DE19701598C2 - Wärmetauscherrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr zum Konden­ sieren von Dampf durch Kühlluft mit oberer Dampfzuführung und unterer Kondensatabführung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Wärmetauscherrohre werden in der Regel gruppen- bzw. reihenweise zusammengefaßt und mit weiteren dephleg­ matorisch betriebenen Wärmetauscherrohren im Rahmen von luftgekühlten Kondensatoren gekoppelt. In diesem Zusam­ menhang dienen die dephlegmatorisch betriebenen Wärmetau­ scherrohre insbesondere dazu, der Einfriergefahr zu be­ gegnen.

Stand der Technik ist es, die dephlegmatorisch betriebe­ nen Wärmetauscherrohre (Kondensat fließt im Gegenstrom zum Dampf) getrennt von den im Gleichstrom betriebenen Wärmetauscherrohren (Kondensat strömt in Richtung des Dampfs) anzuordnen und den Überschußdampf aus den konden­ satorisch betriebenen Wärmetauscherrohren über Sammelkam­ mern und Rohrleitungen von unten in die dephlegmatorisch betriebenen Wärmetauscherrohre zu führen oder alternativ den Überschußdampf aus den kondensatorisch betriebenen Wärmetauscherrohren über eine Sammelkammer von unten in die im Gegenstrom betriebenen Wärmetauscherrohre strömen zu lassen. Alle Wärmetauscherrohre befinden sich in einem Kondensator. Dieser kann mit weiteren Kondensatoren, ins­ besondere dachförmig, zusammengestellt sein (DE 28 45 181 A1).

Obwohl sich das bekannte Prinzip grundsätzlich bewährt hat, muß aus der Erfahrung der Praxis festgestellt wer­ den, daß insbesondere hinsichtlich des K-D-Verhältnisses (Kondensator-Dephlegmator-Verhältnis) bislang stets Kom­ promisse eingegangen worden sind. Diese ergaben sich durch die - übers Jahr gesehen - unterschiedlichen Witte­ rungsverhältnisse, durch die Menge des jeweils maximal anfallenden Dampfs sowie auch durch die Ausgestaltung der Wärmetauscherrohrgruppen in Bezug auf die diesen zugeord­ neten verschiedenen Lüfter. Desweiteren sind im bekannten Fall Rohrleitungen notwendig, um Überschußdampf aus den kondensatorisch betriebenen Wärmetauscherrohren in die getrennt angeordneten dephlegmatorisch betriebenen Wärme­ tauscherrohre zu überführen. Ferner wird häufig das soge­ nannte "Verschlucken" von Kondensat in den dephlegmato­ risch betriebenen Wärmetauscherrohren beobachtet. Dieses Verschlucken tritt ein, wenn die Dampfgeschwindigkeiten beim Eintritt in die dephlegmatorisch betriebenen Wärme­ tauscherrohre noch so groß sind, daß sie das im Gegen­ strom in diesen Wärmetauscherrohren herabströmende Kon­ densat schirm- oder pufferartig aufhalten bzw. gegebenen­ falls diese Kondensatsäule sogar weiter nach oben drücken. Die Kondensationsleistung eines Kondensators wird durch das Verschlucken erheblich beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Wärmetauscherrohr vorzuschlagen, das bei einfacher Ausbildung und Fertigung eine gezielte Einstellung des K-D-Verhältnisses erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Kerngedanke der Erfindung bildet der Sachverhalt, den In­ nenraum eines Wärmetauscherrohrs gleichzeitig kondensato­ risch und dephlegmatorisch betreiben zu können. Zu diesem Zweck wird in den Innenraum eine sich in Strömungsrich­ tung des Dampfs erstreckende Trennwand eingezogen, die sich quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft erstreckt. Die Eingliederung der Trennwand erfolgt derart, daß auf der einen Seite der Trennwand eine in Strömungsrichtung des Dampfs im Querschnitt kleiner werdende Kondensa­ torstrecke und auf der anderen Seite der Trennwand in Strömungsrichtung des Dampfs eine im Querschnitt kleiner werdende Dephlegmatorstrecke gebildet werden. Die Konden­ satorstrecke und die Dephlegmatorstrecke sind am unteren Ende des Wärmetauscherrohrs dampfleitend miteinander ver­ bunden.

