DE7116666U - Wärmetauscher, insbesondere Speisewasservorwärmer - Google Patents

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Wärmetauscher, insbesondere Speisewasservorwärmer

Die Neuerung betrifft Wärmetauscher, bei denen ein Fluid durch eine größere Anzahl parallel geschalteter Rohre strömt, welche in zwei Rohrboden befestigt sind, während das zweite ^luid um die Rohre strömt, derartige Wärmetauscher werden auch häufig mit nur einer Rohrplatte ausgeführt und mit haarnadelförmig gebogenen Rohren versehen, durch welche das erste Fluid in zwei, vier oder mehr Durchflußwegen fließt. Derartige Wärmetauscher finden ir " kraftwerken als Vorwärmer für das Speisewasser von Kesseln bei Ij,- ^l gefeuerten Anlagen und als Vorwärmer für das Speisewasser von Druckwasser-Reaktoranlagen sowie als solche für Reaktor-Kühlwasser bei Siedewasser-Reaktoranlagen Verwendung.

Bei Kraftwerksblöcken großer Leistung, insbesondere bei den beiden letztgenannten Verwendungszwecken hat sich gezeigt, daß bei der bekannten Bauweise mit nur einem Rohrboden dieser mit der zugehörigen Wasserkammer ein sehr schweres, aufwendiges Bauteil bildet, da Rohrplattendurchmesser von mehr als zwei Metern bei beträchtlicher Wandstärke nicht selten sind. Derartige Materialanhäufungen sind deshalb besonders nachteilig, weil die beiden Extremtemperaturen des durch die Rohre strömenden Fluids am gleichen Bauteil, das heißt an Rohrplatte und Wasserkammer, in unmittelbarer Nachbarschaft wirken können. Da beim praktischen Kraftwerksbetrieb ein Turbinenschnellechluß nicht nur unvermeidlich ist, sondern als notwendige Sicherheitsmaßnahme planmäßig öfter geprobt wird, muß also mit einem plötzlichen Schließen der Dampfentnahmen der Turbine gerechnet werden, wodurch bei den nachgeschalteten Vorwärmern eine sehr rasche Temperaturabsenkung des durch die Rohre strömenden Fluids eintritt, die hundert Grad Celsius und mehr betragen kann. Da die Wasserkammern und Rohrplatten langsamer abkühlen als die relativ dünnwandigen Rohre, treten in den erstgenannten Bauteilen Warmespannungen auf, die die Betriebssicherheit der Kessel- oder Reaktoranlagen und der Turbinen entscheidend tangieren .

Es besteht nun die Möglichkeit, die Vorwärmeranlagen in zwei oder drei parallele Stränge aufzuteilen, um Rohrplatten- und Wasserkammer-

abmessungen zu verringern. Man macht davon auch weitgehend Gebrauch, jedoch wird man we^en des Kosten- und J- latzaufwandes kaum über drei Parallelstränge hinausgehen. Die vorgenannten Rohrplattenabmessungen beziehen sich jedoch bereits auf eine derartige Aufteilung.

Kb ist bekannt, anstatt zwei Vorwärmer parallel als Einzelappartite anzuordnen, diese mit einer zentralen, gemeinsamen Wasserkammer zusammenzufassen. Jedoch wird bei dieser Maßnahme das Hauptproblem, daß die beiden möglichen Extremtemperaturen des durch die Rohre strömenden Fluids in unmittelbarer Nachbarschaft nicht auftreten sollen, nicht gelöst, selbst wenn man erst eines der beiden Rohrsysteme, welches aus haarnadelförmig gebogenen Rohren gebildet wird, und darauf das zweite gleichartige System durchströmen läßt.

