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Verfahren zur Kondensation von Dampf mittels Kühlluft -
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sowie luftgekühite Kondensationsanlage zur Durchfühn;ug 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 Inertgase einschlüsse
enthaltendem Wasserdampf mittels Kühlluft bekannt, bei welchem der Dampf in mehrere
Teilströme aufgeteilt wird, die kühllurtseitig sowohl parallel zueinander als auch
hintereinander liegen, und jeder Teilstrom des Dampfes im Gleichstrom mit dem Kondensat
teilweise kondensiert. Um die Einfriergefahr des Kondensats - . - - .- innerhalb
der Wärmeaustauschelemente bei niedrigen Temperaturen der Kühlluft zu verhindern,
wird bei dem bekannten Verfahren die restliche Kondensation des Dampfes im Gegenstrom
zum Kondensat durchgeführt und die hierfür verwendete Kühlluft dadurch vorgewärmt,
daß diesen dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelementen kondensatorisch
wirkende Wärmeaustauschelemente kühlluftseitig vorgeschaltet sind, die in Strömungsrichtung
des Dampfes vor den dephlegmatorisch geschalteten Wärmeaustauschelementen liegen.
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Dieses bekannte Verfahren besitzt den Nachteil, daß sowohl der Aufwand
für Sammler und Rohre erhöht wird als auch eine größere Wärmeaustauschfläche erforderlich
ist, weil Dephlegmator-Elemente einen schlechteren Kondensationswirkungsgrad als
Kondensator-Elemente aufweisen. Dies führt bei gleicher
KondensationsleXtung
zu einem größeren Bedarf an berippten Wärmeaustauschrohren. Darüber hinaus bergen
Dephlegmator-Elemente bei Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt an ihrem oberen
Ende die Gefahr einer Bereifung auf ihrer Innenseite, wodurch im Laufe der Zeit
ein Absaugen der Inertgase behindert und damit die Kondensationsleistung der Anlage
gesenkt wird.
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SchlieBlich ergibt sich verfahrensmäßig ein unvermeidliches Absinken
der Dampftemperatur aufgrund des Druckverlustes in den Rohren und Leitungen, wodurch
das den Wärmeaustausch ermöglichende, sogenannte treibende Temperaturgefälle in
den Dephlegmator-Elementen absinkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten
Verfahrens zu vermeiden und ein Verfahren zur Kondensation von Dampf, insbesondere
von Wasserdampf, mit Inertgaseinschlüssen mittels Kühlluft zu schaffen, welches
bei reduziertem Anlagenaufwand und insbesondere verringerter Wärmeaustauschfläche
gegenüber dem bekannten Verfahren einen geringeren dampfseitigen Druckverlust und
damit ein erhöhtes treibendes Temperaturgefälle bewirkt und jede Einfriergefahr
bzw. Reifbildung in den Wärmeaustauschelementen beseitigt.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch das Verfahren nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Uberschußdampf sämtlicher Teilströme zusammengeführt
und gemeinsam durch die durch die Verdampfung eines im geschlossenen System befindlichen
Wärmeträgers entzogene, durch anschließende Kondensation an die Kühlluft abgegebene
Wärme kondensiert wird und daß die Inertgase gemeinsam abgezogen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Hauptkondensator ausschließlich
kondensatorisch wirkende, d.h. im Gleichstrom zwischen Dampf und Kondensat betriebene
Wärmeaustauschelemente verwendet,die mit tlberschußdddpf betrieben werden.Der aus
mehreren mm Dampf parallel beaufschlagten Kondensator-Elementen kr ende Uberschußdampf
wird im gemeinsamen Sammler dadurch kondensiert,
daß ihm die zur
vollständigen Koinsation der Restdampfmenge erforderliche Wärme durch einen Wärmeträger
entzogen wird, der sich innerhalb eines geschlossenen Systems befindet und der die
zur vollständigen Kondensation des Überschußdampfes durch seine Verdampfung aufgenommene
Wärme anschließend durch Kondensation an die Kühlluft abgibt. Wegen der geringeren
Einfriergefahr des im geschlossenen System befindlichen Wärmeträgers,beispielsweise
Ammoniak, wird auch bei extrem niedrigen Temperaturen der Kühlluft eine Vereisung
des geschlossenen Systems ausgeschlossen. Da die mit dem zu kondensierenden Dampf
beschickten Kondensator-Elemente mit überschußdampf betrieben werden, entfällt bei
diesen die Gefahr der Totzonenbildung bzw. des Einfrierens, so daß eine Vorwärmung
der Kühlluft für diese Kondensator-Elemente nicht erforderlich ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Restkondensation
der zusammengeführten Teilströme des Dampfes innerhalb eines gemeinsamen Sammlers
durch eine Mehrzahl von Wärmerohren; die Inertgase sämtlicher Teilströme werden
im Bereich der Kreuzstrom-Kondensation konzentriert und durch einen im Bereich der
Wärmerohre am Sammler angeordneten Absaugstutzen abgezogen, so daß die Evakuierung
der zu einer Gruppe zusammengeschlossenen Kondensator-Elemente durch eine einzige
Leitung erfolgen kann.