Der zu kondensierende Dampf tritt von oben in die Konden­ satorstrecke ein, strömt in dieser nach unten und wird dabei zum Teil von der Kühlluft kondensiert. Das Konden­ sat, der Restdampf sowie nicht kondensierbare Gase ver­ lassen die Kondensatorstrecke am unteren Ende. Der Rest­ dampf sowie die nicht kondensierbaren Gase strömen in die Dephlegmatorstrecke hinein, und zwar nach oben in Rich­ tung zu einer Gas/Dampfgemisch-Absaugung. Auf diesem Wege wird der Restdampf nahezu vollständig kondensiert. Am oberen Ende der Dephlegmatorstrecke sammelt sich ein Ge­ misch aus nicht kondensierbaren Gasen und Dampf, welches durch die Kühlluft gegenüber der Kondensationstemperatur unterkühlt und auf diese Weise durch die Gas/Dampfgemisch-Absaugung, beispielsweise eine Evakuie­ rungseinrichtung, abgesaugt wird. Das Kondensat aus der Kondensatorstrecke und der Dephlegmatorstrecke fließt mittels Schwerkraft über eine Rohrleitung in einen Kon­ densatsammelbehälter.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Lage der Trennwand im Wärmetauscherrohr die Querschnitte der Kondensatorstrecke und der Dephlegmatorstrecke ge­ zielt dem Volumenstrom des Dampfs angeglichen werden kön­ nen. Das heißt, der Querschnitt nimmt in dem Umfang ab, wie die Dampfmenge durch die Kondensation weniger wird. Auf diese Weise kann im Vergleich zu konstanten Rohrquer­ schnitten eine deutlich gleichmäßigere Geschwindigkeit des Dampfs, insbesondere in der Kondensatorstrecke, er­ reicht werden.

Dadurch, daß sich jetzt der Querschnitt der Dephlegma­ torstrecke vom Eintritt des Dampfs bis zu ihrem oberen Ende hin verringert, wird das Verschlucken von Kondensat im unteren, im Querschnitt größeren Teil der Dephlegma­ torstrecke verhindert. Die Kondensationsleistung wird er­ höht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nunmehr keine Überführungsleitungen mehr von den kondensatorisch be­ triebenen Wärmetauscherrohren zu den dephlegmatorisch be­ triebenen Wärmetauscherrohren erforderlich sind. Sowohl die Kondensator- als auch die Dephlegmatorfunktion werden grundsätzlich in einem einzigen Wärmetauscherrohr bzw. in einem Wärmetauscherbündel vereinigt.

Die Erfindung kann gleichermaßen bei Wärmetauscherrohren mit umfangsseitigen Rippen als auch bei Wärmetauscherroh­ ren ohne Rippen verwirklicht werden. Desweiteren ist der Querschnitt der Wärmetauscherrohre insofern nebensäch­ lich, vorausgesetzt, der Querschnitt ist in Strömungs­ richtung der Kühlluft langgestreckt. Das heißt, die ein­ ander gegenüberliegenden Wände können parallel zueinander oder auch bogenförmig verlaufen (ovale Großrohre). Schließlich ist es möglich, daß das Wärmetauscherrohr so in den Kühlluftstrom eingegliedert werden kann, daß ent­ weder zunächst die Kondensatorstrecke der Kühlluft ausge­ setzt ist und dann die Dephlegmatorstrecke, oder es wird zuerst die Dephlegmatorstrecke von der Kühlluft beauf­ schlagt und danach die Kondensatorstrecke.

