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Heißdampfkühler Bei der überhitzung von Wasserdampf, wie sie üblicherweise
in Rohrbündeln erfolgt, besteht das Bedürfnis, sich gegen gefährliche Steigerungen
der Endtemperatur des überhitzten Dampfes dadurch zu schützen, daß man den Dampf
im Verlauf der Überhitzung einer Zwischenkühlung unterwirft, .durch die der Grad
der überhitzung geregelt werden kann. Die Erfindung bezieht sich auf die Ausgestaltung
eines derartigen Heißdampfkühlers mit einem zwischen zwei Teilen eines überhitzers
angeordneten, vom zu kühlenden Dampf durchströmten Gehäuse, in, welchem gerade,
aus einem inneren Rohr und einem dieses konzentrisch umgebenden äußeren Rohr bestehende,
vom Speisewasser durchflossene Rohrpaare eingebaut sind.
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Kühler dieser Art, die mit einem unter Druck und unter hoher Temperatur
arbeitenden Dampfkessel in Verbindung stehen, sind schwierigen Betriebsbedingungen
unterworfen. Wenn der Betrieb inte-rmittierend erfolgt, was vielfach vier Fall ist,
so werden die Hauptteile de Zwischenkühlers (Rohrbündel und Rohrplatten), die mit
auf Temperaturen von 300 bis _500° C überhitztem Wasserdampf beaufschlagt werden,
periodisch der Einwirkung eines Kühlmittels unterworfen. Man wird hierfür im allgemeinen
Speisewasser verwenden, dessen Temperatur ungefähr 100 bis 300° C tiefer liegt als
die .des überhitzten Dampfes.
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Die wichtigsten. Teile des Zwischenkühlers sind dadurch periodischen
Temperaturstößen unterworfen, die unliebsame Folgeerscheinungen für den einwandfreien
Betrieb des Kühlers nach sich ziehen können, wenn dieser nicht so konstruiert ist,
daß ihre schädliche Wirkung unterdrückt wird.
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Die bekannten Zwischenkühler sind nicht in der Lage, den Temperaturstößen
zu widerstehen. Sie sind mit den folgenden Nachteilen behaftet: Das kühle Wasser
kommt wechselweise direkt mit den Teilen des Zwischenkühlers in Berührung, die die
Temperatur des überhitzten Dampfes angenommen haben, wie z. B. mit der Rohrplatte
und dem Rohrbündel. Dadurch sind Temperaturstöße unvermeidlich.
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Die verschiedenen Teile kühlen sich weder gleichmäßig ab, noch erwärmen
sie sich gleichmäßig; sie können sich auch nicht frei zusammenziehen und ausdehnen.
Die sich daraus ergebenden Verformungen und thermischen Spannungen führen zu folgenden
Fehlern: Zerstörungen der Rohrbündel, Verformung und Bruch .der Rohrscheibe sowie
Undichtigkeiten in den Verbindungsstellen. Bei den bekannten Konstruktionen von
Zwischenkühlern reißen ,die Rohrbündel deswegen, weil sich in ihnen wechselweise
hohe Spannungen konzentrieren, die auf Kontraktionen oder thermische Ausdehnungen
zurückzuführen sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Rohre des Rohrbündels
.die Form von Haarnadeln haben. Sie reißen leicht in der Nähe der ihre geraden Teile
verbindenden Krümmung am äußeren Ende sowie dort, wo sich die thermischen Spannungen
konzentrieren. Die Rohre sind auch .in der Nähe der Rohrscheibe, also da, wo die
thermischen Stöße am größten und die Bedingungen am günstigsten sind, Korrosionen
unterworfen.
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Zur Vorwärmung von Speisewasser, also für einen Verwendungszweck,
bei dem starke Temperaturschwankungen von vornherein ausgeschlossen sind, hat man
schon eine Vorrichtung mit doppelten Rohrsystemen benutzt, bei der eine Kammer für
das einlaufende kalte Wasser und eine Kammer für das austretende erwärmte Wasser
durch eine Rohrplatte voneinander getrennt sind. Würde man eine derartige Vorrichtung
zur Heißdampfkühlung benutzen, so würde die Rohrplatte, deren eine Seite ständig
mit dem Wasserdampf in Verbindung steht und deren andere Seite wechselweise durch
kaltes Wasser abgekühlt wird, verformt und unter dem Einfluß der dauernd auftretenden
Spannungen reißen.
