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Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung des Einfrierens von Wärmeaustauschern
bei Frostgefahr Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhinderung
des Einfrierens eines mit einem Mischkondensator über Rohrleitungen in Verbindung
stehenden Wärmeaustauschers während einer bei Frostgefahr erfolgenden Inbetriebnahme
der Anlage.
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Es ist bekannt, in Dampfkraftanlagen Mischkondensatoren zu verwenden,
in welchen der Abdampf mittels des als Kühlwasser dienenden Kondensats niedergeschlagen
und das dabei aufgewärmte Kondensat in einem geschlossenen System mittels der atmosphärischen
Luft rückgekühlt wird. Diese Rückkühlung erfolgt in der Regel in Kühlsystemen oder
Luftkondensationsanlagen, die aus dünnwandigen Rohren mit Kühlrippen bestehen. Das
Kühlwasser wird in den Rohren im Kreislauf umgewälzt, wobei die zu kühlenden Flächen,
d. h. die Rohroberflächen und Rippen, mittels eines Luftstromes bestrichen werden,
der entweder durch einen Ventilator oder durch natürlichen Zug bewirkt wird.
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Da bei Luftkondensationsanlagen dieser Art verhältnismäßig sehr große
Wärmemengen bei sehr geringen Temperaturunterschieden und Ventilatorleistungen der
atmosphärischen Luft mitzuteilen sind, werden zwischen Kühlwasser und Luft sehr
ausgedehnte Wärmeaustauschflächen erforderlich. Um diese möglichst gering zu halten,
wird die spezifische Kühlleistung der Wärmeaustauscher durch Verwendung von zahlreichen
dünnwandigen Rohren aus Aluminium erhöht. Die Erhöhung der spezifischen Kühlleistung
bedeutet aber eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Umgebungstemperaturen,
so daß bei Luftkondensationsanlagen, die an Stellen errichtet werden, wo die Temperatur
im Laufe des Jahres zeitweise unter den Gefrierpunkt sinken kann, eine Gefahr des
Gefrierens des Kondensats in den dünnwandigen Rohren der Wärmeaustauscher besteht.
Die Gefahr des Gefrierens kann aber nicht nur beim Sinken der Außentemperatur eintreten,
sondern auch durch Änderungen der Betriebsverhältnisse selbst, z. B. beim Ausfall
eines Generators und die hiermit verbundene Leistungsabnahme der den Generator antreibenden
Turbine, oder durch Stromausfall irgendeiner Art herbeigeführt werden. In derartigen
Fällen wird die in den mit Rippen reichlich versehenen Rohren befindliche geringe
Wassermenge innerhalb einer Minute einfrieren, was einer Zerstörung des betreffenden
Wärmeaustauscherteiles gleichkommt. Dieselbe Gefahr besteht, wenn das Kraftwerk
z. B. bei kaltem Wetter in Betrieb gesetzt werden soll. Gelangt das Kondensat dann
bei ungenügend hoher Temperatur in die Kühlanlage, so kann es gefrieren und die
Wärmeaustauscher der Anlage zerstören. Ein Gefrieren des Kondensats in den Rohren
der Wärmeaustauscher kann aber auch durch Stockungen des Kondensats in den Rohren
verursacht werden, die durch Ansammlung von Luft insbesondere in den Sammelkästen
der Kühlaggregate bedingt sein können.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der obenerwähnten Schwierigkeiten
und die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der beschriebenen Art,
mit deren Hilfe eine Luftkondensationsanlage selbst bei sehr kaltem Wetter ohne
die Gefahr des Gefrierens des Kondensats in den Rohren der Wärmeaustauscher betrieben
werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Wasser zunächst
bei abgeschaltetem Wärmeaustauscher vom Mischkondensator über die Rohrleitungen
