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Oberflächenkondensator mit vom Kühlwasser durchflossenen Kühlrohren
Ein guter Kondensator soll nicht nur eine hohe Luftleere und ein reines gasfreies
Kondensat von möglichst hoherTemperatur geben, d. h. von einer Temperatur, die möglichst
wenig unter der zum Kondensatordruck gehörenden Sättigungstemperatur liegt, sondern
muß zugleich eine hohe spezifische Leistung, also geringen Raumbedarf (geringe Kellerhöhe)
bei kleinem Leistungsverbrauch der Kühlwasserpumpe haben. Diese Aufgaben des Kondensators
sucht man bei dem Oberflächenkondensator in der Weise zu lösen, daß man den zu kondensierenden
Dampf' in einen geschlossenen Raum einströmen läßt, der von einer Anzahl von Rohren
durchzogen ist, durch die von einer Kühlwasserpumpe Kühlwasser gedrückt wird. Die
Rohre liegen quer zur Strömungsrichtung des Dampfes (im allgemeinen waagerecht,
Dampfeintritt oben) und werden meist in mehreren Gruppen nacheinander vom Kühlwasser
durchflossen. Das Kühlwasser tritt an der dem Dampfeintritt entgegengesetzten Seite
in die Rohre ein (also meist unten) und an der Dampfeintrittsseite (oben) aus. Das
Kondensat sammelt sich im unteren Teil des Kondensators und wird von einer Pumpe
abgesaugt. Luft und nicht kondensierte Dampfreste werden durch eine Luftpumpe entfernt.
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Aus dieser Art der Lösung ergeben sich, zunächst für die Erzielung
einer guten Luftleere, folgende Forderungen: I. Unterbringung einer möglichst großen
Kühlfläche auf kleinem Raum, II. möglichst gute Wärmeübertragung eines einzelnen
Rohres und möglichst gleichmäßige Ausnutzung aller im Kondensator eingebauten Rohre.
Die Maßnahmen zur Erfüllung dieser Forderungen sollen im folgenden im einzelnen
besprochen werden. Dabei wird sich zeigen, wie sich die einzelnen Maßnahmen in ihrer
Wirkung gegenseitig beeinflussen, so däß ein guter Kondensator immer eine Abstimmung
zwischen allen Forderungen darstellen muß.
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Möglichst große Kühlfläche läßt sich erzielen durch Einbau sehr vieler
Rohre von kleinem Durchmesser.
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Dieser Forderung steht vor allem die nach kleinem Leistungsbedarf
der Kühlwasserpumpe entgegen. Der Ersatz weniger Rohre großen Durchmessers durch
sehr viele Rohre kleineren Durchmessers bedingt wegen der erheblichen Vergrößerung
der Reibungswiderstände eine bedeutendeErhöhung derPumpenleistung. Weiter kommt
hinzu, daß die Strömungsverhältnisse für den Dampf schlechter werden, der Druckabfall
im Kondensator demgemäß größer wird. Schließlich spielt noch der Preis eine Rolle.
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Die Verhältnisse liegen hier so, daß .sich tatsächlich bereits ein
gewisser günstigster Rohrdurchmesser herausgebildet hat, der den weiteren Betrachtungen
als gegeben zugrunde gelegt werden kann.
Voraussetzung für eine
gute Ausnutzung des Kondensators ist natürlich möglichst große Kühlwirkung des einzelnen
Rohres.
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Je größer der Wärmeaustausch der einzelnen Rohre ist, um so größer
wird auch die insgesamt erzielbare Wärmeaufnahme sein. Hier sind nun eine Reihe
von Versuchen am einzelnen Rohr gemacht worden, durch die die Bedingungen für ein
günstiges Arbeiten im allgemeinen festgelegt worden sind. Es hat sich indessen herausgestellt,
daß zwischen den bei Modellversuchen erreichbaren Werten und den in Oberflächenkondensatoren
tatsächlich erreichten W ärmedurchgangszahlen ein großer Unterschied besteht. Welche
Bauart man auch betrachtet, mit Ausnahme vielleicht der Ginabat-Bauart, die mittleren
Wärmedurchgangszahlen kommen über die Werte von zooo bis z200 kcal/hm2° C nicht
hinaus. Die bei Modellversuchen erreichten Werte bewegen sich jedoch je nach der
Wassergeschwindigkeit zwischen q.ooo und 6ooo kcal/hm2° C.
