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Durch einen Luftstrom gekühlter Oberflächenkondensator Die Erfindung
betrifft einen durch einen Luftstrom gekühlten Oberflächenkondensator, dessen Kondensatorelemente
aus einer größeren Anzahl von mit Querrippen berippten Wärmeaustauschrohren bestehen,
welche einen in Strömungsrichtung der Kühlluft langgestreckten Querschnitt besitzen,
dessen größte lichte Länge um ein Mehrfaches größer ist als seine größte lichte
Breite, und die mit ihren Enden gegebenenfalls über Endkammern an.Dampfverteiler-,
Kondensatsammel- bzw. Luftabsaugeleitungen angeschlossen sind.
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Deartige luftgekühlte Oberflächenkondensatoren werden insbesondere
zur Kondensation von Wasserdampf, insbesondere des Abdampfes von Kondensationsturbinen,
aber auch zur Kondensation von chemischen Dämpfen verwendet. Ihre Kondensatorrohre
werden innenseitig von dem zu kondensierenden Dampf durchströmt, der den meist in
Gruppen nebeneinander angeordneten Kondensatorelementen von einer oder mehreren
Dampfverteilerleitungen zugeführt wird. Das in den Kondensatorelementen anfallende
Kondensat wird durch eine oder mehrere Kondensatsammelleitungen abgeführt, während
die nicht kondensierbaren Gase (hauptsächlich Luft) durch eine oder mehrere Luftabsaugeleitungen
abgesaugt werden. Die Kondensatorrohre können hierbei unmittelbar an Dampfverteiler-,
Kondensatsammel- bzw. Luftabsaugeleitungen angeschlossen sein.
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In vielen Fällen sind die Kondensatorrohre jedoch endseitig an
Endkammern
angeschlossen, die ihrerseits an Dampfverteiler-, Kondensatsammel- bzw. Luftabsaugeleitungen
angeschlossen sind.
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Aul3enseitig werden die Rippenrohre der Kondensatorelemente durch
einen Kühlluftstrom beaurschlagt, der von einem oder mehreren Lüftern oder aber
durch Naturzug erzeugt werden kann. Die Rippenrohre eines jeden Kondensatorelementes
sind hierbei dampfseitig parallel geschaltet, wobei meist eine Gruppe von in bezug
auf die Richtung des Kühllurtstromej lebeneinander angeordneten Kondensatorelementen
durch einen oder mehrere Lüfter mit Kühlluft beauSschlagt werden. Die Kondensatorelemente
können hierbei vertikal, horizontal oder geneigt angeordnet sein. In den meisten
Fällen haben die Kondensatorelemente eine geneigte Lage und sind vorzugsweise dachbauförmig
zueinander angeordnet, wobei jeweils die Endkammern einer Gruppe von Kondensatorelementen
an etwa parallel zueinander angeordnete und in unterschiedlicher Höhe liegende Dampfverteiler-
und Kondensatsammelleitungen angeschlossen sind.
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Die mit Querrippen berippten Wärmeaustauschrohre der Kondensatorelemente
besitzen im allgemeinen entweder einen runden oder einen in Strömungsrichtung der
Kühlluft langgestreckten, vorzugsweise elliptischen oder ovalen, Querschnitt. Die
in Strömungsrichtung der Kühlluft gemessene größte lichte Länge des Rohrquerschnittes
verhält sich hierbei zu der quer zur jtrömungsrichtung der Kühlluft gemessenen größten
lichten Breite des Rohrquerschnittes etwa wie 2 : 1 bis 4 : 1. Größere Verhältnisse
zwischen der größten lichten Länge des Rohrquerschnittes zur größten lichten Breite
desselben hat man bislang nicht angewendet.
