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Die
Erfindung beschreibt ein Wärmetauschersystem, welches in
Anlagen zur Stromerzeugung den entspannten Abdampf nach einer Turbine abkühlt
und kondensiert. Gegenstand der Erfindung ist die Verbindung, der
Aufbau und die Anordnung der beiden zur Abkühlung und zur
Kondensation notwendigen funktionellen Einheiten „Regenerator” und „Kondensator”.
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Anwendung
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Zur
Umwandlung von thermischer Energie in elektrisch wird in so genannten
Rankine-Prozessen ein flüssiges Arbeitsmedium verdampft, über
einer Turbine, entspannt und danach kondensiert. Anschließend
wird das Kondensat über eine Pumpe (Speisepumpe) wieder
der Verdampfung zugeführt. Bei den meisten Arbeitsmedien
ist der entspannte Dampf nach der Turbine noch nicht auf die Kondensationstemperatur
abgekühlt. Die in dieser Überhitzung enthaltene
Wärme kann zur Vorwärmung des flüssigen
Arbeitsmediums aus dem Kondensator (Kondensat) nach der Speisepumpe
verwendet werden. Der hierzu eingesetzte Wärmetauscher
wird hier als Regenerator bezeichnet.
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Regenerator
und Kondensator sind auf der Dampfseite nach der Turbine hintereinander
geschaltet (Reihenschaltung). Der entspannte Dampf aus der Turbine
wird erst durch den Regenerator geleitet, hier bis nahe der Kondensationstemperatur
gekühlt und danach im Kondensator verflüssigt.
Der durch die Wärmetauscher verursachte Druckverlust sowie die
Effizienz des Regenerators sind entscheidend für die Effizienz
des gesamten Systems. Insbesondere in kleinen, kompakten Anlagen
bestimmt der Aufbau, die Anordnung und Verbindung der beiden Wärmetauscher
die Kosten der Gesamtanlage.
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Stand der Technik
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In
der Patentschrift „
EP
1 426 565 A1 ” wird ein System beschrieben, in
dem Kondensator und Regenerator in einer gemeinsamen Hülle
angeordnet sind. Die Hülle hat die Form eines Zylinders.
Der Dampf wird dem System über einen axial ausgerichteten
Stutzen am Kopf oder Ende dieses Zylinders zugeführt. Der
Regenerator befindet sich als Einheit über oder unter dem
Kondensator.
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Der
Dampf strömt parallel zur Behälterachse ein. Er
wird um 90° umgelenkt, zum Eintritt des Regenerators geleitet
und nach dessen gerader Durchströmung in den Kondensator
geführt. Das anfallende Kondensat wird aus dem Behälter
geleitet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung beschreibt ein System aus Regenerator und Kondensator,
welches wesentlich kompakter aufgebaut ist, als der bekannte Stand
der Technik. Das Bauvolumen und das Gewicht des Wärmetauschersystems
und somit die Kosten werden gesenkt.
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Gleichzeitig
wird trotz des kompakteren Aufbaus die Effizienz der Wärmeübertragung
erhöht und die Druckverluste gesenkt. Somit erhöhen
sich die Effizienz und damit der Nutzen der gesamten Anlage.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den beigefügten schematischen Zeichnungen illustrieren
die Erfindung, deren Vorteile, die Unterscheidung vom Stand der
Technik und Varianten der Ausführung.
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1)
zeigt den bekannten Stand der Technik als Widergabe des in dem Patent
EP 1 426 565 A1 /
6 dargestellten
Systemquerschnitts.
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2)
dient anhand eines gleichartigen Querschnitts durch eine Variante
des in der Erfindung beschrieben Systems Vorteile und Abgrenzung
zum Stand der Technik auf.
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3–6)
verdeutlichen anhand unterschiedlicher Darstellungsmethoden die
Funktion einer Variante der Erfindung.
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7–10)
zeigen Querschnitte verschiedener Variationen der Erfindung.
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11)
illustriert in einem Längsschnitt detaillierte den inneren
Aufbau des neuen Wärmetauschersystems.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
zwei Wärmetauschereinheiten Regenerator (12) und
Kondensator (13) befinden sich in einer gemeinsamen zylindrischen
Hülle (1). Der entspannte Abdampf einer Turbine
wird über einen Stutzen (2) im rechten Winkel
zu einer Parallelen der Behälterachse (10) in
die Hülle (1) geleitet. Er wird in einem vorgesehenen
Raum (11) gleichmäßig zur Behälterachse
(10) verteilt und in durch so genannten Regenerator geleitet.