Das Zusammenstellen der erfindungsgemäßen Wärmetauscher­ rohre zu größeren Kondensatoren, insbesondere in dachar­ tiger, jeweils einseitiger Konfiguration, wird jetzt deutlich erleichtert.

Je nach den örtlichen Einsatzbedingungen kann nunmehr un­ ter Verwendung der Merkmale der Ansprüche 2 bis 5 das K- D-Verhältnis im Prinzip kompromißlos optimiert werden. So ist es beispielsweise möglich, der Trennwand einen gerad­ linigen Verlauf in Strömungsrichtung des Dampfs zu geben. Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei welcher sich die Trennwand aus mindestens zwei zueinander abgewinkel­ ten Längenabschnitten zusammensetzt. Ferner kann die Trennwand zur Kondensatorstrecke hin konvex oder konkav gewölbt sein.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird in den Merkmalen des Anspruchs 6 erblickt, bei welcher das Wär­ metauscherrohr aus zwei Schalen zusammengesetzt ist. Die Schalen besitzen einander gegenüberliegende gerade ebene Flächen. Bei der Fertigung wird die Trennwand über eine Längskante nur bereichsweise an die Innenfläche einer Schale gepunktet. Die andere Längskante der Trennwand wird dann beim Zusammenfügen der beiden Schalen an die Innenfläche der anderen Schale federnd nachgiebig ge­ drückt. Zu diesem Zweck wird der Trennwand eine leichte Bogenform gegeben, so daß sie dann unter Vorspannung zwi­ schen den beiden Schalen eingeklemmt ist.

Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß jetzt über die Spalte zwischen den Längskanten der Trennwand und den Innenflächen der Schalen Kondensat aus der De­ phlegmatorstrecke in die Kondensatorstrecke übertreten kann. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung der Ver­ schluckgefahr erreicht. Andererseits können kleinere Dampfmengen über diese Spalte aus der Kondensatorstrecke in die Dephlegmatorstrecke strömen und dort kondensieren.

Im Rahmen der Erfindung ist es ferner vorstellbar, daß die Länge der Dephlegmatorstrecke kürzer als die der Kon­ densatorstrecke bemessen wird. Dies gilt insbesondere bei Wärmetauscherrohren großer Längen. Hierbei ist in der Re­ gel die Kondensation des Dampfs in der Dephlegma­ torstrecke in einem Höhenbereich beendet, der etwa in mittlerer Höhe der Kondensatorstrecke liegt. Es genügt also, die Dephlegmatorstrecke lediglich bis hier hin zu führen und an diesem Ende der Dephlegmatorstrecke auch die Gas/Dampfgemisch-Absaugung vorzusehen.

Um auch in diesem Zusammenhang die Variabilität der Er­ findung zu erhöhen, sind die Merkmale des Anspruchs 7 vorgesehen, wonach die Länge der Dephlegmatorstrecke ver­ änderbar ist. Dies kann durch einen in Längsrichtung der Dephlegmatorstrecke verlagerbaren und fixierbaren Einbau, wie z. B. ein Blech erfolgen. Die Gas/Dampfgemisch-Absau­ gung kann dann mit diesem Einbau verbunden sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im schematischen vertikalen Querschnitt einen luftgekühlten dachförmigen Kondensator;

Fig. 2 in der Perspektive, teilweise im Schnitt, einen Längenbereich eines Wärmetauscherrohrs des Kondensators der Fig. 1 und

Fig. 3 bis 6 im schematischen vertikalen Längsschnitt das Wärmetauscherrohr der Fig. 2 mit vier ver­ schiedenen Trennwänden.

Der in der Fig. 1 im Schema veranschaulichte Kondensator 1 ist Bestandteil einer Wärmetauscheranlage, die im Ab­ stand oberhalb des Erdbodens vorgesehen ist. Sie dient der Kondensation von Dampf, der z. B. in einem Kraftwerk anfällt.

