Luftbeaufschlagter Kondensator

Die Erfindung betrifft einen luftbeaufschlagten Kondensator mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, dass sich durch die Vorbefeuchtung der Kühlluft, d.h. die sogenannte adiabatische Kühlung, die Kühlleistung von luftgekühlten Kondensatoren, besonders im Sommerbetrieb erheblich steigern lässt. Insbesondere bei größeren Anlagen im Kraftwerksbereich konnte bisher keine praktikable und zuverlässige Lösung dieses Problems gefunden werden, wie H.B. Goldschagg in "Lessons learned from the world's largest forced draft direct air cooled condenser", EPRI Conference, Washington D.C., 01. - 03. 03.1993 beschreibt. Andererseits wird von den Betreibern derartiger Anlagen zunehmend die Forderung nach funktions- und leistungsfähigen Vorbefeuchtungseinrichtungen gestellt.

Der wesentliche Nachteil bekannter adiabatischer Kühlungen ist die Durchnässung der Kühlelemente, Tragstrukturen und weiterer Anlagenbauteile, die sich unterhalb der Kühlelemente befinden. Die Durchnässung der Kühlelemente führt langfristig zu einer unerwünschten Ablagerung von nicht lösbaren Stoffen, während elektrische Bauteile wie z.B. Trafos vollständig vor dem Zutritt von Nässe geschützt werden müssen um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die exakte Dosierung des Wassers als auch die Verteilung des Wassers ist nur sehr schwer kalkulierbar, da die Verteilung der

Wassertröpfchen unter anderem von der Windrichtung und der Temperaturverteilung abhängig ist. Eine ungleichmäßige Verteilung führt zwangsläufig zu einer lokalen Durchnässung und damit auch zu einer Tropfenbildung, d.h. das Wasser tropft an den Kondensatoren und der Tragstruktur herab. Dies kann, selbst bei Verwendung von demineralisiertem Wasser unerwünschte Korrosionen mit sich bringen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen luftbe- schlagten Kondensator dahingehend zu verbessern, dass die Kondensationselemente von den vorgesehenen Mitteln zur adiabatischen Kühlung der Kühlluft nicht durchnässt werden und wobei die Mittel zur adiabatischen Kühlung mit geringem Aufwand auch nachgerüstet werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen luftbeaufschlagten Kondensator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist, dass die Mittel zur adiabatischen Kühlung mit zu verdunstendem Wasser beschickbare Kontaktkörper sind, die im Bereich des Kühlluftstroms angeordnet sind, das heißt auf der Anströmseite der Kondensationselemente. Die Kontaktkörper besitzen eine große Oberfläche, auf der in die Kontaktkörper eingebrachtes Wasser verdunsten kann. Das Wasser befindet sich zu keinem Zeitpunkt frei innerhalb des Kühlluftstroms, wie es bei einem Versprühen mittels Düsen der Fall ist. Anders als beim Vernebeln oder Versprühen wird so gut wie kein überschusswasser benötigt, da das in den Kontaktkörper aufgenommene Wasser ausschließlich durch Stoffübergang, d.h. Verdunstung, an den Kühlluftstrom übertragen wird. Dadurch wird auch sichergestellt, dass Korrosionsschäden durch unerwünschte Befeuchtung an in der Nähe befindlichen Bauteilen, wie z.B. dem Ventilator, vermieden werden.

