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Verfahren und Einrichtung zum Entwässern und Nacherhitzen
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von Dampf Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
10.
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Insbesondere betrifft die Erfindung Wasserabscheider-Nacherhitzer,
im speziellen neuartige einstufige Nacherhitzer für Wasserabscheider-Nacherhitzer
in Atomkernenergie-Dampfturbinenkraftwerken.
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Der Dampf von einem mit fossilem Brennstoff geheizten Kessel ist im
allgemeinen heiß und trocken und er enthält genügend
Energie für
den Betrieb einer Hochdruckturbine. Anschließend wird der Dampf im allgemeinen im
Kessel nacherhitzt, so daß er zuerst in Mitleldruck- und dann in Niederdruck-Stufen
Nutzarbeit zu leisten vermag. Der Dampf von einem durch Kernenergie geheizten Dampfgenerator
oder Reaktor hat andererseits im allgemeinen eine verhältnismäßig niedrige Temperatur
und ist gesättigt. Nachdem er ein Hochdruckturbinenstufe durchströmt hat, enthält
der durch Kernenergie erzeugte Dampf so viel mitgeführte Feuchtigkeit, daß er hiervon
befreit werden muß und außerdem vorzugsweise auch nacherhitzt werden soll, um seine
Enthalpiezu erhöhen, damit er zuverlässig weitere Nutzarbeit zu leisten vermag.
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Es sind bereits verschiedene Typen von Wasserabscheider-Nacherhitzern
bekannt, siehe z.B. die US-PS 3 712 272. Der aus dieser Patentschrift bekannte Wasserabscheider-Nacherhitzer
enthält zwei Nacherhitzerabschnitte mit jeweils einer Bank oder einem Bündel von
U-förmigen Röhren, die sich longitudinal in einen druckfesten Mantel erstrecken
und ein Kopfstück zur Einführung eines Heizfluids (auf Dampf) zu den Röhren und
zum Abziehen des Fluids (Kondensat) von den Röhren enthalten. Das Kopfstück ist
mit einer vertikalen Leitplatte versehen, die im wesentlichen in der Mitte des Kopfstücks
angeordnet ist und es in einen Einlaß- und einen Aus daß abschnitt unterteilt. Das
eine EndejederRöhre steht mit dem Einlaßabschnitt und das andere Ende mit dem Auslaßabschnitt
in Verbindung. Im Betrieb wird gesättigter Heizdampf durch den Einlaßabschnitt des
Kopfstücks in die U-förmigen Röhren eingespeist, durchströmt die Röhren und tritt
aus ihnen durch den Auslaßabschnitt des Kopfstückes aus und alles Kondensat, das
sich in den Nacherhitzer-Röhren bildet, wird durch einen einzigen Abfluß abgeleitet,
der im Auslaßabschnitt vorgesehen ist.
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Ein weiteres Beispiel eines Wasserabscheider-Nacherhitzers
der
zwei Nacherhitzerröhrenbündel enthält, ist aus der US-PS 3 713 278 bekannt. Bei
dieser bekannten Konstruktion ist das Kopfstück mit einer im wesentlichen horizontalen
Trenn- oder Leitplatte versehen, die im wesentlichen in der Mitte des Kopfstücks
angeordnet ist und dieses in einen oberen Einlaßabschnitt sowie einen unteren Auslaßabschnitt
unterteilt. Die U-förmigen Biegungen der Röhren verlaufen also in vertikaler Richtung.
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Ein Wasserabscheider-Nacherhitzer, der ein einziges Nacherhitzerröhrenbündel
enthält, ist aus der US-PS 3 593 SQO bekannt.
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Bei allen diesen bekannten Wasserabscheider-Nacherhitzer-Konstruktionen
können unter gewissen Betriebsbedingungen beträchtliche Mengen des Nacherhitzungsdampfes
in den am starlesten belasteten Röhren kondensieren. Wenn der ganze Dampf, der in
diese Röhren eintritt, vor dem Röhrenende vollständig kondensiert, kann sich unterkühltes
Kondensat ansammeln. Die bei der Unterkühlung von Kondensat auftretenden Probleme
und die damit zusammenhängenden Instabilitäten sind bekannt. Man weiß zwar bereits,
daß Röhrenöffnungen und Rohrenbundelspülungen einen günstigen Einfluß haben und
die obigen Probleme erleichtern. Röhrenöffnungen sind aus der US-PS 3 073 575 bekannt.
Bei Röhrenbündelspülungen, wie sie z.B. in der US-PS 3 724 212 beschrieben sind,
wird die Spülströmung typischerweise zu einem tieferen Punkt im System abgeleitet.
Dies hat jedoch erhebliche thermodynamische Verluste zur Folge.
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Aus der US-PS 3 830 293 ist ein Verfahren zur Rückführung von Spuldanapf
in #öhren-Mantel-Wärmetauschern, die mit einem Röhrenbundel arbeiten, bekannt. In
der Dampf zuführungsleitung des #Wnrenbündels wird ein mit kleiner Druckdifferenz
5
(ca. 0,7 bis 1,4-1Q5 Pa oder etwa 10 bis 20 psid) arbeitender Thermokompressor verwendet,
um eine Rezirkulation des Spüldampfes im Röhrenbündel zu bewirken. Die Menge des
durch diese Technik rezirkulierten Spüldampfes reicht jedoch nicht aus, ein Unterkühlen
des Kondensats zu-vermeiden, da der geringe Druckunterschied am Thermokompressor
diesen sehr unwirksam macht und sich keine Angaben darüber finden, daß eine alternative
Quelle für Dampf höheren Druckes wünschenswert oder notwendig sei.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
die Unterkühlung von Kondensat im Röhrenbündel eines Nacherhitzers zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung
bzw. das im Anspruch 10 gekennzeichnete Verfahren gelöst.