Der Kondensator 1 besitzt eine firstseitige Verteilkammer 2 für den Dampf D sowie zwei zueinander V-förmig ge­ stellte Reihen R, R1 mit parallel zueinander liegenden Wärmetauscherrohren 3, von denen eins in der Fig. 2 nä­ her veranschaulicht ist.

Ein derartiges Wärmetauscherrohr 3 besitzt in Strömungs­ richtung der Kühlluft KL einen langgestreckten Quer­ schnitt. Dazu werden zwei Schalen 4, 5 über ihre randsei­ tigen Längsflansche 6 miteinander verbunden. Außenseitig der parallel zueinander verlaufenden Böden 7 der Schalen 4, 5 befinden sich parallel zur Strömungsrichtung der Kühlluft KL verlaufende Rippen 8.

Die Kühlluft KL wird durch nicht näher dargestellte Ven­ tilatoren erzeugt.

Die Wärmetauscherrohre 3 der Fig. 1 und 2 besitzen in ihren Innenräumen 9 sich quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft KL erstreckende Trennwände 10, welche die Innen­ räume 9 in eine in Strömungsrichtung des Dampfs D im Querschnitt kleiner werdende Kondensatorstrecke 11 und in eine am unteren Ende 12 jedes Wärmetauscherrohrs 3 mit der Kondensatorstrecke 11 dampfleitend verbundene, in Strömungsrichtung des Dampfs D im Querschnitt kleiner werdende Dephlegmatorstrecke 13 gliedern. Die Trennwände 10 der Ausführungsformen der Fig. 1, 2 und 3 haben einen geradlinigen Verlauf in Strömungsrichtung des Dampfs D.

Bei der Fertigung eines Wärmetauscherrohrs 3 wird eine Längskante 14 der Trennwand 10 durch Punktschweißung 15 bereichsweise mit dem Boden 7 der Schale 4 verbunden. Der Trennwand 10 wird eine leichte bogenförmige Krümmung in ihrer quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft KL liegen­ den Erstreckung gegeben, so daß beim Verbinden der beiden Schalen 4, 5 die andere Längskante 16 federnd nachgiebig am Boden 7 der anderen Schale 5 zur Anlage gelangt.

Aus den Fig. 1 bis 3 ist ersichtlich, daß der zu kon­ densierende Dampf D am oberen Ende der Kondensatorstrecke 11 eintritt, nach unten strömt, wobei ein Teil des Dampfs D durch die Kühlluft KL kondensiert wird. Das Kondensat K verläßt die Kondensatorstrecke 11 mittels Schwerkraft über eine Rohrleitung 17 in einen nicht näher dargestell­ ten Kondensatsammelbehälter.

Der Restdampf sowie nicht kondensierbare Gase strömen am unteren Ende der Trennwand 10 aus der Kondensatorstrecke 11 in die Dephlegmatorstrecke 13 und in dieser nach oben. Hierbei wird der Dampf D fast vollständig kondensiert. Im oberen Bereich 18 der Dephlegmatorstrecke 13 sammelt sich ein Gemisch aus nicht kondensierbaren Gasen und Dampf, welches durch die Kühlluft KL gegenüber der Kondensa­ tionstemperatur unterkühlt und auf diese Weise durch eine Gas/Dampfgemisch-Absaugung 19 abgesaugt wird. Auch das in der Dephlegmatorstrecke 13 anfallende Kondensat K fließt mittels Schwerkraft über die Rohrleitung 17 in den Kon­ densatsammelbehälter.

Während - wie gesagt - in den Fig. 1 bis 3 die Trenn­ wände 10 der Wärmetauscherrohre 3 eine geradlinige Er­ streckung besitzen, ist in der Fig. 4 die Ausführungs­ form eines Wärmetauscherrohrs 3a veranschaulicht, bei welcher die Trennwand 10a zwei im Winkel zueinander ange­ ordnete Längenabschnitte 20, 21 besitzt. Dabei verläuft der obere Längenabschnitt 20 parallel zur Strömungsrich­ tung des Dampfs D, während der untere demgegenüber so an­ geordnet ist, daß der Querschnitt der Kondensatorstrecke 11 sich in Strömungsrichtung des Dampfs D verkleinert.

