DE3205879A1

DE3205879A1 - Luftgekuehlter dampfverfluessiger

Info

Publication number: DE3205879A1
Application number: DE19823205879
Authority: DE
Inventors: Alessandro Firenze Zanobini
Original assignee: Nuovo Pignone SpA
Current assignee: Nuovo Pignone SpA
Priority date: 1981-02-18
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1982-09-09
Also published as: SU1269750A3; GB2093176A; NL8200577A; GB2093176B; FR2500140B1; IT1135516B; US4513813A; IT8119823A0; DE8204570U1; FR2500140A1; CA1198947A

Description

Luftgekühlter Dampfverflüssiger

Die Erfindung betrifft einen luftgekühlten Dampfverflüssiger, insbesondere für Wasserdampf, der dadurch, daß er für gleichmäßige Arbeitsverhältnisse seiner Austauschrohre sorgt, so daß die Gefahr nicht mehr besteht, daß ein Rückstrom auftritt, einen sehr hohen Wirkungsgrad bei begrenztem Platzbedarf und begrenzten Erstellungs- und Instandhaltungskosten selbst in Gebieten mit sehr kaltem Klima erlaubt, in denen es erforderlich ist, ein Gefrieren, d.h. die Ausbildung von Eispfropfen im Inneren der Austauschrohre zu verhindern, während gleichzeitig eine vollständige Kondensierung oder Verflüssigung des Dampfes sichergestellt ist.

Verglichen mit den herkömmlichen Wasserversorgungssystemen bestand in den letzten Jahren aufgrund der zunehmenden Schwierigkeit , eine angemessene Wasserzuführung sicherzustellen, und der Probleme der Einschränkung der thermischen und biologischen Umweltverschmutzung, die von der Verwendung von Wasser ausgeht, eine zunehmende Tendenz darin, Fluide mit Luft zu kühlen.

Ein Gebiet, auf dem die Luftkühlung am häufigsten verwandt wird, ist das Gebiet der Verflüssigung von Dampf, der von Turbinen ausgegeben wird, wobei zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Arbeitszyklus die Verflüssigung vollständig sein und unter einem Druck ausgeführt werden muß, der unter dem Luft- oder Atmosphärendruck liegt.

Insofern andererseits die Luft, die den Dampf immer begleitet, Anlaß dazu gibt, den Dampf mitzureißen, so daß dieser an die

Außenluft abgegeben wird, ist es notwendig, zur drastischen Herabsetzung der Verluste an Dampf,der von der Luft mitgerissen wird, eine außerordentlich starke Kühlung zu bewirken, wobei dieses Erfordernis der Ursprung einer besonders unangenehmen Schwierigkeit, insbesondere bei Umgebungsverhältnissen mit Temperaturen unter dem Nullpunkt ist, und die Schwierigkeit umso größer wird, je niedriger die Temperatur ist.

Es ist eine Tatsache, daß unter diesen Umständen die Temperatur im Inneren des Verflüssigers auf Werte in der Nähe der Temperatur der Umgebungsluft fallen kann, was zur Folge hat, daß ein Eistropfen gebildet wird, der mit der Zeit so wachsen kann, daß er den freien Weg des Dampfes in den Rohren des Verflüssigers vollständig versperrt und den Verflüssiger folglich funktionsunfähig macht.

Das heißt im einzelnen, daß im typischsten Fall die Luftkühlung dadurch erfolgt, daß das zu verflüssigende Fluid oder der zu verflüssigende Dampf durch mit Kühlrippen versehene Austauschrohre geführt wird, die in übereinanderliegenden Reihen angeordnet sind und alle über eine gemeinsame Ausgaberohrverzweigung versorgt werden und einen Abfluß zu einer gemeinsamen einzigen Rohrverzweigung haben, der die Kondensate sammelt, wobei auf die Rohre, und zwar auf ihre Außenflächen und im Querstrom, ein Kühlluftstrom auftrifft, der über Ge-• blase durch die übereinanderliegenden Rohrreihen geblasen wird. Die Luft strömt der Reihe nach durch die Rohrreihen, so daß ersichtlich die erste Reihe, auf die die Luft am Anfang trifft, mehr zu verflüssigenden Dampf .ziehen wird, da sie mit der kältesten Luft in Berührung gebracht wird, wohingegen die Verflüssigungsfähigkeit allmählich abnimmt, während die Luft die anderen Rohrreihen in der Verflüssigeranordnung überstreicht.