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Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird
ein Ijochdifferentialdruck-Thermokompressor, also ein mit hoher Druckdifferenz zwischen
Treibdampf und Ansaugdampf arbeitender Thermokompressor dazu verwendet, beträchtliche
Mengen von Spüldampf im Niederdruck-Röhrenbündel der ersten Stufe eines zweistufigen
Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzers zu rezirkulieren. Für den Antrieb bzw. Betrieb
des Thermokompressors werden relativ kleine Mengen Hochdruck-Spüldampf vom Hochdruck-Röhrenbündel
der zweiten Stufe verwendet. Für den Betrieb sind dabei im allgemeinen mindestens
zwei Röhrenbündel erforderlich, die mit wesentlich verschiedenen Drücken arbeiten.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Unterkühlung
von Kondensat in einstufigen Nacherhitzern oder Zwischenüberhitzern erfindungsgemäß
dadurch im wesentlichen vermieden, daß die Drosselung von Heizdampf für den Betrieb
eines mit hohem Druckunterschied arbeitenden Thermokompressors
verwendet
wird, um mit minimalen thermodynamischen Verlusten wesentlich größere Mengen von
Spüldampf, als es bisher möglich war, zurückzuspeisen und im Umlauf zu halten.
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Durch die Erfindung kann also eine Unterkühlung von Kondensat in gedrosselten,
einstufigen Nacherhitzer-Röhrenbündeln mit minimalen thermodynamischen Verlusten
verhindert werden, indem man Hochdruckdampf, der in Strömungsrichtung vor dem Drosselventil
oder den Drosselventilen in der Speiseleitung für das Röhrenbündel entnommen wurde,
zum Antrieb eines wesentlich wirkungsvolleren, mit hoher Druckdifferenz arbeitenden
Thermokompressors verwendet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden
diese Vorteile dadurch erreicht, daß in einem einstufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Röhrenbündel
eine Pumpvorrichtung vorgesehen wird, um große Mengen von Spüldampf durch die Röhren
des Bündels zu leiten. Die Einlaßenden von in einer vertikalen Ebene angeordneten,
U-förmigen Röhren können mit unterschiedlichen Öffnungen versehen sein, um besser
zu gewährleisten, daß den einzelnen Röhren genügend Dampf zugeleitet wird, um eine
Unterkühlung von Kondensat zu vermeiden. Haupt- oder Frischdampf, der stromaufwärts
von der Hochdruckturbine entnommen wird, dient als Heizfluid (Dampf) für das Röhrenbündel.
Bei einem nuklearen Reaktor oder Dampferzeuger sind die Schwankungen des Hauptdampfdruckes
über den Belastungsbereich der Turbine minimal. Es ist ein Weg vorgesehen, um einen
Hochdruck-Thermokompressor oder Dampfstrahlverdichter mit Haupt- oder Frischdampf
zu speisen, der stromaufwärts vom Drosselventil oder den Drosselventilen der Speiseleitung
des Röhrenbündels abgenommen wird. Ferner sind Rohrleitungen vom Auslaßteil des
Kopfstückes des Röhrenbündels zum Niederdruck-Ansauganschluß des Thermokompressors
vorgesehen. Durch diese Maßnahmen ist der Druck des Treibdampfes
für
den Thermokompressor mindestens 1,5-mal (und bis zu 10-mal) größer als der des gedrosselten
Saugdampfes.
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Mit einem solchen Druckverhältnis von mindestens 1,5 bewirkt der Thermokompressor
(der hier im folgenden als Hochdruck-Thermokompressor, also Thermokompressor mit
hohem nP) bezeichnet werden soll), daß wesentlich mehr Saugdampf abgezogen wird
als Treibdampf zugeführt wird. Für den Auslaß- oder Abdampf vom Thermokompressor,
der einen mittleren Druck hat, sind Rohrleitungen zu seiner Einspeisung in die Einlaßkammer
des Kopfstückes des Röhrenbündels vorgesehen.
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Durch diese Maßnahmen können Spüldampfdurchsätze in der Grössenordnung
von 50 bis 100 % des Röhrenbündeldurchsatzes, der durch die benötigte, abzugebende
Wärme bestimmt ist, bei den Teillastbedingungen leicht erreichbar, bei denen die
Einlaß strömung gedrosselt ist und hohe Spüldampfdurchsätze benötigt werden. Die
bekannten Probleme hinsichtlich der Kondensatunterkühlung und der damit zusammenhängenden
Instabilitäten werden auf diese Weise weitestgehend vermieden.
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Da der Spüldampf außerdem durch das oder die Röhrenbündel kontinuierlich
rezirkuliert oder zurückgeführt wird, erfolgt die weitestgehende Unterdrückung der
Kondensatunterkühlung mit einem Minimum an thermodynamischen Verlusten. Zur Entfernung
etwaiger nicht kondensierbarer Gase, die sich ansammeln können, wird zweckmäßigerweise
eine kleine Entleerung vorgesehen. Bei hohen Leistungen, bei denen der dem Röhrenbündel
oder den Röhrenbündeln zugeführte Heizdampf nicht mehr gedrosselt wird, kann ferner
die Wärmeabgabeleistung der zahlreichen U-Röhren des Bündels leicht durch unterschiedliche
Röhrenöffnungen in Verbindung mit einer verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeit
von Spüldampf, der zu einem niedrigeren Punkt des Systems abgeleitet wird, leicht
eingestellt oder vergleichmäßigt werden. Unter diesen Bedingungen kann der Thermokompressor,
wenn auch mit geringerem
Wirkungsgrad weiter arbeiten, um ein erneutes
Anfahren bei einem späteren Lastwechsel zu vermeiden.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine etwas schematisierte vertikale Querschnittsansicht
einer zweistufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtung sowie zugehöriger Anlagenteile
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine etwas schematisierte vertikale
Querschnittsansicht einer einstufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtung
und zugehöriger Anlagenteile gemäß einem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt eines Thermokompressors,
wie er in der Einrichtung gemäß Fig. 2 verwendet werden kann.
