DE19637313C2

DE19637313C2 - Vorrichtung zum Aufheizen von Teilen

Info

Publication number: DE19637313C2
Application number: DE19637313A
Authority: DE
Inventors: Helmut Strzala
Original assignee: Hedrich Wilhelm Vakuumanlagen GmbH and Co KG
Current assignee: Hedrich Wilhelm Vakuumanlagen GmbH and Co KG
Priority date: 1995-09-16
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: DE19637313A1; DE19637313C5; CH691081A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufheizen von Teilen mit hygroskopischen Elektro-Isolierungen auf Zellstoff- und/oder Kunststoffbasis zum Zwecke der Trocknung unter Vakuum gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es gibt verschiedene Verfahren, nach denen Teile, die im Vakuum getrocknet werden sollen, auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Kondensationsaufheizverfahren, geläufiger unter der Bezeichnung Vapour-Phase-Verfahren. Ein solches Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung ist aus der DE 44 46 204 C1 bekannt. Dabei befinden sich die zu trocknenden Teile, es handelt sich im wesentlichen um papierisolierte elektrische Teile, wie beispielsweise Transformatoren, Kondensatoren, Stromwandler, Stromdurchführungen etc., in einer vakuumdichten Kammer oder in einem vakuumdichten Gehäuse. Bevor die Papierisolierungen zur Erhöhung ihrer Durchschlagfestigkeit mit Transformatorenöl imprägniert werden, muß ihnen das aufgrund der Luftfeuchte im Papier gelöste Wasser entzogen werden. Dazu werden die Geräte unter Vakuum aufgeheizt. Dabei verdampft das Wasser und wird in dem der Vakuumpumpe vorgeschalteten Kondensator niedergeschlagen. Zum Aufheizen der Teile auf die erforderlichen Trocknungstemperaturen wird der Dampf einer niedrig siedenden Flüssigkeit, wie z. B. Kerosin, als Heizmedium in die Kammer eingelassen. Bei der Kondensation des Dampfes auf den noch kälteren Oberflächen der Teile geht die freiwerdende Kondensationswärme auf diese über und erhöht die Temperatur. Falls die Transformatorenspulen vorimprägniert sind oder es sich um bereits im Betrieb gewesene Transformatorenteile handelt, enthält die Isolation auch Öl. Bei der Trocknung wird der Isolation nicht nur Wasser, sondern auch Öl entzogen. Das abfließende Kondensat löst das aus den Teilen aufgenommene Öl bzw. die anhaftenden Reste von Öl, welches insbesondere bei der Wiederaufarbeitung von Transformatoren in erheblichen Mengen auftreten kann. Zur Wiederverwendung der Heizflüssigkeit wird die abfließende Flüssigkeit aufgefangen und durch eine Förderpumpe einem Verdampfer zugeführt. Aufgrund der zunehmenden Anreicherung des höher siedenden Öles im Wärmeträgerkreislauf verringert sich der Dampfdruck der Heizflüssigkeit. Dadurch nimmt die Verdampferleistung ab und die notwendige Temperatur wird an den aufzuheizenden Teilen nicht mehr erreicht. In diesem Fall muß das Öl aus dem Kreislauf des Arbeitsmediums, bspw. des Kerosins, abgetrennt werden.

In der eingangs genannten DE 44 46 204 C1 ist der Verdampfer als Durchflußverdampfer mit aufsteigendem Flüssigkeitsstrom ausgebildet. Beim Verdampfen zieht das Kerosin in den Röhren das abzutrennende Öl mit sich und scheidet sich in einem Expansionsraum von dem Öl, welches in Folge Schwerkraft in eine Nachverdampfereinrichtung läuft, in der sich ein noch niedrigerer Druck einstellt als im Durchflußverdampfer. Dadurch wird das restliche Öl vom Kerosin abgetrennt. Bei dieser Lösung ist also neben dem eigentlichen Verdampfer noch ein eigener Nachverdampfer notwendig, was den apparativen Aufwand erhöht.

