-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlwasseraustrittssystem zur Gewährleistung des Gegendrucks des erwärmten Kühlwassers aus einem Wärmetauschersystem auf dem Rückfluss zu einem Wasserreservoir, wie es bei industriellen Anlagen in einem Kühlwassersystem Einsatz findet, wobei ein Wärmetauschersystem mindestens einen Wärmetauscher umfasst.
-
Aufgrund der unterschiedlichen Aufstellungshöhe des Wärmetauschersystems in einer Anlage wird das Kühlwasser normalerweise mittels Pumpe zum Wärmetauschersystem gefördert. Ein Teil des Kühlwasserbedarfs wird aus einem naheliegenden geeigneten Wasserreservoir beispielsweise Seewasser gedeckt. Das Kühlwasser wird mittels des durch die Wärmetauscher durchströmenden Mediums erwärmt, und das erwärmte Kühlwasser wird wieder zurück in das Wasserreservoir geleitet. Bei einem Pumpenausfall würde das Wärmetauschersystem kein frisches Kühlwasser bekommen und ohne ein System zur Niveauhaltung anschließend leerlaufen. Dies führt zur Beschädigung des Wärmetauschersystems durch die Restwärme im Prozess.
-
Um dies zu vermeiden, wurde eine sogenannte Ausfluss Box errichtet, die das erwärmte Kühlwasser aus den Wärmetauschern aufstaut, damit die Wärmetauscher im Fall des Pumpenausfalls nicht leerlaufen. Bei der Ausfluss Box handelt es sich um eine üblicherweise aber nicht notwendigerweise als Betonkonstruktion ausgeführte Kammer, die in der Mitte durch eine Wehrwand in eine Einlauf- und Auslaufkammer getrennt wird. Die obere Kante dieser Wehrwand liegt höher als der höchstgelegene Wärmetauscher in der Anlage. Das Kühlwasser tritt durch eine Öffnung der Einlaufkammer ein, steigt auf und fällt dann über das Wehr in die Auslaufkammer. Die Auslaufkammer ist über eine Rohrleitung mit dem Wasserreservoir z. B. Meer verbunden. Das erwärmte Kühlwasser strömt so durch diese Rohrleitung und wird wieder in das Meer eingeleitet.
-
Am Ende der Rohrleitung befindet sich noch ein Diffusor. Dieser ist wie ein T-Stück ausgebildet, wobei die beiden Austrittsöffnungen aber kleiner als der Durchmesser der Rohrleitung am Eintritt in den Diffusor sind. Hierdurch wird erreicht, dass das erwärmte Kühlwasser mit einer größeren Geschwindigkeit in das Meer eintritt und so eine Mischzone von kaltem Wasser der Umgebung und erwärmten Kühlwasser vergrößert wird. Dies ist eine Forderung der lokalen Aufsichtsbehörden aus Gründen des Umweltschutzes.
-
Die sehr große Wassermenge reißt beim Überfall über das Wehr sehr viel Luft mit Das erwärmte Kühlwasser, das in das Wasserreservoir zurückgeleitet werden soll, enthält jetzt einen wesentlich größeren Luftanteil. Dies führt zu wesentlich größeren Strömungsgeschwindigkeiten, Druckverlusten und Kräften in der Ausfluss Box, und dies macht sich in den Ausfluss Rohrleitungen und am Diffusorkopf bemerkbar. In der Ausfluss Box kommt es zu einem eruptionsartigen Entweichen der mitgerissenen Luft, das die gesamte Betonkonstruktion zum Vibrieren bringt. Der Diffusor am Ende der Rohrleitung wird von der Rohrleitung abgehoben und zur Seite gekippt. An der Meeresoberfläche über der Auslassstelle tritt die Luft unter Bildung von pulsierenden Geysiren aus.
