DE2522245C3

DE2522245C3 - Verdampfungskühlvorrichtung

Info

Publication number: DE2522245C3
Application number: DE19752522245
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kunioka; Shunichi Sugiyama; Toyokazu Teramoto; Takeo Yamada
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1975-05-20
Publication date: 1979-10-25
Also published as: DE2522245B2; GB1488563A; FR2272351A1; DE2522245A1; FR2272351B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Verdampfungskühlvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Kühlung von z. B. Hochöfen und Wärmeoder Glühofen zur Erwärmung von Stahlbarren, -platten und -blechen, Stahlrohren usw. sind Pumpenkühl- und Verdampfungskühlvorrichtungen bekannt.

Bei der Pumpenkühlung wird eine Konstruktion durch Umwälzung von Kühlwasser durch ein mit der zu kühlenden Konstruktion verbundenes Kühlrohr mittels einer Umwälzpumpe gekühlt. Bei diesem Verfahren ist das in flüssigem Zustand umgewälzte Kühlwasser praktisch frei von jeglicher Verdunstung oder Verdampfung. Obgleich das Pumpenkühlverfahren verbreitet angewandt wird, sind bei ihm große Kühlwassermengen erforderlich, so daß es nicht nur zugeordnete Einrichtungen, wie Vorratsbehälter und Kühltürme notwendig macht, sondern auch große Kosten für den Betrieb und die Wartung bzw. Unterhaltung von Umwälzpumpen, Kühlturmpumpen, Lüftern usv/. mit sich bringt. Zudem beträgt die Kühlwassertemperatur am Kühlrohreinlaß nur etwa 20 —40°C, was zu einem großen Wärmeverlust aufgrund der Kühlung führt. Außerdem macht es das niedrige Temperatur besitzende Kühlwasser am Kühlrohrauslaß schwierig, Wärme aus dem Kühlwasser nickzugewinnen und diese rückgewonnene Wärme auszunutzen. Ferner besteht die Möglichkeit, daß das Kühlrohr »durchbrennt«, wenn die Umwälzpumpe z. B. aufgrund eines Stromausfalles zum Stillstand kommt. Es sind daher eine zusätzliche Ersatzpumpe und/oder eine Hilfsstromquelle erforderlich.

Als Kühlverfahren, dem die vorgenannten Nachteile 6^ nicht anhaften, wird die Verdampfungskühlung angewandt. Bei diesem Verfahren wird Kühlwasser durch eine Verdampfungskühlvorrichtung umgewälzt, die ein mit der zu kühlenden Konstruktion verbundenes Kühlrohr und eine über diesem angeordnete Dampfabscheidetrommel aufweist, wobei das Kühlrohr und die Dampfabscheidetrommel durch ein Fallrohr und ein Steigrohr miteinander verbunden sind. Zum Kühlen der zu kühlenden Konstruktion wird der aus dem Kühlwasser gebildete Dampf durch Wärmeaustausch mit der zu kühlenden Konstruktion mittels der Dampfabscheidetrommel vom Kühlwasser abgetrennt, der Dampf aus dem Kreislauf nach außen geführt und von außerhalb des Kreislaufes Kühlwasser in einer der Menge des abgeführten Dampfes entsprechenden Menge nachgefüllt Dieses Verdampfungskühlverfahren besitzt gegenüber der vorher genannten Pumpenkühlung folgende Vorteile:

a) Die verwendete Kühlwassermenge ist sehr gering.

b) Es wird Wärme in Form von Dampf mit großem Wärmeinhalt rückgewonnen, so daß die Wärme leicht aus dem Kühlwasser gewonnen und einfach ausgenutzt werden kann.

c) Da die Kühlwassertemperatur am Kühlrohreinlaß bei etwa 100-200⁰C liegt, ist der Wärmeverlust aufgrund der Kühlung gering.

d) Es brauchen keine zusätzlichen Einrichtungen, wie Vorratsbehälter und Kühltürme, vorgesehen zu werden.

e) Es sind keine Umwälzpumpen erforderlich, wenn mit Thermosiphonumwälzung gearbeitet wird, d. h. mit dem Dichteunterschied zwischen dem Kühlwasser im Fallrohr und dem dampfhalligen, in gasförmiger und wäßriger Phase vorliegenden Kühlwasser im Steigrohr. Diesem Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß das genannte Durchbrennen durch Ablagerung von Dampffilmen an Biegungsabschnitten infolge von Schwankungen der auf das Kühlrohr einwirkenden thermischen Belastung hervorgerufen werden kann, wenn das Kühlrohr mit einem solchen Biegungsabschnitt versehen ist.

Wie oben dargelegt, muß bei der bekannten Verdampfungskühlvorrichtung dem Kreislauf Kühlwasser in einer Menge des abgeführten Dampfes entsprechenden Menge nachgefüllt werden.

