-
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung,
die insbesondere für
den Wärmeträger Dampf
vorgesehen ist und diesen zur Wärmegewinnung
kondensiert.
-
Wärmeübertragungssysteme
mit dem Wärmeträger Dampf
sind z.B aus der
EP
0 559 043 B1 bekannt. Diese enthalten Wärmetauscher oder direkt mit
Dampf beheizte Wärmeverbraucher.
Sowohl bei Wärmetauschern
als auch bei dampfbetriebenen Verbrauchern kann Teillastbetrieb
erforderlich werden, in dem lediglich ein Bruchteil der maximal umsetzbaren
Wärmeleistung
umgesetzt werden soll. Die betreffenden Wärmeübertragungseinrichtungen, d.h.,
Wärmetauscher
oder Wärmeverbraucher
werden dazu bspw. im Kondensatstau betrieben, so dass die Wärmeübertragungsfläche abnimmt.
Die Wärmeübertragungseinrichtung
ist im extremen Schwachlastbetrieb nahezu vollständig mit Kondensat gefüllt.
-
In diesem Betriebszustand können insbesondere
wenn zusätzlich
der Dampfdruck abgesenkt wird, wie es aus der
DE 19527743 bekannt ist, bei niedrigen
Drücken
von bspw. weniger als 2 bar Überdruck
Geräusche
auftreten. Diese in der Regel unregelmäßig auftretenden Geräusche sind
störend
und gehen mit Druckstößen einher,
die die Wärmeübertragungseinrichtung
und das gesamte Wärmeübertragungssystem
erheblich belasten und verschleißen. Andererseits ist eine
Druckabsenkung im Schwachlastbetrieb eher erwünscht, um eine größere Wärmeübertragerfläche ungeflutet
zu lassen.
-
Aus der
DE 38 26 761 C2 ist ein
Wärmetauscher
mit Entgasungseinrichtung bekannt. Der Entgaser weist ein Gefäß mit einem
Dampfraum auf, in dem ein u-förmiges
Gassammelrohr angeordnet ist.
-
Aus der
DE 17 76 252 ist die Entlüftung eines Wärmetauschers
durch Auslassen eines über
dem Kondensatspiegel befindlichen Gaspolsters bekannt. Dazu zweigt
von dem oberen Teil des Innenraums des Wärmetauschers eine Entlüftungsleitung
ab, die mit einem Entlüftungsventil
versehen ist. Das Entlüftungsventil
wird von einem Temperaturfühler
und einem Niveauschalter gesteuert.
-
Davon ausgehend ist es Aufgabe der
Erfindung, ein Wärmeübertragungseinrichtung
bzw. ein Verfahren zum Betrieb der Wärmeübertragungseinrichtung zu schaffen
die bzw. das einen verbesserten Betrieb gestattet.
-
Diese Aufgabe wird mit der Wärmeübertragungseinrichtung
nach Anspruch 1 oder 2 oder mit dem Verfahren nach Anspruch 24 gelöst.
-
Der Erfinder hat erkannt, dass ein
großer
Teil der Geräuschbildung
von gasförmigen
Beimengungen des Wärmeträgers herrührt. Diese
gelangen mit dem Dampf in die kondensierenden Wärmeverbraucher. Zu ihnen gehören Luft,
Stickoxide, CO2 und andere Gase. Dampf wird
aus speziell chemisch aufbereitetem Wasser erzeugt. Die dem Speisewasser
beigegebenen Chemikalien können
zu einer Gasbelastung des Dampfs führen und werden mit dem Dampf in
die Wärmeübertrager
eingetragen. Hier sammeln sie sich zum großen Teil über dem Kondensatspiegel. Zu
einem anderen Teil lösen
sie sich im Kondensat. Bei Schwachlast (niedrigem Druck) ist die
Tendenz zur Ansammlung über
dem Kondensatspiegel groß. Aber
auch sonst kann sich Gas sammeln. Eine Gasblase über dem Kondensatspiegel steht
unmittelbar an den Wärmeübertragungsflächen und
isoliert diese teilweise, was den Wärmeübergang stört und außerdem zu unruhigem Betrieb
führt und
Korrosion verursachen kann.
-
Zusätzlich können die Gase bei Nulllast
in das System gelangen. Wenn das Wärmeübertragungssystem ganz abgestellt
wird, kondensiert der Dampf und es kommt zur Vakuumbildung. Dadurch zieht
es zumeist Luft. Gelegentlich wird das System auch absichtlich belüftet, damit
es kei nen Schaden nimmt.
-
Fremdgas sammelt sich während des
Betriebs aufgrund seiner Dichte, die größer ist als die Dichte von
heißem
Dampf, oberhalb des Kondensatspiegels, d.h. zwischen Dampf und Gas
als Gaspolster an. Diese störenden
Gase können,
wie der Erfinder weiter erkannt hat, schon wegen der nicht festgelegten
Höhe des
Kondensatspiegels nicht ohne weiteres aus der Wärmeübertragungseinrichtung entfernt
werden. Sofern die Gase noch mit Dampf vermischt sind, ist eine
Trennung von Dampf und gasförmiger
Beimengung kaum möglich.
Sofern sie teilweise im Kondensat gelöst sind, oder sich in diesem
niederschlagen, sind sie ebenfalls nicht ohne weiteres entfernbar.
Für diesen
Fall hat der Erfinder den Weg gewiesen, an einer Wärmeübertragungseinrichtung, die
einen Kanal aufweist, durch den das Wärmeträgermedium geführt wird,
in der Nähe
seines Ausgangs einen Entlüftungsausgang
vorzusehen. Der Entlüftungsausgang
dient dazu, gasbeladenes Wärmeträgermedium,
insbesondere gasbeladenes Kondensat, auszulassen. Die in dem Kondensat
gelösten Gase
werden somit aus der Wärmeübertragungseinrichtung
entfernt, d.h., die Gase werden mit Kondensat zusammen ausgelassen.
Auf diese Weise sind auch im Schwachlastbetrieb Gase aus der Wärmeübertragungseinrichtung
heraus zu leiten. Geräuschbildung
wird reduziert. Außerdem
wird der Wärmeübergang
an den Wärmeübertragungsflächen verbessert.
Wenn systematisch entgast wird können
diese auch kleiner dimensioniert werden.
