DE4201637C2 - Kondensator zur Verflüssigung von Dampf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator zum Verflüssigen von Dampf, der nichtkondensierbare Gaskomponenten, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, enthält.

Kondensatoren werden als Wärmetauscher verwendet, um Dampf, wie z. B. Wasserdampf, in einem Gasgemisch zu kondensieren, das z. B. von der Dampfturbine eines Kernkraftwerks oder eines normalen thermischen Kraftwerks ausgeblasen wird und das auch nichtkondensierbare Gase, wie Luft, enthält.

Im allgemeinen weist ein Kondensator ein Rohrbündel mit vie­ len Kühlrohren auf. Um die Wärmeübertragungseigenschaften des Kondensators zu verbessern, ist es absolut erforderlich, die Druckabnahme der Gasmischung zu verringern, wie sie durch die Kühlrohre verursacht wird, und nichtkondensierbare Gase zu entfernen. Ein Verringern des Druckverlustes erlaubt es der Gasmischung, daß sie den Kernbereich des Rohrbündels erreichen kann, damit auch die Kühlrohre im Kernbereich wir­ kungsvoll zur Kondensation beitragen können. Nichtkonden­ sierbare Gase, wie Luft, bilden dann, wenn sie in den Kon­ densator eingeführt werden, einen Film oder eine Schicht auf den Kühlrohren, die die Kondensation erschwert. Das Entfernen solcher nichtkondensierbarer Gase verbessert daher die Kondensation des Dampfes.

Die DE 39 01 493 A1 offenbart einen Rohrbündelkondensator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei dem eine Anzahl Leitbleche so angeordnet ist, daß eine zickzackartige Strömung entlang der Wärmetauscherrohre oder quer dazu bewirkt wird, um insgesamt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen.

Das DE-GM 75 39 721 offenbart einen Kondensator mit im Inneren des Rohrbündels angeordneten Luftgassen zur Bildung definierter Bereiche niedrigen Drucks für die Ableitung der nichtkondensierbaren Gasbestandteile.

Die US 2 955 807 offenbart einen Kondensator mit mehreren gegeneinander versetzten Wärmetauscherrohrgruppen.

Die JP-A-61-114087 schlägt einen Kondensator vor, der dahingehend verbessert ist, daß er den Druckverlust verringert und gleichzeitig das Entfernen nichtkondensierbarer Gase erleichtert. Dieser Kon­ densator weist ein Rohrbündel mit einem radialen Außenbe­ reich auf, in dem Rohrgruppen und Dampfzutrittsbahnen ab­ wechselnd angeordnet sind; ein radialer innerer Kernbereich weist dicht angeordnete Rohrgruppen auf. Ein Auspuff für nichtkondensierbare Gase ist im mittleren Abschnitt des Kernbereichs vorhanden, wo die Rohrgruppen dicht angeordnet sind. In diesem Kondensator wird das Gasgemisch mit Wasser­ dampf und nichtkondensierbaren Gasen durch die Dampfzu­ trittsleitungen in den radialen Außenbereich eingeführt, wo­ durch der Druckverlust im Vergleich mit bekannten Kondensa­ toren verringert ist, bei denen die Rohre gleichmäßig mit hoher Dichte angeordnet sind. Der Kernbereich mit der hohen Dichte der Wärmeübertragungsrohre verflüssigt den Dampf wir­ kungsvoll, und Gase, die nicht kondensiert werden konnten, werden über den Auspuff für nichtkondensierbare Gase ausge­ blasen.

Der in der genannten Schrift offenbarte Kondensator ist un­ ter der Annahme konstruiert, daß das Gasgemisch mit dem Was­ serdampf nur entlang der Dampfzutrittsbahnen strömt. Um den Wasserdampf, der in den Rohren im radialen äußeren Bereich nicht kondensiert werden konnte, noch zu kondensieren, füh­ ren alle Dampfbahnen zum mittleren Kernbereich, wo die Rohre dicht angeordnet sind. Dementsprechend entstehen die zwei folgenden Probleme bei diesem Kondensatortyp.

Zunächst ist darauf hinzuweisen, daß die nichtkondensierba­ ren Gase bevorzugt zu Niederdrucksabschnitten geleitet wer­ den, die sich im Kondensator aufgrund bestimmter Strömungs­ muster der Gasmischung und Ungleichförmigkeiten oder örtli­ cher Schwankungen in der im Kondensator stattfindenden Kon­ densation ausbilden. Dadurch strömt ein erheblicher Anteil der nichtkondensierbaren Gase nicht in den Kernbereich des Kondensators. Dadurch ist es schwierig, die nichtkondensier­ baren Gase auszublasen, was dazu führt, daß solche Gase im Kondensator stehenbleiben.

