DE1194372B - Verfahren und Vorrichtung zum Destillieren von Fluessigkeiten unter Nutzbarmachung der bei der Kondensation der verdampften Fluessigkeit frei werdenden Waerme - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOId

Deutsche Kl.: 12 a-5

1194 372
B48699IVc/12a 25. April 1958 10. Juni 1965

Verfahren und Vorrichtung zum Destillieren von Flüssigkeiten unter Nutzbarmachung der bei der Kondensation der verdampften Flüssigkeit frei werdenden Wärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Destillieren von Flüssigkeiten unter Nutzbarmachung der bei der Kondensation der verdampften Flüssigkeit frei werdenden Wärme zur Verdampfung der zu destillierenden Flüssigkeit sowie eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.

Es ist seit langem beim Destillieren bekannt, die im Kondensator zu verflüssigenden Dämpfe zur Vorwärmung der zu bearbeitenden Flüssigkeiten zu verwenden, ehe sie in die Destillationskolonne gelangen. Diese Vorwärmung kann aus praktischen Gründen nie bis ganz auf die Temperatur der Dämpfe erfolgen. Der zur Kondensation der Dämpfe erforderliche Wärmeentzug erfolgt hierbei jedoch im wesentlichen durch die Kühlflüssigkeit im Kondensator, welche die anfallende Wärme abführt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auf einfache Weise die bei der Kondensation der Dämpfe anfallende Wärme nahezu vollständig dem Verdampfungsvorgang wieder zugeführt werden kann und damit eine Destillation auf sehr ökonomische Weise erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die Kondensationswärme auf thermo- 25
elektrischem Wege unter Anwendung des an sich bekannten Peltier-Effekts der zu verdampfenden Flüs- ^
sigkeit wieder zugeführt wird.

Der Peltier-Effekt ist seit langem bekannt und be- Wärme mit nur relativ kleinen Verlusten dem Versteht darin, daß dann, wenn man durch die Verbin- 30 dampferraum wieder zugeführt, so daß der dort undungsstelle zweier Metalle einen Strom schließt, je vermeidliche Wärmeverlust gegenüber bekannten nach der Stromrichtung eine Erwärmung oder Ab- Verfahren erheblich verringert werden kann,
kühlung der Verbindungsstelle eintritt. Die dabei auf Zur Durchführung des neuen Verfahrens sieht die

thermoelektrischem Wege transportierte Wärme- Erfindung eine Vorrichtung mit einer die Form eines menge ist der hindurchgegangenen Elektrizitätsmenge 35 Hohlzylinders aufweisenden und mit einer Stromproportional. Es ist weiterhin bekannt, daß die dazu quelle verbundenen thermoelektrischen Wärmepumpe benötigte elektrische Energie unter bestimmten Vor- vor, deren an der Innenwand des Hohlzylinders Heaussetzungen um ein mehrfaches kleiner ist als die gende heiße Thermostellen mit dem Verdampfermit Hilfe dieser Energie transportierte Wärmeenergie. raum und deren an der Außenwand des Hohlzylinders Zwar bleibt der praktische Wirkungkgrad einer sol- 40 liegende kalte Thermostellen mit dem Kondensationschen auf thermoelektrischem Wege arbeitenden raum in Wärmekontakt stehen. Dadurch, daß der Wärmepumpe hinter dem theoretischen Wert zurück. Verdampferraum durch die hohlzylindrische Wärme-Es hat sich jedoch in praktischen Versuchen gezeigt, pumpe umgeben ist, sind die Wärmeverluste ohnehin daß mit dem neuen Verfahren unter Ausnutzung des klein, da die Wärme durch den Zylinder nur entgegen

Anmelder:

Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:
Robert Washburn Fritts, St. Paul, Minn.; Sebastian Karrer, Calvert Country, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 29. April 1957 (655 735)

Peltier-Effekts gegenüber bekannten Destillationsverfahren eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung zu erzielen ist. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß die Wärme aus dem Kondensationsraum auf sehr wirtschaftliche Weise abgeführt wird, wobei in vielen Fällen der somit notwendige Kühlmittelkreislauf ganz in Fortfall kommen kann. Gleichzeitig wird die im Kondensator gewonnene

der Pumpenwirkung der Wärmepumpe nach außen gelangen könnte.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In der Zeichnung ist im Schnitt eine Destilliereinrichtung 10 wiedergegeben, die mit einer unter Ausnutzung des Peltier-Effekts arbeitenden Wärmepumpe

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ausgerüstet ist und einen unteren Gehäuseabschnitt 11 und einen oberen Gehäuseabschnitt 12 umfaßt. Der untere Gehäuseabschnitt 11 ist als Anschlußkörper 13 mit einem Einlaßstutzen 14 und einem Auslaßstutzen 15 ausgebildet, die durch eine Trennwand 16 in eine Einlaßkammer 17 mit der Mündung 16 a und eine Auslaßkammer 18 unterteilt sind. An der Oberseite des Gehäuseteils 13 ist das obere Gehäuseteil 12 mit abdichtender Wirkung befestigt.