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Es ist eine Tatsache, daß die Dampfmenge, die in jeder Rohrreihe der mit Kühlrippen versehenen Austauschrohre verflüssigt wird_/ proportional zum Temperaturunterschied zwischen dem gesättigten Dampf und der auf die Reihe auftreffenden Kühlluft ist, so daß die erste Reihe mehr Dampf als die zweite Reihe verflüssigen wird usw. Diese Nachfrage nach mehr zu verflüssigendem Dampf aufgrund des wirkungsvolleren Wärmeaustauschs in der ersten Rohrreihe führt in der in der Praxis bestätigten und gleichfalls quantitativ mathematisch bereits beschriebenen Weise zu einem Ansaugen von Dampf, der von anderen Rohrreihen (weniger wirksamen Rohrreihen) in die Rohre der ersten Reihe eintritt, d.h. daß der Dampf, der sich in der Kondensatsammelrohrverzweigung befindet, verflüssigt wird, da er nicht in den oberen Reihen verflüssigt worden ist. Das bedeutet somit, daß Dampf am Anfang in die erste Rohrreihe an beiden Enden eintreten wird, daß der Dampf, der durch die erste Rohrreihe strömt, an den Austrittsenden der Rohre, d.h. in einer Richtung der des Hauptstromes entgegengesetzt, reich an nicht verflüssigbaren Gasen, wie beispielsweise Luft, ist, so daß diese Gase weiter in den Endabschnitten der Rohre der ersten Reihe gesammelt werden und es ermöglichen, daß das Kondensat zwar in die Sammelrohrverzweigung abläuft, jedoch verhindern, daß weiterer Dampf von der Rohrverzweigung kommt und das Kondensat durch seine latente Wärme weiter erwärmt. Diese Erscheinung ist als Rückstrom bekannt, während die sich ergebende Ansammlung von nicht verflüssigbaren Gasen, d.h. von Luft, Abschirmen genannt wird. Die Folge ist der ersten Hangel, daß die Verflüssigungsfähigkeit der ersten Rohrreihe schwächer und schwächer wird, bis sie im wesentlichen gleich Null ist. Dieser Nachteil wird weiter in Gebieten mit einem kalten Klima verstärkt, da der Teil der Rohre der ersten Reihe, der nicht mehr aktiv ist, in seiner Temperatur auf den Wert der Umgebungstemperatur abfällt und folglich gefriert, d.h. daß die Gefahr eines Gefricrens des durch die Rohre fließen-

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den Kondensats und somit der Ausbildung von Eis in den Rohren besteht.

Es ist eine Anzahl von verschiedenen Typen luftgekühlter Danpfverflüssiger bekannt, um den aufgrund des Rückstroms und des Gefrierens des Kondensats auftretenden Verhältnissen abzuhelfen.

Einer der am häufigsten verwandten Verflüssiger ist der sogenannte Lüftungsverflüssiger, bei dem nur der überwiegende Teil der Verflüssigung (75 bis 90%) in einem sogenannten Primärverflüssiger erfolgt, wobei Dampf und Kondensat gleichzeitig von oben nach unten strömen, wohingegen der Restdampf in einem folgenden sekundären Rückstromverflüssiger verflüssigt wird, der gleichfalls aus mit Kühlrippen versehenen vertikalen oder schräg liegenden Rohren besteht, wobei der Dampf von unten nach oben im Gegenstrom relativ zum Kondensat strömt, das gebildet wurde. Das Arbeitsprinzip eines derartigen Verflüssigers basiert auf den beiden Grundgedanken, zu vermeiden, daß die gesamte Verflüssigung in einem einzigen primären Verflüssiger erfolgt, bei dem eine vollständige Verflüssigung zu der Gefahr sowohl eines Rückstromes als auch eines Gefrierens des Kondensats führen kann, und für die Endverflüssigung im zweiten Verflüssiger das Rückstromprinzip zu verwenden, das die Verflüssigung des Restdampfes weiter fördert. Ein derartiger herkömmlicher Verflüssiger hat neben den ersichtlich hohen Kosten und dem hohen Platzbedarf auch eine Anzahl von weiteren Mangeln. Es ist eine Tatsache, daß die Verteilung der Verflüssigung zwischen dem primären und dem sekundären Verflüssiger in Hinblick auf eine Vermeidung des Rückstromes und der daraus folgenden Abstimmung von den Arbeitsverhältnissen abhängig ist, so daß ein Kompromiß zwischen mehreren möglichen Arbeitsparametern unvermeidlich ist, und ein derartiger Kompromiß sich für bestimmte kritische Ar-