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Dieser große Unterschied war die Veranlassung zu vielen Versuchen
an Kondensatoren selbst. Da solche Versuche jedoch äußerst schwieriger Natur sind
und man nur auf Druck- und Temperaturmessungen angewiesen ist, so ist eine einwandfreie
Klärung der Vorgänge im Kondensator bis jetzt nicht möglich gewesen. Immerhin steht
so viel fest: Der Wärmedurchgang bei sonst gleichen Verhältnissen (Rohrlänge,, Durchmesser,
Wandstärke) wächst a) mit demTemperaturunterschied zwischen Kühlwaser und Dampf,
b) mit der Kühlwassergeschwindigkeit, c) mit der Geschwindigkeit des Dampfes gegenüber
dem Rohr, d) in dem Maße, wie die das Rohr umgebende Kondensatschicht dünner wird,
e) in Abhängigkeit von der Möglichkeit einer gleichmäßigen Beaufschlagung aller
Rohre.
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Der Temperaturunterschied zwischen Kühlwasser und Dampf ist im ganzen
gegeben durch die örtlichen und zeitlichen Verhältnisse, entzieht sich also der
Beeinflussung durch denKonstrukteur. Eine nicht unwesentliche Verbesserung mit Rücksicht
auf den Temperaturunterschied an den einzelnen Stellen des Kondensators läßt sich
aber erzielen durch Anwendung des bekannten Gegenstromprinzips. Der vollen Anwendung
des Gegenstromprinzips widersprechen wieder zum Teil die zur günstigen Ableitung
des Kondensates, zur Erzielung einer gleichmäßigen Beaufschlagung aller Rohre und
zur Schaffung möglichst gleich langer Wege für jede Dampfbahn zu treffenden Maßnahmen.
Die Kühlwassergeschwindigkeit läßt sich bei gleichbleibender Kühlfläche steigern
i. durch Vergrößern der Kühlwassermenge, -9. durch Unterteilung derkohre in mehrere
nacheinander durchströmte Gruppen (Flüsse), also längere Strömungswege für das Kühlwasser
bei kleinerem Gesamtströmungsquerschnitt je Wasserfluß.
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Beides bedingt eine Erhöhung der Pumpenleistung, diesem widerspricht
die Forderung nach kleinerem Leistungsbedarf.
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- Bei gleicher Pumpenleistung kann man durchVergrößern desRohrdurchmessers
unter Beibehaltung der Größe des gesamten Strömungsquerschnittes für das Kühlwasser
die Reibungsverluste in den Rohren etwas verringern, die Kühlwassermenge etwas vergrößern
und damit dieWassergeschwindigkeit steigern; dann ist aber die Kühlfläche. die untergebracht
werden kann, kleiner.
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Es gilt also hier, die günstigsten Mittelwerte zu finden. Die Dampfgeschwindigkeit
wächst mit dem Druckabfall im Kondensator - der aber wieder möglichst klein sein
soll - und ist weiter abhängig von den Strömungsverhältnissen (Länge und Form der
Dampfwege, Widerstände). Die Strömungsverhältnisse lassen sich durch verschiedene
Maßnahmen verbessern; so erstrebt man möglichst kurze geradlinige und störungsfreie
Dampfwege, ferner eine Anpassung der Durchflußquerschnitte für den Dampf an die
Volumenv erminderung des Dampfes, um überall im Kondensator die gleiche für den
Wärmedurcbgang günstige Dampfgeschwindigkeit zu halten. Man erreicht diese Abnahme
des Strömungsquerschnittes durch Verkleinern der Teilung der Rohre in Richtung der
Dampfströmung, und zwar führt man einzelne Rohrgruppen mit verschiedene Teilungen
aus. Eine allmähliche Verengung der Dampfgassen, also verschiedene Teilung für jede
Rohrreihe, ist wegen der erheblichen Mehrarbeit bis jetzt nicht ausgeführt worden.
