DE19503506A1 - Vorrichtung zur Nutzung von Wärme- und/oder Flüssigkeitsmengen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen an Dampferzeugern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Wärme- und/oder Flüssigkeitsmengen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen an Dampferzeugern und deren nachgeschalteten Anlagen, wobei in einer Wärme­ tauschkammer, die aus einem Behältermantel, einem Behälterdeckel und einem Behälterboden besteht und in der sich Rohrschlangen befinden, die in minde­ stens zwei miteinander verbundenen Bereichen an­ geordnet sind und bei der am Ausgang des Wärmetau­ schers eine einseitig wirkende Verriegelung ange­ bracht ist.

Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Nutzung von Restwärme bei Dampferzeugungsanlagen Wärmetau­ scher einzusetzen, bei denen Kesselspeisewasser wieder dem Dampfkessel zugeführt wird.

Nach der Patentschrift DD 2 06 815 sind ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hoch­ druckdampfkessels bekannt, bei dem das heiße Kon­ densat dem freien Raum eines Wärmetauschers zuge­ führt wird, das zu erwärmende Speisewasser dem Wär­ metauscher zugepumpt, im Wärmetauscher vom kalten zum warmen Bereich spiralförmig geführt und vom Wärmetauscher in den Dampfkessel geleitet wird. Da­ durch kann ein verhältnismäßig hoher Wirkungsgrad und eine geringe Anlaufzeit der Anlage erreicht werden.

Nachteilig ist jedoch auch hierbei, daß noch ein erheblicher Teil der bei der Dampferzeugung ent­ standenen Wärmemenge dieser Anlage nicht genutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärme- und Flüssigkeitströme so zu nutzen, daß die Wärmerückgewinnung mit einem hohen Wirkungsgrad er­ folgt und daß auch die in nichtwiederverwendbaren Flüssigkeiten enthaltene Wärmemenge genutzt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, die Wärmetauschkammer aus mindestens zwei überein­ ander angeordneten Teilkammern besteht, wobei die obere Teilkammer im unteren Bereich eine Austritts­ öffnung und die untere Teilkammer im oberen Bereich eine Eintrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium aufweist und daß zwischen den Austrittsöffnungen des wärmeabgebenden Mediums der oberen Teilkammer und den Eintrittsöffnungen des wärmeabgebenden Me­ diums der unteren Teilkammer eine einseitig wir­ kende Verriegelung angeordnet ist.

Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor, daß an der Rohrschlange un­ terhalb mindestens eines Rohrschlangenbereiches eine Heizstufenverwirbelungsscheibe angeordnet ist, deren äußere Begrenzung bis auf einen geringen Spalt bis zum Behältermantel reicht.

Ferner ist es möglich, daß zwischen Behältermantel und Heizstufenverwirbelungsscheibe eine Leithülse angeordnet ist, die sich vom Behälterdeckel bis zum Behälterboden erstreckt.

Hierdurch wird eine exakte Führung der Gasströme erreicht und der Behälter vor thermischer Belastung und mechanischen Beanspruchungen bei Kavitations­ schlägen geschützt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen entsteht da­ durch, daß mindestens der oberste Rohrschlangenbe­ reich aus einem Kegel bestehen oder daß der untere Rohrschlangenbereich aus einem Zylinder und der obere Rohrschlangenbereich aus einem Kegel besteht. Zweckmäßig ist es ferner, daß mindestens zwei Wärmetauschkammern übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Kammern eine einseitig wirkende Verriegelung angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung entsteht dadurch, daß in der Abführungsleitung nach der untersten Kammer eine zusätzliche Schleife angeordnet ist, deren Höhe geringer als die Höhe der obersten Verriege­ lung in der Kammer ist.

Bei allen Ausführungsformen wird das Zurückströmen des wärmeabgebenden Mediums durch die am Ausgang der Gesamtanlage angebrachte einseitig wirkende Verriegelung verhindert.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorteil­ haft, daß das aus der Nutzung von Abschwadungen entstandene Kondensat dabei dem Anlagenprozeß wie­ der zugeführt werden kann.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt der Wärmetauschprozeß nach einem mehrstufigen Wirbel im­ plosions-Tauschprinzip, welches in einer oder meh­ reren senkrecht angeordneten Kammern bewirkt wird, in denen sich unterschiedliche Rohrschlangen befin­ den. Dies wird dadurch erreicht, daß das wärmeabge­ bende Medium im kegelförmigen Bereich der Rohrlei­ tungen eine intensive Turbulenz entwickelt und da­ durch einen großen Teil seines Warmeinhaltes an den Rohrkegel abgibt. Das einströmende wärmeabgebende Medium verdampft dabei, umströmt mit hoher Ge­ schwindigkeit den Rohrkegel. Die Strömungsgeschwin­ digkeit wird dabei durch eine hohe Verwirbelung in den Stufen der oberen Kammer, in der eine reine Gasphase vorhanden ist, erreicht. Die hohe Turbu­ lenz wird dadurch noch weiter gesteigert, daß bei der Implosion des Gasstromes durch die einseitigen Verriegelungen ein Vakuum erzeugt wird, so daß eine Sogwirkung auf das wärmeabgebende Medium ausgeübt wird.

