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Verdampferelement für Abhitzekessel, mit einem vom Heizmittel durchströmten
Mantelrohr und einem Wasserrohr mit einem Dampf Wasser-Abscheider Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verdampfungselement für Abhitzekessel, bei denen solche unter
sich gleiche Elemente parallel und lotrecht angeordnet und so aufgebaut sind, daß
sie jeweils von unten nach oben als Vorwärmer und Verdampfer arbeiten, und die aus
einem vom Heizmittel durchströmten Mantelrohr, einem Wasserrohr mit einem Einsatz,
der schraubenförmige Wendeln und einen koaxialen Hohlraum bildet, besteht, welcher
durch Öffnungen mit dem Inneren des Wasserrohres in Verbindung steht und die ferner
einen Dampf-Wasser-Abscheider am obersten Ende dieses Einsatzes und ein Rücklaufrohr
unterhalb des Mantelrohres aufweisen.
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Verdampferelemente dieser bekannten Art wurden bisher für ortsfeste
Kesselanlagen gebraucht, in denen sie infolge der einen koaxialen Hohlraum umgebenden
schraubenförmigen Wendeln die Trennung von Wasser und Dampf erleichtern. Hierbei
wird das Dampf-Wasser-Gemisch durch seine Bewegung entlang einer schraubenlinienförmigen
Bahn in eine kreiselnde Bewegung versetzt und dabei das Wasser gegen die Außenwandung
des Verdampferelementes gedrückt, während der frei werdende Dampf durch die Öffnungen
in das Innere des koaxialen Hohlraumes abströmen und in diesem frei aufsteigen kann.
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Die Erfindung bezweckt, ein Verdampferelement der eingangs genannten
Art zu schaffen, daß auch dann. einwandfrei arbeitet, wenn der Abhitzekessel, z.
B. durch die Bewegungen eines Schiffes, in das er eingebaut ist, gekippt wird, derart,
daß die Verdampferelemente nicht mehr lotrecht stehen, sondern einen Winkel bis
zu etwa 30° mit der Lotrechten bilden.
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Unter derartigen Bedingungen können Verdampferelemente der eingangs
genannten Art nicht mehr arbeiten, da durch eine Neigung der Rohrachse gegenüber
der Lotrechten ungünstige Bedingungen für eine freie Dampfableitung und eine Rückführung
des Fallwassers in das Innere des Verdampferelementes entstehen, wobei keine einwandfreie
Vermischung des Fallwassers mit dem Speisewasser gewährleistet ist.
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Gegenüber bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art kennzeichnet
sich die Erfindung dadurch, daß die Wendeln auch in dem der Verdampferstrecke benachbarten
Teil der Vorwärmstrecke des Wasserrohres angebracht sind, daß das Innenrohr durch
eine Trennwand: in einen unteren Fallwasser-Zuführungsteil und einen oberen Dampfabführungsteil
aufgeteilt ist und daß der Dampfabführungsteil Rohrstücke mit konischen Enden, enthält,
welche, mehrere Strahlpumpen bildend, ineinandergestuft sind. Außer einer vollen
Betriebssicherheit auch bei Schräglagen bis zu 30° zeichnet sich die Erfindung durch
eine Reihe besonderer Vorteile aus. So wird durch die Anordnung einer Trennwand
im Innenrohr und das Einführen des Fallwassers in das Innere des Innenrohres unterhalb
der Trennwand der Wasserumlauf automatisch durch das unter Druck eingeführte Speisewasser
in Gang gesetzt und jeglicher Wasserstau im Wasserumlauf verhindert. Dies wird dadurch
bewirkt, daß das eingeführte Speisewasser zunächst durch die Wendeln zwischen dem
inneren und dem äußeren Verdampferrohr in Umlauf gesetzt wird und durch die Öffnung
des Innenrohres das Fallwasser ansaugt und mitreißt. Dieser Bereich des Verdampferelementes
wirkt dabei auch als ein zusätzlicher Vorwärmer für das Speisewasser. Um ein bei
größeren Neigungen der Rohrachse gegen die Lotrechte auftretendes Stagnieren der
Dampfabfuhr zu vermeiden, sind die Rohrstücke mit den konischen Enden vorgesehen.
Diese wirken als Strahlpumpen bzw. Injektoren, die die Dampfabfuhr begünstigen,
auch wenn infolge dieser Neigung die Grenzfläche zwischen Wasser und Dampf nicht
mehr eine angenäherte Parabel mit lotrechter Mittelachse bildet.
Durch
die Saugwirkung, die dabei aus dem Abströmen, des Dampfes nach oben resultiert,
wird der Dampf zwischen den Wendeln abgezogen.
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Die Anwendung .dieser erfindungsgemäßen Merkmale ermöglicht demnach
die vollständige, einwandfreie Lösung der obengenannten Aufgabenstellung.