Ähnliche Verfahren und Vorrichtungen sind bei der Entfernung von giftigen oder bei ihrer Erhitzung Gift freigebenden Stoffen, wie polychlorierten Biphenylen aus Transformatoren bekannt. So ist in der EP 290 098 B1 ein Verfahren zum Extrahieren von Öl oder von polychloriertem Biphenyl (PCB) mittels eines Lösungsmittels aus imprägnierten elektrischen Teilen beschrieben, bei dem das Lösungsmittel wieder aus dem Öl- oder PCB-Lösungsmittel-Gemisch herausdestilliert wird. Dabei wird in einem zuvor evakuierten Autoklaven mit darin befindlichen zu reinigenden Teilen das leicht flüchtige Lösungsmittel in einer Aufheizphase in einem im Autoklaven angeordneten Verdampfer verdampft. Der Lösungsmitteldampf kondensiert dann an den zu reinigenden Teilen, erwärmt diese und dringt in die elektrische Isolation ein, wo er das Öl oder das PCB aus der elektrischen Isolation herauslöst. Der PCB oder Öl enthaltende Lösungsmitteldampf wird dann von einer Vakuumpumpe aus dem Autoklaven gesaugt und kondensiert. Die beiden Flüssigkeiten werden schließlich in einem Abscheider getrennt, wobei das Lösungsmittel wieder dem Verdampfer im Autoklaven zugeführt wird. Zwischen den Aufheizphasen sind mehrere Zwischendruckabsenkphasen vorgesehen, in denen gleichzeitig eine Destillationsphase durchgeführt wird, bei welcher das leicht flüchtige Lösungsmittel aus dem Öl- oder PCB- Lösungsmittelgemisch direkt aus dem Autoklaven abdestilliert wird. Dabei wird die Lösungsmittelzufuhr zum Verdampfer abgestellt und eine Umwegleitung geöffnet, die das sich am Boden des Autoklaven sammelnde Kondensat über eine Förderpumpe dem Verdampfer zuleitet und so das Gemisch umwälzt und dabei destilliert. Ein Nachteil der Vorrichtung nach der EP 290 098 ist, daß ein Lösungsmittel gewählt werden muß, welches PCB löst, wie z. B. ein Kohlenwasserstoffderivat, ein chloriertes Kohlenwasserstoffsulvent oder ein halogenierter Kohlenwasserstoff, wie Tetrachlorethylen. Auch ist bei der bekannten Anlage ein Heizbetrieb nur ohne Kondensatabzug vom Boden des Autoklavens möglich. Darüber hinaus bedarf es bei der Vorrichtung gemäß der EP 290 098 eines Aufsprühens des Lösungsmittels auf die zu erhitzenden Teile.

Eine Trocknungsanlage der eingangs genannten Art ist z. B. auch aus der DE 30 14 831 C2 bekannt, wobei als Verdampfer ein Kaskadenverdampfer eingesetzt wird. Nachteilig hierbei ist, daß im Falle des Auftretens von Transformatorenöl die Abscheidung des Öls aus der niedrig siedenden Heizflüssigkeit, wenn kein Nachverdampfer verwendet wird, erst nach dem eigentlichen Trocknungsprozeß in einem eigenen Arbeitsgang durchgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufheiz- und Trockenvorrichtung der genannten Art anzugeben, bei welcher die Abscheidung der höher siedenden Flüssigkeit ohne höheren apparativen Aufwand und möglichst schon während des eigentlichen Trocknungsbetriebes stattfinden kann, so daß die Nutzungszeit der Vakuumkammer erhöht wird.

Zur Lösung der Aufgabe ist es nach der Erfindung vorgesehen, daß der Verdampfer über eine schließbare Öffnung mit dem Vakuumkessel und über eine Umwegleitung direkt mit dem Kondensator in Verbindung gebracht werden kann.

Ausführungen der Erfindung und eine neue Betriebsweise sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anschlußmöglichkeiten des Verdampfers entweder an den Kessel oder direkt an den Kondensator sind zwei unterschiedliche Betriebsweisen möglich. Die erste ist der normale Betrieb, bei dem im Verdampfer Heizflüssigkeit verdampft wird, die dann in den Vakuumkessel gelangt und die zu behandelnden Teile durch Kondensation erwärmt. Die zweite Betriebsweise ist die Reinigung der Heizflüssigkeit. Dabei wird erfindungsgemäß die Öffnung zum Verdampferkessel geschlossen und die Umwegleitung zum Kondensator geöffnet, so daß die das höher siedende Medium enthaltende Lösung des Wärmeträgers innerhalb des Verdampfers aufgeheizt, die niedriger siedende Flüssigkeit verdampft und direkt dem Kondensator zugeführt wird, während die höher siedende Flüssigkeit unverdampft abgezogen wird, bevorzugt an einer im Verdampfer angeordneten Stelle. Diese Abscheidung führt man bevorzugt in der oder den Druckabsenkphasen durch, das heißt, die Unterbrechung der Dampfzufuhr zum Vakuumkessel erfolgt z. B. nach Erreichen einer bestimmten Objektgrenztemperatur, nach der bereits ein großer Feuchteanteil entfernt ist.

Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Verdampferraum für den Ölabscheider nicht erforderlich. Es kann jeweils während der Druckabsenkungsphasen und/oder während der Feintrocknung Transformatorenöl abgeschieden werden. Mit den bisher bekannten Verdampfern ist die Abscheidung von Transformatorenöl nur am Ende des Trockungsprozesses in einem zusätzlichen Verfahrensschritt möglich. Der Trocknungskessel ist dadurch beim Stand der Technik für die nächste Charge blockiert. Durch die Erfindung wird eine integrierte Bauform erreicht, ohne das ein zusätzlicher explosionsgeschützter Verdampferraum erforderlich ist.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Verdampfer ein kontinuierlich arbeitender Verdampfer ist, wie z. B. ein Fallfilmverdampfer, ein Steigfilmverdampfer oder ein Kaskadenverdampfer. Diese Verdampfer zeichnen sich durch kontinuierliche Betriebsweisen aus, welche dem kontinuierlichen Prozeß der Erfindung entgegen kommt. Besonders geeignet ist ein Fallfilmverdampfer, da dort die Trennung zwischen den beiden Flüssigkeiten bereits im Verdampfer erfolgen kann. Die Sammlung der schwerer flüchtigen Komponente, insbesondere des Transformatoröles, kann durch einfache Anordnung eines Sammelraumes, bevorzugt am Boden des Verdampfers, erfolgen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Verdampfer direkt an der Außenseite des Vakuumkessels angeordnet ist. Bei dieser integrierten Lösung nimmt der Verdampfer nur wenig zusätzlichen Bauraum ein. Der Übergang der verdampften Substanz in den aufzuheizenden Raum ist besonders einfach und erfolgt ohne wesentliche Verluste, wie dies bei langen Wegen auftreten würde. Dadurch wird eine integrierte, kompakte Bauweise erreicht.

Eine besonders vorteilhafte Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn der Verdampfer taktweise betrieben wird, wobei sich die Aufheizphasen, in denen der Verdampfer mit der Vakuumkammer verbunden ist, mit den Druckabsenkphasen, in denen der Verdampfer vom Vakuumkessel getrennt ist und mit dem Kondensator in Verbindung steht, so daß die Heizflüssigkeit von der höher siedenden Fraktion befreit wird, abwechseln.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Aufheiz- und Trockenanlage gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vakuumkessels mit integriertem Verdampfer,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vakuumkessels mit integriertem Verdampfer,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 2 gemäß der Schnittlinie A-A,

Fig. 5 einen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 4 gemäß Schnittlinie B-B und

Fig. 6 den Temperatur- und Druckverlauf im Vakuumkessel während des Aufheizens und Trocknens.

Fig. 1 zeigt einen evakuierbaren Vakuumkessel 1, in dem sich die zu trocknenden Teile 2, wie bspw. Transformatoren, befinden. Am Vakuumkessel 1 angebaut ist der Verdampfer 3 für die Heizflüssigkeit, z. B. Kerosin, wobei hier der Verdampfer als Fallfilmverdampfer ausgestaltet ist. Der Verdampfer 3 weist eine Öffnung auf, die zum Vakuumkessel 1 führt und über das Ventil 4 schließbar ist. Eine Umgehungsleitung, verschließbar über Ventil 5, führt zum Kondensator 11; eine Abzugsmöglichkeit für die höher siedende zweite Flüssigkeit, z. B. Transformatorenöl, führt über Ventil 7 zur Förderpumpe 8 oder über Ventil 6 zum Behälter 9, in dem sich das abfließende Kondensat vom Vakuumkessel 1 und vom Kondensator 11, befreit im Trenngefäß 14 von Wasser, sammelt. Die Förderpumpe 10 leitet die Heizflüssigkeit zum Verdampfer 3. An den Vakuumkessel 1 angeschlossen sind über die Reguliereinrichtung 12 und den Kondensator 11 die Vakuumpumpe 13 sowie über den Kondensator 15 die Vakuumpumpe 16.

Der die zu trocknenden Teile enthaltende Vakuumkessel 1 wird anfänglich mit der Vakuumpumpe 16 mit vorgeschaltetem Kondensator 15 evakuiert. Im weiteren Verlauf des Trocknungsprozesses werden aus den Teilen 2 austretender Wasserdampf und in das Vakuumsystem einströmende Leckluft mit der Vakuumpumpe 13 und dem Kondensator 11 über die Reguliereinrichtung 12 abgesaugt, welche eine Drucksperre zwischen dem Vakuumkessel 1 und dem Kondensator 11 bildet.