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Die in Fig 1 dargestellte Wasserabscheider- Nacherhitzer-Einrichtung
10 enthält einen Druckbehälter 12, der typischerweise mehrere Dampfeinlässe 13 und
mehrere Dampfauslässe 14 enthält, damit der zu trocknende und wieder zu erhitzende
Dampf leichter hindurchgeleitet werden kann.
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Die vom zugeführten Dampf mitgeführte Feuchtigkeit wird durch Wasserabscheideplatten
15 in bekannter Weise im wesentlichen vollständig entfernt. Die Wasserabscheideplatten
haben eine sehr große Oberfläche mit sogenannten t'Wackelplatten" und
einem
zugehörigen Ableitsystem (nicht dargestellt), welches das von den Platten ablaufende
Wasser sammelt und einen Weg für die Entfernung des Wassers aus dem Mantel oder
Druckbehälter 12 bildet.
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Unmittelbar oberhalb der Wasserabscheideplatten 15 sind im Wege des
von den Dampfeinlässen 13 zu den Dampfauslässen 14 strömenden Dampfes mehrere Uber-
oder Nacherhitzer 16 und 17 angeordnet.
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Der Nacherhitzer 16 der ersten Stufe enthält ein Röhrenbündel 18 und
ein Kopfstück 19. Der Nacherhitzer 17 der zweiten Stufe enthält ein Röhrenbündel
20 und ein Kopfstück 21. Die Röhrenbündel 18 und 20 enthalten jeweils eine Anzahl
von U-förmigen Röhren 22, zwischen denen und dem durchströmenden mantelseitigen
Dampf ein Wärmeübergang stattfindet. Die U-Röhren 22 führen jeweils gesättigten
Dampf hohen Druckes, auf dessen Herkunft noch eingegangen wird, und enthalten jeweils
einen nahezu horizontalen Abschnitt 23, einen runden, vertikal orientierten U-Biegungsabschnitt
24 und einen nahezu horizontalen Auslaßabschnitt 25. Die Kopfstücke 19 und 20 enthalten
jeweils eine Leit- oder Trennplatte 32, welche das jeweilige Kopfstück in eine obere
Einlaßkammer 33 bzw. 35 und eine untere Auslaßkammer 34 bzw. 36 unterteilt/. Jede
Röhre der Röhrenbündel 18 und 20 hat ein Einlaßende, das mit der oberen Einlaßkammer
des zugehörigen Kopfstücks in Verbindung steht, während ihr anderes Ende in Verbindung
mit der unteren Auslaßkammer desselben Kopfstücks verbunden ist. Der Einlaßkammer
33 des Kopfstückes der ersten Stufe wird gesättigter Dampf, dessen Druck wesentlich
höher ist als der mantelseitige Dampf, durch eine Rohrleitung 40 zugeführt, die
ein Ventil 42 enthält und von einer Anzapfung einer nicht dargestellten Hochdruckturbine
kommt. Der Dampf durchströmt die Röhren 22 des Nacherhitzers 16 und gibt dabei Wärme
an den mantelseitigen * und eine kleine Ablauföffnung hat
Dampf
ab, wobei er in den Röhren zumindest teilweise kondensiert. Das entstehende Kondensat
tritt in die AuslaB-kammer des Kopfstücks ein und wird durch eine Abflußleitung
44 abgeleitet, während der restliche Dampf der Ansaugseite eines Thermokompressors
70 und einer Entleerungsleitung 51 über eine Rohrleitung 49 zugeführt wird.
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Der Einlaßkammer 35 des Nacherhitzers 17 der zweiten Stufe wird gesättigter
Dampf zugeführt, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine durch eine Leitung 50
entnommen wird und bei Teillastbedingungen durch ein Ventil 52 gedrosselt wird und
einen Druck hat, der wesentlich über dem Druck des gesättigten Dampfes liegt, der
der Einlaßkammer 33 des Nacherhitzers 16 zugeführt wird. Der Dampf strömt dann von
der Einlaßkammer 35 durch die Röhren 22 des Nacherhitzers 17, wobei er unter zumindest
teilweiser Kondensation Wärme an den mantelseitigen Dampf abgibt. Das entstehende
Kondensat tritt in die Auslaßkammer 36 aus und wird durch eine Rohrleitung 74 einem
Abflußtank 47 zugeführt, während der überschüssige Dampf durch eine Rohrleitung
71 dem Thermokompressor 70 als Treibdampf zugeführt wird.
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Der durch den Arbeitsdampf von der Rohrleitung 71 mit Treibdampf versorgte
Strahl- oder Thermokompressor 70 fördert einen größeren Massenfluß an Abdampf aus
der Leitung 72 und liefert einen größeren Massenfluß an Spüldampf über die Leitung
73 zur Einlaßkammer 33 des Kopfstücks 19 des Nacherhitzers 16. Diese Dampfströmung
reicht für das Spülen des Röhrenbündels 18 des Nacherhitzers 16 aus und verhindert
im wesentlichen ein Unterkühlen von Kondensat mit den damit zusammenhängenden Instabilitäten.