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Es gehört ferner ein Dampftemperaturregler zum Stand der Technik,
bei dem das Kühlwasser in einem zentralen Rohr größeren Querschnittes durch den
Dampfraum nach unten und in einer rings um das zentrale Rohr angeordneten Rohrgruppe
wieder nach oben geleitet wird. Auch bei dieser Vorrichtung sind eine Kammer zum
Eintritt des kälteren und eine
Kammer zum Austritt des wärmeren
Mediums durch eine Platte getrennt. Allerdings dient als Kühlmittel nicht relativ
kaltes Kesselspeisewasser, sondern bereits erhitztes Wasser, das sich innerhalb
eines Kühlers befindet und etwa die gleiche Temperatur wie der aus ihm gewonnene
bzw. zu gewinnende Dampf besitzt. Dieses Kühlmedium wird nicht je nach Bedarf dem
Wärmeaus.tauscher zugeleitet, sondern es durchströmt diesen in einem kontinuierlichen
Kreislauf, indem es durch die Kaltkammer eintritt und nach Passieren der Kühlschlangen
den Wärmeaustauscher durch die Warmkammer verläßt, um dann in den Kessel zurückzukehren.
Die Regelung der Temperatur erfolgt dadurch, daß je nach Bedarf infolge einer entsprechenden
Einstellung eines Dreiwegehahnes entweder der gesamte Strom oder nur ein bestimmter
Bruchteil des überhitzten Dampfes dem Kühlprozeß unterworfen wird. Bei .einer derartigen
Einrichtung können schroffe Temperatursprünge nicht auftreten.
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In Wärmeaustauschem, die mit unter hohem Druck und unter hoher Temperatur
stehendem Dampf beaufschlagt werden, treten als Folge des intermittierenden Betriebes
auch häufig Undichtigkeiten in den Schraubdichtungen auf. Die Hauptursache hierfür
ist, daß sich die Schrauben bei jeder Beaufschlagung des Wärmeaustauschers langsamer
abkühlen als die Teile, deren Dichtigkeit sie bewirken. Eine bestimmte Zeit nach
der Beaufschlagung kann ihre Temperatur 50 bis 100° C höher sein als die Temperatur
der Teile, die sie festdrücken. Ihre elastische Vorspannung kann auf diese Weise
zu gewissen Zeiten um 10 bis 20 kg/mm= verringert sein, wodurch sich Undichtigkeiten
ergeben können.
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Diese Gefahr kann noch erhöht werden, wenn, die Bauteile, die durch
die Schraubdichtung getrennt sind, sich unterschiedlich abkühlen oder wieder erwärmen.
Wenn sich die Teile verziehen, können Undichtigkeiten in den Dichtungen auftreten,
und zwar auch bei denjenigen Dichtungen, die zwischen den Rohren und der Rohrplatte
verspannt sind.
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Man hat bei einer Abdichtung des verschiebbaren Rohrbodens von Wärmeaustauschvorrichtungen
mit geteilter Stoffbüchsendichtung dieses Rohrbodens schon zwischen die Teile der
Stoffbüchsendichtung einen Trennungsring eingefügt, der radial nach außen führende
Bohrungen aufweist, und an diesem Trennungsring die nach beiden Seiten gerichteten
Befestigungsmittel für die Dichtungsflansche angeordnet, z. B. wurden nach beiden
Seiten herausstehende und mit Gewinde versehene Bolzen, die in die Dichtungsflansche
eingreifen, fest in den Trennungsring eingeschraubt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel,
mit .denen die bekannten Konstruktionen behaftet sind und die insbesondere darin
bestehen, daß sie den .harten thermischen Beanspruchungen nicht genügend Widerstand
entgegensetzen konnten, zu vermeiden.
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Bei einem Heißdampfkühler mit einem zwischen zwei Teilen eines überhitzers
angeordneten, vom zu kühlenden Dampf durchströmten Gehäuse, in welchem gerade, aus
einem inneren Rohr und einem dieses konzentrisch umgebenden äußeren Rohr bestehende,
vom Speisewasser durchflossene Rohrpaare eingebaut sind, und mit einem zwischen
dem Gehäuse und einem Deckel vorgesehenen Ringflansch, der mittels Dichtungen und
Schrauben mit dem Gehäuse und dem Deckel dicht verbunden ist und eine Austrittskammer
aufweist, welche zum Deckel hin durch eine die inneren Rohre tragende und die Austrittskammer
von einer Eintrittskammer trennende Platte abgeschlossen ist, während der zum Gehäuse
weisende Teil des Ringflansches .die äußeren Rohre trägt, besteht demgemäß die Erfindung
darin, daß die Platte fest mit dem symmetrisch angeordnete Austrittsstutzen aufweisenden
Ringflansch verbunden ist, die Schrauben in an sich bekannter Weise mit ihrem mittleren
Teil in den Ringflansch eingeschraubt und die Zwischenräume zwischen den von dem
mittleren Teil .der Schrauben ausgehenden Schäften und den Bohrungen im Deckel mit
Metallpulver gefüllt sind.