Von dem, hier als Fallfilmverdampfer ausgebildeten, Verdampfer 3 wird Kerosindampf in den Vakuumkessel 1 eingeführt. Der Kerosindampf kondensiert an den Oberflächen der Teile 2 und gibt seine Kondensationswärme an diese ab, wodurch die Temperatur im Hinblick auf die gewünschte Trocknung der Teile 2 erhöht wird. Das abfließende Kondensat sammelt sich im Behälter 9 und wird von der Förderpumpe 10 in den Verdampfer 3 zurückgeführt. Das Kerosin wird durch die Einlauftüllen am Eingang des Verdampfers 3 gleichmäßig auf dessen Rohre verteilt und läuft an den beheizten Innenflächen der Rohre nach unten. Der entstehende Kerosindampf strömt direkt in den Vakuumkessel 1 und kondensiert an den aufzuheizenden Teilen 2. Mit zunehmender Temperatur der Teile 2 steigt auch der Kerosindampfdruck in dem Vakuumkessel 1. Dadurch wird nicht mehr die gesamte Kerosinmenge verdampft, d. h. ein Teil läuft unverdampft durch die Verdampferrohre und wird ohne Energieverlust dem Kerosinkreislauf durch das Ventil 6 wieder zugeführt.

Der aus der Isolation austretende Wasserdampf wird zusammen mit der Leckluft und einem Teil des Kerosindampfes in den Kondensator 11 gesaugt. Dort kondensieren Kerosindampf und Wasserdampf und laufen in das darunter befindliche Trenngefäß 14 ab. Die Leckluft wird von der Vakuumpumpe 13 abgesaugt.

Werden vorimprägnierte Spulen oder Aktivteile von Reparaturtransformatoren aufgeheizt, so wird das Öl von dem abfließenden Kerosin-Kondensat ausgewaschen und in dem Kerosin gelöst. Die Folge ist eine Dampfdruckabsenkung der in den Verdampfer 3 geförderten Kerosin-Öllösung und eine zunehmende geringere Aufheizgeschwindigkeit durch Verringerung des den Dampftransport bestimmenden Druckgefälles zwischen Verdampfer 3 und Vakuumkessel 1. Um die Aufheizung mit der vollen Leistung fortsetzen zu können, muß das gelöste Transformatorenöl aus dem Kerosin ausgeschieden werden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß z. B. am Ende der Aufheizung oder während der Feintrocknung das Ventil 4 geschlossen wird. Mit einem einstellbaren Durchsatz wird Kerosinlösung in den Verdampfer 3 gefördert. Durch Öffnen des Ventils 5 wird die direkte Verbindung zum Kondensator 11 hergestellt. Der Kerosindampf wird abgesaugt, kondensiert und in den Vorratstank 9 oder einen anderen Vorratstank zurückgefördert. Das Transformatorenöl läuft unverdampft durch die Verdampferrohre nach unten und wird mit der Förderpumpe 8 abgepumpt.

Wegen der direkten Verbindung zum Kondensator 11 wird der Druck im Verdampfer 3 auf den Kerosinpartialdruck des Kondensators abgesenkt. Dadurch ist eine optimale Trennung von Kerosin und Transformatorenöl möglich. Die kleinstmögliche Restkonzentration des Kerosins hängt im wesentlichen nur von der Kühlwassertemperatur des Kondensators 11 ab.

Z. B. während der Dauer der Zwischen-Drucksenkphasen kann somit im taktweisen Betrieb der Kerosinkreislauf gereinigt werden, so daß bei Fortsetzung der Aufheizung die volle Verdampferleistung zur Verfügung steht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den als Fallfilmverdampfer ausgebildeten Verdampfer 3 mit Ein- und Ausgang für das Wärmeträgermittel (Kerosin), mit den Rohren 17 als die Heizflüssigkeit führende Rohre, mit der Verteileinrichtung am Kopf des Verdampfers 3 zur gleichmäßigen Verteilung der Heizflüssigkeit, mit der verschließbaren Öffnung zum Vakuumkessel 1, über die das verdampfte Kerosin strömt, und mit der Abzugsmöglichkeit (Sammeleinrichtung) für die höher siedende Komponente ganz unten mit dem Flüssigkeitsstanzeiger LS.

