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Wärmeaustauscher-Absicherung durch Schnellschlußventile Die Absicherung
von Wärmetauschern durch Schnellschluß-Wechsel- oder Schnellschluß-Rückschlagventile
ist bekannt. Diese bekannte Schaltung soll an Hand eines Beispieles im folgenden
erklärt werden.
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Als Beispiel wird ein Speisewasservorwärmer gewählt, der die Aufgabe
hat, als indirekter Wärmetauscher zwischen heißem Dampf und kaltem Speisewasser
das Speisewasser aufzuwärmen. Dadurch wird der thermodynamische Wirkungsgrad einer
Dampfkraftanlage verbessert. Es handelt sich um einen größeren Behälter, dessen
Mantel z. B. für 15 Atmospären Heißdampf von 300' C ausgelegt ist. Das Hochdruckspeisewasser
von 200 Atmosphären, 60° C, wird durch die Wandung des Mantelbehälters in eine Sammelkammer
geführt und gelangt von dieser Sammelkammer durch viele kleine Röhrchen mit relativ
großer Oberfläche in eine zweite Sammelkammer am Ende des Dampfbehälters. Der Vorwärmerbehälter
hat somit einen Hochdruckwasserein-und -austritt und einen Dampfeintritt, ferner
einen Austritt des Dampfes oder des als Kondensat niedergeschlagenen Dampfes. Tritt
nun eine Beschädigung eines kleinen Hochdruckwasserröhrchens innerhalb des Behälters
ein, so füllt sich der Dampfmantel mit Wasser auf und kann auf Grund des hohen Druckunterschiedes
200: 15 Atmosphären zerplatzen. Eine weitere Gefahr besteht noch im Eindringen des
Wassers in die Dampfleitung und gegebenenfalls in eine angeschlossene Wärmekraftmaschine.
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Ähnliche Verhältnisse liegen bei vielen Wärmetauscherschaltungen vor,
wobei durchaus beide Seiten des Wärmetauschers mit Gas oder Flüssigkeit beaufschlagt
werden können.
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Wird nun ein kleines Hochdruckwasserröhrchen im Vorwärmer des Beispieles
undicht oder reißt ab, so muß mit steigendem Wasserstand im Behälter die Hochdruckwasserzufuhr
abgesperrt werden. Gleichzeitig wird der Abströmquerschnitt des Hochdruckwassers
hinter dem Vorwärmer gegen die Normalströmung geschlossen, um eine Rückströmung
vom Rohrleitungssystem oder z. B. von einem Kessel in den Vorwärmer zu vermeiden.
Wird nun die Wasserzufuhr sehr schnell unterbrochen, so läuft die von der Pumpe
kommende Wassersäule auf das Schließglied auf, und es kann ein hoher dynamischer
Druckanteil entstehen, der die Pumpe und die Rohrleitung gefährdet. Um dieses Auflaufen
der Wassersäule zu verhindern, verwendet man vor dem Wärmetauscher eine Wechselarmatur,
z. B. ein Wechselventil, so daß beim Abschluß des Vorwärmereintrittes gleichzeitig
ein Bypaßquerschnitt geöffnet wird, der diesen Wärmetauscher umfährt. Diese Schaltung
ist seit vielen Jahren bekannt und wird in der gleichen Form mit einer Wechselarmatur
vor dem Vorwärmer und einer Rückschlagarmatur hinter dem Vorw'ärmer, auch bei mehreren
parallel geschalteten Wärmetauschern verwandt.
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Sind mehrere Wärmetauscher parallel geschaltet, so hat entweder jeder
Wärmetauscher eine gesonderte Bypaßleitung, oder die verschiedenen Bypaßleitungen
sind in einer Umgehungsleitung zusammengefaßt.
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Bei mehreren parallelen Wärmetauschern besteht dabei der Nachteil,
daß bei Ausfall eines Wärmetauschers durch Umschaltung des Wechselventils vor dem
Wärmetauscher und Schließen des Rückschlagventiles hinter dem Wärmetauscher sofort
eine Bypaßleitung in Betrieb geht, während die verbleibenden intakten Wärmetauscher
in der Lage wären, anteilmäßig den Wasserfluß des beschädigten Vorwärmers ebenfalls
aufzunehmen und vorzuwärmen. Zusätzlich hat die Bypaßleitung des defekten Vorwärmers
einen geringeren Strömungswiderstand, so daß sich die Wassermenge, die durch die
intakten Vorwärmer fließt, verringert und die Wassermenge in der Bypaßleitung über
Gebühr zunimmt. Wenn eine Wärmekraftanlage überhaupt mit diesen geänderten Temperaturbedingungen
fahren kann, so doch nur mit verschlechtertem Wirkungsgrad. Die Sicherheit gegen
irgendeine Zerstörung ist zwar gegeben.