Aus der deutschen Patentanmeldung D 13 484 VI/18b ist es bekannt, den in einer Dampfabscheidetrommel verlorengegangenen Dampf durch Zuführen von Kühlwasser in die Dampfabscheidetrommel auszugleichen. Dies weist den großen Nachteil auf, daß dadurch das in den Kühlkreislauf eintretende Kühlwasser eine Temperatur nahe der Siedegleichgewichtstemperatur aufweisen wird. Die vom Kühlwasser aufgenommene Wärme wird daher unmittelbar zur Verdampfung des Kühlwassers führen, die durch eine Druckerhöhung durch Höherlegen der Dampfabscheidetrommel entsprechend unterdrückt werden muß. Es sind jedoch zahlreiche Fälle denkbar, bei denen die Dampfabscheidetrommel nicht beliebig hoch gelegt werden kann, so daß trotz allem die Gefahr einer Verdampfung in den eigentlichen Kühlrohren besteht und damit die Gefahr des oben beschriebenen Durchbrennens des Kühlroh res, d. h. die Gefahr einer thermischen Beschädigung des Kühlrohres durch Überhitzung besteht.

In der FR-PS 12 55 280 ist nun vorgeschlagen, einen Teil des rückzuführenden Kühlwassers etwa in der Mitte des Fallrohres zuzugeben. Aber auch diese Maßnahme gemäß der FR-PS 12 55 280 kann den erwähnten Nachteil nicht beseitigen. Das nachzufüllende Kühlwasser stammt bei der bekannten Vorrichtung

aus einem Kondenstopf, in welchem der aus der Dampfabscheidetrommel abziehende Dampf nochmals niedergeschlagen wird. Dieses Kondenswasser hat damit in etwa Siedegleichgewichtstemperawr und seine Enspeisung in der Mitte des Fallrohres senkt die Temperatur des in die Kühlzone eintretenden Kühlwassers nicht wesentlich ab. Die Nachteile sind die gleichen, als wenn das Kühlwasser ausschließlich in der Dampfabscheidetrommel nachgefüllt werden würde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verdampfungskühlvorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu ,verbessern, daß bei gegebener Höhe der Dampfabscheidetrommel eine größere Wärmeabfuhr erzielbar ist

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kühlwasser-Zuführung sowohl an der Dampfabscheidetrommel auch auch in der Mitte des Fallrohres angeordnet und entsprechend den Meßwerten von je einer Meßvorrichtung, die zur Messung dei Verdampfung des Kühlwassere an zwei verschiedenen Steilen des Steigrohres angeordnet sind, steuerbar ist

Diese Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß die Kühlwasser-Zuführung ausschließlich in der Mitte des Fallrohres angeordnet ist.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungn haben den Vorteil, daß z. B. dann, wenn die Kühlwassertemperatur ca. 15-25°C beträgt, die Gastemperatur des Kühlwassers am Ende des Fallrohres, also unmittelbar vor Eintritt in das zu kühlende System deutlich herabgesetzt wird. Daraus ergibt sich, daß ein bedeutender Wärmeanteil zunächst dafür verwendet werden muß, bei einem gegebenen Druck das Kühlwasser wieder auf Siedegleichgewichtstemperatur aufzuheizen. Die Menge des im Steigrohr verdampfenden Wassers wird dadurch geringer und die Dampfabscheidetrommel kann niedriger angeordnet werden.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Wahrscheinlichkeit einer Verdampfung in den Kühlrohren selbst auch bei Beschädigung der Wärmeisolation der Kühlrohre vermindert wird.

Dadurch, daß bei der oben genannten ersten Lösung das Kühlwasser auch in der Dampfabscheidetrommel zugegeben wird, kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung ohne Schwankungen und Temperaturspitzen erreicht werden.

Im folgenden sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Verdampl'ungskühlvorrichtung in schematischer Darstellung, anhand der die thermischen Grundsät7e und Vorgänge in einer derartigen Vorrichtung näher erläutert werden,

Fig. 2 —4, 6 und 9 schematische Darsiellungen verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Verdampfungskühlvorrichtung,

F i g. 5 eine graphische Darstellung einer Siedegleichgewichtskennlinie und

F i g. 7 und 8 grafische Darstellungen der Ergebnisse von Vergleichsuntersuchungen zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der vorliegenden Verdampfungskühlvorrichtung.

Zunächst sollen anhand der in F i g. 1 schematisch dargestellten Verdarnpfungskühlvorrichtung mit Thermosiphonumwälzung die thermischen Vorgänge in einer solchen Vorrichtung näher erläutert werden. Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 weist eine Dampfabscheidetrommel 1, ein Fallrohr 2, eine zu kühlende Konstruktion 3. etwa ein Hochofen oder Glühofen, ein an die zu kühlende Konstruktion angeschlossenes Kühlrohr 4, ein Steigrohr 5, einen Fallrohr-Sammler 7, einen Steigrohr-Sammler 8, ein Dampfventil 9, eine Dampfablaßleitung 10, ein Wasserspeiseventil 11, ein Wasserspeiserohr 12, ein Monometer 13 der Dampfabscheidetrommel, ein Kühlrohrauslaß-Manometer 14, ein Thermometer 15 der Dampfabscheidetrommel und ein Kühlrohrauslaß-Thermometer 16 auf, wobei mit Ai — Λ5 die Höhen von den nachstehend angegebenen Positionen zum Kühlwasserspiegel in der Dampfabscheidetrommei 1 bezeichnet sind:

Ai: Unterster Punkt des Fallrohrs 2
I12: Fallrohr-Sammler 7
/?3 Oberster Punkt des Kühlrohrs 4
?U: Unterster Punkt des Kühlrohrs 4
Λ5: Steigrohr-Sammler 8

