Luftbeaufschlagter Trockenkühler zum Kondensieren von Wasserdampf

Abstract

 Luftbeaufschlagter Trockenkühler zum Kondensieren von Wasserdampf, mit V-förmig angeordneten, an eine obere Dampfverteilerleitung (4, 5) angeschlossen Kühlelementen (2), die jeweils kondensataustrittsseitige Kondensatsammelräume (13) besitzen, wobei jeder Gruppe kondensatorisch geschalteter Kühlelemente (2) wenigstens ein Dephlegmatorelement (12) in Bezug auf den Dampfstrom nachgeschaltet ist, wobei jeder Kondensatsammelraum (13) über wenigstens einen Kondensat- und Dampfüberströmkanal (10) an einen sich parallel zu den Kondensatsammelräumen (13) erstreckenden Kondensatsammeltank (9) angeschlossen ist, und wobei eine Dampfzuführung zu dem Dephlegmatorelement (12) durch den Kondensatsammeltank (9) erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen luftbeaufschlagten Trockenkühler zum Kondensieren von Wasserdampf gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Es ist Stand der Technik, Abdampf aus einer Dampfturbine mit einem luftgekühlten Kondensator zu kondensieren. Dabei strömt der Abdampf aus der Turbine durch eine Abdampfleitung und tritt in kondensatorisch geschaltete Kühlelemente, insbesondere in Form von Rippenrohrbündeln, ein. Die Kühlelemente stehen unter Vakuum. Nicht kondensierte Gase werden abgesaugt und Kondensat wird in den Speisewasserkreislauf zurück geführt. Trockenkühler werden nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzt, wobei die Dachbauweise (A-Anordnung) am weitesten verbreitet ist. Auch V-förmige Anordnungen der Kühlelemente sind bekannt. Bei Wasserkühlern greift man auf eine saugende Anordnung zurück, weil die Temperaturgradienten des sich abkühlenden Wassers und der sich erwärmenden Kühlluft relativ flach verlaufen und die Temperaturdifferenz daher relativ gering ist. In der DE-AS 1 263 789 wird ein solcher luftgekühlter Oberflächenkondensator in V-Bauweise beschrieben, bei welchem die Kühlelemente und ein Ventilator ein etwa gleichschenkliges Dreieck bilden. Die Kühlelemente sind in Parallelschaltung an eine gemeinsame Dampfverteilerkammer und einen gemeinsamen Kondensatsammelraum angeschlossen. Die an den einander zugekehrten Enden der Kühlelemente vorgesehenen Kondensatsammelräume sind über Anschlussstutzen an eine gemeinsame, in Längsrichtung der Doppelreihe der Kühlelemente verlaufende Kondensatsammelleitung angeschlossen. Der dort beschriebene Oberflächenkondensator arbeitet rein kondensatorisch, wobei ein Problem darin liegt, dass in den Wintermonaten und namentlich bei Teillastbeaufschlagung die Gefahr des Einfrierens besteht. Es ist bekannt, den kondensatorisch geschalteten Kühlelementen dephlegmatorisch geschaltete Elemente mit Bezug auf den Dampfstrom nachzuschalten und diese gleichzeitig gruppenweise derart zu unterteilen, dass in den Wintermonaten bei Teillastbeaufschlagung und unter dem Gefrierpunkt liegenden Außentemperaturen mindestens ein Teil der kondensatorisch geschalteten Elementgruppen sowohl dampf- als auch luftseitig abgeschaltet werden kann, um den Dampf mindestens überwiegend in den dephlegmatorisch geschalteten Elementgruppen niederzuschlagen. Diese weisen zwar einen schlechteren Wirkungsgrad auf als die kondensatorisch geschalteten Kühlelementgruppen, sie besitzen gegenüber diesen, wegen der ständigen Berührung des nach unten ablaufenden Kondensats mit aufwärts strömendem Dampf, den wesentlichen Vorteil, auch bei Teillastbeaufschlagung nicht einzufrieren. Bei diesen sogenannten K/D-Schaltungen wird ca. 70 % bis 90 % der Dampfmenge im Gleichstrom, das heißt in den kondensatorisch geschalteten Kühlelementen kondensiert, wobei die bessere Wärmeübertragungsfähigkeit der Gleichstromkondensation ausgenutzt wird.

