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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie betrifft ein Entlüftungs-/Entgasungssystem
für Kraftwerkskondensatoren
gemäss Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Stand der
Technik
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Kraftwerkskondensatoren sind Vorrichtungen,
die durch Niederschlagen des Abdampfes von Dampfturbinen zur Verringerung
des Gegendruckes führen.
Sie haben die Aufgabe, die nicht in Elektrizität umgewandelte Wärme des
Dampfes an die Umgebung abzuführen.
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Bekannt sind beispielsweise Oberflächenkondensatoren,
welche aus einem Kessel mit eingebautem Röhrensystem bestehen. Turbinendampf strömt während des
Betriebes der Kraftwerksanlage über
einen Einlass, den Kondensatorhals, in den Kondensationsraum ein,
wo er an der Aussenseite der Kondensatorrohre, die von einem Kühlmittel, meist
Kühlwasser,
durchflossen werden, niedergeschlagen wird. Das anfallende Kondensat
wird in einem Kondensatsammelgefäss,
dem Hotwell, im unteren Bereich des Kondensators gesammelt und mittels
Kondensatpumpen wieder dem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeführt. Es
gelangt dabei über
die Vorwärmen
und die Speisewasserleitung in den Kessel, wo es wieder verdampft
wird und als Arbeitsdampf die Turbinen antreibt.
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Über
den Turbinengegendruck beeinflusst die Leistungsfähigkeit
des Kondensators massgeblich den Wirkungsgrad der Gesamtanlage und
damit die Generatorleistung.
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Da der Kondensatordruck unter dem
atmosphärischen
Druck liegt, dringt kontinuierlich etwas Leckluft in den Kondensator
ein. Diese Luft sowie auch andere nichtkondensierbare Anteile, wie
z. B. endogene nichtkondensierbare Radiolysegase (= nichtkondensierbare
Mischung aus H2 und O2 aus
der stöchiometrischen
Zersetzung von Wasser), müssen aus
den Kondensatoren entfernt werden.
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Hierzu werden Entlüftungs-
bzw. Entgasungssauger eingesetzt, die so an die Kondensatoren angeschlossen
sind, dass sie eine Gas/Dampfmischung an einer Stelle möglichst
geringen Dampfdruckes und einer möglichst hohen Gaskonzentration aus
dem Kondensationsraum der Kondensatoren absaugen.
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Der Grund für diese Massnahme liegt in
der Verschlechterung der Kondensationsleistung und damit des Kondensationsdruckes
in Kraftwerksanlagen verursacht durch die Verringerung des Wärmeübergangskoeffizienten
infolge Anwesenheit selbst geringer Konzentrationen von nichtkondensierbaren
Komponenten, welche auch als Inertgase bezeichnet werden.
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Diese Verschlechterung ist bereits
bei einem Bruchteil von Prozenten in Molanteil feststellbar und bewirkt
ab etwa 1 % (Stoffmengenanteil Luft = 0,01) eine massive Verschlechterung
des Wärmeübergangs.
Um diesen Effekt zu minimieren, werden im Kondensationsraum sogenannte
Luftkühler
eingebaut.
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Luftkühler sind trichterförmige Blechkonstruktionen
im Rohrverband. Sie bewirken eine räumliche Beschleunigung der
Dampf/Inertgasmischung, so dass die Dampfgeschwindigkeit am Rohrsteg durch
den selbstsaugenden Effekt der Kondensation und des Saugsystems
nicht zu tief fällt
und im Bereich von 2–3
m/s bleibt. Dadurch wird die negative Wirkung der nichtkondensierbaren
Gase teilweise reduziert. Am Ende des trichterförmigen Luftkühlers wird
die Gas/Dampfmischung, die einen Inertgasanteil von wenigen Prozenten
bis ca. 20% in Molanteil (Stoffmengenanteil Luft = 0,2) aufweist,
durch die Saugeraggregate, z. B. Vakuumpumpen, nach aussen entfernt.
Weiterhin resultiert aus der Anreicherung der Inertgase in der Mischung
eine signifikante Verringerung des Massen-/Volumenstromes des abzusaugenden
Gemisches.
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Der innerhalb des Kondensators angeordnete
Luftkühler
hat somit die Funktion, eine möglichst hohe
Anreicherung der Inertgase (nichtkondensierbare Gase) in der Mischung
zu erzielen, weil dadurch folgende Vorteile erreicht werden sollen:
- – Verbesserung
der Leistung der Vakuumpumpen (tiefer Saugdruck)
- – Verringerung
der erforderlichen Vakuumpumpleistung
- – Verringerung
des Verlustes an Kreislaufstoff (reines Wasser)
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Wenn die Konzentration der nichtkondensierbaren
Komponenten zu klein ist, wird der Sauger durch den Enthalpieeintrag
des Dampfexzesses thermisch zusätzlich
belastet, wodurch Kavitationsprobleme im Falle des Einsatzes von
Wasserringpumpen und Wasserstrahlsaugern hervorgerufen werden, während Dampfstrahlsauger
auf dieses Phänomen
weniger empfindlich sind.
