DE4140685C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbe­ sondere Speisewasservorwärmer, z. B. Hochdruckvor­ warmer, mit mindestens einem U-förmigen, vertikalen Rohrbündel, das mindestens teilweise in einer Konden­ satkühlzone angeordnet ist, wobei die Kondensatkühl­ zone oberhalb eines Kondensatspiegels von einem Füh­ rungsmantel umgeben ist.

Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der Druck­ schrift Mitteilungen der Vereinigung der Großkesselbe­ sitzer, Heft 102, Juni 1966, S. 184 bis 190, bekannt. Bei dem bekannten Wärmetauscher ist eine senkrechte Kondensatkühlzone vorgesehen, durch die im Wärme­ tauscher gesammeltes Kondensat entlang eines Schen­ kels des Rohrbündels geführt wird. Dabei ist die Kon­ densatkühlzone von einem Führungsmantel umgeben, der sich bis kurz unterhalb eines Kondensatspiegels er­ streckt.

Beim Betrieb des Wärmetauschers, der üblicherweise in den Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinen- Anlage geschaltet ist, wird unter hohem Druck stehen­ der Dampf an dem von Speisewasser durchströmten Rohrbündel kondensiert. Das im unteren Bereich des Wärmetauschers gesammelte Kondensat fließt auf­ grund des im Wärmetauschers herrschenden hohen Drucks innerhalb des Führungsmantels der Kondensat­ kühlzone nach oben und wird dabei durch das in den Rohren des Rohrbündels nach unten strömende Speise­ wasser abgekühlt. Bei Druckschwankungen durch Last­ wechsel der Anlage, insbesondere bei einem Druckab­ fall, besteht allerdings die Gefahr, daß infolge mangeln­ der Unterkühlung des Kondensats in der Kondensat­ kühlzone Ausdampfung eintritt. Dies wiederum kann, z. B. bei einer anschließenden kurzzeitigen Drucksteige­ rung, zu Kondensationsschlägen und damit zur Zerstö­ rung der Rohre und des Führungsmantels führen, so daß die Kondensatkühlzone wirkungslos wird.

Bei großen Dampfkraftanlagen wurde dieses Pro­ blem durch separat aufgestellte Kondensatkühler ge­ löst. Dabei sind die Kondensatkühler unterhalb des als Hochdruckvorwärmer eingesetzten Wärmetauschers liegend angeordnet. Diese Konstruktion ist allerdings sehr aufwendig und daher unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ei­ nen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß auch bei großen Last- oder Druck­ schwankungen eine Ausdampfung in der Kondensat­ kühlzone sicher vermieden ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß einer­ seits der Einfluß von Druckschwankungen innerhalb des Wärmetauschers mit zunehmender Abkühlung des Kondensats vor dessen Eintritt in den aufsteigenden Ast der Kondensatkühlzone abnimmt. Andererseits nimmt unterhalb des Kondensatspiegels infolge der Zunahme des geodätischen Drucks der Abstand der Temperatur des Kondensats zur Sättigungstemperatur bei diesem Druck zu.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher dadurch gelöst, daß der Führungsmantel im Umlenkbereich des U-för­ migen Rohrbündels unterhalb des Kondensatspiegels weitergeführt ist. Durch die Führung des Kondensats im Umlenkbereich des Rohrbündels mit Hilfe des Füh­ rungsmantels wird bereits bei noch zunehmendem geo­ dätischen Druck unterhalb des Kondensatspiegels durch das in entgegengesetzter Richtung strömende Speisewasser besonders vorteilhaft eine Abkühlung des Kondensats erreicht, so daß das Kondensat vor dessen Eintritt in den aufsteigenden Ast der Kondensatkühlzo­ ne bereits unterkühlt ist. Dadurch ist eine Ausdampfung in der Kondensatkühlzone sicher vermieden.

Dieser Effekt der Unterkühlung des Kondensats wird dadurch verstärkt, daß in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers das Rohrbün­ del im Umlenkbereich kastenförmig ausgebildet ist, so daß die Kühlzone einen horizontal verlaufenden Be­ reich aufweist.