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Zweckmäßig werden die Öffnungen, durch die das Fallwasser mittels
des Speisewassers aus dem Innenrohr gesaugt wird, in, Taschen .angeqrdnet, deren
Wandungen im Drehsinn der Wendeln ,spiralförmig ausgebildet sind, so daß sie sich
in Strömungsrichtung des Speisewassers öffnen. Die im oberen Bereich des Innenrohres
angeordneten Öffnungen für den Dampfdurchtritt können in nach außen weisenden, der
Strömungsrichtung entgegengerichteten Taschen angeordnet sein.
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Um eine Dosierung des Umlaufes durch jedes Verdampferelement zu erreichen,
kann im unteren Bereich jedes dieser Elemente eine Kalibriervorriohtung für das
Speisewasser angeordnet sein.
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Für ein. erfindungsgemäßes Verdampferelement ergibt sich eine Reihe
von anderen Anwendungsmöglichkeiten als nur die eines Verdampfens von Wasser unter
Einwirkung eines äußeren Heizmittels.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Trennen des Dampfes von
einer Flüssigkeit angewendet werden, die entweder durch eine Druckveränderung oder
durch die Wirkung eines Mischvorganges mit einem anderen Medium verdampft.
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Die Flüssigkeit kann unter Druck stehen, bevor sie in das Verdampferelement
eingeführt wird, und die in der Vorrichtung auftretende Druckabnahme verursacht
ihr Verdampfen, wobei die Vorrichtung dann den gebildeten Dampf von der Flüssigkeit
trennt. Oder die Flüssigkeit kann unter gewöhnlichem Druck stehen, und ein in der
Trennvorrichtung hergestellter Unterdruck verursacht dann das Verdampfen der Flüssigkeit.
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Ferner kann die in die Vorrichtung eintretende Flüssigkeit mit einem
Dampf oder einer anderen Flüssigkeit vermischt werden, wobei dies Gemisch ein. Verdampfen
der ersten Flüssigkeit allein oder des Gemisches verursacht und die Trennvorrichtung
auch in diesem Fall zum Abtrennen des erhaltenen Dampfes dient.
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Diese Verwendungsmöglichkeiten führen dazu, das Verdampferelement
nicht nur als Elementarkessel ohne feststehenden Wasserstand zum- Trennen des Dampfes
vom siedendem Wasser, sondern auch als Vergaser oder Iujektor zu verwenden, z. B.
um zwei Medien, wie flüssigen Sauerstoff und Kraftstoff, zu mischen und einen brennbaren
Dampf zu erhalten, wie man es bei Düsen- oder Strahltriebwerken tut. Ferner kann
ein erfindungsgemäßes Verdampferelement als Vergaser arbeiten, der entweder durch
Erwärmen oder Druckabnahme die Verdampfung des Kraftstoffs unter Druck in einem
Verbrennungsmotor herbeiführt.
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Der Vorteil der Trennvorrichtung besteht im allen diesen Fällen darin,
. daß sich kein Flüssigkeitsspiegel in der Vorrichtung bildet und sie auch bei Neigung
gegenüber der Lotrechten arbeitet.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert,
und zwar zeigt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-11 der Fig..1 in größerem Maßstab. Fig. 3
im größerem Maßstab einen Schnitt durch die Verbindung der Rohre mit dem unteren
des entweichenden heißen Mediums, Fig. 4 in größerem Maßstab einen halben Schnitt
durch eine. Teil der in Fig. 1 dargestellten Rohre, Fig. 5 einen Schnitt durch dem
unteren Teil des Verdampferrohres, Fig. 6 und 7 je einen Schnitt nach dar Linie
DAI und III-11I der Fig. 5, Fig. 8 in größerem Maßstab einen Schnitt entlang der
Scheibe, die die Wasserzufuhr im unteren Teil der Vorrichtung kalibriert. und:
| Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie V -V der Fig. B. |
| Das Verdampferrohr nach Fig. 1, in dem die @or |
| findungsgemäße Trennvorrichtung angeordnet isti'"'@be- |
| steht aus einem beispielsweise zylindrischen Röhre,, |
| das,von unten nach oben und in Richtung der Pfeile von
einem Wasser-Dampf-Gemisch durchströmt' 'd. |
| Ein heißes Medium kann außerdem im Evheu |