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Der Verlust an Kondensationsleistung
durch die Anwesenheit von Inertgasen ist massiv. So beträgt die Kondensationsleistung
typischerweise 20–30
kW/m2 in der Hauptkondensatorberohrung,
sie kann im Vorkühler-
und Luftkühlerraum
auf 0.3–0.5 kW/m2 sinken. Dies entspricht einer Reduktion
der Wärmestromdichten
um anderthalb Grössenordnungen.
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Nachteilig an diesem bekannten Stand
der Technik ist, dass in den Kraftwerksanlagen häufig eine unzureichende Saugerkapazität auftritt,
speziell beim Kondensator-Retrofitting von Siedewasserreaktoren
mit gleichzeitiger Leistungserhöhung.
Dann reicht die vorhandene Saugerkapazität meist nicht mehr für den neu
eingestellten Druck und die aktuelle thermische Leistung aus.
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Aber auch in konventionellen und
nuklearen Anlagen mit Druckwasserreaktoren sind Probleme durch unzureichende
Saugerkapazität
bekannt. Die Ursache dafür
liegt z. B. in nicht-adäquaten
Bündeldesigns,
Perforationen und Leckagen in den Leitungen sowie in Verbesserung
des Vakuums durch Retrofitts, wofür die bestehenden Sauger nicht
ausgelegt sind.
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Ein weiterer Nachteil des bekannten
Standes der Technik besteht beispielsweise im Druckverlust über die
Saugleitung.
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Darstellung
der Erfindung
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Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zu Grunde, ein Entlüftungs-/Entgasungssystem
für Kraftwerkskondensatoren
zu entwickeln, mit dem es möglich
ist, bei umgerüsteten
Kondensatoren auch bei neuem Druck und erhöhter thermischer Leistung eine
ausreichende Saugerleistung mit dem ursprünglichen Saugeraggregat, d.
h. also ohne Ersatz/Umrüstung
des ursprünglichen
Saugeraggregates, zu erzielen. Zudem soll der Druckverlust über die
Saugleitung verringert werden und Kavitationsprobleme speziell bei
Saugeraggregaten mit Wasserringpumpen und Wasserstrahlpumpen vermieden
werden.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem
Entlüftungs-/Entgasungssystem
für Kraftwerkskondensatoren,
welche einen Kondensatsammelbehälter
und wahlweise einen Luftkühler
aufweisen, wobei das Entlüftungs-/Entgasungssystem
im wesentlichen aus einem Saugeraggregat und einer Saugleitung für ein Dampf/Inertgasgemisch
besteht und die besagte Saugleitung den Kondensator bzw. bei Vorhandensein
eines Luftkühlers
den Lüftkühler des
Kondensators mit dem Saugeraggregat verbindet, dadurch gelöst, dass
in der besagten Saugleitung eine Vorrichtung zur Direktkontaktkondensation angeordnet
ist, welche von dem Dampf/Inertgasgemisch im direkten Kontakt im
Gegenstrom zu erkaltetem Kondensat aus dem Kondensatsammelbehälter durchströmbar ist.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen
darin, dass es mit dem erfindungsgemässen System möglich ist,
eine Anreicherung der Konzentration der nichtkondensierbaren Komponenten
bei gleichzeitiger Verringerung des Massen-Volumenstromes der Saugermischung
zu erreichen. Dadurch kann bei umgerüsteten Kondensatoren auch bei
neuem Druck und erhöhter
thermischer Leistung eine ausreichende Saugerleistung mit dem ursprünglichen
Saugeraggregat, d. h. ohne Ersatz/Umrüstung des ursprünglichen
Saugeraggregates erreicht werden. Zudem wird der Druckverlust über die
Saugleitung verringert, weil sich der Volumenstrom reduziert. Kavitationsprobleme
speziell bei Saugaggregaten mit Wasserringpumpen und Wasserstrahlpumpen
werden vermieden, weil die Gasmischung von der Kavitationsgrenze
entfernt ist. Weitere Vorteile bestehen darin, dass durch die Direktkontaktkondensation
die Widerstände
der Wandung und Fouling entfallen, die den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtern. Durch
die ständige
Zerstörung/Neubildung
der Stoff- und Temperaturgrenzschichten in der Vorrichtung zur Direktkontaktkondensation (Anlaufbedingungen)
lassen sich in beiden Phasen durch die Strömungsumlenkung gute Transportleistungen
erzielen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Vorrichtung
zur Direktkontaktkondensation aus mindestens einer Packungssäule besteht.