Das Kühlwasser fließt von der Dampfabscheidetrommei 1 über das Fallrohr 2 abwärts in das Kühlrohr 4, wo es durch Wärmeaustausch mit der zu kühlenden Konstruktion 3 erwärmt wird. Sodann tritt das Kühlwasser in das Steigrohr 5 ein, in welchem ein Teil davon verdampft und in gasförmiger und flüssiger Phase zur Dampfabscheidetrommel 1 zurückströmt Der durch die Dampfabscheidetrommel 1 vom Kühlwasser abgetrennte Dampf wird über das Dampfventil 9 durch das Dampfablaßrohr 10 nach außen abgeführt Das in flüssiger Phase vorliegende Kühlwasser wird über die genannte Umwälzbahn rückzirkuliert Die Nachfüllung von Kühlwasser erfolgt — wie es an sich bekannt ist — ausschließlich von außerhalb des Kreislaufs über das Wasserspeiserohr 12 und das Wasserspeiseventil 11 zur Dampfabscheidetrommel 1 in einer Menge, welche der nach außen abgeführten Dampfmenge entspricht.

In diesem konstanten Zustand seien folgende Bedingungen angenommen:

QQi]Zh) = Thermische Belastung des Kühlrohrs 4
K(NmVb) = Menge des im Kühlrohr 4 umgewälzten

Kühlwassers
Po(N/m²) = Druck in der Dampfabscheidetrommel 1.

In diesem Fall entspricht die Temperatur T₀ des Kühlwassers in der Dampfabscheidetrommel 1 gemäß folgender Gleichung (1) der Temperatur T_eq (P₀) im Gleichgewichtszustand mit P₀ entsprechend dem Siedegleichgewichtszustand gemäß F i g. 5:

T₀=T₁AP₀).

Unter der Voraussetzung, daß keine Änderung des Wärmeausgleichs des Fallrohrs 2 vorhanden ist, bestimmt sich die Temperatur Tt_n des Kühlwassers am Einlaß zum Kühlrohr 4 durch folgende Gleichung (2):

T_1n = T₁₁= T_eJP₀).

Wenn das Kühlwasser im Kühlrohr 4 nicht verdampft, entspricht die thermische oder Wärmebelastung Q dem Anstieg der Kühlwassertemperatur am Auslaß des Kühlrohrs 4. Demzufolge wird die Kühlwassertemperatur Tom am Auslaß des Kühlrohrs 4 durch folgende Gleichung (3) bestimmt:

T_0M = T_{1n +} QJV-Q-C, (3)

worin

ρ = Dichte des Kühlwassers (kg/Nm³)

c ■ = spezifische Wärme des Kühlwassers (kj/kg)

bedeuten.

Der Zustand, in welchem eine Verdampfung des Kühlwassers im Kühlrohr 4 verhindert wird, ist derjenige, in welchem das Verhältnis zwischen Druck und Temperatur des Kühlwassers im Kühlrohr 4 innerhalb des Bereichs X über der Siedegleichgewichtskurve E gemäß F i g. 5 liegt, d. h. in welchem die Temperatur des Kühlwassers im Kühlrohr 4 unter der Temperatur T_eq (P₀) im Gleichgewicht mit dem Druck des Kühlwassers im Kühlrohr 4 liegt. Falls in das Kühlrohr 4 ein Biegungsabschnitt aus einem ansteigenden und einem abfallenden Teil eingeschaltet ist, ist der statische Druck des Kühlwassers im Kühlrohr 4 in dessen oberstem Teil Λ3 niedriger als in seinem untersten Teil Λ4. Wenn daher im obersten Teil Λ3 kein Kühlwasserdampf erzeugt wird, wird an keiner Stelle des Kühlrohrs 4 Kühlwasserdampf erzeugt. Wenn das Kühlwasser im Kühlrohr 4 nicht verdampft, findet der Kühlwasserdurchfluß durch das Kühlrohr 4 nur in flüssiger Phase statt, und der Druckverlust aufgrund des Fließwiderstandes ist am geringsten. Der im obersten Teil Λ3 des Kühlrohrs 4 herrschende Kühlwasserdruck Phi läßt sich daher in diesem Fall durch folgende Gleichung ausdrücken:

(4)

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worin g-den Schwerkraftfaktor bedeutet.

Wenn die Kühlwassertemperatur im Kühlrohr 4, die im Gleichgewicht mit dem Druck Phi steht, durch T_eq (Phz) ausgedrückt wird, bestimmt sich der Zustand der Kühlwassertemperatur T₀₁₁₁ am Auslaß des Kühlrohrs 4, bei welchem die Verdampfung des Kühlwassers im Kühlrohr 4 ausgeschlossen ist, durch folgende Gleichung:

T_oul< T_c„(Pl_h).

(5)

T_1n + QIV-c < T-

(6)

Der Siedegleichgewicht-Temperaturunterschied Δ Teq (Po, Phi) zwischen P₀ und Phz wird dagegen durch folgende Gleichung bestimmt:

,T_rq (P₀. Ph₃) = T₁., (Ph₃) - T,, (P₀). (7)

T_eq(P_o)

Q-c <T_cq(P„)+ ,Γ«, (P., Ph₃), (8)

T_e,(P₀,PZi₃).