Das zweite Problem besteht darin, daß der Druckverlust wegen der sehr dichten Anordnung von Kühlrohren im Kernbereich er­ heblich ist, die so angeordnet sind, daß sie eine große Flä­ che belegen, die den Auslaßenden der Dampfzutrittsbahnen ge­ genübersteht. Dieser Druckverlust erniedrigt die Wärmeüber­ tragung.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher mit hohem Kondensationswirkungsgrad durch wir­ kungsvolles Entfernen nichtkondensierbarer Gase anzugeben. Es bestanden weiterhin die Aufgaben, ein Kraftwerk und einen Absorptionskühlschrank mit einem derartigen Wärmetauscher anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1, 2, 4 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der stati­ sche Druck im Inneren eines Kondensators des beschriebenen Typs durch die Strömungsgeschwindigkeit der Gasmischung im Kondensator bestimmt ist. Zum Beispiel wird im Fall eines Wasserdampfkondensa­ tors, wie er in einem Kraftwerk verwendet wird, der Gesamt­ druck, d. h. die Summe aus statischem Druck und dynamischem Druck des Dampfes, wie er von der Dampfturbine in den Kon­ densator geleitet wird, als gleichmäßig angesehen, da der Dampfauslaß der Dampfturbine nur eine beschränkte Fläche aufweist und den Wasserdampf im wesentlichen gleichförmig in Dampfzutrittsbahnen im Kondensator lenkt. Darüber hinaus erfährt der Dampf nur einen kleinen Widerstand, wenn er ent­ lang jeder Dampfzutrittsbahn strömt. Dementsprechend kann der Gesamtdruck in jedem Abschnitt jeder Dampfzutrittsbahn als im wesentlichen mit demjenigen am Dampfeinlaß überein­ stimmend angesehen werden. Dies bedeutet, daß der statische Druck in jeder Dampfzutrittsbahn von der Änderung im dynami­ schen Druck abhängt, wie er von Änderungen in der Strömungs­ geschwindigkeit des Dampfes bestimmt wird. Der statische Druck in jeder Rohrgruppe steht im Gleichgewicht mit demje­ nigen im Abschnitt der Dampfzutrittsbahn, an den die Rohr­ gruppe angeschlossen ist, da die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrgruppe klein ist. Durch Erhöhen des dynamischen Drucks im Abschnitt der Dampfzutrittsbahn nahe dem Gasauslaß für nichtkondensierbare Gase ist es möglich, eine derartige Verteilung des statischen Drucks im Kondensator zu erhalten, daß der statische Druck im Bereich nahe dem Gasauslaß für die nichtkondensierbaren Gase erheblich geringer ist als in an­ deren Bereichen. Eine derartige Verteilung des statischen Drucks führt dazu, daß die nichtkondensierbaren Gase gemäß dem Gradienten das statischen Drucks strömen, d. h. in Rich­ tung zum Gasauslaß, an dem der statische Druck gering ist. Anders gesagt ist es möglich, nichtkondensierbare Gase da­ durch wirkungsvoll auszublasen und damit aus dem Dampf zu entfernen, daß der Gasauslaß für die nichtkondensierbaren Gase an einer Dampfzutrittsbahn angeordnet wird, in der der Dampf mit hoher Geschwindigkeit strömt.

Der statische Druck im Inneren des Kondensators kann wie folgt bestimmt werden: Unter der Annahme, daß die Kondensa­ tionsrate an den Oberflächen der Wärmeübertragerrohre in etwa konstant ist, ist die Dampfmenge, die durch die Dampf­ zutrittsbahnen strömt, in etwa proportional zur Dampfüber­ tragungsfläche der Wärmeübertragungsrohre. Die Strömungsge­ schwindigkeit des Dampfs ist daher proportional zur Wärme­ übertragungsfläche und umgekehrt proportional zum Quer­ schnitt der Dampfzutrittsbahnen. Daher ist es möglich, die Dampfströmungsgeschwindigkeit in Richtung zum Gasauslaß für nichtkondensierbare Gase hin zu erhöhen, d. h. den stati­ schen Druck in einem Bereich um den Gasauslaß für nichtkonden­ sierbare Gase zu erniedrigen, um dadurch die nichtkonden­ sierbaren Gase im Bereich des genannten Gasauslasses zu konzen­ trieren. Dies erfolgt dadurch, daß das Rohrbündel so kon­ struiert wird, daß die Wärmeübertragungsfläche zunehmend ansteigt oder daß der Querschnitt der Dampfzutrittsbahn zum genannten Gasauslaß hin abnimmt. Dies kann dadurch erzielt werden, daß mehrere Dampfkanäle parallel zueinander angeord­ net werden, so daß verschiedene Dampfzutrittsbahnen unter­ schiedliche Querschnitte aufweisen oder unterschiedliche Wärmeübertragungsflächen aufweisen, d. h. unterschiedliche Anzahlen an Wärmeübertragungsrohren, wodurch ein Unterschied in der Dampfströmungsgeschwindigkeit zwischen benachbarten Dampfzutrittsbahnen erzeugt wird.

Nachfolgend werden anhand von Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Siedewasser-Kernkraft­ werks gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, wie er als Wasserdampfkondensator im Kraft­ werk gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3A bis 3C sind Darstellungen der Ergebnisse einer nume­ rischen Analyse betreffend den Fluß verschiedener Fluide in einem herkömmlichen Dampfkondensator;

Fig. 4A bis 4C sind Darstellungen entsprechend denen von Fig. 3, jedoch für den Dampfkondensator gemäß Fig. 2;

Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch ein zweites Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch einen Dampfkondensator als drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch einen halben Dampfkonden­ sator als viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch einen Dampfkondensator als fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 9 ist eine teilvergrößerte perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus des Kondensators gemäß Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Ab­ sorptionskühlschranks; und

Fig. 11 ist ein Längsschnitt durch den Absorber, wie er im Kühlschrank gemäß Fig. 10 verwendet wird.