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Schließlich ist ein Versperren der Dampfwege durch herabfließendes
Kondensat zu vermeiden. Eine Rohranordnung, die diesen Forderungen entspricht, widerspricht
oft der vollkommenen Durchführung des Gegenstromprinzips.
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Die Forderung nach möglichst dünner Kondensatschicht an der Oberfläche
eines Rohres läßt sich verwirklichen durch günstige Ableitungen desKondensates (Ginabat).
Rohranordnungen, die dieses gestatten, ermöglichen nicht immer eine gute Durchführung
des Gegenstromprinzips; auch die Forderungen hinsichtlich der Dampfgeschwindigkeit
sind hiermit nicht immer -leicht zu vereinigen.
Übrigens ist die
Bildung einer Kondensatschicht, deren Annahme sich auf Modellversuche stützt, im
Kondensator selbst nicht wahrscheinlich. Die Modellversuche können nämlich nicht
ohne weiteres zur Klärung der Vorgänge im Kondensator herangezogen werden. Bei einem
Modellversuch, bei dem man den Kondensationsvorgang an einem einzigen Rohr untersucht,
wird natürlich die an dem Rohr durch Kondensation erfolgende Bildung einer Wasserhaut
sehr wenig gestört.
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Alle Verbesserungen derWärmeübergangszahl des einzelnen Rohres und
alle Vergrößerung der Kühlfläche nützt nichts, wenn es nicht gelingt, den Dampf
auch tatsächlich an alle Rohre heranzubringen und alle Rohre in möglichst gleichem
Maße zur Kondensation heranzuziehen.
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Die Gründe für den schlechten Wärmedurchgang bei den bisher üblichen
Kondensatorbauten dürften nun in erster Linie darin zu suchen sein, daß das herabfließende
Kondensat so dicht wird, daß große Teile der Kühlfläche fast völlig gegen eine Berührung
mit dem Dampf abgesperrt werden. Diese abgesperrten Teile sind nicht nur von der
Niederschlagswirkung ausgeschlossen, also überflüssig, sondern durch die Bildung
von Luftsäcken in der unten erläuterten `'Gleise geradezu schädlich.
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Bedenkt man, daß bei den üblichen Bauarten im oberen Drittel 75 °/"
im mittleren 22 °/o und im unteren 3 % der Dampfmenge niedergeschlagen werden, so
geht daraus hervor, daß bereits beim Eintritt in das zweite Drittel 75 °1o der maimal
auftretenden Dichte des Kondensats erreicht sind. Damit ist aber die Absperrwirkung
und der Strömungswiderstand bereits beim Eintritt in das zweite Drittel nicht mehr
weit von seinem Höchst-,vert entfernt.
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Es ergeben sich daraus die Forderungen: i. den Dampf gleichmäßig über
den ganzen Kondensator zu verteilen, 2. das Absperren von Rohrgruppen zu verhindern,
d. h. einen geregelten Ko.ndensatabfluß zu schaffen.
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Die gleichmäßige Verteilung des Dampfes über den ganzen Kondensator
kann dadurch erreicht werden, daß der Strömungswiderstand in allen Dampfgassen über
die ganze Breite des Kondensators möglichst gleichgehalten wird, d. h. also durch
möglichst gleiche Länge der einzelnen Dampfwege vom Dampfeintritt bis zur L uftabsaugstelle.
Auch durch die Anordnung einzelner breiter Dampfgassen versucht man oft zu erreichen,
daß der Dampf allen Rohren gleichmäßig zugeführt wird und nicht etwa einzelne Rohrgruppen
im Strömungsschatten von anderen liegen. Dies ist aber wieder eine zweischneidige
Maßnahme, da man hiermit leicht gegen die Forderungen nach gleich langen Dampfwegen,
Verwendung des Gegenstromprinzips und Unterbringung einer möglichst großen Kühlfläche
verstößt.
