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Wärmetauscher, insbesondere Speisewasser-Vorwärmer Die Erfindung betrifft
Warmetauscher, bei denen ein fluid durch eine größere Anzahl parallel geschalteter
Rohre strömt, welche in zwei Rohrböden befestigt sind, während das zweite fluid
um die Rohre fließt.
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Derartige Wärmetauscher werden auch häufig mit nur einer Rohrplatte
ausgeführt und mit haarnadelförmig gebogenen Rohren verstehen, durch welche das
erste Fluid in zwei, vier oder mehr Duchflußwegen strömt.
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Derartige Wärmetauscher finden in Dampfkraftwerken als Vorwärmer für
das Speisewasser von Kesseln bei fossil gefeuerten Anlagen und als Vorwärmer für
das Speisewasser von Druckwasser-Reaktoranlagen sowie als solche für Reaktor-Kühlwasser
bei Siedewasser-Reaktoranlagen Verwendung.
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Bei Kraftwerksblöcken großer Leistung, insbesondere bei den beiden
letztgenannten Verwendungszwecken hat sich gezeigt, daß bei der bekannten Bauweise
mit nur einer Rohrplatte diese mit der zugehörigen Wasserkammer ein sehr schweres,
aufwendiges Bauteil bildet, da Rohrplattendurchmesser von mehr als zwei Metern bei
beträchtlicher Wandstärke nicht selten sinl. Derartige Materialanhäufungen sind
deshalb besonders nachteilig, weil die beiden Extremtemperaturen des durch die Rohre
strömenden Fluids am gleichen Bauteil, das heißt an Rohrplatte und Wasserkammer,
in unmittelbarer Nachbarschaft wirken können.
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Da beim praktischen Kraftwerksbetrieb ein Turbinenschnellschluß nicht
nur unvermeidlich ist, sondern als notwendige Sicherheitsmaßnahme planmä.'3ig öfter
geprobt wird, muß also mit einem plötzlichen Schließen der Dampfentnahmen der Turbine
gerechnet werden, wodurch bei den nachgeschalteten Vorwärmern eine sehr rasche Temperaturabsenkung
des durch die Rohre strömenden fluids eintritt, die hundert Grad Celsius und mehr
betragen kann. Da die Wasserkammern und Rohrplatten langsamer abkühlen als die relativ
dünnwandigen Rohre, treten in den erstgenannten Bauteilen Wärmespannungen auf, die
die netriebssicherheit der Kessel- oder Reaktoranlagen und der Turbinen entscheidend
tangieren.
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I.s besteht nun die Möglichkeit, die Vorwärmeranlagen in zwei oder
drei parallele ;tränke aufzuteilen, um die Rohrplatten- und Wasserkammerabmessungen
zu
verringern. Man macht davon auch weitgehend Gebrauch, jedoch wird man wegen des
Kosten- und l'latzaufwandds kaum huber drei Parallelstränge hinausgehen. Die vorgenannten
Rohrplattenabmessungen beziehen sich jedoch bereits auf eine derartige Aufteilung.
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Es ist bekannt, anstatt zwei Vorwärmer parallel als Einzelapparate
anzuordnen, diese mit einer zentralen, gemeinsamen Wasserkammer zusammenzufassen.
Jedoch wird bei dieser Maßnahme d'Is hauptproblem daß die beiden möglichen Extremtemperaturen
des durch die Rohre strömenden Fluids in unmittelbarer Nachbarschaft nicht auftreten
sollten, nicht gelöst, selbst wenn man erst eines der beiden Rohrsysteme, welches
aus haarnadelförmig gebogenen Rohren gebildet wird, und darauf das zweite gleichartige
System durchströmen läßt.
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Es wäre nun denkbar, einen Vorwärmer mit zwei, an jedem Ende des Dampfmantels
angeordneten Rohrplatten und Wasserkammern vorzusehen und mit geraden Rohren auszurüsten.
Läßt man einen derartigen Apparat als Vorwärmer mit nur einem Durchflußweg arbeiten,
so hat er zwar ideale Temperaturbedingungen, jedoch ist seine J3aulänge bei einer
wirtschaftlichen Durchflußgeschwindigkeit so enorm, daß sich seine Einplanung und
Anwendung verbietet. Die Baulänge läßt sich bei einem derartigen Apparat durch Erhöhung
der Anzahl der Durchflußwege bei entsprechend wachsendem Durchmesser stufenweise
verringern. Da die Wasserwege jedoch nacheinander voin ständig wärmer werdenden
Fluid durchströmt werden, ist eine derartige Anordnung bei den hier vorliegenden
Temperaturen wegen der nicht möglichen Kompensation der Wärmedehnungen des Rohrsystems
nicht hetriebasicher.