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Bei diesen bekannten Oberflächenkondensatoren hat man - um eine möglichst
große Wärmeaustauschfläche auf engem Raum unterbringen und das zur Verfügung stehende
Trmperaturgefälle zwischen der Kühllufttemperatur und der Dampftemperatur möglichstweitgehend
ausnutzen zu können - in Strömungsrichtung der Kühlluft
drei oder
mehr, teilweise fünf oder sechs, Rohrreihen hintereinander angeordnet. Dies hatMedoch
den Nachteil, daß der Dampf in der von der Kühlluft zuerst beaufschlagtenRohrreihe
wegen des dort vorhandenen größeren Temperaturgefälles zwischen Kühllufttemperatur
und Dampftemperatur auf einem kürzeren Strömungsweg kondensiert als in den in Strömungsrichtung
der Kühlluft dahinter angeordneten Rohrreihen, so daß die Kondensation in der vom
Kühlluftstrom zuerst beaufschlagten Rohrreihe in einem wesentlich größeren Abstand
von dem an die Kondensatsammelkammer angeschlossenen Rohrende beendet ist als in
den in Richtung des Kühlluftstromes dahinter angeordneten Rohrreihen. Infolgedessen
wird das in der in Richtung des Kühlluftstromes vordersten Rohrreihe anfallende
Kondensat in einem relativ großen, der Kondensatsammelkammer benachbarten Längenabschnitt
des Rohres in unzulässiger Weise unterkühlt, was nicht nur einen erheblichen Wärmeverlust
zur Folge hat, sondern auch dazu führt, daa das Aufnahmevermögen des Kondensates
für Luft erheblich vergrößert wird und hierdurch die Korrosionsgefahr sich erhöht.
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Außerdem besteht bei Temperatu-ren unter dem Gefrierpunkt die Gefahr,
daß das Kondensat in der sich insbesondere in der vom Kühlluftstrom zuerst beaufschlagten
Rohrreihe ausbildenden relativ groben Totzone gefriert, was zu einer Verstopfung
dieser Rohrreihe und zu erheblichen Schäden an den Kondensatorrohren führen kann.
Auch in den nächstfolgenden Rohrreihen stellen sich noch, wenn auch etwas kürzere
Totzonen ein, in denen ebenfalls eine unerwünschte Unterkühlung des Kondensates
erfolgt und bei niedrigen Außentemperaturen die Gefahr eines Einfrierens besteht.
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Diese Nachteile werden gemäß einem gleichaltrigen, nicht zum Stande
der Technik gehörenden Vorschlag dadurch beseitigt, daß die Wärmeaustauschrohre
in an sich bekannter Weise nur in einer quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft
sich erstreckenden
Rohrreihe angeordnet sind, wobei erfindungsgemäß
die Wärmeaustauschrohre einen im wesentlichen elliptischen oder ovalen, auf ganzer
Rohrlänge von Einbauten freien Querschnitt besitzen und xxx das Verhältnis zwischen
der größten lichten Länge des Rohrquerschnittes zur größten lichten Breite nicht
kleiner als 6 : 1 bemessen ist. Im allgemeinen beläuft sich hierbei das Verhältnis
zwischen der größten lichten Länge des Rohrquerschnittes zur größten lichten Breite
auf 6 : l-bis 12 : 1, vorzugsweise auf etwa 7 : 1 bis 10 : 1. Ein derartiges beripptes
Wärmeaustauschrohr mit einem gegenüber den gebräuchlichen elliptischen Rippenrohren
etwa doppelt bis dreimal so großen Verhältnis zwischen der größten lichten Länge
seines Querschnittes und dessen größter lichter Breite ist in der Lage, dieselbe
Dampfmenge zu kondensieren, wie drei oder mehr in Strömungsrichtung der Kühlluft
hintereinander angeordnete Rohre der bekannten Oberflächenkondensatoren. Es hat
jedoch diesen gegenüber den besonderen Vorteil, da. sich an jeder Stelle des rohres
ein Druckausgleich zwischen allen Bereichen des Rohrquerschnittes einstellt, so
daß dic Kondensation des Dampfes an der dem Kühlluftstrom zugekehrten vorderen Stirnwand
des Rohres genau an derselben Stelle beendet ist wie an der in Strömungsrichtung
der Kühlluft hinteren Stirnwand des Rohres. Die Gefahr der Entstehung von Totzonen
wird hierdurch gegenüber den bekannten Oberflächenkondensatoren mit mehreren in
Strömungsrichtung der YtShlluSt hintereinander angeordneten Rohrreihen entscheidend
verringert bzw. völlig beseitigt. Das gegenüber den bislang bei luftgekühlten Oberflächenkondensatoren
in der Praxis verwendeten, im Querschnitt im wesentlichen elliptischen oder ovalen
Rippenrohren wesentlich größere Verhältnis zwischen der größten lichten Länge des
Hohrquerschnittes und seiner größten lichten Breite führt zu gegenüber den bekannten
Rippenrohren wesentlich größeren lichten Rohrquerschnitten, so daß die Strömungsdruckverluste
gegenüber mehreren in Strömungsrichtung der Kühlluft hintereinander angeordneten
Rohren
mit gleichem Gesamtinnenquerschnitt auf einen Bruchteil der bei ihnen vorhandenen
Strömungsdruckverluste, beispielsweise auf weniger als ein Drittel, verringert werden.