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Die Vorteile dieser Spülung des ersten Nacherhitzer-Röhrenbündels
können erhalten bleiben, wenn man die zweite Nacherhitzerstufe
abstellt
und die Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtung praktisch als einstufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer
betreibt. Hierfür ist eine Anordnung mit einer Rohrleitung 75 und einem Ventil 76
vorgesehen, die es ermöglichen, den Thermokompressor 70 mit einem Teil des Hochdruckdampfes
zu betreiben, der von der Hauptdampfquelle zur Verfügung steht. Man schließt dann
das Ventil 52 sowie das Ventil 77, wodurch die zweite Nacherhitzerstufe von der
Dampfströmung abgetrennt wird. Das Ventil 46 wird geöffnet, so daß ungedrosselter
Dampf mit einem Druck, der wesentlich höher ist als der Druck in der Leitung 40,
den Thermokompressor 70 als Treibmittel antreibt und den gewünschten Spüldampf für
den Nacherhitzer 16 liefert.
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Unter den oben geschilderten Umständen hat man dann also einen zweistufigen
Nacherhitzer, dessen Hochdruckstufe abgestellt ist, so daß die Einrichtung als einstufiger
Nacherhitzer arbeitet, bei dem der Abdampf durch einen Thermokompressor, der einen
hohen Druckunterschied bewirkt, in dem arbeitenden Röhrenbündel zu Spülzwecken zurückgeführt
oder rezirkuliert wird. Ein für einen solchen Betrieb ausgelegter einstufiger Nacherhitzer
wird selbstverständlich eine andere Konfiguration haben. Eine optimierte Anordnung
für einen derartigen Betrieb des Nacherhitzers ist in Fig. 2 dargestellt, in der
Teile gleicher Funktion wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Der in Fig. 2 dargestellte Wasserabscheider-Nacherhitzer 10 enthält
wieder einen Druckbehälter 12, der typischerweise mehrere Dampfeinlässe 13 und mehrere
Dampfauslässe 14 hat, damit der zu trocknende und zu erhitzende Dampf leichter hindurchgeleitet
werden kann. Oberhalb der Dampfeinlässe 13 und nicht dargestellten Einlaß-Anfüllungen
sind Wasserabscheidepaneele 15 bekannter Bauart angeordnet, durch die praktisch
die ganze Feuchtigkeit, die der eintretende Dampf
mitführt, abgeschieden
wird.
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Der Überhitzer oder Nacherhitzer 16 enthält ein Röhrenbündel 18 und
ein Kopfstück 19. Das Röhrenbündel 18 enthält eine Vielzahl von U-Röhren 22, die
in Wärmeaustauszh mit dem den Nacherhitzer durchströmenden mantelseitigen Dampf
stehen und jeweils gesättigter Hochdruckdampf führen, auf dessen Ursprung noch eingegangen
wird. Jedes U-Rohr des Bündels 18 hat einen nahezu horizontalen Einlaßabschnitt
23, einen gebogenen, vertikal angeordneten U-förmigen Biegungsabschnitt 24 und einen
nahezu horizontalen Auslaßabschnitt 25. Das Kopfstück 19 enthält eine Trennplatte
32, die es in eine obere Einlaßkammer 33 und eine untere Auslaßkammer 34 unterteilt.
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Jede U-Röhre des Röhrenbündels 18 steht mit einem Einlaßende mit der
oberen Einlaßkammer des Kopfstücks und mit dem anderen Ende mit der unteren Auslaßkammer
desselben Kopfstücks in Verbindung. Da die Strömungswege aller U-Röhren eines vorgegebenen
Röhrenbündels einander parallelgeschaltet sind, herrscht an allen Röhren die gleiche
Druckdifferenz (Treibkraft) zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßabschnitt.
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Für den Betrieb steht Hauptdampf, der stromaufwärts von der Hochdruckturbine
abgenommen wird, über eine Rohrleitung 50 für den Nacherhitzer 16 zur Verfügung.
Die Rohrleitung 50, die zur Einlaßkammer 33 des Kopfstücks 19 führt, enthält ein
zufuhrseitiges Ventil 42 und mindestens ein Drosselventil 43. Der Dampf durchströmt
dann die U-Röhren 22, wobei er zwei longitudinale Wege entlang der und parallel
zur Längsachse des Mantels oder Druckbehälters 12 strömt und einen gebogenen Weg
nach unten durchläuft, wenn er das Ende des ersten horizontalen Strömungsweges erreicht
und dann zur Auslaßkammer 34 des Kopfstuclcs 19 zurückströmt. Während des Durchlaufens
der U-Rcihren 22 3<ondensiert ein gewisser Anteil des in den Röhren
enthaltenen
Dampfes und das Kondensat strömt zusammen mit dem nicht kondensierten Dampf zur
Auslaßkammer, wo es durch die Abflußleitung 44 zu einem außerhalb des Druckbehälters
12 befindlichen Sammeltanks 45 strömt. Die flüssige Phase im Sammeltank 45 kann
über die Leitung 48 einem Speisewasser-Vorerwärmer oder einem Hauptkondensator zugeführt
werden. Zum Ausgleich des Druckes in der Auslaßkammer 34 des Kopfstücks und dem
Sammeltank 45 ist eine Entlüftungs- oder Ausgleichs-Rohrleitung 49 vorgesehen. An
die Rohrleitung 49 ist eine Rohrleitung 72 angeschlossen, durch die der aus dem
Röhrenbündel austretende Spüldampf einem Thermokompressor 70 zugeführt wird.An dieRohrleitung
49 ist ferner eine Rohrleitung 51 angeschlossen, um laufend nicht kondensierbare
Gase durch ein Ventil 78 und Spüldampf durch ein Ventil 79 zu Punkten niedrigeren
Druckes im System ableiten zu können.