Als ein wesentlicher Vorzug der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Trennung des Wärmetauschprozes­ ses in Gas- und Flüssigkeitszonen in den erfin­ dungsgemäßen Kammern anzusehen. Durch den Tausch­ prozeß mit reiner Gasphase kann eine extrem hohe Wärmetauschzahl erzielt werden, was einen starken und kontinuierlichen Temperaturanstieg des wär­ meaufnehmenden Mediums bis zu seinem Austritt aus der ersten Teilkammer und damit eine optimale Ge­ staltung des Wärmetauschprozesses ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es durch die Unterteilung in zwei Teilkammern, wobei in der ersten Teilkammer eine kegelförmige Rohr­ schlangenanordnung mit Heizstufenverwirbelungs­ scheibe angeordnet ist, eine stoßdämpfende Wirkung bei wechselnden Strömungsmengen des wärmeabgebenden Mediums. Dadurch werden Wasserschläge verhindert und trotzdem eine hohe Verwirbelung in den Stufen erreicht.

Der erfindungsgemäßen Aufbau schafft durch die An­ ordnung einer Heizstufenverwirbelungsscheibe zu­ sätzlich eine Trennung zwischen Gas/Flüssigkeits- und Flüssigkeitszone, dadurch erhöht sich die Ver­ wirbelung in der oberen Teilkammer, wodurch eine Beruhigung der Flüssigkeitsoberfläche bewirkt und das Aufreißen von Flüssigkeitsbestandteilen in den Gasflüssigkeitsbereich der zu einer Abkühlung füh­ ren würde, vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aus einer oder mehreren Tauschkammern bestehen, die je nach vorgesehenen Einsatzgebiet kombiniert werden kön­ nen.

Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt gegenüber bekannten Vorrichtungen einen höheren Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Dies wird erreicht durch die Trennung von Gas- und Flüssigkeitsphase, durch die Möglichkeit der Optimierung der Anlage in Form von Kombinationen der Kammern, durch die Rückgewinnung von Kondensat aus Abschwadungen und der Nutzung von Wärmemengen aus nicht wieder verwendbaren Flüssig­ keiten wie Absalzung und Abschlämmung. Damit ver­ bunden ist eine gleichzeitige deutliche Verringe­ rung der Umweltbelastung.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Minderung des Instandhaltungsaufwandes und der damit im Zu­ sammenhang stehenden Kosten.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann in allen Berei­ chen der Technik angewendet werden, in denen Gase eingesetzt werden, die noch nutzbare Wärme enthal­ ten. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Heiz- und Heizkraftwerke sowie Industrieanlagen, in denen Dampfprozesse erforderlich sind. Genutzt werden können Abschwadungen und Flüssigkeitsmengen aus Kondensatnetzen, Druckentgasung von Speisewasserbe­ hältern, dampfbeheizten Sicherheitsventilen, Leck­ dampfkondensation von Dampfturbinen, Absalzung, Ab­ schlämmung usw.

Darüberhinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in vielen anderen Anwendungsfällen von Berei­ chen des Wärmetauschern eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zuge­ hörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Teilkammer, in der die Rohrschlan­ gen in Form von zwei Doppelkegeln ausgebildet sind,

Fig. 2 eine Teilkammer, bei der die Rohr­ schlangen als Kegel und Zylinder ausgebildet sind,

Fig. 3 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der drei Kammern in einem Block angeordnet sind und

Fig. 4 eine Darstellung von Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Kammern.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Teilkammer ist die Rohrschlange in Form von zwei miteinander verbun­ denen Kegeln 6 ausgeführt. Unterhalb jedes Kegels 6 ist eine Heizstufenverwirbelungsscheibe 7 an der Rohrschlange mittels einer Halterung 8 befestigt. Zur Verbesserung der Führung des wärmeabgebenden Mediums ist innerhalb des Behältermantels 1 eine Leithülse 5 angebracht, die sich vom Behälterdeckel 13 bis zum Behälterboden 12 erstreckt.

