DE4201637C3 - Kondensator zur Verflüssigung von Dampf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator zum Verflüssigen von nicht-kondensier­ bare Gaskomponenten enthaltendem Dampf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kondensatoren werden als Wärmetauscher verwendet, um Dampf, z. B. Wasser­ dampf, in einem Gasgemisch zu kondensieren, das z. B. von der Dampfturbine eines Kern­ kraftwerks oder eines normalen thermischen Kraftwerks ausgeblasen wird und auch nicht- kondensierbare Gase, wie Luft, enthält.

Im allgemeinen weist ein Kondensator ein Rohrbündel mit vielen Kühlrohren auf. Um die Wärmeübertragungseigenschaften des Kondensators zu verbessern, ist es absolut er­ forderlich, die durch die Kühlrohre verursachte Druckabnahme des Gasgemisches zu verrin­ gern und nicht-kondensierbare Gase zu entfernen. Durch Verringerung des Druckverlustes wird es möglich, daß das Gasgemisch den Kernbereich des Rohrbündels erreicht und damit auch die Kühlrohre im Kernbereich wirkungsvoll zur Kondensation beitragen. Nicht-kon­ densierbare Gase, wie Luft, bilden dann, wenn sie in den Kondensator gelangen, einen Film oder eine Schicht auf den Kühlrohren, die die Kondensation erschwert. Das Entfernen sol­ cher nicht-kondensierbarer Gase verbessert daher die Kondensation des Dampfes.

In DE 39 01 493 A1 ist ein Rohrbündelkondensator offenbart, bei dem eine Anzahl Leitbleche so angeordnet ist, daß eine zickzackartige Strömung längs Wärmetauscherrohren oder quer dazu bewirkt wird, um die Strömungsgeschwindigkeit insgesamt zu erhöhen.

Aus DE-GM 75 39 721 ist ein Kondensator bekannt, der im Innern eines Rohrbündels angeordnete Luftgassen zur Bildung definierter Bereiche niedrigen Drucks für die Ableitung nicht-kondensierbarer Gasbestandteile aufweist.

In US 2 955 807 ist ein Kondensator mir mehreren gegeneinander versetzten Wärmetauscher-Rohrgruppen offenbart.

In JP 61-114087 A ist ein Kondensator vorgeschlagen, der dahingehend verbessert ist, daß er den Druckverlust verringert und gleichzeitig das Entfernen nicht-kondensierbarer Gase erleichtert. Dieser Kondensator weist ein Rohrbündel mit einem radialen Außenbereich auf, in dem Rohrgruppen und Dampfgassen abwechselnd angeordnet sind; ein radialer inne­ rer Kernbereich weist dicht angeordnete Rohrgruppen auf. Ein Auslaß für nicht-kondensier­ bare Gase ist im mittleren Abschnitt des Kernbereichs vorhanden, wo die Rohrgruppen dicht angeordnet sind. In diesem Kondensator wird das Gasgemisch mit Wasserdampf und nicht- kondensierbaren Gasen durch die Dampfgassen in den radialen Außenbereich eingeführt, wodurch der Druckverlust geringer ist als bei bekannten Kondensatoren, bei denen die Rohre gleichmäßig mit hoher Dichte angeordnet sind. Der Kernbereich mit der hohen Dichte der Wärmeübertragungsrohre verflüssigt den Dampf wirkungsvoll, und Gase, die nicht kondensiert werden konnten, werden über den Auslaß für nicht-kondensierbare Gase ausgeblasen.

Der in der genannten Schrift offenbarte Kondensator ist unter der Annahme konstru­ iert, daß das Gasgemisch mit dem Wasserdampf nur längs der Dampfgassen strömt. Um den Wasserdampf, der in den Rohren im radialen äußeren Bereich nicht kondensiert werden konnte, noch zu kondensieren, führen alle Dampfgassen zum mittleren Kernbereich, wo die Rohre dicht angeordnet sind. Dementsprechend entstehen die beiden folgenden Probleme bei diesem Kondensatortyp.

Zunächst ist darauf hinzuweisen, daß die nicht-kondensierbaren Gase bevorzugt zu Niederdruckabschnitten geleitet werden, die sich im Kondensator aufgrund bestimmter Strömungsmuster der Gasmischung und Ungleichmäßigkeiten oder örtlicher Schwankungen in der im Kondensator stattfindenden Kondensation ausbilden. Dadurch strömt ein erhebli­ cher Anteil der nicht-kondensierbaren Gase nicht in den Kernbereich des Kondensators. Da­ durch ist es schwierig, die nicht-kondensierbaren Gase auszublasen, was dazu führt, daß solche Gase im Kondensator stehenbleiben.