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Durch die zur Längsachse symmetrische Anordnung sowohl der öifnung
für die Kühlmittelzufuhr als auch der Auslässe für das erwärmte Kühlmittel ist dafür
Sorge getragen, daß .die Temperatur an dem besonders gefährdeten Kopf des Kühlers
gleichmäßig verteilt wird.
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Spannungen zwischen den einzelnen Bauelementen werden dadurch verringert
bzw. ganz vermieden, daß die Zwischenräume zwischen den aus Elastizitätsgründen
schlank gehaltenen Schäften der Spannschrauben und den Bohrungen im Deckel mit Metallpulver
gefüllt sind, das einen guten Wärmeübergang gewährleistet. Dem gleichen Zweck dient
das Merkmal, daß die Rohrplatte, mit der die inneren Rohre der konzentrischen Rohrpaare
gefaßt sind, mit dem Ringflansch verbunden ist, der sich auf etwa gleichem Wärmepotential
wie die Platte befindet. Der Ringflansch ist im übrigen mit dem Deckel und mit dem
Flansch des Gehäuses mittels der Spannschrauben so verbunden, daß die Wärmespannungen,
die wegen der herrschenden unterschiedlichen Temperaturen in ihrer Größe erheblich
abweichen, weitgehend nur die eine Dichtungsstelle beeinflussen, in deren Gebiet
sie sich befinden, sich der zweiten jedoch kaum mitteilen. Ergibt sich beispielsweise
bei einsetzender Zufuhr des Kühlmittels eine starke Abkühlung des Deckels und damit
eine entsprechende Kontraktion. gegenüber dem Ringflansch, so wird die Dichtungsstelle
zwischen dem Ringflansch und dem Gehäuseflansch davon nicht betroffen.
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Der Heißdampfkühler gemäß der Erfindung ist somit plötzlich auftretenden
Temperaturstößen gewachsen und stellt eine gleichmäßige Kühlung oder Erwärmung -der
Schraubteile sicher, so daß thermische Zerstörungen der Bauteile und Dichtungen
mit Sicherheit vermieden werden.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt
durch einen mit unter hohem Druck und unter hoher Temperatur stehendem Dampf beaufschlagten
Zwischenkühler und Fig. 3 einen Querschnitt .durch zwei konzentrische Rohre in größerer
Darstellung.
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Der Wärmeaustauscher liegt in einem waagerechten Gehäuse 1, in dem
die Rohre 2, durch .die der überhitzte Dampf eintritt, und die Rohre 3, durch die
der Dampf nach seinem Durchgang .durch den Wärmeaustauscher austritt, enden.
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Das Gehäuse 1 liegt zwischen zwei Teilen des Überhitzers. Der erste
Teil ist durch die Rohre 2, der zweite durch die Rohre 3 dargestellt.
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Der im ersten Teil des überhitzers überhitzte Wasserdampf wird beim
Durchgang durch die Rohrbündel des Wärmeaustauschers, die von dem Kühlmittel
durchströmt
werden, abgekühlt. So schützt der Wärmeaustauscher den zweiten Teil des Überhitzers
sowie die an den Kessel angeschlossene Vorrichtung (z. B. eine Turbine) vor jeglicher
schädlichen Temperaturerhöhung des überhitzten Dampfes.
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Das Rohrbündel des Wärmeaustauschers besteht aus zwei Arten von Rohren,
aus Rohren 4, die an einem Ende in den Ringflansch 5 eingespannt und am anderen
Ende verschlossen sind, sowie Rohren 6 mit einem geringeren Durchmesser, die an
einem Ende in der Platte 7 sitzen und konzentrisch in den Rohren
4
angeordnet sind. Diese Rohre sind an beiden Enden offen.
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Die Platte 7 ist in den Ringflansch 5 eingelassen und
wird durch Schrauben 8 gehalten.