| eines konzentrischen, das Verdampferrohr a umeü,- |
| den Rohres b strömen. |
| Die Trennvorrichtung besteht im wesentlichen' aus |
| ' |
| einem axial im Verdampferrohr a angeordneten "@,'bjil="" |
| körper c, der an seiner Außenfläche ein in Schrauben= |
| form gewickeltes Metallband d mit gleichbleibnri'der |
| oder veränderlich zunehmender Steigung aufwiest. |
| Die Windungen der .Schraube können normal oder |
| schräg zur Achsrichtung des Rohres a angeö s'ä't |
| sein, und zwar mit mit gleichbleibender,oder me4i1",w |
| mehr abnehmend-et Steigurig. Verlaufen sie ''iüat6' |
| einem zur Achsrichtung geneigten Winkel, so können |
| sie eine Art von Trich@tarn bilden, deren öffnuh g
.in:; |
| die Strömungsrichtung zeigt. Durch. die Schraxx'd |
| wird das nach oben strömende Wasser- und Du@n- |
| gemisch in eine kreisende Bewegung gebracht, `tm'"'c |
| die auf das Wasser ausgeübte Zentrifugalkraft sdlle& |
| dert in bekannter Weise das Wasser nach ailAein, |
| während der Dampf in dar Nähe der Mittelachge der |
| Vorrichtung aufsteigt. |
| Zwischen den einzelnen Windungen der Schraüne.d |
| sind in der Wand des Körpers c in an sich bekt'er |
| Weise Schlitze 8 (Fig. 5) vorgesehen, ,durch d3:c''@:ä |
| Dampf in das .Innere des Körpers c eindringen ''kä#h. |
| Das zu verdampfende Wasser gelangt , i?i . ;den |
| unteren Teil des erfindungsgemäßen Verda'äi @ |
| elementes durch den Sammler 4, und zwar in 'äeri |
| Zwischenraum, der zwischen den Rohren a und, 'c # da |
| gebildet wird, wo sich die Schraubenfläche d befüläet: |
| Die kreisende Bewegung des Gemisches verursacht |
| die Trennung des Wassers vom. Dampf, wobei' # der |
| diDampf in der Achse des Rohres c aufsteigt, wo -er |
| durch eine Anzahl kegelstumpfförmige, injektoraräg |
| wirkende Rohre u geleitet" wird, die über die g'nze' |
| Höhe der Vorrichtung verteilt ineinander münä". |
| und von da aus gelangt er in einen im obeui;rc"°"''Te@il |
| vorgesehenen letzten Abscheiders, der als eine'i:Fangvorrichtung
ausgebildet ist. |
| Eine solche an sich bekannte Abscheidevorrichpn eng |
| umfaßt -bei.- zwei rechtwinklig .zueinander liegende, Soh,-i- |
| bei. Das abgetrennte Wasser wird aufgefangM. " |
| zum einen Teil durch das Rohr p, nach außen. ge1, |
| und zum anderen Teil durch dass Rohr h1 nach ui,'t,öri |
| geleitet, wo es sich mit dem in das Rohr c emtret@.= |
| den. Wasser vermischt. Von da aus wird der bam |
| schließlich in einem oberen Sammler 2 gesainmelt.F |
| Falls das Verdampferrohr Neigungen zur |
| rechten erhält, die z. B. 30° betragen, ist zu b . |
| daß der in mittleren Trennrohr ..c. aufstei gende 1?"mp' |
nicht durch die zwischen den oberen Windungen vorgesehenen Schlitze
entweichen kann. Die Rohre u bilden eine Folge von Düsen, die den Dampf entlang
der Achse des Rohres c aufsteigen lassen und die einerseits verhindern, daß das
Wasser leicht durch diese Düsen eindringen kann und ferner eine bessere Saugwirkung
auf den Dampf vermöge des vom unteren Teil der Vorrichtung herkommenden Dampfstrahles
ausüben.
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Das für die Umwandlung des Wassers in Dampf bestimmte heiße Medium
gelangt in den oberen Bereich durch einen Sammler 2, mit dem das Gehäuserohr b verbunden
ist, das die ganze Vorrichtung umgibt und das an seinem unteren Teil mit dem Sammler
3 verbunden ist, der zur Ableitung des heißen Mediums dient.
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Dieses Rohr b ist bei b1 über eine gewisse Strecke gewellt, um die
von den Unterschieden in der Wärmeausdehnung zwischen dem Röhr b und dem inneren
Rohr a hervorgerufenen Kräfte aufzunehmen und die übertragung dieser Kräfte auf
die Schweißstellen an den Sammlern 2 und 3 zu vermeiden.
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Die beiden Rohre a und b dürfen keine schwachen Stellen
haben, die infolge dieser Kräfte reißen können: sie müssen daher bei dem gegebenen
Durchmesser eine bestimmte Wandstärke haben.