Berührung mit der gesamten Außenfläche von zwei einander benachbarten Thermoelementgliedem 29 und 30 aus verschiedenartigem Material zu ermöglichen. Entsprechendes gilt für die innenliegenden Verbindungsglieder 31 und die ihnen zugewandten Innenflächen der Thermoelementglieder, abgesehen davon, daß letztere gegenüber den Verbindungsgliedern 32 jeweils um die Höhe eines Thermoelementgliedes versetzt sind, so daß die Thermoelementglie-

Das obere Gehäuseteil 12 umfaßt einen Hals- io der in Reihe geschaltet sind. Gemäß der Zeichnung abschnitt 21 und ein langgestrecktes allgemein sind die Thermoelementglieder 29 und 30 jeweils becherförmiges Bauteil 23; der Halsabschnitt 21 ist voneinander durch ringförmige, elektrisch isolierende in den Anschlußkörper 13 eingeschraubt, um den Zwischenglieder 33 getrennt.

Innenraum in der aus der Zeichnung ersichtlichen Die äußeren ringförmigen Verbindungsglieder 32

Weise mit der Auslaßkammer 18 zu verbinden. Er 15 müssen jeweils mit einer Anzahl von in Umfangs-

besteht aus einem wärmeisolierenden Material und bildet zusammen mit der Auslaßkammer 18 einen Sammelraum 41 für das Destillat. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, kann sich das obere Ende des Halsabständen verteilten, radial nach außen ragenden, mit den Verbindungsgliedern aus einem Stück bestehenden Rippen 34 versehen sein, die sich, wie in der Zeichnung erkennbar, von den Verbindungsglie-

abschnitts 21 nach außen erweitern und ist bei 22 in 20 dem aus nach unten und außen erstrecken. Die äuße-

das becherförmige Gehäuseteil 23 eingeschraubt. Das Gehäuseteil 23 umschließt eine Kammer 25 und besteht auch aus einem wärmeisolierenden Material.

Innerhalb des Halsabschnitts 21 ist gleichachsig

mit diesem der als Vorwärmer dienende Abschnitt 42 25 als thermische und elektrische Sperre zwischen den der Einrichtung angeordnet, der als innenliegendes Verbindungsgliedern 31 und 32'. Verbindungsstück 24 ausgebildet ist; dieses Verbindungsstück kann gewellt und mit abdichtender Wir

ren Enden der Rippen bilden Tropfkanten. Ein allgemein ringförmiges Bauteil 36 aus thermisch und elektrisch isolierendem Material bildet den Abschluß bzw. das Kopfstück der Peltier-Wärmepumpe und wirkt

kung mit dem rohrförmigen Abschnitt 16 a der Trenn-

in dem mittleren Destillationsraum 40 vorhandene Flüssigkeit nicht unmittelbar zu dem außenliegenden Kondensatorteil 43 gelangen kann, und umgekehrt. Die elektrische Schaltung für die Einrichtung weist eine bei 37 schematisch angedeutete Gleichstromquelle auf, die über eine Leitung 38 mit dem obersten Verbindungsglied 32' und über eine Rückleitung 39 mit dem untersten Verbindungsglied 32" verbunden

Die Verbindungsstelle zwischen den Verbindungsgliedern 31 und 32 einerseits und den Thermoelementgliedem 30 und 29 andererseits sind als Lötwand 16 des unteren Gehäuseteils 13 verbunden sein. 30 verbindungen ausgebildet, so daß das Aggregat eine Dieses innenliegende Verbindungsstück 24 besteht flüssigkeitsdichte ringförmige Wand bildet, damit eine aus einem Wärme gut leitenden Material, und die vorgesehenen Wellungen bilden eine große Fläche zum
übertragen von Wärme aus dem in dem Sammelraum

41 enthaltenen Kondensat zu der in dem Vorwärmer

42 enthaltenen zugeführten Rohflüssigkeit. Die Vorwärmeinrichtung 42 kann gegebenenfalls statt der Gestalt einer Rohrmembran die Form einer Rohrschlange annehmen.