Bei den erfindungsgemäß gestalteten luftgekühlten Kondensatoren wird eine deutliche Leistungssteigerung bei moderatem Anstieg der Investitionskosten erwartet. Neu zu errichtende Anlagen lassen sich auch bei vorgegebener Leistung kleiner ausführen, wenn eine adiabatische Kühlung mit Hilfe von Kontaktkörpern vorgesehen wird. Dadurch können die Herstellkosten neuer AnIa-

gen voraussichtlich reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich z.B. durch Warmluftrezirkulation bedingte Leistungsdefizite reduzieren lassen, zum anderen aber auch die Leistung eines Kraftwerks durch Reduzierung des Turbinenabdampfdrucks um einige 10 kPa gesteigert werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße luftbeaufschlagte Kondensator ist vorzugsweise zur Kondensation von Wasserdampf vorgesehen. Insbesondere handelt es sich um Kondensatoren zur Kondensation des Abdampfstroms aus einer Turbine eines Kraftwerks. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die luftbeaufschlagten Kondensatoren zur Kondensation anderer Stoffe, wie beispielsweise zur Kondensation von Propan, vorgesehen sind. Der Erfindungsgedanke ist nicht auf die Kondensation von Wasserdampf beschränkt. Ebenso ist der erfindungsgemäße luftbeaufschlagte Kondensator auch nicht auf eine bestimmte Bauform eines Kondensators beschränkt. Grundsätzlich können die mit zu verdunstendem Wasser beschickbaren Kontaktkörper in Kombination mit A-förmig, V- förmig, vertikal oder horizontal angeordneten Kondensationselementen zum Einsatz kommen. Als besonders günstig wird die Verwendung derartiger Kontaktkörper im Zusammenhang mit A- oder dachförmig angeordneten Kondensationselementen angesehen.

Hinsichtlich der Anordnung der Kontaktkörper im Bereich des Kühlluftstroms ergeben sich unterschiedliche Varianten. Der Kontaktkörper kann in einer ersten Ausführungsform im Ansaugbereich des den Kondensationselementen vorgeschalteten Ventilators angeordnet sein, d.h. er befindet sich in Strömungsrichtung vor dem Ventilator. Die auf diese Weise vorbefeuchtete Luft durchströmt den Ventilator und tritt anschließend z.B. in den dreieckförmigen Innenraum zwischen A-förmig angeordneten Kondensationselementeri ein. Kontaktkörper können beispielsweise in Verbindung mit einem Schutzgitter montiert werden, das vor den Ventilatoren befestigt ist.

In einer zweiten Variante können Kontaktkörper auch im Austrittsbereich des Kühlluftstroms aus dem Ventilator, d.h. in Kühlluftstromrichtung hinter dem Ventilator angeordnet sein.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Mittel zur adiabatischen Kühlung dort einzusetzen, wo Kühlluft nicht durch die Kondensationselemente gedrückt, sondern gesaugt wird. In diesem Fall ist der Ventilator dem Kondensationselement nachgeschaltet, was nichts an der Wirksamkeit der adiabatischen Kühlung ändert.

Eine weitere Variante sieht vor, dass Kontaktkörper unmittelbar vor den Kondensationselementen angeordnet sind und zumindest einen Teil der Anströmfläche der Kondensationselemente bedecken. Die Kontaktkörper können dabei die gesamte Anströmfläche der Kondensationselemente oder auch nur eine Teilfläche bedecken. Denkbar ist, dass z.B. nur einige der Kondensationselemente mit Kontaktkörpern versehen sind, andere hingegen nicht. Eine teilweise Bedeckung der Kondensationselemente kann z.B. im oberen, mittleren oder unteren Drittel erfolgen. Der jeweilige Bedeckungsgrad und die exakte Positionierung der Kontaktkörper muss von den örtlichen Gegebenheiten abhängig gemacht werden. Hier lässt sich keine starre Regel nennen.

Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Grad der Bedeckung der Anströmfläche durch Verlagerung der Kontaktkörper einstellbar ist. Für den Fall, dass die Kontaktkörper inaktiviert sind, d.h. dass keine Vorbefeuchtung der Kühlluft gewünscht wird, könnten diese z.B. verschwenkt werden und in gewisser Weise aus dem Kühlluftstrom heraus genommen werden, so dass eine größere Anströmfläche der Kondensationselemente für die reine Trockenkühlung freigegeben wird. Das Herausschwenken hat zudem den Vorteil, dass kein zusätzlicher Druckverlust durch die Kontaktkörper entsteht.

