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Mit einem zwangsläufig bewegten Luftstrom gekühlter Oberflächenkondensator
Die Kondensation des Abdampfes für Großkraftmaschinen mit hohem Vakuum, insbesondere
Dampfturbinen, erfolgte bisher ausschließlich durch wassergekühlte Kondensatoren,
deren Kühlwasser. durch einen Kaminkühler zurückgekühlt werden muß, wenn nicht große
Frischwasserinengcil (z. B. Flußwasser) zur Verfügung stehen. Der Betrieb solcher
Anlagen bringt verschiedene Nachteile mit sich. Zunächst erfordern die bekannten
Kaminkühler einen großen Platzbedarf, der denjenigen der Maschinenanlage um ein
Vielfaches übersteigt. Da die Luft in der Umgebung der industriellen Kraftwerke
oder der Elektrizit-itswerke meist stark verunreinigt ist, gelangt der Staub in
das umlaufende Kühlwasser und setzt sich in den Kondensatorroteren all, wodurch
häufige, den Betrieb störende Reinigungen des Kondensators erforderlich sind. Auch
die in der Luft enthaltenen schädlichen Gase gelangen in das Kühlwasser und zerstören
in vielen Fällen die Kondensatorrohre. Die Folge sind Undichtigkeiten, durch die
nicht nur das Vakuum beeinträchtigt wird, sondern- auch eine Verunreinigung des
für die Kesselspeisung benutzten Turbinenkondensats durch das eindringende ungereinigte
Kondensatorkühlwasser stattfindet.
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Ein weiterer Nachteil besteht. darin,. daß der im allgemeinen aus
Holz bestehende Rieseleinbau des Kaminkühlers häufig erneuert werden muß, wodurch
lästige Betriebsstörungen entstehen. Im Winter bilden sich bei starkem Frost 1?ismassen
innerhalb des Kühlturmes, die dauernd entfernt werden müssen, iun den Betrieb aufrechtzuerhalten.
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Bei starkem Wind wird das im Kühlturm herunterrieselnde `Vasser fortgeweht
und belästigt die Umgebung. iUmliche Übelstände werden durch die aus dem
Kühlturm aufsteigenden Dampfsdiwaden verursacht, die zudem infolge ihrer weiten
Sichtbarkeit im Falle eines Krieges feindlichen Fliegern den Standort industrieller
Kraftwerke anzeigen.
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Der Hauptnachteil eines Kühlturmes bestellt in der Notwendigkeit,
daß das im aufsteigenden Luftstrom verdunstende Kühlwasser durch einen entsprechenden
Zusatz von Frischwasser ersetzt werden muß. Die Beschaffung dieser Zusatzwassermenge
ist mit erheblichen Kosten und zum Teil mit Schwierigkeiten verbunden. Hinzu kommt
noch, daß dieses Wasser in besonderen Wasserreinigungsanlagen enthärtet werden muß,
bevor es dem Kondensatorkühlwasser beigemischt werden kann.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, zur Niederschlagung des
Abdampfes der Turbine einen mit einem zwangsläufig bewegten trockenen Luftstrom
gekühlten Oberflächenkondensator zu schaffen, der den wassergekühlten Kondensator
mit dem Kaminkühler und den zugehörigen Nebenanlagen in Fortfall bringt.
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Mit einem trockenen, zwangsläufig bewegten Luftstrom beaufschlagte
- Oberflächenkondensatoren sind in der Technik, insbesondere
in
der Literatur, schon seit jahrehnten bekannt. Man hat auch früher in der Praxis
gelegentlich kleine Kolbendampfmaschinen mit einem Luftkondensator ausgerüstet,
bei welchem die nötige Luftströmung entweder, durch einen Schornstein oder durch
ein Schleuderrad erzeugt wurde. In manchen Fäl-
le n sollte hierbei auch ein
Vakuum erzeugt werden, doch handelt es sich bei diesen bekannten Vorschlägen um
unzulängliche Einrichtungen, die mir für kleine Maschinen und für sehr geringes
Vakuum in Frage kamen und in der Praxis kaum mehr angewendet werden.
