DE102014105779A1 - Steam / water heat transfer means - Google Patents
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Abstract
Eine erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung (10) weist eine Dampfstrahlpumpe (15) und einen Plattenwärmetauscher (24) auf, der primärseitig von der Dampfstrahlpumpe (15) mit Druck und temperaturreduziertem Dampf gespeist wird. Die Dampfstrahlpumpe (15) wird ihrerseits mit Dampf erheblichen höheren Drucks gespeist. Dieser Druck kann über einem für den Plattenwärmetauscher (24) zulässigen Wert liegen. Die Dampfstrahlpumpe ermöglicht die Regelung der sekundärseitigen Vorlauftemperatur, die temperatur- und druckmäßige primärseitige Absicherung des Plattenwärmetauschers, die Reduzierung des Drucks von Hochdruckdampf auf z.B. lediglich 0,5 barü, sowie gleichzeitig die Energieausnutzung von niederenergetischem Dampf, beispielsweise durch Ansaugung von Brüdendampf.A heat transfer device (10) according to the invention comprises a steam jet pump (15) and a plate heat exchanger (24), which is supplied on the primary side by the steam jet pump (15) with pressure and temperature-reduced steam. The steam jet pump (15) is in turn fed with steam of considerable higher pressure. This pressure may be above a permissible value for the plate heat exchanger (24). The steam jet pump allows the control of the secondary side flow temperature, the temperature and pressure on the primary side hedge the plate heat exchanger, the reduction of the pressure of high pressure steam at e.g. only 0.5 barü, and at the same time the energy utilization of low-energy steam, for example by suction of Brüdendampf.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere zur Nah- oder Fernwärmeübertragung. The invention relates to a heat transfer device, in particular for local or district heat transfer.
Zur Wärmeübertragung dient häufig Dampf, wobei dieser normalerweise unter einem erheblichen Überdruck von z.B. mehr als 10 bar steht und eine hohe Temperatur bis zu 200°C und höher aufweisen kann. Wärmeabnehmer werden meist mit Warmwasser von beispielsweise 70 oder 90°C beheizt. Zur Übertragung der im Dampf enthaltenen Wärmeenergie auf Warmwasser dienen z.B. Dampf/Wasser-Wärmetauscher. Ein solcher ist aus der
Weiter offenbart die
Als Wärmetauscher sind außerdem Plattenwärmetauscher in Gebrauch. Dazu sieht die
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zur effizienten Dampf/Wasser-Wärmeübergabe anzugeben. It is an object of the invention to provide a concept for efficient steam / water heat transfer.
Diese Aufgabe wird mit der Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. This object is achieved with the heat transfer device according to claim 1.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung enthält eine Dampfstrahlpumpe, deren Diffusoranschluss an den Primärvorlauf des Plattenwärmetauschers angeschlossen ist. Über eine Steuereinrichtung ist die Dampfstrahlpumpe so geregelt, dass der primärseitige Druck an dem Plattenwärmetauscher einen vorgesehenen Grenzdruck nicht überschreitet. Auf diese Weise kann durch Kombination einer Dampfstrahlpumpe mit Plattenwärmetauscher ein besonders effizientes, raumsparendes Wärmeübertragungssystem geschaffen werden. Die Dampfstrahlpumpe kann zur Regelung des Energieeintrags in den Plattenwärmetauscher dienen. Sie kann dabei weiter dazu dienen, Hochdruckdampf, der beispielsweise mehr als 10 bar Überdruck haben kann auf einen geringen Überdruck von z.B. lediglich 0,5 bar zu reduzieren. Der Plattenwärmetauscher hat ein besonders kleines Innenvolumen. Das Produkt aus Wärmetauschervolumen und dem herrschenden Druck (Druck-Liter-Produkt) kann unter 200 barl gehalten werden. Damit ist die Anlage nicht überwachungspflichtig. The heat transfer device according to the invention includes a steam jet pump whose diffuser port is connected to the primary flow of the plate heat exchanger. Via a control device, the steam jet pump is controlled so that the primary-side pressure at the plate heat exchanger does not exceed a designated limit pressure. In this way, by combining a steam jet pump with plate heat exchanger, a particularly efficient, space-saving heat transfer system can be created. The steam jet pump can be used to control the energy input into the plate heat exchanger. It can further serve to high pressure steam, which may for example have more than 10 bar overpressure to a slight overpressure of e.g. to reduce only 0.5 bar. The plate heat exchanger has a particularly small internal volume. The product of heat exchanger volume and the prevailing pressure (pressure liter product) can be kept below 200 barl. Thus, the system is not subject to supervision.