Es wäre nun denkbar, einen Vorwärmer mit zwei, an jedem Ende des Dampfmantels angeordnete/?. Rohrplatten und Wasser kammern vorzusehen und mit geraden Rohren auszurüsten. Läßt man einen derartigen Apparat als Vorwärmer mit nur einem Durchflußweg arbeiten, so hat er zwar ideale Temperaturbedingungen, jedoch ist seine Baulänge bei einer wirtschaftlichen Durchflußgeschwindigkeit so enorm, daß sich seine Einplanung und Anwendung verbietet. Die Baulänge läßt sich bei einem derartigen Apparat durch Erhöhung der Anzahl der Durchflußwege bei entsprechend wachsendem Durchmesser stufenweise verringern. Da die Wasserwege jedoch nacheinander vom ständig wärmer werdenden Fluid durchströmt werfen, ist eine derartige Anordnung bei den hier vorliegenden Temperaturen wegen der nicht möglichen Kompensation der Wärmedehnungen des Rohrsystems nicht betriebssicher.

Bei den genannten .Anwendungsfällen hat sich zudem noch eine weitere Schwierigkeit dadurch ergeben, daß der Entnahmedampf der Turbinen mit großem Nässe •-gehalt den Vorwärmern mit großer Geschwindigkeit zugeleitet wird und daß bei vielen Vorwärmerstufen nicht nur die Kondensatmengen der Stufen mit höheren Dampfdrücken, sondern auch noch die Entwässerungskondensate bestimmter Turbinenstufen, sowie die Kondensate von dampfbeheizten Zwischenüberhitzern und mechanischen Nässeabscheidern eingeleitet werden. Es ist möglich, derartige Kondensatmengen in besonderen Gefäßen zu entspannen und nur die Dampfphase in den Vorwärmer einzuleiten. Neben dem apparativen Aufwand entsteht dabei jedoch ein größerer Platzbedarf für diese Ent spanner und ihre Anschlußrohrleitur.gen, Tlieser Platzbedarf ist bei großen Kraftwerksblöcken sehr hinderlich, da im Turbinenbereich

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we^en der großen Kntnahrneleitunken ein Planun^sengpaß besteht. Sind nun, wie t.ei Anlagen mit Siedewasserreaktoren auch noch besondere Abschirmmaßnahmen notwendig, so wird ein zusätzlicher Platzaufwand recht kostspielig und ist nur schwer realisierbar.

grisrt man die HntePanner in die Vorwärmer, indem man den Dampfmantel entsprechend verlängert, so werden die Verhältnisse bezüglich des Platzbedarfes gebessert, jedoch müssen die großen Dampfvolumina von nur einer Richtung her dem Rohrsystem zugeführt werden und benötigen entsprechend große Strömungsquerschnitte innerhalb des Dampfmantels.

Schließlich hat es sich gezeigt, daß busonders bei den unteren Vorwärmerstufen von Siedewasser-Reaktoranlagen die erforderliche Wärmetauschfläche für die Unterkühlung des Kondensates etwa so groß oder sogar größer als die Vorwärmerfläche sein muß. Die Anordnung eines getrennten Kondensatkühlers ist jedoch mit größerem Platz- und Kostenaufwand verbunden, als die Verwendung eines Apparates, welcher beide Wärmetauächsysterne in sich vereinigt.

Bei den bekannten Bauarten macht die Gestaltung einer derartigen Kombination wegen der Aufteilung der Gesamtfläche des haarnadelförmigen Rohrsystems mit vier oder sechs Durchflußwegen erhebliche Schwierigkeiten, da man ohne besondere Maßnahmen nur Flächenanteile von z.P. einem Viertel oder einem Sechstel der Gesamtfläche abschotten, überfluten und auf diese Weise als eingebaute Kondensatkühlzone verwenden kann. Wenn man andere Flächenanteile benötigt, so muß man das optimale Gegenstromprinzip verlassen und einen Speisewasserteilstrom für die Kondensatkühlzone verwenden, wodurch thermodynamisch^ Nachteile mit entsprechend größerem Flächenaufwand unvermeidlich sind.

Es sind auch Konstruktionen bekannt, bei denen zur optimalen Bemessung einer Kühlzone der entsprechende Flächenanteil am unteren Teil des haarnadelförroigen Rohrsystems durch eine senkrechte Zwischenwand nebst einer entsprechenden Ummantelung eine genau bemessene Kühlzone im Gegenstrom zum Speisewasserfluß gebildet wirdenEine derartige Zwischenwand ist jedoch an der Außenseite der Rohre nicht völlig abzudichten. Daher wird durch die Spalte Dampf in die Kondensatkühl zone einströmen, dort kondensieren und neben dem dadurch bedingten ihermodynamischen Nachteil Kavitations- oder Erosionskorrosionsangriffe hervorrufen.