Gemäß Fig. 1 weist ein Kernkraftwerk vom Siedewassertyp einen Reaktorkern 13 und einen Dampfgenerator 13a auf, der mit der im Reaktorkern 13 erzeugten Wärme Dampf erzeugt. Der im Dampferzeuger 13a erzeugte Dampf expandiert über eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine, die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet sind. Diese Turbinen werden angetrieben. Der nach dem Antreiben der Turbinen aus­ geblasene Dampf wird in einem Kondensator 15 kondensiert. Ein Teil des Kondensates wird dem Reaktorkern zugeführt, während der Rest wieder dem Dampferzeuger 13a zugeführt wird, nachdem er in einem Heizer 16 durch Dampf aufgeheizt wurde, der aus der Hochdruckturbine abgezogen wurde.

Je größer das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck am Turbi­ neneinlaß und dem Dampfdruck am Turbinenauslaß ist, desto größer ist der Leistungswirkungsgrad der Anlage. Der Dampf­ druck am Auslaß der Dampfturbine 14 kann dadurch verringert werden, daß der Wärmeübertragungskoeffizient im Kondensator dadurch erhöht wird, daß nichtkondensierbare Gase aus dem von der Turbine ausgeblasenen Dampf wirkungsvoll abgetrennt und ausgegeben werden. Mit Hilfe eines Kondensators ist es also möglich, den Leistungswirkungsgrad zu erhöhen. Dies gilt auch für den Fall eines gewöhnlichen Wärmekraftwerks.

Gemäß Fig. 2 weist der in Fig. 1 dargestellte Kondensator 15 einen Behälter 4 mit einem Einlaß 4a auf, der mit dem Dampf­ auslaß der Turbine 14 verbunden ist. Ein Rohrbündel 2 ist im Behälter 4 in Ausrichtung mit dem Dampfeinlaß 4a angeordnet. Das Rohrbündel 2 besteht aus einer Reihe von Rohrgruppen 1, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Jede Rohrgruppe weist mehrere parallele Kühlrohre 11 auf. Diese Rohrgruppen 1 weisen in bezug auf die Anordnung der Kühlrohre, den Ab­ stand in der Anordnung der Kühlrohre usw. im wesentlichen denselben Aufbau auf. Dadurch weisen alle Rohrgruppen bei­ nahe dieselbe Wärmeübertragungsfläche auf.

Dampfzutrittsbahnen 3 sind jeweils zwischen einem Paar be­ nachbarter Rohrgruppen 1 gebildet. Diese Dampfzutrittsbahnen kommunizieren mit dem Dampfeinlaß 4a über zusätzliche Bahnen 4b, die zwischen den beiden Seitenwänden des Behälters 4 und dem Rohrbündel 2 ausgebildet sind. Die Anordnung ist so ge­ wählt, daß die Breiten der Dampfzutrittsbahnen 3 in bezug auf die Entfernung zwischen benachbarten Rohrgruppen 1 zum flußabwärtigen Ende des Kondensators, gesehen in Flußrich­ tung des Dampfes, abnimmt. Ein Gasauslaß 10 kommuniziert mit der am weitesten flußabwärts befindlichen Rohrgruppe 1. Der Gasauslaß 10 kommuniziert mit der Außenseite des Behälters 4 über einen Kanal 10a. Der Kanal 10a weist einen Luftkühler 6 mit Kühlrohren 7 für Kühlluft auf. Der untere Abschnitt des Behälters 4 unter dem Kanal 10a bildet ein Kondensatreser­ voir 8 mit einem Kondensatauslaß 9.

Im Betrieb wird von der Turbine 14 von Fig. 1 ausgeblasener Dampf über den Einlaß 4a in den Behälter 4 gegeben, wie dies durch Pfeile 5 in Fig. 2 angedeutet ist. Der Dampf strömt dann über die zusätzlichen Bahnen 4b und tritt aufeinander­ folgend in die Dampfzutrittsbahnen 3 im Rohrbündel 2 ein. Anschließend strömt der Dampf in jede Rohrgruppe 1, um dort in Kontakt mit den Kühlrohren 11 zu kommen, die die Rohr­ gruppe 1 bilden. Infolgedessen wird Wärme durch die Wand jedes Kühlrohres 11 vom Dampf an ein Kühlmittel, wie Wasser, übertragen, das durch das Kühlrohr 11 strömt, wodurch der Dampf an der Oberfläche des Kühlrohres 11 kondensiert. Nichtkondensierbare Komponenten im Dampf strömen dabei über das Rohrbündel 2 und den Gasauslaß 10 in den Luftkühler 6 im Kanal 10a. Das aus nichtverflüssigtem Dampf und nichtkonden­ sierbaren Komponenten bestehende Gasgemisch wird durch den Kontakt mit den Rohren 7 des Luftkühlers 6 in solcher Weise gekühlt, daß der nichtverflüssigte Dampf zu Flüssigkeit kon­ densiert. Demgemäß werden ausschließlich nichtkondensierbare Gaskomponenten an den Außenraum des Behälters 4 ausgegeben. Die Flüssigkeitströpfchen, die infolge der Kondensation im Rohrbündel und im Luftkühler 6 gebildet werden, fallen ins Kondensatreservoir 8; die so gesammelte Flüssigkeit wird dem Dampfgenerator über den Kondensatorauslaß 9 rückgeführt.

