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Verfahren zur Kondensation von Dampf mittels Kühlluft sowie luftgekühlte
Kondensationsanlage zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Kondensation von Dampf, insbesondere Wasserdampf, mit Inertgaseinschlüssen mittels
Kühlluft sowie eine insbesondere für Wasserdampf bestimmte, luftgekühlte Kondensationsanlage
zur Durchführung des Verfahrens.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Kondensation von Inertgaseinschlüsse
enthaltendem Wasserdampf mittels Kühlluft bekannt, bei welchem der Dampf in mehrere
Teilströme aufgeteilt wird, die kühlluftseitig sowohl parallel zueinander als auch
hintereinander liegen, jeder Teilstrom des Dampfes zuerst im Gleichstrom und anschließend
im Gegenstrom zum Kondensat strömt und bei den die Kühl luft für die im Gegenstrom
zum Kondensat strömenden Teilströme des Dampfes durch- den Dampf vorgewärmt wird.
Durch dieses Vorwärmen der im Gegenstrom zum Kondensat strömenden Teilströme des
Dampfes wird die Einfriergefahr bzw. die Reifbildung innerhalb dephlegmatorisch
geschalteter Wärmeaustauschelemente beseitigt, die sowohl zu Betriebsstörungen als
auch zu Beschädigungen der Wärmeaustauschelemente führen können.
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Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die Vorwärmung der den dephlegmatorisch
geschalteten Wärmeaustauschelementen zuge für ten Kühlluft mittels einer luftseitig
vorgeschalteten Kondensareihe, Dies hat den Nachteil, daß die Vergrößerung der kondensatorisch
geschalteten Wärmeaustauschfläche eine relative Verkleinerung der dephlegmatorisch
geschalteten Wärmeaustauschfläche zur Folge hat und daß außerdem für die dephlegmatorisch
geschalteten
Wärmeaustauschflächen eine kleinere Temperaturdifferenz zur Verfügung steht, weshalb
die dephlegmatorisch geschaltete Wärmeaustauschfläche eine geringere Ab saugwirkung
für die kondensatorisch geschalteten Wärmeaustauschflächen erzielt. Da etwa 20 bis
40% der Dampfmenge in dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelementen kondensiert
werden müssen, ist es beim bekannten Verfahren deshalb erforderlich, das Verhältnis
von dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelementen zu kondensatorisch geschalteten
Wärmeaustauschelementen zu erhöhen. Hieraus resultiert eine Steigerung des Aufwandes
an Wärmeaustauscherfläche, da Dephlegmator-Elemente einen schlechteren Kondensationswirkungsgrad
aufweisen als Kondensator-Elemente.
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Der Erfindung 7ag die Aufgabe zugrunde, ein Vorwärmen der Kühlluft
für die dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelemente zwecks Vermeidung fler
Einfriergefahr und Reifbildung zu erzielen, ohne daß eine ins Gewicht fallende Erhöhung
der kondensatorisch und dephlegmatorisch geschalteten Wärmeübergangsrläche und/oder
eine Veränderung des Verhältnisses zwischen diesen unterschiedlich geschalteten
Wärmeübergangsflächen erforderlich sind.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch das erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft für die im Gegenstrom zum Kondensat
strömenden Teilströme des Dampfes durch die bei der Kondensation eines im geschlossenen
System befindlichen Wärmeträgers abgegebene Wärme vorgewärmt wird, welche dem Dampf
vorher zur Verdampfung des Wärmeträgers entzogen worden ist.
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Da der im geschlossenen System befindliche Wärmeträger von dem zu
kondensierenden Dampf nach dessen Eintritt in die dephlegmatoxisch
geschalteten
Wärmeaustauschflächen verdampft wird und durch seine Kondensation die Kühl luft
für die im Gegenstrom zum Kondensat strömenden Teilströme des Dampfes vorwärmt,
wird die Saugleistung der dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschflächen für
die dampfseitig vorgeschalteten, kondensatorisch wirkenden Wärmeaustauschflächen
beibehalten, so daß weder eine Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche insgesamt,
noch eine Veränderung des Verhältnisses zwischen dephlegmatorisch und kondensatorisch
geschalteter Wärmeaustauschfläche erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
vermeidet somit eine Vergrößerung des Flächenaufwandes für die Kondensationsanlage
und beseitigt auch bei extrem niedrigen Kühllufttemperaturen und im Teillastbereich
die Einfriergefahr bzw.ReiSbildung innerhalb der Dephlegmator-Wärmeaustauschelemente.