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Bei den genannten-Anwendungsfällen hat sich zudem noch eine weitere
Schwierigkeit dadurch ergeben, daß der Entnahmedampf der Turbinen mit großem Nässe,gehalt
den Vorwärmern mit großer Geschwindigkeit zugeleitet ird und daß bei vielen Vorwärmerstufen
nicht nur die Kondensatmengen der Stufen mit höheren Dampfdrücken, sondern auch
noch die Fntwässerungskondensate bestimmter Turbinenstufen, sowie die kondensate
von dampfbeheizten Zwischenüberhitzern und mechanischen Nässeabscheidern eingeleitet
werden. Es ist möglich, derartige Kondensatmengen in besonderen Gefäßen zu entspannen
und nur die Dampfphase in den Vorwärmer einzuleiten. Neben dem apparativen Aufwand
entsteht dabei jedoch ein größerer Platzbedarf für diese Entspanner und ihre Anschlußrohrleitungen.
dieser Platzbedarf ist bei großen Kraftwerksblöcken sehr hinderlich, da im Turbinenbereich
wegen
der großen Entnahmeleitungen ein Planungsengpaß besteht. Sind nun, wir bei Anlagen
mit Siederwasserreaktoren auch noch besondere Abschirmmaßnahmen notwendig, so wird
ein zunätzlicher Platzaufwand recht kostspielig und ist nur schwer realisierbar.
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Integriert man die Entspanner in die Vorwärmer, indem man den Dampfmantel
entsprechend verlängert, so werden die Verhältnisse bezüglich des Platzbedarfes
gebessert, jedoch müssen die großen Dampfvolumina von nur einer Richtung her dem
Rohrsystem zugeführt werden und benötigen entsprechend große Strömungsquerschnitte
innerhalb des Dampfmantels.
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Schließlich hat es sich gezeigt, daß besonders bei den unteren Vorwärmerstufen
von Siederwasser-Reaktoranlagen die erforderliche Wärmetauschfläche für die Unterkühlung
des Kondensates etwa so groß oder sogar größer als die Vorwärmefläche sein muß.
Die Anordung eines getrennten Kondensatkühlers ist jedoch mit größerem Platz- und
Kostenaufwand verbunden, als die Verwendung eines Apparates, welcher beide Wärmetauschsysteme
in sich vereinigt.
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Bei den bekannten Bauarten macht die Gestaltung einer derartigen Kombination
wegen der Aufteilung der Gesamtfläche des @aarnadelförmigen Rohrsystems mit vier
oder sechs Durchflußwegen erhebliche Schwierigkeiten, da man ohne besondere Maßnahmen
nur Flächenanteile von z.B.
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einem Viertel oder einem Sechstel der Gesamtfläche auschotten, überfluten
und auf diese Weise als eingebaute Kondensatkühlzone verwenden kann. Wenn @an andere
Flächenanteile ben@tigt, so muß man das optimale Gegenstromprinzip verlassen und
einen Speisewasserteilstrom für die Kondensatkühlzone verwenden, wodurch thermod@namische
Nachteile mit entsprechend größerem Flächenaufwand unvermeidlich sind.
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Es sind auch Konstruktionen bekannt, bei denen zur optimalen Bemessung
einer Kühlzone der entsprechende Flächenanteil am unteren Teil des haarnadelförmigen
Rohrsystems durch eine senkrechte Zwischenwand nebst einer entsprechenden Ummantelung
eine genau bemessene Kühlzone im Gegenstrom zum Speiscwasserfluß gebildet wird.
Eine derartige Zwischenwand ist jedoch an der außenseite der Rohre nicht völlig
abzudichten. Daher wird durch die Spalte Dampf in die Kondensatkühlzone einströmen,
dort kondensieren und neben dem dadurch bedingten thermodynamischen Nachteil Kavitations-
oder Erosionskorrosionsangriffe hervorrufen.
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Es ist eine Vorwärmerkonstruktion bekannt, welche zwei Rohrböden mit
Wasserkammern besitzt, bei der sowohl das Rohrsystem wie auch der Dampfmantel eine
U-förmige Gestalt haben. Bei dieser Bauweise ist das Temperaturproblem bei zwei
Strömungswegen durch die Rohre gelöst, auch ist der Einbau einer Kondensatkühlzone
passender Größe in gewissen Grenzen auf einfache Weise möglich, wenn man ungleich
lange U-Schenkel vorsieht. Jedoch ist der Dampfmantel wegen seiner räumlich gekrümmten
Flächen nur schwierig und teuer herzustellen und muß teilweise erst nach der kertigstellung
angeschweißt werden, wodurch Mehrkosten für trveits- und Prüfaufwand entstehen.