Das zweite Problem besteht darin, daß der Druckverlust wegen der sehr dichten An­ ordnung von Kühlrohren im Kernbereich erheblich ist, wobei die Kühlrohre so angeordnet sind, daß sie eine große Fläche belegen, die den Auslaßenden der Dampfgassen gegenüber­ steht. Dieser Druckverlust erniedrigt die Wärmeübertragung.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator mit ho­ hem Kondensationswirkungsgrad durch wirkungsvolles Entfernen nicht-kondensierbarer Gase 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 statische Druck im Inneren eines Kondensators des beschriebenen Typs durch die Strömungsgeschwindigkeit des Gas­ gemisches im Kondensator bestimmt ist. Zum Beispiel wird im Fall eines Wasserdampfkon­ densators, wie er in einem Kraftwerk verwendet wird, der Gesamtdruck, d. h. die Summe aus statischem Druck und dynamischem Druck des Dampfes, wie er von der Dampfturbine in den Kondensator geleitet wird, als gleichmäßig angesehen, da der Dampfauslaß der Dampfturbine nur eine beschränkte Fläche aufweist und den Wasserdampf im wesentlichen gleichförmig in Dampfgassen im Kondensator lenkt. Darüber hinaus erfährt der Dampf nur einen kleinen Widerstand, wenn er längs jeder Dampfgasse strömt. Dementsprechend kann der Gesamtdruck in jedem Abschnitt jeder Dampfgasse als im wesentlichen mit demjenigen am Dampfeinlaß übereinstimmend angesehen werden. Dies bedeutet, daß der statische Druck in jeder Dampfgasse von der Änderung im dynamischen Druck abhängt, wie er von Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes bestimmt wird. Der statische Druck in jeder Rohrgruppe steht im Gleichgewicht mit demjenigen im Abschnitt der Dampfgasse, an den die Rohrgruppe angeschlossen ist, da die Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrgruppe klein ist. Durch Erhöhen des dynamischen Drucks im Abschnitt der Dampfgasse nahe dem Auslaß für nicht-kondensierbare Gase ist es möglich, eine derartige Verteilung des statischen Drucks im Kondensator zu erhalten, daß der statische Druck im Bereich nahe dem Auslaß für die nicht-kondensierbaren Gase erheblich geringer ist als in anderen Bereichen. Eine derartige Verteilung des statischen Drucks führt dazu, daß die nicht-kondensierbaren Gase gemäß dem Gradienten des statischen Drucks strömen, d. h. in Richtung zum Gasauslaß, an dem der statische Druck gering ist. Anders gesagt ist es mög­ lich, nicht-kondensierbare Gase dadurch wirkungsvoll auszublasen und damit aus dem Dampf zu entfernen, daß der Auslaß für die nicht-kondensierbaren Gase an einer Dampf­ gasse 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 Kondensationsrate an den Oberflächen der Wärmeübertra­ gungsrohre etwa konstant ist, ist die Dampfmenge, die durch die Dampfgassen strömt, etwa proportional zur Wärmeübertragungsfläche der Wärmeübertragungsrohre. Die Strömungs­ geschwindigkeit des Dampfs ist daher proportional zur Wärmeübertragungsfläche und um­ gekehrt proportional zum Querschnitt der Dampfgassen. Daher ist es möglich, für nicht- kondensierbare Gase die Dampfströmungsgeschwindigkeit in Richtung zum Auslaß hin zu erhöhen, d. h. den statischen Druck in einem Bereich um den Auslaß zu erniedrigen, um da­ durch die nicht-kondensierbaren Gase im Bereich des genannten Gasauslasses zu konzen­ trieren. Dies erfolgt dadurch, daß das Rohrbündel so konstruiert wird, daß die Wärmeüber­ tragungsfläche zunehmend ansteigt oder daß der Querschnitt der Dampfgasse zum genann­ ten Gasauslaß hin abnimmt. Dies kann dadurch erzielt werden, daß mehrere Dampfkanäle parallel zueinander angeordnet werden, so daß verschiedene Dampfgassen unterschiedliche Querschnitte aufweisen oder unterschiedliche Wärmeübertragungsflächen aufweisen, d. h. unterschiedliche Anzahlen an Wärmeübertragungsrohren, wodurch ein Unterschied in der Dampfströmungsgeschwindigkeit zwischen benachbarten Dampfgassen erzeugt wird.

Bei einem aus DE-OS 15 01 339 bekannten Dampfkondensator, der die im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist, sind die Rohrgruppen im Quer­ schnitt etwa keilförmig gestaltet und so angeordnet, daß die dazwischen gebildeten Dampf­ gassen sich jeweils in ihrem Querschnitt in Richtung des Gasauslasses verengen.

In ähnlicher Weise sind auch bei dem aus EP 0 384 200 B1 bekannten Kondensator die einzelnen Rohrgruppen etwa keilförmig gestaltet, was wiederum eine Querschnittsver­ jüngung der einzelnen, zwischen den Rohrgruppen gebildeten Dampfgassen ergibt.