Eine unter Ausnutzung des Peltier-Effekts arbei- 40 ist, beispielsweise über eine der Kondensatorrippen tende Wärmepumpe 27 ist in der Kammer 25 ange- 34' bzw. 34". Wie in der Zeichnung durch einen Pfeil ordnet, um die zugeführte Rohflüssigkeit zu verdamp- angedeutet, fließt der Strom von der Stromquelle 37 fen und den gebildeten Dampf zu kondensieren, so aus über die Leitung 38 zu der Rippe 34' des Verbindaß sich das Kondensat in der Kammer 41 sammeln dungsgliedes 32' und von dort weiter zu dem obersten kann. Im dargestellten Beispiel bildet die Peltier- 45 Thermoelementglied 30'. Nach dem Passieren des Wärmepumpe 27 eine ringförmige Wand, die die Thermoelementgliedes 30' fließt der Strom über das Kammer 25 in eine zentrale innere Kammer 40, wel- innenliegende Verbindungsglied 31 nach unten zu ehe als Verdampferkammer bezeichnet werden kann, dem nächsten Thermoelementglied 29 und in der ent- und eine ringförmige äußere Kondensationskammer 43 gegengesetzten Richtung durch dieses hindurch zu unterteilt. Die Wärmepumpe weist ein ringförmiges 50 dem außenliegenden Verbindungsglied 32 usw., bis wärmeisolierendes Bauteil 28 auf, das gemäß der der Strom schließlich die unterste Rippe 34" erreicht, Zeichnung mit abdichtender Wirkung auf das innere von wo aus er durch die Leitung 39 zur Stromquelle Bauteil 24 bei 26 aufgeschraubt ist und dazu dient, 37 zurückkehrt.

die übrigen Teile des Wärmepumpenaggregats ther- Wie bereits erwähnt, müssen die Thermoelementmisch und elektrisch gegenüber dem Vorwärme- 55 glieder 29 und 30 aus unterschiedlichen Metallen beabschnitt 24 zu isolieren. stehen. Hiermit ist gemeint, daß sie eine entgegen-

Die Peltier-Wärmepumpe 27 weist femer einen gesetzte thermoelektrische Polarität aufweisen müsringförmigen Stapel von abwechselnd aufeinander- sen und je nach der Richtung des fließenden Stroms geschichteten ringförmigen, jeweils aus verschieden- so angeordnet sein müssen, daß die Verbindungsartigen Materialien bestehenden Thermoelementglie- 60 stellen zwischen den Thermoelementgliedem 29 und dem 29 und 30 auf, deren innere und äußere Flächen 30 Wärme von den Kondensatorrippen 34 und den jeweils abwechselnd durch thermisch und elektrisch frei liegenden Flächen der Verbindungsglieder 32 zu leitende innen- bzw. außenliegende ringförmige Ver- den Thermoverbindungsgliedern 31 pumpen, bindungs- oder Thermostellenglieder 31 und 32 mit- Nachstehend ist die Arbeitsweise der Einrichtung

einander verbunden sind. Es sei bemerkt, daß die 65 beschrieben. Die Rohflüssigkeit wird der Destillieraußenliegenden Verbindungsglieder 32 mit Ausnahme einrichtung an dem Einlaßstutzen 14 unter einem des obersten Gliedes 32' und des untersten Gliedes solchen Druck zugeführt, daß sich innerhalb der 32" eine axiale Länge besitzen, die ausreicht, um eine Destillierkammer 40 ein Flüssigkeitsspiegel ausbildet,

Claims (1)

1. 5 6 ·

   der ein kurzes Stück oberhalb des obersten Verbin- der Wärmeabgabe infolge der Verdampfung an dem dungsgliedes 31, jedoch nicht oberhalb der Ober- Flüssigkeitsspiegel in dem Verdampferteil zuzüglich

   kante des Kopfstücks 36 liegt. Dabei ist dafür Sorge des Wärmebedarfs zum Steigern der Temperatur der

   zu tragen, daß der Spiegel des Kondensats in dem zugeführten Rohfiüssigkeit bis zum Erreichen des

   Sammelraum 41 niemals bis oberhalb des unteren 5 erwähnten Verdampfungsgleichgewichtspunktes, und

   wärmeisolierenden Bauteils 28 ansteigt. Bei Strom- dieser Punkt bzw. diese Temperatur kann erheblich

   durchfluß durch die Thermoelementenreihe wird unterhalb der Siedetemperatur der zugeführten Flüs-

   Wärme aus dem Kondensatorteil 43 zu der in dem sigkeit liegen.