-
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, das oben erläuterte Problem zu bereinigen, ein Kühlwasseraustrittssystem zu schaffen, mit dem einerseits den Lufteintrag in das Kühlwasseraustrittssystem zu verringern, andererseits, bereits mitgerissene Luft wieder aus der Vorrichtung zu entfernen, bevor das Kühlwasser zurück in das Wasserreservoir geleitet wird. Außerdem soll das Kühlwasseraustrittssystem gewährleisten, dass das Wärmetauschersystem bei einem Pumpenausfall nicht leerläuft.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlwasseraustrittssystem zur Gewährleistung des Gegendrucks des erwärmten Kühlwassers aus einem Wärmetauschersystem auf dem Rückfluss zu einem Wasserreservoir, aufweisend
- • eine geschlossene Box, die eine Einlauf- und eine Auslaufkammer (2, 6) umfasst,
- • wobei die Einlauf- und Auslaufkammer (6) durch eine Wehrwand (4) getrennt sind, und
- • in der Einlaufkammer (2) eine Eintrittsöffnung (1) zum Einlassen des erwärmten Kühlwassers vorgesehen ist, und
- • unten in der Auslaufkammer (6) eine Auslasskammer (5) vorgesehen ist,
- • wobei das erwärmte Kühlwasser aus dem Wärmetauschersystem über die Eintrittsöffnung (1) in die Einlaufkammer (2) strömt, aufsteigt und dann über die Wehrwand (4) in die Auslaufkammer (6) fällt, und
- • anschließend über ein mit der Auslasskammer (5) verbundenes Ausfallrohr (8) in ein Wasserreservoir zurück geleitet wird,
- • wobei ein Überlaufkanal (3) vorgesehen ist, und
- • der größte Teil des erwärmten Kühlwassers über die Wehrwand () entlang dem Überlaufkanal () in die Auslasskammer () gelangt, und
- • der Überlaufkanal (3) vertikal entlang der Wehrwand (4) verläuft, oben mit einem 90° Bogen in die Einlaufkammer (2) eintaucht, und sich unten bis zum Boden der Auslasskammer (5) erstreckt.
-
Damit das Wärmetauschersystem bei einem Pumpenausfall nicht leerläuft, ist das Kühlwasseraustrittssystem so ausgelegt, dass die Wehrwand (4) mindestens 20 cm höher als der höchste Punkt des höchstgelegenen Wärmetauschers ist.
-
Über den erfindungsgemäßen Überlaufkanal (3) gelangt jetzt der größte Teil des Kühlwassers aus der Einlaufkammer (2) aufgrund der geodätischen Höhe direkt in die Auslasskammer (5), und in das Ausfallrohr (8). Dadurch wird für diesen Teil der Kühlwassermenge verhindert, dass das Kühlwasser vom Boden der Auslaufkammer (6) abprallt, Wirbel bildet und Luft einschließt.
-
Um zu gewährleisten, dass das meiste Kühlwasser über den Überlaufkanal (3) ohne Lufteintrag durch das Kühlwasseraustrittssystem ins Wasserreservoir gelangt, beträgt der Querschnitt des Überlaufkanals (3) bis zu ca. 50 cm. Die Breite des Überlaufkanals (3) kann bis zur maximalen Breite der Wehrwand (4) gehen. Vorzugsweise hat der Überlaufkanal (3) die gleiche Breite wie die Auslasskammer (5).
-
Der Überlaufkanal (3) muss mindestens 1 m in der Auslaufkammer (6) unter Wasser verlaufen, dadurch wird der Vorgang vermieden, dass sich an der Wasseroberfläche Strudel bilden, und durch Strudel Luft mit ins Wasser eingesaugt wird.
-
Ca. 75% des erwärmten Kühlwassers gelangen über den Überlaufkanal (3) ohne Lufteintrag in die Auslasskammer (5).
-
Die Form des Überlaufkanals (3) kann unterschiedlich gestaltet werden. Eine Ausgestaltungsmöglichkeit ist, dass der Überlaufkanal (3) durch die Wehrwand (4) und eine parallel zur Wehrwand (4) angeordnete Überlaufwand (12) in der Auslaufkammer (6) ausgebildet ist.