Alle Rohrgruppen 1 weisen im wesentlichen dieselbe Dichte an Wärmeübertragerrohren auf, so daß die Dampfkondensationsrate für alle Rohrgruppen 1 im wesentlichen dieselbe ist. Darüber hinaus weisen alle Rohrgruppen 1 im wesentlichen dieselbe vertikale Breite, wie aus Fig. 2 erkennbar, auf. Dementspre­ chend existieren größere Dampfgeschwindigkeiten in den Dampfzutrittsbahnen 3 mit kleinerer Breite. Wenn angenommen wird, daß der Druck am Dampfeinlaß 4a konstant ist, werden dementsprechend in den Dampfzutrittsbahnen 3 mit kleinerer Breite höhere Dampfgeschwindigkeiten erzielt, d. h. in den Dampfzutrittsbahnen 3, die dem flußabwärtigen Ende des Kon­ densators näher liegen. In jeder Rohrgruppe 1 steht der sta­ tische Druck im Gleichgewicht mit den statischen Drücken in benachbarten Dampfzutrittsbahnen 3. Wenn dann die Geschwin­ digkeit des aus einer Dampfzutrittsbahn 3 in eine Rohrgruppe 1 strömenden Dampfes klein ist, entspricht der in der Rohr­ gruppe 1 aufgebaute statische Druck im wesentlichen dem sta­ tischen Druck der Dampfzutrittsbahn 3. Dementsprechend wird ein Gradient des statischen Drucks entlang dem Rohrbündel aufgebaut, d. h. in der Richtung rechtwinklig zu den Dampf­ zutrittsbahnen 3, so daß der statische Druck zum unteren Ende des Kondensators hin abnimmt. Dieser Gradient des sta­ tischen Drucks führt zu einem Dampffluß quer zu den Dampfzu­ trittsbahnen 3, vom oberen zum unteren Ende des Rohrbündels 2, wodurch nichtkondensierbare Gase im Dampf durch den Dampf so befördert werden, daß sie im unteren Bereich des Konden­ sators konzentriert werden. Dementsprechend ist die Konzen­ tration nichtkondensierbarer Gase im unteren Bereich des Kondensators am höchsten, wo sich der Gasauslaß 10 für die nichtkondensierbaren Gase befindet; dadurch können diese wirkungsvoll zur Außenseite des Kondensators ausgegeben wer­ den.

Um zu zeigen, daß die Erfindung auf einem richtigen Prinzip basiert, werden nun die Ergebnisse einer numerischen Analyse beschrieben, die mit Hilfe eines Grundmodells des Rohrbün­ dels ausgeführt wurde. Diese numerische Analyse dient dazu, Gleichungen zu lösen, die auf den Gesetzen für die Masseer­ haltung und die Impulserhaltung gelten, wie sie auf den Dampffluß angewendet werden. Details des Analysermodells sind in PROCEEDING OF THE SECOND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON CONDENSERS AND CONDENSATION (1990), S. 235-244 beschrie­ ben. Die Fig. 3A und 3C zeigen die Ergebnisse der Anlayse, wie sie für ein Modell mit einer herkömmlichen Anordnung von Kondensatorrohren ausgeführt wurde, bei der mehrere Rohr­ gruppen mit gleicher Breite mit konstantem vertikalen Ab­ stand angeordnet sind, während die Fig. 4A bis 4C die Ana­ lyseergebnisse zeigen, wie sie für ein Modell einer Anord­ nung von Kondensatorrohren gemäß der Erfindung erhalten wur­ den, wo mehrere Rohrgruppen 1 mit gleicher Breite so ange­ ordnet sind, daß die Abstände zwischen benachbarten Rohr­ gruppen, d. h. die Breite der Dampfzutrittsbahnen 3, nach unten hin immer mehr abnimmt. In allen Fällen wurde die Ana­ lyse für einen Bereich des Rohrbündels von Fig. 2 ausgehend von der Annahme ausgeführt, daß der Dampf horizontal in das Rohrbündel strömt. Es wurde auch angenommen, daß der eintre­ tende Dampf 0,1 Gew.-% einer nichtkondensierbaren Gaskompo­ nente enthält und daß vom Auspuff ein Gasgemisch mit einer Rate ausgeblasen wird, die aus Charakteristiken des Auspuff­ systems bestimmt wird. Die Ausgaberate beträgt etwa 1 Gew.-% der Rate des Dampfs, der in das Rohrbündel strömt. Die Fig. 3A und 4A zeigen Zustände für den Dampffluß. Eine größere Länge von Pfeillinien zeigt höhere Dampfgeschwindigkeiten an. Die Fig. 3B und 4B zeigen statische Druckverteilungen, während die Fig. 3C und 4C die Dampfverteilung für nichtkon­ densierbares Gas anzeigen.