[0003] In der DE 1 289 064 A wird ebenfalls ein luftgekühlter Oberflächenkondensator beschrieben. Aus dieser Druckschrift ist es bekannt, dass die aus Kondensator-und Dephlegmator-Elementen bestehenden Elementgruppen am unteren Ende durch Leitungen großen Querschnitts miteinander verbunden sind, um den Dampfübertritt zu ermöglichen. Das sich in diesen Leitungen sammelnde Kondensat wird einer Haupt-Kondensatsammelleitung zugeführt. Die einzelnen Elementgruppen können derart geschaltet werden, dass Dampf nicht über die Kondensatsammelleitung übertreten kann. Hierzu sind den Dampfdurchlass verhindernde Mittel in Form von Wasservorlagen in die parallel geschalteten Kondensatsammelleitungen eingeschaltet. Die Kondensatsammelleitungen münden in die Haupt-Kondensatsammelleitung, die dadurch lediglich Kondensat und keinen Dampf führt.

[0004] Grundsätzlich ist bei allen Ausführungsformen ein separater Kondensattank erforderlich, der räumlich getrennt von dem Oberflächenkondensator angeordnet ist. Über einzelne Kondensatsammelleitungen oder über Haupt-Kondensatsammelleitungen wird das Kondensat dem Kondensatsammeltank zugeführt. Da die anfallende Kondensatmenge schwankt, ist es erforderlich, den Kondensatsammeltank über eine Ausgleichsleitung, die sogenannte Balance-Line, mit der turbinenausgangsseitigen Dampfverteilerleitung zu koppeln. Fällt beispielsweise eine sehr hohe Dampfmenge an, dann sind bestehende Anlagen gegebenenfalls nicht in der Lage, die gesamte Dampfmenge sofort zu kondensieren. Das heißt, überschüssiger Dampf kann über die Kondensatablaufleitung in den Kondensatsammeltank gelangen. Dieser Dampf kann über die Balance-Line abgeführt und wieder der Dampfeintrittsseite des Trockenkühlers zugeführt werden. Für den umgekehrten Fall, das heißt bei abnehmender Dampfmenge und vollständiger Kondensation gelangt ausschließlich Kondensat in den Kondensatsammeltank. Dadurch kann die Temperatur des oberhalb des Kondensats stehenden Dampfs in dem Kondensatsammeltank unter die Temperatur des Kondensats fallen. Über die Balance-Line kann ein Temperaturausgleich hergestellt werden, indem Dampf vom Turbinenausgang über die Balance-Line dem Kondensatsammeltank zugeführt wird. Je nach Dampfmenge ist eine Zuführung als auch eine Ableitung von Dampf vom und zum Kondensatsammeltank erforderlich. Der anlagentechnische Aufwand ist nicht unerheblich.

[0005] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen luftbeaufschlagten Trockenkühler zum Kondensieren von Wasserdampf bereitzustellen, bei welchem der anlagentechnische Aufwand im Zusammenhang mit dem Kondensatsammeltank reduziert ist, das heißt einerseits der Materialaufwand verringert ist und andererseits der steuerungstechnische Aufwand reduziert ist.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einem luftbeaufschlagten Trockenkühler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass jeder Kondensatsammelraum über wenigstens einen Kondensat- und Dampfüberströmkanal an einen sich parallel zu den Kondensatsammelräumen erstreckenden Kondensatsammeltank unmittelbar angeschlossen ist, wobei eine Dampfzuführung zu dem Dephlegmatorelement durch den Kondensatsammeltank erfolgt.