-
Die Erfindung nimmt sich der Problematik
mit zwei Lösungsstrategien
an, die darin liegen, die Ansammlung von Gasen in dem System möglichst
zu reduzieren und ein gedrungene Gase möglichst wirksam zu entfernen.
-
Die Ansammlung von Gasen in dem System kann
reduziert werden, indem das System immer bedampft bleibt (positiver
Druck), um Vakuum zu vermeiden.
-
Die gasförmigen Beimengungen des Dampfs lösen sich
bei der Kondensation von Dampf in dem Kondensat und lagern sich
unter dem Dampf und über
dem Kondensat an. Die Trennschicht Dampf/Kondensat ist also immer
eine Trennschicht, die durch Dampf, Gase, Kondensat gebildet ist.
Der Zweck des Systems liegt darin, die Trennschicht entsprechend
dem wärmetechnischen
Verfahren und den konstruktiven Gegebenheiten an Stellen zu führen, an
denen entgast werden kann. Dies ist sowohl am Dampfeintritt als
auch an dem Kondensatausgang als auch an einer gesonderten, dazwischenliegenden
Stelle möglich.
-
An dem Dampfeintritt sind die Gase
erst zu entfernen, wenn eine Kondensation des Dampfs stattgefunden
und sich dadurch ein Gaspolster in der Trennschicht gebildet hat.
Durch Absperrung des Kondensatventils, gegebenenfalls unabhängig von sonstigen
Betriebs- oder Steuervorgaben, wird das Gaspolster an den Dampfeintritt
geführt
und dort ausgelassen.
-
Bei stehenden Rohrbündel-Wärmetauschern ist
das Entgasen unterhalb des Kondensatbodens möglich. Dazu muß dass System
mit Volllast betrieben werden. Der Volllastbetrieb ist jedoch nur
möglich,
wenn im Sekundärkreis
Wärme übernommen wird.
Dieser Betriebszustand ist selten. In den meisten Fällen wird
deshalb die Entgasung am Dampfeintritt bevorzugt. Es können sowohl
ungeachtet der sonstigen Anforderungen in einem Entgasungszyklus
Maßnahmen
getroffen werden, um das den Kondensatspiegel und das Gaspolster
zu dem Entgasungsausgang zu bewegen, als auch Betriebsphasen abgepasst
und zur Entgasung genutzt werden, in denen sich das Gaspolster ohnehin
an dem Entgasungsausgang befindet. Bei anderen Wärmetauschern oder Wärmeverbrauchern
ist auch eine Entgasung auf mittlerer Höhe möglich. Hier ist eine Position
für den
Entgasungsausgang günstig,
unterhalb derer der Kondensatspiegel im Betrieb besonders häufig steht.
-
Der bei einer Ausführungsform
an dem Dampfeintritt angeordnete Entgasungsausgang kann zusätzlich zur
Dampfleitungsentwässerung
genutzt werden. Dazu ist der mit einem Flüssigkeitssensor, z.B. einem
Schwimmer oder einem Leitfähigkeitssensor
versehen, der das ausgangsseitige Kondensatventil des Wärmetauschers öffnet, solange
an dem Entgasungsausgang, eine flüssige Phase erfasst wird. Ein
hier ebenfalls angeordneter Temperatursensor steuert ein Entgasungsventil,
das solange geöffnet
bleibt, wie die Temperatur einen Grenzwert unterscheidet. Somit
wird nicht nur die Dampfleitungsentwässerung sondern auch die Entgasung
bewirkt.
-
Zur Entfernung der Gase sind weitere
Entgasungsmaßnahmen
möglich.
Z.B. kann eine Kondensatentgasung vorgesehen werden, die insbesondere aber
nicht ausschließlich
bei Wärmetauschern
mit schnellem Durchfluss insbesondere der Sekundärseite von Vorteil ist, d.h.
bei Wärmetauschern,
die nach Art von Durchlauferhitzern klein und leicht gebaut sind.
-
Die direkten Entfernung des Gaspolsters, das
zwi schen Dampf und Kondensat gefangen sein kann, kann außerdem mit
der Kondensatentgasung kombiniert werden. Der Entgasungsausgang
ist dann vorzugsweise an einer Stelle angeordnet, die dem Wärmeträgereingang
näher liegt
als dem Wärmeträgerausgang.
Diese Maßnahme
ermöglicht
die Entgasung während
des Teillastbetriebs. Zur Entlüftung kann
ein selbsttätiger
oder ein handbetätigter
Entlüfter
vorgesehen sein. Zur Steuerung des Entlüfters kann mittels entsprechender
Sensor- und/oder Stellelemente die Temperatur herangezogen werden.
Bedarfsweise kann zusätzlich
die Höhe
des Kondensatspiegels zur Steuerung herangezogen werden, um Kondensataustritt
am Entlüfter
zu verhindern oder, wie erläutert, über die
Steuerung des Kondensatventils eine Entwässerungsfunktion zu erbringen.
-
Bedarfsweise kann der Entlüftungsausgang aber
auch mit dem Wärmeträgerausgang
identisch sein, um insbesondere gelöste Gase auszuleiten. Der Wärmeträgereingang
ist in der Regel oberhalb des Wärmeträgerausgangs
angeordnet, so dass der Entlüftungsausgang
dann tief, d.h., unterhalb des Wärmeträgereingangs,
an der Wärmeübertragungseinrichtung
oder einer von dieser weg führenden
Leitung angeordnet ist.
-
Das Kondensat kann durch eine gesonderte Pumpe
aus der Wärmeübertragungseinrichtung
entfernt werden, die bedarfsweise eingeschaltet wird. Das Auslassen
kann kurzzeitig oder auch über
einen längeren
Zeitraum gestreckt erfolgen. In den meisten Fällen genügt es, zwei bis drei Liter
Kondensat, insbesondere ausgekühltes
Kondensat, aus der Wärmeübertragungseinrichtung
zu entfernen, um diese, wenn sie in einen unruhigen Betriebszustand
geraten ist, wieder zu beruhigen. Die Pumpe kann das Auslassen ohne nachschiebenden
Dampfdruck bewirken, wodurch die Entgasung verbessert und ein unerwünschter
Wärmeeintrag
in die Wärmeübertragungseinrichtung
vermeidbar oder reduzierbar ist.