Wie aus Fig. 3B erkennbar, wird bei der herkömmlichen Anord­ nung, bei der die Rohrgruppen mit konstantem Abstand ange­ ordnet sind, kein statischer Druckgradient quer zu den Dampfzutrittsbahnen 3 aufgebaut. In diesem Fall bleiben da­ her nichtkondensierbare Gase in der zweiten und dritten Rohrgruppe, von oben her gesehen, stehen, wie dies aus Fig. 3C erkennbar ist. Das Analyseergebnis zeigte, daß der Be­ reich, in dem nichtkondensierbare Gase stehenbleiben, nicht festliegt, sondern sich zeitabhängig ändert. Auch praktische Gesichtspunkte zeigen, daß der Bereich, in dem nichtkonden­ sierbare Gase stehenbleiben, nicht fest vorgegeben ist. In einem herkömmlichen Kondensator, in dem die Rohrgruppen mit konstanten Abständen angeordnet sind, ist es daher nicht möglich, die nichtkondensierbaren Gase wirkungsvoll auszu­ blasen.

Im Fall des Analysermodells, bei dem die Breiten der Dampf­ zutrittsbahnen 3 zur Unterseite des Kondensators hin erfin­ dungsgemäß abnehmen, wird dagegen eine solche statische Druckverteilung ausgebildet, daß der statische Druck im oberen Bereich des Rohrbündels höher ist als in seinem un­ teren Bereich, wie dies aus Fig. 4B erkennbar ist. Dement­ sprechend werden nichtkondensierbare Gase im unteren Bereich konzentriert, wie in Fig. 4C dargestellt, was wirkungsvolles Ausblasen der nichtkondensierbaren Gase ermöglicht.

Wie aus den beschriebenen Analyseergebnissen erkennbar, kann ein erfindungsgemäß aufgebauter Kondensator nichtkondensier­ bare Gase wirkungsvoll in seinem unteren Bereich konzentrie­ ren, was das Ausblasen solcher Gase vereinfacht. Dementspre­ chend verfügt der erfindungsgemäße Kondensator über verbes­ serte Wärmeübertragung, was es ermöglicht, daß der Kondensa­ toreingangsdampfdruck niedrig bleibt, was wiederum zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades eines Kraftwerkes mit einem solchen Kondensator führt. Darüber hinaus kann der Aufbau des Kondensators vereinfacht werden, da es nicht erforder­ lich ist, Kühlrohre örtlich zu konzentrieren.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kondensa­ tors gemäß der Erfindung, bei dem mehrere vertikale Rohrgruppen 1 mit jeweils mehreren Wärme­ übertragerrohren horizontal voneinander beabstandet neben­ einander so angeordnet sind, daß vertikale Dampfzutrittsbah­ nen 3 zwischen benachbarten Rohrgruppen 1 festgelegt sind. Alle Rohrgruppen 1 weisen dieselbe horizontale Dicke auf, jedoch nimmt der Abstand zwischen benachbarten Rohrgruppen, d. h. die Breite der Dampfzutrittsbahnen 3 zu einem Gasauslaß 10 für nichtkondensierbares Gas hin ab, der an einer Längs­ seite des Behälters 4 liegt und mit der am weitesten links befindlichen Rohrgruppe 1 kommuniziert, wie aus Fig. 5 er­ kennbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der Gasauslaß 10 für nichtkondensierbares Gas unten links am Be­ hälter 4, wie in Fig. 5 dargestellt, und die Dampfzutritts­ bahnen 3 kommunizieren direkt mit einer Einlaßkammer 4c, die direkt unter dem Einlaß 4a ausgebildet ist. Bei dieser An­ ordnung ist es möglich, zu verhindern, daß der Dampf durch die breiteren Dampfzutrittsbahnen 3 zum Boden des Kondensa­ tors hin entweicht. Um dies zu verhindern, kann statt des Kondensatreservoirs 8 eine Trennwand verwendet werden. Es ist ersichtlich, daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine statische Druckverteilung in solcher Weise entsteht, daß der statische Druck zum Gasauslaß für nichtkondensierbares Gas hin abnimmt. Es ist daher möglich, nichtkondensierbare Gase wirkungsvoll auszublasen und einen Kondensator mit ein­ facher Konstruktion des Rohrbündels ohne jede örtliche Kon­ zentration der Wärmeübertragerrohre zu realisieren.

Fig. 6 zeigt einen Kondensator eines dritten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung, wobei die Dicke der Rohrgruppe 1 so variiert ist, daß die Rohrgruppe benachbart zum Boden des Kondensators eine größere Breite aufweist, wohingegen alle Dampfzutrittsbahnen 3 gleich breit sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bietet eine Rohrgruppe 1, die dem Boden des Kondensators näher liegt, eine größere Wärmeübertragungsfläche und demgemäß eine größere Kondensa­ tionsrate. Dementsprechend entsteht eine größere Dampffluß­ rate in den Dampfzutrittsbahnen, die näher dem Boden des Kondensators liegen. Da alle Dampfzutrittsbahnen dieselbe Breite aufweisen, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Dam­ pfes in den Dampfzutrittsbahnen, die dem Boden des Kondensa­ tors näher liegen, höher. Dementsprechend wird eine solche statische Druckverteilung im Kondensator aufgebaut, daß der statische Druck im oberen Bereich des Kondensators größer ist als in seinem unteren Bereich. Daher ist es auch bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, nichtkondensierbare Gase wirkungsvoll auszublasen und einen Kondensator mit einfacher Konstruktion des Rohrbündels ohne jede örtliche Konzentra­ tion der Kühlrohre zu realisieren.