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Der durch einen Pfeil A angedeutete Frisch- oder Hauptdampf, der durch
die Heizdampfeinlaß-Rohrleitung 50 eintritt, welche eine Quelle für gesättigten
Dampf, ein dampfquellenseitiges Einlaß-Ventil 42 und mindestens ein Drosselventil
43 enthält, wird im allgemeinen stromaufwärts von der Hochdruckdampfturbine abgenommen.
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Der Druck dieses Frisch- oder Hauptdampfes ist relativ hoch und im
ganzen Lastbereich im wesentlichen konstant. Bei Druckwasser-Reaktoren kann der
Frischdampfdruck mit zunehmender Last in der Praxis auch etwas absinken. Der mantelseitige
Dampf, der vom Auslaß der Hochdruckturbine kommt, hat andererseits einen Druck,
der mit der Turbinenbelastung im wesentlichen linear auf einen Wert von etwa 1/6
des Frischdampfdruckes bei Vollast ansteigt. Würde man den Frischdampf durch die
Einlaß-Rohrleitung 50 im Lastbereich in das Röhrenbündel 18 einführen, so wäre der
Unterschied zwischen der Temperatur des Frischdampfes (der typischerweise einen
Druck in der Grössenordnung von 7 MPa oder 1000 psia hat) und der des mantelseitigen
Dampf
5 unter Teillastbedingungen zu groß, wesentlich mehr als 100 K oder 200 F. Bei diesen
hohen Temperaturunterschieden im Teillastbetrieb treten erhebliche Probleme durch
Verformung der Röhrenbündel in Folge der thermischen Expansion aufgrund der Temperaturunterschiede
auf und es kann eine starke Kondensatunterkühlung in den Röhren eintreten. Um diese
Schwierigkeiten zu mildern, wird der Frischdampf in der Einlaß-Rohrleitung 50 bei
der vorliegenden Einrichtung typischerweise im Teillastbetrieb durch das Ventil
43 gedrosselt.
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Es ist nur ein Ventil 33 dargestellt, in der Praxis können jedoch
auch mehrere solcher Ventile verwendet werden. Es sind eine ganze Reihe von Verfahren
zur Drosselung des Frischdampf 5 bekannt; typischerweise steuert man das oder die
Ventile 43 vom Hochdruckturbinenauslaßdampfdruck so, daß der Druck des Dampfes für
das Röhrenbündel 18 von einem niedrigen Lastwert bis zum Frischdampfdruck im Bereich
von 50 % bis 80 % der Turbinenlast linear ansteigt. Unter dem Begriff gedrosselter
Dampf" soll hier also Dampf verstanden werden, dessen Druck bei Teillast der zugehörigen
Turbine verringert ist.
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Wenn der in den Druckbehälter 12 eintretende mantelseitige Dampf von
den Dampfeinlässen 13 über die U-Röhren 22 des Bündels 18 strömt und zunehmend erhitzt
wird, nimmt der Temperaturunterschied zwischen dem röhrenseitigen Dampf und dem
mantelseitigen Dampf kontinuierlich ab. Ein wichtiges Problem, mit dem sich die
Erfindung besonders befaßt, beruht auf dem bei der Erhitzung des mantelseitigen
Dampfes sich ändernden Temperaturunterschiedes zwischen diesem mantelseitigen Dampf
und dem röhrenseitigen Dampf. Der mantelseitige Dampf kann noch einen gewissen restlichen
Wasseranteil über die Wasserabscheidepaneele 15 hinaus mitführen, der durch
Wärmeübergang
von den unteren Röhrenreihen des Röhrenbündels 18 verdampft werden muß, bevor die
Uberhitzung des Dampfes beginnen kann. Da der Temperaturunterschied zwischen dem
röhrenseitigen und dem mantelseitigen Dampf an den unteren Röhren des Röhrenbündels
18 am größten ist und dort zusätzlich noch Wasser verdampft werden muß, kann offensichtlich
an diesen unteren Röhren des Röhrenbündels der größte Wärmeübergang auftreten, was
wiederum erfordert, daß den äußeren U-Röhren in vertikal orientierten Uberhitzerröhrenbündeln
größere Mengen röhrenseitigen Dampfes zugeführt wird.
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Da die Einlaßenden aller U-Röhren in Verbindung mit der Einlaßkammer
33 des Kopf stücks und die Auslaßenden aller U-Röhren in Verbindung mit der Auslaßkammer
34 des Kopfstücks 19 stehen, herrscht an allen U-Röhren notwendigerweise der gleiche
Druckunterschied. Die äußeren (vertikalen) U-Röhren erhalten daher normalerweise
nicht'genügend Dampf, um den Bedarf für die abzugebende Wärme zu decken. In diesen
Röhren kondensiert der Dampf also vor dem Ende der Röhren vollständig und stromabwärts
des Punktes, an dem der letzte Dampf kondensiert ist, tritt eine Unterkühlung des
Kondensats ein, um den Bedarf an abzugebender Wärme zu decken. Aus den inneren (vertikalen)
U-Röhren, die mehr Dampf führen als theoretisch erforderlich ist, tritt andererseits
eine zweiphasige gesättigte Mischung in die Auslaßkammer 34 des Kopfstücks 19 aus.