Gegenüber der Erfindung wird bei diesem Stand der Technik die oben genannte Auf­ gabe mit Mitteln gelöst, die eine aufwendigere Gestaltung der einzelnen Rohrgruppen und damit auch eine Komplizierung bei deren Einbau in das Kondensatorgehäuse bedingen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Siedewasser-Kernkraftwerks;

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

Fig. 3A bis 3C sind Darstellungen der Ergebnisse einer numerischen Analyse betref­ fend die Strömung verschiedener Strömungsmittel in einem herkömmlichen Dampfkonden­ sator;

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 Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Kondensators;

Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch einen Dampfkondensator als drittem Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch einen halben Dampfkondensator als viertem Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch einen Dampfkondensator als fünftem Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Kondensators;

Fig. 9 ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht des inneren Aufbaus des Kon­ densators gemäß Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Absorptionskühlschranks; 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 Hoch­ druckturbine und eine Niederdruckturbine, die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 14 be­ zeichnet sind. Diese Turbinen werden angetrieben. Der beim Antreiben der Turbinen aus­ geblasene Dampf wird in einem Kondensator 15 kondensiert. Ein Teil des Kondensats wird dem Reaktorkern zugeführt, während der Rest wieder dem Dampferzeuger 13a zugeführt wird, nachdem er in einem Heizgerät 16 durch Dampf aufgeheizt wurde, der aus der Hoch­ druckturbine abgezogen wurde.

Je größer das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck am Turbineneinlaß und dem Dampfdruck am Turbinenauslaß ist, desto größer ist der Leistungswirkungsgrad der Anla­ ge. Der Dampfdruck am Auslaß der Dampfturbine 14 kann dadurch verringert werden, daß der Wärmeübertragungskoeffizient im Kondensator dadurch erhöht wird, daß nicht-kon­ densierbare Gase aus dem von der Turbine ausgeblasenen Dampf wirkungsvoll abgetrennt und ausgegeben werden. Mit Hilfe eines Kondensators ist es also möglich, den Leistungs­ wirkungsgrad 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 Dampfauslaß der Turbine 14 verbunden ist. In dem Behäl­ ter 4 ist in Ausrichtung mit dem Dampfeinlaß 4a ein Rohrbündel 2 angeordnet, das aus einer Reihe von parallel zueinander ausgerichteten Rohrgruppen 1 besteht. Jede Rohrgruppe weist mehrere parallele Kühlrohre 11 auf. Diese Rohrgruppen 1 haben hinsichtlich Anord­ nung der Kühlrohre, Abstand in der Anordnung der Kühlrohre usw. im wesentlichen den­ selben Aufbau. Daher weisen alle Rohrgruppen beinahe dieselbe Wärmeübertragungsfläche auf.

Zwischen jedem Paar benachbarter Rohrgruppen 1 sind Dampfgassen 3 gebildet. Diese Dampfgassen kommunizieren mit dem Dampfeinlaß 4a über zusätzliche Dampfgassen 4b, die zwischen den beiden Seitenwänden des Behälters 4 und dem Rohrbündel 2 ausgebil­ det sind. Die Anordnung ist so gewählt, daß die Breiten der Dampfgassen 3 in bezug auf die Entfernung zwischen benachbarten Rohrgruppen 1 zum stromabwärtigen Ende des Konden­ sators, gesehen in Strömungsrichtung des Dampfes, abnimmt. Mit dem am weitesten strom­ abwärts befindlichen Rohrgruppe 1 kommuniziert ein Gasauslaß 10, der seinerseits über einen Kanal 10a mit der Außenseite des Behälters 4 kommuniziert. 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 Kondensatreservoir 8 mit einem Kondensatauslaß 9.

Im Betrieb wird von der Turbine 14 von Fig. 1 ausgeblasener Dampf über den Ein­ laß 4a in den Behälter 4 gegeben, wie dies durch Pfeile 5 in Fig. 2 angedeutet ist. Der Dampf strömt dann über die zusätzlichen Dampfgassen 4b und tritt aufeinanderfolgend in die Dampfgassen 3 im Rohrbündel 2 ein. Anschließend strömt der Dampf in jede Rohr­ gruppe 1, um dort in Kontakt mit den Kühlrohren 11 zu kommen, die die Rohrgruppe 1 bil­ den. Infolgedessen wird von dem Dampf durch die Wand jedes Kühlrohres 11 Wärme an ein durch das Kühlrohr 11 strömendes Kühlmittel, wie Wasser, übertragen, wodurch der Dampf an der Oberfläche des Kühlrohres 11 kondensiert. Nicht-kondensierbare Komponenten im Dampf strömen dabei über das Rohrbündel 2 und den Gasauslaß 10 in den Luftkühler 6 im Kanal 10a. Das aus nicht-verflüssigtem Dampf und nicht-kondensierbaren Komponenten bestehende Gasgemisch wird durch den Kontakt mit den Rohren 7 des Luftkühlers 6 so weit gekühlt, daß der nicht-verflüssigte Dampf zu Flüssigkeit kondensiert. Demgemäß werden ausschließlich nicht-kondensierbare Gaskomponenten an den Außenraum des Behälters 4 ausgegeben. Die Flüssigkeitströpfchen, die infolge der Kondensation im Rohrbündel und im Luftkühler 6 gebildet werden, fallen in das Kondensatreservoir 8; die so gesammelte Flüs­ sigkeit wird dem Dampfgenerator über den Kondensatauslaß 9 rückgeführt.