-
Den Lufteintrag im Wasser bringt nur der Teil des Wassers mit, das mit Luft im Kontakt war. Das bedeutet, dass nur die Oberfläche des über die Wehrwand (4) fallenden Kühlwassers Luft mitreißt, und das unterhalb der Oberfläche strömende Kühlwasser ohne Lufteintrag entlang des Überlaufkanals (3) zwischen der Wehrwand (4) und der Überlaufwand (12) in die Auslasskammer (5) abfließt. Daher ist die Überlaufwand (12) parallel zur Wehrwand (4) so angeordnet, dass der Spalt zwischen den beiden Wänden kleiner als die Wasserüberfallhöhe (auch Nappe genannt) ist. Die Nappe kann beispielsweise über eine Einrichtung zum Regeln des Überlaufkanals durch Verengung des Überlaufkanals (3) auf eine gewünschte Höhe geregelt werden.
-
Eine andere vorteilhafte Variante ist, den Überlaufkanal (3) als 2 bis 20 Heberrohre (3) mit jeweils einem Durchmesser von ca. 50 cm auszubilden.
-
Vorzugsweise kann der Überlaufkanal (3) auch durch ein einziges flaches Heberrohr (3) ausgebildet werden. Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit ist, dass der Überlaufkanal (3) durch eine Aussparung (3) in der Wehrwand ausgebildet werden kann.
-
Damit der größte Teil des erwärmten Kühlwassers über die Wehrwand (4) entlang dem Überlaufkanal (3) in die Auslasskammer (5) gelangt, taucht der Überlaufkanal (3) unmittelbar unterhalb des oberen Rands der Wehrwand (4) in die Einlaufkammer (2) ein. Nur ein kleiner Restanteil des Kühlwassers fällt über die Wehrwand (4) in die Auslaufkammer (5), wobei ein wenig Luft mit dem Kühlwasser beim Überfall in die Auslaufkammer (6) gelangt. Da der Luftanteil so gering ist und das oben erläuterte Problem nicht mehr auftritt, kann es daher außer Betracht bleiben.
-
Unten in der Auslaufkammer (6) ist eine Auslasskammer (5) vorgesehen. Die Rückwand wird durch die Wehrwand (4), und die vordere Wand durch eine Wand des Kühlwasseraustrittssystems gebildet. Vorne nahe dem Boden ist die Auslasskammer (5) mit dem Ausfallrohr (8) verbunden und nach oben ist die Auslasskammer (5) mit einem Dach bedeckt. Nur an beiden Seiten der Auslasskammer (5) sind Eintrittsöffnungen (7) vorgesehen, und diese seitlichen Eintrittsöffnungen (7) sind so bemessen, dass ein Taucher zu Inspektionszwecken hindurchgelangen kann. Außerdem kann das über das Wehr (4) fallende Kühlwasser durch diese Eintrittsöffnungen (7) in die Auslasskammer (5) gelangen und in das Ausfallrohr (8) zum Diffusor abfließen.
-
Die Auslasskammer (5) ist unten in der Auslaufkammer (6) so angeordnet, dass die Auslasskammer (5) stets unter dem Meeresspiegel liegt und der Rückfluss des erwärmten Kühlwassers gewährleistet wird. Aufgrund dessen ist die Auslasskammer (5) stets mit Wasser gefüllt. Dies ist auch für den in der Auslasskammer (5) endenden Überlaufkanal (3) vorteilhaft, denn auf diesem Weg in die Auslasskammer (5) gelangtes Kühlwasser bringt keine Luft in das Kühlwasseraustrittssystem hinein.
-
Zum einen gewährleistet die Auslasskammer (5), dass das Wasser, das durch den Überlaufkanal (3) in die Auslasskammer (5) gelangt, direkt in das Ausfallrohr (8) geleitet wird und nicht am Boden abprallt, Wirbel bildet und sich mit dem Wasser, das über das Wehr (4) geströmt ist und Luft mitgerissen hat, vermischt und so die größeren Luftblasen am Aufsteigen hindert.
-
Zum anderen bildet das Innere der Auslasskammer (5) einen Raum, in dem sich Luft und Wasser trennen können. In das Ausfallrohr (8) eingetragene Luft wandert entgegen der Strömungsrichtung an der Oberseite des Rohrquerschnitts zurück zur Auslasskammer (5). Ohne eine Vorrichtung zum Abführen der Luft würde sich im oberen Teil der Auslasskammer (5) ein Luftpolster bilden. Sobald das Luftpolster eine hinreichende Größe erreicht hätte, würde es von der Strömung in das Ausfallrohr (8) mitgerissen. Ein Teil würde über den Diffusor ausgetragen und der Rest würde wieder entgegen der Strömungsrichtung zur Auslasskammer (5) wandern. wodurch sich der Vorgang periodisch wiederholen würde.