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Der Zwischenkühler arbeitet wie folgt: Das Kühlmittel, im allgemeinen
Speisewasser, tritt durch die zentrale Öffnung 9 des äußeren Deckels 10 in .die
Eintrittskammer 11 ein, von wo es, wie in der Zeichnung mit Pfeilen angedeutet
ist, in die Rohre 6 gelangt. Nachdem es das Ende der Rohre 6 erreicht hat, läuft
es zurück in den freien Raum zwischen den Rohren 4
und 6 und gelangt in die
Austrittskammer 12, aus der es durch vier Austrittsstutzen 13, deren Mittellinien
zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen bilden, austritt.
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Damit die Rohre 4 und 6 sich während des Betriebs infolge Temperaturschwankungen
frei ausdehnen und zusammenziehen können, sind sie durch Öffnungen geführt, die
in den Stegen 14 ausgespart sind. Andererseits werden die inneren Rohre 6
von Führungen 15 gehalten, die ihre Zentrierung in den Rohren 4
sicherstellen.
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Diese. Anordnung schließt jede Gefahr der Karrosionsermüdun.g in dem
Rohrbündel aus. In gleicher Weise wie das Rohrbündel kann sich auch der Rahmen,
der dieses trägt, in dem Gehäuse frei ausdehnen. Dieser Rahmen besteht aus dem Leitblech
16 und Platten 17, die an dem Ringflansch 5 angebracht sind und die
Stege 14 halten. Die Zentrierung des Rahmens in dem Gehäuse 1 wird durch Auskragungen
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besorgt, die an den Stegen 14 vorgesehen sind.
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Der Rahmen erleidet somit keine bleibenden Verformungen während des
Betriebes, und man kann ihn ohne Schwierigkeit aus dem Gehäuse herausziehen und
wieder einsetzen. Er ist ebenfalls gegen Korrosionsermüdung geschützt.
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Das Gehäuse 1 kann je nach seiner Länge und seinem inneren Durchmesser
mit ein oder zwei dieser Vorrichtungen ausgestattet sein. Im allgemeinen enthält
es zwei, nämlich eine linke und eine rechte; diese werden von seinen Enden her eingeführt.
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Die Anordnung der Rohrbündel, der Stege 14 und des Leitbleches
16 ist mit folgenden Vorteilen verbunden: Der Durchgangswiderstand für den Wasserdampf
in dem Rohrbündel ist über die ganze Breite des Behälters gleich; der Zwischenkühler
sichert ferner eine gleichmäßige Abkühlung sowie eine gleichmäßige Geschwindigkeit
und Temperatur des Dampfes in sämtlichen Schlangen des Überhitzers.
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Das Leitblech 16 zwingt den. Dampf zum Umlauf. Es begünstigt somit
den guten Kontakt des Dampfes mit sämtlichen Rohren des Rohrbündels und vergrößert
den Wirkungsgrad des Austauschers.
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Der Kreislauf des Kühlwassers dient folgenden Zwecken und ist mit
folgenden Vorteilen: verbunden: Es soll zunächst die Gefahr der Korrosionsermüdung
der massiven Teile 5 und 10 verringert werden, welche durch Temperaturstöße
durch das Kühlmittel hervorgerufen wird; es soll ferner eine gleichmäßige Abkühlung
oder Erwärmung dieser Stücke sichergestellt werden, wodurch die Dichtigkeit der
Dichtungen 19 und 20, die unter hohem Druck stehen, begünstigt wird.
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Diese Ergebnisse werden durch folgende Anordnungen erzielt.
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Das Kühlmittel tritt durch die zentrale Öffnung 9 in die Eintrittskammer
11 des Deckels 10 ein. Dieser hat, da er ein Stück von dem Gehäuse
1 entfernt ist (und wenn der Zwischenkühler außer Betrieb ist), eine Temperatur,
die tiefer ist als die des Gehäuses. Somit ist die Temperaturdifferenz zwischen
Wasser und Deckel verhältnismäßig gering und der Deckel keinen schädlichen Temperaturstößen
ausgesetzt.
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Der zentrale Wassereinlaß sichert andererseits die gleichmäßige Abkühlung
des Ringflansches 5, was wiederum die Dichtigkeit der Dichtung 20 begünstigt.
Das Kühlwasser wird in den Rohren 4 und 6 vorgewärmt und kann sich in gesättigten
oder leicht überhitzten Wasserdampf umwandeln.