_xT_e,

(9)

Infolgedessen ergibt sich aus Gleichung (4) die folgende Gleichung:

35

Aus Gleichungen (3) und (5) ergibt sich mithin die folgende Beziehung:

45

50

Gleichung (6) läßt sich unter Verwendung von Gleichungen (2) und (7) wie folgt umschreiben:

60

65

Q,V-_L>-c

(10)

Wenn daher die Parameter Q, V, P₀ und h₃ so gewählt werden, daß sie der Gleichung (10) genügen, findet die Verdampfung des Kühlwassers nicht im Kühlrohr 4, sondern nur im Steigrohr 5 und in der Dampfabscheidetrommel 1 statt. Aus Gleichung (10) geht hervor, daß eine Verdampfung im Kühlrohr 4 durch die Wahl der Höhe hi, d. h. durch die Höhe der Dampfabscheidetrommel 1 über dem Kühlrohr 4 ganz wesentlich beeinflußt und verhindert werden kann. Das Verlegen der Dampfabscheidetrommel 1 in höhere Positionen ist jedoch nicht immer möglich und verteuert zudem die Konstruktion erheblich.

Wie bei niedrigerer Position der Dampfa')scheidetrommel eine Verdampfung im Kühlrohr 4 verhindert werden kann, wird im folgenden anhand von Fig.2 beschrieben, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Verdampfungskühlvorrichtung zeigt. Diese Ausführungsform weist eine Dampfabscheidetrommel 1, ein Fallrohr 2, eine zu kühlende Konstruktion 3, ein Kühlrohr 4, ein Steigrohr 5, einen Fallrohrsammler 7, einen Steigrohrsammler 8, ein Dampfventil 9, eine Dampfablaßleitung 10, eine Hilfstrommel 17 für zusätzliche Wasserzufuhr, ein Hilfswasserspeiseventil 18 und ein Hilfswasserspeiserohr 19 auf.

Das Kühlwasser fließt von der Dampfabscheidetrommel 1 über das Fallrohr 2 abwärts in das Kühlrohr 4, in welchem das Kühlwasser durch Wärmeaustausch mit der zu kühlenden Konstruktion 3 erwärmt wird. Das Kühlwasser tritt dann in das Steigrohr 5 ein, in welchem ein Teil des Kühlwassers verdampft und in gasförmigem sowie wäßrigem Zustand zur Dampfabscheidetrommel 1 zurückströmt. Der in der Dampfabscheidetrommel 1 vom Kühlwasser abgetrennte Dampf wird über das Dampfventil 9 durch die Dampfablaßleitung 10 aus dem Kreislauf abgeführt. Das in flüssiger Phase vorliegende Kühlwasser wird dagegen wieder über die beschriebene Umlaufbahn umgewälzt. Die ausschließliche Nachfüllung des Kühlwassers in einer der Menge des aus dem Kreislauf abgeführten Dampfes entsprechenden Menge erfolgt von außerhalb des Kreislaufs über das Hilfs-Wasserspeiserohr 19, das Hilfs-Wasserspeiseventil 18 und die zusätzliche Trommel 17 für Wasserzufuhr zum Mittelteil des Fallrohrs 2.

Wie erwähnt, stellt die Erhöhung der Siede-Gleichgewichtstemperatur des Kühlwassers im Kühlrohr durch Anordnung der Dampfabscheidetrommel in einer entsprechend hohen Lage eine der Möglichkeiten zur Ausschaltung der Verdampfung des Kühlwassers im Kühlrohr beim Verdampfungskühlverfahren durch Thermosiphonumwälzung dar. Vom Konstruktionsstandpunkt der Vorrichtung ist es jedoch schwierig, die Darnpiabseheidetrommel unbegrenzt in eine höhere Position zu verlegen. Außerdem gibt es Fälle, in dene·": es im Hinblick auf Begrenzungen der Anlage der gesamten Vorrichtung unmöglich ist, die Dampfabscheidetrommel ausreichend hoch anzuordnen.

In diesen Fällen kann die Verdampfung des Kühlwassers im Kühlrohr auch bei vergleichsweise tief liegender Dampfabscheidetrommel 1 dadurch vermieden werden, daß Kühlwasser von außerhalb des Kreislaufs in der Mitte des Fallrohrs in einer Menge nachgefüllt wird, welche der Menge des aus dem Kreislauf abgeführten Dampfes entspricht, anstatt — wie an sich bekannt — das Kühlwasser von außerhalb des Kreislaufs zur Dampfabscheidetrommel 1 zuzuführen. Wie erwähnt erhöht sich die Temperatur T_0M des Kühlwassers am Auslaß des Kühlrohrs 4 mit der Zunahme der auf dieses einwirkenden Wärmebelastung

Q (vergl. Gleichung (3)), was zu einem allmählich oder stufenweise niedrigeren Verdampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 führt. Selbst wenn sich der Temperaturanstieg [T₀- T_cq(P_o)) des Kühlwassers im Kühlrohr 4 nicht ändert, nimmt der Siede-Gleichgewichtstemperaturunterschied d7*eq(/O, PZi₃) zwischen P₀ und dem im obersten Punkt des Kühlrohres 4 herrschenden Druck mit zunehmendem Druck P₀ in der Dampfabscheidetrommel 1 ab (vgl. Gleichungen (7) und (9)), was einen ähnlichen, allmählich sinkenden Ver- ι ο dampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 zur Folge hat. Dieser Punkt entspricht in diesem Fall einer Position, in welcher ein Druck entsprechend T_oui entsprechend der Siedegleichgewichtskurve gemäß Fig.6 vorherrscht. In Fig.8 geben die gestrichelten Linien für die erste Ausführungsform der vorliegenden Verdampfungskühlvorrichtung die Beziehung zwischen dem in der Dampfabscheidetrommel 1 herrschenden Druck, der auf das Kühlrohr 4 einwirkenden Wärmebelastung und dem Verdampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 an.