Daher kann bei gleicher Dampfdurchsatzleistung mit nahezu um die Hälfte geringeren
Geschwindigkeiten des Dampfes am Eintritt in die Rippenrohre gearbeitet werden,
oder aber man kann bei gleicher Eintrittsgeschwindigkeit des Dampfes wesentlich
größere Dampfdurchsatzleistungen je Rohr erzielen.
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Die eingangs behandelten bekannten Oberflächenkondensatoren mit im
Querschnitt runden oder elliptischen bzw. ovalen Rippenrohren besitzen den Nachteil,
daß die Rohre an ihren Enden mit Rohrböden verbunden werden müssen. Diese Rohrböden
müssen ausgestanzte Öffnungen besitzen, die genau passend dem Querschnitt eines
jeden einzelnen Rohres entsprechend ausgebildet und bemessen sind. Die Herstellung
derartiger Öffnungen bereitet insbesondere bei Rohren mit elliptischJm oder ovalem
Querschnitt erhebliche Schwierigkeiten. Außerdem muß bei diesen bekannten Bauarten
jedes einzelne Rohr in die Ausnehmungen der Rohrböden in umständlicher Weise eingefädelt
werden, was bei einer bei großen Rohrlängen nicht zu vermeidenden Verdrehung der
Rohre erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Bei Stahlrohren müssen dann die Rohrenden
einzeln in die Rohrböden eingeschweißt werden, während bei Kupfer- oder Nessingrohren
die Rohrenden einzeln in die Rohrböden eingewalzt werden müssen. Hierbei handelt
es sich ebenfalls um arbeitsaufwendige und kostspielige Maßnahmen, die die Herstellung
der bekannten Oberflachenkondensao toren erheblich verteuern. Bei Aluminiwnrohren
hat man bislang die Rohrenden in umständlicher Weise gegenüber den Rohrböden durch
Dichtungsringe abgedichtet, die jedoch keine vakuumdichte Abdichtung ermöglichen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die vorstehend behandelten,
den bekannten Oberflächenl.ondenåatoren anhaftenden
Schwierigkeiten
zu beseitigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rohrenden
der Wärmeaustauschrohre zu im wesentlichen prismatischen Kohrkammern aufgeweitet
sind, deren äußere Enden etwa rechteckigen Querschnitt besitzen. Diese im wesentlichen
prismatischen Rohrkammern werden hierbei vorzugsweise so angeordnet, d sich die
einander zugekehrten Kanten ihrer äußeren Enden berühren und vorzugsweise durch
Schweißen gasdicht miteinander verbunden werden.
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Die äußeren Kanten der im wesentlichen prismatischen Rohrkammern können
hierbei unmittelbar mt einer Dampfverteilerkammer oder Kondensatsammelkammer, vorzugsweise
durch Schweißen oder Schrauben, gasdicht verbunden werden. Auf diese Weise e entfallen
die bei den bekannten Oberflächenkondensatoren erforderlicher1 Rohr -böden völlig,
da nunmehr die zu im wesentlichen prismatischen Rohrkammern aufgeweiteten Rohrenden
unmittelbar mit einer Dampfvex'-teiler- oder Kondensatsammelkammer verbunden werden.
Alle Schwierigkeiten, die bei den bekannten Bauarten sich durch die Herstellung
der Ausnehmungen in den Rohrböden, das Einfädeln der Rohrenden in die Ausnehmungen
der Rohrböden und die im Regelfalle vakuumdichte Werbindung der Rohrenden mit den
Rohrböden ergeben, werden somit bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen öberflächenkondensator
vermieden. In manchen Fallen ist es bei der Erfindung sogar möglich, die äußeren
Kanten der im wesentlichen prismatischen Rohrkammern unmittelbar mit einem Dampfanschlußrohr
oder einem Kondensatabflußrohr, vorzugsweise durch Schweißen, gasdicht zu verbinden.
In diesem Falle entfallen auch die bislang erforderlichen gesonderten Endkammern
völlig, da die im wesentlichen prismatischen Rohrkammern, die e instückig mit den
Rohren ausgebildet sind, die Funktion der bislang benötigten gesonderten Endkammern
übernehmen.
