DE1601197A1

DE1601197A1 - Heat exchanger with steam and adjustable via the steam supply, especially air heater

Info

Publication number: DE1601197A1
Application number: DE1967G0051285
Authority: DE
Inventors: Dieter Jakubczik
Original assignee: GEA Luftkuehler GmbH
Current assignee: GEA Luftkuehler GmbH
Priority date: 1967-10-09
Filing date: 1967-10-09
Publication date: 1970-05-21
Also published as: DE1601197B2; DE1601197C3

Description

Dampfbeaufsehlagter und über die Dampfzufuhr regel- barer Wärmeaustauseher, insbesondere Lufterhitzer Die Erfindung betrifft einen dampfbeaufschlagten und über die Dampfzufuhr regelbaren Wärmeaustauscher, insbesondere Lufterhitzer, welcher aus mindestens einem Rohrbündel mit je einer endseitigen.Sammel- bzw. Verteilerkammer besteht, wobei an einer der Kammern die mit einem Regelventil- versehene Dampfzuleitung und an der gegenüberliegenden Kammereine Entlüftungsleitung angeschlossen sind sowie ferner eine Xondensatableitung vorgesehen ist.Dampfbeaufsehlagter and the steam supply regularly Barer Wärmeaustauseher, especially air heaters, the invention relates to a dampfbeaufschlagten and controllable via the steam supply heat exchanger, in particular heaters, which consists of at least one tube bundle with one endseitigen.Sammel- or distribution chamber, wherein at one of the chambers a steam supply line provided with a control valve and a vent line connected to the opposite chamber, and a condensate drainage system is also provided.

Bei dampfbeaufschlagten Wärmeaustauschern ist es notwendig, das beim Wärmeaustauschprozeß anfallende Kondensat abzuführen, um ständig die gesamte Wärmeaustauschflächefür den Wärmeaustauschprozeß zur Verfügung-zu halten. Aus diesem Grunde wird-das = Kondensat.entweder ins Freie abgelassen oder zur weiteren Verwendung ins Kesselhaus zurückgepumpt. Im allgemeinen steht für die Beheizung solcher Wärmeaustauscher Dampf von höherem Druck als Atmosphärendruck zur Verfügung, so daß im Inneren des_Wärmeaustauschers, zumindest bei Volllastbetrieb, Überdruck herrscht. Infolge dieses Überdruckes wird das Kondensat hierbei mehr oder weniger selbsttätig, über die Kondensatableitung abbefördert,.so daß der Wärmeaustauscher während dee Betriebes im wesentlichen kondensatfrei bleibt und folglich auch ständig*seine gesamte Wärmeaustauschfläche für den Wärmeaustauschprozeß zur Verfügung steht: Bei Wärmeaustauschern, die dampfseitig, d.h. über die Dampfzufuhr, geregelt werden, versagt dieses Verfahren, sobald die Wärmeaustauscher im Teillastbereich gefahren wer- den und die Dampfzufuhr bis herunter zum Durchsatz Null ge- regelt wird. Je mehr das Dampfregelventil gedrosselt wird, desto geringer wird der Druck im Inneren des Wärmeaustauschers. Je nach Öffnung des Dampfregelventils kann sich je- der Druck zwischen dem Maximaldruck, d.h._ dem Dampfdruck vor dem Regelventil, bis herunter zum Vakuum bei stark gedrosselten Ventilen einstellen. Sobald der Gegendruck in der Kondensatableitung größer wird als der Druck im Wärmeaustauscher, versagt die selbsttätige Kondensatableitung, so daß sich das Kondensat im Innaren des Wärme- austauschers aufstaut und dadurch die wirksame Wärmeaus- tauschfläche verkleinert. In the case of heat exchangers exposed to steam, it is necessary to remove the condensate that occurs during the heat exchange process in order to keep the entire heat exchange surface available for the heat exchange process at all times. For this reason, the = condensate is either drained into the open air or pumped back into the boiler house for further use. In general, steam of higher pressure than atmospheric pressure is available for heating such heat exchangers, so that there is overpressure inside the heat exchanger, at least when operating at full load. As a result of this excess pressure the condensate is this more or less automatically, abbefördert on the condensate drain, .so that the heat exchanger during dee operation remains free of condensation substantially and consequently constantly * its total heat exchange surface area available for heat exchange process are available: In heat exchangers, the steam side, that are controlled by the supply of steam, this method failed when the heat exchangers are operated in the partial load range and the steam supply is regulated down to the flow rate to zero. The more the steam control valve is throttled , the lower the pressure inside the heat exchanger. Depending on the opening of the steam control valve, each pressure can be set between the maximum pressure, ie the steam pressure upstream of the control valve, down to the vacuum in the case of strongly throttled valves . As soon as the back pressure in the condensate drain becomes greater than the pressure in the heat exchanger, the automatic condensate drain fails, so that the condensate builds up inside the heat exchanger and thereby reduces the effective heat exchange area.