Wenn die Menge des im Steigrohr 5 erzeugten Dampfes mit C kg/h und die latente Verdampfungswärme beim Druck P₀ in der Dampfabscheidetrommel mit q(k]/kg) ausgedrückt wird, ergibt sich folgende Gleichung:

Fallrohrs 2 über das Hilfs-Wasserspeiserohr 19, das Hilfswasserspeiseventil 18 und die zusätzliche Nachfüll-Trommel 17. Da die Temperatur in der Dampfabscheidetrommel 1 eine Gleichgewicht-Siedetemperatur ist, wird der im Steigrohr 5 entstehende Dampf nicht verflüssigt, sondern insgesamt über das Dampfventil 9 und die Dampfablaßleitung 10 aus dem Kreislauf abgeführt. Wenn daher die Menge des im Steigrohr 6 entstehenden Dampfes mit G2 kg/h und die Menge des aus dem Kreislauf abgeführten Dampfes mit G₃ kg/h bezeichnet wird, ergibt sich folgende Gleichung:

G₂ = G₃.

Der Wärmeausgleich ist in diesem Fall folgender:

G₃-c-(T_cq(PJ-TJ

= Q. (16)

Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

= Ql c-(TcAP₀)-TJ+ q. (17)

G = Q/q.

Zur Aufrechterhaltung des Kühlwasserspiegels und des Drucks in der Dampfabscheidetrommel 1 wird das Kühlwasser in einer der Menge des über die Dampfabscheidetrommel 1 aus dem Kreislauf abgeführten Dampfes entsprechenden Menge nachgefüllt. Im folgenden ist zunächst der Fall beschrieben, in welchem das Kühlwasser ausschließlich in die Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllt wird. Der im Steigrohr 5 entstehende Dampf bewirkt den Wärmeaustausch mit dem in die Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllten Wasser, wobei ein Teil des Dampfes bei dieser Gelegenheit verflüssigt wird. Wenn die Menge der Dampfabfuhr aus dem Kreislauf mit G\ kg/h und die Temperatur des zusätzlichen bzw. Nachfüllwassers (dessen Menge G\ entspricht) mit T_w bezeichnet wird, ergeben sich folgende Gleichungen:

(11) Bei dem Fall, in welchem das Kühlwasser ausschließlich bzw. insgesamt an der Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllt wird, bestimmt sich die Beziehung zwischen der im Steigrohr 5 entstehenden Dampfmenge G und den ausgetragenen Dampfmengen G\, G₂ und G₃ durch folgende Gleichung:

35 G₃ = G₂ = G₁ < G.

40

45

G₁ < G, (12)

q(G - GA = G₁ ■ c ■ (TAPJ - TJ, (13)

worin c = die spezifische Wärme des Kühlwassers bedeutet

Anhand der Gleichungen (11) und (12) ergeben sich mithin die folgenden Gleichungen:

G₁ =qG/[c-(T_eq(PJ- TJ

(¹⁴)

Im folgenden ist nunmehr entsprechend vorliegender Verdampfungskühlvorrichtung der Fall des ausschließlichen Nachfüllens von Kühlwasser am Mittelteil des Fallrohrs anhand von F i g. 2 beschrieben. Das genannte Nachfüllen des Kühlwassers erfolgt zum Mittelteil des Dies bedeutet daß die auf das Kühlrohr einwirkende Wärmebelastung Q bei diesem Fall insgesamt zur Erzeugung von Dampf beiträgt Da bei der ersten Ausführungsform gemäß F i g. 2 dagegen die Kühlwassertemperatur am Einlaß des Kühlrohrs 4 abnimmt, wird ein Teil der Wärmebelastung Q für die Erhöhung der Temperatur des Nachfüllwassers im Kühlrohr 4 auf eine mit dem vorbestimmten Druck in der Dampfabscheidetrommel 1 im Gleichgewicht stehende Temperatur herangezogen. Infolgedessen ist die im Steigrohr 5 entstehende Dampfmenge im Vergleich zum zuerst beschriebenen Fall gering.

Infolgedessen kann die Dampfabscheidetrommel bei der ersten Ausführungsform relativ tief gelegt werden. Außerdem besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit für eine Dampfbildung im Kühlrohr 4, auch wenn die Wärmebelastung z.B. infolge eines Abplatzens von Wärmeisolierstücken vom Umfang des Kühlrohre plötzlich schwankt

Die nachstehende Tabelle veranschaulicht anhand der Wärmebelastung je Kühlrohr 4 ein Beispiel eines Vergleichs der in den Steigrohren 5 erzeugten Dampfmengen, zum einen für den 1. Fall, daß das Kühlwasser ausschließlich der Dampfabscheidetrommel 1 zugeführt wird und zum anderen für den 2. Fall, daß das Kühlwasser ausschließlich im Mittelstück des es Fallrohres 2 nachgefüllt wird (Fig.2). Wie aus dieser Tabelle ersichtlich ist, ist die bei dem zweiten Fall entwickelte Dampfmenge um etwa 20—30% niedriger als bei dem ersten Fall.

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	Unterteilung	22 245	2. Fall	10	2. Fall
25 9	1. Fall 2. Fall	4OX 10⁴	2707,1	6OX10⁴	4062,8
Druck in Dampf- Wärmebelastung abscheide trommel 20 XlO⁴	1552,3 1355,7		2656,9		3983,3
	1619,3 1326,4	1. Fall	2636,0	1. Fall	3954,0
	1661,1 1318,0	3167,4	2623,4	4749,0	3933,1
1,02	1694,6 1309,7	3238,5	2610,9	4857,7	3916,3
3,06	1749,0 1305,4	3322,2	2602,5	4979,1	3903,8
5,10	i 807,5 130i,3	3389,1		5083,6
7,14	3502,1	5251,1
11,22	3615,1	5422,6
16,63	Maßeinheiten: Wärmebelastung: kJ/h. Druck in Dampfabscheidetrommel: bar abs. Erzeugte Dampfmenge: ltg/h.

Nachstehend ist nunmehr eine zweite Ausführungsform der Verdampfungskühlvorrichtung anhand von Fig.3 beschrieben, in welcher neben den bereits anhand der F i g. 1 und 2 beschriebenen Teilen Dampfvolumenprozent-Meßvorrichtungen 2OA und 205 dargestellt sind.

Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der vorher beschriebenen Ausführungsform dadurch, daß das Kühlwasser dadurch nachgefüllt wird, daß es in einer der Menge des über die Dampfabscheidetrommel 1 aus dem Kreislauf abgeführten Dampfes entsprechenden Menge sowohl an der Dampfabscheidetrommel 1 als auch im Mittelteil des Fallrohrs 2 nachgefüllt wird.

Wenn das Kühlwasser wie bei der ersten Ausführungsform (F i g. 2) ausschließlich in der Mitte des Fallrohrs 2 unter einer kleinen Wärmebelastung des Kühlrohrs 4 zugeführt wird, ist die Temperaturverteilung des Kühlwassers im Kreislauf großen Schwankungen und Pulsationen unterworfen, weil die Temperatur des Nachfüllwassers nur etwa 15-20°C beträgt und dieses Wasser daher eine lange Zeitspanne bis zum Erreichen eines konstanten Zustandes benötigt Wenn das Kühlwasser dagegen ausschließlich an der Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllt wird, besitzt die Temperaturverteilung des Kühlwassers im Kreislauf kleinere Schwankungen und eine kürzere Pulsie.-periode, weil die Dampfabscheidetrommel ein größeres Fassungsvermögen besitzt und das Umwälzverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen der Menge des ausgetragenen Dampfes in kg/h und der Menge des umgewälzten Kühlwassers in kg/h etwa 100 beträgt Wie erwähnt wird zudem der Verdampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 niedriger, wenn die auf das Kühlrohr 4 einwirkende Wärmebelastung zunimmt Die Umwälzung des Kühlwassers variiert somit in Abhängigkeit von den Änderungen der auf das Kühlrohr 4 einwirkenden Wärmebelastung. Die Schwankungen des Verdampfungsanfangspunktes des Kühlwassers im Steigrohr 5 können jedoch bei Gewährleistung eines gleichmäßigen bzw. stoßfreien Betriebs auf ein Mindest- eo maß herabgesetzt werden, indem der Verdampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 gemessen und durch Programmierung oder von Hand die Menge des zur Dampfabscheidetrommel 1 und zum Mittelteil des Fallrohrs 2 zugeführten Kühlwassers geregelt wird.

Wie speziell in F i g. 3 dargestellt ist, sind Dampfvolumen-Meßvorrichtungen 20A und 2OB am Punkt A, d. h. am oberen Grenzpunkt für die Einstellung des Verdampfungsanfangspunkts des Kühlwassers im Steigrohr 5, bzw. am Punkt B, d. h. am unteren Grenzpunkt dafür, angeordnet, um festzustellen, ob das an den Punkten A und B vorbeiströmende Kühlwasser Dampf enthält oder nicht und um die Menge des an der Dampfabscheidetrommel 1 und am Mittelteil des Fallrohrs 2 nachgefüllten Kühlwassers wie folgt zu regeln:

a) Wenn das am Punkt A vorbeiströmende Kühlwasser dampffrei ist und völlig im flüssigen Zustand vorliegt, wird das Kühlwasser über die Leitung 12 und das Ventil 11 nur zur Trommel nachgeliefert.

b) Wenn das am Punkt A vorbeiströmende Kühlwasser im gasförmigen und wäßrigen Zustand vorliegt und das am Punkt B vorbeiströmende Wasser dampffrei und vollständig flüssig ist, erfolgt die Kühlwassernachfüllung durch Verteilung in einem vorbestimmten Verhältnis sowohl an der Dampfabscheidetrommel 1 als auch am Mittelstück des Fallrohrs 2 über die Leitung 12 und das Ventil 11 sowie über die zusätzliche Leitung 18, das zusätzliche Ventil 18 und die zusätzliche Nachfülltrommel 17.

c) Wenn das den Punkt B passierende Kühlwasser im gasförmigen und wäßrigen Zustand vorliegt erfolgt das Nachfüllen von Kühlwasser nur am Mittelstück des Fallrohrs 2 über die Speiseleitung 19, das Speiseventil 18 und die Nachfülltrommel 17.