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Es ist eine Vorwärmerkonstruktion bekannt, welche zwei Rohrboden mit Wasserkammern besitzt, bei der sowohl das Rohrsystem wie auch der "Dampfmantel eine U-förmige Gestalt haben. ^!iei dieser Bauweise ist das Tempera türproblem bei zwei Strömungswegen durch die Rohre gelöst, auch ist der Einbau einer Kondensatkühlzone passender iröße in gewissen Grenzen auf einfache *ei?e mnelich* wenn m».n ungleich lan^e U-Schenkel vorsieht. Jedoch ist der Dampfmantel wegen seiner räumlich gekrümmten Flächen nur schwierig und teuer herzustellen und muß teilweise erst nach der Fertigstellung angeschweißt werden, wodurch Mehrkosten für Arbeite- und Prüfaufwand entstehen. Außerdem ist die U-fÖrmige Gestalt unvorteilhaft in Hinblick auf den Platzbedarf, weil der Raum zwischen den beiden Schenkeln des U-f*rmi,?en Dampf mantels ungenutzt bleibt.

Die geschilderten Nachteile vermeidet die Neuerung dadurch, daß an jedem Ende des Dampfmantels in an sich bekannter Weise je eir.t Rohrplatte und Wasserkammer angeordnet sind, wobei jedoch in jeder dieser Rohrplatten nur ein Teil des Rohrsystems in haarnadelförraiger Ausführung befestigt und ein anderer Teil treppenförnsig gestaltet in jeder der beiden Rohrplatten mit einem Ende befestigt ist.

Dadurch ist es möglich, erforderlichenfalls zt l .',^n den Enden der beiden haarnadelförmigen Rohrsysteme den notwendigen Platz freizulassen, um eine Nässeabscheidevorrichtung für den Turbinenentnahmedampf anzuordnen, außerdem oder auch stattdessen einen Ausdampfraum für die Einleitung von höher gespannten Kondensaten vorzusehen, ohne daß die zylindrische Form des Wärmetauschers dadurch nachteilig verändert wird. Weiterhin besteht dabei der Vorteil, daß die Zuführungsstutzen für Dampf und Kondensate etwa in der Mitte des Apparates angeordnet werden können, so daß dann jeweils nur etwa die halbe Dampfmenge nach ,jeder Seite strömt, wobei entsprechend kleinere Strömungsquerschnitte ausreichen. Weiterhin ist es möglich, je nach Bedarf, entweder den unteren Teil des treppenförmigen Rohrsystems oder eines der haarnadelförmigen Rohrsysteme als Kondensatkühl zone im Gegenstrom zu verwenden. Da die Einzellängen der Rohrsysteme bzw. ihrer Teile in gewissen Grenzen frei wählbar sind, ist es bei Wärmetauschern nach der Neuerung möglich, den jeweils erforderlichen ilächenteil der Kondensatkühlzone genau zu bemessen. Dabei sind Zwischenwände mit ihren bekannten Nachteilen nicht erforderlich.

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Es ist möglich, Wärmetauscher nach der Neuerung mit einer geraden oder einer ungeraden Zahl von opeisewasserwegen durch die Röhrt auszurüsten. Im letztgenannten Fall tritt dabei unmittelbar die gewünschte Wirkui.g ein, daß die Extremtemperaturen dea durch die Rohre strönenden Fluids nicht in unmittelbarer Nachbarschaft an einer der beiden Rohrplatten auftreten können. Hoi einer geraden Zahl von Speisewasserwegen ist es nach der Neuerung zweckmäßige einen dieser Durr.hflußwege durch eine oder mehrere interne oder externe Speisewasserleitungen zwischen den beiden Rohrplatten zu bilden. Dabei bleibt die freie Dehnfähigkeit aller druckführenden Bauteile erhalten, beide Speisewasserstutzen sind an einer der beiden Wasserkammern angeordnet un·'" es ist gemäß der feuerung dabei möglich, durch geeignete Leitungsführung zu erreichen, daß in dieser Wasserkammer die Extremtemperaturen nicht nebeneinander auftreten.