[0007] Der wesentliche Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Trockenkühler ist, dass ein separater, das heißt räumlich getrennt von den Kühlelementen platzierter Kondensatsammeltank ersetzt wird. Der neue Kondensatsammeltank ist unmittelbar unterhalb der Kühl- und Dephlegmatorelemente angeordnet, wobei der Kondensatsammeltank selbst zur Weiterleitung des Dampfes zu den Dephlegmatorelementen dient. Das hat den wesentlichen Vorteil, dass die bekannten Kondensatsammelleitungen und Haupt-Kondensatsammelleitungen vollkommen entfallen. Dadurch reduziert sich sowohl der Material- als auch der montagetechnische Aufwand bei der Erstellung einer solchen Anlage. Des Weiteren ist keine Balance-Line zur Verbindung des neuen Kondensatsammeltanks mit der Dampfverteilerleitung erforderlich, da der aus den Kühlelementen austretende Dampf unmittelbar über das bereits gesammelte Kondensat geführt wird. Temperaturschwankungen zwischen Kondensat und Dampf müssen nicht über zusätzliche Balance-Lines mit entsprechendem steuerungstechnischen Aufwand ausgeglichen werden. Der Temperaturausgleich findet selbsttätig statt. Der steuerungstechnische Aufwand ist dadurch reduziert.

[0008] Der erfindungsgemäße Kondensatsammeltank ist nicht mit den im Stand der Technik bekannten Kondensatsammelleitungen vergleichbar, da das Kondensat unmittelbar unterhalb des Trockenkühlers gesammelt und auch gespeichert wird. Der Kondensatsammeltank hat zudem die Funktion Dampf weiterzuleiten. Die gesamte Anlage kann dadurch räumlich kompakter, materialsparender und damit leichter gestaltet werden.

[0009] In der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 2 ist vorgesehen, dass die Kühlelemente durch Umleitung des Dampfstroms von der Dampfverteilerleitung in den Kondensatsammeltank von dem kondensatorischen Betrieb in den dephlegmatorischen Betrieb umschaltbar sind. Auf diese Weise kann der Trockenkühler unter Ausnutzung der Strömungswege im Kondensatsammeltank volldephlegmatorisch arbeiten. Im Volldephlegmatorbetrieb ist eine die Dampfverteilerleitung mit dem Kondensatsammeltank verbindende Dephlegmatorleitung freigeschaltet, so dass der Dampf nicht von oben, sondern von unten in die Kühlelemente bzw. die Dephlegmatorelemente eingeleitet wird. Der Dampf tritt dabei von dem Kondensatsammeltank ausgehend über die einzelnen Kondensat- und Dampfüberströmkanäle in die dadurch dephlegmatorisch geschalteten Kühlelemente ein.

[0010] In der Ausführungsform des Patentanspruchs 3 ist vorgesehen, dass in dem Kondensatsammeltank Kondensat bis zu einem vorgebbaren Höchststand speicherbar ist, welcher in Abhängigkeit von der Betriebsart und der überzuleitenden Dampfmenge eingestellt ist. Unter Betriebsart ist im Sinne der Erfindung entweder eine K/D-Schaltung der Kühlelemente und Dephlegmatorelemente zu verstehen oder der zuvor beschriebene volldephlegmatorische Betrieb. Da der Kondensatsammeltank zum Dampfaustausch zwischen Kühl- und Dephlegmatorelementen dient, ist es erforderlich, einen bestimmten Mindestströmungsquerschnitt für den Dampf zu gewährleisten. Dieser Strömungsquerschnitt kann durch die Höhe des Kondensatstands variiert werden, wodurch eine Beeinflussung der Strömungsverhältnisse innerhalb des erfindungsgemäßen Trockenkühlers möglich ist.

