Einrichtung zur Kondensatabführung an Dampfkondensatoren-Wärmetauschern

Abstract

 Bei einer Kondensatentsorgungseinrichtung für temperaturgeregelte dampfbeaufschlagte Wärmetauscher, mit einer von einem Kondensataustritt des Wärmetauschers ausgehenden, über einen eine Entlüftungsvorrichtung aufweisenden Kondensatableiter führenden Kondensataustrittsleitung wird direkt in den Dampfraum, oder an eine in den Dampfraum mündende Rohrleitung ein nicht kondensierbares Gas mit größerer Dichte als Wasserdampf eingespeist.

Beschreibung

[0001] Dampfkondensatoren oder Wärmetauscher mit Sollwerten unter 100 °C werden für die höchstgeforderte Leistung ausgelegt und prozeßbedingt diskontinuierlich auch im ungünstigsten Wirkungsgrad betrieben. Diesbezügliche Anlagen dürfen nicht in den geschlossenen Teil eines Kondensatsystems entwässern. Der Grund dafür ergibt sich aus der Betrachtung der im Dampfraum eines temperaturgeregelten Wärmetauschers auftretenden Dampfdrücke. Temperaturregler stellen im Dampfraum des Wärmetauschers einen Dampfdruck her, der dem eingestellten Sollwert zugeordnet ist. Wenn der Sollwert auf 70 °C eingestellt ist, so wird bei einer bestimmten Wärmeabnahme die Temperatur des Heizmediums zum Beispiel 85 °C betragen. Das entspricht laut Wasserdampftafel einem Dampfdruck von P_abs = 0,6 bar. Im Dampfraum dieses Wärmetauschers herrscht also gegenüber dem atmosphärischen Luftdruck ein Unterdruck von 0,4 bar = 4 m Wassersäule. Bei Nullabnahme des Wärmetauschers kann die Temperatur des Heizmediums bis auf Sollwerttemperatur absinken, in unserem konkreten Fall also bis auf 70 °C. Das entspricht einem Absolutdruck des Dampfes von P_abs=. 0,3 bar oder einem Unterdruck von 0,7 bar = 7 m Wassersäule gegenüber dem Luftdruck. Das Kondensat im Dampfraum steht unter genau demselben Druck wie der Dampf. Es ist klar, daß dieses Kondensat keine Neigung verspürt, von alleine aus einem Raum niederen Druckes in einen mit höherem Druck oder gar in eine unter Überdruck stehende Kondensatleitung zu wandern. Die nach dem jetzigen Stand der Technik bekannte Möglichkeit, nämlich in den Dampfraum des Wärmetauschers über einen Vakuumbrecher Luft anzusaugen und den Kondensatableiter einige Meter unter dem Wärmetauscher anzuordnen, genau gesagt um mindestens die Wassersäule, die erforderlich ist, um den Arbeitsdruck des Kondensatableiters für die anfallenden Kondensatmengen des Prozesses herzustellen, ist keine befriedigende Lösung. Zu den diesbezüglichen Raumproblemen, die speziell bei nachzurüstenden Heizanlagen auftreten, sind zum Rückspeisen ins Kesselhaus jedoch teure Heberanlagen mit Pumpen und Zusatzenergie erforderlich. Ebenso kann das ständige Ansaugen von Atmosphärenluft Korrosionsschaden im Wärmetauscher und Kondensatnetz verursachen. Anstehend an diese Probleme wird Dampfkondensat gegebenenfalls ins Abwassernetz eingespeist. Die diesbezügliche Temperatur liegt meist über der Sollwerttemperatur des zu beheizenden Mediums und kann als aufbereitetes Kesselwasser Steinzeugrohre und Beton zerstören. Das sprunghafte Ansteigen von Heizkosten zur Dampferzeugung fordert eine unproblematische Technik, die bei geringen Investitionen den bestmöglichen Wirkungsgrad der diesbezüglichen Anlagen bewirkt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem man einen Teil des im Dampf mitgeführten Inertgases, zum Beispiel Luft,über die Kondensatentsorgung des Wärmetauschers in einem Behälter speichert, das bei Bedarf in den Dampfraum des Wärmetauschers gesaugt oder/und gedrückt wird, oder ein nicht kondensierbares Gas mit größerer Dichte als Wasserdampf in den Dampfraum eines Wärmetauschers,gegebenenfalls aus einem vorhandenen Betriebsnetz eingespeist wird. Die einströmende Luft ordnet sich nach den physikalischen Grundgesetzen - Wasserdampf ist leichter und Wasser schwerer als Luft - zwischen Dampf und Kondensat ein und bewirkt so über die steuernden Armaturen eine Kondensatentsorgung, die bei jedem Betriebspunkt und jeder Einbaulage sichergestellt ist. Weitere erhebliche Vorteile sind: Dampf kann sich am Kondensat nicht abkühlen; das nicht kondensierbare Inertgas wirkt als Isolierung (in dem Bereich, wo Dampf auf das angestaute Kondensat trifft, kondensieren die Dampfblasen spontan. Das plötzliche Kondensieren der Dampfblasen durch das nachlaufende, unterkühlte Kondensat verursacht erhebliche Kräfte, welche die Magnetitschicht der Mantelrohre, Austauschrohre und Rohrböden in diesem Bereich des Wärmetauschers angreifen). Somit werden die diesbezüglichen Folgeschäden, wie undichte Schwimmkörper in Kondensatableitern, durchgeschlagene Rohrböden in den Kondensatoren (Risse an den Schweißnähten in und um die Rohre), Zerstörung angebauter Armaturen, Meß- und Regeleinrichtungen sowie Lärmbelästigung verhindert. - Kondensat kann ohne Zusatzenergie gehoben und je nach Dampfdruck in eine Druckkondensatleitung eingespeist werden. Zum Beispiel Heizmedium = 2,5 bar Dampfdruck in der Kondensatsammelleitung = 10 m Wassersäule + 0,3 bar Arbeitsdruck vom Kondensatableiter. Daraus ergibt sich ein A P von 1,2 bar Dampfdruck mit einer diesbezüglichen Temperatur von 2,5 bar Dampf und reicht aus, um zum Beispiel einen Volumenstrom von 24 m³ Wasser in der Stunde bei einer bestimmten Austauschfläche um 60 °C zu erwärmen. - Gegebenenfalls Einsparungen von teuren Heberanlagen und die dazu betreibenden Sekundärenergien. - Dem Kondensat kann die benötigte Wärme für den Prozeß bis zur Anfangstemperatur des zu beheizenden Mediums entzogen werden, abgekühlt strahlt es in der Rückspeiseleifung zum Kesselhaus weniger Wärme ab. - Die für die Kondensatentsorgung erforderlichen Rohrleitungen können zweckentsprechend beliebig verlegt werden. - Das Einfrieren von Klimaheizregistern kann durch die gründliche und schnelle Kondensatentsorgung und das Einspeisen des Inertgases in den Dampfraum des Registers verhindert werden.