Aus dem Auftreten von unterkühlter Flüssigkeit können bekanntlich die verschiedensten
Probleme entstehen. Zwei wesentliche Probleme sind Brüche der Röhren Röhrenblech-Schweißungen
und Instabilität des Systems als Ganzes.
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Es ist z.B. aus der US-PS 3 073 575 bekannt, daß man die Unterkühlung
dadurch verringern kann, daß man bestimmte
Röhren in geeigneter
Weise verengt und dadurch den Durchsatz des röhrenseitigen Dampfes der für die Wärmeübertragung
tatsächlich benötigten Wärmemenge anpaßt. Man kann dadurch die Unterkühlung und
die mit ihr zusammenhängenden Instabilitäten in Dampfwärmetauschern verringern.
Eine Möglichkeit, das oben geschilderte Problem anzugehen, besteht also in einer
entsprechenden Bemessung der Röhrenöffnungen.
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Die #ffnungs- oder Querschnittsbemessung ist eine der Maßnahmen zur
Behebung des Problems einer unterschiedlichen Kondensation in den U-Röhren eines
Nacherhitzer-Röhrenbündels und damit einer weitgehenden Vermeidung der Kondensatorunterkühlung,
der vom Konzept her wahrscheinlich der einfachste Weg zur Vermeidung dieses Problems
besteht jedoch darin, durch das Röhrenbündel eine ausreichende Menge gesättigten
Dampfes im Überschuß über die für die Nacherhitzung theoretisch nötige Menge zu
leiten und dadurch alle U-Röhren durchzuspülen. Diese Maßnahme ist jedoch im Hinblick
auf den Wirkungsgrad normalerweise nicht anwendbar, da sie eine untragbare Energievergeudung
darstellt. Eine praktikablere Lösung ist die Verwendung von zusätzlichen Unterteilungen
im Kopfstück, wie es aus der US-PS 3 996 897 bekannt ist.
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Bei der dort beschriebenen Einrichtung tritt der zugeführte Dampf
in einen unterteilten Einlaß abschnitt des Kopfstückes eines horizontal orientierten
Röhrenbündels ein und strömt durch die untere Hälfte der U-Röhren zu einem Rückflußabschnitt
des Kopfstückes, wo das Kondensat, welches sich bei den ersten beiden longitudinalen
Durchgängen durch die U-Röhren gebildet hat, abgeleitet wird. Der gesättigte Dampf
wird dann wieder in die Röhren des Röhrenbündels eingeleitet, er tritt in die obere
Hälfte des Röhrenbündels ein und kehrt zum entgegengesetsten Abschnitt des Kopfstückes
zurück, von dem das angesammelOe Kondensat wieder abgeleitet wird. Eine solche Ekn-%uung
stellt eine Vierdurchgangsanordnung dar und verrincJ#rt die Gefahr einer Kondensatüberflutung
sowie
der resultierenden thermischen Zyklen.
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Bei einer aus der US-PS 3 759 319 bekannten ~Vierdurchgangsanordnung"
enthält der Nacherhitzer einen getrennten Verteiler um den gesättigten Dampf, der
bereits einen Durchlauf vollführt hat, nochmals durch gewisse U-Röhren des Nacherhitzerröhrenbündels
laufen zu lassen.
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Die Abstufung der Strömungsquerschnitte und die oben diskutierten
weiteren Maßnahmen stellen jedoch leider normalerweise keine vollständige Lösung
des Problems der Kondensatunterkühlung und der damit zusammenhängenden Instabilitäten
in Wasser abscheider-Nacherhitzer-Einrichtungen dar. Ein Grund, warum durch die
Abstufung der Öffnungs- bzw. Strömungsquerschnitte keine vollständige Lösung möglich
ist, besteht darin, daß eine vorgegebene öffnungsanordnung zwar für eine Verteilung
der Dampfströmung auf die verschiedenen Röhren berechnet und ausgeführt sein kann,
daß sie den theoretischen Bedarf an zu übertragender Wärme bei einem bestimmten
Betriebszustand zu decken vermag, für alle Betriebsbedingungen jedoch nicht ideal
ausgelegt ist. Eine Querschnitts- oder öffnungsanordnung, die für einen Satz von
Bedingungen ideal ist, kann für einen anderen Satz von Bedingungen nicht geeignet
sein, z.B. bei Änderung der Lastwerte der Turbine oder im Falle eines einstufigen
Nacherhitzers, wenn der Heizdampf bei Teillast gedrosselt wird.
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Die vorliegende Erfindung kann entweder mit einer abgestuften Öffnungs-
oder Querschnittsbemessung (oder äquivalenten Maßnahmen) oder unabhängig davon angewendet
werden, um die Arbeitsweise von Nacherhitzern in Wasserabscheider-Nacherhitzer-Einrichtungen,
insbesondere für Dampfturbinengeneratoranlagen zu verbessern, insbesondere eine
Unterkühlung von Kondensat sowie die damit zusammenhängenden Instabilitäten im wesentlichen
zu vermeiden.
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Es ist seit langem bekannt, daß Dampfleitungen zur Entfernung von
unerwünschtem Wasser und dgl. durch Hindurchleiten von Hochdruckgas oder -dampf
durchgespült werden können. Man kann also ein Unterkühlen von Kondensat in Nacherhitzerröhrenbündeln
dadurch vermeiden, daß man die Zufuhr von gesättigtem Dampf von der Eingangsdampfquelle
zum Röhrenbündel um einen vorgegebenen Betrag im Überschuß über denjenigen Betrag
erhöht, der bei einer bestimmten Last für die Nacherhitzung des mantelseitigen Dampf
5 theoretisch benötigt wird.