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Wenn dieser Wasserdampf in die Austrittskammer 12 eindringt,
ist seine Temperatur nicht tief genug, um Temperaturstöße auf den Ringflansch 5,
der etwa die Temperatur des überhitzten Wasserdampfes hat, auszulösen, noch kann
er Undichtigkeiten in den zwischen den Rohren 4 und dem Ringflansch E eingespannten
Dichtungen oder eine Korrosion der Rohre 4
in der Nähe des Ringflansches
5 hervorrufen. Der Dampf verläßt die Austrittskammer 12 durch die
Austrittsstutzen 13 und begünstigt die Gleichmäßigkeit der Temperatur des
Flansches .5 und damit die Dichtigkeit der Dichtungen 19 und 20.
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Der Kopf des Austauschers ist mit Dichtungen versehen, die unter hohem
Druck und hoher Temperatur stehen, nämlich mit einer plastischen Metalldichtung
19 zwischen dem Flansch des Gehäuses 1 und dem Ringflansch 5 und der Dichtung
20, welche die Form eines Ringes hat und in den Nuten zwischen dem Rin@diansch
5 und dem äußeren Deckel 10 eingespannt ist. Das Anziehen dieser beiden Dichtungen
erfolgt durch Schrauben 21, die im einzelnen folgende Merkmale aufweisen:
Jede Schraube hat einen mit Gewinde versehenen mittleren Teil 22, mit dem
sie in dem Flansch 5 sitzt. Diese Anordnung gestattet, jede der beiden Dichtungen
19 und 20 unabhängig voneinander anzuziehen, und vermeidet den ungünstigen
Einfluß einer Dichtung auf die andere. Der Durchmesser der Schrauben ist kleiner
als der Durchmesser der Bohrung, um ihre Elastizität zu vergrößern. Die Schrauben
21 bestehen aus Stahl mit hoher Elastizitätsgrenze und werden einer erhöhten Vorspannun:g
von ungefähr 30 kg/mm2 unterworfen.
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Die Schrauben haben zwei Bohrungen 23, die einige Millimeter
stark sind und durch die mit Hilfe eines Mikrometers ihre elastische Dehnung gemessen
und so ihre Spannung mit großer Genauigkeit kontrolliert werden kann.
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Der Zweck dieser verschiedenen Anordnungen ist es, in allen Betriebsphasen
des Zwischenkühlers, von denen die Anlaufphase unter den schwierigsten Bedingungen
arbeitet, eine vollkommene Dichtigkeit der Dichtungen 19 und 20 zu
erzielen.
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Beim Eintritt des Kühlwassers in den Deckel 10
kühlt sich dieser
schneller ab als die Schrauben 21.
Dank ihrer großen Elastizität und der hohen
Vor-
Spannung wird die unterschiedliche Ausdehnung zwischen dem
Deckel 10 und den Schrauben 21 kompensiert, und die Dichtung 20 behält
ihre Dichtigkeit. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Deckel
10 besonders groß ist, werden diese verschiedenen Einrichtungen in folgender
Weise vervollständigt: Man füllt den Zwischenraum zwischen den Schrauben 21 und
der Oberfläche der Bohrungen in dem Deckel 10 mit einem Stoff aus, der eine
große Wärmeleitfähigkeit hat, z. B. mit Kupferpulver 24; dieses wird mit
Hilfe von Lochscheiben 25 gehalten.
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Unter diesen Bedingungen folgt die Temperatur der Schrauben genau
der Temperatur des Deckels, und die schädliche unterschiedliche Kontraktion zwischen
Schrauben und Deckel wird vermieden.
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Wenn als Kühlmittel Speisewasser dient, so entnimmt man dieses der
Steigleitung der Speisepumpe, führt es durch das Rohrbündel des Wärmeaustauschers
und dann in einen Behälter des Kessels.
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Die Regulierung des Betriebs des Zwischenkühlers in Abhängigkeit von
den Veränderungen des Kesselbetriebs wird durch Kontrolle der Menge des Speisewassers,
das in dem Rohrbündel des Austauschers umläuft, bewirkt, und zwar mittels eines
Ventils, das von Hand betätigt wird oder selbsttätig arbeitet.
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Die thermische Trägheit des Wärmeaustauschers ist verhältnismäßig
gering, weil sowohl die Metallmasse des Rohrbündels als auch die Wassermenge, die
dieses enthalten kann, gering sind.
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Als Kühlmittel kann auch gesättigter Dampf dienen, der dem Kessel
entnommen und in regelbarer Menge mittels einer Pumpe in das Rohrbündel des Wärmeaustauschers
gedrückt und dann in einen Behälter des Kessels zurückgeführt wird. Der Platzbedaif
des Wärmeaustauschers ist gering und seine Konstruktion äußerst einfach.