Die Heizstufenverwirbelungsscheibe 7 des oberen Ke­ gels 6 teilt die Teilkammer in zwei Stufen. Die Eintrittsöffnungen 2 des wärmeabgebenden Mediums sind dabei so angeordnet, daß der obere Teil des Kegels 6 in der ersten Stufe von diesem Medium zu­ erst berührt wird. Die am Behälterdeckel 13 ange­ brachten Eintrittsöffnungen 2 sind nach innen etwas eingezogen. Die Kammer ist senkrecht angeordnet und stellt das Heizzentrum des Wärmetauschers dar. Durch eine einseitige Verriegelung 11 der Austrittsöffnungen 9 für das wärmeabgebende Medium wird im Gasraum der ersten Teilkammer ein Vakuum erzeugt. Die Fließrichtung des wärmeabgebenden Me­ diums verläuft dabei von oben nach unten und die des wärmeaufnehmenden Mediums von unten nach oben.

Die Austrittsöffnung 3 des wärmeaufnehmenden Medi­ ums befindet sich unmittelbar am Eintritt des wär­ meabgebenden Mediums. Behälterboden 12 und Behälterdeckel 13 sind abgerundet ausgeführt. Am Behälterdeckel 13 ist ein Anschlußelement ange­ bracht um die Installation von Kontroll- und Si­ cherheitseinrichtungen zu ermöglichen. Die Ein­ trittsöffnung 10 für das wärmeaufnehmende Medium ist am Behälterboden 12 angeordnet. Als Werkstoff für die Kammern einschließlich aller Einbauten wird rostfreier Stahl verwendet. Die zwischen Behälter­ mantel 1 und Behälterdeckel 13 angeordnete Dichtung 4 besteht aus hitzebeständigem Material und wird von einem Führungsband markiert.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Teilkammer dargestellt. Die Rohrschlange besteht hierbei aus einem Zylinder 15 mit einem aufgesetzten Kegel 6. Unterhalb des Ke­ gels 6 befindet sich eine Heizstufenverwirbelungs­ scheibe 7, welche die Kammer in zwei Stufen unter­ teilt. Zur kontrollierten Führung des wärmeabgeben­ den Mediums ist eine Leithülse 5 angeordnet, die sich vom Behälterdeckel 13 in der ersten Stufe bis zum Behälterboden 12 in der zweiten Stufe fort­ setzt. Zwischen dem Außendurchmesser der Heizstufenverwirbelungsscheibe 7 und der Leithülse 5 besteht ein geringer Spalt zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe.

Die am Behälterdeckel 13 angebrachten Eintrittsöff­ nungen 2 des wärmeabgebenden Mediums sind etwas nach innen eingezogen und so angeordnet, daß der obere Teil des Kegels 6 in der ersten Stufe von diesem Medium zuerst berührt wird. Die Fließrich­ tung des wärmeabgebenden Mediums ist von oben nach unten und die des wärmeaufnehmenden Mediums von un­ ten nach oben. Die Austrittsöffnung 3 des wärmeauf­ nehmenden Mediums befindet sich unmittelbar am Ein­ tritt des wärmeabgebenden Mediums.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer oberen Teilkammer 16, einer mittleren Teil­ kammer 19 und einer unteren Teilkammer 20. Die Teilkammer 20 stellt dabei eine vereinfachte Bau­ form der Teilkammer 19 dar. Die Kammern werden senkrecht übereinander montiert, wobei die an ober­ ster Stelle installierte obere Teilkammer 16 zwei Kegel 6 aufweist. Die Austrittsöffnungen des wärmeabgebenden Mediums an der oberen Teilkammer 16 sind separat ausgeführt und werden zur Eintritts­ öffnung der mittleren Teilkammer 19 zusammengefaßt und sind einseitig verriegelt. Die Flüssigkeitshöhe in den Kammern 19 und 20 wird mit Hilfe einer Schleife 23 vorgegeben und ist anlagebedingt unter­ schiedlich. Es ist auch möglich, die Flüssigkeits­ höhe mit anderen technischen Mitteln, beispiels­ weise mit Regelventilen, zu steuern. Das wärmeabge­ bende Medium fließt von oben nach unten und wird in einem Kondensatbehälter 14 oder einer Grube zur Wei­ ternutzung gesammelt oder in das öffentliche Netz abgeführt. Das wärmeaufnehmende Medium fließt kon­ tinuierlich von unten nach oben den Eintrittsöff­ nungen 2 des wärmeabgebenden Mediums in der oberen Teilkammer 16 entgegen. Die Wärmeübertragung des wärmeabgebenden Mediums erfolgt dabei in der oberen Teilkammer 16 im reinen Gaszustand, in der mittle­ ren Teilkammer 19 im Gasflüssigkeitsbereich (erste Stufe) und im Flüssigkeitsbereich (zweite Stufe) und in der unteren Teilkammer 20 nur im Flüssig­ keitsbereich. Die Kammern sind miteinander durch Verbindungsstücke 18 verbunden und bilden einen Block, der bis auf den Behälterdeckel 13 mit einer Wärmedämmschicht 17 versehen ist. In der unteren Teilkammer 20 sind die Rohrschlangen zu einem Kör­ per 21 ausgebildet, der einen Zylinder mit aufge­ setztem Kegel darstellt. Durch die am Ausgang der Wärmetauschanlage angebrachte einseitig wirkende Verriegelung 24 des Wärmetauschers wird ein Zurück­ strömen des wärmeabgebenden Mediums in die Wärme­ tauschkammer verhindert.