Fig. 7 sowie die Fig. 8 und 9 zeigen unterschiedliche Aus­ führungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Kondensator, wobei die Dichte der wärmetauschenden Oberflächen der Rohr­ gruppen zum Gasauslaß 10 hin zunimmt.

Das in Fig. 7 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel weist ein Rohrbündel 2 mit einer Rohrgruppe 12 auf. Ein Gasauslaß 10 kommuniziert mit dem Bodenbereich der Rohrgruppe 12. Die Rohrgruppe 12 weist mehrere Kühlrohre 11 auf, deren Dichte zum Gasauslaß 10 hin zunimmt. Dementsprechend bestehen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und damit ein niedrigerer statischer Druck im Bereich, der dem Gasauslaß 10 näher liegt. Das Rohrbündel 2 verfügt weiterhin über drei zusätzliche Rohrgruppen 1, die jeweils mit den Außenseiten der Rohrgrup­ pen 12 verbunden sind und mit diesen kommunizieren. Fig. 7 zeigt nur drei zusätzliche Rohrgruppen 1, die mit der linken Seite der Rohrgruppe 12 verbunden sind. Diese drei zusätzli­ chen Rohrgruppen 1 auf jeder Seite der Rohrgruppe 12 sind so voneinander beabstandet, daß eine Dampfzutrittsbahn 3 zwi­ schen jeweils einem Paar benachbarter zusätzlicher Rohrgrup­ pen 1 gebildet ist. Die zusätzlichen Rohrgruppen 1 sind so ausgebildet, daß sich die Abmessung der Dampfzutrittsbahnen 3 bezogen auf den Abstand zwischen benachbarten zusätzlichen Rohrgruppen 1 so ändert, daß die Größe einer Bahn 3, die dem Auspuff 10 näher liegt, kleiner ist als diejenige einer Bahn 3, die dem Auspuff 10 entfernter liegt. Das Rohrbündel 2 ist in einem Behälter 4 in solcher Weise angeordnet, daß eine zusätzliche Bahn 4b zwischen der Wand des Behälters 4 und den zusätzlichen Rohrgruppen 1, die neben den Rohrgruppen 12 liegen, ausgebildet ist, so daß die Bahnen 3, die zwischen benachbarten zusätzlichen Rohrgruppen 1 ausgebildet sind, mit einem Einlaß 4a über die zusätzliche Bahn 4b kommunizie­ ren. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein solcher Gradient des statischen Drucks ausgebildet, daß der stati­ sche Druck zum Gasauslaß 10 hin abnimmt, was wirkungsvolles Ausblasen nichtkondensierbarer Gase ermöglicht. Dieser Ef­ fekt kann in gewisser Weise durch die Rohrgruppe 12 allein bewirkt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 8 und 9 ist ein Wär­ metauscher, der als Freonkondensator in einem Kraftwerk mit Freon-Wärmeträger verwendet wird. Dieses Ausführungsbeispiel verfügt über keinen bemerkenswerten Effekt, wenn es zum Ver­ flüssigen eines Mediums mit großer latenter Wärme, z. B. Wasser, verwendet wird, da in diesem Fall der Wirkungsgrad der verwendeten Rippen gering ist. Anders gesagt, ist dieses Ausführungsbeispiel effektiv, wenn es zum Kondensieren eines Gases mit kleiner latenter Wärme, wie Freon, verwendet wird. Gemäß den Fig. 8 und 9 weist ein Wärmetauscher Kühlrohre 11 auf, die mehrere an ihnen befestigte Rippen 102 tragen. Dampfbahnen 3 sind zwischen benachbarten Rippen 102 ausge­ bildet. Die Rippen 102 versuchen, den Gasfluß entlang der Kühlrohre 11 zu hindern. Um diese Tendenz zu unterdrücken, sind mehrere Löcher 103 in jeder Rippe 102 ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Kühlrohre 11 auch in den Dampfbahnen 3 vorhanden und erzeugen einen Widerstand gegen den Gasfluß in diesen Bahnen 3. Um den Flußwiderstand zu verringern, sind die Kühlrohre in etwa als rechteckiges gro­ bes oder reguläres Gitter angeordnet. Der zu verflüssigende Dampf strömt in den Kondensator, wie dies durch Pfeile 5 angezeigt ist, um an den Oberflächen der Kühlrohre 11 und der Rippen 102 verflüssigt zu werden. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ändert sich die Breite der Dampfbahnen 3, d. h. der Abstand zwischen benachbarten Rippen 102 in einem Paar Rippen in solcher Weise, daß die Dampfbahnen 3 um so enger sind, je dichter sie am Gasauslaß 10 liegen. Die Konden­ sationsraten für den Dampf an allen Rippen 102 können als im wesentlichen gleich angesehen werden. Demgemäß ist die Dampfströmungsgeschwindigkeit in einer flußabwärtigen Dampf­ bahn 3 größer als in einer stromaufwärtigen Dampfbahn 3, so daß in den flußabwärtigen Dampfbahnen 3 ein geringerer sta­ tischer Druck vorherrscht als in den stromaufwärtigen Dampf­ bahnen 3. Infolgedessen strömt der Dampf durch Löcher 103 in den Rippen 102 vom stromaufwärtigen Bereich mit dem höheren statischen Druck zum flußabwärtigen Ende mit dem niedrigeren statischen Druck. Dies hat zur Folge, daß nichtkondensier­ bare Gase im flußabwärtigen Bereich mit dem Gasauslaß 10 kon­ zentriert werden, wodurch sie wirkungsvoll ausgeblasen wer­ den können.

