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Einrichtung zum Trocknen und Reinigen von Dampf
Die Erfindung beziehtsich aufeine Einrichtung zum Trocknen und Reinigen von Dampf mit Hilfe von Zentrifugalabscheidern, wobei Wasser und Dampf, die feste Verunreinigungen enthalten, in trockenen Dampf, reines Wasser und Verunreinigungen enthaltendes Wasser getrennt werden.
Aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 214, 658 ist es bekannt, Dampf mit Hilfe eines Zentrifugalabschei- - ders zu trocknen. Ferner ist in der niederländischen Patentschrift Nr. 57. 888 vorgeschlagen. Dampf dadurch zu waschen, dass man den Dampf durch einen Flüssigkeitsfilter leitet. Ausserdem ist aus der USAPatentschrift Nr. 2, 708, 981 ein Dampfreiniger bekanntgeworden, bei dem der Dampf nach Durchströmen eines Zentrifugalreinigers durch einen Flüssigkeitsfilter und anschliessend durch einen Dampftrockner geleitet wird.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet die Bezeichnung "reines Wasser, dass das Wasser von suspendierten festen Teilchen, wie in Wasser unlöslichen Salzen, Metalloxyden u. dgl., die während des Betriebes einer Dampferzeugungsanlage entstehen können, frei ist, wobei dieses Wasser geeignet ist, zu der Dampferzeugungsanlage zurückgeleitet zu werden.
Bekanntlich ist es erforderlich, für die Erzeugung des Dampfes, der mit Dampf betriebenen Anlagen, z. B. Dampfturbinen, zugeführt wird, Wasser von sehr hohem Reinheitsgrad zu verwenden ; dies gilt insbesondere für mit hoher Drehzahl laufende Turbinen, denn das Vorhandensein von Verunreinigungen, insbesondere von Salzen, wirkt sich auf verschiedene Bauteile der Turbinen, z. B. die Turbinenschaufeln, schädlich aus, so dass nicht nur die Lebensdauer dieser Teile herabgesetzt wird, sondern auch schwerwiegende Betriebsstörungen eintreten können, die zu erheblichem Sachschaden und zu einer Gefährdung des Bedienungspersonals führen können.
Abgesehen von der Beseitigung fester Verunreinigungen ist es wichtig, dass auch flüssige Teilchen rechtzeitig aus dem Dampf entfernt werden, u. zw. selbst dann, wenn der Dampf durch einen Überhitzer geleitet wird, bevor ihm mechanische Energie entzogen wird, denn auch wenn der letzte Rest des Wassers in dem Überhitzer verdampft wird, finden die Salze auf jeden Fall ihren Weg in den Dampf zurück, d. h. die Salze können von der Dampfphase mitgerissen werden. Noch nachteiliger ist die Erscheinung, dass sich-Salze im Überhitzer ablagern, denn hiedurch wird der Wärmeübergang erheblich beeinträchtigt und ausserdem besteht die Gefahr einer Überhitzung der Rohre. Bei den hier in Frage kommenden hohen Temperaturen verliert das Material seine Festigkeit, so dass die Rohre unter der Wirkung des Dampfdrukkes zusammenbrechen.