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Wenn man einen genügenden Über schuß an gesättigtem Dampf von der
Röhrenbündeldampfquelle entnimmt, läßt sich auch ohne besondere Bemessung der öffnungs-
oder Strömungsquerschnitte eine Kondensatüberkühlung praktisch vermeiden. Andererseits
ist es wesentlich, daß der für die Verwendung in einer Dampfturbinenanlage erzeugte
Dampf gut ausgenutzt wird und aus ihm ein Maximum an Arbeit in den notwendigen Funktionen
der Dampfturbine entnommen wird, beispielsweise bei der Nacherhitzung von Dampf
in einem Wasserabscheider-Nacherhitzer, der Vorerwärmung des Speisewassers vor dessen
Zuführung zum Dampfgenerator oder Reaktor und bei der Verwendung des Endproduktes
eines Kondensators als Speisewasser für die Anlage. Die unbedenkliche Verwendung
von Hochdruckdampf hoher Temperatur und hohen Druckes, dessen Wärmeinheit produktiver
und besser ausgenutzt werden könnte, zum Spülen kann den Wirkungsgrad der Anlage
als Ganzes erheblich beeinträchtigen. Da Dampfturbinen normalerweise eine Lebensdauer
über 30 und oft bis 40 Jahren haben, kann die Vergeudung eines erheblichen Prozentsatzes
des Dampfes für Zwecke, wie die weitgehende Verhinderung einer Kondensatunterkühlung
in Nacherhitzerröhrenbündeln sich als außerordentlich kostspielig hinsichtlich der
für solche Zwecke im Laufe der Jahre unnötig verbrauchten Primärenergie erweisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Spüldampf für das weitestgehende
Vermeiden einer Kondensatunterkühlung in Nacherhitzerröhrenbündeln
Dampf
verwendet, der zum Einlaß des Röhrenbündels zurückgeführt ist. Die Bewegungsenergie
oder Antriebsleistung wird durch Haupt- oder Frischdampf geliefert, welcher stromaufwärts
des Drosselventils 43 oder der entsprechenden Drosselventile abgenommen wird. Der
rezirkulierte Spüldampf leistet Nutzarbeit im Gegensatz zum Dampf, der zu einem
Speisewasservorerhitzer (der einen Punkt niedrigerer Energie im System darstellt)
abgeleitet wird, so daß durch die Erfindung im Effekt die Zuverlässigkeit des Betriebs
des Nacherhitzers verbessert wird, ohne daß dadurch der Betriebswirkungsgrad des
Systems als Ganzes ernstlich leidet. Die erfindungsgemäße Verwendung von röhrenseitigem
Abdampf stellt praktisch eine wesentliche Verbesserung gegenüber der bekannten Praxis
dar, bei der geringere Mengen an Spüldampf als sie für eine praktisch völlige Beseitigung
der Kondensatunterkühlung benötigt werden, zu einem Speisewasservorerhitzer oder
einem ähnlichen Punkt niedrigen Druckes im Turbinenzyklus zugeführt werden.
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Wie Fig. 2 zeigt, wird bei der Einrichtung gemäß der Erfindung ein
Thermokompressor mit hohem verwendet, um Spüldampf zur Einlaßkammer 33 des Kopfstücks
19 des Nacherhitzers 16 derart zurückzuführen, daß genügend überschüssiger Hochdruckdampf
für die einzelnen U-Röhren 22 des Bündels 18 zur Verfügung steht, um ein Unterkühlen
von Kondensat selbst in denjenigen Röhren im wesentlichen zu vermeiden, an denen
der größte Temperaturunterschied auftritt.
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Das Antriebsfluid für den Thermokompressor 70 wird durch eine Rohrleitung
all zugeführt, es ist der Hauptdampf, der in der Heizdampfleitung 50 stromaufwärts
vom Drosselventil 43 oder den Drosselventilen zur Verfügung steht. Dieser Dampf,
der einen Druck von etwa 7 MPa (1000 psia) hat, treibt den Thermokompressor 70,
der den Spüldampf für den Nacherhitzer 16 liefert. Im allgemeinen beträgt der für
diesen Zweck verwendete
Anteil des Dampfes nur etwa 5 bis 10 %
der theoretisch nötigen Dampfmenge, die der Einlaßkammer des Nacherhitzers 16 zur
Deckung des Wärmebedarfes des Röhrenbündels 18 zugeführt werden muß. Der Thermokompressor
70, von dem ein Ausführungsbeispiel in Fig. 3 genauer dargestellt ist, wird also
mit Treibdampf hohen Druckes betrieben, so daß er eine größere Menge an Dampf als
Treibdampf durch die Leitung 72 von der Auslaßkammer 34 des Kopfstückes des Nacherhitzers
16 ansaugt. Die vereinigte Strömung verläßt den Thermokompressor 70 mit einem mittleren
Druck, welcher am Eingang des Nacherhitzers die gewünschte starke Spülströmung verursacht.
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Der Thermokompressor 70, dem Ansaug- oder Niederdruckdampf über die
Rohrleitung 72 von der Auslaßkammer 34 des Nacherhitzers 16 und Treibdampf über
die Leitung 71 zugeführt wird, erzeugt eine Dampfströmung durch die Rohrleitung
73 in die Leitung 50, welche gedrosselten Hauptdampf in die EQnlaßkammer 33 des
Kopfstücks des Nacherhitzers 16 liefert, oder direkt in die Einlaßkammer 33.