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Im oberen Bereich der Vorrichtung wird das im Wasser- und Dampfgemisch
zurückbleibende und zwischen den Rohren b und c kreisende Wasser durch das Rohr
hl, dessen Fußteil bei h2 gewellt ist, in den unteren Teil der Vorrichtung zurückgeführt,
um noch einmal in den Kreislauf, nämlich in das Innere des Rohres c eingeführt zu
werden, von wo aus es durch in diesem Rohr c angebrachte Öffnungen nach außen in
den Zwischenraum zwischen den Rohren a und c strömt, wo sich die Schraubenfläche
d
befindet. Der untere Bereich der Vorrichtung wirkt auf diese Weise als Vorwärmer
(Ekonomiser), und das Verdampfen beginnt in einer bestimmten Höhe im Inneren der
Rohre. Im oberen Bereich kann ein Teil des Wassers, das übriggeblieben sein kann,
anstatt zurückgeleitet zu werden, einer tangentialen Öffnung zugeführt werden, an
die sich ein mit einem Ventil p1 ausgestattetes Rohr p anschließt, das das Abführen
dieses Wassers gestattet (Fig. 2).
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Die Wasserrückleitungsrohre hl und die Wasserentleerungsrohre p sind
durch zweckentsprechend in der Höhe gegeneinander versetzte tangentiale Öffnungen
mit dem die Rohre a und c trennenden Zwischenraum (wie Fig. 2 zeigt) derart verbunden,
daß die kreisende Bewegung des Wassers (in Richtung des Pfeiles I) die Abfuhr dieses
Wassers zu den Rohren hl und p erleichtert.
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Eine verbesserte Ausführung der Vorrichtung besteht darin, außen an
dem Rohr a diametrale Längsrippen anzubringen, die gewellt sein können und die Wärmeaustauschfläche
zwischen dem Rohr a und dem zwischen den Rohren a und b strömenden
heißen Medium über die ganze Höhe zwischen dem Sammler 2 und dem Sammler 3 (Fig.
4) vergrößern.
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Wie Fig. 3 zeigt, durchquert das Rohr a im unteren Teil den Ableitungssammler
3 für das heiße Medium, und ein an diesem Rohr a vorgesehener Wulst 6 ermöglicht
bei 7 das Anschweißen dieses Rohres a an den Sammler 3. Dieselbe Anordnung dient
am oberen Ende des Gehäusemantels 6 zur Durchführung des Rohres a durch Zuleitungssammler
2 für das heiße Medium. Wie Fig. 5 zeigt, mündet das Rohr hl, das das Wasser zurückleitet,
in den unteren Teil des Rohres c, das in der Achse des Verdampferrohres aufsteigt
und. das auf seiner Außenfläche mit einer schraubenförmigen Rampe versehen ist:
Dieses Rohr c ist in seinem unteren Teil bei 12 geschlossen, und Öffnungen 8 sind
unterhalb dieses Verschlusses am Rohr c vorgesehen, um die Verbindung mit dem Zwischenraum
zwischen den Rohren c und a- an der Stelle .herzustellen, wo die, Schraubenfläche
d liegt. Diese Öffnungen 8 haben vorzugsweise die in Fig. 6 im Schnitt gezeigte
Form, damit das in Richtung des Pfeiles F zwischen den Rohren a und c strömende
Wasser -oder Wasser- und Dampfgemisch durch Saugwirkung das, aus den Öffnungen 8
in Richtung der Pfeile G austretende, zurückgeleitete Wasser anzieht: Daraus ergibt
sich, daß, je größer die Menge des in Richtung des Pfeiles F strömenden Wassers
ist, eine um so größere Saugwirkung auf die Öffnungen 8 ausgeübt wird und um so
mehr Wasser zurückgeleitet wird. Die Vorrichtung ist damit im ganzen selbstregulierend.
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Es ist ersichtlich, daß die Randteile der Öffnungen 8 in entgegengesetzter
Richtung wie die Klappen j1 der Schlitze g abgebogen sind (Fig. 7), die der kreisenden
Bewegung F des Wasser- und Dampfgemisches in dem als Verdampfer wirkenden Teil des
Rohres c entgegengerichtet sind und den Dampf im Wasser- und Dampfgemisch auffangen,
wie dies oben erläutert wurde.
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Ferner ist eine Kalibrierung der Eintrittsöffnung des am Fußteil des
Verdampferrohres eintretenden Wassers vorgesehen (Fig. 8). Das Wasser tritt vom
Sammler 4 her ein, von wo aus es in den Zwischenraum zwischen den Rohren c und a
aufsteigt. Dieser ringförmige Zwischenraum wird durch eine Scheibe 9 kalibriert,
in der radiale Schlitze 10 für den Durchtritt des Wassers vorgesehen sind.
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Fig. 9 zeigt im Schnitt das Profil 11 am Ende dieser Schlitze
10, :das die Form einer Venturidüse besitzt, so daß das in Richtung des Pfeiles
H aufsteigende Wasser in den Zwischenraum zwischen die Rohre c und a gespritzt wird.