Weiter vorteilhafte Alternativen sind Stufen-/Bodenkontaktapparate
oder Sprühvorrichtungen.
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Es ist zweckmässig, wenn die Vorrichtung zur
Direktkontaktkondensation ausserhalb des Kondensators eingebaut
wird. Falls ausreichender Platz vorhanden ist, kann die Vorrichtung
auch im Inneren des Kondensators angeordnet sein.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn
vom Kondensatsammelgefäss
eine erste Kondensatleitung mit einer darin angeordneten Kondensatpumpe
abzweigt, stromab der Kondensatpumpe von der ersten Kondensatleitung
eine zweite Kondensatleitung abzweigt, welche mit einem von Kühlwasser
durchströmten
Röhren-
oder Plattenwärmeübertrager
verbunden ist, in welchem das Kondensat auf eine Temperatur nahe
der Kühlwassereintrittstemperatur
abgekühlt
wird, und wenn vom Röhren-
oder Plattenwärmeübertrager
eine dritte Kondensatleitung für das
erkaltete Kondensat zu der Vorrichtung zur Direktkontaktkondensation.
In dieser Vorrichtung können
Flüssigkeitsverteilvorrichtungen,
beispielsweise eine Sprühvorrichtung,
angeordnet sind. Wenn das Kondensat derartig geführt wird, also nach der Kondensatpumpe
abgezweigt und unter Verwendung der Rezirkulationsleitung zum Kondensator
geleitet wird, wird damit vorteilhaft gewährleistet, dass auch beim Anfahren
bzw. im Teillastbetrieb eine Mindestmenge vorhanden ist. Ausserdem
ist die benötigte
Kondensatmenge nur sehr klein. Die Kühlung des Kondensates von der
Kondensationstemperatur bis auf etwa Kühlwassereintrittstemperatur
kann besonders gut in Röhren-
oder Plattenwärmeübertragern
realisiert werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn
die Vorrichtung zur Direktkontaktkondensation einen Syphon für die Kondensatmischung
aus dem zurückgeführten kalten
Kondensat und dem in der Vorrichtung neu gebildeten Kondensat aufweist
und der Syphon derart in den Kondensator mündet, dass eine Entlüftung der Kondensatmischung
als Wandnasskolonne erfolgt.
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Schliesslich ist es vorteilhaft,
dass sich durch Änderung
des kalten Kondensatstromes und/oder seiner Temperatur die Zusammensetzung
der Mischung saubern steuern lässt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Schaltschemas des erfindungsgemässen Entlüftungs-/Entgasungssystems
und
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2 ein
vergrössertes
Detail aus 1, welches
die Vorrichtung zur Direktkontaktkondensation zeigt.
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In den Figuren sind jeweils gleiche
Positionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung
der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispieles
und der 1 und 2 näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Schaltschemas des erfindungsgemässen Entlüftungs-/Entgasungssystems
für einen Kraftwerkskondensator,
während 2 ein vergrössertes
Detail aus 1 zeigt.
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung ist es zweckmässig,
beide Figuren zusammen zu betrachten.
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Der Kondensator 1 weist
einen Kondensatorhals 2, einen Dampfdom 3, im
Kondensationsraum 4 angeordnete Kondensatorrohre 5 und
einen Luftkühler 6 sowie
eine Eintrittswasserkammer 7, eine Austrittswasserkammer 8 und
einen Kondensatsammelbehälter 9 (Hotwell)
auf. Vom Kondensatsammelbehälter 9 zweigt
eine erste Kondensatleitung 10 ab, in welcher eine Kondensatpumpe 11 angeordnet
ist.
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Stromab der Kondensatpumpe 11 zweigt
von der Leitung 10 eine zweite Kondensatleitung 12 ab, welche
zum Eintritt eines Plattenwärmeübertragers 13 führt. In
der Leitung 12 ist eine Drosselvorrichtung zur Regulierung
des Kondensatmassenstromes und zur Reduzierung des Druckes von ca.
40–50
bar auf 2–3
bar angeordnet, was für
den Plattenwärmeübertrager 13 sehr
wichtig ist.
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Der Austritt des Plattenwärmeübertragers 13 ist
mit einer dritten Kondensatleitung 14 verbunden, die zu
einer aus mindestens einer Packungssäule 17 bestehenden
Vorrichtung zur Direktkondensation 15 führt und in den Teil der Vorrichtung 15 mündet, welcher
sich oberhalb der Packungssäule 17 befindet.
