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Die
Erfindung betrifft einen hilfsenergiefreien Kondensatkühler zur
Abkühlung
von in Dampfrohrleitungsnetzen, insbesondere ohne Kondensatrückförderanlagen,
mit einer Temperatur von ca. 100°C
anfallenden Kondensats oder Absalz- und Abschlämmwasser aus Dampferzeugeranlagen
auf eine für
eine Versickerung in das Erdreich oder eine Einleitung in einen
Abwasserkanal zulässige
Temperatur.
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Besonders
in Industriegebieten werden umfangreiche Dampf-Rohrleitungsnetze
betrieben, in denen infolge unvermeidlicher Wärmeverluste ein Teil des Dampfes
kondensiert. Das Kondensat muss dann über Kondensatableiter aus den
Dampfleitungen abgeführt
werden.
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Wird
dabei aus standort-, betreiberinternen oder sonstigen Gründen das
anfallende Netzkondensat nicht über
so genannte Kondensatrückförderanlagen
in den Kreislauf zurückgeführt, muss
dieses in Abwasserkanäle
oder durch Vor-Ort-Versickerung in das Erdreich abgeführt werden.
Zur Einhaltung anerkannter technischer Regeln und umweltrechtlicher Vorschriften,
aber auch zum Schutz möglicherweise im
Untergrund befindlicher technischer Systeme, muss hierzu das mit
einer Temperatur von ca. 100°C anfallende
Kondensat abgekühlt
werden.
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Das
gleiche technische Problem tritt übrigens bei der Ableitung von
heißem
Absalz- und Abschlämmwasser
aus Dampferzeugeranlagen auf.
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Die
Abkühlung
des Kondensats auf eine erforderliche Temperatur von etwa 35°C erfolgt
nach dem bekannten Stand der Technik bisher direkt durch Mischung
mit Kaltwasser, oder indirekt mittels Luft in Kleinkühltürmen, Abkühlbecken,
-schächten
oder -gruben. Aus dem Stand der Technik ist des weiteren bereits
bekannt, Absalz- und Abschlämmwasser
aus Dampferzeugeranlagen durch wassergekühlte Entspanner zu führen oder
in Abkühlgruben
zu leiten und durch Zusatz von Frischwasser so weit abzukühlen, bis
die geforderte Kanaleinleittemperatur erreicht ist.
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Obwohl
die direkte Kühlung
von Kondensat oder von Absalz- und Abschlämmwasser mittels Kaltwasser
und dessen anschließende
Einleitung in einen Abwasserkanal oder in das Erdreich eine einfache
und durchaus effektive Methode darstellt, ist sie nicht immer anwendbar,
da insbesondere bei ausgedehnten Dampf-Rohrleitungsnetzen Frischwasser, und
bei gesteuerter Mischung Frischwasser und Elektrizität, sowie
Abwasserkanäle
nicht immer zur Verfügung
stehen. Darüber
hinaus kann der Frischwassereinsatz respektive der -verbrauch auch
betriebswirtschaftliche Nachteile aufweisen.
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Bei
der indirekten Kühlung
wird dem Kondensat während
dessen längeren
Verweilens in Abkühleinrichtungen
oder -strecken durch Wärmeabgabe
an die Umgebung, wie Luft, Betonwände, Erdreich, aber auch durch
Verdampfung Wärme
bis zum Erreichen der zulässigen
Einleittemperatur entzogen. Es ist bekannt, die Oberfläche der
Abkühleinrichtungen
oder von -strecken durch geeignete Schikanen, Schottersteine oder ähnlichem
so zu vergrößern, dass
eine raschere Wärmeabfuhr
möglich
wird. Bereits bekannt sind in diesem Zusammenhang berippte Oberflächenkühler. Bei
diesen wird die Wärme
des Kondensats durch eine Rohrwand übertragen und durch Konvektion
an die Umgebungsluft abgegeben.
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Trotz
eines erheblichen baulichen und technischen Aufwandes ist mit diesen
Vor- und Einrichtungen zur indirekten Kondensatkühlung die Kühlung nur bis oberhalb der
Umgebungstemperatur möglich. An
Tagen mit hohen Außentemperaturen
ist die angestrebte Einleittemperatur des Kondensats von etwa 35°C meist nicht
zu erreichen. Damit die vorgeschriebene Einleittemperatur nicht überschritten wird,
ist daher wiederum eine Temperaturmessung sowie für den Fall
einer festgestellten Temperaturüberschreitung
ein entsprechendes Auffangbecken für das noch zu warme Kondensat
notwendig.
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Aus
dem Stand der Technik sind des weiteren nach dem Verdunstungsprinzip
arbeitende Kühltürme für die Kühlung von
Kreislaufwasser hinreichend bekannt. Der für diese Kühlung erforderliche Luftdurchsatz
wird bei diesen technischen Lösungen durch
eine Kaminwirkung, hervorgerufen von der gegenüber der Außentemperatur höheren Temperatur der
zu kühlenden
Flüssigkeit
oder aber zusätzlich
angeordneten Ventilatoren, für
die jedoch wiederum elektrische Hilfsenergie zur Verfügung stehen
muss, erzeugt. Zur Vergrößerung der
Grenzfläche
Flüssigkeit/Luft
besitzen diese Kühler
feste Einbauten, die auch als Berieselungsvorrichtung, Füllkörpereinbau, Rieselflächen oder
Füllkörper bezeichnet
werden.