und wieder zurück zum Mischkondensator so lange im Kreislauf geführt wird, bis es
eine so hohe Temperatur erreicht hat, daß es während des unter gleichzeitigem Entlüften
von unten her erfolgenden Auffüllens des Wärmeaustauschers in diesem nicht gefrieren
kann. Es ist dabei zweckmäßig, die Kühlelemente des Wärmeaustauschers, die während
des Betriebes hintereinandergeschaltet sind, zum Füllen in an sich bekannter Weise
durch Umschalten von
Ventilen parallel zu schalten. Ein derartiges
Verfahren verhütet demnach das Gefrieren des Kondensats in den Rohren der Wärmeaustauscher
bei Inbetriebsetzung der Anlage. Um bei plötzlich eintretenden Temperaturabnahmen
einem Gefrieren des Kondensats vorzubeugen, kann nun eine Vorrichtung zum Ausüben
des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, bei der die Sammelkästen der
Kühlelemente gemäß der Erfindung über Drosselleitungen mit dem Mischkondensator
verbunden sind. Dann kann nämlich das Kondensat aus den Rohren der Wärmeaustauscher
rasch abgeführt werden, so daß die Rohre bereits leer stehen, bevor das Kondensat
in ihnen eine Temperatur unterhalb oder in der Nähe des Gefrierpunktes hätte annehmen
können. Wird die Vorrichtung auch mit einer Drosselleitung ergänzt, die vom oberen
oder unteren oder beiden Sammelkästen der Kühlaggregate zum Mischkondensator der
Dampfturbinenanlage führt, so ist auch dafür gesorgt, daß eine Stockung der Kondensatsströmung
an den genannten empfindlichen Stellen der Kühlaggregate nicht eintreten kann.
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Der Erfindung liegt demnach der Gedanke zugrunde, daß zwecks Vermeidung
des Gefrierens des Kondensats in den Rohren der Wärmeaustauscher diese von den Zuleitungen
abgeschaltet werden, und das Wasser im Rest des Systems aufgewärmt wird. Dies wird
so lange fortgesetzt, bis die Temperatur des aufgewärmten Kondensats ausreicht,
ein Gefrieren in den Rohren der Wärmeaustauscher selbst bei kältestem Wetter zu
verhüten. Diese Erkenntnis brachte ein vollständig unübliches Verfahren mit sich,
da auf die angeregte Weise eine außerordentlich große Menge von Kühlwasser durch
Erwärmung gleichsam »verdorben« wird. Es hat sich aber gezeigt, daß dieses willkürliche
»Verderben« des Kühlwassers bei Luftkondensationsanlagen der beschriebenen Art weitaus
wirtschaftlicher ist als die üblichen an sich bekannten Methoden der Verhütung des
Gefrierens bei Frostgefahr.
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Wie bekannt, werden nämlich bei den bekannten Luttkondensationsanlagen
bei kaltem Wetter die Wärmeaustauscher aus dem Strömungsweg der Kühlluft z.
B. mittels Jalousien, Rolladen usw. ausgeschaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist aber dem Bekannten weit überlegen, weil einerseits die Ausschaltung der Wärmeaustauscher
aus dem Strömungsweg der Kühlluft bei den Ausdehnungen der Luftkondensationsanlagen
von hoher Leistung sehr kostspielige Vorrichtungen der beschriebenen Art erforderlich
macht und andererseits diese mechanischen Vorrichtungen zum vollkommen zuverlässigen
Verhüten des Gefrierens doch nicht geeignet sind. Die Lösung der Aufgabe wird dabei
gleichsam von außen her versucht. Aber selbst das Fehlerhaftwerden eines einzigen
Rohres zieht bereits die Notwendigkeit des Austausches des das betreffende Rohr
enthaltenden gesamten Wärmeaustauschers nach sich, was bei den Hochleistungsanlagen
der zeitgemäßen Kraftwerke weitaus höhere Auslagen bedingt als das erwähnte »Verderben«
des Kühlwassers.