Außerdem ist die U-förmige Gestalt unvorteilhaft im Hinblick auf den Platzbedarf,
weil der Raum zwischen den beiden Schenkeln des U-fnrmigen Dampfmantels ungenutzt
bleibt.
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Die geschilderten Nachteile vermeidet die Erfindung dadurch, daß an
jedem Ende des Dampfmantels in an sich bekannter Weise je eine Rohrplatte und Wasserkammer
angeordnet sind, wobei jedoch in jeder dieser Rohrplatten nur ein Teil des Rohrsystems
in haarnadelförmiger Ausführung befestigt und ein anderer Teil treppenförmig gestaltet
in jeder der beiden Rohrplatten mit einem Ende befestigt ist.
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Dadurch ist es möglich, erforderlichenfalls zwischen den Enden der
beiden haarnadelförmigen Rohrsysteme den notwendigen l-latz freizulassen, um eine
Nässeabscheidevorrichtung fiir den Turbinenentnahmedampf anzuordnen, außerdem oder
auch stattdessen einen Ausdampfraum für die Einleitung von höher gespannten Kondensaten
vorzusehen, ohne daß die zylindrische orm des Wärmetauschers dadurch nachteilig
verändert wird. Weiterhin besteht dabei der Vorteil, daß die Zuführungsstutzen für
Dampf und Kondensate etwa in der Mitte des Apparates angeordnet werden können, so
daß dann jeweils nur etwa die halbe )amnfmenge nach jeder Seite strömt, wobei entsprechend
kleinere rtrömungsquerschnitte ausreichen. Weiterhin ist es möglich, je nach. Bedarf,
entweder den unteren Teil des treppenförmigen Rohrsystems oder eines der haarnadelförmigen
Rohrsysteme als Kondensatkühlzone im Gegenstrom zu verwenden. Da die Einzellängen
der Rohrsysteme bzw. ihrer Teile in gewissen grenzen frei wählbar sind, ist es I,ei
Wärmetauschern nach der rfindun möglich, den jeweils erforderlichen Flächenteil
der Kondensatkiihlzone genau zu bemessen. Dabei sind Zwischenwände mit ihren bekannten
Nachteilen nicht erforderlich.
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Es ist möglich, Wärmetauscher nach der Erfindung mit einer geraden
oder einer ungeraden Zahl von Speisewasserwegen durch die Rohre auszurüsten.
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Im letztgenannten Fall tritt dabei unmittelbar die gewünschte Wirkung
ein, daß die Extremtemperaturen des durch die Rohre strömenden Fluids nicht in unmittelbarer
Nachbarschaft an einer der beiden Rohrplatten auftreten können. bei einer geraden
Zahl von Speisewasserwegen ist es nach der Erfindung zweckmäßig, einen dieser Durchflußwege
durch eine oder mehrere interne oder externe Speisewasserleitunen zwischen den beiden
Rohrplatten zu bilden. Dabei bleibt die freie Dehnfähigkeit aller druckführenden
Bauteile erhalten, beide Speisewasserstutzen sind an einer der beiden Wasserkammern
angeordnet und es ist gemäß der Erfindung dabei möglich, durch geeignete Leitungsführung
zu erreichen, daß in dieser Wasserkammer die Extremtemperaturen nicht nebeneinander
auftreten.
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Wärmetauscher nach der Erfindung können schließlich auch so gestaltet
werden, daß zwei, nur um den Bruchteil einer Atmosphäre sich unterscheidende Drücke
in einem Apparat verwendet werden. Dabei werden die Räume verschiedenen Druckes
durch eine senkrechte Trennwand abgeteilt, wobei der Druckausgleich durch unterschiedliche
Stauhöhe des Kondensates an jeder Seite der Trennwand erfolgt, die an ihrer Unterseite
eine Oeffnung zum Überströmen des Kondensates besitzt. I)abei ist es zweckmäßig,
den Kondensatanstau als Kühl zone auszunutzen.