Alle Rohrgruppen 1 weisen im wesentlichen dieselbe Dichte an Wärmeübertragungs­ rohren auf, so daß die Dampfkondensationsrate für alle Rohrgruppen 1 im wesentlichen die­ selbe ist. Darüber hinaus weisen alle Rohrgruppen 1 im wesentlichen dieselbe vertikale Breite, wie aus Fig. 2 erkennbar, auf. Dementsprechend existieren größere Dampfge­ schwindigkeiten in den Dampfgassen 3 mit kleinerer Breite. Unter der Annahme, daß der Druck am Dampfeinlaß 4a konstant ist, werden dementsprechend in den Dampfgassen 3 mit kleinerer Breite höhere Dampfgeschwindigkeiten erzielt, d. h. in den Dampfgassen 3, die dem stromabwärtigen Ende des Kondensators näher liegen. In jeder Rohrgruppe 1 steht der statische Druck im Gleichgewicht mit den statischen Drücken in benachbarten Dampfgassen 3. Wenn somit die Geschwindigkeit des aus einer Dampfgasse 3 in eine Rohrgruppe 1 strö­ menden Dampfes klein ist, entspricht der in der Rohrgruppe 1 aufgebaute statische Druck im wesentlichen dem statischen Druck der Dampfgasse 3. Dementsprechend wird längs dem Rohrbündel 1, d. h. in der Richtung senkrecht zu den Dampfgassen 3, ein Gradient des stati­ schen Drucks aufgebaut, gemäß dem der statische Druck zum unteren Ende des Kondensa­ tors hin abnimmt. Dieser Gradient des statischen Drucks führt zu einer Dampfströmung quer zu den Dampfgassen 3 vom oberen zum unteren Ende des Rohrbündels 2, wodurch nicht-kondensierbare Gase im Dampf durch den Dampf so befördert werden, daß sie im unteren Bereich des Kondensators konzentriert werden. Dementsprechend ist die Konzen­ tration nicht-kondensierbarer Gase im unteren Bereich des Kondensators, wo sich der Gasauslaß 10 für die nicht-kondensierbaren Gase befindet, am höchsten; dadurch können diese wirkungsvoll an die Außenseite des Kondensators abgegeben werden.

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 Rohrbündels ausgeführt wurde. Diese numerische Analyse dient dazu, Gleichungen zu lö­ sen, die auf den Gesetzen der Masseerhaltung und der Impulserhaltung gelten, wie sie auf die Dampfströmung angewendet werden. Details des Analysermodells sind in PROCEED­ ING OF THE SECOND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON CONDENSERS AND CONDENSATION (1990), S. 235-244 beschrieben. Fig. 3A und 3C zeigen die Ergebnisse der Analyse, wie sie für ein Modell mit einer herkömmlichen Anordnung von Kondensator­ rohren ausgeführt wurde, bei der mehrere Rohrgruppen mit gleicher Breite mit konstantem vertikalen Abstand angeordnet sind, während Fig. 4A bis 4C die Analyseergebnisse zeigen, wie sie für ein Modell einer Anordnung von Kondensatorrohren gemäß der Erfindung erhal­ ten wurden, bei der mehrere Rohrgruppen 1 mit gleicher Breite so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen benachbarten Rohrgruppen, d. h. die Breite der Dampfgassen 3, nach un­ ten hin immer mehr abnimmt. In allen Fallen wurde die Analyse für einen Bereich des Rohr­ bündels von Fig. 2 unter der Annahme ausgeführt, daß der Dampf horizontal in das Rohr­ bündel strömt. Ferner wurde angenommen, daß der eintretende Dampf 0,1 Gew.-% einer nicht-kondensierbaren Gaskomponente enthält und daß vom Gasauslaß ein Gasgemisch mit einer Rate ausgeblasen wird, die von den Charakteristiken des Auslaßsystems bestimmt wird. Die Ausgaberate beträgt etwa 1 Gew.-% der Rate des Dampfs, der in das Rohrbündel strömt. Fig. 3A und 4A zeigen Zustände für die Dampfströmung. Pfeile größerer Länge zeigen höhere Dampfgeschwindigkeiten an. Fig. 3B und 4B zeigen statische Druckvertei­ lungen, während Fig. 3C und 4C die Dampfverteilung für nicht-kondensierbares Gas anzei­ gen.