[0002] Aus der erforderlichen Bauweise für Wärmetauscher (kleine Dampfräume bei möglichst großer Austauschfläche) ergeben sich kleine kompakte Pufferbehälter, die an jede bereits bestehende Problemanlage nachgerüstet werden können. Die Behälter können so gefertigt werden, daß zusätzliches Volumen angeflanscht werden kann, somit Betrieb von mehreren Wärmetauschern möglich.

[0003] In der Fig. 1 ist eine beispielsweise Ausführung der Erfindung dargestellt. Hierin zeigen: - 1 - Pufferbehälter, Volumen = Volumen im Dampfraum des Wärmetauschers. - 2 - zeigt einen thermischen Entlüfter-Dampfstauer. - 3 - zeigt einen Kondensatsumpf mit Druckanzeige.- 4,2 -zeigt einen Schwimmerkondensatableiter mit thermischer Entlüftung. - 5 - zeigt ein Entleerungsventil. - 6 - zeigt ein Absperrventil mit Kondensatförderleitung-Heberleitung. - 7 - zeigt ein Absperrventil mit Belüftungsrohr und ein im Pufferbehälter integriertes Tauchrohr, um die Gasdichtheit der Armatur zu gewährleisten. - 8 - zeigt eine Rückflußsperre mit Öffnuncsdruck 26 mm Wassersäule.