   Verdampferteil 40 enthaltenen Rohflüssigkeit ge- In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß ein pumpt; die Geschwindigkeit Q, mit der das Pumpen io Charakteristikum aller Destilliereinrichtungen darin der Wärme erfolgt, wird sowohl durch die in der besteht, daß sich der thermodynamische Wirkungs-Wärmepumpe 27 verwendeten Materialien als auch grad im umgekehrten Verhältnis zu dem Temperaturdurch die Strommenge bestimmt, die durch die unterschied zwischen dem Verdampferteil und dem Wärmepumpe hindurchfließt. Außerdem wird durch Kondensatorteil ändert; mit anderen Worten, der den eigentlichen Vorgang des Herauspumpens von 15 Wirkungsgrad steigt mit abnehmendem Temperatur-Wärme aus dem Kondensatorteil 43 zu dem Ver- unterschied zwischen dem Verdampferteil und dem dampferteil 40 Wärmeenergie erzeugt, die ebenfalls Kondensatorteil. In ähnlicher Weise nähert sich der durch die Wärmepumpe 27 zu dem Verdampferteil Wirkungsgrad der Wärmepumpe bei einer niedrigen 40 gefördert wird. Bei dem zuletzt erwähnten Stromaufnahme der Wärmepumpe, bei welcher sich Wärmebetrag handelt es sich um diejenige Wärme, 20 der erwähnte und erwünschte kleine Temperaturdie auf die Energievernichtung in der Wärmepumpe unterschied einstellt, ebenfalls einem Optimum, denn 27 zurückzuführen ist; dieser Energiebetrag läßt sich der thermoelektrische Wirkungsgrad einer Wärmezweckmäßigerweise in Form des Produkts IE aus- pumpe ändert sich im umgekehrten Verhältnis zur drücken. Die zu dem Verdampfer 40 überführte Ge- Stromaufnahme der Wärmepumpe. Somit erhält man samtwärmemenge ist somit gleich Q^J-IE. Je größer 25 die günstigsten Werte für den thermodynamischen das Verhältnis von Q in der vorstehenden Gleichung und den thermoelektrischen Wirkungsgrad bei gerinzu IE ist, desto größer ist der Wirkungsgrad der ger Stromaufnahme, bei der sich, wie oben erwähnt, Einrichtung. Bei erfindungsgemäßen Wärmepumpen geringe Temperaturunterschiede zwischen dem Verhaben sich Wärmepumpgeschwindigkeiten Q ergeben, dampferteil und dem Kondensatorteil einstellen,
   die etwa 20mal so groß sind wie die durch den 30 Ein wichtiger Unterschied zwischen der erfindungs-Ausdruck IE gegebene Geschwindigkeit der Energie- gemäßen Destilliereinrichtung und den bisher bevernichtung, wenn der durch die Wärmepumpe her- kannten Einrichtungen besteht nicht nur darin, daß vorgerufene Temperaturunterschied klein ist. die bei der Kondensation des Dampfes frei werdende Sobald der Wärmepumpe 27 elektrische Energie Wärme zurückgewonnen und in den Verdampferteil zugeführt wird, beginnt der Vorgang des Pumpens 35 zurückgepumpt wird, sondern auch darin, daß dieser von Wärme von dem Bereich der kalten Thermo- Vorgang durch ein einziges, ein Doppelfunktion stellen der Wärmepumpe zu dem Bereich der heißen erfüllendes Aggregat in Gestalt einer Wärmepumpe Thermostellen, zwischen denen sich langsam ein bewirkt wird, die sowohl eine Beheizung des Verkleiner Temperaturunterschied entwickelt. Die in dampferteils als auch eine Kühlung des Kondensatordem Verdampfer enthaltene Rohfiüssigkeit absorbiert 40 teils bewirkt. Infolgedessen sind im Gegensatz zu Wärme von den den Verdampfer 40 umgebenden bekannten Destilliereinrichtungen keine voneinander heißen Flächen, wodurch die Temperatur der Flüssig- getrennten Heiz- und Kühleinrichtungen erforderlich, keit in dem Verdampfer- bzw. Destillationsteil 40 Die in der Zeichnung gezeigte Ringform der gesteigert wird. Durch Absaugen bzw. Absorption Wärmepumpe erweist sich insbesondere deshalb als von Wärme durch den Kondensatorbereich 43 wird 45 zweckmäßig und wirtschaftlich, weil die heiße Seite dieser Bereich gekühlt. Der Temperaturunterschied die Begrenzungswand einer zentral angeordneten zwischen der obersten Fläche bzw. dem Spiegel der Verdampfungs- bzw. Destillationskammer bildet. Bei zugeführten Rohfiüssigkeit in dem Verdampferteil 40 dieser Ausbildungsform trägt im wesentlichen die und den frei liegenden Flächen innerhalb des Kon- gesamte der Rohflüssigkeit in dem Verdampferteil densatorbereichs 43 ruft einen Dampfdruckunter- 50 zugeführte Wärme notwendigerweise zum Verdampschied zwischen den beiden genannten Stellen hervor. fen der Flüssigkeit bei, während bei den bekannten Sobald ein solcher Druckunterschied vorhanden ist, Konstruktionen ein erheblicher Teil der einem Verwird Rohflüssigkeit in dem Verdampferteil 40 ver- dämpfer zugeführten Wärme durch die Wände des dampfen und in den Kondensatorteil 43 übertreten. Verdampfers hindurch abfließen und durch Konvek-Sobald der Dampf den Kondensatorteil 43 erreicht, 55 tion und/oder Strahlung an die Umgebung abgegeben kondensiert er unter Abgabe von Wärme, die dann wird, ohne zum Verdampfen der zugeführten Flüssigzurückgewonnen und durch die Wärmepumpe 27 zu keit beizutragen.

