DD289121A5 - Verfahren zur erzeugung von fernwaerme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Fernwaerme und findet Anwendung in Waermeerzeugungs- und Abnehmeranlagen mit dem Waermetraeger Wasser und dem Heizmedium Dampf zur Fernwaermeversorgung im Primaer- und Sekundaerbereich. Als Loesung wird vorgeschlagen, dasz der ankommende Dampf vor dem Durchstroemen der Bohrungen im Stroemungsmischvorwaermer, die einen Durchmesser von 4 mm aufweisen, durch einen Druckregler auf einen konstanten Druck reduziert wird, der um 2 bis 5 m WS groeszer ist als der Druck im Wasserkreislauf. Dabei wird der Druck in den Bohrungen gleich oder kleiner als der Druck im Wasserkreislauf gehalten. Der Leistungsregler veraendert mit Verringerung der Durchsatzmenge das Verhaeltnis des Druckes im Wasserkreislauf zum Dampfdruck und dadurch stellt sich die Hoehe des Wasserstandes im Dampfraum des Stroemungsmischvorwaermers entsprechend ein, und es werden weniger Bohrungen fuer den Dampfdurchsatz freigegeben. Durch die erfindungsgemaesze Verfahrensweise wird der Schalleistungspegel um etwa 25% gesenkt.{Verfahren; Fernwaermeerzeugung; Wasser; Dampf; Druck im Wasserkreislauf; Dampfdruck; Bohrungen; Stroemungsmischvorwaermer; Schalleistungspegel}

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Fernwärme und findet Anwendung in Wärmeerzeugungs- und Abnehmeranlagen mit dem Wärmeträger Wasser und dem Heizmedium Dampf zur Fernwärmeversorgung im Primär- und Sekundärbereich.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits mehrere Verfahren zur Erzeugung von Fernwärme durch die Wärmeübertragung von Dampf in Wasser durch Kondensation mittels Dampfdüsen als Mischvorwärmer bekannt.

Bei einem dieser Verfahren (DD-PS 212310 und DD-PS 214-671) wird der Dampf direkt über eine Dampfzuleitung und die zugeordnete Vorlauftemperaturregelung mit konstantem Druck in einen geschlossenen Wasserkreislauf bei Kondensationstemperaturen unterhalb des Siedezustandes des Wassers in das Wasser eingespeist, wobei der Dampf in einem Strömungsmischvorwärmer eine definierte Anzahl an Bohrungen durchströmt und das Wasser erwärmt. Das erwärmte Wasser wird in einem geschlossenen Heizwasserkreislauf zu den Abnehmern gepumpt.

Das durch den kondensierenden Dampf entstehende überschüssige Heizwasserkondensatgemisch wird über einen Abspeiseregler einem drucklosen Sammelbehälter zugeführt, wobei der Druckanstieg über eine Analogiestrecke als Regelimpuls dem Abspeiseregler zugeleitet wird, und das abgespeiste Wasser zum Wärmeerzeuger zurückgepumpt wird. Übartemperaturen, Unterdruck und Dampfbildung im Sekundärteil werden durch Sicherheitseinrichtungen vermieden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß während des Betriebes keine reguläre, kontinuierliche Zwangsströmung des Dampfes erreicht wird.

Durch das Aufschwingen aller Druckstörungen der einzelnen Verdichtungsstöße treten im Wärmeübertrager instabile Betriebsbedingungen auf, die zu starken Geräuschentwicklungen und zum Bruch der maschinentechnischen Ausrüstungen führen können. Dies ist ein generelles Problem bei der Direkteinspeisung von Dampf in Wasser. Aus der Literatur sind bereits mehrere Verfahren und konstruktive Änderungen an Strömungsmischvorwärmern bekannt, um diese unerwünschten Nebenerscheinungen zu beseitigen. Aus der DD-PS 233412 ist es bekannt, bei einem stehenden Strömungsmischvorwärmer Dampf- und Flüssigkeitsstrom in einer Richtung von oben nach unten zu führen und das aufgeheizte Medium unten abzuziehen. Das Dampfzuführungsrohr ist dabei nur in seinem unteren Teil als Düsenrohr mit frei wählbaren ßohrungsdurchmessern ausgebildet und trägt an seinem oberen Ende den Flüssigkeitsstromweg partiell versperrende Schikanen. Die unmittelbar über den Düsenbohrungen angeordnete letzte Schikane lenkt den Flüssigkeitsstrom an die Gefäßwand und ist als Leitblech ausgebildet. Das Düsenrohr ist im Bereich der Düsenbohrungen mit einem Rezirkulationsschirm umgeben. Diese Lösung ist technisch-ökonomisch sehr aufwendig und nur für stehende Strömungsmischvorwärmer geeignet. Der Einbau von Schikanen und die Anordnung eines Rezirkulationsschirmes wirken sich ungünstig auf die Betriebsbedingungen aus, wobei letzteres die Bildung von Dampfblasen begünstigt. Dadurch treten während des Betriebes starke Schwingungen auf, die zu einer Lärmbelästigung führen.