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In
der
DE-PS 127 286 A1 wird
ein Verfahren zur Vergrößerung der
Luftgeschwindigkeit in Kaminkühlern
beschrieben, bei dem die sich an einem Kondensator bildenden Schwaden
und heißen
Dämpfe oberhalb
der Berieselungsvorrichtung in den Kaminkühler geleitet werden. Die damit
verbundene Temperaturerhöhung
im Kamin soll die Thermik und die Luftdurchströmung vergrößern.
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Aus
dem
DE-GM 9 109 550 ist
ein Nasskühlturm
bekannt geworden, der aus Transport- und Montagegründen aus
mindestens zwei selbsttragenden Montageeinheiten aufgebaut ist und
bei dem die Verdunstungskühlung
durch einen im Kopf des Kühlturms
in einem Ventilatorgehäuse
angeordneten Saugventilator verstärkt wird.
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In
der
DE-PS 1 830 437 ist
eine Vorrichtung, gebildet aus durch außen angebrachte Schürzen oder
im Inneren angeordnete Wände,
beschrieben, die unnötigen
Flüssigkeitsverlust
infolge horizontaler Durchströmung
des unteren Luftraumes des Kühlturmes
bei Windfall verhindern soll.
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Ebenso
wie diese vorgenannten Beschreibungen von Kaminkühlern verweist auch ein Beitrag von
C. Kren u. a. „Simulationswerkzeuge
als Designhilfen für
solare Kühlsysteme" in KI Luft- und
Kältetechnik,
1/2003, S. 31–37,
auf die Möglichkeit
zur Vergrößerung des
Luftdurchsatzes mittels des Einsatzes von Ventilatoren. Als Füllkörper besitzen
auch diese Kühltürme feste
Einbauten.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Verdunstungskühler sind
allerdings nur für
die Abkühlung
von Kreislaufwasser in einem Temperaturbereich von ca. 35/25°C, nicht
aber für
die Kühlung
von mit einer Temperatur von ca. 100°C anfallenden Kondensats, Absatz-
und Abschlämmwasser
geeignet. Darüber
hinaus benötigen
einige Ausführungen
dieser Verdunstungskühltürme für einen
Ventilatorbetrieb elektrische Hilfsenergie, die im Außenbereich oft
nicht zur Verfügung
steht.
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Der
im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
insbesondere bei ausgedehnten Dampf-Rohrleitungen ohne Kondensatrückförderanlagen,
das sich in den Leitungen durch Wärmeverlust gebildete Kondensat
oder auch Wasser, z. B. Absatz- und Abschlämmwasser aus Dampferzeugeranlagen,
an ausgewählten
Punkten über
eine unkomplizierte, störunanfällige, technisch wenig
aufwendige und damit auch kostengünstige Einrichtung aus der
Rohrleitung abzuleiten und ohne Einsatz von Hilfsenergie oder zusätzlichen
Medien, wie Frischwasser, so rasch auf eine zulässige Temperatur abzukühlen, dass
eine unmittelbare Einleitung in das Erdreich möglich ist.
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Das
Problem wird mittels eines hilfsenergiefreien Kondensatkühlers dadurch
gelöst,
dass dieser als ein auf Stützfüßen stehender
Behälter
ausgebildet ist, auf dem ein kegelstumpfförmiger Kopf mit seitlichem
Kondensat-/Wasserzulauf angeordnet ist. Auf dem Kopf ist ein Wrasenaustrittsrohr
aufgesetzt. Über
der Bodenfläche
des Behälters,
die mittig ein Zuluftrohr mit darüber befindlicher Haube zur
Verteilung der Zuluft aufweist, ist ein Tragrost angeordnet, auf
dem bis unterhalb des Kopfaufsatzes des Behälters eine Schüttung von
temperaturbeständigen
Füllkörpern ruht.
Unmittelbar über
dem Boden wird die Wandung des Behälters seitlich von einem Kondensat-/Wasserablaufrohr
durchdrungen. Erfindungsgemäß ist im
Kopf des Behälters
konzentrisch ein strahlenförmiger
Kondensat-/Wasserverteiler mit einer nach oben zum Wrasenrohr gerichteten
Treibdampfdüse
horizontal angeordnet, in den das Kondensat-/Wasserzulaufrohr mündet.
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Die
Wirkungsweise des Kühlers
beruht auf dem Prinzip der Verdunstungskühlung. Wasserdampfkondensat
oder Wasser mit hoher Temperatur wird mittels eines Verteilers über eine
in dem stehenden Behälter
befindliche temperaturbeständige
Füllkörperschüttung geleitet.
Das Kondensat/Wasser rieselt von oben nach unten, während im
unteren Teil des Behälters
Umgebungsluft zutritt, im Gegenstrom die Füllkörperschüttung passiert und den Kühler im oberen
Teil durch das aufgesetzte Wrasenrohr verlässt. Durch die Verdunstung
eines Teils des Kondensats/Wassers wird dem Kondensat/Wasser Wärme entzogen
und es erfolgt eine Abkühlung.