Um bei Absinken des Kondensatspiegels einen Dampfeinbruch in die Kondensatkühlzone zu vermei­ den, weist der Führungsmantel zweckmäßigerweise im Bereich des Kondensateintritts mindestens eine vertikal verlaufende schlitzförmige Öffnung auf, die den Kon­ densatzulauf sicherstellen. Bei Normalbetrieb stellt die­ se Öffnung die Führung des Kondensats um die Rohre des Rohrbündels unterhalb des Kondensatspiegels aus­ reichend sicher.

In der Kondensatkühlzone ist vorteilhafterweise etwa ein Drittel des Rohrbündels angeordnet. Zweckmäßi­ gerweise ist ein weiteres U-förmiges Rohrbündel vorge­ sehen, das außerhalb der Kondensatkühlzone liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfin­ dungsgemäßen Wärmetauschers umfaßt dieser eine Re­ geleinrichtung zum Einstellen einer aus der Kondensat­ kühlzone ab strömenden Kondensatmenge in Abhän­ gigkeit vom Kondensatspiegel. Dabei ist die Regelein­ richtung mit einem am Kondensataustritt vorgesehenen Ventil verbunden und umfaßt zweckmäßigerweise zwei Meßfühler, wobei ein erster Meßfühler oberhalb des Kondensatspiegels und der zweite Meßfühler mit Ab­ stand zum ersten Meßfühler unterhalb des Kondensat­ spiegels liegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß bei gleichzeitig geringem appara­ tivem Aufwand ein sicherer Betrieb des Wärmetau­ schers auch bei großen Lastschwankungen gewährlei­ stet ist. Mit der Erfindung werden somit die Vorteile der beiden eingangs genannten Wärmetauscher-Konstruk­ tionen verknüpft, wobei bei Verwendung von kastenför­ migen Rohrbündeln die Bauhöhe des Wärmetauschers noch gegenüber einem Wärmetauscher nach dem Stand der Technik wesentlich verringert ist.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden an­ hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrie­ ben; darin zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt einen stehenden Wärmetau­ scher mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kon­ densatkühlzone, und

Fig. 2 einen Wärmetauscher gemäß Fig. 1 im Quer­ schnitt.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher 1 in stehen­ der Bauweise dient insbesondere als Speisewasservor­ wärmer, z. B. als Hochdruckvorwärmer, innerhalb des Wasser-Dampf-Kreislaufs einer Dampfturbinen-Anla­ ge. Der Wärmetauscher 1 umfaßt ein im wesentlichen hohlzylindrisches Gehäuse 2 mit einer Bodenkalotte 3 und einer Deckelkalotte 4. Der von einem Dampfein­ trittstutzen 5 gebildete Dampfeintritt 6 ist auf einen als Prallharfe bezeichneten Dampfnässe-Abscheider 7 aus­ gerichtet.

Innerhalb des Gehäuses 2 des Wärmetauschers 1 sind eine Anzahl von wärmetauschenden Rohren 8 und 9 angeordnet, die in U-förmigen Rohrbündeln 10 bzw. 11 zusammengefaßt und deren Enden in einem oberen Rohrböden 12 eingefaßt sind. Die Rohrbündel 10 und 11 bestehen jeweils aus einem kalten Schenkel 10a bzw. 11a und einem warmen Schenkel 10b bzw. 11b sowie aus einem Umlenkbereich 10c bzw. 11c. Die kalten Schenkel 10a und 11a stehen über eine Kammer 13 mit einem Speisewasser-Eintrittstutzen 14 in Verbindung. Die warmen Schenkel 10b und 11b stehen über die Kammer 13 mit einem Speisewasser-Austrittsstutzen 15 in Ver­ bindung. Die Kammer 13 ist durch eine Trennwand 16 in einen Eintrittsbereich 13a und einen Austrittsbereich 13b unterteilt. Im Bereich der Deckelkalotte 4 ist ein Stutzen 17 für Inspektionszwecke vorgesehen.