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Die erfindungsgemäße Schaltung will nun den hohen Wirkungsgrad erhalten
bei Gewährleistung der Sicherheit. Die erfindungsgemäße Schaltung bezieht sich auf
zwei parallel angeordnete Vorwärmer oder Vorwärmergruppen. Die Schaltung der Wechsel-
und der Rückschlagarmaturen erfolgt dabei so, daß vor dem einen Wärmetauscher ein
Wechselventil und dahinter
ein Rückschlagventil, vor dem anderen
Wärmetauscher ein Rückschlagventil und dahinter ein Wechselventil angeordnet ist.
Diese Armaturen sind so eingebaut, daß bei Beschädigung eines Wärmetauschers dieser
Wärmetauscher automatisch abgeschaltet wird. Zwangläufig öffnet sich dabei durch
das Wechselventil dieses Wärmetauschers die Bypaßleitung, aber nur einseitig. Das
entgegengesetzt geschaltete Wechselventil des anderen Vorwärmers schließt die Bypaßleitung
noch weiterhin ab, so daß der zweite intakte Vorwärmer nun die gesamte Fördermenge
aufwärmt. Die Vorwärmung verschlechtert sich hierdurch zwar, der Wirkungsgrad ist
aber wesentlich besser als würde der Mengenstrom des abgeschalteten Vorwärmers kalt
umführt.
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Zur besseren Übersicht ist diese Schaltung in einer Skizze dargestellt.
Die stark ausgezogenen Linien sind die Hochdruckwasserleitungen, schwach ausgezogen
sind die Impulse, gestrichelt ausgezogen die Steuerleitungen. Das Hochdruckwasser
tritt in das Ventil 1 ein und fließt in einem Teilstrom weiter zum Ventil 2. Durch
diese beiden Ventile fließt je ein Teilstrom durch die Vorwärmergruppe I und 11
zu den Ventilen 3 und 4. Der Teilstrom des Ventils 4 durchfließt das in Kreuzform
ausgebildete Ventil 3, die gesamte Menge strömt in Pfeilrichtung ab. Wird nun der
Vorwärmer 1 defekt oder steigt durch einen anderen Grund der Kondensatwasserstand
in diesen Behältern oder der Druck im Heizmantel dieser Behälter, so werden die
Ventile 1 und 3 umsteuert bzw. zugesteuert durch die Impulsgeber 5 und 6. Die Impulsgeber
betätigen in dieser Schaltung ein Steuerventil 7. Durch dieses Umsteuern des Ventils
1 wird der Zufluß zum Wärmetauscher 1 abgesperrt, während gleichzeitig die Bypaßleitung
8 geöffnet wird. Diese Bypaßleitung bleibt aber innerhalb des Ventils 4 weiterhin
geschlossen, so daß der ganze Mengenstrom durch den Vorwärmer 11 geleitet wird.
Erst wenn dieser Vorwärmer 11 ebenfalls ausfällt und damit die Ventile 2
und 4 umschalten, geht die Bypaßleitung mit der vollen Menge in Betrieb.
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Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden die Wechselventile 1
und 4 so ausgebildet, daß der jeweilige Abschlußsitz zum Bypaß eine kleine, aber
bestimmte Undichtigkeit enthält. Durch diese bestimmte Undichtigkeit wird verhindert,
daß beim Inbetriebgehen der Anlage die Bypaßleitung drucklos bleibt. Immer wenn
die Anlage in Betrieb ist, muß die Bypaßleitung nahezu den gleichen Druck haben,
wie die ankommende und abgehende Leitung und die Vorwärmer wasserseitig, damit die
Schaltfähigkeit der Ventile 1 und 4 gewährleistet ist.
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Diese Schaltung gewährleistet bei geringem Aufwand einen optimalen
thermodynamischen Wirkungsgrad bei Einhaltung der gewünschten Sicherheit.