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Die luftgekühlte Kondensationsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besitzt mehrere von der Kühlluft parallel angeströmte Wärmeaustauschelemente,
die jeweils mehrere kühlluftseitig hintereinander liegende Reihen von Rippenrohren
aufweisen, in denen zu kondensierender Dampf und Kondensat in gleicher Richtung
strömen und einem gemeinsamen Sammler zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung dieser Kondensationsanlage ist dadurch
gekennzeichnet, daß in dem gemeinsamen Sammler die Verdampferteile eines aus Wärmerohren
gebildeten Wärmeaustauschelements angeordnet sind, deren Kondensatorteile kühlluftseitig
parallel zu den kondensatorischen Wärmeaustauschelementen angeordnet sind, und daß
der Absaugstutzen des Sammlers für Inertgase im Bereich der Wärmerohre liegt.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der luftgekühlten Kondensationsanlage
werden dephlegmatorisch geschaltete Wärmeaustauschelemente überflüssig. Außerdem
entfallen Sammler und Leitungen, da die Restkondensation des aus den Kondensator-Elementen
kommenden Uberschußdampfes im Sammler dieser Kondensator-Elemente erfolgt, in den
die Verdampferteile der Wärmerohre hineinragen und an den eine einzige Leitung zum
Absaugen der Inertgase angeschlossen ist. Die erfindungsgeäße Kondensationsanlage
benötigt somit nicht nur eine geringere Wärmeaustauschfläche und damit weniger Rippenrohre,
sondern hat durch den Wegfall von Sammlern und Leitungen eine weitere Reduzierung
des Anlagenaufwandes zur Folge.
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Um eine zuverlässige Kondensation des Uberschußdampfes im Sammler
zu erzielen, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung im Bereich der Verdampferteile
der Wärmerohre ein Trennboden im Sammler angeordnet sein, der den Sammler in zwei
Strömungsräume unterteilt, in denen jeweils ein Abschnitt jedes Verdampferteils
liegt und dessen oberer Strömungsraum mit dem Absaugstutzen versehen ist. Der erfindungsgemäße
Trennboden führt auf diese Weise den Uberschußdampf gezielt an die Verdampferteile
der Wärmerohre, wobei er erfindungsgemäß derart geneigt sein kann , daß sich in
Strömungsrichtung der beiden gegenläufig durchströmten Strömungsräume ein abnehmender
Strömungsquerschnitt ergibt, der somit zu einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit
des kondensierenden Uberschußdampfes führt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist unterhalb
des
unteren Endes des geneigten Trennbodens ein Kondensatablaufstutzen angeordnet, so
daß das im Sammler anfallende Kondensat gezielt abgezogen wird.
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Die Kondensatorteile der Wärmerohre können erfindungsgemäß in mehreren
kühlluftseitig hintereinander liegenden Reihen angeordnet sein, so daß sie ein den
Kondensator-Elementen entsprechendes Wärmeaustauschelement ergeben. Da die Wärmerohre
darüber hinaus gegenüber der Senkrechten geneigt sein können, läßt sich das durch
sie gebildete Wärmeaustauschelement ohne Schwierigkeiten mit den Kondensator-Elementen
zu einem deltaförmigen Gesamtelement vereinen.
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Um die Flutgeschwindigkeit des im geschlossenen System anfallenden
Wärmeträger-Kondensat zu erhöhen, wird mit der Erfindung schließlich vorgeschlagen,
Wärmerohre mit ovalem bzw. elliptischem Querschnitt und in Neigungsrichtung verlaufender
größerer Achse zu verwenden, wobei mindestens die Kondensatorteile der Wärmerohre
berippt sind.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele einer erz in dungsgemäßen
luftgekühlten Kondensationsanlage dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 eine schematische
Darstellung eines aus drei Kondensator-Elementen und einem Wärmerohr-Element bestehenden
Gesamtelements einer Kondensationsanlage und Fig. 2 eine perspektivische Ansicht
einer praktischen Ausführung eines derartigen Wärmeaustauschelements mit deltaförmiger
Anordnung.
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In Fig.1 ist eine Dampfzufuhrleitung 1 zu erkennen, an welche drei
Kondensator-Elemente 2 dampfseitig parallel angeschlossen sind. Diese Kondensator-Elemente
2 werden auch kühlluftseitig parallel beaufschlagt und mit Uberschußdampf betrieben.
Der Uberschußdampf sämtlicher Kondensator-Elemente 2 gelangt gemeinsam
mit
dem in Gleichstrom mit dem Dampf fließenden Kondensat in einen als Überströmrohr
3 ausgebildeten Sammler.
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In dieses Uberströmrohr 3 ragen die Ver~ampferteile 4a von Wärmerohren
4 hinein und bilden somit einen Kreuzstrom-Kondensator. Die Wärmerohre 4 können
in der gleichen Weise wie die Rippenrohre der Kondensator-Elemente 2 angeordnet
sein, d.h.