-
Außerdem ist es möglich, das
Kondensat aus der Kondensatsammelschiene hinter dem Kondensat-Regelventil
zu entfernen, d.h. abzusaugen. Die Entgasung ist auch bei vollständig geschlossenem
Kondensat-Regelventil möglich.
Es ergibt sich eine gute Entgasungswirkung auch infolge der durch die
Absaugung erzeugten Druckabsenkung, die ein Ausgasen der störenden Gase
begünstigt.
-
An Stelle oder zusätzlich zu
der Pumpeinrichtung kann ein Auslassventil vorgesehen sein. Dieses
ist bspw. ein Magnetventil, das den Entlüftungsausgang vollständig absperren
kann. Das Auslassen des Kondensats kann bedarfsweise auch durch
Eigendruck erfolgen. In diesem Fall kann die Pumpeinrichtung entfallen.
-
Die Pumpeinrichtung kann bspw. eine
Kreiselpumpe sein. Alternativ können
Strahlpumpen oder sonstige Pumpeinrichtungen zur Kondensatabsaugung
zur Anwendung kommen.
-
Der Entlüftungsausgang ist vorzugsweise automatisch
gesteuert. Dazu dient eine Steuereinrichtung, die mit einer Sensoreinrichtung
verbunden, oder durch diese gebildet ist. Die Steuereinheit gibt den
Entlüftungsausgang
frei, wenn ein unruhiger Betriebszustand erfasst wird. Dies ist
bspw. mittels Schallsensoren, Drucksensoren oder anderweitiger Sensoren
möglich.
Außerdem
kann eine Einrichtung an die Stelle der Sensoren treten, die den
po tentiell unruhigen Betriebszustand anhand von Temperatur und Druck
in der Wärmeübertragungseinrichtung
erkennt. Sind Temperatur und Druck niedrig, liegt ein Schwachlastfall
vor, was über
entsprechende Sensoren (Drucksensor, Temperatursensor) erfassbar
ist. In einem solchen Fall kann dann, gewissermaßen vorbeugend, in festgelegten
Zeitabständen
bspw. zwei bis drei Stunden jeweils eine kurze Entlüftung vorgenommen
werden, während
der jeweils zwei bis drei Liter Kondensat aus der Wärmeübertragungseinrichtung
ausgelassen oder sonst wie entfernt (z.B. abgesaugt) werden. Je
nach Dimensionierung der Anlage können die Zeiten kürzer oder
länger
sein und die ausgelassenen Kondensatmengen zu größeren oder kleineren Werten
hin variieren. Die auszulassenden Kondensatmengen und Ablasszeiten
können auch
nach vorgegebenen, abgespeicherten oder erlernten Tabellen festgelegt
werden.
-
Es ist jedoch auch möglich, das
Auslassen des Kondensats so zu steuern, das nur so lange Kondensat
ausgelassen wird, wie Geräusche
auftreten. Dies hat den Vorteil, dass nur so viel Kondensat ausgelassen
wird, wie nötig
ist, um die Geräuschbildung zu
beseitigen. Damit werden ein unzulässiger Energieeintrag in die
Wärmeübertragungseinrichtung und,
zumindest bei freiem Kondensatauslauf, ein zu großer Kondensatverlust
verhindert. Das abgelassene gasbeladene Kondensat kann sowohl entsorgt (Kanalisation)
werden, als auch in das Kondensatsystem rückgespeist werden. Der geringe
Verlust des Heizmediums ist im Vergleich zu den wirtschaftlichen Folgen
der nicht erfolgten Entgasung leicht hinzunehmen. Bedarfsweise kann
das gasbelastete Kondensat auch wieder in das System eingespritzt
oder eingepumpt werden. Im Kraftwerk wird dieses Kondensat dann
ohnehin über
einen Entgaser geführt.
-
Bei einem Werksnetz ist ein Kondensatverlust
hinnehmbar.
-
Das Ablassen des gasbeladenen Kondensats
kann bedarfsweise auch über
das Kondensatregelventil erfolgen. Der Wärmeträgerausgang ist dann mit dem
Entlüftungsausgang
identisch. Die Steuereinheit führt
die Wärmeübertragungseinrichtung
mit dem Kondensatventil der Energieanforderung entsprechend. Abweichend
von diesem Regelregime öffnet
die Steuereinheit das Kondensatregelventil jeweils kurzzeitig, um,
wenn geräuschbehafteter
Betrieb droht, gasbeladenes Kondensat auszulassen.
-
Es kann nach einem anderen Aspekt
der Erfindung auch vorgesehen werden, eine vollständige Dampfkondensation
bei Nulllast und Vakuumbildung unterbleibt. Dies wird erreicht,
indem auf der Dampf-Eingangsseite angeordnet Ventile nicht vollständig geschlossen
sondern kontrolliert soweit geöffnet
gehalten werden, dass in dem Wärmetauscher oder
Wärmeverbraucher
immer ein wenigstens geringer Überdruck
von vorzugsweise 0,1 bis 0,2 bar erhalten wird. Die Regelung bzw.
Steuerung kann sowohl von Hand als auch automatisch vorgenommen werden.
-
Die gezielte Entgasung führt zur
Geräuschreduzierung,
zu einer Verbesserung der Ausnutzung der Wärmeübertragerflächen und zur Korrosionsminderung.
