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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kondensieren von Dampf
durch Kühlwasser in Mischkondensatoren, in denen das Kühlwasser mit Hilfe von Düsen
ebene, flache, filmartige Wasserschleier bildet, durch deren Gassen der zu kondensierende
Dampf strömt.
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Insbesondere die Entwicklung der sogenannten Luftkondensationseinrichtungen,
d. h. Einrichtungen, bei welchen als Kühlmittel die atmosphärische Luft verwendet
wird, hat den Bau von Mischkondensatoren für hohe Einheitsleistungen erforderlich
gemacht. Die bisher bekanntgewordenen Mischkondensatoren sind vor allem für Kolbendampfmaschinen
und verschiedene Einrichtungen der chemischen Industrie entwickelt worden. Aus verschiedenen
Gründen sind sie aber für die Entwicklung von Hochleistungsmischkondensatoren nicht
geeignet. Einerseits ist nämlich der spezifische Energiebedarf für die Zerstäubung
bzw. Zuführung des Wassers zu groß, anderseits weist der Kondensator ein auf die
zugeführte Dampfmenge bezogen zu großes spezifisches Volumen auf.
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Gemäß jüngsten Versuchsergebnissen erfolgt der überwiegende Teil des
Wärmeaustausches bei im Dampfraum angebrachten Zerstäubern in dem der Zerlegung
in Tropfen vorangehenden Wasserschleier. Durch die in Mischkondensatoren üblichen
Zerstäuber wird das Wasser in einem kegelförmigen Raumteil zerstäubt. Der der Zerstäubung
vorangehende Wasserschleier weist ebenfalls eine kegelige Gestalt auf. Nun besteht
der Nachteil, daß die Ausfüllung von zylindrischen oder eckigen Räumen durch kegelförmige
Wasserschleier nur bei hohen Raumverlusten möglich ist, insbesondere wenn auch die
Zuführung des zu kondensierenden Dampfes bei möglichst geringem Strömungswiderstand
gesichert werden soll.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieses nachteiligen Zustandes
und insbesondere die Schaffung von hochleistungsfähigen Kondensatoren, die insbesondere
für die erwähnten Luftkondensationsanlagen von hoher Bedeutung sind. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß die Wasserschleier derart angeordnet sind, daß der Dampf jeweils
annähernd tangential zu den Wasserhautflächen strömt, um ein Aufreißen dieser Wasserhaut
zu vermeiden, und daß weiterhin der Wasserschleier durch Austreten eines Wasserstrahles
aus Düsen unter mäßigem Druck und nachfolgender Strahlumlenkung erfolgt, wodurch
ein turbulenter Schleier mit besonders gutem Wärmeübergang erzeugt wird. Diese Wasserschleier
weisen die für den Mischkondensator wesentliche Eigenschaft auf, daß sie infolge
der Art ihrer Entstehung eine kräftige innere Turbulenz aufzeigen, was gemäß theoretischen
Erwägungen und Versuchsergebnissen für die Wärmeübergabe ausschlaggebend ist.
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Somit weist der erfindungsgemäße Mischkondensator verschiedene Vorteile
auf. Vor allem besteht die bereits erwähnte vorteilhafte Wärmeübergabe infolge der
inneren Turbulenz der Wasserschleier. Hierzu kommt, daß die Wasserflächen derart
im Kondensator liegen, daß der Dampf tangential entlang der Filme strömen kann und
dabei auf einen geringen Strömungswiderstand stößt. Die Anbringung von ebenen Flächen
ermöglicht eine gute Raumausbeute, so daß wirtschaftliche Kondensatoren von verhältnismäßig
geringen Abmessungen und hohen Leistungen gebaut werden können.