Die Fig. 4 läßt darüberhinaus in strichpunktierter Li­ nienführung eine Ausführungsform erkennen, bei welcher der obere vertikale Längenabschnitt 20 entfallen kann, wobei jedoch dann die Dephlegmatorstrecke 13 etwa im mittleren Höhenbereich der Kondensatorstrecke 11 endet.

Die Fig. 5 zeigt ein Wärmetauscherrohr 3b mit einer Trennwand 10b, die einen zur Kondensatorstrecke 11 hin konkaven Krümmungsverlauf besitzt, während die Fig. 6 ein Wärmetauscherrohr 3c offenbart, bei welchem die Trennwand 10c einen zur Kondensatorstrecke 11 hin kon­ vexen Krümmungsverlauf aufweist.

Bezugszeichenliste

1

- Kondensator

2

- Verteilkammer

3

- Wärmetauscherrohr

3

a- Wärmetauscherrohr

3

b- Wärmetauscherrohr

4

- Schale

5

- Schale

6

- Längsflansche

7

- Böden v.

4

,

5

8

- Rippen

9

- Innenräume v.

3

10

- Trennwände

10

a- Trennwand

10

b- Trennwand

11

- Kondensatorstrecke

12

- untere Enden v.

3

13

- Dephlegmatorstrecke

14

- Längskante v.

10

15

- Punktschweißung

16

- Längskante v.

10

17

- Rohrleitung

18

- oberer Bereich v.

13

19

- Gas/Dampf-Absaugung

20

- Längenabschnitt v.

10

a

21

- Längenabschnitt v.

10

a
D- Dampf
K- Kondensat
KL- Kühlluft
R- Reihe mit
R1- Reihe mit

Claims (7)

1. Wärmetauscherrohr zum Kondensieren von Dampf (D) durch Kühlluft (KL) mit oberer Dampfzuführung (2) und unterer Kondensatabführung (17), das einen in Strö­ mungsrichtung der quer anströmenden Kühlluft (KL) langgestreckten Querschnitt aufweist, bei welchem der Innenraum (9) durch eine sich quer zur Strömungsrich­ tung der Kühlluft (KL) erstreckende Trennwand (10, 10a-c) in eine Kondensatorstrecke (11) und in eine Dephlegmatorstrecke (13) mit einer an ihrem oberen Ende befindlichen Gas/Dampfgemisch-Absaugung (19) ge­ gliedert ist, dadurch gekennzeich­ net, dass die Kondensatorstrecke (11) und die am unteren Ende (12) mit der Kondensatorstrecke (11) dampfleitend verbundene Dephlegmatorstrecke (13) einen sich in Strömungsrichtung des Dampfs (D) ver­ jüngenden Querschnitt aufweisen.

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10) in Strömungsrichtung des Dampfs (D) einen geradlini­ gen Verlauf besitzt.

3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10a) in Strömungsrichtung des Dampfs (D) aus mindestens zwei im Winkel zueinander stehenden Längenabschnitten (20, 21) zusammengesetzt ist.

4. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10b) in Strömungsrichtung des Dampfs (D) zur Kondensa­ torstrecke (11) hin konkav gekrümmt ist.

5. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10c) in Strömungsrichtung des Dampfs (D) zur Kondensa­ torstrecke (11) hin konvex gekrümmt ist.

6. Wärmetauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das aus zwei Schalen (4, 5) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (10, 10a-c) mit einer Längskante (14) be­ reichsweise am Boden (7) einer Schale (4) befestigt und mit der anderen Längskante (16) federnd nachgie­ big gegen den Boden (7) der anderen Schale (5) ge­ drückt ist.

7. Wärmetauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Dephlegmatorstrecke (13) veränderbar ist.