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Bezüglich der Entlüftung von Stellen, an denen eine Ansammlung von
Luft Stockungen in der Umwälzung des Kondensats. und somit ein Gefrieren desselben
in den entsprechenden Rohren des Wärmeaustauschers herbeiführen kann, sei darauf
hingewiesen, daß es bereits bekannt war, eine Entlüftung von den oberen Sammelkästen
zum Kondensator vorzunehmen. Bei der Erfindung handelt es sich aber um die Entlüftung
insbesondere des unteren Sammelkastens, wo die Ansammlung von Luft für die oberhalb
dieser Luftansammlung befindlichen Rohre des Wärmeaustauschers zerstörend sein könnte.
Es ist auch vorgeschlagen worden, die Entlüftung des Kondensats in dem Kondensator
der Anlage vorzunehmen, wobei ein Gasraum mit dem Kondensatorraum verbunden wird.
In diesem Fall ist die Arbeitsweise periodisch, d. h., Entlüftungswege werden nur
geöffnet, wenn der Rauminhalt des Gasraumes zugenommen hat. Dies bedingt aber einen
wohlbestimmten Gasraum, der bei den Kondensationsanlagen der erfindungsgemäßen Art
fehlt. Es gibt hier in der unteren Wasserkammer eben keinen Dampfraum, so daß zwecks
Entlüftung nicht ein Gemisch von Luft und Wasserdampf, sondern von Luft und Kühlwasser
abgesaugt wird, was bisher nicht der Fall war.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
erläutert, deren F i g. 1 und 2 je ein Ausführungsbeispiel einer zum Ausüben des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung schaltungsmäßig darstellen.
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Gleiche Bezugszeichen weisen auf ähnliche Einzelheiten hin.
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Wie aus F i g. 1 hervorgeht, besteht die Vorrichtung im engeren Sinne
des Wortes aus Rohrsträngen 28 und 30, die mit Kühlrippen ausgerüstet
zwischen einem oberen Sammelkasten 29 bzw. gruppenweise je einem unteren
Sammelkasten 27 und 31 angebracht sind und mit diesen ein Kühlaggregat oder
Kühlelement bilden. Der Sammelkasten 27 schließt sich über ein Ventil 14 an eine
Zuleitung 25 an, in der eine Pumpe 26 vorgesehen ist. Eine andere Zuleitung
34 befindet sich zwischen dem unteren Sammelkasten 31 und einer Gruppe von
Düsen 10,
die in den Dampfraum eines Mischkondensators 9
ausmünden.
Der Abdampf einer Dampfturbine der Kraftanlage gelangt über einen Abdampfstutzen
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der Dampfturbine in den Mischkondensator 9 derselben. Der Kühlkreis
der Luftkondensationsanlage schließt sich über eine Zuleitung 11, an die
auch eine Rohrleitung 24 mit einer Umwälzpumpe 12 angeschlossen ist.
In der Kondensationsanlage selbst können beide Rohrstränge 28, 30 über ein
Ventil 17
in einer Verbindungsleitung zwischen den Zuleitungen 25 und 34 kurzgeschlossen
werden. Der Wärmeaustauscher 3, der aus den Rohrsträngen 28, 30 und den Sammelkästen
27, 29, 31 besteht, kann mittels Ventile 14 bzw. 13 in den Zuleitungen 25
bzw. 34 aus dem Strömungsweg des Kondensats ausgeschaltet werden. Ein Ventil
16 in einer Verbindungsleitung zwischen den Zuleitungen 25 bzw.
34 oberhalb der Ventile 14 bzw. 13 gestattet das Auffüllen des Wärmeaustauschers
3 von unten. Ein Ventil 15
in einer an die das Ventil 16 enthaltende
Zuleitung angeschlossenen Rohrleitung 19 gestattet, das Kühlwasser aus beiden
Rohrsträngen 28, 30 und Sammelkästen 27, 29, 31 bei geschlossenen Ventilen
13 und 14 über das Ventil 16 in ein Sammelbecken 21 abzulassen.