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Die Verwendung von Luftkondensatoren hat sich lediglich in neuerer
Zeit für Lokomotiven durchgesetzt, und zwar verwendet man hier 1?lcmentc aus engen
elliptischen Rippenrohren, die in Reihen auf den beiden Seit; nwänden eines Tenders
angeordnet und durch Schraubenlüfter (Betz-Propeller) mit einem trockenen Luftstrom
beaufschlagt werden. Bei diesen Luftkondensatoren hat man auch schon versucht, ein
Vakuum zu erzielen; doch sind diese Versuche, bei welchen Kondensatorelemente von
verwickeltem z\ufbau benutzt wurden, gescheitert.
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Weiterhin ist eine: st<ition:ire Dampfkraftanlage bekanntgeworden,
der ein mit Luft und Sprühwasser beaufschlagter Vcrdunstungsoberflächenkondensator
zugeordnet wurde, derart, dal3 die erwähnte feuchte Luft zur B(-lieizun,; eitler
Gewächshausanlage ausgenutzt wurde. Hierbei wurde der Luftkondensator entweder im
Kraftwerk selbst oder in Form von Einzelluftkoiidens.tt(;ren in der Gewächshausanlage
selbst angeordnet. Die hierbei benutzten Kondensatoren bestanden aus elliptischen
Rippenrohren, die durch einen normalen Schleuderventilator mit Luft beaufschlagt
wurden. Es handelt sich bei diesem Vorschlag in erster Linie um Abwärmeverwertung,
bei welcher die Frage des zu erzielenden Vakuums mit Rücksicht auf die Abwärmeverwertung
von untergeordneter Bed@,-utung ist. Auch sind hierbei Anordnung und Bauart des
Oberflächenkondensators nicht so gewählt, daß sie für normale Dampfkraftanlagen
ohne Abwärmeverwertung in Betracht kommen könnten. Die bei diesen Vorschlägen vorgesehene
Beaufschlagung des Kondensators mit Sprühwasser ist im übrigen für die Zwecke der
Irrfindung ungeeignet, weil abgesehen von dem dadurch bedingten unzulässigen großen
Wasserverbrauch unter den bei der Erfindung obwaltenden Verhältnissen durch Versuche
festgestellt wurde, daß durch eins Beaufschlagung des Kondensators mit Sprühwasser
keine die Leistung des Kondensators steigernde Verdunstungswirkung erzielt wird,
sondern im Gegenteil die Wärmeübergangsverhältnisse beeinträchtigt werden. Jedenfalls
hat sich bislang die Luftkondensation des Abdampfes von Grof.)kraftdampfmaschineri
(insbesondere Turbinen), die mit hohem Vakuum arbeiten müssen, in der Praxis in
keinem Falle anwenden lassen, zumal meist eine Abwärmeverwertung in keinem oder
nur ganz geringem Umfange möglich ist. i@1 Man hielt tatsächlich die Aufgabe, die
Niederschlagung des Abdampfes bei Großkraftmaschinen durch einen Luftkondensator
durchzuführen, für wirtschaftlich nicht lösbar. Die Hauptscho-ierigkeit liegt in
dem bei solchen Anlagen notwendigen hohen Vakuum, z. B-92ob, bei welchem die Temperatur
des niederzuschlagenden Dampfes etwa .l i° C betragt. Wenn zur Niederschlagung von
Dampf von geringer Temperatur atmosphärische Luft, die im Sommer eine Temperatur
von 25°C= und mehr erreichen kann, benutzt werden s<,11, so steht nur cinc ganz,
-('ringe mittlere Tennperaturdiferenz zur Verfügung. was nach :\nsicht der Fachwelt
dazu führt, da(.', ein Luftkondensator so außerordentlich grof:#e Abinessungcn und
eine Beaufschlagung mit so riesenhaften Luftmengen erhalten mul3, elaß ein Vergleich
mit den bestehenden Kondensations-und Rückkühlanlagen wegen der völligen Unwirtschaftlichkeit
eines Luftkotidciis-#itoi-s nicht in Erwägung gezogen werden kann.