in der DD-PS 245476 wird ein regulierbarer Mischvorwärmer beschrieben, bei dem bei konstanten Parametern Temperatur und Druck des zuzuführenden Dampfes der Deckel und der Boden des Dampfverteilungskörpers relativ verschiebbar zueinander angeordnet sind.

Nach Maßgabe der vom Verbraucher benötigten Wärmemenge ist die Breite des Spaltes zwischen Ansaugöffnung und Mischrohr in einem Bereich von 0,02 bis 2mm verstellbar.

Dieser Mischvorwärmei ist in seiner Konstruktion sehr aufwendig und verursacht hohe Herstellungskosten. Her komplizierte Aufbau erhöht die Störanfälligkeit während des Betriebes, und der Mischvoi wärmer ist nur zur Übertragung kleiner

Wärmeleistungen geeignet. Beim Überfahren auf große Leistungen treten die unerwünschten Schwingungen und Lärmbelästigungen wieder auf.

Aus der DD-PS 247499 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem Mischgefäß der Dampf aus der Dampfleitung mit einem Teil des Heizwassers der Rücklaufleitung in Verbindung tritt, und der aufgeheizte Teilstrom mit dem Reststrom wieder vermischt wird, wobei die Aufheizung des Heizv* assers unter Bildung eines Dampfpolsters erfolgt, dessen Druck durch das Heizwasser diktiert wird und unterhalb des Ruhedruckes liegt, der in Heizungsanlagen bei Ausfall der Umwälzungen gehalten werden muß.

Die Dampfzufuhr erfolgt abhängig vom Wasserstandsniveau Im Mischgefäß und die Abspeisung des überschüssigen Kondensates durch eine übliche Druckhalteanlage. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist die Bildung eines Dampfpclsters im Mischgefäß. Dadurch erhöht sich der Aufwand für das Mischgefäß erhr blich und Anpassungen der Betriebsweise des Heiznetzes an die Abnehmeranforderungen sindjnur in begrenztem Up-, fang möglich. Außerdem erfordert die

gesamte Auslegung einer nach diesen Verfahren arbeitenden Fernwärmeversorgungsanlage einen zusätzlichen steuerungs- und regelungstechnischen Aufwand.

In der DD-PS 249 751 ist ein Verfahren zur Leistungsregelung bei der Direkteinspeisung Dampf/Wasser beschrieben, bei dem bei gleichbleibendem Dampfdruck die wirksame Dampfeintrittsfläche mittels Absperrvorrichtung vergrößert oder verkleinert wird.

Diese Lösung ist sehr aufwendig und störanfällig. Derr Mechanismus zur Veränderung der Dampfeintrittsfläche ist kompliziert und verursacht zusätzliche Kosten. Die vorgeschlagene Verfahrensweise allein stellt keine wirksame Maßnahme zur Reduzierung der unerwünschten Schwingungserscheinungen dar.

Ferner ist aus der DD-PS 256558 ein Verfahren bokannt, durch das ebenfalls die Schallemission und die Schwingungen abgebaut werden sollen. Durch zwei voneinander getrennte Wasserwege wird der Wasserstrom in zwei Teilwasserströme aufgeteilt, wobei der eine Teilwasserstrom bis in die Sättigungstemperatur aufgeheizt wird und durch den zweiten Teilwasser.strom der erste Teilwasserstrom auf die Vorlauftemperatur des Systems abgekühlt wird.

Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung läßt sich nur mit einem hohen fertigungstechnischen Aufwand realisieren. Die Mischungen der Teilströme sind nicht regulierbar und stellen ein sicherheitstechnisches Risiko dar.

Alle bisher bekannten Maßnahmen zur Reduzierung der Schwingungen und Schallemissionswerte bei der direkten Einspeisung von Dampf in Wasser erfordern einen erhöhten Aufwand durch konstruktive Veränderungen und den Einbau zusätzlicher Bauteile.

Die Schall- und Schwingungsinduzierung der Erzeugung von Fernwärme durch Direkteinspeisung Dampf/Wasser ist jedoch im wesentlichen abhängig vom Dampfdruck bzw. dem Druckverhältnis und der Dimensionierung der Dampfeintrittsöffnungen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, Betriebsstörungen, hervorgerufen durch Kondensationsschläge, Dampfblasen, Verdichtungsstöße und Schwingungen in den Leitungssystemen zu vormeiden, Lärmbelästigungen durch einen erhöhten Schalleistungspegel zu verhindern und eine hohe Betriebssicherheit ohne zusätzlichen technischen Aufwand zu gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung von Fernwärme, bei dem Dampf direkt in Wasser eingespeist wird, zu schaffen, das während der gesamten Phase des Wärme- und Stoffaustausches eine reguläre, kontinuierliche Zwangsströmung des Dampfes ermöglicht, eine Freizügigkeit im Betriebsverhalten gewährleistet, die der indirekten Wärmeübertragung entspricht und bei dem im Heizwasserkreislauf keine Kondensationsschläge auftreten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der ankommende Dampf vor dem Durchströmen der Bohrungen im Strömungsmischvorwärmer, die einen Durchmesser von 4 mm aufweisen, durch einen Druckregler auf einen konstanten Druck reduziert wird, der um 2 bis 5 m WS größer ist als der Druck im Wasserkreislauf, und dabei der Druck in den Bohrungen gleich oder kleiner als der Druck im Wasserkreislauf gehalten wird.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird ein Entspannungsvorlauf in den Bohrungen des Strömungsmischvorwärmers erreicht, der nicht mehr bis zum kritischen Druck herunterführt. Dadurch vermindert sich bei wachsendem Gegendruck auch die hindurchgehende Stoffmehge, aber die Strömung selbst verläuft regulär mit gutem Wirkungsgrad, da die Geschwindigkeiten niedrig sind und keine Diskontinuitäten auftreten.

Überraschenderweise werden hohe Schalleistungspegel, Impulsstöße und Schwingungen in den Anlagenteilen vermieden, wobei der Schalleistungspegel nur noch einen maximalen Wert von 65dB erreicht.

Im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen konnte der Schalleistungspegel um ca. 25% gesenkt werden. Somit können zusätzliche, aufwendige Schallschutzmaßnahmen entfallen. Durch diese beträchtliche Reduzierung des Schalleistungspegels ergeben sich noch weitere vorteilhafte ökonomische Auswirkungen. So z. B. kann der Strömungsmischvorwärmer konstruktiv sehr einfach ausgebildet werden. Andere Anlagenteile können in ihren Wandungsdurchmessern reduziert werden, was zu erheblichen Materialeinsparungen führt.

Werden die fixierten Dampfparameter überschritten, spricht das Sicherheitsventil an, in Abhängigkeit des Füllstandes des Kondensatgefäßes wird die gesamte Anlage abgeschaltet, und die eintretende Volumenkontraktion bei Betriebsstillstand wird durch das abgespeiste Wasser des Sicherheitsventiles des Sekundärstromkreises durch die Doppelfunktion der Kondensatpumpen und der Stellanti iebe ausgeschlossen.

Der erreichte Effekt tritt jedoch nur ein, wenn der Durchmesser für die Bohrungen des Strömungsmischvorwärmers genau 4mm beträgt. Abweichungen nach oben oder unten führen zu einem Anstieg des Schalleistungspegels. Weiterhin ist es unbedingt erforderlich, die genannten Druckverhältnisse einzuhalten, ir, ^be^ondere muß der Dampfdruck um 2 bis 5 m WS größer sein, als der Druck im Wasserkreislauf. Der Wasserkreislauf mit einer konstanten, umzuwälzenden Wassermenge kann unterschiedlich sein, z. B. Sommer- und Winterbetrieb.