Danach strömt er in den Kondensator und wird verflüssigt.
Das Kondensat wird an geeigneter Stelle aus dem Behälter
geführt. Zur Strömungsführung und Isolation
sind Regenerator und Kondensator von einer Hülle umgeben
(14, 18).
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Wie
im in 1) gezeichneten Stand der Technik, befinden sich
Regenerator (12) und Kondensator (13) in einer
gemeinsamen Hülle (1). Im Gegensatz zu 1 wird
in der Erfindung 2) der Regenerator (12)
so aufgebaut, dass der durchströmende Dampf eine gekrümmte
Bahn (20) um den parallel zur gleichen Achse liegenden
Kondensator (13) beschreibt. Die Dampfzufuhr (2)
befindet sich im Gegensatz zu 1) zweckmäßig
an der radialen Seite des gemeinsamen zylindrischen Behälters
(1).
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In 2)
einer Variante der Erfindung wurden die gleichen Größen
wie in 1), dem Stand der Technik, für die in
der gemeinsamen Hülle (1) liegenden Wärmetauscher
(12) und (13) gewählt. Aus der Gegenüberstellung
von 1) und 2) geht die erhebliche Raumeinsparung
hervor. Auch wird deutlich, dass die Strömungsführung
stark verbessert ist.
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In
den bekannten Anordnungen von Regenerator und Kondensator wird der
in der gemeinsamen Hülle des Kondensators (13)
und des Regenerators (12) vorhandene Bauraum nicht optimal
genutzt. Weiterhin entstehen Druckverluste durch mehrmalige Änderungen
des Querschnittes und der Richtung auf dem Weg des Dampfes zum Kondensator.
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In
der Erfindung ist das System aus Regenerator und Kondensator so
aufgebaut, dass der Bauraum bestmöglich genutzt wird und
gleichzeitig geringere Druckverluste als im bekannten Stand der
Technik entstehen. Um dies zu erreichen, wird der Regenerator (12)
um die Längsachse des Kondensators gekrümmt. Der
Dampf kann unter maximalen Radius von Dampfeintritt (20)
durch den Regenerator (12) in den Kondensator (13)
strömen. Zur Verteilung des Dampfes nach dem Eintritt in
den Behälter (1) entlang der Behälterachse
(10) genügt der Raum (11).
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In 3)
wird die Ansicht einer Variante 1 des neuen Wärmetauschersystems
von außen dargestellt. Der Stutzen um 90° gedreht
zur Achse (10) der Systemhülle (1) zur
Dampfzufuhr (2) ist erkennbar.
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In 4)
ist der prinzipielle Innenaufbau und in 5) der Querschnitt
der Variante 1 dargestellt. Der Dampfstrom (20a) verteilt
sich nach dem Eintritt in den Behälter im Raum (11),
bevor er um die Rohre (12) des Registers des Regenerators
strömt (20b) und danach in den Kondensator fließt.
Hierzu ist ein Teil der Hülle des Kondensators (14)
geöffnet und ermöglicht so den Eintritt des Dampfstromes
(20c). In Variante 1 wird das Kondensat in der Kondensatorhülle
(14) gesammelt und fließt durch einen Stutzen (7)
aus dem Behälter (1). Das Kondensat fließt
(21) in den Rohren des Registers des Regenerators (12) vom
Eintrittstutzen (8) entgegen der Richtung des Dampfstromes
(20), hier im Kreuz-Gegenstrom, zum Austrittsstutzen. In 6)
werden der Querschnitt aus 5) abstrahiert
und nur noch die Querschnittsflächen der funktionellen
Einheiten dargestellt. Anschlüsse zur zusätzlichen
Kondensat- und Inertgasabführung sind nicht dargestellt.
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Das
beschriebene Prinzip der Erfindung lässt sich jetzt, je
nach Anforderung modifizieren. Dies wird von 7) bis 10)
verdeutlicht. In Variante 1, 6), liegt
der Dampfeintritt parallel zur Tangente der Behälterachse.
Der Kondensator ist im oberen Teil des Behälters angeordnet.
Hierdurch kann das Kondensat bei horizontal ausgerichteten Behälter
auf einem hohen Niveau austreten. In kompakten Anlagen steigt somit
der Vordruck der nach geschalteten Speisepumpe. Jedoch müssen
zusätzliche Maßnahmen zur Abführung des
im Behältermantel anfallenden Kondensates im Stillstand
und beim Anfahren der Anlage ergriffen werden. Kennzeichnend für
diese Variante ist der Dampfeintritt unterhalb des Kondensators.