[0004] Auf den belüfteten Pufferbehälter - 1 - wirkt von der Kondensatsammelleitung, die über eine zentrale Rückspeiseanlage entlüftet und entspannt wird, ein hydrostatischer Druck von 0,28 bar. Beim Unterschreiten des Dampfdruckes im Wärmetauscher unter 0.28 bar wird das Inertgas (Luft) vom Pufferbehälter - 1 - über die Steuerleitung und Rückflußsperre - 8 - über den Kondensatsumpf - 3 - und das Schauglas - 13 - in den Dampfraum des Wärmetauschers - 11 - gedrückt oder/und gesaugt. Kondensat fließt dabei von der mit Fracht beladenen Sammelleitung über das Absperrventil mit Förderleitung - 6 - in den Pufferbehälter - 1 - zurück. Die Kondensatentsorgung vom Wärmetauscher - 11 - über Schauglas - 13 - Kondensatsumpf - 3 - und Schwimmerkondensatableiter - 4 - mit eingebauter thermischer Entlüftung - 2 - kann während dieses Vorganges ungehindert erfolgen. Steigt der Dampfdruck im Wärmetauscher - 11 - wieder an (höhere Heizleistung gefordert), so wird das Inertgas über Schauglas - 13 - Kondensatsumpf - 3 - und den thermischen Entlüfter - 2 - der, um Nachdampf im Pufferbehälter zu vermeiden, auf 70° C-Schließtemperatur eingestellt ist, über die Gassteuerleitung in den Pufferbehälter - 1 - zurückgedrückt.

[0005] Die noch verbleibende Luft kann über den Kondensatsumpf - 3 - in den Schwimmerableiter - 4 - und die integrierte thermische Entlüftung - 2 -, gekühlt vom Kondensat, in den Luftraum des Pufferbehälters = 1 - gelangen.

[0006] Dieser Vorgang kann sich beliebig oft wiederholen, das Inertgas des Dampfes wird im Pufferbehälter, dessen Volumen mindestens das Volumen des Dampfraumes des Wärmetauschers beinhalten soll, gespeichert.

[0007] Größere Luftmengen, ausgelöst durch Arbeiten am Dampfsystem (Abstellungen, Umstellungen, Neueinfahren von Dampfleitungen) können ungehindert über - 6 - mit dem im Behälter vorhandenen Kondensat in die Sammelleitung entweichen. Gegebenenfalls muß die Anlage belüftet werden (Leckstellen, Renararur des Wärmetauschers usw.) , dazu Ventil - 5 - öffnen, - 6 - schließen, - 7 - öffnen. Nachdem der Behälter entleert ist, -7- und -5- schließen, -6- öffnen.

[0008] Die Fiq. 2 zeigt einen Gaslader der universell an deh Kondensatausunli t eines beliebigen Dampfkondensators mit entsprechendem Volumen (24,1) angeflanscht werden kann.

- 4,2,13 - zeigen einen Schwimmerkondensatableiter mit Schauglas und Thermoentlüfter nach außen.

- 15 - zeigt ein überströmventil mit regulierbarem Öffnungsdruck 0-5 m Wassersäule und Kühlschlange zur Nachdampfkühlung, angeschlossen an die Entlüftung des Schwimmerableiters mit Strömungsrichtung vom Kondensatableiter zum Pufferbehälter.

- 8 - zeigt eine Rückflußsperre, Strömungsrichtung vom Überströmraum - 16 - zum Wärmetauscher. - 14 - zeigt einen Vakuumbrecher mit Absperrventil und Tauchrohr.- 17 - zeigt eine Entlüftungsarmatur, Strömungsrichtung vom Pufferbehalter zum Überströmraum - 16 -. - 18 - zeigt eine Entlüftungsarmatur mit Tauchstutzen und konischer Erweiterung,

- 6 - zeigt einen Tauchstutzen mit Absperrventil und Kondensatheberleitung. Armaturenträger ist ein Blockflansch mit Bohrungen - a - b - c - d - e - f -, wobei unter - c - d - e - ein vom Behälter getrennter Überströmraum - 16 - eingeschweißt ist.