Wie aus Fig. 3B erkennbar, wird bei der herkömmlichen Anordnung, bei der die Rohrgruppen mit konstantem Abstand angeordnet sind, kein statischer Druckgradient quer zu den Dampfgassen 3 aufgebaut. In diesem Fall bleiben daher nicht-kondensierbare Gase in der zweiten und dritten Rohrgruppe, von oben her gesehen, stehen, wie dies aus Fig. 3C er­ kennbar ist. Das Analyseergebnis zeigte, daß der Bereich, in dem nicht-kondensierbare Gase stehenbleiben, nicht festliegt, sondern sich zeitabhängig ändert. Auch praktische Gesichts­ punkte zeigen, daß der Bereich, in dem nicht-kondensierbare Gase stehenbleiben, nicht fest vorgegeben ist. In einem herkömmlichen Kondensator, in dem die Rohrgruppen mit kon­ stanten Abständen angeordnet sind, ist es daher nicht möglich, die nicht-kondensierbaren Gase wirkungsvoll 11 auszublasen.

Im Fall des Analysermodells, bei dem die Breiten der Dampfgassen 3 zur Unterseite des Kondensators hin erfindungsgemäß abnehmen, wird dagegen eine solche statische Druckverteilung ausgebildet, daß der statische Druck im oberen Bereich des Rohrbündels höher ist als in seinem unteren Bereich, wie dies aus Fig. 4B erkennbar ist. Dementspre­ chend werden nicht-kondensierbare Gase im unteren Bereich konzentriert, wie in Fig. 4C dargestellt, was ein wirkungsvolles Ausblasen der nicht-kondensierbaren Gase ermöglicht.

Wie aus den beschriebenen Analyseergebnissen erkennbar, kann ein erfindungsge­ mäß aufgebauter Kondensator nicht-kondensierbare Gase wirkungsvoll in seinem unteren Bereich konzentrieren, was das Ausblasen solcher Gase vereinfacht. Dementsprechend ver­ fügt der erfindungsgemäße Kondensator über verbesserte Wärmeübertragung, wodurch sich der Dampfdruck am Kondensatoreingang niedrig halten läßt, was wiederum zu einer Ver­ besserung des Wirkungsgrades eines Kraftwerkes mit einem solchen Kondensator führt.

Darüberhinaus kann der Aufbau des Kondensators vereinfacht werden, da es nicht erforder­ lich ist, Kühlrohre örtlich zu konzentrieren.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kondensators gemäß der Erfin­ dung, bei dem mehrere vertikale Rohrgruppen 1 mit jeweils mehreren Wärmeübertragungs­ rohren in Abstand voneinander horizontal nebeneinander so angeordnet sind, daß zwischen benachbarten Rohrgruppen 1 vertikale Dampfgassen 3 vorliegen. Alle Rohrgruppen 1 wei­ sen dieselbe horizontale Dicke auf, jedoch nimmt der Abstand zwischen benachbarten Rohrgruppen, d. h. die Breite der Dampfgassen 3, zum Gasauslaß 10 für nicht-kondensierba­ res Gas hin ab, der an einer Längsseite des Behälters 4 liegt und mit der am weitesten links befindlichen Rohrgruppe 1 kommuniziert, wie aus Fig. 5 erkennbar. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel befindet sich der Gasauslaß 10 für nicht-kondensierbares Gas unten links am Behälter 4, wie in Fig. 5 dargestellt, und die Dampfgassen 3 kommunizieren direkt mit einer Einlaßkammer 4c, die direkt unter dem Einlaß 4a ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung ist es möglich, zu verhindern, daß der Dampf durch die breiteren Dampfgassen 3 zum Boden des Kondensators hin entweicht. Um dies zu verhindern, kann statt des Kondensatreservoirs 8 eine Trennwand verwendet werden. Wie ersichtlich, entsteht auch bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel eine statische derartige Druckverteilung, daß der statische Druck zum Gasauslaß für nicht-kondensierbares Gas hin abnimmt. Es ist daher möglich, nicht-konden­ sierbare Gase wirkungsvoll auszublasen und einen Kondensator mit einfacher Konstruktion des Rohrbündels ohne jede örtliche Konzentration der Wärmeübertragungsrohre zu realisie­ ren.

Fig. 6 zeigt einen Kondensator eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Dicke der Rohrgruppe 1 so variiert ist, daß die Rohrgruppe benachbart zum Bo­ den des Kondensators eine größere Breite aufweist, wohingegen alle Dampfgassen 3 gleich breit sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel bietet eine Rohrgruppe 1, die dem Boden des Kondensators näher liegt, eine größere Wärmeübertragungsfläche und demgemäß eine grö­ ßere Kondensationsrate. Dementsprechend entsteht eine größere Dampfströmungsrate in den Dampfgassen, die näher dem Boden des Kondensators liegen. Da alle Dampfgassen die­ selbe Breite aufweisen, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes in den Dampfgassen, die dem Boden des Kondensators näher liegen, höher. Daher baut sich in dem Kondensator eine statische Druckverteilung auf, bei der der statische Druck im oberen Bereich des Kon­ densators größer ist als in seinem unteren Bereich. Daher ist es auch bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel möglich, nicht-kondensierbare Gase wirkungsvoll auszublasen und einen Kon­ densator mit einfacher Konstruktion des Rohrbündels ohne jede örtliche Konzentration der Kühlrohre zu realisieren.