Die Achse, um die die Kontaktkörper geschwenkt werden, ist von den räumlichen Gegebenheiten abhängig. Beispielsweise kann bei A-förmig angeordneten Kondensationselementen die Schwenkachse im Firstbereich, das heißt im wesentlichen horizontal verlaufen, zumindest aber parallel zu den von den Kon-

densationselementen aufgespannten Ebenen. Denkbar ist auch, dass die Schwenkachse nicht horizontal, sondern parallel zu den von den Kondensationselementen aufgespannten Ebenen, das heißt bei A-förmig angeordneten Kondensationselementen entsprechend der Neigung der Kondensationselemente verläuft. Wenn es die räumlichen Gegebenheiten zulassen, können die Kontaktkörper auch translatorisch verlagerbar angeordnet sein.

Als besonders günstig wird es angesehen, wenn Kontaktkörper unmittelbar an den Kondensationselementen auf ihren, dem Ventilator zugewandten Seiten befestigt sind. Die Kontaktkörper können z.B. an den Stirnseiten von an den Querseiten mit Rippen versehenen Rohren der Kondensationselemente befestigt sein. Die Befestigung von Kontaktkörpern unmittelbar an den Kondensationselementen führt nur zu einer vernachlässigbaren Erhöhung des Strömungswiderstandes, sodass keinerlei Druckverluste entstehen. Dennoch befinden sich die Kontaktkörper vollständig innerhalb des Kühlluftstroms. Wie auch bei der Anordnung von Kontaktkörpern in Strömungsrichtung vor den Kondensationselementen können unmittelbar an den Kondensationselementen befestigte Kontaktkörper nur in Teilbereichen vorgesehen sein. Beispielsweise könnte jedes zweite Rohr der Kondensationselemente mit Kontaktkörpern versehen sein.

Bei den Kontaktkörpern handelt es sich vorzugsweise um ein Vlies, ein Gewebe oder einen porösen Kunststoff. Die wesentlichen Eigenschaften, die geeignete Kontaktkörper aufweisen, sind eine hohe Speicherkapazität für Wasser und eine große Oberfläche, um eine rasche Verdunstung des Wassers zu ermöglichen. Zudem sollte das verwendete Material je nach Anordnung innerhalb des Kühlluftstroms eine hinreichende Luftdurchlässigkeit aufweisen, um die Druckverluste zu begrenzen. Selbsttragende Materialien werden als besonders vorteilhaft angesehen, wobei auch kombinierte mehrlagige Materialien zum Einsatz kommen können, bei denen wobei eine Lage des Kontaktkörpers die Tragfunktion erfüllt und wenigstens eine andere Lage speziell für die Wasseraufnahme und hohe Verdunstung ausgebildet ist. Gängige und am Markt kostengünstig verfügbare Stoffe sind Geotextilien oder