[0009] Beim Absinken des Dampfdruckes im Wärmetauscher unter den Druck der Entsorgungsleitung - 6 - wird Luft über die Entlüftungsarmatur - 17 - und Bohrung - d - in den Uberströmraum - 16 - und von dort über Bohrung - c - und Rückflußsperre - 8 - in den Dampfraum des Wärmetauschers gesaugt oder /und gedrücht.

[0010] Bei gefluteten Pufferbehälter (undichte Heizanlage) würde sich der Wärmetauscher die nötige Restluftmenge notfalls über das an Bohrung - e - geöffnete Ventil mit Vakuumbrecher - 14 - ansaugen. Bei steigender Heizleistung kann der Dampfraum des Wärmetauschers gegenüber der Kondensatentsorgungsleitung - 6 - im Überdruck arbeiten. Dies bewirkt, daß die im Dampfraum verweilende Luft in das Schwimmergehäuse vom Kondensatableiter - 4,2,13- über Bohrung - a -, von dort über den eingebauten thermischen Entlüfter - 2 - und die Kühlschlange durch das mit ΔP eingestellte Überströmunsventil - 15 - gedrückt wird.

[0011] Der Einstellungsdruck von Überströmventil - 15 - richtet sich nach dem Arbeitsdruck des Kondensatableiters bei der Höchstmenge an Kondensatdurchsatz der Heizanlage. Ein Ableiter benötigt zum Beispiel zur Entsorgung von 470 kg/h Kondensat einen Arbeitsdruck von 0,17 bar. Das Überströmventil - 15 - auf 0,2 bar ΔP vom Dampfraum des Wärmetauschers auf den Pufferbehälter - 1 - eingestellt bewirkt ein sauberes Arbeiten des Ableiters - 4 -, zu kontrollieren üLer das eingebaute Schauglas - 13 -.

[0012] Die Lntlüftunqsarmatur - 18 - mit Tauchstutzen entsorgt das über das benötigte Speichervolumen anfallende Inertgas vom Pufferbehälter - 1 - in die Atmosphäre. Diesbezüglich ist der Tauchstutzen der Kntsorgungsleitung - 6 - jedenfalls tiefer anzuordnen als der Tauchstutzen von Entlüfter - 18 -.

[0013] In der Fig. 3 ist eine andere Form des Gasladers dargestellt, wie er zum Betrieb eines Klimaheizregisters eingesetzt werden kann. - 11 - zeigt ein Register mit obenliegendem Dampfverteiler, eingeschweißte Austauschrohre mit Lamellen und darunterliegendem Kondensatsammelraum.

[0014] 

- 12 - zeigt Dampfeinspeisung mit Temperaturregler.

- 6 - zeigt die Kondensatförder-Heberleitung mit Absperrventil und Tauchrohr in den Pufferbehälter. - 1 - zeigt den Pufferbehälter V = V im Dampfraum des Registers.

- 4,2,8 - zeigt einen Kondensatableiter mit eingebauter thermischer Kntlüftung - 2 - und Rückflußsperre - 8 - mit Strömungsrichtung und Steigrohr zum Pufferbehälter.

- 14 - zeiat einen Vakuumbrecher mit Absperrventil.

- 16 - zeigt den Überströmraum. - 17 - zeigt eine Entlüftungsarmatur mit Tauchrohr in den Pufferbehälter.

[0015] Bei abgestellter Anlage ist das Register - 11 - mit Inertgas und der Pufferbehälter - 1 - mit Kondensat gefüllt.

[0016] Kach Inbetriebnahme verdrängt der einströmende Dampf je nach erforderlicher Heizleistung die Luft von oben nach unten aus dem Register - 11 -. Dabei werden die anfallenden Kondensatmengen von der Luft gedrückt über den Schwimmeral leiter - 4,2,8 - in den Pufferbeälter - 1 - gespeist. Gleichzeitia wird die vom Dampf verdrängte Luft über die thermische Kntlüftung - 2 - des Ableiters - 4 - in den Pufferbehälter - 1 - gedrückt. Der dort benötigte Luftraum wird vom Kondensat, das über das Tauchrohr - 6 - entweicht, freigegeben. Dabei wird die Luft über den hydrostatischen Druck der Wassersäule oder Druck im Kondesatnetz verdichtet.

