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Wärmetauscher für Luftkondensationsanlagen von Dampfkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für Luftkondensationsanlagen
von Dampfkraftmaschinen oder zur Kondensation anderer Dämpfe niedrigen Druckes und
großen Volumens, wobei jeweils eine Vielzahl von vorzugsweise mit Rippen, Lamellen
oder anderen oberflächenvergrößernden Elementen versehenen Kondensatorrohren mit
gemeinsamer Dampfzuführung und Kondensatableitung ein Teilelement des ün Bereich
der Einströmöffnungen eines Kühlkamins angeordneten Wärmetauschers bildet.
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Im allgemeinen pflegt man bei Kondensatoren als Kühlmittel Flüssigkeit,
insbesondere Wasser, zu verwenden, weil dabei günstige Wärmeübergangszahlen ausnutzbar
sind. Wenn aber infolge von Wassermangel eine Frischwasserkühlung oder ein Rückkühlbetrieb
mit offenen Kühltürmen nicht möglich oder nicht wünschenswert ist, geht man zu Luftkondensationsanlagen
über, bei denen die Verdampfungswärme unmittelbar an die atmosphärische Luft übertragen
wird. Die dabei entstehenden Betriebsbedingungen erfordern besondere Konstruktionen
für die Wärmetauscherelemente, wobei große Luftmengen mit den Kondensatorrohren
in Wärmeaustausch zu bringen sind. Die Arbeitsbedingungen werden weiterhin noch
erschwert, wenn man ganz oder teilweise davon absieht, Gebläse zur Intensivierung
der Luftströmung zu verwenden.
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Es sind an sich Wärmetauscher bekanntgeworden, bei denen in Rohren
fließende Flüssigkeiten durch einen vorbeistreichenden Luftstrom gekühlt werden.
Diese als Rückkühler für ein Wasserkühlsystem dienenden Anordnungen gebräuchlicher
Art enthalten Rohre kleinen Durchmessers und großer Länge bei im allgemeinen senkrechter
Anordnung, wobei die wasserdurchflossenen Rohre mit Rippen eines großen übertragungsverhältnisses
ausgestattet sind.
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Eine derartige Bauart ist für Dampfkondensationsanlagen nicht brauchbar.
Zur Dampfkondensation werden relativ kurze Rohre mit größerem Innenquerschnitt notwendig,
um die Druckverluste des einströmenden Dampfes in zulässigen Grenzen zu halten.
Dabei bereitet es Schwierigkeiten, die verhältnismäßig kurzen Kondensatorrohre mit
verhältnismäßig großen Außendurchmessern so unterzubringen, daß der vorbeistreichende
Luftstrom einerseits die erforderliche Wärinemenge abführt, andererseits aber auch
die Luftströmung nicht allzusehr behindert ist, um Lüfterleistung zu sparen und
nach Möglichkeit ohne Lüfter auszukommen. Dabei muß ein sehr großes Luftvolumen
mit relativ kleiner Geschwindigkeit an den Kondensatorelementen entlanggeführt werden.
Eine an sich wünschenswerte höhere Geschwindigkeit des Luftstromes würde aber bei
einer selbstventilierenden Ausführung der Anlage einen wirtschaftlich nicht mehr
vertretbaren baulichen Aufwand, insbesondere bezüglich der Bauhöhe des Kamins, erfordern.
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An sich ist bereits eine Luftkondensationsanlage bekanntgeworden,
bei der eine Vielzahl von vorzugsweise mit Rippen, Lamellen oder anderen oberflächenvergrößerenden
Elementen versehenen Kondensatorrohren mit gemeinsamer Dampfzuführung und Kondensatableitung
ein Teilelement des im Bereich der Einströraöffnungen eines Kühlkamins angeordneten
Wärmetauschers bildet. Bei dieser bekannten Anordnung sind die Elemente schräg gestellt,
wobei diese Schrägstellung aber nur hinsichtlich der Achse des Kühlkamins vorhanden
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kondensationsanlage
zu schaffen, bei der Druck- oder Saugzuggebläse vollständig oder zumindest teilweise
vermeidbar sind, da der Energiebedarf für den Lüfterantrieb unter Umständen beträchtlich
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Teilelemente
unter Anordnung der Kondensatorrohre schräg zur Richtung des Kühlgas-, insbesondere
Kühlluftstromes stufenförmig abgesetzt übereinander angebracht sind.
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Auf diese Weise ergibt sich bei vorgegebener Höhe der Einströmöffnung
eine erhebliche Vergrößerung der durchströmten Wärmeaustauschfläche, ohne daß dabei
die Kondensationsanlage einen unerwünscht großen Durchmesser erhalten würde. Der
Erfindungsgegenstand bietet damit beachtliche Vorteile gegenüber
dem
bekannten Luftkondensator, bei dem die Teilelemente senkrecht vom Luftstrom beaufschlagt
werden.
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Auf diese Weise gelingt es, eine Elementenanordnung zu bilden, die
optimale oder nahezu optimale Durchströmverhältnisse bei Aufgliederung in zulässige
Elementenlängen von einigen wenigen Metern erlaubt. Wenn die Elemente schräg zum
Luftstrom, also im allgemeinen schräg zur waagerechten oder senkrechten Achse des
Kühlturmes üi vielfacher Ab-
stufung angebracht sind, wird ein Durchströmquerschnitt
erzielt, der etwa ebensogroß oder größer als der freie Anström- und Abströmquerschnitt
ist. Andererseits beträgt der freie Durchströmquerschnitt der Gruppen von Elementen
nur einen Teil des Gesamtquerschnittes infolge der Stirnflächen der Rippenrohre.