Mit der Erfindung läßt sich demgemäß der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung nicht nur in Wasserdampfkondensatoren zum Verflüssigen von Wasserdampf verwenden, sondern auch in Kon­ densatoren für andere Dämpfe oder kondensierbare Gase die nichtkondensierbare Gaskomponenten enthalten.

Unter Bezugnehme auf die Fig. 10 und 11 wird nun ein weite­ res Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Absorptionskühlschrank beschrieben. Dieser weist einen Dampferzeuger 22 auf, der eine Absorptionsflüssigkeit er­ wärmt, um einen ersten Dampf und eine dicke Absorptionsflüs­ sigkeit zu erzeugen, einen Kondensator 23 zum Kondensieren des ersten Dampfes in eine erste Flüssigkeit, einen Verdamp­ fer 20 zum Verdampfen der ersten Flüssigkeit zum Erzeugen eines zweiten Dampfes, einen Absorber 21 zum Kühlen und Ver­ flüssigen des zweiten Dampfes, und eine Einrichtung zum Zu­ führen der dicken Absorptionsflüssigkeit in den Absorber 21 vom Dampfgenerator 22. Der im Dampfgenerator 22 erzeugte Dampf wird, wie dies durch den gestrichelten Pfeil 31 ange­ zeigt ist, in den Kondensator 23 eingeführt, um dort durch den Wärmeaustausch mit Kühlwasser verflüssigt zu werden, wie es durch eine Rohrleitung 29 im Kondensator 23 strömt. Durch den Wärmeaustausch wird das durch die Rohrleitung 29 flie­ ßende Wasser erwärmt, das dann vom Kondensator 23 ausgegeben wird, wie dies durch einen Pfeil 30 angezeigt ist. Die im Kondensator 23 erzeugte Flüssigkeit fließt über eine Rohr­ leitung 32 in den Verdampfer 20, um dort durch Wärmeaus­ tausch mit erwärmtem Wasser, das durch einen Pfeil 28 ge­ kennzeichnet ist, verdampft zu werden. Der so erzeugte Dampf strömt in den Absorber 21, wie dies mit einer gestrichelten Linie 25 angezeigt ist. Das erwärmte Wasser 28 wird durch die Wärmeabgabe im Verdampfer 20 gekühlt und fließt aus dem Verdampfer 20 heraus, wie dies durch einen Pfeil 27 ange­ zeigt ist.

Wie in Fig. 11 dargestellt, weist der Absorber 21 einen Be­ hälter 4 und ein in diesem angeordnetes Rohrbündel 2 auf. Das Kühlwasser, das durch die Rohrleitung 29 fließt, läuft durch das Rohrbündel 2. Der Behälter 4 weist an einer Seite einen Einlaß 4a auf. Dampf vom Verdampfer 20 strömt durch den Einlaß 4a in den Behälter 4. Das Rohrbündel 2 weist meh­ rere Rohrgruppen 1 auf, die so angeordnet sind, daß zwischen ihnen mehrere horizontale Dampfbahnen 3 ausgebildet sind, die mit einer Einlaßkammer 4c kommunizieren. Mehrere Düsen 33 sind an der oberen Wand des Behälters 4 über dem Rohrbün­ del 2 angeordnet. Die im Dampfgenerator 22 eingedickte Ab­ sorptionsflüssigkeit wird den Düsen 33 über eine Rohrleitung 24 zugeführt, wodurch sie von den Düsen 33 auf das Rohrbün­ del 2 gesprüht wird. Der vom Verdampfer 20 in den Absorber 21 strömende Dampf wird gekühlt und strömt dann durch das Rohrbündel 2, um dort in eine Flüssigkeit kondensiert zu werden, die von der eingedickten Absorbtionsflüssigkeit ab­ sorbiert wird, die von den Düsen 33 ausgesprüht wird. Die eingedickte Absorbtionsflüssigkeit absorbiert also die Flüs­ sigkeit und wird dadurch verdünnt, welche verdünnte Absorb­ tionsflüssigkeit in einem Flüssigkeitsreservoir 8 gesammelt wird. Die Absorbtionsflüssigkeit wird dann dem Dampfgenera­ tor 22 vom Reservoir 8 über eine Rohrleitung 26 wieder zuge­ führt, um erneut aufgeheizt zu werden. Dieser Kreislauf wird dauernd ausgeführt. Nichtkondensierbare Gase werden durch einen Auspuff im Behälter 4 ausgeblasen.

Beim vorstehend angegebenen Kühlsystem werden die Drücke im Verdampfer 20 und Absorber 21 so tief gehalten, daß es durch die vom erwärmten Wasser 28 abgegebene latente Wärme zur Verdampfung bei einer Temperatur kommt, die niedriger ist als die normale Temperatur. Dementsprechend kann die Tempe­ ratur des gekühlten Wassers 27 abgesenkt werden, wenn der Absorptionsdruck im Absorber 21 auf einem tiefen Wert gehal­ ten wird. Beim beschriebenen System wird darüber hinaus das Kühlwasser 29 durch die vom erwärmten Wasser 28 abgegebene Wärme aufgeheizt. Je tiefer der Absorptionsdruck im Absorber 21 ist, desto größer ist die Wärmeübertragungsrate vom er­ wärmten Wasser 28 auf das Kühlwasser 29.