[0017] Sinkt der Druck im Dampfverteiler des Heizregisters - 11 - (ΔT zwischen Ist- und Sollwert wird kleiner) unter den hydrostatischen- oder Netzdruck im Kondensatsystem, so wird über das Tauchrohr vom Entlüfter - 17 - das Inertgas in den Überströmraum - 16 - und von dort über die Rückflußsperre - 8 - in den Dampfverteilerraum vom Heizregister - 11 - gedrückt.

[0018] Dabei ergibt sich ein Dampf-Inertgasgemisch das den einfriergefährdeten Kondensatraum gründlich durchwirbelt und aufheizt. Anders ausgedrückt, das Dampf-Luftgemisch hat einen geringeren Heizwert als reiner Dampf, es wird also mehr Heizfläche für einen bestimmten Sollwert in Anspruch genommen.

[0019] Neben diesem positiven Aspekt gibt es bei dieser Gasladetechnik kein Anstauen von Kondensat im Register - 11 -, also fällt das weniger als 100° C heiße Kondensat direkt in den unteren Boden des Registers - 11 - und wird bedingt durch den aufgebauten Überdruck des Heizprozesses während der Abkühlphase schnellstens entsorgt. Das Einfrieren des Heizregisters wird dabei wirksam verhindert. Die im Kondensatableiter - 4,2 - eingebaute Rückflußsperre verhindert ein Rückströmen von Kondensat in den Wärmetauscher beim Abstellen oder ^prozessbedingtem Saugen des Heizregisters.

[0020] Die Fig. 4 zeigt den Einsatz eines Gasladers neben den üblichen Eigenschaften zur Ausnützung der Kondensatwärme. Dazu wird wie folgt verfahren: Das zu beheizende Medium wird im Wärmetauscher - 20 - vorgewärmt und gelangt über Wärmetauscher - 11 - zu dem zugeordneten Sollwert von 60° C.

[0021] Die dabei anfallenden Kondensatmengen können z. B. mit Fremdkondensat zusammen im Wärmetauscher - 20 - bis auf die Isttemneratur des zu beheizenden Mediums abgekühlt werden.

[0022] Die Entlüftungsleitung - 19 - entsorgt den Wärmetauscher - 20 - vom Inertgas des Fremdkondensates, das ebenfalls im Pufferbehälter gespeichert und gegebenenfalls über die Lntlüftungsarmatur - 18 - in die Atmosphäre entsorgt werden kann. Prozess- und Fremdkondensat kann dabei ungehindert, abgekühlt, entgast und ohne Sekundärenergie ins Kondensatnetz eingespeist werden.

[0023] Fig. 5 zeigt einen Gaslader für den Betrieb von mehreren Wärmetauschern - Dampfkondensatoren mit den verschiedensten Sollwerten und Aggregatzuständen der zu beheizenden Wedien. Der Pufferbehälter - 1 - ist an den Rohrböden mit Flanschverbindunggen ausaeführt, der linke Rohrboden wurde abgenommen um ein gerades Rohrstück - 21 - verlängert mit Gesamtvolumen von vier Dampfkondensatoren.

[0024] An die aufgeschweißten Rohrstutzen von Rohrstück - 21 - sind die Schwimmerkondensatableiter - 4,2 - angeflanscht. Die thermischen Entlüfter oder Dampfstauer - 2 - speisen in den Pufferraum des Gasladers. Die Saugleitungen mit Rückflußsperren - 8 - aus dem Überströmraum - 16 - wird nach den Dampfstauern - 2 - vor den Kondensatableitern mit Ent-. lüftungseinrichtung - 4,2 - in die Verbindungsleitung zum Wärmetauscher eingeschweißt.

[0025] Der Entlüfter - 17 - mit Überströmleitung und Vakuumbrecher - 14 - sind in der Leistung dem Saugvermögen von diesbezüglich vier Wärmetauscher anzugleichen. Die Armaturen - 8 - 2 - 4,2 - sind auf die einzelnen Dampfkondensatoren abzustimmen.

[0026] Fig. 6 zeigt einen Gaslader, bei dem die erforderlichen Steuerarmaturen auf eine Metallscheibe montiert, den Pufferbehälter - 1 - vom Kondensatsumpf - 3 - trennen. Der Kondensatableiter - 4 - ist mit einer Rückflußsperre - 8 - ausgerüstet.