Bei Wärmeaustauschern, deren Austauschleistung über die Wärme- bzw. Dampfzufuhr,regelt wird, hat dieser Kondensatanstau im Teillastbetrieb vor allem den kiachteil, daß sich die Stellgröße am Dampfregelventil ständig ändern muß, um der Verkleinerung der Heizfläche durch den Kondensatanstau entgegenzuwirken, bis der Druck im Inneren des Wärmeaustauschers soweit angestiegen ist, daß der Gegen- druck des Kondensatnetzes überwunden wird und das Kon- densat ausgeschoben werden kann. Die Regelstrecke zeigt in solchen Fällen Pendelverhalten und kommt unter den wechselnden Bedingungen des Betriebes praktisch nie zur Ruhet so daß es unmöglich ist, Istwert und Sollwert für längere Zeit aneinander anzugleichen. In heat exchangers, the exchange rate of which is controlled by the heat or steam supply, this accumulation of condensate in partial load operation has the main disadvantage that the manipulated variable on the steam control valve must constantly change in order to counteract the reduction in the heating surface caused by the accumulation of condensate until the pressure in the Inside the heat exchanger has risen so far that the counter pressure of the condensate network is overcome and the condensate can be pushed out. The controlled system is in such cases, commuting patterns and comes under the changing conditions of operation practically never to Ruhet so that it is impossible to match the actual value and setpoint for a long time together.