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Die Bildung der ebenen Wasserfilme kann auf verschiedene Weisen erfolgen,
die an sich bekannt sein können. Es ist z. B. möglich, das Wasser über ein Rohr
unter einem schiefen Winkel einer Prallfläche zuzuführen, wodurch das Wasser in
der Ebene ausgebreitet wird, wie dies z. B. in der USA.-Patentschrift 1868 632 beschrieben
ist. Es ist aber auch möglich, zwei unter flachem Winkel aneinander anstoßende Wasserstrahlen
zu verwenden, wobei dann infolge des Aufprallens der beiden Wasserstrahlen ein ebener
Wasserschleier hoher Wirbelung entsteht.
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Bei Mischkondensatoren mit Zerstäubung taucht auch die Schwierigkeit
auf, daß zwecks guter Wärmeübergabe die Erzeugung von Wassertropfen erforderlich
ist, die verhältnismäßig ganz winzige Abmessungen aufweisen. Dies ist aber lediglich
bei sehr hohen Geschwindigkeiten möglich, so daß entweder die Zeit des Aufenthaltes
der Wassertropfen im Kondensator derart abnimmt, daß sie nicht entsprechend erwärmt
werden können, oder das Volumen der Kondensatoren zu groß wird, um einen genügend
langen Aufenthalt der Wassertropfen im Kondensator zu gewährleisten.
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Gemäß jüngsten Versuchen spielt sich der überwiegende Teil des Wärmeaustausches
bei im Dampfraum angebrachten Zerstäubern bereits in der der Zersetzung des Wassers
in Tropfen vorangehenden Filmphase ab. Demgemäß ist die Zerstäubung des Kühlwassers
in Tropfen bezüglich der Wärmeübergabe nicht erforderlich. Somit könnten diese Zerstäuber
auch in der Weise eingebaut werden, daß lediglich die Filmphase entsteht. Das Aufreißen
des Filmes in Tropfen kann aber nicht vermieden werden, da ohne Aufreißen des zusammenhängenden
kegelförmigen Filmes nicht gesichert werden kann, daß der zu kondensierende Dampf
den Film von beiden Seiten berührt und auf diese Weise der Wärmeaustausch zwischen
dem Dampf und dem in Filmphase befindlichen Wasser stattfindet. Somit ist die Wasserzuführung
mittels Zerstäuber in Kegelform mit zwei Nachteilen behaftet. Einerseits muß zwecks
Zerstäubung ein überflüssig hoher Druck verwendet werden, anderseits sichert die
Zerstäubung im Wesen lediglich die Zuführungsmöglichkeit des Dampfes, ohne daß die
zerstäubten Teile am Wärmeaustausch beträchtlich beteiligt wären. Die ungünstige
Raumausnutzung ist demnach dadurch bedingt, daß die Kegelform selbst unvorteilhaft
ist und die Zuführung des Dampfes ohne die übrigens überflüssig zerstäubten Teile
nicht erreicht werden kann.
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Die bekannten Verfahren und Einrichtungen sind demnach nicht geeignet,
bei zeitgemäßen Hochleistungsdampfturbinen für den Mischkondensatorbetrieb verwendet
zu werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mischkondensator auch
für den Betrieb von Hochleistungsturbinen zu schaffen, bei dem durch die spezielle
Ausbildung von Wasserschleiern einerseits ein besonders guter Wärmeübergang erzeugt
wird, andererseits durch die spezielle Anordnung der Wasserschleier und der damit
verbundenen vorteilhaften Raumausnutzüng die Abmessungen des Kondensators verhältnismäßig
gering gehalten werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine räumliche Verteilung
der Düsen und die Bildung
von beidseitig zugänglichen Wasserschleiern
sowie Anordnung von Prall- bzw. Auffangflächen zur Begrenzung von Wasserfilm-Abschnitten.