Wärmetauscher nach der Neuerung können schließlich auch so gestaltet werden, daß zwei, nur um den Bruchteil einer Atmosphäre sich unterschei dende Drücke in einem Apparat verwendet werden. Dabei werden die Räume verschiedenen Druckes durch eine senkrechte Trennwand abgeteilt, wobei der Druckausgleich durch unterschiedliche Stauhöhe des Kondensates an jeder Seite der Trennwand erfolgt, die an ihrer Unterseite eine Öffnung zum Überströmen des Kondensates besitzt. Dabei ist es zweckmäßig, den Kondensatanstau als Kühlzone auszunutzen.

.Bei Wärmetauschern nach der Neuerung werden durch die Verwendung von je zwei Rohrplatten und Wasserkammern deren Abmessungen und da--nit die Materialanhäufungen gegenüber Apparaten mit nur einer Rohrplatte und Wasserkammer entscheidend verringert, sodaß diese neuen Wärmetauscher auch bei plötzlichen Temperaturänderungen eine ausreichende Wärmeelastizität besitzen. So unterliegt z.B. jede Rohrplatte bei einem Wärmetauscher nach der Neuerung, wenn er mit drei Speisewasserwegen ausgerüstet ist, jeweils nur dem halben Temperaturintervall der gesamten Aufwärmung, wobei jede '!er Rohrplatten und Wasserkammern etwa nur den 0,7-fachen Durchmesser und die 0,''-fache Wandstärke, d.h. nur die halbe Massenanhäufung einer vergleichbaren Konstruktion mit nur einer Rohrplatte und Wasserkammer besitzt. Somit sind die auftretenden Spannungen bei einer Temperaturänderung bei Wärmetauschern nach der Neuenung nur etwa ein Viertel so groß, wie bei solchen der bekannten Bauweise mit nur einer Rohrplatte und Wasserkammer.

Die feuerung ist an drei '-ei spielen näher erläutert. Dabei sind in den Fig. 1 bis 6 und 8 Schnitte durch Wärmetauscher in teilweise vereinfachter, schematischer Art gezeigt.

In Fig. 1 ist der Längsschnitt durch einen Vorwärme* gezeichnet, von dem in Fig. 2 der Schnitt II-II und in Fig. 3 der Schnitt III-III dargestellt sind, wobei gleiche Teile gleiche Bezu^szeichen erhalten haben. Die wärmetauschenden Rohre sind in allen figuren der Übersichtlichkeit halber als einfache Linien gezeichnet.

Der Dampfmantel 1 in Fig. 1 ist an seinen Enden durch die Rohrplatten 2 und 3 verschlossen, an die sich die Wasserkammern 4 und 5 mit den Deckeln 6 und 7 anschließen. Die Wasserkammern 4 und 5 besitzen Innenrippen 8 und 9» In die Wasserkammer 4 tritt durch den Stutzen 10 in Pfeilrichtung das Speisewasser ein und fließt durch die haarnadelförmig gebogenen Rohre 11 wiederum in diese Wasserkammer zurück. Dann gelangt es durch die treppenförmig gestalteten Rohre 12 zur Wasserkammer 5 und ^von dort durch die haarnadelförmig gebogenen Rohre 13 schließlich zum Austrittsstutzen 141 den es in Pfeilrichtung verläßt.

Der Turbinenentnahmedampf strömt in Pfeilrichtung durch den Stutzen 15 in den Mantelraum des Vorwärmers und gelangt in eine Trockenvorrichtung 16. Der Damuf kondensiert an den Rohren 12 und 13· Die abgeschiedene Nässe gelangt durch die Öffnung 17 in der Dampftrockeneinrichtung 16 in den Hotwell 18, in welchem sich auch das Heizdampfkondensat sammelt. Diese Kondensate strömen durch die Leitung 19 außen um die Rohre des Rohrsystems 11, welches durch die Trennwände unterteilt und gegen den Dampfraum abgeschottet ist. Das gekühlte Kondensat verläßt den Vorwärmer durch den Stutzen 21 in Richtung des Pfeils.