Es ist bekannt, dass sich bei einem bestimmten Gleichgewichtszustand zwischen der flüssigen Phase und der Dampfphase lösliche Salze und Oxyde, die immer noch im Speisewasser enthalten sind, hauptsächlich im flüssigen Zustand befinden bzw. dass das erreichte Gleichgewicht auf der Seite der flüssigen Phase liegt. Es ist daher erwünscht, dass der Dampf von flüssigen Bestandteilen vollständig oder im wesentlichen vollständig frei ist, bevor er in einen Überhitzer eintritt, um dann einer mit Dampf betriebenen Anlage zugeführt zu werden. Hiedurch wird ausserdem gewährleistet, dass die Verunreinigungen und die Salze im wesentlichen vollständig zusammen mit der Flüssigkeit abgeführt werden.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, Dampf, Wasser und
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Verunreinigungen im wesentlichen vollständig voneinander zu trennen, so dass man praktisch einen trokkenen Dampf erhält, der keine Salze, Oxyde oder andere Verunreinigungen enthalt ; fermer werden die genannten Medien, die von dem Dampf abgetrennt werden, einerseits in Wasser, das bezüglich seiner Qualität geeignet ist, der Dampferzeugungsanlage erneut zugeführt zu werden, und anderseits in Wasser getrennt, das alle oder im wesentlichen alle Verunreinigungen enthält, die nicht in die mit dem Dampf betriebene Anlage gelangen dürfen.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine Einrichtung vor, die charakterisiert ist durch die Kombination eines aufrecht stehenden zylindrischen Gefässes mit einem an die zylindrische Wand des Gefässes angeschlossenen tangentialen Einlassstutzen, einem innerhalb des Gefässes oberhalb des Einlasses angeordneten ringförmigen Flüssigkeitsverteilkanal, der mit einer Leitung zum Zuführen gereinigten Wassers sowie mit einer oder mehreren Abgabevorrichtungen, die das Wasser als einen nach unten gerichteten Flüssigkeitsvorhang abgeben, einem in dem Gefäss oberhalb des Flüssigkeitsverteilkanals angeordneten, aufrechtstehenden Zyklon, dessen tangentialer Einlass innerhalb des Gefässes vorgesehen ist,
wobei das obere Ende des zentralen Gas- oder Dampfauslasses mit einer zur Aussenseite des Gefässes führenden Abgabeleitung in Verbindung steht und wobei das untere Ende der Flüssigkeitsabgabevorrichtung in einen innerhalb des Gefässes vorgesehenen Flüssigkeitsverschluss mündet, ferner mit einer ringförmigen Rinne zum Sam- meln des verunreinigten Wassers in dem Gefäss, wobei diese Rinne durch die zylindrische Wand des Gefässes, eine damit gleichachsige Wand und einen unterhalb des zum Gefäss führenden Einlassstutzens angeordneten Boden abgegrenzt wird und eine Abgabeleitung aufweist, sowie schliesslich eine Leitung zum Abgeben von Wasser aus dem unteren Teil des Gefässes.
Die Einrichtung nach der Erfindung gewährleistet eine sehr weitgehende Reinigung und Trocknung des Dampfes, wobei mit sehr hohen Belastungen und grossen Belastungsschwankungen gearbeitet werden kann, ohne dass nachteilige Wirkungen auftreten ; ferner ermöglicht die Erfindung lange ununterbrochene Betriebszeiten und gestattet es, einen sehr grossen Anteil des abgetrennten Wassers der Dampferzeugungsanlage erneut zuzuführen. Darüber hinaus ist die Einrichtung als gedrängt aufgebaute Konstruktion ausgebildet, sie weist keine nach aussen vorspringenden Teile auf und es sind keine beweglichen Telle vorhanden ; schliesslich braucht die Einrirhtung nicht in eine Anlage eingebaut zu werden, sondern man kann sie als gesondertes Aggregat bei einer vorhandenen Anlage vorsehen.
Der bei der erfindungsgemässen Einrichtung verwendete Zyklonabscheider soll eine hohe Trennwir-
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beschrieben ist, für diesen Zweck sehr geeignet. Vorzugsweise verwendet man jedoch einen Zyklonabscheider von besonderer Konstruktion, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er einen zylindrischen Mantel besitzt und mit einem flachen Boden versehen ist, an den eine Flüssigkeitsabgabeleitung angeschlossen ist; ferner ist dieser Zyklonabscheider in einigem Abstand von seinem Boden mit einem unteren Auffangtopf ausgerüstet, der am oberen Ende offen ist und einen nach aussen umgebogenen Rand besitzt ; dieser Auffangtopf hat einen flachen Boden, an den ebenfalls eine Flüssigkeitsabgabeleitung angeschlossen ist ; der Auffangtopf ist mit dem Boden des Zyklonabscheiders durch mehrere senkrechte Stützen verbunden.
Gemäss der Erfindung kann sich der Auffangtopf in Richtung auf seinen Boden kegelförmig erweitern und sein unteres Ende kann mit mehreren radialen Trennwänden versehen sein, wobeijn dem Boden eine Öffnung vorgesehen ist, an die sich eine Flüssigkeitsabgabeleitung anschliesst.