-
Weitere Einzelheiten vorteilhafter
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
Unteransprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 ein
Wärmeübertragungssystem
mit einem kondensatseitig entgasten Wärmetauscher, in schematisierter
Darstellung,
-
2 eine
Kondensatauslasseinrichtung für das
System nach 1, in schematischer
Darstellung,
-
3 eine
abgewandelte Kondensatauslasseinrichtung für das System nach 1, in schematischer Darstellung,
-
4 eine
abgewandelte Ausführungsform eines
Wärmeübertragungssystems
als Blockschaltbild,
-
5 einen
kondensatseitig entgasten Wärmetauscher
für ein
Wärmeübertragungssystem,
-
6 den
Wärmetauscher
und seinen Anschluss an ein Wärmeübertragungssystem,
in abgewandelter Ausführung,
-
7 eine
schematische Darstellung eines Wärmetauschers,
-
8 ein
Blockschaltbild einer Einrichtung zum Steuern der Entlüftungseinrichtung 24,
anhand von erfassten Druckschwankungen,
-
9 ein
Wärmeübertragungssystem
mit kondensatseitiger Entgasung der Kondensatsammeleinrichtung,
in schematisierter Darstellung,
-
10 ein
Wärmeübertragungssystem
mit einem dampfseitig entgasten Wärmetauscher, in schematisierter Darstellung,
-
11 eine
Steuereinheit zum Steuern des Betriebs von Wärmeabnehmern und der Entgasung in
dem Wärmeübertragungssystem
nach einer der Figuren, in schematisierter Darstellung,
-
12 ein
Entgasungsventil zur dampfseitigen Entgasung, in einer schematisierten
Schnittdarstellung,
-
13 einen
Ventileinsatz des Entgasungsventils nach 12, in einer schematisierten Seitenansicht
und in einem anderen Maßstab,
-
14 eine
automatisch gesteuerte dampfseitige Entgasungsvorrichtung, in schematisierter
Darstellung,
-
15 eine
Entgasungsvorrichtung am Dampfeintritt, in schematisierter Darstellung,
und
-
16 eine
automatisch gesteuerte Entgasungsvorrichtung am Dampfeintritt mit
zusätzlicher Entwässerungsfunktion,
in schematisierter Darstellung.
-
In 1 ist
ein Wärmeübertragungssystem 1 veranschaulicht,
das als Fernwärmenetz
ausgebildet ist. Zu dem Fernwärmenetz
gehört
ein Kraftwerk 2, das über
eine Leitung 3 Dampf an ein oder mehrere Abnehmer abgibt.
In 1 ist lediglich ein
Abnehmer 4 veranschaulicht, der über eine von der Leitung 3 abzweigenden
Leitung 5 Dampf erhält.
Der Abnehmer 4 erhält
die in dem Dampf enthaltene Energie und gibt über eine Leitung 6 ausgekühltes Kondensat an
das Kraftwerk 2 zurück.
Die Leitung 6 bildet somit eine Kondensatrücklaufleitung
und die Leitung 5 bildet eine Dampfvorlaufleitung.
-
An die Leitungen 5 und 6 ist
ein Wärmetauscher 7 angeschlossen,
der den Dampf-Kondensat-Primärkreislauf
von einem Sekundärkreislauf trennt.
Eingangsseitig weist der Wärmetauscher 7 einen
Vorlaufanschluss 01, der an die Leitung 5 angeschlossen
ist, und einen Rücklaufanschluss 02 auf, der
an die Leitung 6 angeschlossen ist. Ausgangsseitig weist
der Wärmetauscher 7 einen
Vorlaufanschluss 04 und einen Rücklaufanschluss 03 auf, an
die über
Leitungen ein oder mehrerer Wärmeverbraucher 8,
bspw. Heizkörper,
angeschlossen sind.
-
Der Wärmetauscher 7 kann
bspw. von der in 7 schematisch
veranschaulichten Bauart und als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet sein,
er kann jedoch auch ein Plattenwärmetauscher
oder ein Wärmetauscher
in Modulbauweise sein. Der Vorlaufanschluss 01 mündet in
den Innenraum eines Gehäuses 10.
Aus dem Innenraum 9 führt
der Rücklaufanschluss 02 heraus.
Der Innenraum 9 ist von Rohren durchzogen, die sich von
einem oberen Sammelraum 12 zu einem unteren Sammelraum 14 erstrecken.
Der Sammelraum
12 steht mit dem Vorlaufanschluss 04 und
der Sammelraum 14 mit dem Rücklaufanschluss 03 in
Verbindung.
-
Der Innenraum 9 bildet einen
von dem Vorlaufanschluss 01 zu dem Rücklaufanschluss 02 führenden
Kanal, wobei der Vorlaufanschluss 01 einen Wärmeträgereungang 16 und
der Rücklaufanschluss 02 einen
Wärmeträgerausgang 17 bilden.
Der von dem Innenraum 9 gebildete Kanal grenzt unmittelbar an
die Wärmetauscherrohre 18,
deren Rohrwandung somit Wärmetauscherflächen bilden.
Die Rohren können
gerade oder schräg,
gewunden, als Rohrschlangen oder anderweitig angeordnet sein. Die Rohrwandungen
können
glatt oder strukturiert, bspw. mit Vorsprüngen oder Noppen versehen sein.
Prinzipiell ist es auch möglich,
die Anschlüsse 04, 03 als primärseitige
Anschlüsse
zu verwenden. Während bei
dem in 7 veranschaulichten
Wärmetauscher 7 der
als Wärmeträgermedium
dienende Dampf und das Kondensat die Wärmetauscherrohre 18,
wie dargestellt, außen
umspülen
würden
der Dampf und das Kondensat dann in den Wärmetauscherrohren 18 geführt. Darüber hinaus
ist es möglich,
anstelle des Rohrbündelwärmetauschers
Plattenwärmetauscher oder
aus einzelnen Modulen aufgebaute Wärmetauscher zu verwenden.
-
Bei dem in 1 veranschaulichten Wärmeübertragungssystem 1 ist
zur Leistungsregelung des Wärmetauschers 7 ein
Kondensatregelventil 18 vorgesehen, über das regulierbar ist, wieviel
Kondensat über
die Leitung 6 aus dem Wärmetauscher 7 ausgelassen
wird. Das Kondensatregelventil 18 ist an dem Rücklaufanschluss 02,
d. h., an den Wärmeträgerausgang 17 des
Wärmetauschers 7 angeschlossen. Bei
dem Kondensatregelventil 18 handelt es sich um ein Motorstellventil,
dessen Stellmotor 19 von einer Regel- oder Steuereinheit 21 betätigt wird.
Die Regel- oder Steuereinheit ist dazu bspw. mit einem Temperatursensor 22 verbunden,
der an eine von dem Vorlaufanschluss 04 zu dem Wärmeverbraucher 8 führende Leitung
angeschlossen ist. Außerdem
kann, wie z.B. in 10 angedeutet
ist, bei jeder Ausführungsform
des Wärmeübertragungssystems 1 in
der Leitung 5 ein Dampf-Regelventil 20 angeordnet
sein, um den Dampfdruck im Schwachlastbetrieb zu senken. Das Dampf-Regelventil 20 ist
mit einem Antrieb 20a versehen, der durch die Steuereinheit 21 untersteht.