Fig. 7 sowie Fig. 8 und 9 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele für einen er­ findungsgemäßen Kondensator, bei dem die Dichte der wärmetauschenden Oberflächen der Rohrgruppen 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 Außenbereich der Rohr­ gruppe 12. Die Rohrgruppe 12 weist mehrere Kühlrohre 11 auf, deren Dichte zum Gasaus­ laß 10 hin zunimmt. Dementsprechend bestehen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und damit ein niedrigerer statischer Druck in dem Bereich, der dem Gasauslaß 10 näher liegt. Das Rohrbündel 2 verfügt weiterhin über drei zusätzliche Rohrgruppen 1, die jeweils mit den Außenseiten der Rohrgruppen 12 verbunden sind und mit diesen kommunizieren. Fig. 7 zeigt nur drei zusätzliche Rohrgruppen 1, die mit der linken Seite der Rohrgruppe 12 ver­ bunden sind. Diese drei zusätzlichen Rohrgruppen 1 auf jeder Seite der Rohrgruppe 12 ha­ ben solche Abstände voneinander, daß zwischen jeweils einem Paar benachbarter zusätzli­ cher Rohrgruppen 1 eine Dampfgasse 3 entsteht. Die zusätzlichen Rohrgruppen 1 sind so ausgebildet, daß sich die Abmessung der Dampfgassen 3 bezogen auf den Abstand zwischen benachbarten zusätzlichen Rohrgruppen 1 so ändert, daß die Größe einer Dampfgasse 3, die dem Gasauslaß 10 näher liegt, kleiner ist als diejenige einer Dampfgasse 3, die vom Gas­ auslaß 10 weiter entfernt ist. Das Rohrbündel 2 ist in einem Behälter 4 in solcher Weise an­ geordnet, daß eine zusätzliche Dampfgasse 4b zwischen der Wand des Behälters 4 und den zusätzlichen Rohrgruppen 1, die neben den Rohrgruppen 12 liegen, ausgebildet ist, so das die Dampfgassen 3, die zwischen benachbarten zusätzlichen Rohrgruppen 1 vorhanden sind, mit einem Einlaß 4a über die zusätzliche Dampfgasse 4b kommunizieren. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein solcher Gradient des statischen Drucks ausgebildet, daß der statische Druck zum Gasauslaß 10 hin abnimmt, was ein wirkungsvolles Ausblasen nicht- kondensierbarer Gase ermöglicht. Dieser Effekt kann in gewisser Weise durch die Rohr­ gruppe 12 allein bewirkt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 und 9 ist ein Kondensator, der als Freonkon­ densator in einem Kraftwerk mit Freon-Wärmeträger verwendet wird. Dieses Ausführungs­ beispiel verfügt über keinen bemerkenswerten Effekt, wenn es zum Verflüssigen eines Me­ diums mit großer latenter Wärme, z. B. Wasser, verwendet wird, da in diesem Fall der Wir­ kungsgrad 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 Fig. 8 und 9 weist der Kondensator Kühlrohre 11 auf, die mehrere an ihnen befestigte Rippen 102 als Leitflächen tragen. Zwischen benachbarten Rippen 102 sind Dampfgassen 3 ausgebildet. Die Rippen 102 suchen die Gasströmung längs den Kühl­ rohren 11 zu verhindern. Um diese Tendenz zu unterdrücken, sind in jeder Rippe 102 meh­ rere Löcher 103 ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auch in den Dampfgassen 3 Kühlrohre 11 vorhanden, die darin für die Gasströmung einen Widerstand erzeugen. Um diesen Strömungswiderstand zu verringern, sind die Kühlrohre etwa als rechteckiges grobes 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 Rip­ pen 102 verflüssigt zu werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ändert sich die Breite der Dampfgassen 3, d. h. der Abstand zwischen je zwei benachbarten Rippen 102, derart, daß die Dampfgassen 3 um so enger sind, je dichter sie am Gasauslaß 10 liegen. Die Kondensa­ tionsraten für den Dampf an allen Rippen 102 können als im wesentlichen gleich angesehen werden. Demgemäß ist die Dampfströmungsgeschwindigkeit in einer stromabwärtigen Dampfgasse 3 größer als in einer stromaufwärtigen Dampfgasse 3, so daß in den stromab­ wärtigen Dampfgassen 3 ein geringerer statischer Druck herrscht als in den stromaufwärti­ gen Dampfgassen 3. Infolgedessen strömt der Dampf durch Löcher 103 in den Rippen 102 vom stromaufwärtigen Bereich mit dem höheren statischen Druck zum stromabwärtigen Ende mit dem niedrigeren statischen Druck. Dies hat zur Folge, daß nicht-kondensierbare Gase im stromabwärtigen Bereich mit dem Gasauslaß 10 konzentriert werden, wodurch sie wirkungsvoll ausgeblasen werden können.