Zugleich kann die Strahlpumpe Abdampf aus anderen Prozessen einer energetischen Nutzung zuführen. Dazu kann sie z.B. Brüdendampf aus unterschiedlichen anderen Behältern ansaugen, z.B. Kochkesseln, Kondensatgefäßen oder dergleichen. Wegen der sicheren Druckreduktion durch die Strahlpumpe kann eine TÜV-Prüfung der Anlage, insbesondere des Plattenwärmetauschers entfallen. Außerdem kann durch die Dampfdruckreduktion in der Strahlpumpe die Temperaturbelastung des Plattenwärmetauschers wesentlich reduziert werden. Beispielsweise kann die primärseitige Temperaturbelastung auf weniger als 110°C reduziert werden. Der Dampfstrahlpumpe können zugleich mehrere Funktionen zugewiesen werden, nämlich:
- a) die Regelung der sekundärseitigen Vorlauftemperatur
- b) die Absicherung der Anlage, insbesondere die druckmäßige Absicherung des Plattenwärmetauschers durch Schnellschluss,
- c) die Druckreduzierung des Hochdruckdampfs von einem für den Plattenwärmetauscher unzulässigen Wert, z.B. 12 bar Überdruck, auf einen Grenzwert, der für den Plattenwärmetauscher zulässig ist und die Anlage als nichtüberwachungspflichtig einstuft, wie beispielsweise 0,5 bar Überdruck,
- d) Ansaugung von Niedertemperaturdampf (Abdampf), beispielsweise aus industriellen Prozessen oder Kondensatsammelgefäßen,
- e) Ermöglichung des Einsatzes effizienter und platzsparender sowie kostengünstiger Plattenwärmetauscher anstelle voluminösr Rohrbündelwärmetauscher.
- a) the regulation of the secondary-side flow temperature
- b) the protection of the system, in particular the pressurized protection of the plate heat exchanger by means of quick closing,
- c) the pressure reduction of the high-pressure steam from a value that is not permissible for the plate heat exchanger, eg 12 bar overpressure, to a limit that is permissible for the plate heat exchanger and classifies the system as non-monitoring, such as 0.5 bar overpressure,
- d) aspiration of low-temperature steam (exhaust steam), for example from industrial processes or condensate collection vessels,
- e) Enabling the use of efficient, space-saving and cost-effective plate heat exchangers instead of voluminous tube bundle heat exchangers.
Durch die Ansaugung von Brüdendampf kann eine effiziente Restwärmenutzung bewirkt werden, die den Energieausnutzungsgrad der Anlage verbessert. Through the intake of Brüdendampf can be effected an efficient use of residual heat, which improves the energy efficiency of the system.
Die Kombination der druckgeregelten Dampfstrahlpumpe mit dem Plattenwärmetauscher stellt gegenüber herkömmlichen Dampf/Wasser-Wärmetauschern einen wesentlichen Fortschritt dar. Durch die sichere und geregelte Druckreduktion des Dampfes ist ein Schutz des Plattenwärmetauschers sowohl vor dem hohen an der Dampfzufuhrleitung anstehenden Druck, wie auch vor der hohen dort gegebenen Dampftemperatur sichergestellt. The combination of the pressure-controlled steam jet pump with the plate heat exchanger represents a significant advance over conventional steam / water heat exchangers. The safe and controlled pressure reduction of the steam protection of the plate heat exchanger is ensured both before the high pressure applied to the steam supply line, and before the high steam temperature given there.