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Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung, durch die mehr
Spüldampf geliefert werden, durch den eine Unterkühlung des Kondensats sowie die
damit zusammenhängenden Instabilitäten im wesentlichen verhindert werden, sind sehr
wirtschaftlich und haben einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad. Es wird nicht
nur das Vorstehende erreicht, sondern auch der Gesamtwirkungsgrad des Systems bei
Teillastbedingungen verbessert, da die Menge des vom Vorerhitzer 16 zu einem niedrSgeren
Punkt im System, wie dem SpeisewasservorerhitzeE>abgeleiteten Spldampfes beträchtlich
verringert und dadurch die weniger effiziente Verwendung des heißen Dampfes auf
ein Minimum beschränkt wird.
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Es ist n lt notwendig, besondere Vorkehrungen zu treffen,
wie
durch spezielle Ventile, um zu gewährleisten, daß nur ein kleiner Teil des Einlaßdampfes,
beispielsweise 2 bis 10 % des Dampfes in der Hauptdampfleitung, als Treibdampf für
den Thermokompressor 70 verwendet wird. Unter den vorliegenden Bedingungen ist der
Thermokompressor nämlich selbst begrenzend, er arbeitet im Drosselbetrieb und nimmt
nur so viel Dampf auf, wie es erforderlich ist, um den verfügbaren Spüldampf im
Umlauf zu halten.
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Ein weiterer Vorteil der Einrichtung gemäß der Erfindung besteht darin,
daß das System leicht an. kommerziell verfügbare Thermokompressoren angepaßt werden
kann, deren Betriebsparameter gut bekannt sind.
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Um das gesteckte Ziel, eine Kondensatunterkühlung und die damit zusammenhängenden
Instabilitäten zu vermeiden, zu erreichen, ist im allgemeinen eine größere Menge
Spüldampf erforderlich, als man bei der Rezirkulation mit einem Niederdruck-Thermokompressor
(Thermokompressor mit niedrigem aP) erwarten würde. Der gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendete Hochdruck-Thermokompressor (Thermokompressor mit hohem iS P) vermag jedoch
diese Durchsätze der Rezirkulationsströmung zu bewirken. Der Hochdruck-Thermokompressor
ist außerdem kleiner und es ist einfach, die Ansaugleistung durch Erhöhung des Treibdampfstromes
zu vergrößern.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der bei der vorliegenden Erfindung
verwendete Thermokompressor mit hohem iX P keine Verringerung des Druckes in der
Einlaßkammer des Kopfstücks bewirkt. Ein Niederdruck-Thermokompressor hat dagegen
einen niedrigeren Kopfstückdruck zurFolge, da er einen Strömungswiderstand in der
Dampfeinlaßleitung darstellt. Eine Verringerung des Kopfstück-Einlaßdruckes setzt
den thermischen Wirkungsgrad herab, da die Dampftemperatur entsprechend niedriger
ist.
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Für die praktische Realisierung der Erfindung können handelsübliche
Thermokompressoren verwendet werden, wie sie beispielsweise von der Firma Ametek
Corporation, Schutte und Koerting Division, Cornwells Heights, Pennsylvania, V.St.A.
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erhältlich sind. Ein typischer Thermokompressor ist in Fig.3 dargestellt.
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Der in Fig. 3 dargestellte Thermokompressor oder Dampfstrahlverdichter
enthält einen Treibdampfeinlaß 81, eine Düse 82, einen Dampf-Ansaugeinlaß 83, einen
Körper oder Mischbereich 84 und einen Diffuser- und Auslaßabschnitt 86.
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Im einfachsten Falle wird für die Realisierung der vorliegenden Erfindung
ein Thermokompressor mit fester Düse verwendet, der mit der Düse 82 in Fig. 3 arbeiten
kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch ein
Thermokompressor mit verstellbarer Düse verwendet, wie er in Fig. 3 dargestellt
ist. Die Verstellung der Düse 82 erfolgt mittels eines Drehkopfes 88, der zur axialen
Verstellung einer Welle dient, an deren Ende sich eine Ventilnadel 89 befindet,
mit der der Querschnitt der Einlaßseite der Düse 82 verringert werden kann. Durch
diesen zusätzlichen Freiheitsgrad kann das Ausmaß der Spülung so einer stellt werden,
wie es für eine bestimmte Betriebsart wünschenswert ist, oder man kann für verschiedene
Anlagen unterschiedliche Einstellungen wählen.
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Die beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich
in der verschiedensten Weise abwandeln. Anstatt den Spüldampf durch ungedrosselten
Hauptdampf zurückzuspeisen, wie es am Beispiel des gedrosselten einstufigen Nacherhitzers
beschrieben wurde, kann die Erfindung selbstverständlich in gleicher Weise bei irgendeiner
anderen Wasserabscheider-Nacherhitzer- Röhrenbündelanordnung verwendet werden, die
mit Hochdruckdampf gespeist wird, der bei
einem gewissen Lastbereich
beträchtlich gedrosselt ist. Bei einem zweistufigen Wasserabscheider-Nacherhitzer,
der nach dem gleichen Prinzip arbeitet, wird man also die Rezirkulation der Spülströmung
im Röhrenbündel, das mit dem höheren Druck arbeitet, bewirken. Außerdem kann man
anstelle der beschriebenen U-Röhrenbündel auch andere Röhrenbündelkonfigurationen
verwenden, wie bekannte gerade durchgehende Röhrenbündel. Anstelle des als Pumpvorrichtung
für die Rezirkulation des Spüldampfes im Nacherhitzerröhrenbündel beschriebenen
Hochdruck-Thermokompressor kann auch irgendeine andere gleichwertige Pumpvorrichtung
verwendet werden,die die an den Hochdruck-Thermokompressor gestellten funktionellen
Anforderungen erfüllt, wie ein Turbinen- oder Schaufelradkompressor.