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Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Lufteinbrüchen bei unter
atmosphärischem Unterdruck stehenden Luftkondensationsanlagen Bei Kondensationsanlagen,
die der Kondensation des Abdampfes von Großkraftmaschinen, insbesondere von Dampfturbinen,
unter hohem Vakuum dienen, ist die Aufrechterhaltung des Vakuums eine Voraussetzung
für die Wirtschaftlichkeit und den störungsfreien Ablauf des Betriebes.
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Da in jeder Dampfkraftanlage infolge nicht vollständig entgasten Kesselspeisewassers
sowie infolge nicht vermeidbarer kleiner Undichtigkeiten, z. B. in den Vakuumstufen
der Turbine, eine geringe Luftmenge im Abdampf enthalten ist, die das Vakuum im
Kondensator verschlechtert, ist es erforderlich, diese Luftmenge während des Betriebes
kontinuierlich abzuführen. Abgesehen davon, daß bereits geringe Luftmengen im Abdampf
das Vakuum im Kondensator verringern, werden hierdurch auch die Wärmeübergangsverhältnisse
im Kondensator erheblich verschlechtert, da entsprechend dem Partialdruck des Dampfes
im Dampf-Luft-Gemisch eine Unterkühlung zur Erzielung des geforderten Vakuums erfolgen
muß. Zur Abführung der Luftmenge sind bei solchen Kondensationsanlagen, die mit
Vakuum im Kondensator arbeiten, daher Vakuumpumpen vorgesehen, die vorwiegend als
Dampfstrahlpumpen ausgebildet sind. Diese Pumpen sind im allgemeinen so ausgelegt,
daß sie die bei normalem Betrieb unvermeidbar anfallende Luftmenge; die bei Anlagen
mit hohem Vakuum größenordnungsmäßig bis etwa o,i°/o der Abdampfmenge beträgt, abführen
kann. Treten während des Betriebes aus unvorhergesehenen Gründen zusätzliche Undichtigkeiten
bzw. plötzliche Lufteinbrüche auf, so ist die Luftpumpe im allgemeinen nicht in
der Lage,
die sich plötzliche vergrößernde Luftmenge zu bewältigen,
so daß Störungen des Betriebes unvermeidlich sind.
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Bei Luftkondensationsanlagen, bei welchen der Abdampf in Rippenrohrelementen
mittels außen vorbeiströmender Luftniedergeschlagen und das anfallende Kondensat
abgeführt wird und bei welchen zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Anlage die
im Dampf enthaltene Luft aus den Kondensationßelementen durch eine Pumpe abgesaugt
wird, ist nach Ansicht von Fachleuten die Gefahr von Lufteinbrüchen mit der unangenehmen
Folge, längerer Betriebsunterbrechung deshalb besonders groß, weil der Luftkondensator
größere Kühlflächen als ein z. B. wassergekühlter Kondensator erfordert und größere
Räume unter Vakuum stehen. Demgegenüber liegt andererseits gerade bei Luftkondensatoren
ein bisher nicht oder nicht befriedigend gelöstes Problem darin, Undichtigkeiten
bzw. Lufteinbrüche schnell und sicher festzustellen. Eine weitere Schwierigkeit
besteht darin, bei solchen Luftkondensationsanlagen undichte Stellen überhaupt festzustellen,
da es im Gegensatz zu den wassergekühlten Kondensatoren aus konstruktiven Gründen
im allgemeinen nicht möglich ist, die gesamte Anlage mit Wasser abzudrücken.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein einfaches Verfahren
zu finden, um Lufteinbrüche bei Luftkondensationsanlagen, die unter atmosphärischem
Unterdruck stehen, schnell und sicher zu ermitteln und dadurch die Voraussetzung
für ein Auffinden der Undichtigkeitsstelle während des Betriebes zu schaffen. .