Der Auffangtopf ist auf seiner Aussenseite vorzugsweise mit mehreren radialen Trennwänden ausgerüstet, die sich vom zylindrischen Mantel des Zyklonabscheiders aus über eine bestimmte Länge nach oben erstrecken.
Die Trennwände innerhalb und ausserhalb des Auffangtopfes dienen dazu, einer drehenden Bewegung der Gase entgegenzuwirken und den geringen Druckabfall im Zyklonabscheider zu bewirken.
Der zentrale Gasauslass des Zyklonabscheiders kann mit der Gasabgabeleitung über eine zusätzliche Kammer zum Abscheiden von Wasser verbunden sein, die ein Flüssigkeitsabgaberohr aufweist, welches in den Flüssigkeitsverschluss innerhalb des Gefässes mündet.
Versuche haben gezeigt, dass ein Zyklonabscheider dieser Bauart den wesentlichen Vorteil bietet, dass der sowohl der Flüssigkeit als auch dem Gas entgegengesetzte Widerstand vom Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes unabhängig ist. Ausserdem ist der Druckabfall auf der Gasseite niedriger als bei. dem Zyklonabscheider nach der niederländischen Patentschrift Nr. 76 274. und der Abscheidungswirkungsgrad ist sogar noch etwas höher als bei diesem bekannten Zyklonabscheider. Dieser Vorteil tritt insbesondere bei hoher Flüssigkeitsbelastung in Erscheinung.
Die Erfindung wild im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbei-
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spiel näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine Ausbildungsform der Erfindung.
Die gezeigte Einrichtung besteht aus einem aufrecht stehenden zylindrischen Gefäss 1, dessen Höhe etwa gleich dem 6-fachen seines Durchmessers ist. Das Verhältnis zwischen der Höhe und dem Durchmesser des Gefässes liegt gewöhnlich zwischen 4 und 8 und richtet sich nach den jeweiligen Betriebsbedingungen. Wenn es z. B. erwunscht ist, den untere Teil mit einer Wasserzone von ziemlich grossem Fassungsvermögen zu versehen, kann man das erforderliche Volumen dadurch bereitstellen, dass man eine erhebliche Höhe des Gefässes vorsieht.
Das Gefäss 1 ist mit einem tangentialen Einlassstutzen 2 für den zu behandelnden Dampf ausgerüstet.
Innerhalb des Gefässes 1 sind oberhalb des Dampfeinlassstutzens 2 ein ringförmiger Flüssigkeitsverteilkanal 3 für gereinigtes Wasser und ein Zyklonabscheider 4 angeordnet. Innerhalb des Gefässes sind unterhalb des Einlassstutzens 2 eine ringförmige Rinne 5 für verunreinigtes Wasser und ein Flüssigkeitsverschluss 6 vorgesehen. Bei dem unteren Teil 7 des Gefässes handelt es sich um den Flüssigkeitsraum, an dessen unteres Ende sich eine Flüssigkeitsabgabeleitung 8 anschliesst. Das obere Ende des Gefässes 1 trägt eine Gasaustrittsleitung 9, die an den Zyklonabscheider 4 angeschlossen ist.
Schliesslich ist das Gefäss noch mit einer tangentialen Leitung 10 zum Zuführen gereinigten Wassers versehen ; diese Leitung ist an den Flüssigkeitsverteilkanal 3 angeschlossen, und ferner ist eine mit der Sammelrinne 5 verbundene Leitung 11 zum Abgeben verunreinigten Wassers vorgesehen.
Der Zyklonabscheider 4 hat einen zylindrischen Mantel 12 und einen flachen Boden 13. Der tangentiale Einlass 14 führt zum oberen Teil des Gefässes 1. Am oberen Ende des Zyklonabscheiders 4 ist ein zentrales Rohr 15 zum Abgeben der Gase vorgesehen. Dieses Gasabgaberohr ist von einem Ring 16 umgeben, der verhindert, dass ein Flüssigkeitsfilm von aussen her über die obere Wand des Zyklonabscheiders fliesst. Das Vorhandensein dieses Ringes ist jedoch bei dieser Ausbildungsform nicht unbedingt erforderlich, denn das Abgaberohr 15 mündet in einer zusätzlichen Wasserabscheidekammer 17. in der alle Flüssigkeitsreste gesammelt werden können, die in diese Kammer gelangen. z. B. in Form eines sich längs des Rohres 15 bewegenden Flüssigkeitsfilmes. Die Gasabgabeleitung 9 ist an die Kammer 17 angeschlossen.