Das äußere Rohrbündel 10 ist über einen Teil seiner Länge von einem Führungsmantel 20 umgeben. Der Führungsmantel 20 erstreckt sich dabei über den kalten Schenkel 10a und über den Umlenkbereich 10c sowie über einen unterhalb eines Kondensatspiegels 32 liegen­ den Teil des warmen Schenkels 10b des Rohrbündels 10. Im oberen Bereich des kalten Schenkels 10a des Rohr­ bündels 10 ist im Führungsmantel 20 ein Kondensat- Austrittstutzen 21 vorgesehen. An den Kondensat-Aus­ trittstutzen 21 ist eine Rohrleitung 22 mit einem Ventil 23 angeschlossen. Das Ventil 23 kann mit einem Motor 24 betätigt werden.

Im Betrieb wird dem Wärmetauscher 1 über den Dampfeintrittstutzen 5 unter einem Druck p von etwa 2 MPa stehender Dampf D mit einer Temperatur T zu­ geführt. Der Dampf D kondensiert an den Wänden der Rohrbündel 10 und 11. Dabei werden die Rohre 8 und 9 der Rohrbündel 10 bzw. 11 gleichzeitig von Speisewas­ ser S durchströmt, das über den Eintrittstutzen 14 in den Wärmetauscher 1 eintritt und diesen über den Austritts­ tutzen 15 aufgewärmt wieder verläßt. Dabei nimmt das Speisewasser S die Kondensationswärme auf. Die Tem­ peratur T des Dampfes D liegt im Bereich von 150 bis 500°C. Die Temperatur des Speisewassers S liegt bei Eintritt in den Wärmetauscher 1 im Bereich von 140 bis 280°C und wird bis zu 300°C aufgeheizt.

Das von den Wänden der Rohrbündel 10 und 11 ab­ tropfende Kondensat K füllt einen Sumpf 31 im unteren Bereich des Wärmetauschers 1 bis an den Kondensat­ spiegel 32 auf. Im Bereich des Kondensatspiegels 32 stellt sich eine Sättigungstemperatur T_s ein, so daß sich dort aufgrund der im Wärmetauscher 1 herrschenden Druck- und Temperaturverhältnisse ein Gleichge­ wichtszustand zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase einstellt.

Im Wärmetauscher 1 wird durch innerhalb des Füh­ rungsmantels 20 aufsteigendes Kondensat K eine ste­ hende Kondensatkühlzone KZ gebildet, die bis an den Kondensat-Austrittstutzen 21 reicht. Das über den Kon­ densateintritt 25 in den Führungsmantel 20 eintretende Kondensat K wird auf seinem Weg entlang des Umlenk­ bereichs 10c des Rohrbündels 10 durch Übertragung von Wärme an das Speisewasser S so weit abgekühlt, daß es bei Erreichen des kalten Schenkels 10a auf eine weit unterhalb der Sättigungstemperatur T_s liegende Temperatur T_k = T_s - ΔT unterkühlt ist. Dabei nimmt der Abstand der Temperatur des Kondensats K zur Sättigungstemperatur T_s auf dem Weg durch die Kon­ densatkühlzone KZ im Bereich des warmen Schenkels 10b aufgrund des geodätischen Drucks p' zu. Durch den unterhalb des Kondensatspiegels 32 im Umlenkbereich 10c des U-förmigen Rohrbündels 10 weitergeführten Führungsmantel 20 wird somit eine Verdampfung von Kondensat K innerhalb der Kühlzone KZ sicher ver­ mieden. Eine ausreichende Unterkühlung des Konden­ sats K innerhalb der Kühlzone KZ ist bis zu einer Druckänderung Δp, die einer Temperaturänderung klei­ ner als ΔT entspricht, sichergestellt. Mit anderen Wor­ ten: Je größer die Unterkühlung des Kondensats K vor Eintritt des Kondensats in den Bereich des kalten Schenkels 10a des Rohrbündels 10 oder in den aufstei­ genden Ast der Kondensatkühlzone KZ ist, desto grö­ ßer kann die Druckänderungsgeschwindigkeit des Dampfes D sein, ohne daß die Kondensatkühlzone KZ ausdampft.