Vliese, die die gewünschte Saugfähigkeit und eine gute Verdunstung von Wasser bieten. Die genannten Materialien besitzen eine hohe Alterungsbeständigkeit und sind zudem mechanisch hinreichend widerstandsfähig. Die Kontaktkörper lassen sich vorzugsweise nach einer vorbestimmten Einsatzzeit reinigen und anschließend wieder verwenden. Der Kontaktkörper sollte sich daher unter Einfluss von Luft und Wasser möglichst nicht zersetzen. Durch geeignete Materialwahl kann sowohl eine hohe mechanische Belastbarkeit als auch gleichzeitig ein entsprechendes gewünschtes Wasseraufnahmevermögen erzielt werden. Beides sind Voraussetzungen für den Einsatz innerhalb des Kühlluftstroms bei luftgekühlten Kondensatoren. Die Kontaktkörper sind bevorzugt als ebene Platten ausgebildet. Selbstverständlich ist es möglich, dass ein- oder mehrlagige Kontaktkörper in ihrer Geometrie von ebenen Platten abweichen, d.h. beispielsweise gewellt sind oder in ihrer Konturgebung an die Strömungsverhältnisse des luftgekühlten Kondensators angepasst sind oder dafür vorgesehen sind, durch ihre Positionierung und Konturierung gezielt Einfluss auf die Strömungsverhältnisse zu nehmen. Das heißt, dass die Kontaktkörper je nach Positionierung und Konturierung auch eine gewisse leitende oder umlenkende Funktion in Bezug auf den Kühlluftstrom haben können.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Kondensator ist, dass die Menge des in die Kontaktkörper einzubringenden Wassers so gewählt ist, dass kein deutlicher überschuss entsteht, der zu einer Durchnässung der Anlage führen würde. Daher ist ein die Menge des in die Kontaktkörper einzubringenden Wassers steuerndes Dosiersystem vorgesehen, das dem Kontaktkörper gezielt genau die Menge Wasser zuführt, die unter den gegebenen klimatischen Bedingungen und Betriebszuständen der Anlage zugeführt werden muss, um eine maximale Verdunstung im Bereich der Kontaktkörper zu gewährleisten. Hierbei kann es sich um einen Steuer- oder auch um einen Regelkreis handeln, der mit entsprechenden Messeinrichtungen ausgestattet ist. Die Messeinrichtungen detektieren, ob an bestimmten Messpunkten außerhalb der Kontaktkörper Wasser vorhanden ist, das darauf schließen lässt, dass den Kontaktkörpern zu viel Wasser zur Verdunstung zugeführt worden ist.

Um die Verteilung des Wassers innerhalb der Kontaktkörper zu verbessern, ist vorgesehen, dass angrenzend an einen Kontaktkörper eine Dosierleitung mit einer Vielzahl von öffnungen verläuft, durch welche das zu verdunstende Wasser in den Kontaktkörper einleitbar ist. Hierbei kann es sich um eine starre oder auch flexible Leitung handeln, die im Randbereich der Kontaktkörper verläuft. Eine solche Dosierleitung kann unter Ausnutzung der Schwerkraft Wasser beispielsweise von oben in einen Kontaktkörper einleiten. Das Wasser läuft innerhalb des Kontaktkörpers nach unten, benetzt dessen Oberfläche und verdunstet innerhalb des Kühlluftstroms. Die Menge des Wassers ist so dosiert, dass es auf seinem Weg durch den Kontaktkörper gerade bis zum unteren Ende gelangt und teilweise bereits auf dem Weg dorthin verdunstet. Denkbar ist es auch, dass die Dosierleitungen auf der dem Kühlluftstrom zugewandten oder abgewandten Fläche des Kontaktkörpers angeordnet sind. Dadurch sind die Wege, die das Wasser innerhalb eines plattenförmig konfigurierten Kontaktkörpers zurücklegen muss, kürzer und es wird eine gleichmäßigere Verteilung des Kühlwassers gewährleistet, was auch die Dosierung vereinfacht. Als besonders vorteilhaft wird es dabei angesehen, wenn die Dosierleitung in den Kontaktkörper eingebettet ist. Dies kann beispielsweise durch eine mäanderförmig verlegte Dosierleitung realisiert werden, die beispielsweise zwischen zwei als Vlies ausgebildeten Kontaktkörpern positioniert ist. Durch die Dosierleitung werden beide Kontaktkörper gleichermaßen mit Wasser benetzt. Das Risiko, dass Wasser unkontrolliert aus dem Vlies heraustritt, ist dadurch minimiert.