Die Wassertemperatur kann konstant oder gleitend, als Funktion der Außentemperatur gewählt werden, Der Druck im Wasserkreislauf muß aber in jedem Fall konstant sein. Die Temperatur dee Wassors wird über einen Regler konstant gehalten. Der ankommende Dampf kann hinsichtlich seines Druckes und Wärmeinhaltes schwanken. Lediglich der Dampfdruck wird durch einen Druckregler auf einen konstanten Wert reduziert, ohne Veränderung des Wärmolnhaltes. Die Anzahl der Bohrungen des Strömungsmischvorwärmers ist auf die jeweilige maximale Wäemeübertragungsleistung der Anlage ausgelegt. Innerhalb einer in ihrer Leistung festgelegten Anlage können der Dampfdruck und damit die einströmende Dampfmenge in das Heizwasser verändert werden. Dadurch werden mehr oder weniger Bohrungen des Strömungsmischvorwärmers für den Dampfdurchsatz freigegeben, um die gewünschte Temperatur bei konstanter Wasserumwälzmenge, konstantem Druck des Wasserkreislaufes und somit die für den Abnehmer gewünschte Wärmemenge zu garantieren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schaltbild für den Ablauf des Verfahrens dargestellt. Der als Direktwärmeübertrager (DWÜ) 1 ausgebildete Strömungsmischvorwärmer, die Umwälzpumpe 2 und die Wärmeabnehmeranlage 3 sind Bestandteil des geschlossenen Heizwasserkreislaufes. Mit Inbetriebnahme des Heizwasserkreislaufes wird der Wärmeträger Wasser bei konstantem Druck in der Sekundäranlage umgewälzt. Nach Inbetriebsetzung des Heizwasserkreislaufes wird die Anlagensicherung 4 geöffnet und über die Dampfleitung 5, den Dampfdruckregler 6, das Sicherheitsventil 7, den Leistungsregler 8 strömt der Dampf durch die Bohrungen 9 des DWÜ 1 in das Heiz wasser. Durch die direkte Vermischung des Dampfes mit dem Wasser und seine Kondensation wird die Soll-Wert-Temperatur des Heizwasserkreislaufes erreicht.

Die Bohrungen 9 des DWÜ 1 weisen einen Durchmesser von 4 mm auf. Bei Abweichungen von diesem Durchmesser bereits um 0,5mm kommt es zu einem erhöhten Schalleistungspegel.

Der Dampfdruck P₀ muß um 2 bis 5m WS größer sein als der Heizwasserdruck P_w. Der Druck in den Bohrungen P₈ muß jedoch gleich oder kleiner sein als der Heizwasserdruck P_w. Dies wird dadurch erreicht, daß auf der Heizwasserseite der Druck durch den eingestellten Mitteldruck und die Analogiestrecke mit dem Abspeisesystem immer konstant gehalten wird. Das Verhalten der Strömung des Dampfes durch die Bohrungen bei höherem Gegendruck verläuft regulär, mit gutem Wirkungsgrad und ohne Diskontinuitäten. Ist der Heizwassergegendruc!; P_w niedriger als der Druck P₈, fehlt der Bohrung die Erweiterung. Der strömende Stoff bildet sich diese Erweiterung selbst, inder ι er sich unter Schwingungserscheinungen außerhalb der Bohrung vom Druck Pb auf den niedrigen Heizwassergegendruck Pw entspannt. Der Wirkungsgrad ist nicht viel schlechter. In der Bohrung kann sich kein niedrigerer Druck als der kritische Druck Pk einstellen, P« = P_B.

Daraus resultierend bleibt für alle Entspannungsverhältnisse die durchgesetzte Stoffmenga konstant. Ist jedoch der Heizwassergegendruck Pw größer als der kritische Druck Pk (Pb), so ändert sich der gesamte Druckverlauf in der Bohrung, die Strömung ist regulär und die Durchsatzmenge vermindert sich entsprechend dem abnehmenden Druckverhältnis Pw/Po-Das erfolgt indirket durch den Leistungsregler 8, gleichzeitig werden die Höhe des Wasserstandes im DWÜ 1 und die für den Dampfdurchsatz erforderlichen Bohrungen freigesetzt oder geschlossen.