Alternativ kann eine Handsteuerung vorgesehen sein.
-
Bei einer ersten Ausführungsform
zweigt zwischen dem Wärmetauscher 7 und
dem Kondensatregelventil 18 eine mit dem Kanal 9 kommunizierende
Leitung 23 ab, die einen dem Wärmeträgerausgang 17 nahe
liegenden Entlüftungsausgang
bildet. Zur Regulierung desselben dient eine Entlüftungseinrichtung 24,
die wie auch das Kondensatregelventil 18 von der Regel-
oder Steuerungseinrichtung 21 gesteuert ist. Die Entlüftungseinrichtung 24 kann
unmittelbar an dem Wärmetauscher 7 angeordnet
sein, sie kann von diesem abzweigen oder an einer Leitung vorgesehen
sein, die den Rücklaufanschluss 02 mit
dem Kondensatregelventil 18 verbindet.
-
Die Entlüftungseinrichtung 24 ist
in 2 exemplarisch veranschaulicht.
Sie weist ein Magnetsteuerventil 25 auf, das über entsprechende
Impulse der Steuereinheit 21 geöffnet oder geschlossen werden
kann. An das Magnetventil 25 ist eine – vorzugsweise saugende – Pumpeinrichtung 26 angeschlossen.
Die Entlüftungseinrichtung 24 ist
vorzugsweise am tiefsten Punkt der aus dem Wärmetauscher 7 und dem
Kondensatregelventil 18 gebildeten Anlage ausgebildet.
-
Die Regeleinheit 21, der
Wärmetauscher 7 und
das Kondensatregelventil 18 und die Entlüftungseinrichtung 23 bilden
eine Wärmeübertragungseinrichtung 28 mit
automatischer Entgasung. Dazu ist die Regel- oder Steuereinheit 21 oder
eine gesonderte Steuereinheit mit einem Sensor 29 zur Erfassung
des Entlüftungsbedarfs
verbunden. Der Sensor 29 ist bspw. ein Drucksensor, der
zwischen dem Wärmeübertrager 7 und
dem Kondensatregelventil 18 angeordnet ist. In 8 ist die Struktur einer Steuereinheit 21a veranschaulicht,
die zur Steuerung der Entlüftung
dient. Die Steuereinheit 21a ist an den Sensor 29 angeschlossen,
der an seinem Ausgang 31 ein Signal liefert, das dem an
der Einbaustelle vorhandenen Druck p entspricht. Das an dem Ausgang 31 abgegebene
Drucksignal wird durch einen Signalfilterblock 32 geführt, der
zumindest die Gleichanteile ausfiltert. Dazu hat der Signalfilterblock
mindestens eine Hochpasscharakteristik. Vorzugsweise ist er als Bandpass
ausgebildet, der nur niederfrequente Druckschwankungen bspw. im
Bereich von 1 bis 500 Hz durchlässt.
Andere Eckfrequenzen sind bedarfsentsprechend festlegbar.
-
An den Signalfilterblock ist ein
Schwellwertschalterblock 33 angeschlossen, der das von
dem Signalfilterblock 32 abgegebene Signal gleichrichtet und
an seinem Ausgang ein Signal abgibt, wenn die Amplitude des Eingangssignals
einen festgelegten Schwellwert übersteigt.
In diesem Fall wird ein Zeitgeberblock 34 getriggert, der
bspw. auf 15 Sekunden eingestellt ist. Während dieser auf den Auslöseimpuls
folgenden Zeit gibt der Zeitgeberblock 34 ein Signal an
einen Steuerverstärker 35 ab,
der das Magnetventil 25 öffnet und die Pumpe 26 einschaltet.
Die Blöcke 29 bis 34 und
gegebenenfalls 35 können
als Digitalschaltungen, als logische Schaltungen oder als Programmteile
eines Mikroprozessorprogramms realisiert sein. Bedarfsweise können sie
auch durch analoge Schaltungen verwirklicht werden.
-
Das insoweit beschriebene Wärmeübertragungssystem
arbeitet wie folgt:
In Betrieb erfasst die Regel- oder Steuereinheit 21 den
Wärmebedarf
der Wärmeverbraucher 8 bspw. anhand
der durch den Temperatursensor 22 gemessenen Vorlauftemperatur
und versucht diese konstant zu halten. Dazu wird der Stellmotor 19 so
angesteuert, das der Wärmetauscher 7 dem
Dampfnetz die erforderliche Dampfmenge entnimmt und somit die erforderliche
Wärmeleistung überträgt.
-
Nehmen die Wärmeverbraucher 8 nahezu keine
Wärme ab,
schließt
die Regel- oder Steuereinheit 21 das Kondensatregelventil
so weit, dass der sich in dem Kanal 9 bildende Kondensatspiegel
weit ansteigt und den Anschluss 01 erreicht. Im Extremfall kann
der Anschluss 01 und gegebenenfalls auch ein Abschnitt
der Vorlaufleitung 05 mit Kondensat geflutet werden. Zusätzlich können weitere,
dem Wärmetauscher
vorgeschaltete und nicht weiter veranschaulichte Ventile gedrosselt
oder geschlossen werden, was den Dampfzustrom drosselt und den Innendruck
in dem Wärmetauscher
senkt.
-
In solchen Schwachlast-Betriebsfällen (mit oder
ohne Druckabsenkungen) kann das Kondensat, wenn Gase gelöst sind,
ausgasen, was im Extremfall zu Anlageschäden führen kann, oder zumindest störend ist.
Dies kann insbesondere bei dem Wiedererwärmen nach dem Auskühlen, d.h.
bei Anfahren des Wärmetauschers
auftreten.
-
Die Entlüftungseinrichtung 24 dient
dazu, solche Betriebszustände
zu verhindern. Dazu überwacht
die Regel- oder
Steuereinheit 21 oder die Steuerungseinrichtung 21a mit
dem Sensor 29 den an dem Ausgang des Wärmetauschers 7 vorhandenen
Druck. Beginnende Geräuschbildung
zeichnet sich hier durch Druckschwankungen ab. Die Druckschwankungen
werden durch den Block 32 (8) herausgefiltert
und lösen,
wenn sie eine bestimmte Schwelle überschreiten, den Zeitgeber 34 aus,
der die Entlüftungseinrichtung 24 für eine vorbestimmte Zeitspanne
aktiviert. Damit werden einige Liter gashaltiges Kondensat aus dem
Wärmetauscher 7 ausgelassen.
Sie fließen
bei dem Wärmeübertragungssystem 1 nach 1 in einen Abfluss 37.
Der Auslass erfolgt vorzugsweise an einer möglichst kalten Stelle des Wärmetauschers,
um mit wenig Kondensat möglichst
viel Gas aus dem System zu entfernen.
-
Mit dem Auslassen des Kondensats
kommt die Geräuschbildung
in der Regel zum Erliegen, noch bevor sie wirklich hörbar geworden
ist. Sollte dennoch die Tendenz zur Geräuschbildung anhalten, wird
die Steuereinheit 21 nach Ablauf der Entlüftungszeit
sofort wieder aktiviert und läßt eine
zweite Portion belastetes Kondensat aus.
-
Fehlfunktionen in Folge von ständigem oder zu
langem Auslassen von Kondensat kann durch eine zusätzliche
Kontrolleschleife begegnet werden, die die Anzahl der Auslassperioden
pro Zeiteinheit oder die Temperatur des ausgelassenen Kondensats beschränkt.
-
Zur Ausflussbeschränkung kann
auch das Verhältnis
von Öffnungszeit
zu Schließzeit überwacht oder
der Ausflussquerschnitt begrenzt sein.
-
Wie 3 veranschaulicht,
kann die Ausführungsform
des Wärmeübertragungssystems 1 dahingehend
abgewandelt sein, dass das Magnetventil 25 nicht vor, sondern
hinter der Pumpe 26 angeordnet wird. Bei Systemen, die
auch im Schwachlastbetrieb genügend
Innendruck aufweisen, kann die Pumpe 26 unter Umständen entfallen.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
in 4 veranschaulicht.
Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 darin, dass die Entlüftungseinrichtung 24 das
gasbelastete Kondensat nicht ablässt,
sondern in den Kondensatrücklauf zurück fördert. Somit
wird zu dem Kraftwerk 2 gashaltiges Kondensat zurückgeführt, das
dann im Kraftwerk entsprechend zu entgasen ist. Ansonsten gilt die
obige Beschreibung entsprechend.
-
Eine weitere, abgewandelte Ausführungsform
des Wärmeübertragungssystems
ergibt sich aus 5. Bei
dieser ist der Wärmetauscher 7 außer mit
den üblichen
Anschlüssen 01, 02, 03, 04 mit
einem zusätzlichen
Anschluss 05 zum Ablassen von Kondensat versehen. Der Anschluss 05 bildet
einen Entlüftungsausgang,
der an die Entlüftungseinrichtung 24 angeschlossen
ist. Diese kann, wie in 1 veranschaulicht,
in einen freien Auslauf oder auch gemäß 4 in den Kondensatrücklauf münden, wie
es in 6 veranschaulicht
ist.
-
Eine Wärmeübertragungseinrichtung 28,
die einen dampfkondensierenden Wärmetauscher 7 oder
einen anderwei tigen dampfkondensierenden Wärmeverbraucher aufweist, der
durch Kondensatanstau gesteuert ist, weist einen Entlüftungsausgang 23 auf, über den
gasbelastetes Kondensat und/oder Gas aus dem System oder zumindest
aus der Wärmeübertragungseinrichtung 28 entfernbar
ist.
-
Anstelle der Überwachung von Druckschwankungen
mittels des Sensors 29, oder ergänzend dazu, kann die Temperatur
an dem Ausgang des Wärmetauschers 7 überwacht
werden, wobei ein Schließen
der Entlüftungseinrichtung 24 erzwungen wird,
wenn die Temperatur an dem Ausgang des Wärmetauschers 7 einen
Grenzwert übersteigt.
Ein solcher Temperatursensor 29a ist in 1 nicht veranschaulicht, jedoch an der
gleichen Stelle eingebaut, wie der Sensor 29 und wie 4 veranschaulicht. Er ist
mit der Regel- oder Steuereinheit 21 verbunden. Alternativ
kann er mit der Steuereinheit 21a nach 8 verbunden sein. Der Verstärkerblock 35 weist
einen zusätzlichen
Sperreingang auf, mit dem die Pumpe 26 abschaltbar und
das Magnetventil 25 schließbar ist, sobald an dem Temperatursensor 29a eine
Schwelltemperatur überschritten
wird. Der Temperatursensor 29a kann auch, wie 5 veranschaulicht, an einer
von der Entlüftungseinrichtung 24 wegführenden
Leitung angeordnet sein.
-
Eine weiter abgewandelte Ausführungsform des
Wärmeübertragungssystems 1 ist
in 9 veranschaulicht.
Es stimmt weitgehend mit dem Wärmeübertragungssystem 1 nach 1 überein. Auf die entsprechenden
Beschreibungsteile wird verwiesen. Ein Hauptunterschied liegt jedoch
in der Entgasung. Die Leitung 23 zweigt hinter dem Kondensatregelventil 18 ab.
Die Entlüftung
wird somit aus der Kondensatsammelschiene 6 durchgeführt. Im
Kondensat gelöstes
und in die Kondensatsammelstelle gelangtes Gas wird durch die Entlüftungseinrichtung 24 entweder
gemeinsam mit Kondensat entfernt oder abgesaugt, wozu die Pumpeinrichtung 26 dienen
kann. Die Pumpe hilft dem System, sich im Niederdruckbereich zu
entgasen. Außerdem
kann die Pumpeinrichtung 26 bei etwas geöffnetem
Kondensatregelventil 18 und stillstehender Kondensatpumpe
P, die zwischen dem Wärmeträgerausgang 02 und
dem Kondensatregelventil 18 eingebaut ist, gasbeladenes Kondensat,
oder auch nach Absaugen des Kondensats ein oberhalb desselben gebildetes
Gaspolster, aus dem Wärmetauscher 7 absaugen.
Dabei kann ein nicht weiter dargestelltes, in der Leitung 5 vorhandenes
und unter der Steuerung der Steuereinheit 21 stehendes,
Dampfventil geschlossen bleiben, um ein Nachströmen von Dampf zu verhindern.