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Bei Wärmetauschern nach der Erfindung werden durch die Verwendung
von je zwei Rohrplatten und Wasserkammern deren Abmessungen und damit die Materialanhäufungen
gegeniiber apparaten mit nur einer rohrplatte und assrkamer entscheidend verringert,
so daß diese neuen Wärmetauscher auch bei plötzlichen Temperaturänderungen eine
ausreichende Wärmeelastizität besitzen. So unterliegt z.B. jede Rohrplatte bei einem
Wärmetauscher nach der 1Erfindung, wenn er mit drei Speisewasserwegen ausgerüstet
ist, jeweils nur dem halben Temperaturintervall der (,esamten Aufwärmung, wobei
jede der Rohrplatten und Wasserkammern etwa nur den O,-chen uurchmesser und die
0,7-fache Wandstärke, d.h. nur die halbe Massenanhäufung einer vergleichbaren Konstruktion
mit nur einer Rohrplatte und Wasserkammer besitzt. Somit sind die auftretenden Spannungen
bei einer Temperauranderung bei Wärmetauschern nach der Erfindung nur etwa ein Viertel
so groß, wie bei solchen der bekannten Bauweise mit nur einer Rohrplatte und Wasserkammer.
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Die Erfindung ist an drei beispielen näher erläutert. Dabei sind in
den Fig. 1 bis 6 und 8 Schnitte durch Wärmetauscher in teilweise vereinfachter,
schematischer Art gezeigt.
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In Fig. 1 ist der Längsschnitt durch einen Vorwärmer gezeichnet, von
dem in Fig. 2 der schnitt II-II und in Fig. 3 der schnitt III-III dargestellt sind,
wobei gleiche Teile gleiche Bezugszeichen erhalten haben. Die wärmetauschenden Rohre
sind in allen Figuren der Übersichtlichkeit halber als einfache Linien gezeichnet.
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Der Dampfmantel 1 in Fig. 1 ist an seinen Enden durch die Rohrplatten
2 und 3 verschlossen, an die sich die Wasserkammern 4 und 5 mit den Deckeln 6 und
7 anschließen. Die Wasserkammern 4 und 5 besitzen Innenrippen 8 und 9. In die Wasserkammer
4 tritt durch den Stutzen 10 in Pfeilrichtung das Speisewasser ein und fließt durch
die haarnadelfnrIg gebogenen Rohre 11 wiederum in diese Wasserkammer zuriick. Dann
gelangt es durch die treppenförmig gestalteten Rohre 12 zur Wasserkammer 5 und von
dort durch die haarnadelförmig gebogenen Rohre 13 schließlich zum Austrittsstutzen
14, den es in Pfeilrichtung verläßt.
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Der Turbinenentnahmedampf strömt in Pfeilrichtung durch den Stutzen
15 in den Mantelraum des Vorwärmers und gelangt in eine @ockenvorrichtung 16. Der
Dampf kondensiert an den Rohren 12 und 13. Die abgeschiedene Nässe gelangt durch
die Öffnung 17 in der Dampftrockeneinrichtung 16 in den Hotwell 18, in welchen sich
auch das lleizdampfkondensat sammelt. Diese Kondensate strömen durch die Leitung
19 außen um die Rohre des ltohrsystems 11, welches durch die Trennwände 20 unterteilt
und gegen den Dampfraum abgeschottet ist. Das gekühlte Kondensat verläßt den Vorwärmer
durch den Stutzen 21 in Richtung des Pfeils.
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Die hier geschilderte bauweise eines Vorwärmers nach der Erfindung
gestattet den Einbau einer großen Kondensatkühlzone 11 in Gegenstromanordnung. Sein
Dampfmantel 1 muß jedoch geteilt mit den Rohrplatten 2 und 3 nach Fertigstellung
der tohrsysteme 11, 12 und 13 verbunden werden. Daher eignet sic dieses Konzept
besonders für Vorwärmer mit niedrigen Dampfdrücken und großen Heizflächen.
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Um die Rohre 12 in einfacher Weise entsprechend den kreisabschnittförmigen
Anschlußflächen an den Rohrböden 2, 3 anschließen zu können, sind einzelne Rohre
?tn den i'iegungen 22 in eine entsprechende - ndere Ebene verlegt worden.
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In Fig. 4 ist ein Vorwärmer ebenfalls im Längsschnit dargestellt,
der für hohe Dampfdrücke besonders geeignet ist. In iG. 5 ist der Schnitt V-V, in
Fig. t der Schnitt VI-VI gezeigt. Der Dampfmantel 31 ist mit der Rohrplatte 32 direkt,
mit der etwas kleineren Rohrplatte 33 jedoch über einen Zwischenring 51 verbunden.
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Das Speisewasser gelangt durch den Stutzen 34 in Pfeilrichtung in
den Raum 35 der Wasserkammer und fließt durch die treppenförmigen Rohre 36 in den
Raum 37 der anderen Wasserkammer. Von dort aus ge-Hangt es nach Passieren der haarnadelförmigen
Rohre 38 in den Raum 39 der Wasserkammer zuriick und fließt nunmehr durch die beiden
Leitungen 40 mit den Krümmern 41 in den Rau.n 43 der Wasserkammer. Anschließend
wird das System aus den haarnadelförmigen Rohren 42 durchströmt, worauf das Speisewasser
schließlich durch den Stutzen 44 in Pfeilrichtung den Vorwärmer verläßt.