beitsverhältnisse als unangemessen herausstellen kann. Wenn darüberhinaus die Umgebungstemperaturen fallen, ist es erforderlich, den prozentualen Anteil der Verflüssigung im sekundären Verflüssiger zu erhöhen, um ein Gefrieren zu vermeiden. Folglich muß die Oberfläche des sekundären Verflüssigers bis zu 50% vergrößert werden, was nicht nur eine Zunahme der Kosten zur Folge hat, sondern auch die Gefahr mit sich bringt, daß mehr Kondensat mitgerissen wird und ein höherer Druckabfall auftritt, so daß die Verflüssigungstemperatur von befriedigenden Verhältnissen weit entfernt ist.

Ein weiterer Mangel eines derartigen Verflüssigers ist schließlich seine geringe Anpassungsfähigkeit an abrupte Änderungen in der Last, so daß dann, wenn der Dampfströmungsdurchsatz zunimmt, eine große Dampfmenge den sekundären Verflüssiger erreichen kann, der nicht in der Lage ist, diese Dampfmenge zu verarbeiten, bevor das Regelsystem rechtzeitig auf die Gebläse einwirken kann. Die Folge ist ein ungünstiger plötzlicher und abrupter Anstieg des Verflüssigungsdruckes.

Bei einem weiteren Typ eines herkömmlichen Verflüssigers wird der Rückstrom nicht, wie im vorhergehenden Fall, über eine Verteilung der Verflüssigung zwischen zwei in Reihe angeordneten Verflüssigern, sondern dadurch verhindert, daß jede Austauschrohrreihe des Verflüssigers dazu gebracht wird, das Kondensat in eine eigene Sammelrohrverzv/eigung ablaufen zu lassen. Bei dieser Art des Verflüssigers ergeben sich die oben aufgezählten Nachteile nicht, es ist jedoch ersichtlich, daß diese Anlage sehr viel Platz braucht und mit hohen Kosten verbunden ist, da zusätzlich zu der großen Anzahl von Sammelrohrverzweigungen genausoviele Ejektoren oder Ausstoßvorrichtungen und zugehörige Leitungen erforderlich sind.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der oben aufgeführten

Mängel, indem ein Dampfverflüssiger mit Luftkühlung geschaffen wird, bei dem geringere Kosten und ein geringerer Platzbedarf mit einer hohen Leistungsfähigkeit selbst dann verbunden sind, wenn ein derartiger Verflüssiger in Gebieten mit sehr kalten klimatischen Verhältnissen benutzt wird.

Das wird gemäß der Erfindung hauptsächlich dadurch erreicht, daß eine einzige Ausgaberohrverzweigung für den zu verflüssigenden Dampf und eine einzige Auslaßrohrverzweigung, die das Kondensat vom unteren Teil sammelt und die nichtverflüssigbaren Gase vom oberen Teil entfernt, über ein Bündel von mit Kühlrippen versehenen Austauschrohren miteinander verbunden sind, die parallel zueinander angeordnet sind, so daß gleichmäßige Arbeitsverhältnisse für alle mit Kühlrippen versehene Austauschrohre erhalten werden.

Im einzelnen sind gemäß der Erfindung die mit Kühlrippen versehenen Austauschrohre des Bündels, die parallel zueinander und horizontal angeordnet sind, jeweils in Form einer Schlange aus drei mit Kühlrippen versehenen Elementen ausgebildet, die horizontal und parallel zueinander in aufeinanderfolgenden Reihen relativ zur Richtung des Kühlluftstromes angeordnet sind, wobei diese Elemente über zwei Kniepaßstücke miteinander verbunden sind, die unter einem Winkel mit positiver Neigung angeordnet sind, um das Abfließen des Kondensats zu erleichtern.

Es ist eine Tatsache, daß diese konstruktive Anordnung dieselben Arbeitsverhältnisse in jeder Rohrschlange erlaubt, da die Elemente, die einander in der Rohrschlange entsprechen, nun in derselben Weise relativ zum Kühlluftstrom angeordnet sind, so daß die Wirkung der Temperatur der Kühlluft für alle Rohrschlangen die gleiche ist. Darüberhinaus sind die Dampfzuführung und die Belüftung für die nichtverflüssigbaren Gase

und des Restdampfes auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet, so daß der Druckabfall ausgeglichen wird, was gleichfalls für den Dampfstrom für jede Rohrschlange gilt. D.h. zusammengefaßt, daß sich für das die Austauschrohre verlassende Fluid die gleichen identischen Verhältnisse ergeben, was mit Sicherheit das Auftreten eines Rückstroms selbst dann ausschließt, wenn eine einzige Zuleitungsrohrverzweigung und eine einzige Auslaßrohrverzweigung verwandt werden, was bedeutet, daß der Verflüssiger extrem wenig Raum einnimmt.