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

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 und 11 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Absorptionskühlschrank beschrieben. Dieser weist einen Dampferzeuger 22 auf, der eine Absorptionsflüssigkeit erwärmt, um einen ersten Dampf und eine dicke Absorptionsflüssigkeit zu erzeugen, einen Kondensator 23 zum Kon­ densieren des ersten Dampfes in eine erste Flüssigkeit, einen Verdampfer 20 zum Verdamp­ fen der ersten Flüssigkeit zum Erzeugen eines zweiten Dampfes, einen Absorber 21 zum Kühlen und Verflüssigen des zweiten Dampfes, und eine Einrichtung zum Zuführen der dicken Absorptionsflüssigkeit vom Dampfgenerator 22 in den Absorber 21. Der in dem Dampfgenerator 22 erzeugte Dampf wird, wie durch den gestrichelten Pfeil 31 gezeigt, in den Kondensator 23 eingeführt und dort durch den Wärmeaustausch mit Kühlwasser ver­ flüssigt, das durch eine Rohrleitung 29 im Kondensator 23 strömt. Durch den Wärmeaus­ tausch wird das durch die Rohrleitung 29 fließende Wasser erwärmt, das dann vom Kon­ densator 23 ausgegeben wird, wie durch einen Pfeil 30 gezeigt. Die im Kondensator 23 er­ zeugte Flüssigkeit fließt über eine Rohrleitung 32 in den Verdampfer 20 und wird dort durch Wärmeaustausch mit erwärmtem Wasser, das durch einen Pfeil 28 gekennzeichnet ist, verdampft. Der so erzeugte Dampf strömt in den Absorber 21, wie mit einer gestrichelten Linie 25 gezeigt. Das erwärmte Wasser 28 wird durch die Wärmeabgabe im Verdampfer 20 gekühlt und fließt gemäß Pfeil 27 aus dem Verdampfer 20 heraus.

Wie in Fig. 11 dargestellt, weist der Absorber 21 einen Behälter 4 und ein in diesem angeordnetes Rohrbündel 2 auf. Das Kühlwasser, das durch die Rohrleitung 29 fließt, durchläuft das Rohrbündel 2. An einer Seite weist der Behälter 4 einen Einlaß 4a auf, durch den Dampf vom Verdampfer 20 in den Behälter 4 strömt. Das Rohrbündel 2 weist mehrere Rohrgruppen 1 auf, die so angeordnet sind, daß zwischen ihnen mehrere horizontale Dampfgassen 3 ausgebildet sind, die mit einer Einlaßkammer 4c kommunizieren. An der oberen Wand des Behälters 4 sind über dem Rohrbündel 2 mehrere Düsen 33 angeordnet. Die im Dampfgenerator 22 eingedickte Absorptionsflüssigkeit wird über eine Rohrleitung 24 den Düsen 33 zugeführt, von wo sie auf das Rohrbündel 2 gesprüht wird. Der vom Ver­ dampfer 20 in den Absorber 21 strömende Dampf wird gekühlt und strömt dann durch das Rohrbündel 2, wo er zu Flüssigkeit kondensiert wird, die von der von den Düsen 33 ausge­ sprühten eingedickten Absorptionsflüssigkeit absorbiert wird. Die eingedickte Absorptions­ flüssigkeit absorbiert also die Flüssigkeit und wird dadurch verdünnt, und die verdünnte Ab­ sorptionsflüssigkeit wird in einem Flüssigkeitsreservoir 8 gesammelt. Die Absorptionsflüs­ sigkeit wird dann vom Reservoir 8 über eine Rohrleitung 26 wieder dem Dampfgenerator 22 zugeführt und erneut aufgeheizt. Dieser Kreislauf wird dauernd ausgeführt. Nicht-kon­ densierbare Gase werden durch einen Gasauslaß im Behälter 4 ausgeblasen.

Bei dem vorstehend angegebenen Kühlsystem werden die Drücke im Verdampfer 20 und Absorber 21 so niedrig gehalten, daß es durch die vom erwärmten Wasser 28 abgege­ bene latente Wärme zur Verdampfung bei einer Temperatur kommt, die niedriger ist als die normale Temperatur. Dementsprechend kann die Temperatur des gekühlten Wassers 27 ab­ gesenkt werden, wenn der Absorptionsdruck im Absorber 21 auf einem niedrigen Wert ge­ halten wird. Bei dem beschriebenen System wird darüber hinaus das Kühlwasser 29 durch die vom erwärmten Wasser 28 abgegebene Wärme aufgeheizt. Je niedriger der Absorpti­ onsdruck im Absorber 21 ist, desto höher ist die Wärmeübertragungsrate von dem erwärm­ ten Wasser 28 auf das Kühlwasser 29.