Ein Ventil 18 in einer an den oberen Sammelkasten 29 angeschlossenen Rohrleitung
wird beim Entlüften des Wärmeaustauschers 3 geöffnet.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
arbeitet wie folgt:
Im normalen Betrieb sind die Ventile 15, 16,
17 und 18 geschlossen, während die Ventile 14 und 13 offen sind. Der Abdampf der
Turbine der Kraftanlage entweicht über den Abdampfstutzen 8 in den Dampfraum des
Mischkondensators 9. Hier wird der Dampf durch das über die Düsen 10 zugeführte
Kühlwasser niedergeschlagen. Das mit dem Kühlwasser vermischte Kondensat gelangt
über die Zuleitung 11 in den Wirkungsbereich der beiden Umwälzpumpen
12 und 26. Ein geringer Teil des Kondensats wird durch die Umwälzpumpe
12 über die Rohrleitung 24 in den Dampfkessel der nicht dargestellten Kraftanlage
zurückbefördert. Ein größerer Teil dieser Mischung dient aber als Kühlwasser und
wird zwecks Rückkühlung im Wärmeaustauscher 3 durch die Pumpe 26 im geschlossenen
System 25, 27, 28, 29, 30, 31, 34, 10, 9, 11 umgewälzt, dabei im Wärmeaustauscher
3 abgekühlt und über die Zuleitung 34 und die Düsen 10 in den Mischkondensator 9
zurückbefördert, wo das rückgekühlte Kondensat von neuem zum Niederschlagen von
Abdampf verwertet wird.
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Soll die Anlage bei kaltem Wetter in Betrieb gesetzt werden, so besteht
zunächst die Gefahr, daß das noch kalte Kondensat im Wärmeaustauscher 3 der niedrigen
Außentemperatur ausgesetzt, in den Rohrsträngen 28 und 30 gefriert
und hierdurch den Wärmeaustauscher 3 zerstört. Um dies zu verhüten, werden die Ventile
13 und 14 geschlossen, das Ventil 17 geöffnet, und das Kondensat im Kreislauf 25,
17, 34, 10, 9, 11 durch die Pumpe 26 zum Umwälzen gebracht. Das mit dem Abdampf
im Mischkondensator 9 in Berührung gelangende Kondensat wird allmählich erwärmt,
wobei es eine Temperatur erreicht, bei welcher die Gefahr des Gefrierens des Kondensats
beim Eintritt in die Rohrstränge 28, 30 bereits nicht mehr besteht. Dann wird das
Ventil 17
geschlossen und die Ventile 16 und 14 geöffnet. Nun strömt das Kondensat
in den Rohrsträngen 28 und 30 aufwärts, schickt die im Wärmeaustauscher 3
befindliche Luft durch das offene Ventil 18 vor sich hinaus und erreicht
die Umkehrkammer 29. Dann werden die Ventile 18 und 16 geschlossen, und das Ventil
13 geöffnet, wobei das Kondensat über das geöffnete Ventil 13 und die Zuleitung
34 in den Mischkondensator 9 zurückfließt. Somit beginnt der normale Betrieb der
Anlage.
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Tritt die Notwendigkeit einer unverzüglichen Entleerung des Wärmeaustauschers
3 auf, weil - bei kaltem Wetter - z. B. wegen Stromausfall die Umwälzpumpe 26 zum
Stillstand kommt oder wegen Abnahme der Belastung eines durch die Turbine angetriebenen
Generators der letztere plötzlich derart geringe Abdampfmengen liefert, daß diese
zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Mindesttemperatur des Kondensats nicht
mehr ausreicht, so werden die Ventile 13 und 14 geschlossen und die Ventile
15, 16 und 18 geöffnet. Dies bedeutet, daß die im Wärmeaustauscher 3 befindliche
Kühlwassermenge über die Ventile 16 und 15 in der Zuleitung 19 in den Sammelbecken
21 abgelassen wird.