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Die Erfindung geht von der theoretischen und versuchsmäßigen Untersuchung
der Wärmeübergabe von Wasserhautflächen aus und beruht auf der Erkenntnis, daß die
ebenen Wasserhautflächen eine intensive Wirbelung oder Turbulenz aufweisen müssen,
um während eines entsprechend kurzen Aufenthaltes die Temperatur des Dampfraumes
zu erreichen. Bei laminarer Struktur der Wasserhaut kann nämlich die an der Oberfläche
übergebene Wärmemenge lediglich durch Wärmeleitung in die Wasserhaut eindringen,
was bei der geringen Wärmeleitzahl des Wassers keine entsprechende Erwärmung der
Wasserhaut gewährleistet. Deshalb muß dafür gesorgt werden, daß die Wärmeströmung
innerhalb der Wasserhaut besser wird, was durch eine starke innere Turbulenz der
Wasserhaut erreicht werden kann. Erfindungsgemäß werden demnach Wasserhautflächen
erzeugt, die durch die Umstände ihrer Entstehung bedingte starke intensive innere
Wirbelungen aufweisen. Bei diesen Wasserhautflächen kann die Wärme sehr schnell
von der Oberfläche der Wasserhaut in das Innere derselben hineindringen und auf
diese Weise gewährleisten, daß die Wasserhaut während eines entsprechend kurzen
Aufenthaltes die Temperatur des Dampfraumes aufnimmt.
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Diese Wasserhautflächen weisen im Gegensatz zu den biherigen Arten
der Zuführung eine Anzahl von Vorteilen auf.
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Infolge der Umstände der Entstehung weisen die erfindungsgemäßen Wasserhautflächen
eine sehr starke innere Turbulenz auf, so daß ihre Wärmeübergangsverhältnisse sehr
vorteilhaft sind.
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Die Gestalt der Wasserhautfläche gestattet, daß sie eine Lage in der
Strömungsrichtung des Dampfes einnimmt, wodurch sie einen minimalen Widerstand leistet.
Der Kondensatorraum ist durch die flache Gestalt der Wasserhautflächen sehr vorteilhaft
ausgenutzt. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Wasserhautflächen erfolgt in der
Weise, daß das Kühlwasser über Rohre von verhältnismäßig geringem Durchmesser von
8 bis 40 mm geleitet wird und an den Enden dieser Rohre unter einem schiefen Winkel
zur Rohrachse Stoßflächen angebracht werden, an welchen der aus den Rohren heraustretende
Wasserstrahl eine starke Richtungsänderung erleidet, wobei nach Verlassen der Stoßfläche
eine große ovale Wasserhautfläche mit starker innerer Turbulenz gebildet wird, die
an ihren Rändern in winzige Tropfen aufreißt.
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Eine ähnliche Wasserhautfläche kann auch durch Verwendung von zwei
Wasserstrahlen erreicht werden, die unter einem flachen Winkel ineinander stoßen.
Auch die durch das Aufstoßen von zwei Wasserstrahlen erzeugte Wasserhautfläche weist
eine sehr hohe innere Turbulenz auf, so daß die Verhältnisse der Wärmeübergabe auch
in diesem Fall sehr vorteilhaft sind.
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Mit Rücksicht darauf, daß die Düsen auf diese Weise nicht zerstäuben,
d. h. den Wasserstrom nicht in sehr winzige Tropfen zersetzen, beanspruchen sie
zum Bilden der Wasserhautflächen eine geringere Energie als die gewöhnlichen Zerstäuberdüsen.
Gemäß Meßergebnissen und Versuchen beträgt das Druckgefälle des über die Düsen zum
Bilden der Wasserhautflächen zuströmenden Wassers tatsächlich nur einen Bruchteil
des Druckgefälles in den allgemein üblichen Zerstäuberdüsen.