Die Anzahl der Bohrungen 9 im DWÜ 1 ist abhängig von der gewünschten Wärmeübertragungsleistung. Unter den genannten Druckbedingungen und bei dem Bohrungsdurchmesser von 4 mm sind in Abhängigkeit von der Wärmeübertragungsleistung eine Anzahl von η-Bohrungen erforderlich.

Daraus resultierend wird der Durchmesser des Rohres, in dem sich die Bohrungen befinden, größer oder kleiner bzw. die Länge dieses Rohres kürzer oder länger. In der Praxis bedeutet das, daß bei feststehenden Druckparametern der Primär- und der Sekundärseite und einem Bohrungsdurchmesser von 4mm, z.B. bei einer maximalen Wärmeleistung von 1,3,6 und 12MW folgende Anzahl von Bohrungen erforderlich ist: 462,1056,2112 und 4180.

Ist der Dampfdruck zu hoch oder der Druck des Wasserstromkreises zu niedrig (durch Störungen im Wasser- oder Dampfkreislauf), so erfolgt zwar ein Wärmeübergang, jedoch unter starken Schwingungserscheinungen und der Störung bei den Größen Dampf und Wasserdruck. Es kommt zur Dampfblasenbildung mit starken Dampfschlägen, die zur Zerstörung der Anlage führen können.

Bei Dampfdrucküberschreitungen spricht das Sicherheitsventil 7 an, der Dampf strömt in das Kondensatgefäß 10, kondensiert und schließt bei Erreichen des oberen Wasserstandes 11 die Anlagensicherung 4. Bei der dann eintretenden Volumenkontraktion schließt der Stellantrieb 12, der Stellantrieb 13 öffnet, die Kondensatpumpe 14 schaltet sich ein und arbeitet als Druckhaltepumpe. Wird der Wasserstand 15 im Kondensatgefäß 10 erreicht, wird die gesamte Anlage abgeschaltet. Die Anlagensicherung schließt innerhalb von 2 bis 4 Sekunden. Bei noch stärkeren Impulsen verhindern das Sicherheitsventil und bei Nichtansprechen dieser Einrichtungen, der zweite Kontakt (Wasserverlust-Dampfverlust) auf das redundante Anlagensicherungsbauteil eine Zerstörung der Anlage.

Claims (1)

1. Verfahren zur Erzeugung von Fernwärme, bei dem Dampf direkt über eine Dampfzuleitung und die zugeordnete Vorlauftemperaturregelung unter Druck an einen geschlossenen Wasserkreislauf bei Kondensationstemperaturen unterhalb des Siedezustandes des Wassers in das Wasser eingespeist wird, wobei der Dampf in einem Strömungsmischvorwärmer eine definierte Anzahl an Bohrungen durchströmt und das Wasser erwärmt, das erwärmte Wasser in dem geschlossenen Wasserkreislauf zu den Abnehmern gepumpt wird, das durch den kondensierenden Dampf entstehende überschüssige Heizwasserkondensatgemisch über einen Abspeisoregler einem drucklosen Sammelbehälter zugeführt wird, wobei der Druckanstieg über eine Analogiestrecke als Regelimpuls dem Abspeiseregler zugeleitet wird, und das abgespeiste Wasser zum Wärmeerzeuger zurückgepumpt wird, und Übertemperaturen, Unterdruck und Dampfbildung im Sekundärteil durch Sicherheitseinrichtungen vermieden werden, gekennzeichnet dadurch, daß der ankommende Dampf vor dem Durchströmen der Bohrungen im Strömungsmischvorwärmer, die einen Durchmesser von 4mm aufweisen, durch einen Druckregler auf einen konstanten Druck reduziert wird, der um 2 bis 5 m WS größer ist als der Druck im Wasserkreislauf, und dabei der Druck in den Bohrungen gleich oder kleiner als dar Druck im Wasserkreislauf gehalten wird.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung