DE19503506C2

DE19503506C2 - Vorrichtung zur Nutzung von Wärme- und/oder Flüssigkeitsmengen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen an Dampferzeugern

Info

Publication number: DE19503506C2
Application number: DE19503506A
Authority: DE
Inventors: Karl-August Jacob; Frank Steinhaeuser
Original assignee: Individual
Current assignee: STEINHAEUSER, FRANK, 99837 WUENSCHENSUHL, DE
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: DE19503506A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Wärme- und/oder Flüssigkeitsmengen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen an Dampferzeugern und deren nachgeschalteten Anlagen.

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

Nach der Patentschrift DD 206 815 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Hochdruckdampfkessels bekannt, bei dem das heiße Kondensat dem freien Raum eines Wärmetauschers zugeführt wird, das zu erwärmende Speisewasser dem Wärmetauscher zugepumpt, im Wärmetauscher vom kalten zum warmen Bereich spiralförmig geführt und vom Wärmetauscher in den Dampfkessel geleitet wird. Dadurch 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 entstandenen 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 erfolgt und daß auch die in nichtwiederverwendbaren Flüssigkeiten enthaltene Wärmemenge genutzt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor, daß an der Rohrschlange unterhalb 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 Kavitationsschlägen geschützt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen entsteht dadurch, daß mindestens der oberste Rohrschlangenbereich aus einem Kegel bestehen oder daß der untere Rohrschlangenbereich aus einem Zylinder und der obere Rohrschlangenbereich aus einem Kegel besteht.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung entsteht dadurch, daß in der Abführungsleitung nach der untersten Teilkammer eine zusätzliche Schleife angeordnet ist, deren Höhe geringer als die Höhe der obersten Verriegelung in der Teilkammer 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 vorteilhaft, daß das aus der Nutzung von Abschwadungen entstandene Kondensat dabei dem Anlagenprozeß wieder zugeführt werden kann.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt der Wärmetauschprozeß nach einem mehrstufigen Wirbelimplosions-Tauschprinzip, welches in einer oder mehreren senkrecht angeordneten Kammern bewirkt wird, in denen sich unterschiedliche Rohrschlangen befinden. Dies wird dadurch erreicht, daß das wärmeabgebende Medium im kegelförmigen Bereich der Rohrleitungen eine intensive Turbulenz entwickelt und dadurch einen großen Teil seines Wärmeinhaltes an den Rohrkegel abgibt. Das einströmende wärmeabgebende Medium verdampft dabei, umströmt mit hoher Geschwindigkeit den Rohrkegel. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dabei durch eine hohe Verwirbelung in den Stufen der oberen Kammer, in der eine reine Gasphase vorhanden ist, erreicht. Die hohe Turbulenz 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 Wärmetauschprozesses in Gas- und Flüssigkeitszonen in den erfindungsgemäßen Kammern anzusehen. Durch den Tauschprozeß mit reiner Gasphase kann eine extrem hohe Wärmetauschzahl erzielt werden, was einen starken und kontinuierlichen Temperaturanstieg des wärmeaufnehmenden Mediums bis zu seinem Austr itt aus der ersten Teilkammer und damit eine optimale Gestaltung des Wärmetauschprozesses ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es durch die Unterteilung in zwei Teilkammern, wobei in der ersten Teilkammer eine kegelförmige Rohrschlangenanordnung mit Heizstufenverwirbelungsscheibe 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 Anordnung einer Heizstufenverwirbelungsscheibe zusätzlich eine Trennung zwischen Gas/Flüssigkeits- und Flüssigkeitszone, dadurch erhöht sich die Verwirbelung in der oberen Teilkammer, wodurch eine Beruhigung der Flüssigkeitsoberfläche bewirkt und das Aufreißen von Flüssigkeitsbestandteilen in den Gasflüssigkeitsbereich der zu einer Abkühlung führen würde, vermieden wird.

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

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 Flüssigkeiten wie Absalzung und Abschlämmung. Damit verbunden ist eine gleichzeitige deutliche Verringerung der Umweltbelastung.

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

Die erfindungsgemäße Anordnung kann in allen Bereichen der Technik angewendet werden, in denen Gase eingesetzt werden, die noch nutzbare Wärme enthalten. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Heiz- und Heizkraftwerke sowie Industrieanlagen, in denen Dampfprozesse erforderlich sind. Genutzt werden können Abschwadungen und Flüssigkeitsmengen aus Kondensatnetzen, Druckentgasung von Speisewasserbehältern, dampfbeheizten Sicherheitsventilen, Leckdampfkondensation von Dampfturbinen, Absalzung, Abschlämmung usw.

Darüberhinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in vielen anderen Anwendungsfällen bei Wärmetauschern eingesetzt werden.