Der Begriff "Absorption" soll Kondensation anzeigen, die da­ durch ausgeführt wird, daß eine Absorptionsflüssigkeit als Kondensationsmedium verwendet wird. Die Absorbtionsflüssig­ keit ist typischerweise eine wäßrige Lösung von Lithiumbro­ mid (LiBr). Diese Flüssigkeit wird von den Düsen 33 auf das Rohrbündel 2 gesprüht, um an den Oberflächen der Kühlrohre 11 gekühlt zu werden. Die latente Kondensationswärme, die beim Kondensieren des Dampfes frei wird, wird durch das Me­ dium absorbiert, das durch die Wärmeübertragungsrohre strömt. Es wird hier angenommen, daß die Absorptionsrate des Dampfes konstant ist, jedoch hängt sie tatsächlich von der Konzentration und der Temperatur der Absorbtionsflüssigkeit ab. Das Rohrbündel 2 im Absorber 21 ist so aufgebaut, daß die Breite der Dampfbahnen 3 nahe dem stromabwärtigen Ende kleiner ist als diejenige der Dampfbahnen 3, die von dort weiter entfernt liegen. Dementsprechend wird im stromabwär­ tigen Bereich des Absorbers 21 ein niedrigerer statischer Druck erzeugt, weswegen nichtkondensierbare Gase dorthin gedrückt werden. Die so gesammelten nichtkondensierbaren Gase werden wirkungsvoll vom Auspuff 10 im Boden des Absor­ bers ausgeblasen.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es also möglich, nichtkondensierbare Gase im Dampf wirkungsvoll auszublasen und dadurch den Wirkungsgrad des Absorptionskühlschranks zu verbessern.

Wie beschrieben, wird gemäß der Erfindung ein Gradient des statischen Drucks in einem Wärmetauscher quer zu parallel im Wärmetauscher liegenden Dampfbahnen aufgebaut. Demgemäß kommt es beim Einleiten von Dampf zum Konzentrieren nicht­ kondensierbarer Gaskomponenten am stromabwärtigen Ende des Wärmetauschers, was ein wirkungsvolles Ausblasen dieser nichtkondensierbaren Gase sicherstellt, wodurch der Wärme­ übertragungswirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert wird.

Claims (7)

1. Kondensator zur Verflüssigung von Dampf, der nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthält, mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen des Gas-Dampf-Gemischs, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zur Ableitung der nichtkondensierbaren Gaskomponenten, und einem von wärmeaustauschendem Medium durchströmten und von dem Gas-Dampf-Gemisch angeströmten Rohrbündel (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (2) mehrere parallel angeströmte Rohrgruppen (1) umfaßt, deren gegenseitige Abstände zum Gasauslaß (10) hin abnehmen (Fig. 2, 5, 11).

2. Kondensator zur Verflüssigung der Dampf, der nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthält, mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen des Gas-Dampf-Gemischs, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zur Ableitung der nicht-kondensierbaren Gaskomponenten, und einem von wärmeaustauschendem Medium durchströmten und von dem Gas-Dampf-Gemisch angeströmten Rohrbündel (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (2) mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete, parallel angeströmte Rohrgruppen (1) umfaßt, wobei die dem Gasauslaß (10) benachbarte Rohrgruppe (1) eine größere Wärmeübertragungsfläche aufweist als die anderen Rohrgruppen (1) (Fig. 6).

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrgruppe (1) mit der größten Wärmeübertragungsfläche eine größere Anzahl von Rohren aufweist als die anderen Rohrgruppen (1).

4. Kondensator zur Verflüssigung von Dampf, der nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthält, mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen des Gas-Dampf-Gemischs, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zur Ableitung der nicht-kondensierbaren Gaskomponenten, und einem, von wärmeaustauschendem Medium durchströmten und von dem Gas-Dampf-Gemisch angeströmten Rohrbündel (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (2) quer angeströmt ist, und mehrere parallel zur Anströmrichtung verlaufende Leitbleche (102) vorgesehen sind, deren gegenseitige Abstände zum Gasauslaß (10) hin abnehmen (Fig. 8).

5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (102) perforiert sind.

6. Kondensator zur Verflüssigung, von Dampf, der nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthält, mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen des Gas-Dampf-Gemischs, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zur Ableitung der nicht-kondensierbaren Gaskomponenten, und einem von wärmeaustauschendem Medium durchströmten und von dem Gas-Dampf-Gemisch angeströmten Rohrbündel (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (2) eine Rohrgruppe (12) mit Kühlrohren (11) umfaßt, deren Dichte zum Gasauslaß (10) hin zunimmt (Fig. 7).

7. Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich der Rohrgruppe (12) zusätzlich mehrere in gegenseitigem Abstand angeordnete, parallel angeströmte Rohrgruppen (1) vorgesehen sind, deren gegenseitige Abstände zum Gasauslaß (10) hin abnehmen (Fig. 7).