Die Dampfstrahlpumpe arbeitet mindestens druckbegrenzend. Sie kann auch druckregelnd arbeiten. Sie kann zusätzlich temperaturbegrenzend, insbesondere temperaturregelnd arbeiten, indem z.B. die Primärvorlaufleitung und/oder der Plattenwärmetauscher mit einem Primärtemperatursensor verbunden sind. Das von dem Primärtemperatursensor erzeugte Primärtemperatursignal wird der Steuereinrichtung zugeführt, die dann eine konstante oder einem gewünschten Zeitverlauf folgende Primärtemperatur einregulieren kann. The steam jet pump works at least pressure-limiting. It can also work pressure-regulating. It can additionally work temperature-limiting, in particular temperature-regulating, by e.g. the primary flow line and / or the plate heat exchanger are connected to a primary temperature sensor. The primary temperature signal generated by the primary temperature sensor is supplied to the control device, which can then regulate a constant or a desired time course following primary temperature.
Es ist auch möglich, zusätzlich oder alternativ einen Sekundärtemperatursensor vorzusehen, um die Temperatur an oder im Sekundärvorlauf zu erfassen und an die Steuereinrichtung zu melden. Diese kann nun die Dampfstrahlpumpe so steuern, dass unter Einhaltung der Druckgrenzen eine konstante oder eine einem gewünschten Zeitverlauf oder sonstigen Vorgaben folgende Sekundärtemperatur erreicht wird. It is also possible to additionally or alternatively provide a secondary temperature sensor in order to detect the temperature at or in the secondary flow and to report it to the control device. This can now control the steam jet pump so that, while maintaining the pressure limits, a constant secondary temperature or a secondary temperature following a desired time course or other specifications is achieved.
In dem Primärkanal des Plattenwärmetauschers kann ausgekühlter Dampf und/oder Kondensat oder ein Dampf/Kondensat-Gemisch anfallen. Dieser Dampf, das Kondensat oder das Gemisch aus beiden kann einem Kondensatwärmetauscher zugeführt werden, der, nicht zwingend aber vorzugsweise, als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. Sekundärseitig kann der Kondensatwärmetauscher (z.B. als Vorerwärmer) mit einem Wärmeverbraucher, beispielsweise einer Heizung, einem Brauchwasserkreis, einem Brauchwasserspeicher oder dergleichen verbunden sein. Cooled steam and / or condensate or a vapor / condensate mixture can occur in the primary duct of the plate heat exchanger. This steam, the condensate or the mixture of both can be fed to a condensate heat exchanger, which is not necessarily but preferably designed as a plate heat exchanger. On the secondary side, the condensate heat exchanger (for example, as a preheater) may be connected to a heat consumer, for example a heater, a service water circuit, a service water storage or the like.
Die vorgestellte Lösung ist kaskadierbar. So können zwei oder mehrere jeweils aus Dampfstrahlpumpe und Plattenwärmetauscher bestehende Paare zueinander parallelwirkend angeordnet werden, um in einem Baukastensystem Wärmeübertragungseinrichtungen mit verschiedener Leistung bereitzustellen. Es ist dabei möglich, die einzelnen Dampfstrahlpumpen-Plattenwärmetauscher-Paare gestaffelt nacheinander jeweils von Null auf Volllast zu bringen, um einen möglichst weiten Leistungsstellbereich zu erzielen. Es ist jedoch ebenso möglich, die genannten Dampfstrahlpumpen-Plattenwärmetauscher-Paarungen parallel jeweils bei Volllast oder in einem gleichen oder ähnlichen Teillastbereich zu betreiben. The presented solution is cascadable. Thus, two or more each consisting of steam jet pump and plate heat exchanger pairs can be arranged parallel to each other to provide in a modular system heat transfer devices with different performance. It is possible to bring the individual steam jet pump plate heat exchanger pairs staggered in succession from zero to full load in order to achieve the widest possible output range. However, it is also possible to operate said steam jet pump plate heat exchanger pairings in parallel at full load or in a same or similar partial load range.