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

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

Fig. 2 eine Teilkammer, bei der die Rohrschlangen als Kegel und Zylind er 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 verbundenen 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 Kegels 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 zuerst berührt wird. Die am Behälterdeckel 13 angebrachten 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 Mediums verläuft dabei von oben nach unten und die des wärmeaufnehmenden Mediums von unten nach oben. Die Austrittsöffnung 3 des wärmeaufnehmenden Mediums befindet sich unmittelbar am Eintritt des wärmeabgebenden Mediums. Behälterboden 12 und Behälterdeckel 13 sind abgerundet ausgeführt. Am Behälterdeckel 13 ist ein Anschlußelement angebracht um die Installation von Kontroll- und Sicherheitseinrichtungen zu ermöglichen. Die Eintrittsöffnung 10 für das wärmeaufnehmende Medium ist am Behälterboden 12 angeordnet. Als Werkstoff für die Kammern einschließlich aller Einbauten wird rostfreier Stahl verwendet. Die zwischen Behältermantel 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 Kegels 6 befindet sich eine Heizstufenverwirbelungsscheibe 7, welche die Kammer in zwei Stufen unterteilt. Zur kontrollierten Führung des wärmeabgebenden Mediums ist eine Leithülse 5 angeordnet, die sich vom Behälterdeckel 13 in der ersten Stufe bis zum Behälterboden 12 in der zweiten Stufe fortsetzt. 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 Eintrittsöffnungen 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 Fließrichtung des wärmeabgebenden Mediums ist von oben nach unten und die des wärmeaufnehmenden Mediums von unten nach oben. Die Austrittsöffnung 3 des wärmeaufnehmenden Mediums befindet sich unmittelbar am Eintritt des wärmeabgebenden Mediums.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer oberen Teilkammer 16, einer mittleren Teilkammer 19 und einer unteren Teilkammer 20. Die Teilkammer 20 stellt dabei eine vereinfachte Bauform der Teilkammer 19 dar. Die Kammern werden senkrecht übereinander montiert, wobei die an oberster 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 Eintrittsöffnung 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 unterschiedlich. Es ist auch möglich, die Flüssigkeitshöhe mit anderen technischen Mitteln, beispielsweise mit Regelventilen, zu steuern. Das wärmeabgebende Medium fließt von oben nach unten und wird in einem Kondensatbehälter 14 oder einer Grube zur Weiternutzung gesammelt oder in das öffentliche Netz abgeführt. Das wärmeaufnehmende Medium fließt kontinuierlich von unten nach oben den Eintrittsöffnungen 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 mittleren Teilkammer 19 im Gasflüssigkeitsbereich (erste Stufe) und im Flüssigkeitsbereich (zweite Stufe) und in der unteren Teilkammer 20 nur im Flüssigkeitsbereich. 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 Körper 21 ausgebildet, der einen Zylinder mit aufgesetztem Kegel darstellt. Durch die am Ausgang der Wärmetauschanlage angebrachte einseitig wirkende Verriegelung 24 des Wärmetauschers wird ein Zurückströmen des wärmeabgebenden Mediums in die Wärmetauschkammer verhindert.

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

- Temperatureintritt des wärmeabgebenden Mediums,
- Temperaturaustritt des wärmeabgebenden Mediums,
- Temperatureintritt des wärmeaufnehmenden Mediums

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

1. Vorrichtung zur Nutzung von Wärme- und/oder Flüssigkeitsmengen aus Gas- und Flüssigkeitsströmen an Dampferzeugern und deren nachgeschalte ten Anlagen mit einer Wärmetauschkammer, die aus mindestens zwei übereinander angeordneten Teilkammern (16, 19) besteht, wobei die obere Teilkammer (16) im unteren Bereich eine Austrittsöffnung (9) und die unter Teilkammer (19) im oberen Bereich eine Eintrittsöffnung (2) für das wärmeabgebende Medium aufweist und daß zwischen den Austrittsöffnun gen (9) des wärmeabgebenden Mediums der oberen Teilkammer und den Eintrittsöffnungen (2) des wärmeabgebenden Mediums der unteren Teilkam mer (19) eine einseitig wirkende Verriegelung (11) angeordnet ist, wobei jede Teilkammer (16, 19) aus einem Behältermantel (1), einem Behälterdec kel (13) und einem Behälterboden (12) besteht und in der sich Rohrschlan gen befinden, die in mindestens zwei miteinander verbundenen Rohrschlangen-Bereichen angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rohrschlange unterhalb mindestens eines Rohrschlangenbereiches eine Heizstufenverwirbelungsscheibe (7) angeordnet ist, deren äußere Begren zung 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 Rohrschlangenbereich 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 in der Abführungsleitung (22) nach der untersten Teil-Kammer (20) eine zusätzliche Schleife (23) angeordnet ist, deren Höhe geringer als die Höhe der obersten Verriegelung (11) in einer Teil-Kammer ist.