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Von der Erfindung wurde erkannt, elaß entgegen der Ansicht der Fachwelt
eine wirtschaftlich. Lösung der Erfindungsaufgabe gerade noch möglich ist, wenn
die Bauart der Wärineaustauschoberfäche und die Konstruktion und Betriebsweise der
Luftfördereinrichtungen dem Erfindungsproblem in besonderer Weise angepaßt werden.
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Die Lösung der Erfindung besteht darin, daß der Luftkondensator aus
Reihen von parallel im Luftstrom liegenden Rippenrohrwärmeaustauschelementen aus
parallel angeordneten elliptischen Rippenrohren engen Querschnitts gebildet wird
und daß diesen Reihen vorzugsweise in ihrer Drehzahl i-cgclbare Schraubenlüfter
großen Durchmessers zugeordnet sind, welche so bemessen sind, daß sie große Luftmengen
von einem sehr niedrigen Druck bis zu etwa 25 min \VS durch das Rohrsystem hindurchführen,
und daß die Elementreiben samt den Schraubenlüftern oberhalb einer großen, seitlich
offenen Ansaugekammer angeordnet sind. Die Einzelmerkmale dieser Lösung sind zum
Teil an sich, zum Teil auch bereits bei Luftkondensatoren bekannt. Rippenrohrwärmeaustauscher
aus parallel angeordneten elliptischen Rippenrohren engen Querschnitts sind bereits
für Luftkondensatoren von Lokomotiven vorgeschlagen worden, ferner als mit Luft
und Sprühwasser beaufschlagte Kondensatoren für stationäre Anlagen in Verbindung
mit einer Abwärmeverwertung.
Die Verwendung solcher elliptischer
Rippenrohre engen Querschnitts ist im Rahmen der Erfindungsaufgabe deshalb erforderlich,
weil diese die günstigste Form einer Wärmeaustauschoberfiäche darstellen, die gleichzeitig
einen geringen Widerstand mit sich bringt.
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Bei den erwähnten Luftkondensatoren für Lokomotiven ist auch bereits
die Verwendung von Schraubenlüftern vorgeschlagen, deren Luftförderung aber bei
höherem Druck als bei der Erfindung erfolgt. Nach der Feststellung der Erfindung
ist aber gerade die Arbeitsweise mit sehr geringen Drücken -(und zwar vorzugsweise
bis etwa r5 mm WS) unbedingt erforderlich, um die Erfindungsaufgabe in wirtschaftlicher
Weise lösen zu können. Nur auf diese Weise gelingt es, die durch die Bewegung der
ungeheuren Luftmengen bedingtenAnlage- und Betriebskosten denjenigen der hislierigen
Anlagen anzuleichen. Wie bedeutsam diese Frage der' Luftförderung für die Wirtschaftlichkeit
ist, geht daraus hervor, daß bei einer mit hohem Vakuum arbeitenden Turbine von
16 ooo kW eine Wärmemenge von etwa 40 Millionen WI:/Std. bei einer Außentemperatur
von 25'C durch den Luftkondensator abgeführt «-erden muß, wobei die zu licwcgende
Luftmenge 2000i-n-,/Sek. beträgt. Diese Luftmenge ist vielfach höher als diejenige,
die durch einen Kaminkühler für entsprechende Leistung infolge Auftrieb strömt.
Bei Verwendung von in ihrer Drehzahl regelbaren Schraubenlüftern, wie diese für
Kaminkühler bekannt sind, hat man die Möglichkeit, im Sommer bei hohen Außentemperaturen
und bei besonders hoher Belastung Bier Maschine die Drehzahl der Lüfter und damit
die geförderte Luftmenge zu steigern, während im Winter oder bei niedrigen Außentemperaturen
und Teillast die Drehzahl der Lüfter und damit der Kraftbedarf wesentlich verringert
werden kann. Auf diese Weise wird die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht.