[0011] In der Ausführungsform des Patentanspruchs 4 ist vorgesehen, dass der Kondensatsammeltank maximal zu 80 Volumen-% mit Kondensat befüllbar ist. Bei einem über die Länge im wesentlichen gleich bleibenden Querschnitt des Kondensatsammeltanks entspricht dies einem minimal verbleibenden Strömungsquerschnitt von 20 %.

[0012] Vorzugsweise ist der Kondensatsammeltank rohrförmig konfiguriert. Derartige Kondensatsammeltanks lassen sich aus einzelnen Rohrstößen leicht vor Ort errichten, wobei je nach anfallender Kondensatmenge Durchmesserbereich von mehr als 500 mm, insbesondere von mehr als 800 mm als zweckmäßig angesehen werden. Ein solcher Kondensatsammeltank kann mit leichtem Gefälle montiert sein, damit das Kondensat grundsätzlich der gewünschten Entnahmestelle zufließt. Hierbei reichen jedoch bereits geringste Neigungen aus, so dass in jedem Fall ein hinreichender Strömungsquerschnitt zur Dampfdurchleitung gewährleistet ist. Der Kondensatsammeltank kann länger sein als die angeschossenen Kühlelemente, d.h. endseitig des Trockenkühlers übertreten, um das Speichervolumen zu erhöhen und um Anschlüsse zum Abpumpen aufzunehmen.

[0013] Das Verhältnis zwischen Kondensator- und Dephlegmator-Wärmetauscherflächen (K/D-Verhältnis) ist in der Ausführungsform des Patentanspruchs 6 größer als 2. In Abhängigkeit von dem K/D-Verhältnis wird der gesamte Querschnitt der Dampf- und Überströmleitungen zwischen dem Dephlegmatorelement und dem Kondensatsammeltank gegenüber dem Querschnitt der Dampf- und Überströmleitungen zwischen einzelnen Kühlelementen und dem Kondensatsammeltank bestimmt. Das Verhältnis ist grundsätzlich größer als 1. Üblicherweise liegen die K/D-Verhältnisse in einem Bereich von 2:1 bis 10:1. Das Verhältnis wird durch die zu erwartenden Betriebsbedingungen und der Art der verwendeten Kühlelemente bestimmt. Bei Kühlelementen mit zwei oder drei aus Rippenrohren bestehenden Rohrreihen liegt das K/D-Verhältnis üblicherweise in einem Bereich von 2:1 bis 4:1 und bei Kühlelementen mit nur einer Rohrreihe zwischen 4:1 und 10:1.

[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Trockenkühlers im Querschnitt;

Figur 2

eine schematische Darstellung des Trockenkühlers im K/D-Betrieb und

Figur 3

eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Trockenkühlers mit Volldephlegmatorschaltung.

[0015] Figur 1 zeigt einen Trockenkühler 1 in V-Bauweise. Die Kühlelemente 2, 3 sind V-förmig angeordnet, wobei sie an ihren oberen Enden mit Dampfverteilerleitungen 4, 5 verbunden sind. Die Kühlelemente 2, 3 sind insbesondere Rippenrohrbündel, wobei die einzelnen Rippenrohre nicht näher eingezeichnet sind. Die nebeneinander angeordneten Ventilatoren 6 befinden sich zwischen den Dampfverteilerleitungen 4, 5 und bilden zusammen mit den Kühlelementen 2, 3 ein Dreieck. Die oberseitige Anordnung der Ventilatoren 6 ermöglicht das seitliche Einströmen der Kühlluft L durch die Kühlelemente 2, 3 in das Innere des Dreiecks. Der horizontal angesaugte Kühlluftstrom L wird im Bereich der Kühlelemente 2, 3 um ca. 45° abgelenkt und strömt nach einer weiteren Umlenkung um etwa 45° vertikal der Einströmöffnung 7 des Ventilators 6 zu. Im Ventilatorlaufring 8 wird die erwärmte Kühlluft L beschleunigt und nach oben hin abgeblasen. Insgesamt ergibt sich ein Strömungsverlauf der Kühlluft mit sehr wenigen Umlenkungen und daher mit nur geringen Strömungsverlusten.

