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Einrichtung zur Rückkühlung von entspanntem Arbeitsmedium aus Kraftwerksanlagen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur RUckkUhlung von entspanntem Arbeitsmedium
aus Kraftwerksanlagen.
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Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen das entspannte Arbeitsmedium
durch Rohrleitungen großen Durchmessers in aus Rippenrohren bestehende Kondensatoren
geleitet und dort rUckgekUhlt und kondensiert wird. Ventilatoren drUcken oder saugen
dabei Kühlluft, die die KondensationswSrme aufnimmt, über die Kondensatoren.
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Bedingt durch den sehr niedrigen Druck des Arbeitsmediums und durch
verhältnismäßig kleine Rippenrohrquersohnitte
entstehen hohe Strd.mungsgeschwindigkeiten,
die einen beachtlichen Druckabfall verursachen. Um die Druckverluste nicht zu sehr
ansteigen zu lassen, sind die Rohrlängen beschränkt.
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Dies führt aber dazu, daß Rippenrohrwärmetauscher derzeit nur in Kraftwerksanlagen
mit einer Leistung von höchstens 300 MJ eingesetzt werden können.
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Außerdem sind Rippenrohrwärmetauscher wegen ihres großen Anteils
an Schweißnähten und/oder Lötstellen in ihrer Herstellung teuer und störanfällig.
Ein weiterer Nachteil kommt durch den sog. Rippenwirkungsgrad zum Ausdruck. Bei
einem Rippenwirkungsgrad von beißpielSweise 80 % trägt 20 % dGr Rippenoberfläche
nichts zur Wärmeübertragung bei, verursacht aber einen Druckabfall in der Kühlluftströmung.
Das bedeutet für dieselbe Wärmeübertragungsaufgabe, daß größere Wärmeübertragungsflächen
vorgesehen und zur Unterstützung der Kühlluftströmung Ventilatoren eingesetzt werden
müssen.
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Weiterhin sind Einrichtungen für Dampfkraftwerksanlagen bekannt,
bei denen der entspannte Dampf in einem Mischkondensator durch Eindüsen von Kühlwasser
kondensiert, dann der Teil des Kühlwasser-Kondensat-Gemischs, der dem niedergeschlagenen
Dampfstrom entspricht, dem Kessel wieder zugeleitet und das restliche Kühlwasser
mittels einer Pumpe zu einem Trockenkühlturm befördert und dort in Rippenrohrwärmetauschern
rückgekühlt wird.
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Um Ablagerungen und Korrosion sowie die daraus resultierenden Reinigungs-
und Reparaturarbeiten in erträglichen Grenzen zu halten, muß das Kühlwasser Speisewasserqualität
haben. Weiterhin ist zur Kühlung des erwärmten Kühlwassers ein außergewöhnlich kostspieliger
Kilhlturm notwendig. Kühltürme großer Kraftwerksanlagen sind häufig größer als die
übrigen Kraftwerksanlagen. Sie können eine Höhe von weit über 100 m erreichen und
stellen so eine zusätzliche Belastung für die Umwelt dar. Außerdem muß zur Sicherheit
und zum Schutz der Rfppenrohrwärmetauscher ein Sicherheitssystem installiert sein,
das bei Stillstand des Kraftwerks gegebenenfalls ein Einfrieren der Rippenrchrwärmatauscher
verhindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine betriebssiohere Einrichtung
zur Rückktlhlung von entspanntem Arbeitsmedium aus Kraftwerksanlagen zu schaffen,
die ohne Kapazitätsbeschränkung eingesetzt werden kann, keinen Eingriff in die Ümwelt
darstellt und dennoch kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens ein Teil der KUhler
Plattenwärmetauscher sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Plattenwärmetauscher l§Bt
sieb ein wesentlich grMßerer Strömungsquerschnitt für das Arbeitsmedium bzw. eine
geringere Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums gegenüber Rippenrohrwärmetauschern
erreichen.
Dadurch verringert sich der Druckabfall im Plattenwärmetauscher wesentlich, und
erheblich längere Plattenwärmetauscher können verwendet werden. Dies ermogli¢ht
eine optimale Auslegung der Plattenwärmetauscher und führt deshalb zur Verbesserung
der Wärmeübertragungseigenschaften.
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Zugleich ist aber der Druckabfall auf der Seite des Kühlmediums niedriger,
da der Wärmetausch nur durch primäre Heizflächen erfolgt und sich eine wärmetechnisch
günstige Strömungsart einstellt. Durch die Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften
der Plattenwärmetauscher infolge ihrer optimalen Abmessungen und der guten Strömungsverhältnisse
auf der Seite des Kühlmediums ergeben sich erhebliche Einsparungen an WErmeUbert
ragungs flächen.
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Als besonders günstig erweist es sich, bei einer Dampfkraftwerksanlage
die Plattenwärmetauscher als Kondensatoren auszubilden.
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Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Direktkondensation auch
bei sehr großen Kraftwerksanlagen mit Luftkühlung einzusetzen.