-
Außerdem umfasst das Kühlwasseraustrittssystem eine Einrichtung zum Entgasen der im Kühlwasser enthaltenen Luft. Dies kann vorteilhaft durch Einbauten (10) in der Auslaufkammer (6) zum Entgasen der in dem Kühlwasser enthaltenen Luft gestaltet werden, wobei die Einbauten (10) innerhalb der Auslasskammer (5) angeordnet werden können, oder außerhalb der Auslasskammer (5) seitlich in der Auslaufkammer (5) über mehrere Böden angebracht werden.
-
Das Entgasen der im Kühlwasser enthaltenen Luft kann auch mittels eines Entlüftungsrohrs in der Auslaufkammer (6) bewerkstelligt werden, wobei das Entlüftungsrohr (10) so angeordnet ist, dass es die im Kühlwasser enthaltene Luft abführt, bevor das Kühlwasser durch das Ausfallrohr (8) zurück in das Wasserreservoir geleitet wird.
-
Vorzugsweise sollte das Entlüftungsrohr (10) auf dem Dach der Auslasskammer (5) angebracht werden, wodurch die in der Auslasskammer (5) gesammelte Luft kontrolliert und kontinuierlich entweichen kann, Erschütterungen der gesamten Konstruktion durch pulsierende Strömung werden vermieden. Natürlich können auch je nach dem Bedarf bis zu 10 Entlüftungsrohre angebracht werden.
-
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es gelungen, den Lufteintrag signifikant zu verringern. Am Diffusorkopf tritt deutlich weniger Luft aus, es kommt nicht mehr zur Bildung von Geysiren. Der Wasserfüllstand im Ausfallrohr (8) ist deutlich höher und der Füllstand in der Auslasskammer (5) sinkt ab, weil der Gesamtdruckverlust des Auslaufsystems mit geringer werdendem Volumenanteil an mitgerissener Luft sinkt. Die Strömungskräfte, die an dem Diffusorkopf angreifen, werden stark verringert, so dass der Diffusor nicht wieder zur Seite gekippt werden kann.
-
Außerdem ist eine Rampe (11) unten in der Auslaufkammer (6) direkt an der Wehrwand (4) zum Stützen der Wehrwand (4) angeordnet.
-
Der Überlaufkanal (4) kann in der Auslasskammer (5) unmittelbar vor der Rampe (11) oder mit einer Rohrkrümmung entlang der Rampe (11) in das Ausfallrohr (8) enden.
-
Eine Einrichtung zum Regeln des Überlaufkanals (3) ist vorgesehen, mit der der Durchfluss des Kühlwassers durch den Überlaufkanal (3) gesteuert werden kann. Abhängig von dem Einlaufstrom des Kühlwassers kann über die Einrichtung der Durchfluss des Kühlwassers entsprechend angepasst werden, z. B. ein Teil oder der ganze Überlaufkanal (3) mittels einer Sperrvorrichtung außer Betrieb gesetzt oder wieder in Betrieb genommen werden. Darüber hinaus kann die Einrichtung zum Regeln des Durchflusses des Kühlwassers mit einem Schwimmer versehen werden, der über den Wasserstand in der Einlaufkammer (2) den Durchfluss des Kühlwassers automatisch regelt.
-
Unten in der Einlaufkammer (2) ist ein Betonkonstrukt (9) vorgesehen, mit dem die Wassermenge in der Einlaufkammer (2) verringert und die Standfestigkeit des Kühlwasseraustrittssystems erhöht wird.
-
Aufgrund der durch das Kühlwasseraustrittssystem strömenden großen Kühlwassermenge kann es vorteilhaft sein, unten in der Auslasskammer (5) eine geeignete Wirbelbremse bzw. Drossel z. B. eine Turbine anzubringen, mit der die kinetische Energie des Kühlwassers in elektrischer Energie umgewandelt werden kann.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
1 stellt ein Kühlwasseraustrittssystem dar.