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deren berippte Kondensatorteile 4b können kühlluftseitig parallel
zu den Kondensator-Elementen 2 angeordnet werden, gegebenenfalls in mehreren kühlluftseitig
hintereinander liegenden Reihen.
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Im Bereich der Verdampferteile 4a der Wärmerohre 4 ist an der Unterseite
des Uberströmrohres 3 ein Kondensatablaufstutzen 5 und an der Oberseite des Uberströmrohres
3 ein Absaugstutzen 6 angeordnet, durch den Inertgase abgesaugt werden.
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Durch den in den Wärmerohren 4 und damit in einem geschlossenen System
befindlichen Wärmeträger, beispielsweise Ammoniak, wird dem aus den Kondensator-Elementen
2 in das Uberströmrohr 3 eingetretenen'Uberschußdampf im Uberströmrohr 3 diejenige
Wärme entzQgen, die zur vollständigen Kondensation des Uberschußdampfes erforderlich
ist. Hierbei verdampft der Wärmeträger in den als Verdampferteile 4a bezeichneten
Rohrstücken der Wärmerohre 4.
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Dieser Wärmeträgerdampf steigt in den Wärmerohren 4 nach oben und
gelangt in die Kondensatorteile 4b der Wärmerohre Lt, welche von der Kühlluft gekühlt
werden. Dies hat eine Kondensation des Wärmeträgerdampfes zur Folge und damit eine
Ubertragung der vom Wärmeträger in den Verdampferteilen 4a dem Uberschußdampf entzogenen
Wärme an die Kühlluft im Bereich der Kondensatorteile 4b.
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Damit der Uberschußdampf gezielt an die Verdampferteile 4a der Wärmerohre
4 herangeführt wird, ist im Uberströmrohr 3 ein Trennboden 7 angeordnet, welcher
den mit den Wärmerohren 4 versehenen Teil des Uberströmrohres 3 in zwei Strömungsräume
unterteilt. Der Trennboden 7 ist geneigt, so daß sich der Strömungsquerschn 't der
beiden Strömungsräume in Strömungsrichtung des Uberschußdampfes verengt. Durch den
sich in Strömungsrichtung
der beiden gegenläufig durchströmten
Strömungsräume verringernden Strömungsquerschnitt wird eine nahezu gleichbleibende
Geschwindigkeit des Überschußdampfes in den beiden Strömungsräumen erreicht, da
das Dampfvolumen infolge der Kondensation des Dampfes an den Verdampferteilen Lta
der Wärmerohre 4 etwa entsprechend der Querschnittsverringerung abnimmt.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist wiederum eine Dampfzufuhrleitung
1 zu erkennen, die den First eines deltaförmigen Gesamtelements bildet. An diese
Dampfzufuhrleitung 1 sind insgesamt sechs Kondensator-Elemente 2 angeschlossen,
die paarweise zueinander geneigt unterhalb der Dampfzufuhrleitung 1 liegen. Der
einfacheren Darstellung wegen sind diese Kondensator-Elemente 2 kastenförmig gezeichnet,
obwohl es sich selbstverständlich um ein ein- oder mehrreihiges Bündel von berippten
Wärmeaustauschrohren handelt.
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Die unten liegenden Sammelkammern der nebeneinander liegenden Kondensator-Elemente
2 sind an ein gemeinsames Uberströmrohr 3 angeschlossen, so daß zwei derartige Uberströmrohre
3 parallel zueinander verlaufen. Jedes Uberströmrohr 3 besitzt wiederum einen Kondensatablaufstutzen
5 sowie einen Absaugstutzen 6 für die Inertgase. In der Basis des deltaförmigen
Elements sind beim Ausführungsbeispiel mehrere Ventilatoren 8 angeordnet, welche
Kühlluft durch die Kondensator-Elemente 2 drücken, wie mit den strichpunktierten
Pfeilen in Fig.2 angedeutet ist.
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Diese Kühlluft durchströmt parallel zu den E;ondensator-Elemente 2
auch Wärmeaustauschelemente 9, die jeweils aus zwei Reihen von mit Rippen versehenen
Wärmerohren 4 gebildet sind. Auch diese Situation ist in Fig.2 lediglich schematisch
dargestellt.
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Die Wärmerohre 4 liegen mit ihrerdVerdampferteil 4a gemäß Fig.1 innerhalb
des entsprechenden Uberströmrohres 3, wogegen ihre berippten Kondensatorteile 4b
entsprechend den Kondensator-Elementen 2 geneigt oberhalb der Uberströmrohre 3 angeordnet
sind. Es ergibt sich auf diese Weise ein aus Wärmerohren 4 gebildetes
Wärmeaustauschelement
9, das in der gleichen Art und Weise angeordnet und gekühlt wird wie die Kondensator-Elemente
2.
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Bezugsziffernliste: 1 Dampfzufuhrleitung 2 Kondensator-Element 3
Uberströmrohr 4 Wärmerohr 4a Verdampferteil 4b Kondensatorteil 5 Kondensatablaufstutzen
6 Absaugstutzen 7 Trennboden 8 Ventilator 9 Wärmeaustaus che lement
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