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Außer den beschriebenen vorteilhaften Verhältnissen der Wärmeübergabe
sind die Wasserhautflächen auch bezüglich des Aufbaues von Mischkondensatoren sehr
vorteilhaft. Wie bekannt, bilden die bisher verwendeten verschiedenen Einsätze zum
Vergrößern der Wasserfläche wie Rieselscheiben, Mischräume und auch die durch Zerstäuber
gebildeten Zerstäubungskegel im Dampfstrom von hoher Geschwindigkeit einen beträchtlichen
Strömungswiderstand. Demgegenüber können die Wasserhautflächen im Kondensator erfindungsgemäß
derart angebracht sein, daß ihre Ebenen parallel oder nahezu parallel zur Strömungsrichtung
des Dampfes liegen, wodurch erreicht werden kann, daß diese Flächen nur einen geringen
Widerstand leisten und in zueinander paralleler Anordnung eine gute Ausnutzung des
Kondensatorraumes gestatten. Bei Wasserhautflächen dieser Art bleiben nämlich die
bei den üblichen Zerstäubern auftretenden kegelförmigen toten Räume fort, wobei
die Form des Zerstäubers eine Berührung des Dampfes mit dem Wasser an beiden Seiten
der Wasserhautfläche ermöglicht. Somit kann der bei den üblichen Zerstäubern verwendete
Raum, der erforderlich ist, damit der Dampf in das Innere des Zerstäubungskegels
eindringen kann, fortfallen.
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Zusammengefaßt kann von den erfindungsgemäßen Mischkondensationseinrichtungen
festgestellt werden, daß sie von den bekannten Arten von Mischkondensatoren darin
abweichen, daß bei einem geringen Druck des eintretenden Wassers Wasserhautflächen
mit hervorragender Wärmeübergangszahl gebildet werden, durch die die Dampfströmung
nur unbeträchtlich gestört und zugleich der Kondensatorraum sehr vorteilhaft ausgenutzt
wird. Demgemäß nehmen die Abmessungen des Mischkondensators weitgehend ab, wodurch
selbstverständlich auch die Herstellungskosten des Kondensators sinken. Auch der
die Kondensatoren aufnehmende Gebäudeteil wird kleiner, wodurch ebenfalls wesentliche
Herstellungskosten beim Bau von Kraftwerken erspart werden können. Schließlich wirken
die geringeren Abmessungen der Mischkondensatoren sich dahin aus, daß es nicht erforderlich
ist, die Dampfturbinen auf Unterbauten von sehr großer Höhe (6 bis 10 m) anzuordnen,
die bei Höchstleistungseinheiten noch höher sind, wodurch auch die nachteiligen
Schwingungserscheinungen dieser Unterbauten vermieden werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in F i g. 1
dargestellt. An den Auslaßstutzen 1 einer Dampfturbine ist ein Fortsatz
2 und an diesem ein Mischkondensator 3 angeschlossen. Im Mischkondensator
3 sind drei Wasserverteilerkammern 4 vorgesehen, an deren Seiten die Düsen
6 zum Bilden der Wasserhautflächen angebracht sind.
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An die Wasserverteilerkammern 4 sind auch Wassereinlaßstutzen
5 angeschlossen. Das in den Mischkondensator 3 eingespritzte Kühlwasser sammelt
sich in einem Wassersammelraum 7 am Kondensatorboden an, aus welchem es über einen
Stutzen 8 abgeführt werden kann.
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Im Inneren des Mischkondensators muß verhindert werden, daß das entlang
der Wasserhautflächen erwärmte Kühlwasser an den Wänden der kalten Wasserkammern
aufschlägt, da hierdurch das erwärmte Kühlwasser erneut abgekühlt werden würde,
was für die Wirkungsweise des Kondensators nachteilig wäre.
Um dies
zu verhindern, werden die Wasserverteilerkammern 4 durch je eine Schutzwand 14 umgeben,
wobei in diesen Wänden Öffnungen 15 vorgesehen sind, über die die Wasserhautflächen
durch die einzelnen Düsen hinausgespritzt werden. Diese Schutzwände können auch
verwendet werden, um die bei Kondensatoren erforderliche Absaugung der Luft aus
dem Raum hinter der Schutzwand vorzunehmen. Dieser Raum ist nämlich die kälteste
Stelle im Kondensator, so daß die höchste Konzentration der im Kondensator nicht
kondensierenden Gase (Luft) an dieser Stelle gefunden werden kann.