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Das Absperren von einzelnen Rohren oder Rohrgruppen durch herabtropfendes
Kondensat läßt sich nur durch eine gute Kondensatabführung vermeiden. Die überlegenheit
des Ginabat-Kondensators gegenüber den anderen Bauarten dürfte im wesentlichen hierauf
beruhen. Der Idealfall würde das Auffangen und Ableiten des Kondensats unter jedem
einzelnen Rohr sein, was aber «nieder wegen der Forderung ungestörter, möglichst
widerstandsfreier Dampfströmung um die Rohre nicht ausführbar ist und auch durch
die erforderlichen Einbauten den Kondensator zu sehr verteuern würde.
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In unmittelbarem Zusammenhang mit dem eben Erläuterten steht die Forderung
nach möglichst hoher Kondensatendtemperatur. Auch sie verlangt, falls man das aus
Gründen der Dampfströmung (gleichmäßige Verteilung des Dampfes, geringer Ström-,viderstand)
unzweckmäßige Kreuzen des Dampf-und Kondensatstromes vermeiden will, die Ableitung
des Kondensates unmittelbar nach dem Niederschlagen, damit nach Möglichkeit ein
Berühren des herabfallenden Kondensates mit darunterliegenden Kühlrohren vermieden
wird. Durch dieses Berühren von Barunterliegenden Kühlrohren wird einerseits das
Kondensat sehr merkbar unterkühlt, was einen Verlust für den gesamten Wärmekreislauf
bedeutet, andererseits aber auch der entsprechende Teil der Rohrfläche seiner Aufgabe,
Dampf zu kühlen und niederzuschlagen, entzogen.
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In dieser Richtung zeigt sich auch die schädliche Wirkung von Luftsäcken,
die entstehen, wenn durch herabfallendes Kondensat einzelne Rohre oder Rohrgruppen
abgesperrt werden. In diesen Luftsäcken ruht die Luft, und das Kondensat wird weiter
abgekühlt. Die Luft unterkühlt man gerne etwas, um die Arbeit für das Absaugen,
die in erster Linie vom Volumen der abzusaugenden Luftmenge abhängt, etwas herabzudrücken.
Die Wärmemengen, die dabei der Luft entzogen werden müssen, sind im übrigen gegenüber
denen, die dem Dampf entzogen werden, verschwindend klein.
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Aus diesen Ausführungen geht hervor, daß es sich niemals darum handeln
kann, durch irgendeine bestimmte Maßnahme, die einer der vorhandenen Forderungen
möglichst vollkommen genügt, den Idealkondensator zu schaffen. jeder Kondensator
wird von der -Natur der Sache nach ein Kompromiß, und dieser Komprcmiß wird um so
besser sein, je
besser die einzelnen Maßnahmen aufeinander abgestimmt
sind.
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Man betrachte nun von diesem Gesichtspunkt aus einmal einzelne der
neuesten Kondensatorbauarten, z. B. den Zentralstromkondensator oder den h-Kondensator.
Diese Bauarten verfolgen, wie aus ihren Beschreibungen hervorgeht, nur den Zweck,
den Druckverlust zwischen Abdampfstutzen und Luftabsaugestelle so klein wie möglich
zu halten. Man hat dies dadurch zu erreichen gesucht, daß man die vom Dampf zwischen
-Abdampf- und Absaugestutzen zurückzulegenden Wege möglichst kurz machte. Man erkennt,
daß in einseitiger Verfolgung dieses Weges andere Nachteile in Kauf genommen werden
mußten, daß nämlich, wie auch die Rohranordnung gewählt sein mag, die Auswirkung
des abfließenden Kondensates stets dieselbe ist, nämlich Steigerung des Stromwiderstandes
auf ein solches Maß, daß große Teile der Kühlfläche von der Niederschlagswirkung
gänzlich ausgeschlossen werden. Beispielsweise beim Zentralkondensator ist das ganze
untere Viertel wegen der aus den oberen Teilen herabregnenden Kondensatmengen völlig
abgesperrt. Die wirklich wirksame Kühlfläche dieses Kondensators ist also keineswegs
größer als bei anderen Kondensatoren. Ein gleiches' gilt vom V-Kondensator.