Die hier geschilderte Bauweise eines Vorwärmers nach der Neuerung gestattet den Einbau einer großen KondBnsatkühlzone 11 in Gegenstromanordnung. Sein Dampfmantel 1 muß jedoch geteilt mit den Rohrplatten 2 und 3 nach Fertigstellung der Rohrsysteme 11, 12 und 13 verbunden werden. Daher eignet sich dieses Konzept besonders für Vorwärmer mit nie'.rigen Dampfdrücken und großen Heizflächen.

Um die Rohre 12 in einfacher Weise entsprechend den kreisabschnittförraigen Anschlußflächen an den Rohrboden 2, 3 anschließen zu können, sind einzelne Rohre an den ^ie.^un^en 22 in eine entsprechende andere Ebene verlegt worden.

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In Fig. 4 ist ein Vorwärmer ebenfalls im Längsschnitt dargestellt, der für hohe Dampfdrücke besonders geeignet ist. In Fig. 5 ist der Schnitt V-V, in Fig. 6 der Schnitt VI-VI gezeigt. Der Dampfmantel ist mit der Rohrplatte 32 dipekt, mit der etwas kleineren Rohrplatte 33 jedoch über einen Zwischenring 5¹ verbunden.

Das Speisewasser gelangt durch den Stutzen 34 in Pfeilrichtung in den Raum 35 der Wasserkammer und fließt durch die treppenförmigen Rohre 36 in den Raum 37 der anderen Wasserkammer. Von dort aus gelangt es nach Passieren der haarnadelförmigen Rohre 38 in den Raum der Wasserkammer zurück und fließt nunmehr durch die beiden Leitungen 40 mit den Krümmern 41 in den Raum 43 der Wasserkammer. Anschließend wird das System aus den haarnadelförmigen Rohren 4£ durch?trömt, worauf das Speisewasser schließlich durch den Stutzen 44 in Pfeilrichtung den Vorwärmer verläßt.

Der Dampf tritt durch den Stutzen 45 in Pfeilrichtung in den Vorwärmer ein. Ein Stutzen 46 ist für den Eintritt von höher gespannten Kondensaten vorgesehen. Das gesamte Kondensat sammilt sich im unteren Teil des Apparates, fließt dann um ein..: Teil des Rohrsystems 36, welcher die Kondensatkühlzone tildet und durch eine Trennwand 50 abgeteilt ist, zum Austrittsstutzen 47·

Die Wasserkammern sind durch die Deckel 48 und 49 zugänglich. Der Wasserspiegel des Kondensates wird in der Höhe 52 geregelt. Wesentlich ist es, daß die Eintritts- und Austrittsstutzen des Speisewassers 34 und 44 nicht an unmittelbar benachbarten Räumen der Wasserkammer angeschlossen sind. Da der Raum 43 dazwischen angeordnet ist, wird bei einer plötzlichen Temperaturänderung das Wärmegefälle aufgeteilt, so daß unzulässig hohe Wärmespannungen an der Rohrplatte 32 und den angeschlossenen Bauteilen nicht auftreten können.

Die Herstellung eines derartigen Wärmetauschers kann so erfolgen, daß das gesamte Rohrsystem 36, 38, 42 mit den Rohrplatten 32, 33» den beiden Wasserkammern und mit der Trennwand 50 fertiggestellt und geprüft wird. Danach wird der Mantel 31 übergeschoben und an den Rohrplatten 52 bzw. 33, *n letzterer mit Hilfe des Zwischenringes 5'Ii befestigt.