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Der Dampf tritt durch den Stutzen 45 in Pfeilrichtung in den Vorwarmer
ein. Ein Stutzen 46 ist fiir den 1?'intritt von höker gespanntn Kondensaten vorgesehen.
Das gesamte Kondensat sammelt sich im unteren Teil des Apparates, fließt dann um
einen Teil des Rohrsystems 36, weicher die Kondensatkühlzone bildet und durch eine
Trennwand 50 abgeteilt ist, zum Austrittsstutzen 47.
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Die Wasserkammern sind durch die Deckel 48 und 49 zugänglich. Der
Wasserspiegel des Kondensates wird in der Höhe 52 geregelt. Wesentlich ist es, daß
die Eintritts- und Austrittsstutzen des Speisewassers 34 und 44 nicht an unmittelbar
benachbarten Räumen der Wasserkammer angeschlossen sind. Da der Raum 43 dazwischen
angeordnet ist, wird bei i einer plötzlichen Temperaturänderung das Wärmegefälle
aufgeteilt, so daß unzulässig hohe Wärmespannungen an der Rohrplatte 32 und den
angeschlossenen Bauteilen nicht auftreten können i)ie Herstellung eines derartigen
Wärmetauschers kann so erfolgen, daß das gesamte Rohrsystem 36, 38, 42 mit den Rohrplatten
32, 33, den beiden "Wasserkammern und mit der Trennwand 50 fertiggestellt und geprüft
wird. Danach wird der Mantel 31 übergeschoben und an den Rohrplatten 32 bzw. 33,
an letzterer mit Hilfe des Zwischenringes 51, befestigt.
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In Fig. 7 ist das Schaltschema einer zweistufigen Speisewasservorwärmung
mit zwei verschiedenen Dampfdrücken gezeigt. Das Speisewasser tritt bei 61 in die
Kondensatkühlfläche 62 ein, fließt dann in die Vorwärmerheizfläche 63, die von dem
Dampfdruck 68 belauf schlagt wird, gelangt anschließend in die Kondensatkühlfläche
64 und von dort in die Vorwärmerheizfläche 65, die vom Dampfdruck 67, der etwas
höher als der Dampfdruck 68 ist, beheizt wird. Schließlich verläßt das Speisewasser
die Vorwärmstrecke in Pfeilrichtung 66.
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Die Kondensate des Dampfdruckes 67 fließen der Kondensatkühlfläche
64 zu und von dort über die Verbindung 69 in den Dampfraum an der Außenseite der
Vorwärmeheizfläche 65, an welcher der Dampfdruck 68 auftritt, Dabei dampft ein Tedl
des zuströmenden Kondensates durch Entspannung aus, wonach sich diese Teildampfmenge
zusammen mit dem Dampf vom Drucke 68 an der Außenseite der Vorwärmerheizflache 63
niederschlägt, Die gesamten Kondensate gelangen nun an die Außenseite der Rohre
der Kondensatkühlfläche 62, werden dort abgekühlt und treten in Pfeilrichtung 70
aus dem Vorwärmer aus In Fig. 8 ist schematisch ein Vorwärmer nac der Erfindung
dargestellt, der die Funktion der Yorwärmerstrecke nach der Fig. 7 erfüllt. Die
parallel geschalteten wärmetauschenden Rohre sind dabei als eine einzige Linie gezeichnet.
In Fig. 8 wurden gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 7 verwendet. Der Druckunterschied
der beiden Dampfdrücke 67 und 68 ist durch den Höhenunterschied der beiden Kondensatstände
71 und 72 gekennzeichnet, wenn m von Druckverlusten durch die Strömung absieht,
Das Kondensatniveau 72 kann so ge regelt erde, daß die an der Vorwärmerheizflache
65 mit dem höheren Dampfdr uck 67 sich bildenden Kondensa-tmengen durch die Öffnung
69 der Trennwand 73 hindurchtreten. Es ist nach der Erfindung auch möglich, neben
oder an Stelle der oeffnung 69 in der Trennwand.73 eine besondere Wasserschleife
74 zu verwenden, wodurch bei schwankenden Turbinenlasten verhindert wird, daß das
Kondensatniveau unter die Öffnung 69 der Trennwand 73 absinkt oder daß das Kondensatniveau
72 höher als erwünscht eingeregelt werden muß.