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Durch das letzte Kombinationselement der Erfindung, nämlich die Anordnung
der Elemente und Schraubenlüfter oberhalb einer großen seitlichen Ansaugekammer,
wird die Geschwindigkeit der Luft vor den .Lüftern herabgesetzt und die ganze Arbeit
der Lüfter in den Luftkondensatorelementen selbst verbraucht, so daß die Schraubenlüfter
selbst nur gegen geringe Drücke zu arbeiten brauchen. Um eine Vorstellung von der
Größe der Ansaugekammer zu . geben, sei darauf verwiesen, daß bei dem vorstehend
erwähnten Beispiel (16 ooo kW-Turbine) die Höhe der Kammer etwa 6 m beträgt.
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Die Unterbringung der großen Wärmeaustauschoberflä.che des Luftkondensators
nach der Erfindung geschieht am zweckmäßigsten in der Weise, daß je zwei Reihen
der Ripp@enrohrelemente unter einem spitzen Winkel gegeneinander geneigt angeordnet
sind, so daß sie einen leeren Hohlraum von dem Profil eines etwa gleichseitigen
Dreiecks abdecken, über dessen Spitze die Dampfverbeilungsleitung liegt und an dessen
Basis die Schraubenlüfter angeordnet sind. Je nach der erforderlichen Leistung werden
dann eine oder mehrere solcher Gruppen nebeneinander angeordnet. Es ergibt sich
auf diese Weise ein Raumbedarf, der nur einen Bruchteil desjenigen des früher erforderlichen
Kaminkühlers beträgt, wobei die mit den bisherigen Anlagen verbundenen Übelstände
sämtlich in Fortfall kommen.
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Bei den erwähnten Luftkondensatoren für Lokomotiven ist es bereits
bekannt, die Pippenrohrelemente unter einem Winkel gegeneinander geneigt anzuordnen,
so daß sie einen dreieckigen Raum abdecken, dessen Basis die Schraubenlüfter bilden.
Im Gegensatz zu der Anordnung nach der Erfindung ist aber dieser dreieckige Kohlraum
nicht leer, sondern durch Dampfleitungen o. dgl. zum Teil versperrt. Außerdem bilden
die: Kondensatorelemente bei der bekannten' Anordnung einen verhältnismüßig stumpfen
Winkel. Die von der Erfindung gewählte spitzwinklige Anordnung hat aber den gerade
für den hier in Frage kommenden Zweck bedeutsamen Vorteil, daß die Eintrittsfläche
der Luft in die Kondensatörelemente gegenüber der Austrittsfläche der Lüfter wesentlich
vergrößert, beispielsweise verdoppelt wird, wodurch sich eine für den niedrigen
Druck zweckmäßige Verringerung der Luftgeschwindigkeit vor Eintritt in die hippenrohrelemente
ergibt. Tritt also die Luft mit einer Geschwindigkeit von S bis i o iit/Sk. aus
den Lüftern aus, so wird die Geschwindigkeit derselben vor Eintritt in die Kondensatoren
auf etwa q. bis 5 m;'Sek. herabgesetzt. Bei den bekannten Kondensatoranordnungen
für Lokomotiven ist diese Geschwindigkeitsherabsetzung wegen des von den Kondensatorelementen
gebildeten stumpfen Winkels verhältnismäßig gering.
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Die spitzwinklige Anordnung nach der Erfindung hat weiter den wichtigen
Vorteil der Verringerung der Grundfläche.
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Die von der Erfindung vorgesehene Regelung der Drehzahl der Schraubenlüfter
kann in bekannter Weise sowohl bei gemeinsamem oder gruppenweisem Antrieb sämtlicher
Lüfter als auch bei Einzelantrieb vorgesehen werden. Im letzteren Falle kann man
z. B. für den Antrieb Drehstrommotore verwenden, deren Drehzahl von einem zentralen
Punkte, z. B. Frequenzwandler, aus in Abhängigkeit von der Maschinenleistung oder
der Außentempe= ratur rezelbar ist. -
Die Antriebsmotore werden
zweckmäßig etwas überdimensioniert, so daß sie im Sommer bei hohen Außentemperaturen
und Volllast vorübergehend größere Luftmengen als im Normalbetrieb fördern können.
