flüssigkeitssammelleitung verbunden. Im Restflüssigkeits- Ableitsystem 25 wird die Flüssigkeit gesammelt und über Pumpen und Ventile verteilt und gegebenenfalls wiederholt verrieselt oder aus dem Apparat abtrans- portiert. Ein Abtransport der nicht kondensierten Gase aus dem Kondensator- Bereich 11 erfolgt analog.

Unterhalb der mäanderförmigen wärmeübertragenden Fläche ist eine Tropfwanne angeordnet, die durch Leitungen mit dem Kondensationssammelgefäß verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist es nicht notwendig, die verdampfende oder konden- sierende Komponente der Flüssigkeit in zylindrischen Rohren zu transportieren.

Die wärmeübertragende Fläche 3 besteht in dieser Ausführung aus einem dünn- wandigen Metallblech. Zur Verstärkung der Steifigkeit ist diese dünnwandige Flä- che mit einer Profilierung versehen. Im weiteren ist die wärmeübertragende Flä- che 3 mit einer oberflächentechnischen Veredelung für eine erweiterte Bestän- digkeit und mit verbesserten Ablaufeigenschaften des Fluids am Wärmeübertra- ger, insbesondere des Flüssigkeitsfilms im Verdampfer-Bereich 21 und der Kon- densat-Tröpfchen im Kondensator-Bereich 11, versehen.

Die mäanderförmige Fläche ist gegenüber dem Gehäuse leicht geneigt um das Restgas und die Restflüssigkeit sammeln zu können.

Um ein Verformen der wärmeübertragenden Flächen zu vermeiden, werden ge- gebenenfalls in einem vorgegebenen Abstand von den Seitenwänden Stützele- mente eingesetzt. Durch eine kammartige Ausführung können mehrere Stützele- mente miteinander verbunden werden.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen haben folgende Bedeutung : 3 Wärmeübertragende Fläche 4 Gehäuse 11 Kondensator-Bereich 12 Dampfzuleitung 13 Kondensatsammelbehälter 14 Sammelbereich für nicht kondensierte Gase <BR> 15 Restgasableitsystem<BR> 16 Kondensatableitung 21 Verdampfer-Bereich 22 Flüssigkeitsverteilungssystem 23 Dampfsammelraum 24 Sammelbereich für nicht verdampfte Flüssigkeit 25 Restflüssigkeits-Ableitsystem 26 Dampfableitung 27 Vorrichtung zur Tropfenabscheidung