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Betrachtet man weiter die Kondensatorbauart, mit der es bis jetzt
allein gelungen ist, bessere Wärmedurchgangszahlen zu erreichen (Ginabat), so ist
der Hauptgrund hierfür darin zu finden, daß das herabfließende Kondensat innerhalb
der Rohrbündel niemals eine übermäßige Dichte erreicht.
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Damit wird r. immer eine geregelte Kondensatführung und -ableitung
gesichert, a. die Dicke der Wasserhaut auf ein Minimum beschränkt, _ 3., und das
ist das Wesentlichste, werden nirgends Teile der Kühlfläche durch das herabfließende
Kondensat abgesperrt.
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Überall kann der Dampf mit vollkommen gleichem Widerstand durch die
Rohrgassen strömen, so daß kein Rohr dem anderen gegenüber einen Vorzug hinsichtlich
Kondensationswirkung hat.- Trotzdem hat die Ginabat-Bauart drei große Nachteile.
Der erste Nachteil liegt in der Kühlfläche, die je ins untergebracht =werden kann,
die bei der Ginabat-Bauart kleiner ist als bei allen anderen Bauarten. Der Vorteil
der kleineren Kühlfläche, mit der Ginabat auskommt, wirkt sich also nur in der Verringerung
der Anzahl der Rohre aus, nicht aber auch in der Verkleinerung der Außenabmessungen
des Kondensators. Der zweite Nachteil besteht darin, daß es bei der Ginabat-Bazart
nicht möglich ist, entsprechend der Abnahme der Dampfmenge durch die Kondensation
die Durchströmquerschnitte zu verringern, so daß die Dampfgeschwindigkeiten gegen
Ende bis auf den sehr ungünstig niedrigen Wert von o, r m/s absinken. Der dritte
Nachteil ist der, däß bei der Ginabat-Bauart auf den Gegenstrom zwischen Dampf und
Kühlwasser völlig verzichtet werden muß. Dies wirkt sich sehr ungünstig aus, und
zwar derart, daß die durch die günstige Kondei@satableitung und auch durch die Dampfführung
gewonnenen Vorteile -hinsichtlich einer Verringerung der Kühlfläche wieder in beträchtlicher
Weise aufgehoben werden.
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Demgegenüber weist die der Erfindung zugrunde liegende Bauart zwar
die Vorteile der Ginabat-Bauart auf, ohne aber deren Nachteile, also schlechte Ausnutzung
des Raumes zur Unterbringung der Kühlfläche und Fehlen des Gegenstromes; in Kauf
nehmen zu müssen.
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Ausgehend von dem Gesichtspunkt, die Rohranordnung so zu wählen, daß
der Dampf an alle Rohre gleichmäßig herantreten kann und däß alle Dampfwege möglichst
gleich lang sind und möglichst gleichen Strömungswiderstand haben, ist die Anordnung
so getroffen worden, daß der nach unten abnehmenden Dampfmenge durch absatzweise
Verkleinerung der Rohrteilung Rechnung getragen ist, so daß die Dampfgeschwindigkeit
überall die für einen guten Wärmedurchgang erforderliche Höhe behält; ferner sind
die Längen der einzelnen Dampfwege dadurch möglichst -gleichgemacht worden, daß
die Luftabsaugestelle nach unten in die Mitte gelegt ist, so daB j e Dampfweg vom
Eintritt des Dampfes in das Rohrsystem bis zur Absaugestelle nahezu der gleiche
Stromwiderstand besteht. Dadurch wird . erreicht, daß sich der Dampf auf alle Dampfwege
gleichmäßig verteilt. Der Dampf strömt gleichmäßig über die ganze Breite des Kondensators
von oben nach unten, so daß strenge Durchführung des Gegenstromprinzips möglich
ist.
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Zur weiteren Unterstützung einer günstigen Dampfführung, Vermeidung
toter Ecken und guter Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes haben die Dampfgassen
in der linken Hälfte des Querschnittes im oberen Teil eine von rechts nach links,
im unteren eine von links nach rechts gehende Richtung. Damit wird erreicht, daß
sich die Dampfbahnen der äußeren Kondensatorform gut anschmiegen. Auf einzelne größere
Dampfgassen der üblichen Form, die die oben erläuterten Nachteile mit sich bringen,
wurde dagegen verzichtet.