[0016] Am unteren Ende der Kühlelemente 2, 3 ist ein Kondensatsammeltank 9 angeordnet, der sich in die Bildebene hinein parallel zu den Reihen der Kühlelemente 2, 3 erstreckt. Der Kondensatsammeltank 9 ist über Kondensat-und Dampfüberströmkanäle 10, 11 fluidleitend mit den Kühlelementen 2, 3 verbunden. Der Kondensatsammeltank 9 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von z.B. 1.000 mm.

[0017] In Figur 2 ist der Trockenkühler 1 der Figur 1 in der Seitenansicht dargestellt, wobei für die Veranschaulichung der Funktionsweise auf die Darstellung der Tragkonstruktion und der Ventilatoren 6 verzichtet worden ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind vier kondensatorisch geschaltete Kühlelemente 2 parallel geschaltet. Zwischen den mittleren beiden Kühlelementen 2 ist ein Dephlegmatorelement 12 platziert. Die parallel geschalteten Kühlelemente 2 nehmen den Dampfstrom D über die Dampfverteilerleitung 5 auf, wobei der Dampf die Kühlelemente 2 in Fließrichtung des Kondensats K durchströmt. Die Fließrichtung des Kondensats ist durch die Pfeile K gekennzeichnet. Das Kondensat jedes einzelnen Kühlelements 2 fließt in einen kondensataustrittsseitigen Kondensatsammelraum 13. Die einzelnen benachbarten Kondensatsammelräume 13 sind nicht unmittelbar fluidleitend miteinander verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Kondensatsammelraum 13 über zwei im Innendurchmesser hinreichend bemessene Kondensat- und Dampfüberströmkanäle 10 Kondensat und Dampf leitend mit dem Kondensatsammeltank 9 verbunden. Das Kondensat K einschließlich des Dampfs tritt in den Kondensatsammeltank 9 ein und strömt entsprechend den mit unterbrochener Linienführung eingezeichneten Pfeilen dem Dephlegmatorelement 12 zu. Am oberen Ende des Dephlegmatorelements 12 ist eine Luftabsaugung 14 angeordnet.

[0018] In diesem Betriebsmodus stellt der Kondensatsammeltank 9 einen zwingend erforderlichen Bestandteil des Strömungswegs von den Kühlelementen 2 zum Dephlegmatorelement 12 dar. Aufgrund der unterschiedlichen Flächenverhältnisse zwischen den Kühlelementen 2, 3 und dem Dephlegmatorelement 12 sind im Bereich des Dephlegmatorelements 12 mehr Kondensat- und Dampfüberströmkanäle 10 vorgesehen als an den jeweiligen Kühlelementen 2, damit ein hinreichender Querschnitt für den Dampfeintritt in das Dephlegmatorelement 12 sichergestellt ist. Exemplarisch sind in diesem Ausführungsbeispiel daher drei Kondensat- und Dampfüberströmkanäle 10 an dem Dephlegmatorelement 12 vorgesehen.

[0019] Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 zeigt den erfindungsgemäßen Trockenkühler im Volldephlegmatorbetrieb. Hierzu ist eine Dephlegmatorleitung 15 zwischen der Dampfverteilerleitung 5 und dem Kondensatsammeltank 9 geschaltet, wobei in der Dampfverteilerleitung 5 ein Sperrelement 16 den oberseitigen Eintritt von Dampf in die Kühlelemente 2 verhindert. Das weitere Sperrelement 17 in der Verbindungsleitung 5 ermöglicht vielmehr den unmittelbaren Eintritt des Dampfs D in den Kondensatsammeltank 9, so dass der Dampf D von unten in die einzelnen Kühlelemente 2 einströmen kann. Die Kühlelemente 2 befinden sich dadurch im Betriebszustand der Gegenstromkondensation, das heißt im Volldephlegmatorbetrieb. In diesem Betriebsmodus kann über die Dampfverteilerleitung 5 ein Druckausgleich zwischen den einzelnen Kühlelementen 2 erfolgen. Das Dephlegmatorelement 12 ist grundsätzlich dephlegmatorisch geschaltet.