Der Begriff "Absorption" bedeutet Kondensation, die dadurch ausgeführt wird, daß eine Absorptionsflüssigkeit als Kondensationsmedium verwendet wird. Die Absorptions­ flüssigkeit ist typischerweise eine wäßrige Lösung von Lithiumbromid (LiBr). Diese Flüs­ sigkeit wird von den Düsen 33 auf das Rohrbündel 2 gesprüht und wird an den Oberflächen der Kühlrohre 11 gekühlt. Die beim Kondensieren des Dampfes frei werdende latente Kon­ densationswärme wird durch das Medium absorbiert, das durch die Wärmeübertragungsroh­ re strömt. Es wird hier angenommen, daß die Absorptionsrate des Dampfes konstant ist, je­ doch hängt sie tatsächlich von der Konzentration und der Temperatur der Absorptionsflüs­ sigkeit ab. Das Rohrbündel 2 im Absorber 21 ist so aufgebaut, daß die Breite der Dampf­ gassen 3 nahe dem stromabwärtigen Ende kleiner ist als diejenige der Dampfgassen 3, die von dort weiter entfernt liegen. Dementsprechend wird im stromabwärtigen Bereich des Absorbers 21 ein niedrigerer statischer Druck erzeugt, so daß nicht-kondensierbare Gase dorthin gedrückt werden. Die so gesammelten nicht-kondensierbaren Gase werden vom Gasauslaß 10 im Boden des Absorbers wirkungsvoll ausgeblasen.

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

Wie beschrieben, wird in einem Kondensator gemäß der Erfindung ein Gradient des statischen Drucks quer zu parallel im Kondensator liegenden Dampfgassen aufgebaut. Demgemäß kommt es beim Einleiten von Dampf zum Konzentrieren nicht-kondensierbarer Gaskomponenten am stromabwärtigen Ende des Kondensators, was ein wirkungsvolles Ausblasen dieser nicht-kondensierbaren Gase sicherstellt und den Wärmeübertragungs- Wirkungsgrad des Kondensators verbessert.

Claims (7)

1. Kondensator zur Verflüssigung von nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthaltendem Dampf mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen von Gas-Dampf-Gemisch, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zum Ableiten der nicht-kondensier­ baren Gaskomponenten und einem Rohrbündel (2) aus mehreren von einem Wärmetauschermedium durchströmten und von dem Gas- Dampf-Gemisch parallel angeströmten Rohrgruppen (1), zwischen denen jeweils Dampfgassen (3) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den jeweils benachbarten Rohrgruppen (1) so bemessen sind, daß der Querschnitt jeder näher am Gasauslaß (10) gelegenen Dampfgasse (3) kleiner ist als der jeder vom Gasauslaß (10) weiter entfernten Dampfgasse (3). (Fig. 2, 5, 11)

2. Kondensator zur Verflüssigung von nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthaltendem Dampf mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen von Gas-Dampf-Gemisch, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zum Ableiten der nicht-kondensier­ baren Gaskomponenten und einem Rohrbündel (2) aus mehreren von einem Wärmetauschermedium durchströmten und von dem Gas- Dampf-Gemisch parallel angeströmten Rohrgruppen (1), zwischen denen jeweils Dampfgassen (3) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergangsfläche je­ der näher am Gasauslaß (10) gelegenen Rohrgruppe (1) größer ist als die jeder vom Gasauslaß (10) weiter entfernten Rohr­ gruppe (1). (Fig. 6)

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede näher am Gasauslaß (10) gelegene Rohrgruppe (1) eine größere Anzahl von Rohren (11) aufweist als jede vom Gasaus­ laß (10) weiter entfernte Rohrgruppe (1).

4. Kondensator zur Verflüssigung von nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthaltendem Dampf mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen des Gas-Dampf-Gemisches, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zum Ableiten der nicht-kondensier­ baren Gaskomponenten und einem von einem Wärmetauschermedium durchströmten und von dem Gas-Dampf-Gemisch quer angeströmten Rohrbündel (2) mit darin vorhandenen Dampfgassen (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfgassen (3) zwischen quer zu den Rohren (11) des Rohrbündels (2) und parallel zur Anströmrichtung verlaufenden Leitflächen (102) gebildet sind und der Querschnitt jeder näher am Gasauslaß (10) gelegenen Dampfgasse (3) kleiner ist als der jeder vom Gasauslaß (10) weiter entfernten Dampfgasse (3). (Fig. 8)

5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (102) perforiert (103) sind.

6. Kondensator zur Verflüssigung von nicht-kondensierbare Gaskomponenten enthaltendem Dampf mit einem Dampfeinlaß (4a) zum Zuführen von Gas-Dampf-Gemisch, einem Kondensatauslaß (9), einem Gasauslaß (10) zum Ableiten der nicht kondensier­ baren Gaskomponenten und einem von einem Wärmetauschermedium 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 in Richtung des Gasauslasses (10) zunimmt. (Fig. 7)

7. Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich von der Rohrgruppe (12) mehrere parallel angeströmte zusätzliche Rohrgruppen (1) vorgesehen sind, deren gegensei­ tige Abstände in Richtung des Gasauslasses (10) abnehmen.