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Die
für eine
gute Kühlung
ausreichend große Kondensat-/Wasseroberfläche (Phasengrenzfläche Flüssigkeit/Luft)
wird durch eine Füllkörperschüttung erzeugt;
der erforderliche Luftdurchsatz durch die Kaminwirkung, die infolge
der gegenüber
der Umgebungsluft hohen Temperaturen im oberen Teil des Mantelbehälters und
im Wrasenrohr entsteht. Eine Verstärkung des Luftdurchsatzes ergibt
sich durch die Gestaltung der Kondensat-/Wasserzuführung. Der
sich bei der Entspannung von Kondensat/Wasser hoher Temperatur bildende
Dampf tritt durch eine auf den Kondensat-/Wasserverteiler aufgesetzte nach
oben in das Wrasenrohr gerichtete Düse. Dadurch wird zusätzlich Luft
durch den Kühler
gesaugt.
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Über einen
breiten Leistungsbereich verfügt der
Kühler über einen
Selbstregeleffekt. Proportional zu Temperatur und Menge des zu kühlenden
Kondensats/Wassers ändert
sich die Temperatur in der Füllkörperschüttung im
oberen Teil des Behälters
und im Wrasenrohr. Die dadurch beeinflusste Kaminwirkung führt zu einem
mehr oder weniger starken Luftdurchsatz, verbunden mit einer Anpassung
der Verdunstungsmenge und damit der Kühlleistung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
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Die
Zeichnung zeigt den erfindungsgemäßen Kondensatkühler in
einer schematischen Vorderansicht.
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Der
erfindungsgemäße Kondensatkühler besteht
aus einem zylindrischen Behälter 1,
vorzugsweise aus korrosionsbeständigem
Material, der auf Stützfüßen 2 ruht
und in seinem ansonsten geschlossenen Boden ein Zuluftrohr 3 aufweist.
Auf den Behälter
ist ein kegelstumpfartiger Kopf 4 aufgesetzt, der in einem
Wrasenaustrittsrohr 5 mündet.
Durch die Wandung des Kopfes ist ein Kondensat-/Wassereintrittsrohr 6 und
durch die Wandung des Behälters unmittelbar über dessen
Boden ein Kondensat-/Wasseraustrittsrohr 7 geführt. Im
Behälter
ruht auf einem Tragrost 8 bis unterhalb des Kopfaufsatzes
eine Schüttung
von temperaturbeständigen
Füllkörpern 9. Der
Tragrost ist dabei über
einer kegelförmigen
Haube 10 angeordnet, die so über dem Zuluftrohr positioniert
ist, dass Zuluft die kegelförmige
Haube umströmen
und die Füllkörperschüttung gleichmäßig durchströmen kann.
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Zur
optimalen Verteilung des durch das Kondensat-/Wassereintrittsrohr
in den Kopf des Mantelbehälters
einströmenden
Kondensats oder auch heißen
Wassers mündet
das Eintrittsrohr in einem horizontalen, strahlenförmigen Kondensat-/Wasserverteiler 11,
der seinerseits eine nach oben gerichtete Treibdampfdüse 12 aufweist.
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Das
durch das Eintrittsrohr in den Behälter einströmende Kondensat oder Heißwasser
wird durch den Verteiler in die Füllkörperschüttung geleitet und rieselt
von oben nach unten. Zugleich tritt über das Zuluftrohr von unten
Umgebungsluft in die Füllkörperschüttung ein,
passiert diese im Gegenstrom zum Kondensat bzw. Heißwasser
und verlässt
durch das Wrasenrohr wieder den Behälter. Die Füllkörperschüttung erzeugt die für eine effektive
Kühlung
erforderliche große
Kondensat-/Wasseroberfläche (Phasengrenze
Flüssigkeit/Luft).
Der notwendige Luftdurchsatz durch die Schüttung entsteht durch die Kaminwirkung,
die sich infolge der gegenüber
der Umgebungsluft hohen Temperaturen im oberen Behälterbereich
und im Wrasenrohr einstellt. Der sich bei der Entspannung von Kondensat
bzw. Wasser hoher Temperatur bildende Dampf tritt durch eine auf den
Kondensat-/Wasserverteiler aufgesetzte nach oben zum Wrasenrohr
gerichtete Treibdampfdüse. Hierdurch
wird eine Injektorwirkung erzielt, die eine Verstärkung der
natürlichen
Durchlüftung
des Kondensatkühlers
zur Folge hat.
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- 1
- zylindrischer
Behälter
- 2
- Stützfüße
- 3
- Zuluftrohr
- 4
- kegelstumpfartiger
Kopf
- 5
- Wrasenaustrittsrohr
- 6
- Kondensat-/Wassereintrittsrohr
- 7
- Kondensat-/Wasseraustrittsrohr
- 8
- Tragrost
- 9
- Füllkörperschüttung
- 10
- kegelförmige Haube
- 11
- Kondensat-/Wasserverteiler
- 12
- Treibdampfdüse