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß
die Zustandsgrößen von mindestens einem Teil des in den Kondensationselementen anfallenden
Dampf-Luft-Gemisches während des Betriebes an zwei durch eine zwischengeschaltete
Kühlung voneinander getrennten Stellen gemessen werden, gleichzeitig die Menge des
bei der Unterkühlung je Zeiteinheit anfallenden Kondensats-ermittelt wird und mit
Hilfe dieser Meßgrößen der im Dampf-Luft-Gemisch enthaltene spezifische Luftanteil
nach der aus dem Daltonschen Gesetz abzuleitenden Beziehung
bestimmt wird. -Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es nach dem Daltonschen
Gesetz zwar an sich möglich ist, die im Dampf enthaltene Luftmenge durch Bestimmung
der Partialdrücke im Dampf-Luft=Gemisch mittels Druck und Temperaturmessungen zu
ermitteln, indem der Feuchtigkeitsgehalt x in kg Wasserdampf je kg trockener Luftbestimmt
wird, dessen Xehiwert-
dem Luftanteil im Verhältnis zum Dampfgehalt entspricht, daß es bei den äußerst
geringen zulässigen Luftmengen im Dampf-Luft-Gemisch am Eintritt in den Kondensator
.jedoch nicht möglich ist, die Temperaturdifferenz zwischen Sättigungstemperatur
bei dem Gesamtdruck und der Sättigungstemperatur. bei dem Paxtialdruck des Wasserdampfes
mit praktisch in Frage kommenden Meßinstrumenten zu bestimmen. Am Austritt aus den
Kondensatorelementen ist das verbleibende, nicht kondensierte Dampf-Luft-Gemisch
infolge des. inzwischen ausgeschiedenen Kondensats prozentual bereits wesentlich
stärker mit Luft angereichert, wobei eine entsprechende Unterkühlung des Kondensats
zwangläufig eintritt. Einer Unterkühlung des Dampf-Luft-Gemisches um beispielsweise
_° C bei einem Kondensatorgesamtdruck von o,o7 ata entspricht bereits ein Luftgehalt
von i kg trockener Luft auf etwa ii,i kg Dampf in dem verbleibenden Dampf-Luft-Gemisch.
Die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes x ist an dieser Stelle (Kondensatoraustritt)
also an sich schon mit hinreichender Genauigkeit möglich. Da jedoch die dort noch
vorhandene Dampf- oder Gesamtmenge nicht bekannt ist, ist der ermittelte Zahlenwert
für x allein für die Bestimmung des Luftanteils nicht brauchbar. -Demgegenüber hat
die Erfindung erkannt, daß eine Ermittlung des spezifischen Luftanteils mit überraschender
.Genauigkeit und unter Verwendung verhältnismäßig einfacher Mittel dadurch möglich
ist, daß die Messungen der Zustandsgrößen am Eintritt und gleichzeitig :am Austritt
einer Meßvorrichtung vorgenommen werden, die aus einem Kühlelement für z. B.- einen
vorbestimmten Teilstrom des Dampf-Luft-Gemisches besteht und welcher ein Kondensatmengen=
messer für die in dem Kühlelement abgeschiedene Kondensatmenge nachgeschaltet ist.
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Die Auswertung der Messungen zur Ermittlung des Luftanteils erfolgt.
auf Grund nachstehender Gleichungen: Da das Dampf-Luft-Gemisch in ausreichender
Annäherung als ideales Gas betrachtet werden kann, gilt hierfür die bekannte Zustandsgleichung
(Zeichenerklärung siehe unten) P-V=G-Rm-T. (i) Nach dem Daltonschen Gesetz gilt
PD--V=GD-RD-T, (i a) Pf, -V=Gz-Rz-T (ib) und PD -f- Pz = P. (a) Daraus folgt
Bezeichnet x den Wasserdampfgehalt in kg des gesättigten Dampf-Luft-Gemisches, bezogen
auf i kg trockener Luft, also
so folgt aus (i a) und (i b)
Bezeichnet im folgenden Index i den Zustand am Eintritt,
Index 2
den Zustand am Austritt des Nachkühlers, so lassen sich Pl und P2 unmittelbar durch
Messung, PD1 und PD2 durch Messung der entsprechenden Temperaturen unter Hinzuziehung
der Dampftafel ermitteln. Damit sind x, und x2 bekannt.
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Da das Luftgewicht GL unverändert bleibt, ergibt sich nach Gleichung
(5)
wobei GDl-GD2 = K
das Gewicht der je Zeiteinheit im Nachkühler abgeschiedenen.
Kondensatmenge ist.
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Da K unmittelbar gemessen wird, ergibt sich die gesuchte Luftmenge
je Zeiteinheit zu
Die Auswertung der Gleichung (7) erfolgt zweckmäßig unter Zuhilfenahme eines Nomogramms
bzw. einer Kurventafel, so daß die Bestimmung des Luftanteils unter Vermeidung umständlicher
Rechnungen möglich ist.
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Zeichenerklärung: P = Gesamtdruck des Dampf-Luft-Gemisches, PD = Partialdruck
des Dampfanteils, PL = Partialdruck des Luftanteils, V = Volumen des Dampf-Luft-Gemisches,
G = Gesamtgewicht des Dampf-Luft-Gemisches, GD = Gewicht des Dampfanteils, G, =
Gewicht des Luftanteils, RD = Gaskonstante des Wasserdampfes, RL = Gaskonstante
der Luft, RH =Gaskonstante des Gemisches, x = Wasserdampfgehalt, bezögen auf trockene
Luft, K = im Nachkühler ausgeschiedene Kondensatmenge, Index i = Meßebene vor dem
Nachkühler, Index 2 Meßebene hinter dem Nachkühler.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird zweckmäßig eine solche Schaltung
der Anlage vorgesehen, bei welcher das in den Kondensationselementen anfallende
Kondensat und Dampf-Luft-Gemisch über eine gemeinsame Leitung in einem der Trennung
von Kondensat und Dampf-Luft-Gemisch dienenden Abscheidebehälter geleitet wird,
von welchem das Dampf-Luft-Gemisch mittels einer an der unteren Sammelkammer eines
Nachkühlers angeschlossenen Vakuumpumpe durch den Nachkühler abgesaugt wird, während
das im A.bscheider und in der dem Kühler nachgeschalteten geeichten Mengenmeßvorrichtung
anfallende Kondensat der Hauptkondensatleitung zugeführt wird. Die aus dem Kühler
mit den am Eintritt und Austritt vorgesehenen Meßstellen und dem nachgeschalteten
geeichten Meßbehälter bestehende Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist .hierbei
in die Leitung zwischen. Abscheidegefäß und Vakuumpumpe eingeschaltet.
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Um das Auffinden der Undichtigkeitsstellen nach Feststellung eines
Lufteinbruches zu erleichtern, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen,
die gesamte Kondensationsfläche in zwei oder mehrere unabhängig zu- bzw. abschaltbare
Gruppen von Rippenrohrelementen zu unterteilen und jeder Gruppe- eine eigene Meßvorrichtung
zuzuordnen. Durch diese Unterteilung der Kondensationsanlage ist es möglich, jede
Gruppe während des Betriebes hinsichtlich der Dichtigkeit zu überprüfen. Stellt
sich bei der laufenden Überprüfung heraus, daß eine der Gruppen undicht ist, so
kann diese Gruppe innerhalb einer kurzzeitigen Betriebspause mittels geeigneter
Absperrvorrichtungen, und zwar zweckmäßig durch in die Leitungen einschaltbare Blindflansche
abgeschaltet werden.
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Die Ausbildung der Kondensationselemente kann an sich beliebig sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Kondensationselemente aus
jeweils zwei zueinander dachförmig angeordneten Rippenrohrreihen gebildet sind,
welche im Scheitel des Daches über Sammelkammern an die Dampfzweigleitungen angeschlossen
sind und deren untere Sammelkammern mit der 1Zondensat-Luft-Zweigleitung verbunden
sind. An der Basisseite der in Form eines aufrecht stehenden gleichschenkligen Dreiecks
angeordneten Rippenrohrelemente ist hierbei zweckmäßig für mehrere, z. B. vier Elemente
ein gemeinsamer Ventilator vorgesehen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigt Fig. i den Schaltplan einer Luftkondensationsanlage, F ib. 2 eine Luftkondensationsanlage
im Aufriß, Fig.3 einen Grundriß der Kondensationsanlage nach der Linie III-III der
Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab
und Fig. 5 das Schema und die Anordnung der Meßvorrichtung.
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Gemäß Fig. i strömt der vom in der Zeichnung nicht dargestellten Dampferzeuger
kommende Frischdampf über die Frischdampfleitung i der Turbine 2 zu. Der unter Vakuum
stehende Turbinenabdampf gelangt dann über die Hauptdampfleitung 3 und die Verzweigungsleitungen
3a, 3' zu den in Gruppen aufgeteilten Kondensationselementen 4. - Diese aus
je einer Dampfverteilungskammer 46, einem aus Rippenrohren gebildeten Rohrbündel
und einer Kondensatsammelkammer 4b bestehenden Elemente 4 werden auf der Innenseite
mit dem kondensierenden Vakuumdampf und auf der Außenseite im Querstrom zu den Rohren
mittels der Ventilatoren 5 mit Luft beaufschlagt.
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Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die Kondensationselemente 4 aus jeweils
zwei zueinander dachförmig angeordneten Rippenrohrreihen gebildet, welche im Scheitel
des Daches über die Sammelkammern .4a an die Dampfzweigleitung angeschlossen sind,
wobei die unteren Sammelkammern 4b'mit der Kondensat-Luft-Zweigleitung 6 verbunden
sind. An der Basisseite der in Form eines aufrecht stehenden gleichschenkligen Dreiecks
angeordneten Rippenrohrelemente 4 ist (vgl. Fig.3) für jeweils vier Elemente ein
gemeinsamer Ventilator 5 vorgesehen.
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Das Kondensat wird zusammen mit dem Rest-Dampf-Luft-Gemisch in den
Kondensatkammern 4b gesammelt und über die gemeinsame Kondensat-Luft-Leitung 6 einem
Abscheidungsgefäß 7 zugeführt, in
welchem die Trennung zwischen
Kondensat und Dampf-Luft-Gemisch erfolgt. Während das Kondensat über die Kondensathauptleitung
17 durch die Kondensatpumpe i8 in den in der Zeichnung nicht' dargestellten Speisewasservorwärmer
zurückgeführt wird, gelangt das Dampf-Luft-Gemisch über die Leitung 8 in den nachgeschaltetenKühler
9, der im vörliegenden Falle ähnlich ausgebildet ist wie die Kondensationselemente
4.
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Im Nachkühler 9 findet eine Unterkühlung .des Dampf-Luft-Gemisches
um- etwa 8 bis iö° C untergleichzeitiger Abscheidung vom Restkondensat statt. Diese
im Nachkühler abgeschiedene Restkondensatmenge durchfließt den mit einem Wasserstandsanzeiger
ioa versehenen Meßbehälter io und gelangt über das während des Betriebes geöffnete,
nur . zur Messung geschlossene,Ventil ii durch. die Leitung 12 in das Abscheidegefäß
7 zurück.
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Die unterkühlte Luft mit einem geringen Restgehalt an Wasserdampf
wird über die Leitung 13 über die Vakuumpumpe 14, die beispielsweise durch Frischdampf
von der Leitung ia angetrieben werden kann, abgesaugt und ins Freie befördert.
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Um die einzelnen Gruppen . der Kondensationselemente 4 zur Durchführung
einer Vakuumprobe abschalten zu können, sind am Eintritt in die Dampfverteilungsleitungen
3a, 3b und am Ende der entsprechenden Kondensat-Luft-Leitungen Abschaltvorrichtungen
15 und 16 vorgesehen, die in Form einer Flanschstelle ausgebildet sind, in
die während des Betriebes Ringplatten und bei Abschaltung den Leitungsquerschnitt
abdeckende Blindflanschplatten eingeschaltet werden.
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Gemäß Fig. 5 besteht die Meßvorrichtung aus dein Nachkühler 9, den
Druck= und Temperaturmeßstellen oberhalb des Eintritts der Leitung 8 in die obere
Sammelkammer 9a des Kühlelementes und am Austritt der Leitung einer unteren Sammelkammer
9b sowie dem nachgeschalteten Meßbehälter io. Der Zustand des in die obere Sammelkammer
911 der Leitung 8 eintretenden, leicht unterkühlten Dampf-Luft-Gemisches wird durch
die Meßgrößen Gesamtdruck P1 und Temperatur t1 am Eintritt und der Zustand des austretenden,
wesentlich stärker unterkühlten Dampf-Luft-Gemisches durch die entsprechenden Meßgrößen
P2 und t2 am Austritt bestimmt. Die Messung der im Nachkühler abgeschiedenen Kondensatmenge
wird im Meßbehälter xo mittels Markierungen am Wasserstandsanzeiger ioa unter Abschluß
des Absperrventils ix während der Messung vorgenommen.
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Nach Bestimmung der fünf Ausgangsgrößen P1, t1, PZ, t2 und K (Kondensatmenge)
ist die Ermittlung des Luftgewichtes GL nach der Gleichung
möglich, nachdem die Größen x1 und x2 an Hand der Messungsergebnisse P1, t1 und
P., t2 unter Benutzung der Dampftafel ermittelt worden sind: Um die Ermittlung zu
vereinfachen, wird zur Bestimmung .der im Dampf-Luft-Gemisch je Zeiteinheit enthaltenen
Luftmenge ein Nomogramm verwendet, aus welchem die Luftmenge unter Zugrundelegung
der gemessenen Größen unmittelbar abgelesen werden kann.