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In
Variante 2, 7), wird der Dampf oberhalb des
Kondensators zum Regenerator geführt und strömt
den Kondensator seitlich bzw. von unten an. Das aus dem Kondensator
fließende Kondensat wird aus dem Mantel abgeleitet. Damit
sinkt die Höhe des Vordruckes der nach geschalteten Speisepumpe.
Es sind aber keine zusätzlichen Maßnahmen für
den Anfahrbetrieb notwendig.
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In
Variante 3 in 8) ist der Regenerator symmetrisch
um das Kondensatorbündel angeordnet. Sie entspricht der
Variante 1, allerdings ist der Aufbau des Registers einfacher, da
rotationssymmetrisch. Auch liegt das Kondensatorbündel
im Zentrum.
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Variante
4 in 9) entspricht der Variante 2 jedoch mit rotationssymmetrischem
Register.
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Variante
5 in 10) unterscheidet sich von den vorhergehenden
Varianten dadurch, dass der Dampf- und Flüssigkeitsstrom
durch das Register (12) den Kondensator (13) beidseitig
umströmt und auf der gegenüber liegenden Seite
in den Kondensator tritt. Hierdurch kann der Querschnitt des Gesamtsystems
vermindert werden.
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In 11)
wird durch einen Schnitt längs zur Behälterachse
(10) der Variante 5 in 10) der
Aufbau des Systems noch etwas detaillierter dargestellt. Man kann
den Dampfeintritt in den Kondensator (17) erkennen. Ebenso
ist die Befestigung (15) und Strömungsführung
durch das Register dargestellt. In dieser Variante ist das Register
noch von einem zusätzlichen Mantel (18) zur Außenhülle
(1) und zur Kondensatorhülle (14) umgeben.
Hierdurch werden thermische Spannungen in der Hülle reduziert
und der Kondensatorraum (13) nicht unnötig aufgeheizt.
Der zusätzliche Aufwand ist jedoch nur bei großen
Systemen angebracht.
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2) Querschnitt einer Variante
der Erfindung zur Abgrenzung zum Stand der Technik nach 1)
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3) Außenansicht Wärmetauschersystem
Variante 1
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4) Stoffstrom 3D im Wärmetauschersystem
Variante 1
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5) Querschnitt Wärmetauschersystem
Variante 1
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6) Querschnitt der funktionelle
Einheiten im System Variante 1
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7) Querschnitt der funktionelle
Einheiten im System Variante 2
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8) Querschnitt der funktionelle
Einheiten im System Variante 3
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9) Querschnitt der funktionelle
Einheiten im System Variante 4
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10) Querschnitt der funktionelle
Einheiten im System Variante 5
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11) Längsschnitt des
Wärmetauschersystems der Variante 5
- 1
- Außenhülle
- 2
- Dampfeintrittsstutzen
- 3
- Einschubstutzen
für Rohrbündel Kondensator
- 4
- Abdeckplatte
Rohrbündel Kondensator
- 5
- Stutzen
Kühlwasseraustritt Kondensator
- 6
- Stutzen
Kühlwassereintritt Kondensator
- 7
- Stutzen
Kondensataustritt Kondensator
- 8
- Stutzen
Kondensateintritt Rekuperator
- 9
- Stutzen
Kondensataustritt Rekuperator
- 10
- Mittelachse
Wärmetauschersystem
- 11
- Verteilungsraum
für Dampf
- 12
- Register
Rekuperator (Rippenrohre)
- 13
- Rohrbündel
Kondensator (U-Rohre)
- 14
- Hülle
Kondensator
- 15
- Seitliche
Befestigung für Rekuperatorrohre
- 16
- Abstützung
für Rekuperatorrohre
- 17
- Dampfeintritt
in Kondensator
- 18
- Leitbleche
Rekuperator
- 19
- Umlenkung
bzw. Rohrverbindung der Rekuperatorrohre
- 20
- Dampffluss
a)
Durch Eintrittstutzen
b) Durch Register Rekuperator
c)
In Kondensator
- 20
- Kondensatfluss
im Register Rekuperator
- 21
- Kühlwasserdurchfluss
im Rohrbündel Kondensator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1426565
A1 [0004, 0009, 0001]