Durch zweckentsprechende Neigung der Elemente lassen sich die Querschnitts- und
Strömungsverhältnisse im Zusammenhang mit Wärmedurchgang und Bauaufwand für die
Selbstventilation günstig gestalten. Dabei können gegebenenfalls die stufenförmig
abgesetzten Gruppen von Teilelementen so ange-: ordnet sein, daß sie einen Zickzackquerschnitt
bilden.
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Im Gegensatz zu flüssigkeitsgekühlten Kondensationsanlagen, bei denen
im allgemeinen keine großen Schwankungen der Kühlflüssigkeitstemperatur zu erwarten
sind, muß bei Luftkondensationsanlagen mit zeitweise stark unterschiedlichen Temperaturen
gerechnet werden, die allein schon tageszeitlich und jahreszeitlich starken Schwankungen
unterworfen ist. Wird eine Luftkondensationsanlage für Dampfturbinen bei Schwachlast
des Maschinensatzes und tiefen Außentemperaturen, wie sie beispielsweise in Winternächten
auftreten, betrieben, so kann es dabei vorkommen, daß ein für den Turbinenbetrieb
unerwünscht niedriges Vakuum erzeugt wird. Bei Vorhandensein von Druck- oder Saugzuggebläsen
könnte man in diesem Fall den Lüfterantrieb abschalten.
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Bei selbstventflierenden Kondensationsanlagen müssen aber andere Maßnahmen
getroffen werden, wobei in an sich bekannter Weise durch verstellbare Klappen eine
Behinderung des eintretenden Luftstromes hervorgerufen wird. Bei luftbeaufschlagten
Kondensatorkühlern ist es bereits bekanntgeworden, einstellbare Luftumlenkldappen
innerhalb des Luftkanals vorzusehen. In entsprechender Weise können auch bei dem
Wärmetauscher nach der Erfindung die einzelnen Teilelemente, wie an sich bekannt,
mit beweglichen Abdeckklappen versehen sein, um den Zutritt des Kühlgases ganz oder
teilweise abzusperren.
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An Hand der Zeichnung soll der Erfindungsgegenstand näher erläutert
werden. Die Figuren zeigen zwei Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung
wesentlichen Teilen in stark vereinfachter schematischer Darstellung, wobei alle
für das Verständnis des Erfindungsgegenstandes nicht wesentlichen Teile weggelassen
sind. Gleich oder einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Bei der in F i g. 1 dargestellten selbstventilierenden Luftkondensationsanlage
ist eine größere Anzahl von Teilelementen 1 mit Dampfzuführungen 2 und Kondensatableitungen
3 versehen. Diese Teilelemente sind schräg gegen die Richtung des Kühlluftstromes
stufenförmig übereinander im Bereich der Einströmöffnungen des selbstventilierenden
Kühlturmes 5 angeordnet. Die Abstützung des Kühlturmes 5 auf seinem
Fundament 10, die nicht näher dargestellt ist, kann so ausgebildet sein,
daß möglichst wenig Durchtrittsquerschnitt für den einströmenden Luftstrom verlorengeht.
Der Einfachheit der Darstellung halber sind weiterhin die Rohrleitungen für eine
gemeinsame Dampfzuführung und Kondensatabführung sowie die Halte- und Stützkonstruktionen
der Elemente nicht gezeichnet.
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Die Teilelemente 1 sind durch geeignete Absperrwände 4 so miteinander
verbunden, daß die Luft, die in Richtung der Pfeile 8 zuströmt, gezwungen
ist, ausschließlich ihren Weg zwischen den einzelnen Teilelementen 1 hindurch
zu nehmen. Die Teilelemente 1
können nicht nur linienförmig angebracht sein,
sondern es ist auch durchaus möglich, mehrere Rohrreihen hintereinander vorzusehen.
Der Einfachheit der Darstellung halber ist nur eine einzige Rohrreihe veranschaulicht.
Die erwärmte Luft strömt durch den Kamin in Richtung der Pfeile 9 ab.
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Vor den Teilelementen 1 sind Abdeckklappen 7 angebracht,
welche bei bestimmten Betriebsbedingungen der Anlage ganz oder teilweise auf die
Oberseite der Teilelemente 1 herabgelassen werden. Der Gesamtaufbau der Anlage
kann kreisförmig oder polygonal um die Mittelachse 6 erfolgen. Andererseits
ist es aber auch möglich, eine Rechteckform, gegebenenfalls eine lange Rechteckform,
als Grundriß zu wählen, wobei unter Umständen auch querliegende Trennwände im Sinn
einer Zellenbauweise vorgesehen sein können.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein
Teilausschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung versinnbildlicht. Hier
wird die Durchtrittsfläche durch die Teilelemente dadurch vergrößert, daß die in
F i g. 1 mit 4 bezeichneten Ab-
sperrwände weggelassen und durch Teileleinente
ersetzt sind. Eine derartige Anordnung hat für den Fall besondere Bedeutung, wenn
der freie Durchtrittsquerschnitt durch die Teilelemente gering ist oder ein besonders
niedriger luftseitiger Druckverlust angestrebt werden soll. Durch die geneigte Lage
der Teilelemente 1 zur Mittelachse 6 der selbstventilierenden Luftkondensationsanlage
ist eine weitgehende npassung an die jeweiligen Erfordernisse möglich, die bei senkrechter
Anordnung der Teilelemente durch Druckverluste auf der Dampfseite oder bei elfacher
Unterteilung der senkrechten Rippenrohre unter Verwendung einer Reihe von Dampfzuführungskammern
und Kondensatableitungskammern durch Druckverluste infolge Querschnittsverringerung
auf der Luftseite vermieden werden.