Ein Auffangtopf 18, dessen oberer Rand nach aussen umgebogen ist, ist in einem gewissen Abstand vom Boden 13 des Zyklons 4 angeordnet. Der Auffangtopf 18 ist mit dem Boden des Zyklons durch mehrere aufrecht stehende Stützen 25 verbunden. Der Auffangtopf erweitert sich kegelförmig in Richtung auf sein unteres Ende, das mit mehreren radialen Trennwänden 21 versehen ist, die so angeordnet sind, dass der Rand des Bodens frei bleibt.
Eine Flüssigkeitsabgabeleitung 22 ist tangential an das untere Ende 13 des Zyklons angeschlossen. Der Boden des Auffangtopfes 18 besitzt eine Öffnung, mit der ein ebenfalls tangentiales Rohr 23 zum Abgeben der im Topf 18 gesammelten Flüssigkeit verbunden ist. Auch an die Kammer 17 schliesst sich eine Flüssigkeitsabgabeleitung 24 an. Die Leitungen 22, 23 und 24 münden nahe dem Boden eines am oberen Ende offenen Kastens 6, der eine Flüssigkeitsdichtung bildet.
Nachstehend ist die Arbeitsweise der Einrichtung beschrieben. Der zu behandelnde Dampf tritt in die Einrichtung über den tangentialen Einlassstutzen 2 ein und wegen der auftretenden Fliehkraftwirkung wird derjenige Teil der Flüssigkeit, welcher die höchste Salzkonzentration besitzt, zusammen mit den schwereren Verunreinigungen gegen die Wand des Gefässes 1 geschleudert, so dass sich diese Stoffe zusammen mit Wasser längs der Wand nach unten bewegen und im Raum 5 sammeln. Der Dampf mit der darin noch verbliebenen Flüssigkeit passiert dann den Flüssigkeitsvorhang, der aus gereinigtem Wasser besteht, welches dem Flüssigkeitsverteilkanal 3 entnommen und über die Leitung 10 zugeführt wird ; bei der hier beschriebenen Ausbildungsform bildet der Kanal 3 eine offene kreisrunde Rinne, aus der das Wasser in Form eines Vorhanges längs der inneren Wand herabregnet.
Innerhalb dieses Wasservorhanges vereinigen sich die kleinsten Flüssigkeitsteilchen zu grösseren Flüssigkeitsteilchen und die noch verbliebenen Verunreinigungen werden gesammelt. Wenn sich die Flüssigkeit weiter nach unten bewegt, wird ihr eine drehende Bewegungskomponente verliehen, so dass in diesem Falle auch die Flüssigkeitstropfen, die jetzt die festen Verunreinigungen enthalten, nach aussen geschleudert werden und schliesslich ebenfalls in die Sammelrinne 5 gelangen. Ein Teil des in der Rinne 5 gesammelten Materials wird über die Leitung 11 abgezogen, während das von Verunreinigungen befreite Wasser über den oberen Rand der Rinne 5 läuft, den zentralen Kanal innerhalb der Ringrinne 5 passiert und schliesslich in den Flüssigkeitsraum 7 des Gefässes gelangt.
Es ist natürlich wichtig, dass der Flüssigkeitsvorhang mit Hilfe einer offenen ringförmigen Rinne erzeugt wird. Es ist z. B. moglich, die Zuführungsleitung 10 an eine Ringleitung anzuschliessen, die die
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Form eines geschlossenen kreisrunden Rohres besitzt, welches mit einer grossen Zahl von über seinen Umfang in regelmässigen Abständen verteilten Spritzöffnungen versehen ist. Da es in diesem Falle auch möglich ist, den Flüssigkeitsvorhang etwas nach innen oder aussen zu richten, wenn die jeweilige Konstruktion dies als wünschenswert erscheinen lässt, so dass der Flüssigkeitsvorhang die Form einer Kegelstumpffläche erhält.