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Vorteilhafterweise sind die Plattenwärmetauscher erfindungsgemäß
konzentrisch um die Kraftwerksanlage angeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung entsteht infolge des sehr Großen
Kühlwand-Durchmessers ein hoher Warmluftraum über dem gesamten Kraftwerk, der den
erforderlichen Auftrieb und somit die Bewegung der Kühlluft ermöglicht. Deshalb
kann das hohe StEllbeton-Bauwerk eines Kühlturms entfallen. Infolge des Wegfalls
des sehr hohen Kühlturms ist ein Einfügen der Kraftwerksanlagen in die Landschaft
gut möglich.
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Zugleich sind nur kurze Dampfleitungen von den Expansionsturbinen
zu den Plattenwärmetauschern notwendig.
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Dadurch, daß die Plattenwärmetauscher nach einer weiteren Ausbildung
der Erfindung auf der Mantelfläche eines sich nach oben erweiternden Kegel- oder
Pyramidenstumpfes angeordnet sind, ergeben sich besonders günstige Strömungsverhältnisse
für die Kühlluft.
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Erhebliche Kosteneinsparungen werden dadurch erzielt, daß Kühlluft
in freier Konvektion durch die Plattenwärmetauscher strömt und zu ihrer äußeren
Führung dienende KUhlluftleiteinrichtungen vorgesehen sind. Ventilatoren können
entfallen, weil die Kühlluftleiteinrichtungen den Auftrieb der Kühlluft verstärken
und bei ungünstigen Witterungsverhältnissen ein Zerstören des pyramidenförmigen
Warmluftraumes über der Kraftwerksanlage verhindern.
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Besonders günstig können die Strömungsverhältnisse der Kühlluft dadurch
beeinfltwerden, daß die KUhlluftleiteinrichtungen mindestens abschnittsweise hyperbolisch
geformt sind.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, mindestens einen Teil
der Kraftwerksanlage in einem Kuppelbar anzuordnen.
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Der sich in den wärmeren Sommermonaten einstellende schlechtere Kühleffekt
der Plattenwärmetauscher infolge der höheren Außentemperaturen, kin dadurch wenigstens
teilweise kompensiert werden daß zur Erhöhung des Auftriebs der Kühlluft die Kuppel
an ihrer Außenseite mit Wärmestrahlen absorbierendem Material bedeckt ko Eine besonders
günstige Zuordnung der einzelnen Funktionselemente innerhalb der Kraftwerksanlage
ergibt sich dadurch, daß um eine zentrale Befeuerungsanlage sternförmig Expansionsturbinen
angeordnet sind und jeder Expansionsturbine ein eigenes System von Plattenwärmetauschern
zugeordnet ist.
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Mit Vorteil ist in einem Dampfkraftwerk mit fossiler Befeuerung im
Kühl luftstrom hinter den Plattenwärmetauschern mindestens eine Rauchgaseinspeisöffnung
angeordnet0 Die heißen Rauchgase erwärmen die Kühl luft zusätzlich und erhöhen somit
den Auftrieb der Kühlluft und die Kühl leistung derPlattenwärmetauscher. Außerdem
kann ein eigener Rauchgaskamin entfallen.
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Den Problemen, die sich aus den wärmetechnisch ungünstigen Witterungsverhältnissen
in den Sommermonaten ergeben, wird dadurch gegegnet, daß im Kühlluftstrom vor den
Plattenwärmetauschern Sprühdüsen angeordnet sind.
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Dadurch, daß im Kühl luftstrom erfindungsgemäß vor dem Plattenwärmetauschern
Filtere inrichtungen angeordnet sind, kann ein Verstopfen der Strömungswege der
Kühlluft innerhalb der Plattenwärmetauscher vermieden werden.
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Aus der vorliegenden Erfindung erweist es sich als besonders günstig,
daß die Plattenwärmetauscher Wellflächen-Wärmetauscher sind. Mit diesem Typ von
Plattenwärmetauschern ist es bei Dampfkraftwerken in einfacher Weise möglich, den
entspannten Dampf und das Kondensat in Gegenströmung zu führen.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß die Platten des Wellflächen-Wärmetauschers
lediglich an ihren Rändern mit einander verbunden sind und daß der Wellflächen-Wärmetauscher
im wesentlichen aus einem P3attenstapel mit ZufUhrungen und Ableitungen für die
wärmetauschenden Medien besteht, Erfindungsgemäß ist somit ein besonders preiswerter
und korroBionsbeständiger Wärmetauscher gegeben. Da der Wellflächen-Wärmetauscher
keine inneren Schweiß- oder Lötstellen aufweist ist die innere Korrosionsgefahr
wesentlich gemindert.
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Außerdem weist der Wellflächen-Wärmetauscher keinen zusätzlichen Druokmantel
auf und die Schweiß- oder sonstigen Verbindungsnähte an den Plattenrändern sind
im wesentlichen unbelastet.
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An den in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage
im Halbschnitt.
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Figur 2 eine Draufsicht der gleichen Kraftwerksanlage nach Entfernen
der Kühlluftleiteinrichtungen.
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Figur 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftwerks anlage
mit fossiler Befeuerung Figur 4 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Plattenwärmetauschers.