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Besondere Bedeutung hat die Erfindung bei solchen Rippenrohren, die
gemäß dem weiter oben behanuelten, gleichaltrigen,
nicht zum Stande
der Technik gehörenden Vorschlag, in an sich bekannter Weise in nur einer quer zur
3trömungsrlchtung der Kühlluft sich erstreckenden Rohrreihe angeordnet sind,wobei
jedoch die ärlreaustauschrohre einen im wesentlichen elliptischen oder ovalen, auf
ganzer Rohrlänge von Einbauten freien verschnitt besitzen und das Verhältnis zwischen
der größten lichten Länge des Rohrquerschnittes zur größten lichten Breite nicht
kleiner als 6 : 1 bemessen ist.
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In der Zeichnung ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 einen Tilabschnitt eines Kondensatorelementes
des erfindungsgemäßen Oberflächenkondensators in perspektivischer Darstellung unter
Fortlassung der oberen Endkammer; Fig. 2 eine Vorderansicht zu Fig. 1, teilweise
im Schnitt; Fig. 5 eine Draufsicht zu Fig. 1; Fig. 4 eine Seitenansicht zu Fig.
2, teilweise im Schnitt; Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Rippenrohr des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Oberflächenkondensators; Fig. 6 einen Oberflächen kondensator nach
der Erfindung im Ausschnitt in schematischer Darstellung in der Seitenansicht; Fig.
7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6.
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Jedes Kondensatorelement besteht aus einer gröi3eren Anzahl, beispielsweise
fünfzig, quer zur Strömungsrichtung x der Kühlluft in einer Reihe fluchtend nebeneinander
angeordneten
Rippenrohren 2, von denen eine Ausführungsform in Fig.
5 im Querschnitt dargestellt ist. Die Rippenrohre besitzen einen Querschnitt, dessen
größte lichte Länge T mindestens sechsmal so groß bemessen ist wie seine größte
lichte Breite B. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform beläuft sich das
Verhältnis zwischen der größten lichten Länge T und der größten lichten Breite des
Rohrquerschnittes auf etwa 9 : 1. Das Rippenrohr 2 besitzt einen Querschnitt, der
von zwei etwa halbkreisförmigen Stirnwänden 2a ünd zwei Seitenwänden 2b begrenzt
ist. Der lichte Abstand zwischen den SCitenwänden vergrößert sich vom Übergang in
die Stirnwände 2a bis zur Längsmitte des Rohrquerschnittes stetig, wobei der lichte
Abstand B der Seitenwände 2b im Bereich der Längsmitte des Rohrquerschnittes etwa
doppelt so groß ist wie am Übergang in die Seitenwände, der in Fig. 5 mit C bezeichnet
ist.
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Auf die untereinander gleich ausgebildeten Rohre eines jeden Kondensatorelementes
sind in geringem Abstand zueinander angeordnete Querrippen 5, aufgezogen, die einen
rechteckigen Querschnitt besitzen. Zur Versteifung sind die Querrippen mit einer
größeren Anzahl von sickenartigen Ausprägungen 5a versehen.
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Wie insbesondere in den Fig. 1 bis 4 zu erkennen ist, sind die Rohrenden,
und.zwar sowohl an- oberen als auch am unteren Ende der Rippenrohre 2, zu im wesentlichen
prismatischen Rohrkammern 5 aufgeweitet, deren äußere Enden Da rechteckigen Querschnitt
besitzen. Die einander zugekehrten Kanten )Vb der im wesentlichen prismatischen
Rohrkammern 5 berühren sich und sind durch Schweißen gasdicht miteinander verbunden,
wie dies vor allem in Fig. 2 erkennbar ist. An die äußeren Kanten der im wesentlichen
prismatischen Rohrkammern D kann unmittelbar eine Endkammer 6, die als Dampfverteilerkammer
oder Kondensatsammelkammer ausgebildet sein kann, angeschweißt werden, wie dies
in
Fig. 4 rechts dargestellt ist. Hierzu ist der untere Rand der
Endkammer 6 nach innen umgebördelt und mit den äußeren Kanten der im wesentlichen
prismatischen Rohrkammern 5 verschweißt, und zwar an den beiden Schmalseiten des
Kondensatorelementes mit den äußeren Kanten 5b und über die gesamte Breite des Kndensatorelementes
mit den Stirnkanten 5c. Eine andere in Fig.