In der Leitung 14 ist eine Blende 27 angeordnet,
welche dazu dient, keine Zwei-Phasenströmung in der Wasserzufuhrleitung
entstehen zu lassen. Am Ende der Kondensatleitung 14 ist
eine Flüssigkeitsverteilvorrichtung 23 für das kalte
Kondensat 24 angeordnet. Die Vorrichtung 15 ist
in diesem Ausführungsbeispiel ausserhalb
des Kondensators 1 angeordnet.
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Die an sich bekannte Packungssäule 17 besteht
aus Einbauten mit sehr grosser Oberfläche. Vom unteren Teil der Vorrichtung 15,
welcher sich unterhalb der Packungssäule 17 befindet, zweigt
ein Syphon 18 ab. Der Syphon 18 mündet derart
in den Kondensator 1, dass eine Entlüftung der Kondensatmischung
als Wandnasskolonne erfolgt.
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In den unteren Teil der Vorrichtung 15 mündet eine
vom Luftkühler 6 kommende
Saugleitung 19 für
das Dampf/Inertgasgemisch 20.
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Aus dem oberen Teil der Vorrichtung 15 zweigt
eine Saugleitung 21 für
den in der Packungssäule 17 reduzierten
Volumenstrom des Dampf/Inertgasgemisches 20 ab. Die Saugleitung 21 mündet in das
Saugeraggregat 22. Das Saugeraggregat 22 ist eine
Vakuumpumpe, beispielsweise eine Wasserstrahlpumpe, eine Wasserringpumpe
oder ein Dampfstrahlsauger.
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Das System funktioniert folgendermassen:
Turbinenabdampf 25 strömt durch
den Kondensatorhals 2 und den Dampfdom 3 des Kondensators 1 in den
Kondensationsraum 4. Kühlwasser 26 wird über die über die
Eintrittswasserkammer 7 gleichmässig den Kondensatorrohren 5 zugeführt, strömt durch
die Kondensatorrohre 5 und verlässt über die Austrittswasserkammer 8 den
Kondensator 1. Auf der Aussenseite der Kondensatorrohre 5 kondensiert
der Turbinenabdampf 25 und gibt die Kondensationswärme an das
Kühlwasser 26 im
Inneren der Rohre 5 ab. Das anfallende Kondensat wird im
Kondensatsammelbehälter 9 gesammelt
und über
die Leitung 10 mittels Kondensatpumpe 11 dem Wasser-Dampf-Kreislauf wieder
zugeführt.
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Ein Teil des Kondensats wird nach
der Kondensatpumpe 11 aus der Leitung 10 abgezweigt
und zum Kondensator 1 rezirkuliert, damit beim Anfahren oder
bei Teillast eine Mindestmenge vorhanden ist. Die hierzu benötigte Kondensatmenge
ist gering. Sie beträgt
beispielsweise ca. 3–5
kg für
ein Verhältnis von
1 zu 30–40
für Saugermischungsmassenstrom zu
kaltem Kondensat für
einen Kondensator der Klasse 300 MWe.
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Das zum Kondensator 1 zurückzuführende Kondensat
wird über
die Leitung 12 dem Plattenwärmeübertrager 13 zugeführt. Da
dieser auch mit kaltem Kühlwasser 25 gespeist
wird, findet dort ein Wärmeaustausch
statt. Es erfolgt eine Kühlung
des Kondensates von der Kondensationstemperatur bis auf ca. 1 K
Grädigkeit
in Bezug auf die Kühlwassereintrittstemperatur.
Anstelle eines Plattenwärmeübertragers
lässt sich
auch gut ein Röhrenwärmeübertrager einsetzen.
Bei diesen Apparaten sollte man jedoch eine 100%ige Redundanz vorsehen,
da alternativ gereinigt werden soll.
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Das kalte Kondensat 24,
welches nun eine Temperatur nahe der Eintrittstemperatur des Kühlwassers 26 aufweist,
wird anschliessend über
die Leitung 14 der aus mindestens einer Packungssäule 17 bestehenden
Vorrichtung 15 zugeführt
und über eine
Flüssigkeitsverteilvorrichtung 23,
beispielsweise Sprühdüsen, auf
der Packungssäule 17 verteilt.
Die mindestens eine Packungssäule 17 besteht
bekanntermassen aus Füllkörpern oder
strukturierten Packungen mit sehr grosser Oberfläche. Beispielsweise beträgt die volumenspezifische Übertragungsfläche der
Packung eines am Markt erhältlichen
Produktes ca. 250 m2/m3.