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Die insbesondere für Wasserdampf vorgesehene, luftgekühlte Kondensationsanlage
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt in bekannter Weise von
der Kühlluft weitgehend parallel angeströmte Wärmeaustauschelemente, die jeweils
zwischen endseitigen Verteiler- bzw. Sammelkammern sich in mehreren kühlluftseitig
hintereinander liegenden Reihen erstreckende Rippenrohre aufweisen und die dampfseitig
derart geschaltet sind, daß der Dampf zunächst durch kondensatorische Wärmeaustauschelemente
und anschließend durch mindestens ein dephlegmatorisch wirkendes Wärmeaustauschelement
geführt ist.
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Die erfindungsgemäße Weiterbildung dieser Kondensationsanlage ist
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die kühlluftseitige erste Reihe der dephlegmatorisch
betriebenen Wärmeaustauschelemente
durch eine Reihe von mindestens
im Kondensatorteil berippten Wärmerohren gebildet ist, deren Verdampferteile innerhalb
der Verteilerkammer des Wärmeaustauschelements angeordnet sind.
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Bei dieser erfindungsgemäß ausgebildeten luftgekühlten Kondensationsanlage
werden für die Vorwärmung an sich bekannte Wärmerohre verwendet, die hinsichtlich
ihres Einbaus in die dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelemente keine
Schwierigkeiten bereiten und eine hohe Betriebssicherheit ergeben.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Verdampfetteile
der Wärmerohre in dem vom eintretenden Dampf zuerst beaufschlagten Teil der Verteilerkammer
angeordnet sein. Hierdurch erfolgt eine gezielte Zufuhr des Dampfes zuerst zum Verdampferteil
der Wärmerohre, wodurch sich eine Verbesserung des Wärmeübergangs ergibt.
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Um bei gleicher Apparateauslegung den Raumbedarf der Verdampfer teile
innerhalb der Verteilerkammer des dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelements
zu verringern, können die Verdampferteile der Wärmerohre erfindungsgemäß zu einer
gemeinsamen Verdampferkammer verbunden sein. Bei gleichem Volumen der Verdampferteile
ergibt sich durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung eine günstigere Unterbringungsmöglichkeit
innerhalb der Verteilerkammer.
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Zur Oberflächenvergrößerung der wärmeübertragenden Fläche können die
Verdampferteile bzw.die gemeinsame Verdampferkammer der Wärmerohre mit Rippen versehen
sein,womit eine weitere Reduzierung des Raumbedarfs innerhalb der Verteilerkammer
verbunden ist.
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Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen der erf in dungsgemäßen
Kondensationsanla e dar estellt und zwar zeiten:
Fig0 1 eine schematische
Darstellung einer luftgekühlten Kondensationsanlage mit einem ersten Ausführungsbeispiel
für die Ausbildung der Wärmerohre, Fig0 2 eine zweite Ausführungsform der Wärmerohrausbildung
und Fig. 3 eine dritte Ausführungsmöglichkeit für die Anordnung der Wärmerohre in
einem dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelement.
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In der schematischen Darstellung der luftgekühlten Kondensationsanlage
nach Fig.1 ist eine Dampfzufuhrleitung 1 zu erkennen, die den zu kondensierenden
Dampf einer Verteilerkammer 2a eines Wärmeaustauschelements 2 zuführt. Dieses Wärmeaustauschelement
2 besitzt beim dargestellten Ausführungsbeispiel drei in Strömungsrichtung der Kühlluft
hintereinander liegende Reihen von Rippenrohren 2b, welche außer durch die Verteilerkammer
2a durch eine Sammelkammer 2c miteinander verbunden sind0 Durch die in drei Reihen
kühlluftseitig hintereinander liegenden Rippenrohre 2b wird der der Verteilerkammer
2a des Wärmeaustauschelements 2 zugeführte Dampf in eine Vielzahl von Teilströmen
aufgeteilt, welche kühlluftseitig in den Rohren einer Rohrreihe parallel zueinander
und kühlluftseitig hintereinander liegen, wenn man die drei Reihen der Rippenrohre
2b betrachtet, welche gemäß der durch Pfeile gekennzeichneten Strömungsrichtung
3 mit durch einen Ventilator 4 erzeugter Kühlluft beaufschlagt werden. Da die Verteilerkammer
2a des Wärmeaustauschelements 2 höher als dessen Sammelkammer 2c liegt, strömt der
Teilstrom des Dampfes in den Rippenrohren 2b in gleicher Richtung wie das durch
die Kühlung anfallende Kondensat. Es handelt sich bei dem Wärmeaustauschelement
2 somit um ein kondensatorisch betriebenes Element.
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Das Wärmeaustauschelement 2 wird mit Dampfüberschuß betrieben, Der
nicht kondensierte Dampf wird aus der Sammelkammer 2c durch
eine
Leitung 5 der unten liegenden Verteilerkammer 6a eines dem Wärmeaustauschelement
2 dampfseitig nachgeschalteten Wärmeaustauschelement 6 zugeführt. Dieses Wärmeaustauschelement
6 besitzt beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei in Strömungsrichtung 3 der
ebenfalls durch einen Ventilator 4 bewegten Kühlluft hintereinander liegende Reihen
von Rippenrohren 6b, welche am oberen Ende wiederum durch eine Sammelkammer 6c miteinander
verbunden sind. Da die durch die Rippenrohre 6b geführten Teilströme des Dampfes
bei diesem Wärmeaustauschelement 6 im Gegenstrom zum Kondensat strömen,handelt es
sich beim Wärmeaustauschelement 6 um ein dephlegmatorisch geschaltet tes Element.
Aus der Sammelkammer 6c dieses Wärmeaustauschelements 6 werden die sich ansammelnden
Gase, nämlich Luft und Inertgase, durch eine Saugleitung 7 abgeführt. Das Kondensat
aus den beiden Wärmeaustauschelementen 2 und 6 wird durch eine Kondensatleitung
8 abgezogen.
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Der kühlluftseitig ersten Reihe der Rippenrohre 6b ist eine Reihe
aus Wärmerohren 9 vorgeschaltet, welche geschlossen und mit einem Wärmeträger gefüllt
sind. Als Wärmeträger kann beispielsweise Ammoniak verwendet werden.
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Der in den Wärmerohren 9 befindliche Wärmeträger wird im unteren Teil
der Wärmerohre 9 durch den in die Verteilerkammer 6a eintretenden Dampf verdampft.
Dieser Teil der Wärmerohre 9 wird demgemäß als Verdampferteil 9a bezeichnet. Da
der obere Teil der Wärmerohre 9 im Strom der kalten Kühlluft liegt, kondensiert
der Wärmeträger in diesem oberen Bereich der Wärmerohre 9, der aus diesem Grunde
als Kondensatorteil bezeichnet wird. Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Verdampferteile 9a der Wärmerohre 9 mit Längsrippen 10 und die Kondensatorteile
9b der Wärmerohre 9 mit Querrippen 11 versehen. Die Verdampferteile 9a der Wärmerohre
9 liegen in einem erweiterten Bereich der Verteilerkammer 6a, so daß der in die
Verteilerkammer 6a eingeführte Dampf zuerst auf die Verdampferteile 9a der Wärmerohre
9 trifft.
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Durch die voranstehend beschriebene Ausbildung des dephlegmatorisch
geschalteten Wärmeaustauschelements 6 wrd dem eintretenden Dampf in der Verteilerkammer
6a derjenige Teil seines Wärmeinhalts entzogen, der zur Verdampfung des Wärmeträgers
in den Verdampferteilen 9a der Wärmerohre 9 benötigt wird.
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Diese Wärmemenge wird durch den in den Wärmerohren 9 aufsteigen den
Wärmeträger über die Rohrwandung und Querrippen 11 der Kondensatorteile 9b an die
Kühlluft abgegeben. Auf diese Weise wird die der ersten Reihe der Rippenrohre 6b
zugeführte Kühlluft vorgewärmt, so daß die Wandtemperatur der ersten Rohrreihe selbst
bei extrem niedrigen Temperaturen der Kühlluft den Gefrierpunkt nicht unterschreiten
kann. Dies wäre bei diesen Rippenrohren 6b insbesondere deshalb gefährlich, weil
sich am oberen Ende der dephegmatorisch wirkenden Rippenrohre 6b sehr leicht eine
Reifschicht bilden kann, wenn die Wandtemperatur den Gefrierpunkt unterschreitet.-
Diese Reifbildung ist deshalb begünstigt, weil im oberen Bereich der Rippenrohre
6b aufgrund des hohen Anteils an Inertgasen der Kondensationsprozeß aufhört, so
daß wegen des Vorhandenseins von Restdampf die Rohrwandung vereisen kann. Eine derartige
Vereisung durch Reifbildung hätte nicht nur eine Beeinträchtigung der Kondensationswirkung
des dephlegmatorisch wirkenden Wärmeaustauschelements 6 zur Folge, sondern könnte
die Kondensation dieses Wärmeaustauschelements 6 vollständig behindern, wenn durch
eine derartige Reifbildung beispielsweise die Inertgase nicht mehr in vollem Maß
abgesaugt werden können0 Bei der zweiten Ausführungsform der luftgekühltn Kondensationsanlage
gemäß Fig.2 ist wiederum ein kondensatorisch betriebenes Wärmeaustauschelement 2
zu erkennen, dessen Rippenrohre 2b sowohl durch eine Verteilerkammer 2a als auch
durch eine Sammelkammer 2c miteinander verbunden sind. Die Zufuhr der Kühlluft erfolgt
durch einen Ventilator 4. Der zu kondensierende Dampf wird durch eine Dampfzufuhrleitung
1 dem Wärmeaustauschelement 2 zugeführt. Der Uberschußdampf wird durch
eine
Leitung 5 einem nachgeschalteten Wärmeaustauschelement 6 zugeführt, welches dephlegmatorisch
betrieben wird.
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Auch bei diesem Wärmeaustauschelement 6 ist den in zwei Reihen angeordneten
Rippenrohren 6b in Richtung des von einem Ventilator 4 erzeugten Kühlluftstromes
eine Reihe von Wärmerohren 9 vorgeschaltet0 Die mit ihrem Kondensatorteil 9b im
Kühlluftstrom liegenden Wärmerohre 9 ragen mit ihrem Verdampferteil 9a in die Verteilerkammer
6a des Wärmeaustauschelements 6 hinein.
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Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig.1 liegen diese mit querrippen
versehenen Verdampferteile 9a innerhalb einer normal ausgebildeten Verteilerkammer
6a, ohne daß der durch die Leitung 5 zugeführte Dampf gezielt auf die Verdampferteile
9a gerichtet ist. Die sich an der Oberfläche der Verdampferteile 9a der Wärmerohre
9 ausbildende Temperatur sorgt ohne gezielte Dampfzuführung dafür, daß der notwendige
Wärmeaustausch stattfindet.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel nach Fig.3 sind die Verdampfer teile
9a der Wärmerohre 9 zu einer gemeinsamen Verdampferkammer 9c verbunden,welche innerhalb
der Verteilerkammer 6a des Wärmeaustauschelements 6 liegt. Durch die Bildung einer
derartiger Verdampferkammer 9c ergibt sich für den Wärmeaustausch eine verhältnismäßig
große Oberfläche, die bei Bedarf zusätzlich berippt sein kann.
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Bezugsziffernliste: 1 Dampfzufuhrleitung 2 Wärmeaustauschelement
2a Verteilerkammer 2b Rippenrohr 2c Sammelkammer 3 Strömungsrichtung 4 Ventilator
5 Leitung 6 Wärmeaust ausche lement 6a Verteilerkammer 6b Rippenrohr 6c Sammelkammer
7 Saugleitung 8 Rondensatleitung 9 Wärmerohr 9a Verdampferteil 9b Kondensatorteil
9c Verdampferkammer 10 Längsrippe 11 Querrippe
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