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Figur 5 ausschnittsweise einen Schnitt durch einen Plattenstapel eines
erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers und Figur 6 den gleichen Plattenstapel in
einem weiteren Schnitt In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Kraftwerksanlage 1 im
Halbschnitt dargestellt. Um einen zentralen Kuppelbau 2 einer Kraftwerksanlage 1
sind konzentrisch im Dachbereich von Versorgungs- und Verwaltungsbauten 3 Wärmetauscher
4 auf der Mantelfläche eines sich nach oben erweiternden Pyramidenstumpfes angeordnet.
Die Längsachse der Wärmetauscher schließt dabei mit der Horizontalen einen Winkel
von ungefähr 450 ein. Am oberen Ende der Wärmetauscher 4 schließt sich eine KUhlluftleiteinrichtung
5 an, deren Mantelfläche abschnittsweise hypobolisch geformt ist. Die Kuppel 2 kann
mit Wärmestrahlen absorbierendem Material bedeckt sein.
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Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die gleiche erf-Lndunrsgemäße Kraftwerksanlage.
Um die im S;uppeibau 2 untergebrachte zentrale Befeuerungsanlage G sind sternförmig
Expansionsturbinen 7 angeordnet. Über leitungen "s die durch Regelorgane 9 gesteuert
werden können, wird der Dampf zu den außenliegenden Plattenwärmetauschern geleitet.
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Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Kraftwerksanlage mit fossiler
Befeuerung. Kühllurt strömt längs der gezeichneten Pfeile ringförmig aus der Umgebung
zu den Plattenwärmetauschern und von dort unterstützt durch die hypobolisch ausgebildete
Kühlluftleiteinrichtung 5 unter Erzeugung eines kegelförmigen bis zu einer Höhe
11 reichenden Warmluftraumes über der Kraftwerksanlage in die Höhe. Durch Rauchgaseinspeisöffnungen
10 wird Abgas in den Kühlluftstrom eingeführt. Dies führt zu einer weiteren Erwärmung
der Kühlluft und somit zu einem verstärkten Auftrieb.
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Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung eines Plattenwärmetauschers
im Schnitt. Entlang den gestrichelten Pfeilen strömt der entspannte Dampf durch
Leitung 8 in den Plattenwärmetauscher 4 und wird dort kondensiert und abgekühlt.
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Im Gegenstrom zum Dampf fließt das Kondensat zurück inden Sammelraum
2, und wird über Leitung 13 wieder zur Befeuerungsanlage zurückgeführt. Zur Sicherheit
ist am oberen Ende des Plattenwärmetauschers ein Ventil 14 angeordnet. Der Plattenwärmetauscher
4
ist als Wellflächen-Wärmetauscher ausgebildet und aus rostfreiem, witterungsbeständigem
Material, z.B. rostfreiem Stahl, gefertigt. Dadurch» daß der Wellflächen-Wärmetauscher
nur an seinen äußeren Rändern Schweißnähte oder sonstige Verbindungsnähte aufweist;
ist er unempfindlich gegen Ausfrieren, da sich die Wellenflächen zerstörungsfrei
ausbeulen können.
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Figur 5 zeigt ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher
4. Der Plattenstapel ist in einfacher Weise durch Aufeinanderlegen geeignet verformter
spiegelbildlicher Platten gebildet Die Plattenränder sind jeweils an gegenüberliegenden
Rändern paarweise verbunden, wobei die Platten, die die Strömungskanäle für das
eine Medium bilden, z.B. für die Kühlluft, an den einen Rändern und die Platten,
die die Strömungskanäle für das andere Medium bilden, z.B. für den Dampf, an den
anderen Rändern miteinander verbunden. Alle Platten bis auf die beiden äußeren Platten
sind somit längs der zwei gegenüberliegenden Rändern mit der nächst oberen und längs
der zwei anderen einander gegenüber liegenden Rändern mit der nächst unteren Platte
verbundene Die Kühlluft tritt bei diesem Beispiel an der Seite 15 des Plattenwärmetauschers
4 längs der gezeichneten Pfeile in die in ihrer Längserstreckung wellenförmigen
Strömungskanäle 16 und verläßt diese an der gegenüberliegenden Seite. Der Dampf
strömt im wesentlichen quer zur Kaltluftströmung durch die röhrenförmigen Strömungskanäle
17; wobei sich die Richtungen von Dampf- und Kaltluftströmung rechtwinklig schneiden.
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Die röhrenförmigen Strömungskanäle 17 für den Dampf sind durch.
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quer verlaufende Strömungskanäle miteinander verbunden. Der Plattenstapel
wird in einen Rahmen 19 gehalten.
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Figur 6 zeigt den gleichen Plattenstapel in einem weitern Schnitt,
wobei die Schnittebene und die HauptstrUmungsebene der Kühlluft einen rechten Winkel
bilden. Deutlich sind die Strömungskanäle 18 zu sehen, die die röhrenförmigen Strömungskanäle
untereinander verbinden. Die gestrichelten Pfeile geben die Hauptströmungsrichtung
des Dampfes an.