Die Kühlwasserumwälzung kann bei Anwendung der vorgenannten Verfahren zum Nachfüllen von Kühlwasser praktisch konstant gehalten werden, auch wenn die auf das Kühlrohr 4 einwirkende Wärmebelastung plötzlich schwankt Das Nachfüllen des Kühlwassers kann durch Messung von Druck und Temperatur des Kühlwassers an den Punkten A und B zur Erlangung von Informationen bezüglich des Vorhandenseins von Dampf im Kühlwasser anstelle der Verwendung der Dampfvolumenprozent-Meßvorrichtungen geregelt werden.

Obgleich der Kühlwasserspiegel in der Dampfabscheidetrommel 1, wie erwähnt, dadurch konstant gehalten werden kann, daß das Kühlwasser in einer der Menge des aus der Trommel abgeführten Dampfes entsprechenden Menge nachgefüllt wird, führt das Nachfüllen von Kühlwasser am Mittelstück des Fallrohrs 2 zu größeren Schwankungen der Menge des umgewälzten Kühlwassers. Es ist jedoch möglich, Kühlwasser kontinuierlich nachzufüllen und Schwan-

kungen der Menge des umgewälzten Kühlwassers auf ein Mindestmaß herabzusetzen, indem die folgenden Maßnahmen ergriffen werden: Bestimmung des tatsächlichen Kühlwasserfüllstands in der Dampfabscheidetrommel 1; Berechnung des Unterschieds, ^h zwischen dem tatsächlichen und dem vorbestimmten Füllstand, unter der Voraussetzung, daß gilt

(Nachfüllmenge)

a · (Menge des abgeführten
Dampfes), .

und Regelung des Werts von a relativ zum oberen Gren2^f.wert Ah_max und zum unteren Grenzwert Ah_mm von Ah auf folgende Weise:

(a) wenn ih< Ahmi„ : a

(b) wenn Ah_mi„ ^ Ah=

1 + k
j/w: a = 1
i—k.

Bei diesem Verfahren liegt der bevorzugte Bereich von k bei 0,1 —0,2. F i g. 9 zeigt die Beziehung zwischen Ah und a, und F i g. 4 veranschaulicht einen Teil einer Vorrichtung zur Berücksichtigung dieses Verfahrens. Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 4 sind neben den Teilen von F i g. 1 bis 3 noch ein Dampfströmungsmesser 21, ein Wasserfüllstandsmesser 22 und eine Programmiereinheit 23 vorgesehen.

Gemäß Fig.4 wird die Menge des ausgetragenen Dampfes, d. h. die nachzufüllende Kühlwassermenge, durch den Dampfströmungsmesser 21 bestimmt, und der Meßwert ν wird der Programmiereinheit 23 eingegeben. Der Unterschied zwischen dem Kühlwasserspiegel in der Dampfabscheidetrommel 1 und einem vorbestimmten bzw. Soll-Füllstand wird durch den Füllstandsmesser 22 anhand des Druckunterschiedes über und unter dem Kühlwasserspiegel in der Dampfabscheidetrommel 1 bestimmt, und der Meßwert Ah wird der Programmiereinheit 23 eingegeben. Die vorgenannten Bewertungsparameter (a), (b) und (c) werden im voraus in der Programmiereinheit 23 gespeichert. Letztere liefert dann unter Zugrundelegung der Meßwerte ν und 4Λ sowie der Parameter (a)—(c) Betätigungssignale zum Wasserspeiseventil 11 und zum Hilfs-Wasserspeiseventil 18. Die an der Dampfabscheidetrommel 1 und am Mi.telstück des Fallrohrs 2 nachzufüllende Wassermenge entsprechend der Menge des abgeführten Dampfes wird auf diese Weise so geregelt, daß der Kühlwasserspiegel in der Dampfabscheidetrommel 1 stets konstant gehalten werden kann.

Im folgenden ist die erste Ausführungsform der Verdampfungskühlvorrichtung anhand eines Beispiels erläutert, wobei diese Vorrichtung mit der an sich bekannten Lösung verglichen ist hei der das Kühlwasser ausschließlich der Dampfabscheidetrommel 1 zugeführt wird.

Beispiel

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Dieses Beispiel bezieht sich auf die erste Ausführungsform der Vorrichtung (Fig.2), bei welcher das Kühlwasser ausschließlich am Mittelstück des Fallrohrs 2 nachgefüllt wird. Bei diesem Versuch betrugen die Höhe vom Kühlwasserspiegel in der Dampfabscheidetrommel 1 bis zum obersten Teil des Kuhlrohrs 4 18 m, der vorbestimmte Druck in der Dampfabscheidetrommel 1 ca. 3 bar abs. und die Länge des Kühlrohrs 46 m.

In Fig.7 bezeichnen die ausgezogenen Linien die Ergebnisse des vorstehenden Versuches, während die gestrichelten Linien zum Vergleich die Versuchsergebnisse für den Fall angeben, daß das Kühlwasser ausschließlich an der Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllt wird. Wie aus F i g. 7 hervorgeht, liegt der Verdampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 dann, wenn das Kühlwasser am Mittelstück des Fallrohres 2 nachgefüllt wird, höher, und die Menge des umgewälzten Kühlwassers is^f kleiner als in dem Fall, in welchem das Kühlwasser an der Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllt wird.