Außerdem hat das Anstauen des Kondensats im Wärmeaustauscher den weiteren Nächteil, daB bei plötzlichem Öffnen des Dampfregelventils Dampfschläge auftreten, Dies gilt insbesondere für die frostsichere Ausführung solcher Wärmeaustau$cher, bei welcher die Dampfzufuhr von unten erfolgt; denn in diesem Falle treten die Kondensatschläge ständij auf l- sobald überhaupt Dampfaus der Dampfzufuhr- .: leiturig 3n: die untere Kammer eingeleitet wird. Di.ese@ Dampfschläge führen nicht nur zu -:Gerauschbelästigung.en, sondern auch zu unkontrollierbaren Materialbeanspruchungen sowohl des Wärmeaustauschers als auch der Röhrleitungen., die häufig die Ursache von Rißbildungen,:insbesondere an den Schweißnähten, sind: und ,daher auf die Dauer die Undichthet des Apparateszur Folge'haben-Weiterhin treten bei aufgestautem Kondensat innerhalb der Rohre des Wärmeaustauschers in verstärktem Maße S-auerstoffkorrosionen auf und. bei Co2-haltigem Kon- densat konzentrierte örtliche Abtragungen an den Rohren in Höhe des Kondensatspiegels, und zwar vorwiegend im . untereÜ Teil der Wärmeaustauscherrohre, Der schwankende _ Kondensat-film hat eine größere Lösungsfähigkeit an Eisen zur Felge und verhindert die Ausbildung einer .Schutzschicht. Insbesondere bei Wärmeaustausche-rn:, die ausrozei3-gründen täglich oder wöchentlich abgestellt werden müssen, tritt-aus solchen Gründen in verstärktem Maße -Stillstand. korrosion aufs da beim Abstellen der Apparate-das noch anfallende Kondensat im Inneren des Wärmeaustauschers stehen- bleibt -Hei waagerecht oder leicht geneigt angeordneten Wärmeaustauschern treten schließlich-neben den vorerwähnten Schäden noch mechanische Beanspruchungen der oberen Rohr- reihen durch Wärmespannungen-auf, die nicht nur zur Ver- werfung der Rohre, sondern sogar zu Brüchen führen-können denn bei Tsillastbetrieb werden die unteren Rohrreihen über- flutet und sind somit kalt) wahrend die oberen Rohrreihen von heißem Dampf beaufschlagt werden: Die Längsdehnung der Rohre über den gesamten -Rohrbündelquerschnitt erfolgt dadurch nicht gleichmäßig. ' Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dampfbeaufschlagten und dampfseitig geregelten Wärmeaustauschern die zuvor beschriebenen Nachteile durch eine einfache automatische Regelung der Kondensatabfuhr zu beseitgeng die unabhängig von der jeweiligen Dampfzufuhr ist und daher 'auch bei Vakuumbetrieb im unteren Teillastbereich zuverlässig arbeitet. Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß die Kondensatableitung über ein Kondensatablaßventil in einen tiefer gelegenen Kondensatsammelbehälter münlet, an den ein schwimmergesteuerter Kondenstopf mit Entlüftung angeschlossen ist, der seinerseits unter Zwischenschaltung eines Rückschlagventils die Verbindung zur Haupt-Kondensatleitung bildet und daß zur Abführung des Kondensats in den Kondenstopf über ein weiteres Ventil Treibdampf aus der Dampfzuleitung in den Sammelbehälter einspelsbar ist, wobei sowohl dieses Ventil als auch das'Kondensatablaßventil über ein gemeinsames, mit einem einstellbaren Zeitrelaus versehenes Steuergerät regelbar sind, das mittelbar über den Kondensatspiegel im Sammelbehälter gesteuert ist. In addition, the damming up of condensate in the heat exchanger further Nächteil, DAB has occur upon sudden opening of the steam control valve steam blows This applies in particular for the execution of such frost-proof Wärmeaustau $ cher, wherein the steam supply is carried out from below; for in this case the condensate blows always occur as soon as there is any steam from the steam supply.: conductive 3n: the lower chamber is introduced. These @ steam chuffs not only lead to -: noise nuisance.en, but also to uncontrollable material stresses on both the heat exchanger and the pipelines., Which are often the cause of cracks,: especially on the welds ,: and , therefore, in the long run As a consequence of the leakage of the apparatus, oxygen corrosion also occurs to a greater extent when condensate has built up inside the tubes of the heat exchanger . For CO2-containing con- concentrated local ablations condensate to the tubes in the height of the condensate level, predominantly in. lower part of the heat exchanger tubes, the fluctuating _ condensate film has a greater ability to dissolve iron from the rim and prevents the formation of a protective layer. Must be the ausrozei3-establish Especially with heat exchanges-rn :, parked daily or weekly-occur for such reasons in increasingly stand- still. Corrosion on there when the apparatus is switched off - the condensate still accumulating inside the heat exchanger remains - he heat exchangers arranged horizontally or at a slight incline finally occur - in addition to the aforementioned damage , mechanical stresses on the upper rows of tubes due to thermal stresses - not only for encryption werfung of the tubes, but also to fractures lead-able because in Tsillastbetrieb the lower tube rows are swamped and are therefore the upper rows of tubes are acted upon by hot steam cold during): the elongation of the tubes over the entire -Rohrbündelquerschnitt effected by not even. The invention is based on the object of eliminating the disadvantages described above in steam-loaded and steam-side controlled heat exchangers by means of a simple automatic control of the condensate discharge which is independent of the respective steam supply and therefore also works reliably in vacuum operation in the lower partial load range. To solve this problem, the invention is characterized in that the condensate drainage via a condensate drain valve into a lower-lying condensate collecting tank, to which a float-controlled condensate trap with ventilation is connected, which in turn forms the connection to the main condensate line with the interposition of a non-return valve and that for discharge of the condensate in the condensate trap via a further valve, motive steam from the steam supply line can be flushed into the collecting container, whereby both this valve and the condensate drain valve can be regulated via a common control device provided with an adjustable time relay, which is controlled indirectly via the condensate level in the collecting container .