[0020] Durch Änderung der Strömungsrichtung des Dampfs, das heißt Öffnen des Sperrelements 16 in der Dampfverteilerleitung 5 bzw. Schließen des Sperrelements 17 in der Dephlegmatorleitung 15 kann sehr einfach von dem volldephlegmatorischen Betriebszustand in den K/D-Betriebszustand zurück geschaltet werden.

Bezugszeichenaufstellung

[0021] 

1 -

Trockenkühler

2 -

Kühlelement

3 -

Kühlelement

4 -

Dampfverteilerleitung

5 -

Dampfverteilerleitung

6 -

Ventilator

7 -

Einströmöffnung v. 6

8 -

Ventilatorlaufring

9 -

Kondensatsammeltank

10 -

Kondensat- und Dampfüberströmkanal

11 -

Kondensat- und Dampfüberströmkanal

12 -

Dephlegmatorelement

13 -

Kondensatsammelraum an 2

14 -

Luftabsaugung

15 -

Dephlegmatorleitung

16 -

Sperrelement

17 -

Sperrelement

D -

Dampf

K -

Kondensat

L -

Kühlluft

Ansprüche

1. Luftbeaufschlagter Trockenkühler zum Kondensieren von Wasserdampf, mit V-förmig angeordneten, an eine obere Dampfverteilerleitung (4, 5) angeschlossen Kühlelementen (2), die jeweils kondensataustrittsseitige Kondensatsammelräume (13) besitzen, wobei jeder Gruppe kondensatorisch geschalteter Kühlelemente (2) wenigstens ein Dephlegmatorelement (12) in Bezug auf den Dampfstrom nachgeschaltet ist, dadurch gekenn - zeichnet, dass jeder Kondensatsammelraum (13) über wenigstens einen Kondensat- und Dampfüberströmkanal (10, 11) an einen sich parallel zu den Kondensatsammelräumen (13) erstreckenden Kondensatsammeltank (9) angeschlossen ist, wobei eine Dampfzuführung zu dem Dephlegmatorelement (12) durch den Kondensatsammeltank (9) erfolgt.

2. Trockenkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (2) durch Umleitung des Dampfstroms von der Dampfverteilerleitung (4, 5) in den Kondensatsammeltank (9) vom kondensatorischen Betrieb in den dephlegmatorischen Betrieb umschaltbar sind.

3. Trockenkühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kondensatsammeltank (9) Kondensat (K) bis zu einem vorgebbaren Höchststand speicherbar ist, welcher in Abhängigkeit von der Betriebsart und der überzuleitenden Dampfmenge eingestellt wird.

4. Trockenkühler nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatsammeltank (9) maximal zu 80 Volumen-% mit Kondensat (K) befüllbar ist.

5. Trockenkühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatsammeltank (9) rohrförmig konfiguriert ist und einen Durchmesser von mehr als 500 mm, insbesondere von mehr als 800 mm aufweist.

6. Trockenkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Kondensator- und Dephlegmator-Wärmetauscherflächen (K/D-Verhältnis) größer als zwei ist, und der Gesamtquerschnitt der Dampf- und Überströmkanäle (10) zwischen dem Dephlegmatorelement (12) und dem Kondensatsammeltank (9) in Abhängigkeit vom K/D-Verhältnis größer bemessen ist, als der Querschnitt der Dampf- und Überströmkanäle (10) der einzelnen Kühlelemente (2, 3).

Zeichnung