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4 links dargestellte Möglichkeit besteht darin, zunächst in der gleichen
Weise, wir vorstehend beschrieben, mit den äußeren Kanten 5b und 5c der im wesentlichen
prismatischen Rohrkammern 5 nur einen Bleehkragen 7, dessen unteres Ende nach innen
umgebördelt ist, zu verschweißen. Der Blechkragen 7 ist mit einem Flansch 8 verschweißt,
mit dem dann ein die Rohrkammern 5 nach oben verschließender Boden 9 durch Schrauben
10 verschraubt werden kann. In diesen Boden 9 können dann Dampfzuleitungsrohre,
Kondensatabfluß- und/oder Luftabsaugerohre gasdicht eingeschweißt werden, was in
Fig. 4 nicht dargestellt ist.
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Außer gegebenenfalls in größeren Abständen vorgesehenen Querblechen
sind die Rippenrohre 2 lediglich an ihrem oberen und unteren Ende durch die im wesentlichen
prismatischen Rohrkammern 5 bzw. die damit verbundenen Endkammern oder dergleichen
verbunden. Der Querschnitt der Rippenrohre ist so gestaltet, da'3 diese auch bei
großer Länge von z.B. 6 bis 10 m selbsttragend sind. Die Wärmeaustauschelemente
brauchen daher weder Seitenwände -noch Rohrhalterungen zu besitzen.
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Fig. 6 und 7 zeigen einen Oberflächenkondensator gemäß der Erfindung
in schematischer Darstellung.
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Wie Fig. 6 erkennen läßt, ist eine größere Anzahl von Rippenrohren
2 in einer quer zur Strömungsrichtung x der Kühlluft sich erstreckenden Rohrreihe
nebeneinander angeordnet. Die Rippenrohre 2 sind zum überwiegenden Teil mit ihren
im wesentlichen prismatischen oberen Rohrkammern 5 an eine Dampfverteilerleitung
11
unmittelbar 3ngeschlossen. Die restlichen beiden Rippenrohre der Rohrreihe sind
mit ihren oberen Rohrkammern 5 unmittelbar an eine Luftabsaugeleitung 12 angeschlossen.
Die unteren Rohrkammern aller .Rippenrohre 2 einer Rohrreihe sind an eine Kondensatsammelleitung
15 großen Querschnittes angeschlossen, die gleichzeitig als Dampfüberströmleitung
dient.
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Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind zwei Rohrreihen von Rippenrohren
2 in dachbauförmiger Anordnung an eine gemeinsame Dampfverteilerleitung 12 angeschlossen,
während die im Abstand zueinander angeordneten unteren Rohrkammern 5 der Rippenrohre
2 an zwei im Abstand zueinander angeordnete Kondensatsammelleitungen 15 großen Querschnittes
angeschlossen sind. Etwa in der Basis des durch die Rippenrohre 2 gebildeten gleichschenkligen
Dreiecks befinden sich in der Zeichnung nicht dargestellte Lüfter für die Erzeugung
eines die Rippenrohre 2 in Richtung x beaufschlagenden KihlluCtstromes.
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Der zu kondensierende Dampf durchströmt die Dampfverteilerleitung
11 in Strömungsrichtung y und tritt in Richtung z in die oberen Rohrkammern 5 der
an die Dampfverteilerleitung 11 angeschlossenen Rippenrohre 2 ein, die kondensatorisch
geschaltet sind. In den kondensatorisch geschalteten Rippenrohren 2 wird mehr als
90 ; der Gesamtdampfmenge kondensiert. Das anfallende Kondensat wird über die Kondensatsammelleitungen
15 und den Abf lußstutzen 14 in Pfeilrichtung k abgeführt.
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Der in den kondensatorisch geschalteten Rippenrohren 2 noch nicht
kondensierte Teil des Darnpfes~- weniger als.lO % der Gesamtdampfmenge - wird in
Pfeilrichtung d den dephlegmatorisch geschalteten Rippenrohren 2 zugeführt, in denen
er ebenfalls kondensiert. Aus diesen Rippenrohren 2 strömt das Kondensat ebenfalls
nach unten in die Kondensatsammelleitung 13, aus der
es über den
Abflußstutzen 14 in Richtung k abgeführt wird. Die nicht kondensierbaren Gase, insbesondere
Luft, werden aus der Luftabsaugeleitung 12 mittels einer in der Zeichnung nicht
dargestellten Luftabsaugevorrichtung in Pfeilrichtung 1 abgeführt.