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Zwei Ausführungsbeispiele der zum Bilden der Wasserhautflächen dienenden
Düsen sind in den F i g. 2 a und 2 b dargestellt. 9 bezeichnet eine Wasserkammerwand,
in die ein Düsenrohr 10 eingebaut ist, über die das Kühlwasser herausströmt.
Unter einem schiefen Winkel zur Düsenrohrachse ist eine Wasserlenkplatte
11 angeordnet. Der aus dem Düsenrohr 10 heraustretende Wasserstrahl schlägt
auf dieser Wasserlenkplatte 11 auf, wobei er eine Richtungsänderung erleidet und
eine Wasserhautfläche 13 bildet.
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In F i g. 2b ist ein Ausführungsbeispiel einer ähnlichen Einrichtung
zum Bilden einer Wasserhautfläche dargestellt. An die Wasserkammerwand 9 sind zwei
Düsenrohre 12 angeschlossen, deren Achsen einander schneiden und einander gegenüber
schief angeordnet sind. Beim Zusammenstoß der aus den beiden Düsenrohren heraustretenden
Wasserstrahlen wird eine Wasserhautfläche 13 gebildet.
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F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Mischkondensators vor allem für höhere Leistungen. Der Dampf wird über einen Stutzen
16 zugeführt, über den der Abdampf der Turbine aus diesem in den Kondensatorraum
des Mischkondensators gelangt. Hier wird der Dampf durch Wasserhautflächen kondensiert,
die aus Düsen 17 heraustreten. Diese Düsen 17 zum Bilden der Wasserhautflächen sind
an den Seitenwänden von Wasserkammern 18 bzw. 19 angebracht. Die Wasserkammern 18
erhalten über einen Stutzen 27 unmittelbar Kühlwasser, während die in der Mitte
liegenden Wasserkammern 19 aus der Wasserkammer 18 über Wasserversorgungstaschen
25 mit Kühlwasser versorgt werden. Um den Zusammenstoß der aus den Wasserkammern
18 bzw. 19 herausgespritzten Wasserhautflächen zu vermeiden und das aus den oberen
Düsenreihen herausgespritzte und im Kondensator hinabfallende Wasser am Stören der
Bildung von niedriger liegenden Wasserhautflächen zu verhindern, sind zwischen den
aus den Wasserkammern 18 und 19 herausgespritzten Wasserhautflächen Zickzackplatten
21 derart angebracht, daß sie von den Wasserhautflächen parallel zu den Erzeugenden
der Zickzackflächen beaufschlagt werden, da Platten dieser Art das an ihnen aufschlagende
Wasser ableiten. Auf diese Weise kann einerseits gesichert werden, daß die von beiden
Seiten gespritzten Wasserhautflächen nicht zusammenstoßen und anderseits das aus
der oberen Düsenreihe herausgespritzte und herabfallende Wasser die durch die niedriger
liegende Düsenreihe gebildeten Wasserhautflächen nicht stört. Das von den Zickzackplatten
und den unteren Düsenreihen herabfallende Wasser gelangt auf Sammelscheiben 22 bzw.
26, von denen die Sammelscheibe 26 perforiert ist, so daß das Wasser über die Perforationsöffnungen
in einen Wassersammelraum 29 entweichen kann. Zwecks eventuell erforderlicher weiterer
Erwärmung des von der Wassersammelscheibe26 herabfließenden Wassers sind im Kondensator
zwei Dampfzuführungsgänge 28 vorgesehen, die an der Vorderwand und Rückwand des
Kondensators ausgebildet und bestimmt sind, einen Teil des in den Kondensator eintretenden
Abdampfes bei Umgehung des mit Wasserhautflächen versehenen Raumes unter die Wassersammelscheibe
26 zu leiten und auf diese Weise zu ermöglichen, daß das auf die Sammelscheibe herabrieselnde
und eventuell nicht die Sättigungstemperatur aufweisende Wasser auf eine Sättigungstemperatur
erwärmt wird.