Die grafische Darstellung von F i g. 8 veranschaulicht die Ergebnisse von Versuchen, bei denen unterschiedliche Drücke P₀ in der Dampfabscheidetrommel 1 und unterschiedliche Wärmebelastungen Q am Kühlrohr 4 angewandt wurden. In F i g. 8 beziehen sich die ausgezogenen Linien auf die Fälle, in denen das

nachgefüllt wurde, während die gestrichelten Linien zum Vergleich die Fälle bezeichnen, in denen das Kühlwasser ausschließlich an der Dampfabscheidetrommel 1 nachgefüllt wurde.

Wie aus F i g. 8 ersichtlich ist, liegt der Verdampfungsanfangspunkt des Kühlwassers im Steigrohr 5 beim Nachfüllen von Kühlwasser am Mittelstück des Fallrohrs 2 um etwa 3 m höher als dann, wenn das Kühlwasser am Dampfabscheider nachgefüllt wird. Letzterer kann somit um etwa 3 m tiefer gelegt werden.

Vorstehend sind nur Anwendungsfälle mit einem Kühlrohr beschrieben. Beispielsweise bei einem Glühofen sind jedoch zahlreiche Kühlrohre vorgesehen, und es gibt Fälle, in denen diese Kühlrohre unterschiedliche Längen und Durchmesser besitzen und die umgewälzte Kühlwassermenge sowie die Auslaßtemperatur zwischen den einzelnen Kühlrohren verschieden sind, wobei ungleiche Wärmebeiastungen auf die Kühlrohre einwirken. Weil hierbei Kühlrohre vorhanden sein können, in denen eine Verdampfung des Kühlwassers auftritt, ist es daher vorteilhaft, Maßnahmen zu treffen, um eine Verdampfung von Kühlwasser in jedem Kühlrohr auszuschließen. Ein Beispiel für derartige Maßnahmen ist in F i g. 6 dargestellt

Gemäß F i g. 6 ist zwischen einem Fallrohrsammler 7 und jedem Kühlrohr 4 je ein Durchflußmengen-Regelventil 24 vorgesehen, während zwischen einem Steigrohrsammler 8 und jedem Kühlrohr 4 je ein Auslaß-Thermometer 25 angeordnet ist Die Durchsatzmenge des Kühlwassers in jedem Kühlrohr 4 wird dabei durch Messung der Auslaßtemperatur des Kühlwassers in jedem Kühlrohr 4 mittels des Thermometers 25 und durch entsprechende Einstellung des Regelventils 24 derart geregelt, daß die Auslaßtemperatur des Kühlwassers in den Kühlrohren 4 praktisch gleich sind. Da die Wärmeschwankungen eines Glühofens im allgemeinen ziemlich klein und die Zeitkonstanten groß sind, reicht eine manuelle Regelung aus. Wenn die Auslaßtemperatur des Kühlwassers in jedem Kühlrohr 4 auf diese Weise auf einen Punkt unterhalb der Siedegleichgewichtstemperatur eingeregelt wird, kann eine Kühlwasserverdampfung in jedem Kühlrohr 4 verhindert werden.

Da bei der vorliegenden Vorrichtung, wie erwähnt, kein Kühlwasserdampf in einem mit einem Biegungsabschnitt aus einem ansteigenden Teil und einem abfallenden Teil versehenen Kühlrohr 4 entwickelt wird, kann das Verdampfungskühlverfahren mit Thermosiphonumwälzung des Kühlwassers auch auf die Fälle angewandt werden, in denen ein Kühlrohr 4 mit einem solchen Biegungsabschnitt versehen ist; wodurch eine erhebliche Senkung der Ausrüstungs- und Betriebskosten erreicht wird. Außerdem kann eine hohe Sicherheit

gewährleistet werden, auch wenn die auf ein Kühlrohr 4 einwirkende Wärmebelastung infolge eines elektrischen Stromausfalles oder anderer Ursachen plötzlich schwankt, so daß mit der vorliegenden Vorrichtung ein großer industrieller Nutzeffekt geboten wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verdampfungskühlvorrichtung mit natürlicher Umwälzung von Kühlwasser, mit einem an einer zu kühlenden Konstruktion angeordneten Kühlrohr, in dem das Kühlwasser ständig in flüssiger Phase gehalten wird, mit einer oberhalb des Kühlrohrs angeordneten, mit diesem durch ein Fallrohr und ein Steigrohr verbundenen Dampf abscheidetrommel, mit einer Verdampfung des Kühlwassers ausschließlich im Steigrohr und in der Dampfabscr-eidetrommel und mit einer Zuführung von Kühlwasser von außerhalb in den Kreislauf in einer der Menge des abgeführten Dampfes entsprechenden Menge, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwasser-Zuführung sowohl an der Dampfabscheidetrommei (!) als auch in der Mitte des Fallrohres (2) angeordnet und entsprechend den Meßwerten von je einer Meßvorrichtung (20Λ, ΊΆΒ), die zur Messung der Verdampfung des Kühlwassers an zwei verschiedenen Stellen des Steigrohres (5) angeordnet sind, steuerbar ist.

2. Verdampfungskühlvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwasser-Zuführung ausschließlich in der Mitte des Fallrohres (2) angeordnet ist