Da bei Wärmeaustauschern dieser Gattung auch die insbesondere bei Vakuumbetrieb im unteren Teillastbereich in den Wärmeaustauscher eindringende atmosphärische Luft mit ihrem gegenüber Dampf spezifisch höheren Gewicht zu einer Reduzierung der wirksamen Wärmeaustauschfläche führen kann, ist es notwendig und auch üblich, diese mittels einer Pumpe über eine Entlüftungsleitung abzusaugen... Aus den eingangs erläuterten Gründen wäre es aber notwendig, diese für den Vakuumbetrieb vorgesehene Pumpe durch relativ komplizierte Regelvorrichtungen zu steuern., um sicherzustellen, daßwder gesamte Betriebsbereich zwischen Über- und Unterdruck be-herrscht wird. Since, with heat exchangers of this type, the atmospheric air that penetrates the heat exchanger in the lower partial load range, especially during vacuum operation, with its specifically higher weight than steam, can lead to a reduction in the effective heat exchange surface, it is necessary and also customary to suck it off by means of a pump via a ventilation line ... For the reasons explained above, it would be necessary to control this pump, which is intended for vacuum operation, by means of relatively complex regulating devices, in order to ensure that the entire operating range between overpressure and underpressure is controlled.

Die Erfindung bietet demgegenüber die Möglichkeit für eine ebenso einfache wie zuverlässige selbsttätige Luftableitung. Zu diesem Zweck kennzeichnet sich- die Erfindung gemäß einem: weiteren Merkmal dadurch,. daß die an eine der Kammern des Rohrbündels angeschlossene Entlüftungsleitung im Bereich. oberhalb des: Kondensatablaßventils mir der Kondensatableitung verbunden ist. Auf. diese Weise kann ein stabiler Betrieb in allen Betriebsdruckbereichen zwischen Vakuum und Überdruck sichergestellt werden, wobei die schädliche Luft auch: bei Unterdruckbetrieb selbsttätig aus dem Wärmeaustauscher abströmt: In der Zeichnung ist die Erfindung an. einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert.In contrast, the invention offers the possibility for one as well simple as well as reliable automatic ones Air evacuation. To this Purpose is characterized by the invention according to a: further feature. that the vent line connected to one of the chambers of the tube bundle in the area. above the: condensate drain valve is connected to the condensate drain. On. this way, stable operation can be achieved in all operating pressure ranges between vacuum and overpressure can be ensured, with the harmful air also: with underpressure operation automatically flows out of the heat exchanger: In the drawing is the invention at. a preferred embodiment explained.

Mittels des-in die Dampfzuleitung l eingeschalteten Dampfregelventils 1a wird dem Rippenrohr-Wärmeaustauscher 6 der Dampf über die untere Kammer 6a zugeführt. Über das geöffnete, als Membranventil ausgebildete Kondensatablaßventil, 5a gelangt das beim Wärmeaustauschprozeß innerhalb des Wärmeaustauschers anfallende-und durch die an die untere Kammer 6a angeschlossene Kondensatableitung 5 austretende Kondensat in den Sammelbehälter 49 aus dem es- bei Überdruckbetrieb durch den: schwimmergesteuerten Kondenstopf-7 und das Rückschlagventil 8 in die Haupt-Kondensatletung 9 gedrückt wird. Reicht der Druck innerhalb des Wärmeaustauschers. nicht aus, um das Kondensat auf diese Weise in das Kondensatnetz zu beförderng so staut sich das Kondensat in dem Sammelbehälter 4 auf. Bei Erreichen des oberen Schaltpunktes des Niveauschalters 10 wird über das mit einem einstellbaren Zeitrelais versehene Steuergerät 3 das Kondensatablaßventl 5a geschlossen, woraufhin das Ventil 2 geöffnet wird und aus.By means of the steam control valve switched on in the steam supply line l 1a, the finned tube heat exchanger 6 is supplied with the steam via the lower chamber 6a. Passes through the opened condensate drain valve 5a, designed as a membrane valve that accruing during the heat exchange process within the heat exchanger - and through condensate discharged from the condensate drain 5 connected to the lower chamber 6a into the collecting container 49 from the es- with overpressure operation by the: float-controlled Condensate trap 7 and the check valve 8 pressed into the main condensate line 9 will. Is the pressure within the heat exchanger sufficient. not off to the condensate In this way, the condensate accumulates in the condensate network the collecting container 4 on. When the upper switching point of the level switch is reached 10 is provided with an adjustable time relay control unit 3 the Condensate drain valve 5a closed, whereupon valve 2 is opened and off.

der Dampfzuleitung 1b Trelbdampf in den Sammelbehälter 4 einspeist, dessen Druck höher ist als, der Druck hinter dem Kondenstopf 7. Der Kondensatspiegel wird dadurch abgesenkt, bis er den unteren -SchaltpunkterreiehtDurch das'Zsitverzögerungsglied im Steuergerät 3 wird erreicht, daß keine Schaltfunktion ausgelöst wird und der Kondensatspiegel so lange weitersinkt, bis alles Kondensat durch den Kondenstopf gedrückt istg einschließlich der in dem Behälter 4 eingeschlos- senen Luft. Nach Ablauf der eingestellten Zeitverzögerung durchströmt das Treibdampf-Luftgemisch den Kondenstopf 7, wobei die Luft durch die Entlüftung 7a entweicht. Mit dem Ab-lauf der Zeitverzögerung beginnt ferner das Ventil 2 zu schließen, wobei es infolge seiner elektromagnetischen Ver- riegelung mit dem Kondensatablaßventil 5a dieses erst öffnet, nachdem es vollständig geschlossen- ist. Das in der Zwischen- zeit aufgestaute Kondensat kann die Kammer 6a verlassen und wird dem Sammelbehälter 4 zugeführt. the steam feed line 1b feeds Trelbdampf into the collecting container 4, the pressure of which is higher than the pressure behind the condensation trap 7 . The condensate level is thereby lowered until the lower -SchaltpunkterreiehtDurch das'Zsitverzögerungsglied in the control unit 3 it is achieved that no switching function is triggered and the condensate level is further decreased as long ISTG until all the condensate is pressed through the steam trap including in the container 4 eingeschlos- Senen Air. After the set time delay has elapsed , the motive steam-air mixture flows through the condensate trap 7, the air escaping through the vent 7a. With the Ab-running the time delay further comprises valve 2 begins to close, which is due to its lock-out electromagnetic comparison with the condensate discharge valve 5a that opens only after it is fully closed-. The condensate that has built up in the meantime can leave the chamber 6a and is fed to the collecting container 4.

Durch die an die obere Endkammer 6b des Wärmeaustauschers 6 angeschlossene, der Entlüftung dienende Verbin- dungsleitung 11 wird erreicht, daß die sich innerhalb des Wärmeaustauschers ansammelnde Luft ebenfalls zum Sammelbehälter 4 strömen kann. Die gegenüber dem Dampf spezifisch schwe- rere Luit wird durch die kinetische Energie des in die unteren Rohre einströmenden Dampfes daran gehindert, in die untere Kammer 6a abzusinken. Der Gegendruck in der unteren Kammer wird vorwiegend; durch den Dampfdruck bestimmt, da der Partial- druck der Luft nur gering ist. Der Gesamtdruck in der oberen Kammer 6b wird dagegen durch den Partialdruck der dort befind- lichen Luft bestimmt, wobei der Partialdruck des Dampfes hier den geringen Restanteil liefert, der lediglich von der Tempe- ratur im oberen Teil des Wärmeaustauschers abhängt. The connection line 11, which is connected to the upper end chamber 6b of the heat exchanger 6 and serves for ventilation, ensures that the air that collects within the heat exchanger can also flow to the collecting container 4. The opposite the steam specifically heavier than this Luit is prevented by the kinetic energy of flowing into the lower tubes vapor thereon to sink into the lower chamber 6a. The back pressure in the lower chamber is predominant; determined by the vapor pressure, since the partial pressure of the air is only low. The total pressure in the upper chamber 6b, on the other hand, is determined by the partial pressure of the air located there, the partial pressure of the steam supplying the small remaining portion here , which only depends on the temperature in the upper part of the heat exchanger.