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- θ, r

In Pig. 7 ist das Schaltschema einer zweistufigen Speisewasservorwärmung mit zwei verschiedenen Dampfdrücken gezeigt. Das Speisewasser tritt, bei 61 in die Kondensatkühlfläche 62 ein, fließt dann in die Vorwärmerheiafläche 63» die von dem Dampfdruck 68 beaufschlagt wird, gelangt anschließend in die Kondensatkiihlflache und von dort in die VorwKrmerheizflache 65» die vom Dampfdruck 67, der etwas höher als der Dampfdruck 68 ist, beheizt wird. Schließlich verläßt das Speisewasser die Vorwärmstrecke in Ffeilrichtung

Die Kondensate des Dampfdruckes 67 fließen der Kondensatkühlflache zu und von dort über die Verbindung 69 in den Da^^fraum an der Außenseite der Vorwärraerheizflache 65» an welchem aer Dampfdruck auftritt. Dabei dampft ein Teil des zuströmenden Kondensates durch Entspannung aus, wonach sich diese Teildampfmenge zusammen mit dem Dampf vom Drucke 68 an der Außenseite der Vorwärmerheizfläche 63 niederschlägt. Die gesamten Kondensate gelangen nun an die Außenseite der Rohre der Kondensatkühlfläche 62, werden dort abgekühlt und treten in Pfeilrichtung 70 aus dem Vorwärmer aus.

In Fig. θ ist schematisch ein Vorwärmer nach der Äeuerung dargestellt, der die Funktion der Vorwärmerstrecke nach der Fig. 7 erfüllt. Die parallel geschalteten wärmetauschenden Rohre sind dabei als eine einzige Linie gezeichnet. In Fig. 8 wurden gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 7 verwendet. i)er Druckunterschied der beiden Dampfdrücke 67 und 68 ist durch den Höhenunter .hied der beiden Kondensatstände T\ und 72 gekennzeichnet, wenn man von Druckverlusten durch die Strömung absieht. Das Kondensatniveau 72 kann so geregelt werden, daß die an der Vorwärmerheizfläche 65 nsit dem höheren Dampfdruck 67 sich bildenden Kondensatmengen durch die Öffnung 69 der Trennwand 73 hindurchtreten. Es ist nach der Neuerung auch möglich, neben oder an Stelle der Öffnung 69 in der Trennwand 73 eine besondere Wasserschleife 74 zu verwenden, wodurch bei schwankenden Turbinenlasten verhindert wird, daß da» Kondensatniveau unter die Öffnung 69 der Trennwand 73 absinkt oder daß das Kondensatniveau 72 höher als erwünscht eingeregelt werden muß.

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Claims (7)

Schutzansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere Speisewasservorwärmer von Dampfkraftwerken, mit einer größeren Zahl parallel geschalteter Rohre innerhalb eines geraden, zylindrischen Mantels, welcher an jedem Ende durch einen Rohrboden abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der wärmetauschenden Rohre (11, 13» 33, 42, 62, 65) in je einem der beiden Rohrboden (2, 3» 32, 33» 75» 76; befestigt und haarnadelförmig gestaltet und ein weiterer Teil der wärmetauschenden Rohre (12, 36, 64) tijpoenförmig ausgebildet und in jedem der beiden Rohrboden ( 2 und. 3» 32 und 33» 75 und 76) mit je einem Ende befestigt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Rohrsystems (11, 36, 64) vom Kondensat überflutet ist.

3· Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rohren (12 und I3) eine Vorrichtung (16) zum Trocknen

des Dampfes angeordnet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rohren (36 und 42) ein Ausdampfraum mit einem Eintrittsstutzen (46) für höhergespanntes Kondensat vorhanden ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekeni jichnet, daß der eine Rohrboden (32) etwas größer im Durchmesser als der andere Rohrboden (33) ausgeführt ist und an letzterem der Dampfmantel (31) mit Hilfe eines Zwischenringes (51) angeschlossen wird.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er für verschiedene Dampfdrücke (67 und 68) im Mantelraum und verschieden hohe Kondensatspiegel (71 und 72) beiderseits einer Trennwand (73) vorgesehen ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchtrittsöffnung (69) in der Trennwand (73) für den Durchfluss des Kondensates höheren Druckes (67) in den Raum niederen Druckes (68) vorgesehen ist.

Θ. Wärmetauscher nach Ansprucn 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserschleife (76) für den Übertritt de3 Kondensates höheren Druckes (67) in den Raum niederen Druc .es (68) vorgesehen ist.