Bei der Ausführungsform
nach 1 kann ein solches
Dampfventil ebenfalls vermeiden, dass beim Entgasen des Wärmetauschers 7 Dampf
nachströmt
und somit einen Leistungseintrag in den Wärmetauscher 7 bewirkt.
Dies gilt auch für
die Ausführungsform
nach 5, bei der direkt
dass sich oberhalb eines Kondensatspiegels bildende Gaspolster abgesaugt
werden kann. Dies ist in 7 veranschaulicht.
Der Wärmetauscher 7 kann,
wie erläutert,
optional mit einem zur Entgasung vorgesehenen Anschluss 05 versehen
sein. Ist der Wärmetauscher
bis zu einer Höhe
H mit Kondensat K gefüllt,
wird über
den Anschluss 05 zunächst
Kondensat und dann ein sich zwischen dem Kondensat K und dem Dampf
D etwa bis zur Höhe
L ausbildendes Gaspolster G abgesaugt. Insbesondere im Niederdruckbereich,
wenn ein vor dem Anschluss 01 liegendes Dampfventil geschlossen
ist, neigen in dem Kondensat und evtl. dem Dampf enthaltene Gase
dazu, sich zu entmischen und das Gaspolster G auszubilden, das den
Dampf D von dem Kondensat trennt. Dieses Gaskissen behindert, wenn es
nicht entfernt wird, die Wärmeübertragung
und es kommt zu Dampf-Wasserverwirbelungen mit explosionsartigen
Vorgängen.
Jeder schnelle Kondensationsvorgang führt außerdem zu kurzzeitigen Druckverminderungen,
die, bevor neuer Dampf nachströmen
kann, zum weiteren Ausgasen mitgeführter Gase führen können. Deshalb
ist das Entgasen der Niederdruckanlagen eine Daueraufgabe. Die Entgasung
wird bei allen dargestellten Ausführungsformen, insbesondere
durch die saugende Wirkung der Pumpe 26 begünstigt.
Dampf und Kondensat gasen aus und das Gas kann aus dem Bereich der
Wärmeübertragungsflächen entfernt
werden.
-
Eine weitere Ausführungsform einer Entgasungseinrichtung 24' ist in 10 angedeutet. Sie ist an
einem relativ hohen Punkt des Wärmetauschers 7 oder
eines anderweitigen Wärmeverbrauchers
angeordnet. Im einfachsten Fall kann sie, wie in den 12 und 13 veranschaulicht, ausgebildet sein.
Die Entgasungseinrichtung 24' ist
an dem Anschluss 05 angeordnet, der seitlich oder an der
Oberseite des Wärmetauschers
in jeder beliebigen Lage vorgesehen sein kann. Er weist einen Ventilkörper 41 auf,
der mit einem Gewinde 42 in eine entsprechende Öffnung des
Wärmetauschers 7 eingeschraubt
ist. Ein Durchgangskanal 43 führt zu einer Stufenbohrung 44,
in der ein Ventilkörper 45 (13) sitzt. Dieser weist
einen Ansatz 46 zur Betätigung
mit einem Schraubenschlüssel
(Steckschlüssel)
auf, der aus der Stufenbohrung 44 herausragt. An seiner
Unterseite ist der Ventilkörper 45 mit
einer bspw. halbkugelförmigen
Ventilverschlussnase 47 versehen, die mit einer am Boden
der Stufenbohrung 44 ausgebildeten Ringschulter 48 zusammenwirkt,
die einen Ventilsitz bildet. Oberhalb des so gebildeten Ventilsitzes
mündet
ein ins Freie führender
Durchgangskanal 48. Zum Schutz gegen Staub und Schmutz
dient eine aufschraubbare Verschlusskappe 49.
-
Ein solcher Entlüfter gestattet das Auslassen des
sich in dem Wärmetauscher 7 bildenden
Gaspolsters. Er ist zur Handbetätigung
eingerichtet, kann jedoch bedarfsweise auch automatisch betätigt werden,
wie aus 14 hervorgeht.
Dazu ist die in 11 allgemein
dargestellte Regeleinheit 21 ergänzt. Die Regeleinheit 21 nach 11 ist zum Betrieb aller
dargestellter Ausführungsformen
geeignet. Sie weist Regeleingänge
für die
Vorlauftemperatur T04, die Kondensattemperatur T02, eine Außentemperatur
TA, den Eingangsdruck P01 des Wärmetauschers 7 und
den Kondensatdruck P02 auf. Einzelne Eingänge können unbeschaltet bleiben.
Als Steuerausgänge
sind ein Steuerausgang für
das Kondensatregelventil 18, ein Steuerausgang für das Dampfventil 20 und
ein Steuerausgang für
die Entgasungs- oder Entlüftungseinrichtung 24 vorgesehen.
Zum Einsatz an dem selbsttätigen
Entlüfter
nach 14 weist die Regeleinheit 21 zusätzlich einen
Eingang 51, der an einen Temperatursensor T und einen Eingang 52,
der an einen Füllstandssensor
F angeschlossen ist, auf. Die Regeleinheit 21 kann bspw.
so arbeiten, dass sie das Ventil 25 und eine ggfs. vorhandene
Pumpeinrichtung 26 öffnet
bzw. einschaltet, sobald die Temperatur T unterhalb der Dampftemperatur,
bspw. unterhalb 120°,
liegt und an dem Füllstandssensor
F keine Flüssigkeit
festgestellt wird. Es kann dann eine zwischen Dampf und Kondensat
ausgebildete Gasblase abgesaugt werden. Steigt dadurch der Kondensatspiegel
an und erreicht den Füllstandssensor
F, wird das Ventil 25 geschlossen. Gelangt hingegen Dampf
in den Entgasungszweig, stellt der Temperatursensor T eine erhöhte Temperatur fest
und die Regeleinheit 21 schließt wiederum das Ventil 25.
-
Zusätzlich oder alternativ kann
die Steuerung zeitabhängig
erfolgen.