[0027] Der Lntlüfter und Dampfstauer - 2 - ist ebenfalls als Rückflußsperre - 8 - ausgebildet. Der Entlüfter - 17 - ist ebenfalls mit einer Rückflußsperre, Strömungsrichtung zum Wärmetauscher, ausgestattet. Der Vakuumbrecher - 14 - ist hier in den Kondensatsumpf - 3 - integriert und kann, wie auch bei den übrigen Ausführungen, als Stickstoffeinspeisung oder dql. dienen.

[0028] Fig. 7 zeict einen Wärmetauscher, der über ein Betriebsnetz - 22 - mit Stickstoff versorgt wird. Die Einspeisung kann in den Heizdampf, vor dem Regelventil - 12 -, in den Dampfraum - 11 - direkt, in den angeflanschten Kondensatsumpf - 3 -, oder bei geeignetem Schwimmerkondensatableiter - 4 -, in die diesbezügliche Schwimmerkammer erfolgen.

[0029] Vorzugsweise ist das Inertgas,in den Kondensatsumpf einzuspeisen, um ein Inertgas-Dampfgemisch, wenn dies der Heizprozeß erfordert, zu verhindern. (Z. B. Heizdampf 1,75 bar (Ü) T = 130° C - bei 10 % Inertgasanteil beträgt die Dampftemperatur 127° C - bei 30 % sinkt die Temperatur auf 119° C).

[0030] Für den hier gezeigten Fall reicht ein Inertgasdruck des Betriebsnetzes - 22 - von 0,21 bar (U) aus, um den Wärmetauscher bei jedem Betriebspunkt vom Kondensat zu entsorcen. Der erforderliche Ladedruck kann jedenfalls über das Schauglas - 13 - eingestellt werden. Es kann aber auch mit Überdruck Inertgas in den Dampfraum eingespeist werden. Fs genügen hier, je nach Größe des Dampfraumes, geringe Mengen bis 10 1/h.

Ansprüche

1. Kondensatentsorgungseinrichtung für temperaturgeregelte dampfbeaufschlagte Wärmetauscher, mit einer von einem Kondensataustritt des Wärmetauschers ausgehenden, über einen eine Entlüftungsvorrichtung aufweisenden Kondensatableiter führende Kondensataustrittsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß direkt in den Dampfraum, oder an eine in den Dampfraum mündende Rohrleitung ein nicht kondensierbares Gas mit größerer Dichte als Wasserdampf eingespeist wird.

2. Kondensatentsorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Entlüftungs- und Gasrückströmeinrichtung ausgestatteter Kondensatableiter über die Kondensataustrittsleitung in den Deckenbereich an einen in seinem Fassungsraum dem Dampfraum des Wärmetauschers (11) entsprechenden Pufferbehälter (1) einmündet, der über eine vom Bodenbereich des Behälters ausgehende Entsorgungsleitung mit einer über dem Pufferbehälter verlaufenden Kondensatsammelleitung oder dergleichen verbunden ist, wobei die Entlüftungseinrichtung des Kondensatableiters (4) in den Pufferbehälter (1) und die Gasrückströmeinrichtung in den Dampfraum des Wärmetauschers (11) mündet.

3. Kondensatentsorgungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kondensatableiter mit Entlüftungseinrichtung an den Pufferbehälter (1) angeschlossen ist und eine vom Dekkenbereich des Behälters ausgehende Steuerleitung an den Dampfraum des Wärmetauschers (11) angeschlossen ist, wobei in der Steuerleitung eine als Gasrückströmeinrichtung dienende Rückflußsperre (8) sitzt.

4. Kondensatentsorgungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3,. dadurch gekennzeichnet , daß ein Kondensatableiter ohne entsprechende Entlüftungseinrichtunc an den Pufferbehälter (1) angeschlossen ist und in einer Verbindungsleitung, ausgehend vom Bodenbereich des Dampfraumes und angeschlossen an den Pufferbehälter (1), ein als Schnellentlüfter und Dampfsperre dienendes Thermostatventil (2) vorgesehen ist.

5. Kondensatentscrgungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensataustritt einen mit dem Pufferbehälter (1) kommunizierenden Kondensatsumpf (3) bildet.

Zeichnung