-
2 stellt eine Ausführungsvariante des Auslaufkanals (3) dar.
-
Das in 1 gezeigte Kühlwasseraustrittssystem ist für eine große Anlage zur Herstellung von Ammoniak mit einer Tagesproduktion von ca. 2000 t angelegt. Rund 45000 m3/h Meerwasser als Kühlwasser durchströmen das Kühlwasseraustrittssystem.
-
Im Hinblick auf die Kühlwassermenge werden die geschlossene Box bzw. die Wände des Kühlwasseraustrittssystems aus Beton hergestellt. Das Kühlwasseraustrittssystem weist jeweils eine durch eine Wehrwand (4) getrennte Einlaufkammer (2) und Auslaufkammer (6) auf. Aus dem Wärmetauschersystem strömt das erwärmte Kühlwasser über die Eintrittsöffnung (1) in die Einlaufkammer (2), steigt auf und gelangt über die 5 Heberrohre (3) und die Wehrwand (4) in die Auslasskammer (5). In der Einlaufkammer (2) ist unten ein Betonkonstrukt (9) vorgesehen, mit dem die Wassermenge in der Einlaufkammer (2) verringert und die Standfestigkeit des Kühlwasseraustrittssystems erhöht wird.
-
Etwa 3/4 der gesamten Menge des Kühlwassers gelangt über die Heberrohre (3) direkt in die Auslasskammer (5), und der Rest des Kühlwassers fällt über die Wehrwand (4), landet zunächst in der Auslaufkammer (6) und strömt anschließend durch die seitlichen Eintrittsöffnungen (7) der Auslasskammer (5) in die Auslasskammer (5). Oben auf dem Dach der Auslasskammer (5) ist ein Entlüftungsrohr (10) vertikal angeordnet, wobei das Entlüftungsrohr (10) hier höher als die Wehrwand (4) und wie ein Kamin aus der geschlossenen Box herausgeführt wird. Das Entlüftungsrohr (10) kann auch seitlich aus dem Kühlwasseraustrittssystem herausgeführt werden, ohne dass es höher als die Wehrwand (4) sein musste. Die im Kühlwasser enthaltene Luft wird dadurch kontinuierlich entgast, bevor das Kühlwasser über das Ausfallrohr (8) ins Meer abfließt.
-
In 2 ist der Überlaufkanal (3) durch die Wehrwand (4) und eine parallel zur Wehrwand (4) angebrachte Überlaufwand (12) in der Auslaufkammer (6) angegrenzter Raum ausgebildet. Der Spalt zwischen der Wehrwand (4) und der Überlaufwand (12) ist so eingestellt, dass ein Wasserfilm über die Überlaufwand (12) verläuft, und 75% des Kühlwassers immer untergetaucht, durch den Spalt in die Auslasskammer (5) durchfließen. Der Durchfluss des Kühlwassers durch den Spalt kann über die oben erwähnte Regeleinrichtung durch Veränderung der Höhe der Nappe bewerkstelligt werden.
-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion des Kühlwasseraustrittssystems benötigt das System keine zusätzliche Pumpe, um das erwärmte Kühlwasser zurück zu der Herkunft des Kühlwassers zu befördern. Im Fall eines Pumpenausfalls bleibt durch das erfindungsgemäße Kühlwasseraustrittssystem genügend Kühlwasser in dem Wärmetauschersystem. Außerdem gewährleistet das Kühlwasseraustrittssystem durch geringen Lufteintrag und die Entgasungseinrichtung einen sicheren und langlebigen Betrieb der Anlage.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Eintrittsöffnung der Einlaufkammer
- 2
- Einlaufkammer
- 3
- Überlaufkanal/Heberrohr/Aussparung
- 4
- Wehrwand/Wehr
- 5
- Auslasskammer
- 6
- Auslaufkammer
- 7
- Seitliche Eintrittsöffnungen bei der Auslasskammer
- 8
- Ausfallrohr
- 9
- Betonkonstrukt
- 10
- Einbauten/Entlüftungsrohr
- 11
- Rampe
- 12
- Überlaufwand