-
In 15 ist
eine weitere Ausführungsform einer
Entgasungseinrichtung 24 veranschaulicht. Der Anschluss 05 zur
Entgasung ist an der dampfzuführenden
Leitung 01 angeschlossen. Er zweigt von dieser Leitung 01 ab,
wobei das Magnetventil 25 dazu dient, den Entgasungskanal
von entsprechenden Signalen der Regeleinrichtung 21 gesteuert
freizugeben oder abzusperren. In dem Entgasungskanal ist ein Temperatursensor
T angeordnet, der die Temperatur des über dem Entgasungskanal ausgelassenen Mediums
erfasst. Ein in der Dampfzuleitung 01 unterhalb des abzweigenden
Entgasungskanals 05 vorgesehener Füllstandssensor F, bspw. ein
Leitfähigkeitssensor,
dient dabei dazu, zu erfassen, ob der Kondensatspiegel ein vorgegebenes
Niveau überschreitet.
-
Die Entgasung erfolgt bei dem System
nach 15 auf der Basis
der Erkenntnis, dass sich störende
Gase insbesondere zwischen dem Dampf- und dem Kondensat ansammeln.
Zur Entgasung wird dieses Gaspolster zum Dampfeintritt verschoben,
in dem das Kondensatventil 18 durch die Steuereinrichtung 21 abgesperrt
wird. Dies kann bspw. in einer Schwachlast- oder Nulllastphase oder
im Rahmen eines zeit- oder ereignisgesteuerten Entgasungsvorgangs
geschehen. Bspw. kann nach einer Betriebszeit von mehreren Stunden
automatisch oder notfalls auch von Hand eine Entgasung durchgeführt werden,
während
der das Kondensatventil 18, bspw. einige Minuten (15 Minunten),
geschlos sen bleibt. Durch die Kondensation des Dampfs steigt der
Kondensatspiegel dann bis zu dem Füllstandssensor F an, woraufhin
die Steuereinrichtung 21 (oder ein Bediener) das Entgasungsventil 25 öffnet. Sobald
eine Gasansammlung entfernt ist, beginnt Dampf in den Entgasungskanal 05 vorzudringen.
War bislang die Temperatur bspw. unter 90° steigt die Temperatur nun deutlich
an. Die Steuereinrichtung 21 registriert dies und schließt daraufhin
das Entgasungsventil 25 und beendet den Entgasungsvorgang,
indem sie den normalen Regelbetrieb wieder aufnimmt, bei dem über das
Kondensatventil 18 die Wärmeübertragung des Wärmetauschers 7 gesteuert
wird.
-
Der beschriebene Entgasungsvorgang
kann regelmäßig periodisch
oder auch in Abhängigkeit
von speziellen Ereignissen, wie Geräuschbildung oder ähnlichem,
ausgelöst
werden. Die dabei herbeigeführte
Herausführung
des Gaspolsters aus dem Wärmetauscher über den
Dampfeintritt und einen hier angeschlossenen Entgasungskanal kann
vorteilhafterweise ohne bauliche oder konstruktive Veränderungen
an dem Wärmetauscher
durchgeführt
werden.
-
Eine weiter abgewandelte Ausführungsform zeigt 16. Hier übernimmt
die Entgasungseinrichtung 24 zusätzlich die (Fern-) Dampfleitungsentwässerung.
An die dampfzuführende
Leitung 01 ist vor dem Wärmetauscher 7 eine
Entgasungleitung 05 angeschlossen. In dieser ist ein Füllstandssensor
angebracht. Dieser kann ein Leitfähigkeitssensor oder, wie skizzenhaft
angedeutet, ein in einer Kammer befindlicher Schwimmer S sein. Die
Steuereinrichtung 21 ist an diesen Füllstandssensor S angeschlossen. Im Übrigen stimmt
das System mit dem System nach 15 überein.
Die Steuereinrichtung 21 steuert den Betrieb des Wärmetauschers 7 über das
Kondensatventil 18 bedarfsentsprechend. Soll eine Entgasung durchgeführt werden,
wird dieses abgesperrt, bis der Kondensatspiegel den Füllstandssensor
S erreicht. Dadurch wird die sich oberhalb des Kondensatsspiegels
befindliche Gasblase nach oben verschoben. Sie kann nun über den
Entgasungskanal 05 durch Öffnung des Entgasungsventils 25 ausgelassen
werden. Der Temperatursensor T dient wiederum dazu, zu erfassen,
dass Dampf in den Entgasungskanal vordringt, was das Ende der Entgasung
anzeigt.
-
Ist die Anlage im Wesentlichen stillgesetzt, d.h.
ist keine Wärmebedarf
vorhanden, kann die Anlage nach 16,
wie auch die Anlage nach 15, zusätzlich zur
Entwässerung
der Dampfleitung dienen. Den Schwach- oder Nulllastzustand erfasst die Steuereinrichtung 21 über nicht
weiter veranschaulichte Sensoren. Sie hält das Kondensatregelventil 18 so
weit geschlossen, dass der Kondensatspiegel ansteigt. Erreicht dieser
den Füllstandssensor
F oder S, öffnet
sie das Kondensatventil 18 soweit, dass der Kondensatspiegel
wieder unter das Niveau des betreffenden Füllstandssensors F, S absinkt.
Auf diese Weise wird vermieden, das Kondensat weiter in die Dampfleitung
vordringt und dort zu unzuträglichen Betriebszuständen führt. Außerdem wird
eine Leitungsentwässerung
bewirkt. Ist der Kondensatspiegel unter das Niveau der Füllstandssensoren
abgesunken, schließt
die Steuerungseinrichtung 21 das Kondensatregelventil 18 wieder
und verhindert somit, dass Dampf in den Wärmetauscher 7 eindringt.
-
In einem System, bei dem zur Wärmeübertragung
Dampf kondensiert wird, können
im Schwachlastbetrieb in einem Kanal 9, in dem der Dampf
zur Wärmeabgabe
kondensiert, große
Kondensatmengen auftreten. Der mit geringen Druck über dem
Kondensat stehende Dampf kann in dem Kondensat Geräuschbildung
induzieren, insbesondere bei niedrigem Druck und weit ausgekühltem Kondensat.
Zur Abhilfe wird erfindungsgemäß vorgesehen,
gelegentlich kleinere Kondensatmengen, vorzugsweise weit ausgekühlte Kondensatportionen oder
Gaspolster aus dem Kanal 9 auszulassen, um somit auch gelöste Gase
aus dem System zu entfernen.