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Durch diese Anordnung ist eine gute Ausnutzung des gesamten Raumes
zur Unterbringung
von Rohren erreicht, die mit den Forderungen
bezüglich Dampfströmung im Einklang steht, sich aber im Sinne einer gleichmäßigen
Belastung aller Rohre nur dann auswirken kann, wenn die Strömungswege nirgendwo
durch herabfallendes Kondensat gestört werden. Der Einfluß des abfließenden Kondensats
wird nun ausgeschaltet durch zwei Maßnahmen: i. Der Dampf strömt parallel mit dem
Kondensat in den von den Kühlrohren und dem herabtropfenden Kondensat gebildeten
Gassen; das Kondensat tropft von der Unterseite eines Rohres tangential auf das
Barunterliegende. Infolge dieser Parallelströmung von Dampf und Kondensat ist der
Strömwider-Stand gering, so daß trotz der bis zum unteren Ende des Rohrsystems genügenden
hohen Dampfgeschwindigkeit der gesamte Druckverlust im Kondensator klein ist.
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2. Das gebildete Kondensat wird, bevor es die Adhäsionsgrenze, von
der ab es regellos herabfließen und den Durchströmquerschnitt ,versperren würde,
erreicht hat, abgeleitet, und zwar in einer Weise, die jede Störung der Dampfströmung
vermeidet; es tropft in geschlitzte Rohre, in denen es sich sammelt und abgeführt
wird. Auf eine Anzahl von Rohrreihen folgt immer eine solche Reihe geschlitzter
Rohre zum Auffangen und Ableiten des Kondensates. An einzelnen Stellen, etwa an
den Zwischenböden und an den Rohrböden, fließt das Kondensat aus den geschlitzten
Rohren in Kondensatlaufrinnen, die parallel zur unteren Begrenzung der Rohrbündel
quer durch den Kondensator geführt sind. Diese Ablaufrinnen sollen die gesamte in
einem Rohrpaket niedergeschlagene Kondensatmenge abführen. Der Kondensator wird
so gewissermaßen in eine Anzahl von kleineren Teilkondensatoren unterteilt, was
eine günstigere Ausnutzung erwarten läßt, da die Erfahrung und Beobachtung gezeigt
hat, daß sich kleine Kondensatoren stets besser verhalten als große. Auf diese Weise
wird auch eine unnötige Unterkühlung des Kondensats vermieden.
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Die Forderung einer möglichsten Luftfreiheit des Kondensates ist um
so schwieriger zu erfüllen, je mehr das Kondensat durch luftreiche Räume hindurchtropfen
muß, weil es sich dabei mit Luft anreichert, und je kälter es ist, weil dann die
Entgasung im Kodensatsammelraum schwieriger ist. Auch in dieser Hinsicht ist die
beschriebene Kondensatorbauart sehr günstig, weil i. schon ein großer Teil des Kondensates
oben abgeführt wird, also nicht nutzlos noch weiter gekühlt wird, und nur noch ein
kleiner Teil durch den luftreichen Raum vor der Absaugestelle strömen muß, 2. weil
infolge der guten Dampfführung und der Kondensatführung die Bildung von Luftsäcken
vermieden wird, in denen sich das Kondensat mit Luft anreichern und außerdem unnötig
unterkühlt werden «würde, und 3. das Kondensat auch deshalb warm ist, ereil der
Druckunterschied zwischen Abdampfstutzen und Luftabsaugestutzen klein ist. Mit diesem
Druckunterschied wächst nämlich auch der Temperaturunterschied zwischen Abdampf-
und Kondensattemperatur. Dieser geringe Druckverlust ist aber wieder eine Folge
des geringen Strömwiderstandes des Kondensators, d. h. also des Zusammenwirkens
der einzelnen beschriebenen Maßnahmen.
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Eine Ausführungsform des neuen Kondensators ist in der Abbildung dargestellt.
Da aus dieser die Rohranordnung und. die Auffangrohre für das gebildete Kondensat
klar zu erkennen sind, so ist ein Eingehen auf Einzelheiten nicht erforderlich.