Die Neigung der Kniepaßstücke jeder Windung der Rohrschlange führt weiterhin dazu, daß drei Windungen jeder Rohrschlange relativ zueinander bezüglich des Weges des Kühlluftstromes versetzt sind, so daß der Anteil des Kühlluftstromes, der zwischen den ersten Windungen der Rohrschlange strömt, auf die zweiten Windungen treffen wird, und der Luftstrom, der zwischen den zweiten Windungen strömt, auf die dritten Windungen der Rohrschlange treffen wird, so daß dadurch eine optimale Ausnutzung der Kühlluft erreicht wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Zuleitungsrohrverzweigung und die Auslaßrohrverzweigung unter einem Winkel und parallel zueinander angeordnet, wobei die Zuleitungsrohrverzweigung von unten versorgt wird, während in der Auslaßrohrverzweigung das Kondensat von unten durch die Schwerkraft abgezogen wird und die nichtkondensierbaren Gase zusammen mit dem Restdampf oben mit Hilfe eines Ejektors oder einer Saugstrahlpumpe abgezogen werden.

Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verflüssigers weiter erhöht, da in der Auslaßrohrverzweigung ein Gegenstrom zwischen dem Kondensat, das nach unten fließt und dem Restdampf auftritt, der nach oben geht und durch den direkten Kontakt dazwischen ein Wärmeaustausch erfolgt, so daß eine zusätzliche

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Verflüssigung des Restdampfes ausgelöst wird.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind schließlich Rohrschlangen mit drei Windungen und mit Kühlrippen versehenen Rohren mit der Zuleitungsrohrverzweigung über diejenige mit Kühlrippen versehene Windung verbunden, die zuerst vom Kühlluftstrom getroffen wird, und ist folglich die Auslaßrohrverzweigung mit derjenigen mit Kühlrippen versehenen Windung verbunden, die zuletzt vom Kühlluftstrom getroffen wird, so daß sich eine Anordnung ergibt, die mit der Kühlluft gleichläuft.

Dadurch gibt die fragliche Vorrichtung zusätzlich zur vollständigen Vermeidung von Verhältnissen, die zu einem Rückstrom führen können, auch einen zusätzlichen Schutz gegenüber der Gefahr eines Gefrierene des Kondensats, da die Auslaßwindungen der Rohrschlangen nun von der Luft überstrichen werden, die während des Durchstroms zwischen den anderen beiden Windungen derselben Rohrschlange erwärmt wurde und somit eine Temperatur hat, die gut über der Temperatur der Umgebungsluft liegt.

Die Kombination dieser beiden Umstände, nämlich die Unterdrückung eines Rückstromes und ein Auslaß der Rohrschlangen, der mit erwärmter Luft in Kontakt steht, stellt somit einen vollständigen Schutz gegenüber einer möglichen Bildung von Eis sicher und macht die Prüfung der Arbeitsverhältnisse bzw. die Sicherung der Funktionsfähigkeit leichter.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer teilweise geschnittenen perspek

tivischen Ansicht eine bevorzugte

^Schräganordnung von zwei Dampfverflüssigern gemäß der Erfindung ~, die über ein gemeinsamen Dampfeinlaß versorgt werden, wobei die Verflüssiger eine bezüglich der Kühlluft gleichlaufende Anordnung haben;

Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnitte

ne Seitenansicht in vergrößertem Maßstab des in Fig. 1 dargestellten Aufbaus; und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht längs der Linie

A-A in Fig. 1.

In der Zeichnung ist ein passendes Gerüst 1 zum Halten von zwei luftgekühlten Dampfverflüssigern 2 und 2' gemäß der Erfindung dargestellt, die unter einem Winkel in Form einer Daches angeordnet sind und von einer einzigen Dampfzuleitungsrohrverzweigung 3 versorgt werden.