Zum Regeln des Kondensatspiegels 32 ist eine Regel­ einrichtung 33 vorgesehen, die über eine Leitung 34 mit dem Motor 24 des Ventils 23 verbunden ist. Die Regel­ einrichtung 33 umfaßt zwei Meßfühler 35 und 36. Der Meßfühler 35 liegt oberhalb des Kondensatspiegels 32. Der Meßfühler 36 liegt, im Abstand B zum Meßfühler 35 und unterhalb des Kondensatspiegels 32. Für den Fall, daß der Kondensatspiegel 32 bis an den Meßfühler 35 ansteigt, wird mit Hilfe der Regeleinrichtung 33 der Mo­ tor 24 betätigt und das Ventil 23 geöffnet, so daß Kon­ densat K über den Austrittstutzen 21 aus der Konden­ satkühlzone KZ abströmen kann. Für den Fall, daß der Kondensatspiegel 32 bis an den Meßfühler 36 absinkt, wird das Ventil 23 mit Hilfe der Regeleinrichtung 33 geschlossen.

Im Bereich des warmen Schenkels 10b des Rohrbün­ dels 10 sind im Führungsmantel 20 schlitzförmige Öff­ nungen 40 vorgesehen, dadurch wird auch bei Absinken des Kondensatspiegels 32 bis unterhalb des Niveaus des Kondensateintritts 25 ein Dampfeintritt in die Konden­ satkühlzone KZ sicher vermieden. In diesem Fall kann das Kondensat K über die Öffnungen 40 in den Füh­ rungsmantel 20 eintreten. Trotz dieser Öffnungen 40 ist im Normalbetrieb eine ausreichende Führung des Kon­ densats K um die Rohre 8 im Bereich des warmen Schenkels 10b des Rohrbündels 10 sichergestellt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Rohrbündel 10 und 11 im Umlenkbereich 10c bzw. 11c annähernd eckig oder kastenförmig ausgebildet. Dadurch wird einerseits eine im Vergleich zur Verwendung von kreisbogenför­ migen U-Rohrbündeln 10, 11 geringere Bauhöhe des Wärmetauschers 1 erreicht. Andererseits wird das Kon­ densat K aufgrund der vergleichsweise längeren Ver­ weildauer im horizontalen Teil 10d des Umlenkbereichs 10c bei konstantem geodätischen Druck p' weiter abge­ kühlt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist etwa ein Drittel des Rohrbündels 10 innerhalb der Kondensatkühlzone KZ angeordnet. Der verbleibende Teil des Rohrbündels 10 sowie das gesamte Rohrbündel 11 bilden den sogenann­ ten Kondensationsteil KT innerhalb des Wärmetau­ schers 1.

Claims (7)

1. Wärmetauscher, insbesondere Speisewasservor­ wärmer z. B. Hochdruckvorwärmer, mit minde­ stens einem U-förmigen, vertikalen Rohrbündel (10), das mindestens teilweise in einer Kondensat­ kühlzone (KZ) angeordnet ist, wobei die Konden­ satkühlzone (KZ) oberhalb eines Kondensatspie­ gels (32) von einem Führungsmantel (20) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungs­ mantel (20) im Umlenkbereich (10c) des U-förmi­ gen Rohrbündels (10) unterhalb des Kondensat­ spiegels (32) weitergeführt ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet daß das Rohrbündel (10) im Umlenk­ bereich (10c) kastenförmig ausgebildet ist, so daß die Kondensatkühlzone (KZ) einen horizontal ver­ laufenden Bereich (10d) aufweist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsmantel (20) im Bereich des Kondensateintritts (25) mindestens ei­ ne vertikal verlaufende, schlitzförmige Öffnung (40) aufweist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß in der Kondensat­ kühlzone (KZ) etwa ein Drittel des Rohrbündels (10) angeordnet ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein wei­ teres U-förmiges Rohrbündel (11) vorgesehen ist, das außerhalb der Kondensatkühlzone (KZ) liegt.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (33) zum Einstellen einer aus der Kondensatkühlzone (KZ) abströmenden Kondensatmenge in Abhän­ gigkeit vom Kondensatspiegel (32).

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (33) zwei Meßfühler (35, 36) umfaßt und mit einem am Kon­ densataustritt (21) vorgesehenen Ventil (23) ver­ bunden ist, wobei ein Meßfühler (35) oberhalb und der zweite Meßfühler (36) unterhalb des Konden­ satspiegels (32) liegt.