Ferner wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das zu verdunstende Wasser in den Dosierleitungen vorgewärmt ist, und zwar durch Wärmeübertragung von den Kondensationselementen auf die Dosierleitungen. Hierzu können die Dosierleitungen zwischen den Stirnseiten der Kondensationselemente und den an den Stirnseiten befestigten Kontaktkörpern verlaufen. Das auf diese Weise vorgewärmte Wasser entzieht den Kondensationselementen in geringem Umfang Wärme und verdunstet dadurch im Bereich der Kontaktkörper schneller. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit eines derartig luftbeaufschlagten Kondensators erhöht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines luftbeaufschlagten Kondensators in A-Form bzw. Dachbauweise mit zusätzlichen Kontaktkörpern zur Wasserverdunstung;

Figuren

2bis 4 weitere Ausführungsformen eines Trockenkühlers in Dachbauweise mit anderen Anordnungen der Kontaktkörper;

Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines Kondensationselements mit daran befestigten Kontaktkörpern;

Figur 6 ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktkörpers mit einer mäanderför- mig verlaufenden Dosierleitung in der Draufsicht;

Figur 7 den Kontaktkörper der Figur 1 im Längsschnitt und

Figur 8 eine weitere Ausführungsform eines Kontaktkörpers mit einer Dosierleitung.

Figur 1 zeigt einen luftbeaufschlagbaren Kondensator 1 in A-Bauweise, wie er in seiner Grundform aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein solcher luftgekühlter Kondensator 1 wird auf einem nicht näher dargestellten Stahlgerüst montiert, sodass kalte Kühlluft in einem Kühlluftstrom 3 von einem Ventilator 2 von unten angesaugt und in den von den Kondensationselementen 4, 5 begrenzten, dreieckförmigen Innenraum 6 gedrückt werden kann. Die Kühlluft strömt durch die als Rippenrohrbündel ausgebildeten Kondensationselemente 4, 5 und wird hierbei erwärmt. Gleichzeitig wird der die Kondensationselemente 4, 5 durchströmende Wasserdampf abgekühlt und kondensiert. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Kontaktkörper 7 im Ansaugbereich 8 des Ventilators 2 angeordnet. Die Kühlluft wird durch den Kontaktkörper 7 vorbefeuchtet. Die Kühlluft durchströmt den Kontaktkörper 7, welcher in nicht näher dargestellter Weise mit Wasser gespeist wird. Bei dem Kontaktkörper 7 handelt

es sich vorzugsweise um ein Vlies oder um eine poröse Struktur aus einem Kunststoff. Das eingeleitete Wasser wird durch Stoffübergang an die Kühlluft übertragen, so dass sich die Kühlleistung des luftgekühlten Kondensators 1 , insbesondere im Sommerbetrieb erheblich steigern lässt.

In der Ausführungsform der Figur 2 befindet sich ein Kontaktkörper 7a im Austrittsbereich 9 des Kühlluftstroms 3 aus dem Ventilator 2, d.h. er ist im Innenraum 6 zwischen den Kondensationselementen 4, 5 angeordnet.

Eine dritte Variante zeigt Figur 3. Dort ist ein Kontaktkörper 7b vorgesehen, der zwischen zwei Positionen A, B verschwenkt werden kann. Auf diese Weise kann der Grad der Bedeckung der Anströmfläche 10 der Kondensationselemente 4, 5 verändert werden. Dadurch lässt sich der Druckverlust, der beim Durchströmen des Kontaktkörpers 7b zwangsläufig auftritt, verändern. Insbesondere, wenn die Zuschaltung des Kontaktkörpers 7b nicht erforderlich ist, kann dieser von der Stellung A in die Stellung B verlagert werden.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform mit einem Kontaktkörper 7c, der um eine Schwenkachse S schwenkbar ist. Dadurch kann der Kontaktkörper 7c in die in unterbrochener Linie eingezeichnete Position verlagert werden. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 3 ist bei der in Figur 4 dargestellten Variante unter Umständen mit einer geringeren Beeinflussung des Strömungsverhaltens zu rechnen. Die eingezeichnete Schwenkachse S verläuft in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu den Kondensationselementen 5. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass der Kontaktkörper 7c an dem anderen Kondensationselement 4 angeordnet ist, wobei die Schwenkachse S dann selbstverständlich parallel zu diesem Kondensationselement 4 verläuft.