Auf diese Weise ist auch im Sommer ein hohes Vakuum erzielbar, Die durch die Mehrförderung
an Luft bedingte Erhöhung der Betriebskosten fällt nicht besonders ins Gewicht,
weil diese Mehrförderung nur stunden «,eise notwendig ist; andererseits arbeitet
dafür die Anlage bei Teillast und bei geringer Außentemperatur, insbesondere im
Winter, sehr günstig, weil der Kraftbedarf der Lüfter durch die dann benötigte-geringere
Luftmenge stark herabgesetzt werden kann. Dadurch kann der im Sommer vorübergehend
erforderliche erhöhte Kraftbedarf bei weitem ausgeglichen werden. Zu erwähnen ist
in diesem Zusammenhange, daß die Anlage nach der Erfindung bei geringer Außentemperatur
wesentlich günstiger arbeitet als ein wassergekühlter Kondensator mit Kaminkühler,
weil bei dem letzteren bei geringer Außentemperatur die durch Verdunstung hervorgerufene
Kühlwirkung starkverringert wird.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an dem Ausführungsbeispiel
eines Turbogenerators für i 6 ooo kW schematisch veranschaulicht.
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Fig. i ist ein Aufriß. Fig.2 ist ein Grundriß. Fig. 3 ist ein Seitenriß.
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Der Abdampf der den Stromerzeuger i antreibenden Turbine 2 gelangt
durch die Sammelleitung 3 zu den einzelnen Kondensatorelementen 4.. Diese bestehen
aus engen elliptischen Rippenrohren. Die kleinste Ellipsenachse der Rohre wird zweckmäßig
nicht griißer als i 5 mm gewählt.
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Die aus einer oder wenigen Rohrreihen bestehenden und daher eine geringe
Tiefe besitzenden Elemente 4 sind in der durch Fig.3 veranschaulichten Weise derart
unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. daß sie einen dreieckigen leeren
Hohlraum b abdecken, über dessen Spitze die Dampfverteilungsleitung 3 liegt, während
die Basis durch einen oder mehrere Schraubenlüfter 9 gebildet wird. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel erhalten die Schraubenlüfter einen Durchmesser von beispielsweise
3 bis 3,5 n1 und fördern (bei 36o Umdrehungen pro Minute) Luft gegen einen niedrigen
Druck von vorzugsweise bis etwa 15 mm Wassersäule.
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An die Einzelelemente sind die Leitungen 10 zur Abführung des
Kondensators und Luftleitungen i i angeschlossen. Die ganze Kondensationsanlage
ist in einem Anbau 12 des M ,aschinenhauses 13 untergebracht, und zwar so,
daß die Elemente . auf gleichem Flur wie der Turbogenerator liegen, während derRaum
14 unterhalb des Flurs als Luftansaugratim dient.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeder Lüfter durch
einen besonderen Elektromotor 15 angetrieben, der zweckmäßig; als gekapselter Drehstrommotor
ausgebildet ist. Sämtliche Motore werden von einem gemeinsamen Regler, und zwar
vorzugsweise einem Freduenzumformer, aus in Abhängigkeit von der Leistung der Maschine
bzw. der Außentemperatur oder von Vakuum gesteuert, um die Drehzahl und damit die
Luftförderung den verschiedenen Betriebsbedingungen selbsttätig anzupassen.
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Nachzutragen ist noch, daß selbstverständlich nichts im Wege steht,
den Wärmeinhalt der den Kondensator verlassenden Warmluft in geeigneter Weise nutzbar
zti verwerten, soweit dies die örtlichen und betrieblichen Verhältnisse zulassen.