Eine Berohrung mit einem Aussendurchmesser von 24 mm und einem Steg
von 8 mm ergibt etwa 85 m2/m3.
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Die mindestens eine Packungssäule 17 wird im
direkten Kontakt im Gegenstrom von erkaltetem Kondensat 24 und
der Dampf/Inertgasmischung 20, welche vom Luftkühler 6 über die
Saugleitung 19 in den unteren Teil der Vorrichtung 15 eingebracht
wird, durchströmt.
Aufgrund des Direktkontaktes und der grossen Oberfläche der
Packung, die zu hohe Verweilzeiten und Verwirbelungen führen, wird
der Wärmeübergang
wesentlich verbessert. Es kommt daher zur Kondensation eines Teils
des Dampfes in der Dampf/Inertgasmischung 20. Durch die
Reduktion des Dampfanteiles wird der Gesamtmassenstrom der Dampf/Inertgasmischung 20 reduziert,
der über die
Saugleitung 21 dem Saugeraggregat 22 zugeführt wird.
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In einem Beispiel wurde ermittelt,
dass der Volumenstrom sich um 35–45 % reduzieren lässt, wodurch
der Druckverlust in der Saugleitung 21 um mehr als die
Hälfte
verringert ist. Der Druckverlust über die Packung ist bei einem
Belastungsfaktor von 1.72 am Sumpfende der Packung weniger als 1 mbar.
Durch eine Erhöhung
des Verhältnisses
von Flüssigkeitsvolumenstrom
(kaltes Kondensat 24) zu Gegenvolumenstrom (Dampf/Inertgasmischung
24) lässt
sich die Volumenreduktion noch verbessern.
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Durch eine Änderung des kalten Wasserstromes
und/oder seiner Temperatur lässt
sich die Zusammensetzung der Mischung sauber steuern.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt. Beispielsweise
kann die Vorrichtung 15 auch innerhalb des Kondensators 1 angeordnet
sein, falls genügend
Platz vorhanden ist, oder man kann aufgrund der Vorrichtung 15 ganz
auf den internen Luftkühler 6 im
Kondensator 1 verzichten. Ausser Packungssäulen 17 sind
als Vorrichtungen 15 auch vorteilhaft Bodenkolonnen, Stufenkolonnen
oder einfach Sprühvorrichtungen
einsetzbar. Ausserdem kann anstelle des Plattenwärmeübertragers auch ein Röhrenwärmeübertrager
im System angeordnet sein.
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Folgende Vorteile ergeben sich beim
Einsatz der Erfindung:
- – Verbesserung der Saugkapazität, speziell
bei umgerüsteten
Kondensatoren, wenn die bestehenden Saugeraggregate für den neu
eingestellten Druck und die aktuelle thermische Leistung nicht mehr
ausreichend sind. Die Anwendung dieses Konzeptes stellt eine technisch
und wirtschaftlich günstigere
Alternative zum Ersatz/zur Umrüstung
des Saugeraggregates dar.
- – Verschiebung
des „cut-off"-Kondensatordruckes zu
tieferen Teillastwerten
- – Reduzierung
des Kreislaufwasserverlustes durch Absaugung
- – Ergänzung und/oder
teilweiser bzw. vollständiger
Ersatz des internen Luftkühlers
des Kondensators
- – Verringerung
des Druckverlustes über
die Saugleitung durch Reduktion des Volumenstromes des Gasgemisches
- – Gewinnung
von Abstand von der Kavitationsgrenze von Wasserringpumpen und Wasserstrahlsaugern
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- 1
- Kondensator
- 2
- Kondensatorhals
- 3
- Dampfdom
- 4
- Kondensationsraum
- 5
- Kondensatorrohre
- 6
- Luftkühler
- 7
- Eintrittswasserkammer
- 8
- Austrittswasserkammer
- 9
- Kondensatsammelbehälter
- 10
- Erste
Kondensatleitung
- 11
- Kondensatpumpe
- 12
- Zweite
Kondensatleitung
- 13
- Röhren- oder
Plattenwärmeübertrager
- 14
- Dritte
Kondensatleitung
- 15
- Vorrichtung
zur Direktkontaktkondensation
- 16
- Drosselvorrichtung
- 17
- Packungssäule
- 18
- Syphon
- 19
- Saugleitung
- 20
- Dampf/Inertgasgemisch
- 21
- Saugleitung
- 22
- Saugeraggregat
- 23
- Flüssigkeitsverteilvorrichtung
- 24
- Kaltes
Kondensat
- 25
- Turbinenabdampf
- 26
- Kühlwasser
- 27
- Blende