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Soll die Kühlanlage wieder in Betrieb gesetzt werden, so erfolgt dies
auf die bereits beschriebene Weise. Nachdem zuerst das im kurzgeschlossenen Kreislauf
umgewälzte Kondensat die hierzu erforderliche Temperatur erreicht hat, werden die
Ventile 15 und 17 wieder geschlossen und das Ventil 14
geöffnet. Nun
strömt das Kondensat zunächst in beide Sammelkästen 27 und 31, nach deren Auffüllung
es über die Rohrstränge 28, 30 in den oberen Sammelkasten 29 steigt; wobei
die im Wärmeaustauscher befindliche Luft durch die steigende Flüssigkeit aufwärts
getrieben wird. Ist das Kondensatniveau so weit gestiegen, daß das Kondensat bereits
nach Verlassen des Ventils 18 am oberen Ende der dieses Ventil enthaltenden Entlüftungsleitung
überläuft, so bedeutet dies eine vollständige Entlüftung der Anlage bzw: des Wärmeaustauschers
3. Nun kann wieder auf normalen Betrieb übergegangen werden, wozu die Ventile 16
und 18 geschlossen werden und auch das Ventil 13 geöffnet wird. Eine nicht
dargestellte Pumpe fördert das Wasser inzwischen vom Behälter 21 in den Mischkondensator
9.
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F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das mit Drosselleitungen 39
bzw. 40 vom oberen und dem unteren Sammelkasten 29 bzw. 31 zum Mischkondensator
9 ausgerüstet ist. Der Anschluß erfolgt über eine Rohrleitung 41, in der ein Ventil
44 vorgesehen ist. Die Drosselung wird durch Drosselscheiben 42 bzw.
43 in den Drosselleitungen 39 bzw. 40 erreicht. Das Ventil
44 dient dazu, das Eindringen von Luft in den unter Unterdruck stehenden Mischkondensator
zu verhindern, wenn die Anlage entleert wird und zu diesem Zweck das Ventil
18
offen steht. Wird das Ventil 44 geschlossen, so besteht zwischen dem Unterdruckraum
des Mischkondensators 9 und dem Wärmeaustauscher 3 keine Verbindung mehr, über welche
Luft in den Mischkondensator 9 gelangen könnte. Die Drosselleitungen 39 und 40 werden
vorteilhaft an höchste Stellen der Sammelkästen 29 bzw. 31 angeschlossen, wie dies
in der Zeichnung dargestellt ist.
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Da beim Auffüllen der Anlage mit Kühlwasser im Mischkondensator 9
bereits ein Unterdruck herrscht, der während der Inbetriebsetzung der Dampfturbine
noch zunimmt, entsteht in den Drosselleitungen 39, 40 und in der Rohrleitung 41
eine Strömung des Kondensats von den Sammelkästen 29 bzw. 31 zum Mischkondensator
9 hin. Befindet sich in den Sammelkästen 29 bzw. 31 Luft, so wird diese mit dem
Kondensat mit in den Mischkondensator 9 befördert, wo sie durch die Vakuumpumpe
des Mischkondensators abgesaugt und in die Atmosphäre zurückbefördert wird. Nach
Entfernung der Luft wird ein ständiges Strömen von Kühlwasser, d. h. Kondensat,
zum Mischkondensator einsetzen. Dies verhindert, daß während des Betriebes erneute
Luftmassen in den Sammelkästen 29, 31 angesammelt werden. Die Drosselscheiben 42
bzw. 43 bewirken dabei, daß die Menge des über die Leitungen 39, 40, 41 strömenden
Wassers auf einen konstanten und sehr geringen Wert eingestellt werden können, da
sie bekanntlich in der Zeiteinheit rauminhaltlich in der Größenordnung mehr Luft
als Wasser durchlassen. Das über die Rohrleitung 41 dem Mischkondensator
9 zugeführte Wasser wird dort ebenfalls zum Niederschlagen des aus der Turbine
kommenden Abdampfes verwendet werden. Somit bedeutet diese Wassermenge nur insofern
einen verhältnismäßig geringen Verlust, weil sie zum Teil nicht vollständig abgekühlt
ist.