   dem Verdampferteil 40 zurückgepumpt wird. Die Die vorstehend beschriebene Konstruktion eignet

   Temperatur der Flüssigkeit in dem Verdampferteil 40 sich gut zum Reinigen von Wasser und anderen

   steigt im Vergleich zur Temperatur des Kondensator- 60 Flüssigkeiten. Besonders vorteilhaft ist sie beim

   teils 43 weiter an, und der Kondensatorteil wird Destillieren von Seewasser, wobei eine Sonnenbatterie

   gleichzeitig gekühlt; das Gesamtergebnis dieser Vor- od. dgl. als Energiequelle verwendet werden kann,
   gänge besteht darin, daß der Temperaturunterschied
   vergrößert wird, bis ein Gleichgewichtszustand

   erreicht ist, der sich nach der Stromaufnahme der 65 Patentansprüche:
   Wärmepumpe 27 richtet. An diesem Gleichgewichtspunkt ist die Geschwindigkeit der Wärmezufuhr zu 1. Verfahren zum Destillieren von Flüssigkeiten dem Verdampferteil 40 gleich der Geschwindigkeit unter Nutzbarmachung der bei der Kondensation

   der verdampften Flüssigkeit frei werdenden Wärme zur Verdampfung der zu destillierenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationswärme auf thermoelektrischem Wege unter Anwendung des an sich bekannten Peltier-Effektes der zu verdampfenden Flüssigkeit zugeführt wird.

   2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem die zu verdampfende Flüssigkeit aufnehmenden Verdampfungsraum und einem mit diesem über einen Dampfweg in Verbindung stehenden Kondensationsraum, gekennzeichnet durch eine, die Form eines Hohlzylinders aufweisende, mit einer Stromquelle verbundene thermoelektrische Wärmepumpe (27), deren an der Innenwand des Hohlzylinders liegende heiße Thermostellen (31) mit dem Verdampferraum (40) und deren an der Außenwand des Hohlzylinders liegende kalte Thermostellen (32) mit dem Kondensationsraum (43) in Wärme- ao kontakt stehen.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (27) zwischen dem Verdampferraum (40) und dem Kondensationsraum (43) angeordnet ist.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (27) ringförmig bzw. hohlzylindrisch ausgebildet ist und daß einer der beiden Räume im Innern der Wärmepumpe angeordnet ist, während der andere die Pumpe von außen umgibt.

   5. Vorrichtung nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe (27) von dem ringförmig ausgebildeten Kondensationsraum (43) vollständig umschlossen ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die kalten Elemente (32) der Wärmepumpe (27) wärmeleitende, die Oberfläche vergrößernde Ansätze (34) aufweisen, welche in den Kondensationsraum (43) ragen.

   7. Vorrichtung nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (34) an ihren freien Enden in Tropfkanten auslaufen.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, gekennzeichnet durch einen glockenförmigen, nach unten offenen Bauteil (23) aus wärmeisolierendem Material, der die ringförmige Wärmepumpe (27) unter Bildung des Kondensationsraumes konzentrisch umgibt und nach unten in einen Destillatabfluß (41) mündet, wobei die Wärmepumpe (27) über einem isolierenden Bauteil (28) mit dem koaxialen Flüssigkeitszufluß (42) in Verbindung steht.

   9. Vorrichtung nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitszufluß (42) als Wärmeaustauscher zwischen der Flüssigkeit und dem Destillat ausgebildet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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