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Die kälteste Stelle des Kondensators gemäß F i g. 3 wird durch die
Wasserstrahlen 24 bestimmt, wobei nicht kondensierbare Gase durch Stutzen 23 abgesaugt
werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Mischkondensators ist in Fig.4
dargestellt. Ausführungsformen dieser Art sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn
die Dampfturbine, der der Mischkondensator zugeordnet ist, eine seitliche oder axiale
Auspuffrichtung aufweist. Der zum Zuführen des Dampfes dienende Stutzen 30 schließt
sich an die Dampfturbine an und leitet den Abdampf in den Kondensatorraum 31, wo
der eintretende Dampf durch Wasserhautflächen kondensiert wird, die aus Spritzdüsen
32 heraustreten. Die Düsen 32 sind an Seitenwänden von Wasserverteilerkammern 33
angebracht, deren Wasserversorgung mittels Wasserverteilertaschen 34 mit abnehmendem
Querschnitt erfolgt. Den letzteren wird das Kühlwasser über Einlaßstutzen 35 zugeführt.
Der zum Kondensieren dienende Raum weist einen ständig abnehmenden Querschnitt auf.
Am äußersten Ende des Kondensators ist ein Luftabsaugstutzen 36 vorgesehen, wodurch
die angesammelte Luft von der kälteren Stelle 37 des Kondensators abgeführt werden
kann. Die Düsen 32 zum Bilden von Wasserhautflächen dienen zum Kühlen des
@ Raumes vor dem Luftabsaugstutzen 36.
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Das herabfließende Wasser der in den Kondensatorraum eingespritzten
Wasserhautflächen wird in Scheiben 43 angesammelt, die verhindern, daß das
herabfließende Kühlwasser die Bildung von niedriger liegenden Wasserhautflächen
stört. Zum Sammeln des im Mischkondensator herabfließenden gesamten Kühlwassers
dienen Wassersammelscheiben 38 bzw. 39, von denen die Scheibe 39 mit Perforation
versehen ist und eine Lenkwand 40 aufweist, die dazu dient, einen Teil des
in den Stutzen 30 eintretenden Abdampfes unter die Scheibe 39 gelangen zu
lassen und auf diese Weise das über die Perforationsöffnungen der Scheibe 39 hindurchfließende
Kühlwasser noch zu erwärmen, falls die Temperatur dieses Wassers den Sättigungswert
nicht erreicht haben sollte. Das von der Wassersammelscheibe 39 herabfließende Kühlwasser
gelangt in einen im unteren Teil des Mischkondensators vorgesehenen Wassersammelraum
41, an den ein Wasserablaßstutzen 42 angeschlossen ist.
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Beim Bau von großen Mischkondensatoren muß dafür gesorgt werden, daß
der Dampf vom Einlaßstutzen an auch in Seitenrichtung strömen kann, damit der Kondensationsraum
vollständig mit Dampf ausgefüllt wird.
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In derartigen Fällen sind die im Mischkondensator vorgesehenen Wasserhautflächen
nicht alle parallel zueinander, indem die dem Dampfeinlaßstutzen gegenüberliegenden
Wasserhautflächen zur Strömungsrichtung
des eintretenden Dampfes
parallel liegen, während die Ebenen der am Rand des Mischkondensators gebildeten
Wasserhautflächen gegen die Mitte des Kondensators gerichtet sind und somit eine
Strömung des Dampfes gegen die Ränder des Mischkondensators ermöglichen, ohne hierdurch
große Druckverluste herbeizuführen. In den beschriebenen Fällen sind demnach nicht
alle Wasserhautflächen parallel zueinander, indem manche von ihnen, entsprechend
der Strömungsrichtung des Dampfes, einen Winkel miteinander einschließen.