Die Fig. 4 zeigt die Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Kammern. Die Anzahl der Kammern die zu einem Block zusammengefaßt werden ist wähl­ bar in Abhängigkeit von:

• - Temperatureintritt des wärmeabgebenden Medi­ ums,
• - Temperaturaustritt des wärmeabgebenden Medi­ ums,
• - Temperatureintritt des wärmeaufnehmenden Me­ diums und
• - Massestrom des wärmeabgebenden Mediums.

Bezugszeichenliste

1 Behältermantel
2 Eintrittsöffnung des wärmeabgebenden Mediums
3 Austrittsöffnung des wärmeaufnehmenden Mediums
4 Dichtung zwischen Behälter und Behälterdeckel
5 Leithülse
6 Rohrschlange als Kegel
7 Heizstufenverwirbelungsscheibe
8 Halterung für Heizstufenverwirbelungsscheibe
9 Austrittsöffnung des wärmeabgebenden Mediums
10 Eintrittsöffnung des wärmeaufnehmenden Mediums
11 Verriegelung
12 Behälterboden
13 Behälterdeckel
14 Kondensatbehälter
15 Rohrschlange als Zylinder
16 obere Teilkammer
17 Wärmedämmschicht
18 Verbindungsstücke zwischen den Kammern
19 mittlere Teilkammer
20 untere Teilkammer
21 Rohrschlange aus Zylinder mit Kegel
22 Abführungsleitung
23 Schleife
24 Verriegelung des Wärmetauschers

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Nutzung von Wärme- und/oder Flüssigkeitsmengen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen an Dampferzeugern und deren nachgeschalteten Anlagen, wobei in einer Wärmetauschkammer, die aus einem Behältermantel (1), einem Behälterdeckel (13) und einem Behälterboden (12) besteht und in der sich Rohrschlangen befinden, die in mindestens zwei miteinander verbundenen Bereichen angeordnet sind und bei der am Ausgang des Wärmetauschers eine ein­ seitig wirkende Verriegelung (11) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschkammer aus mindestens zwei übereinander angeordneten Teil­ kammern (16,19) besteht, wobei die obere Teilkammer (16) im unteren Bereich eine Austrittsöffnung (9) und die untere Teilkammer (19) im oberen Bereich eine Eintrittsöffnung (2) für das wärmeabgebende Medium aufweist und daß zwischen den Austrittsöff­ nungen (9) des wärmeabgebenden Mediums der oberen Teilkammer und den Eintrittsöffnungen (2) des wär­ meabgebenden Mediums der unteren Teilkammer (19) eine einseitig wirkende Verriegelung (11) angeord­ net ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Rohrschlange unterhalb minde­ stens eines Rohrschlangenbereiches eine Heizstufen­ verwirbelungsscheibe (7) angeordnet ist, deren äu­ ßere Begrenzung bis auf einen geringen Spalt bis zum Behältermantel (1) reicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Behältermantel (1) und Heizstufenverwirbelungsscheibe (7) eine Leithülse (5) angeordnet ist, die sich vom Behälterdeckel (13) bis zum Behälterboden (12) erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der oberste Rohrschlangenbereich aus einem Kegel (6) bestehen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rohrschlan­ genbereich aus einem Zylinder (15) und der obere Rohrschlangenbereich aus einem Kegel (6) besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Wärme­ tauschkammern übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Kammern eine einseitig wirkende Ver­ riegelung (11) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abführungslei­ tung (22) nach der untersten Kammer (20) eine zu­ sätzliche Schleife (23) angeordnet ist, deren Höhe geringer als die Höhe der obersten Verriegelung (11) in einer der Kammern ist.