Als besonders vorteilhaft wird die Ausführungsform der Figur 5 angesehen. Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kondensationselements 4 in Blickrichtung aus dem Innenraum 6 heraus. Das Kondensationselement 4 um- fasst eine Reihe von nebeneinander angeordneten Rohren 11 , die von Wasserdampf durchströmt werden. Die Rohre 11 besitzen einen länglichen, fast rechteckigen Querschnitt, wobei sich zwischen den einander zugewandten Quer-

Seiten 12 der Rohre 11 Rippen 13 befinden, die von dem Kühlluftstrom 3 umströmt werden. Das Besondere bei dem dargestellten Kondensationselement 4 ist, dass an den jeweiligen unberippten Stirnseiten 14 Kontaktkörper 7d befestigt sind, die beispielhaft durch die eingezeichnete Schraffur kenntlich gemacht sind. Derartige Kontaktkörper 7d stehen seitlich nicht in den berippten Zwischenraum vor, d.h. sie vermindern auch nicht den Strömquerschnitt zwischen den Rohren 11. Dennoch findet ein intensiver Austausch mit der vorbeiströmenden Kühlluft statt, welche beim Vorbeiströmen befeuchtet wird.

Bei allen vorhergehenden Figuren wurde auf die Darstellung einer oder mehrerer Dosierleitungen zur Speisung der Kontaktkörper mit Wasser verzichtet. Die Figuren 6 bis 8 zeigen flächige Kontaktkörper in unterschiedlichen Darstellungen, wobei es im Wesentlichen auf die Anordnung der Dosierleitung 15 ankommt. Die in Figur 6 dargestellte Dosierleitung 15 verläuft auf der Oberfläche des dargestellten Kontaktkörpers 7e. Die Dosierleitung 15 weist eine Vielzahl nicht dargestellter öffnungen auf, über welche das zu verdunstende Wasser in den Kontaktkörper 7e eingeleitet wird. Der mäanderförmige Verlauf gewährleistet einen gleichmäßigen Wassereintrag in den Kontaktkörper 7e.

Figur 7 zeigt den Kontaktkörper 7e der Figur 5 im Längsschnitt. Es ist zu erkennen, dass die Dosierleitung 15 in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar an das schematisch angedeutete Kondensationselement 4 grenzt, so dass die in dem Kondensationselement 4 herrschende Wärme auf die Dosierleitung 15 und damit auf das zu verdunstende Wasser übertragen wird.

Im Unterschied hierzu befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 die Dosierleitung 15 etwa in der Mitte des dargestellten Kontaktkörpers. Diese Variante hat wiederum den Vorteil, dass das zu verdunstende Wasser zwingend zunächst den dargestellten Kontaktkörper 7e passieren muss, bevor es an die Oberfläche des Kontaktkörpers 7e gelangt. Auf dem Weg zur äußeren Oberfläche des Kontaktkörpers 7e wird dieser benetzt.

Denkbar ist es auch, dass die Dosierleitung zwischen zwei Kontaktkörpern eingebettet ist, wobei das zu verdunstende Wasser beiderseits der Dosierleitungen abgegeben wird.

Bezuqszeichen:

1 - Kondensator

2 - Ventilator

3 - Kühlluft

4 - Kondensationselement

5 - Kondensationselement

6 - Innenraum

7 - Kontaktkörper 7a - Kontaktkörper 7b - Kontaktkörper 7c - Kontaktkörper 7d - Kontaktkörper 7e - Kontaktkörper

8 - Ansaugbereich

9 - Austrittsbereich 10 - Anströmfläche

11 - Rohr

12 - Querseite 13 - Rippe

14 - Stirnseite v. 11 15 - Dosierleitung

A - Position v. 7b B - Position v. 7b