Jeder Verflüssiger 2,2' umfaßt eine Zuleitungsrohrverzweigung 4 oder 4' für den zu verflüssigenden Dampf, die an die Rohrverzweigung 3 angeschlossen ist und von der Rohrverzweigung 3 von unten versorgt wird,und eine Auslaßrohrverzweigung 5 oder 5¹, die unten an eine das Kondensat sammelnde Rohrverzweigung 6,6' und oben an eine Leitung 7,7' zum Abführen der nichtverflüssigbaren Gase und des Restdampfes über einen Ejektor angeschlossen ist,der in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Die Zuleitungsrohrverzweigung 4 oder 4' und die Auslaßrohrverzweigung "5 oder 5' sind miteinander über ein Bündel 8 oder

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8¹ von mit Kühlrippen versehenen Wärmeaustauschrohren verbunden, die parallel zueinander und immer mit horizontalen Achsen angeordnet sind, wobei unter den Rohren ein Gebläse 9 oder 9' vom Gerüst gehalten ist, das über einen Motor 10 oder 10' angetrieben wird und einen Kühlluftstrom in Richtung der Pfeile 11 oder 11^f erzeugt.

Jedes Wärmeaustauschrohr des Bündels 8 oder 8' ist in Form einer mit Kühlrippen versehenen Rohrschlange mit drei Windungen 12,13» 14- ausgebildet, wie es am besten in Fig. 3 dargestellt ist, die horizontal und parallel zueinander in aufeinanderfolgenden Reihen relativ zur Richtung 11 und 11' des Kühlluftstromes angeordnet sind. Die mit Kühlrippen versehenen Windungen 12,13»1^ jeder Rohrschlange sind miteinander über zwei Kniepaßstücke 15 und 16 verbunden, die unter einem Winkel mit positiver Neigung angeordnet sind, um den Ablauf des Kondensats zu fördern, wie es am besten in Fig. 2 dargestellt ist, und sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bezüglich des Luftstromes 11 gleichlaufend angeordnet, was bedeutet, daß die mit Kühlrippen versehenen Windung 13, die in die Auslaßrohrverzweigung 5 mündet (siehe Fig. 3) inder äußersten Reihe relativ zur Richtung des Kühlluftstromes liegt, wohingegen die mit Kühlrippen versehene Windung 12, die mit der Zuleitungsrohrverzweigung 4 verbunden ist, zuerst von dem Luftstrom getroffen wird.

Claims

Dr. F. Zumstein sen. - DiVΈ. Assrriar.n - Dr: R.-K-oenigsberger Dipl.-lng. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE 3/Li Case 1357 NUOVO PIGNOfJE S.p.A. , Florenz,Italien Luftgekühlter Dampfverflüssiger PATENTANSPRÜCHE:

1. Luftgekühlter Dampfverflüssiger mit einer Rohrverzweigung zum Zuführen des zu verflüssigenden Dampfes, einer Auslaßrohrverzweigung, einem Bündel von mit Kühlrippen versehenen V/armeaustauschrohren, die parallel zueinander angeordnet sind und an dem einen Ende mit der Zuführungsrohrverzv/eigung und an anderen Ende mit der Auslaßrohrverzweigung verbunden sind, sowie mit einem Gebläse, das einen Kühlluftstrom senkrecht zum Rohrbündel erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Kühlrippen versehenen V/ärmeaustaus ehr öhre des Bündels horizontal angeordnet und in Form von Rohrschlangen mit drei V/indungen ausgebildet sind, deren mit Kühlrippen versehene Windungen horizontal und parallel zu-

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einander in aufeinanderfolgenden Reihen relativ zum Kühlluftstrom angeordnet sind, wobei die Windungen der Rohrschlangen miteinander über zwei Kniepaßstücke verbunden sind, die unter einem Winkel mit positiver oder nach vorn gerichteter Neigung angeordnet sind, um den Abfluß des Kondensats zu erleichtern.

2. Verflüssiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsrohrverzweigung und die Auslaßrohrverzweigung parallel zueinander angeordnet sind, daß die Zuleitungsrohrverzweigung von unten versorgt wird, und daß in der Auslaßrohrverzweigung das Kondensat von unten durch die Schwerkraft abläuft, während die nichtverflüssigbaren Gase zusammen mit dem Restdampf an der Oberseite über einen Ejektor abgeführt werden.

3. Verflüssiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschlangen, die aus drei mit Kühlrippen versehenen Windungen bestehen, jeweils mit derjenigen Windung mit der Zuleitungsrohrverzweigung verbunden sind,auf die der Kühlluftstrom zuerst trifft, und daß die Rohrschlangen mit derjenigen Windung mit der Auslaßrohrverzweigung verbunden sind, auf die der Kühlluftstrom zuletzt trifft, so daß sich eine Anordnung ergibt, die gleichlaufend mit der Kühlluft arbeitet.