Wie aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, ist der Verdampfer 3 bevorzugt seitlich des Vakuumkessels 1 an einer Außenwand angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Verdampfer 3 im Abstand vom Vakuumkessel 1 anzuordnen. Wesentlich ist stets, daß der Verdampfer 3, z. B. über das Ventil 4, in Strömungsverbindung mit dem Vakuumkessel 1 gebracht werden kann. Während der Phasen der Druckabsenkung wird das Ventil 4 geschlossen, wobei die im Kreislauf befindliche niedrig siedende Heizflüssigkeit der Lösung verdampft wird und die höher siedende Flüssigkeit unverdampft durch den Fallfilmverdampfer 3 nach unten läuft, gesammelt wird und von der Austragungspumpe 8 für die höher siedende Flüssigkeit abgezogen wird. Die niedriger siedende Heizflüssigkeit wird dem Kondensator 11 zugeführt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausführung des Verdampfers 3, wobei das Gehäuse des Verdampfers 3 zylindrisch ausgebildet ist. Die Verdampferrohre 17 befinden sich dann also in einem äußeren, das Gehäuse bildenden Rohr 18. Hierdurch ist gegenüber den Ausführungen der Fig. 2 und 3 eine einfachere Herstellung möglich.

Fig. 6 zeigt den Temperatur- und Druckverlauf während des Aufheizens und Trocknens mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Temperaturverlauf ist mit T, der Druckverlauf mit P gekennzeichnet. Die einzelnen Abschnitte des Prozesses sind bezeichnet mit:

1. A Vorbereitung des Prozesses,
2. B Aufheizung,
3. C endgültige Drucksenkung,
4. D Feintrocknung,
5. E Entnahme des zu trocknenden Teiles unterteilt und
6. Z Zwischendruckabsenkungen.

Im Bereich A wird der Vakuumkessel 1 auf den erforderlichen Betriebsdruck evakuiert. Im Bereich B findet die Aufheizung durch Kondensation des Kerosins an den aufzuheizenden Teilen 2 statt, wobei Zwischendrucksenkungsphasen Z zur Verbesserung des Feuchteentzugs eingesetzt werden. Da in diesen Zwischendrucksenkungsphasen Z der Verdampfer 3 für den eigentlichen Prozeß nicht benötigt wird, kann in diesen Zeiten erfindungsgemäß die Abscheidung des Öls vom Kerosin vorgenommen werden.

Da der Verdampfer ab Beginn der Phase C nicht mehr benötigt wird, kann er, wie bereits ausgeführt, während der Drucksenkungsphase C und der Feinvakuumphase D (Feintrocknung) ebenfalls zur Abscheidung des Öls vom Kerosin eingesetzt werden.

Abhängig von der Größe des aufzuheizenden und zu trockenden Transformators können mehrere Zwischendrucksenkungsphasen verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Aufheizen und Trocknen von Teilen (2) mit hygroskopischen Elektro-Isolierungen auf Zellstoff und/oder Kunststoffbasis, insbesondere Transformatoren, Kondensatoren, Meßwandlern oder Stromdurchführungen, unter Vakuum durch die Kondensationswärme des Dampfes einer Heizflüssigkeit, wobei während der Aufheizung aus den Teilen (2) mindestens eine höher siedende zweite Flüssigkeit anfällt, die mit der Heizflüssigkeit eine Lösung bildet, mit einem evakuierbaren Vakuumkessel (1), einer Vakuumpumpe (13) mit vorgeschaltetem Kondensator (11) und einem Verdampfer (3) für die Heizflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) wahlweise über eine schließbare Öffnung (4) mit dem Vakuumkessel (1) und über eine Umwegleitung direkt mit dem Kondensator (11) verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) eine Abzugsmöglichkeit für die höher siedende zweite Flüssigkeit aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) ein kontinuierlich arbeitender Verdampfer ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) ein Fallfilmverdampfer, ein Steigfilmverdampfer oder ein Kaskadenverdampfer ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) außenseitig des Vakuumkessels (1) angeordnet ist.

6. Verfahren zum Betreiben einer Aufheiz- und Trockenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (3) taktweise betrieben wird, wobei sich Aufheizphasen, in denen der Verdampfer (3) mit der Vakuumkammer (1) verbunden ist, mit Druckabsenkungsphasen (Z), in denen der Verdampfer (3) vom Vakuumkessel (1) getrennt ist und mit dem Kondensator (11) in Verbindung steht, so daß die Heizflüssigkeit von der höher siedenden Flüssigkeit befreit wird, abwechseln.