Dervom grössten Teil des darin enthaltenen Wassers befreite Dampf steigt im Gefäss 1 nach oben und tritt über die tangentiale Zuführungsleitung 14 in den Zyklon 4 ein, wo im wesentlichen die ganze noch vorhandene Flüssigkeit zurückgehalten wird. In diesem Zyklon wird die Flüssigkeit vom Dampf in be, kann- ter Weise getrennt. Der Auffangtopf 18 hat folgende Aufgabe : Der grösste Teil der Flüssigkeit, die sich wegen des nach innen gerichteten sekundären Gasstromes nahe dem Boden des Zyklons an diesem Punkt vom Umfang des Zyklons z. B. in Form kleiner Tröpfchen weg bewegt, gelangt zum Rand 19 des Auffangtopfes 18. Die über den Rand 19 kriechende Flüssigkeit gelangt in das Innere des Auffangtopfes und kann daher nicht mehr durch den sich nach oben bewegenden Gasstrom zerstäubt und mitgerissen werden.
Ein Teil dieser Flüssigkeit bewegt sich vom Rand 19 weg und gelangt erneut in Form von Tropfen in den Gasstrom. Form und Lage des Randes 19 sind so gewählt, dass die Tropfen durch Fliehkräfte erneut gegen die Zyklonwand geschleudert werden, denn sowohl die Drehbewegung als auch der senkrechte Gasstrom im Auffangtopf sind erheblich weniger kräftig als in dem darüberliegenden eigentlichen Zykionraum, was darauf zurückzuführen ist, dass sich der Auffangtopf nach unten erweitert und dass Trennwände 21 vorhanden sind.
Die Trennwände 20 an der Aussenseite des Auffangtopfes sind ebenfalls dazu bestimmt, einer drehenden Bewegung des Gases entgegenzuwirken und sie ermöglichen es der Flüssigkeit, ungehindert längs der Wand nach unten zu strömen.
Alle Flüssigkeitsreste, die immer noch vom Gasstrom mitgerissen werden können oder in Form eines Flüssigkeitsfilmes über die Wand des Rohres 15 kriechen, werden schliesslich in der Kammer 17 gesammelt. Dort, wo die Flüssigkeit gesammelt wird, d. h. am Boden des Zyklons, am Boden des Auffangtopfes 18 sowie am Boden der Kammer 17, wird die Flüssigkeit über die Leitungen 22, 23 und 24 abgezogen und dem als Flüssigkeitsdichtung dienenden Kasten 6 zugeführt.
Es ist nicht wichtig, einen Kasten 6 dieser Bauart vorzusehen, denn die Leitungen können ebenso gut bis in den Flüssigkeitsraum 7 hinein verlängert werden. der ebenfalls als Flüssigkeitsdichtung wirken kann.
Die Standhöhe der Flüssigkeit kann jedoch im Raum 7 in weiten Grenzen variieren, denn dieser Raum eignet sich sehr gut zur Verwendung als Pufferraum für das der Dampferzeugungsanlage zuzuführende Wasser und in der Praxis erfüllt der Raum 7 diese Aufgabe. In diesem Falle wäre es erforderlich, die Leitungen bis nahe an den Boden des Gefässes zu verlängern. Dies ist jedoch nicht notwendig, wenn der Flüssigkeitsverschluss 6 vorhanden ist und ausserdem kann der Raum 7 in diesem Falle ohne weiteres zeitweilig von Flüssigkeit freigehalten werden. Da der Druckabfall des beschriebenen Zyklons auf der Gasseite so günstig ist, besteht kaum eine Gefahr, dass Wasser über die Leitung 24 nach oben gesaugt wird, wenn kein statisches Gefälle vorhanden ist, so dass man die Länge der Leitung 24 verringern kann.
Dieser Vorteil wirkt sich ebenfalls günstig auf die Gesamtlänge der Einrichtung aus, die daher kleiner sein kann als bei der Verwendung eines Zyklons einer andern Bauart in Verbindung mit der Kammer 17.
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