Fehlte die Leitung 11 und würde die Kondensations- leistung durch Öffnen des Regelventils erhöht,. so verschöbe sich das Ende der Kondensationszone nach oben hin dadurch, daß der Gesamtdruck in der Kammer 6a ansteigt und das Luft- polster in der Kammer 6b sowie dem oberen Endbereich der Rohre komprimiert wird. Auf-diese Weise würde sich immer mehr Luft ansammeln und die wirksame Warmeaustauschfläche entsprechend kleiner, bis durch Überdruck infolge Öffnen des Ventils 1a die Luft über eine Entlüftungsleitung ausgeschoben werden kann. If there was no line 11 and the condensation output would be increased by opening the control valve. so the end of the condensation zone is shifted upwards in that the total pressure in the chamber 6a increases and the air cushion in the chamber 6b and the upper end area of the tubes is compressed . In this way , more and more air would collect and the effective heat exchange area would be correspondingly smaller, until the air can be expelled via a vent line due to excess pressure as a result of opening the valve 1a.

Demgegenüber hat die bis kurz vor .das Kondensat- ablaßventil 5a geführte Verbindungsleitung 1.1 die Wirkung, -. daß ein Teil der im oberen Bereich des Wärmeaustauschers eingeschlossenen,spezifisch schwereren Luft über sie abströmen kann, indem sie in den Sammelbehälter 4 absackt und von dort aus - wie weiter oben beschrieben - mittels des Treibdampfes zusammen mit dem Kondensat abbefördert wird. In contrast, the connecting line 1.1, which was led up to shortly before the condensate drain valve 5a, has the effect of -. that a part of the trapped in the upper region of the heat exchanger, specifically heavier air can flow through them by sag into the collecting container 4 and from there - is abbefördert by means of the driving steam, together with the condensate - as described above.

Auf diese Weise wird eine automatische Regelung auch der Ableitung von bei Vakuumbetrieb im unteren Teillast- bereich in den Wärmeaustauscher eingedrungener atmosphärischer Luft erreicht, die unter allen Betriebsbedingungen einwandfrei arbeitet und die für den Vakuumbetrieb sonst erforderliche Vakuumpumpe einschließlich ihrer für solche. Fälle unentbehrlichen komplizierten Regelvorrichtungen entbehrlich :macht.. In this manner, an automatic control is the range achieved and the derivative of the case of vacuum operation in the lower part-load into the heat exchanger penetrated into the atmospheric air, the working properly under all operating conditions and the otherwise necessary for vacuum operating vacuum pump including their for such. Cases of indispensable complicated control devices : makes ..

Claims

Claims: 1. Steam pressurized and controllable via the steam supply Heat exchanger, in particular air heater, which consists of at least one tube bundle with: there is one end-side collection or distribution chamber, with one of the Chambers the steam supply line provided with a control valve and on the opposite one Chamber a vent line are connected and: also a condensate drain it is envisaged that c h n e t that the condensate drain (5) via a condensate drain valve (5a) into a lower-lying condensate collecting tank (4) opens, to which a float-controlled condensation pot (7) with venting Va) is connected is in turn the connection with the interposition of a check valve (8) to the main condensate line (9) and that to discharge the condensate into the Condensation trap (7) via another valve (2) motive steam from the steam supply line (1b) can be fed into the collecting container (4), both the valve (2) and the condensate drain valve (5a) via a common, with an adjustable time relay The control unit (3) provided can be regulated indirectly via the condensate level is controlled in the collecting container (4).

2. Heat exchanger according to claim 1 dad, urch labeled in i ze n.9 t9 daa the one of the chambers (6a bzw6b) the tube bundle connected vent line (11) in the range above, the Kondensatablaav'ntils (5a) with the condensate discharge line (5) connected .