Vorzugsweise sind die Antriebseinrichtung und das Stellglied der Dampfstrahlpumpe so ausgebildet, dass sie eine Schnellschlusseinrichtung bilden. Diese weist eine Reaktionszeit auf, die so gering ist, dass die Entstehung von über dem Grenzdruck liegenden Druck in der Primärvorlaufleitung und dem Plattenwärmetauscher ausgeschlossen ist. Die Schnellschlusseinrichtung kann durch einen Federspeicher gebildet werden, der, wenn er z.B. elektrisch ausgelöst wird, das Stellglied in Schließstellung bringt, um die Treibdüse der Dampfstrahlpumpe sicher zu verschließen. Alternativ ist es möglich, der Dampfstrahlpumpe ein in der Dampfzuführungsleitung vorgesehenes Schnellschlussventil vorzuschalten, das die Sicherheitsabschaltfunktion übernimmt. Diese Lösung ist insbesondere für Systeme mit mehreren parallel arbeitenden Dampfstrahlpumpen-Plattenwärmetauscher-Paare geeignet. Mit einem Schnellschlussventil können alle Dampfstrahlpumpen-Plattenwärmetauscher-Paare abgesichert werden. Preferably, the drive device and the actuator of the steam jet pump are designed so that they form a quick-closing device. This has a reaction time which is so low that the formation of pressure above the limit pressure in the primary flow line and the plate heat exchanger is excluded. The quick-closing device may be formed by a spring accumulator which, when e.g. is electrically triggered, brings the actuator in the closed position to securely close the drive nozzle of the steam jet pump. Alternatively, it is possible to precede the steam jet pump provided in the steam supply line quick-closing valve, which takes over the Sicherheitsabschaltfunktion. This solution is particularly suitable for systems with multiple parallel-working steam jet pump plate heat exchanger pairs. With a quick-closing valve, all steam jet pump plate heat exchanger pairs can be protected.
Die Schnellschlusseinrichtung kann außerdem eine dampfdruckbetätigte Einrichtung, beispielsweise ein Membranantrieb, sein. Der Vorteil einer solchen Lösung liegt in der Unabhängigkeit von einer elektrischen Stromversorgung. The quick-closing device can also be a vapor pressure-operated device, for example a diaphragm drive. The advantage of such a solution lies in the independence of an electrical power supply.
Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht die wirtschaftliche Nutzbarmachung und Verwertung von Abfallwärme, die bislang wegen fehlender Verwendungsmöglichkeit oder geringer Energiedichte ungenutzt geblieben ist. Solche Ab fallenergie steht beispielsweise als Niederdruckdampf zur Verfügung, wie er in industriellen Prozessen, wie Verhandlungsverfahren, Kochprozessen oder dergleichen, anfällt. The inventive concept allows the economic utilization and recovery of waste heat, which has so far been unused due to lack of use or low energy density. Such falling energy is available, for example, as low-pressure steam, as obtained in industrial processes, such as negotiated processes, cooking processes or the like.
Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept die Nutzung von Plattenwärmetauschern im Zusammenhang mit heißem Dampf, d.h. einem Energieträger mit sehr hoher Energiedichte, hoher Temperatur und hohem Druck. Weiter ermöglich die Erfindung die unter Umgehung sonst gegebener Revisions- und Zulassungsplichten. In addition, the inventive concept allows the use of plate heat exchangers in connection with hot steam, i. an energy carrier with very high energy density, high temperature and high pressure. Furthermore, the invention makes it possible to circumvent otherwise given revision and approval duties.
Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Ansprüchen, der Zeichnung der der zugehörigen Beschreibung. Es zeigen: Embodiments of the invention are the subject of claims, the drawing of the accompanying description. Show it:
In
Von der Dampfleitung
Die Strahlpumpe
Der Plattenwärmetauscher
Der Kondensatwärmetauscher
Die Dampfstrahlpumpe
Zur Steuerung des Betriebs der Dampfstrahlpumpe
An der Primärvorlaufleitung
Optional können der Dampfstrahlpumpe
Aus
In einer abgewandelten Ausführungsform kann in der Dampfzuführungsleitung
Die insoweit beschriebene Wärmeübertragungseinrichtung
Im Betrieb steht an der Dampfleitung
In operation is at the
Die Dampfstrahlpumpe
Die Steuereinrichtung
Der insoweit beschriebenen Temperaturregelung ist eine Druckregelung bzw. Druckabschaltung übergeordnet. Stellt die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Eine erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 10‘ 10, 10 '
- Wärmeübertragungseinrichtung Heat transfer device
- 11 11
- Dampfleitung steam line
- 12 12
- Kondensatleitung condensate line
- 13 13
- Dampfzuführungsleitung Steam supply line
- 14 14
- Treibmittelanschluss Propellant connection
- 15, 15‘ 15, 15 '
- Dampfstrahlpumpe Steam ejector
- 16 16
- Sauganschluss suction
- 17 17
- Saugleitung suction
- 18 18
- Niederdruckdampfquelle Low pressure steam source
- 19 19
- Brenner burner
- 20 20
- Kochkessel cauldron
- 21 21
- KondensatsammelgefäßCondensate collection vessel
- 22 22
- Diffusoranschluss diffuser port
- 23 23
- Primärvorlaufleitung Primary flow line
- 24, 24‘ 24, 24 '
- Plattenwärmetauscher Plate heat exchanger
- 25 25
- Primärvorlaufanschluss Primary flow connection
- 26 26
- Primärrücklaufschluss Primary return deadline
- 27 27
- Primärrücklaufleitung Primary return line
- 28 28
- Plattenwärmetauscher/Kondensatwärmetauscher Plate heat exchanger / condensation heat exchanger
- 29 29
- Primäreingang primary input
- 30 30
- Primärausgang primary output
- 31, 32 31, 32
- Leitung management
- 33 33
- Sekundärvorlaufanschluss Secondary flow connection
- 34 34
- Sekundärvorlaufleitung Secondary supply line
- 35 35
- Wärmeverbraucher heat consumer
- 36 36
- Sekundärrücklaufleitung Secondary return line
- 37 37
- Sekundärrücklaufanschluss Secondary return connection
- 38 38
- Sekundärvorlaufanschluss Secondary flow connection
- 39 39
- Sekundärvorlaufleitung Secondary supply line
- 40 40
- Brauchwasserspeicher Hot water heater
- 41 41
- Sekundärrücklaufanschluss Secondary return connection
- 42 42
- Speiseleitung feeder
- 43 43
- Pumpe pump
- 44 44
- Stellglied actuator
- 45 45
- Antriebseinrichtung driving means
- 46 46
- Steuereinrichtung control device
- S S
- Stellsignal actuating signal
- 47 47
- Druckfühler pressure sensor
- 48, 49 48, 49
- Temperaturfühler temperature sensor
- p p
- Drucksignal pressure signal
- t t
- Temperatursignal temperature signal
- 50 50
- Bus bus
- 51 51
- Steuereinrichtung control device
- pG p G
- Grenzdruck limit pressure
- ta ta
- Grenztemperatur limit temperature
- tp tp
- Primärtemperatur primary temperature
- ts ts
- Sekundärtemperatur secondary temperature
- K K
- Kondensatabführungseinrichtung Condensate removal device
- 52 52
- Stellungsregler positioner
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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